فرادرسنیروگاههای برق‌آبی چگونه کار می‌کنند؟
تعریف «انرژی برق‌آبی» (hydroelectric power) عبارت است از برق تولید شده توسط ژنراتورهای متصل به توربین که انرژی پتانسیلی سقوط یا جریان سریع آب را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. در تولید انرژی برق‌آبی، آب جمع‌آوری یا ذخیره شده در ارتفاعات بالاتر از طریق لوله‌های بزرگ یا تونل‌ها (آبگیر) به ارتفاعات پایین هدایت می‌گردد. اختلاف ارتفاع در مسیر آب «هد» (head) نامیده می‌شود. جریان آب در انتهای مسیر باعث چرخش توربین‌ها می‌گردد. این موضوع به صورت ساده تحت عنوان قضیه کار و انرژی در فیزیک مورد مطالعه قرار گرفته است.
همانطور که در مطلب توربوماشین اشاره شد، توربین نوعی از توربوماشین‌ها است که انرژی را از سیال کاری (در اینجا سیال کاری آب است) دریافت می‌کند. علاوه بر این، توربین‌ها به نوبه‌ی خود محرک ژنراتورها هستند که انرژی مکانیکی توربین‌ها را به برق تبدیل می‌کنند. سپس ترانسفورماتورها سطح ولتاژ تولید شده را تا حد استانداردی برای انتقال به محل مصرف بالا می‌برند. به محلی که توربین‌ها، ژنراتورها، لوله‌ها و تونل‌های متصل به آن‌ها در آن قرار دارند، نیروگاه گفته می‌شود.
نیروگاه‌های برق‌آبی معمولا در کنار سدها ساخته می‌شوند، جایی که آب رود جمع‌آوری می‌شود. به همین دلیل سطح آب پشت سد بالا آمده و هد را تا جای امکان بالا می‌آورد. انرژی پتانسیل قابل اقتباس از یک حجم معین از آب به طور مستقیم متناسب با هد یا ارتفاع آب است. به شکل ساده، در یک حجم مساوی از آب، سد با هد بالاتر بیشتر از سد با هد پایین‌تر برق تولید می‌کند.
در برخی سدها، نیروگاه تنها در یک طرف سد ساخته می‌شود. طرف دیگر سد به عنوان محل «سرریز» (spillway) هنگام سیل یا بارندگی شدید برای تخلیه‌ی آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته جایی که رودخانه در دره‌ای تنگ و شیب‌دار جریان داشته باشد، احتمالا نیروگاه را درون خود سد بنا می‌کنند.
نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای
در اکثر کشورها، تقاضای برق به طور قابل ملاحظه‌ای در زمان‌های مختلف روز متفاوت است. به این معنی که برای نمونه در ساعت هشت شب اوج مصرف برق و ساعت چهار صبح کمترین میزان مصرف ثبت می‌گردد.
به همین دلیل نمودار مصرف برق با یک یا چند قله به عنوان نقاط اوج مصرف و تعدادی دره به عنوان نقاطی با کمترین مقدار مصرف دیده می‌شود. به همین دلیل ژنراتورها گاهی باید با حداکثر توان برق تولید کنند. با این وجود در زمان کف میزان مصرف، تعدادی از ژنراتورها از مدار تولید خارج می‌شوند.
به منظور هموار کردن بار ژنراتورها، گاهی اوقات از «نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای» (pumped-storage hydroelectric stations) استفاده می‌شود. در طول «دوره‌های کم‌مصرف» (off-peak period)، مقداری از نیروی اضافی باید ذخیره شود. در این صورت ژنراتور به صورت یک موتور عمل می‌کند. توربین فعال می‌گردد و آب را به مخزنی در ارتفاعات پمپ می‌کند. سپس، در طول دوره‌های با «حداکثر تقاضا و پرمصرف» (peak demand)، آب مجددا از طریق توربین برای تولید انرژی الکتریکی جریان می‌یابد. سیستم‌های تلمبه ذخیره‌ای کارایی بالایی دارند و روشی اقتصادی را برای تقاضای مصرف زیاد ارائه می‌دهند.
انرژی جزر و مد
در برخی مناطق ساحلی مانند رودخانه «رانس» (Rance) در «برتانی» (Brittany) فرانسه، نیروگاه‌های برق‌آبی با هدف بهره‌گیری از جزر و مد ساخته شده‌اند. با بالا آمدن آب (مد)، یک یا چندین مخزن ذخیره پر از آب می‌شوند. هنگام پایین رفتن آب (جزر)، آب موجود در این مخازن آزاد و باعث راندن توربین‌های هیدرولیکی و ژنراتورهای الکتریکی مرتبط با آن‌ها می‌گردند. در شکل زیر انرژی جزر و مد را مشاهده نمایید.
آب در حال سقوط یا جاری یکی از سه منبع اصلی انرژی است که برای تولید برق استفاده می‌شود. دو منبع انرژی دیگر، سوخت‌های فسیلی و سوخت هسته‌ای هستند. انرژی برق‌آبی مزایای خاصی نسبت به منابع دیگر دارد. به خاطر ماهیت تکرارپذیر چرخه‌ی آب و تولید آلودگی اتمسفری و گرمایی در حد صفر، این نوع انرژی به عنوان یک انرژی تجدیدپذیر طبقه‌بندی می‌شود.
استفاده از انرژی برق‌آبی در مناطق با بارش باران سنگین و نواحی کوهستانی یا تپه‌ای که به مراکز عمده بار (مصرف) نزدیکند، در مقایسه با سایر منابع انرژی، ارجحیت دارد. بعضی از سایت‌های برق‌آبی بزرگ که از مراکز بار یا مصرف برق دور هستند، ممکن است برای توجیه خطوط انتقال طولانی با ولتاژ بالا به اندازه کافی جذاب باشند. البته سایت‌های آبی کوچک محلی نیز ممکن است مقرون به صرفه به نظر برسد. به خصوص اگر مخزن آب سد به عنوان نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای مورد استفاده قرار گیرد.
آثار زیست‌محیطی
از آثار منفی زیست‌محیطی انرژی برق‌آبی به خاطر ساخت سدها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- متوقف شدن مهاجرت ماهی‌های تخم‌گذار مانند قزل‌آلا
- تغییر مکان یا نابودی محل زندگی جوامع انسانی و «بوم شناسی» (ecological) هنگامی که مخازن پر می‌شوند.
اگر به زمینه‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر علاقه‌مندید، پیشنهاد می‌کنیم به لینک‌های زیر سر بزنید.
- سلول‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟
- آينده متعلق به کدام انرژی‌های تجدیدپذیر است؟
- آنچه باید در مورد خودروهای هیبریدی و برقی بدانید
- بهترین خودروهای هیبرید ۲۰۱۸ را بشناسید
- مزایا و معایب پیل سوختی چیست؟
- هیدروژن و پیل سوختی -- گامی به سوی هوای پاک
- کلکتورهای خورشیدی -- آنچه باید بدانید
^^
