Hidroelektrarne po vsem svetu 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 energetski ekvivalent 3,6 milijarde sodčkov nafte. V Združenih državah Amerike 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 se seznanili s hidrološkim ciklom, ki ustvarja vodni pretok, bistven za hidroenergijo. Dobili boste tudi vpogled v eno edinstveno uporabo hidroenergije, ki lahko vpliva na vaše vsakdanje življenje.
Ko opazujete reko, ki se vali mimo, si je težko predstavljati silo, ki jo nosi. Če ste se kdaj lotili raftinga na divjih vodah, ste že občutili majhen del moči reke. Brzice na divjih vodah nastanejo, ko reka nosi veliko količino vode navzdol, skozi ozka grla. Ko se reka potisne skozi to odprtino, se njen tok pospeši. Poplave so še en primer, koliko sile lahko ima ogromna količina vode.
Hidroelektrarne izkoriščajo energijo vode in s preprostimi mehanizmi to energijo pretvarjajo v električno energijo. Hidroelektrarne pravzaprav temeljijo na precej preprostem konceptu – voda, ki teče skozi jez, vrti turbino, ki vrti generator.
Tukaj so osnovne komponente konvencionalne hidroelektrarne:
Gred, ki povezuje turbino in generator
Jez – Večina hidroelektrarn se zanaša na jez, ki zadržuje vodo in ustvarja velik rezervoar. Ta rezervoar se pogosto uporablja kot rekreacijsko jezero, kot je jezero Roosevelt pri jezu Grand Coulee v zvezni državi Washington.
Dovod – Zapornice na jezu se odprejo in gravitacija potegne vodo skozi cevovod, ki vodi do turbine. Voda med tokom skozi to cev ustvarja tlak.
Turbina – Voda udarja in vrti velike lopatice turbine, ki je z gredjo pritrjena na generator nad njo. Najpogostejša vrsta turbine za hidroelektrarne je Francisova turbina, ki je videti kot velik disk z ukrivljenimi lopaticami. Turbina lahko tehta do 172 ton in se vrti s hitrostjo 90 vrtljajev na minuto (rpm), navaja Fundacija za izobraževanje o vodi in energiji (FWEE).
Generatorji – Ko se vrtijo lopatice turbine, se vrti tudi vrsta magnetov v generatorju. Ogromni magneti se vrtijo okoli bakrenih tuljav in s premikanjem elektronov proizvajajo izmenični tok (AC). (Več o delovanju generatorja boste izvedeli kasneje.)
Transformator – Transformator v elektrarni pretvarja izmenični tok v tok višje napetosti.
Daljnovodi – Iz vsake elektrarne prihajajo štiri žice: tri faze, ki se proizvajajo hkrati, in nevtralni vodnik ali ozemljitev, ki je skupna vsem trem. (Preberite Kako delujejo omrežja za distribucijo električne energije, če želite izvedeti več o prenosu po daljnovodih.)
Odtok – Rabljena voda se odvaja po cevovodih, imenovanih odvodni kanali, in se ponovno vrne v reko dolvodno.
Voda v rezervoarju se šteje za shranjeno energijo. Ko se zapornice odprejo, voda, ki teče skozi cevovod, postane kinetična energija, ker se giblje. Količino proizvedene električne energije določa več dejavnikov. Dva od teh dejavnikov sta količina pretoka vode in višina hidravličnega tlaka. Tlačni tlak se nanaša na razdaljo med vodno gladino in turbinami. Z naraščanjem tlaka in pretoka se povečuje tudi proizvedena elektrika. Tlačni tlak je običajno odvisen od količine vode v rezervoarju.
Obstaja še ena vrsta hidroelektrarne, imenovana črpalna hidroelektrarna. V običajni hidroelektrarni voda iz rezervoarja teče skozi elektrarno, izstopa in se odvaja navzdol po toku. Črpalna hidroelektrarna ima dva rezervoarja:
Zgornji rezervoar – Tako kot običajna hidroelektrarna tudi jez ustvari rezervoar. Voda v tem rezervoarju teče skozi hidroelektrarno in proizvaja električno energijo.
Spodnji rezervoar – Voda, ki izstopa iz hidroelektrarne, teče v spodnji rezervoar, namesto da bi se ponovno vlila v reko in tekla navzdol.
Z reverzibilno turbino lahko elektrarna črpa vodo nazaj v zgornji rezervoar. To se izvaja izven 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 elektriko. Osnovni postopek proizvodnje električne energije na ta način je vrtenje vrste magnetov znotraj tuljav žice. Ta postopek premika elektrone, kar proizvaja električni tok.
Hooverjev jez ima skupno 17 generatorjev, od katerih lahko vsak proizvede do 133 megavatov. Skupna zmogljivost hidroelektrarne Hooverjev jez je 2074 megavatov. Vsak generator je sestavljen iz določenih osnovnih delov:
Ko se turbina vrti, vzbujevalnik pošilja električni tok v rotor. Rotor je vrsta velikih elektromagnetov, ki se vrtijo znotraj tesno navite tuljave iz bakrene žice, imenovane stator. Magnetno polje med tuljavo in magneti ustvarja električni tok.
