Na całym świecie elektrownie wodne wytwarzają około 24 procent globalnej energii elektrycznej i zaopatrują w energię ponad miliard ludzi. Według Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (National Renewable Energy Laboratory), światowe elektrownie wodne wytwarzają łącznie 675 000 megawatów, co odpowiada energii 3,6 miliarda baryłek ropy naftowej. W Stanach Zjednoczonych działa ponad 2000 elektrowni wodnych, co czyni je największym odnawialnym źródłem energii w tym kraju.
W tym artykule przyjrzymy się, jak spadająca woda wytwarza energię i poznamy cykl hydrologiczny, który odpowiada za przepływ wody niezbędny do wytwarzania energii wodnej. Przyjrzymy się również jednemu z unikalnych zastosowań energii wodnej, które może mieć wpływ na Twoje codzienne życie.
Patrząc na przepływającą rzekę, trudno sobie wyobrazić jej siłę. Jeśli kiedykolwiek uprawiałeś rafting, z pewnością poczułeś choć cząstkę jej mocy. Bystrza powstają, gdy rzeka niesie w dół dużą ilość wody, tworząc wąskie gardła. Gdy rzeka przeciska się przez ten otwór, jej nurt przyspiesza. Powodzie to kolejny przykład tego, jak ogromną siłę może mieć ogromna ilość wody.
Elektrownie wodne wykorzystują energię wody i wykorzystują proste mechanizmy do przekształcania jej w energię elektryczną. Zasada działania elektrowni wodnych jest dość prosta – woda przepływająca przez zaporę wprawia w ruch turbinę, która z kolei w ruch wprawia generator.
Oto podstawowe elementy konwencjonalnej elektrowni wodnej:
Wał łączący turbinę z generatorem
Tama – Większość elektrowni wodnych opiera się na tamie, która zatrzymuje wodę, tworząc duży zbiornik. Często zbiornik ten jest wykorzystywany jako jezioro rekreacyjne, jak na przykład jezioro Roosevelta przy tamie Grand Coulee w stanie Waszyngton.
Wlot – otwierają się śluzy na zaporze, a grawitacja wtłacza wodę do rurociągu doprowadzającego, który prowadzi do turbiny. Woda narasta pod ciśnieniem podczas przepływu przez ten rurociąg.
Turbina – Woda uderza i obraca duże łopatki turbiny, która jest przymocowana do generatora za pomocą wału. Najpopularniejszym typem turbiny w elektrowniach wodnych jest turbina Francisa, która wygląda jak duży dysk z zakrzywionymi łopatkami. Według Fundacji Edukacji Wodnej i Energetycznej (FWEE) turbina może ważyć nawet 172 tony i obracać się z prędkością 90 obrotów na minutę (obr./min).
Generatory – Wraz z obrotem łopatek turbiny, wewnątrz generatora obraca się szereg magnesów. Olbrzymie magnesy obracają się wokół miedzianych cewek, wytwarzając prąd przemienny (AC) poprzez ruch 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 odprowadzającymi, i ponownie wpływa do rzeki w dół rzeki.
Woda w zbiorniku jest uważana za zmagazynowaną energię. Po otwarciu śluz, woda przepływająca przez rurociąg staje się energią kinetyczną, ponieważ jest w ruchu. Ilość wytwarzanej energii elektrycznej zależy od kilku czynników. Dwa z nich to natężenie przepływu wody i wysokość podnoszenia hydraulicznego. Wysokość podnoszenia odnosi się do odległości między powierzchnią wody a turbinami. Wraz ze wzrostem wysokości podnoszenia i przepływu rośnie również ilość wytwarzanej energii elektrycznej. Wysokość podnoszenia zazwyczaj zależy od ilości wody w zbiorniku.
Istnieje inny rodzaj elektrowni wodnej, zwany elektrownią szczytowo-pompową. W konwencjonalnej elektrowni wodnej woda ze zbiornika przepływa przez elektrownię, wypływa i jest odprowadzana w dół rzeki. Elektrownia szczytowo-pompowa ma dwa zbiorniki:
Zbiornik górny – Podobnie jak w przypadku konwencjonalnej elektrowni wodnej, zapora tworzy zbiornik. Woda w tym zbiorniku przepływa przez elektrownię wodną, wytwarzając energię elektryczną.
Zbiornik dolny – woda opuszczająca elektrownię wodną wpływa do zbiornika dolnego, zamiast wracać do rzeki i płynąć w dół rzeki.
Za pomocą turbiny rewersyjnej elektrownia może pompować wodę z powrotem do górnego zbiornika. Dzieje się to poza godzinami szczytu. Zasadniczo drugi zbiornik uzupełnia górny. Dzięki pompowaniu wody 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 posiada kilka takich generatorów.
Generator, jak można się domyślić, generuje energię elektryczną. Podstawowy proces wytwarzania energii elektrycznej w ten sposób polega na obracaniu szeregu magnesów wewnątrz cewek z drutu. Ten proces porusza elektrony, które wytwarzają prąd elektryczny.
