18.5: الطاقة المائية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 169311

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

تشير الطاقة الكهرومائية (الطاقة الكهرومائية) إلى الطاقة الموجودة في المياه المتحركة، والتي يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء. إنها مدفوعة في النهاية بالطاقة الشمسية. يتم تجديد المياه على ارتفاعات عالية من خلال التبخر (الناجم عن الحرارة الشمسية) والتكثيف والأمطار. تقوم المياه المتحركة بتحويل التوربين (الشكل\(\PageIndex{a}\)) وهذا يحرك المغناطيس داخل ملف سلكي، مما يتسبب في حركة الإلكترونات في المولد. والنتيجة هي تيار كهربائي (كهرباء). إن احتراق الوقود الأحفوري أو الوقود الحيوي، والطاقة النووية، وطاقة الرياح، والأنظمة الشمسية الحرارية كلها تتبع نفس الآلية العامة؛ الفرق هو ما يجعل التوربين يدور.

يتكون التوربين المائي من توربين حول عمود. يوجد في الجزء العلوي من العمود الدوار الموجود داخل الجزء الثابت. — الشكل\(\PageIndex{a}\): توربين مائي. يقوم الماء المتحرك بتدوير شفرات التوربين. تتحكم بوابة النصيبة في تدفق المياه. يتسبب الماء المتحرك في دوران المغناطيس الموجود في الدوار وتحريك الإلكترونات داخل حلقات السلك في الجزء الثابت، مما يولد تيارًا كهربائيًا. الصورة من سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي (ملكية عامة).

هناك عدة أنواع من الطاقة الكهرومائية، ولكن كل منها يولد الكهرباء من خلال نفس الآلية العامة الموضحة أعلاه. الاستخدام الأكثر شهرة للطاقة الكهرومائية يشمل السدود. تمنع السدود تدفق الأنهار وتنتج بحيرة اصطناعية (خزان) في المنبع. ثم يتم التحكم في إطلاق الماء. تنتقل بعض هذه المياه عبر قناة (Penstock)، ويتم تسخير هذه الطاقة الحركية (طاقة الحركة) في الكهرباء (الشكل\(\PageIndex{b}\)). في الطاقة الكهرومائية الجارية على ضفاف النهر، يتم وضع التوربين مباشرة في النهر، ويؤدي التدفق الطبيعي للمياه عبر النهر إلى تدوير التوربين. تعتبر طاقة المد والجزر والطاقة من موجات المحيط (الشكل\(\PageIndex{c}\)) أيضًا من أشكال الطاقة الكهرومائية. ومع ذلك، تنشأ طاقة المد والجزر من جاذبية القمر والشمس البعيدة على محيطات الأرض، إلى جانب دوران الأرض. وبعبارة أخرى، فإن معظم أشكال الطاقة الكهرومائية هي أشكال غير مباشرة من الطاقة الشمسية، باستثناء طاقة المد والجزر.

يُظهر قسم من السد الكهرومائي المياه من خزان مملوء يتدفق عبر قناة ضيقة إلى النهر — الشكل\(\PageIndex{b}\): جزء من سد كهرومائي. يمر الماء الموجود في الخزان عبر المدخل إلى Penstock، وهي قناة ضيقة. يتحول الماء المتحرك إلى توربين. هذا يعمل على تشغيل المولد في مركز الطاقة. يستمر الماء أسفل النهر. وفي الوقت نفسه يتم توزيع الكهرباء من خلال خطوط الكهرباء لمسافات طويلة. الصورة من هيئة وادي تينيسي (المجال العام).

تطفو عوامة متصلة بكابل ومولد في المحيط. — الشكل\(\PageIndex{c}\): إحدى طرق تسخير طاقة الأمواج هي استخدام جهاز امتصاص. يستخرج الممتص الطاقة من صعود وهبوط الأمواج بعوامة. تتكون العوامة من العوامة التي تقع فوق الماء ولوحة ثقيلة. تربط الصاري الضيق بين الاثنين. يقوم كبل بتوصيل اللوحة الثقيلة لكل عوامة بمحطة فرعية تحت سطح البحر، ويمتد كابل آخر من المحطة الفرعية إلى الشاطئ. الصورة والتعليق (تم تعديلهما) بواسطة OpenEI (المجال العام).

