انرژی آبی
در اینجا قصد داریم انرژی برق آبی (سیالات) را بررسی کنیم.
انرژی آبی یا هیدرولیک،انرژی است که از آبشارها و آب های درحال حرکت می گیرند و برای هدف های مختلفی استفاده میکنند.درزمان های قدیم این انرژی را از آسیاب های آبی میگرفتند و ازاین انرژی برای آبیاری ،استفاده ازآسیاب ها وبکار انداختن دستگاه های مختلفی مانند دستگاه های پارچه بافی،چوب بری،چکش زنی،جرثقیل اسکله،آسانسورهای خانگی وحفرمعدن استفاده میکردند.
از اوایل قرن بیستم تا به امروز از انرژی آبی در صنایع جدید استفاده میشود.درواقع این انرژی را میتوان درجایی ذخیره کرد ودرجایی دورتراستفاده کرد.یکی دیگرازروش هایی که میتوان از این انرژی استفاده کرد،استفاده دردستگاه ترومپ میباشد که به وسیله آبشارها فشارمتراکم ایجاد میکندو به وسیله شبکه لوله کشی این انرژی را به مسافت های دورتربرای استفاده دستگاه هایی که در فاصله ی زیادی از آبشارها قراردارند،می فرستد.انرژی آبی یک انرژی تجدید پذیر است؛این ویژگی باعث شده که این انرژی منبعی مهم برای زندگی امروز و آینده باشد.
انرژی آب در علم آب شناسی،به وسیله نیرویی که آب به بستر رودخانه و شاخه ها ی آن وارد میکند،بررسی می شود.وقتی جریان سیل جاری میشود آب به سبب بیشترین حرکت،بیشترین گل ولای را ایجاد میکند که باعث میشود بیشترین انرژی را داشته باشند.با برداشت گل و لای و رسوب که به مرور فرسوده شده و یا به وسیله جریان رودخانه به جایی دیگر منتقل می شود؛از بستر رودخانه ،این انرژی دریافت می شود.
موسسه ی جهانی word bank تاثیر برق آبی بدون در نظر گرفتن کربن موجود در اتمسفر را روی اقتصاد و پیشرفت های موجود در صنایع بررسی کرده است و به این نتیجه رسیده که سد ها دلیل قابل توجهی برای مشکلات محیط زیستی و جامعه ای می باشند.
چرخ ها و آسیاب های آبی ابتدا در هند ساخته شدند؛همچنین در امپراطوری روم از نیروی آسیاب های آبی برای تولید آرد از جو و اره کردن الوار و خرد کردن سنگ ها استفاده می کردند.در چین هم امپراطوری هان استفاده گسترده ای از آسیاب های آبی کرده است.همچنین در چین و باقی کشورها ی خاور دور از هیدرولیک برای آبیاری توسط کانال ها با بهره برداری از pot wheel استفاده کره اند.
در سال ۱۷۵۳ مهندس فرانسوی برنارد فورست دِ بلیدور (BERNARD FOREST DE BERLIDOR)
مجله Architecture Hydrauliqne را منتشر کرد که در آن محور های افقی و عمودی ماشین های آبی را تشریح کرده بود.در اواخر قرن نوزدهم ژنراتورهای برق توسعه یافتند و هم اکنون می توان بدون استفاده از انرژی آبی کار کنند.در واقع افزایش تقاضاها باعث توسعه ،پیشرفت و انقلاب صنعتی شد.
در یک روش معروف قدرت موج آزادشده از یک مخزن را برای هل دادن و استخراج سنگ معدن فلزی مورد استفاده قرارداده اند.این روش اولین بار در معدن طلای dolaucothi واقع در wales، هفتاد و پنج سال قبل از میلاد مسیح مورد استفاده قرار گرفته است اما در معدن های اسپانیا مانند las medulas توسعه یافته است.این انرژی در قرون وسطی به صورت وسیعی در بریتانیا برای استخراج سنگ معدن سرب و قلع استفاده می شده،بعد از مدت ها این روش به معدن های هیدرولیک تکامل یافته و در معدن های طلا کالیفرنیا مورد استفاده قرار گرفته است.
