Kuinka vesivoimalaitokset toimivat

Maailmanlaajuisesti vesivoimalat tuottavat noin 24 prosenttia maailman sähköstä ja toimittavat sähköä yli miljardille ihmiselle.Kansallisen uusiutuvan energian laboratorion mukaan maailman vesivoimalat tuottavat yhteensä 675 000 megawattia, mikä vastaa 3,6 miljardia öljytynnyriä.Yhdysvalloissa toimii yli 2 000 vesivoimalaitosta, mikä tekee vesivoimasta maan suurimman uusiutuvan energianlähteen.
Tässä artikkelissa tarkastellaan, kuinka putoava vesi luo energiaa, ja opimme hydrologisesta kierrosta, joka luo vesivoimalle välttämättömän veden virtauksen.Saat myös vilauksen yhdestä ainutlaatuisesta vesivoimasovelluksesta, joka voi vaikuttaa jokapäiväiseen elämääsi.
Kun katsot joen vierivän ohi, on vaikea kuvitella sen kantamaa voimaa.Jos olet koskaan harrastanut koskenlaskua, olet tuntenut pienen osan joen voimasta.Valkovesikosket muodostuvat joeksi, joka kuljettaa suuren määrän vettä alamäkeen, pullonkauloja kapeaa käytävää pitkin.Kun joki pakotetaan tämän aukon läpi, sen virtaus kiihtyy.Tulvat ovat toinen esimerkki siitä, kuinka paljon voimaa valtavalla vesimäärällä voi olla.
Vesivoimalaitokset hyödyntävät veden energiaa ja käyttävät yksinkertaista mekaniikkaa muuntaakseen sen sähköksi.Vesivoimalat perustuvat itse asiassa melko yksinkertaiseen konseptiin – padon läpi virtaava vesi kääntää turbiinin, joka kääntää generaattorin.

Tässä ovat perinteisen vesivoimalaitoksen peruskomponentit:
Pato – Useimmat vesivoimalat luottavat patoon, joka pidättää vettä ja muodostaa suuren säiliön.Usein tätä säiliötä käytetään virkistysjärvenä, kuten Roosevelt-järvi Grand Couleen padolla Washingtonin osavaltiossa.
Imu – Padon portit avautuvat ja painovoima vetää veden turbiiniin johtavan putkiston läpi.Vesi kasvattaa painetta, kun se virtaa tämän putken läpi.
Turbiini – Vesi iskee ja kääntää turbiinin suuria siipiä, joka on kiinnitetty sen yläpuolella olevaan generaattoriin akselin avulla.Yleisin vesivoimalaitosten turbiinityyppi on Francis Turbine, joka näyttää suurelta kiekolta, jossa on kaarevat siivet.Säätiön Water & Energy Education (FWEE) mukaan turbiini voi painaa jopa 172 tonnia ja pyöriä 90 kierrosta minuutissa (rpm).
Generaattorit – Kun turbiinin siivet pyörivät, myös sarja magneetteja generaattorin sisällä.Jättimäiset magneetit pyörivät kuparikelojen ohi tuottaen vaihtovirtaa (AC) liikkuvien elektronien avulla.(Saat lisätietoja generaattorin toiminnasta myöhemmin.)
Muuntaja – Voimalaitoksen sisällä oleva muuntaja ottaa vaihtovirran ja muuntaa sen korkeamman jännitteen virraksi.
Voimalinjat – Jokaisesta voimalaitoksesta tulee neljä johtoa: tehon kolme vaihetta tuotetaan samanaikaisesti sekä nolla tai maa, joka on yhteinen kaikille kolmelle.(Lue Kuinka virranjakeluverkot toimivat saadaksesi lisätietoja voimalinjan siirrosta.)
Ulosvirtaus – Käytetty vesi kuljetetaan putkilinjojen kautta, joita kutsutaan tailracesiksi, ja se tulee takaisin jokeen alavirtaan.
Säiliön vettä pidetään varastoituna energiana.Kun portit avautuvat, kynän läpi virtaava vesi muuttuu kineettiseksi energiaksi, koska se on liikkeessä.Tuotetun sähkön määrä riippuu useista tekijöistä.Kaksi näistä tekijöistä ovat vesivirtauksen määrä ja hydraulisen paineen määrä.Pää viittaa veden pinnan ja turbiinien väliseen etäisyyteen.Nostokorkeuden ja virtauksen kasvaessa myös tuotettu sähkö lisääntyy.Pää on yleensä riippuvainen säiliössä olevan veden määrästä.

