På verdensbasis produserer vannkraftverk omtrent 24 prosent av verdens elektrisitet og forsyner mer enn 1 milliard mennesker med strøm. Verdens vannkraftverk produserer til sammen 675 000 megawatt, energiekvivalenten til 3,6 milliarder fat olje, ifølge National Renewable Energy Laboratory. Det er mer enn 2000 vannkraftverk i drift i USA, noe som gjør vannkraft til landets største fornybare energikilde.
I denne artikkelen skal vi se på hvordan fallende vann skaper energi og lære om den hydrologiske syklusen som skaper vannstrømmen som er essensiell for vannkraft. Du vil også få et glimt av én unik anvendelse av vannkraft som kan påvirke hverdagen din.
Når man ser en elv rulle forbi, er det vanskelig å forestille seg kraften den bærer. Hvis du noen gang har drevet med rafting, har du følt en liten del av elvens kraft. Stryk oppstår når en elv fører en stor mengde vann nedoverbakke, flaskehalser gjennom en smal passasje. Når elven presses gjennom denne åpningen, øker strømmen. Flom er et annet eksempel på hvor stor kraft en enorm vannmengde kan ha.
Vannkraftverk utnytter vannets energi og bruker enkel mekanikk for å omdanne denne energien til elektrisitet. Vannkraftverk er faktisk basert på et ganske enkelt konsept – vann som strømmer gjennom en demning driver en turbin, som igjen driver en generator.
Her er de grunnleggende komponentene i et konvensjonelt vannkraftverk:
Akselen som forbinder turbinen og generatoren
Demning – De fleste vannkraftverk er avhengige av en demning som holder tilbake vann og skaper et stort reservoar. Ofte brukes dette reservoaret som en rekreasjonssjø, som for eksempel Lake Roosevelt ved Grand Coulee-demningen i delstaten Washington.
Inntak – Sluser på demningen åpnes, og tyngdekraften trekker vannet gjennom rørledningen, en rørledning som fører til turbinen. Vannet bygger opp trykk når det strømmer gjennom dette røret.
Turbin – Vannet treffer og dreier de store bladene på en turbin, som er festet til en generator over den via en aksel. Den vanligste typen turbin for vannkraftverk er Francis-turbinen, som ser ut som en stor skive med buede blader. En turbin kan veie så mye som 172 tonn og rotere med en hastighet på 90 omdreininger per minutt (o/min), ifølge Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatorer – Etter hvert som turbinbladene roterer, roterer også en rekke magneter inne i generatoren. Gigantiske magneter roterer forbi kobberspoler og produserer vekselstrøm (AC) ved å bevege elektroner. (Du lærer mer om hvordan generatoren fungerer senere.)
Transformator – Transformatoren inne i kraftverket tar vekselstrømmen og konverterer den til strøm med høyere spenning.
Kraftledninger – Fra hvert kraftverk kommer det fire ledninger: de tre fasene av strøm som produseres samtidig pluss en nøytral eller jord som er felles for alle tre. (Les Hvordan kraftdistribusjonsnett fungerer for å lære mer om kraftledningsoverføring.)
Utstrømning – Brukt vann føres gjennom rørledninger, kalt haleløp, og renner tilbake i elven nedstrøms.
Vannet i reservoaret regnes som lagret energi. Når slusene åpnes, blir vannet som strømmer gjennom rørledningen til kinetisk energi fordi det er i bevegelse. Mengden elektrisitet som genereres bestemmes av flere faktorer. To av disse faktorene er volumet av vannstrømmen og mengden hydraulisk fallhøyde. Fallhøyden refererer til avstanden mellom vannoverflaten og turbinene. Etter hvert som fallhøyden og vannstrømmen øker, øker også den genererte elektrisiteten. Fallhøyden er vanligvis avhengig av mengden vann i reservoaret.
Det finnes en annen type vannkraftverk, kalt pumpekraftverk. I et konvensjonelt vannkraftverk strømmer vannet fra reservoaret gjennom anlegget, kommer ut og føres nedstrøms. Et pumpekraftverk har to reservoarer:
Øvre reservoar – I likhet med et konvensjonelt vannkraftverk lager en demning et reservoar. Vannet i dette reservoaret strømmer gjennom vannkraftverket for å produsere elektrisitet.
Nedre reservoar – Vann som forlater vannkraftverket renner inn i et nedre reservoar i stedet for å gå tilbake til elven og strømme nedstrøms.
Ved hjelp av en reversibel turbin kan anlegget pumpe vann tilbake til det øvre reservoaret. Dette gjøres utenom rushtiden. I hovedsak fyller det andre reservoaret det øvre reservoaret. Ved å pumpe vann tilbake til det øvre reservoaret har anlegget mer vann til å generere strøm i perioder med toppforbruk.
Generatoren
Hjertet i vannkraftverket er generatoren. De fleste vannkraftverk har flere av disse generatorene.
Generatoren, som du kanskje har gjettet, genererer elektrisitet. Den grunnleggende prosessen for å generere elektrisitet på denne måten er å rotere en serie magneter inne i trådspoler. Denne prosessen beveger elektroner, noe som produserer elektrisk strøm.
