Во всем мире гидроэлектростанции производят около 24 процентов электроэнергии в мире и снабжают электроэнергией более 1 миллиарда человек. Согласно данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии, гидроэлектростанции мира вырабатывают в общей сложности 675 000 мегаватт, что эквивалентно 3,6 миллиардам баррелей нефти. В Соединенных Штатах действует 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, который создает поток воды, необходимый для гидроэнергетики. Вы также получите представление об одном уникальном применении гидроэнергетики, которое может повлиять на вашу повседневную жизнь.
Наблюдая за рекой, трудно представить, какую силу она несет. Если вы когда-либо занимались рафтингом, то вы чувствовали малую часть мощи реки. Пороги на бурной воде создаются рекой, несущей большое количество воды вниз по склону, узкие места через узкий проход. Когда река продавливается через это отверстие, ее течение ускоряется. Наводнения — еще один пример того, какую силу может иметь огромный объем воды.
Гидроэлектростанции используют энергию воды и используют простую механику для преобразования этой энергии в электричество. Гидроэлектростанции на самом деле основаны на довольно простой концепции — вода, протекающая через плотину, вращает турбину, которая вращает генератор.
Вот основные компоненты традиционной гидроэлектростанции:
Вал, соединяющий турбину и генератор
Плотина – Большинство гидроэлектростанций полагаются на плотину, которая сдерживает воду, создавая большой водоем. Часто этот водоем используется как рекреационное озеро, например, озеро Рузвельт на плотине Гранд-Кули в штате Вашингтон.
Впуск – Затворы на плотине открываются, и гравитация тянет воду через напорный трубопровод, который ведет к турбине. Вода создает давление, протекая по этой трубе.
Турбина – Вода ударяет и вращает большие лопасти турбины, которая прикреплена к генератору над ней посредством вала. Наиболее распространенным типом турбины для гидроэлектростанций является турбина Фрэнсиса, которая выглядит как большой диск с изогнутыми лопастями. Турбина может весить до 172 тонн и вращаться со скоростью 90 оборотов в минуту (об/мин), согласно данным Фонда образования в области водных ресурсов и энергетики (FWEE).
Генераторы – По мере вращения лопастей турбины вращается и ряд магнитов внутри генератора. Гигантские магниты вращаются мимо медных катушек, создавая переменный ток (AC) путем перемещения электронов. (Позже вы узнаете больше о том, как работает генератор.)
Трансформатор — трансформатор внутри электростанции принимает переменный ток и преобразует его в ток более высокого напряжения.
Линии электропередач — от каждой электростанции исходят четыре провода: три фазы электроэнергии, вырабатываемые одновременно, плюс нейтраль или заземление, общее для всех трех. (Прочитайте статью «Как работают распределительные сети электроэнергии», чтобы узнать больше о передаче электроэнергии по линиям электропередач.)
Отток – Использованная вода транспортируется по трубопроводам, называемым отводящими водоводами, и возвращается в реку ниже по течению.
Вода в водохранилище считается запасенной энергией. Когда затворы открываются, вода, протекающая через напорный водовод, становится кинетической энергией, поскольку она находится в движении. Количество вырабатываемой электроэнергии определяется несколькими факторами. Два из этих факторов — объем потока воды и величина гидравлического напора. Напор относится к расстоянию между поверхностью воды и турбинами. По мере увеличения напора и расхода увеличивается и вырабатываемая электроэнергия. Напор обычно зависит от количества воды в водохранилище.
Есть еще один тип гидроэлектростанции, называемый гидроаккумулирующей. На обычной гидроэлектростанции вода из водохранилища протекает через станцию, выходит и переносится вниз по течению. Гидроаккумулирующая станция имеет два водохранилища:
Верхний резервуар – Как и обычная гидроэлектростанция, плотина создает резервуар. Вода в этом резервуаре протекает через гидроэлектростанцию для выработки электроэнергии.
Нижнее водохранилище. Вода, выходящая из гидроэлектростанции, поступает в нижнее водохранилище, а не возвращается в реку и течет вниз по течению.
Используя реверсивную турбину, завод может перекачивать воду обратно в верхний резервуар. Это делается в часы пониженной нагрузки. По сути, второй резервуар пополняет верхний резервуар. Перекачивая воду обратно в верхний резервуар, завод получает больше воды для выработки электроэнергии в периоды пикового потребления.
Генератор
Сердцем гидроэлектростанции является генератор. Большинство гидроэлектростанций имеют несколько таких генераторов.
Генератор, как вы могли догадаться, вырабатывает электричество. Основной процесс выработки электричества таким образом заключается во вращении ряда магнитов внутри катушек с проводами. Этот процесс перемещает электроны, что создает электрический ток.
