انرژی برق آبی

برق آبی، به عنوان قدیمی ترین منبع انرژی تجدیدپذیر شناخته می شودکه در گذشته نیز انسان از آن برای کاربردهای مختلفی مانند کشاورزی و آسیاب غلات  بهره می گرفته است. بیش از 2000 سال پیش، یونانیان باستان از نیروی آب برای چرخاندن چرخ ها به منظور آسیاب غلات استفاده می کردند که به تدریج این آسیاب های آبی در سراسر آسیا و اروپا شناخته شد .

در سال 1827 میلادی، برای اولین بار، یک مهندس فرانسوی به نام Benoit Fourneyron  موفق شد که توربین های آبی را توسعه دهد و سپس در سال 1878 میلادی نخستین تأسیسات برقآبی جهان در انگلستان به منظور تأمین انرژی یک لامپ، احداث شد. ظرفیت نیروگاه های برقآبی در قرن بیستم به شدت رشد کرد و تا اواخر این قرن، انرژی برقآبی تنها منبع تجدید پذیر برای تولید الکتریسیته بود.

جایگاه برق آبی در عصر جدید

امروزه، انرژی آب به عنوان یک منبع تجدید پذیر برای تولید برق و به عنوان  یکی از مقرون به صرفه ترین روش های تولید الکتریسیته محسوب می شود به صورتی که برخی از کشورها عمده برق مورد نیازشان را از برق آبی تأمین می کنند؛ به عنوان نمونه ، در نروژ، 99 درصد برق از انرژی آبی تأمین می شود. پیش بینی می شود که نیروگاه های آبی به عنوان بزرگترین منبع تولید برق تجدیدپذیر در جهان باقی بمانند و نقش مهمی در کربن زدایی ایفا کنند.

منبع انرژی برق آبی

انرژی خورشیدی منبع اصلی انرژی آبی است زیرا  تابش خورشید بر سطح  دریاهای جهان  باعث تولید بخار و در نتیجه بارندگی ابرها می شود که پس از بارندگی ، جریان های آب بر روی زمین ایجاد می شوند. هنگامی که جریان های آبی در ارتفاع قرار می گیرند ،انرژی بالقوه ای در آب ایجاد می شود که قادر است توربین های آبی را به حرکت درآورد. در نیروگاه ها ی برق آبی  با سرازیر شدن آب از ارتفاع ، ابتدا توسط توربین های آبی، انرژی حرکتی استخراج می کنند واین انرژی حرکتی را از طریق یک ژنراتور تبدیل به الکتریسیته می کنند.

دسته بندی نیروگاه های برق آبی

به طور کلی نیروگاه های برق آبی به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:

• مخزنی ( سد)

هدف از ساخت سد ایجاد یک مخزن آبی است که در پشت آن ایجاد می شود و از آب ذخیره شده در پشت سد  برای به حرکت درآوردن یک یا چند توربین که در نیروگاه پروژه نصب شده اند ،استفاده می شود. سدهای برق آبی  با یک مخزن بزرگ می توانند آب را در دوره های کوتاه یا طولانی ذخیره کنند تا در زمان های اوج ،تقاضای برق را برآورده کنند. بنابراین سدها  اساساً نوعی سیستم ذخیره انرژی هستند.  همچنین می‌توان این تأسیسات را به سدهای کوچک‌تر برای اهداف مختلف، مانند استفاده ی ساعتی ،روزانه ، فصلی و برای پمپاژ و تولید برق تقسیم کرد.

طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی ، نیروگاه های آبی مخزنی، تا سال 2030 تقریباً نیمی از کل نیروگاه های آبی را تشکیل می دهند .

 اکثر نیروگاه ها ی برق آبی ،عمر مفید حداکثر 30 تا 40 سال دارند، گرچه اگر توربین ها نگهداری و به طور دوره ای تعویض شوند، یک نیروگاه برق آبی می تواند بیش از 100 سال به کار خود ادامه دهد.

بدون سد

برق آبی بدون سد به معنای تولید الکتریسیته در مقیاس کوچکتر است که  از طریق جریان رودخانه و بدون مخزن انجام می شود . در این نوع ،آب مستقیماً از رودخانه، از طریق یک سری کانال ها و لوله ها، به نیروگاهی  می رود که در آن توربین ها نصب شده اند. نیروگاه های برق آبی رودخانه ای با توجه به شرایط آب و هوایی فصلی  یا متغیر هستند.

  برق آبی رودخانه ای ساده ترین و ارزان ترین پروژه برق آبی است زیرا  نیازی به سد ندارد و از هزینه ساخت و ساز عمده جلوگیری می شود . همچنین آن ها برای برق رسانی  به روستاها بسیار مناسب هستند.

