pienoiskuva|Glen Canyonin voimala tuottaa sähköä Coloradojoesta Arizonassa. thumb|Olidanin vesivoimalaitos Ruotsissa. Vesivoimala eli vesivoimalaitos on voimalaitos, joka tuottaa veden liike-energiasta yleensä sähköenergiaa vaikka se voi myös harvoin tuottaa mekaanista energiaa. Vesivoimalan tuottamaa energiaa kutsutaan myös vesivoimaksi. Jos veden liike-energia on etenevän liikkeen muodossa eli veden virtaamana, muutetaan etenevä liike vesiturbiinin pyörimisliikkeeksi, jolloin vesiturbiini pyörittää sähkögeneraattoria muuttaen pyörimisenergian sähköenergiaksi sähkömagneettisen induktion avulla.
Virtaavaa vettä esiintyy luontaisesti erikokoisissa joissa ja puroissa. Matalaan jokeen rakennetaan yleensä pato, jolla nostetaan vedenpintaa. Padon taakse sen alapuolelle sijoitetaan vesivoimalaitoksen rakennukset ja sähkögeneraattorit. Virtaavaa vettä esiintyy myös meren rannikoilla vuoroveden aikana ja erityisen voimakkaana meriveden virtaus käy rannikon matalissa merenlahdissa. Toisinaan on vettä käytettävissä paljon, mutta se ei virtaa. Silloin vesi johdetaan putkeen tai tunneliin, joka suunnataan alempana sijaitsevaan voimalaitokseen. Painovoima vetää veden putkessa vinoon putoamisliikkeeseen, jossa sen potentiaalienergia muuttuu hetkessä liike-energiaksi. Putken vesi suunnataan vesiturbiineihin ja edellä selostetulla tavalla siitä tuotetaan sähköenergiaa. Meren aaltoenergian hyödyntämisessä ei ole vielä kehitetty tehokkaita tapoja tuottaa sähköenergiaa. Aaltoenergiaa hyödynnetään pienissä aaltovoimaloissa monilla erilaisilla menetelmillä, mutta ne kaikki ovat vielä kokeiluasteella.
Vesivoimalaitoksien termistöä pienoiskuva|Vesivoimalaitoksen rakennekuva pienoiskuva|Kaplan-turbiinin ja sen pystyakselin päässä sijaitsevan sähkögeneraattorin poikkileikkauskuva. Yleistermit voimalaitospato: vesivoimalaitoksen vedenpinnan nostamiseen, veden ohjaukseen, -säilyttämiseen ja -säännöstelyyn tarvittava toiminnallinen patomainen rakennelma varastoallas: yleisnimitys vesialtaalle tai tekojärvelle, jota tarvitaan nostamaan tuotannossa käytettävän veden hydrostaattista painetta tai toimimaan varastona säätövoiman tuottamisessa patoallas: vesivoimalaitoksen vedenkäytön säännöstelyyn tai vedenpinnan korkeuteen tarvittava suuri varastoallas ohijuoksutuskanava: ohi- tai ylijuoksutuskanavan kautta ohijuoksutetaan varastoaltaasta liika vesi, joka ei siihen mahdu koneasema: vesiturbiinit, sähkögeneraattorit ja vedenkäytön säätölaitteistoja sisältävä rakennus patolaitos: vesivoimalaitoksen koneasema sijaitsee välittömästi patorakennelman sisällä tai takana putkilaitos: vesivoimalaitoksen koneasema sijaitsee padolta johdetun paineputken alapäässä tunnelilaitos: vesivoimalaitoksen koneasema sijaitsee kokonaan kallioon louhitussa holvissa tai ylhäältä avoimessa kalliokuilussa pienipainelaitos: veden putouskorkeus 2–15 metriä keskipainelaitos: veden putouskorkeus 10–40 metriä keskikorkeapainelaitos: veden putouskorkeus 40–400 metriä korkeapainelaitos: veden putouskorkeus 400–2000 metriä
