نیروگاه برق آبی چگونه برق تولید می کند؟

استفاده از انرژی آب در آسیاب های آبی به چندین هزار سال قبل در چین و مصر باز می گردد.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی و بهبود تجهیزات مورد استفاده در نیروگاه برق آبی ،

این انرژی به عنوان یکی از اصلی ترین منابع تولید توان در دنیا تبدیل شده،

و نیروگاه برق آبی بعد از نیروگاه های بخاری، دومین منبع تولید انرژی برق در دنیا به شمار می روند.

به طور خلاصه ظرفیت تولید توان یک نیروگاه برق آبی به بازده کلی نیروگاه، ارتفاع موثر آب نگهداری شده و جریان جرمی آب عبوری از توربین بستگی دارد.

با مشخص شدن موارد ذکر شده توان تولیدی نیروگاه برق آبی به صورت زیر محاسبه می شود:

در رابطه بالا Q جریان جرمی آب ورودی به توربین و H ارتفاع موثر آب ورودی به توربین و P توان خروجی کل نیروگاه است.

مزایای نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی نسبت به دیگر انواع نیروگاه های حرارتی دارای مزایای زیر هستند:

۱- تجدید پذیر بوده و به طور طبیعی بعد از هر فصل مجددا تجدید می شود.

۲- بدون آلایندگی هستند و فرایند تولید برق در آنها کاملا فیزیکی است.

۳- دارای بازده و راندمان بالا هستند.

به طور معمول بازده توربین های آبی بالای ۹۰ درصد بوده و بازده کلی نیروگاه برق آبی می تواند بالای ۸۰ درصد باشد.

این مقدار در مقایسه با نیروگاه های فسیلی که در محدوده ۴۰ تا ۶۰ درصد هستند رقم بسیار خوبی است.

۴ – به دلیل نیاز به تعمیرات کم، دارای ضریب دسترسی بالایی است.

۵- به سرعت وارد مدار می شوند و زمان راه اندازی بسیار کم و در حدود ۵ دقیقه است.

این زمان در مقایسه با نیروگاه های حرارتی با زمان راه اندازی و شروع به کار در حدود ۵ تا ۶ ساعت،

جالب توجه است (این زمان بسته به نوع نیروگاه حرارتی و راه اندازی گرم و سرد آن متفاوت خواهد بود).

۶- به دلیل نیاز به ساخت سد و انباره نگهداری آب، این نیروگاه ها دارای مزایایی از قبیل

کنترل جریان آب و سیلاب، آبیاری، پرورش ماهی، حمل نقل، ایجاد امکانات تفریحی و غیره نیز هستند.

معایب نیروگاه برق آبی

البته نیروگاه برق آبی دارای معایبی نیز هستند که از آن بین می توان موارد زیر را نام برد.
۱-نیاز به سرمایه گذاری بالا نسبت به نیروگاه های حرارتی

۲-زمان ساخت طولانی

۳-ایجاد تغییرات در اکولوژی محل احداث

۴-وابستگی به شرایط جوی و ریزش باران

در شکل زیر ظرفیت تولید برق نیروگاه های با انرژی تجدید پذیر در سال های مختلف در جهان نشان داده شده است.

تجهیزات نیروگاه برق آبی

شکل زیر تجهیزات اصلی یک نیروگاه برق آبی را نشان می دهد.

تجهیزات نیروگاه برق آبی به قرار زیر است:

۱ -سد که به عنوان ذخیر کننده آب و افزایش دهنده ارتفاع موثر آب عمل می کند.

۲ – سیستم کانال کشی و هدایت کننده آب که به صورت سیستم تونل یا لوله کشی تحت فشار روی زمین یا زیر زمینی است.

در این سیستم یک شیر کنترل جریان و یک تانک به منظور دفع و محدود کردن ضربه آب وجود دارد.

۳ -سالن توربین و ژنراتور

۴ -سیستم پایین دست توربین آبی که آب بعد از خروج از آن وارد این مسیر می شود و دوباره به مسیر رودخانه باز می گردد.

