Dünya genelinde hidroelektrik santralleri, dünya elektriğinin yaklaşık yüzde 24'ünü üretiyor ve 1 milyardan fazla insana enerji sağlıyor. Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'na göre, dünyanın hidroelektrik santralleri toplamda 675.000 megawatt enerji üretiyor; bu da 3,6 milyar varil petrole eşdeğer. Amerika Birleşik Devletleri'nde 2.000'den fazla hidroelektrik santrali faaliyet gösteriyor ve bu da hidroelektrik enerjisini ülkenin en büyük yenilenebilir enerji kaynağı yapıyor.
Bu makalede, düşen suyun nasıl enerji ürettiğine ve hidroelektrik enerjisi için gerekli olan su akışını yaratan hidrolojik döngüye göz atacağız. Ayrıca, günlük hayatınızı etkileyebilecek hidroelektrik enerjisinin benzersiz bir uygulamasına da bir bakış atacaksınız.
Bir nehrin akışını izlerken, taşıdığı gücü hayal etmek zordur. Eğer daha önce rafting yaptıysanız, nehrin gücünün küçük bir kısmını hissetmişsinizdir. Nehirde oluşan hızlı akıntılar, büyük miktarda suyu aşağı doğru taşıyan bir nehrin dar bir geçitten geçerken daralmasıyla meydana gelir. Nehir bu açıklıktan geçmeye zorlandığında, akışı hızlanır. Seller de muazzam miktarda suyun ne kadar büyük bir güce sahip olabileceğinin bir başka örneğidir.
Hidroelektrik santraller suyun enerjisinden yararlanır ve bu enerjiyi basit mekanik prensiplerle elektriğe dönüştürür. Hidroelektrik santraller aslında oldukça basit bir konsepte dayanır: Barajdan akan su bir türbini döndürür, bu da bir jeneratörü çalıştırır.
İşte geleneksel bir hidroelektrik santralinin temel bileşenleri:
Türbin ve jeneratörü birbirine bağlayan şaft.
Baraj – Hidroelektrik santrallerinin çoğu, suyu tutarak büyük bir rezervuar oluşturan bir baraja dayanır. Bu rezervuar genellikle, Washington eyaletindeki Grand Coulee Barajı'ndaki Roosevelt Gölü gibi, rekreasyon amaçlı bir göl olarak kullanılır.
Su girişi – Barajdaki kapaklar açılır ve yerçekimi suyu türbine giden bir boru hattı olan penstock'tan içeri çeker. Su bu borudan akarken basınç oluşturur.
Türbin – Su, türbinin büyük kanatlarına çarparak onları döndürür; türbin, bir şaft vasıtasıyla yukarıdaki bir jeneratöre bağlıdır. Hidroelektrik santrallerinde en yaygın kullanılan türbin türü, kavisli kanatlara sahip büyük bir diske benzeyen Francis Türbinidir. Su ve Enerji Eğitimi Vakfı'na (FWEE) göre, bir türbin 172 tona kadar ağırlığa sahip olabilir ve dakikada 90 devir (rpm) hızında dönebilir.
Jeneratörler – Türbin kanatları döndükçe, jeneratörün içindeki bir dizi mıknatıs da döner. Dev mıknatıslar bakır bobinlerin yanından dönerek elektronları hareket ettirerek alternatif akım (AC) üretir. (Jeneratörün nasıl çalıştığı hakkında daha sonra daha fazla bilgi edineceksiniz.)
Transformatör – Santralin içindeki transformatör, alternatif akımı alır ve daha yüksek voltajlı akıma dönüştürür.
Elektrik hatları – Her elektrik santralinden dört kablo çıkar: aynı anda üretilen üç fazlı elektrik akımı ve bunların üçü için de ortak olan nötr veya topraklama kablosu. (Elektrik hatlarının iletimi hakkında daha fazla bilgi edinmek için Elektrik Dağıtım Şebekeleri Nasıl Çalışır başlıklı yazıyı okuyun.)
Çıkış – Kullanılmış su, çıkış kanalları adı verilen boru hatları aracılığıyla taşınır ve nehrin aşağısına tekrar akar.
