Πώς λειτουργούν οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί

Παγκοσμίως, οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παράγουν περίπου το 24 τοις εκατό της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας και παρέχουν ρεύμα σε περισσότερους από 1 δισεκατομμύριο ανθρώπους.Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί στον κόσμο παράγουν συνολικά 675.000 μεγαβάτ, δηλαδή ισοδύναμο ενέργειας 3,6 δισεκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου, σύμφωνα με το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας.Υπάρχουν περισσότεροι από 2.000 υδροηλεκτρικοί σταθμοί που λειτουργούν στις Ηνωμένες Πολιτείες, καθιστώντας την υδροηλεκτρική ενέργεια τη μεγαλύτερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας της χώρας.
Σε αυτό το άρθρο, θα ρίξουμε μια ματιά στο πώς το νερό που πέφτει δημιουργεί ενέργεια και θα μάθουμε για τον υδρολογικό κύκλο που δημιουργεί τη ροή του νερού που είναι απαραίτητη για την υδροηλεκτρική ενέργεια.Θα πάρετε επίσης μια ματιά σε μια μοναδική εφαρμογή υδροηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να επηρεάσει την καθημερινή σας ζωή.
Όταν παρακολουθείς ένα ποτάμι να περνάει, είναι δύσκολο να φανταστείς τη δύναμη που κουβαλά.Αν έχετε κάνει ποτέ ράφτινγκ στα λευκά νερά, τότε έχετε νιώσει ένα μικρό μέρος της δύναμης του ποταμού.Τα ορμητικά νερά των Λευκών Νερών δημιουργούνται ως ποτάμι, μεταφέροντας μεγάλη ποσότητα νερού κατηφορικά, με συμφόρηση μέσα από ένα στενό πέρασμα.Καθώς ο ποταμός διέρχεται από αυτό το άνοιγμα, η ροή του επιταχύνεται.Οι πλημμύρες είναι ένα άλλο παράδειγμα για το πόση δύναμη μπορεί να έχει ένας τεράστιος όγκος νερού.
Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί αξιοποιούν την ενέργεια του νερού και χρησιμοποιούν απλή μηχανική για να μετατρέψουν αυτή την ενέργεια σε ηλεκτρική.Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί βασίζονται στην πραγματικότητα σε μια μάλλον απλή ιδέα - το νερό που ρέει μέσα από ένα φράγμα στρέφει έναν στρόβιλο, ο οποίος γυρίζει μια γεννήτρια.

