الطاقة الكهرومائية هي تحويل طاقة مياه الأنهار الطبيعية إلى كهرباء للاستخدام البشري. هناك مصادر طاقة متنوعة تُستخدم في توليد الطاقة، مثل الطاقة الشمسية، وطاقة مياه الأنهار، وطاقة الرياح الناتجة عن تدفق الهواء. يتميز توليد الطاقة الكهرومائية بتكلفة منخفضة، ويمكن دمج بناء محطات الطاقة الكهرومائية مع مشاريع أخرى للحفاظ على المياه. بلدنا غني جدًا بموارد الطاقة الكهرومائية، وظروفه مواتية للغاية. تلعب الطاقة الكهرومائية دورًا هامًا في بناء الاقتصاد الوطني.
يكون مستوى المياه في أعلى النهر أعلى من مستوى المياه في أسفله. وبسبب اختلاف مستوى المياه في النهر، يتم توليد طاقة مائية. تسمى هذه الطاقة بالطاقة الكامنة أو الطاقة الكامنة. يسمى الفرق بين ارتفاع مياه النهر بالقطر، ويسمى أيضًا فرق مستوى الماء أو رأس الماء. هذا القطر هو شرط أساسي لتكوين الطاقة الهيدروليكية. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد حجم الطاقة الهيدروليكية أيضًا على حجم تدفق المياه في النهر، وهو شرط أساسي آخر مهم مثل القطرة. يؤثر كل من القطرة والتدفق بشكل مباشر على الطاقة الهيدروليكية؛ كلما زاد حجم الماء في القطرة، زادت الطاقة الهيدروليكية؛ إذا كان القطرة وحجم الماء صغيرين نسبيًا، فسيكون ناتج محطة الطاقة الكهرومائية أصغر.
يُعبَّر عن الانخفاض عادةً بالأمتار. التدرج هو نسبة الانخفاض إلى المسافة، مما يُشير إلى درجة تركيز الانخفاض. كلما كان الانخفاض أكثر تركيزًا، كان استخدام الطاقة الهيدروليكية أكثر ملاءمة. الانخفاض الذي تستخدمه محطة الطاقة الكهرومائية هو الفرق بين سطح الماء العلوي لمحطة الطاقة الكهرومائية وسطح الماء السفلي بعد مروره عبر التوربين.
التدفق هو كمية المياه المتدفقة في النهر لكل وحدة زمنية، ويعبر عنها بالمتر المكعب في ثانية واحدة. المتر المكعب الواحد من الماء يساوي طنًا واحدًا. يتغير تدفق النهر في أي وقت، لذلك عندما نتحدث عن التدفق، يجب أن نوضح وقت المكان المحدد الذي يتدفق فيه. يتغير التدفق بشكل كبير بمرور الوقت. تتمتع الأنهار في بلدنا عمومًا بتدفق كبير في موسم الأمطار في الصيف والخريف، وصغير نسبيًا في الشتاء والربيع. بشكل عام، يكون تدفق النهر صغيرًا نسبيًا في المنبع؛ لأن الروافد تتحد، يزداد تدفق المصب تدريجيًا. لذلك، على الرغم من أن الانخفاض في المنبع مركّز، إلا أن التدفق صغير؛ يكون التدفق في المصب كبيرًا، لكن الانخفاض متناثر نسبيًا. لذلك، غالبًا ما يكون من الأكثر اقتصادا استخدام الطاقة الهيدروليكية في الروافد الوسطى للنهر.
بمعرفة معدل الانخفاض والتدفق الذي تستخدمه محطة الطاقة الكهرومائية، يمكن حساب إنتاجها باستخدام الصيغة التالية:
ن = ج.ك.ح
في الصيغة، يمكن أيضًا تسمية الناتج N، بالكيلووات، بالقدرة؛
تدفق Q، بالمتر المكعب في الثانية؛
ح – انخفاض، بالأمتار؛
G = 9.8، هو تسارع الجاذبية، الوحدة: نيوتن/كجم
وفقًا للمعادلة أعلاه، تُحسب القدرة النظرية دون خصم أي خسائر. في الواقع، في عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تُعاني التوربينات ومعدات النقل والمولدات، وغيرها، من خسائر حتمية في الطاقة. لذلك، يجب خصم القدرة النظرية، أي ضرب القدرة الفعلية التي يُمكن استخدامها في معامل الكفاءة (الرمز: K).
