مقاله

نیروگاه آبی — به زبان ساده

نیروگاه‌های برق‌آبی تقریباً 24 درصد از برق جهان و به تعبیری برق مصرفی بیش از 1 میلیارد نفر را تولید می‌کنند. بر اساس گزارش‌های آزمایشگاه ملی انرژی‌ تجدیدپذیر (NREL)، نیروگاه‌های برق‌آبی جهان مجموعاً 675,000 مگاوات توان، معادل 3٫6 میلیارد بشکه نفت تولید می‌کنند. بیش از 2000 نیروگاه آبی در ایالات متحده وجود دارد و این امر انرژی برق‌آبی را به بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر این کشور تبدیل کرده است. در ایران نیز ظرفیت نیروگاه‌های برق‌آبی تقریباً ۱۱,۶۰۰ مگاوات است. در این آموزش، با اصول عملکرد، اجزا و انواع نیروگاه آبی تولید برق آشنا می‌شویم.

در ادامه، نگاهی خواهیم انداخت به این موضوع که چگونه جریان آب باعث تولید انرژی می‌شود و در مورد چرخه‌ای که وجود جریان آب را برای تولید انرژی الکتریکی ضروری می‌کند، بحث خواهیم کرد. همچنین یک نگاه اجمالی به یکی از فناوری‌های منحصر به فرد نیروگاه آبی خواهیم انداخت که شاید در آینده زندگی روزمره از آن بیشتر استفاده کنیم.

نمایی زیبا از سد دز
نمایی زیبا از سد دز

قدرت آب

هنگام تماشای رودخانه‌ای که آب آن جریان دارد، تصور نیرویی که آب حمل می‌کند شاید دشوار باشد. اگر تا به حال رودگردی در آب‌های سفید انجام داده‌ باشید، قسمت کوچکی از قدرت رودخانه را احساس کرده‌اید. تندآب‌های سفید در رودخانه ایجاد می‌شوند و مقدار زیادی آب را در سرازیری و گلوگاه‌ها در یک مجرای باریک حمل می‌کنند. وقتی رودخانه باید از دهانه عبور کند، جریان آب آن سرعت می‌گیرد. سیل و طغیان نمونه دیگری از میزان نیرویی است که حجم عظیم آب می‌تواند داشته باشد.

نیروگاه‌های برق آبی انرژی آب را مهار می‌کنند و با بهره‌گیری از قوانین مکانیک ابتدایی آن را به برق تبدیل می‌کنند. در واقع، نیروگاه‌های آبی بر اساس این مفهوم ساده ساخته شده‌اند که آب جاری  و گذرنده از سد یک توربین را می‌چرخاند که خود موجب چرخش ژنراتور می‌شود.

اجزای نیروگاه آبی

شکل زیر اجزای اساسی یک «نیروگاه آبی» (Hydropower Plant) معمولی را نشان می‌دهد.

بخش‌های مختلف نیروگاه آبی
بخش‌های مختلف نیروگاه آبی

اجزای اصلی یک نیروگاه آبی به شرح زیر هستند:

  • سد: اغلب نیروگاه‌های برق‌آبی سدی دارند که مانع عبور آب می‌شود و مخزنی بزرگ ایجاد می‌کند. غالباً، از این مخزن به عنوان یک دریاچه تفریحی نیز می‌توان استفاده کرد.
  • آبگیر: دریچه‌های روی سد باز می‌شود و نیروی جاذبه آب را از طریق «تونل» (Penstock) به توربین می‌رساند. آب هنگام عبور از این لوله فشار خواهد داشت.
  • توربین: آب به پره‌های بزرگ توربین برخورد می‌کند. توربین نیز از طریق شفت به ژنراتور بالای آن متصل است. متداول‌ترین نوع توربین برای نیروگاه‌های آبی «توربین فرانسیس» (Francis Turbine) است که مانند دیسک بزرگی با تیغه‌های خمیده به نظر می‌رسد. طبق گزارش بنیاد آموزش آب و انرژی (FWEE)، یک توربین می‌تواند تا 172 تن وزن داشته باشد و با سرعت 90 دور در دقیقه بچرخد.
  • ژنراتورها: با چرخش پره‌های توربین، تعدادی آهن‌ربا در داخل ژنراتور نیز می‌چرخند. آهن‌رباهای غول‌پیکر با چرخش از کنار سیم‌پیچ‌های مسی عبور می‌کنند و جریان متناوب (AC) تولید می‌کنند.
شفت اتصال توربین و ژنراتور
شفت اتصال توربین و ژنراتور
  • ترانسفورماتور: ترانسفورماتور در پست نیروگاه، برق AC را گرفته و ولتاژ آن را افزایش می‌دهد.
  • خطوط برق: از هر نیروگاه چهار سیم خارج می‌شود: سه فازِ برق که به طور همزمان تولید می‌شود، به علاوه یک خنثی یا یک زمین مشترک برای هر سه فاز. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد مدارهای سه‌فاز، مطلب «مدار سه فاز — از صفر تا صد» را بخوانید.
  • برون‌شارش: آب مورد استفاده از طریق خطوط لوله انتقال داده می شود که به آن حوضچه می‌گویند و وارد پایین‌دست رودخانه می‌شود.

