نظرة عامة على توليد الطاقة الكهرومائية، ومعدات الطاقة الكهرومائية، والمنشآت الهيدروليكية

1- لمحة عامة عن توليد الطاقة الكهرومائية
يهدف توليد الطاقة الكهرومائية إلى تحويل طاقة المياه في الأنهار الطبيعية إلى طاقة كهربائية للاستخدام البشري. وتتنوع مصادر الطاقة المستخدمة في محطات توليد الطاقة، مثل الطاقة الشمسية، وطاقة مياه الأنهار، وطاقة الرياح. وتتميز محطات توليد الطاقة الكهرومائية بانخفاض تكلفتها، كما يمكن دمج إنشاء هذه المحطات مع مشاريع أخرى لإدارة المياه. وتزخر الصين بموارد مائية وفيرة، وتتمتع بظروف مثالية، مما يجعل الطاقة الكهرومائية عنصراً أساسياً في التنمية الاقتصادية الوطنية.
يكون منسوب المياه في الجزء العلوي من النهر أعلى من منسوب المياه في الجزء السفلي منه. وبسبب هذا الفرق في منسوب المياه، تتولد طاقة مائية تُسمى طاقة الوضع. ويُطلق على الفرق في ارتفاع سطح الماء في النهر اسم فرق منسوب المياه أو الارتفاع. ويُعد هذا الفرق شرطًا أساسيًا لتوليد الطاقة الكهرومائية. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد حجم الطاقة الكهرومائية أيضًا على حجم تدفق المياه في النهر، وهو شرط أساسي آخر لا يقل أهمية عن فرق منسوب المياه. يؤثر كل من فرق منسوب المياه والتصريف بشكل مباشر على حجم الطاقة الكهرومائية؛ فكلما زاد فرق منسوب المياه، زادت الطاقة الكهرومائية؛ أما إذا كان فرق منسوب المياه وحجم المياه صغيرين نسبيًا، فسيكون إنتاج محطة الطاقة الكهرومائية أقل.
يُقاس الانخفاض عادةً بالأمتار. يُعرَّف تدرج سطح الماء بأنه نسبة الانخفاض إلى المسافة، مما يُشير إلى درجة تركيز الانخفاض. فكلما كان الانخفاض مُركَّزًا نسبيًا، كان استغلال الطاقة المائية أكثر سهولة. ويُعرَّف الانخفاض المُستخدَم في محطة توليد الطاقة الكهرومائية بأنه الفرق بين سطح الماء عند المنبع وسطح الماء عند المصب بعد مروره عبر التوربين المائي.
التدفق هو كمية المياه المتدفقة عبر النهر في وحدة زمنية، ويُقاس بالمتر المكعب في الثانية. المتر المكعب من الماء يعادل طنًا واحدًا. يتغير تدفق النهر في أي وقت وأي مكان، لذا عند الحديث عن التدفق، يجب تحديد وقت ومكان التدفق بدقة. يتغير التدفق بشكل ملحوظ مع مرور الوقت. عمومًا، تتميز أنهار الصين بتدفق كبير في الصيف والخريف وموسم الأمطار، بينما يكون التدفق ضعيفًا في الشتاء والربيع. يختلف التدفق من شهر لآخر، ويتغير حجم المياه من عام لآخر. يكون تدفق الأنهار عمومًا ضعيفًا نسبيًا في المنبع؛ ومع التقاء الروافد، يزداد التدفق تدريجيًا في المصب. لذلك، على الرغم من تركز التدفق في المنبع، إلا أنه يكون ضعيفًا؛ وعلى الرغم من كبر التدفق في المصب، إلا أن التدفق يكون متفرقًا نسبيًا. لذلك، غالبًا ما يكون استخدام الطاقة المائية في المجرى الأوسط للنهر هو الخيار الأكثر اقتصادية.
بمعرفة مقدار الانخفاض والتدفق الذي تستخدمه محطة توليد الطاقة الكهرومائية، يمكن حساب إنتاجها باستخدام الصيغة التالية:
N= GQH
في الصيغة، N – الناتج، الوحدة: كيلوواط، وتسمى أيضًا الطاقة؛
Q — التدفق، بالمتر المكعب في الثانية؛
H — انخفاض، بالأمتار؛
G=9.8، هو تسارع الجاذبية الأرضية، بوحدة نيوتن/كجم
تُحسب القدرة النظرية وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه، دون خصم أي فقد. في الواقع، خلال عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تُعاني التوربينات المائية ومعدات النقل والمولدات وغيرها من فقد الطاقة. لذلك، يجب خصم القدرة النظرية، أي ضرب القدرة الفعلية القابلة للاستخدام بمعامل الكفاءة (K).
