أي الأنهار مناسبة لتركيب توربينات المياه؟ وكيفية الاختيار؟

إذا وُجد نهرٌ أو جدولٌ جارٍ طوال العام بالقرب من منزلك، فقد يكون ذلك موقعاً محتملاً لمحطة طاقة منزلية. وبالمقارنة مع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، فإن أكبر ميزة للطاقة المائية هي استقرارها: فطالما كان هناك تدفق للماء، يمكنها توليد الكهرباء على مدار اليوم دون أن تتأثر بمدة سطوع الشمس أو الظروف الجوية. والاستثمار الواحد قد يُحقِّق عوائد لسنوات.

ومع ذلك، ليس كل نهرٍ مناسباً لتثبيت توربينات مائية. فمسألة إمكانية تركيب توربين مائي، وحجمه المسموح به، ونوعه الأنسب، تعتمد في النهاية على معلَّمتين أساسيتين.

العاملان اللذان يحدّدان قدرة التوليد الكهربائي

وبغضّ النظر عن العلامة التجارية أو الموديل، فإن قدرة التوليد الكهربائي لتوربين مائي تعتمد أساساً على معلَّمتين فقط:

الرأس المائي: الانخفاض الرأسي من نقطة السحب إلى نقطة تركيب التوربين المائي، ويُقاس بالمتر (م). وكلما زاد هذا الانخفاض، ارتفعت ضغوط المياه.

التدفُّق: كمية الماء التي تمر عبر نقطة معينة في وحدة الزمن، وتُقاس بوحدة مكعبات المتر في الثانية (م³/ث) أو لترات في الثانية (ل/ث). ومقدار مكعب متر واحد في الثانية يساوي ١٠٠٠ لتر في الثانية.

يمكن تقدير القدرة الناتجة باستخدام الصيغة المبسَّطة التالية:

القدرة (كيلوواط) ≈ ٩,٨ × ارتفاع عمود الماء (م) × معدل التدفُّق (م³/ث) × الكفاءة

وتُحدَّد الكفاءة عادةً بين ٠,٦ و٠,٧، وهي قيمة تأخذ في الاعتبار الخسائر الناتجة عن توربين ماء الجهاز نفسه وخسائر الاحتكاك في أنبوب الماء.

على سبيل المثال: عند ارتفاع عمود ماء قدره ٢٠ مترًا ومعدل تدفُّق قدره ٠,٠٥ متر مكعب في الثانية (٥٠ لترًا في الثانية)، تكون القدرة الناتجة المُقدَّرة حوالي ٩,٨ × ٢٠ × ٠,٠٥ × ٠,٦٥ ≈ ٦,٤ كيلوواط، وهي كافية لتلبية احتياجات الكهرباء المنزلية مثل الإضاءة وأجهزة التبريد والتلفزيون والمضخات المائية.

وكما يظهر في الصيغة، فإن انخفاض ارتفاع عمود الماء أو معدل التدفُّق بشكل كبير يؤدي إلى انخفاض حاد في القدرة الناتجة. ولذلك، حتى لو بَدَا سرعة تدفُّق الماء عالية، فقد تُنتج بعد الحساب بضعة مئات من الواط فقط.

ثلاث حالات عملية

اليوم، نود أن نشارك معكم بعض الحلول الفعلية التي قدمناها لعملائنا في الآونة الأخيرة، لتكون مرجعاً لكم عند اختيار توربين المياه.

إمداد وافر من المياه، لكن أنبوب التوصيل ضيق

اتصل بنا عميلٌ للاستفسار عن توربين مائي بقدرة ٥ كيلوواط. وأبلغنا بأن ارتفاع عمود الماء كان ٣٠ مترًا. ومع ذلك، لا يزال يتعيّن علينا الحصول على بيانات فعلية مثل معدل التدفّق لتقديم حلٍّ مناسب له. وبعد استفسارٍ إضافي، تبيّن أن العميل قد قام بالفعل بتركيب أنبوب توصيل المياه، مستخدمًا أنبوبًا بقطر داخلي قدره ٥٠ ملم (DN50)، لكن معدل التدفّق المقاس بلغ فقط ٣ لتر/ثانية.

استخدمنا صيغة الحساب التالية: ٩,٨ × ٣٠ × ٠,٠٠٣ × ٠,٦٥، وتوصلنا إلى أن القدرة تبلغ تقريبًا ٥٠٠ واط، أي ما يعادل عُشر القدرة المطلوبة البالغة ٥ كيلوواط.

