مشاريع صغيرة لتوليد الكهرباء بواسطة المياه الجارية

مشاريع صغيرة لتوليد الكهرباء بواسطة المياه الجارية هو نوع من مشاريع توليد الطاقة الكهرومائية التي تنتج عادة ما يصل إلى 100 كيلوواطمن الكهرباء باستخدام التدفق الطبيعي للمياه. ويمكن لهذه المنشآت توفير الطاقة إلى منزل معزول أو مجتمع صغير، أو يمكن ربطها أحياناً مع شبكات الطاقة الكهربائية. وهناك العديد من هذه المنشآت في جميع أنحاء العالم، ولا سيما في الدول النامية لأنها يمكن أن توفر مصدرا اقتصاديا للطاقة من دون شراء الوقود.إن المشاريع الصغيرة لتوليد الكهرباء بواسطة المياه الجارية تعتبر متممة لمشاريع توليد الكهرباء بواسطة الطاقة الشمسية لأنه في كثير من الاماكن، تدفق المياه يتيح توليد الكهرباء ، وهو يكون في حده الأعلى في فصل الشتاء عندما الطاقة الشمسية هي في حدها الأدنى. ويتم توليد الكهرباء باستخدامعجلة بيلتون(Pelton) التي توفر ضغطاً أعلى حتى و إن كان تدفق المياه منخفضاً. تكون المنشأة في كثير من الأحيان مجرد بركة على شكل سد صغير، في أعلى شلال و تمد منه أنابيب لمسافة عدة مئات من الأقدام تؤدي في النهاية موقع مولد صغير للكهرباء.

الإنشاء

إن تفاصيل بناء مشروع وحدة توليد طاقة كهرومائية يعتمد على الموقع تحدبداً. أحيانا يمكن اسخدام خزان اصطناعي لبركة مطحنة أو غيرها يكون موفراً بحيث يتم تكييفها لإنتاج الطاقة. بشكل عام، مشروع وحدة توليد طاقة كهرومائية بتكون من عناصر عدة. وتشمل أهمها نقطة تحوبل مياه من مجرى مياه طبيعي، نهر، أو ربما شلال. لا بد من وضع منخل لمنع دخول الأجسام الصلبة العائمة والأسماك، وذلك باستخدام شاشة أو مجموعة من القضبان لمنع دخول الأجسام الكبيرة. في المناخات الباردة يجب أن بمنع هذا الهيكل دخول الجليد كذلك. وأن يكون له بوابة تمنع دخول الماء من اجل التفتيش والصيانة.
تسير المياه المحولة بواسطة الانابيب إلى مبنى توليد الكهرباء حيث تتواجد التوربينان. في المناطق الجبلية، قان الوصول إلى مسار الماسورة بشكل تحديات كبيرة خاصةً إذا كان مصدر المياه، والتوربينات بعيدتان عن بعضهما بعضا، و قد يشكل بناء الماسورة الجزء الأكبر من تكاليف البناء. عند التوربينات، يتم تثبيت صمام سيطرة لتنظيم تدفق المياه وسرعة التوربينات. أن التوربين بقوم بتحويل تدفق وضغط المياه إلى الطاقة ميكانيكية، والمياه الخارجة من التوربينات يعود إلى المجرى الطبيعي على طول قناة ما بعد المولدات. بقوم التوربين يتدوير مولديكون مرتبطاً بشبكة كهرباء لمبنى واحد في المنشآت الصغيرة جدا، أو قد يكون مرتبطاً بشبكة كهرباء نظام للتوزيع على عدد من المنازل أو المباني .
تكون عادة مشاربع وحدا توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة مصلة بسد أوخزان، مثل محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة و، وتعتمد على الحد الأدنى من تدفق المياه المتوفرة على مدار السنة.