تُسمى القدرة التصميمية للمولد في محطة الطاقة الكهرومائية بالقدرة المقدرة، بينما تُسمى القدرة الفعلية بالقدرة الفعلية. في عملية تحويل الطاقة، لا مفر من فقدان جزء منها. في عملية توليد الطاقة الكهرومائية، تحدث خسائر بشكل رئيسي في التوربينات والمولدات المائية (بما في ذلك خسائر الأنابيب). في محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في المناطق الريفية، تُشكل الخسائر المختلفة ما بين 40% و50% من إجمالي القدرة النظرية، لذا لا يُمكن استخدام سوى 50% إلى 60% من القدرة النظرية في محطات الطاقة الكهرومائية، أي أن الكفاءة تتراوح بين 0.5% و0.60 (بما في ذلك كفاءة التوربينات التي تتراوح بين 0.70% و0.85%، وكفاءة المولدات التي تتراوح بين 0.85% و0.90%، وكفاءة الأنابيب ومعدات النقل التي تتراوح بين 0.80% و0.85%). لذلك، يُمكن حساب القدرة الفعلية (الناتج) لمحطة الطاقة الكهرومائية كما يلي:
K – كفاءة محطة الطاقة الكهرومائية، (0.5~0.6) يتم اعتمادها للحساب التقريبي لمحطة الطاقة الكهرومائية الصغيرة؛ يمكن تبسيط الصيغة أعلاه على النحو التالي:
N=(0.5 ～ 0.6) القدرة الفعلية لـ QHG = الكفاءة × التدفق × الانخفاض × 9.8
يُستخدم توليد الطاقة الكهرومائية عن طريق تسخير الماء لتشغيل نوع من الآلات يُسمى التوربين المائي. على سبيل المثال، تُعدّ دولاب الماء القديم في الصين مثالًا بسيطًا على التوربين المائي. تُصمّم التوربينات المائية الحديثة لتناسب ظروفًا هيدروليكية مُحددة، مما يُتيح لها الدوران بكفاءة أكبر وتحويل طاقة الماء إلى طاقة ميكانيكية. يُوصَل جهاز آخر، هو المولد، بالتوربين المائي ليُدير دوّاره معه، ومن ثمّ يتم توليد الكهرباء. ينقسم المولد إلى جزأين: جزء دوّار وجزء ثابت. يُسمى الجزء الدوّار بالدوّار، ويحتوي على العديد من الأقطاب المغناطيسية. أما الجزء الثابت، فيُسمى الجزء الدائري المحيط بالدوّار، ويُلفّ بالعديد من الملفات النحاسية. عندما تدور العديد من الأقطاب المغناطيسية للدوار في منتصف ملف النحاس الثابت، سيتم توليد تيار على سلك النحاس، والمولد هو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
يتم تحويل الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة محطة الطاقة من مختلف المعدات الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (محرك أو محرك)، وطاقة ضوئية (مصباح كهربائي)، وطاقة حرارية (فرن كهربائي)، وما إلى ذلك.

2- مكونات محطة الطاقة الكهرومائية
تتكون محطة الطاقة الكهرومائية من هياكل هيدروليكية ومعدات ميكانيكية ومعدات كهربائية.
(1) المنشآت الهيدروليكية
ويشمل ذلك السد، وبوابة المدخل، والقناة (أو النفق)، والخزان الأمامي (أو خزان التنظيم)، وأنبوب الضغط، ومحطة توليد الطاقة، ومجرى التصريف، وما إلى ذلك.