تقدم مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة حلول الطاقة للعديد من المجتمعات النائية في جميع أنحاء العالم، مثل تلك الموجودة في نيبال والهند والصين وبيرو، وكذلك للبلدان الصناعية للغاية مثل الولايات المتحدة. أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة هي تلك التي تتراوح قدرتها بين 0.01 إلى 30 ميجاوات (MW) من الطاقة. كمرجع، يولد مولد بقدرة 1 ميجاوات يعمل لمدة ساعة (ينتج 1 ميجاوات ساعة) ما يكفي من الكهرباء لتشغيل المنزل العادي في الولايات المتحدة لمدة تزيد قليلاً عن شهر. أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة التي تولد أقل من 0.1 ميجاوات تسمى بشكل أكثر تحديدًا أنظمة الطاقة الكهرومائية الدقيقة (الشكل\(\PageIndex{d}\)). ستكون معظم الأنظمة المستخدمة من قبل أصحاب المنازل والشركات الصغيرة مؤهلة كأنظمة للطاقة الكهرومائية الدقيقة. في الواقع، يمكن لنظام 10 كيلوواط عمومًا توفير طاقة كافية لمنزل كبير أو منتجع صغير أو مزرعة هواية.

نظام الطاقة الكهرومائية الصغيرة على طول التضاريس الجبلية مع تيار ومحطة طاقة ومنزل. — الشكل\(\PageIndex{d}\): نظام الطاقة الكهرومائية الدقيقة. على الرغم من وجود عدة طرق لتسخير المياه المتحركة لإنتاج الطاقة، فإن أنظمة تشغيل النهر، التي لا تتطلب خزانات تخزين كبيرة، غالبًا ما تستخدم في مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة. بالنسبة للمشاريع المائية الجارية في النهر، يتم تحويل جزء من مياه النهر إلى قناة أو خط أنابيب أو خط أنابيب مضغوط (penstock) يوصلها إلى عجلة مائية أو توربين. في هذه الصورة، تنتقل المياه من النهر عبر المدخل ثم إلى القناة والمصب الأمامي والبنستوك ومحطة توليد الطاقة، التي تحتوي على التوربين. تقوم المياه المتحركة بتدوير العجلة أو التوربين الذي يدور حول العمود. يمكن استخدام حركة العمود للعمليات الميكانيكية، مثل ضخ المياه، أو يمكن استخدامها لإنتاج الكهرباء. في هذه الصورة، تربط الخطوط الكهربائية محطة توليد الطاقة بمنزل قريب.

تتمثل إحدى فوائد استخدام الطاقة الكهرومائية في أنه يمكن أيضًا استخدام السدود والخزانات للترفيه والتحكم في الفيضانات وتخزين المياه العذبة (انظر ندرة المياه والحلول). في حين أن المياه المتحركة لن تنفد أبدًا، فإن إمكانية استخدام الطاقة الكهرومائية تتقلب بناءً على هطول الأمطار. على سبيل المثال، أثناء الجفاف، تنخفض مستويات المياه في الخزان، ويتم إطلاق كميات أقل من المياه لتوليد الكهرباء. كما هو الحال مع معظم مصادر الطاقة المتجددة، فإن الطاقة الكهرومائية ليست عملية في كل مكان، وهي أكثر فعالية في المناطق الجبلية ذات الأمطار الغزيرة وذوبان الثلوج.

تؤدي سدود الطاقة الكهرومائية والخزانات التي تخلقها إلى تدهور الموائل وتؤثر سلبًا على الأنواع المحلية. على سبيل المثال، يمكن أن تعوق السدود هجرة الأسماك إلى مناطق التفريخ في أعلى النهر. في المناطق التي يجب أن ينتقل فيها سمك السلمون إلى أعلى النهر للتكاثر، مثل طول نهر كولومبيا في واشنطن وأوريغون، تسد السدود طريقه (الشكل\(\PageIndex{e}\)). يمكن تخفيف هذه المشكلة جزئيًا باستخدام «سلالم الأسماك» التي تساعد السلمون على الالتفاف حول السدود (الشكل\(\PageIndex{f}\)). ومع ذلك، يمكن أن تتعرض الأسماك التي تسافر في اتجاه مجرى النهر للقتل أو الإصابة أثناء تحرك المياه عبر التوربينات في السد. يمكن أن تؤثر الخزانات وتشغيل السدود أيضًا على الموائل المائية بسبب التغيرات في درجات حرارة المياه وعمق المياه والكيمياء وخصائص التدفق وأحمال الرواسب، وكلها يمكن أن تؤدي إلى تغييرات كبيرة في البيئة والخصائص الفيزيائية للنهر في كل من المنبع والمصب. عندما تمتلئ الخزانات بالمياه لأول مرة، فإنها تغمر الموائل الأرضية (البرية) والمزارع والمدن والمواقع الأثرية والثقافية، مما يجبر السكان أحيانًا على الانتقال. تتحلل النباتات الأرضية ببطء في ظروف تفتقر إلى الأكسجين، وتطلق الميثان في الغلاف الجوي، وهو غاز دفيئة قوي. وبهذا المعنى، تولد الطاقة الكهرومائية القليل من ملوثات الهواء أثناء التشغيل، لكن البناء يساهم في تغير المناخ.