Εδώ είναι τα βασικά συστατικά ενός συμβατικού υδροηλεκτρικού σταθμού:
Φράγμα – Οι περισσότεροι υδροηλεκτρικοί σταθμοί βασίζονται σε ένα φράγμα που συγκρατεί το νερό, δημιουργώντας μια μεγάλη δεξαμενή.Συχνά, αυτή η δεξαμενή χρησιμοποιείται ως λίμνη αναψυχής, όπως η λίμνη Ρούσβελτ στο φράγμα Grand Coulee στην πολιτεία της Ουάσιγκτον.
Εισαγωγή – Οι πύλες στο φράγμα ανοίγουν και η βαρύτητα έλκει το νερό μέσα από το στέλεχος, έναν αγωγό που οδηγεί στον στρόβιλο.Το νερό δημιουργεί πίεση καθώς ρέει μέσω αυτού του σωλήνα.
Στρόβιλος – Το νερό χτυπά και στρέφει τα μεγάλα πτερύγια ενός στροβίλου, ο οποίος είναι συνδεδεμένος σε μια γεννήτρια πάνω από αυτόν μέσω ενός άξονα.Ο πιο συνηθισμένος τύπος στροβίλου για υδροηλεκτρικούς σταθμούς είναι ο Francis Turbine, ο οποίος μοιάζει με μεγάλο δίσκο με κυρτά πτερύγια.Ένας στρόβιλος μπορεί να ζυγίζει έως και 172 τόνους και να περιστρέφεται με ρυθμό 90 στροφών ανά λεπτό (rpm), σύμφωνα με το Ίδρυμα για την Εκπαίδευση στο νερό και την ενέργεια (FWEE).
Γεννήτριες – Καθώς περιστρέφονται τα πτερύγια του στροβίλου, το ίδιο συμβαίνει και με μια σειρά μαγνητών μέσα στη γεννήτρια.Οι γιγάντιοι μαγνήτες περιστρέφονται πέρα ​​από χάλκινα πηνία, παράγοντας εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) μετακινώντας ηλεκτρόνια.(Θα μάθετε περισσότερα για το πώς λειτουργεί η γεννήτρια αργότερα.)
Μετασχηματιστής – Ο μετασχηματιστής μέσα στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας παίρνει το AC και το μετατρέπει σε ρεύμα υψηλότερης τάσης.
Γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας – Από κάθε μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προέρχονται τέσσερα καλώδια: οι τρεις φάσεις ισχύος παράγονται ταυτόχρονα συν ένα ουδέτερο ή κοινή γείωση και στα τρία.(Διαβάστε Πώς λειτουργούν τα δίκτυα διανομής ενέργειας για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη μετάδοση γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας.)
Εκροή – Το χρησιμοποιημένο νερό μεταφέρεται μέσω αγωγών, που ονομάζονται αυλάκια, και εισέρχεται ξανά στον ποταμό κατάντη.
Το νερό στη δεξαμενή θεωρείται αποθηκευμένη ενέργεια.Όταν ανοίγουν οι πύλες, το νερό που ρέει μέσα από το στέλεχος γίνεται κινητική ενέργεια επειδή είναι σε κίνηση.Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται καθορίζεται από διάφορους παράγοντες.Δύο από αυτούς τους παράγοντες είναι ο όγκος της ροής του νερού και η ποσότητα της υδραυλικής κεφαλής.Η κεφαλή αναφέρεται στην απόσταση μεταξύ της επιφάνειας του νερού και των στροβίλων.Καθώς αυξάνεται η κεφαλή και η ροή, αυξάνεται και η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια.Η κεφαλή συνήθως εξαρτάται από την ποσότητα νερού στη δεξαμενή.

Υπάρχει ένας άλλος τύπος υδροηλεκτρικού σταθμού, που ονομάζεται μονάδα αντλίας αποθήκευσης.Σε ένα συμβατικό υδροηλεκτρικό σταθμό, το νερό από τη δεξαμενή ρέει μέσα από το εργοστάσιο, εξέρχεται και μεταφέρεται στο ρεύμα.Μια αντλία αποθήκευσης έχει δύο δεξαμενές:
Ανώτερη δεξαμενή – Όπως μια συμβατική υδροηλεκτρική μονάδα, ένα φράγμα δημιουργεί μια δεξαμενή.Το νερό σε αυτή τη δεξαμενή ρέει μέσω του υδροηλεκτρικού σταθμού για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας.
Κάτω δεξαμενή – Το νερό που εξέρχεται από το υδροηλεκτρικό εργοστάσιο ρέει σε μια χαμηλότερη δεξαμενή αντί να εισέλθει ξανά στον ποταμό και να ρέει κατάντη.
Χρησιμοποιώντας έναν αναστρέψιμο στρόβιλο, το εργοστάσιο μπορεί να αντλήσει νερό πίσω στην άνω δεξαμενή.Αυτό γίνεται σε ώρες εκτός αιχμής.Ουσιαστικά, η δεύτερη δεξαμενή ξαναγεμίζει την άνω δεξαμενή.Με την άντληση νερού πίσω στην επάνω δεξαμενή, η μονάδα έχει περισσότερο νερό για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κατά τις περιόδους αιχμής της κατανάλωσης.

Η Γεννήτρια
Η καρδιά του υδροηλεκτρικού σταθμού είναι η γεννήτρια.Οι περισσότεροι υδροηλεκτρικοί σταθμοί διαθέτουν αρκετές από αυτές τις γεννήτριες.
Η γεννήτρια, όπως ίσως μαντέψατε, παράγει την ηλεκτρική ενέργεια.Η βασική διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με αυτόν τον τρόπο είναι η περιστροφή μιας σειράς μαγνητών μέσα σε πηνία σύρματος.Αυτή η διαδικασία μετακινεί ηλεκτρόνια, τα οποία παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Το φράγμα Hoover έχει συνολικά 17 γεννήτριες, καθεμία από τις οποίες μπορεί να παράγει έως και 133 μεγαβάτ.Η συνολική ισχύς του υδροηλεκτρικού σταθμού Hoover Dam είναι 2.074 μεγαβάτ.Κάθε γεννήτρια αποτελείται από ορισμένα βασικά μέρη:
Αξονας
Διεγέρτης
Στροφείο
Στάτωρ
Καθώς ο στρόβιλος περιστρέφεται, ο διεγέρτης στέλνει ηλεκτρικό ρεύμα στον ρότορα.Ο ρότορας είναι μια σειρά από μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες που περιστρέφονται μέσα σε ένα σφιχτά τυλιγμένο πηνίο από σύρμα χαλκού, που ονομάζεται στάτορας.Το μαγνητικό πεδίο μεταξύ του πηνίου και των μαγνητών δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα.
Στο Φράγμα Χούβερ, ένα ρεύμα 16.500 αμπέρ κινείται από τη γεννήτρια προς τον μετασχηματιστή, όπου το ρεύμα ανέρχεται σε 230.000 αμπέρ πριν μεταδοθεί.

Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί επωφελούνται από μια φυσική, συνεχή διαδικασία - τη διαδικασία που προκαλεί βροχή και ανύψωση ποταμών.Κάθε μέρα, ο πλανήτης μας χάνει μικρή ποσότητα νερού μέσω της ατμόσφαιρας καθώς οι υπεριώδεις ακτίνες διασπούν τα μόρια του νερού.Αλλά ταυτόχρονα, νέο νερό εκπέμπεται από το εσωτερικό μέρος της Γης μέσω της ηφαιστειακής δραστηριότητας.Η ποσότητα του νερού που δημιουργείται και η ποσότητα του νερού που χάνεται είναι περίπου η ίδια.
Ανά πάσα στιγμή, ο συνολικός όγκος νερού στον κόσμο είναι σε πολλές διαφορετικές μορφές.Μπορεί να είναι υγρό, όπως στους ωκεανούς, τα ποτάμια και τη βροχή.στερεά, όπως στους παγετώνες.ή αέρια, όπως στους αόρατους υδρατμούς στον αέρα.Το νερό αλλάζει κατάσταση καθώς μετακινείται σε όλο τον πλανήτη από ρεύματα ανέμου.Τα ρεύματα ανέμου παράγονται από τη θερμαντική δραστηριότητα του ήλιου.Οι κύκλοι του ρεύματος αέρα δημιουργούνται από τον ήλιο που λάμπει περισσότερο στον ισημερινό παρά σε άλλες περιοχές του πλανήτη.
Οι κύκλοι ρεύματος αέρα οδηγούν την παροχή νερού της Γης μέσω ενός κύκλου που ονομάζεται υδρολογικός κύκλος.Καθώς ο ήλιος θερμαίνει υγρό νερό, το νερό εξατμίζεται σε ατμό στον αέρα.Ο ήλιος θερμαίνει τον αέρα, προκαλώντας την άνοδο του αέρα στην ατμόσφαιρα.Ο αέρας είναι πιο κρύος ψηλότερα, οπότε καθώς οι υδρατμοί ανεβαίνουν, ψύχεται, συμπυκνώνοντας σε σταγονίδια.Όταν συσσωρεύονται αρκετά σταγονίδια σε μια περιοχή, τα σταγονίδια μπορεί να γίνουν αρκετά βαριά ώστε να πέσουν πίσω στη Γη ως βροχόπτωση.
Ο υδρολογικός κύκλος είναι σημαντικός για τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς επειδή εξαρτώνται από τη ροή του νερού.Εάν υπάρχει έλλειψη βροχής κοντά στο εργοστάσιο, το νερό δεν θα μαζευτεί ανάντη.Χωρίς να συγκεντρώνεται νερό στο ρεύμα, λιγότερο νερό ρέει μέσω του υδροηλεκτρικού σταθμού και παράγεται λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια.