القدرة الهيدروليكية: الخصائص ، كيف تعمل ، المزايا ، الاستخدامات - بيئة - 2025

و الطاقة الهيدروليكية هي القدرة من الماء لعمل إنتاج في ل شكل من أشكال الحركة، وعلى ضوء والحرارة على أساس قدراتهم والطاقة الحركية. كما أنها تعتبر طاقة متجددة نظيفة وعالية الأداء.

يتم تحديد هذه الطاقة من خلال التدفق والتفاوت بين النقاط على الأرض التي يتحرك من خلالها الماء وقوة الجاذبية. تم استخدامه من قبل البشر منذ العصور القديمة لأداء وظائف مختلفة.

سد إيتايبو (البرازيل وباراغواي). المصدر: Angelo Leithold

كان أحد الاستخدامات الأولى للطاقة الهيدروليكية هو تشغيل طواحين المياه التي استفادت من قوة التيار. بهذه الطريقة ، عن طريق التروس ، يمكن نقل أحجار الرحى لدرس القمح.

في الوقت الحاضر ، فإن أكثر تطبيقاته صلة هو توليد الطاقة الكهربائية من خلال محطات الطاقة الهيدروليكية أو محطات الطاقة الكهرومائية. تتكون هذه المحطات بشكل أساسي من سد ونظام من التوربينات والمولدات.

يتراكم الماء في السد بين مستويين من القناة (التفاوت الجيوديسي) ، مما يولد طاقة محتملة للجاذبية. بعد ذلك ، يقوم تيار الماء (الطاقة الحركية) بتنشيط التوربينات التي تنقل الطاقة إلى المولدات لإنتاج الطاقة الكهربائية.

من مزايا الطاقة الهيدروليكية أنها متجددة وغير ملوثة على عكس مصادر الطاقة الأخرى. من ناحية أخرى ، فهي ذات كفاءة عالية مع عائد يتراوح بين 90-95٪.

يرتبط التأثير البيئي للمحطات الكهرومائية بالتغير في درجة الحرارة والتغيير المادي لمجرى المياه. وبالمثل ، يتم إنتاج نفايات الزيوت والدهون التي يتم تصفيتها من الماكينة.

عيبها الرئيسي هو التغيير المادي الناجم عن إغراق مساحات كبيرة من الأرض وتغيير مسار الأنهار وتدفقها الطبيعي.

أكبر محطة للطاقة الكهرومائية في العالم هي The Three Gorges ، الواقعة في الصين ، على نهر اليانغتسي. الاثنان الآخران في الأهمية هما إيتايبو على الحدود بين البرازيل وباراغواي ومحطة سيمون بوليفار أو غوري للطاقة الكهرومائية في فنزويلا.

مميزات

مصدر الطاقة الهيدروليكية هو الماء وتعتبر طاقة متجددة طالما لم يتم تغيير دورة المياه. وبالمثل ، يمكن أن تنتج عملاً دون توليد نفايات صلبة أو غازات ملوثة ، وبالتالي تعتبر طاقة نظيفة.

أداء

تشير كفاءة الطاقة إلى العلاقة بين كمية الطاقة التي يتم الحصول عليها في عملية ما والطاقة اللازمة للاستثمار فيها. في حالة الطاقة الهيدروليكية ، يتم تحقيق أداء يتراوح بين 90 إلى 95٪ اعتمادًا على سرعة الماء ونظام التوربينات المستخدم.

كيف تعمل الطاقة الكهرومائية؟

مخطط محطة الطاقة الكهرومائية. المصدر: المستخدم: Tomia

تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حركية

أساس الطاقة الهيدروليكية هو الطاقة الشمسية وتضاريس الأرض وجاذبية الأرض. في دورة المياه ، تتسبب الطاقة الشمسية في التبخر ثم يتكثف الماء ويترسب على الأرض.

نتيجة للأرض غير المستوية وقوة الجاذبية ، تحدث تيارات المياه السطحية على سطح الأرض. بهذه الطريقة ، يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حركية بسبب حركة الماء من خلال العمل المشترك للتفاوت والجاذبية.

