تاريخ تطوير مولد التوربينات المائية

بُنيت أول محطة لتوليد الطاقة الكهرومائية في العالم في فرنسا عام 1878، حيث استُخدمت مولدات الطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء. وحتى الآن، يُطلق على صناعة مولدات الطاقة الكهرومائية لقب "تاج" الصناعة الفرنسية. ولكن في وقت مبكر من عام 1878، كان لمولد الطاقة الكهرومائية تصميم أولي. ففي عام 1856، ظهر مولد التيار المستمر التجاري من علامة "ليانليان ألاينس". وفي عام 1865، تصور الفرنسي كاسيفن والإيطالي ماركو دمج مولد التيار المستمر مع توربين مائي لتوليد الكهرباء. وفي عام 1874، اقترح بيروسكي من روسيا تصميمًا لتحويل الطاقة المائية إلى طاقة كهربائية. وفي عام 1878، بُنيت أولى محطات الطاقة الكهرومائية في العالم في غراغسايد مانور بإنجلترا وسيرميت بالقرب من باريس بفرنسا، وظهرت الدفعة الأولى من مولدات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بالتيار المستمر. وفي عام 1891، ظهر أول مولد طاقة كهرومائية حديث (مولد لوفين الكهرومائي) في شركة رويتو أوليكان. منذ عام 1891 وحتى الآن، تم إحراز تقدم هائل في تكنولوجيا المولدات الكهرومائية لأكثر من 100 عام.

المرحلة الأولية (1891-1920)
في المراحل الأولى لظهور المولدات الكهرومائية، كان الناس يربطون مولد تيار مستمر عاديًا أو مولدًا متناوبًا بتوربين مائي لتشكيل مجموعة من المولدات الكهرومائية. في ذلك الوقت، لم يكن هناك مولد كهرومائي مصمم خصيصًا لهذا الغرض. وعندما بُنيت محطة لوفن الكهرومائية عام ١٨٩١، ظهر مولد كهرومائي مصمم خصيصًا. ولأن محطات الطاقة الكهرومائية المبكرة كانت صغيرة ومعزولة ذات نطاق إمداد محدود، كانت معايير المولدات غير منتظمة، مع اختلاف الفولتية والترددات. من الناحية الهيكلية، كانت المولدات الكهرومائية أفقية في الغالب. إضافةً إلى ذلك، كانت معظم المولدات الكهرومائية في المرحلة الأولى تعمل بالتيار المستمر، ثم ظهرت لاحقًا مولدات أحادية الطور وثلاثية الطور وثنائية الطور تعمل بالتيار المتردد.
تشمل شركات تصنيع المولدات الكهرومائية الأكثر شهرة في المرحلة الأولية BBC و Oelikon و Siemens و Westinghouse (WH) و Edison و General Motors (GE) وما إلى ذلك، ومن بين الآلات التمثيلية لتوليد الطاقة باستخدام التوربينات الكهرومائية مولد توربيني ثلاثي الأطوار بقدرة 300 حصان لمحطة Laufen الكهرومائية (1891)، ومولد ثلاثي الأطوار بقدرة 750 كيلوواط لمحطة Folsom الكهرومائية في الولايات المتحدة (صنعته شركة GE، 1893)، ومولد كهرومائي ثنائي الأطوار بقدرة 5000 حصان لمحطة Adams الكهرومائية على الجانب الأمريكي من شلالات نياجرا (شلالات نياجرا) (1894)، ومولدات كهرومائية أفقية بقدرة 12 ميجا فولت أمبير و 16 ميجا فولت أمبير (1904-1912) في محطة Ontario Power على الجانب الكندي من شلالات نياجرا، ومولد كهرومائي من نوع 40 ميجا فولت أمبير صنعته شركة GE في عام 1920. تم بناء محطة هيلسيون الكهرومائية في السويد عام 1893. وزُودت المحطة بأربع مجموعات مولدات كهرومائية أفقية ثلاثية الأطوار تعمل بتيار متردد، بقدرة 344 كيلوفولت/أمبير. وقد صُنعت هذه المولدات من قبل شركة جنرال إلكتريك السويدية (ASEA).

في عام ١٨٩١، أُقيم المعرض العالمي في فرانكفورت، ألمانيا. ولعرض كيفية نقل وتطبيق التيار المتردد خلال المؤتمر، قام منظمو المعرض بتركيب مجموعة من مولدات التوربينات المائية في مصنع أسمنت بورتلاند في لارفن، ألمانيا، على بُعد ١٧٥ كيلومترًا. استُخدمت هذه المولدات لإضاءة المعرض وتشغيل محرك حثي ثلاثي الأطوار بقدرة ١٠٠ حصان. صُمم مولد محطة لارفن لتوليد الطاقة المائية من قِبل براون، كبير مهندسي شركة رويتو أورليكون، وصُنع بواسطة شركة أورليكون. المولد ثلاثي الأطوار أفقي، بقدرة ٣٠٠ حصان، وسرعة ١٥٠ دورة في الدقيقة، و٣٢ قطبًا، وتردد ٤٠ هرتز، وجهد طور يتراوح بين ٥٥ و٦٥ فولتًا. يبلغ قطر المولد الخارجي ١٧٥٢ ملم، وطول قلبه الحديدي ٣٨٠ ملم. يحتوي مولد التيار المتردد على 96 فتحة في الجزء الثابت، وهي فتحات مغلقة (كانت تُسمى ثقوبًا آنذاك). كل قطب وكل طور عبارة عن قضيب نحاسي، معزول بلوح أسبستوس بسمك 2 مم، وينتهي بقضيب نحاسي مكشوف. أما الجزء الدوار فهو عبارة عن حلقة مدمجة ذات أقطاب مخلبية في ملف المجال. يُدار المولد بواسطة توربين هيدروليكي رأسي عبر زوج من التروس المخروطية، ويُغذى بواسطة مولد هيدروليكي صغير آخر يعمل بالتيار المستمر. تصل كفاءة المولد إلى 96.5%.
يُعدّ التشغيل الناجح ونقل الطاقة من مولدات الطاقة الكهرومائية التابعة لمحطة لاوفن إلى فرانكفورت أول اختبار صناعي لنقل التيار ثلاثي الأطوار في التاريخ. ويُمثّل هذا إنجازًا بارزًا في التطبيق العملي للتيار المتردد، ولا سيما التيار المتردد ثلاثي الأطوار. كما يُعدّ هذا المولد أول مولد كهرومائي ثلاثي الأطوار في العالم.

ما سبق يوضح تصميم وتطوير مولدات الطاقة الكهرومائية خلال الثلاثين عامًا الأولى. في الواقع، عند النظر إلى عملية تطوير تكنولوجيا مولدات الطاقة الكهرومائية، نجد أنها تمر بمرحلة تطويرية كل ثلاثين عامًا. أي أن الفترة من 1891 إلى 1920 كانت المرحلة الأولية، والفترة من 1921 إلى 1950 كانت مرحلة النمو التكنولوجي، والفترة من 1951 إلى 1984 كانت مرحلة التطور السريع، والفترة من 1985 إلى 2010 كانت مرحلة التطور المستقر.