تُسمى القدرة المُصممة للمولد في محطة الطاقة الكهرومائية القدرة المُقدرة، وتُسمى القدرة الفعلية القدرة الفعلية. في عملية تحويل الطاقة، من المحتم فقدان جزء من الطاقة. في عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تحدث خسائر رئيسية في التوربينات والمولدات (وهناك أيضًا خسائر في خطوط الأنابيب). تُمثل الخسائر المختلفة في محطة الطاقة الكهرومائية الصغيرة الريفية حوالي 40-50% من إجمالي القدرة النظرية، لذا فإن خرج محطة الطاقة الكهرومائية لا يمكنه في الواقع استخدام سوى 50-60% من القدرة النظرية، أي أن الكفاءة تتراوح بين 0.5 و0.60 (منها كفاءة التوربينات 0.70-0.85، وكفاءة المولدات 0.85-0.90، وكفاءة خطوط الأنابيب ومعدات النقل 0.80-0.85). لذلك، يمكن حساب القدرة الفعلية (الإخراج) لمحطة الطاقة الكهرومائية على النحو التالي:
K- يتم استخدام كفاءة محطة الطاقة الكهرومائية (0.5～0.6) في الحساب التقريبي لمحطة الطاقة الكهرومائية الصغيرة؛ ويمكن تبسيط هذه القيمة على النحو التالي:
N=(0.5～0.6)QHG القدرة الفعلية = الكفاءة × التدفق × الانخفاض × 9.8
استخدام الطاقة الكهرومائية هو استخدام طاقة الماء لدفع آلة تسمى توربين مائي. على سبيل المثال، فإن عجلة الماء القديمة في بلدنا هي توربين مائي بسيط للغاية. يتم تكييف التوربينات الهيدروليكية المختلفة المستخدمة حاليًا مع ظروف هيدروليكية محددة مختلفة، بحيث يمكنها الدوران بكفاءة أكبر وتحويل طاقة الماء إلى طاقة ميكانيكية. نوع آخر من الآلات، وهو المولد، متصل بالتوربين، بحيث يدور دوار المولد مع التوربين لتوليد الكهرباء. يمكن تقسيم المولد إلى جزأين: الجزء الذي يدور مع التوربين والجزء الثابت من المولد. يسمى الجزء المتصل بالتوربين والذي يدور دوار المولد، وهناك العديد من الأقطاب المغناطيسية حول الدوار؛ الدائرة حول الدوار هي الجزء الثابت من المولد، وتسمى الجزء الثابت للمولد، والجزء الثابت ملفوف بالعديد من الملفات النحاسية. عندما تدور العديد من الأقطاب المغناطيسية للدوار في منتصف الملفات النحاسية للجزء الثابت، يتم توليد تيار على الأسلاك النحاسية، ويقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
يتم تحويل الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة محطة الطاقة إلى طاقة ميكانيكية (محرك كهربائي أو موتور)، وطاقة ضوئية (مصباح كهربائي)، وطاقة حرارية (فرن كهربائي) وهكذا بواسطة المعدات الكهربائية المختلفة.
تكوين محطة الطاقة الكهرومائية
يتضمن تركيب محطة الطاقة الكهرومائية: الهياكل الهيدروليكية والمعدات الميكانيكية والمعدات الكهربائية.
(1) الهياكل الهيدروليكية
تحتوي على سدود، وبوابات سحب، وقنوات (أو أنفاق)، وخزانات ضغط أمامية (أو خزانات تنظيمية)، وأنابيب ضغط، ومحطات طاقة، ومنافذ خلفية، وما إلى ذلك.
