18.5: Hydropower

Hydropower (nishati ya hydroelectric) inahusu nishati katika kusonga maji, ambayo inaweza kutumika kuzalisha umeme. Hatimaye inaendeshwa na nishati ya jua. Maji katika upeo wa juu hujazwa kwa njia ya uvukizi (unaosababishwa na joto la jua), condensation, na mvua. Maji ya kusonga hugeuka turbine (takwimu\(\PageIndex{a}\)) na hii husababisha sumaku ndani ya coil ya waya, na kusababisha harakati za elektroni katika jenereta. Matokeo ni umeme wa sasa (umeme). Mwako wa fueli za kisukuku au biofueli, nishati ya nyuklia, nishati ya upepo, na mifumo ya jua ya joto yote hufuata utaratibu huu wa jumla; tofauti ni nini kinachosababisha turbine kuzunguka.

Kielelezo\(\PageIndex{a}\): turbine maji. Kusonga maji hugeuka vile vya turbine. Lango la wicket hudhibiti mtiririko wa maji. Maji ya kusonga husababisha sumaku katika rotor kuzunguka na kusonga elektroni ndani ya loops ya waya katika stator, kuzalisha sasa umeme. Picha na Jeshi la Marekani Corps of Wahandisi (umma domain).

Kuna aina kadhaa za hydropower, lakini kila huzalisha umeme kupitia utaratibu huo wa jumla ulioelezwa hapo juu. Matumizi maarufu zaidi ya hydropower inahusisha mabwawa. Mabwawa huzuia mtiririko wa mito, huzalisha ziwa bandia (hifadhi) juu ya mto. Kuondolewa kwa maji ni kisha kudhibitiwa. Baadhi ya maji haya huenda kupitia kituo (penstock), na nishati hii ya kinetic (nishati ya mwendo) inaunganishwa kwenye umeme (takwimu\(\PageIndex{b}\)). Katika hydroelectricity ya mto, turbine huwekwa moja kwa moja ndani ya mto, na mtiririko wa asili wa maji kupitia mto huzunguka turbine. Nishati ya nishati na nishati kutoka kwa mawimbi ya bahari (takwimu\(\PageIndex{c}\)) pia huchukuliwa kama aina ya hydropower. Hata hivyo, nishati ya mawimbi hutokea kutokana na mvuto wa mvuto wa mwezi na jua la mbali zaidi kwenye bahari za dunia, pamoja na mzunguko wa dunia. Kwa maneno mengine, aina nyingi za hydropower ni aina zisizo za moja kwa moja za nishati ya jua, isipokuwa nishati ya mawimbi.

Kielelezo\(\PageIndex{b}\): Sehemu ya bwawa la hydroelectric. Maji katika hifadhi hupita kupitia ulaji ndani ya penstock, ambayo ni kituo nyembamba. Maji ya kusonga hugeuka turbine. Hii nguvu jenereta katika nguvu. Maji yanaendelea chini ya mto. Wakati huo huo umeme husambazwa kupitia mistari ya nguvu ya umbali mrefu. Picha na Mamlaka ya Tennessee Valley (uwanja wa umma).

Kielelezo\(\PageIndex{c}\): Njia moja ya kuunganisha nishati ya wimbi ni pamoja na absorber. Wafanyabiashara hutoa nishati kutoka kupanda na kuanguka kwa mawimbi na boy. Boy ina kuelea, ambayo ni juu ya maji na sahani nzito. Spar nyembamba huunganisha mbili. Cable inaunganisha sahani nzito ya kila boy kwenye sehemu ya chini ya bahari, na cable nyingine inaendesha kutoka kwenye sehemu hadi pwani. Picha na maelezo (yamebadilishwa) na OpenEI (uwanja wa umma).

Miradi midogo ya umeme wa maji hutoa ufumbuzi wa nguvu kwa jamii nyingi za mbali duniani kote, kama zile za Nepal, India, China, na Peru, na vilevile kwa nchi zenye viwanda vingi kama Marekani. Mifumo midogo ya hydropower ni yale ambayo yana uwezo kati ya megawati 0.01 hadi 30 (MW) ya nguvu. Kwa kumbukumbu, jenereta ya 1-MW inayofanya kazi kwa saa (inayozalisha 1 mWh) inazalisha umeme wa kutosha ili kuimarisha nyumba ya wastani nchini Marekani kwa muda mfupi zaidi ya mwezi. Mifumo ndogo ya hydropower inayozalisha chini ya 0.1 MW ni zaidi hasa inayoitwa mifumo ya microhydropower (takwimu\(\PageIndex{d}\)). Wengi wa mifumo inayotumiwa na wamiliki wa nyumba na biashara ndogo bila kuhitimu kama mifumo microhydropower. Kwa kweli, mfumo wa kW 10 kwa ujumla unaweza kutoa nguvu za kutosha kwa nyumba kubwa, mapumziko madogo, au shamba la hobby.

