كيف تعمل الطاقة الكهرمائية

مولدات التوربينات المائية هي الأجهزة التي تحول الطاقة الميكانيكية من نقل المياه إلى طاقة كهربائية.

يمكن أن تكون مولدات التوربينات المائية فعالة باستخدام مجموعة واسعة من مصادر المياه: مجرى صغير ، نهر سريع التدفق ، شلال ، بحيرة صغيرة ، وحتى من المحيطات.

هناك العديد من الأحجام والأنماط المختلفة للتوربينات المائية ، تم تطوير كل منها من استراتيجيات تم اختبارها بشكل مختلف لتجميع الطاقة الميكانيكية من مصدر المياه. إذا تم استيفاء الشروط الصحيحة لبناء واستخدام مولد التوربينات المائية ، فيمكن الحصول على الطاقة الكهربائية بكفاءة ونظيفة وبتكلفة منخفضة.

الطاقة الكهرمائية - كيف تعمل الطاقة الكهرمائية

يتم إنتاج الطاقة الكهرمائية عندما يتم تحويل الطاقة الحركية للمياه إلى كهرباء باستخدام مولد التوربينات المائية.

هناك عدة طرق لاستخدام الماء لتشغيل مولد التوربينات المائية ، ولكن كل منها يعمل بشكل عام بطريقة مماثلة نسبيًا ، وكلها تستخدم نفس القوانين الأساسية للفيزياء.

وعلى الرغم من وجود العديد من المتغيرات التي يمكن أن تؤثر على تصميم كل نظام ، على سبيل المثال ارتفاع الرأس وضغط الماء ومعدل التدفق وتصميم التوربينات ، تظل القاعدة الأساسية: أن مولد التوربينات المائية هو الجهاز الذي يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية الطاقة.

بمجرد أن تفهم أساسيات كيفية عمل الطاقة الكهرمائية ، يمكن ترجمة هذه المعرفة إلى العديد من أنواع أنظمة الطاقة الكهرمائية.

كيفية عمل الطاقة الكهرمائية:

مرة أخرى ، هذا مثال على أعمال التوربينات الكهرمائية. يوضح الجهاز أعلاه نظامًا بارتفاع رأس مرتفع ، حيث يبدأ الماء عند النقطة (1) وينخفض ​​مسافة طويلة باتجاه مركز النظام. عادة ما توجد هذه الأنظمة ذات الرأس العالي في المواقع الجغرافية مع تغيرات الارتفاع المتكررة ، مثل منطقة التلال أو الجبال ، وتتطلب حجمًا أقل من المياه لأن الانخفاض الرأسي العالي للمياه يوفر القوة الكافية لتدوير التوربين.

دعونا نلقي نظرة خطوة بخطوة على ما يحدث في هذا النظام الكهرمائي لتوليد الكهرباء.

1. يُطلق على صمام السحب أحيانًا بإسم penstock ، وهو جزء من الجهاز يلتقط تدفق المياه ويوجهه نحو التوربينات المائية. قد يختلف مصدر المياه اعتمادًا على النظام ، على سبيل المثال خزان من صنع الإنسان أو مصدر طبيعي مثل نهر أو بحيرة.

2. بعد ذلك ، يشق الماء طريقه نحو سلسلة من الشفرات المنحنية ، والتي تلتقط قوة الماء أثناء مروره ، مما يتسبب بعد ذلك في دوران التوربين. قوة الجاذبية هي التي تزود الماء المتساقط بالطاقة الميكانيكية ، وشفرات التوربينات هي التي تمتص الطاقة عندما يصطدم الماء بها.

3. يتم بعد ذلك توصيل التوربين بمولد توربيني يدور أيضًا لأنه متصل بواسطة عمود دوار بالتوربين المائي الدوار. أثناء دوران المولد ، يتم إنشاء تيار كهربائي ويمكن تحويله في النهاية إلى كهرباء قابلة للاستخدام.

4. عندما يمر الماء عبر التوربين الدوار ، فإنه يضطر للخروج من خلال صمام الخروج حيث تتساقط المياه الجديدة باستمرار عبر الماكينة لدعم التدفق المستمر للمياه.

مرة أخرى ، هذا مثال على كيفية عمل توربينات الطاقة الكهرمائية ذات الرأس العالي ، والمكونات والفيزياء العامة لكل نوع آخر متشابهة جدًا. تعمل جميع أنظمة الطاقة الكهرمائية من خلال نقل المياه المتدفقة عبر نظام ريش التوربينات المتصلة بمولد التوربينات.

حساب إنتاج الطاقة المائية

يمثل إنتاج الطاقة الكهرمائية ما يقرب من ربع الكهرباء المستخدمة في العالم ، وهو ما يكفي لتزويد حوالي مليار شخص بالطاقة الكهربائية.

