كيف تعمل محطات الطاقة الكهرومائية

تُنتج محطات الطاقة الكهرومائية في جميع أنحاء العالم حوالي 24% من الكهرباء العالمية، وتُزوّد ​​أكثر من مليار شخص بالطاقة. ووفقًا للمختبر الوطني للطاقة المتجددة، تُنتج محطات الطاقة الكهرومائية في العالم مجتمعةً 675 ألف ميغاواط، أي ما يُعادل 3.6 مليار برميل من النفط. ويوجد في الولايات المتحدة أكثر من 2000 محطة طاقة كهرومائية عاملة، مما يجعل الطاقة الكهرومائية أكبر مصدر للطاقة المتجددة في البلاد.
في هذه المقالة، سنلقي نظرة على كيفية توليد الطاقة من المياه المتساقطة، ونتعرف على الدورة الهيدرولوجية التي تُنتج تدفق المياه الضروري لتوليد الطاقة الكهرومائية. كما ستتعرفون على أحد التطبيقات الفريدة للطاقة الكهرومائية التي قد تؤثر على حياتكم اليومية.
عند مشاهدة النهر وهو يتدفق، يصعب تخيل القوة الهائلة التي يحملها. إذا سبق لك تجربة التجديف في المياه البيضاء، فقد شعرت بجزء يسير من قوة النهر. تتشكل منحدرات المياه البيضاء عندما يندفع النهر، حاملاً كمية كبيرة من الماء إلى أسفل، عبر ممر ضيق. ومع اندفاع النهر عبر هذا الممر، تزداد سرعة تدفقه. وتُعد الفيضانات مثالاً آخر على القوة الهائلة التي يمكن أن تُحدثها كمية هائلة من الماء.
تستغل محطات الطاقة الكهرومائية طاقة المياه وتستخدم آليات بسيطة لتحويل هذه الطاقة إلى كهرباء. وتعتمد هذه المحطات في الواقع على مفهوم بسيط للغاية، وهو أن المياه المتدفقة عبر سد تدير توربينًا، والذي بدوره يدير مولدًا كهربائيًا.

فيما يلي المكونات الأساسية لمحطة توليد الطاقة الكهرومائية التقليدية:
السدود – تعتمد معظم محطات الطاقة الكهرومائية على سدود تحجز المياه، مما يُنشئ خزانًا كبيرًا. غالبًا ما يُستخدم هذا الخزان كبحيرة ترفيهية، مثل بحيرة روزفلت عند سد غراند كولي في ولاية واشنطن.
المدخل – تُفتح بوابات السد، فتسحب الجاذبية الماء عبر أنبوب التوربين، وهو أنبوب يؤدي إلى التوربين. ويتراكم ضغط الماء أثناء تدفقه عبر هذا الأنبوب.
التوربين – يصطدم الماء بشفرات التوربين الكبيرة فيُديرها، وهو متصل بمولد كهربائي فوقه بواسطة عمود. يُعد توربين فرانسيس النوع الأكثر شيوعًا في محطات الطاقة الكهرومائية، ويشبه قرصًا كبيرًا بشفرات منحنية. ووفقًا لمؤسسة تعليم المياه والطاقة (FWEE)، قد يصل وزن التوربين إلى 172 طنًا، ويدور بسرعة 90 دورة في الدقيقة.
المولدات – مع دوران شفرات التوربين، تدور سلسلة من المغناطيسات داخل المولد. تدور مغناطيسات عملاقة أمام ملفات نحاسية، منتجةً تيارًا متناوبًا (AC) عن طريق تحريك الإلكترونات. (ستتعرف على المزيد حول كيفية عمل المولد لاحقًا).
المحول الكهربائي – يقوم المحول الكهربائي الموجود داخل محطة توليد الطاقة بتحويل التيار المتردد إلى تيار ذي جهد أعلى.
خطوط نقل الطاقة – تخرج من كل محطة توليد طاقة أربعة أسلاك: ثلاثة أطوار للطاقة يتم إنتاجها في وقت واحد، بالإضافة إلى سلك محايد أو أرضي مشترك بين الأطوار الثلاثة. (اقرأ "كيف تعمل شبكات توزيع الطاقة" لمعرفة المزيد عن نقل الطاقة عبر خطوط النقل).
التدفق الخارجي - يتم نقل المياه المستخدمة عبر أنابيب تسمى قنوات التصريف، وتعود إلى النهر في اتجاه مجرى النهر.
يُعتبر الماء الموجود في الخزان طاقةً مُخزّنة. عند فتح البوابات، يتحوّل الماء المتدفق عبر قناة التوربين إلى طاقة حركية لأنه في حالة حركة. يتحدد مقدار الكهرباء المُولّدة بعدة عوامل، منها حجم تدفق الماء والضغط الهيدروليكي. يُشير الضغط الهيدروليكي إلى المسافة بين سطح الماء والتوربينات. كلما زاد الضغط الهيدروليكي والتدفق، زادت الكهرباء المُولّدة. ويعتمد الضغط الهيدروليكي عادةً على كمية الماء في الخزان.

