توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة – مما يجعل الطاقة النظيفة تفيد المزيد من الناس

لطالما حظي توليد الطاقة الكهرومائية، كمصدر طاقة متجدد ونظيف وخالٍ من التلوث، بتقدير كبير من الناس. واليوم، تُستخدم محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة والمتوسطة الحجم على نطاق واسع، وهي تقنيات طاقة متجددة ناضجة نسبيًا على مستوى العالم. فعلى سبيل المثال، تُعد محطة سد الخوانق الثلاثة في الصين أكبر محطة طاقة كهرومائية في العالم. ومع ذلك، تُخلّف محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة والمتوسطة الحجم آثارًا سلبية عديدة على البيئة، مثل السدود التي تعيق التدفق الطبيعي للأنهار، وتمنع تصريف الرواسب، وتُغيّر النظام البيئي. كما يتطلب بناء محطات الطاقة الكهرومائية غمر مساحات شاسعة من الأراضي، مما يُؤدي إلى نزوح أعداد كبيرة من السكان.
باعتبارها مصدراً جديداً للطاقة، تُحدث الطاقة الكهرومائية الصغيرة تأثيراً أقل بكثير على البيئة، ولذلك يزداد تقدير الناس لها. محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، مثل محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة والمتوسطة، تُصنف جميعها ضمن محطات توليد الطاقة الكهرومائية. ويُقصد بمصطلح "الطاقة الكهرومائية الصغيرة" محطات الطاقة الكهرومائية وأنظمة الطاقة ذات القدرة المركبة المنخفضة جداً، وتختلف هذه القدرة باختلاف الظروف الوطنية لكل دولة.
في الصين، يُشير مصطلح "الطاقة الكهرومائية الصغيرة" إلى محطات توليد الطاقة الكهرومائية وشبكات الكهرباء المحلية الداعمة لها، والتي تبلغ قدرتها المركبة 25 ميغاواط أو أقل، ويتم تمويلها وتشغيلها من قِبل جهات محلية أو جماعية أو فردية. تُصنّف الطاقة الكهرومائية الصغيرة ضمن مصادر الطاقة النظيفة غير الكربونية، ما يعني أنها لا تُعاني من مشكلة استنزاف الموارد ولا تُسبب تلوثًا للبيئة. وهي تُعدّ عنصرًا أساسيًا في استراتيجية التنمية المستدامة التي تتبناها الصين.

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 تعاني من نقص الكهرباء والطاقة، وتعزيز إدارة الأنهار، والتحسين البيئي، وحماية البيئة، والتنمية الاجتماعية والاقتصادية المحلية.
تمتلك الصين احتياطيات وفيرة من موارد الطاقة الكهرومائية الصغيرة، باحتياطي نظري يُقدّر بنحو 150 مليون كيلوواط، وقدرة مركبة محتملة تتجاوز 70 ألف ميغاواط. ويُعدّ تطوير الطاقة الكهرومائية الصغيرة خيارًا لا غنى عنه لتحسين هيكل الطاقة في سياق حماية البيئة منخفضة الكربون، وترشيد استهلاك الطاقة، وخفض الانبعاثات، والتنمية المستدامة. ووفقًا لخطة وزارة الموارد المائية، ستُنشئ الصين بحلول عام 2020 عشر مقاطعات لتوليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بقدرة مركبة تتجاوز 5 ملايين كيلوواط، ومئة قاعدة كبيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بقدرة مركبة تتجاوز 200 ألف كيلوواط، وثلاثمئة مقاطعة لتوليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بقدرة مركبة تتجاوز 100 ألف كيلوواط. وبحلول عام 2023، وكما هو مُخطط له من قِبل وزارة الموارد المائية، لن يقتصر توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة على تحقيق هدف عام 2020 فحسب، بل سيشهد أيضًا تطورًا أكبر انطلاقًا من هذا الأساس.
محطة توليد الطاقة الكهرومائية هي نظام لتوليد الطاقة يحول طاقة المياه إلى كهرباء عبر توربين مائي، وتُعدّ مجموعة مولدات التوربينات المائية الجهاز الأساسي لتحقيق تحويل الطاقة في أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة. تنقسم عملية تحويل الطاقة في مجموعة مولدات الطاقة الكهرومائية إلى مرحلتين.
تُحوّل المرحلة الأولى طاقة الوضع للماء إلى طاقة ميكانيكية لتوربين الماء. يختلف تدفق الماء في طاقته الكامنة باختلاف الارتفاعات والتضاريس. فعندما يصطدم تدفق الماء من موقع أعلى بالتوربين الموجود في موقع أدنى، تتحول طاقة الوضع الناتجة عن تغير مستوى الماء إلى طاقة ميكانيكية للتوربين.
في المرحلة الثانية، تُحوّل الطاقة الميكانيكية لتوربين الماء إلى طاقة كهربائية، تُنقل بدورها إلى المعدات الكهربائية عبر خطوط نقل شبكة الطاقة. بعد تعرضه لتدفق الماء، يُدير توربين الماء المولد المتصل به محوريًا. يُحرك دوار المولد المجال المغناطيسي المُثير للدوران، بينما يقطع ملف الجزء الثابت للمولد خطوط المجال المغناطيسي المُثير لتوليد قوة دافعة كهربائية مُستحثة. من جهة، يُنتج هذا قوة دافعة كهربائية، ومن جهة أخرى، يُولد عزم كبح كهرومغناطيسي في الاتجاه المعاكس لدوران الدوار. يستمر تدفق الماء في التأثير على توربين الماء، ويتغلب عزم الدوران الناتج عن تدفق الماء على عزم الكبح الكهرومغناطيسي المُتولد في دوار المولد. عند الوصول إلى حالة التوازن، يعمل توربين الماء بسرعة ثابتة لتوليد الكهرباء بثبات وإتمام عملية تحويل الطاقة.

