Hogyan működnek a vízerőművek

Világszerte a vízerőművek állítják elő a világ villamosenergia-termelésének mintegy 24 százalékát, és több mint 1 milliárd embert látnak el energiával.A Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium adatai szerint a világ vízerőművei összesen 675 000 megawattot termelnek, ami 3,6 milliárd hordó olajnak felel meg.Az Egyesült Államokban több mint 2000 vízerőmű működik, így a vízenergia az ország legnagyobb megújuló energiaforrása.
Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogyan termel energiát a zuhanó víz, és megismerjük a hidrológiai körforgást, amely létrehozza a vízenergiához nélkülözhetetlen vízáramlást.Bepillantást nyerhet a vízenergia egy egyedülálló alkalmazásába is, amely hatással lehet mindennapi életére.
Amikor egy folyót nézünk, nehéz elképzelni, milyen erőt hordoz magában.Ha valaha is evezett vadvízi evezést, akkor érezte a folyó erejének egy kis részét.A fehérvizű zuhatag folyóként jön létre, amely nagy mennyiségű vizet szállít lefelé, szűk átjárón keresztül szűk keresztmetszeteket.Ahogy a folyó átnyomul ezen a nyíláson, áramlása felgyorsul.Az árvizek egy másik példa arra, hogy mekkora ereje lehet egy hatalmas vízmennyiségnek.
A vízerőművek a víz energiáját hasznosítják, és egyszerű mechanikával alakítják át ezt az energiát elektromos árammá.A vízerőművek valójában egy meglehetősen egyszerű koncepción alapulnak – a gáton átfolyó víz turbinát, ami generátort forgat.

Íme a hagyományos vízerőmű alapvető elemei:
Gát – A legtöbb vízerőmű egy gátra támaszkodik, amely visszatartja a vizet, és nagy tározót hoz létre.Ezt a tározót gyakran rekreációs tóként használják, mint például a Roosevelt-tó a Grand Coulee-gátnál Washington államban.
Beszívás – A gáton lévő kapuk kinyílnak, és a gravitáció áthúzza a vizet a tolltartón, egy csővezetéken, amely a turbinához vezet.A víz nyomást hoz létre, ahogy átfolyik ezen a csövön.
Turbina – A víz megüti és elforgatja egy turbina nagy lapátjait, amely egy tengelyen keresztül a fölötte lévő generátorhoz van rögzítve.A vízerőművek legelterjedtebb turbinája a Francis Turbine, amely úgy néz ki, mint egy nagy tárcsa ívelt lapátokkal.A Víz- és Energia Oktatási Alapítvány (FWEE) szerint egy turbina akár 172 tonnát is nyomhat, és 90 fordulat/perc sebességgel fordulhat.
Generátorok – Ahogy a turbinalapátok forognak, a generátor belsejében egy sor mágnes is forog.Óriási mágnesek forognak a réztekercsek mellett, és váltakozó áramot (AC) állítanak elő az elektronok mozgatásával.(A generátor működéséről később többet megtudhat.)
Transzformátor – Az erőműben található transzformátor veszi a váltakozó áramot, és magasabb feszültségű árammá alakítja át.
Erőművezetékek – Minden erőműből négy vezeték jön ki: a három fázis egyszerre termelődik, plusz a nulla vagy a földelés, amely mindháromban közös.(Olvassa el, hogyan működnek az áramelosztó hálózatok, ha többet szeretne megtudni az elektromos hálózatról.)
Kiáramlás – A használt víz csővezetékeken, úgynevezett „tailraces”-en keresztül jut el a folyóba.
A tározóban lévő víz tárolt energiának minősül.Amikor a kapu kinyílik, a tolltartón átáramló víz mozgási energiává válik, mert mozgásban van.A megtermelt villamos energia mennyiségét több tényező határozza meg.E tényezők közül kettő a vízáramlás térfogata és a hidraulikus fej mennyisége.A fej a vízfelszín és a turbinák közötti távolságra utal.A nyomás és az áramlás növekedésével a termelt elektromosság is növekszik.A fej általában a tartályban lévő víz mennyiségétől függ.