در آغاز انقلاب صنعتی بریتانیا،آب منبع اصلی انرژی برای اختراعات جدید مانند water frame ریچارد آرت رایت بود.اگرچه استفاده از نیروی آب برای استفاده از بخار در کارگاه های بزرگ و کارخانه ها بود،باز هم در قرن ۱۸ و ۱۹ در بسیاری از عملیات های کوچک از نیروی آب استفاده می شد.مانند رانندگی به وسیله کوره های انفجار کوچک(dyfi furance)و کارگاه گریست و سازه هایی که نزدیک آبشار سنت آنتونی که ۵۰ فوت (۱۵ متر) ارتفاع دارد و به رودخانه می سی سی پی میریزد ساخته شده بود.
در سال ۱۸۳۰ که اوایل اوج کانال سازی ایالات متحده بود؛هیدرولیک انرژی لازم برای حمل و نقل از بالا به پایین تپه های شیب دار که از طریق خطوط راه آهن به هم متصل بود را تهیه می کرد.به مرور زمان خطوط راه آهن در حمل نقل پیشی گرفت و سیستم های کانالی توسعه یافت و مجهز به سیستم های برق آبی شد که در تاریخ لاول (lowell) ،ماساچوست یک مثال کلاسیک از توسعه تجاری و صنعتی ساخته شده با استفاده از نیروی آب می باشد.
با پیشرفت تکنولوژی استفاده از چرخ های آبی در توربین ها و موتور های آبی در توربین ها و موتورهای آبی توسعه یافت.در سال ۱۸۴۸ جیمز بی فرانسیس در حالی که به عنوان سر مهندس در شرکت قفل و کانال لاول کار میکرد توربینی طراحی کرد که راندمان ۹۰ درصد داشت.او روش های علمی را در این طرح به کاربست و راه حل هایی برای مشکلات این توربین طراحی کرد.روش های محاسباتی ریاضی و گرافیکی به او اجازه داد تا با اطمینان طراحی هایی با بهره وری بالا که دقیقا مطابق با شرایط خاص آن مکان را داشت انجام دهد.توربین فرانسیس هنوز هم به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.در سال ۱۸۷۰ با استفاده از صنعت معدن کالیفرنیا،لستر آلن پلتن بهره وری چرخ های ضربه ای توربین پلتن را که برق آبی را از بالای کوهستان های کالیفرنیا می گرفت،را توسعه داد.
انرژی آبی تولید برق به وسیله ی انرژی آب در حال حرکت است.باران یا برف آب شده ، که معمولا از کوه ها و تپهها سرچشمه می گیرند ، جوی ها و رودها را به وجود می آورند که در نهایت به اقیانوس منتهی می شوند. انرژی آب در حال حرکت می تواند خیلی قابل توجه باشد ، به طوریکه هرکس که قایق سواری در رودخانه های خروشان را تجربه کرده باشد ، می داند.
این انرژی برای قرن هاست که مورد بهره برداری قرار گرفته است. از زمان یونانیان باستان ، کشاورزان از چرخ های آبی(آسیاب های آبی) برای آسیاب کردن گندم و تبدیل آن به آرد ، استفاده می کردند. آسیاب آبی که در یک رود قرار دارد ، با استفاده از سطل هایی که اطراف چرخ واقع شده اند ، آب در حال جریان را جمع می کنند. انرژی جنبشی رود در حال جریان ، چرخ را می چرخاند و این انرژی جنبشی تبدیل به انرژی مکانیکی ای می شود که آسیاب را به کار می اندازد.
در اواخر قرن ۱۹ ام ، انرژی آبی تبدیل به منبعی برای تولید برق شد. اولین نیروگاه برق آبی در آبشار نیاگارا در سال ۱۸۷۹ ساخته شد. در سال ۱۸۸۱ چراغ های برق خیابان شهر آبشار نیاگارا از طریق انرژی آبی تامین شده بود. در سال ۱۸۸۲ اولین نیروگاه برق آبی جهان در اپلتون ویسکانسین ، شروع به کار کرد.
یک نیروگاه آبی معمول نظامی ست متشکل از سه بخش : یک نیروگاه الکتریکی که در آن برق تولید می شود ، یک سد که می تواند برای کنترل جریان آب باز و بسته شود ، و یک مخزن که می توان آب را در آن ذخیره کرد. آب پشت سد از درون مدخل آبگیری(در لوله) جاری می شود و به تیغه های داخل توربین فشار می آورد و آنها را می چرخاند. توربین یک ژنراتور(مولد برق) را می چرخاند تا برق تولید شود. مقدار برقی که می تواند تولید شود به ارتفاعی که آب از آن سقوط می کند و مقدار آبی که در سیستم حرکت می کند ، بستگی دارد. این برق می تواند در طول خطوط برق در مسافت های طولانی ، به خانه ها ، کارخانه ها ، و محل کسب و کارها منتقل شود.
