انرژی برقآبی به معنای تبدیل انرژی آب رودخانههای طبیعی به برق برای استفاده مردم است. منابع انرژی مختلفی در تولید برق استفاده میشوند، مانند انرژی خورشیدی، انرژی آب رودخانهها و انرژی باد تولید شده توسط جریان هوا. هزینه تولید برق آبی با استفاده از انرژی برقآبی ارزان است و ساخت نیروگاههای برقآبی را میتوان با سایر پروژههای حفاظت از آب نیز ترکیب کرد. کشور ما از نظر منابع انرژی برقآبی بسیار غنی است و شرایط نیز بسیار خوب است. انرژی برقآبی نقش مهمی در ساخت اقتصاد ملی ایفا میکند.
سطح آب بالادست یک رودخانه بالاتر از سطح آب پاییندست آن است. به دلیل تفاوت در سطح آب رودخانه، انرژی آب تولید میشود. این انرژی، انرژی پتانسیل یا انرژی پتانسیل نامیده میشود. تفاوت بین ارتفاع آب رودخانه، افت نامیده میشود که به آن اختلاف سطح آب یا هد آب نیز میگویند. این افت، شرط اساسی برای تشکیل نیروی هیدرولیکی است. علاوه بر این، بزرگی نیروی هیدرولیکی به بزرگی جریان آب در رودخانه نیز بستگی دارد که شرط اساسی دیگری به اندازه افت است. هم افت و هم جریان مستقیماً بر نیروی هیدرولیکی تأثیر میگذارند. هر چه حجم آب افت بیشتر باشد، نیروی هیدرولیکی بیشتر است. اگر افت و حجم آب نسبتاً کوچک باشند، خروجی نیروگاه برق آبی کمتر خواهد بود.
افت معمولاً بر حسب متر بیان میشود. گرادیان، نسبت افت به فاصله است که میتواند میزان غلظت افت را نشان دهد. افت متمرکزتر است و استفاده از نیروی هیدرولیک راحتتر است. افت مورد استفاده توسط یک نیروگاه برق آبی، اختلاف بین سطح آب بالادست نیروگاه برق آبی و سطح آب پاییندست پس از عبور از توربین است.
جریان، مقدار آبی است که در واحد زمان در یک رودخانه جریان مییابد و بر حسب متر مکعب در ثانیه بیان میشود. یک متر مکعب آب برابر با یک تن است. جریان یک رودخانه در هر زمان تغییر میکند، بنابراین وقتی در مورد جریان صحبت میکنیم، باید زمان مکان خاصی را که در آن جریان دارد، توضیح دهیم. جریان در طول زمان به طور قابل توجهی تغییر میکند. رودخانههای کشور ما عموماً در فصل بارندگی در تابستان و پاییز جریان زیادی دارند و در زمستان و بهار نسبتاً کم هستند. به طور کلی، جریان رودخانه در بالادست نسبتاً کم است. به دلیل ادغام شاخههای فرعی، جریان پاییندست به تدریج افزایش مییابد. بنابراین، اگرچه افت بالادست متمرکز است، اما جریان کم است. جریان پاییندست بزرگ است، اما افت نسبتاً پراکنده است. بنابراین، اغلب استفاده از نیروی هیدرولیک در قسمتهای میانی رودخانه اقتصادیتر است.
با دانستن افت و جریان مورد استفاده توسط یک نیروگاه برق آبی، میتوان خروجی آن را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
N= GQH
در فرمول، N–خروجی، بر حسب کیلووات، میتواند توان نیز نامیده شود؛
Q–جریان، بر حسب متر مکعب در ثانیه؛
H - افت، بر حسب متر؛
G = 9.8، شتاب گرانش است، واحد: نیوتن بر کیلوگرم
طبق فرمول بالا، توان تئوری بدون کسر هیچ تلفاتی محاسبه میشود. در واقع، در فرآیند تولید برق آبی، توربینها، تجهیزات انتقال، ژنراتورها و غیره همگی تلفات توان اجتنابناپذیری دارند. بنابراین، توان تئوری باید تنزیل شود، یعنی توان واقعی که میتوانیم استفاده کنیم باید در ضریب راندمان (نماد: K) ضرب شود.
