التوربين المائي هو آلية توربينية ضمن آلات السوائل. منذ حوالي عام 100 قبل الميلاد، وُلد النموذج الأولي للتوربين المائي، وهو الدولاب المائي. في ذلك الوقت، كانت وظيفته الرئيسية تشغيل آلات معالجة الحبوب والري. تطورت الدولاب المائي، كجهاز ميكانيكي يستخدم تدفق المياه كقوة، إلى التوربين المائي الحالي، كما توسع نطاق تطبيقاته. فأين تُستخدم التوربينات المائية الحديثة بشكل رئيسي؟
تُستخدم التوربينات بشكل رئيسي في محطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين. عندما يكون حمل نظام الطاقة أقل من الحمل الأساسي، يمكن استخدامها كمضخة مياه لاستخدام سعة توليد الطاقة الزائدة لضخ المياه من خزان المصب إلى خزان المنبع لتخزين الطاقة في شكل طاقة كامنة؛ عندما يكون حمل النظام أعلى من الحمل الأساسي، يمكن استخدامها كتربينة هيدروليكية، وتوليد الكهرباء لتنظيم أحمال الذروة. لذلك، لا يمكن لمحطة توليد الطاقة بالضخ والتخزين النقية زيادة طاقة نظام الطاقة، ولكنها يمكن أن تحسن الاقتصاد في تشغيل وحدات توليد الطاقة الحرارية وتحسين الكفاءة الكلية لنظام الطاقة. منذ خمسينيات القرن الماضي، حظيت وحدات التخزين بالضخ بتقدير واسع وتطورت بسرعة في جميع أنحاء العالم.
تعتمد معظم وحدات تخزين الضخ، المُطوّرة في مراحلها الأولى أو ذات ضغط الماء العالي، على نظام ثلاثي الآلات، أي أنها تتكون من محرك مولد، وتوربين مائي، ومضخة مياه متصلة على التوالي. ميزتها هي تصميم التوربين ومضخة المياه بشكل منفصل، مما يزيد من كفاءة كل منهما، وتدور الوحدة في نفس الاتجاه عند توليد الكهرباء وضخ المياه، ويمكنها التحول بسرعة من توليد الطاقة إلى الضخ، أو من الضخ إلى توليد الطاقة. في الوقت نفسه، يمكن استخدام التوربين لبدء تشغيل الوحدة. أما عيبها، فهو ارتفاع تكلفتها وضخامة استثمار محطة الطاقة.
يمكن تدوير شفرات محرّك توربين مضخة التدفق المائل، ويحافظ على أداء تشغيلي جيد عند تغير ارتفاع الماء والحمل. ومع ذلك، نظرًا لمحدودية الخصائص الهيدروليكية ومتانة المواد، بلغ ارتفاعه الصافي 136.2 مترًا فقط بحلول أوائل ثمانينيات القرن الماضي (محطة تاكاجين الأولى للطاقة في اليابان). أما بالنسبة للارتفاعات الأعلى، فتُستخدم توربينات مضخة فرانسيس.
تحتوي محطة توليد الطاقة بالضخ والتخزين على خزانين علوي وسفلي. في حالة تخزين الطاقة نفسها، يمكن أن يؤدي زيادة الرفع إلى تقليل سعة التخزين وزيادة سرعة الوحدة وخفض تكلفة المشروع. لذلك، شهدت محطة توليد الطاقة بالضخ والتخزين ذات الرفع العالي فوق 300 متر تطورًا سريعًا. تم تركيب توربين الضخ فرانسيس ذو أعلى ارتفاع مائي في العالم في محطة باينا باستا للطاقة في يوغوسلافيا. منذ عام من التشغيل. منذ القرن العشرين، تطورت وحدات الطاقة الكهرومائية في اتجاه المعايير العالية والسعة الكبيرة. مع زيادة سعة الطاقة الحرارية في نظام الطاقة وتطوير الطاقة النووية، ولحل مشكلة تنظيم الذروة المعقول، بالإضافة إلى التطوير أو التوسع النشط لمحطات الطاقة واسعة النطاق في أنظمة المياه الرئيسية، تعمل دول حول العالم بنشاط على بناء محطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين، مما أدى إلى تطوير سريع لتوربينات الضخ.
باعتبارها آلة طاقة تُحوّل طاقة تدفق المياه إلى طاقة ميكانيكية دوارة، تُعدّ التوربينات المائية جزءًا لا يتجزأ من مجموعة المولدات المائية. في الوقت الحاضر، تتزايد أهمية حماية البيئة، ويتزايد استخدام الطاقة الكهرومائية التي تستخدم الطاقة النظيفة والترويج لها. وللاستفادة الكاملة من الموارد المائية المتنوعة، حظيت ظاهرة المد والجزر والأنهار السهلية ذات الانحدار المنخفض جدًا والأمواج المتساوية باهتمام واسع، مما أدى إلى التطور السريع للتوربينات الأنبوبية وغيرها من الوحدات الصغيرة.
وقت النشر: ٢٣ مارس ٢٠٢٢
