18.5: כוח מים

Last updated
Save as PDF

Page ID: 209312

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

כוח מים (אנרגיה הידרואלקטרית) מתייחס לאנרגיה במים נעים, שניתן להשתמש בהם לייצור חשמל. בסופו של דבר הוא מונע על ידי אנרגיה סולארית. מים בגבהים גבוהים מתחדשים באמצעות אידוי (המושרה על ידי חום סולארי), עיבוי ומשקעים. המים הנעים הופכים טורבינה (איור\(\PageIndex{a}\)) וזה מעביר מגנטים בתוך סליל תיל, וגורם לתנועת אלקטרונים בגנרטור. התוצאה היא זרם חשמלי (חשמל). בעירה של דלקים מאובנים או דלקים ביולוגיים, אנרגיה גרעינית, אנרגיית רוח ומערכות סולאריות תרמיות כולם עוקבים אחר אותו מנגנון כללי; ההבדל הוא מה שגורם לטורבינה להסתובב.

טורבינת מים מורכבת מטורבינה סביב פיר. על החלק העליון של הפיר הוא הרוטור, אשר בתוך סטאטור. — איור\(\PageIndex{a}\): טורבינת מים. מים נעים הופכים את להבי הטורבינה. שער השער שולט בזרימת המים. המים הנעים גורמים למגנטים ברוטור להסתובב ולהזיז אלקטרונים בתוך לולאות החוט בסטטור, ויוצרים זרם חשמלי. תמונה מאת חיל ההנדסה של צבא ארה"ב (נחלת הכלל).

ישנם מספר סוגים של כוח מים, אך כל אחד מהם מייצר חשמל באמצעות אותו מנגנון כללי שתואר לעיל. השימוש הידוע ביותר בכוח מים כולל סכרים. סכרים חוסמים את זרימת הנהרות ומייצרים אגם מלאכותי (מאגר) במעלה הזרם. לאחר מכן נשלט שחרור המים. חלק מהמים האלה נעים דרך תעלה (פנסטוק), ואנרגיה קינטית זו (אנרגיית תנועה) רתומה לחשמל (איור). \(\PageIndex{b}\) בהידרואלקטריות של נהר, הטורבינה ממוקמת ישירות לנהר, וזרימת המים הטבעית דרך הנהר מסובבת את הטורבינה. אנרגיית גאות ואנרגיה מגלי האוקיאנוס (איור\(\PageIndex{c}\)) נחשבים גם לצורות של כוח מים. עם זאת, אנרגיית הגאות והשפל נובעת ממשיכת הכבידה של הירח והשמש הרחוקה יותר באוקיינוסים של כדור הארץ, בשילוב עם סיבוב כדור הארץ. במילים אחרות, רוב צורות האנרגיה ההידרומית הן צורות עקיפות של אנרגיה סולארית, למעט אנרגיית גאות ושפל.

קטע של סכר הידרואלקטרי מראה מים ממאגר מלא הזורם דרך תעלה צרה לנהר — איור\(\PageIndex{b}\): קטע של סכר הידרואלקטרי. מים במאגר עוברים דרך הצריכה לתוך העט, שהוא ערוץ צר. המים הנעים הופכים טורבינה. זה מפעיל את הגנרטור בתחנת הכוח. המים ממשיכים במורד הנהר. בינתיים החשמל מופץ דרך קווי חשמל למרחקים ארוכים. תמונה מאת רשות עמק טנסי (נחלת הכלל).

מצוף המחובר לכבל וגנרטור צף באוקיינוס. — איור\(\PageIndex{c}\): אחת הדרכים לרתום את אנרגיית הגל היא באמצעות בולם. Abosorbers מפיקים אנרגיה מעליית ונפילת הגלים בעזרת מצוף. המצוף מורכב מהצוף, שנמצא מעל המים וצלחת כבדה. הספאר הצר מחבר בין השניים. כבל מחבר את הצלחת הכבדה של כל מצוף לתחנת משנה תת-ימית, וכבל נוסף עובר מתחנת המשנה לחוף. תמונה וכיתוב (שונה) על ידי OpenEi (נחלת הכלל).