توان طراحیشده ژنراتور در نیروگاه برق آبی، توان نامی و توان واقعی، توان واقعی نامیده میشود. در فرآیند تبدیل انرژی، از دست دادن بخشی از انرژی اجتنابناپذیر است. در فرآیند تولید برق آبی، عمدتاً تلفات توربینها و ژنراتورها وجود دارد (همچنین تلفات در خطوط لوله نیز وجود دارد). تلفات مختلف در نیروگاه برق آبی کوچک روستایی حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد از کل توان نظری را تشکیل میدهد، بنابراین خروجی نیروگاه برق آبی در واقع فقط میتواند از ۵۰ تا ۶۰ درصد از توان نظری استفاده کند، یعنی راندمان حدود ۰.۵ تا ۰.۶۰ است (که از این مقدار راندمان توربین ۰.۷۰ تا ۰.۸۵، راندمان ژنراتورها ۰.۸۵ تا ۰.۹۰ و راندمان خطوط لوله و تجهیزات انتقال ۰.۸۰ تا ۰.۸۵ است). بنابراین، توان واقعی (خروجی) نیروگاه برق آبی را میتوان به صورت زیر محاسبه کرد:
K - راندمان نیروگاه برق آبی، (0.5 ~ 0.6) در محاسبه تقریبی نیروگاه برق آبی کوچک استفاده میشود؛ این مقدار را میتوان به صورت زیر ساده کرد:
N=(0.5~0.6)QHG توان واقعی = راندمان × جریان × افت × 9.8
استفاده از نیروی آب، استفاده از نیروی آب برای به حرکت درآوردن یک ماشین است که به آن توربین آبی میگویند. به عنوان مثال، چرخ آبی باستانی در کشور ما یک توربین آبی بسیار ساده است. توربینهای هیدرولیکی مختلفی که در حال حاضر استفاده میشوند، با شرایط هیدرولیکی خاص مختلف سازگار شدهاند تا بتوانند با راندمان بیشتری بچرخند و انرژی آب را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. نوع دیگری از ماشینآلات، یک ژنراتور، به توربین متصل است، به طوری که روتور ژنراتور با توربین میچرخد تا برق تولید کند. ژنراتور را میتوان به دو بخش تقسیم کرد: بخشی که با توربین میچرخد و بخش ثابت ژنراتور. بخشی که به توربین متصل است و میچرخد، روتور ژنراتور نامیده میشود و قطبهای مغناطیسی زیادی در اطراف روتور وجود دارد. دایرهای در اطراف روتور، بخش ثابت ژنراتور است که استاتور ژنراتور نامیده میشود و استاتور با سیمپیچهای مسی زیادی پیچیده شده است. هنگامی که قطبهای مغناطیسی زیادی از روتور در وسط سیمپیچهای مسی استاتور میچرخند، جریانی در سیمهای مسی ایجاد میشود و ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
انرژی الکتریکی تولید شده توسط نیروگاه توسط تجهیزات الکتریکی مختلف به انرژی مکانیکی (موتور الکتریکی یا موتور)، انرژی نورانی (لامپ الکتریکی)، انرژی حرارتی (کوره الکتریکی) و غیره تبدیل میشود.
ترکیب نیروگاه برق آبی
اجزای یک نیروگاه برق آبی عبارتند از: سازههای هیدرولیکی، تجهیزات مکانیکی و تجهیزات الکتریکی.
(1) سازههای هیدرولیکی
دارای سرریز (سد)، دریچههای آبگیر، کانالها (یا تونلها)، مخازن تحت فشار (یا مخازن تنظیم)، لولههای فشار، نیروگاهها و کانالهای تخلیه و غیره است.
