Världen över producerar vattenkraftverk cirka 24 procent av världens el och förser mer än 1 miljard människor med el. Världens vattenkraftverk producerar totalt 675 000 megawatt, vilket motsvarar 3,6 miljarder fat olja, enligt National Renewable Energy Laboratory. Det finns mer än 2 000 vattenkraftverk i drift i USA, vilket gör vattenkraft till landets största förnybara energikälla.
I den här artikeln ska vi titta på hur fallande vatten skapar energi och lära oss om den hydrologiska cykeln som skapar det vattenflöde som är avgörande för vattenkraft. Du får också en glimt av en unik tillämpning av vattenkraft som kan påverka ditt dagliga liv.
När man ser en flod forsa förbi är det svårt att föreställa sig vilken kraft den bär. Om du någonsin har forsrännat har du känt en liten del av flodens kraft. Forsar skapas när en flod bär en stor mängd vatten nedförsbacken, flaskhalsar genom en smal passage. När floden tvingas genom denna öppning ökar dess flöde. Översvämningar är ett annat exempel på hur stor kraft en enorm mängd vatten kan ha.
Vattenkraftverk utnyttjar vattenenergi och använder enkel mekanik för att omvandla den energin till elektricitet. Vattenkraftverk bygger faktiskt på ett ganska enkelt koncept – vatten som rinner genom en damm driver en turbin, som sedan driver en generator.
Här är de grundläggande komponenterna i ett konventionellt vattenkraftverk:
Axeln som förbinder turbinen och generatorn
Damm – De flesta vattenkraftverk är beroende av en damm som håller tillbaka vatten och skapar en stor reservoar. Ofta används denna reservoar som en rekreationssjö, till exempel Lake Roosevelt vid Grand Coulee-dammen i delstaten Washington.
Intag – Dammluckor öppnas och gravitationen drar vattnet genom rörledningen, en rörledning som leder till turbinen. Vatten byggs upp tryck när det strömmar genom detta rör.
Turbin – Vattnet slår mot och vrider de stora bladen på en turbin, som är fäst vid en generator ovanför med hjälp av en axel. Den vanligaste typen av turbin för vattenkraftverk är Francis-turbinen, som ser ut som en stor skiva med böjda blad. En turbin kan väga så mycket som 172 ton och rotera med en hastighet av 90 varv per minut (rpm), enligt Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatorer – När turbinbladen roterar, gör även en serie magneter inuti generatorn det. Jättemagneter roterar förbi kopparspolar och producerar växelström (AC) genom att förflytta elektroner. (Du får lära dig mer om hur generatorn fungerar senare.)
Transformator – Transformatorn inuti kraftverket tar växelströmmen och omvandlar den till högre spänningsström.
Kraftledningar – Från varje kraftverk kommer fyra ledningar: de tre faser av kraft som produceras samtidigt plus en neutral eller jord gemensam för alla tre. (Läs Hur kraftdistributionsnät fungerar för att lära dig mer om kraftledningsöverföring.)
Utflöde – Använt vatten transporteras genom rörledningar, så kallade utlopp, och rinner åter ut i floden nedströms.
Vattnet i reservoaren betraktas som lagrad energi. När portarna öppnas blir vattnet som strömmar genom rörledningen kinetisk energi eftersom det är i rörelse. Mängden elektricitet som genereras bestäms av flera faktorer. Två av dessa faktorer är vattenflödets volym och den hydrauliska tryckhöjden. Tryckhöjden avser avståndet mellan vattenytan och turbinerna. När tryckhöjden och flödet ökar, ökar även den genererade elektriciteten. Tryckhöjden är vanligtvis beroende av mängden vatten i reservoaren.
Det finns en annan typ av vattenkraftverk, kallat pumpkraftverk. I ett konventionellt vattenkraftverk rinner vattnet från reservoaren genom anläggningen, ut och leds nedströms. Ett pumpkraftverk har två reservoarer:
Övre reservoar – Precis som ett konventionellt vattenkraftverk skapar en damm en reservoar. Vattnet i denna reservoar rinner genom vattenkraftverket för att skapa elektricitet.
Nedre reservoar – Vatten som lämnar vattenkraftverket rinner in i en nedre reservoar istället för att åter rinna ut i floden och rinna nedströms.
Med hjälp av en reversibel turbin kan anläggningen pumpa vatten tillbaka till den övre reservoaren. Detta görs under lågtrafik. I huvudsak fyller den andra reservoaren på den övre reservoaren. Genom att pumpa vatten tillbaka till den övre reservoaren har anläggningen mer vatten för att generera el under perioder med hög förbrukning.
Generatorn
Hjärtat i vattenkraftverket är generatorn. De flesta vattenkraftverk har flera av dessa generatorer.
Generatorn, som du kanske gissat, genererar elektricitet. Den grundläggande processen för att generera elektricitet på detta sätt är att rotera en serie magneter inuti trådspolar. Denna process flyttar elektroner, vilket producerar elektrisk ström.
