هيكل وخصائص محطة توليد الطاقة بالتخزين الضخي وإنشائها

تُعد محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ من أكثر التقنيات استخدامًا ونضجًا في مجال تخزين الطاقة على نطاق واسع، حيث تصل قدرتها المركبة إلى مستوى الجيجاواط. وتُعتبر هذه المحطات حاليًا الأكثر تطورًا ونضجًا على مستوى العالم.
تتميز محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ بتقنية ناضجة ومستقرة وفوائد شاملة عالية. تُستخدم هذه المحطات غالبًا لتخفيف ذروة الطلب وتوفير الطاقة الاحتياطية. وتُعد محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ التقنية الأكثر استخدامًا ونضجًا في مجال تخزين الطاقة على نطاق واسع، حيث تصل قدرتها المركبة إلى مستوى الجيجاواط.
بحسب إحصاءات غير مكتملة للجنة المتخصصة في تخزين الطاقة التابعة لجمعية أبحاث الطاقة الصينية، تُعدّ محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ حاليًا الأكثر تطورًا والأكبر سعةً مركّبة في العالم. وبحلول عام 2019، بلغت سعة تخزين الطاقة العالمية 180 مليون كيلوواط، وتجاوزت السعة المركّبة لمحطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ 170 مليون كيلوواط، ما يُمثّل 94% من إجمالي سعة تخزين الطاقة العالمية.

تستخدم محطة الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ الطاقةَ عند انخفاض الأحمال في الشبكة الكهربائية لضخ المياه إلى خزانات مرتفعة لتخزينها، ثم تُصرّف المياه لتوليد الطاقة خلال فترات ذروة الأحمال. فعند انخفاض الأحمال، تُعتبر محطة الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ مستهلكةً للطاقة، بينما تُصبح محطة توليد طاقة عند ذروة الأحمال.
تتألف وحدة محطة الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ من وظيفتين أساسيتين: الضخ وتوليد الطاقة. تعمل الوحدة كتوربين هيدروليكي خلال ذروة حمل نظام الطاقة. يتم ضبط فتح ريشة التوجيه للتوربين الهيدروليكي من خلال نظام التحكم لتحويل طاقة الوضع للماء إلى طاقة ميكانيكية لدوران الوحدة، ثم يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال المولد؛
عندما يكون حمل نظام الطاقة منخفضًا، يُستخدم النظام كمضخة مياه. تُستخدم الطاقة الكهربائية عند أدنى مستوى لضخ المياه من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي. ومن خلال الضبط التلقائي لنظام التحكم، يتم تعديل فتحة ريشة التوجيه تلقائيًا وفقًا لضغط المضخة، وتتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كامنة لتخزين المياه.
تُعدّ محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ مسؤولة بشكل أساسي عن تخفيف ذروة الطلب، وتعديل التردد، والاستعداد للطوارئ، وبدء تشغيل النظام الكهربائي من الصفر، مما يُحسّن من توازن أحمال النظام الكهربائي، ويرفع من جودة إمدادات الطاقة، ويعزز الجدوى الاقتصادية للنظام، ويُشكّل ركيزة أساسية لضمان التشغيل الآمن والاقتصادي والمستقر لشبكة الكهرباء. وتُعرف محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ بـ"المثبت" و"المنظم" و"الموازن" في ضمان التشغيل الآمن لشبكة الكهرباء.
يتجه تطوير محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ في العالم نحو ارتفاع منسوب المياه، وزيادة السعة، ورفع السرعة. ويعني ارتفاع منسوب المياه تطوير الوحدة لزيادة منسوب المياه، بينما تعني السعة الكبيرة زيادة قدرة الوحدة الواحدة، أما السرعة العالية فتعني اعتماد الوحدة لسرعة نوعية أعلى.

البنية والخصائص
تشمل المباني الرئيسية لمحطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ عادةً الخزان العلوي، والخزان السفلي، ونظام نقل المياه، ومحطة توليد الطاقة، ومبانٍ خاصة أخرى. وبالمقارنة مع محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية، تتميز الهياكل الهيدروليكية لمحطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ بالخصائص الرئيسية التالية:
يوجد خزانان. بالمقارنة مع محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية ذات القدرة المركبة نفسها، فإن سعة خزانات محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ عادة ما تكون صغيرة.
يتغير مستوى المياه في الخزانات بشكل كبير، حيث يرتفع وينخفض ​​بشكل متكرر. ولتلبية احتياجات شبكة الطاقة من الطاقة خلال فترات الذروة، يكون نطاق التغير اليومي لمستوى المياه في خزانات محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ واسعًا عادةً، ويتجاوز 10 إلى 20 مترًا، وقد يصل في بعض المحطات إلى 30 إلى 40 مترًا. كما أن معدل تغير مستوى المياه في الخزانات سريع، حيث يصل عادةً إلى 5 إلى 8 أمتار في الساعة، أو حتى 8 إلى 10 أمتار في الساعة.
تُعدّ متطلبات منع تسرب المياه من الخزان عالية. فإذا فقدت محطة توليد الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ كمية كبيرة من المياه نتيجة لتسرب المياه من الخزان العلوي، سينخفض ​​إنتاج الطاقة في المحطة. لذا، تُعدّ متطلبات منع تسرب المياه من الخزان عالية. وفي الوقت نفسه، وللحيلولة دون تدهور الظروف الهيدروجيولوجية في منطقة المشروع، وتجنب أضرار التسرب وتركز المياه الناتج عنه، تُفرض متطلبات أعلى لمنع تسرب المياه من الخزان.
يتميز منسوب المياه في محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ بارتفاعه، حيث يتراوح عادةً بين 200 و800 متر. وتُعد محطة جيكسي للطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ، بقدرة إجمالية مركبة تبلغ 1.8 مليون كيلوواط، أول مشروع في الصين بقسم منسوب مياه يبلغ 650 مترًا، بينما تُعد محطة دونهوا للطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ، بقدرة إجمالية مركبة تبلغ 1.4 مليون كيلوواط، أول مشروع في الصين بقسم منسوب مياه يبلغ 700 متر. ومع التطور المستمر للمستوى التقني لمحطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ، سيزداد عدد محطات الطاقة الكهرومائية ذات المنسوب العالي والقدرة الكبيرة في الصين.

يقع موقع تركيب الوحدة على ارتفاع منخفض. وللتغلب على تأثير الطفو والتسرب على محطة توليد الطاقة، اعتمدت معظم محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة التي تعمل بنظام التخزين بالضخ، والتي بُنيت محلياً ودولياً، في السنوات الأخيرة، شكل محطات توليد الطاقة تحت الأرض.