التنظيم و طريقة العمل

عادة، تقوم وحدة تحكم أوتوماتيكية بالسيطرة على صمام على مدخل التوربين للحفاظ على سرعة ثابتة (وذبذبة التيار) عندما يتغير الحمل على المولدات. اما في الحالات التي تكون الأنظمة مع شبكة ذات مصادر متعددة، فان أجهزة السيطرة على التوربينات تضمن تدفق الطاقة من المولد إلى الشبكة. إن ذبذبة التياريجب أن تتناسب مع ذبذبة تيار الشيكة الرئيسية المتصل المولد بها ، وإذا كان الحمل المستخدم اقل من الطاقة الناتجة من المولد فانه يلزم ربط المولد اتوماتيكياً باحمال اضافية لتبديد الطاقة الفائضة، في حين أن هذه الطاقة تذهب هدراً، وذلك إذا لم يكن من الممكن إيقاف تدفق المياه عبر التوربين.
يعمل المولد الاولي دائما على ذبذبة الشبكة بغض النظر عن سرعة دورانه ؛ كل ما هو ضروري هو التأكد من أن بدور التوربين بسرعة أكبر من سرعة التوافق بحيث يقوم التوربين بانتاج الطاقة بدلا من استهلاكها. اما بالنسبة لانواع أخرى من التوربينات فانها تتطلب نظم التحكم في السرعة لمطابقة الذبذبة بينها وبين الأنظمة الأخرى.
في هذه الايام حيث تتوفر أجهزة سيطرة على الطاقة الكترونية حديثة غالبا ما يكون من الأسهل تشغيل المولد على أي تردد عشوائي و تغذية انتاجها من خلال محول ينتج ذبذبة الشبكة. إن أجهزة السيطرة على الطاقة الالكترونية الحديثة تسمح الآن باستخدام لمغناطيس دائم يثبت التيار المتذبذب. إن استخدام هذه الطريقة يسمح باستخدام التوربينات ذات السرعة المنخفضة /أو الضغط المنخفض بأن تكون قادرة على المنافسة ، بل يمكن تشغيلها في سرعة أفضل لتوليد الطاقة، ويتم التحكم في ذبذبة التيار من قبل الأجهزة الإلكترونية بدلا من المولد.
بالنسبة للوحدات الصغيرة التي تولد بضعة كيلواطات أو أقل فانه يمكن توليد تياراً مباشراً لشحن بطاريات يمكن استخدامها في أوقات ذروة الاستخدام .

أنواع التوربينات

ويمكن استخدام عدة أنواع مختلفة من التوربينات المائية في المنشآت المائية الصغيرة،يعتمد الاختيار على ضغط المياه، وحجم تدفق، وعوامل اخرى مثل توفر خدمات الصيانة محلياً، ونقل المعدات إلى الموقع. بالنسبة للمناطق الجبلية حيث يمكن توفر شلالاَ بارتفاع 50 مترا أو أكثر يمكن استخدام عجلة بيلتون. للمنشآت ذات الضغط المنخفض يمكن استخدام توربين فرانسيس أو التوربين المروحي. بالنسبة للمنشآت ذا الضغط المنخفض جدا التي لا يزيد ارتفاعها عن بضعة أمتار فيمكن استخدام التوربينات المروحية و وضعها في حفرة. لربما المنشآت المائية الصغيرة جداً فقد تستخدم مضخات الطرد المركزي الصناعية بحيث تدور في الاتجاه المعاكس لكي تكون هي المحرك الرئيسي، في مثل هذه الأحوال فأن الكفاءة قد لا يكون مرتفعة كما هي في الوربينات التي بنيت لهذا الغرض، ولكن الكلفة منخفضة نسبيا مما يجعل من هذه المشاريع مجدية اقتصاديا.
في المنشآت ذات الضغط المنخفض فإن تكاليف الصيانة والآليات غالبا ما تصبح مهمة. إن المياه ذات الضغط المنخفض تحرك كميا كبيرة من المياه التي تحمل الكثير من الأوساخ على سطحها. لهذا السبب يفضل في كثير من الأحيان استخدام توربين Banki وتسمى أيضا توربين Ossberger ، وهي تشبه عجل الساقية بدوران متعاكس ، لأنظمة توليد الطاقة ذات الضغط المنخفض. مع انها أقل كفاءة إلا انها ابسط في الإنشاء و اقل كلفة من توربينات ذات الضغط المنخفض الأخرى بنفس القدرة. بما أن الماء يدخلها ثم يخرج منها، فإنها تنظف نفسها بنفسها، وهي أقل عرضة للعطل بسبب الأوساخ.
جهاز توربين ارخميدس (البرغي المعكوس): يوجد منه مشروعان يعملان بالضغط المنخفض في انكلترا،مشروع Settle Hydro و مشروع Torrs Hydro يستخدمان جهاز توربين ارخميدس (البرغي المعكوس) و هو تصميم آخر يتحمل الأوساخ وتصل كفاءته إلى 85٪.
Gorlov: توربينGorlov الحلزوني الذي يعمل في الجريان المحصور أو غير المحصور مع وجود سد إو بدونه . 
توربينات فرانسيس والتوربينات المروحية. 
توربينات كابلان: هنلك بديل لتوربين كابلان التقليدي باستخدام مغناطيس دائم ذو قطر كبير، يدور ببطء، يعمل بضغط منخفض جداً و تصل كفائته إلى 90٪. 
توربين الدوامة لإنتاج الطاقة باستخدام الجاذبية : يمكن تحويل جزء من مياه النهر عند حافة أو شلال طبيعي إلى حوض له مخرج في وسطه مما يشكل دوامة عند خروج المياه منه . أن الطاقة الحركية الناتجة تدير عموداً يدور بسببها و يكون متصلاً بمولد كهرباء تصل كفاءته إلى 83٪ وتنخفض إلى 64٪ عندما ينخفض تدفق المياه إلى الثلث.

