כיצד פועלת אנרגיה הידרואלקטרית

למרות שהכוח ההידרואלקטרי הולך ונעלם במהירות, מקורות אנרגיה מתחדשים כמו שמש ורוח מדביקים את הפער במהירות, והוא עדיין מהווה את החלק הגדול ביותר של החשמל בעולם.

כוח הידרואלקטרי היה כה נפוץ במאה ה-20, עד שהוא זכה לכינוי "פחם לבן" על חוזקו ושיפופו.

השיטה המקורית והבסיסית ביותר להפקת אנרגיה הייתה כוח הידרואלקטרי.

במילים פשוטות, כוח הידרואלקטרי הוא יצירת אנרגיה מנפילה או תנועה של מים. בנהרות נבנים סכרים לייצור חשמל.

לאחר מכן מסובבים את הטורבינות על ידי זרימה רציפה של המים.

הפופולרי ביותר אנרגיה מתחדשת המקור בתחילת המאה ה-21 היה הידרואלקטריות, שבשנת 2019 היווה יותר מ-18% מסך כושר ייצור החשמל בעולם.

ב"כיצד פועלת אנרגיה הידרואלקטרית", אנו מסתכלים על עקרון העבודה של אנרגיה הידרואלקטרית.

מהי אנרגיה הידרואלקטרית?

אנרגיה הידרואלקטרית היא אנרגיה ידידותית לסביבה ומקור אנרגיה מתחדש המייצר כוח באמצעות סכר או מבנה הסחה כדי לשנות את הזרימה הטבעית של נהר או גוף מים אחר.

אנרגיה הידרואלקטרית, הנקראת גם אנרגיה הידרו-אלקטרית חשמל מגנרטורים שמונעים על ידי טורבינות להמירing ה אנרגיה פוטנציאלית של נפילה או זרימה מהירה מַיִם אל תוך אנרגיה מכנית.

היתרונות של אנרגיה הידרואלקטרית

שום סוג של ייצור אנרגיה, על פי השירות הגיאולוגי של ארה"ב (USGS), אינו מציע פתרון מושלם, אולם כוח הידרואלקטרי עדיין יכול להציע מספר יתרונות.

מקור: מהם כמה יתרונות וחסרונות של אנרגיה הידרואלקטרית? (אתר סולארי)

1. מקור לאנרגיה מתחדשת

מכיוון שהוא עושה שימוש במים על פני כדור הארץ לייצור חשמל, כוח הידרואלקטרי נתפס כמשאב מתחדש.

כאשר השמש זורחת, המים על פני כדור הארץ מתאדים, יוצרים עננים ובסופו של דבר חוזרים לכוכב הלכת כגשם ושלג.

מכיוון שאיננו יכולים למצות אותו, איננו מודאגים מהעלאת מחירו כתוצאה מהמחסור.

לכן מפעלים הידרואלקטרים ​​עשויים להחזיק מעמד. במצבים אחרים, מכונות שנועדו להחזיק מעמד 25 שנים עדיין בשימוש לאחר שהייתה בשימוש להשתמש במשך כפול זמן.

2. מקור אנרגיה נקי

אחד ממקורות האנרגיה החלופיים ה"ירוקים" וה"נקיים" הרבים הוא חשמל הידרואלקטרי. ייצור חשמל הידרואלקטרי אינו מזהם את הסביבה.

מתקני כוח הידרואלקטרי אינם משחררים שום גזי חממה מזיקים לאטמוספירה בזמן שהם מייצרים אנרגיה.

התקופה בה הזיהום החמור ביותר היא כאשר נבנות תחנות כוח.

בהשוואה לפחם, נפט או גז טבעי, המפעל ההידרואלקטרי הפועל מייצר פחות גזי חממה, מה שמפחית את שינויי האקלים, גשם חומצי וערפיח.

מכיוון שהוא אינו משחרר מזהמי אוויר, כוח הידרואלקטרי עוזר לשפר את איכות האוויר שאנו נושמים.

בנוסף, הצמחים אינם יוצרים תוצרי לוואי מסוכנים.

כיום, השימוש בכוח הידרו מונע שחרור פליטת חממה שווה ערך ליותר מ-4.5 מיליון חביות נפט, מה שיאיץ את קצב ההתחממות הגלובלית.

3. מקור אנרגיה במחיר סביר

למרות הוצאות הבנייה הראשוניות היקרות, כוח הידרואלקטרי הוא מקור אנרגיה חסכוני.

מי הנהר הם משאב בלתי מוגבל שאינו מושפע מתנודות בשוק.

המחיר של מקורות אנרגיה מבוססי דלק מאובנים כולל פחם, נפט וגז טבעי מושפע מאוד מתנודתיות בשוק, שעלולה לגרום לעלייה או לירידה חדה.

עם תוחלת חיים ממוצעת של 50 עד 100 שנים, מתקני כוח הידרואלקטרי הם השקעות לטווח ארוך שיכולות להועיל לדורות רבים הבאים.

הם גם מציעים הוצאות תפעול ותחזוקה נמוכות בהרבה וניתן לשנות אותם בפשטות כדי לעמוד בדרישות הטכניות של היום.

4. מסייע לקהילות מרוחקות בפיתוח

מתקני אנרגיה מתחדשת אלה מייצרים לא רק מקומות עבודה אלא גם אנרגיה נקייה לשימוש על ידי מקומיים ועסקים.

אזורים מרוחקים הזקוקים לחשמל משרתים תחנות כוח הידרואלקטריות, שמושכות גם תעשייה, מסחר, תחבורה ופיתוח קהילתי חיוני אחר.

כל היוזמות הללו עוזרות לשפר את הכלכלות המקומיות, את הגישה לשירותי בריאות וחינוך, ואת איכות החיים הכוללת של התושבים.

ה-EIA טוען שמקור הכוח האמין והניתן להתאמה זה מגביר את המשיכה של קהילה למפתחים אחרים.

5. הזדמנויות בילוי

דיג, שייט ושחייה הם כל פעילויות פנאי אפשריות באגם שיוצר מאחורי הסכר.

מים מהאגם עשויים לשמש להשקיה. סכרים גדולים הופכים גם ליעדים פופולריים עבור תיירים.

מתקנים לייצור הידרואלקטרים ​​יכולים לאגור כמויות אדירות של מים לשימוש לפי הצורך ולהשקיה כאשר גשמים מועטים.

זה יתרון להיות מסוגל לאגור מים שכן זה מפחית את הרגישות שלנו לבצורות ושיטפונות ומגן על מפלס המים מפני דלדול.

6. חיזוק שיא הביקוש

כוח הידרואלקטרי זוכה לשבחים על ידי ה-USGS על היכולת המהירה והאמינה שלו לפעול מאפס ביקוש ועד לתפוקה שיא.

מהר יותר מכל מקור אנרגיה אחר, יצרנים יכולים להפוך סוג זה של אנרגיה מתחדשת לחשמל ולהוסיף אותו לרשתות החשמל.

כוח מים היא האפשרות הטובה ביותר להסתגלות לצרכי הצרכן המשתנים בגלל תכונה זו.

7. מציע פתרון אנרגיה רב תכליתי

לדוגמה, ייצור הידרואלקטרי מגביר את הכדאיות של מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים כמו מים ואנרגיה סולארית.

מתקני כוח הידרואלקטרי הם השלמה האידיאלית לאנרגיית השמש והרוח מכיוון שהם יכולים להשתנות בהתאם לאקלים.

כתוצאה מכך, לכוח המים יש פוטנציאל גדול בעתיד עם רק מקורות אנרגיה מתחדשים.

חסרונות של אנרגיה הידרואלקטרית

לתחנות כוח הידרואלקטריות יתרונות רבים, אך כמו כל מקור אנרגיה, יש לפתח אותן ולהשתמש בהן בחוכמה כדי למזער סיכונים וחסרונות.

בעוד שחלק מהחסרונות הללו עשויים לחול כמעט על כל מפעל אנרגיה, בעיות בהסטת מים הן ייחודיות לאנרגיה הידרומית.

מקור: 5 חסרונות של אנרגיה הידרואלקטרית (PMCAOnline)

1. פגיעה סביבתית

שיבושים בזרימת המים הטבעיים עלולים להשפיע באופן משמעותי על הסביבה ועל המערכת האקולוגית של הנהר.

כאשר יש מחסור במזון או תחילת עונת הרבייה, מיני דגים מסוימים וחיות בר אחרות נודדות בדרך כלל.

בניית סכרים עלולה לחסום את מסלוליהם, ולעצור את זרימת המים, מה שגורם לבתי גידול לאורך נהרות להתחיל להיעלם.

זה עשוי אפילו למנוע מבעלי חיים להגיע למים, מה שעלול למנוע מדגים להתרבות או לגרום למוות של דגים.

בגלל סכר מים, שינוי בזרימת הנהר, בניית רחובות והתקנת קווי חשמל, ההשפעות הטבעיות של כוח הידרו קשורות להפרעות בטבע.

למרות שקשה לחקור תהליך זה ולעשות שיקולים המבוססים על מרכיב אחד בלבד, לתחנות כוח הידרואלקטריות עשויות להיות השפעה על הדגים ועל הדרך שבה הם נודדים.

השקעות נוספות של לקוחות נקשרו להתעללות במיני דגים, מה שמעיד על כך שאנשים רבים מרגישים בתוקף לגבי נושא זה.

2. השפעה סביבתית של בניית סכר

למרות שכוח המים הוא משאב מתחדש, ייצור הפלדה והבטון הדרושים בבניית סכר עשוי לייצר פליטת חממה.

אין הרבה מיקומים ברחבי העולם המתאימים לבניית מפעלים.

בנוסף, חלק מהמיקומים הללו מרוחקים מערים גדולות שבהן ניתן להשתמש באנרגיה במלוא הפוטנציאל שלה.

3. הוצאות הון ראשוניות גבוהות

הקמת כל תחנת כוח היא קשה ויקרה, אבל תחנות הידרואלקטריות אכן זקוקות לסכר כדי לעצור את זרימת המים.

כתוצאה מכך, הם יקרים יותר ממתקני דלק מאובנים בקנה מידה דומה.

בשל קשיים לוגיסטיים כמו גיאוגרפיה, הצבת יסודות מתחת למים והחומרים הדרושים לבנייתם, מתקני כוח הידרואלקטרי יקרים מאוד לבנייה.

היתרון היחיד הוא שהוא לא יצטרך כל כך הרבה תחזוקה לאחר סיומו.

כדי להחזיר את הכסף שהושקע בבנייה, המפעל ההידרואלקטרי עדיין יצטרך להיות בפעולה במשך פרק זמן ניכר.

4. פוטנציאל לעימות

כדי לרתום את המים, מדינות בעלות שפע של מקורות כוח הידרואלקטרים ​​מקימים לעתים קרובות סכרים על פני נהרות.

למרות שמעשה זה ראוי לשבח, הוא עשוי למנוע זרימת מים טבעית מכיוון אחד למשנהו.

כדי להכיל אנשים המעוניינים להקים סכרים באזורים שונים, מים שאינם נחוצים במקום אחד מופנים למקום אחר.

אבל אם יש שם מחסור במים, זה יכול להוביל למלחמה, ולכן יש צורך להפסיק את זרימת המים לסכרים.

5. עלול לגרום לבצורת

למרות שכוח המים הוא מקור האנרגיה המתחדש האמין ביותר, הוא תלוי בזמינות המים באזור מסוים.

לפיכך, א בצורת עשויה להיות השפעה גדולה על מידת הפעולה של מפעל הידרו.

העלות הכוללת של אנרגיה וכוח מחושבת על סמך זמינות המים.

לחשים יבשים יכולים להשפיע רבות על היכולת של אנשים להשיג מים מכיוון שהם מונעים מהם לקבל את הכוח שהם צריכים.

וככל שהכדור שלנו ממשיך להתחמם בגלל שינויי אקלים, זה עלול לקרות נפוץ יותר.

6. סכנת שיטפונות בגבהים נמוכים יותר

קהילות המתגוררות במורד הזרם נמצאות בסכנת הצפה כאשר סכרים מוקמים בגבהים גבוהים יותר, מה שמגביר את סבירות שזרמי מים חזקים ישתחררו מהסכר שיגרמו להצפות.

למרות עוצמת בניית הסכרים, עדיין קיימות סכנות. ה כשל בסכר בנקיאו הוא אסון הסכר הגדול ביותר בהיסטוריה המתועדת.

הסכר נפרץ בגלל גשמים מוגזמים שהביאו סופת טייפון. כתוצאה מכך נפטרו 171,000 איש.

7. פליטת פחמן דו חמצני ומתאן

כמויות גדולות של פחמן דו חמצני ומתאן משתחררות ממאגר הכוח ההידרואלקטרי.

הצמחייה מתחת למים מתחילה להתכלות ולהתכלות במקומות הרטובים הללו הקרובים לסכר.

בנוסף, צמחים פולטים הרבה פחמן ומתאן כשהם מתים.

8. נזק גיאולוגי

פגיעה גיאולוגית חמורה יכולה לנבוע מהקמת סכרים בקנה מידה גדול.

בנייתו של סכר הובר בארצות הברית, שהתעורר רעידות אדמה והדכא את פני כדור הארץ בקרבת מקום, הוא דוגמה מצוינת לפגיעה גיאולוגית.

9. הסתמכות על הידרולוגיה מקומית

מכיוון שכוח המים תלוי אך ורק בזרימת מים, שינויים בסביבה עשויים להשפיע על מידת ההצלחה של הסכרים הללו לייצר חשמל.

לדוגמה, סכר הידרואלקטרי עשוי להיות פחות פרודוקטיבי מהצפוי אם שינויי האקלים מורידים את זרימת המים במקומות מסוימים.

לדוגמה, 66 אחוז מדרישות האנרגיה של קניה מסופקות על ידי כוח הידרואלקטרי.

קניה מושפעת מזה זמן רב ממגבלות אנרגיה שנגרמו כתוצאה מבצורת, טוען נהרות בינלאומיים, קבוצה המוקדשת לשימור נהרות העולם.

מצד שני, מקומות מסוימים עומדים כעת בפני סכנה גדולה יותר של הצפות כתוצאה משינויי אקלים.

במצבים אלה, סכרים יכולים לספק גם בקרת שיטפונות וגם ייצור של אנרגיה מתחדשת.

כיצד פועלת אנרגיה הידרואלקטרית?

כיצד פועלת אנרגיה הידרואלקטרית

מקור: כיצד פועלת תחנת כוח הידרומית? היסטוריה קצרה ומכניקה בסיסית (בלוג WIKA - WIKA ארה"ב)

סכר או בנייה אחרת המשנה את הזרימה הטבעית של נהר או גוף מים אחר משמש לייצור אנרגית מים, המכונה לעתים קרובות כוח הידרואלקטרי.

להפקת אנרגיה, אנרגיה הידרומית משתמשת במחזור המים התמידי, הבלתי נגמר, המשתמש במים כדלק ולא משאיר אחריו חומרי פסולת.

למרות שיש הרבה שונים סוגים של תחנות כוח מים, הם תמיד מונעים על ידי האנרגיה הקינטית של המים הנעים במורד הזרם.

כדי להפוך את האנרגיה הקינטית הזו לחשמל, שעשוי לשמש לאחר מכן להנעת מבנים, עסקים ומפעלים אחרים, אנרגיית המים משתמשת בטורבינות ובגנרטורים.

מתקני כוח הידרו ממוקמים בדרך כלל על מקור מים או קרוב אליו מכיוון שהם משתמשים במים להפקת אנרגיה.

כמות האנרגיה שניתן להפיק ממים זורמים מסתמכת הן על נפחם והן על שינוי הגובה, או "הראש", בין שתי נקודות.

כמות הכוח שניתן להפיק גדלה עם הזרימה והראש.

ברמת המפעל, המים מסתובבים דרך צינור, הנקרא גם עט, המסובב את להבי הטורבינה, המסובב גנרטור, המייצר אנרגיה.

כך פועלים רוב המתקנים ההידרואלקטריים הקונבנציונליים - כולל אחסון שאוב ומערכות זרימת הנהר.

תרשים תחנת כוח הידרואלקטרית

רכיבים של תחנת כוח הידרואלקטרית

המרכיבים העיקריים של מפעל הידרואלקטרי הם כדלקמן.

• Forebay ומבנה הכנסה
• מרוץ ראש או צינורות יניקה
• פנסטוק
• תא נחשול
• טורבינות הידראוליות
• בית כוח
• צינור טיוטה ומרוץ זנב

1. מבני Forebay ו-Intake

המפרץ, כפי ששמו מרמז, הוא גוף מים גדול יותר מול הצריבה. כאשר penstock שואב מים ישר ממאגר, המאגר משמש כמבואה.

קטע התעלה מול הטורבינות מורחב ליצירת חזית כאשר התעלה מעבירה מים לטורבינות.

להזנת מים לטורבינות, החזית אוגרת מים באופן זמני. לא ניתן לתת למים לזרום כשהם נכנסים לתעלה או למאגר.

כדי לנהל את זרימת המים, מותקנים מנופים בשערי היניקה. כדי למנוע מפסולת, עצים וכו' להיכנס למחסן, מניחים מדפי אשפה מול השערים.

בנוסף, מגרפות זמינות כדי לפנות מדי פעם את מדפי האשפה.

2. מירוץ ראש או צינורות יניקה

הם מעבירים מים מהמאגר לטורבינות. בהתאם לנסיבות באתר, ניתן לבחור תעלה פתוחה או צינור לחץ (Penstock).

צינור הלחץ יכול להיות מעבר יניקה מתרחב בגוף הסכר, צינור פלדה או בטון ארוך, או מדי פעם מנהרה העוברת כמה קילומטרים בין המאגר לתחנת הכוח.

שיפוע צינור הלחץ נקבע על פי תנאי האתר ואינו עוקב אחר קווי המתאר של כדור הארץ. מים נעים בקצב מהיר יותר בצינור החשמל מאשר בתעלה פתוחה.

המהירות עשויה להשתנות בין 2.5 ל-3 מ' לשנייה עד לגובה ראש של כ-60 מטרים.

המהירות עשויה להיות אפילו גבוהה יותר עבור ראשים גבוהים יותר. לפעמים זה מעשי או חסכוני להשתמש בתעלה פתוחה כצינור ראשי לחלוטין או חלקי.

תעלת מירוץ הראש משמשת בדרך כלל במערכות עם ראש נמוך שבהן אובדן ראש משמעותי. זה עשוי להפנות מים אל הפנסים או הטורבינות.

לתעלה פתוחה יש יתרון שניתן להשתמש בו לניווט או השקיה.

3. פנשטוק

Penstocks פועלים כצינורות גדולים ומשופעים המובילים מים ממאגרים או מבני צריכה אל הטורבינות.

הם פועלים תחת כמות מסוימת של לחץ, לכן סגירה פתאומית או פתיחה של שערי ה-penstock עשויה לגרום לפטיש מים על ה-penstocks.

לכן, מלבד העובדה שה-penstock הוא כמו צינור רגיל, אלה עשויים לעמוד בפני פטיש המים.

כדי להקל על הלחץ הזה, מיכלי נחשול זמינים עבור עמודים ארוכים וקירות חזקים זמינים עבור עמודים קצרים.

Penstocks מיוצרים באמצעות פלדה או בטון מזוין. עבור כל טורבינה, נעשה שימוש ב-penstock נפרד אם האורך קטן.

באופן דומה, אם האורך גדול, משתמשים ב-penstock גדול אחד, והוא מחולק לענפים בקצהו.

4. לשכת נחשולים

תא נחשולים, המכונה לפעמים מיכל נחשולים, הוא צילינדר עם פתח עליון לשליטה בלחץ העט.

