نیروگاه های آبی چگونه کار می کنند

در سراسر جهان، نیروگاه های برق آبی حدود 24 درصد از برق جهان را تولید می کنند و بیش از 1 میلیارد نفر را تامین می کنند.بر اساس گزارش آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر، نیروگاه های برق آبی جهان در مجموع 675000 مگاوات انرژی تولید می کنند که معادل انرژی 3.6 میلیارد بشکه نفت است.بیش از 2000 نیروگاه برق آبی در ایالات متحده وجود دارد که نیروگاه آبی را به بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر کشور تبدیل می کند.
در این مقاله، نگاهی خواهیم داشت به این که چگونه سقوط آب باعث ایجاد انرژی می شود و در مورد چرخه هیدرولوژیکی که جریان آب ضروری برای انرژی آبی را ایجاد می کند، آشنا می شویم.شما همچنین نگاهی اجمالی به یکی از کاربردهای منحصربفرد نیروگاه آبی خواهید داشت که ممکن است بر زندگی روزمره شما تأثیر بگذارد.
هنگام تماشای رودخانه ای که از کنار آن می چرخد، تصور نیرویی که حمل می کند دشوار است.اگر تا به حال قایقرانی در آب های سفید داشته اید، پس بخش کوچکی از قدرت رودخانه را احساس کرده اید.تندآب های سفید آب به صورت رودخانه ای ایجاد می شوند که مقدار زیادی آب را به سمت پایین حمل می کند و از طریق یک گذرگاه باریک تنگناها را ایجاد می کند.با عبور رودخانه از این دهانه، جریان آن تندتر می شود.سیل مثال دیگری از این است که یک حجم عظیم آب چقدر نیرو می تواند داشته باشد.
نیروگاه های آبی از انرژی آب استفاده می کنند و از مکانیک های ساده برای تبدیل آن انرژی به برق استفاده می کنند.نیروگاه های برق آبی در واقع بر اساس یک مفهوم نسبتاً ساده هستند - آبی که از یک سد عبور می کند، یک توربین را می چرخاند که یک ژنراتور را می چرخاند.

در اینجا اجزای اساسی یک نیروگاه برق آبی معمولی آمده است:
سد - اکثر نیروگاه های برق آبی به سدی متکی هستند که آب را نگه می دارد و مخزن بزرگی را ایجاد می کند.اغلب، از این مخزن به عنوان یک دریاچه تفریحی استفاده می شود، مانند دریاچه روزولت در سد گرند کولی در ایالت واشنگتن.
آبگیر - دروازه های سد باز می شوند و گرانش آب را از طریق پنستوک می کشد، خط لوله ای که به توربین منتهی می شود.آب هنگام عبور از این لوله فشار ایجاد می کند.
توربین - آب به پره های بزرگ توربین برخورد می کند و به وسیله شفت به ژنراتور بالای آن متصل می شود.رایج ترین نوع توربین برای نیروگاه های آبی، توربین فرانسیس است که شبیه یک دیسک بزرگ با پره های منحنی است.به گفته بنیاد آموزش آب و انرژی (FWEE)، یک توربین می تواند تا 172 تن وزن داشته باشد و با سرعت 90 دور در دقیقه (rpm) بچرخد.
ژنراتورها - با چرخش پره های توربین، یک سری آهن ربا در داخل ژنراتور نیز چرخش می یابد.آهنرباهای غول پیکر از کنار سیم پیچ های مسی می چرخند و با حرکت الکترون ها جریان متناوب (AC) تولید می کنند.(در مورد نحوه عملکرد ژنراتور بعداً بیشتر خواهید آموخت.)
ترانسفورماتور - ترانسفورماتور داخل نیروگاه جریان متناوب را می گیرد و آن را به جریان ولتاژ بالاتر تبدیل می کند.
خطوط برق - از هر نیروگاه چهار سیم وجود دارد: سه فاز برق به طور همزمان تولید می شود به اضافه یک نول یا زمین مشترک برای هر سه.(برای اطلاعات بیشتر در مورد انتقال خطوط برق، نحوه عملکرد شبکه های توزیع برق را بخوانید.)
خروجی - آب مصرف شده از طریق خطوط لوله به نام tailrace منتقل می شود و مجدداً به پایین دست وارد رودخانه می شود.
آب موجود در مخزن انرژی ذخیره شده در نظر گرفته می شود.هنگامی که دروازه ها باز می شوند، آبی که از طریق پنستوک جریان می یابد به انرژی جنبشی تبدیل می شود زیرا در حرکت است.مقدار برق تولید شده توسط عوامل مختلفی تعیین می شود.دو مورد از آن عوامل حجم جریان آب و مقدار هد هیدرولیک است.سر به فاصله بین سطح آب و توربین ها اشاره دارد.با افزایش هد و جریان، برق تولیدی نیز افزایش می یابد.سر معمولاً به مقدار آب موجود در مخزن بستگی دارد.

