В мире гидроэлектростанции производят около 24 процентов электроэнергии и обеспечивают ею более 1 миллиарда человек. По данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии, суммарная мощность мировых гидроэлектростанций составляет 675 000 мегаватт, что эквивалентно 3,6 миллиардам баррелей нефти. В Соединенных Штатах действуют более 2000 гидроэлектростанций, что делает гидроэнергетику крупнейшим возобновляемым источником энергии в стране.
В этой статье мы рассмотрим, как падающая вода создает энергию, и узнаем о гидрологическом цикле, обеспечивающем необходимый для гидроэнергетики поток воды. Вы также получите представление об одном уникальном применении гидроэнергетики, которое может повлиять на вашу повседневную жизнь.
Наблюдая за протекающей рекой, трудно представить себе её мощь. Если вы когда-либо сплавлялись по бурной воде, то почувствовали хотя бы малую часть её силы. Бурные пороги образуются, когда река, несущая большой объём воды вниз по склону, застревает в узком проходе. Проходя через это отверстие, река ускоряет своё течение. Наводнения — ещё один пример того, какой силой может обладать огромный объём воды.
Гидроэлектростанции используют энергию воды и применяют простые механические методы для преобразования этой энергии в электричество. В основе гидроэлектростанций лежит довольно простая концепция: вода, протекающая через плотину, вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает генератор.
Вот основные компоненты традиционной гидроэлектростанции:
Плотина – Большинство гидроэлектростанций используют плотину, которая удерживает воду, создавая большое водохранилище. Часто это водохранилище используется как рекреационное озеро, например, озеро Рузвельта на плотине Гранд-Кули в штате Вашингтон.
Водозабор – Затворы на плотине открываются, и вода под действием силы тяжести поступает по водоводу, трубопроводу, ведущему к турбине. Вода, протекая по этой трубе, нагнетает давление.
Турбина – вода ударяет и вращает большие лопасти турбины, которая соединена с расположенным над ней генератором посредством вала. Наиболее распространенным типом турбины для гидроэлектростанций является турбина Фрэнсиса, которая выглядит как большой диск с изогнутыми лопастями. По данным Фонда образования в области водных ресурсов и энергетики (FWEE), турбина может весить до 172 тонн и вращаться со скоростью 90 оборотов в минуту (об/мин).
Генераторы – По мере вращения лопаток турбины вращается и ряд магнитов внутри генератора. Гигантские магниты вращаются вокруг медных катушек, создавая переменный ток (AC) за счет движения электронов. (Подробнее о принципе работы генератора вы узнаете позже.)
Трансформатор – трансформатор, расположенный внутри электростанции, преобразует переменный ток в ток более высокого напряжения.
Линии электропередачи – от каждой электростанции отходят четыре провода: три фазы электроэнергии, вырабатываемой одновременно, плюс нейтральный провод или заземление, общий для всех трех. (Подробнее о передаче электроэнергии по линиям можно узнать в статье «Как работают распределительные сети».)
Отток – Отработанная вода транспортируется по трубопроводам, называемым отводными каналами, и возвращается в реку ниже по течению.
Вода в водохранилище считается запасённой энергией. Когда затворы открываются, вода, протекающая по водоводу, становится кинетической энергией, поскольку находится в движении. Количество вырабатываемой электроэнергии определяется несколькими факторами. Два из этих факторов — объём потока воды и величина гидравлического напора. Напор — это расстояние между поверхностью воды и турбинами. По мере увеличения напора и потока увеличивается и вырабатываемая электроэнергия. Напор обычно зависит от количества воды в водохранилище.
Существует еще один тип гидроэлектростанций, называемый гидроаккумулирующей электростанцией. В обычной гидроэлектростанции вода из водохранилища протекает через станцию, выходит и уносится вниз по течению. Гидроаккумулирующая электростанция имеет два водохранилища:
Верхний водоем – Подобно обычной гидроэлектростанции, плотина создает водохранилище. Вода из этого водоема протекает через гидроэлектростанцию, вырабатывая электроэнергию.
Нижний водохранилище – вода, вытекающая из гидроэлектростанции, поступает в нижнее водохранилище, а не возвращается в реку и течет вниз по течению.
Используя реверсивную турбину, электростанция может перекачивать воду обратно в верхний резервуар. Это делается в часы минимальной нагрузки. По сути, второй резервуар пополняет верхний. Перекачивая воду обратно в верхний резервуар, электростанция получает больше воды для выработки электроэнергии в периоды пикового потребления.
Генератор
Сердцем гидроэлектростанции является генератор. Большинство гидроэлектростанций имеют несколько таких генераторов.
Генератор, как вы, наверное, догадались, вырабатывает электричество. Основной процесс генерации электричества таким способом заключается во вращении ряда магнитов внутри катушек проволоки. Этот процесс перемещает электроны, что приводит к возникновению электрического тока.
Плотина Гувера имеет в общей сложности 17 генераторов, каждый из которых может вырабатывать до 133 мегаватт. Общая мощность гидроэлектростанции на плотине Гувера составляет 2074 мегаватта. Каждый генератор состоит из определенных основных частей:
Вал
Возбудитель
Ротор
Статор
При вращении турбины возбудитель посылает электрический ток к ротору. Ротор представляет собой ряд больших электромагнитов, вращающихся внутри плотно намотанной катушки из медной проволоки, называемой статором. Магнитное поле между катушкой и магнитами создает электрический ток.
В плотине Гувера ток силой 16 500 ампер проходит от генератора к трансформатору, где он постепенно увеличивается до 230 000 ампер, прежде чем передаваться дальше.
Гидроэлектростанции используют преимущества естественного, непрерывного процесса — процесса, вызывающего выпадение осадков и повышение уровня рек. Каждый день наша планета теряет небольшое количество воды через атмосферу, поскольку ультрафиолетовые лучи расщепляют молекулы воды. Но в то же время из недр Земли в результате вулканической активности извергается новая вода. Количество образующейся и количество теряемой воды примерно одинаково.
В любой момент времени весь объем воды на Земле находится во многих различных формах. Она может быть жидкой, как в океанах, реках и дожде; твердой, как в ледниках; или газообразной, как невидимый водяной пар в воздухе. Вода меняет свои состояния, перемещаясь по планете под действием ветровых потоков. Ветровые потоки образуются в результате нагревания Солнцем. Циклы воздушных потоков создаются тем, что Солнце светит на экватор сильнее, чем на другие участки планеты.
Циклы воздушных потоков приводят в движение запасы воды на Земле посредством собственного цикла, называемого гидрологическим циклом. Когда Солнце нагревает жидкую воду, она испаряется, превращаясь в пар в воздухе. Солнце нагревает воздух, заставляя его подниматься в атмосферу. Воздух на больших высотах холоднее, поэтому, поднимаясь, водяной пар охлаждается, конденсируясь в капли. Когда в одном месте накапливается достаточное количество капель, они могут стать достаточно тяжелыми, чтобы выпасть на Землю в виде осадков.
Гидрологический цикл важен для гидроэлектростанций, поскольку они зависят от потока воды. Если вблизи станции мало осадков, вода не будет собираться выше по течению. В результате, при отсутствии сбора воды выше по течению, через гидроэлектростанцию проходит меньше воды, и вырабатывается меньше электроэнергии.
Дата публикации: 07.07.2021
