تُنتج محطات الطاقة الكهرومائية عالميًا حوالي 24% من كهرباء العالم، وتُزوّد أكثر من مليار شخص بالطاقة. ووفقًا للمختبر الوطني للطاقة المتجددة، تُنتج محطات الطاقة الكهرومائية في العالم ما مجموعه 675,000 ميجاواط، أي ما يعادل 3.6 مليار برميل من النفط. ويعمل في الولايات المتحدة أكثر من 2000 محطة طاقة كهرومائية، مما يجعل الطاقة الكهرومائية أكبر مصدر للطاقة المتجددة في البلاد.
في هذه المقالة، سنلقي نظرة على كيفية توليد الطاقة من المياه المتساقطة، ونتعرف على الدورة الهيدرولوجية التي تُنتج تدفق المياه الضروري للطاقة الكهرومائية. كما ستُلقي نظرة على أحد التطبيقات الفريدة للطاقة الكهرومائية التي قد تؤثر على حياتك اليومية.
عند مشاهدة نهرٍ يتدفق، يصعب تخيّل القوة التي يحملها. إذا سبق لك ممارسة رياضة التجديف في المياه البيضاء، فقد شعرتَ بجزءٍ بسيط من قوة النهر. تتشكل منحدرات المياه البيضاء كنهر، يحمل كمياتٍ كبيرةً من المياه إلى أسفل، مُشكّلةً اختناقاتٍ عبر ممرٍّ ضيق. ومع إجبار النهر على عبور هذه الفتحة، يتسارع تدفقه. الفيضانات مثالٌ آخر على مدى القوة التي يمكن أن تُحدثها كمياتٌ هائلةٌ من المياه.
تستغل محطات الطاقة الكهرومائية طاقة الماء وتستخدم آليات بسيطة لتحويلها إلى كهرباء. في الواقع، تعتمد محطات الطاقة الكهرومائية على مفهوم بسيط: الماء المتدفق عبر سد يُشغّل توربينًا، والذي بدوره يُشغّل مولدًا كهربائيًا.
وفيما يلي المكونات الأساسية لمحطة الطاقة الكهرومائية التقليدية:
العمود الذي يربط التوربين بالمولد
السد - تعتمد معظم محطات الطاقة الكهرومائية على سد يحجز المياه، مما يُكوّن خزانًا كبيرًا. غالبًا ما يُستخدم هذا الخزان كبحيرة ترفيهية، كما هو الحال في بحيرة روزفلت عند سد غراند كولي في ولاية واشنطن.
مدخل المياه - تُفتح بوابات السد، فتسحب الجاذبية الماء عبر أنبوب السحب، وهو أنبوب يؤدي إلى التوربين. يتراكم الماء ضغطًا أثناء تدفقه عبر هذا الأنبوب.
التوربين - يصطدم الماء بشفرات التوربين الكبيرة ويديرها، وهي متصلة بمولد كهربائي فوقها عبر عمود. يُعد توربين فرانسيس أكثر أنواع التوربينات شيوعًا في محطات الطاقة الكهرومائية، وهو يشبه قرصًا كبيرًا بشفرات منحنية. يمكن أن يصل وزن التوربين إلى 172 طنًا، ويدور بسرعة 90 دورة في الدقيقة، وفقًا لمؤسسة تعليم المياه والطاقة (FWEE).
المولدات - مع دوران شفرات التوربين، تدور سلسلة من المغناطيسات داخل المولد. تدور مغناطيسات عملاقة عبر ملفات نحاسية، منتجةً تيارًا مترددًا (AC) بتحريك الإلكترونات. (ستتعرف على المزيد حول كيفية عمل المولد لاحقًا).
المحول – يقوم المحول الموجود داخل محطة الطاقة بأخذ التيار المتردد وتحويله إلى تيار بجهد أعلى.
خطوط الطاقة - تحتوي كل محطة طاقة على أربعة أسلاك: المراحل الثلاث لتوليد الطاقة في آنٍ واحد، بالإضافة إلى سلك محايد أو أرضي مشترك بين المراحل الثلاث. (اقرأ مقال "كيف تعمل شبكات توزيع الطاقة" لمعرفة المزيد عن نقل الطاقة عبر خطوط الطاقة).
التدفق الخارجي - يتم نقل المياه المستخدمة عبر خطوط الأنابيب، والتي تسمى الأنابيب الخلفية، وتعود إلى النهر في اتجاه مجرى النهر.