یک سرریز (سد) در رودخانه ساخته میشود تا آب رودخانه را مسدود کرده و سطح آب را بالا بیاورد تا مخزن تشکیل شود. به این ترتیب، یک افت متمرکز بین سطح آب مخزن روی سرریز (سد) و سطح آب رودخانه زیر سد تشکیل میشود و سپس آب از طریق لولههای آب یا تونلها به نیروگاه برق آبی وارد میشود. در رودخانههای نسبتاً شیبدار، استفاده از کانالهای انحرافی نیز میتواند یک افت تشکیل دهد. به عنوان مثال: به طور کلی، افت در هر کیلومتر از یک رودخانه طبیعی 10 متر است. اگر کانالی در انتهای بالایی این بخش از رودخانه برای ورود آب رودخانه باز شود، کانال در امتداد رودخانه حفر میشود و شیب کانال مسطحتر خواهد بود. اگر افت در کانال در هر کیلومتر انجام شود، فقط 1 متر افت میکند، به طوری که آب 5 کیلومتر در کانال جریان مییابد و سطح آب فقط 5 متر افت میکند، در حالی که آب پس از طی 5 کیلومتر در کانال طبیعی 50 متر افت میکند. در این زمان، آب کانال توسط یک لوله آب یا تونل از طریق رودخانه به نیروگاه هدایت میشود و یک افت متمرکز ۴۵ متری وجود دارد که میتواند برای تولید برق استفاده شود. شکل ۲
استفاده از کانالهای انحرافی، تونلها یا لولههای آب (مانند لولههای پلاستیکی، لولههای فولادی، لولههای بتنی و غیره) برای تشکیل یک ایستگاه برق آبی با افت متمرکز، ایستگاه برق آبی با کانال انحرافی نامیده میشود که یک طرح معمول از ایستگاههای برق آبی است.
(2) تجهیزات مکانیکی و الکتریکی
علاوه بر کارهای هیدرولیکی ذکر شده در بالا (سدها، کانالها، سکوهای جلو، لولههای فشار، کارگاهها)، نیروگاه برق آبی به تجهیزات زیر نیز نیاز دارد:
(1) تجهیزات مکانیکی
توربینها، گاورنرها، شیرهای دروازهای، تجهیزات انتقال و تجهیزات غیرتولیدی وجود دارند.
(2) تجهیزات الکتریکی
ژنراتورها، تابلوهای کنترل توزیع، ترانسفورماتورها و خطوط انتقال وجود دارند.
اما همه نیروگاههای برق آبی کوچک، سازههای هیدرولیکی و تجهیزات مکانیکی و الکتریکی فوقالذکر را ندارند. اگر ارتفاع آب در نیروگاه برق آبی کم ارتفاع کمتر از 6 متر باشد، معمولاً از کانال هدایت آب و کانال آب روباز استفاده میشود و هیچ حوضچه فشار و لوله آب تحت فشاری وجود ندارد. برای نیروگاههایی با برد تغذیه کم و فاصله انتقال کوتاه، انتقال مستقیم برق اتخاذ میشود و نیازی به ترانسفورماتور نیست. نیروگاههای برق آبی دارای مخزن نیازی به ساخت سد ندارند. استفاده از آبگیرهای عمیق، لولههای داخلی سد (یا تونلها) و سرریزها، نیاز به سازههای هیدرولیکی مانند سرریزها، دریچههای آبگیر، کانالها و حوضچههای فشار را از بین میبرد.
برای ساخت یک نیروگاه برق آبی، قبل از هر چیز، باید کار نقشهبرداری و طراحی دقیقی انجام شود. در کار طراحی، سه مرحله طراحی وجود دارد: طراحی اولیه، طراحی فنی و جزئیات ساخت. برای انجام کار خوب در کار طراحی، ابتدا لازم است کار نقشهبرداری دقیقی انجام شود، یعنی شرایط طبیعی و اقتصادی محلی - یعنی توپوگرافی، زمینشناسی، هیدرولوژی، سرمایه و غیره - به طور کامل درک شود. صحت و قابلیت اطمینان طراحی تنها پس از تسلط بر این موقعیتها و تجزیه و تحلیل آنها تضمین میشود.
اجزای نیروگاههای برق آبی کوچک بسته به نوع نیروگاه برق آبی، اشکال مختلفی دارند.
۳. بررسی توپوگرافی
کیفیت کار نقشه برداری توپوگرافی تأثیر زیادی بر طرح مهندسی و تخمین کمیت مهندسی دارد.