Hooverdammen har totalt 17 generatorer, som var och en kan generera upp till 133 megawatt. Den totala kapaciteten för Hooverdammens vattenkraftverk är 2 074 megawatt. Varje generator är uppbyggd av vissa grundläggande delar:
När turbinen roterar skickar excitorn en elektrisk ström till rotorn. Rotorn är en serie stora elektromagneter som roterar inuti en tätt lindad spole av koppartråd, kallad statorn. Magnetfältet mellan spolen och magneterna skapar en elektrisk ström.
I Hooverdammen rör sig en ström på 16 500 ampere från generatorn till transformatorn, där strömmen ökar till 230 000 ampere innan den överförs.
Vattenkraftverk utnyttjar en naturligt förekommande, kontinuerlig process – den process som får regn att falla och floder att stiga. Varje dag förlorar vår planet en liten mängd vatten genom atmosfären när ultravioletta strålar bryter isär vattenmolekyler. Men samtidigt släpps nytt vatten ut från jordens inre genom vulkanisk aktivitet. Mängden vatten som skapas och mängden vatten som förloras är ungefär densamma.
Vid varje given tidpunkt finns världens totala vattenvolym i många olika former. Den kan vara flytande, som i hav, floder och regn; fast, som i glaciärer; eller gasformig, som i den osynliga vattenångan i luften. Vatten ändrar tillstånd när det förflyttas runt planeten av vindströmmar. Vindströmmar genereras av solens uppvärmningsaktivitet. Luftströmscykler skapas av att solen skiner mer på ekvatorn än på andra områden på planeten.
Luftströmmars cykler driver jordens vattenförsörjning genom en egen cykel, kallad den hydrologiska cykeln. När solen värmer upp flytande vatten avdunstar vattnet till ånga i luften. Solen värmer upp luften, vilket får luften att stiga i atmosfären. Luften är kallare högre upp, så när vattenångan stiger kyls den ner och kondenserar till droppar. När tillräckligt många droppar samlas på ett område kan dropparna bli tillräckligt tunga för att falla tillbaka till jorden som nederbörd.
Det hydrologiska kretsloppet är viktigt för vattenkraftverk eftersom de är beroende av vattenflöde. Om det inte finns regn nära kraftverket samlas inget vatten uppströms. Utan vatten som samlas uppströms rinner mindre vatten genom vattenkraftverket och mindre el genereras.
Grundidén bakom vattenkraft är att använda kraften från en rörlig vätska för att rotera ett turbinblad. Vanligtvis måste en stor damm byggas mitt i en flod för att utföra denna funktion. En ny uppfinning utnyttjar idén om vattenkraft i mycket mindre skala för att tillhandahålla elektricitet till bärbara elektroniska enheter.
Uppfinnaren Robert Komarechka från Ontario, Kanada, har kommit på idén att placera små vattenkraftgeneratorer i skosulor. Han tror att dessa mikroturbiner kommer att generera tillräckligt med elektricitet för att driva nästan vilken pryl som helst. I maj 2001 fick Komarechka patent på sin unika fotdrivna anordning.
Det finns en väldigt grundläggande princip för hur vi går: Foten faller häl mot tå under varje steg. När foten landar på marken, appliceras kraft genom hälen. När du förbereder dig för nästa steg rullar du foten framåt, så att kraften överförs till trampdynan. Komarechka har tydligen lagt märke till denna grundläggande princip för gång och har utvecklat en idé för att utnyttja kraften i denna vardagliga aktivitet.
Det finns fem delar i Komarechkas "skor med vattenkraftgeneratoraggregat", som beskrivs i dess patent:
Vätska – Systemet använder en elektriskt ledande vätska.
Vätskepåsar – En påse placeras i hälen och en annan i skons tådel.
Ledningar – Ledningar ansluter varje säck till en mikrogenerator.
Turbin – När vattnet rör sig fram och tillbaka i sulan, rör det sig bladen på en liten turbin.
Mikrogenerator – Generatorn är placerad mellan de två vätskefyllda säckarna och inkluderar en skovelrotor som driver en axel och vrider generatorn.
När en person går, kommer kompressionen av vätskan i säcken som sitter i skons häl att tvinga vätska genom röret och in i vattenkraftgeneratorns modulen. När användaren fortsätter att gå kommer hälen att lyftas och ett nedåtriktat tryck kommer att utövas på säcken under personens fotsula. Vätskan kommer att rotera rotorn och axeln för att producera elektricitet.
Ett externt uttag kommer att finnas för att ansluta kablar till en bärbar enhet. En strömstyrningsutgångsenhet kan också finnas att bära i användarens bälte. Elektroniska enheter kan sedan anslutas till denna strömstyrningsutgångsenhet, vilket ger en stadig strömförsörjning.
”Med ökningen av antalet batteridrivna, bärbara enheter”, står det i patentet, ”finns det ett ökande behov av att tillhandahålla en långvarig, anpassningsbar och effektiv elkälla.” Komarechka förväntar sig att hans enhet kommer att användas för att driva bärbara datorer, mobiltelefoner, CD-spelare, GPS-mottagare och komradioapparater.
Publiceringstid: 21 juli 2022
