Hidroelektrik Santralleri Nasıl Çalışır?

Dünya çapında, hidroelektrik santralleri dünya elektriğinin yaklaşık yüzde 24'ünü üretiyor ve 1 milyardan fazla kişiye elektrik sağlıyor.Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'na göre, dünyanın hidroelektrik santralleri toplamda 675.000 megavat, yani 3,6 milyar varil petrole eşdeğer enerji üretiyor.Amerika Birleşik Devletleri'nde faaliyet gösteren 2.000'den fazla hidroelektrik santrali, hidroelektrik enerjiyi ülkenin en büyük yenilenebilir enerji kaynağı haline getiriyor.
Bu yazıda, düşen suyun nasıl enerji oluşturduğuna bir göz atacağız ve hidroelektrik için gerekli olan su akışını oluşturan hidrolojik döngü hakkında bilgi edineceğiz.Ayrıca, günlük yaşamınızı etkileyebilecek benzersiz bir hidroelektrik uygulamasına da göz atacaksınız.
Bir nehrin akıp gidişini izlerken, taşıdığı gücü hayal etmek zor.Daha önce akarsu raftingi yaptıysanız, nehrin gücünün küçük bir kısmını hissetmişsinizdir.Beyaz su akıntıları, büyük miktarda suyu yokuş aşağı taşıyan, dar bir geçitten darboğazlar taşıyan bir nehir olarak yaratılmıştır.Nehir bu açıklıktan geçmeye zorlandıkça akışı hızlanır.Seller, muazzam bir su hacminin ne kadar kuvvete sahip olabileceğinin başka bir örneğidir.
Hidroelektrik santralleri suyun enerjisini kullanır ve bu enerjiyi elektriğe dönüştürmek için basit mekanikler kullanır.Hidroelektrik santralleri aslında oldukça basit bir konsepte dayanmaktadır - bir barajdan akan su, bir jeneratörü çeviren bir türbini döndürür.

Konvansiyonel bir hidroelektrik santralinin temel bileşenleri şunlardır:
Baraj – Çoğu hidroelektrik santrali, suyu tutan ve büyük bir rezervuar oluşturan bir baraja güvenir.Genellikle, bu rezervuar, Washington Eyaletindeki Grand Coulee Barajı'ndaki Roosevelt Gölü gibi bir eğlence gölü olarak kullanılır.
Giriş – Barajdaki kapılar açılır ve yerçekimi suyu türbine giden bir boru hattı olan cebri borudan çeker.Su, bu borudan akarken basınç oluşturur.
Türbin – Su, bir şaft vasıtasıyla üstündeki bir jeneratöre bağlı olan bir türbinin büyük kanatlarına çarpar ve onu döndürür.Hidroelektrik santraller için en yaygın türbin tipi, kavisli kanatları olan büyük bir diske benzeyen Francis Türbinidir.Su ve Enerji Eğitimi Vakfı'na (FWEE) göre bir türbin 172 tona kadar ağırlığa sahip olabilir ve dakikada 90 devir (rpm) hızında dönebilir.
Jeneratörler - Türbin kanatları döndükçe, jeneratörün içinde bir dizi mıknatıs da döner.Dev mıknatıslar, bakır bobinleri geçerek elektronları hareket ettirerek alternatif akım (AC) üretir.(Jeneratörün nasıl çalıştığı hakkında daha sonra daha fazlasını öğreneceksiniz.)
Transformatör - Santralin içindeki transformatör AC'yi alır ve onu daha yüksek voltajlı akıma dönüştürür.
Güç hatları - Her elektrik santralinden dört kablo gelir: aynı anda üretilen üç güç fazı artı üçü için ortak bir nötr veya toprak.(Güç hattı iletimi hakkında daha fazla bilgi edinmek için Güç Dağıtım Şebekelerinin Nasıl Çalıştığını okuyun.)
Çıkış - Kullanılmış su, kuyruklar adı verilen boru hatları aracılığıyla taşınır ve nehir aşağı akışına yeniden girer.
Rezervuardaki su depolanmış enerji olarak kabul edilir.Kapılar açıldığında, cebri borudan akan su hareket halinde olduğu için kinetik enerjiye dönüşür.Üretilen elektrik miktarı birkaç faktör tarafından belirlenir.Bu faktörlerden ikisi, su akış hacmi ve hidrolik yük miktarıdır.Kafa, su yüzeyi ile türbinler arasındaki mesafeyi ifade eder.Yükseklik ve akış arttıkça üretilen elektrik de artar.Baş, genellikle rezervuardaki su miktarına bağlıdır.

