Kote duniani, mitambo ya umeme wa maji huzalisha takriban asilimia 24 ya umeme duniani na huwapatia watu zaidi ya bilioni 1 umeme. Mitambo ya umeme wa maji duniani hutoa jumla ya megawati 675,000, sawa na nishati ya mapipa bilioni 3.6 ya mafuta, kulingana na Maabara ya Kitaifa ya Nishati Mbadala. Kuna zaidi ya mitambo 2,000 ya umeme wa maji inayofanya kazi nchini Marekani, na kufanya umeme wa maji kuwa chanzo kikubwa zaidi cha nishati mbadala nchini humo.
Katika makala haya, tutaangalia jinsi maji yanayoanguka yanavyounda nishati na kujifunza kuhusu mzunguko wa maji unaounda mtiririko wa maji muhimu kwa umeme wa maji. Pia utapata mwangaza wa matumizi moja ya kipekee ya umeme wa maji ambayo yanaweza kuathiri maisha yako ya kila siku.
Unapotazama mto ukipita, ni vigumu kufikiria nguvu inayobeba. Kama umewahi kuendesha rafti kwenye maji machafu, basi umehisi sehemu ndogo ya nguvu ya mto. Maporomoko ya maji machafu huundwa kama mto, unaobeba kiasi kikubwa cha maji kuteremka, vikwazo kupitia njia nyembamba. Mto unaposukumwa kupitia uwazi huu, mtiririko wake huongezeka haraka. Mafuriko ni mfano mwingine wa nguvu ambayo kiasi kikubwa cha maji kinaweza kuwa nayo.
Mitambo ya umeme wa maji hutumia nishati ya maji na hutumia mitambo rahisi kubadilisha nishati hiyo kuwa umeme. Mitambo ya umeme wa maji kwa kweli inategemea dhana rahisi - maji yanayotiririka kupitia bwawa hugeuza turbine, ambayo hugeuza jenereta.
Hapa kuna vipengele vya msingi vya mmea wa kawaida wa umeme wa maji:
Shimoni linalounganisha turbine na jenereta
Bwawa - Mitambo mingi ya umeme wa maji hutegemea bwawa linalozuia maji, na hivyo kutengeneza hifadhi kubwa. Mara nyingi, hifadhi hii hutumika kama ziwa la burudani, kama vile Ziwa Roosevelt katika Bwawa la Grand Coulee katika Jimbo la Washington.
Uingizaji maji - Milango kwenye bwawa hufunguka na uvutano huvuta maji kupitia bomba la maji, bomba linaloelekea kwenye turbine. Maji hujenga shinikizo yanapopita kwenye bomba hili.
Turbine - Maji hupiga na kuzungusha vile vikubwa vya turbine, ambavyo vimeunganishwa na jenereta juu yake kwa njia ya shimoni. Aina ya turbine inayotumika sana kwa mitambo ya umeme wa maji ni Francis Turbine, ambayo inaonekana kama diski kubwa yenye vile vilivyopinda. Turbine inaweza kuwa na uzito wa hadi tani 172 na kuzungusha kwa kasi ya mapinduzi 90 kwa dakika (rpm), kulingana na Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Jenereta – Kadri vile vya turbine vinavyozunguka, ndivyo mfululizo wa sumaku ndani ya jenereta unavyozunguka. Sumaku kubwa huzunguka kupita koili za shaba, na kutoa mkondo mbadala (AC) kwa kusogeza elektroni. (Utajifunza zaidi kuhusu jinsi jenereta inavyofanya kazi baadaye.)
Transfoma - Transfoma iliyo ndani ya kituo cha umeme huchukua AC na kuibadilisha kuwa mkondo wa volteji ya juu.
Mistari ya umeme - Kati ya kila mtambo wa umeme hutoka waya nne: awamu tatu za umeme zinazozalishwa kwa wakati mmoja pamoja na ile isiyo na upande wowote au ya ardhini inayofanana na zote tatu. (Soma Jinsi Gridi za Usambazaji wa Umeme Zinavyofanya Kazi ili kujifunza zaidi kuhusu upitishaji wa nyaya za umeme.)
Mtiririko wa maji - Maji yaliyotumika hupitishwa kupitia mabomba, yanayoitwa tailraces, na kuingia tena kwenye mto ulio chini.