Hooverdammen har totalt 17 generatorer, som hver kan generere opptil 133 megawatt. Den totale kapasiteten til vannkraftverket i Hooverdammen er 2074 megawatt. Hver generator er laget av visse grunnleggende deler:
Når turbinen roterer, sender eksitoren en elektrisk strøm til rotoren. Rotoren er en serie store elektromagneter som spinner inne i en tettviklet spole av kobbertråd, kalt statoren. Magnetfeltet mellom spolen og magnetene skaper en elektrisk strøm.
I Hooverdammen beveger en strøm på 16 500 ampere seg fra generatoren til transformatoren, hvor strømmen øker til 230 000 ampere før den overføres.
Vannkraftverk utnytter en naturlig, kontinuerlig prosess – prosessen som får regn til å falle og elver til å stige. Hver dag mister planeten vår en liten mengde vann gjennom atmosfæren når ultrafiolette stråler bryter ned vannmolekyler. Men samtidig slippes det ut nytt vann fra den indre delen av jorden gjennom vulkansk aktivitet. Mengden vann som skapes og mengden vann som går tapt er omtrent den samme.
Til enhver tid finnes verdens totale vannvolum i mange forskjellige former. Det kan være flytende, som i hav, elver og regn; fast, som i isbreer; eller gassformig, som i den usynlige vanndampen i luften. Vann endrer tilstand når det beveger seg rundt planeten av vindstrømmer. Vindstrømmer genereres av solens varmeaktivitet. Luftstrømssykluser skapes av at solen skinner mer på ekvator enn på andre områder av planeten.
Luftstrømssykluser driver jordens vannforsyning gjennom en egen syklus, kalt den hydrologiske syklusen. Når solen varmer opp flytende vann, fordamper vannet til damp i luften. Solen varmer opp luften, noe som får luften til å stige opp i atmosfæren. Luften er kaldere høyere oppe, så når vanndampen stiger, avkjøles den og kondenserer til dråper. Når nok dråper samler seg på ett område, kan dråpene bli tunge nok til å falle tilbake til jorden som nedbør.
Den hydrologiske syklusen er viktig for vannkraftverk fordi de er avhengige av vannføring. Hvis det er lite regn i nærheten av anlegget, vil ikke vann samle seg oppstrøms. Uten vann som samler seg oppstrøms, strømmer mindre vann gjennom vannkraftverket og mindre strøm genereres.
Grunnideen bak vannkraft er å bruke kraften fra en væske i bevegelse til å dreie et turbinblad. Vanligvis må en stor demning bygges midt i en elv for å utføre denne funksjonen. En ny oppfinnelse utnytter ideen om vannkraft i mye mindre skala for å gi strøm til bærbare elektroniske enheter.
Oppfinneren Robert Komarechka fra Ontario i Canada har kommet opp med ideen om å plassere små vannkraftgeneratorer i skosålene. Han tror disse mikroturbinene vil generere nok strøm til å drive nesten hvilken som helst dings. I mai 2001 fikk Komarechka patent på sin unike fotdrevne enhet.
Det finnes et veldig grunnleggende prinsipp for hvordan vi går: Foten faller hæl mot tå under hvert skritt. Når foten lander på bakken, føres kraft ned gjennom hælen. Når du forbereder deg på neste skritt, ruller du foten fremover, slik at kraften overføres til fotballen. Komarechka la tydeligvis merke til dette grunnleggende prinsippet for gange og har utviklet en idé for å utnytte kraften i denne hverdagsaktiviteten.
Det er fem deler til Komarechkas «fottøy med vannkraftgeneratorenhet», som beskrevet i patentet:
Væske – Systemet vil bruke en elektrisk ledende væske.
Sekker for å holde væsken – En sekk plasseres i hælen og en annen i tådelen av skoen.
Rør – Rør kobler hver sekk til en mikrogenerator.
Turbin – Når vannet beveger seg frem og tilbake i sålen, beveger det bladene på en liten turbin.
Mikrogenerator – Generatoren er plassert mellom de to væskefylte sekkene, og inkluderer en vingerotor, som driver en aksel og dreier generatoren.
Når en person går, vil kompresjonen av væsken i sekken som ligger i skoens hæl tvinge væsken gjennom røret og inn i den vannkraftige generatormodulen. Når brukeren fortsetter å gå, vil hælen løftes og det vil bli utøvd et nedadgående trykk på sekken under fotballen. Væskens bevegelse vil rotere rotoren og akselen for å produsere elektrisitet.
Det vil bli utstyrt med en utvendig stikkontakt for å koble ledninger til en bærbar enhet. En strømstyringsenhet kan også brukes til å bæres i beltet. Elektroniske enheter kan deretter kobles til denne strømstyringsenheten, som vil gi en jevn strømforsyning.
«Med økningen i antallet batteridrevne, bærbare enheter», står det i patentet, «er det et økende behov for å tilby en langvarig, tilpasningsdyktig og effektiv strømkilde.» Komarechka forventer at enheten hans vil bli brukt til å drive bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, CD-spillere, GPS-mottakere og toveisradioer.
Publisert: 21. juli 2022
