Kaip veikia hidroelektrinės

Visame pasaulyje hidroelektrinės pagamina apie 24 procentus pasaulio elektros energijos ir aprūpina energija daugiau nei 1 milijardą žmonių.Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos duomenimis, pasaulio hidroelektrinės iš viso išskiria 675 000 megavatų, o tai atitinka 3,6 milijardo barelių naftos.Jungtinėse Valstijose veikia daugiau nei 2000 hidroelektrinių, todėl hidroenergija yra didžiausias atsinaujinančios energijos šaltinis šalyje.
Šiame straipsnyje apžvelgsime, kaip krintantis vanduo sukuria energiją, ir sužinosime apie hidrologinį ciklą, kuris sukuria vandens srautą, būtiną hidroenergetikai.Taip pat pamatysite vieną unikalų hidroenergijos pritaikymą, kuris gali turėti įtakos jūsų kasdieniam gyvenimui.
Stebint, kaip upė rieda, sunku įsivaizduoti, kokią jėgą ji neša.Jei kada nors plaukiojote plaustais, tuomet pajutote nedidelę upės galios dalį.Baltųjų slenksčių slenksčiai sukurti kaip upė, siauru praėjimu nunešanti didelį vandens kiekį žemyn, siauru keliu.Kai upė veržiasi pro šią angą, jos tėkmė pagreitėja.Potvyniai yra dar vienas pavyzdys, kokią jėgą gali turėti didžiulis vandens tūris.
Hidroelektrinės naudoja vandens energiją ir naudoja paprastą mechaniką, kad paverstų tą energiją elektra.Hidroelektrinės iš tikrųjų remiasi gana paprasta koncepcija – per užtvanką tekantis vanduo paverčia turbiną, kuri suka generatorių.

Štai pagrindiniai įprastinės hidroelektrinės komponentai:
Užtvanka – Dauguma hidroelektrinių remiasi užtvanka, kuri sulaiko vandenį ir sukuria didelį rezervuarą.Dažnai šis rezervuaras naudojamas kaip pramoginis ežeras, pavyzdžiui, Roosevelto ežeras prie Grand Coulee užtvankos Vašingtono valstijoje.
Įsiurbimas – atsidaro užtvankos vartai ir gravitacija traukia vandenį per vamzdyną, kuris veda į turbiną.Vanduo, tekėdamas šiuo vamzdžiu, padidina slėgį.
Turbina – vanduo atsitrenkia ir apverčia dideles turbinos mentes, kurios velenu pritvirtintos prie virš jos esančio generatoriaus.Labiausiai paplitęs hidroelektrinių turbinų tipas yra Francis Turbine, kuris atrodo kaip didelis diskas su lenktomis mentėmis.Remiantis Vandens ir energijos švietimo fondo (FWEE), turbina gali sverti net 172 tonas ir suktis 90 apsisukimų per minutę greičiu.
Generatoriai – kai sukasi turbinos mentės, generatoriaus viduje sukasi magnetų serija.Milžiniški magnetai sukasi pro varinius ritinius, gamindami kintamąją srovę (AC) judėdami elektronus.(Daugiau apie tai, kaip veikia generatorius, sužinosite vėliau.)
Transformatorius – transformatorius, esantis jėgainėje, paima kintamąją srovę ir paverčia ją aukštesnės įtampos srove.
Maitinimo linijos – iš kiekvienos elektrinės yra keturi laidai: trys maitinimo fazės gaminamos vienu metu ir nulinis arba įžeminimas, bendras visoms trims.(Perskaitykite, kaip veikia elektros paskirstymo tinklai, kad sužinotumėte daugiau apie elektros linijos perdavimą.)
Nutekėjimas – panaudotas vanduo tiekiamas vamzdynais, vadinamais uodegomis, ir vėl patenka į upę pasroviui.
Vanduo rezervuare laikomas sukaupta energija.Kai vartai atsidaro, vanduo, tekantis per stulpelį, tampa kinetine energija, nes jis juda.Gaminamos elektros energijos kiekį lemia keli veiksniai.Du iš šių veiksnių yra vandens srauto tūris ir hidraulinės galvutės kiekis.Galva nurodo atstumą tarp vandens paviršiaus ir turbinų.Didėjant slėgiui ir srautui, didėja ir pagaminama elektros energija.Galva paprastai priklauso nuo vandens kiekio rezervuare.

Yra ir kito tipo hidroelektrinė, vadinama siurbline.Įprastoje hidroelektrinėje vanduo iš rezervuaro teka per elektrinę, išeina ir teka žemyn.Siurblinė elektrinė turi du rezervuarus:
Viršutinis rezervuaras – kaip ir įprastinė hidroelektrinė, užtvanka sukuria rezervuarą.Šiame rezervuare esantis vanduo teka per hidroelektrinę ir gamina elektros energiją.
Apatinis rezervuaras – vanduo, išeinantis iš hidroelektrinės, teka į žemesnį rezervuarą, o ne vėl patenka į upę ir teka pasroviui.
Naudodamas reversinę turbiną, įrenginys gali pumpuoti vandenį atgal į viršutinį rezervuarą.Tai daroma ne piko valandomis.Iš esmės antrasis rezervuaras užpildo viršutinį rezervuarą.Siurbdama vandenį atgal į viršutinį rezervuarą, gamykla turi daugiau vandens, kad galėtų gaminti elektrą didžiausio suvartojimo laikotarpiais.

Generatorius
Hidroelektrinės širdis yra generatorius.Dauguma hidroelektrinių turi kelis tokius generatorius.
Generatorius, kaip jau galėjote atspėti, gamina elektrą.Pagrindinis elektros gamybos procesas tokiu būdu yra sukti magnetų seriją vielos ritėse.Šis procesas judina elektronus, kurie gamina elektros srovę.
Hoover Dam iš viso turi 17 generatorių, kurių kiekvienas gali generuoti iki 133 megavatų.Bendra Hoover Dam hidroelektrinės galia – 2074 megavatai.Kiekvienas generatorius yra sudarytas iš tam tikrų pagrindinių dalių:
Velenas
Sužadinimo priemonė
Rotorius
Statorius
Kai turbina sukasi, žadintuvas siunčia elektros srovę į rotorių.Rotorius yra didelių elektromagnetų serija, kuri sukasi sandariai suvyniotoje varinės vielos ritėje, vadinamoje statoriumi.Magnetinis laukas tarp ritės ir magnetų sukuria elektros srovę.
Huverio užtvankoje 16 500 amperų srovė juda iš generatoriaus į transformatorių, kur srovė prieš perduodama pakyla iki 230 000 amperų.

Hidroelektrinės naudojasi natūraliai vykstančiu nuolatiniu procesu – procesu, dėl kurio lyja lietus ir kyla upės.Kasdien mūsų planeta per atmosferą praranda nedidelį kiekį vandens, nes ultravioletiniai spinduliai skaido vandens molekules.Tačiau tuo pačiu metu iš vidinės Žemės dalies per vulkaninę veiklą išsiskiria naujas vanduo.Susidaro vandens kiekis ir netenkamas vandens kiekis yra maždaug vienodas.
Vienu metu bendras vandens tūris pasaulyje yra įvairių formų.Jis gali būti skystas, kaip ir vandenynuose, upėse ir lietuje;kietas, kaip ir ledynuose;arba dujinis, kaip ore esančiuose nematomuose vandens garuose.Vanduo keičia būsenas, kai jį per planetą perkelia vėjo srovės.Vėjo srovės susidaro dėl saulės šildymo aktyvumo.Oro srovės ciklus sukuria saulė, kuri daugiau šviečia pusiaujuje nei kitose planetos vietose.
Oro srovės ciklai nukreipia Žemės vandens tiekimą per savo ciklą, vadinamą hidrologiniu ciklu.Saulei kaitinant skystą vandenį, vanduo išgaruoja į garus ore.Saulė šildo orą, todėl oras atmosferoje kyla aukštyn.Aukščiau oras šaltesnis, todėl kylant vandens garams jis atvėsta, kondensuodamasis į lašelius.Kai vienoje srityje susikaupia pakankamai lašelių, lašeliai gali tapti pakankamai sunkūs, kad nukristų atgal į Žemę kaip krituliai.
Hidrologinis ciklas yra svarbus hidroelektrinėms, nes jos priklauso nuo vandens srauto.Jei šalia augalo trūksta lietaus, vanduo nesikaups prieš srovę.Nesukaupus vandens prieš srovę, per hidroelektrinę teka mažiau vandens ir pagaminama mažiau elektros energijos.