Vesivoiman termistöä rakennevirtaama: voimalaitoksen kaikkien vesiturbiinien suurin yhteenlaskettu virtaama rakennusaste: voimalaitoksen rakennevirtaaman suhde joen keskivirtaamaan tilavuusvirtaama: turbiinikohtainen virtaama, jonka arvo saadaan rakennevirtaama jaettuna turbiinien lukumäärällä putouskorkeus: voimalaitoksen ylä- ja alavirran puoleisten vedenpintojen korkeusero () välppä: tuloputken suulle sijoitettava säleikkö, jolla estetään kiinteiden esineiden joutuminen tuloputkeen ja vesiturbiiniin tuloputki: vesiturbiiniin tulevalle vedelle tarkoitettu putki, joka eräissä tapauksissa päättyy spiraaliin spiraaliputki: tuloputken päässä eräiden turbiinityyppien vaatima vedenohjaustekniikka, jolla vesi saatetaan säteettäiseen liikkeeseen pyörimisakseliin nähden vesiturbiini: vesiputkessa tai vapaasti vedessä akselinsa ympäri veden voimasta pyörivä siivikko juoksupyörä: vesiturbiinin akselin ympäri vedessä pyörivä osa johtopyörä: vesiturbiinissa juoksupyörän ymärillä oleva veden tilavuusvirtaa säätelevä koneisto pyörimisnopeus: vesiturbiinin pyörimisnopeus (kierroksia sekunnissa tai minutissa) ominaiskierrosluku: vesiturbiinille ominainen lähes kiinteäarvoinen suure (ns), joka ei riipu veden virtaaman arvosta kavitaatio: höyrystymis ja kuplimisilmiö tilanteessa, jossa vedenpaine laskee veden höyrystymisen kannalta riittävän alas (kavitaatio kuluttaa turbiinia ja vesikanavia) imuputki: vesiturbiin läpi tullut vesi saatetaan putkella pois säilyttäen virtaavan veden liike-energialle hydraulinen kytkentä juoksupyörään imukorkeus: vesiturbiinin korkeusero poistuvan veden vedenpintaan (positiivinen arvo, jos turbiini on vedenpinnan yläpuolella, ja negatiivinen sen alapuolella) hyötysuhde: vesiturbiinin hyötysuhde on talteenotetun energian osuus läpivirtaavan veden energiasta
Jokivoimalaitos
pienoiskuva|Venäjällä Volgogradissa sijaitsee Volgalla Volgan jokivoimala. pienoiskuva|Pieni Paneliankosken voimalaitos Eurassa tuottaa sähköä alle megawatin teholla. Jokivoimalaitos voidaan kutsua sellaisia vesivoimalaitoksia, joilla pääosa energiasta tulee veden virtauksen liike-energiasta ja pieni osa vedenpintojen korkeuserosta (, ja ). Tällaiset laitokset ovat yleensä pien- tai keskipaineella toimivia patolaitoksia.
Vedentulo Vesivoimalat, jotka hyödyntävät virtaavaa vettä, ovat rakenteeltaan hyvin samanlaisia. Vesi toimitetaan vesiturbiineille tulokanavaa myöten, jonne vesi saadaan maan pinnalla kulkevasta avokanavasta, vedenalaisesta umpikanavasta tai pitkästä vesiputkesta tai tunnelista. Erääissä joki- ja vuorovesivoimalaitoksissa turbiinit pyörivät vapaasti väljässä virtavedessä. Jokeen rakennetussa virtavesivoimalassa on kuitenkin yleistä rakentaa koko joen poikki matala pato, jolla nostetaan voimalan yläpuolella vedenpinnan korkeutta. Alavilla seuduilla pato ja joen rantojen penkereet ovat yleensä matalia, jolloin veden virtausnopeus turbiinin läpi on alhainen. Padon varastoima vesimäärä on yleensä niin pieni, ettei sillä ole virtauksen sääntelyn kannalta suurta merkitystä. Patoallasta voidaan verrata pieneen läpivirtausjärveen, jossa veden viipymä on korkeintaan päiviä.
