نیروگاه برق آبی ، نیروگاه هایی هستند که به وسیله عبور جریان آب در ارتفاع بالا از میان پره هاي توربین آب و تبدیل این انرژي پتانسیل به انرژي جنبشی، نیروي برق تولید می کنند.

استفاده از انرژي آب در آسیاب هاي آبی به چندین هزار سال قبل در چین و مصر باز می گردد.

امروزه با پیشرفت تکنولوژي و بهبود تجهیزات مورد استفاده در نیروگاه برق آبی ،

این انرژي به عنوان یکی از اصلی ترین منابع تولید توان در دنیا تبدیل شده،

و نیروگاه برق آبی بعد از نیروگاه هاي بخاري، دومین منبع تولید انرژي برق در دنیا به شمار می روند.

به طور خلاصه ظرفیت تولید توان یک نیروگاه برق آبی به بازده کلی نیروگاه، ارتفاع موثر آب نگهداري شده و جریان جرمی آب عبوري از توربین بستگی دارد.

با مشخص شدن موارد ذکر شده توان تولیدي نیروگاه برق آبی به صورت زیر محاسبه می شود:

در رابطه بالا Q جریان جرمی آب ورودي به توربین و H ارتفاع موثر آب ورودي به توربین و P توان خروجی کل نیروگاه است.

مزایای نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی نسبت به دیگر انواع نیروگاه هاي حرارتی داراي مزایاي زیر هستند:

1- تجدید پذیر بوده و به طور طبیعی بعد از هر فصل مجددا تجدید می شود.

2- بدون آلایندگی هستند و فرایند تولید برق در آنها کاملا فیزیکی است.

3- داراي بازده و راندمان بالا هستند.

به طور معمول بازده توربین هاي آبی بالاي 90 درصد بوده و بازده کلی نیروگاه برق آبی می تواند بالاي 80 درصد باشد.

این مقدار در مقایسه با نیروگاه هاي فسیلی که در محدوده 40 تا 60 درصد هستند رقم بسیار خوبی است.

4 – به دلیل نیاز به تعمیرات کم، داراي ضریب دسترسی بالایی است.

5- به سرعت وارد مدار می شوند و زمان راه اندازي بسیار کم و در حدود 5 دقیقه است.

این زمان در مقایسه با نیروگاه هاي حرارتی با زمان راه اندازي و شروع به کار در حدود 5 تا 6 ساعت،

جالب توجه است (این زمان بسته به نوع نیروگاه حرارتی و راه اندازي گرم و سرد آن متفاوت خواهد بود).

6- به دلیل نیاز به ساخت سد و انباره نگهداري آب، این نیروگاه ها داراي مزایایی از قبیل

کنترل جریان آب و سیلاب، آبیاري، پرورش ماهی، حمل نقل، ایجاد امکانات تفریحی و غیره نیز هستند.

معایب نیروگاه برق آبی

البته نیروگاه برق آبی داراي معایبی نیز هستند که از آن بین می توان موارد زیر را نام برد.
1-نیاز به سرمایه گذاري بالا نسبت به نیروگاه هاي حرارتی

2-زمان ساخت طولانی

3-ایجاد تغییرات در اکولوژي محل احداث

4-وابستگی به شرایط جوي و ریزش باران

در شکل زیر ظرفیت تولید برق نیروگاه هاي با انرژي تجدید پذیر در سال هاي مختلف در جهان نشان داده شده است.

تجهیزات نیروگاه برق آبی

شکل زیر تجهیزات اصلی یک نیروگاه برق آبی را نشان می دهد.

تجهیزات نیروگاه برق آبی به قرار زیر است:

1 -سد که به عنوان ذخیر کننده آب و افزایش دهنده ارتفاع موثر آب عمل می کند.

2 – سیستم کانال کشی و هدایت کننده آب که به صورت سیستم تونل یا لوله کشی تحت فشار روي زمین یا زیر زمینی است.

در این سیستم یک شیر کنترل جریان و یک تانک به منظور دفع و محدود کردن ضربه آب وجود دارد.