اکتشافات زمینشناسی (درک شرایط زمینشناسی) علاوه بر درک کلی و تحقیق در مورد زمینشناسی حوزه آبخیز و امتداد رودخانه، لازم است که بفهمیم آیا فونداسیون موتورخانه محکم است یا خیر، که این امر مستقیماً بر ایمنی خود نیروگاه تأثیر میگذارد. هنگامی که سدی با حجم مخزن مشخص تخریب شود، نه تنها به خود نیروگاه برق آبی آسیب میرساند، بلکه باعث خسارات جانی و مالی زیادی در پایین دست نیز میشود.
۴. آزمایش هیدرولوژیکی
برای نیروگاههای برق آبی، مهمترین دادههای هیدرولوژیکی، سوابق سطح آب رودخانه، جریان، میزان رسوب، شرایط یخزدگی، دادههای هواشناسی و دادههای بررسی سیل هستند. اندازه جریان رودخانه بر طرح سرریز نیروگاه برق آبی تأثیر میگذارد. دست کم گرفتن شدت سیل باعث آسیب به سد میشود؛ رسوب حمل شده توسط رودخانه میتواند در بدترین حالت به سرعت مخزن را پر کند. به عنوان مثال، کانال ورودی باعث گل و لای شدن کانال میشود و رسوبات دانه درشت از توربین عبور کرده و باعث فرسودگی توربین میشوند. بنابراین، ساخت نیروگاههای برق آبی باید دادههای هیدرولوژیکی کافی داشته باشد.
بنابراین، قبل از تصمیمگیری برای ساخت یک نیروگاه برق آبی، ابتدا باید جهت توسعه اقتصادی در منطقه تأمین برق و تقاضای آینده برای برق را بررسی کنیم. در عین حال، وضعیت سایر منابع برق در منطقه توسعه را تخمین بزنیم. تنها پس از تحقیق و تجزیه و تحلیل وضعیت فوق میتوانیم تصمیم بگیریم که آیا نیروگاه برق آبی نیاز به ساخت دارد و مقیاس آن چقدر باید باشد.
به طور کلی، هدف از کار نقشه برداری برق آبی، ارائه اطلاعات اولیه دقیق و قابل اعتماد لازم برای طراحی و ساخت نیروگاه های برق آبی است.
۵. شرایط عمومی انتخاب محل
شرایط کلی انتخاب محل را میتوان از چهار جنبه زیر توضیح داد:
(1) محل انتخاب شده باید بتواند از انرژی آب به اقتصادیترین شکل ممکن استفاده کند و اصل صرفهجویی در هزینه را رعایت کند، یعنی پس از تکمیل نیروگاه، کمترین میزان هزینه صرف شده و بیشترین میزان برق تولید شود. معمولاً میتوان با تخمین درآمد سالانه تولید برق و سرمایهگذاری در ساخت نیروگاه، میزان زمان لازم برای بازیابی سرمایه سرمایهگذاری شده را اندازهگیری کرد. با این حال، شرایط هیدرولوژیکی و توپوگرافی در مکانهای مختلف متفاوت است و نیازهای برق نیز متفاوت است، بنابراین هزینه ساخت و سرمایهگذاری نباید محدود به مقادیر خاصی باشد.
(2) شرایط توپوگرافی، زمینشناسی و هیدرولوژیکی محل انتخابشده باید نسبتاً برتر باشد و امکانات طراحی و ساختوساز نیز باید وجود داشته باشد. در ساخت نیروگاههای برقآبی کوچک، استفاده از مصالح ساختمانی باید تا حد امکان مطابق با اصل «مصالح محلی» باشد.
(3) محل انتخاب شده باید تا حد امکان به منطقه منبع تغذیه و پردازش نزدیک باشد تا سرمایهگذاری تجهیزات انتقال نیرو و اتلاف برق کاهش یابد.
(4) هنگام انتخاب محل، باید تا حد امکان از سازههای هیدرولیکی موجود استفاده شود. به عنوان مثال، میتوان از قطره آب برای ساخت یک نیروگاه برق آبی در یک کانال آبیاری استفاده کرد، یا میتوان یک نیروگاه برق آبی در کنار یک مخزن آبیاری ساخت تا از جریان آبیاری برق تولید کند و غیره. از آنجا که این نیروگاههای برق آبی میتوانند اصل تولید برق را در صورت وجود آب برآورده کنند، اهمیت اقتصادی آنها آشکارتر است.
زمان ارسال: ۱۹ مه ۲۰۲۲