انرژی آبی تقریبا ۵/۱ برق جهان را تامین می کند. چین ، کانادا ، برزیل ، ایالات متحده آمریکا و روسیه ، ۵ تولید کننده ی بزرگ انرژی آبی در سال ۲۰۰۴ بودند.یکی از بزرگترین نیروگاه های آبی در تری گورجز(سه دره) در رودخانه ی ییانگتر چین است. مخزن این وسیله از سال ۲۰۰۳ شروع به پر شدن کرده است ، ولی انتظار نمی رود که این نیروگاه تا سال ۲۰۰۹ کاملا قابل استفاده باشد. سد ۱٫۴ مایل(۲٫۳ کیلومتر) پهنا و ۶۰۷ فوت(۱۸۵ متر) ارتفاع دارد.
بزرگترین نیروگاه آبی در ایالات متحده ی آمریکا در گراند کولی دم(جویبار سد بزرگ) در رودخانه ی کلمبیا در شمال واشنگتن واقع شده است. بیشتر از ۷۰% برق تولید شده در ایالت واشنگتن از طریق امکانات برق آبی تولید می شود.
امروزه انرژی آبی ارزان ترین راه تولید برق است. به این دلیل که وقتی سد ساخته می شود و تجهیزات نصب می شوند ، منبع انرژی جریان آب آزاد است. انرژی آبی یک منبع سوختی پاک است که سالانه با بارش برف و باران قابل تجدید است.
انرژی آبی به راحتی در دسترس است. مهندسان می توانند جریان آب داخل توربین ها را برای تولید برقِ تقاضا شده ، کنترل کنند. به علاوه مخازن می توانند امکانات تفریحی مثل شنا و قایق سواری را فراهم کنند.
اما رودخانه هایی که روی آنها سد احداث می شود ممکن است حیات وحش و یا منابع طبیعی دیگر را تخریب یا مختل کند. بعضی ماهی ها مثل سالمون ممکن است از شنا کردن به سمت بالای رودخانه برای تولیدمثل ، منع شوند. تکنولوژِ هایی مثل نردبان های ماهی به سالمون کمک می کند که از سد بالا برئند و به مناطق تولیدمثل بالای رودخانه برسند. اما حضور سدهای هیدرولیک الگوهای مهاجرتی را تغییر می دهد و به جمعیت ماهی ها آسیب می زندو نیروگاه های انرژی آبی همچنین می توانند منجر به کاهش سطح اکسیژن محلول در آب شوند که برای ساکنین رودخانه مضر است.
برق آبی در شبکه لوله ای:
شبکه های هیدرولیکی برای حمل آب تحت فشار و انتقال قدرت مکانیکی از منبع به کاربران مورد استفاده قرار می گرفت.منبع قدرت معمولا در بالای آب قرار می گرفت و می توانست توسط یک پمپ کار کند.این شبکه در ابتدا در شهرهای ویکتوریا در انگلستان صورت گرفت سپس درژنو و سوئیس توسعه یافت ،جت ادو معروف شیرهایی برای فشار بیش از حد در این شبکه ها طراحی کرده است.
هوای فشرده آبی:
آبی که در هر نهر وجود دارد می تواند هوای فشرده را بدون نیاز به قطعات متحرک و به طور مستقیم ایجاد کند.در این طرح آب را به صورت یک ستون در حال سقوط در نظر بگیریم و به صورت عمد حباب های هوا را از طریق ایجاد تلاطم یا کاهش فشار ونچوری در ارتفاعات بالا با آن مخلوط میکنیم و به آن اجازه می دهیم که درون یک شفت داخل یک قنات سقوط کند.در واقع در این شفت (اتاق مسقف) می توانیم هوای به دام افتاده در آب را از آن جدا کنیم
انواع انرژی های هیدرولیک:
هیدرولیک اصولا برا تولید الکتریسیته استفاده می شود که در گروه های گسترده ای مانند موارد زیر تقسیم می شود.
