مبدأ ونطاق تطبيق التوربينات المائية

التوربين المائي هو نوع من الآلات التوربينية ضمن الآلات الهيدروليكية. ظهر النموذج الأولي للتوربين المائي، وهو دولاب الماء، حوالي عام 100 قبل الميلاد. في ذلك الوقت، كانت وظيفته الرئيسية تشغيل الآلات المستخدمة في معالجة الحبوب والري. تطور دولاب الماء، كجهاز ميكانيكي يستخدم تدفق الماء كمصدر للطاقة، إلى التوربين المائي الحالي، كما توسع نطاق استخدامه. فأين تُستخدم التوربينات المائية الحديثة بشكل رئيسي؟
تُستخدم التوربينات بشكل أساسي في محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ. فعندما يكون حمل النظام أقل من الحمل الأساسي، يمكن استخدامها كمضخة مياه لاستغلال فائض الطاقة المولدة لضخ المياه من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي لتخزين الطاقة على شكل طاقة كامنة. أما عندما يكون حمل النظام أعلى من الحمل الأساسي، فيمكن استخدامها كتوربينة هيدروليكية لتوليد الكهرباء وتنظيم الأحمال القصوى. لذا، لا تُساهم محطة الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ وحدها في زيادة قدرة النظام، ولكنها تُحسّن من كفاءة تشغيل وحدات توليد الطاقة الحرارية، وترفع الكفاءة الإجمالية للنظام. ومنذ خمسينيات القرن الماضي، حظيت وحدات التخزين بالضخ باهتمام واسع وتطورت بسرعة في مختلف دول العالم.

تعتمد معظم وحدات التخزين بالضخ التي طُوّرت في المراحل الأولى أو التي تتميز بارتفاع منسوب المياه على النوع ثلاثي الآلات، أي أنها تتكون من مولد كهربائي وتوربين مائي ومضخة مياه متصلة على التوالي. تكمن ميزتها في تصميم التوربين والمضخة بشكل منفصل، مما يتيح لكل منهما كفاءة أعلى، كما تدور الوحدة في نفس الاتجاه عند توليد الكهرباء وضخ المياه، ويمكنها التحويل بسرعة من توليد الطاقة إلى الضخ، أو العكس. في الوقت نفسه، يمكن استخدام التوربين لبدء تشغيل الوحدة. أما عيبها فهو ارتفاع التكلفة وكبر حجم الاستثمار اللازم لمحطة الطاقة.
يمكن تدوير شفرات دولاب توربين المضخة ذي التدفق المائل، ويظل أداؤه التشغيلي جيدًا حتى مع تغير منسوب المياه والحمل. مع ذلك، ونظرًا لمحدودية الخصائص الهيدروليكية وقوة المواد، لم يتجاوز صافي منسوبه ​​136.2 مترًا بحلول أوائل ثمانينيات القرن الماضي (محطة تاكاجين الأولى لتوليد الطاقة في اليابان). وللحصول على مناسيب أعلى، يلزم استخدام توربينات مضخات فرانسيس.
تتكون محطة الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ من خزانين علوي وسفلي. عند تخزين نفس كمية الطاقة، يمكن أن يؤدي رفع مستوى الماء إلى تقليل سعة التخزين، وزيادة سرعة الوحدة، وخفض تكلفة المشروع. لذلك، شهدت محطات الطاقة الكهرومائية ذات الارتفاعات العالية التي تتجاوز 300 متر تطورًا سريعًا. تم تركيب توربين فرانسيس المضخّي، صاحب أعلى ارتفاع مائي في العالم، في محطة باينا باستا للطاقة في يوغوسلافيا، ودخل حيز التشغيل منذ عام. منذ القرن العشرين، تتجه وحدات الطاقة الكهرومائية نحو تطوير معايير عالية وقدرات كبيرة. مع زيادة قدرة الطاقة الحرارية في شبكة الطاقة وتطوير الطاقة النووية، ولحل مشكلة تنظيم ذروة الطلب بشكل معقول، بالإضافة إلى التطوير أو التوسع السريع لمحطات الطاقة واسعة النطاق في أنظمة المياه الرئيسية، تعمل دول العالم بنشاط على بناء محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ، مما أدى إلى التطور السريع لتوربينات الضخ.

تُعدّ التوربينات المائية، باعتبارها آلات توليد الطاقة التي تحوّل طاقة تدفق المياه إلى طاقة ميكانيكية دورانية، جزءًا لا غنى عنه في مجموعة مولدات الطاقة الكهرومائية. في الوقت الحاضر، تتفاقم مشكلة حماية البيئة، ويتزايد استخدام الطاقة الكهرومائية النظيفة والترويج لها. وللاستفادة القصوى من مختلف الموارد المائية، حظيت المد والجزر والأنهار ذات الانحدار المنخفض، وحتى الأمواج، باهتمام واسع النطاق، مما أدى إلى التطور السريع للتوربينات الأنبوبية وغيرها من الوحدات الصغيرة.