Kielelezo\(\PageIndex{d}\): Mfumo wa microhydropower. Ingawa kuna njia kadhaa za kuunganisha maji ya kusonga ili kuzalisha nishati, mifumo ya kukimbia ya-mto, ambayo hauhitaji hifadhi kubwa ya hifadhi, mara nyingi hutumiwa kwa miradi ya microhydropower. Kwa miradi ya kuzalisha maji ya mto, sehemu ya maji ya mto huelekezwa kwenye kituo, bomba, au bomba la kushinikizwa (penstock) linalotoa kwenye maji ya maji au turbine. Katika picha hii, maji kutoka mto huenda kwa njia ya ulaji kisha kwenye mfereji, forebay, penstock, na nguvu, ambayo ina turbine. Maji ya kusonga yanazunguka gurudumu au turbine, ambayo huzunguka shimoni. Mwendo wa shimoni unaweza kutumika kwa michakato ya mitambo, kama vile kusukwa maji, au inaweza kutumika kuzalisha umeme. Katika picha hii, mistari ya umeme huunganisha nguvu kwenye nyumba iliyo karibu.

Faida moja ya kutumia hydropower ni kwamba mabwawa na mabwawa yanaweza pia kutumika kwa ajili ya burudani, kudhibiti mafuriko, na kuhifadhi maji safi (tazama Uhaba wa Maji na Solutions). Wakati hatuwezi kamwe kukimbia nje ya maji ya kusonga, uwezekano wa kutumia hydropower hubadilika kulingana na mvua. Kwa mfano, wakati wa ukame, viwango vya maji katika hifadhi hupungua, na kuna maji kidogo yanayotolewa ili kuzalisha umeme. Kama ilivyo na vyanzo vingi vya nishati mbadala, hydropower haifai kila mahali, na inafaa zaidi katika mikoa ya milima yenye mvua kubwa na theluji.

Mabwawa ya maji ya maji na mabwawa wanayounda yanaharibu mazingira na huathiri vibaya aina za asili. Kwa mfano, uhamiaji wa samaki kwenye maeneo yao ya juu ya mto unaweza kuzuiwa na mabwawa. Katika maeneo ambayo lax lazima kusafiri mto spawn, kama vile kando ya mto Columbia katika Washington na Oregon, mabwawa kuzuia njia yao (takwimu\(\PageIndex{e}\)). Tatizo hili linaweza kupunguzwa kwa sehemu kwa kutumia “ngazi za samaki” ambazo husaidia lax kuzunguka mabwawa (takwimu\(\PageIndex{f}\)). Samaki wanaosafiri chini ya mto, hata hivyo, wanaweza kuuawa au kujeruhiwa kama maji yanapitia mitambo katika bwawa. Mabwawa na uendeshaji wa mabwawa yanaweza pia kuathiri makazi ya majini kutokana na mabadiliko katika joto la maji, kina cha maji, kemia, tabia za mtiririko, na mizigo ya sediment, yote ambayo yanaweza kusababisha mabadiliko makubwa katika mazingira na sifa za kimwili za mto wote juu na chini ya mto. Wakati mabwawa ya kwanza yanajaza maji, huwaangamiza makazi ya ardhi (ardhi), mashamba, miji, na maeneo ya akiolojia na kiutamaduni, wakati mwingine hulazimisha watu kuhamia. Mimea ya duniani hupungua polepole katika hali mbaya ya oksijeni, ikitoa methane ndani ya anga, gesi yenye nguvu ya chafu. Kwa maana hii, hydropower huzalisha uchafuzi wa hewa chache wakati wa operesheni, lakini ujenzi huchangia mabadiliko ya hali ya hewa.

Kielelezo\(\PageIndex{e}\): Grand Coulee Dam juu ya Columbia River katika hali Washington umba Ziwa Roosevelt, ambayo inatoa burudani nje kama vile uvuvi na kuogelea. Hata hivyo, ni kuathirika wakazi samaki na mafuriko maeneo takatifu kwa ajili ya watu wa Spokane Tribe. Picha na Ofisi ya Marekani ya reclamation (umma domain).

Kielelezo\(\PageIndex{f}\): Kushoto: ngazi ya samaki katika John Day Lock na Mkwawa pamoja Mto Columbia katika Oregon inaruhusu samaki wazima kuhamia mto wa bwawa peke yao. Haki: Mchoro wa ngazi ya samaki, ambayo inaruhusu kifungu cha lax juu ya bwawa. Salmoni kuogelea juu ya mto ili kuzaa (kuzaliana) na wanaweza kuogelea juu ya hatua za ngazi. Mtiririko kutoka ngazi huvutia lax ya kuhamia. Katika bwawa la kugeuka, huzunguka na kisha kuendelea na ndege inayofuata ya ngazi mpaka wawe juu ya bwawa. Picha ya kushoto na maelezo (iliyopita) kutoka Jeshi la Marekani Corps of Wahandisi, na picha sahihi na NOAA Uvuvi (uwanja wa umma).

Wakati miradi mikubwa ya umeme wa maji ya bwawa mara nyingi hukosolewa kwa athari zao juu ya makazi ya wanyamapori, uhamiaji wa samaki, na mtiririko wa maji na ubora, miradi midogo ya kukimbia kwa mto ni huru kutokana na matatizo mengi ya mazingira. Kwa sababu wanatumia mtiririko wa asili wa mto, hawana mabadiliko ya kituo cha mkondo na mtiririko. Hivyo, madhara kama vile kupungua kwa oksijeni, kuongezeka kwa joto, kupungua kwa mtiririko, na kuzuia uhamiaji wa mto sio matatizo kwa miradi mingi ya kukimbia ya-mto.

Attribution

Ilibadilishwa na Melissa Ha kutoka Nishati Mbadala na Changamoto na Athari za Matumizi ya Nishati kutoka Biolojia ya Mazingira na Mathayo R. Fisher (leseni