نظرة عامة على توليد الطاقة الكهرومائية ومعدات الطاقة الكهرومائية والهياكل الهيدروليكية

1. نظرة عامة على توليد الطاقة الكهرومائية
توليد الطاقة الكهرومائية هو تحويل طاقة مياه الأنهار الطبيعية إلى طاقة كهربائية يستفيد منها الناس. تتنوع مصادر الطاقة المستخدمة في محطات الطاقة، مثل الطاقة الشمسية، وطاقة مياه الأنهار، وطاقة الرياح الناتجة عن تدفق الهواء. يتميز توليد الطاقة الكهرومائية بتكلفة منخفضة، ويمكن دمج بناء محطات الطاقة الكهرومائية مع مشاريع أخرى للحفاظ على المياه. تتمتع الصين بثروة مائية وفيرة وظروف ممتازة، مما يجعلها تلعب دورًا هامًا في بناء الاقتصاد الوطني.
يكون مستوى الماء في أعلى النهر أعلى من مستوى الماء في أسفله. وبسبب الاختلاف بين مستوى الماء في النهر، تتولد طاقة مائية. تُسمى هذه الطاقة طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة. يُسمى الفرق بين ارتفاع سطح الماء في النهر بالهبوط، ويُسمى أيضًا فرق مستوى الماء أو الرأس. يُعد هذا الهبوط شرطًا أساسيًا للطاقة الهيدروليكية. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد حجم الطاقة المائية أيضًا على حجم تدفق المياه في النهر، وهو شرط أساسي آخر لا يقل أهمية عن الهبوط. يؤثر كل من الهبوط والتصريف بشكل مباشر على حجم الطاقة الهيدروليكية؛ فكلما زاد سقوط الماء، زادت الطاقة الهيدروليكية؛ فإذا كان حجم الهبوط والماء صغيرًا نسبيًا، فسيكون ناتج محطة الطاقة الكهرومائية أصغر.
يُقاس الانخفاض عادةً بالأمتار. انحدار سطح الماء هو نسبة الانخفاض إلى المسافة، مما يُشير إلى درجة تركيزه. كلما كان الانخفاض مُركزًا نسبيًا، كان استخدام الطاقة المائية أكثر ملاءمة. الانخفاض الذي تستخدمه محطة الطاقة الكهرومائية هو الفرق بين سطح الماء العلوي لمحطة الطاقة الكهرومائية وسطح الماء السفلي بعد مروره عبر التوربين الهيدروليكي.
التدفق هو كمية المياه المتدفقة عبر النهر في وحدة زمنية، معبراً عنها بالمتر المكعب في الثانية. المتر المكعب من الماء يساوي طن واحد. يتغير تدفق النهر في أي وقت وفي أي مكان، لذلك عندما نتحدث عن التدفق، يجب أن نشرح وقت المكان المحدد الذي يتدفق فيه. يتغير التدفق بشكل كبير بمرور الوقت. بشكل عام، تتمتع الأنهار في الصين بتدفق كبير في الصيف والخريف وموسم الأمطار، ولكن تدفق صغير في الشتاء والربيع. يختلف التدفق من شهر لآخر، ويختلف حجم المياه من سنة إلى أخرى. يكون تدفق الأنهار العامة صغيرًا نسبيًا في المنبع؛ مع تقارب الروافد، يزداد التدفق في اتجاه مجرى النهر تدريجيًا. لذلك، على الرغم من تركيز الانخفاض في اتجاه المنبع، إلا أن التدفق صغير؛ على الرغم من أن التدفق في اتجاه مجرى النهر كبير، إلا أن الانخفاض متفرق نسبيًا. لذلك، غالبًا ما يكون من الأكثر اقتصادا استخدام الطاقة المائية في الروافد الوسطى للنهر.
بمعرفة معدل الانخفاض والتدفق الذي تستخدمه محطة الطاقة الكهرومائية، يمكن حساب إنتاجها بالصيغة التالية:
ن = ج.ك.ح
في الصيغة، N – الناتج، الوحدة: كيلو وات، وتسمى أيضًا القدرة؛
س - التدفق، بالمتر المكعب في الثانية؛
ح - قطرة، بالأمتار؛
G=9.8، هو تسارع الجاذبية، بوحدة نيوتن/كجم
تُحسب القدرة النظرية وفقًا للمعادلة أعلاه، دون خصم أي فاقد. في الواقع، خلال عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تتعرض توربينات المياه، ومعدات النقل، والمولدات، وغيرها، لخسائر حتمية في الطاقة. لذلك، يجب خصم القدرة النظرية، أي ضرب القدرة الفعلية التي يُمكن استخدامها في معامل الكفاءة (الرمز: K).