Rezervuardaki su, depolanmış enerji olarak kabul edilir. Kapaklar açıldığında, borudan akan su hareket halinde olduğu için kinetik enerjiye dönüşür. Üretilen elektrik miktarı çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu faktörlerden ikisi su akış hacmi ve hidrolik yüksekliktir. Yükseklik, su yüzeyi ile türbinler arasındaki mesafeyi ifade eder. Yükseklik ve akış arttıkça, üretilen elektrik de artar. Yükseklik genellikle rezervuardaki su miktarına bağlıdır.
Bir başka hidroelektrik santrali türü de pompajlı depolama santralidir. Geleneksel bir hidroelektrik santralinde, rezervuardan gelen su santralden akar, çıkar ve aşağı doğru akarsuya taşınır. Pompajlı depolama santralinin ise iki rezervuarı vardır:
Üst rezervuar – Geleneksel bir hidroelektrik santrali gibi, bir baraj da bir rezervuar oluşturur. Bu rezervuardaki su, elektrik üretmek için hidroelektrik santralinden geçer.
Alt rezervuar – Hidroelektrik santralinden çıkan su, nehre tekrar girip aşağı doğru akmak yerine, alt rezervuara akar.
Tersinir bir türbin kullanarak, santral suyu tekrar üst rezervuara pompalayabilir. Bu işlem, yoğun olmayan saatlerde yapılır. Esasen, ikinci rezervuar üst rezervuarı yeniden doldurur. Suyu üst rezervuara geri pompalayarak, santral yoğun tüketim dönemlerinde elektrik üretmek için daha fazla suya sahip olur.
Jeneratör
Hidroelektrik santralinin kalbi jeneratördür. Çoğu hidroelektrik santralinde bu jeneratörlerden birkaç tane bulunur.
Tahmin edebileceğiniz gibi, jeneratör elektrik üretir. Bu şekilde elektrik üretmenin temel süreci, tel bobinlerinin içinde bir dizi mıknatısı döndürmektir. Bu işlem elektronları hareket ettirir ve elektrik akımı üretir.
Hoover Barajı'nda toplam 17 jeneratör bulunmakta olup, her biri 133 megavata kadar elektrik üretebilmektedir. Hoover Barajı hidroelektrik santralinin toplam kapasitesi 2.074 megavattır. Her jeneratör belirli temel parçalardan oluşmaktadır:
Türbin dönerken, uyarıcı rotora elektrik akımı gönderir. Rotor, stator adı verilen sıkıca sarılmış bir bakır tel bobinin içinde dönen bir dizi büyük elektromıknatıstan oluşur. Bobin ile mıknatıslar arasındaki manyetik alan elektrik akımı oluşturur.
Hoover Barajı'nda, jeneratörden transformatöre 16.500 amperlik bir akım geçer ve burada akım iletilmeden önce 230.000 ampere kadar yükselir.
Hidroelektrik santralleri, doğal olarak gerçekleşen ve sürekli devam eden bir süreçten yararlanır; bu süreç, yağmurun yağmasına ve nehirlerin yükselmesine neden olur. Gezegenimiz her gün, ultraviyole ışınlarının su moleküllerini parçalamasıyla atmosfer yoluyla az miktarda su kaybeder. Ancak aynı zamanda, volkanik aktivite yoluyla Dünya'nın iç kısmından yeni su açığa çıkar. Oluşan su miktarı ile kaybedilen su miktarı yaklaşık olarak aynıdır.
Dünyadaki toplam su hacmi herhangi bir anda birçok farklı biçimde bulunur. Okyanuslarda, nehirlerde ve yağmurda olduğu gibi sıvı halde; buzullarda olduğu gibi katı halde; veya havadaki görünmez su buharında olduğu gibi gaz halinde olabilir. Su, rüzgar akımları tarafından gezegen etrafında hareket ettirilirken hal değiştirir. Rüzgar akımları, güneşin ısıtma aktivitesiyle oluşur. Hava akımı döngüleri, güneşin gezegenin diğer bölgelerine göre ekvator üzerinde daha fazla parlamasıyla meydana gelir.