في وقت لاحق يمكن تحويل الطاقة الحركية للماء إلى طاقة ميكانيكية قادرة على القيام بالعمل. على سبيل المثال ، يمكن تحريك الشفرات التي تنقل الحركة إلى نظام تروس يمكنه تشغيل أجهزة مختلفة.

يُعزى حجم الطاقة الهيدروليكية إلى التفاوت بين نقطتين معينتين في قاع النهر وتدفقه. كلما زاد تفاوت الأرض ، زادت الطاقة الكامنة والحركية للمياه وكذلك قدرتها على توليد العمل.

وبهذا المعنى ، فإن الطاقة الكامنة هي تلك التي تتراكم في جسم مائي وترتبط بارتفاعها بالنسبة إلى الأرض. من ناحية أخرى ، الطاقة الحركية هي تلك التي يطلقها الماء في حركته المتساقطة كدالة للتضاريس والجاذبية.

إنتاج الكهرباء من الطاقة الكهرومائية (الكهرومائية)

يمكن استخدام الطاقة الحركية الناتجة عن تساقط المياه لإنتاج طاقة كهربائية. يتم تحقيق ذلك من خلال بناء السدود حيث تتراكم المياه ويتم الاحتفاظ بها على مستويات مختلفة من الارتفاع.

وبالتالي ، فإن الطاقة الكامنة للماء تتناسب طرديًا مع الاختلاف في المستوى بين نقطة وأخرى وعندما يسقط الماء يتحول إلى طاقة حركية. بعد ذلك ، يمر الماء عبر نظام من الشفرات الدوارة ويولد طاقة حركية دورانية.

تسمح الحركة الدورانية بتحريك أنظمة التروس التي يمكنها تنشيط الأنظمة الميكانيكية مثل المطاحن أو العجلات أو المولدات. في الحالة الخاصة لتوليد الطاقة الكهرومائية ، يتطلب النظام نظامًا توربينيًا ومولدًا لتوليد الكهرباء.

التوربينات

يتكون التوربين من محور أفقي أو عمودي مع نظام من الشفرات التي تقوم بتدوير المحور بقوة الماء.

هناك ثلاثة أنواع أساسية من التوربينات الهيدروليكية:

توربين بيلتون

توربين بيلتون. المصدر: Robertk9410

إنه توربين دفع عالي الضغط مع محور أفقي يعمل دون أن يغمره الماء تمامًا. الدفاعة لديها سلسلة من الشفرات المقعرة (الشفرات أو الأسنان) التي تحركها نوافير من الماء.

كلما زاد عدد نفاثات الماء التي تضرب التوربينات ، زادت الطاقة التي ستولدها. يستخدم هذا النوع من التوربينات في الشلالات من ارتفاع 25 إلى 200 متر وتصل كفاءتها إلى 90٪.

توربين فرانسيس

توربين فرانسيس. المصدر: القائم بالتحميل الأصلي كان Stahlkocher في ويكيبيديا الألمانية.

وهي عبارة عن توربينات تفاعلية ذات ضغط متوسط ​​ذات محور عمودي وتعمل مغمورة بالكامل في الماء. يتكون المكره من شفرات يتم تشغيلها بواسطة الماء الذي يمر عبر الموزع.

يمكن استخدامه في الشلالات من ارتفاع 20 إلى 200 متر وتصل كفاءة استخدامه إلى 90٪. هذا هو نوع التوربينات الأكثر استخدامًا في محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة في العالم.

توربين كابلان

توربين كابلان. المصدر: TheRunnerUp

إنه نوع من توربين فرانسيس ، ومثل هذا ، له محور عمودي ، لكن المكره يتكون من سلسلة من الشفرات القابلة للتعديل. إنه ذو تفاعل عالي الضغط ويعمل مغمورًا بالكامل في الماء.

