Ako fungujú vodné elektrárne

Vodné elektrárne na celom svete vyrábajú približne 24 percent svetovej elektriny a zásobujú elektrinou viac ako 1 miliardu ľudí. Podľa Národného laboratória pre obnoviteľnú energiu svetové vodné elektrárne produkujú spolu 675 000 megawattov, čo zodpovedá energetickému ekvivalentu 3,6 miliardy barelov ropy. V Spojených štátoch je v prevádzke viac ako 2 000 vodných elektrární, vďaka čomu je vodná energia najväčším obnoviteľným zdrojom energie v krajine.
V tomto článku sa pozrieme na to, ako padajúca voda vytvára energiu a dozvieme sa o hydrologickom cykle, ktorý vytvára tok vody nevyhnutný pre vodnú energiu. Taktiež sa dozviete niečo o jednom jedinečnom využití vodnej energie, ktoré môže ovplyvniť váš každodenný život.
Keď sledujete prúd rieky, je ťažké si predstaviť silu, ktorú nesie. Ak ste niekedy splavovali divokú vodu, určite ste pocítili malú časť sily rieky. Pereje na divokej vode vznikajú, keď rieka nesie veľké množstvo vody z kopca, vytvára úzke hrdlo cez úzky priechod. Keď je rieka pretláčaná týmto otvorom, jej tok sa zrýchľuje. Povodne sú ďalším príkladom toho, akú silu môže mať obrovské množstvo vody.
Vodné elektrárne využívajú energiu vody a pomocou jednoduchých mechanizmov premieňajú túto energiu na elektrinu. Vodné elektrárne sú v skutočnosti založené na pomerne jednoduchom koncepte – voda pretekajúca cez priehradu otáča turbínu, ktorá otáča generátor.

Tu sú základné komponenty konvenčnej vodnej elektrárne:
Priehrada – Väčšina vodných elektrární sa spolieha na priehradu, ktorá zadržiava vodu a vytvára tak veľkú nádrž. Táto nádrž sa často používa ako rekreačné jazero, ako napríklad jazero Roosevelt pri priehrade Grand Coulee v štáte Washington.
Prívod – Vratné šachty na priehrade sa otvoria a gravitácia ťahá vodu cez priepust, potrubie, ktoré vedie k turbíne. Voda prúdiacim potrubím vytvára tlak.
Turbína – Voda naráža na veľké lopatky turbíny a otáča ich, ktorá je pomocou hriadeľa pripevnená ku generátoru nad ňou. Najbežnejším typom turbíny pre vodné elektrárne je Francisova turbína, ktorá vyzerá ako veľký disk so zakrivenými lopatkami. Podľa Nadácie pre vzdelávanie v oblasti vody a energie (FWEE) môže turbína vážiť až 172 ton a otáčať sa rýchlosťou 90 otáčok za minútu (ot./min).
Generátory – S otáčaním lopatiek turbíny sa otáča aj séria magnetov vo vnútri generátora. Obrovské magnety sa otáčajú okolo medených cievok a vytvárajú striedavý prúd (AC) pohybom elektrónov. (Viac o tom, ako generátor funguje, sa dozviete neskôr.)
Transformátor – Transformátor vo vnútri elektrárne prijíma striedavý prúd a premieňa ho na prúd s vyšším napätím.
Elektrické vedenia – Z každej elektrárne vychádzajú štyri vodiče: tri fázy vyrábané súčasne plus nulový vodič alebo uzemnenie spoločné pre všetky tri. (Prečítajte si článok Ako fungujú distribučné siete a dozviete sa viac o prenose elektrickým vedením.)
Odtok – Použitá voda sa odvádza potrubím nazývaným odpadové kanály a opäť sa vlieva do rieky po prúde.
Voda v nádrži sa považuje za uskladnenú energiu. Keď sa uzávery otvoria, voda pretekajúca cez prietokové potrubie sa stáva kinetickou energiou, pretože je v pohybe. Množstvo vyrobenej elektriny je určené niekoľkými faktormi. Dva z týchto faktorov sú objem prietoku vody a výška hydraulického spádu. Spád sa vzťahuje na vzdialenosť medzi hladinou vody a turbínami. S rastúcim spádom a prietokom sa zvyšuje aj vyrobená elektrina. Spád zvyčajne závisí od množstva vody v nádrži.

