Cum funcționează hidrocentralele

La nivel mondial, hidrocentralele produc aproximativ 24% din energia electrică a lumii și furnizează energie electrică unui număr de peste 1 miliard de oameni. Hidrocentralele lumii produc un total combinat de 675.000 de megawați, echivalentul energetic a 3,6 miliarde de barili de petrol, potrivit Laboratorului Național pentru Energie Regenerabilă. În Statele Unite funcționează peste 2.000 de hidrocentrale, ceea ce face ca hidroenergia să fie cea mai mare sursă de energie regenerabilă a țării.
În acest articol, vom analiza modul în care apa care cade creează energie și vom afla despre ciclul hidrologic care creează fluxul de apă esențial pentru hidroenergie. De asemenea, veți avea o privire asupra unei aplicații unice a hidroenergiei care v-ar putea afecta viața de zi cu zi.
Când privești un râu curgând, e greu să-ți imaginezi forța pe care o poartă. Dacă ai făcut vreodată rafting pe ape repezi, atunci ai simțit o mică parte din puterea râului. Rapidele de apă repezi sunt create de un râu, care transportă o cantitate mare de apă la vale, blocându-se printr-un pasaj îngust. Pe măsură ce râul este forțat prin această deschidere, debitul său se accelerează. Inundațiile sunt un alt exemplu al forței pe care o poate avea un volum imens de apă.
Centralele hidroelectrice valorifică energia apei și folosesc mecanisme simple pentru a converti această energie în electricitate. Centralele hidroelectrice se bazează de fapt pe un concept destul de simplu - apa care curge printr-un baraj acționează o turbină, care apoi acționează un generator.

Iată componentele de bază ale unei hidrocentrale convenționale:
Baraj – Majoritatea hidrocentralelor se bazează pe un baraj care reține apa, creând un rezervor mare. Adesea, acest rezervor este folosit ca lac recreațional, cum ar fi Lacul Roosevelt de la Barajul Grand Coulee din statul Washington.
Admisie – Porțile barajului se deschid, iar gravitația trage apa prin conducta forțată, o conductă care duce la turbină. Apa acumulează presiune pe măsură ce curge prin această conductă.
Turbină – Apa lovește și rotește palele mari ale unei turbine, care este atașată la un generator deasupra ei prin intermediul unui arbore. Cel mai comun tip de turbină pentru centralele hidroelectrice este turbina Francis, care arată ca un disc mare cu pale curbate. O turbină poate cântări până la 172 de tone și se poate roti cu o viteză de 90 de rotații pe minut (rpm), potrivit Fundației pentru Educație în Domeniul Apei și Energiei (FWEE).
Generatoare – Pe măsură ce palele turbinei se rotesc, la fel se întâmplă și cu o serie de magneți din interiorul generatorului. Magneți gigantici se rotesc pe lângă bobinele de cupru, producând curent alternativ (CA) prin mișcarea electronilor. (Veți afla mai multe despre cum funcționează generatorul mai târziu.)
Transformator – Transformatorul din interiorul centralei electrice preia curentul alternativ și îl transformă în curent de tensiune mai mare.
Linii electrice – Din fiecare centrală electrică ies patru fire: cele trei faze ale energiei produse simultan, plus un neutru sau o împământare comună tuturor celor trei. (Citiți Cum funcționează rețelele de distribuție a energiei electrice pentru a afla mai multe despre transmisia prin linii electrice.)
Evacuare – Apa uzată este transportată prin conducte, numite canale de scurgere, și reintră în râu în aval.
Apa din rezervor este considerată energie stocată. Când porțile se deschid, apa care curge prin conducta forțată devine energie cinetică deoarece este în mișcare. Cantitatea de electricitate generată este determinată de mai mulți factori. Doi dintre acești factori sunt volumul debitului de apă și înălțimea hidraulică. Înălțimea se referă la distanța dintre suprafața apei și turbine. Pe măsură ce înălțimea și debitul cresc, crește și electricitatea generată. Înălțimea depinde de obicei de cantitatea de apă din rezervor.