Vesiturbiini Vesiturbiinien juoksupyörässä on akselin ympärillä sarja siivekkeitä, jotka on muotoiltu halutun vedenvirtauksen kannalta optimaalisesti. Siipien lukumäärä on juoksupyörän mallista riippuen kolmesta ylöspäin. Juoksupyörän ympärillä on johtopyörä, joka muotoillaan veden suuntaamiseksi mahdollisimman tehokkaasti juoksupyörälle. Johtopyörässä on vedentulon säätämiseksi kääntyviä siivekkeitä. Juoksupyörä ja johtopyörä muodostavat kokonaisuuden, jota kutsutaan vesiturbiiniksi.
Pienille veden virtausnopeuksille soveltuvia vesiturbiineja ovat Gorlov-, Ossberger-, Kaplan-, Francis-, Tyson- ja VHL-turbiini. Ne ovat toiminnaltaan yleensä reaktioturbiineja. Turbiiniin tulevasta veden pienestä virtausnopeudesta seuraa myös turbiinin pieni pyörimisnopeus, jolloin turbiinista voidaan valmistaa suuri.
Sähköenergiaa tuottaa sähkögeneraattori, joka sijaitsee voimalarakennuksessa lähellä turbiinia ja joka on kiinnitetty siihen yhteisellä akselilla. Pystyakselin käyttö on tyypillinen ratkaisu Kaplan- ja Francis-turbiinilla ja vaaka-akselin käyttö on yleinen Tyson-, Ossberger- ja Bank-turbiinin yhteydessä. Mikäli Kaplan- ja Francis-turbiinit sijaitsevat vesiputkessa, voivat niidenkin akseli pyöriä vaakasuorassa ja silloin voidaan sijoittaa generaattori putken ulkopuolelle. VHL-turbiini ja Gorlov-turbiini toimivat vaaka-akselin varassa, mutta ne ovat vasta yleistymässä.
Ennen turbiinia vesi ohjataan tuloputkessa virtaamaan joko akselin suuntaisesti (), akselia kohtisuoraan tai akselia kiertämään (). Viimeksi mainittu tapa sopii erityisen hyvin Kaplan- ja Francis-turbiineille, jossa vesi ohjataan spiraalilla juoksupyörän kanssa myötäsuuntaan ja päin juoksupyörän vinoja siivekkeitä. Kiinteäsiipisissä turbiineissa voimalan tehoa voidaan säätää kääntämällä vesitunnelin johtopyörässä sijaitsevia läppiä. Kaplan-turbiinissa tehoa säädetään kääntämällä juoksupyörän omia siipiä eri asentoihin.
Vedenpoisto Vesiturbiinin imuputki voidaan kääntää pois voimalasta, mutta se päättyy yleensä veden alla. Näin imuputkeen ei pääse ilmaa ja veden jäljelle jäänyt liike-energia auttaa putken tyhjentymistä ja osaltaan parantaa voimalan hyötysuhdetta. Myös turbiini voi sijaita poistuvan veden vedenpinnan alapuolella.
Säännöstelyvoimalaitos
pienoiskuva|Hooverin pato Nevadassa Yhdysvalloissa on kuuluisimpia esimerkkejä säänöstelyvoimalaitoksesta. pienoiskuva|Etelä-Amerikassa Brasilian ja Paraguayn rajalla sijaitseva Itaipun vesivoimalaitoksen patojärvi aukeaa leveän ja korkean padon takana aavana järvimäisenä varastoaltaana. pienoiskuva|Pieni putkivoimala Espanjan Bossòstin kylässä Pyreneiden vuoristossa. Säännöstelyvoimalaitos eli allasvoimalaitos on sellainen vesivoimalaitos, jonka energiantuotanto perustuu pääosin varastoaltaaseen varastoidun veden potentiaalienergiaan (, ). Tällainen voimalaitos on yleensä keskikorkealla tai korkealla paineella toimiva pato-, putki- tai tunnelilaitos.
