אילו נהרות מתאימים להתקנת טורבינות מים? איך לבחור?

אם קיים נחל או נהר זורם לאורך השנה בסביבת הבית שלכם, סביר להניח שזוהי אפשרות לתחנת כוח ביתית. בהשוואה לאנרגיה סולארית ואנרגיה רוחנית, היתרונות הגדולים ביותר של אנרגיה הידרואלקטרית הם היציבות שלה: כל עוד יש זרימת מים, ניתן לייצר חשמל לאורך כל היום, ללא השפעה על משך האור השמשי או תנאי מזג האוויר. השקעה אחת יכולה להביא תשואות לאורך שנים.

עם זאת, לא כל נהר מתאים להתקנת טורבינות הידרוליות. האם ניתן להתקין טורבינה הידרולית, באיזו גודל ניתן להתקין אותה ובאילו סוג לבחור – תלוי בסופו של דבר בשני פרמטרים בסיסיים.

שני הגורמים שמحدדים את כושר ייצור החשמל

ללא קשר למותג או למודל, כושר ייצור החשמל של טורבינה הידרולית תלוי בעיקר בשני פרמטרים בלבד:

גובה נפילה (Head): המרחק האנכי מהנקודה שבה נכנסת המים לנקודת ההתקנה של הטורבינה, הנמדד במטרים (מ'). ככל שהמרחק האנכי גדול יותר, כך הלחץ של המים גבוה יותר.

זרימה: כמות המים העוברת ביחידת זמן, נמדדת במטרים מעוקבים לשנייה (מ״ק/ש) או בליטרים לשנייה (ל/ש). מטר מעוקב לשנייה אחד שווה ל-1000 ל/ש.

ניתן להעריך את הספק הפלט באמצעות הנוסחה המפושטת הבאה:

הספק (קילוואט) ≈ 9.8 × גובה המפל (מ') × קצב הזרימה (מ״ק/ש) × יעילות

היעילות בדרך כלל מוגדרת בטווח של 0.6–0.7, ובכך נלקחות בחשבון האבדות של טורבינת מים הטורבינה עצמה והאבדות עקב חיכוך בצינור המים.

לדוגמה: גובה מפל של 20 מ' וקצב זרימה של 0.05 מטרים מעוקבים לשנייה (50 ל/ש). הספק הפלט המוערך הוא בערך 9.8 × 20 × 0.05 × 0.65 ≈ 6.4 קילוואט, מה שמספיק כדי לספק את הצרכים החשמליים של תאורה ביתית, מקררים, טלוויזיות ומשאבות מים.

כפי שנראה בנוסחה, אם גובה המפל או קצב הזרימה קטנים מדי, הספק הפלט יורד באופן חדה. לכן, גם אם מהירות הזרימה נראית גבוהה, לאחר החישוב הספק היצוא יהיה רק כמה מאות וاط.

שלושה מקרים פרקטיים

היום אנו רוצים לשתף אתכם בכמה פתרונות אמתיים שסופקנו ללקוחותינו האחרונים, כדי לשמש כהתייחסות עבורכם בעת בחירת טורבינה הידרולית.

אספקת מים עשירה, אך צינור צר

לקוח פנה אלינו כדי לברר לגבי טורבינה הידרולית של 5 קילוואט. הוא סיפר לנו שהגובה ההידראולי הוא 30 מטר. אנחנו עדיין צריכים נתונים ממשיים כגון קצב הזרימה כדי לספק לו פתרון. לאחר חקירה נוספת, התברר שכבר הותקן צינור מים, בצינור בקוטר נומינלי 50 מ"מ (DN50) וקוטר פנימי של 50 מ"מ, אך קצב הזרימה שנמדד היה רק 3 ליטר לשנייה.

השתמשנו בנוסחת החישוב: 9.8 * 30 * 0.003 * 0.65, ולחישוב התקבל כי הספק הוא בערך 500 וואט, כלומר עשירית מה-5 קילוואט שהוא דרש.