Există un alt tip de hidrocentrală, numită centrală cu acumulare prin pompare. Într-o hidrocentrală convențională, apa din rezervor curge prin centrală, iese și este transportată în aval. O centrală cu acumulare prin pompare are două rezervoare:
Rezervorul superior – La fel ca o hidrocentrală convențională, un baraj creează un rezervor. Apa din acest rezervor curge prin hidrocentrală pentru a genera electricitate.
Rezervor inferior – Apa care iese din hidrocentrală se scurge într-un rezervor inferior, în loc să reintră în râu și să curgă în aval.
Folosind o turbină reversibilă, centrala poate pompa apa înapoi în rezervorul superior. Acest lucru se face în afara orelor de vârf. Practic, al doilea rezervor reumple rezervorul superior. Prin pomparea apei înapoi în rezervorul superior, centrala are mai multă apă pentru a genera electricitate în perioadele de consum maxim.

Generatorul
Inima centralei hidroelectrice este generatorul. Majoritatea hidrocentralelor au mai multe astfel de generatoare.
Generatorul, așa cum probabil ați ghicit, generează electricitatea. Procesul de bază pentru generarea electricității în acest mod este rotirea unei serii de magneți în interiorul unor bobine de sârmă. Acest proces mișcă electroni, ceea ce produce curent electric.
Barajul Hoover are un total de 17 generatoare, fiecare dintre ele putând genera până la 133 de megawați. Capacitatea totală a hidrocentralei Barajului Hoover este de 2.074 de megawați. Fiecare generator este alcătuit din anumite componente de bază:
Arbore
Excitor
Rotor
Stator
Pe măsură ce turbina se rotește, excitatorul trimite un curent electric către rotor. Rotorul este o serie de electromagneți mari care se rotesc în interiorul unei bobine strâns înfășurate din sârmă de cupru, numită stator. Câmpul magnetic dintre bobină și magneți creează un curent electric.
În barajul Hoover, un curent de 16.500 de amperi se deplasează de la generator la transformator, unde curentul crește până la 230.000 de amperi înainte de a fi transmis.

Centralele hidroelectrice profită de un proces natural, continuu - procesul care face ca ploaia să cadă și nivelul râurilor să crească. În fiecare zi, planeta noastră pierde o cantitate mică de apă prin atmosferă, deoarece razele ultraviolete descompun moleculele de apă. Dar, în același timp, din interiorul Pământului se emite apă nouă prin activitatea vulcanică. Cantitatea de apă creată și cantitatea de apă pierdută sunt aproximativ aceleași.
În orice moment, volumul total de apă al lumii se află în multe forme diferite. Poate fi lichidă, ca în oceane, râuri și ploaie; solidă, ca în ghețari; sau gazoasă, ca în vaporii de apă invizibili din aer. Apa își schimbă starea pe măsură ce este mișcată pe planetă de curenții de vânt. Curenții de vânt sunt generați de activitatea de încălzire a soarelui. Ciclurile curenților de aer sunt create de soarele care strălucește mai mult pe ecuator decât pe alte zone ale planetei.
Ciclurile curenților de aer determină alimentarea cu apă a Pământului printr-un ciclu propriu, numit ciclu hidrologic. Pe măsură ce soarele încălzește apa lichidă, apa se evaporă în vapori în aer. Soarele încălzește aerul, determinând ridicarea acestuia în atmosferă. Aerul este mai rece mai sus, așa că, pe măsură ce vaporii de apă se ridică, se răcesc, condensându-se în picături. Când se acumulează suficiente picături într-o anumită zonă, picăturile pot deveni suficient de grele pentru a cădea înapoi pe Pământ sub formă de precipitații.
Ciclul hidrologic este important pentru hidrocentralele deoarece acestea depind de debitul apei. Dacă nu plouă în apropierea centralei, apa nu se va acumula în amonte. Dacă nu se acumulează apă în amonte, curge mai puțină apă prin hidrocentrală și se generează mai puțină energie electrică.