Kako delujejo hidroelektrarne

Po vsem svetu hidroelektrarne proizvedejo približno 24 odstotkov svetovne električne energije in oskrbujejo več kot milijardo ljudi z energijo.Po podatkih Nacionalnega laboratorija za obnovljivo energijo svetovne hidroelektrarne proizvedejo skupaj 675.000 megavatov, kar je energijski ekvivalent 3,6 milijarde sodčkov nafte.V ZDA deluje več kot 2000 hidroelektrarn, zaradi česar je hidroelektrarna največji obnovljivi vir energije v državi.
V tem članku si bomo ogledali, kako padajoča voda ustvarja energijo, in spoznali hidrološki cikel, ki ustvarja vodni tok, ki je bistven za hidroenergijo.Dobili boste tudi vpogled v eno edinstveno uporabo hidroenergije, ki lahko vpliva na vaše vsakdanje življenje.
Ko gledamo reko, ki teče mimo, si je težko predstavljati, kakšno silo nosi.Če ste se že kdaj ukvarjali s raftingom, potem ste občutili majhen del moči reke.Belovodne brzice so ustvarjene kot reke, ki prenašajo veliko vode navzdol, ozka grla skozi ozek prehod.Ko reka teče skozi to odprtino, se njen tok pospeši.Poplave so še en primer, kako močno lahko ima ogromna količina vode.
Hidroelektrarne izkoriščajo vodno energijo in uporabljajo preprosto mehaniko za pretvorbo te energije v električno.Hidroelektrarne dejansko temeljijo na precej preprostem konceptu - voda, ki teče skozi jez, obrne turbino, ki vrti generator.

Tu so osnovne komponente običajne hidroelektrarne:
Jez – Večina hidroelektrarn se zanaša na jez, ki zadržuje vodo in ustvarja velik rezervoar.Pogosto se ta rezervoar uporablja kot rekreacijsko jezero, kot je jezero Roosevelt pri jezu Grand Coulee v državi Washington.
Dovod – Vrata na jezu se odprejo in gravitacija potegne vodo skozi napeljavo, cevovod, ki vodi do turbine.Voda, ko teče skozi to cev, poveča tlak.
Turbina – Voda udari in obrača velike lopatice turbine, ki je preko gredi pritrjena na generator nad njo.Najpogostejša vrsta turbine za hidroelektrarne je Francisova turbina, ki je videti kot velik disk z ukrivljenimi lopaticami.Po podatkih Fundacije za izobraževanje o vodi in energiji (FWEE) lahko turbina tehta kar 172 ton in se vrti s hitrostjo 90 vrtljajev na minuto (rpm).
Generatorji – Ko se lopatice turbine vrtijo, se vrti tudi vrsta magnetov znotraj generatorja.Velikanski magneti se vrtijo mimo bakrenih tuljav in s premikanjem elektronov proizvajajo izmenični tok (AC).(Več o delovanju generatorja boste izvedeli pozneje.)
Transformator – transformator v elektrarni sprejme izmenični tok in ga pretvori v višjo napetost.
Električni vodi – Iz vsake elektrarne prihajajo štiri žice: tri faze moči, ki se proizvajajo hkrati, plus nevtralna ali ozemljitev, ki je skupna vsem trem.(Če želite izvedeti več o prenosu daljnovoda, preberite, kako delujejo distribucijska omrežja.)
Odtok – Porabljena voda se prenaša po cevovodih, imenovanih odtoki, in ponovno vstopi v reko navzdol.
Voda v rezervoarju se šteje za shranjeno energijo.Ko se vrata odprejo, voda, ki teče skozi cevovod, postane kinetična energija, ker je v gibanju.Količina proizvedene električne energije je odvisna od več dejavnikov.Dva od teh dejavnikov sta prostornina pretoka vode in količina hidravlične glave.Glava se nanaša na razdaljo med vodno površino in turbinami.S povečanjem višine in pretoka se poveča tudi proizvedena električna energija.Glava je običajno odvisna od količine vode v rezervoarju.

