Во всем мире гидроэлектростанции производят около 24 процентов электроэнергии в мире и снабжают электроэнергией более 1 миллиарда человек.По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, гидроэлектростанции в мире производят в общей сложности 675 000 мегаватт, что эквивалентно 3,6 млрд баррелей нефти.В Соединенных Штатах работает более 2000 гидроэлектростанций, что делает гидроэнергетику крупнейшим источником возобновляемой энергии в стране.
В этой статье мы рассмотрим, как падающая вода создает энергию, и узнаем о гидрологическом цикле, который создает поток воды, необходимый для гидроэнергетики.Вы также получите представление об одном уникальном применении гидроэнергетики, которое может повлиять на вашу повседневную жизнь.
Глядя на катящуюся мимо реку, трудно представить, какую силу она несет.Если вы когда-либо занимались рафтингом, то вы почувствовали частичку силы реки.Белые пороги создаются в виде рек, несущих большое количество воды вниз по склону, узких мест через узкий проход.Когда река форсируется через это отверстие, ее течение ускоряется.Наводнения — еще один пример того, какую силу может иметь огромный объем воды.
Гидроэлектростанции используют энергию воды и используют простую механику для преобразования этой энергии в электричество.Гидроэлектростанции на самом деле основаны на довольно простой концепции — вода, протекающая через плотину, приводит в действие турбину, которая вращает генератор.
Вот основные компоненты обычной гидроэлектростанции:
Плотина. Большинство гидроэлектростанций опираются на плотину, которая сдерживает воду, создавая большой резервуар.Часто это водохранилище используется как рекреационное озеро, например, озеро Рузвельт на плотине Гранд-Кули в штате Вашингтон.
Впуск - Ворота на плотине открываются, и сила тяжести вытягивает воду через напорный трубопровод, который ведет к турбине.Вода создает давление, когда течет по этой трубе.
Турбина. Вода ударяет и вращает большие лопасти турбины, которая прикреплена к генератору над ней посредством вала.Наиболее распространенным типом турбины для гидроэлектростанций является турбина Фрэнсиса, которая выглядит как большой диск с изогнутыми лопастями.По данным Фонда образования в области водных ресурсов и энергетики (FWEE), турбина может весить до 172 тонн и вращаться со скоростью 90 оборотов в минуту (об/мин).
Генераторы. По мере того, как вращаются лопасти турбины, вращается ряд магнитов внутри генератора.Гигантские магниты вращаются вокруг медных катушек, создавая переменный ток (AC) за счет движущихся электронов.(Вы узнаете больше о том, как работает генератор, позже.)
Трансформатор. Трансформатор внутри электростанции принимает переменный ток и преобразует его в ток более высокого напряжения.
Линии электропередач. Из каждой электростанции выходит четыре провода: три фазы питания вырабатываются одновременно плюс нейтраль или земля, общая для всех трех.(Прочитайте «Как работают распределительные сети», чтобы узнать больше о передаче по линиям электропередач.)
Отток – использованная вода переносится по трубопроводам, называемым отводами, и снова попадает в реку вниз по течению.
Вода в резервуаре считается запасенной энергией.Когда ворота открываются, вода, протекающая через затвор, становится кинетической энергией, потому что она находится в движении.Количество вырабатываемой электроэнергии определяется несколькими факторами.Двумя из этих факторов являются объем потока воды и величина гидравлического напора.Напор относится к расстоянию между поверхностью воды и турбинами.По мере увеличения напора и расхода увеличивается и вырабатываемая электроэнергия.Напор обычно зависит от количества воды в резервуаре.
Есть еще один тип гидроэлектростанций, называемый гидроаккумулирующей.На обычной гидроэлектростанции вода из водохранилища проходит через станцию, выходит и уносится вниз по течению.Гидроаккумулирующая станция имеет два резервуара:
Верхний резервуар. Как и обычная гидроэлектростанция, плотина создает резервуар.Вода в этом резервуаре проходит через гидроэлектростанцию для выработки электроэнергии.
Нижний резервуар – вода, выходящая из гидроэлектростанции, стекает в нижний резервуар, а не снова входит в реку и течет вниз по течению.
С помощью реверсивной турбины установка может перекачивать воду обратно в верхний резервуар.Делается это в нерабочее время.По сути, второй резервуар пополняет верхний резервуар.Перекачивая воду обратно в верхний резервуар, у станции есть больше воды для выработки электроэнергии в периоды пикового потребления.
Генератор
Сердцем гидроэлектростанции является генератор.Большинство гидроэлектростанций имеют несколько таких генераторов.
Генератор, как вы могли догадаться, вырабатывает электричество.Основной процесс выработки электроэнергии таким образом заключается во вращении ряда магнитов внутри витков проволоки.Этот процесс перемещает электроны, которые производят электрический ток.
Плотина Гувера имеет в общей сложности 17 генераторов, каждый из которых может генерировать до 133 мегаватт.Суммарная мощность гидроэлектростанции на плотине Гувера составляет 2074 мегаватта.Каждый генератор состоит из определенных основных частей:
Вал
Возбудитель
Ротор
статор
Когда турбина вращается, возбудитель посылает электрический ток на ротор.Ротор представляет собой серию больших электромагнитов, которые вращаются внутри плотно намотанной катушки из медной проволоки, называемой статором.Магнитное поле между катушкой и магнитами создает электрический ток.
На плотине Гувера ток силой 16 500 ампер проходит от генератора к трансформатору, где перед передачей ток увеличивается до 230 000 ампер.
Гидроэлектростанции используют преимущества естественного непрерывного процесса — процесса, который вызывает выпадение дождя и повышение уровня воды в реках.Каждый день наша планета теряет небольшое количество воды через атмосферу, поскольку ультрафиолетовые лучи разрушают молекулы воды.Но в то же время из внутренней части Земли в результате вулканической деятельности выделяется новая вода.Количество созданной воды и количество потерянной воды примерно одинаково.
В любой момент времени общий объем воды в мире находится в самых разных формах.Он может быть жидким, как в океанах, реках и дожде;твердые, как в ледниках;или газообразный, как невидимый водяной пар в воздухе.Вода меняет состояния по мере того, как ее перемещают по планете потоки ветра.Ветровые потоки генерируются нагревающей активностью солнца.Циклы воздушных течений создаются тем, что солнце светит больше на экваторе, чем на других участках планеты.
Циклы воздушных потоков управляют водоснабжением Земли через собственный цикл, называемый гидрологическим циклом.Когда солнце нагревает жидкую воду, вода испаряется в воздухе в пар.Солнце нагревает воздух, заставляя воздух подниматься в атмосферу.Выше воздух холоднее, поэтому водяной пар, поднимаясь вверх, охлаждается, конденсируясь в капли.Когда в одном месте накапливается достаточное количество капель, они могут стать достаточно тяжелыми, чтобы выпасть обратно на Землю в виде осадков.
Гидрологический цикл важен для гидроэлектростанций, потому что они зависят от потока воды.Если рядом с заводом не будет дождя, вода не будет собираться вверх по течению.Без сбора воды вверх по течению через гидроэлектростанцию проходит меньше воды и вырабатывается меньше электроэнергии.
Время публикации: 07 июля 2021 г.
