لمحة عامة عن توليد الطاقة الكهرومائية

الطاقة الكهرومائية هي تحويل طاقة المياه في الأنهار الطبيعية إلى كهرباء للاستخدام البشري. وتتنوع مصادر الطاقة المستخدمة في توليد الكهرباء، مثل الطاقة الشمسية، وطاقة المياه في الأنهار، وطاقة الرياح. وتتميز الطاقة الكهرومائية بانخفاض تكلفتها، كما يمكن دمج إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية مع مشاريع أخرى لإدارة المياه. وتزخر بلادنا بموارد الطاقة الكهرومائية، وتتمتع بظروف مواتية للغاية. وتلعب الطاقة الكهرومائية دورًا هامًا في بناء الاقتصاد الوطني.
يكون منسوب المياه في الجزء العلوي من النهر أعلى من منسوب المياه في الجزء السفلي منه. وبسبب هذا الاختلاف في منسوب المياه، تتولد طاقة مائية تُسمى طاقة الوضع. ويُطلق على الفرق في ارتفاع منسوب المياه في النهر اسم الانخفاض، أو فرق منسوب المياه، أو رأس الماء. ويُعد هذا الانخفاض شرطًا أساسيًا لتوليد الطاقة الكهرومائية. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد كمية الطاقة الكهرومائية أيضًا على كمية تدفق المياه في النهر، وهو شرط أساسي آخر لا يقل أهمية عن الانخفاض. يؤثر كل من الانخفاض والتدفق بشكل مباشر على الطاقة الكهرومائية؛ فكلما زاد حجم المياه في الانخفاض، زادت الطاقة الكهرومائية؛ أما إذا كان الانخفاض وحجم المياه صغيرين نسبيًا، فسيكون إنتاج محطة الطاقة الكهرومائية أقل.
يُقاس الانخفاض عادةً بالأمتار. أما التدرج فهو نسبة الانخفاض إلى المسافة، مما يدل على درجة تركيز الانخفاض. فكلما زاد تركيز الانخفاض، زادت سهولة استخدام الطاقة الكهرومائية. ويُحسب الانخفاض المستخدم في محطة توليد الطاقة الكهرومائية بأنه الفرق بين مستوى سطح الماء عند مدخل المحطة ومستوى سطح الماء عند مخرجها بعد مروره عبر التوربين.

التدفق هو كمية المياه المتدفقة في النهر خلال وحدة زمنية، ويُقاس بالمتر المكعب في الثانية الواحدة. المتر المكعب الواحد من الماء يعادل طنًا واحدًا. يتغير تدفق النهر باستمرار، لذا عند الحديث عنه، يجب تحديد وقت حدوثه في كل مكان. يتغير التدفق بشكل ملحوظ مع مرور الوقت. تتميز أنهار بلادنا عمومًا بتدفق كبير خلال موسم الأمطار في الصيف والخريف، وتدفق منخفض نسبيًا في الشتاء والربيع. عادةً ما يكون تدفق النهر منخفضًا نسبيًا في المنبع، ولكن مع التقاء الروافد، يزداد التدفق تدريجيًا في المصب. لذلك، على الرغم من أن التدفق يكون منخفضًا في المنبع، إلا أنه يكون مركزًا، بينما يكون التدفق كبيرًا في المصب، لكن التدفق يكون متفرقًا نسبيًا. لذا، غالبًا ما يكون استغلال الطاقة الكهرومائية في المجرى الأوسط للنهر هو الأكثر جدوى اقتصاديًا.
بمعرفة مقدار الانخفاض والتدفق المستخدم في محطة توليد الطاقة الكهرومائية، يمكن حساب إنتاجها باستخدام الصيغة التالية:
N= GQH
في الصيغة، يمكن أيضًا تسمية الناتج N، بالكيلوواط، بالطاقة؛
Q- التدفق، بالمتر المكعب في الثانية؛
H – انخفاض، بالأمتار؛
G = 9.8، هي تسارع الجاذبية الأرضية، ووحدتها: نيوتن/كجم
وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه، تُحسب القدرة النظرية دون خصم أي فاقد. في الواقع، خلال عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تُعاني التوربينات ومعدات النقل والمولدات وغيرها من فاقد الطاقة الحتمي. لذلك، يجب خصم القدرة النظرية، أي ضرب القدرة الفعلية التي يُمكن استخدامها بمعامل الكفاءة (K).
