Na całym świecie elektrownie wodne produkują około 24 procent światowej energii elektrycznej i dostarczają energię ponad 1 miliardowi ludzi. Elektrownie wodne na świecie produkują łącznie 675 000 megawatów, co odpowiada energii 3,6 miliarda baryłek ropy, zgodnie z National Renewable Energy Laboratory. W Stanach Zjednoczonych działa ponad 2000 elektrowni wodnych, co czyni energię wodną największym odnawialnym źródłem energii w kraju.
W tym artykule przyjrzymy się, jak spadająca woda wytwarza energię i poznamy cykl hydrologiczny, który tworzy przepływ wody niezbędny dla hydroenergii. Otrzymasz również wgląd w jedno wyjątkowe zastosowanie hydroenergii, które może mieć wpływ na Twoje codzienne życie.
Kiedy patrzysz na płynącą rzekę, trudno sobie wyobrazić, jaką siłę niesie. Jeśli kiedykolwiek uprawiałeś rafting, to poczułeś małą część mocy rzeki. Bystrza rwącej rzeki powstają, gdy rzeka niesie dużą ilość wody w dół, tworząc wąskie gardła przez wąskie przejście. Gdy rzeka jest przepychana przez ten otwór, jej przepływ przyspiesza. Powodzie są kolejnym przykładem tego, jaką siłę może mieć ogromna objętość wody.
Elektrownie wodne wykorzystują energię wody i wykorzystują prostą mechanikę, aby przekształcić tę energię w energię elektryczną. Elektrownie wodne opierają się na dość prostej koncepcji — woda przepływająca przez tamę obraca turbinę, która obraca generator.
Oto podstawowe elementy konwencjonalnej elektrowni wodnej:
Tama – Większość elektrowni wodnych opiera się na tamie, która zatrzymuje wodę, tworząc duży zbiornik. Często zbiornik ten jest używany jako jezioro rekreacyjne, takie jak jezioro Roosevelt przy tamie Grand Coulee w stanie Waszyngton.
Wlot – Bramy na tamie otwierają się, a grawitacja wciąga wodę przez rurociąg, który prowadzi do turbiny. Woda nabiera ciśnienia, gdy przepływa przez tę rurę.
Turbina – Woda uderza i obraca duże łopatki turbiny, która jest przymocowana do generatora nad nią za pomocą wału. Najpopularniejszym typem turbiny dla elektrowni wodnych jest turbina Francisa, która wygląda jak duży dysk z zakrzywionymi łopatkami. Turbina może ważyć nawet 172 tony i obracać się z prędkością 90 obrotów na minutę (rpm), zgodnie z Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatory – Gdy łopatki turbiny obracają się, to samo dzieje się z szeregiem magnesów wewnątrz generatora. Olbrzymie magnesy obracają się obok miedzianych cewek, wytwarzając prąd przemienny (AC) poprzez przesuwanie elektronów. (Więcej o działaniu generatora dowiesz się później.)
Transformator – Transformator wewnątrz elektrowni pobiera prąd zmienny i zamienia go na prąd o wyższym napięciu.
Linie energetyczne – Z każdej elektrowni wychodzą cztery przewody: trzy fazy prądu wytwarzane jednocześnie oraz przewód neutralny lub uziemiający wspólny dla wszystkich trzech. (Przeczytaj artykuł Jak działają sieci dystrybucji energii, aby dowiedzieć się więcej o przesyłaniu energii liniami energetycznymi.)
Odpływ – Zużyta woda jest transportowana rurociągami, zwanymi kanałami wylotowymi, i ponownie wpływa do rzeki w dół rzeki.
Woda w zbiorniku jest uważana za zmagazynowaną energię. Gdy śluzy się otwierają, woda przepływająca przez rurociąg staje się energią kinetyczną, ponieważ jest w ruchu. Ilość generowanej energii elektrycznej jest określana przez kilka czynników. Dwa z nich to objętość przepływu wody i wysokość podnoszenia hydraulicznego. Wysokość podnoszenia odnosi się do odległości między powierzchnią wody a turbinami. Wraz ze wzrostem wysokości podnoszenia i przepływu wzrasta również generowana energia elektryczna. Wysokość podnoszenia zwykle zależy od ilości wody w zbiorniku.