تُستخدم توربينة كابلان في الشلالات من ارتفاع 5 إلى 20 مترًا ويمكن أن تصل كفاءتها إلى 95٪.

المولد

المولد هو جهاز لديه القدرة على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال الحث الكهرومغناطيسي. وبالتالي ، يتم تدوير الأقطاب المغناطيسية (المحرِّض) داخل ملف بأقطاب متناوبة من مادة موصلة (على سبيل المثال جرح النحاس في الحديد اللين).

يعتمد تشغيله على حقيقة أن الموصل الذي يتعرض لفترة معينة لمجال مغناطيسي متغير يولد جهدًا كهربائيًا.

مميزات

تستخدم الطاقة الهيدروليكية على نطاق واسع لأن لها العديد من الجوانب الإيجابية. من بين هؤلاء يمكننا تسليط الضوء على:

إنه اقتصادي

على الرغم من أن الاستثمار الأولي في حالة محطات الطاقة الكهرومائية مرتفع ، إلا أنه بشكل عام على المدى الطويل هو طاقة رخيصة. هذا بسبب ثباتها وانخفاض تكاليف الصيانة.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب إضافة التعويض الاقتصادي الذي توفره الخزانات مع إمكانيات الاستزراع المائي والرياضات المائية والسياحة.

إنه قابل للتجديد

نظرًا لأنه يعتمد على دورة المياه ، فهو مصدر متجدد ومستمر للطاقة. هذا يعني أنه لا ينفد في الوقت المناسب على عكس الطاقة من الوقود الأحفوري.

ومع ذلك ، فإن استمراريتها تعتمد على عدم تغيير دورة المياه في منطقة معينة أو على مستوى العالم.

أداء عالي

تعتبر الطاقة الهيدروليكية عالية الكفاءة وذات أداء عالٍ يتراوح بين 90 إلى 95٪.

انها ليست ملوثة

يستخدم هذا النوع من الطاقة مصدرًا طبيعيًا مثل الماء ولا ينتج عنه أيضًا نفايات أو غازات ملوثة. لذلك فإن تأثيره على البيئة منخفض ويعتبر شكلاً من أشكال الطاقة النظيفة.

وجود الخزانات

في الحالات التي يتم فيها بناء الخزانات لاستخدام الطاقة الكهرومائية ، تقدم هذه سلسلة من الفوائد الإضافية:

- تسمح بتنظيم تدفق النهر وتجنب الفيضانات.

- تمثل خزان مياه للاستهلاك البشري والري والاستخدام الصناعي.

- يمكن استخدامها كمناطق ترفيهية وممارسة الرياضات المائية.

سلبيات

الاعتماد على هطول الأمطار

أحد القيود على توليد الطاقة الكهرومائية هو اعتمادها على نظام هطول الأمطار. لذلك ، في السنوات الجافة بشكل خاص ، يمكن أن ينخفض ​​إمداد المياه بشكل كبير وينخفض ​​مستوى الخزان.

عندما ينخفض ​​تدفق المياه ، يكون توليد الطاقة الكهربائية أقل. بهذه الطريقة يمكن أن تحدث مشاكل في المناطق التي تعتمد بشكل كبير على إمدادات الطاقة الكهرومائية.

تغيير المجرى الطبيعي للنهر

يؤدي بناء السد في النهر إلى تغيير مساره الطبيعي ونظام الفيضان والتضاؤل ​​(انخفاض التدفق) وعملية سحب الرواسب. لذلك ، تحدث تغيرات في بيولوجيا النباتات والحيوانات المائية أو الموجودة بالقرب من جسم الماء.

من ناحية أخرى ، فإن الاحتفاظ بالرواسب في السد يغير تكوين الدلتا عند مصب الأنهار ويغير ظروف التربة.

خطر كسر السد

نظرًا للكم الكبير من المياه المخزنة في بعض السدود الكهرومائية ، فإن خرق الجدار الاستنادي أو المنحدرات القريبة يمكن أن يتسبب في وقوع حوادث خطيرة. على سبيل المثال ، خلال عام 1963 ، حدث منحدر سد فاجونت (غير مستخدم الآن) في إيطاليا ، مما تسبب في وفاة 2000 شخص.

