معلومات قليلة عن الطاقة الكهرومائية

في الأنهار الطبيعية، يتدفق الماء من المنبع إلى المصب مختلطًا بالرواسب، وغالبًا ما يجرف قاع النهر وضفافه، مما يدل على وجود طاقة كامنة في الماء. في الظروف الطبيعية، تُستهلك هذه الطاقة الكامنة في التجريف، ودفع الرواسب، والتغلب على مقاومة الاحتكاك. إذا أنشأنا بعض المباني وركّبنا بعض المعدات اللازمة لتوفير تدفق مستمر للمياه عبر توربين مائي، فسيدور التوربين بفعل تيار الماء، كطاحونة هوائية، بشكل متواصل، وتتحول طاقة الماء إلى طاقة ميكانيكية. عندما يُدير التوربين المولد الكهربائي، يُولّد الكهرباء، وتتحول طاقة الماء إلى طاقة كهربائية. هذا هو المبدأ الأساسي لتوليد الطاقة الكهرومائية. تُعدّ التوربينات المائية والمولدات الكهربائية من أهم المعدات الأساسية لتوليد الطاقة الكهرومائية. دعوني أقدم لكم نبذة مختصرة عن أساسيات توليد الطاقة الكهرومائية.

1. الطاقة الكهرومائية وطاقة تدفق المياه

في تصميم محطة توليد الطاقة الكهرومائية، لتحديد حجم المحطة، من الضروري معرفة قدرتها على توليد الطاقة. وفقًا للمبادئ الأساسية لتوليد الطاقة الكهرومائية، من السهل ملاحظة أن قدرة المحطة على توليد الطاقة تتحدد بكمية الشغل الذي يمكن أن ينجزه التيار. يُطلق على إجمالي الشغل الذي يمكن أن ينجزه الماء خلال فترة زمنية محددة اسم طاقة الماء، بينما يُطلق على الشغل الذي يمكن إنجازه في وحدة زمنية (ثانية) اسم قدرة التيار. من الواضح أنه كلما زادت قدرة تدفق الماء، زادت قدرة المحطة على توليد الطاقة. لذلك، لمعرفة قدرة المحطة على توليد الطاقة، يجب أولًا حساب قدرة تدفق الماء. يمكن حساب قدرة تدفق الماء في النهر على النحو التالي: بافتراض أن انخفاض سطح الماء في مقطع معين من النهر هو H (متر)، وحجم الماء H الذي يمر عبر المقطع العرضي للنهر في وحدة زمنية (ثانية) هو Q (متر مكعب/ثانية)، فإن قدرة التدفق في المقطع العرضي تساوي حاصل ضرب وزن الماء في الانخفاض. من الواضح أنه كلما زاد ارتفاع قطرة الماء، زاد التدفق، وزادت قوة تدفق الماء.
2. إنتاج محطات الطاقة الكهرومائية

عند مستوى معين من الارتفاع والتدفق، تُسمى الطاقة الكهربائية التي يمكن لمحطة توليد الطاقة الكهرومائية "مخرجات الطاقة الكهرومائية". ومن البديهي أن هذه المخرجات تعتمد على قوة تدفق المياه عبر التوربينات. في عملية تحويل الطاقة المائية إلى طاقة كهربائية، يجب أن تتغلب المياه على مقاومة قاع النهر أو المباني على طول مسارها من المنبع إلى المصب. كما يجب على التوربينات المائية والمولدات ومعدات النقل التغلب على العديد من المقاومات أثناء عملها. وللتغلب على هذه المقاومة، لا بد من بذل شغل، وبالتالي استهلاك طاقة تدفق المياه، وهو أمر لا مفر منه. لذلك، فإن طاقة تدفق المياه التي يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء أقل من القيمة المحسوبة بالمعادلة، أي أن مخرجات محطة الطاقة الكهرومائية يجب أن تساوي طاقة تدفق المياه مضروبة في عامل أقل من 1. ويُسمى هذا العامل أيضًا "كفاءة" محطة الطاقة الكهرومائية.
تعتمد القيمة النوعية لكفاءة محطة توليد الطاقة الكهرومائية على مقدار فقد الطاقة الذي يحدث أثناء تدفق المياه عبر المبنى والتوربينات المائية ومعدات النقل والمولدات، فكلما زاد الفقد، انخفضت الكفاءة. في محطة صغيرة، يمثل مجموع هذه الخسائر ما بين 25% و40% من طاقة تدفق المياه. بمعنى آخر، يدخل إلى المحطة تدفق مياه قادر على توليد 100 كيلوواط من الكهرباء، بينما لا يستطيع المولد توليد سوى 60 إلى 75 كيلوواط، وبالتالي فإن كفاءة المحطة تعادل 60 إلى 75%.

يتضح مما سبق أنه عندما يكون معدل تدفق محطة توليد الطاقة وفرق مستوى المياه ثابتين، فإن إنتاج الطاقة يعتمد على كفاءة المحطة. وقد أثبتت التجارب العملية أنه بالإضافة إلى أداء التوربينات المائية والمولدات ومعدات النقل، هناك عوامل أخرى تؤثر على كفاءة محطات الطاقة الكهرومائية، مثل جودة بناء المحطة وتركيب المعدات، وجودة التشغيل والإدارة، وصحة تصميم المحطة. وبالطبع، بعض هذه العوامل مؤثرة بشكل مباشر وبعضها غير مباشر، وفي بعض الحالات، قد تتحول العوامل المباشرة إلى عوامل غير مباشرة.
ومع ذلك، ومهما كان العامل، فإن العامل الحاسم هو أن الإنسان ليس مجرد شيء، وأن الآلات تُتحكم بها، وأن التكنولوجيا تحكمها الأفكار. لذا، في تصميم وبناء واختيار معدات محطات الطاقة الكهرومائية، من الضروري إبراز الدور الإنساني بشكل كامل، والسعي نحو التميز التكنولوجي لتقليل فقد الطاقة في تدفق المياه إلى أدنى حد ممكن. وهذا الأمر بالغ الأهمية، خاصةً في بعض محطات الطاقة الكهرومائية التي يكون فيها انخفاض منسوب المياه منخفضًا نسبيًا. في الوقت نفسه، من الضروري تعزيز تشغيل وإدارة محطات الطاقة الكهرومائية بشكل فعال، لتحسين كفاءتها، والاستغلال الأمثل للموارد المائية، وتمكين محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة من أداء دور أكبر.