يتم بناء سد (سد) في النهر لحجب مياه النهر ورفع سطح الماء لتشكيل خزان. وبهذه الطريقة، يتم تكوين قطرة مركزة بين سطح الماء للخزان على السد (السد) وسطح الماء للنهر أسفل السد، ثم يتم إدخال الماء إلى محطة الطاقة الكهرومائية من خلال استخدام أنابيب المياه أو الأنفاق. في الأنهار شديدة الانحدار نسبيًا، يمكن أن يؤدي استخدام قنوات التحويل أيضًا إلى تكوين قطرة. على سبيل المثال: بشكل عام، يبلغ الانخفاض لكل كيلومتر من النهر الطبيعي 10 أمتار. إذا تم فتح قناة في الطرف العلوي من هذا القسم من النهر لإدخال مياه النهر، فسيتم حفر القناة على طول النهر، وسيكون منحدر القناة أكثر تسطيحًا. إذا تم إجراء الانخفاض في القناة لكل كيلومتر، فقد انخفض مترًا واحدًا فقط، بحيث تدفق الماء لمسافة 5 كيلومترات في القناة، وانخفض سطح الماء 5 أمتار فقط، بينما انخفض الماء 50 مترًا بعد قطع مسافة 5 كيلومترات في القناة الطبيعية. في هذه المرحلة، يتم إرجاع المياه من القناة إلى محطة الطاقة عبر النهر عبر أنبوب مائي أو نفق، ويوجد انخفاض مركّز يبلغ 45 مترًا يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء. الشكل 2
يُطلق على استخدام قنوات التحويل أو الأنفاق أو أنابيب المياه (مثل الأنابيب البلاستيكية والأنابيب الفولاذية والأنابيب الخرسانية وما إلى ذلك) لتشكيل محطة طاقة كهرومائية ذات قطرة مركزة اسم محطة طاقة كهرومائية ذات قناة تحويل، وهو تخطيط نموذجي لمحطات الطاقة الكهرومائية.
(2) المعدات الميكانيكية والكهربائية
بالإضافة إلى الأعمال الهيدروليكية المذكورة أعلاه (السدود، القنوات، الساحات الأمامية، أنابيب الضغط، ورش العمل)، تحتاج محطة الطاقة الكهرومائية أيضًا إلى المعدات التالية:
(1) المعدات الميكانيكية
هناك توربينات، ومحافظين، وصمامات بوابة، ومعدات نقل ومعدات غير مولدة.
(2) المعدات الكهربائية
هناك مولدات ولوحات تحكم التوزيع والمحولات وخطوط النقل.
لكن لا تحتوي جميع محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة على الهياكل الهيدروليكية والمعدات الميكانيكية والكهربائية المذكورة أعلاه. إذا كان منسوب المياه أقل من 6 أمتار في محطة الطاقة الكهرومائية منخفضة الارتفاع، تُستخدم عادةً قناة توجيه المياه وقناة المياه المفتوحة، ولا يوجد حوض ضغط أمامي وأنبوب ماء مضغوط. في محطات الطاقة ذات نطاق إمداد الطاقة الصغير ومسافة النقل القصيرة، يُعتمد النقل المباشر للطاقة دون الحاجة إلى محولات. لا تحتاج محطات الطاقة الكهرومائية ذات الخزانات إلى بناء سدود. إن استخدام مداخل عميقة وأنابيب داخلية للسدود (أو أنفاق) وممرات تصريف المياه يُغني عن الهياكل الهيدروليكية مثل السدود وبوابات السحب والقنوات وأحواض الضغط الأمامية.
لبناء محطة طاقة كهرومائية، يجب أولاً إجراء مسح وتصميم دقيقين. يمر التصميم بثلاث مراحل: التصميم الأولي، والتصميم الفني، وتفاصيل الإنشاء. ولإتمام التصميم بكفاءة، يجب أولاً إجراء مسح شامل، أي فهم كامل للظروف الطبيعية والاقتصادية المحلية، بما في ذلك التضاريس والجيولوجيا والهيدرولوجيا ورأس المال، وغيرها. ولا يمكن ضمان دقة وموثوقية التصميم إلا بعد دراسة هذه الظروف وتحليلها بدقة.
تتعدد أشكال مكونات محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة حسب نوع محطة الطاقة الكهرومائية.
3. المسح الطبوغرافي
إن جودة أعمال المسح الطبوغرافي لها تأثير كبير على المخطط الهندسي وتقدير الكمية الهندسية.
