برق آبی(Hydroelectricity) یا هیدروالکتریسیته اصطلاحی است که به انرژی الکتریکی تولیدی از نیروی آب اطلاق می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های آبی انرژی مورد نیاز خود را از انرژی پتانسیل آب پشت یک سد تأمین می‌کنند. در این حالت مقدار انرژی تولیدی از آب به حجم آب پشت سد و اختلاف ارتفاع بین منبع و محل خروج آب سد وابسته‌است. به این اختلاف ارتفاع، ارتفاع فشاری می‌گویند و آن را با H (مخفف Head) نمایش می‌دهند. در واقع میزان انرژی پتانسیل آب با ارتفاع فشاری آن متناسب است. برای افزایش فاصله یا ارتفاع فشاری، آب معمولاً برای رسیدن به توربین آبی فاصله زیادی را در یک لوله بزرگ (penstock) طی می‌کند.

نیروگاه آب تلمبه‌ای، نوعی دیگر از نیروگاه آبی است. وظیفهٔ یک نیروگاه آب تلمبه‌ای پشتیبانی شبکه الکتریکی در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) است. این نیروگاه تنها آب را در ساعات مختلف بین دو سطح جابجا می‌کند. در ساعاتی که تقاضا برای انرژی الکتریکی پایین است با پمپ کردن آب به یک منبع مرتفع انرژی الکتریکی را به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می‌کند. در زمان اوج مصرف، آب دوباره از مخزن به سمت پایین جاری می‌شود و با چرخاندن توربین آبی موجب تولید برق و رفع نیاز شبکه می‌شود. این نیروگاه‌ها با ایجاد تعادل در ساعات مختلف موجب بهبود ضریب بار شبکه و کاهش هزینه‌های تولید انرژی الکتریکی می‌شوند.

از دیگر انواع نیروگاه‌های آبی می‌توان به نیروگاه‌های جزر و مدی اشاره کرد. همان‌طور، که از نام این نیروگاه‌های مشخص است این نیروگاه‌ها نیروی مورد نیاز خود را از اختلاف ارتفاع آب در بین شبانه روز تأمین می‌کنند. منابع در این دسته از نیروگاه‌ها نسبت به بقیه کاملاً قابل پیش‌بینی هستند. این نیروگاه‌ها هم چنین می‌توانند در مواقع اوج مصرف به عنوان پشتیبان شبکه عمل کنند.

برخی نیروگاه‌های آبی که تعداد آن‌ها زیاد هم نیست از انرژی جنبشی آب جاری استفاده می‌کنند. در این دسته از نیروگاه‌ها نیازی به احداث سد نیست توربین این نیروگاه‌ها شبیه یک چرخ آبی عمل می‌کند. این نوع استفاده از انرژی شاخه نسبتاً جدیدی از علم جنبش مایعات است.

نیروگاه های آبی برای تولید برق از نیروی جاذبه ی زمین و نیروی خورشید به کار می روند. آب در اثر گرمای محیط که عمده ترین علت آن خورشید است بخار می شود و در اتمسفر صعود می کند. سپس به صورت باران و برف فرو ریخته می شود. آبی که روی ارتفاعات ریخته و به صورت نهر های کوچک و پس از آن رود های بزرگ تر جاری می شود و آن گاه پس از طی نمودن مقداری از مسیر انرژی پتانسیل  گرانشی آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

به منظور توليد برق ، از حجم عظيمي از آب در جايي كه آب هاي جاري از سطوح بالاتر به سطوح پايين تر، از ميان يك توربين عبور مي كنند، استفاده مي شود. آب ناشي از بارندگي در درياچه هاي پشت سد، در ارتفاعات بلند، جمع آوري مي شوند. پس از توليد، آب به درون رودخانه كشيده شده و به آرامي حركت مي كند تا بالاخره به دريا برسد. چرخ هاي آبي آنها بسيار سنگين و كند بوده و بازدهي ناچيزي داشتند. توربين هاي هيدروليكي در  آغاز قرن 19 گسترش يافتند.

آب مورد استفاده در يك فصل، توسط طبيعت در فصل بعدي دوباره وارد چرخه مي شود. آب خودش تا محل نيروگاه مي آيد يعني هيچ عمليات بهره برداري و جابجايي سوخت (بنزين يا گاز) را شامل نمي شود. مي توان آن را براي استفاده هايي نظير نوشيدن يا آبياري، دوباره هدايت كرد . نيروگاه هاي آبي راندمان بسيار بالايي (در حدود 80%) دارد كه بسيار بالاتر از نيروگاه هاي حرارتي است.

نيروگاه هاي آبي عمر بسيار طولاني (در حدود 50 سال) دارند كه قابل مقايسه با نيروگاه هاي حرارتي است .

حفاظت از آن ها در مقايسه با نيروگاه هاي حرارتي آسان و بسيار كم خرج است. Start و Shutdown نيروگاه هاي آبي سريع است. هزينه توليد برق بسيار كم است. (تنها هزينه عملكرد و حفاظت هزينه بر است .)درصد خاموشي هاي ناشي از نيروگاه هاي آبي بسيار كم بوده و بنابراين قابليت اطمينان بالايي دارند. سيل توسط ذخيره سازي درياچه اي كه پشت سد در نظر گرفته شده، كنترل مي شود. تغيير پذيري بالا در ساخت و كنترل و … نيز ممكن است.