Maji katika hifadhi huchukuliwa kuwa nishati iliyohifadhiwa. Malango yanapofunguliwa, maji yanayopita kwenye hifadhi huwa nishati ya kinetiki kwa sababu yana mwendo. Kiasi cha umeme kinachozalishwa huamuliwa na mambo kadhaa. Mambo mawili kati ya hayo ni ujazo wa mtiririko wa maji na kiasi cha kichwa cha majimaji. Kichwa hurejelea umbali kati ya uso wa maji na turbine. Kadri kichwa na mtiririko vinavyoongezeka, ndivyo umeme unaozalishwa unavyoongezeka. Kichwa kwa kawaida hutegemea kiasi cha maji katika hifadhi.
Kuna aina nyingine ya mtambo wa umeme wa maji, unaoitwa mtambo wa kuhifadhi maji kwa kutumia pumped-storage. Katika mtambo wa kawaida wa umeme wa maji, maji kutoka kwenye hifadhi hutiririka kupitia mtambo, hutoka na kubebwa chini ya mkondo. Mtambo wa kuhifadhi maji kwa kutumia pumped-storage una mabwawa mawili:
Bwawa la juu - Kama mtambo wa kawaida wa umeme wa maji, bwawa huunda bwawa. Maji katika bwawa hili hutiririka kupitia mtambo wa umeme wa maji ili kutoa umeme.
Bwawa la Chini - Maji yanayotoka kwenye mtambo wa umeme wa maji hutiririka hadi kwenye bwawa la chini badala ya kuingia tena mtoni na kutiririka chini ya mto.
Kwa kutumia turbine inayoweza kubadilishwa, mtambo unaweza kusukuma maji kurudi kwenye hifadhi ya juu. Hii inafanywa katika saa ambazo hazijatumika sana. Kimsingi, hifadhi ya pili hujaza tena hifadhi ya juu. Kwa kusukuma maji kurudi kwenye hifadhi ya juu, mtambo una maji zaidi ya kuzalisha umeme wakati wa matumizi ya juu.
Jenereta
Kiini cha mtambo wa umeme wa maji ni jenereta. Mitambo mingi ya umeme wa maji ina jenereta kadhaa kati ya hizi.
Jenereta, kama unavyoweza kukisia, hutoa umeme. Mchakato wa msingi wa kuzalisha umeme kwa njia hii ni kuzungusha mfululizo wa sumaku ndani ya koili za waya. Mchakato huu husogeza elektroni, ambazo hutoa mkondo wa umeme.
Bwawa la Hoover lina jumla ya jenereta 17, ambazo kila moja inaweza kutoa hadi megawati 133. Uwezo wa jumla wa kiwanda cha umeme wa maji cha Hoover Dam ni megawati 2,074. Kila jenereta imetengenezwa kwa sehemu fulani za msingi:
Turbine inapozunguka, kichocheo hutuma mkondo wa umeme kwenye rotor. Rotor ni mfululizo wa sumaku kubwa za kielektroniki zinazozunguka ndani ya koili ya waya wa shaba iliyojeruhiwa kwa nguvu, inayoitwa stator. Uwanja wa sumaku kati ya koili na sumaku huunda mkondo wa umeme.
Katika Bwawa la Hoover, mkondo wa ampea 16,500 huhama kutoka kwa jenereta hadi kwenye transfoma, ambapo mkondo hupanda hadi ampea 230,000 kabla ya kusambazwa.
Mitambo ya umeme wa maji hutumia mchakato unaotokea kiasili na unaoendelea — mchakato unaosababisha mvua kunyesha na mito kuongezeka. Kila siku, sayari yetu hupoteza kiasi kidogo cha maji kupitia angahewa huku miale ya urujuanimno ikivunja molekuli za maji. Lakini wakati huo huo, maji mapya hutolewa kutoka sehemu ya ndani ya Dunia kupitia shughuli za volkeno. Kiasi cha maji yanayoundwa na kiasi cha maji yanayopotea ni sawa.
Wakati wowote, jumla ya maji duniani iko katika aina nyingi tofauti. Inaweza kuwa kimiminika, kama ilivyo katika bahari, mito na mvua; imara, kama ilivyo katika barafu; au gesi, kama ilivyo katika mvuke wa maji usioonekana angani. Maji hubadilisha hali yanaposogezwa kuzunguka sayari na mikondo ya upepo. Mikondo ya upepo huzalishwa na shughuli ya joto ya jua. Mizunguko ya mkondo wa hewa huundwa na jua linalong'aa zaidi kwenye ikweta kuliko katika maeneo mengine ya sayari.
