כיצד פועלות תחנות כוח מים

ברחבי העולם, תחנות כוח מים מייצרות כ-24 אחוזים מהחשמל בעולם ומספקות חשמל ליותר ממיליארד בני אדם.תחנות הכוח הידרומיות בעולם מפיקות סך כולל של 675,000 מגה וואט, שווה ערך לאנרגיה של 3.6 מיליארד חביות נפט, על פי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת.בארצות הברית פועלות יותר מ-2,000 תחנות כוח מים, מה שהופך את כוח המים למקור האנרגיה המתחדש הגדול ביותר במדינה.
במאמר זה, נסקור כיצד מים נופלים יוצרים אנרגיה ונלמד על המחזור ההידרולוגי שיוצר את זרימת המים החיונית לאנרגיה הידרומית.כמו כן, תקבלו הצצה לאפליקציה ייחודית אחת של כוח הידרו שעשוי להשפיע על חיי היומיום שלכם.
כשצופים בנהר מתגלגל, קשה לדמיין את הכוח שהוא נושא.אם אי פעם עשיתם רפטינג במים לבנים, אז הרגשתם חלק קטן מעוצמתו של הנהר.מפלי מים לבנים נוצרים כנהר, הנושא כמות גדולה של מים במורד, צווארי בקבוק דרך מעבר צר.כשהנהר נדחף דרך הפתח הזה, זרימתו מואצת.שיטפונות הם דוגמה נוספת לכמה כוח יכול להיות לנפח אדיר של מים.
תחנות כוח מים רותמות את אנרגיית המים ומשתמשות במכניקה פשוטה כדי להמיר את האנרגיה לחשמל.תחנות כוח הידרו מבוססות למעשה על תפיסה פשוטה למדי - מים הזורמים דרך סכר הופכים טורבינה, אשר הופכת גנרטור.

להלן המרכיבים הבסיסיים של תחנת כוח הידרו קונבנציונלית:
סכר - רוב תחנות כוח הידרו מסתמכות על סכר שמחזיק מים, ויוצר מאגר גדול.לעתים קרובות, מאגר זה משמש כאגם פנאי, כמו אגם רוזוולט בסכר גרנד קולי במדינת וושינגטון.
יניקה - שערים על הסכר נפתחים וכוח הכבידה מושך את המים דרך ה-penstock, צינור המוביל אל הטורבינה.מים בונים לחץ כשהם זורמים דרך הצינור הזה.
טורבינה - המים פוגעים ומסובבים בלהבים הגדולים של טורבינה, המחוברת לגנרטור מעליה באמצעות פיר.הסוג הנפוץ ביותר של טורבינה לתחנות כוח הידרו הוא טורבינת פרנסיס, שנראית כמו דיסק גדול עם להבים מעוקלים.טורבינה יכולה לשקול עד 172 טון ולהסתובב בקצב של 90 סיבובים לדקה (סל"ד), לפי הקרן לחינוך מים ואנרגיה (FWEE).
גנרטורים - כאשר להבי הטורבינה מסתובבים, כך גם סדרה של מגנטים בתוך הגנרטור.מגנטים ענקיים מסתובבים על פני סלילי נחושת, ומייצרים זרם חילופין (AC) על ידי הזזת אלקטרונים.(תלמד עוד על אופן פעולת המחולל מאוחר יותר.)
שנאי - השנאי בתוך תחנת הכוח לוקח את ה-AC וממיר אותו לזרם במתח גבוה יותר.
קווי חשמל - מכל תחנת כוח יוצאים ארבעה חוטים: שלושת שלבי החשמל המופקים בו זמנית בתוספת נייטרלי או הארקה משותף לשלושתם.(קרא כיצד פועלות רשתות חלוקת חשמל כדי ללמוד עוד על העברת קווי חשמל.)
זרימה - מים משומשים מועברים דרך צינורות, הנקראים זרמים, ונכנסים שוב לנהר במורד הזרם.
המים במאגר נחשבים לאנרגיה מאוחסנת.כאשר השערים נפתחים, המים הזורמים דרך העט הופכים לאנרגיה קינטית מכיוון שהם בתנועה.כמות החשמל שנוצרת נקבעת על ידי מספר גורמים.שניים מהגורמים הללו הם נפח זרימת המים וכמות הראש ההידראולי.הראש מתייחס למרחק בין פני המים לטורבינות.ככל שהראש והזרימה גדלים, כך גם החשמל שנוצר.הראש בדרך כלל תלוי בכמות המים במאגר.