این مسیر ممکن است آب را دوباره به مسیر اصلی رودخانه پس بدهد یا به وسیله مسیر های جداگانه دیگر به رودخانه بازگردانده شود.

۵ -اتاق فرمان و کنترل

۶ -خطوط انتقال برق.

سه تفاوت نیروگاه برق آبی با نیروگاه حرارتی

نیروگاه برق آبی از جنبه های زیادی با انواع دیگر نیروگاه های تولید برق، که عمدتا در ردیف نیروگاه های حرارتی قرارمی گیرند تفاوت دارند،

هرچند این نیروگاه ها نیز مانند بقیه نیروگاه ها، دارای اجزای اصلی ضروری برای تولید قدرت، یعنی توربین، ژنراتور، گاورنر (Governor) و تحریک کننده مجهز به دستگاه تنظیم ولتاژ هستند،

لیکن این تجهیزات تفاوت هایی با تجهیزات متناظرشان در نیروگاه های حرارتی دارد که اهم آن به شرح زیر است.

یک واحد توربین و ژنراتور برق آبی اصولا دارای سرعت دوران کم تری نسبت به واحدهای نوع بخاری و یا گازی هستند،

لذا از این نظر تفاوت های اصلی زیر را دارد:

۱ .تعداد بیشتر قطب های تحریک کننده ژنراتور

۲ .وزن بیشتر

۳ .نیاز به جریان تحریک بیشتر

یک واحد برق آبی نیاز به گاورنر با قدرت عمل کننده بیشتری دارد،

تا هنگام بستن دریچه های توربین در حالت حذف ناگهانی بار،

بر نیروهای زیاد مقاومت کننده از جمله نیروی دینامیکی آب غلبه کند.

مدت زمان راه اندازی نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی ، در مقایسه با نیروگا ه های حرارتی، به سامانه های جانبی کمتری نیاز دارند

و در مدت زمان کم تری نسبت به انواع نیروگاه های حرارتی راه اندازی می شوند

. معمولا، واحدهای آبی نسبتا بزرگ (۱۰۰ تا ۳۰۰ مگاوات) را از حالت توقف آماده استارت و مهیا بودن پیش نیازها،

در مدتی کوتاه و درحدود ۲۰۰ ثانیه می توان راه اندازی نمود و به بار نامی رساند.

این مدت به ابعاد توربین و شیر اصلی ورودی نیروگاه بستگی دارد.

در واحدهای خیلی بزرگ، در حالت بسته بودن کامل شیر اصلی ورودی، ممکن است این زمان به حدود ۵ تا ۷ دقیقه برسد.

همچنین نیروگاه برق آبی می تواند در مدت کوتاهی، از حالت تولید با بار کم به بار نامی برسد.

برای واحدهای متوسط این زمان می تواند به کم تر از ۱۰ ثانیه برسد و در مورد واحدهای نسبتا بزرگ این زمان از ۱۰ تا ۲۰ ثانیه می تواند متغیر باشد.

بارگیری با این سرعت، در صورت نیاز شبکه به بار اضطراری، در مورد واحدهای پیش بینی شده برای این منظور، امکان پذیر است،

هر چند در حالت عادی، بارگیری واحد به تدریج انجام می شود.

واحدهای آبی در صورت به کارگیری سامانه های تحریک با ظرفیت بالا و سرعت پاسخ زیاد و گاورنرهای دیجیتالی،

پایداری نسبتا خوبی در مقابل اغتشاشات پدید آمده در سامانه قدرت، که منجر به تغییرات زیاد فرکانس می شود، دارند،

و در صورت جدا شدن از شبکه سراسری، عموما در شرایطی قرار می گیرند که به سرعت قابل بارگیری و بهره برداری مجدد هستند.

نیروگاه برق آبی و می توانند برای تامین بار مصرفی بلوک های بار جدا شده از شبکه اصلی

و نهایتا کمک به بازگرداندن سامانه قدرت به حالت متعادل تر، نقش مؤثری داشته باشند.

هزینه نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی با واحدهای بزرگ و متوسط می توانند نقش مهمی در تامین بار ذخیره گردان،

به منظور کمک به پایداری فرکانس شبکه، در تغییرات پیش بینی نشده در بار شبکه، به عهده گیرند.

هزینه تمام شده در نیروگاه برق آبی بسته به محل نصب و شرایط محیطی آن و نوع آن متفاوت است.

نیروگاه برق آبی در دنیا از نظر هزینه تولید در هر کیلووات ساعت جز مقرون به صرفه ترین نیروگاه ها هستند.

بر اساس داده های به دست آمده هزینه تعمیرات و بهره برداری این نیروگاه ها پایین و در حدود یک درصد هزینه احداث نیروگاه برق آبی در هر سال است.

شکل زیر میزان هزینه سرمایه گذاری لازم در قسمت های مختلف آن را نشان می دهد.

توجه شود قیمت ذکر شده در این گراف دسته بالا گرفته شده است و حد پایین این گراف،

قیمت رایج نیروگاه های آبی در سال ۲۰۰۷ را نشان می دهد.

هدف اصلی از ارائه این گراف، نشان دادن وزن قیمتی هر بخش از نیروگاه است.

تقسیم بندی نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی را می توان بر حسب طبیعت و هدف ساخت آن به پنج دسته تقسیم بندی کرد.

۱- نیروگاه های ذخیره ای رایج ساخته شده در دره ها (Valley storage plants)

این نیروگاه ها به طور رایج در دره ها بر روی رودخانه ها، برای ذخیره کردن آب در طول سال ساخته می شوند.

این نوع نیروگاه برق آبی به سه دسته دارای هد زیاد (بالاتر از ۲۵۰ متر) و هد متوسط (بین ۵۰ تا ۲۵۰ متر) و هد پایین (کمتر از ۵۰ متر) تقسیم بندی می شود.

۲- نیروگاه آب راننده (Run-of-the-river plants )

این نیروگاه ها در رودخانه هایی که جریان جرمی آب با تغییر فصول تغییر کمی می کنند ساخته می شود.

با توجه به اینکه رودخانه هایی با این ویژگی بیشتر در نواحی سرد سیر دیده می شود،

در نواحی کم آب (مانند ایران) نیروگاه هایی از این دست کمتر مشاهد می شود.

در این نیروگاه ها به سازه ذخیره آب کوچک و در طول رودخانه نیازمند است.

۳-نیروگاه کانالی منحرف کننده (Diversion canal plants)

در این نیروگاه ها مقداری از آب رودخانه به وسیله کانال، از مسیر اصلی منحرف شده و وارد سیستم تولید توان می شود.

سپس و مجددا بعد از خروج از توربین آب به مسیر رودخانه برگردانده می شود.

در این نیروگاه برق آبی به سد جهت نگهداری آب احتیاج نیست.

شکل زیر نمایی از یک نیروگاه برق آبی با کانال منحرف کننده را نشان می دهد.

۴-نیروگاه تلمبه ذخیره ای (Pumped storage power plant (pspp)

این نوع از نیروگاه برق آبی ، در حالتی که بار شبکه کم است با استفاده از پمپ، آب را به ارتفاع بالا انتقال می دهد،

و در زمان هایی که بار شبکه بالا می رود با عبور آب از توربین آب توان مورد نیاز شبکه را تامین می نمایند.

این نیروگاه ها در واقع به صورت انباره انرژی الکتریکی عمل می کنند.

فلسفه اقتصادی این نیروگاه برق آبی اختلاف قیمت برق در حالت بار پیک شبکه با دیگر حالت ها است.

منبع: هادی اله یاری، فاطمه نام آور، مبانی و اصول مهندسی نیروگاه و تجهیزات اصلی آن، جلد اول انتشارات سارگل، ۱۳۹۵