التوربينات المائية، وأشهرها توربينات كابلان وبيلتون وفرانسيس، هي آلة دوارة كبيرة تعمل على تحويل الطاقة الحركية والطاقة الكامنة إلى طاقة كهرومائية. وقد استُخدمت هذه المكافئات الحديثة للعجلة المائية لأكثر من 135 عامًا لتوليد الطاقة الصناعية، ومؤخرًا لتوليد الطاقة الكهرومائية.
ما هي استخدامات توربينات المياه اليوم؟
تُساهم الطاقة الكهرومائية اليوم بنسبة 16% من إجمالي توليد الكهرباء في العالم. في القرن التاسع عشر، كانت توربينات المياه تُستخدم بشكل رئيسي لتوليد الطاقة الصناعية قبل انتشار شبكات الكهرباء. أما اليوم، فتُستخدم لتوليد الطاقة الكهربائية، ويمكن العثور عليها في السدود أو المناطق التي تشهد تدفقات مائية كثيفة.
مع الارتفاع السريع في الطلب العالمي على الطاقة، وعوامل مثل تغير المناخ ونضوب الوقود الأحفوري، تتمتع الطاقة الكهرومائية بالقدرة على إحداث تأثير كبير كشكل من أشكال الطاقة الخضراء على نطاق عالمي. ومع استمرار البحث عن مصادر طاقة نظيفة وصديقة للبيئة، قد تُصبح توربينات فرانسيس حلاً شائعًا للغاية ومعتمدًا بشكل متزايد في السنوات القادمة.
كيف تقوم توربينات المياه بتوليد الكهرباء؟
يُستخدم ضغط الماء الناتج عن جريان الماء الطبيعي أو الاصطناعي كمصدر طاقة للتوربينات المائية. تُجمع هذه الطاقة وتُحوّل إلى طاقة كهرومائية. تستخدم محطات الطاقة الكهرومائية عادةً سدًا على نهر نشط لتخزين المياه. ثم تُطلق المياه تدريجيًا، فتتدفق عبر التوربين، وتدوره، وتُشغّل مولدًا يُنتج الكهرباء.
ما هو حجم توربينات المياه؟
بناءً على ضغط الماء الذي تعمل به، يمكن تصنيف توربينات المياه إلى توربينات عالية، ومتوسطة، ومنخفضة الضغط. تتميز أنظمة الطاقة الكهرومائية منخفضة الضغط بكبر حجمها، إذ يجب أن يكون التوربين المائي كبيرًا لتحقيق معدل تدفق عالٍ مع تطبيق ضغط ماء منخفض على الشفرات. في المقابل، لا تحتاج أنظمة الطاقة الكهرومائية عالية الضغط إلى محيط سطح كبير، إذ تُستخدم لتسخير الطاقة من مصادر مائية سريعة الحركة.
مخطط يوضح حجم أجزاء نظام الطاقة الكهرومائية المختلفة بما في ذلك توربينات المياه
مخطط يوضح حجم أجزاء نظام الطاقة الكهرومائية المختلفة بما في ذلك توربينات المياه
فيما يلي، سنشرح بعض الأمثلة لأنواع مختلفة من توربينات المياه المستخدمة لتطبيقات مختلفة وضغط المياه.
توربين كابلان (ضغط الرأس 0-60 متر)
تُعرف هذه التوربينات باسم توربينات رد الفعل المحورية التدفق، إذ تُغيّر ضغط الماء أثناء تدفقه. يشبه توربين كابلان المروحة، ويتميز بشفرات قابلة للتعديل لزيادة الكفاءة على نطاق واسع من مستويات المياه والضغط.
مخطط توربين كابلان
توربين بيلتون (رأس ضغط 300 متر إلى 1600 متر)
توربين بيلتون - أو عجلة بيلتون - يُعرف بأنه توربين نبضي، يستخرج الطاقة من الماء المتحرك. هذا التوربين مناسب للتطبيقات عالية الضغط، إذ يتطلب ضغطًا مائيًا عاليًا لتطبيق القوة على الدلاء الشبيهة بالملعقة، مما يؤدي إلى دوران القرص وتوليد الطاقة.
توربين بيلتون
توربين فرانسيس (رأس ضغط 60 م-300 م)
توربين فرانسيس، وهو آخر وأشهر توربين مائي، يُنتج 60% من الطاقة الكهرومائية في العالم. يعمل توربين فرانسيس كتوربين تصادمي وتفاعلي يعمل بارتفاع متوسط، ويجمع بين مفهومي التدفق المحوري والقطري. وبذلك، يُسدّ التوربين الفجوة بين التوربينات عالية ومنخفضة الارتفاع، مما يُسهم في تصميم أكثر كفاءة، ويدفع المهندسين اليوم إلى مزيد من التحسين.
وبشكل أكثر تحديدًا، يعمل توربين فرانسيس بتدفق الماء عبر غلاف حلزوني إلى ريش توجيه ثابتة تتحكم في تدفق الماء نحو ريش المجرى (المتحرك). يُجبر الماء المجرى على الدوران بفعل تأثير وتفاعل القوى، ليخرج أخيرًا من المجرى عبر أنبوب سحب يُفرّغ تدفق الماء إلى البيئة الخارجية.
كيف أختار تصميم توربين المياه؟
غالبًا ما يعتمد اختيار التصميم الأمثل للتوربين على عامل واحد: مقدار الضغط ومعدل التدفق المتاحين. بعد تحديد ضغط الماء الذي يمكنك استغلاله، يمكنك بعد ذلك تحديد ما إذا كان تصميم توربين رد الفعل المغلق، مثل توربين فرانسيس، أو تصميم توربين النبض المفتوح، مثل توربين بيلتون، هو الأنسب.
مخطط توربينات المياه
أخيرًا، يمكنك تحديد سرعة الدوران اللازمة لمولد الكهرباء المقترح.
وقت النشر: ١٥ يوليو ٢٠٢٢