يوجد نوع آخر من محطات توليد الطاقة الكهرومائية، يُسمى محطة التخزين بالضخ. في محطة توليد الطاقة الكهرومائية التقليدية، يتدفق الماء من الخزان عبر المحطة، ثم يخرج ويُحمل إلى أسفل مجرى النهر. أما محطة التخزين بالضخ فتتكون من خزانين:
الخزان العلوي – كما هو الحال في محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية، يُنشئ السد خزانًا. يتدفق الماء في هذا الخزان عبر محطة الطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء.
الخزان السفلي – تتدفق المياه الخارجة من محطة الطاقة الكهرومائية إلى خزان سفلي بدلاً من أن تعود إلى النهر وتتدفق باتجاه المصب.
باستخدام توربين عكسي، يمكن للمحطة ضخ المياه مرة أخرى إلى الخزان العلوي. ويتم ذلك خلال ساعات انخفاض الطلب على الكهرباء. وبذلك، يقوم الخزان الثاني بإعادة ملء الخزان العلوي. ومن خلال ضخ المياه مرة أخرى إلى الخزان العلوي، يتوفر لدى المحطة كمية أكبر من المياه لتوليد الكهرباء خلال فترات ذروة الاستهلاك.

المولد
يُعد المولد قلب محطة توليد الطاقة الكهرومائية. تحتوي معظم محطات الطاقة الكهرومائية على العديد من هذه المولدات.
كما قد تتوقع، يقوم المولد بتوليد الكهرباء. وتتمثل العملية الأساسية لتوليد الكهرباء بهذه الطريقة في تدوير سلسلة من المغناطيسات داخل ملفات من الأسلاك. هذه العملية تحرك الإلكترونات، مما ينتج عنه تيار كهربائي.
يضم سد هوفر 17 مولدًا كهربائيًا، تبلغ قدرة كل منها 133 ميغاواط. وتبلغ القدرة الإجمالية لمحطة هوفر لتوليد الطاقة الكهرومائية 2074 ميغاواط. ويتكون كل مولد من أجزاء أساسية محددة:
رمح
مثير
الدوار
الجزء الثابت
مع دوران التوربين، يرسل المُثير تيارًا كهربائيًا إلى الدوّار. الدوّار عبارة عن سلسلة من المغناطيسات الكهربائية الكبيرة التي تدور داخل ملف نحاسي ملفوف بإحكام، يُسمى الجزء الثابت. يُولّد المجال المغناطيسي بين الملف والمغناطيسات تيارًا كهربائيًا.
في سد هوفر، ينتقل تيار كهربائي بقوة 16500 أمبير من المولد إلى المحول، حيث يرتفع التيار إلى 230000 أمبير قبل نقله.

تستغل محطات الطاقة الكهرومائية عملية طبيعية مستمرة، وهي العملية التي تُسبب هطول الأمطار وارتفاع منسوب الأنهار. يفقد كوكبنا يوميًا كمية ضئيلة من الماء عبر الغلاف الجوي نتيجة لتفكك جزيئات الماء بفعل الأشعة فوق البنفسجية. وفي الوقت نفسه، ينبعث ماء جديد من باطن الأرض بفعل النشاط البركاني. وتُقارب كمية الماء المتكونة كمية الماء المفقودة.
في أي لحظة، يتخذ إجمالي حجم المياه في العالم أشكالاً عديدة. فقد تكون سائلة، كما في المحيطات والأنهار والأمطار؛ أو صلبة، كما في الأنهار الجليدية؛ أو غازية، كما في بخار الماء غير المرئي في الهواء. وتتغير حالة الماء أثناء انتقاله حول الكوكب بفعل التيارات الهوائية. وتنشأ هذه التيارات بفعل حرارة الشمس. وتتكون دورات التيارات الهوائية نتيجة سطوع الشمس على خط الاستواء أكثر من غيرها من مناطق الكوكب.
تُحرك دورات التيارات الهوائية إمدادات المياه على الأرض عبر دورة خاصة بها تُسمى الدورة الهيدرولوجية. فعندما تُسخن الشمس الماء السائل، يتبخر الماء متحولًا إلى بخار في الهواء. تُسخن الشمس الهواء، مما يؤدي إلى ارتفاعه في الغلاف الجوي. يكون الهواء أبرد في الطبقات العليا، لذا عندما يرتفع بخار الماء، يبرد ويتكثف إلى قطرات. عندما تتراكم كمية كافية من القطرات في منطقة ما، قد تصبح ثقيلة بما يكفي لتسقط عائدة إلى الأرض على شكل هطول.
تُعدّ الدورة الهيدرولوجية مهمة لمحطات الطاقة الكهرومائية لأنها تعتمد على تدفق المياه. فإذا لم تهطل الأمطار بالقرب من المحطة، لن تتجمع المياه في المنبع. ومع عدم تجمع المياه في المنبع، يقلّ تدفق المياه عبر محطة الطاقة الكهرومائية، وبالتالي تقلّ كمية الكهرباء المولدة.