تُسمى القدرة التصميمية للمولد في محطة الطاقة الكهرومائية بالقدرة المقدرة، بينما تُسمى القدرة الفعلية بالقدرة الفعلية. في عملية تحويل الطاقة، لا مفر من فقدان جزء منها. في عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تحدث خسائر بشكل رئيسي في التوربينات والمولدات (بالإضافة إلى خسائر في خطوط الأنابيب). تُشكل الخسائر المختلفة في محطة الطاقة الكهرومائية الصغيرة الريفية ما بين 40% و50% من إجمالي القدرة النظرية، لذا فإن إنتاج محطة الطاقة الكهرومائية لا يُمكن استخدامه فعليًا إلا بنسبة 50% إلى 60% من القدرة النظرية، أي أن الكفاءة تتراوح بين 0.5% و0.60 (منها كفاءة التوربينات بين 0.7% و0.85%، وكفاءة المولدات بين 0.85% و0.90%، وكفاءة خطوط الأنابيب ومعدات النقل بين 0.8% و0.85%). لذلك، يُمكن حساب القدرة الفعلية (الإنتاج) لمحطة الطاقة الكهرومائية كما يلي:
K - كفاءة محطة الطاقة الكهرومائية، (0.5-0.6) تُستخدم 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
يُستخدم توليد الطاقة الكهرومائية عن طريق تسخير قوة الماء لتشغيل آلة تُسمى التوربين المائي. على سبيل المثال، تُعدّ دولاب الماء القديم في بلادنا مثالًا بسيطًا على التوربين المائي. تُصمّم التوربينات المائية المُستخدمة حاليًا لتناسب ظروفًا هيدروليكية مُحددة، مما يُتيح لها الدوران بكفاءة أكبر وتحويل طاقة الماء إلى طاقة ميكانيكية. يُوصل نوع آخر من الآلات، وهو المولد، بالتوربين، بحيث يدور دوّار المولد مع التوربين لتوليد الكهرباء. يُمكن تقسيم المولد إلى جزأين: جزء دوّار وجزء ثابت. يُسمى الجزء الدوّار بالتوربين، ويحتوي على العديد من الأقطاب المغناطيسية. أما الجزء الثابت، فيُسمى الجزء الدائري المحيط بالدوّار، ويُلفّ 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 من محطة الطاقة إلى طاقة ميكانيكية (محرك كهربائي أو محرك كهربائي)، وطاقة ضوئية (مصباح كهربائي)، وطاقة حرارية (فرن كهربائي) وما إلى ذلك بواسطة معدات كهربائية مختلفة.
تكوين محطة الطاقة الكهرومائية
يتكون تركيب محطة الطاقة الكهرومائية من: الهياكل الهيدروليكية، والمعدات الميكانيكية، والمعدات الكهربائية.
(1) المنشآت الهيدروليكية
يحتوي على سدود، وبوابات سحب، وقنوات (أو أنفاق)، وخزانات ضغط أولية (أو خزانات تنظيم)، وأنابيب ضغط، ومحطات توليد الطاقة، ومجاري تصريف المياه، وما إلى ذلك.