Van egy másik típusú vízerőmű is, az úgynevezett szivattyús tároló erőmű.Hagyományos vízerőműben a tározóból származó víz átfolyik az erőműben, kilép és lefelé áramlik.Egy szivattyús tárolós erőműnek két tározója van:
Felső tározó – A hagyományos vízerőművekhez hasonlóan a gát is tározót hoz létre.A víz ebben a tározóban átfolyik a vízerőműben, hogy elektromosságot hozzon létre.
Alsó tározó – A vízerőműből kilépő víz egy alacsonyabb tározóba áramlik, ahelyett, hogy visszatérne a folyóba és lefolyna.
Egy megfordítható turbina segítségével az üzem vissza tudja pumpálni a vizet a felső tartályba.Ez csúcsidőn kívül történik.Lényegében a második tartály tölti fel a felső tartályt.A víz visszaszivattyúzásával a felső tározóba az erőműnek több víz áll rendelkezésére a villamosenergia-termeléshez a csúcsfogyasztási időszakokban.

A Generátor
A vízerőmű szíve a generátor.A legtöbb vízerőműben több ilyen generátor található.
A generátor, ahogy azt sejteni lehetett, termeli az áramot.Az elektromos áram ilyen módon történő előállításának alapvető folyamata egy sor mágnes forgatása a huzaltekercsek belsejében.Ez a folyamat elektronokat mozgat, ami elektromos áramot termel.
A Hoover-gátban összesen 17 generátor található, amelyek mindegyike akár 133 megawattot is képes előállítani.A Hoover Dam vízerőmű teljes teljesítménye 2074 megawatt.Minden generátor bizonyos alapvető alkatrészekből áll:
Tengely
Gerjesztő
Forgórész
Állórész
Ahogy a turbina forog, a gerjesztő elektromos áramot küld a rotornak.A forgórész nagy elektromágnesek sorozata, amelyek egy szorosan feltekert rézhuzal tekercsben, az úgynevezett állórészben forognak.A tekercs és a mágnesek közötti mágneses tér elektromos áramot hoz létre.
A Hoover-gátban 16 500 amperes áram mozog a generátortól a transzformátorig, ahol az áram 230 000 amperre emelkedik, mielőtt továbbadna.

A vízerőművek egy természetesen előforduló, folyamatos folyamat előnyeit használják ki – azt a folyamatot, amely esőzést és folyók emelkedését okozza.Bolygónk minden nap kis mennyiségű vizet veszít a légkörön keresztül, mivel az ultraibolya sugárzás széttöri a vízmolekulákat.De ugyanakkor a Föld belső részéből vulkáni tevékenység révén új víz bocsát ki.A keletkező víz mennyisége és az elveszett víz mennyisége körülbelül azonos.
A világ teljes vízmennyisége mindig sokféle formában fordul elő.Folyékony lehet, mint az óceánokban, folyókban és esőben;szilárd, mint a gleccserekben;vagy gáznemű, mint a levegőben lévő láthatatlan vízgőzben.A víz állapota megváltozik, ahogy a széláramok mozgatják a bolygón.A széláramokat a nap melegítő tevékenysége hozza létre.A légáram-ciklusokat az hozza létre, hogy a nap jobban süt az Egyenlítőre, mint a bolygó más területeire.
A légáram-ciklusok a Föld vízellátását egy saját cikluson, úgynevezett hidrológiai cikluson hajtják végre.Ahogy a nap felmelegíti a folyékony vizet, a víz gőzzé párolog a levegőben.A nap felmelegíti a levegőt, amitől a levegő felemelkedik a légkörben.A levegő feljebb hidegebb, így a vízgőz felemelkedésével lehűl, cseppekké kondenzálódik.Ha elegendő csepp gyűlik össze egy területen, a cseppek elég nehézkessé válhatnak ahhoz, hogy csapadékként visszahulljanak a Földre.
A hidrológiai körfolyamat fontos a vízerőművek számára, mert függenek a víz áramlásától.Ha a növény közelében nincs eső, a víz nem gyűlik össze az áramlással szemben.Mivel a vízfolyásban nem gyűlik össze a víz, kevesebb víz folyik át a vízerőműben, és kevesebb áram keletkezik.