פרויקטים קטנים של כוח מים מציעים פתרונות כוח לקהילות מרוחקות רבות ברחבי העולם, כמו אלה בנפאל, הודו, סין ופרו, כמו גם עבור מדינות מתועשות מאוד כמו ארצות הברית. מערכות כוח מים קטנות הן אלה שיש להן הספק של בין 0.01 ל -30 מגה-וואט (MW). לעיון, גנרטור של 1 מגה-וואט הפועל במשך שעה (מייצר 1 מגה וואט) מייצר מספיק חשמל כדי להניע את הבית הממוצע בארה"ב למשך קצת יותר מחודש. מערכות כוח מים קטנות המייצרות פחות מ- 0.1 מגוואט נקראות באופן ספציפי יותר מערכות מיקרו-כוח (איור). \(\PageIndex{d}\) רוב המערכות המשמשות בעלי עסקים ביתיים וקטנים יהיו כשירות כמערכות מיקרו-הידרו-כוח. למעשה, מערכת של 10 קילוואט בדרך כלל יכולה לספק מספיק כוח לבית גדול, אתר נופש קטן או חוות תחביבים.

מערכת מיקרו-הידרו-כוח לאורך שטח הררי עם נחל, תחנת כוח ובית. — איור\(\PageIndex{d}\): מערכת מיקרו-הידרו-כוח. למרות שישנן מספר דרכים לרתום את המים הנעים לייצור אנרגיה, מערכות ריצה של הנהר, שאינן דורשות מאגרי אחסון גדולים, משמשות לרוב לפרויקטים של מיקרו-אנרגיה. עבור פרויקטים של הידרו של נהר, חלק ממי הנהר מופנה לתעלה, צינור או צינור בלחץ (penstock) שמעביר אותו לגלגל מים או לטורבינה. בתמונה זו, מים מהנהר עוברים דרך הכניסה ואז לתעלה, למבואה, לפנסטוק ולתחנת הכוח, המכילה את הטורבינה. המים הנעים מסובבים את הגלגל או הטורבינה, המסובבים פיר. תנועת הפיר יכולה לשמש לתהליכים מכניים, כגון שאיבת מים, או להשתמש בה לייצור חשמל. בתמונה זו, קווי חשמל מחברים את תחנת הכוח לבית סמוך.

יתרון אחד בשימוש בכוח מים הוא שניתן להשתמש בסכרים ובמאגרים בנוסף לבילוי, בקרת שיטפונות ואחסון מים מתוקים (ראה מחסור במים ופתרונות). אמנם לעולם לא ייגמרו לנו המים הנעים, אך הפוטנציאל להשתמש בכוח מים משתנה על סמך משקעים. לדוגמה, במהלך בצורת, מפלס המים במאגר יורד, ויש פחות מים המשתחררים לייצור חשמל. כמו ברוב מקורות האנרגיה המתחדשת, כוח מים אינו מעשי בכל מקום, והוא יעיל ביותר באזורים הרריים עם גשמים גבוהים והתכת שלג.

סכרי כוח מים והמאגרים שהם יוצרים משפילים את בית הגידול ומשפיעים לרעה על מינים מקומיים. לדוגמה, נדידת דגים לאזורי ההשרצה שלהם במעלה הזרם יכולה להיות חסומה על ידי סכרים. באזורים שבהם סלמון חייב לנסוע במעלה הזרם כדי להשריץ, כמו לאורך נהר קולומביה בוושינגטון ובאורגון, הסכרים חוסמים את דרכם (איור). \(\PageIndex{e}\) ניתן להקל חלקית על בעיה זו על ידי שימוש ב"סולמות דגים "המסייעים לסלמון לעקוף את הסכרים (איור). \(\PageIndex{f}\) דגים הנוסעים במורד הזרם, לעומת זאת, עלולים להיהרג או להיפצע כאשר מים עוברים דרך טורבינות בסכר. מאגרים ותפעול סכרים יכולים להשפיע גם על בתי גידול מימיים עקב שינויים בטמפרטורות המים, עומק המים, הכימיה, מאפייני הזרימה ועומסי המשקעים, כל אלה יכולים להוביל לשינויים משמעותיים באקולוגיה ובמאפיינים הפיזיים של הנהר הן במעלה הזרם והן במורד הזרם.. כאשר המאגרים מתמלאים לראשונה במים, הם מציפים בתי גידול יבשתיים (יבשתיים), חוות, ערים ואתרים ארכיאולוגיים ותרבותיים, ולעתים מכריחים אוכלוסיות לעבור דירה. הצמחייה היבשתית מתפרקת אט אט בתנאים דלים בחמצן, ומשחררת מתאן לאטמוספירה, גז חממה חזק. במובן זה, כוח מים מייצר מעט מזהמי אוויר במהלך הפעולה, אך הבנייה אכן תורמת לשינויי האקלים.