הגורם המגביל אינו גובה המים, אלא קוטר הצינור. ככל שהצינור צר יותר, כך מהירות זרימת המים גדלה, והאובדן בגלל חיכוך לאורך הצינור עולה, ולכן הלחץ יורד כאשר המים מגיעים לטורבינת המים. נקודה זו נזנחה לעיתים קרובות, מכיוון שנתוני גובה המים המרשימים יוצרים את הרושם שההספק החשמלי מבטיח.

הצגנו לו שתי אפשרויות לבחירה: האפשרות הראשונה הייתה להתקין צינור מלחץ בעל קוטר גדול יותר ולערוך מחדש את נקודת איסוף המים כדי להגביר את ספיקה, ובכך להבטיח את ההספק החשמלי הנדרש על ידי הלקוח. עם זאת, אפשרות זו תדרוש демонтаж של הצינורות שכבר התקין הלקוח, ועומס הבנייה יהיה יחסית גדול. האפשרות השנייה הייתה לבחור טורבינה מיקרו-מימית בהספק בין 500 וואט ל-1 קילוואט, בהתאם לתנאי האתר הקיימים ולצינורות שכבר הותקנו.

2. גובה מים בינוני, סוג טורבינה מימית קובע את התוצאה הסופית

השאלה של לקוח נוסף הייתה להשתמש בטורבינה מימית כדי לספק חשמל למגורים ולביצות דגים. הכוח המבוקש היה 10–15 קילוואט, תלת-פאזה, 50 הרץ, וגבהות המים באתר היו 15 מטר.

התחלנו לשאול על יחידת טורבינה מימית משופעת. עם זאת, לאחר שהבנו את תנאי ההתקנה של הלקוח, גילינו בעיה: בגובה מים של 15 מטר, הכוח המרבי של יחידת הטורבינה המשופעת הוא 5 קילוואט, ול־10 קילוואט נדרשים לפחות 30 מטר גובה מים. תנאי ההתקנה באתר הלקוח לא עמדו בדרישה זו, ולכן נאלצנו לבחור בסוג אחר של טורבינה מימית.

ה טורבינה מימית מעורבת התאימה מאוד לצרכים האמיתיים של הלקוח. הדגם של 10 קילוואט מתאים לטווח גבהות מים של 10 עד 25 מטר, והקוטר המומלץ לצינור ספיגה הוא 200 מ״מ, מה שמתאים כמעט באופן מושלם לתנאי האתר שלו.

לכן, ביצירת הבחירה של טורבינת המים לא ניתן להסתמך רק על הספק הנומינלי; יש לבדוק תחילה את טווח גובה המפל המתאים לספר זה.

3. גובה המפל קרוב לאפס

הלקוח השלישי תיאר נחל קטן שזורם דרך הנכס שלו. המים זרמו לאט ובמפל קטן מאוד. הוא שאל אם ניתן להתקין טורבינת מים. ראשית, יש לברר את המשמעות האמיתית של 'גובה מפל אפס': האם קיים באמת גובה מפל אפס, או שקיים הפרש גובה של כמה סנטימטרים בלבד שאינו מורגש? בעת הליכה לאורך הנחל מהזרם העליון לזרם התחתון, בדרך כלל רואים הפרשי גובה.

אם תוצאות המדידה מראות שהנפילה קטנה מ-0.5 מטר והזרימה קטנה מ-0.5 מטר לשנייה, בדרך כלל איננו ממליצים להתקין טורבינה הידרואלית, מאחר שהתקנת טורבינה שלא תוכל להשיג את התפוקה הצפויה אינה משתלמת עבור אף אחת מהצדדים. במקרה זה קיימות שתי אפשרויות יישומיות: ניתן לבנות סכר קטן כדי ליצור נפילה מלאכותית קטנה, אשר תיצור תנאים מסוימים של גובה מפל; אפשרות נוספת היא לבחון את תנאי האור השמשי המקומיים ולשקול מעבר למערכת סולארית.

השלב הראשון בקביעת התאמה של נחל ליצירת חשמל הוא תמיד מדידת גובה המפל וזרימת המים. אם ברצונכם גם לנצל נחלים או זרמים סמוכים לתכנון כוח הידרו-אלקטרי, אנא פנו אלינו ללא היסוס כדי לקבל פתרון מותאם אישית.