نوع دیگری از نیروگاه برق آبی وجود دارد که به آن نیروگاه پمپی ذخیره می شود.در یک نیروگاه برق آبی معمولی، آب از مخزن از طریق نیروگاه جریان می یابد، خارج می شود و به پایین جریان می رود.یک نیروگاه ذخیره سازی پمپاژ دارای دو مخزن است:
مخزن بالایی - مانند یک نیروگاه برق آبی معمولی، یک سد یک مخزن ایجاد می کند.آب این مخزن از طریق نیروگاه آبی برای ایجاد برق جریان می یابد.
مخزن پایینی - آب خروجی از نیروگاه آبی به جای اینکه دوباره وارد رودخانه شود و به سمت پایین دست جریان پیدا کند، به مخزن پایینی سرازیر می شود.
با استفاده از یک توربین برگشت پذیر، نیروگاه می تواند آب را به مخزن بالایی پمپ کند.این کار در ساعات کم مصرف انجام می شود.اساساً، مخزن دوم، مخزن بالایی را دوباره پر می کند.با پمپاژ آب به مخزن فوقانی، نیروگاه آب بیشتری برای تولید برق در دوره های اوج مصرف دارد.

ژنراتور
قلب نیروگاه برق آبی ژنراتور است.اکثر نیروگاه های برق آبی چندین مورد از این ژنراتورها را دارند.
ژنراتور، همانطور که ممکن است حدس بزنید، برق تولید می کند.فرآیند اصلی تولید الکتریسیته به این روش، چرخاندن یک سری آهنربا در داخل سیم پیچ‌ها است.این فرآیند الکترون ها را حرکت می دهد که جریان الکتریکی تولید می کند.
سد هوور در مجموع دارای 17 ژنراتور است که هر کدام می توانند تا 133 مگاوات برق تولید کنند.ظرفیت کل نیروگاه آبی سد هوور 2074 مگاوات است.هر ژنراتور از قطعات اساسی خاصی ساخته شده است:
شفت
محرک
روتور
استاتور
با چرخش توربین، محرک جریان الکتریکی را به روتور می فرستد.روتور مجموعه ای از آهنرباهای الکتریکی بزرگ است که در داخل یک سیم پیچ محکم از سیم مسی به نام استاتور می چرخد.میدان مغناطیسی بین سیم پیچ و آهنرباها جریان الکتریکی ایجاد می کند.
در سد هوور، جریان 16500 آمپری از ژنراتور به ترانسفورماتور حرکت می کند، جایی که جریان قبل از انتقال به 230000 آمپر می رسد.

نیروگاه های برق آبی از یک فرآیند طبیعی و مداوم بهره می برند - فرآیندی که باعث بارش باران و بالا آمدن رودخانه ها می شود.سیاره ما هر روز مقدار کمی آب را از طریق جو از دست می دهد زیرا اشعه فرابنفش مولکول های آب را از هم جدا می کند.اما در همان زمان، آب جدیدی از قسمت داخلی زمین از طریق فعالیت های آتشفشانی ساطع می شود.مقدار آب ایجاد شده و مقدار آب از دست رفته تقریباً یکسان است.
در هر زمان، حجم کل آب جهان به اشکال مختلف است.می تواند مایع باشد، مانند اقیانوس ها، رودخانه ها و باران.جامد، مانند یخچال های طبیعی؛یا گازی، مانند بخار آب نامرئی موجود در هوا.آب با جابجایی آن در اطراف سیاره توسط جریان های باد، وضعیت خود را تغییر می دهد.جریان های باد در اثر فعالیت گرمایش خورشید ایجاد می شوند.چرخه های جریان هوا با تابش خورشید بیشتر به استوا نسبت به سایر مناطق سیاره ایجاد می شود.
چرخه های جریان هوا، منبع آب زمین را از طریق چرخه ای خاص به نام چرخه هیدرولوژیکی هدایت می کند.همانطور که خورشید آب مایع را گرم می کند، آب به بخار در هوا تبخیر می شود.خورشید هوا را گرم می کند و باعث بالا آمدن هوا در جو می شود.هوا در بالاترین سطح سردتر است، بنابراین با افزایش بخار آب، سرد می شود و به صورت قطرات متراکم می شود.وقتی قطرات کافی در یک منطقه جمع می‌شوند، این قطرات ممکن است به اندازه‌ای سنگین شوند که به صورت بارندگی به زمین برسند.
چرخه هیدرولوژیکی برای نیروگاه های آبی مهم است زیرا آنها به جریان آب بستگی دارند.اگر در نزدیکی گیاه کمبود باران وجود داشته باشد، آب در بالادست جمع نمی شود.با عدم جمع آوری آب در بالادست، آب کمتری از طریق نیروگاه آبی جریان می یابد و برق کمتری تولید می شود.