منظر جوي لسد جراند كولي يُظهر خزانًا والمياه التي تدخل النهر أدناه. — الشكل\(\PageIndex{e}\): أدى سد جراند كولي على نهر كولومبيا في ولاية واشنطن إلى إنشاء بحيرة روزفلت، التي توفر الترفيه في الهواء الطلق مثل صيد الأسماك والسباحة. ومع ذلك، فقد أدى ذلك إلى تعريض أعداد السلمون للخطر وغمر المواقع المقدسة لأفراد قبيلة سبوكان. الصورة من مكتب الاستصلاح الأمريكي (ملكية عامة).

سلم أسماك. تغمر المياه شبكة متصاعدة من السلالم. — الشكل\(\PageIndex{f}\): على اليسار: يسمح سلم الأسماك في John Day Lock and Dam على طول نهر كولومبيا في ولاية أوريغون للأسماك البالغة بالهجرة إلى أعلى السد بمفردها. على اليمين: رسم تخطيطي لسلم الأسماك الذي يسمح بمرور السلمون فوق السد. يسبح سمك السلمون في اتجاه المنبع ليتفرخ (يتكاثر) ويكون قادرًا على السباحة صعودًا على درجات السلم. يجذب التدفق من السلم سمك السلمون المهاجر. في حوض الدوران، يتم تدويرها ثم المضي قدمًا في الرحلة التالية من السلم حتى تكون فوق السد. الصورة اليسرى والتعليق (معدلة) من سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي، والصورة اليمنى من قبل NOAA Fisheries (المجال العام).

يُظهر مخطط سلم الأسماك التيار الصادر من السلم الذي يجذب الأسماك وحوض الدوران الذي يسمح بالانتقال إلى رحلة ثانية من السلالم. — الشكل\(\PageIndex{f}\): على اليسار: يسمح سلم الأسماك في John Day Lock and Dam على طول نهر كولومبيا في ولاية أوريغون للأسماك البالغة بالهجرة إلى أعلى السد بمفردها. على اليمين: رسم تخطيطي لسلم الأسماك الذي يسمح بمرور السلمون فوق السد. يسبح سمك السلمون في اتجاه المنبع ليتفرخ (يتكاثر) ويكون قادرًا على السباحة صعودًا على درجات السلم. يجذب التدفق من السلم سمك السلمون المهاجر. في حوض الدوران، يتم تدويرها ثم المضي قدمًا في الرحلة التالية من السلم حتى تكون فوق السد. الصورة اليسرى والتعليق (معدلة) من سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي، والصورة اليمنى من قبل NOAA Fisheries (المجال العام).

في حين أن مشاريع الطاقة الكهرومائية للسدود واسعة النطاق غالبًا ما يتم انتقادها لتأثيراتها على موائل الحياة البرية وهجرة الأسماك وتدفق المياه وجودتها، فإن مشاريع تشغيل النهر الصغيرة خالية من العديد من هذه المشاكل البيئية. نظرًا لأنهم يستخدمون التدفق الطبيعي للنهر، فإنهم بالكاد يغيرون قناة التدفق والتدفق. وبالتالي، فإن التأثيرات مثل نضوب الأكسجين، وزيادة درجة الحرارة، وانخفاض التدفق، وإعاقة الهجرة في المنبع ليست مشاكل للعديد من مشاريع تشغيل النهر.

الإسناد

تم تعديله بواسطة ميليسا ها من الطاقة المتجددة وتحديات وتأثيرات استخدام الطاقة من البيولوجيا البيئية بواسطة ماثيو آر فيشر (مرخص بموجب CC-BY)