آب موجود در مخزن به عنوان انرژی ذخیره شده در نظر گرفته می‌شود. هنگامی که دریچه‌ها باز می‌شوند، آب در حال عبور از آبگیر به دلیل حرکتی که دارد، دارای انرژی جنبشی خواهد بود. مقدار الکتریسیته تولید شده توسط عوامل مختلفی تعیین می‌شود. دو عامل از جمله دبی آب و اندازه «هد هیدرولیکی» (Hydraulic Head) است. هد به فاصله سطح آب با توربین‌ها اشاره دارد. با افزایش هد و دبی، برق تولیدی نیز افزایش می‌یابد. هد معمولاً به مقدار آب درون مخزن بستگی دارد.

نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای

نوع دیگری از نیروگاه آبی وجود دارد که «نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای» (Pumped-Storage Plant) نامیده می‌شود. در یک نیروگاه آبی معمولی، آب مخزن از نیروگاه عبور می‌کند، خارج شده و به پایین‌دست منتقل می‌شود. یک نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای دارای دو مخزن است:

  • مخزن فوقانی: مانند یک نیروگاه آبی معمولی، یک سد مخزن ایجاد می‌کند. آب موجود در این مخزن از نیروگاه آبی می‌گذرد تا برق ایجاد کند.
  • مخزن تحتانی: آب خارج شده از نیروگاه به جای ورود مجدد به رودخانه و جاری شدن در پایین‌دست، به یک مخزن پایین‌تر جریان می‌یابد.

با استفاده از «توربین برگشت‌پذیر» (Reversible Turbine)، نیروگاه می‌تواند آب را به مخزن فوقانی پمپاژ کند. این کار در ساعات کم‌مصرف انجام می‌شود. اساساً، مخزن دوم مخزن فوقانی را دوباره پر می‌کند. با پمپاژ آب به مخزن فوقانی، نیروگاه آب بیشتری برای تولید برق در دوره‌های اوج مصرف دارد.

روتور ژنراتور نیروگاه سد دز
روتور ژنراتور نیروگاه سد دز

ژنراتور نیروگاه آبی

قلب نیروگاه برق آبی ژنراتور است. اکثر نیروگاه‌های برق‌آبی چندین ژنراتور دارند. همان‌طور که حدس زده‌اید ژنراتور برق تولید می‌کند. به زبان ساده، فرایند اصلی تولید برق به این روش چرخش تعدادی آهن‌ربا در داخل سیم‌پیچ‌ها است. این فرایند باعث حرکت الکترون‌ها می‌شود که موجب برقراری جریان الکتریکی خواهد شد.

برای مثال، اکنون نیروگاه سد دز در مجموع ۸ ژنراتور دارد که هر یک از آن‌ها ۹۰ مگاوات تولید می‌کنند. ظرفیت کل نیروگاه برق‌آبی سد دز ۷۲۰ مگاوات است. هر ژنراتور از بخش‌های اصلی زیر ساخته شده است:

  • شفت یا محور
  • سیستم تحریک
  • روتور
  • استاتور

با چرخش توربین، سیستم تحریک جریان الکتریکی را به روتور می‌فرستد. روتور مجموعه‌ای از آهن‌ربا‌های بزرگ است که در داخل یک سیم‌پیچ مسی قرار دارد و سیم‌ها به دور آن پیچانده شده‌اند که استاتور نامیده می‌شود. میدان مغناطیسی بین سیم‌پیچ و آهن‌ربا جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.

چرخه آب

نیروگاه‌های برق‌آبی در فرایندی مداوم و طبیعی کار می‌کنند؛ فرایندی که باعث بارش باران و طغیان رودخانه‌ها می‌شود. هر روز سیاره ما مقدار کمی آب از طریق اتمسفر از دست می‌دهد، زیرا پرتو فرابنفش مولکول‌های آب را از هم جدا می‌کند. اما همزمان، از طریق فعالیت‌های آتشفشانی، آب جدیدی از قسمت داخلی زمین فرستاده می‌شود. مقدار آب ایجاد شده و مقدار آب از دست رفته تقریباً یکسان است.

در هر زمان، حجم کل آب در جهان به حالت‌های مختلفی وجود دارد. از این حالت‌ها اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و باران مایع هستند. از حالت جامد می‌توان به یخچال‌های طبیعی اشاره کرد. از مثال‌های حالت گازی آب نیز بخار آب نامرئی در هوا است. آب هنگام انتقال به اطراف سیاره توسط جریان‌های باد تغییر حالت می‌دهد. جریان‌های باد توسط فعالیت گرمایی خورشید ایجاد می‌شوند. چرخه‌های جریان هوا با تابش خورشید بیش از سایر مناطق کره زمین به خط استوا ایجاد می‌شوند.

