Na całym świecie elektrownie wodne wytwarzają około 24 procent światowej energii elektrycznej i dostarczają energię ponad miliardowi ludzi.Według National Renewable Energy Laboratory światowe elektrownie wodne wytwarzają łącznie 675 000 megawatów, co odpowiada energii 3,6 miliarda baryłek ropy.W Stanach Zjednoczonych działa ponad 2000 elektrowni wodnych, co sprawia, że elektrownie wodne są największym odnawialnym źródłem energii w kraju.
W tym artykule przyjrzymy się, w jaki sposób spadająca woda tworzy energię i poznamy cykl hydrologiczny, który tworzy przepływ wody niezbędny dla elektrowni wodnych.Zobaczysz także jedno wyjątkowe zastosowanie energii wodnej, które może mieć wpływ na Twoje codzienne życie.
Patrząc na płynącą rzekę, trudno wyobrazić sobie siłę, jaką niesie.Jeśli kiedykolwiek uprawiałeś rafting, to poczułeś małą część mocy rzeki.Bystrza białowodne są tworzone jako rzeka, niosąca duże ilości wody w dół, wąskie gardła w wąskim przejściu.Gdy rzeka przepycha się przez ten otwór, jej przepływ przyspiesza.Powodzie są kolejnym przykładem siły, jaką może mieć ogromna objętość wody.
Elektrownie wodne wykorzystują energię wody i wykorzystują prostą mechanikę do przekształcania tej energii w energię elektryczną.Elektrownie wodne opierają się w rzeczywistości na dość prostej koncepcji — woda przepływająca przez tamę obraca turbinę, która uruchamia generator.
Oto podstawowe elementy konwencjonalnej elektrowni wodnej:
Tama – większość elektrowni wodnych opiera się na zaporze, która zatrzymuje wodę, tworząc duży zbiornik.Często zbiornik ten jest wykorzystywany jako jezioro rekreacyjne, takie jak jezioro Roosevelt przy zaporze Grand Coulee w stanie Waszyngton.
Wlot – wrota na zaporze otwierają się i grawitacja wciąga wodę przez zastawkę, rurociąg, który prowadzi do turbiny.Woda wytwarza ciśnienie, gdy przepływa przez tę rurę.
Turbina – Woda uderza i obraca duże łopaty turbiny, która jest przymocowana do znajdującego się nad nią generatora za pomocą wału.Najpopularniejszym typem turbiny w elektrowniach wodnych jest Turbina Francisa, która wygląda jak duży dysk z zakrzywionymi łopatami.Turbina może ważyć nawet 172 tony i obracać się z prędkością 90 obrotów na minutę (obr/min), według Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatory – Gdy łopatki turbiny obracają się, to samo dzieje się z szeregiem magnesów wewnątrz generatora.Olbrzymie magnesy obracają się obok miedzianych cewek, wytwarzając prąd przemienny (AC) przez poruszające się elektrony.(Później dowiesz się więcej o działaniu generatora).
Transformator – Transformator wewnątrz elektrowni pobiera prąd przemienny i przekształca go w prąd o wyższym napięciu.
Linie energetyczne – Z każdej elektrowni wychodzą cztery przewody: trzy fazy energii wytwarzanej jednocześnie plus przewód neutralny lub uziemienie wspólne dla wszystkich trzech.(Przeczytaj Jak działają sieci dystrybucji energii, aby dowiedzieć się więcej o transmisji przez linię elektroenergetyczną).
Odpływ – Zużyta woda jest odprowadzana rurociągami, zwanymi tailracami, i ponownie wpływa do rzeki w dół rzeki.
Woda w zbiorniku jest uważana za zmagazynowaną energię.Kiedy wrota się otwierają, woda przepływająca przez zastawkę staje się energią kinetyczną, ponieważ jest w ruchu.Ilość wytwarzanej energii elektrycznej zależy od kilku czynników.Dwa z tych czynników to wielkość przepływu wody i wysokość podnoszenia hydraulicznego.Głowa odnosi się do odległości między powierzchnią wody a turbinami.Wraz ze wzrostem wysokości podnoszenia i przepływu rośnie również wytwarzana energia elektryczna.Głowica jest zwykle zależna od ilości wody w zbiorniku.
Istnieje inny rodzaj elektrowni wodnej, zwany elektrownią szczytowo-pompową.W konwencjonalnej elektrowni wodnej woda ze zbiornika przepływa przez elektrownię, wypływa i jest odprowadzana w dół.Elektrownia szczytowo-pompowa posiada dwa zbiorniki:
Zbiornik górny – Podobnie jak konwencjonalna elektrownia wodna, zapora tworzy zbiornik.Woda w tym zbiorniku przepływa przez elektrownię wodną, aby wytworzyć energię elektryczną.
Dolny zbiornik – Woda opuszczająca elektrownię wodną spływa do dolnego zbiornika zamiast ponownie wpływać do rzeki i spływać w dół rzeki.
Za pomocą turbiny rewersyjnej elektrownia może pompować wodę z powrotem do górnego zbiornika.Odbywa się to poza godzinami szczytu.Zasadniczo, drugi zbiornik ponownie napełnia górny zbiornik.Pompując wodę z powrotem do górnego zbiornika, elektrownia ma więcej wody do wytwarzania energii elektrycznej w okresach szczytowego zużycia.
Generator
Sercem elektrowni wodnej jest generator.Większość elektrowni wodnych ma kilka takich generatorów.
Generator, jak można się domyślić, wytwarza prąd.Podstawowym procesem generowania elektryczności w ten sposób jest obracanie szeregu magnesów wewnątrz zwojów drutu.Ten proces przemieszcza elektrony, które wytwarzają prąd elektryczny.
Zapora Hoovera ma w sumie 17 generatorów, z których każdy może generować do 133 megawatów.Całkowita moc elektrowni wodnej Hoover Dam wynosi 2074 megawatów.Każdy generator składa się z pewnych podstawowych części:
Wał
Wzbudnik
Wirnik
Stojan
Gdy turbina się obraca, wzbudnik wysyła prąd elektryczny do wirnika.Wirnik to seria dużych elektromagnesów, które wirują wewnątrz ciasno nawiniętej cewki z drutu miedzianego, zwanej stojanem.Pole magnetyczne między cewką a magnesami wytwarza prąd elektryczny.
W Zaporze Hoovera prąd o natężeniu 16 500 amperów przepływa z generatora do transformatora, gdzie prąd wzrasta do 230 000 amperów przed przesłaniem.
Elektrownie wodne wykorzystują naturalnie występujący, ciągły proces — proces, który powoduje opad deszczu i podnoszenie się rzek.Każdego dnia nasza planeta traci niewielką ilość wody przez atmosferę, ponieważ promienie ultrafioletowe rozbijają cząsteczki wody.Ale jednocześnie nowa woda jest emitowana z wnętrza Ziemi poprzez aktywność wulkaniczną.Ilość wytworzonej i straconej wody jest mniej więcej taka sama.
W dowolnym momencie całkowita objętość wody na świecie występuje w wielu różnych postaciach.Może być płynny, jak w oceanach, rzekach i deszczu;solidny, jak w lodowcach;lub gazowe, jak niewidzialna para wodna w powietrzu.Woda zmienia stan, gdy jest poruszana wokół planety przez prądy wiatru.Prądy wiatru są generowane przez aktywność cieplną słońca.Cykle prądów powietrznych są tworzone przez słońce świecące bardziej na równiku niż na innych obszarach planety.
Cykle prądów powietrznych napędzają zasoby wodne Ziemi poprzez własny cykl, zwany cyklem hydrologicznym.Gdy słońce ogrzewa wodę w stanie ciekłym, woda wyparowuje w powietrzu w parę.Słońce ogrzewa powietrze, powodując unoszenie się powietrza w atmosferze.Na górze powietrze jest zimniejsze, więc para wodna unosząca się ochładza, kondensując w kropelki.Gdy w jednym obszarze zgromadzi się wystarczająca ilość kropel, mogą one stać się wystarczająco ciężkie, aby opaść z powrotem na Ziemię w postaci opadów.
Cykl hydrologiczny jest ważny dla elektrowni wodnych, ponieważ zależą one od przepływu wody.Jeśli w pobliżu elektrowni nie ma deszczu, woda nie będzie zbierała się w górę rzeki.Bez wody zbierającej się w strumieniu mniej wody przepływa przez elektrownię wodną i wytwarza się mniej energii elektrycznej.
Czas publikacji: 07-07-2021
