كيف تعمل محطات الطاقة الكهرومائية

في جميع أنحاء العالم ، تنتج محطات الطاقة الكهرومائية حوالي 24 في المائة من الكهرباء في العالم وتزود أكثر من مليار شخص بالطاقة.تنتج محطات الطاقة الكهرومائية في العالم ما مجموعه 675000 ميجاوات ، أي ما يعادل 3.6 مليار برميل من النفط ، وفقًا للمختبر الوطني للطاقة المتجددة.هناك أكثر من 2000 محطة للطاقة الكهرومائية تعمل في الولايات المتحدة ، مما يجعل الطاقة الكهرومائية أكبر مصدر للطاقة المتجددة في البلاد.
في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة على كيفية قيام المياه المتساقطة بتوليد الطاقة والتعرف على الدورة الهيدرولوجية التي تخلق تدفق المياه الضروري للطاقة الكهرومائية.ستحصل أيضًا على لمحة عن تطبيق فريد من نوعه للطاقة الكهرومائية قد يؤثر على حياتك اليومية.
عند مشاهدة نهر يتدحرج ، من الصعب تخيل القوة التي يحملها.إذا كنت قد مارست رياضة التجديف في المياه البيضاء ، فقد شعرت بجزء صغير من قوة النهر.يتم إنشاء منحدرات المياه البيضاء كنهر يحمل كمية كبيرة من المياه إلى أسفل المنحدرات والاختناقات عبر ممر ضيق.عندما يتم دفع النهر من خلال هذا الفتح ، يتسارع تدفقه.الفيضانات هي مثال آخر على مقدار القوة التي يمكن أن يكون لها حجم هائل من الماء.
تستغل محطات الطاقة الكهرومائية طاقة المياه وتستخدم آليات بسيطة لتحويل تلك الطاقة إلى كهرباء.تعتمد محطات الطاقة الكهرومائية في الواقع على مفهوم بسيط إلى حد ما - حيث تعمل المياه المتدفقة عبر السد على تشغيل التوربينات ، والتي تعمل على تشغيل المولد.

فيما يلي المكونات الأساسية لمحطة الطاقة الكهرومائية التقليدية:
السد - تعتمد معظم محطات الطاقة الكهرومائية على سد يمنع المياه ، مما يؤدي إلى تكوين خزان كبير.غالبًا ما يستخدم هذا الخزان كبحيرة ترفيهية ، مثل بحيرة روزفلت في سد جراند كولي في ولاية واشنطن.
المدخول - تفتح بوابات السد وتقوم الجاذبية بسحب المياه عبر القلم ، وهو خط أنابيب يؤدي إلى التوربين.يعمل الماء على زيادة الضغط أثناء تدفقه عبر هذا الأنبوب.
التوربين - يضرب الماء ويدور الشفرات الكبيرة للتوربينات المتصلة بمولد فوقها عن طريق عمود.أكثر أنواع التوربينات شيوعًا لمحطات الطاقة الكهرومائية هو فرانسيس توربين ، والذي يشبه قرصًا كبيرًا بشفرات منحنية.يمكن أن يصل وزن التوربين إلى 172 طنًا ويدور بمعدل 90 دورة في الدقيقة (rpm) ، وفقًا لمؤسسة تعليم المياه والطاقة (FWEE).
المولدات - عندما تدور ريش التوربين ، تفعل ذلك سلسلة من المغناطيسات داخل المولد.تدور المغناطيسات العملاقة عبر ملفات نحاسية ، وتنتج تيارًا مترددًا (AC) عن طريق تحريك الإلكترونات.(ستتعلم المزيد حول كيفية عمل المولد لاحقًا.)
المحول - يأخذ المحول الموجود داخل مركز الطاقة التيار المتردد ويحوله إلى تيار عالي الجهد.
خطوط الطاقة - من كل محطة طاقة تأتي أربعة أسلاك: يتم إنتاج المراحل الثلاث للطاقة في وقت واحد بالإضافة إلى محايد أو أرضي مشترك بين الثلاثة.(اقرأ كيف تعمل شبكات توزيع الطاقة لمعرفة المزيد حول نقل خط الطاقة.)
التدفق الخارجي - يتم نقل المياه المستخدمة عبر خطوط الأنابيب ، والتي تسمى تيلاريس ، وتدخل مرة أخرى إلى مجرى النهر.
يعتبر الماء الموجود في الخزان طاقة مخزنة.عندما تفتح البوابات ، يتحول الماء المتدفق عبر القلم إلى طاقة حركية لأنه في حالة حركة.يتم تحديد كمية الكهرباء التي يتم توليدها من خلال عدة عوامل.اثنان من هذه العوامل هما حجم تدفق المياه وكمية الرأس الهيدروليكي.يشير الرأس إلى المسافة بين سطح الماء والتوربينات.مع زيادة الرأس والتدفق ، تزداد الكهرباء المتولدة.عادة ما يعتمد الرأس على كمية الماء في الخزان.

