تويت
تعريف الطاقة الكهرومائية(hydroelectric power) هو الكهرباء المولدة من المولدات المتصلة بالتوربين الذي يحول الطاقة الكامنة الناتجة عن السقوط أو التدفق السريع للمياه إلى طاقة ميكانيكية. في توليد الطاقة الكهرومائية، يتم توجيه المياه التي يتم جمعها أو تخزينها في محطات الطاقة الكهرومائية على ارتفاعات أعلى إلى ارتفاعات منخفضة عبر أنابيب كبيرة أو أنفاق (خزانات). الفرق في الارتفاع في مسار الماء يسمى الرأس(head). يؤدي تدفق المياه في نهاية المسار إلى دوران التوربينات. تمت دراسة هذه المسألة ببساطة تحت نظرية العمل والطاقة في الفيزياء.
محطات الطاقة الكهرومائية
التوربينات هي نوع من الماكينات التوربينية التي تستقبل الطاقة من السائل العامل (هنا السائل العامل هو الماء). بالإضافة إلى ذلك، تقوم التوربينات بدورها بتشغيل المولدات، والتي تحول الطاقة الميكانيكية للتوربينات إلى كهرباء. تقوم المحولات(Transformers) بعد ذلك برفع مستوى الجهد المتولد إلى مستوى قياسي للإرسال إلى موقع الاستهلاك. يُطلق على المكان الذي توجد فيه التوربينات والمولدات والأنابيب والأنفاق المتصلة بها محطة توليد الكهرباء.
عادة ما يتم بناء محطات الطاقة الكهرومائية بجوار السدود، حيث يتم تجميع مياه الأنهار. لهذا السبب، يرتفع منسوب المياه خلف السد ويرفع الرأس إلى أعلى مستوى ممكن. يمكن تكييف الطاقة الكامنة من حجم معين من الماء يتناسب طرديًا مع رأس الماء أو ارتفاعه. ببساطة، في حجم متساوٍ من الماء، ينتج السد ذو الرأس الأعلى كهرباء أكثر من السد ذي الرأس السفلي.
في بعض السدود، تُبنى محطة الطاقة على جانب واحد فقط من السد. يستخدم الجانب الآخر من السد كمجرى تصريف(spillway) لتصريف المياه أثناء الفيضانات أو الأمطار الغزيرة. بالطبع، حيث يتدفق النهر عبر الوديان الضيقة والمنحدرة، فمن المحتمل أن يتم بناء محطة الطاقة داخل السد نفسه.
أجزاء من محطات الطاقة الكهرومائية
تشتمل معظم محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية على أربعة مكونات رئيسية (انظر الرسم أدناه) :
- سد(Dam): يرفع منسوب مياه النهر لتتساقط منه المياه. يتحكم أيضًا في تدفق المياه. الخزان المتكون هو في الواقع طاقة مخزنة.
- عنفة أو التوربین:( Turbine) تؤدي قوة دفع الماء الساقط على ريش التوربين إلى دوران التوربين. تشبه التوربينات المائية إلى حد كبير طاحونة الهواء ، إلا أن الطاقة يتم توفيرها عن طريق المياه المتساقطة بدلاً من الرياح. يحول التوربين الطاقة الحركية للماء الساقط إلى طاقة ميكانيكية.
- مولد كهرباء(Generator): متصل بالتوربين بواسطة أعمدة وربما تروس ، لذلك عندما يدور التوربين فإنه يتسبب في دوران المولد أيضًا. يحول الطاقة الميكانيكية من التوربين إلى طاقة كهربائية. تعمل المولدات في محطات الطاقة الكهرومائية تمامًا مثل المولدات في أنواع أخرى من محطات الطاقة.
- خطوط نقل(Transmission lines): توصيل الكهرباء من محطة الطاقة الكهرومائية للمنازل والشركات.
ما مقدار الكهرباء التي يمكن أن تنتجها محطة الطاقة الكهرومائية؟
تعتمد كمية الكهرباء التي تنتجها محطة الطاقة الكهرومائية على عاملين:
- إلى أي مدى يسقط الماء. كلما زاد سقوط الماء، زادت قوته. بشكل عام، المسافة التي يسقطها الماء تعتمد على حجم السد. كلما زاد ارتفاع السد، زاد ارتفاع منسوب المياه وزادت قوته. قد يقول العلماء إن قوة المياه المتساقطة تتناسب طرديًا مع المسافة التي يسقطها. وبعبارة أخرى، فإن الماء الذي يسقط على مسافة الضعف يحتوي على ضعف الطاقة.