3 -سالن توربین و ژنراتور

4 -سیستم پایین دست توربین آبی که آب بعد از خروج از آن وارد این مسیر می شود و دوباره به مسیر رودخانه باز می گردد.

این مسیر ممکن است آب را دوباره به مسیر اصلی رودخانه پس بدهد یا به وسیله مسیر هاي جداگانه دیگر به رودخانه بازگردانده شود.

5 -اتاق فرمان و کنترل

6 -خطوط انتقال برق.

سه تفاوت نیروگاه برق آبی با نیروگاه حرارتی

نیروگاه برق آبی از جنبه هاي زیادي با انواع دیگر نیروگاه هاي تولید برق، که عمدتا در ردیف نیروگاه هاي حرارتی قرارمی گیرند تفاوت دارند،

هرچند این نیروگاه ها نیز مانند بقیه نیروگاه ها، داراي اجزاي اصلی ضروري براي تولید قدرت، یعنی توربین، ژنراتور، گاورنر (Governor) و تحریک کننده مجهز به دستگاه تنظیم ولتاژ هستند،

لیکن این تجهیزات تفاوت هایی با تجهیزات متناظرشان در نیروگاه هاي حرارتی دارد که اهم آن به شرح زیر است.

یک واحد توربین و ژنراتور برق آبی اصولا داراي سرعت دوران کم تري نسبت به واحدهاي نوع بخاري و یا گازي هستند،

لذا از این نظر تفاوت هاي اصلی زیر را دارد:

1 .تعداد بیشتر قطب هاي تحریک کننده ژنراتور

2 .وزن بیشتر

3 .نیاز به جریان تحریک بیشتر

یک واحد برق آبی نیاز به گاورنر با قدرت عمل کننده بیشتري دارد،

تا هنگام بستن دریچه هاي توربین در حالت حذف ناگهانی بار،

بر نیروهاي زیاد مقاومت کننده از جمله نیروي دینامیکی آب غلبه کند.

مدت زمان راه اندازی نیروگاه برق آبی 

نیروگاه برق آبی ، در مقایسه با نیروگا ه هاي حرارتی، به سامانه هاي جانبی کمتري نیاز دارند

و در مدت زمان کم تري نسبت به انواع نیروگاه هاي حرارتی راه اندازي می شوند

. معمولا، واحدهاي آبی نسبتا بزرگ (100 تا 300 مگاوات) را از حالت توقف آماده استارت و مهیا بودن پیش نیازها،

در مدتی کوتاه و درحدود 200 ثانیه می توان راه اندازي نمود و به بار نامی رساند.

این مدت به ابعاد توربین و شیر اصلی ورودي نیروگاه بستگی دارد.

در واحدهاي خیلی بزرگ، در حالت بسته بودن کامل شیر اصلی ورودي، ممکن است این زمان به حدود 5 تا 7 دقیقه برسد.

همچنین نیروگاه برق آبی می تواند در مدت کوتاهی، از حالت تولید با بار کم به بار نامی برسد.

براي واحدهاي متوسط این زمان می تواند به کم تر از 10 ثانیه برسد و در مورد واحدهاي نسبتا بزرگ این زمان از 10 تا 20 ثانیه می تواند متغیر باشد.

بارگیري با این سرعت، در صورت نیاز شبکه به بار اضطراري، در مورد واحدهاي پیش بینی شده براي این منظور، امکان پذیر است،

هر چند در حالت عادي، بارگیري واحد به تدریج انجام می شود.

واحدهاي آبی در صورت به کارگیري سامانه هاي تحریک با ظرفیت بالا و سرعت پاسخ زیاد و گاورنرهاي دیجیتالی،

پایداري نسبتا خوبی در مقابل اغتشاشات پدید آمده در سامانه قدرت، که منجر به تغییرات زیاد فرکانس می شود، دارند،

و در صورت جدا شدن از شبکه سراسري، عموما در شرایطی قرار می گیرند که به سرعت قابل بارگیري و بهره برداري مجدد هستند.

نیروگاه برق آبی و می توانند براي تامین بار مصرفی بلوك هاي بار جدا شده از شبکه اصلی

و نهایتا کمک به بازگرداندن سامانه قدرت به حالت متعادل تر، نقش مؤثري داشته باشند.

هزینه نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی با واحدهاي بزرگ و متوسط می توانند نقش مهمی در تامین بار ذخیره گردان،

به منظور کمک به پایداري فرکانس شبکه، در تغییرات پیش بینی نشده در بار شبکه، به عهده گیرند.

هزینه تمام شده در نیروگاه برق آبی بسته به محل نصب و شرایط محیطی آن و نوع آن متفاوت است.

نیروگاه برق آبی در دنیا از نظر هزینه تولید در هر کیلووات ساعت جز مقرون به صرفه ترین نیروگاه ها هستند.

بر اساس داده هاي به دست آمده هزینه تعمیرات و بهره برداري این نیروگاه ها پایین و در حدود یک درصد هزینه احداث نیروگاه برق آبی در هر سال است.

شکل زیر میزان هزینه سرمایه گذاري لازم در قسمت هاي مختلف آن را نشان می دهد.

توجه شود قیمت ذکر شده در این گراف دسته بالا گرفته شده است و حد پایین این گراف،

قیمت رایج نیروگاه هاي آبی در سال 2007 را نشان می دهد.

هدف اصلی از ارائه این گراف، نشان دادن وزن قیمتی هر بخش از نیروگاه است.

تقسیم بندي نیروگاه برق آبی

نیروگاه برق آبی را می توان بر حسب طبیعت و هدف ساخت آن به پنج دسته تقسیم بندي کرد.

1- نیروگاه هاي ذخیره اي رایج ساخته شده در دره ها (Valley storage plants)

این نیروگاه ها به طور رایج در دره ها بر روي رودخانه ها، براي ذخیره کردن آب در طول سال ساخته می شوند.

این نوع نیروگاه برق آبی به سه دسته داراي هد زیاد (بالاتر از 250 متر) و هد متوسط (بین 50 تا 250 متر) و هد پایین (کمتر از 50 متر) تقسیم بندي می شود.

2- نیروگاه آب راننده (Run-of-the-river plants )

این نیروگاه ها در رودخانه هایی که جریان جرمی آب با تغییر فصول تغییر کمی می کنند ساخته می شود.

با توجه به اینکه رودخانه هایی با این ویژگی بیشتر در نواحی سرد سیر دیده می شود،

در نواحی کم آب (مانند ایران) نیروگاه هایی از این دست کمتر مشاهد می شود.

در این نیروگاه ها به سازه ذخیره آب کوچک و در طول رودخانه نیازمند است.

3-نیروگاه کانالی منحرف کننده (Diversion canal plants)

در این نیروگاه ها مقداري از آب رودخانه به وسیله کانال، از مسیر اصلی منحرف شده و وارد سیستم تولید توان می شود.

سپس و مجددا بعد از خروج از توربین آب به مسیر رودخانه برگردانده می شود.

در این نیروگاه برق آبی به سد جهت نگهداري آب احتیاج نیست.

شکل زیر نمایی از یک نیروگاه برق آبی با کانال منحرف کننده را نشان می دهد.

4-نیروگاه تلمبه ذخیره اي (Pumped storage power plant (pspp)

این نوع از نیروگاه برق آبی ، در حالتی که بار شبکه کم است با استفاده از پمپ، آب را به ارتفاع بالا انتقال می دهد،

و در زمان هایی که بار شبکه بالا می رود با عبور آب از توربین آب توان مورد نیاز شبکه را تامین می نمایند.

این نیروگاه ها در واقع به صورت انباره انرژي الکتریکی عمل می کنند.

فلسفه اقتصادي این نیروگاه برق آبی اختلاف قیمت برق در حالت بار پیک شبکه با دیگر حالت ها است.

منبع: هادی اله یاری، فاطمه نام آور، مبانی و اصول مهندسی نیروگاه و تجهیزات اصلی آن، جلد اول انتشارات سارگل، 1395