Hava akımı döngüleri, hidrologik döngü adı verilen kendi döngüsüyle Dünya'nın su kaynaklarını yönlendirir. Güneş sıvı suyu ısıttığında, su havada buharlaşarak buhar haline gelir. Güneş havayı ısıtarak atmosferde yükselmesine neden olur. Daha yükseklerde hava daha soğuktur, bu nedenle su buharı yükseldikçe soğur ve damlacıklar halinde yoğunlaşır. Bir bölgede yeterli sayıda damlacık biriktiğinde, damlacıklar yeryüzüne yağış olarak geri düşecek kadar ağırlaşabilir.
Hidrolojik döngü, su akışına bağlı oldukları için hidroelektrik santralleri için önemlidir. Santralin yakınında yağmur yağmazsa, yukarı havzada su birikmez. Yukarı havzada su birikmediği için, hidroelektrik santralinden daha az su akar ve daha az elektrik üretilir.
Hidroelektrik enerjisinin temel fikri, hareket eden bir sıvının gücünü kullanarak bir türbin kanadını döndürmektir. Genellikle, bu işlevi yerine getirmek için bir nehrin ortasına büyük bir baraj inşa edilmesi gerekir. Yeni bir buluş ise, taşınabilir elektronik cihazlar için elektrik sağlamak amacıyla hidroelektrik enerjisi fikrini çok daha küçük ölçekte kullanıyor.
Kanada'nın Ontario eyaletinden mucit Robert Komarechka, küçük hidroelektrik jeneratörlerini ayakkabı tabanlarına yerleştirme fikrini ortaya attı. Bu mikro türbinlerin neredeyse her türlü cihazı çalıştıracak kadar elektrik üreteceğine inanıyor. Komarechka, Mayıs 2001'de bu eşsiz ayakla çalışan cihazı için patent aldı.
Yürüme şeklimizin çok temel bir prensibi var: Her adımda ayak topuktan parmak ucuna doğru yere iner. Ayağınız yere değdiğinde, kuvvet topuğunuzdan aşağı doğru iletilir. Bir sonraki adıma hazırlanırken, ayağınızı öne doğru yuvarlarsınız, böylece kuvvet ayak tabanınıza aktarılır. Komarechka görünüşe göre yürümenin bu temel prensibini fark etmiş ve bu günlük aktivitenin gücünden yararlanmak için bir fikir geliştirmiştir.
Komarechka'nın patentinde açıklandığı üzere, "hidroelektrik jeneratör tertibatlı ayakkabı" beş parçadan oluşmaktadır:
Sıvı – Sistem, elektriksel olarak iletken bir sıvı kullanacaktır.
Sıvıyı tutmak için keseler – Bir kese ayakkabının topuk kısmına, diğeri ise burun kısmına yerleştirilir.
İletim kanalları – İletim kanalları her bir torbayı bir mikro jeneratöre bağlar.
Türbin – Suyun tabanda ileri geri hareket etmesiyle, minik bir türbinin kanatları dönüyor.
Mikrojeneratör – Jeneratör, sıvı dolu iki kese arasında yer alır ve bir şaftı tahrik eden ve jeneratörü döndüren bir kanatlı rotor içerir.
Kişi yürürken, ayakkabının topuğunda bulunan kesedeki sıvının sıkışması, sıvıyı borudan geçirerek hidroelektrik jeneratör modülüne doğru itecektir. Kullanıcı yürümeye devam ettikçe, topuk kalkacak ve kişinin ayak tabanının altındaki keseye aşağı doğru basınç uygulanacaktır. Sıvının hareketi, rotor ve mili döndürerek elektrik üretecektir.
Taşınabilir bir cihaza kablo bağlamak için harici bir priz sağlanacaktır. Ayrıca, kullanıcının kemerine takılabilen bir güç kontrol çıkış ünitesi de sağlanabilir. Elektronik cihazlar daha sonra bu güç kontrol çıkış ünitesine bağlanabilir ve bu da sürekli bir elektrik beslemesi sağlayacaktır.
Patent belgesinde, "Pille çalışan taşınabilir cihazların sayısındaki artışla birlikte, uzun ömürlü, uyarlanabilir ve verimli bir elektrik kaynağına olan ihtiyaç da artmaktadır" ifadesi yer alıyor. Komarechka, cihazının taşınabilir bilgisayarlar, cep telefonları, CD çalarlar, GPS alıcıları ve telsizler gibi cihazlara güç sağlamak için kullanılacağını öngörüyor.
Yayın tarihi: 21 Temmuz 2022