چرخه‌های جریان هوا منبع آب زمین را از طریق چرخه‌ای خاص خود به نام چرخه هیدرولوژی یا چرخه آب هدایت می‌کنند. وقتی خورشید آب مایع را گرم می‌کند، آب در هوا تبخیر می‌شود. خورشید هوا را گرم می‌کند و باعث بالا آمدن هوا در جو می‌شود. هوا در ارتفاع بالاتر سردتر است، بنابراین با افزایش بخار آب، آن را خنک می‌کند و به قطرات متراکم تبدیل می‌کند. هنگامی که قطرات کافی در یک ناحیه جمع می‌شوند، ممکن است قطرات آنقدر سنگین شوند که در اثر بارندگی دوباره به زمین بریزند.

چرخه هیدرولوژی برای نیروگاه‌های آبی مهم است، زیرا کار آن‌ها به جریان آب بستگی دارد. در صورت کمبود باران در نزدیکی نیروگاه، آب در بالادست جمع نمی‌شود. بدون جمع شدن آب جاری، آب کمتری از نیروگاه برق آبی عبور می‌کند و برق کمتری تولید می‌شود.

برای آشنایی بیشتر با چرخه آب، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش «چرخه آب — از صفر تا صد» مراجعه کنید.

کفش برق‌آبی

ایده اصلی نیروگاه آبی استفاده از توان مایع متحرک برای چرخاندن پره توربین است. به طور معمول، یک سد بزرگ باید در وسط رودخانه ساخته شود تا نیروگاه برق تولید کند. یک اختراع جدید از ایده برق‌آبی در مقیاس بسیار کوچک‌تری برای تأمین برق دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل به کار برده شده است.

«رابرت کومارچکا» (Robert Komarechka)، مخترع کانادایی، ایده قرار دادن ژنراتورهای کوچک برق‌آبی را در کف کفش ارائه داده است. وی معتقد است که این میکروتوربین‌ها برای تأمین انرژی تقریباً هر وسیله‌ای برق کافی تولید می‌کنند. در ماه می سال 2001، کومارچکا حق ثبت اختراع کفش برق‌آبی را دریافت کرد.

در نحوه راه رفتن ما یک اصل بسیار اساسی وجود دارد: پا در هر مرحله از پاشنه تا پنجه به زمین برخورد می‌کند. همان‌طور که پای شما روی زمین قرار می‌گیرد، نیرو از طریق پاشنه شما به پایین وارد می‌شود. هنگامی که برای گام بعدی خود آماده می‌شوید، پای خود را به جلو می‌برید، بنابراین نیرو به پنجه پای شما منتقل می‌شود. ظاهراً کومارچکا به این اصل اساسی پیاده‌روی پی برده و ایده‌ای را برای استحصال توان این فعالیت روزمره ایجاد کرده است.

کفش برق‌آبی
شماتیک کفش برق‌آبی

پنج قسمت کفش برق‌آبی کومارچکا برای تولید برق به شرح زیر است:

  • سیال: سیستم از مایع رسانای الکتریکی استفاده خواهد کرد.
  • کیسه نگهدارنده مایع: یک کیسه در قسمت پاشنه و کیسه دیگر در قسمت پنجه کفش قرار می‌گیرد.
  • اتصالات: اتصالات هر کیسه را به یک میکروژنراتور متصل می‌کنند.
  • توربین: وقتی آب در کف به جلو و عقب حرکت می‌کند، پره‌های یک میکروتوربین را حرکت می‌دهد.
  • میکروژنراتور: ژنراتور بین دو کیسه پر از مایع قرار دارد و شامل یک روتور تیغه‌ای است که یک شافت را به حرکت در آورده و ژنراتور را می‌چرخاند.

هنگام راه رفتن فرد، فشرده‌ شدن مایع موجود در کیسه‌ای که در پاشنه کفش قرار دارد، مایعات را از طریق مجرا و به ماژول ژنراتور برق منتقل می‌کند. با ادامه راه رفتن فرد، پاشنه بلند شده و فشار رو به پایین روی کیسه زیر پنجه پای فرد وارد می‌شود. حرکت سیال باعث چرخش روتور و محور برای تولید برق می شود.

یک سوکت خارجی برای اتصال سیم‌ها به یک دستگاه قابل حمل در نظر گرفته شده است. همچنین ممکن است یک واحد خروجی کنترل توان برای استفاده در کمربند کاربر در نظر گرفته شود. می‌توان دستگاه‌های الکترونیکی را به این واحد خروجی کنترل توان متصل کرد که منبع برق ثابت را تأمین می‌کند.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا