نیروگاه برق آبی
در بسیاری از کشورها تولید انرژی الکتریسیته از منابع تجدیدپذیر بسیار رایج می‌باشد. تا جایی که در کشور نروژ تا ۹۸ درصد و در برزیل تا 86 درصد میزان انرژی مصرفی توسط نیروگاه‌های برق‌آبی تامین می‌گردد.
انرژی هیدرولیکی انعطاف پذیرترین منبع انرژی جهان ما محسوب می‌گردد. این منبع انرژی می‌تواند نسبت به نوسانات تقاضا در عرض چند دقیقه پاسخ دهد، کمترین مقدار انرژی پایه شبکه توزیع انرژی را تامین کند و در صورت وجود مخزن، انرژی الکتریسیته را برای هفته‌ها، ماه‌ها، فصل‌ها و یا حتی سال‌ها ذخیره نماید.
در حالیکه نیروگاه‌های برق‌آبی بزرگ، برق شبکه کشوری برق را تامین می‌کنند، نیروگاه‌های برق‌آبی کوچک خارج از شبکه که به اختصار MHP (Micro Hydropower Plant) نامیده می‌شود. یکی از محبوبترین روش‌های تامین برق برای مناطق خارج از دسترس شبکه توزیع سراسری می‌باشد.
باید اشاره کنیم که آروین صنعت گستر مجری طراحی و بومی سازی نیروگاه های برق آبی بصورت کاملا تخصصی در ایران می باشد.
دسته بندی‌های متفاوتی برای نیروگاه‌های برق‌آبی ارائه شده است اما از نقطه نظر میزان انرژی تولیدی، می‌توان آنها را به صورت زیر دسته‌بندی نمود.
اجزاء اصلی و عمومی تشکیل دهنده‌ی نیروگاه‌های برق‌آبی در مقیاس مینی و میکرو عبارت است از: تجهیزات الکترومکانیک، سازه‌های عمرانی و سیستم‌های کنترل و توزیع انرژی. توربین یکی از اجزای مهم این پروژه‌های MHP، به لحاظ تکنولوژی می‌باشد. نمودار زیر درصد سرمایه از کل لازم برای تامین قسمت‌های مختلف یک نیروگاه را نشان می‌دهد.
در میان عناصر مختلف تشکیل دهنده نیروگاه‌ها، توربین و ژنراتور از عناصر مهم به شمار می‌آیند. دست یافتن به راندمان بالاتر برای این عناصر حیاتی که مستقیما در میزان درآمدزایی نیروگاه موثر است، یکی از اهداف اصلی به شمار می‌رود. با توجه به نمودار بالا میزان تاثیر هزینه اولیه توربین و ژنراتور در نیروگاه‌های کوچک نسبتا زیاد بوده و این به خاطر هزینه‌های بالای ساخت این اجزاء می‌باشد. از آنجا که در نیروگاه‌های بزرگ معمولا نیاز به مخازن بزرگ آب می‌باشد، هزینه اجرای عملیات سیویل آنها در این نوع از سرمایه‌گذاری‌های قابل توجه بوده و هزینه اجزاء الکترومکانیکی در این نوع نیروگاه‌ها از ۲۰% تجاوز نمی‌کند. اما این درصد در نیروگاه‌های آبی کوچک از ۳۵ درصد و در مواردی که جایگاه نیاز به ساخت مخازن یا کانال برای انتقال و ذخیره آب به نیروگاه را نداشته باشد، می‌تواند تا حدود ۷۰ درصد هزینه کل نیروگاه افزایش یابد.
تفاوت نیروگاه‌های برق آبی عموما بر اساس نوع توربین مورد استفاده بوده و این انتخاب وابسته به شرایط منبع آبی مورد استفاده است.