Zapora Hoovera składa się z 17 generatorów, z których każdy może generować do 133 megawatów. Całkowita moc elektrowni wodnej na Zaporze Hoovera wynosi 2074 megawatów. Każdy generator składa się z kilku podstawowych części:
Podczas obrotu turbiny wzbudnik przesyła prąd elektryczny do wirnika. Wirnik to szereg 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 naturalny, 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. Jednocześnie jednak, w wyniku aktywności wulkanicznej, z wnętrza Ziemi emitowana jest nowa woda. Ilość wody wytwarzanej i traconej jest mniej więcej taka sama.
W dowolnym momencie całkowita objętość wody na świecie występuje w wielu różnych postaciach. Może być ciekła, jak w oceanach, rzekach i deszczu; stała, jak w lodowcach; lub gazowa, jak w niewidzialnej parze wodnej w powietrzu. Woda zmienia stan skupienia, przemieszczając się po planecie pod wpływem prądów wiatrowych. Prądy wiatrowe są generowane przez nagrzewającą się aktywność Słońca. Cykle prądów powietrza powstają, gdy Słońce świeci mocniej na równiku niż na innych obszarach planety.
Cykle prądów powietrza napędzają zasoby wody na Ziemi w swoim własnym cyklu, zwanym cyklem hydrologicznym. Gdy słońce ogrzewa wodę w stanie ciekłym, woda paruje w powietrzu, tworząc parę wodną. Słońce ogrzewa powietrze, powodując unoszenie się powietrza w atmosferze. Powietrze jest zimniejsze w wyższych partiach, więc gdy para wodna unosi się, ochładza się, skraplając się w krople. Gdy wystarczająca liczba kropel zgromadzi się w jednym miejscu, krople mogą stać się wystarczająco ciężkie, aby opaść na Ziemię w postaci opadów.
Cykl hydrologiczny jest ważny dla elektrowni wodnych, ponieważ są one zależne od przepływu wody. Jeśli w pobliżu elektrowni występuje brak opadów, woda nie gromadzi się w górnym biegu rzeki. Bez gromadzenia się wody w górnym biegu rzeki, przez elektrownię przepływa mniej wody i wytwarzana jest mniejsza ilość energii elektrycznej.
Podstawową ideą energetyki wodnej jest wykorzystanie siły płynącej cieczy do obracania łopatek turbiny. Zazwyczaj, aby to zrobić, na środku rzeki musi zostać zbudowana duża tama. Nowy wynalazek wykorzystuje ideę energetyki wodnej na znacznie mniejszą skalę, aby dostarczać energię elektryczną do przenośnych urządzeń elektronicznych.
Wynalazca Robert Komareczka z Ontario w Kanadzie wpadł na pomysł umieszczenia małych generatorów hydroelektrycznych w podeszwach butów. Wierzy, że te mikroturbiny wygenerują wystarczająco dużo energii elektrycznej, aby zasilić niemal każdy gadżet. W maju 2001 roku Komareczka otrzymał patent na swoje unikalne urządzenie napędzane stopą.
Istnieje bardzo podstawowa zasada chodzenia: stopa stawia stopę naprzemiennie, pięta-palce, podczas każdego kroku. Gdy stopa ląduje na ziemi, siła jest przenoszona przez piętę. Przygotowując się do kolejnego kroku, przetaczamy stopę do przodu, aby siła została przeniesiona na śródstopie. Komareczka najwyraźniej zauważył tę podstawową zasadę chodzenia i opracował pomysł, jak wykorzystać siłę tej codziennej czynności.
Jak opisano w patencie, „obuwie z zespołem generatora hydroelektrycznego” firmy Komarechka składa się z pięciu części:
Płyn – System będzie wykorzystywał płyn przewodzący prąd elektryczny.
Worki gromadzące płyn – jeden worek umieszczany jest w pięcie, a drugi w części palcowej buta.
Przewody – przewody łączą każdy worek z mikrogeneratorem.
Turbina – gdy woda przemieszcza się tam i z powrotem w podeszwie, porusza łopatki maleńkiej turbiny.
Mikrogenerator – Generator znajduje się między dwoma wypełnionymi płynem workami i zawiera wirnik łopatkowy, który napędza wał i obraca generator.
Podczas chodzenia, kompresja płynu w worku podeszwowym znajdującym się w pięcie buta, wtłacza płyn przez przewód do modułu generatora hydroelektrycznego. W miarę jak użytkownik kontynuuje chodzenie, pięta unosi się, a na worek pod śródstopiem wywierany jest nacisk skierowany w dół. Ruch płynu wprawia wirnik i wał w ruch obrotowy, wytwarzając energię elektryczną.
Zewnętrzne gniazdo będzie służyć do podłączenia przewodów do urządzenia przenośnego. Możliwe będzie również noszenie na pasku urządzenia sterującego zasilaniem. Do tego urządzenia sterującego zasilaniem można podłączyć urządzenia elektroniczne, co zapewni stałe zasilanie.
„Wraz ze wzrostem liczby przenośnych urządzeń zasilanych bateryjnie” – czytamy w patencie – „coraz bardziej potrzebne jest zapewnienie trwałego, wszechstronnego i wydajnego źródła energii elektrycznej”. Komareczka spodziewa się, że jego urządzenie będzie wykorzystywane do zasilania komputerów przenośnych, telefonów komórkowych, odtwarzaczy CD, odbiorników GPS i radiotelefonów.
Czas publikacji: 21 lipca 2022 r.