Obstaja še ena vrsta hidroelektrarne, ki se imenuje črpalna elektrarna.V klasični hidroelektrarni voda iz rezervoarja teče skozi elektrarno, izstopa in se odvaja navzdol po toku.Črpalna naprava ima dva rezervoarja:
Zgornji rezervoar – Tako kot običajna hidroelektrarna, jez ustvarja rezervoar.Voda v tem rezervoarju teče skozi hidroelektrarno in ustvarja elektriko.
Spodnji rezervoar – Voda, ki izstopa iz hidroelektrarne, teče v nižji rezervoar, namesto da se ponovno vlije v reko in teče navzdol.
Z uporabo reverzibilne turbine lahko naprava črpa vodo nazaj v zgornji rezervoar.To se naredi v času izven prometnih konic.V bistvu drugi rezervoar polni zgornji rezervoar.S črpanjem vode nazaj v zgornji rezervoar ima elektrarna več vode za proizvodnjo električne energije v obdobjih največje porabe.

Generator
Srce hidroelektrarne je generator.Večina hidroelektrarn ima več teh generatorjev.
Generator, kot ste morda uganili, proizvaja električno energijo.Osnovni postopek pridobivanja električne energije na ta način je vrtenje niza magnetov znotraj tuljav žice.Ta proces premika elektrone, ki proizvajajo električni tok.
Hooverjev jez ima skupaj 17 generatorjev, od katerih lahko vsak proizvede do 133 megavatov.Skupna moč hidroelektrarne Hoover Dam je 2.074 megavatov.Vsak generator je sestavljen iz določenih osnovnih delov:
gred
Vzbujevalnik
Rotor
Stator
Ko se turbina vrti, vzbujevalnik pošilja električni tok v rotor.Rotor je niz velikih elektromagnetov, ki se vrtijo znotraj tesno navite tuljave bakrene žice, imenovane stator.Magnetno polje med tuljavo in magneti ustvarja električni tok.
V Hooverjevem jezu se tok 16.500 amperov premika od generatorja do transformatorja, kjer tok naraste do 230.000 amperov, preden se prenese.

Hidroelektrarne izkoriščajo naravno prisoten neprekinjen proces – proces, ki povzroči padanje dežja in dvig rek.Vsak dan naš planet izgubi majhno količino vode skozi ozračje, saj ultravijolični žarki razbijejo molekule vode.Toda hkrati se z vulkansko aktivnostjo iz notranjosti Zemlje oddaja nova voda.Količina ustvarjene vode in količina izgubljene vode sta približno enaki.
V vsakem trenutku je skupna količina vode na svetu v različnih oblikah.Lahko je tekoča, kot v oceanih, rekah in dežju;trdna, kot v ledenikih;ali plinasto, kot v nevidni vodni pari v zraku.Voda spreminja stanje, ko jo vetrni tokovi premikajo po planetu.Vetrni tokovi nastanejo zaradi ogrevalne aktivnosti sonca.Cikel zračnega toka ustvarja sonce, ki sije bolj na ekvatorju kot na druga področja planeta.
Cikli zračnega toka poganjajo oskrbo z vodo na Zemlji skozi lasten cikel, imenovan hidrološki cikel.Ko sonce segreva tekočo vodo, voda v zraku izhlapi v paro.Sonce segreva zrak, kar povzroči dvig zraka v ozračju.Višje je zrak hladnejši, zato se vodna para, ko se dviga, ohladi in kondenzira v kapljice.Ko se na enem območju nabere dovolj kapljic, lahko postanejo dovolj težke, da padejo nazaj na Zemljo kot padavine.
Hidrološki cikel je za hidroelektrarne pomemben, ker so odvisne od pretoka vode.Če v bližini obrata ni dežja, se voda ne bo zbirala gorvodno.Ker se voda ne zbira navzgor, manj vode teče skozi hidroelektrarno in proizvede se manj električne energije.