الاستخدام

نظم توليد الكهرباء بطريقة الوربينات هذه مرنة جدا، ويمكن استخدامها في عدد من البيئات المختلفة. فهي تعتمد على كمية تدفق المياه من المصدر (الخور أو النهر أو الجدول) وسرعتها. ويمكن تخزين الطاقة في مجموعات من البطاريات في مواقع بعيدة كل البعد عن المنشأة أو استخدامها بالإضافة إلى النظام المربوط مباشرة لكي تكون موجودة عند اللزوم في حالات الطلب المتزايد على الطاقة. ويمكن تصميم هذه الأنظمة للحد من الأضرار المحتملة الناجمة بشكل منتظم من قبل السدود الكبيرة أو غيرها من المواقع الكبيرة لتوليد الطاقة الكهرمائية.

التنمية الريفية المحتملة

فيما يتعلق بالتنمية الريفية، والتكاليف البسيطة وانخفاض نسبي نظم توليد الكهرباء الصغيرة بطريقة الوربينات فتح فرص جديدة لبعض الجماعات المحلية المعزولة التي بحاجة إلى الكهرباء. فقط بواسطة جدول صغير ، يمكن وصول الإضاءة والاتصالات للمنازل والعيادات الطبية والمدارس والمرافق الأخرى في المناطق النائية ،. إن نظم توليد الكهرباء الصغيرة بطريقة الوربينات يمكن تشغيلها على مستوى معين من قبل الشركات الصغيرة لإمكانيات الدعم. المناطق على طول جبال الانديز وسري لانكا والصين لديها بالفعل برامج مماثلة نشطة. واحد غير متوقع على ما يبدو استخدام هذه النظم في بعض المناطق هو الحفاظ على أفراد المجتمع من الشباب ينتقلون إلى المناطق الحضرية أكثر من أجل تحفيز النمو الاقتصادي. فضلا عن احتمال تقديم حوافز مالية للعمليات أقل كثافة الكربون ينمو، وربما في المستقبل لنظم microhydro أصبح أكثر جاذبية.

مزايا النظام

يتم إنشاء طاقة Microhydro من خلال العمليات التي تعتمد التدفق الطبيعي للمياه. و الأكثر شيوعا هوتحويل هذه الطاقة إلى طاقة كهربائية. وذلك مع عدم وجود انبعاثات مباشرة من عملية التحويل هذه، وهذا يعني اتها صديقة للبيئة غير ضارة بها وإذا ما خطط لها بشكل جيد، وبالتالي تأمين الطاقة من مصدر الطاقة المتجددة . ويعتبر Microhydro نظام "مجرى النهر" مما يعني أن يتم توجيه المياه المحولة من النهر أو النهر مرة أخرى في مجرى مائي واحد. إضافة إلى الفوائد الاقتصادية المحتملة من microhydro فهناك كذلك الكفاءة والموثوقية والفعالية بالتكلفة.

عيوب النظام

إن نظم توليد الكهرباء الصغيرة بطريقة التوربينات محدودة بطبيعة موقعها. أكثرالتأثيرات مباشرة تأتي من مصادر المياه ذات التدفقات الضئيلة. وبالمثل، يمكن أن تتغير تدفقات موسميا في بعض المناطق. وأخيرا، من أكثرالتأثيرات السلبية ولعلها في مقدمتها العيب هو المسافة من مصدر التوليد إلى المكان المحتاج لهذه الطاقة. إن مشكلة التوزيع، بالاضافة لغيرها من الأمور الأساسية يجب اخذها بعين الاعتبار عند النظر في امكانية استخدام نظم توليد الكهرباء الصغيرة بطريقة التوربينات.