العامل المحدِّد ليس ارتفاع عمود الماء، بل قطر الأنبوب. فكلما كان القطر أضيق، زادت سرعة تدفُّق الماء، وازدادت خسارة الاحتكاك على طول الأنبوب، وبالتالي انخفض الضغط عند وصول الماء إلى التوربين المائي. ويُهمَل هذا الأمر بسهولة لأن بيانات ارتفاع عمود الماء المثيرة للإعجاب تُوحي بأن قدرة الإخراج مضمونة مسبقًا.

قدمنا له خيارين للاختيار بينهما: أول خيار كان تركيب أنبوب ضغط ذي قطر أكبر وإعادة تقييم نقطة سحب الماء لزيادة معدل التدفق، مما يضمن القدرة المطلوبة من العميل. لكن هذا الخيار يتطلب تفكيك الأنابيب التي نصَّبها العميل بالفعل، كما أن حجم العمل الإنشائي سيكون كبيرًا نسبيًّا. أما الخيار الآخر فهو اختيار توربين مائي صغير جدًّا تتراوح قدرته بين ٥٠٠ واط و١ كيلوواط، استنادًا إلى ظروف الموقع الحالية والأنابيب المُركَّبة مسبقًا.

٢. ارتفاع الماء المتوسط، ونوع توربين الماء يحدد النتيجة النهائية

استفسار عميل آخر كان حول استخدام توربين ماء لتوليد الطاقة للمنازل وبرك تربية الأسماك. وكانت القدرة المستهدفة ١٠–١٥ كيلوواط، ثلاثية الأطوار، تردّد ٥٠ هرتز، وارتفاع الماء في الموقع ١٥ مترًا.

بدأ العميل استفساره عن وحدة توربين ماء مائل. لكن عند تحليلنا لظروف التثبيت لدى العميل، اكتشفنا مشكلةً: فعند ارتفاع ماء قدره ١٥ مترًا، كانت أقصى قدرة تولّدها وحدة التوربين المائل ٥ كيلوواط فقط، بينما يتطلّب توليد ١٠ كيلوواط ارتفاع ماء لا يقل عن ٣٠ مترًا. وبما أن موقع التثبيت لدى العميل لم يستوفِ هذا الشرط، اضطررنا إلى اختيار نوعٍ آخر من توربينات الماء.

ال توربين ماء تدفقي مختلط كان مناسبًا جدًّا للاحتياجات الفعلية للعميل. فنموذج الـ١٠ كيلوواط كان مناسبًا لمدى ارتفاع ماء يتراوح بين ١٠ و٢٥ مترًا، وكان القطر المقترح لأنبوب السحب ٢٠٠ مم، ما يتطابق تقريبًا تمامًا مع الظروف الميدانية لديه.

لذلك، لا يمكن اختيار توربين الماء استنادًا فقط إلى القدرة الاسمية؛ بل يجب أولًا التحقق من نطاق ارتفاع الماء المقابل لتلك القدرة الاسمية.

٣. ارتفاع الماء قريب من الصفر

وصف العميل الثالث نهرًا صغيرًا يمر عبر ممتلكاته. وكان تدفق الماء بطيئًا مع انخفاض ضئيل جدًّا. وسأل عما إذا كان يمكن تركيب توربين ماء. أولًا، يجب توضيح المعنى الحقيقي لعبارة «ارتفاع ماء صفري»: هل يوجد بالفعل ارتفاع ماء معدوم، أم أن هناك فرق ارتفاع بضعة سنتيمترات فقط لا يُلاحظ بسهولة؟ فعند السير على طول النهر من المنبع إلى المصب، يلاحظ المرء عادةً بعض الفروق في الارتفاع.

إذا أظهرت نتائج القياس أن الانخفاض أقل من ٠٫٥ مترٍ ومعدل التدفُّق أقل من ٠٫٥ مترٍ/ثانية، فعادةً لا نوصي بتركيب توربين مائي، لأن تركيب توربين لا يمكنه تحقيق الإنتاج المتوقَّع لا يعود بالنفع على أيٍّ من الطرفين. وفي هذه الحالة، هناك حلين قابلين للتطبيق: يمكن إنشاء سد صغير على شكل حاجز لخلق انخفاض اصطناعي صغير، ما يوفِّر ظروف ارتفاع مائي معينة. أما الخيار الآخر فهو دراسة ظروف الإضاءة الشمسية المحلية والنظر في الانتقال إلى نظام طاقة شمسية.

الخطوة الأولى في تحديد ما إذا كانت النهر مناسبًا لتوليد الطاقة هي دائمًا قياس ارتفاع الماء ومعدل التدفُّق. وإذا رغبتَ أيضًا في الاستفادة من الجداول أو الأنهار القريبة في تخطيط الطاقة الكهرومائية، فلا تتردَّد في الاتصال بنا للحصول على حلٍّ مخصَّص.