يُبنى سدٌّ في النهر لحجز مياهه ورفع منسوبها، مُشكِّلاً خزانًا. وبهذه الطريقة، يتكوّن انخفاضٌ حادٌّ بين منسوب مياه الخزان عند السد ومنسوب مياه النهر أسفله، ثم تُضخّ المياه إلى محطة توليد الطاقة الكهرومائية عبر أنابيب أو أنفاق. في الأنهار شديدة الانحدار، يُمكن أيضًا استخدام قنوات تحويلية لإحداث انخفاض. على سبيل المثال: يبلغ الانخفاض الطبيعي في منسوب المياه في النهر الطبيعي 10 أمتار لكل كيلومتر. إذا فُتحت قناة عند الطرف العلوي لهذا الجزء من النهر لإدخال المياه، فسيتم حفر القناة على طول النهر، وسيكون انحدارها أقل. إذا كان الانخفاض في القناة مترًا واحدًا فقط لكل كيلومتر، فإن المياه ستتدفق لمسافة 5 كيلومترات في القناة، وينخفض ​​منسوبها 5 أمتار فقط، بينما ينخفض ​​منسوب المياه 50 مترًا بعد قطع مسافة 5 كيلومترات في المجرى الطبيعي. في هذه المرحلة، يُعاد توجيه المياه من القناة إلى محطة توليد الطاقة عبر النهر بواسطة أنبوب أو نفق، ويحدث انخفاض حاد في منسوب المياه يصل إلى 45 مترًا، يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء. الشكل 2

يُطلق على استخدام قنوات التحويل أو الأنفاق أو أنابيب المياه (مثل الأنابيب البلاستيكية أو الأنابيب الفولاذية أو الأنابيب الخرسانية وما إلى ذلك) لتشكيل محطة طاقة كهرومائية ذات هبوط مركز اسم محطة الطاقة الكهرومائية ذات قناة التحويل، وهو تصميم نموذجي لمحطات الطاقة الكهرومائية.
(2) المعدات الميكانيكية والكهربائية
بالإضافة إلى الأعمال الهيدروليكية المذكورة أعلاه (السدود، والقنوات، والساحات الأمامية، وأنابيب الضغط، وورش العمل)، تحتاج محطة الطاقة الكهرومائية أيضًا إلى المعدات التالية:
(1) المعدات الميكانيكية
توجد توربينات، ومنظمات سرعة، وصمامات بوابة، ومعدات نقل، ومعدات غير مولدة للطاقة.
(2) المعدات الكهربائية
توجد مولدات كهربائية، ولوحات تحكم في التوزيع، ومحولات كهربائية، وخطوط نقل الطاقة.
لكن لا تمتلك جميع محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة الهياكل الهيدروليكية والمعدات الميكانيكية والكهربائية المذكورة آنفًا. فإذا كان منسوب المياه أقل من 6 أمتار في محطة الطاقة الكهرومائية ذات المنسوب المنخفض، يُستخدم عادةً قناة توجيه المياه وقناة المياه المفتوحة، ولا توجد أحواض ضغط أو أنابيب مياه مضغوطة. أما بالنسبة لمحطات الطاقة ذات نطاق إمداد الطاقة المحدود ومسافة النقل القصيرة، فيُعتمد النقل المباشر للطاقة دون الحاجة إلى محول. ولا تحتاج محطات الطاقة الكهرومائية المزودة بخزانات إلى بناء سدود. إذ يُغني استخدام مآخذ المياه العميقة والأنابيب الداخلية للسدود (أو الأنفاق) والمفيضات عن الحاجة إلى هياكل هيدروليكية مثل السدود الصغيرة وبوابات المآخذ والقنوات وأحواض الضغط.
لبناء محطة لتوليد الطاقة الكهرومائية، يجب أولاً إجراء مسح وتصميم دقيقين. يتضمن التصميم ثلاث مراحل: التصميم الأولي، والتصميم الفني، وتفاصيل الإنشاء. ولضمان جودة التصميم، من الضروري إجراء مسح شامل، أي فهم الظروف الطبيعية والاقتصادية المحلية فهماً كاملاً، كالتضاريس والجيولوجيا والهيدرولوجيا ورأس المال، وغيرها. ولا يمكن ضمان صحة التصميم وموثوقيته إلا بعد دراسة هذه الظروف وتحليلها.
تختلف مكونات محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في أشكالها تبعاً لنوع محطة الطاقة الكهرومائية.
3. المسح الطبوغرافي
تؤثر جودة أعمال المسح الطبوغرافي بشكل كبير على التخطيط الهندسي وتقدير الكمية الهندسية.
بالإضافة إلى الفهم العام والبحث في جيولوجيا مستجمعات المياه وعلى طول النهر، يُعدّ الاستكشاف الجيولوجي (فهم الظروف الجيولوجية) ضروريًا أيضًا لفهم مدى متانة أساسات غرفة الآلات، إذ يؤثر ذلك بشكل مباشر على سلامة محطة توليد الطاقة نفسها. فعند انهيار سد ذي سعة تخزينية معينة، لن يقتصر الضرر على محطة توليد الطاقة الكهرومائية فحسب، بل سيتسبب أيضًا في خسائر فادحة في الأرواح والممتلكات في المناطق الواقعة أسفل مجرى النهر.
4. الاختبار الهيدرولوجي
بالنسبة لمحطات الطاقة الكهرومائية، تُعدّ سجلات مستوى مياه النهر، وتدفقه، ومحتوى الرواسب، وظروف التجمّد، والبيانات المناخية، وبيانات مسح الفيضانات، أهم البيانات الهيدرولوجية. يؤثر حجم تدفق النهر على تصميم مفيض محطة الطاقة الكهرومائية. يؤدي التقليل من شأن شدة الفيضان إلى إلحاق الضرر بالسد؛ إذ يمكن للرواسب التي يحملها النهر أن تملأ الخزان بسرعة في أسوأ الأحوال. على سبيل المثال، قد يتسبب ذلك في تراكم الطمي في قناة المدخل، وتمر الرواسب الخشنة عبر التوربين، مما يؤدي إلى تآكله. لذلك، يجب أن تتوفر بيانات هيدرولوجية كافية عند إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية.
لذا، قبل اتخاذ قرار بناء محطة لتوليد الطاقة الكهرومائية، يجب علينا أولاً دراسة اتجاهات التنمية الاقتصادية في منطقة إمداد الطاقة والطلب المستقبلي على الكهرباء. وفي الوقت نفسه، يجب تقييم وضع مصادر الطاقة الأخرى في منطقة التنمية. وبعد دراسة وتحليل الوضع المذكور أعلاه، يمكننا تحديد ما إذا كانت هناك حاجة لبناء محطة توليد الطاقة الكهرومائية وحجمها الأمثل.
بشكل عام، يهدف العمل المسحي للطاقة الكهرومائية إلى توفير معلومات أساسية دقيقة وموثوقة ضرورية لتصميم وبناء محطات الطاقة الكهرومائية.
5. الشروط العامة لاختيار الموقع
يمكن شرح الشروط العامة لاختيار الموقع من خلال الجوانب الأربعة التالية:
(1) يجب أن يكون الموقع المُختار قادرًا على استغلال الطاقة المائية بأكثر الطرق اقتصادية، وأن يلتزم بمبدأ توفير التكاليف، أي أن يتم إنفاق أقل قدر من المال وتوليد أكبر قدر من الكهرباء بعد اكتمال محطة توليد الطاقة. ويمكن قياس ذلك عادةً من خلال تقدير إيرادات توليد الطاقة السنوية والاستثمار في بناء المحطة، لمعرفة المدة الزمنية اللازمة لاسترداد رأس المال المُستثمر. ومع ذلك، تختلف الظروف الهيدرولوجية والطبوغرافية من مكان لآخر، كما تختلف احتياجات الكهرباء، لذا لا ينبغي تقييد تكلفة البناء والاستثمار بقيم محددة.
(2) ينبغي أن تكون الظروف الطبوغرافية والجيولوجية والهيدرولوجية للموقع المختار جيدة نسبياً، وأن تتوفر إمكانيات في التصميم والإنشاء. وفي إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، ينبغي أن يتوافق استخدام مواد البناء مع مبدأ "المواد المحلية" قدر الإمكان.
(3) يجب أن يكون الموقع المختار قريبًا قدر الإمكان من منطقة إمداد الطاقة والمعالجة لتقليل الاستثمار في معدات نقل الطاقة وفقدان الطاقة.
(4) عند اختيار الموقع، ينبغي الاستفادة قدر الإمكان من المنشآت الهيدروليكية القائمة. على سبيل المثال، يمكن استخدام منحدرات المياه لإنشاء محطة توليد طاقة كهرومائية في قناة ري، أو يمكن إنشاء محطة توليد طاقة كهرومائية بجوار خزان ري لتوليد الكهرباء من مياه الري، وهكذا. ولأن هذه المحطات الكهرومائية تُحقق مبدأ توليد الكهرباء عند وجود الماء، فإن جدواها الاقتصادية تكون أكثر وضوحًا.