لطالما حظي توليد الطاقة الكهرومائية، كمصدر طاقة متجددة ونظيفة وخالية من التلوث، بتقدير الناس. واليوم، تُستخدم محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة والمتوسطة الحجم على نطاق واسع، وتتميز بتقنيات طاقة متجددة متطورة نسبيًا في جميع أنحاء العالم. على سبيل المثال، تُعد محطة الخوانق الثلاثة للطاقة الكهرومائية في الصين أكبر محطة طاقة كهرومائية في العالم. ومع ذلك، فإن لمحطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة والمتوسطة الحجم آثارًا سلبية عديدة على البيئة، مثل السدود التي تعيق التدفق السلس للأنهار الطبيعية، وتعيق تصريف الرواسب، وتغير بيئة النظام البيئي. كما يتطلب بناء محطات الطاقة الكهرومائية غمرًا واسعًا للأراضي، مما يؤدي إلى هجرة أعداد كبيرة من السكان.
باعتبارها مصدرًا جديدًا للطاقة، تتميز الطاقة الكهرومائية الصغيرة بتأثير أقل بكثير على البيئة، ولذلك تحظى بتقدير متزايد من قبل الناس. محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، شأنها شأن محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة والمتوسطة الحجم، هي محطات طاقة كهرومائية. يُشار عادةً إلى محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة وأنظمة الطاقة ذات السعة المركبة الصغيرة جدًا، والتي تختلف سعتها المركبة باختلاف الظروف الوطنية لكل دولة.
في الصين، يشير مصطلح "الطاقة الكهرومائية الصغيرة" إلى محطات الطاقة الكهرومائية وشبكات الكهرباء المحلية الداعمة لها، والتي تبلغ قدرتها المركبة 25 ميجاوات أو أقل، والتي تُموّل وتُشغّل من قِبل جهات محلية أو جماعية أو فردية. تُصنّف الطاقة الكهرومائية الصغيرة ضمن الطاقة النظيفة غير الكربونية، التي لا تُعاني من مشكلة استنزاف الموارد ولا تُلوّث البيئة. وهي عنصر أساسي في تنفيذ الصين لاستراتيجية التنمية المستدامة.
لقد لعب تطوير الطاقة المتجددة مثل الطاقة الكهرومائية الصغيرة وفقًا للظروف المحلية وتحويل موارد الطاقة الكهرومائية إلى كهرباء عالية الجودة دورًا مهمًا في ضمان التنمية الاقتصادية والاجتماعية الوطنية وتحسين نوعية حياة الناس وحل مشكلة استهلاك الكهرباء في المناطق التي لا تحتوي على كهرباء ونقص الطاقة وتعزيز حوكمة الأنهار وتحسين البيئة وحماية البيئة والتنمية الاجتماعية والاقتصادية المحلية.
تمتلك الصين احتياطيات وفيرة من موارد الطاقة الكهرومائية الصغيرة، مع احتياطي نظري يقدر بـ 150 مليون كيلوواط وقدرة مثبتة محتملة تزيد عن 70000 ميجاواط للتطوير. إنه خيار لا مفر منه لتطوير الطاقة الكهرومائية الصغيرة بقوة لتحسين هيكل الطاقة في سياق حماية البيئة منخفضة الكربون، والحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات، والتنمية المستدامة. وفقًا لخطة وزارة الموارد المائية، بحلول عام 2020، ستبني الصين 10 مقاطعات للطاقة الكهرومائية الصغيرة بسعة مثبتة تزيد عن 5 ملايين كيلوواط، و100 قاعدة كبيرة للطاقة الكهرومائية الصغيرة بسعة مثبتة تزيد عن 200000 كيلوواط، و300 مقاطعة للطاقة الكهرومائية الصغيرة بسعة مثبتة تزيد عن 100000 كيلوواط. بحلول عام 2023، كما هو مخطط من قبل وزارة الموارد المائية، لن يحقق توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة هدف عام 2020 فحسب، بل سيحظى أيضًا بتنمية أكبر على هذا الأساس.
محطة الطاقة الكهرومائية هي نظام توليد طاقة يُحوّل طاقة الماء إلى كهرباء بواسطة توربين مائي، وتُعدّ مجموعة مولدات التوربينات المائية الجهاز الأساسي لتحويل الطاقة في أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة. تنقسم عملية تحويل الطاقة في مجموعة مولدات الطاقة الكهرومائية إلى مرحلتين.
المرحلة الأولى: تُحوّل الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة ميكانيكية للتوربين المائي. يختلف تدفق الماء باختلاف الارتفاعات والتضاريس. عندما يصطدم تدفق الماء من موقع أعلى بالتوربين في موقع أدنى، تُحوّل الطاقة الكامنة الناتجة عن تغير مستوى الماء إلى طاقة ميكانيكية للتوربين.