الاستكشاف الجيولوجي (فهم الظروف الجيولوجية): بالإضافة إلى الفهم العام والبحث في جيولوجيا مستجمعات المياه وعلى طول النهر، من الضروري أيضًا فهم مدى متانة أساس غرفة الآلات، مما يؤثر بشكل مباشر على سلامة محطة الطاقة نفسها. فبمجرد تدمير السد ذي سعة خزان معينة، لن يقتصر الضرر على محطة الطاقة الكهرومائية نفسها فحسب، بل سيتسبب أيضًا في خسائر فادحة في الأرواح والممتلكات في مجرى النهر.
4. الاختبار الهيدرولوجي
بالنسبة لمحطات الطاقة الكهرومائية، تُعدّ سجلات منسوب مياه النهر، وتدفقه، ومحتوى الرواسب، وظروف التجمّد، والبيانات الجوية، وبيانات مسح الفيضانات من أهم البيانات الهيدرولوجية. يؤثر حجم تدفق النهر على تصميم مفيض محطة الطاقة الكهرومائية. سيؤدي التقليل من شدة الفيضان إلى تلف السد؛ إذ يمكن للرواسب التي يحملها النهر أن تملأ الخزان بسرعة في أسوأ الأحوال. على سبيل المثال، ستؤدي قناة التدفق الداخل إلى ترسب الطمي فيها، وستمر الرواسب الخشنة عبر التوربين مسببةً تآكله. لذلك، يجب أن تتوفر بيانات هيدرولوجية كافية عند بناء محطات الطاقة الكهرومائية.
لذلك، قبل اتخاذ قرار بناء محطة طاقة كهرومائية، يجب أولاً دراسة اتجاه التنمية الاقتصادية في منطقة إمدادات الطاقة والطلب المستقبلي على الكهرباء. وفي الوقت نفسه، تقييم وضع مصادر الطاقة الأخرى في منطقة التطوير. وبعد دراسة الوضع وتحليله، يُمكن تحديد مدى الحاجة إلى بناء محطة الطاقة الكهرومائية وحجمها.
بشكل عام، فإن الغرض من أعمال مسح الطاقة الكهرومائية هو توفير المعلومات الأساسية الدقيقة والموثوقة اللازمة لتصميم وبناء محطات الطاقة الكهرومائية.
5. الشروط العامة لاختيار الموقع
يمكن تفسير الشروط العامة لاختيار الموقع من خلال الجوانب الأربعة التالية:
(1) يجب أن يكون الموقع المختار قادرًا على استخدام طاقة المياه بأقصى قدر من الكفاءة الاقتصادية، وأن يلتزم بمبدأ توفير التكاليف، أي أنه بعد اكتمال محطة الطاقة، يُنفق أقل قدر من المال ويُولّد أكبر قدر من الكهرباء. ويمكن قياس ذلك عادةً من خلال تقدير إيرادات توليد الطاقة السنوية والاستثمار في بناء المحطة، لمعرفة المدة التي يمكن فيها استرداد رأس المال المستثمر. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف الظروف الهيدرولوجية والطوبوغرافية باختلاف المناطق، وكذلك احتياجات الكهرباء، فلا ينبغي أن تقتصر تكلفة البناء والاستثمار على قيم محددة.
(2) يجب أن تكون الظروف الطبوغرافية والجيولوجية والهيدرولوجية للموقع المختار متفوقة نسبيًا، وأن تكون هناك إمكانيات للتصميم والبناء. في بناء محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، يجب استخدام مواد البناء وفقًا لمبدأ "المواد المحلية" قدر الإمكان.
(3) يجب أن يكون الموقع المختار قريبًا من منطقة إمداد الطاقة والمعالجة قدر الإمكان لتقليل استثمار معدات نقل الطاقة وفقدان الطاقة.
(4) عند اختيار الموقع، ينبغي الاستفادة قدر الإمكان من المنشآت الهيدروليكية القائمة. على سبيل المثال، يمكن استخدام قطرة الماء لبناء محطة طاقة كهرومائية في قناة ري، أو بناء محطة طاقة كهرومائية بجوار خزان ري لتوليد الكهرباء من تدفق الري، وهكذا. ولأن محطات الطاقة الكهرومائية هذه قادرة على تحقيق مبدأ توليد الكهرباء بوجود الماء، فإن أهميتها الاقتصادية تتضح أكثر.
وقت النشر: ١٩ مايو ٢٠٢٢
