Hidroelektrik Santralleri Nasıl Çalışır

Dünya çapında, hidroelektrik santralleri dünya elektriğinin yaklaşık %24'ünü üretiyor ve 1 milyardan fazla insana güç sağlıyor. Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'na göre, dünyadaki hidroelektrik santralleri toplamda 675.000 megavat, yani 3,6 milyar varil petrolün enerji eşdeğeri üretiyor. Amerika Birleşik Devletleri'nde faaliyet gösteren 2.000'den fazla hidroelektrik santrali bulunuyor ve bu da hidroelektrik santralini ülkenin en büyük yenilenebilir enerji kaynağı haline getiriyor.
Bu yazıda, düşen suyun nasıl enerji yarattığına bakacağız ve hidroelektrik için gerekli olan su akışını yaratan hidrolojik döngü hakkında bilgi edineceğiz. Ayrıca günlük hayatınızı etkileyebilecek hidroelektrik enerjisinin benzersiz bir uygulamasına da göz atacaksınız.
Bir nehrin akışını izlerken, taşıdığı gücü hayal etmek zordur. Eğer daha önce rafting yaptıysanız, nehrin gücünün küçük bir kısmını hissetmişsinizdir. Akarsu akıntıları, büyük miktarda suyu yokuş aşağı taşıyan, dar bir geçitten dar boğazlar oluşturan bir nehir olarak yaratılır. Nehir bu açıklıktan zorla geçirildiğinde akışı hızlanır. Taşkınlar, muazzam miktarda suyun ne kadar büyük bir güce sahip olabileceğinin bir başka örneğidir.
Hidroelektrik santralleri suyun enerjisini kullanır ve bu enerjiyi elektriğe dönüştürmek için basit mekanikler kullanır. Hidroelektrik santralleri aslında oldukça basit bir konsepte dayanır — bir barajdan akan su bir türbini döndürür, türbin de bir jeneratörü döndürür.

Geleneksel bir hidroelektrik santralinin temel bileşenleri şunlardır:
Baraj – Çoğu hidroelektrik santrali, suyu tutan ve büyük bir rezervuar oluşturan bir baraja güvenir. Genellikle bu rezervuar, Washington Eyaletindeki Grand Coulee Barajı'ndaki Lake Roosevelt gibi bir eğlence gölü olarak kullanılır.
Giriş – Barajdaki kapaklar açılır ve yer çekimi suyu türbine giden bir boru hattı olan penstock'tan çeker. Su bu borudan akarken basınç oluşturur.
Türbin – Su, bir şaft aracılığıyla üstündeki bir jeneratöre bağlı olan bir türbinin büyük kanatlarına çarpar ve onları döndürür. Hidroelektrik santralleri için en yaygın türbin türü, kavisli kanatları olan büyük bir diske benzeyen Francis Türbini'dir. Su ve Enerji Eğitimi Vakfı'na (FWEE) göre bir türbin 172 tona kadar ağırlıkta olabilir ve dakikada 90 devir (rpm) hızında dönebilir.
Jeneratörler – Türbin kanatları dönerken, jeneratörün içindeki bir dizi mıknatıs da döner. Dev mıknatıslar, hareket eden elektronlarla alternatif akım (AC) üreterek bakır bobinlerin yanından döner. (Jeneratörün nasıl çalıştığı hakkında daha sonra daha fazla bilgi edineceksiniz.)
Transformatör – Santralin içindeki transformatör AC'yi alır ve onu daha yüksek voltajlı akıma dönüştürür.
Elektrik hatları – Her elektrik santralinden dört kablo çıkar: aynı anda üretilen üç faz elektrik artı üçüne ortak olan nötr veya toprak. (Elektrik dağıtım şebekeleri nasıl çalışır konusunu okuyarak elektrik hattı iletimi hakkında daha fazla bilgi edinin.)
Çıkış – Kullanılmış su, kuyruk suyu adı verilen boru hatları aracılığıyla taşınır ve akış aşağısında nehre yeniden girer.
Rezervuardaki su depolanmış enerji olarak kabul edilir. Kapaklar açıldığında, penstock'tan akan su hareket halinde olduğu için kinetik enerjiye dönüşür. Üretilen elektrik miktarı birkaç faktör tarafından belirlenir. Bu faktörlerden ikisi su akışının hacmi ve hidrolik basınç miktarıdır. Basınç, su yüzeyi ile türbinler arasındaki mesafeyi ifade eder. Basınç ve akış arttıkça, üretilen elektrik de artar. Basınç genellikle rezervuardaki su miktarına bağlıdır.