في المرحلة الثانية، تُحوّل الطاقة الميكانيكية للتوربين المائي أولًا إلى طاقة كهربائية، تُنقل بدورها إلى المعدات الكهربائية عبر خطوط نقل الطاقة الكهربائية. بعد تأثر التوربين المائي بتدفق الماء، يُحرّك المولد المتصل به محوريًا ليدور. يُحرّك دوار المولد الدوار المجال المغناطيسي المُثير للدوران، بينما يقطع لفّ الجزء الثابت خطوط المجال المغناطيسي المُثير لتوليد قوة دافعة كهربائية مُستحثة. من جهة، يُنتج طاقة كهربائية، ومن جهة أخرى، يُولّد عزم كبح كهرومغناطيسي في الاتجاه المعاكس لدوران الدوار. يؤثر تدفق الماء باستمرار على جهاز التوربين المائي، ويتغلب عزم الدوران الذي يحصل عليه التوربين المائي من تدفق الماء على عزم الكبح الكهرومغناطيسي المُولّد في دوار المولد. عند وصولهما إلى حالة التوازن، تعمل وحدة التوربين المائي بسرعة ثابتة لتوليد الكهرباء بثبات وإكمال تحويل الطاقة.
مجموعة مولدات الطاقة الكهرومائية هي جهاز تحويل طاقة مهم، حيث تُحوّل الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة كهربائية. تتكون عادةً من توربين مائي، ومولد، ووحدة تحكم في السرعة، ونظام إثارة، ونظام تبريد، ومعدات تحكم في محطة الطاقة. فيما يلي مقدمة موجزة عن أنواع ووظائف المعدات الرئيسية في مجموعة مولدات الطاقة الكهرومائية النموذجية:
1) توربينات المياه. هناك نوعان شائعان من توربينات المياه: توربينات نبضية وتوربينات تفاعلية.
٢) المولدات. تستخدم معظم المولدات مولدات متزامنة مُثارة كهربائيًا.
٣) نظام الإثارة. بما أن المولدات عادةً ما تكون متزامنة ومثارة كهربائيًا، فمن الضروري التحكم في نظام إثارة التيار المستمر لتحقيق تنظيم الجهد، وتنظيم القدرة النشطة والتفاعلية للطاقة الكهربائية، وذلك لتحسين جودة الطاقة الكهربائية المُخرَجة.
٤) جهاز تنظيم السرعة والتحكم بها (يشمل منظم السرعة وجهاز ضغط الزيت). يُستخدم المُنظِّم لتنظيم سرعة توربين المياه، بحيث يتوافق تردد الطاقة الكهربائية المُخرَجة مع متطلبات مصدر الطاقة.
٥) نظام التبريد. تعتمد المولدات الكهرومائية الصغيرة بشكل أساسي على التبريد الهوائي، باستخدام نظام تهوية يساعد على تبديد الحرارة وتبريد سطح الجزء الثابت والدوار واللب الحديدي للمولد.
٦) جهاز الكبح. المولدات الهيدروليكية ذات السعة المقدرة التي تتجاوز قيمة معينة مُجهزة بأجهزة كبح.
٧) معدات التحكم في محطات الطاقة. تعتمد معظم معدات التحكم في محطات الطاقة على التحكم الرقمي الحاسوبي لتحقيق وظائف مثل توصيل الشبكة، وتنظيم التردد، وتنظيم الجهد، وتنظيم معامل القدرة، والحماية، والاتصال في توليد الطاقة الكهرومائية.
يمكن تقسيم محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة إلى نوع تحويلي، ونوع سد، ونوع هجين، وذلك بناءً على طريقة الضغط المركز. معظم محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في الصين هي محطات تحويلية اقتصادية نسبيًا.
تتميز محطات توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بصغر حجمها، وبساطة هندستها، وسهولة شراء المعدات، وكفاءتها العالية، دون الحاجة إلى نقل الكهرباء إلى أماكن بعيدة عن المحطة. وتتميز شبكة الطاقة الكهرومائية الصغيرة بسعة صغيرة، وقدرتها على توليد الطاقة منخفضة أيضًا. كما تتميز محطات توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بخصائص محلية وكتلية قوية.
كمصدر للطاقة النظيفة، ساهمت الطاقة الكهرومائية الصغيرة في بناء قرى الطاقة الجديدة الاشتراكية في الصين. نعتقد أن دمج الطاقة الكهرومائية الصغيرة وتكنولوجيا تخزين الطاقة سيجعل تطوير الطاقة الكهرومائية الصغيرة أكثر جاذبية في المستقبل!
وقت النشر: ١١ ديسمبر ٢٠٢٣
