Ako fungujú vodné elektrárne

Vodné elektrárne na celom svete vyrábajú asi 24 percent svetovej elektriny a zásobujú energiou viac ako 1 miliardu ľudí.Podľa Národného laboratória pre obnoviteľnú energiu produkujú svetové vodné elektrárne spolu 675 000 megawattov, čo je energetický ekvivalent 3,6 miliardy barelov ropy.V Spojených štátoch funguje viac ako 2000 vodných elektrární, vďaka čomu je vodná energia najväčším obnoviteľným zdrojom energie v krajine.
V tomto článku sa pozrieme na to, ako padajúca voda vytvára energiu, a dozvieme sa o hydrologickom cykle, ktorý vytvára vodný tok nevyhnutný pre vodnú energiu.Nahliadnete aj do jednej jedinečnej aplikácie vodnej energie, ktorá môže ovplyvniť váš každodenný život.
Keď sa pozeráte na to, ako sa rieka valí, je ťažké si predstaviť silu, ktorú nesie.Ak ste niekedy raftovali na divokej vode, pocítili ste malú časť sily rieky.Pereje na divokej vode sú vytvorené ako rieka, ktorá unáša veľké množstvo vody dole kopcom, úzkym priechodom prekážajú.Keď sa rieka pretlačí týmto otvorom, jej tok sa zrýchli.Povodne sú ďalším príkladom toho, akú silu môže mať obrovský objem vody.
Vodné elektrárne využívajú energiu vody a využívajú jednoduchú mechaniku na premenu tejto energie na elektrinu.Vodné elektrárne sú vlastne založené na pomerne jednoduchom koncepte – voda pretekajúca priehradou roztáča turbínu, ktorá roztáča generátor.

Tu sú základné komponenty klasickej vodnej elektrárne:
Priehrada – Väčšina vodných elektrární sa spolieha na priehradu, ktorá zadržiava vodu a vytvára tak veľkú nádrž.Táto nádrž sa často používa ako rekreačné jazero, ako napríklad jazero Roosevelt na priehrade Grand Coulee v štáte Washington.
Nasávanie – Brány na priehrade sa otvárajú a gravitácia ťahá vodu cez privádzač, potrubie, ktoré vedie k turbíne.Voda vytvára tlak, keď preteká týmto potrubím.
Turbína – Voda naráža a otáča veľké lopatky turbíny, ktorá je pomocou hriadeľa pripevnená ku generátoru nad ňou.Najbežnejším typom turbíny pre vodné elektrárne je Francisova turbína, ktorá vyzerá ako veľký kotúč so zakrivenými lopatkami.Turbína môže vážiť až 172 ton a otáčať sa rýchlosťou 90 otáčok za minútu (rpm), podľa Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generátory – Keď sa lopatky turbíny otáčajú, vo vnútri generátora sa otáča aj séria magnetov.Obrovské magnety rotujú okolo medených cievok a pohybom elektrónov produkujú striedavý prúd (AC).(Viac o tom, ako generátor funguje, sa dozviete neskôr.)
Transformátor – Transformátor vo vnútri elektrárne berie striedavý prúd a premieňa ho na prúd s vyšším napätím.
Elektrické vedenia – Z každej elektrárne pochádzajú štyri vodiče: tri fázy elektrickej energie, ktoré sa vyrábajú súčasne, plus nulový vodič alebo uzemnenie spoločné pre všetky tri.(Prečítajte si, ako fungujú rozvodné siete, kde sa dozviete viac o prenose elektrického vedenia.)
Odtok – Použitá voda je odvádzaná potrubím, nazývaným odpadové vody, a znovu sa dostáva do rieky po prúde.
Voda v nádrži sa považuje za uloženú energiu.Keď sa brány otvoria, voda pretekajúca cez privádzač sa stane kinetickou energiou, pretože je v pohybe.Množstvo vyrobenej elektriny je určené viacerými faktormi.Dva z týchto faktorov sú objem prietoku vody a množstvo hydraulickej hlavy.Hlava sa vzťahuje na vzdialenosť medzi vodnou hladinou a turbínami.So zvyšujúcou sa dopravnou výškou a prietokom sa zvyšuje aj vyrobená elektrina.Výška je zvyčajne závislá od množstva vody v nádrži.