Pompalı depolamalı santral adı verilen başka bir hidroelektrik santrali türü daha vardır. Geleneksel bir hidroelektrik santralinde, rezervuardaki su santralden akar, çıkar ve aşağı doğru akar. Pompalı depolamalı santralin iki rezervuarı vardır:
Üst rezervuar – Geleneksel bir hidroelektrik santrali gibi, bir baraj da bir rezervuar yaratır. Bu rezervuardaki su, elektrik üretmek için hidroelektrik santralinden akar.
Alt rezervuar – Hidroelektrik santralinden çıkan su, nehre tekrar girip aşağı doğru akmak yerine alt rezervuara akar.
Tersinir bir türbin kullanarak, tesis suyu üst rezervuara geri pompalayabilir. Bu, düşük tüketim saatlerinde yapılır. Esasen, ikinci rezervuar üst rezervuarı yeniden doldurur. Suyu üst rezervuara geri pompalayarak, tesis en yoğun tüketim dönemlerinde elektrik üretmek için daha fazla suya sahip olur.

Jeneratör
Hidroelektrik santralinin kalbi jeneratördür. Çoğu hidroelektrik santralinde bu jeneratörlerden birkaç tane bulunur.
Jeneratör, tahmin edebileceğiniz gibi, elektriği üretir. Bu şekilde elektrik üretmenin temel süreci, tel bobinlerinin içindeki bir dizi mıknatısı döndürmektir. Bu süreç, elektrik akımı üreten elektronları hareket ettirir.
Hoover Barajı'nda toplam 17 jeneratör bulunmaktadır ve her biri 133 megavata kadar üretebilir. Hoover Barajı hidroelektrik santralinin toplam kapasitesi 2.074 megavattır. Her jeneratör belirli temel parçalardan oluşur:
Şaft
Uyarıcı
Rotor
Stator
Türbin dönerken, uyarıcı rotora elektrik akımı gönderir. Rotor, stator adı verilen sıkıca sarılmış bir bakır tel bobininin içinde dönen bir dizi büyük elektromıknatıstır. Bobin ve mıknatıslar arasındaki manyetik alan bir elektrik akımı oluşturur.
Hoover Barajı'nda jeneratörden trafoya 16.500 amperlik bir akım geçiyor ve iletilmeden önce akım 230.000 ampere kadar çıkıyor.

Hidroelektrik santralleri, doğal olarak meydana gelen, sürekli bir süreçten faydalanır — yağmurun yağmasına ve nehirlerin yükselmesine neden olan süreç. Gezegenimiz her gün, ultraviyole ışınları su moleküllerini parçaladıkça atmosfer yoluyla az miktarda su kaybeder. Ancak aynı zamanda, volkanik aktivite yoluyla Dünya'nın iç kısımlarından yeni su yayılır. Yaratılan su miktarı ve kaybedilen su miktarı hemen hemen aynıdır.
Herhangi bir zamanda, dünyanın toplam su hacmi birçok farklı formdadır. Okyanuslar, nehirler ve yağmur gibi sıvı olabilir; buzullar gibi katı olabilir; veya havadaki görünmez su buharı gibi gaz halinde olabilir. Su, rüzgar akımları tarafından gezegenin etrafında hareket ettirilirken hal değiştirir. Rüzgar akımları, güneşin ısıtma aktivitesi tarafından üretilir. Hava akımı döngüleri, güneşin gezegenin diğer bölgelerine göre ekvatora daha fazla parlamasıyla oluşur.
Hava akımı döngüleri, Dünya'nın su tedarikini hidrolojik döngü adı verilen kendi döngüsüyle yönlendirir. Güneş sıvı suyu ısıttıkça, su havada buharlaşır. Güneş havayı ısıtarak havanın atmosferde yükselmesine neden olur. Hava yukarıda daha soğuktur, bu nedenle su buharı yükseldikçe soğur ve damlacıklara yoğunlaşır. Bir alanda yeterli damlacık biriktiğinde, damlacıklar yağış olarak Dünya'ya geri düşecek kadar ağırlaşabilir.
Hidrolojik döngü, su akışına bağlı oldukları için hidroelektrik santralleri için önemlidir. Santralin yakınında yağmur yoksa, su yukarı akışta toplanmaz. Yukarı akışta su toplanmadığında, hidroelektrik santralinden daha az su akar ve daha az elektrik üretilir.