On olemassa toisenlainen vesivoimalaitos, jota kutsutaan pumppuvoimalaksi.Perinteisessä vesivoimalaitoksessa vesi säiliöstä virtaa laitoksen läpi, poistuu ja kuljetetaan alavirtaan.Pumppuvarastolaitoksessa on kaksi säiliötä:
Yläsäiliö – Kuten perinteinen vesivoimalaitos, pato muodostaa säiliön.Tämän säiliön vesi virtaa vesivoimalaitoksen läpi tuottaakseen sähköä.
Alasäiliö – Vesivoimalaitoksesta poistuva vesi virtaa alempaan säiliöön sen sijaan, että se palaisi jokeen ja virtaisi alavirtaan.
Käännettävän turbiinin avulla laitos voi pumpata vettä takaisin ylempään säiliöön.Tämä tehdään ruuhka-aikoina.Pohjimmiltaan toinen säiliö täyttää ylemmän säiliön.Pumpattamalla vettä takaisin ylempään säiliöön, laitoksella on enemmän vettä sähkön tuottamiseen kulutushuippujen aikana.

Generaattori
Vesivoimalaitoksen sydän on generaattori.Useimmissa vesivoimalaitoksissa on useita tällaisia ​​generaattoreita.
Generaattori, kuten saatat arvata, tuottaa sähköä.Perusprosessi sähkön tuottamiseksi tällä tavalla on pyörittää sarjaa magneetteja lankakelojen sisällä.Tämä prosessi siirtää elektroneja, mikä tuottaa sähkövirtaa.
Hooverin padolla on yhteensä 17 generaattoria, joista jokainen voi tuottaa jopa 133 megawattia.Hoover Dam -vesivoimalaitoksen kokonaiskapasiteetti on 2 074 megawattia.Jokainen generaattori on valmistettu tietyistä perusosista:
Akseli
Kiihottaja
Roottori
Staattori
Kun turbiini pyörii, heräte lähettää sähkövirran roottoriin.Roottori on sarja suuria sähkömagneetteja, jotka pyörivät tiukasti kierretyn kuparilangan kelassa, jota kutsutaan staattoriksi.Magneettikenttä kelan ja magneettien välillä muodostaa sähkövirran.
Hooverin padossa 16 500 ampeerin virta siirtyy generaattorista muuntajaan, jossa virta kiihtyy 230 000 ampeeriin ennen sen siirtämistä.

Vesivoimalaitokset hyödyntävät luonnossa esiintyvää jatkuvaa prosessia – prosessia, joka saa aikaan sateen ja jokien nousun.Joka päivä planeettamme menettää pienen määrän vettä ilmakehän läpi, kun ultraviolettisäteet hajottavat vesimolekyylejä.Mutta samaan aikaan uutta vettä vapautuu maan sisäosasta vulkaanisen toiminnan kautta.Syntyvän veden määrä ja hävinneen veden määrä on suunnilleen sama.
Maailman veden kokonaismäärä on kerrallaan monessa eri muodossa.Se voi olla nestemäistä, kuten valtamerissä, joissa ja sateessa;kiinteä, kuten jäätiköissä;tai kaasumainen, kuten ilmassa oleva näkymätön vesihöyry.Vesi muuttaa tiloja, kun tuulen virtaukset liikkuvat planeetalla.Tuulivirrat syntyvät auringon lämmitysaktiivisuudesta.Ilmavirtasyklejä synnyttää aurinko paistaa enemmän päiväntasaajalle kuin muille planeetan alueille.
Ilmavirtasyklit ohjaavat maapallon vesihuoltoa oman kiertonsa läpi, jota kutsutaan hydrologiseksi kierroksi.Kun aurinko lämmittää nestemäistä vettä, vesi haihtuu ilmassa olevaksi höyryksi.Aurinko lämmittää ilmaa, jolloin ilma nousee ilmakehässä.Ilma on kylmempää ylempänä, joten vesihöyryn noustessa se jäähtyy ja tiivistyy pisaroiksi.Kun yhdelle alueelle kerääntyy tarpeeksi pisaroita, pisaroista voi tulla tarpeeksi raskaita putoamaan takaisin maan pinnalle sateena.
Hydrologinen kiertokulku on tärkeä vesivoimalaitoksille, koska ne ovat riippuvaisia ​​veden virtauksesta.Jos kasvin lähellä ei ole sadetta, vesi ei keräänny ylävirtaan.Koska vettä ei kerry ylävirtaan, vesivoimalaitoksen läpi virtaa vähemmän vettä ja sähköä tuotetaan vähemmän.