- انرژی آبی معمولی به وسیله سد های برق آبی.
- انرژی آبی که به وسیله حرکت رودخانه ها با استفاده از انرژی جنبشی به جریان رود استفاده می کند.
- پروژه های ۱۰ مگاواتی کوچک که اغلب هیچ مخزنی برای ذخیره احتیاج ندارند.
- پروژه های انرژی آبی چند کیلو وات تا چند صد کیلو وات که به خانه های روستاهای دوردست فرستاده میشود.
- پروژه های انرژی آبی که با استفاده از لوله کشی به مکان مورد نظر فرستاده می شود.
- پمپ ذخیره سازی برق در زمان هایی که مصرف کم است برای روز هایی که مصرف زیاد است.
محاسبه ی مقدار نیروی در دسترس:
منابع برق آبی را با توجه به دسترسی به آنها می توان دسته بندی کرد.قدرت تابعی از مقدار هیدرولیک و ارزش جریان سیال است که هر مقدار هیرولیک انرژی بر واحد جرم آب می باشد.مقدار استاتیک متناسب با اختلاف ارتفاع آب می باشد و به سرعت حرکت آب بستگی دارد.در حالی که مقدار هیدرولیک به سرعت حرکت آب بستگی دارد.هر مقدار از آب می تواند به اندازه ی وزن خود کار انجام دهد
توان آب در حال سقوط را می توان از سرعت جریان ،چگالی آب،ارتفاع سقوط آب و شتاب گرانش محاسبه شود.به طوری که در SIبه صورت زیر تعریف میشود
P= ɧÞQgh
p توان با واحد وات
ɧ راندمان توربین
Þ چگالی آب با واحد کیلوگرم بر نتر مکعب
Q جریان با واحد متر کعب بر ثانیه
g شتاب گرانش با واحد متر بر مجذور ثانیه
h ارتفاع با واحد متر
اپراتورها از ایستگاه های برق آبی انرژی الکتریکی تولید میکنند و با توجه به توربین ها بازده را محاسبه می کنند که روش ها و تعاریف برای محاسبه در کدهایی مانند ASME و PTCI و (IEC(0004 داده شده است.تست درستی با بازدهی است که شرکت سازنده بیان میکند.به دلیل وجود اصطکاک برای جریان در کانال ها و آبگیر ها و تغییر گرانش در ارتفاع های متفاوت تغییر فشار و چگالی آب برای توربین های متفاوت فرق می کند
برخی از سیستم های هیدرولیک مانند چرخ آبی می توانند بدون تغییر ارتفاع،جریان را انتقال بدهند در واقع در این سیستم انرژی مورد نیاز را انرژی جنبشی آب روان تامین می کرد و چرخ های آبی هر دو این انرژی ها را یعنی انرژی هیدرولیک و انرژی جنبشی را ذخیره می کنند.
جریان آب فصل به فصل متفاوت است.توسعه یک سایت مربوط به برق آبی نیاز به تجزیه و تحلیل جریان در سال ها و گاهی دهه های متفاوت دارد با این حال مخازن آب تحت تاثیر محیط زیست و تغیررات زیست محیطی می باشد مثلا تغییر جریان مقدار ذخیره آب را نیز تغییر می دهد در نتیجه طراحی سدها نیز باید بر این اساس باشد و با توجه به این احتمال سیلابی با حداکثر جوش و خروش ساخته می شود.برای تخمین این حداکثر سیلاب اصولا یک مدل کامپیوتری از باران و حوضه ی بارش و برف و سوابق هیدرولیکی در نظر میگیرند.
انرژی آبی در ایران:
ایران از جمله کشورهایی است که از منابع فراوان انرژی برخوردار است و پس از ۱۹۱۳ همواره به عنوان یکی از صادر کننده‌های اصلی نفت محسوب می‌شده است. با توجه به اینکه در میان دو منبع بزرگ انرژی جهان (دریای خزر در شمال و خلیج فارس در جنوب) قرار دارد، از جایگاه ویژه‌ای در سطح بین‌المللی برخوردار است. از جمله موارد اهمیت این میباشد که یکی از دو کشوری است که قادر است به طور مستقل و مستقیم، نفت و گاز استحصال شده از منبع عظیم دریای خزر را صادر کند، که البته از این منظر نیز به دلیل کوتاهی مسافت از رقیب صادراتی خود که روسیه میباشد، می‌تواند پیشی گیرد.