يُبنى سدٌّ في النهر لحجز مجراه، ورفع مستوى سطح الماء، وتكوين خزان. وبهذه الطريقة، يتشكل انخفاضٌ مركّزٌ من سطح الماء في الخزان الواقع على السد إلى سطح الماء في النهر أسفل السد، ثم يُضخّ الماء إلى محطة توليد الطاقة الكهرومائية عبر أنابيب أو أنفاق. في مجرى النهر شديد الانحدار، يمكن أيضًا استخدام قنوات التحويل لتكوين انخفاض. على سبيل المثال، يبلغ انخفاض النهر الطبيعي 10 أمتار لكل كيلومتر. إذا فُتحت قناة عند الطرف العلوي لهذا الجزء من النهر لضخّ الماء، فسيتم حفر القناة على طول النهر، وسيكون انحدارها مستويًا. إذا كان الانخفاض في القناة مترًا واحدًا فقط لكل كيلومتر، فسيتدفق الماء لمسافة 5 كيلومترات في القناة، وسيهبط الماء 5 أمتار فقط، بينما سيهبط الماء 50 مترًا بعد قطع مسافة 5 كيلومترات في النهر الطبيعي. في هذا الوقت، يتم إعادة توجيه المياه الموجودة في القناة إلى محطة توليد الطاقة بواسطة النهر عبر أنابيب المياه أو الأنفاق، وهناك انخفاض مركز يبلغ 45 مترًا يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء.
تُسمى محطة الطاقة الكهرومائية التي تستخدم قنوات التحويل أو الأنفاق أو أنابيب المياه (مثل الأنابيب البلاستيكية أو الأنابيب الفولاذية أو الأنابيب الخرسانية وما إلى ذلك) لتشكيل هبوط مركز محطة الطاقة الكهرومائية من نوع قناة التحويل، وهو تصميم نموذجي لمحطات الطاقة الكهرومائية.
(2) المعدات الميكانيكية والكهربائية
بالإضافة إلى الأعمال الهيدروليكية المذكورة أعلاه (السد، القناة، الخزان الأمامي، أنبوب التوربينات ومحطة توليد الطاقة)، ​​تحتاج محطة الطاقة الكهرومائية أيضًا إلى المعدات التالية:
(1) المعدات الميكانيكية
توجد توربينات هيدروليكية، ومنظمات سرعة، وصمامات بوابة، ومعدات نقل، ومعدات أخرى غير مخصصة لتوليد الطاقة.
(2) المعدات الكهربائية
توجد مولدات كهربائية، ولوحات تحكم في التوزيع، ومحولات كهربائية، وخطوط نقل، وما إلى ذلك.
مع ذلك، لا تمتلك جميع محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة الهياكل الهيدروليكية والمعدات الميكانيكية والكهربائية المذكورة أعلاه. ففي محطات الطاقة الكهرومائية ذات الارتفاع المنخفض (أقل من 6 أمتار)، يُستخدم عادةً نظام قناة التحويل وغرفة التحويل المفتوحة، دون الحاجة إلى خزانات أو أنابيب نقل. أما محطات الطاقة ذات نطاق الإمداد المحدود ومسافة النقل القصيرة، فتعتمد على النقل المباشر دون محولات. ولا تحتاج محطات الطاقة الكهرومائية المزودة بخزانات إلى بناء سدود، حيث يُستخدم مدخل مائي عميق، ولا يتطلب استخدام هياكل هيدروليكية كالهدار وبوابة السحب والقناة والخزانات في الأنابيب الداخلية (أو الأنفاق) أو فيضان السد.
لبناء محطة توليد الطاقة الكهرومائية، يجب إجراء مسح وتصميم دقيقين أولاً. يتألف التصميم من ثلاث مراحل: التصميم الأولي، والتصميم الفني، وتفاصيل الإنشاء. ولضمان جودة التصميم، لا بد من إجراء مسح شامل، أي فهم كامل للظروف الطبيعية والاقتصادية المحلية، كالتضاريس والجيولوجيا والهيدرولوجيا ورأس المال، وغيرها. ولا يمكن ضمان صحة التصميم وموثوقيته إلا بعد دراسة هذه الظروف وتحليلها.
تتخذ مكونات محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة أشكالاً مختلفة تبعاً لأنواع محطات الطاقة الكهرومائية المختلفة.

3- المسح الطبوغرافي
تؤثر جودة المسح الطبوغرافي بشكل كبير على تخطيط المشروع وتقدير الكميات.