- كمية المياه المتساقطة. المزيد من المياه المتساقطة عبر التوربين ستنتج المزيد من الطاقة. تعتمد كمية المياه المتاحة على كمية المياه المتدفقة أسفل النهر. تحتوي الأنهار الأكبر على مزيد من المياه المتدفقة ويمكنها إنتاج المزيد من الطاقة. القوة أيضا تتناسب طرديا مع تدفق النهر. يمكن أن ينتج نهر به ضعف كمية المياه المتدفقة مثل نهر آخر ضعف الطاقة.
في معظم البلدان، يختلف الطلب على الكهرباء بشكل كبير في أوقات مختلفة من اليوم. وهذا يعني، على سبيل المثال، أن ذروة استهلاك الكهرباء يتم تسجيلها عند الساعة الثامنة مساءً، وأقل استهلاك يتم تسجيله عند الساعة الرابعة صباحًا. لهذا السبب، يُنظر إلى مخطط استهلاك الكهرباء الذي يحتوي على قمة أو أكثر على أنه نقاط ذروة الاستهلاك وعدد من الوديان كنقاط أقل استهلاك. لهذا السبب، يجب أن تولد المولدات في بعض الأحيان أقصى قدر من الطاقة. ومع ذلك، في وقت الاستهلاك، يخرج عدد من المولدات من الإنتاج.
تستخدم محطات تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ(pumped-storage hydroelectric stations) أحيانًا لتسهيل حمل المولدات. خلال فترة خارج الذروة (off-peak period)، يجب تخزين بعض القوة الإضافية. في هذه الحالة، يعمل المولد كمحرك. يتم تنشيط التوربين ويضخ الماء في الخزان على ارتفاعات. ثم، خلال فترات ذروة الطلب (peak demand)، يتدفق الماء مرة أخرى عبر التوربين لتوليد الكهرباء. تتمتع أنظمة المضخات باحتياطيات عالية الكفاءة وتوفر طريقة اقتصادية لتلبية الطلب المرتفع. طاقة المد والجزر
في بعض المناطق الساحلية، مثل نهر رانس(Rance) في برتاني(Brittany) بفرنسا، تم بناء محطات الطاقة الكهرومائية للاستفادة من المد. مع ارتفاع المياه (المد)، يمتلئ واحد أو أكثر من صهاريج التخزين بالماء. عندما ينخفض الماء (الجزر)، يتم إطلاق الماء في هذه الخزانات، مما يؤدي إلى تشغيل التوربينات الهيدروليكية والمولدات الكهربائية المرتبطة بها. انظر إلى طاقة المد والجزر في الشكل أدناه.
يعتبر السقوط أو المياه الجارية أحد المصادر الرئيسية الثلاثة للطاقة المستخدمة في توليد الكهرباء. المصدران الآخران للطاقة هما الوقود الأحفوري(Fossil fuels) والوقود النووي(nuclear fuels). الطاقة الكهرومائية لها مزايا معينة مقارنة بالمصادر الأخرى. نظرًا للطبيعة القابلة للتكرار لدورة المياه وإنتاج صفر تلوث جوي وتلوث حراري، يُصنف هذا النوع من الطاقة على أنه طاقة متجددة.
يُفضل استخدام الطاقة الكهرومائية في المناطق ذات الأمطار الغزيرة والمناطق الجبلية أو التلال القريبة من مراكز الحمل (الاستهلاك) الرئيسية على مصادر الطاقة الأخرى. قد تكون بعض مواقع الطاقة الكهرومائية الكبيرة بعيدًا عن مراكز الحمل أو استهلاك الطاقة جذابة بدرجة كافية لتبرير خطوط النقل الطويلة عالية الجهد. بالطبع، قد تبدو مواقع المياه المحلية الصغيرة أيضًا فعالة من حيث التكلفة. خاصة إذا تم استخدام خزان مياه السد كمحطة طاقة لمضخة التخزين.
تأثيرات بيئيه
من بين الآثار البيئية السلبية للطاقة الكهرومائية نتيجة إنشاء السدود ما يلي:
- وقف هجرة الأسماك البياضة مثل التراوت(trout)
- نقل أو تدمير الموائل البشرية و البيئة عند ملء الخزانات.