Varastoallas ja vedentulo Esimerkiksi vuoristoisilla seuduilla voidaan hyödyntää syvän jokilaakson rinteitä varastoaltaan reunoina ja rakentaa voimalaitospato poikittain yli koko jokilaakson. Padon alaosaan ja sen sisään rakennetaan tuloputket koneasemille, jotka sijaitsevat laakson pohjalla. Tällainen patoallas täyttyy vedellä tekojärveksi, joka on kymmenien ellei satojen kilometrien pituinen. Toinen tapa on hyödyntää vuoriston yläosissa sijaitsevaa järveä tai tekojärveä. Sieltä johdetaan putket vuorenrinnettä alas putkivesivoimalaitoksen koneasemalle tai kallioon louhitaan tunneli alas maan tasalla sijaitsevaan tunnelivoimalaitokseen. Sen koneasema voi sijaita tunnelin alaosassa olevassa holvissa tai se rakennetaan tunnelin päähän vuoren ulkopuolelle rinteeseen. Voimalasta purkautuva vesi johdetaan lopuksi laaksossa sijaitsevaan jokeen, järveen tai mereen.
Voimalatyyppiä kutsutaan säännöstelyvoimalaitokseksi sen vuoksi, että sen varastoallas on tavallisesti hyvin tilava ja tämän vuoksi voimalan sähköntuotanto voidaan tarvittaessa pysäyttää pitkäksi aikaa ja vastaavasti voimalaa voidaan käyttää pitkän aikaa ilman varastoaltaan vesitäydennystä. Tämä on säännöstelyvoimalaitoksen tärkein ominaisuus, joka erottaa sen jokivoimalaitoksesta.
Vesiturbiini Varastoaltaan suuren hydrostaattisen paineen vuoksi vedellä on suuri potentiaalienergia, joka purkautuessaan antaa sille voimakkaan virtauksen ja nopeuden. Voimakkaat virtaukset saadaan tehokkaasti hyödynnettyä vesiturbiineilla, jotka perustuvat impulssiperiaatteeseen ja siksi niitä kutsutaan impulssi- eli aktioturbiineiksi . Eräs varhainen ja tehokas turbiini on Pelton-turbiini, joka on tälläkin hetkellä eräs eniten käytettyjä turbiineja. Suuripaineinen vesisuihku suunnataan juoksupyörän kuppeihin, jolloin sille muodostuu suuri pyörimisnopeus. Turgo-turbiini toimii samalla periaatteella, mutta se on hyötysuhteeltaan Pelton-turbiinia parempi. Jos vedelle voidaan antaa spiraaliputkella säteettäinen liike, voidaan voimalassa hyödyntää myös Francis-turbiinia, jossa vesi kulkee juoksupyörän läpi jokivoimalaitoksen tapaan.
Poistuva vesi Impulssiturbiinien vesi poistuu allasveteen eli useassa tapauksessa jokeen. Reaktioturbiineissa hyödynnetään vielä jäljellä olevaa liike-energiaa ja vesi poistetaan jokeen imuputkessa.
Pumppuvoimalaitos
pienoiskuva|Kruonisin pumppuvoimalaitos sijaitsee Liettuan Kaunasin lähellä. Pumppuvoimalaitokseksi kutsutaan voimalaitosta, joka täyttää itse oman varastoaltaansa vedellä silloin, kun sähköenergiaa tuotetaan yli kulutustarpeen. Voimalaitos ostaa silloin sähköenergiaa sen keskihintaa halvemmalla hinnalla, jolla se sitten pumppaa vettä varastoaltaisiinsa. Kun kulutus ylittää sähköenergian tarjonnan, myy voimalaitos varastoaltaistaan tuottamaansa sähköenergiaa sen keskihintaa kalliimmalla hinnalla kuluttajille.