מבט אווירי של סכר גרנד קולי המציג מאגר והמים הנכנסים לנהר שמתחת. — איור\(\PageIndex{e}\): סכר גרנד קולי על נהר קולומביה במדינת וושינגטון יצר את אגם רוזוולט, המספק בילוי בחיק הטבע כגון דיג ושחייה. עם זאת, היא פגעה באוכלוסיות הסלמון והציפה אתרים קדושים לאנשים משבט ספוקיין. תמונה מאת לשכת הטיוב האמריקאית (נחלת הכלל).

סולם דגים. רשת מדרגות מתפתלת מוצפת במים. — איור\(\PageIndex{f}\): משמאל: סולם הדגים בג'ון דיי לוק וסכר לאורך נהר קולומביה באורגון מאפשר לדגים בוגרים לנדוד במעלה הזרם של הסכר בכוחות עצמם. מימין: תרשים של סולם דגים, המאפשר מעבר סלמון מעל סכר. סלמון שוחה במעלה הזרם כדי להשריץ (להתרבות) ומסוגל לשחות במדרגות הסולם. הזרימה מהסולם מושכת סלמון נודד. בבריכה המסתובבת, הם מסתובבים ואז ממשיכים במעלה הטיסה הבאה של הסולם עד שהם מעל הסכר. תמונה וכיתוב שמאלי (שונה) מחיל ההנדסה של צבא ארה"ב, ותמונה ימנית מאת NOAA Fisheries (נחלת הכלל).

תרשים סולם דגים מציג זרם מסולם המושך דגים ובריכת מפנה המאפשרת מעבר לטיסת מדרגות שנייה. — איור\(\PageIndex{f}\): משמאל: סולם הדגים בג'ון דיי לוק וסכר לאורך נהר קולומביה באורגון מאפשר לדגים בוגרים לנדוד במעלה הזרם של הסכר בכוחות עצמם. מימין: תרשים של סולם דגים, המאפשר מעבר סלמון מעל סכר. סלמון שוחה במעלה הזרם כדי להשריץ (להתרבות) ומסוגל לשחות במדרגות הסולם. הזרימה מהסולם מושכת סלמון נודד. בבריכה המסתובבת, הם מסתובבים ואז ממשיכים במעלה הטיסה הבאה של הסולם עד שהם מעל הסכר. תמונה וכיתוב שמאלי (שונה) מחיל ההנדסה של צבא ארה"ב, ותמונה ימנית מאת NOAA Fisheries (נחלת הכלל).

בעוד שפרויקטים בקנה מידה גדול של כוח מים בסכר זוכים לביקורת על השפעותיהם על בתי הגידול של חיות הבר, נדידת הדגים וזרימת המים ואיכותם, פרויקטים קטנים של זרימת הנהר נקיים מרבות מהבעיות הסביבתיות הללו. מכיוון שהם משתמשים בזרימה הטבעית של הנהר, הם כמעט ולא משנים את ערוץ הנחל והזרימה. לפיכך, השפעות כגון דלדול חמצן, עלייה בטמפרטורה, ירידה בזרימה והגירה במעלה הזרם אינן בעיות עבור פרויקטים רבים של נהר.

ייחוס

שונה על ידי מליסה הא מאנרגיה מתחדשת ואתגרים והשפעות של שימוש באנרגיה מביולוגיה סביבתית על ידי מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY)