كيفية تحسين مولد توربينات فرانسيس

التوربينات المائية، ومن أشهرها توربينات كابلان وبيلتون وفرانسيس، هي آلات دوارة ضخمة تعمل على تحويل الطاقة الحركية والكامنة إلى طاقة كهرومائية. وقد استُخدمت هذه التوربينات الحديثة، التي تُعدّ بمثابة نظائر لعجلات المياه، لأكثر من 135 عامًا في توليد الطاقة الصناعية، ومؤخرًا في توليد الطاقة الكهرومائية.

ما هي استخدامات التوربينات المائية اليوم؟
تُساهم الطاقة الكهرومائية اليوم بنسبة 16% من إنتاج الطاقة في العالم. في القرن التاسع عشر، كانت التوربينات المائية تُستخدم بشكل أساسي لتوليد الطاقة الصناعية قبل انتشار شبكات الكهرباء. أما الآن، فتُستخدم لتوليد الطاقة الكهربائية، ويمكن العثور عليها في السدود أو المناطق التي تشهد تدفقًا كثيفًا للمياه.
مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة بوتيرة متسارعة، وتأثير عوامل مثل تغير المناخ ونضوب الوقود الأحفوري، تتمتع الطاقة الكهرومائية بإمكانية إحداث تأثير كبير كشكل من أشكال الطاقة النظيفة على مستوى العالم. ومع استمرار البحث عن مصادر طاقة نظيفة وصديقة للبيئة، قد تُثبت توربينات فرانسيس أنها حل شائع ومتزايد الانتشار في السنوات القادمة.

كيف تولد التوربينات المائية الكهرباء؟
يُعد ضغط الماء الناتج عن تدفق المياه الطبيعي أو الصناعي مصدرًا للطاقة اللازمة لتشغيل التوربينات المائية. تُجمع هذه الطاقة وتُحوّل إلى طاقة كهرومائية. عادةً ما تستخدم محطات الطاقة الكهرومائية سدًا على نهر نشط لتخزين المياه. ثم تُطلق المياه على دفعات، فتتدفق عبر التوربين، مما يؤدي إلى دورانه وتشغيل مولد كهربائي ينتج الكهرباء.

ما هو حجم التوربينات المائية؟
تُصنّف توربينات المياه، بحسب فرق الارتفاع الذي تعمل تحته، إلى توربينات عالية ومتوسطة ومنخفضة الارتفاع. تتميز أنظمة الطاقة الكهرومائية منخفضة الارتفاع بحجمها الكبير، إذ يتطلب ذلك توربينًا ضخمًا لتحقيق معدل تدفق عالٍ مع تطبيق ضغط منخفض على شفراته. في المقابل، لا تحتاج أنظمة الطاقة الكهرومائية عالية الارتفاع إلى مساحة سطح كبيرة، لأنها تُستخدم لتسخير الطاقة من مصادر المياه سريعة الجريان.

مخطط يوضح حجم أجزاء نظام الطاقة الكهرومائية المختلفة بما في ذلك التوربين المائي
مخطط يوضح حجم أجزاء نظام الطاقة الكهرومائية المختلفة بما في ذلك التوربين المائي
فيما يلي، سنشرح بعض الأمثلة على أنواع مختلفة من توربينات المياه المستخدمة في تطبيقات مختلفة وضغط مياه مختلف.

توربين كابلان (ضغط رأسي من 0 إلى 60 متر)
تُعرف هذه التوربينات باسم توربينات رد الفعل ذات التدفق المحوري، لأنها تُغير ضغط الماء أثناء تدفقه عبرها. يشبه توربين كابلان المروحة، ويتميز بشفرات قابلة للتعديل لزيادة الكفاءة إلى أقصى حد في نطاق واسع من مستويات الماء والضغط.

مخطط توربين كابلان
توربين بيلتون (ضغط رأسي من 300 متر إلى 1600 متر)
تُعرف توربينة بيلتون - أو عجلة بيلتون - بأنها توربينة دافعة، حيث تستخلص الطاقة من المياه المتحركة. وتُناسب هذه التوربينة التطبيقات ذات الضغط العالي، إذ تتطلب ضغطًا عاليًا للماء لتطبيق قوة على الدلاء ذات الشكل الملعقي، مما يؤدي إلى دوران القرص وتوليد الطاقة.

توربين بيلتون
توربينات فرانسيس (ضغط رأسي من 60 إلى 300 متر)
تُعدّ توربينات فرانسيس المائية، وهي الأخيرة والأكثر شهرة، مسؤولة عن 60% من الطاقة الكهرومائية في العالم. تعمل هذه التوربينات كنوع من التوربينات التي تعتمد على التصادم ورد الفعل عند ضغط متوسط، حيث تجمع بين مفاهيم التدفق المحوري والقطري. وبذلك، تسدّ هذه التوربينات الفجوة بين توربينات الضغط العالي والمنخفض، مما يُتيح تصميمًا أكثر كفاءة، ويُحفّز المهندسين اليوم على مواصلة تطويرها.

وبشكل أكثر تحديداً، تعمل توربينات فرانسيس بتدفق الماء عبر غلاف حلزوني إلى ريش توجيه (ثابتة) تتحكم في تدفق الماء نحو شفرات الدوّار (المتحركة). يدفع الماء الدوّار للدوران بفعل قوة الصدم ورد الفعل، ثم يخرج الماء من الدوّار عبر أنبوب سحب يصرفه إلى البيئة الخارجية.

كيف أختار تصميم توربينات المياه؟
يعتمد اختيار تصميم التوربين الأمثل غالبًا على عامل واحد: مقدار الضغط ومعدل التدفق المتاحين. بمجرد تحديد ضغط الماء الذي يمكنك استغلاله، يمكنك حينها تحديد ما إذا كان تصميم التوربين المغلق "التفاعلي" مثل توربين فرانسيس أو تصميم التوربين المفتوح "الاندفاعي" مثل توربين بيلتون هو الأنسب.

مخطط توربين مائي
وأخيراً، يمكنك تحديد سرعة الدوران اللازمة للمولد الكهربائي المقترح.