طراحی و انتخاب واحدهای نیروگاهی توربین برق‌آبی مطابق با شرایط محلی تغییر می‌کند و تجهیزات مورد استفاده در هر نیروگاه بر اساس نوع توربین و توپوگرافی محل استفاده انتخاب می‌شود. اجزای اصلی بطور اجمالی به شرح زیر معرفی می‌گردد:
۱- دریچه ها (Gates)
۲- مجرای انتقال آب (Penstock)
۳- شیر ورودی (Inlet Valve)
۴- توربین (Turbine)
۵- ژنراتور (Generator)
۶- اتوماسیون، کنترل، حفاظت (Automation, Control, Protection)
۷- تابلو برق ولتاژ متوسط و ولتاژ بالا (Medium & High Voltage Switchgear)
۸- ترانسفورمر (Power Transformer)
دریچه ها (Gates)
محل عبور آب یا اصطلاحا دریچه‌ها موانعی هستند که رهاسازی یا عبور آب را به صورت تنظیم شده ممکن می‌سازند. این دریچه‌ها می‌توانند به شکل‌های مختلف مانند دریچههای ثابت یا تعمیراتی، دریچههای متغیر شعاعی و … مورد استفاده قرار گیرند. تنظیم قدرت هیدرولیکی جریان آب ورودی و خروجی توربین و حتی تعیین راستای جریان آب خروجی از رودخانه‌ها و سدها در برخی طراحی‌ها مربوط به نیروگاه‌های برق‌آبی از موارد کاربرد این دریچه‌ها می‌باشد. دریچههای سرریز نیز یکی دیگر از این نوع دریچههای می‌باشد که برای کنترل حجم آب خروجی از سدها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
طراحی دریچه وابسته به نوع منبع آب در دسترس (کانال ،لوله یا سد)، فشار و حجم جریان عبوری می‌باشد. نوع دیگری از دریچه ها که به دریچه های اضطراری معروف می باشند در خروجی درفت تیوپ سدها تعبیه می‌شود که در مواقع فرار توربین به عنوان آخرین راهکار برای توقف توربین مورد استفاده قرار گیرد.
مجرای انتقال آب (Penstock)
مجاری انتقال آب می‌تواند از نوع کانال یا پنستاک (Penstock) باشد، که برای ایجاد فشار در ورودی توربین عموما از پنستاک استفاده می‌شود. این لوله‌ها عموما از فولاد ساخته می‌شوند تا بتوانند فشار لحظه‌ای زیادی را که گاهی در آنها به علت تغییر لحظه ای سرعت جریان سیال در لوله ایجاد می‌شود را تحمل کنند. در علم مهندسی مکانیک به این افزایش و کاهش ناگهانی فشار، چکش آب یا ضربه قوچ گفته می‌شود. طراحی و ساخت نیروگاه ها بایستی به ترتیبی باشد که این لوله‌ها بتواند در برابر افزایش ناگهانی فشار مقاومت نماید.
در توربین‌های ضربه‌ای پلتون، در مواردی که سازه بتنی سد برای انباشت آب و فشار سازی موجود نباشد از پنستاک استفاده می‌شود. همچنین میزان زبری نسبی درون سطح داخلی آنها یکی از مهمترین عوامل افت فشار در ورودی توربین پلتون می‌باشد. در نتیجه نیاز است تا طراحی قطر و جنس این لوله‌ها کاملا متناسب با فشار و دبی منبع آب بالادست انجام گردد.
شیر ورودی (Inlet Valve)
در مواردی که از دریچه ها برای کنترل دبی ورودی به توربین استفاده نمی‌شود در انتهای پنستاک شیر ورودی نصب می‌گردد. بسته به نوع طراحی و سایز لوله انتقال آب این شیر که برای قطع آنی جریان توربین آبی استفاده می‌شود از نوع پروانه ای یا در سایز های کوچکتر از نوع کروی می‌باشد.
توربین (Turbine)
مهمترین تجهیزی که پایه تبدیل انرژی آب به انرژی الکتریکی در نیروگاه‌های برق‌آبی است، توربین می‌باشد. به عبارت دیگر عنصری که انرژی پتانسیل یا جنبشی منبع آب را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می‌کند، همان توربین آبی است.
توربین‌های آبی از نقطه نظر نوع تبدیل انرژی در دو دسته بندی کلی ضربه‌ای و عکس‌العملی قرار می‌گیرند که در مقاله‌های دیگر این بخش به تفصیل توضیح داده شده است. عمده منابع آبی در کشور ایران که از نظر حجم منابع آبی در منطقه کم آب می‌باشد، در محدوده عملکرد توربین‌های پلتون، تورگو و فرانسیس قرار می‌گیرد. بخصوص در نیروگاه‌های کوچک این نوع توربین‌ها پرکاربردترین نوع می‌باشند.