Плотина Гувера имеет в общей сложности 17 генераторов, каждый из которых может генерировать до 133 мегаватт. Общая мощность гидроэлектростанции плотины Гувера составляет 2074 мегаватт. Каждый генератор состоит из определенных основных частей:
Когда турбина вращается, возбудитель посылает электрический ток ротору. Ротор представляет собой ряд больших электромагнитов, которые вращаются внутри плотно намотанной катушки из медной проволоки, называемой статором. Магнитное поле между катушкой и магнитами создает электрический ток.
На плотине Гувера ток силой 16 500 ампер поступает от генератора к трансформатору, где перед передачей ток возрастает до 230 000 ампер.
Гидроэлектростанции используют преимущества естественного непрерывного процесса — процесса, который вызывает выпадение дождя и подъем уровня воды в реках. Каждый день наша планета теряет небольшое количество воды через атмосферу, поскольку ультрафиолетовые лучи расщепляют молекулы воды. Но в то же время новая вода выбрасывается из недр Земли в результате вулканической активности. Количество созданной и потерянной воды примерно одинаково.
В любой момент времени общий объем воды в мире находится во многих различных формах. Она может быть жидкой, как в океанах, реках и дожде; твердой, как в ледниках; или газообразной, как в невидимом водяном паре в воздухе. Вода меняет состояния, перемещаясь по планете потоками воздуха. Потоки воздуха генерируются тепловой активностью солнца. Циклы воздушных потоков создаются солнцем, которое светит больше на экваторе, чем в других областях планеты.
Циклы воздушных течений управляют водоснабжением Земли через собственный цикл, называемый гидрологическим циклом. Когда солнце нагревает жидкую воду, вода испаряется в воздухе, превращаясь в пар. Солнце нагревает воздух, заставляя воздух подниматься в атмосфере. Воздух холоднее выше, поэтому, когда водяной пар поднимается, он охлаждается, конденсируясь в капли. Когда достаточно капель скапливается в одной области, капли могут стать достаточно тяжелыми, чтобы упасть обратно на Землю в виде осадков.
Гидрологический цикл важен для гидроэлектростанций, поскольку они зависят от потока воды. Если вблизи станции нет дождей, вода не будет собираться вверх по течению. Если вода не собирается вверх по течению, через гидроэлектростанцию протекает меньше воды и вырабатывается меньше электроэнергии.
Основная идея гидроэнергетики заключается в использовании энергии движущейся жидкости для вращения лопасти турбины. Обычно для выполнения этой функции посередине реки необходимо построить большую плотину. Новое изобретение использует идею гидроэнергетики в гораздо меньших масштабах для обеспечения электроэнергией портативных электронных устройств.
Изобретатель Роберт Комаречка из Онтарио, Канада, придумал размещать небольшие гидрогенераторы в подошвах обуви. Он считает, что эти микротурбины будут генерировать достаточно электроэнергии для питания практически любого гаджета. В мае 2001 года Комаречка получил патент на свое уникальное устройство с приводом от ног.
Есть очень простой принцип того, как мы ходим: стопа опускается с пятки на носок во время каждого шага. Когда ваша стопа приземляется на землю, сила передается вниз через пятку. Когда вы готовитесь к следующему шагу, вы перекатываете стопу вперед, поэтому сила передается на подушечку стопы. Комаречка, по-видимому, заметила этот простой принцип ходьбы и разработала идею, как использовать силу этой повседневной деятельности.
Как описано в патенте, «обувь с гидрогенератором» от Комаречки состоит из пяти частей:
Жидкость — в системе будет использоваться электропроводящая жидкость.
Мешочки для удержания жидкости — один мешочек помещается в пяточную, а другой в носочную часть обуви.
Трубопроводы – Трубопроводы соединяют каждый мешок с микрогенератором.
Турбина. Когда вода движется вперед и назад в подошве, она приводит в движение лопасти крошечной турбины.
Микрогенератор — генератор расположен между двумя заполненными жидкостью мешочками и включает в себя лопастной ротор, который приводит в движение вал и вращает генератор.
Когда человек идет, сжатие жидкости в мешочке, расположенном в пятке ботинка, будет заставлять жидкость проходить через канал и в модуль гидроэлектрического генератора. Когда пользователь продолжает идти, пятка будет подниматься, и на мешочек под подушечкой стопы человека будет оказываться направленное вниз давление. Движение жидкости будет вращать ротор и вал для выработки электроэнергии.
Внешняя розетка будет предоставлена для подключения проводов к портативному устройству. Также может быть предоставлен выходной блок управления питанием, который можно носить на поясе пользователя. Электронные устройства затем могут быть подключены к этому выходному блоку управления питанием, что обеспечит стабильную подачу электроэнергии.
«С ростом числа портативных устройств с питанием от батареек, — говорится в патенте, — растет потребность в обеспечении долговечного, адаптивного и эффективного источника электроэнергии». Комаречка ожидает, что его устройство будет использоваться для питания портативных компьютеров, сотовых телефонов, CD-плееров, GPS-приемников и радиостанций двусторонней связи.
Время публикации: 21 июля 2022 г.