تُسمى القدرة المُصممة للمولد في محطة الطاقة الكهرومائية القدرة المُقدرة، وتُسمى القدرة الفعلية القدرة الفعلية. لا مفر من فقدان بعض الطاقة أثناء عملية تحويل الطاقة. في عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تحدث خسائر رئيسية في التوربينات الهيدروليكية والمولدات (بما في ذلك خسائر خطوط الأنابيب). في محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة الريفية، تُشكل الخسائر المختلفة ما بين 40% و50% من إجمالي القدرة النظرية، لذا لا يمكن لمخرجات محطات الطاقة الكهرومائية استخدام سوى 50% إلى 60% من القدرة النظرية، أي أن الكفاءة تتراوح بين 0.5% و0.6% تقريبًا (بما في ذلك كفاءة التوربين التي تتراوح بين 0.7% و0.85%، وكفاءة المولد التي تتراوح بين 0.85% و0.9%، وكفاءة الأنابيب ومعدات النقل التي تتراوح بين 0.8% و0.85%). لذلك، يُمكن حساب القدرة الفعلية (الإخراج) لمحطة الطاقة الكهرومائية على النحو التالي:
K – كفاءة محطة الطاقة الكهرومائية، (0.5~0.6) يتم اعتمادها للحساب التقريبي لمحطة الطاقة الكهرومائية الصغيرة؛ ويمكن تبسيط الصيغة أعلاه على النحو التالي:
N=(0.5 ～ 0.6) القدرة الفعلية لـ QHG = الكفاءة × التدفق × الانخفاض × تسعة وثمانية
استخدام الطاقة الكهرومائية هو استخدام المياه لتشغيل نوع من الآلات، وهو ما يسمى التوربينات المائية. على سبيل المثال، فإن عجلة المياه القديمة في الصين هي توربين مائي بسيط للغاية. يتم تكييف التوربينات الهيدروليكية المختلفة المستخدمة الآن مع ظروف هيدروليكية محددة مختلفة، بحيث يمكنها الدوران بشكل أكثر فعالية وتحويل طاقة المياه إلى طاقة ميكانيكية. يتم توصيل آلة أخرى، وهي المولد، بالتوربين المائي لجعل دوار المولد يدور مع التوربين المائي، ومن ثم يمكن توليد الكهرباء. يمكن تقسيم المولد إلى جزأين: الجزء الذي يدور مع التوربين الهيدروليكي والجزء الثابت من المولد. يسمى الجزء الذي يدور مع التوربين الهيدروليكي دوار المولد، وهناك العديد من الأقطاب المغناطيسية حول الدوار؛ الدائرة حول الدوار هي الجزء الثابت من المولد، والتي تسمى الجزء الثابت للمولد. يتم لف الجزء الثابت بالعديد من الملفات النحاسية. عندما تدور العديد من الأقطاب المغناطيسية للدوار في منتصف ملف النحاس الثابت، سيتم توليد تيار على السلك النحاسي، ويقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
يتم تحويل الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة محطة الطاقة من المعدات الكهربائية المختلفة إلى طاقة ميكانيكية (محرك أو موتور)، طاقة ضوئية (مصباح كهربائي)، طاقة حرارية (فرن كهربائي)، إلخ.

2. تركيب محطة الطاقة الكهرومائية
تتكون محطة الطاقة الكهرومائية من الهياكل الهيدروليكية والمعدات الميكانيكية والمعدات الكهربائية.
(1) الهياكل الهيدروليكية
ويشمل ذلك السد، وبوابة السحب، والقناة (أو النفق)، وخزان المقدمة (أو الخزان المنظم)، وخزان القلم، ومحطة الطاقة، ومسار الذيل، وما إلى ذلك.