انواع سد

سه نوع سد اصلی وجود دارد که برای پروژه های برق آبی استفاده می شود:

• سد های بتونی

• سد های قوسی

• سد های خاکی

توربین های آبی

مهمترین جزء مکانیکی هر واحد تولید برق آبی، توربین آن است.  این وسیله ای است که انرژی موجود در آب متحرک را به انرژی مکانیکی برای چرخاندن یک ژنراتور و تولید برق تبدیل می کند. امروزه، بیشتر توربین ها از آهن یا فولاد یا آلیاژهای دیگر ساخته می شوند؛ اما در گذشته معمولاً توربین ها از چوب ساخته می شدند. توربین های آبی معمولاً 95 % بازدهی دارند.

انواع توربین های آبی

 در این نوع توربین ها جریان آب ، ضربه ای به توربین وارد می کند که باعث چرخش آن می شود.

توربین پلتون

نوع اصلی توربین های ضربه ای که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد، پلتون نام دارد که توسط مهندس آمریکایی لستر آلن پلتون در سال 1889 ساخته شد.این توربین ها برای نیروگاه های برق آبی بزرگ که ارتفاع ریزش آب در آن ها،حداقل 200 متر است، استفاده می شوند.  یکی از ویژگی های کلیدی توربین های پلتون این است که آنها باید در سطح آب نصب می شوند و اغلب با راندمان 95% کار می کند.

توربین های واکنشی

این توربین ها بر عکس توربین های ضربه ای باید کاملاً  به صورت غوطه ور در آب نصب شوند تا در بالاترین راندمان خود کار کنند. این نوع توربین ها معمولاً برای نیروگاه های برق آبی که ارتفاع ریزش آب در آن ها،زیر 450 متر است، مناسب است. رایج ترین توربین واکنشی، توربین فرانسیس  است که تقریباً  برای هر موقعیتی قابل استفاده است؛اما توربین های پروانه ای و توربین های کاپلان برای ارتفاع ریزش آب  بسیار کم، اغلب ترجیح داده می شوند.

توربین فرانسیس

توربین فرانسیس توسط James Bichens Francis در سال 1855 ساخته شد.مهم ترین ویژگی توربین فرانسیس این است که آب با عبور از این توربین تغییر جهت می دهد. این توربین برای ارتفاع ریزش آب 100 تا 300 متر مناسب است و اغلب با راندمان 90 تا 95 درصد کار می کند.

توربین های پروانه ای و کاپلان

توربین‌های پروانه‌ای اغلب برای ارتفاع ریزش آب کم تر از 10 متر  و رودخانه های کوچک(lowland rivers) کاربرد دارند.

توربین های کاپلان نوعی از توربین های پروانه ای هستند که  توسط ویکتور کاپلان در سال 1915 توسعه یافتند و در ارتفاع های بالاتری نسبت به توربین های پروانه ای کار می کنند.  این نوع توربین ها برای ارتفاع ریزش آب 10 تا 50 متر مناسب هستند و مهم ترین ویژگی آن ها، قابل تنظیم بودن پره هایشان است که باعث افزایش کارایی آن ها می شود.

توربین DERIAZ

این نوع توربین ها برای ارتفاع ریزش آب 20 تا 100 متر مناسب هستند.تیغه های توربین DERIAZ  مانند توربین های فرانسیس است ؛، اما این تیغه‌ها قابل تنظیم هستند و می توانند با دبی های مختلف سازگار شوند تا بهترین کارایی را داشته باشند.

آثار نیروگاه های برق آبی:

تحقیقات و مطالعات بسیاری  نشان دادند که سدهای بزرگ با ارتفاع بیش از 100 متر می توانند فعالیت های لرزه ای را در لایه های زیرین زمین افزایش دهند. به عنوان نمونه ، در سال 2008 به دلیل ساخت یک سد، زمین لرزه ای در استان سیچوان چین  اتفاق افتاد که این زلزله باعث فوت 80000 نفر شد.

نیروگاه های بزرگ برق آبی  اغلب موجب تغییر اکوسیستم محیط و به وجود آمدن  مشکلات زیست محیطی از جمله جابه جایی مردم و حیوانات آن منطقه، نابودی زیستگاه ها و گیاهان  شوند.

پروژه های برق آبی به طور کلی در میان طرح های تولید برق با کمترین انتشار گازهای گلخانه ای طبقه بندی می شوند.  انتشار گازهای گلخانه ای  آن ها ، 10 تا 13 کیلوگرم در مگاوات ساعت است .