صنعت برق آبی به معنی تولید نیرو در همه ی مناطق ایران می باشد وبزرگترین منبع الکتریسیته تجدید پذیرو پاک است.انرژی برق آبی۹۸٫۸ درصد از تولید ملی برق تجدید پذیر و ۱۳٫۸ درصد ازمجموع الکتریسیته تولیدی در ایران را تشکیل می دهد.بخش عمده ای از توسعه آینده صنعت برق آبی برامکانات
و زیر ساخت های موجود و در حال استفاده متمرکز خواهد بود که فرصت هایی به منظور افزایش تولید انرژی تجدید پذیر بدون ساخت سدهای بزرگ وجدید فراهم می کند.
بر طبق مطالعات اخیر (سال۱۳۸۹) معاونت امور برق و انرژی-دفتر برنامه ریزی کلان برق و انرژی، برق آبی کمترین هزینه متعادل سازی برق (LCOE) در تمام منابع انرژی تجدید پذیر و سوخت های فسیلی اصلی و همچنین هزینه هایی حتی کمتر از گزینه های بهره وری انرژی را ارائه می دهد .
اشتغال زایی
صنعت برق آبی ایران پتانسیل ایجاد ۱۰۰٫۰۰۰ شغل متراکم را تا سال ۱۳۹۳ داراست که در قرن ۲۱ ایرانی ها را به ایجاد زیرساختهای انرژی پاک متعهد می کند. صنعت برق آبی ایران در حال حاضر حدود ۵۰٫۰۰۰ کارگر در بخشهای توسعه پروژه، ساخت، امکانات بهره برداری و تعمیر و نگهداری را به کار گماشته است.
با سیاست های درست و بجا، برق آبی می تواند نیروی کار ایرانی خود را گسترش دهد. مطالعات اخیر نشان می دهد با به کارگیری سیاستهایی مانند اجرای استاندارد انرژی برقی تجدید پذیر ۱۰۰٫۰۰۰ شغل متراکم تا سال ۱۳۹۳ می توان توسط برق آبی ایجاد کرد.
ایران درحال حاضر دهمین ظرفیت بزرگ انرژی برق آبی نصب شده به میزان تقریبی ۹٫۵ گیگا وات در جهان را داراست، که این مجموع شامل امکانات مخزن تلمبه ذخیره ای نیز می باشد.اما پتانسیل عظیم دست نخورده ای برای این منابع باقی می ماند: تخمین زده می شود که ایران می تواند تا سال ۱۳۹۳ به میزان ۴۵٫۰۰۰ مگا وات به ظرفیت جدید برق آبی اضافه کند .
نیروگاه های انرژی آبی در ایران
آذربایجان شرقی
- نیروگاه ارس
- نیروگاه خداآفرین
- نیروگاه شهریار
- نیروگاه قیزقلعه سی
- نیروگاه مارازاد
آذربایجان غربی
- نیروگاه مهاباد
اردبیل
- نیروگاه شوط مغان
اصفهان
- نیروگاه زاینده رود
بوشهر
- نیروگاه رئیس علی دلواری
تهران
- نیروگاه امیرکبیر
- نیروگاه برق آبی طالقان
- نیروگاه کلان
- نیروگاه لتیان
- نیروگاه لوارک
خوزستان
- نیروگاه پلکو ۱و۲و۴
- نیروگاه دز
- نیروگاه شهید عباس پور(کارون ۱)
- نیروگاه کارون ۳
- نیروگاه کرخه
- نیروگاه کریک ۱ و۲ و۳
- نیروگاه مارون
- نیروگاه مسجدسلیمان
- نیروگاه ون
فارس
- نیروگاه دروزن
- نیروگاه شهید طالبی
- نیروگاه ملاصدرا
کرمان
- نیروگاه جیرفت
گیلان
- نیروگاه سفیدرود
لرستان
- نیروگاه درود
مازندران
- نیروگا تاکام
مرکزی
- نیروگاه آسیابک و وفرقان
- نیروگاه تخت ۱و۲
همدان
- نیروگاه گاماسیاب
چهارمحال و بختیاری
- نیروگاه کوهرنگ
منبع : eghlim.org