Istnieje inny typ elektrowni wodnej, zwany elektrownią szczytowo-pompową. W konwencjonalnej elektrowni wodnej woda ze zbiornika przepływa przez elektrownię, wypływa i jest transportowana w dół rzeki. Elektrownia szczytowo-pompowa ma dwa zbiorniki:
Zbiornik górny – Podobnie jak konwencjonalna elektrownia wodna, tama tworzy zbiornik. Woda w tym zbiorniku przepływa przez elektrownię wodną, aby wytwarzać energię elektryczną.
Zbiornik dolny – woda opuszczająca elektrownię wodną wpływa do zbiornika dolnego, zamiast ponownie wpływać do rzeki i płynąć w dół rzeki.
Za pomocą odwracalnej turbiny elektrownia może pompować wodę z powrotem do górnego zbiornika. Dzieje się to poza godzinami szczytu. Zasadniczo drugi zbiornik uzupełnia górny zbiornik. Pompując wodę z powrotem do górnego zbiornika, elektrownia ma więcej wody do wytwarzania energii elektrycznej w okresach szczytowego zużycia.
Generator
Sercem elektrowni wodnej jest generator. Większość elektrowni wodnych ma kilka takich generatorów.
Generator, jak można się domyślić, generuje prąd. Podstawowy proces generowania prądu w ten sposób polega na obracaniu szeregu magnesów wewnątrz cewek drutu. Ten proces porusza elektrony, co wytwarza prąd elektryczny.
Zapora Hoovera ma w sumie 17 generatorów, z których każdy może generować do 133 megawatów. Całkowita moc elektrowni wodnej Zapory Hoovera wynosi 2074 megawatów. Każdy generator składa się z pewnych podstawowych części:
Wał
Wzbudnik
Wirnik
Stojan
Gdy turbina się obraca, wzbudnik wysyła prąd elektryczny do wirnika. Wirnik to seria dużych elektromagnesów, które obracają się wewnątrz ciasno nawiniętej cewki z drutu miedzianego, zwanej stojanem. Pole magnetyczne między cewką a magnesami wytwarza prąd elektryczny.
W Zaporze Hoovera prąd o natężeniu 16 500 amperów przepływa z generatora do transformatora, gdzie wzrasta do 230 000 amperów, zanim zostanie przesłany.
Elektrownie wodne wykorzystują naturalnie występujący, ciągły proces — proces, który powoduje opady deszczu i wzrost poziomu rzek. Każdego dnia nasza planeta traci niewielką ilość wody przez atmosferę, ponieważ promienie ultrafioletowe rozbijają cząsteczki wody. Ale w tym samym czasie nowa woda jest emitowana z wnętrza Ziemi poprzez aktywność wulkaniczną. Ilość wody wytworzonej i ilość wody utraconej jest mniej więcej taka sama.
W dowolnym momencie całkowita objętość wody na świecie występuje w wielu różnych formach. Może być ciekła, jak w oceanach, rzekach i deszczu; stała, jak w lodowcach; lub gazowa, jak w niewidzialnej parze wodnej w powietrzu. Woda zmienia stany skupienia, gdy jest przemieszczana wokół planety przez prądy wiatrowe. Prądy wiatrowe są generowane przez aktywność grzewczą słońca. Cykle prądów powietrza są tworzone przez słońce świecące bardziej na równiku niż w innych obszarach planety.
Cykle prądów powietrza napędzają zasoby wody na Ziemi poprzez własny cykl, zwany cyklem hydrologicznym. Gdy słońce podgrzewa wodę w stanie ciekłym, woda paruje w powietrzu, zamieniając się w parę. Słońce ogrzewa powietrze, powodując unoszenie się powietrza w atmosferze. Powietrze jest zimniejsze wyżej, więc gdy para wodna unosi się, schładza się, skraplając się w kropelki. Gdy wystarczająca ilość kropelek zgromadzi się w jednym obszarze, krople mogą stać się wystarczająco ciężkie, aby spaść z powrotem na Ziemię jako opady.
Cykl hydrologiczny jest ważny dla elektrowni wodnych, ponieważ zależą one od przepływu wody. Jeśli w pobliżu elektrowni nie ma deszczu, woda nie będzie zbierać się w górnym biegu rzeki. Bez wody zbierającej się w górnym biegu rzeki mniej wody przepływa przez elektrownię wodną i wytwarza się mniej energii elektrycznej.
Czas publikacji: 07-07-2021