الطاقة الكهرمائية هي مصدر الطاقة المتجددة الرائد حاليًا في الولايات المتحدة ، حيث تمثل حوالي 6 ٪ من إجمالي الكهرباء المنتجة ، أو حوالي 70 ٪ من إجمالي الكهرباء المنتجة من مصادر الطاقة المتجددة.

سد هوفر ، وهو سد كهربائي مائي معروف وكبير للغاية في الولايات المتحدة ، يدعم 17 مولداً رئيسياً للتوربينات ويمكن أن ينتج أكثر من 2000 ميغاواط من الكهرباء.

يولد سد هوفر ، في المتوسط ​​، حوالي 4 مليارات كيلوواط / ساعة من الكهرباء سنويًا ، وهو ما يكفي من الطاقة لتشغيل ما يقرب من 1.5 مليون شخص.

تنتج مولدات التوربينات الكهرمائية الصغيرة عادة ما يصل إلى 10 ميغاوات من الطاقة. عادة ما تنتج توربينات الطاقة الكهرومائية الصغيرة 100 كيلوواط من الطاقة الكهربائية.

هناك عاملان مهمان للغاية لازمان لحساب ناتج الطاقة الكهرمائية المحتمل لنظام الطاقة الكهرمائية وهما تدفق المياه وارتفاع الرأس الهيدروليكي.

تدفق المياه هو حجم الماء الذي يمر عبر التوربين في فترة زمنية محددة ، وارتفاع الرأس هو المسافة التي يسقطها الماء قبل وصوله إلى التوربين.

كلما زاد التدفق ، أو كلما زاد ارتفاع الرأس ، زاد الناتج المحتمل للطاقة الكهومائية.

الجاذبية هي المكون الآخر المطلوب لإكمال معادلة خرج الطاقة ، لكن الجاذبية ثابتة (9.8) ، لذا فهي لا تتغير. مع الجاذبية والمتغيرين لمعادلة حساب خرج الطاقة الكهرمائية هو:

القوة = الجاذبية * معدل تدفق المياه * ارتفاع الرأس

لاستقبال خرج الطاقة بالواط ، يتم قياس الجاذبية بالأمتار في الثانية المربعة ، ويتم قياس تدفق المياه باللتر في الثانية ، ويتم قياس ارتفاع الرأس بالأمتار.

من المهم الآن أن تفهم أن الإجابة التي تحصل عليها ستكون ناتج الطاقة بالواط لآلة تحول 100٪ من الطاقة الميكانيكية للمياه إلى طاقة كهرومائية. هذا ، للأسف ، ليس هو الحال على الإطلاق. يعمل إنتاج الطاقة الكهومائية عادة في نطاق كفاءة 50٪ -70٪. لذلك ، بضرب إجابتك في معدل كفاءة الجهاز ، ستحصل على ناتج الطاقة المحسوب الحقيقي لآلة الطاقة الكهرومائية الخاصة بك.

لماذا يجب إستخدام الطاقة الكهرمائية؟

لماذا الطاقة الكهرمائية عندما تتوفر موارد طاقة متجددة جيدة تمامًا؟ تهب الرياح والشمس تشرق في كل مكان تقريبًا في العالم ، لكن مناطق معينة فقط لديها ما يكفي من المياه لاستخدامها في توليد الطاقة الكهرمائية.

تُستخدم الطاقة المائية لأنها أصبحت مع التكنولوجيا الحديثة عملية فعالة للغاية في تحويل الطاقة الميكانيكية للمياه إلى كهرباء. تنتج الأنظمة الكهرمائية حوالي 70٪ من إجمالي الكهرباء القادمة من مصدر طاقة متجددة لأنه غالبًا ما يكون تشغيلها أقل تكلفة من مشاريع الطاقة المتجددة الأخرى ، وهذا هو سبب استخدام الطاقة الكهرمائية غالبًا.

لسوء الحظ ، تم بالفعل استغلال معظم المواقع الفعالة لبناء محطات مائية كبيرة الحجم ، حتى مع بعض الآثار السلبية على البيئة. هذا هو السبب في أن الطاقة المائية تتجه نحو أنظمة مائية صغيرة جديدة ، والتي يتم استخدامها وتحسينها للعمل في مواقع ذات حجم أقل من المياه. تجد الأنظمة الكهرومائية الصغيرة طرقها أيضًا في المنازل الخاصة لتوليد الكهرباء.

يمكن أن يكون نظام الطاقة الكهرمائية المبني جيدًا مصدرًا فعالاً للغاية لإنتاج الطاقة ، وهذا هو السبب في أن الطاقة المائية هي المصدر الأكثر استخدامًا للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة.

بقلم بوقرة عبدالوهاب.

تعديل المقال