У світі гідроелектростанції виробляють близько 24 відсотків світової електроенергії та забезпечують електроенергією понад 1 мільярд людей. За даними Національної лабораторії відновлюваної енергії, світові гідроелектростанції виробляють загалом 675 000 мегават, що еквівалентно 3,6 мільярда барелів нафти. У Сполучених Штатах працює понад 2000 гідроелектростанцій, що робить гідроенергетику найбільшим відновлюваним джерелом енергії в країні.
У цій статті ми розглянемо, як вода, що падає, створює енергію, та дізнаємося про гідрологічний цикл, який створює потік води, необхідний для гідроенергетики. Ви також отримаєте уявлення про одне унікальне застосування гідроенергетики, яке може вплинути на ваше повсякденне життя.
Коли ви спостерігаєте за течією річки, важко уявити її силу. Якщо ви коли-небудь займалися рафтингом, то відчували на собі невелику частину сили річки. Пороги утворюються, коли річка несе велику кількість води вниз по течії, утворюючи вузькі вузькі місця через протоку. Коли річка проштовхується через цей отвір, її течія прискорюється. Повені – ще один приклад того, наскільки великою силою може бути величезний об'єм води.
Гідроелектростанції використовують енергію води та за допомогою простих механізмів перетворюють цю енергію на електроенергію. Гідроелектростанції насправді базуються на досить простій концепції — вода, що протікає через дамбу, обертає турбіну, яка, своєю чергою, обертає генератор.
Ось основні компоненти звичайної гідроелектростанції:
Гребля – більшість гідроелектростанцій покладаються на греблю, яка утримує воду, створюючи велике водосховище. Часто це водосховище використовується як рекреаційне озеро, як-от озеро Рузвельт на греблі Гранд-Кулі у штаті Вашингтон.
Впуск – Шлюзи на дамбі відкриваються, і під дією сили тяжіння вода проходить через водовідвідний трубопровід, що веде до турбіни. Вода створює тиск, протікаючи через цю трубу.
Турбіна – вода вдаряє по великих лопатях турбіни та обертає їх, яка прикріплена до генератора над нею за допомогою вала. Найпоширенішим типом турбіни для гідроелектростанцій є турбіна Френсіса, яка виглядає як великий диск із вигнутими лопатями. Турбіна може важити до 172 тонн і обертатися зі швидкістю 90 обертів за хвилину (об/хв), згідно з даними Фонду водної та енергетичної освіти (FWEE).
Генератори – Коли обертаються лопаті турбіни, обертається і серія магнітів всередині генератора. Гігантські магніти обертаються повз мідні котушки, створюючи змінний струм (AC) шляхом переміщення електронів. (Ви дізнаєтеся більше про те, як працює генератор, пізніше.)
Трансформатор – Трансформатор всередині електростанції приймає змінний струм і перетворює його на струм вищої напруги.
Лінії електропередач – Від кожної електростанції виходять чотири дроти: три фази живлення, що виробляються одночасно, плюс нуль або заземлення, спільне для всіх трьох. (Прочитайте статтю «Як працюють розподільчі мережі», щоб дізнатися більше про передачу електроенергії по лініях електропередач).
Відтік – використана вода транспортується трубопроводами, які називаються відвідними коліями, і знову потрапляє в річку нижче за течією.
Вода у водосховищі вважається накопиченою енергією. Коли затвори відкриваються, вода, що протікає через напірний трубопровід, перетворюється на кінетичну енергію, оскільки вона рухається. Кількість виробленої електроенергії визначається кількома факторами. Два з цих факторів - це об'єм потоку води та величина гідравлічного напору. Напір - це відстань між поверхнею води та турбінами. Зі збільшенням напору та потоку зростає і вироблена електроенергія. Напір зазвичай залежить від кількості води у водосховищі.
Існує ще один тип гідроелектростанції, який називається гідроакумулюючою електростанцією. У звичайній гідроелектростанції вода з водосховища протікає через станцію, виходить і несеться вниз за течією. Гідроакумулююча електростанція має два водосховища:
Верхнє водосховище – Як і звичайна гідроелектростанція, гребля створює водосховище. Вода з цього водосховища протікає через гідроелектростанцію для виробництва електроенергії.
Нижнє водосховище – Вода, що виходить з гідроелектростанції, стікає в нижнє водосховище, а не знову потрапляє в річку та тече вниз за течією.
За допомогою реверсивної турбіни електростанція може перекачувати воду назад у верхній резервуар. Це робиться в години поза піковими навантаженнями. По суті, другий резервуар поповнює верхній резервуар. Перекачуючи воду назад у верхній резервуар, електростанція має більше води для вироблення електроенергії в періоди пікового споживання.
Генератор
Серцем гідроелектростанції є генератор. Більшість гідроелектростанцій мають кілька таких генераторів.
Генератор, як ви могли здогадатися, генерує електроенергію. Основний процес генерування електроенергії таким чином полягає в обертанні серії магнітів усередині котушок дроту. Цей процес переміщує електрони, що створює електричний струм.
Гребля Гувера має загалом 17 генераторів, кожен з яких може виробляти до 133 мегават. Загальна потужність гідроелектростанції греблі Гувера становить 2074 мегавати. Кожен генератор складається з певних основних частин:
Вал
Збудник
Ротор
Статор
Коли турбіна обертається, збудник посилає електричний струм на ротор. Ротор — це серія великих електромагнітів, що обертаються всередині щільно намотаної котушки з мідного дроту, яка називається статором. Магнітне поле між котушкою та магнітами створює електричний струм.
У греблі Гувера струм силою 16 500 ампер рухається від генератора до трансформатора, де сила струму зростає до 230 000 ампер, перш ніж буде передана.
Гідроелектростанції використовують природний, безперервний процес — процес, який спричиняє випадіння дощу та підйом річок. Щодня наша планета втрачає невелику кількість води через атмосферу, оскільки ультрафіолетові промені розщеплюють молекули води. Але водночас нова вода викидається з внутрішньої частини Землі через вулканічну активність. Кількість утвореної води та кількість втраченої води приблизно однакова.
У будь-який момент часу загальний об'єм води у світі знаходиться в багатьох різних формах. Вона може бути рідкою, як в океанах, річках та дощі; твердою, як у льодовиках; або газоподібною, як невидима водяна пара в повітрі. Вода змінює стан, коли її переміщують по планеті вітрові потоки. Вітрові потоки виникають внаслідок нагрівання сонця. Цикли повітряних течій створюються тим, що сонце більше світить на екватор, ніж на інші області планети.
Цикли повітряних течій забезпечують запас води на Землі через власний цикл, який називається гідрологічним циклом. Коли сонце нагріває рідку воду, вона випаровується, перетворюючись на пару в повітрі. Сонце нагріває повітря, змушуючи його підніматися в атмосфері. Вищими рівнями повітря холодніше, тому, коли водяна пара піднімається, вона охолоджується, конденсуючись у краплі. Коли в одній області накопичується достатня кількість крапель, вони можуть стати достатньо важкими, щоб випасти назад на Землю у вигляді опадів.
Гідрологічний цикл важливий для гідроелектростанцій, оскільки вони залежать від потоку води. Якщо поблизу електростанції не випадає дощів, вода не збиратиметься вище за течією. Без збору води вище за течією менше води протікає через гідроелектростанцію і виробляється менше електроенергії.
Час публікації: 07 липня 2021 р.