Existuje aj iný typ vodnej elektrárne, nazývaný prečerpávacia vodná elektráreň. V konvenčnej vodnej elektrárni voda z nádrže preteká elektrárňou, vystupuje z nej a je odvádzaná po prúde. Prečerpávacia vodná elektráreň má dve nádrže:
Horná nádrž – Podobne ako konvenčná vodná elektráreň, aj priehrada vytvára nádrž. Voda v tejto nádrži preteká vodnou elektrárňou a vyrába elektrinu.
Dolná nádrž – Voda vychádzajúca z vodnej elektrárne tečie do dolnej nádrže, namiesto toho, aby sa opäť vlievala do rieky a tiekla po prúde.
Pomocou reverzibilnej turbíny môže elektráreň prečerpávať vodu späť do hornej nádrže. Toto sa deje mimo špičky. V podstate druhá nádrž dopĺňa hornú nádrž. Prečerpávaním vody späť do hornej nádrže má elektráreň viac vody na výrobu elektriny počas období špičkovej spotreby.

Generátor
Srdcom vodnej elektrárne je generátor. Väčšina vodných elektrární má niekoľko takýchto generátorov.
Generátor, ako ste asi uhádli, vyrába elektrinu. Základný proces výroby elektriny týmto spôsobom spočíva v otáčaní série magnetov vo vnútri cievok drôtu. Tento proces pohybuje elektrónmi, čo vytvára elektrický prúd.
Hooverova priehrada má celkovo 17 generátorov, z ktorých každý dokáže vygenerovať až 133 megawattov. Celková kapacita vodnej elektrárne Hooverovej priehrady je 2 074 megawattov. Každý generátor sa skladá z určitých základných častí:
Hriadeľ
Budič
Rotor
Stator
Keď sa turbína otáča, budič vysiela elektrický prúd do rotora. Rotor je séria veľkých elektromagnetov, ktoré sa otáčajú vo vnútri pevne navinutej cievky z medeného drôtu, nazývanej stator. Magnetické pole medzi cievkou a magnetmi vytvára elektrický prúd.
V Hooverovom priehrade preteká prúd s hodnotou 16 500 ampérov z generátora do transformátora, kde sa prúd pred prenosom zvýši na 230 000 ampérov.

Vodné elektrárne využívajú prirodzene sa vyskytujúci, nepretržitý proces – proces, ktorý spôsobuje dážď a stúpanie riek. Každý deň naša planéta stráca malé množstvo vody cez atmosféru, pretože ultrafialové lúče rozkladajú molekuly vody. Zároveň však z vnútra Zeme uvoľňuje nová voda v dôsledku sopečnej činnosti. Množstvo vytvorenej a stratenej vody je približne rovnaké.
Celkový objem vody na svete sa kedykoľvek nachádza v mnohých rôznych formách. Môže byť kvapalná, ako v oceánoch, riekach a daždi; pevná, ako v ľadovcoch; alebo plynná, ako neviditeľná vodná para vo vzduchu. Voda mení skupenstvo, keď ju veterné prúdy presúvajú po planéte. Veterné prúdy vznikajú v dôsledku tepelnej aktivity slnka. Cykly vzdušných prúdov vznikajú, keď slnko svieti viac na rovník ako na iné oblasti planéty.
Cykly vzdušných prúdov poháňajú zásoby vody na Zemi vlastným cyklom, ktorý sa nazýva hydrologický cyklus. Keď slnko ohrieva kvapalnú vodu, tá sa vo vzduchu vyparuje a mení na paru. Slnko ohrieva vzduch, čo spôsobuje, že vzduch stúpa do atmosféry. Vzduch je vo vyšších polohách chladnejší, takže keď vodná para stúpa, ochladzuje sa a kondenzuje do kvapôčok. Keď sa v jednej oblasti nahromadí dostatok kvapôčok, môžu sa stať dostatočne ťažkými na to, aby padali späť na Zem ako zrážky.
Hydrologický cyklus je pre vodné elektrárne dôležitý, pretože sú závislé od prietoku vody. Ak v blízkosti elektrárne neprší, voda sa proti prúdu nezhromažďuje. Ak sa proti prúdu nezhromažďuje voda, cez vodnú elektráreň preteká menej vody a vyrába sa menej elektriny.