Pompalı depolama tesisi adı verilen başka bir hidroelektrik santrali türü daha var.Konvansiyonel bir hidroelektrik santralinde, rezervuardan gelen su santralden akar, çıkar ve akış aşağı taşınır.Bir pompalı depolama tesisinde iki rezervuar bulunur:
Üst rezervuar – Geleneksel bir hidroelektrik santrali gibi, bir baraj da bir rezervuar oluşturur.Bu rezervuardaki su, elektrik üretmek için hidroelektrik santralinden akar.
Alt rezervuar – Hidroelektrik santralinden çıkan su, nehre yeniden girmek ve akış aşağı akmak yerine daha düşük bir rezervuara akar.
Ters çevrilebilir bir türbin kullanarak, tesis suyu üst rezervuara geri pompalayabilir.Bu, yoğun olmayan saatlerde yapılır.Esasen, ikinci rezervuar üst rezervuarı yeniden doldurur.Suyu üst rezervuara geri pompalayarak, santral, tüketimin yoğun olduğu dönemlerde elektrik üretmek için daha fazla suya sahip olur.

Jeneratör
Hidroelektrik santralin kalbi jeneratördür.Çoğu hidroelektrik santralinde bu jeneratörlerden birkaç tane bulunur.
Jeneratör, tahmin edebileceğiniz gibi, elektriği üretir.Bu şekilde elektrik üretmenin temel süreci, bir dizi mıknatısı tel bobinlerin içinde döndürmektir.Bu işlem, elektrik akımı üreten elektronları hareket ettirir.
Hoover Barajı, her biri 133 megawatt'a kadar üretebilen toplam 17 jeneratöre sahiptir.Hoover Barajı hidroelektrik santralinin toplam kapasitesi 2.074 megavattır.Her jeneratör belirli temel parçalardan oluşur:
şaft
uyarıcı
Rotor
Stator
Türbin dönerken, uyarıcı rotora bir elektrik akımı gönderir.Rotor, stator adı verilen sıkıca sarılmış bir bakır tel bobinin içinde dönen bir dizi büyük elektromıknatıstır.Bobin ve mıknatıslar arasındaki manyetik alan bir elektrik akımı oluşturur.
Hoover Barajı'nda, 16.500 amperlik bir akım, jeneratörden iletilmeden önce akımın 230.000 ampere kadar yükseldiği transformatöre hareket eder.

Hidroelektrik santralleri, doğal olarak meydana gelen, sürekli bir süreçten yararlanır - yağmurun yağmasına ve nehirlerin yükselmesine neden olan süreç.Ultraviyole ışınları su moleküllerini parçaladığından, gezegenimiz her gün atmosfer yoluyla az miktarda su kaybeder.Ama aynı zamanda, volkanik aktivite yoluyla Dünya'nın iç kısmından yeni su yayılır.Oluşan su miktarı ile kaybedilen su miktarı aşağı yukarı aynıdır.
Herhangi bir zamanda, dünyanın toplam su hacmi birçok farklı biçimdedir.Okyanuslarda, nehirlerde ve yağmurda olduğu gibi sıvı olabilir;buzullarda olduğu gibi katı;veya havadaki görünmez su buharında olduğu gibi gaz halindedir.Su, rüzgar akımlarıyla gezegenin etrafında hareket ettikçe hal değiştirir.Rüzgar akımları, güneşin ısıtma faaliyeti tarafından üretilir.Hava akımı döngüleri, güneşin ekvatorda gezegenin diğer bölgelerine göre daha fazla parlaması tarafından yaratılır.
Hava akımı döngüleri, Dünya'nın su kaynağını hidrolojik döngü adı verilen kendi döngüsünden geçirir.Güneş sıvı suyu ısıtırken, su buharlaşarak havada buharlaşır.Güneş havayı ısıtarak havanın atmosferde yükselmesine neden olur.Hava yukarıda daha soğuktur, bu nedenle su buharı yükseldikçe soğur ve damlacıklar halinde yoğunlaşır.Bir alanda yeterli miktarda damlacık biriktiğinde, damlacıklar yağış olarak Dünya'ya geri düşecek kadar ağırlaşabilir.
Hidrolojik çevrim, su akışına bağlı oldukları için hidroelektrik santraller için önemlidir.Tesisin yakınında yağmur eksikliği varsa, su yukarı yönde toplanmaz.Akışta su toplanmadığından, hidroelektrik santralinden daha az su akar ve daha az elektrik üretilir.