تُعدّ مجموعة المولدات الكهرومائية جهازًا هامًا لتحويل الطاقة، حيث تحوّل الطاقة الكامنة في الماء إلى طاقة كهربائية. وتتألف عادةً من توربين مائي، ومولد كهربائي، وجهاز تحكم في السرعة، ونظام إثارة، ونظام تبريد، ومعدات تحكم في محطة توليد الطاقة. وفيما يلي نبذة مختصرة عن أنواع ووظائف المعدات الرئيسية في مجموعة مولدات كهرومائية نموذجية:
1) التوربينات المائية. هناك نوعان شائعان من التوربينات المائية: التوربينات الاندفاعية والتوربينات التفاعلية.
2) المولد. تستخدم معظم المولدات مولدات متزامنة ذات إثارة كهربائية.
3) نظام الإثارة. نظراً لأن المولدات هي عموماً مولدات متزامنة يتم إثارتها كهربائياً، فمن الضروري التحكم في نظام الإثارة بالتيار المستمر لتحقيق تنظيم الجهد، وتنظيم القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة للطاقة الكهربائية، وذلك لتحسين جودة الطاقة الكهربائية الناتجة.
4) جهاز تنظيم السرعة والتحكم بها (يشمل منظم السرعة وجهاز ضغط الزيت). يُستخدم المنظم لضبط سرعة التوربين المائي، بحيث يتوافق تردد الطاقة الكهربائية الناتجة مع متطلبات إمداد الطاقة.
5) نظام التبريد. تستخدم مولدات الطاقة الكهرومائية الصغيرة بشكل أساسي التبريد بالهواء، وذلك باستخدام نظام تهوية للمساعدة في تبديد الحرارة وتبريد سطح الجزء الثابت والدوار والقلب الحديدي للمولد.
6) جهاز الكبح. يتم تجهيز المولدات الهيدروليكية ذات السعة المقدرة التي تتجاوز قيمة معينة بأجهزة كبح.
7) معدات التحكم في محطات الطاقة. تعتمد معظم معدات التحكم في محطات الطاقة على التحكم الرقمي الحاسوبي لتحقيق وظائف مثل ربط الشبكة، وتنظيم التردد، وتنظيم الجهد، وتنظيم معامل القدرة، والحماية، والاتصالات الخاصة بتوليد الطاقة الكهرومائية.

يمكن تقسيم محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة إلى ثلاثة أنواع: محطات التحويل، ومحطات السدود، والمحطات الهجينة، وذلك بناءً على طريقة تركيز الضغط. وتُعدّ معظم محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في الصين من النوع الاقتصادي نسبياً، وهي محطات التحويل.
تتميز محطات توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بصغر حجمها، وبساطة تصميمها الهندسي، وسهولة الحصول على معداتها، واعتمادها بشكل أساسي على الطاقة الذاتية دون الحاجة إلى نقلها إلى مناطق بعيدة. كما تتميز هذه المحطات بصغر سعتها، وبالتالي صغر قدرتها على توليد الطاقة. وتتسم محطات توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة بطابع محلي وجماهيري قوي.
باعتبارها مصدراً للطاقة النظيفة، ساهمت الطاقة الكهرومائية الصغيرة في بناء قرى الطاقة الجديدة الاشتراكية في الصين. ونعتقد أن الجمع بين الطاقة الكهرومائية الصغيرة وتقنية تخزين الطاقة سيجعل تطويرها أكثر جاذبية في المستقبل!