قم ببناء سد (سد) في النهر لحجب النهر ورفع سطح الماء وتكوين خزان. وبهذه الطريقة، يتم تكوين قطرة مركزة من سطح الماء للخزان على السد (السد) إلى سطح الماء للنهر أسفل السد، ثم يتم إدخال الماء إلى محطة الطاقة الكهرومائية من خلال أنابيب المياه أو الأنفاق. في مجرى النهر شديد الانحدار، يمكن أيضًا استخدام قنوات التحويل لتشكيل قطرة. على سبيل المثال، يبلغ قطرة النهر الطبيعي 10 أمتار لكل كيلومتر. إذا تم فتح قناة في الطرف العلوي من هذا القسم من النهر لإدخال المياه، فسيتم حفر القناة على طول النهر، وسيكون منحدر القناة مسطحًا. إذا كان الانخفاض في القناة مترًا واحدًا فقط لكل كيلومتر، فسوف يتدفق الماء 5 كيلومترات في القناة، وسوف يسقط الماء 5 أمتار فقط، بينما يسقط الماء 50 مترًا بعد المشي 5 كيلومترات في النهر الطبيعي. في هذا الوقت، يتم إرجاع المياه الموجودة في القناة إلى محطة الطاقة عن طريق النهر باستخدام أنابيب المياه أو الأنفاق، وهناك قطرة مركزة بطول 45 مترًا يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء.
محطة الطاقة الكهرومائية التي تستخدم قنوات التحويل أو الأنفاق أو أنابيب المياه (مثل الأنابيب البلاستيكية والأنابيب الفولاذية والأنابيب الخرسانية وما إلى ذلك) لتشكيل قطرة مركزة تسمى محطة الطاقة الكهرومائية من نوع قناة التحويل، وهو تخطيط نموذجي لمحطات الطاقة الكهرومائية.
(2) المعدات الميكانيكية والكهربائية
بالإضافة إلى الأعمال الهيدروليكية المذكورة أعلاه (السد، القناة، الحوض الأمامي، أنبوب الضخ ومحطة الطاقة)، ​​تحتاج محطة الطاقة الكهرومائية أيضًا إلى المعدات التالية:
(1) المعدات الميكانيكية
هناك توربينات هيدروليكية، ومنظمات، وصمامات بوابة، ومعدات نقل ومعدات غير توليد الطاقة.
(2) المعدات الكهربائية
هناك مولدات، لوحات تحكم التوزيع، محولات، خطوط نقل، الخ.
مع ذلك، لا تحتوي جميع محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة على الهياكل الهيدروليكية والمعدات الميكانيكية والكهربائية المذكورة أعلاه. إذا اعتمدت محطة الطاقة الكهرومائية ذات منسوب المياه المنخفض الذي يقل عن 6 أمتار عادةً قناة تحويل وغرفة تحويل ذات قناة مفتوحة، فلن يكون هناك خزان أمامي أو أنبوب تصريف. أما محطات الطاقة ذات نطاق إمداد الطاقة الصغير ومسافة النقل القصيرة فتعتمد النقل المباشر بدون محول. لا تحتاج محطات الطاقة الكهرومائية ذات الخزانات إلى بناء سدود، حيث يتم استخدام مدخل المياه العميق، ولا يتطلب الأنبوب الداخلي (أو النفق) ومفيض السد استخدام هياكل هيدروليكية مثل السد، وبوابة السحب، والقناة، والخزان الأمامي.
لبناء محطة طاقة كهرومائية، يجب أولاً إجراء مسح وتصميم دقيقين. يتكون التصميم من ثلاث مراحل: التصميم الأولي، والتصميم الفني، وتفاصيل الإنشاء. ولإتمام التصميم بكفاءة، يجب أولاً إجراء مسح شامل، أي فهم كامل للظروف الطبيعية والاقتصادية المحلية - أي التضاريس، والجيولوجيا، والهيدرولوجيا، ورأس المال، وغيرها. ولا يمكن ضمان صحة وموثوقية التصميم إلا بعد إتقان هذه الظروف وتحليلها.
تتعدد أشكال مكونات محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة باختلاف أنواع محطات الطاقة الكهرومائية.

3. المسح الطبوغرافي
إن جودة المسح الطبوغرافي لها تأثير كبير على تخطيط المشروع وتقدير الكميات.