يتطلب الاستكشاف الجيولوجي (فهم الظروف الجيولوجية) ليس فقط فهمًا عامًا وبحثًا في جيولوجيا الحوض وجيولوجيا ضفاف النهر، بل أيضًا معرفة مدى متانة أساسات غرفة الآلات، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة محطة توليد الطاقة نفسها. فعند انهيار سد ذي سعة تخزينية معينة، لن يقتصر الضرر على محطة الطاقة الكهرومائية فحسب، بل سيتسبب أيضًا في خسائر فادحة في الأرواح والممتلكات في المناطق الواقعة أسفل مجرى النهر. ولذلك، يُعطى الاختيار الجيولوجي للحوض الأمامي أولوية قصوى.

4- قياس السوائل
بالنسبة لمحطات الطاقة الكهرومائية، تُعدّ سجلات مستوى مياه النهر، وتدفقه، وتركيز الرواسب، والتجمّد، والبيانات المناخية، وبيانات مسح الفيضانات، أهم البيانات الهيدرولوجية. يؤثر حجم تدفق النهر على تصميم مفيض محطة الطاقة الكهرومائية، وقد يؤدي التقليل من شأن شدة الفيضان إلى انهيار السد. في أسوأ الأحوال، يمكن للرواسب التي يحملها النهر أن تملأ الخزان بسرعة. على سبيل المثال، يؤدي تدفق المياه إلى القناة إلى تراكم الطمي فيها، كما أن الرواسب الخشنة تمر عبر التوربينات المائية وتتسبب في تآكلها. لذلك، يجب أن تتوفر بيانات هيدرولوجية كافية عند إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية.
لذا، قبل اتخاذ قرار بناء محطة لتوليد الطاقة الكهرومائية، من الضروري دراسة اتجاهات التنمية الاقتصادية والطلب المستقبلي على الكهرباء في منطقة الإمداد. كما يجب تقييم وضع مصادر الطاقة الأخرى في المنطقة. وبعد دراسة وتحليل هذه الظروف، يمكننا تحديد جدوى بناء المحطة وحجم المشروع المطلوب.
بشكل عام، يهدف مسح الطاقة الكهرومائية إلى توفير بيانات أساسية دقيقة وموثوقة ضرورية لتصميم وبناء محطات الطاقة الكهرومائية.

5- الشروط العامة لموقع المحطة المختار
يمكن وصف الشروط العامة لاختيار موقع المحطة في الجوانب الأربعة التالية:
(1) يجب أن يكون موقع المحطة المُختار قادرًا على الاستخدام الأمثل للطاقة المائية، وأن يتوافق مع مبدأ توفير التكاليف، أي أنه بعد اكتمال محطة توليد الطاقة، سيتم إنفاق أقل تكلفة ممكنة وتوليد أقصى قدر من الطاقة. ويمكن قياس ذلك عمومًا من خلال تقدير الإيرادات السنوية من توليد الطاقة والاستثمار في بناء المحطة، لمعرفة المدة اللازمة لاسترداد رأس المال المُستثمر. ومع ذلك، ونظرًا لاختلاف الظروف الهيدرولوجية والطبوغرافية، واختلاف الطلب على الطاقة، فلا ينبغي تقييد التكلفة والاستثمار بقيم محددة.
(2) يجب أن يتمتع موقع المحطة المختار بظروف طبوغرافية وجيولوجية وهيدرولوجية ممتازة، وأن يكون تصميمه وبناؤه ممكنين. ويجب أن يلتزم بناء محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة بمبدأ "المواد المحلية" قدر الإمكان فيما يتعلق بمواد البناء.
(3) يجب أن يكون موقع المحطة المختار أقرب ما يمكن إلى منطقة إمداد الطاقة والمعالجة لتقليل الاستثمار في معدات النقل وفقدان الطاقة.
(4) عند اختيار موقع المحطة، ينبغي الاستفادة قدر الإمكان من المنشآت الهيدروليكية القائمة. على سبيل المثال، يمكن استخدام تقنية إسقاط المياه لإنشاء محطات توليد الطاقة الكهرومائية في قنوات الري، أو يمكن إنشاء محطات توليد الطاقة الكهرومائية بالقرب من خزانات الري لتوليد الكهرباء باستخدام مياه الري، وما إلى ذلك. ولأن هذه المحطات الكهرومائية تتوافق مع مبدأ توليد الكهرباء عند وجود الماء، فإن جدواها الاقتصادية تكون أكثر وضوحًا.