Jak fungují vodní elektrárny

Vodní elektrárny celosvětově produkují asi 24 procent světové elektřiny a zásobují energií více než 1 miliardu lidí.Podle National Renewable Energy Laboratory vydávají světové vodní elektrárny dohromady 675 000 megawattů, což je energetický ekvivalent 3,6 miliardy barelů ropy.Ve Spojených státech funguje více než 2000 vodních elektráren, což z vodní energie dělá největší obnovitelný zdroj energie v zemi.
V tomto článku se podíváme na to, jak padající voda vytváří energii, a dozvíme se o hydrologickém cyklu, který vytváří vodní tok nezbytný pro vodní energii.Získáte také pohled na jednu unikátní aplikaci vodní energie, která může ovlivnit váš každodenní život.
Když se díváte na valící se řeku, je těžké si představit, jakou sílu nese.Pokud jste někdy raftovali na divoké vodě, pak jste pocítili malou část síly řeky.Peřeje na divoké vodě jsou vytvořeny jako řeka, která unáší velké množství vody z kopce, úzkým průchodem jsou překážky.Jak je řeka protlačena tímto otvorem, její tok se zrychluje.Povodně jsou dalším příkladem toho, jakou sílu může mít obrovský objem vody.
Vodní elektrárny využívají energii vody a používají jednoduchou mechaniku k přeměně této energie na elektřinu.Vodní elektrárny jsou vlastně založeny na poměrně jednoduché koncepci — voda protékající přehradou roztáčí turbínu, která roztáčí generátor.

Zde jsou základní součásti konvenční vodní elektrárny:
Přehrada – Většina vodních elektráren spoléhá na přehradu, která zadržuje vodu a vytváří tak velkou nádrž.Často se tato nádrž používá jako rekreační jezero, jako je jezero Roosevelt u přehrady Grand Coulee ve státě Washington.
Přítok – Vrata na přehradě se otevírají a gravitace táhne vodu přes přivaděč, potrubí, které vede k turbíně.Voda vytváří tlak, když protéká tímto potrubím.
Turbína – Voda naráží a otáčí velké lopatky turbíny, která je pomocí hřídele připevněna ke generátoru nad ní.Nejběžnějším typem turbíny pro vodní elektrárny je Francisova turbína, která vypadá jako velký kotouč se zakřivenými lopatkami.Turbína může vážit až 172 tun a otáčet se rychlostí 90 otáček za minutu (ot./min), podle Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generátory – Jak se lopatky turbíny otáčejí, mění se i řada magnetů uvnitř generátoru.Obří magnety rotují kolem měděných cívek a pohybem elektronů produkují střídavý proud (AC).(Další informace o tom, jak generátor funguje, se dozvíte později.)
Transformátor – Transformátor uvnitř elektrárny odebírá střídavý proud a převádí jej na proud o vyšším napětí.
Elektrické vedení – Z každé elektrárny vycházejí čtyři vodiče: tři fáze proudu, které jsou vyráběny současně, plus nulový vodič nebo zem společný pro všechny tři.(Přečtěte si, jak fungují rozvodné sítě, abyste se dozvěděli více o přenosu elektrického vedení.)
Odtok – Použitá voda je odváděna potrubím, nazývaným odpadové vody, a znovu se dostává do řeky po proudu.
Voda v nádrži je považována za uloženou energii.Když se vrata otevřou, voda protékající přivaděčem se stane kinetickou energií, protože je v pohybu.Množství vyrobené elektřiny je určeno několika faktory.Dva z těchto faktorů jsou objem průtoku vody a velikost hydraulické hlavy.Hlava se vztahuje na vzdálenost mezi vodní hladinou a turbínami.S rostoucí spádem a průtokem roste i vyrobená elektřina.Výška je obvykle závislá na množství vody v nádrži.

Existuje další typ vodní elektrárny, zvaná přečerpávací elektrárna.V konvenční vodní elektrárně voda z nádrže protéká elektrárnou, vytéká a je unášena po proudu.Přečerpávací elektrárna má dvě nádrže:
Horní nádrž – Stejně jako klasická vodní elektrárna, přehrada vytváří nádrž.Voda v této nádrži protéká vodní elektrárnou a vyrábí elektřinu.
Dolní nádrž – Voda opouštějící vodní elektrárnu teče do dolní nádrže, místo aby se vracela do řeky a tekla po proudu.
Pomocí reverzní turbíny může závod čerpat vodu zpět do horní nádrže.To se provádí mimo špičku.Druhá nádrž v podstatě doplňuje horní nádrž.Čerpáním vody zpět do horní nádrže má závod více vody na výrobu elektřiny v obdobích špičkové spotřeby.

Generátor
Srdcem vodní elektrárny je generátor.Většina vodních elektráren má několik těchto generátorů.
Generátor, jak jste možná uhodli, vyrábí elektřinu.Základním procesem výroby elektřiny tímto způsobem je otáčení série magnetů uvnitř cívek drátu.Tento proces pohybuje elektrony, které vytvářejí elektrický proud.
Hoover Dam má celkem 17 generátorů, z nichž každý může generovat až 133 megawattů.Celková kapacita vodní elektrárny Hoover Dam je 2 074 megawattů.Každý generátor se skládá z určitých základních částí:
Hřídel
Budič
Rotor
Stator
Jak se turbína otáčí, budič vysílá elektrický proud do rotoru.Rotor je řada velkých elektromagnetů, které se točí uvnitř pevně vinuté cívky měděného drátu, nazývané stator.Magnetické pole mezi cívkou a magnety vytváří elektrický proud.
V přehradě Hoover Dam proudí proud 16 500 ampér z generátoru do transformátoru, kde se proud před přenosem zvýší až na 230 000 ampérů.

Vodní elektrárny využívají přirozeně se vyskytujícího nepřetržitého procesu – procesu, který způsobuje, že déšť klesá a řeky stoupají.Naše planeta každý den ztrácí malé množství vody v atmosféře, protože ultrafialové paprsky rozbíjejí molekuly vody na kusy.Zároveň je ale vulkanickou činností vyzařována nová voda z vnitřní části Země.Množství vytvořené vody a množství vody ztracené je přibližně stejné.
V každém okamžiku je celkový objem vody na světě v mnoha různých formách.Může být tekutý, jako v oceánech, řekách a dešti;pevné, jako v ledovcích;nebo plynné, jako v neviditelné vodní páře ve vzduchu.Voda mění skupenství, jak se pohybuje po planetě větrnými proudy.Větrné proudy vznikají ohřívací činností slunce.Cykly vzduch-proud jsou vytvářeny tím, že slunce svítí více na rovníku než na jiné oblasti planety.
Cyklus vzduch-proud pohání zásobování vodou Země vlastním cyklem, který se nazývá hydrologický cyklus.Když slunce ohřívá kapalnou vodu, voda se ve vzduchu odpařuje na páru.Slunce ohřívá vzduch, což způsobuje, že vzduch stoupá v atmosféře.Vzduch je výše chladnější, takže jak vodní pára stoupá, ochlazuje se a kondenzuje do kapiček.Když se v jedné oblasti nahromadí dostatek kapiček, kapky mohou být dostatečně těžké, aby spadly zpět na Zemi jako srážky.
Hydrologický cyklus je pro vodní elektrárny důležitý, protože závisí na průtoku vody.Pokud je v blízkosti rostliny nedostatek deště, voda se proti proudu neshromažďuje.Bez shromažďování vody proti proudu protéká vodní elektrárnou méně vody a vyrábí se méně elektřiny.