التطبيقات

عجلات فيريس ومضخات مياه

يسمح دوران العجلة المدفوعة بالطاقة الحركية للماء بسحب المياه من بئر ضحل أو قناة إلى قناة أو خزان مرتفع. وبالمثل ، فإن الطاقة الميكانيكية التي تولدها العجلة يمكن أن تدفع مضخة هيدروليكية.

يتكون أبسط نموذج من عجلة ذات شفرات بأوعية تجمع الماء في نفس الوقت الذي يحركه فيه التيار. ثم ، أثناء دورانهم ، يسقطون الماء في الخزان أو القناة.

المطاحن

لأكثر من 2000 عام ، استخدم الإغريق والرومان الطاقة الهيدروليكية لتحريك المطاحن لطحن الحبوب. يؤدي دوران العجلة التي يقودها تيار الماء إلى تنشيط التروس التي تدير حجر الرحى.

تزوير

تطبيق قديم آخر لقدرة العمل القائمة على الطاقة الهيدروليكية هو استخدامه لتنشيط منفاخ الحدادة في أعمال الحدادة والتعدين.

الكسر الهيدروليكي

في التعدين والنفط ، تُستخدم الطاقة الحركية للمياه في تآكل الصخور وتكسيرها وتسهيل استخراج المعادن المختلفة. لهذا الغرض ، يتم استخدام خراطيم المياه الضخمة المضغوطة التي تضرب الركيزة حتى تتآكلها.

هذه تقنية مدمرة للتربة وتلوث المجاري المائية بشدة.

التكسير

تقنية التكسير الهيدروليكي هي تقنية مثيرة للجدل تكتسب زخماً في صناعة النفط. وهو يتألف من زيادة مسامية القاعدة الصخرية المحتوية على النفط والغاز من أجل تسهيل إزالتها.

يتم تحقيق ذلك عن طريق حقن كميات كبيرة من الماء والرمل عند ضغوط عالية مع سلسلة من الإضافات الكيميائية. وقد تم التساؤل عن هذه التقنية بسبب استهلاكها العالي للمياه وتلوث التربة والمياه والتسبب في تغيرات جيولوجية.

محطات توليد الطاقة الكهرومائية

الاستخدام الحديث الأكثر شيوعًا هو تشغيل محطات توليد الطاقة الكهربائية ، أو ما يسمى بالمحطات الكهرومائية أو محطات الطاقة الكهرومائية.

أمثلة على محطات الطاقة الكهرومائية

الخوانق الثلاثة

سد الخوانق الثلاثة (الصين). المصدر: Le Grand Portage أعمال مشتقة: رحمن

تقع محطة الخوانق الثلاثة لتوليد الطاقة الكهرومائية في مقاطعة هوبي الصينية على مجرى نهر اليانغتسي. بدأ بناء هذا السد في عام 1994 واكتمل في عام 2010 ، ووصل إلى منطقة غمرتها المياه تبلغ 1045 كيلومترًا مربعًا وقدرة مركبة تبلغ 22500 ميجاوات (ميجاوات).

يشتمل المصنع على 34 توربين فرانسيس (32 من 700 ميغاواط واثنتان من 50 ميغاواط) بإنتاج سنوي للطاقة الكهربائية 80.8 جيجاواط ساعة. إنها أكبر محطة كهرومائية في العالم من حيث الهيكل والطاقة المركبة.

تمكن سد الخوانق الثلاثة من السيطرة على الفيضانات الدورية للنهر التي تسببت في أضرار جسيمة للسكان. كما يضمن توفير الكهرباء للمنطقة.

ومع ذلك ، كان لتشييده بعض النتائج السلبية مثل نزوح حوالي 2 مليون شخص. بالإضافة إلى ذلك ، فقد ساهم في انقراض دلفين النهر الصيني المهدد بالانقراض (Lipotes vexillifer).

إيتايبو

سد إيتايبو. المصدر: هير ستالهوفر

يقع مصنع إيتايبو للطاقة الكهرومائية على الحدود بين البرازيل وباراغواي على مجرى نهر بارانا. بدأ بناؤه عام 1970 وانتهى على ثلاث مراحل أعوام 1984 و 1991 و 2003.

تبلغ مساحة السد التي غمرتها المياه 1350 كيلومترًا مربعًا وتبلغ طاقته الإنتاجية 14 ألف ميجاوات. تشتمل المحطة على 20 توربينة فرانسيس بقدرة 700 ميجاوات لكل منها ويبلغ إنتاجها السنوي من الطاقة الكهربائية 94.7 جيجاوات ساعة.

يعتبر إيتايبو أكبر مصنع للطاقة الكهرومائية في العالم من حيث إنتاج الطاقة. يساهم بنسبة 16٪ من الطاقة الكهربائية المستهلكة في البرازيل و 76٪ في باراغواي.

فيما يتعلق بتأثيراته السلبية ، فقد أثر هذا السد على البيئة في الجزر ودلتا نهر بارانا.

سيمون بوليفار (جوري)

محطة سيمون بوليفار للطاقة الكهرومائية (غوري ، فنزويلا). المصدر: Warairarepano & Guaicaipuro

يقع مصنع سيمون بوليفار لتوليد الطاقة الكهرومائية ، والمعروف أيضًا باسم سد غوري ، في فنزويلا على مجرى نهر كاروني. بدأ بناء السد عام 1957 ، واكتملت المرحلة الأولى عام 1978 ، واكتملت عام 1986.

تبلغ مساحة سد جوري 4.250 كيلومترًا مربعًا وقدرته المركبة 10200 ميجاوات. يتضمن مصنعها 21 توربينات فرانسيس (10 من 730 ميغاواط ، 4 من 180 ميغاواط ، 3 من 400 ميغاواط ، 3 من 225 ميغاواط وواحدة من 340 ميغاواط)

يبلغ الإنتاج السنوي 46 جيجاوات في الساعة ويعتبر ثالث أكبر محطة للطاقة الكهرومائية في العالم من حيث الهيكل والطاقة المركبة. يوفر مصنع الطاقة الكهرومائية 80٪ من الطاقة الكهربائية التي تستهلكها فنزويلا ويباع جزء منها إلى البرازيل.

أثناء بناء محطة الطاقة الكهرومائية ، غمرت المياه مساحات كبيرة من النظم البيئية في غيانا الفنزويلية ، وهي منطقة ذات تنوع بيولوجي عالٍ.

اليوم ، بسبب الأزمة الاقتصادية العميقة في فنزويلا ، انخفضت الطاقة الإنتاجية لهذا المصنع بشكل كبير.

المراجع

1. - Hadzich M (2013). الطاقة الهيدروليكية ، الفصل 7. دورة تدريبية فنية لمجموعة PUCP. تقنيات للمنازل البيئية والفنادق. الجامعة البابوية الكاثوليكية في بيرو.

2.- رابي ج (1985). الطاقة المائية. تصميم واستخدام ووظيفة المعدات الهيدروميكانيكية والهيدروليكية والكهربائية. ألمانيا: N. p.

3.- ساندوفال ايرازو ، واشنطن. (2018). الفصل 6: المفاهيم الأساسية لالكهرومائية Plants.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas

4.- المتمسك CM، كو MT، كوستا MH، Nepstad DC، ماكغراث DG، دياس HO ورودريغز BS-سواريس-BS نظام الإجراءات الجزائية، ورودريغز-سواريس-BS نظام الإجراءات الجزائية (2013). الاعتماد على توليد الطاقة الكهرومائية على الغابات في حوض الأمازون على المستويين المحلي والإقليمي. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 110 (23) ، 9601-9606.

5.- سوريا إي (ق / و). المكونات الهيدروليكية. الطاقات المتجددة للجميع. إيبيردولا. 19 ص.