هناك نوع آخر من محطات الطاقة الكهرومائية ، يسمى محطة الضخ والتخزين.في محطة الطاقة الكهرومائية التقليدية ، يتدفق الماء من الخزان عبر المحطة ويخرج وينقل إلى أسفل.تحتوي محطة التخزين بالضخ على خزانين:
الخزان العلوي - مثل محطة الطاقة الكهرومائية التقليدية ، يخلق السد خزانًا.يتدفق الماء في هذا الخزان عبر محطة الطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء.
الخزان السفلي - يتدفق الماء الخارج من محطة الطاقة الكهرومائية إلى خزان سفلي بدلاً من إعادة دخوله إلى النهر ويتدفق في اتجاه مجرى النهر.
باستخدام توربين عكسي ، يمكن للمحطة ضخ المياه مرة أخرى إلى الخزان العلوي.يتم ذلك في غير ساعات الذروة.في الأساس ، يعيد الخزان الثاني ملء الخزان العلوي.عن طريق ضخ المياه مرة أخرى إلى الخزان العلوي ، يكون لدى المحطة المزيد من المياه لتوليد الكهرباء خلال فترات ذروة الاستهلاك.

المولد
المولد هو قلب محطة الطاقة الكهرومائية.تحتوي معظم محطات الطاقة الكهرومائية على العديد من هذه المولدات.
المولد ، كما توقعت ، يولد الكهرباء.تتمثل العملية الأساسية لتوليد الكهرباء بهذه الطريقة في تدوير سلسلة من المغناطيسات داخل ملفات من الأسلاك.تعمل هذه العملية على تحريك الإلكترونات التي تنتج تيارًا كهربائيًا.
يحتوي سد هوفر على 17 مولداً ، يمكن لكل منها توليد ما يصل إلى 133 ميغاوات.تبلغ القدرة الإجمالية لمحطة توليد الطاقة الكهرومائية في سد هوفر 2074 ميجاوات.يتكون كل مولد من أجزاء أساسية معينة:
الفتحة
مثير
الدوار
الجزء الثابت
عندما يدور التوربين ، يرسل المثير تيارًا كهربائيًا إلى الدوار.الجزء المتحرك عبارة عن سلسلة من المغناطيسات الكهربائية الكبيرة التي تدور داخل ملف محكم الجرح من الأسلاك النحاسية ، يسمى الجزء الثابت.يخلق المجال المغناطيسي بين الملف والمغناطيس تيارًا كهربائيًا.
في سد هوفر ، ينتقل تيار بقوة 16500 أمبير من المولد إلى المحول ، حيث يصل التيار إلى 230 ألف أمبير قبل أن ينتقل.

تستفيد محطات الطاقة الكهرومائية من عملية مستمرة تحدث بشكل طبيعي - وهي العملية التي تتسبب في سقوط الأمطار وارتفاع الأنهار.كل يوم ، يفقد كوكبنا كمية صغيرة من الماء عبر الغلاف الجوي لأن الأشعة فوق البنفسجية تكسر جزيئات الماء عن بعضها.ولكن في الوقت نفسه ، تنبعث مياه جديدة من الجزء الداخلي من الأرض من خلال النشاط البركاني.تتساوى كمية المياه المتكونة وكمية المياه المفقودة تقريبًا.
في أي وقت ، يكون الحجم الإجمالي للمياه في العالم بأشكال مختلفة.يمكن أن يكون سائلاً ، كما هو الحال في المحيطات والأنهار والأمطار ؛صلبة ، كما في الأنهار الجليدية.أو غازي ، كما هو الحال في بخار الماء غير المرئي في الهواء.يتغير الماء عندما يتحرك حول الكوكب بواسطة تيارات الرياح.تتولد تيارات الرياح عن طريق نشاط تسخين الشمس.يتم إنشاء دورات تيار الهواء من خلال سطوع الشمس على خط الاستواء أكثر من سطوعها في مناطق أخرى من الكوكب.
تقود دورات التيار الهوائي إمدادات المياه على الأرض من خلال دورة خاصة بها ، تسمى الدورة الهيدرولوجية.عندما تقوم الشمس بتسخين الماء السائل ، يتبخر الماء إلى بخار في الهواء.تقوم الشمس بتسخين الهواء مما يؤدي إلى ارتفاع الهواء في الغلاف الجوي.يكون الهواء أكثر برودة في مكان مرتفع ، لذلك كلما ارتفع بخار الماء ، يبرد ، ويتكثف في شكل قطرات.عندما يتراكم عدد كافٍ من القطرات في منطقة واحدة ، قد تصبح القطرات ثقيلة بما يكفي لتتراجع إلى الأرض كتساقط.
تعتبر الدورة الهيدرولوجية مهمة لمحطات الطاقة الكهرومائية لأنها تعتمد على تدفق المياه.إذا كان هناك نقص في هطول الأمطار بالقرب من المصنع ، فلن تتجمع المياه في اتجاه مجرى النهر.مع عدم وجود تيار لتجميع المياه ، يتدفق قدر أقل من المياه عبر محطة الطاقة الكهرومائية ويتم توليد كهرباء أقل.