لا يتطلب الاستكشاف الجيولوجي (فهم الظروف الجيولوجية) فهمًا وبحثًا عامًا لجيولوجيا الحوض وضفاف النهر فحسب، بل يتطلب أيضًا فهمًا لمتانة أساس غرفة الآلات، مما يؤثر بشكل مباشر على سلامة محطة الطاقة نفسها. فبمجرد تدمير السد ذي سعة خزان معينة، لن يقتصر الأمر على إتلاف محطة الطاقة الكهرومائية نفسها فحسب، بل سيتسبب أيضًا في خسائر فادحة في الأرواح والممتلكات في مجرى النهر. لذلك، يُعطى الاختيار الجيولوجي للخزان الأمامي الأولوية عادةً.

4. قياس كثافة السوائل
بالنسبة لمحطات الطاقة الكهرومائية، تُعدّ سجلات منسوب مياه النهر، وتدفقه، وتركيز الرواسب، والتجمد، والبيانات الجوية، وبيانات مسح الفيضانات من أهم البيانات الهيدرولوجية. يؤثر حجم تدفق النهر على تصميم مفيض محطة الطاقة الكهرومائية، ويُقلّل من شدة الفيضان، مما قد يؤدي إلى تدمير السد. في أسوأ الأحوال، قد تملأ الرواسب التي يحملها النهر الخزان بسرعة. على سبيل المثال، قد يُسبب التدفق الداخل إلى القناة ترسبًا في القناة، بينما تمر الرواسب الخشنة عبر التوربين الهيدروليكي مُسببةً تآكله. لذلك، يجب أن تتوفر بيانات هيدرولوجية كافية عند بناء محطات الطاقة الكهرومائية.
لذلك، قبل اتخاذ قرار بناء محطة طاقة كهرومائية، من الضروري دراسة وبحث اتجاه التنمية الاقتصادية والطلب المستقبلي على الكهرباء في منطقة إمداد الطاقة. وفي الوقت نفسه، تقييم وضع مصادر الطاقة الأخرى في منطقة التطوير. فقط بعد دراسة وتحليل الظروف المذكورة أعلاه، يُمكننا تحديد مدى الحاجة إلى بناء محطة الطاقة الكهرومائية وحجم البناء المطلوب.
بشكل عام، الغرض من مسح الطاقة الكهرومائية هو توفير البيانات الأساسية الدقيقة والموثوقة اللازمة لتصميم وبناء محطات الطاقة الكهرومائية.

5. الشروط العامة لموقع المحطة المختارة
يمكن وصف الشروط العامة لاختيار موقع المحطة في الجوانب الأربعة التالية:
(١) يجب أن يكون موقع المحطة المختار قادرًا على تحقيق أقصى استفادة من طاقة المياه، وأن يتوافق مع مبدأ توفير التكاليف، أي أنه بعد اكتمال بناء محطة الطاقة، سيتم إنفاق الحد الأدنى من التكلفة وتوليد أقصى قدر من الطاقة. ويمكن قياس ذلك عمومًا من خلال تقدير الإيرادات السنوية من توليد الطاقة والاستثمار في بناء المحطة، لمعرفة مدة استرداد رأس المال المستثمر. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف الظروف الهيدرولوجية والطبوغرافية واختلاف الطلب على الطاقة، لا ينبغي أن تقتصر التكلفة والاستثمار على قيم محددة.
(٢) يجب أن يتمتع موقع المحطة المختارة بظروف طبوغرافية وجيولوجية وهيدرولوجية ممتازة، وأن يكون قابلاً للتصميم والبناء. ويجب أن يتوافق بناء محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة مع مبدأ "المواد المحلية" قدر الإمكان من حيث مواد البناء.
(3) يجب أن يكون موقع المحطة المختارة قريبًا قدر الإمكان من منطقة إمداد الطاقة والمعالجة لتقليل الاستثمار في معدات النقل وفقدان الطاقة.
(٤) عند اختيار موقع المحطة، يُراعى استخدام الهياكل الهيدروليكية القائمة قدر الإمكان. على سبيل المثال، يمكن استخدام قطرات الماء لبناء محطات الطاقة الكهرومائية في قنوات الري، أو بناء محطات الطاقة الكهرومائية بالقرب من خزانات الري لتوليد الكهرباء باستخدام تدفقات الري، إلخ. ولأن هذه المحطات تتوافق مع مبدأ توليد الكهرباء بوجود الماء، فإن أهميتها الاقتصادية تتجلى بوضوح.