يُعتبر الماء في الخزان طاقةً مُخزَّنة. عند فتح البوابات، يتحول الماء المتدفق عبر أنبوب الضغط إلى طاقة حركية لأنه في حالة حركة. تُحدَّد كمية الكهرباء المُولَّدة بعوامل عديدة، منها حجم تدفق الماء وكمية الضغط الهيدروليكي. يُشير الضغط إلى المسافة بين سطح الماء والتوربينات. مع ازدياد الضغط والتدفق، تزداد كمية الكهرباء المُولَّدة. يعتمد الضغط عادةً على كمية الماء في الخزان.
هناك نوع آخر من محطات الطاقة الكهرومائية، يُسمى محطة الضخ والتخزين. في محطة الطاقة الكهرومائية التقليدية، يتدفق الماء من الخزان عبر المحطة، ثم يخرج منها، ثم يُحمل مع التيار. تحتوي محطة الضخ والتخزين على خزانين:
الخزان العلوي - كما هو الحال في محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية، يُنشئ السد خزانًا. يتدفق الماء في هذا الخزان عبر محطة الطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء.
الخزان السفلي - يتدفق الماء الخارج من محطة الطاقة الكهرومائية إلى خزان سفلي بدلاً من إعادة دخول النهر والتدفق في اتجاه مجرى النهر.
باستخدام توربين عكسي، تستطيع المحطة ضخ المياه إلى الخزان العلوي. يتم ذلك في غير أوقات الذروة. يقوم الخزان الثاني بإعادة ملء الخزان العلوي. بضخ المياه إلى الخزان العلوي، يتوفر للمحطة المزيد من المياه لتوليد الكهرباء خلال فترات ذروة الاستهلاك.
المولد
المولد هو قلب محطة الطاقة الكهرومائية. معظم محطات الطاقة الكهرومائية مزودة بالعديد من هذه المولدات.
كما قد تظن، يُولّد المولد الكهرباء. العملية الأساسية لتوليد الكهرباء بهذه الطريقة هي تدوير سلسلة من المغناطيسات داخل ملفات سلكية. تُحرّك هذه العملية الإلكترونات، مما يُنتج تيارًا كهربائيًا.
يضم سد هوفر 17 مولدًا، كل منها قادر على توليد ما يصل إلى 133 ميجاواط. تبلغ السعة الإجمالية لمحطة الطاقة الكهرومائية في سد هوفر 2074 ميجاواط. يتكون كل مولد من أجزاء أساسية محددة:
عندما يدور التوربين، يُرسل المُثير تيارًا كهربائيًا إلى الدوار. الدوار عبارة عن سلسلة من المغناطيسات الكهربائية الكبيرة تدور داخل ملفٍّ مُحكم من سلك نحاسي، يُسمى الجزء الثابت. يُولّد المجال المغناطيسي بين الملف والمغناطيسات تيارًا كهربائيًا.
في سد هوفر، ينتقل تيار بقوة 16,500 أمبير من المولد إلى المحول، حيث يرتفع التيار إلى 230,000 أمبير قبل أن ينتقل.
تستفيد محطات الطاقة الكهرومائية من عملية طبيعية مستمرة، وهي العملية التي تُسبب هطول الأمطار وارتفاع منسوب الأنهار. يفقد كوكبنا يوميًا كمية صغيرة من الماء عبر الغلاف الجوي، نتيجةً لتفكك جزيئات الماء بفعل الأشعة فوق البنفسجية. وفي الوقت نفسه، تنبعث مياه جديدة من باطن الأرض نتيجةً للنشاط البركاني. وتكاد تكون كمية الماء المُكوّنة والمفقودة متساوية.
في أي وقت، يتخذ إجمالي حجم الماء في العالم أشكالًا متعددة. فقد يكون سائلًا، كما في المحيطات والأنهار والأمطار؛ أو صلبًا، كما في الأنهار الجليدية؛ أو غازيًا، كما في بخار الماء غير المرئي في الهواء. تتغير حالة الماء مع تحركه حول الكوكب بفعل تيارات الرياح. تتولد تيارات الرياح نتيجةً للنشاط الحراري للشمس. أما دورات التيارات الهوائية فتنشأ نتيجةً لتعرض خط الاستواء لأشعة الشمس أكثر من المناطق الأخرى من الكوكب.
تُمرر دورات التيارات الهوائية إمدادات المياه على الأرض عبر دورة خاصة بها، تُسمى الدورة الهيدرولوجية. عندما تُسخّن الشمس الماء السائل، يتبخر الماء إلى بخار في الهواء. تُسخّن الشمس الهواء، مما يُؤدي إلى ارتفاعه في الغلاف الجوي. يكون الهواء أبرد في الأعلى، لذا يبرد بخار الماء مع ارتفاعه، مُتكاثفًا على شكل قطرات. عندما تتراكم قطرات كافية في منطقة واحدة، قد تُصبح القطرات ثقيلة بما يكفي لتسقط عائدةً إلى الأرض على شكل أمطار.
الدورة الهيدرولوجية مهمة لمحطات الطاقة الكهرومائية لاعتمادها على تدفق المياه. في حال شحّ الأمطار بالقرب من المحطة، لن تتجمع المياه أمامها. ومع عدم تجمع المياه أمامها، يقلّ تدفق المياه عبر محطة الطاقة الكهرومائية، وبالتالي تقلّ كمية الكهرباء المُولّدة.
الفكرة الأساسية للطاقة الكهرومائية هي استخدام قوة سائل متحرك لتدوير ريشة توربين. عادةً، يتطلب الأمر بناء سد كبير في منتصف النهر لأداء هذه الوظيفة. ويستغل اختراع جديد فكرة الطاقة الكهرومائية على نطاق أصغر بكثير لتوفير الكهرباء للأجهزة الإلكترونية المحمولة.
ابتكر المخترع روبرت كوماريشكا من أونتاريو، كندا، فكرة تركيب مولدات طاقة كهرومائية صغيرة في نعال الأحذية. ويعتقد أن هذه التوربينات الدقيقة ستولد طاقة كافية لتشغيل أي جهاز تقريبًا. في مايو 2001، حصل كوماريشكا على براءة اختراع لجهازه الفريد الذي يعمل بالقدم.
هناك مبدأ أساسي في كيفية المشي: تلامس القدم الكعب مع أصابع القدم في كل خطوة. عندما تلامس قدمك الأرض، تنتقل القوة عبر الكعب. وعندما تستعد للخطوة التالية، تُدحرج قدمك للأمام، فتنتقل القوة إلى مقدمة القدم. يبدو أن كوماريتشكا لاحظ هذا المبدأ الأساسي للمشي، وطوّر فكرةً لتسخير قوة هذا النشاط اليومي.
تتكون "أحذية كوماريتشكا مع مجموعة مولد الطاقة الكهرومائية" من خمسة أجزاء، كما هو موضح في براءة اختراعها:
السائل - سوف يستخدم النظام سائلًا موصلًا للكهرباء.
أكياس لحمل السوائل – يتم وضع كيس واحد في الكعب وآخر في قسم أصابع القدم من الحذاء.
القنوات - تقوم القنوات بربط كل كيس بمولد صغير.
التوربين - عندما يتحرك الماء ذهابًا وإيابًا في النعل، فإنه يحرك شفرات توربين صغير.
المولد الصغير – يقع المولد بين الكيسين المملوءين بالسائل، ويتضمن دوارًا ريشيًا، والذي يدير عمودًا ويدير المولد.
أثناء مشي الشخص، يدفع ضغط السائل في الكيس الموجود في كعب الحذاء السائل عبر الأنبوب إلى وحدة مولد الطاقة الكهرومائية. ومع استمرار المستخدم في المشي، يرتفع الكعب، ويُمارس ضغط لأسفل على الكيس الموجود أسفل مقدمة قدمه. تُدير حركة السائل الدوار والعمود لتوليد الكهرباء.
سيتم توفير مقبس خارجي لتوصيل الأسلاك بجهاز محمول. كما يمكن توفير وحدة إخراج للتحكم بالطاقة تُعلق على حزام المستخدم. يمكن بعد ذلك توصيل الأجهزة الإلكترونية بوحدة إخراج التحكم بالطاقة هذه، مما يوفر مصدرًا ثابتًا للكهرباء.
مع تزايد عدد الأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطاريات، تنص براءة الاختراع على أن هناك حاجة متزايدة لتوفير مصدر كهربائي طويل الأمد، قابل للتكيف، وفعال. ويتوقع كوماريتشكا أن يُستخدم جهازه لتشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف المحمولة، ومشغلات الأقراص المضغوطة، وأجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وأجهزة الاتصال اللاسلكي.
وقت النشر: ٢١ يوليو ٢٠٢٢