יש סוג אחר של תחנת כוח הידרומית, הנקראת מפעל אגירה שאובה.בתחנת כוח מים קונבנציונלית, המים מהמאגר זורמים דרך המפעל, יוצאים ומובלים במורד הזרם.למפעל אגירה שאובה יש שני מאגרים:
מאגר עליון - כמו תחנת כוח הידרומית קונבנציונלית, סכר יוצר מאגר.המים במאגר זה זורמים דרך תחנת הכוח הידרומית ליצירת חשמל.
מאגר תחתון - מים היוצאים מתחנת כוח הידרו זורמים למאגר תחתון במקום להיכנס שוב לנחל וזורמים במורד הזרם.
באמצעות טורבינה הפיכה, המפעל יכול לשאוב מים בחזרה למאגר העליון.זה נעשה בשעות שפל.בעיקרו של דבר, המאגר השני ממלא מחדש את המאגר העליון.על ידי שאיבת מים חזרה למאגר העליון, למפעל יש יותר מים לייצור חשמל בתקופות של שיא הצריכה.

הגנרטור
הלב של תחנת הכוח ההידרואלקטרית הוא הגנרטור.ברוב תחנות כוח המים יש כמה מהגנרטורים הללו.
הגנרטור, כפי שאולי ניחשתם, מייצר את החשמל.התהליך הבסיסי של הפקת חשמל באופן זה הוא סיבוב של סדרה של מגנטים בתוך סלילי תיל.תהליך זה מזיז אלקטרונים, אשר מייצר זרם חשמלי.
בסכר הובר יש בסך הכל 17 גנרטורים, שכל אחד מהם יכול לייצר עד 133 מגה וואט.ההספק הכולל של תחנת הכוח הידרומית בסכר הובר היא 2,074 מגה וואט.כל גנרטור מורכב מחלקים בסיסיים מסוימים:
פיר
מעורר
רוטור
גַלגַל מְכַוֵן
כשהטורבינה מסתובבת, המעורר שולח זרם חשמלי לרוטור.הרוטור הוא סדרה של אלקטרומגנטים גדולים המסתובבים בתוך סליל מפותל בחוט נחושת, הנקרא סטטור.השדה המגנטי בין הסליל למגנטים יוצר זרם חשמלי.
בסכר הובר זרם של 16,500 אמפר עובר מהגנרטור אל השנאי, שם הזרם עולה עד 230,000 אמפר לפני שידורו.

תחנות כוח הידרו מנצלות תהליך טבעי ומתמשך - התהליך הגורם לירידת גשם ולעליית נהרות.בכל יום, כוכב הלכת שלנו מאבד כמות קטנה של מים דרך האטמוספירה כאשר קרניים אולטרה סגולות מפרקות מולקולות מים.אך במקביל, מים חדשים נפלטים מהחלק הפנימי של כדור הארץ באמצעות פעילות געשית.כמות המים שנוצרה וכמות המים שאבדו בערך זהה.
בכל זמן נתון, נפח המים הכולל בעולם הוא בצורות שונות.זה יכול להיות נוזלי, כמו באוקיינוסים, נהרות וגשם;מוצק, כמו בקרחונים;או גזי, כמו באדי המים הבלתי נראים באוויר.מים משנים מצבים כשהם נעים סביב כדור הארץ על ידי זרמי הרוח.זרמי הרוח נוצרים מפעילות החימום של השמש.מחזורי זרם אוויר נוצרים על ידי השמש זורחת יותר על קו המשווה מאשר באזורים אחרים של כדור הארץ.
מחזורי זרם אוויר מניעים את אספקת המים של כדור הארץ דרך מחזור משלו, הנקרא מחזור הידרולוגי.כשהשמש מחממת מים נוזליים, המים מתאדים לאדים באוויר.השמש מחממת את האוויר, וגורמת לאוויר לעלות באטמוספירה.האוויר קר יותר גבוה יותר, כך שכשאדי המים עולים, הוא מתקרר ומתעבה לטיפות.כאשר מספיק טיפות מצטברות באזור אחד, הטיפות עשויות להיות כבדות מספיק כדי ליפול בחזרה לכדור הארץ כמשקעים.
המחזור ההידרולוגי חשוב לתחנות כוח הידרומיות מכיוון שהן תלויות בזרימת המים.אם יש חוסר גשם ליד המפעל, מים לא ייאספו במעלה הזרם.ללא מים שנאספים במעלה הזרם, פחות מים זורמים דרך תחנת הכוח הידרומית ופחות חשמל נוצר.