V Hooverjevem jezu teče tok 16.500 amperov iz generatorja v transformator, kjer se tok pred prenosom poveča na 230.000 amperov.
Hidroelektrarne izkoriščajo naravni, neprekinjen proces – proces, ki povzroča dež in naraščanje rek. Vsak dan naš planet izgubi majhno količino vode skozi ozračje, saj ultravijolični žarki razgrajujejo molekule vode. Hkrati pa se iz notranjosti Zemlje zaradi vulkanske aktivnosti izpušča nova voda. Količina ustvarjene in izgubljene vode je približno enaka.
Skupna količina vode na svetu je kadar koli v številnih različnih oblikah. Lahko je tekoča, kot v oceanih, rekah in dežju; trdna, kot v ledenikih; ali plinasta, kot nevidna vodna para v zraku. Voda spreminja agregatna stanja, ko jo vetrni tokovi premikajo po planetu. Vetrni tokovi nastanejo zaradi segrevanja sonca. Cikli zračnih tokov nastanejo, ko sonce bolj sije na ekvator kot na druga območja planeta.
Kroženje zračnih tokov poganja Zemljino zalogo vode skozi svojstven cikel, imenovan hidrološki cikel. Ko sonce segreva tekočo vodo, ta izhlapeva v paro v zraku. Sonce segreva zrak, zaradi česar se zrak v ozračju dviga. Zrak je višje 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 pomemben za hidroelektrarne, ker so odvisne od pretoka vode. Če v bližini elektrarne primanjkuje dežja, se voda ne bo zbirala gorvodno. Če se voda ne zbira gorvodno, skozi hidroelektrarno teče manj vode in proizvede se manj električne energije.
Osnovna ideja hidroenergije je uporaba moči gibljive tekočine za vrtenje lopatice turbine. Za opravljanje te funkcije je običajno treba sredi reke zgraditi velik jez. Nov izum izkorišča idejo hidroenergije v veliko manjšem obsegu za zagotavljanje električne energije za prenosne elektronske naprave.
Izumitelj Robert Komarechka iz Ontaria v Kanadi se je domislil ideje o namestitvi majhnih hidroelektrarn v podplate čevljev. Verjame, da bodo te mikroturbine proizvedle dovolj električne energije za napajanje skoraj vseh naprav. Maja 2001 je Komarechka prejel patent za svojo edinstveno napravo, ki jo poganjajo noge.
Obstaja zelo osnovno načelo naše hoje: stopalo se med vsakim korakom dotakne pete in prstov. Ko stopalo pristane na tleh, se sila prenese skozi peto. Ko se pripravljate na naslednji korak, stopalo premaknete naprej, tako da se sila prenese na prst stopala. Komarečka je očitno opazil to osnovno načelo hoje in razvil idejo, kako izkoristiti moč te vsakodnevne dejavnosti.
Komarečkina "obutev s sklopom hidroelektrarnega generatorja", kot je opisano v patentu, je sestavljena iz petih delov:
Tekočina – Sistem bo uporabljal električno prevodno tekočino.
Vrečke za zadrževanje tekočine – ena vrečka je nameščena v peti, druga pa v delu čevlja, kjer je prst.
Kanali – Kanali povezujejo vsako vrečko z mikrogeneratorjem.
Turbina – Ko se voda premika naprej in nazaj v podplatu, premika lopatice drobne turbine.
Mikrogenerator – Generator se nahaja med dvema vrečkama, napolnjenima s tekočino, in vključuje lopatni rotor, ki poganja gred in vrti generator.
Med hojo bo stiskanje tekočine v vrečki, ki se nahaja v peti čevlja, potisnilo tekočino skozi cev in v modul hidroelektričnega generatorja. Ko uporabnik nadaljuje s hojo, se bo peta dvignila in na vrečko pod prstom stopala bo deloval pritisk navzdol. Gibanje tekočine bo vrtelo rotor in gred za proizvodnjo električne energije.
Za priključitev žic na prenosno napravo bo na voljo zunanja vtičnica. Lahko se namesti tudi izhodna enota za nadzor napajanja, ki jo uporabnik nosi na pasu. Na to izhodno enoto za nadzor napajanja je nato mogoče priključiti elektronske naprave, ki bodo zagotavljale stalno oskrbo z električno energijo.
»Z naraščanjem števila prenosnih naprav, ki se napajajo z baterijami,« piše v patentu, »je vse večja potreba po dolgotrajnem, prilagodljivem in učinkovitem električnem viru.« Komarečka pričakuje, da se bo njegova naprava uporabljala za napajanje prenosnih računalnikov, mobilnih telefonov, predvajalnikov CD-jev, GPS-sprejemnikov in dvosmernih radijskih naprav.
Čas objave: 21. julij 2022