הוא ממוקם קרוב לבית הכוח כפי שהוא מעשי ומחובר ל-penstock.

מפלס המים במיכל הנחשולים גדל ושולט בלחץ במיכל הכוח בכל פעם שבית הכוח דוחה את עומס המים המגיע מהעט.

בדומה לכך, מיכל הנחשולים מאיץ את זרימת המים לבית הכוח כאשר יש ביקוש גבוה, מה שגורם לירידת מפלס המים.

מפלס המים של מיכל הנחשולים מתייצב כאשר הפריקה של בית הכוח עקבית.

מיכלי נחשול מגיעים במגוון סוגים, והם נבחרים בהתאם לצרכי הצמח, אורך ה-penstock וכו'.

5. טורבינות הידראוליות

טורבינה הידראולית היא מכשיר שהופך אנרגיה הידראולית לאנרגיה מכנית, אשר הופכת לאחר מכן לאנרגיה חשמלית על ידי חיבור פיר הטורבינה לגנרטור.

המנגנון במקרה זה הוא שהגנרטור מייצר חשמל בכל פעם שהמים מה-penstock באים במגע עם הלהבים המעגליים או הרץ בלחץ גבוה.

באופן כללי, שני סוגי הטורבינות הידראוליות הן טורבינות תגובה וטורבינות דחף.

טורבינת מהירות היא שם אחר לטורבינת דחף. דוגמה לטורבינת דחף היא טורבינת גלגל פלטון.

טורבינת לחץ היא שם אחר לטורבינת תגובה. קבוצה זו כוללת טורבינות קפלן וטורבינות פרנסיס.

6. פאוור האוס

מתקן המכונה "בית כוח" מוקם כדי להגן על מכונות חשמליות והידראוליות.

בדרך כלל, הבסיס או התשתית שנבנו עבור בית הכוח תומכים בכל הציוד.

בעת יצירת הבסיס לטורבינות תגובה, חלק מהציוד, כגון צינורות טיוטה ומעטפת גלילה, מקובע בפנים. כתוצאה מכך, הבסיס נבנה בקנה מידה גדול.

מבחינת מבנה העל, טורבינות אנכיות ממוקמות מתחת לגנראטורים בקומת הקרקע.

בנוסף, מוצעות טורבינות אופקיות. בקומה הראשונה או בקומת הביניים נמצא חדר בקרה.

7. מרוץ צינורות וזנב טיוטה

מרוץ הזנב מתייחס למעבר שאליו נפלטת הטורבינה במקרה של גלגל דחף ודרך צינור הטיוטה במקרה של טורבינת תגובה.

צינור היניקה, המכונה גם צינור הטיוטה, הוא פשוט צינור אטום המותקן בצד היציאה של כל טורבינת תגובה.

הוא מתחיל בקצה הפריקה של רץ הטורבינה ויורד למפלס מי הזנב, שנמצא 0.5 מטר מתחת לפני השטח.

התלקחות של 4 עד 6 מעלות מופעלת בדרך כלל על צינורות טיוטה ישרים כדי להאט בהדרגה את זרימת המים.

סיכום

עם היוודע עקרון העבודה של תחנת כוח הידרואלקטרית, טוב לדעת שמשהו מתוחכם כמו זה מתחדש ויכול להחזיק מעמד 50-100 שנים. כמה מדהים.

שאלות נפוצות

למה משמש כוח הידרו?

אנרגיית מים משמשת להפקת חשמל באמצעות המרת אנרגיה קינטית לחשמל, אשר עשויה לשמש לאחר מכן להנעת מבנים, עסקים ומפעלים אחרים, כוח המים משתמש בטורבינות ובגנרטורים לתהליכים אלו.

האם אנרגיה הידרואלקטרית מתחדשת?

הידרואלקטריות היא סוג של אנרגיה מתחדשת, כן. למה? בגלל המים. אתה יכול לראות כיצד מים מתאדים לעננים וחוזרים כמו משקעים אל פני כדור הארץ. מחזור המים מתחדש כל הזמן וניתן להשתמש בו שוב ושוב להפקת חשמל.

המלצות