مبدأ وعملية التوربينات الهيدروليكية في محطات الطاقة الكهرومائية

عند تزويد التوربين المائي بالطاقة الكامنة أو الحركية، يبدأ بالدوران. وعند توصيل المولد الكهربائي به، يبدأ المولد بتوليد الكهرباء. وعند رفع مستوى الماء لتنشيط التوربين، تزداد سرعته. لذا، كلما زاد فرق مستوى الماء، زادت الطاقة الحركية التي يكتسبها التوربين، وبالتالي زادت الطاقة الكهربائية القابلة للتحويل. هذا هو المبدأ الأساسي للطاقة الكهرومائية.

تتمثل عملية تحويل الطاقة في تحويل طاقة الوضع الجاذبية للماء المتدفق في التيار إلى طاقة حركية. وعندما يمر الماء عبر التوربين، تنتقل الطاقة الحركية إليه، فيقوم التوربين بدوره بتشغيل المولد لتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. لذا، فهي عملية تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

نظراً لاختلاف الظروف الطبيعية لمحطات الطاقة الكهرومائية، تتباين سعة وسرعة وحدات توليد الطاقة الكهرومائية بشكل كبير. عموماً، تعتمد المولدات الكهرومائية الصغيرة والمولدات عالية السرعة التي تعمل بتوربينات الدفع على هياكل أفقية، بينما تعتمد المولدات الكبيرة والمتوسطة السرعة على هياكل رأسية. ولأن معظم محطات الطاقة الكهرومائية تقع بعيداً عن المدن، فإنها تحتاج عادةً إلى تزويد الأحمال بالطاقة عبر خطوط نقل طويلة، ولذلك، يفرض نظام الطاقة متطلبات أعلى لاستقرار تشغيل المولدات الكهرومائية: إذ يجب اختيار معلمات المحرك بعناية، كما أن متطلبات عزم القصور الذاتي للدوار كبيرة. لذلك، يختلف شكل المولد الكهرومائي عن شكل مولد التوربينات البخارية، حيث يكون قطر دواره كبيراً وطوله قصيراً. كما أن الوقت اللازم لبدء تشغيل وحدات المولد الكهرومائي وربطها بالشبكة قصير نسبياً، وتتميز عملية تشغيلها بالمرونة. إضافةً إلى توليد الطاقة بشكل عام، فهي مناسبة بشكل خاص لوحدات تخفيف ذروة الطلب ووحدات الطوارئ الاحتياطية. وقد وصلت السعة القصوى لوحدات مولدات التوربينات المائية إلى 700000 كيلوواط.

أما مبدأ عمل المولد، فهو واضحٌ تماماً في فيزياء المرحلة الثانوية، ويعتمد على قانون الحث الكهرومغناطيسي وقانون القوة الكهرومغناطيسية. لذا، فإن المبدأ العام لتصميمه هو استخدام موصلية مغناطيسية مناسبة ومواد موصلة لتشكيل دائرة مغناطيسية ودائرة للحث الكهرومغناطيسي المتبادل لتوليد الطاقة الكهرومغناطيسية وتحقيق هدف تحويل الطاقة.

يعمل مولد التوربينات المائية بواسطة توربين مائي. يتميز دواره بقصره وسمكه، مما يقلل وقت بدء تشغيل الوحدة وربطها بالشبكة، ويمنحها مرونة في التشغيل. بالإضافة إلى توليد الطاقة بشكل عام، يُعد هذا المولد مناسبًا بشكل خاص لوحدات تخفيف ذروة الطلب ووحدات الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ. وقد بلغت السعة القصوى لوحدات مولدات التوربينات المائية 800000 كيلوواط.

يعمل مولد الديزل بمحرك احتراق داخلي. يتميز بسرعة التشغيل وسهولة الاستخدام، إلا أن تكلفة توليد الطاقة منه مرتفعة. يُستخدم بشكل أساسي كمصدر طاقة احتياطي في حالات الطوارئ، أو في المناطق التي لا تصلها شبكة الكهرباء الرئيسية، أو في محطات الطاقة المتنقلة. تتراوح قدرته من عدة كيلوواط إلى عدة كيلوواط. يتعرض عزم الدوران الخارج من عمود محرك الديزل لتذبذب دوري، لذا يجب تجنب حوادث الرنين وكسر العمود.

تحدد سرعة المولد الكهرومائي تردد التيار المتردد المُوَلَّد. ولضمان استقرار هذا التردد، يجب تثبيت سرعة الدوار. ولتحقيق ذلك، يمكن التحكم بسرعة المحرك الرئيسي (التوربين المائي) في وضع تحكم ذي حلقة مغلقة. تُؤخذ عينة من إشارة تردد التيار المتردد المراد إرسالها، ثم تُعاد إلى نظام التحكم الذي يتحكم في زاوية فتح وإغلاق ريشة التوجيه في التوربين المائي، وبالتالي التحكم في قدرة الخرج. ومن خلال مبدأ التحكم بالتغذية الراجعة، يُمكن تثبيت سرعة المولد.