ژنراتور (Generator)
یکی از متداول‌ترین و البته قدیمی‌ترین روش‌های تولید انرژی الکتریسیته استفاده از یک میدان مغناطیسی دوقطبی دوار درون یک سیمپیچ مسی می‌باشد. ژنراتور دقیقا همین کار را برای تولید انرژی الکتریکی از انرژی مکانیکی رانر توربین برق‌آبی انجام می‌دهد. در واقع ژنراتور به وسیله شفتی به صورت همراستا به رانر توربین آبی متصل است. در نتیجه انرژی مکانیکی چرخشی حاصل از رانر به ژنراتور منتقل می‌گردد. درون ژنراتور مجموعه‌ای از آهنرباهای الکتریکی بزرگ که نقش میدان مغناطیسی را ایفا می‌کنند وجود دارد که به این مجموعه روتور گفته می‌شود. این روتور توسط یک سیم پیچ بزرگ مسی که روی دیواره خارجی ژنراتور ثابت شده است احاطه شده که استاتور نامیده می‌شود. حال با چرخش روتور متصل به رانر توربین، جریان الکتریسیته مطابق با قانون القای مغناطیسی درون سیم پیچ ایجاد می‌گردد.
در توربین‌های برق‌آبی طراحی ژنراتور وابسته به نوع توربین می‌تواند بسیار متنوع باشد. در توربین‌های ضربه‌ای مانند توربین پلتون، با توجه به سرعت بالای چرخش توربین که ناشی از فشار بالای حجم آب منبع می‌باشد، نیاز است تا ژنراتورهایی با تعداد قطب پایین تر طراحی گردد.
اتوماسیون، کنترل، حفاظت Automation, Control Protection در نیروگاه برق آبی
مانند هر سیستم صنعتی دیگر، توربین‌های برق‌آبی نیاز به یک سیستم جامع برای راه‌اندازی، بهره‌برداری، بهبود عملکرد و حفاظت در مواقع اضطراری دارند. صرفنظر از واحدهای نیروگاهی برق‌آبی کوچک، عموما نیروی منبع آبی مورد استفاده در نیروگاه‌های آبی، در صورت ایجاد خطا در پروسه عملکرد، می‌تواند خسارات زیادی را به بار بیاورد. از طرفی نیروگاه‌های برق‌آبی معمولا به شبکه برق سراسری یک منطقه و حتی یک کشور متصل بوده و اصطلاحا ON Grid می باشند و این نیازمند کمترین خطای ممکن در پروسه تولید انرژی الکتریکی می‌باشد. از این رو نیاز است تا یک سیستم اتوماسیون بسیار دقیق، عملکرد مجموعه‌ی توربین آبی را تحت نظر داشته باشه باشد. تعیین میزان گشودگی نازل‌ها متناسب با میزان آب ورودی بر اساس قدرت مورد نیاز شبکه و پایداری کارکرد واحد در شرایط دینامیک شبکه (از لحاظ فرکانس و ولتاژ)، همچنین خارج کردن ژنراتور از مدار و حفاظت از تجهیزات با ارزش در شرایط اضطراری و کنترل جریان آب از مهمترین وظایف این سیستم می‌باشد.
طراحی این سیستم‌ها برای نیروگاه های آبی علاوه بر توانایی و تخصص کار با سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق نیازمند شناخت کامل از پروسه تولید انرژی درون توربین‌هاست.
تابلو برق ولتاژ متوسط و ولتاژ بالا (Medium & High Voltage Switchgear)
با توجه به این واقعیت، که عمده حجم تولید واحدهای برق آبی، در ولتاژهای متوسط و بالا انجام می‌پذیرد و از طرفی ولتاژ تولید برق ژنراتورها در نیروگاه‌ها عموما کمتر از شبکه انتقال می‌باشد برای تغییر سطح ولتاژ و انتقال با راندمان بالاتر نیاز به تغییر ولتاژ برق تولیدی می‌باشد. به همین دلیل در میان پروسه تولید و انتقال توان از ترانسفورماتورها برای تغییر سطح ولتاژ استفاده می‌شود. طراحی این ترانسفورمرها نیز به ژنراتور مورد استفاده، ولتاژ و جریان شبکه سراسری، میزان مصرف کننده، میزان طول خط انتقال انرژی و… بستگی دارد.
ترانسفورمر (Power Transformer)
برای توزیع برق مورد نیاز تجهیزات واحدها و انتقال ایمن انرژی الکتریکی تولید شده توسط ژنراتور از تابلوهای مختلفی در نیروگاه های برق آبی بسته به سطح ولتاژ تولیدی استفاده می‌گردد. این تابلوها شامل باطری شارژرها، اینورترها، تابلوهای توزیع AC و DC، سیستم حفاظت، سیستم کنترل و تابلوهای برق فشار متوسط و در نیروگاه های بزرگتر تابلوهای فشار قوی می‌باشد. اما در نیروگاه‌های برق آبی کوچک ساده‌سازی‌های کاربردی می‌تواند هزینه اولیه احداث این واحدها را کاهش دهد.