Mzunguko wa mkondo wa hewa huendesha usambazaji wa maji wa Dunia kupitia mzunguko wake, unaoitwa mzunguko wa hidrojia. Jua linapopasha maji ya kioevu joto, maji huvukiza na kuwa mvuke hewani. Jua hupasha hewa joto, na kusababisha hewa kupanda angani. Hewa inakuwa baridi zaidi juu, kwa hivyo mvuke wa maji unapopanda, hupoa, na kuganda na kuwa matone. Matone ya kutosha yanapokusanyika katika eneo moja, matone yanaweza kuwa mazito ya kutosha kurudi Duniani kama mvua.
Mzunguko wa maji ni muhimu kwa mitambo ya umeme wa maji kwa sababu inategemea mtiririko wa maji. Ikiwa kuna ukosefu wa mvua karibu na kiwanda, maji hayatakusanyika upande wa juu wa mto. Kwa kukosekana kwa maji yanayokusanywa kwenye mkondo wa juu, maji machache hutiririka kupitia kiwanda cha umeme wa maji na umeme mdogo huzalishwa.
Wazo la msingi la umeme wa maji ni kutumia nguvu ya kioevu kinachotembea kugeuza blade ya turbine. Kwa kawaida, bwawa kubwa lazima lijengwe katikati ya mto ili kutekeleza kazi hii. Uvumbuzi mpya unatumia wazo la umeme wa maji kwa kiwango kidogo zaidi ili kutoa umeme kwa vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka.
Mvumbuzi Robert Komarechka wa Ontario, Kanada, amekuja na wazo la kuweka jenereta ndogo za umeme wa maji kwenye nyayo za viatu. Anaamini turbini hizi ndogo zitazalisha umeme wa kutosha kuwasha karibu kifaa chochote. Mnamo Mei 2001, Komarechka alipokea hati miliki ya kifaa chake cha kipekee kinachotumia miguu.
Kuna kanuni ya msingi sana kuhusu jinsi tunavyotembea: Mguu huanguka kutoka kisigino hadi kidole wakati wa kila hatua. Mguu wako unapotua ardhini, nguvu hushuka kupitia kisigino chako. Unapojiandaa kwa hatua yako inayofuata, unazungusha mguu wako mbele, hivyo nguvu huhamishiwa kwenye mpira wa mguu wako. Inaonekana Komarechka aliona kanuni hii ya msingi ya kutembea na ameunda wazo la kutumia nguvu ya shughuli hii ya kila siku.
Kuna sehemu tano za "viatu vyenye jenereta ya maji" ya Komarechka, kama ilivyoelezwa katika hati miliki yake:
Majimaji - Mfumo utatumia majimaji yanayopitisha umeme.
Mifuko ya kushikilia umajimaji - Kifuko kimoja huwekwa kwenye kisigino na kingine kwenye sehemu ya vidole vya miguu ya kiatu.
Mifereji - Mifereji huunganisha kila kifuko na jenereta ndogo.
Turbine - Maji yanaposonga mbele na nyuma kwenye soli, husogeza vilele vya turbine ndogo.
Jenereta Ndogo - Jenereta iko kati ya mifuko miwili iliyojaa maji, na inajumuisha rotor ya vane, ambayo huendesha shimoni na kuzungusha jenereta.
Mtu anapotembea, mgandamizo wa umajimaji kwenye kifuko kilicho kwenye kisigino cha kiatu utalazimisha umajimaji kupitia mfereji na kuingia kwenye moduli ya jenereta ya umeme wa maji. Mtumiaji anapoendelea kutembea, kisigino kitainuliwa na shinikizo la chini litawekwa kwenye kifuko chini ya mpira wa mguu wa mtu huyo. Mwendo wa umajimaji utazunguka rotor na shimoni ili kutoa umeme.
Soketi ya nje itatolewa ili kuunganisha waya kwenye kifaa kinachobebeka. Kifaa cha kutoa umeme kinachodhibiti umeme kinaweza pia kutolewa ili kuvaliwa kwenye mkanda wa mtumiaji. Vifaa vya kielektroniki vinaweza kuunganishwa kwenye kifaa hiki cha kutoa umeme kinachodhibiti umeme, ambacho kitatoa usambazaji thabiti wa umeme.
"Kwa kuongezeka kwa idadi ya vifaa vinavyobebeka vinavyotumia betri," hati miliki inasomeka, "kuna haja inayoongezeka ya kutoa chanzo cha umeme kinachodumu kwa muda mrefu, kinachoweza kubadilika na chenye ufanisi." Komarechka anatarajia kwamba kifaa chake kitatumika kwa ajili ya kuwasha kompyuta zinazobebeka, simu za mkononi, vicheza CD, vipokeaji vya GPS na redio za njia mbili.
Muda wa chapisho: Julai-21-2022