Existuje ďalší typ vodnej elektrárne, nazývanej prečerpávacia elektráreň.V klasickej vodnej elektrárni voda z nádrže preteká elektrárňou, vyteká a je odvádzaná po prúde.Prečerpávacia stanica má dve nádrže:
Horná nádrž – Ako klasická vodná elektráreň, aj hrádza vytvára nádrž.Voda v tejto nádrži preteká cez vodnú elektráreň na výrobu elektriny.
Dolná nádrž – Voda vystupujúca z vodnej elektrárne tečie do dolnej nádrže a nevracia sa späť do rieky a tečie po prúde.
Pomocou reverzibilnej turbíny môže zariadenie čerpať vodu späť do hornej nádrže.Deje sa tak v čase mimo špičky.Druhá nádrž v podstate dopĺňa hornú nádrž.Prečerpávaním vody späť do hornej nádrže má závod viac vody na výrobu elektriny v obdobiach špičkovej spotreby.

Generátor
Srdcom vodnej elektrárne je generátor.Väčšina vodných elektrární má niekoľko týchto generátorov.
Generátor, ako ste možno uhádli, vyrába elektrinu.Základným procesom výroby elektriny týmto spôsobom je otáčanie série magnetov vo vnútri cievok drôtu.Tento proces pohybuje elektrónmi, ktoré produkujú elektrický prúd.
Hoover Dam má celkovo 17 generátorov, z ktorých každý dokáže generovať až 133 megawattov.Celková kapacita vodnej elektrárne Hoover Dam je 2 074 megawattov.Každý generátor sa skladá z určitých základných častí:
Šachta
Budič
Rotor
stator
Keď sa turbína otáča, budič vysiela elektrický prúd do rotora.Rotor je séria veľkých elektromagnetov, ktoré sa otáčajú vo vnútri tesne navinutej cievky medeného drôtu, nazývaného stator.Magnetické pole medzi cievkou a magnetmi vytvára elektrický prúd.
V priehrade Hoover Dam prúd 16 500 ampérov prechádza z generátora do transformátora, kde sa prúd pred prenosom zvýši na 230 000 ampérov.

Vodné elektrárne využívajú prirodzene sa vyskytujúci nepretržitý proces – proces, ktorý spôsobuje padanie dažďa a stúpanie riek.Naša planéta každý deň stráca cez atmosféru malé množstvo vody, pretože ultrafialové lúče rozbíjajú molekuly vody.Zároveň sa však z vnútornej časti Zeme prostredníctvom sopečnej činnosti uvoľňuje nová voda.Množstvo vytvorenej vody a množstvo stratenej vody je približne rovnaké.
V každom okamihu je celkový svetový objem vody v mnohých rôznych formách.Môže byť tekutý, ako v oceánoch, riekach a daždi;pevné, ako v ľadovcoch;alebo plynné, ako v neviditeľnej vodnej pare vo vzduchu.Voda mení skupenstvo, keď sa pohybuje po planéte veternými prúdmi.Veterné prúdy sú vytvárané zahrievacou činnosťou slnka.Cykly vzduch-prúd vznikajú tak, že slnko svieti viac na rovníku ako na iné oblasti planéty.
Cykly vzduch-prúd poháňajú zásoby vody na Zemi prostredníctvom vlastného cyklu, ktorý sa nazýva hydrologický cyklus.Keď slnko ohrieva kvapalnú vodu, voda sa vo vzduchu vyparuje na paru.Slnko ohrieva vzduch, čo spôsobuje, že vzduch stúpa v atmosfére.Vzduch je vyššie chladnejší, takže keď vodná para stúpa, ochladzuje sa a kondenzuje na kvapôčky.Keď sa v jednej oblasti nahromadí dostatok kvapiek, kvapôčky môžu byť dostatočne ťažké na to, aby spadli späť na Zem ako zrážky.
Hydrologický cyklus je dôležitý pre vodné elektrárne, pretože závisia od prietoku vody.Ak je v blízkosti rastliny nedostatok dažďa, voda sa nebude zhromažďovať proti prúdu.Bez zhromažďovania vody proti prúdu vodnou elektrárňou preteká menej vody a vyrába sa menej elektriny.