انتخاب مکان مناسب براي نيروگاه آبي

1. در دسترس بودن آب

2. ذخيره سازي آب

3. ميزان بالا بودن آب

4. مسافت از محل توليد توان تا مراكز استفاده بار

5. عملكرد سايت

فاكتورهاي محيطي ـ اجتماعي (در محل زندگي انسان هاي آن منطقه كمترين تاثير را داشته باشد، زير آب نرفتن زمين هاي حاصلخيز، زلزله خيز نبودن محيط و …)

طبقه بندي نيروگاه هاي آبي براساس خصوصيات هيدروليكي

نيروگاه هاي آبي قراردادي

نيروگاه هاي Pumped storage

نيروگاه هاي Tidal power(كِشنده توان)

نيروگاه هاي Depression power

طبقه بندي نيروگاه هاي آبي براساس عملكرد (Base or Peak)

:peak load plant معمولا هنگام صحبت در مورد توان هيدروليكي عملكرد peak load كامل مناسب است ، همچنين قابليت پرداختن به اين موضوع كه خودش starting سريع دارد و دارای سهولت نسبي در بالا بردن باراست .

: Base load plant توليد پيوسته توان وجود دارد.

(توربین های مختص نیروگاه آبی)

نوع impulse (ضربه اي):

در يك شكل فوران مانند، فشار، تمام انرژي را به انرژي جنبشي تبديل مي كند. فوران از رشته فرورفتگي هاي پروانه توربين به كار برده شده در پيرامون چرخ وارد مي شوند. علت تاثير، گردانه توربين آبي است كه چرخانده مي شود.

توربين

توربين يك سيستم مكانيكي است كه انرژي پتانسيل آب را به انرژي مانيكي تبديل مي كند. مقدار انرژي توليد شده به پارامترهايي از قبيل هد، دبي و مقدار تلفات نشتي بستگي دارد.

توربينهاي آبي، معمولا” به 3 دسته كلي پلتون، فرانسيس و كاپلان تقسيم مي‌گردند كه در هر نيروگاه متناسب با هد و دبي آب، توربين متناسب با آن، انتخاب مي‌گردد.در بسياري از نيروگاه هاي بزرگ و متوسط ايران از توربين نوع فرانسيس  عمودي استفاده شده است.

بطور مثال، توربين‎هاي نيروگاه كارون يك،دز،كارون 3 و كرخه، از نوع فرانسيس، عكس‎العملي و با محور عمودي مي‎باشند كه كاملاً در آب غوطه‎ور هستند. آب باعث ايجاد كوپل چرخشي در توربين مي‎شود.

هر توربين شامل اجزاء زير است :

محفظه حلزونـي(Spiral Case) 

حلقه ثابت(Stay ring) 

پره‎هاي تنظيم‎كننده جريان آب(Wicket gate) 

رانر (Runner)

درافت تيوب(Draft tube)

آب وارد محفظه حلزوني شده و پس از عبور از پره‎هاي ثابت و پره‎هاي ويكت گيت، با برخورد به  رانر، آن را به چرخش درآورده و سپس از طريق درافت تيوب و تونل پاياب (Tail race)خارج مي‎شود. بمنظور جدا كردن درافت تيوب از آب پاياب، در مواقع لازم (براي تخليه آب درافت تيوب)، در بعضي از طرح ها، از استاپ لاگ (دريچه) (Stop-Log) در انتهاي درفت تيوپ استفاده مي‌شود. دبي آب توربين توسط باز و بسته شدن پره‎هاي ويكت گيت‎ كنترل مي‎شود. گاورنر(Governor) از اين طريق(با تغيير باز شدگي دريچه‌هاي ويكت گيت)، قدرت خروجي و سرعت توربيـن را كنترل مي‎كند. در بالا دست محفظه حلزوني، شيرپروانه‎اي(Butterfly Valve) قرار دارد كه در مواقع عادي و اضطـراري براي توقـف جريان آب از آن استفاده مي‎گردد. بايد توجه كرد كه شيرپروانه‌اي براي كنترل دبي آب استفاده نمي‌شود و همواره يا كاملا” باز است و يا كاملا” بسته.

كنترل دور توربين آبي

تنظيم كننده ها به منظور تنظيم سرعت وخروجي توربين ژنراتور طراحي مي گردنند اين كار را با تنظيم نمودن دريچه هاي حلقه اي و تنظيم جريان اب از توربين انجام مي دهند تنظيم كننده توربين كاپلان زاويه تيغه توربين را براي بيشترين ضريب راندمان تنظيم مي كند تنظيم كننده واحد هاي بزرگ داراي عناصر حساس به توان و سرعت هستند تنظيم كننده هاي تغيرات بار را احساس كرده و به منظور حفظ توازن دريجه  سد را حركت مي دهند اگر توربين ژنراتور كوچك در مقايسه با نيروگاه كوجك باشند با تغيير موقعيت دريجه و پره ها ي توربين مي توان كنترل هاي لازم را انجام داد.

اگر بار سيستم افزايش يابد ديگر ژنراتور قادر به تامين بار با جريان ورودي نخواهد بود سرعت سنج ژنراتور كه بر روي محور ان نصب شده پيغامي به سنسور سرعت توربين مبني بر اينكه سرعت چرخش كم است  مي فرستد  با در يافت اين پيغام سيستم به منظور افزايش سرعت  جريان ورودي به توربين را به صورت خودكار افزايش خواهد داد  با دريجه باز تر اب بيشتري به توربين خواهد رسيد و ارد مي شود و انژي بيشتري توليد خواهد شود زماني كه بار كاهش پيدا مي كند فرايند منجر به بسته شدن دريچه حلقه خواهد شد بدين ترتيب جريان ورودي كاهش مي يابد.

اكثر ژنراتور ها به شبكه سراسري متصل هستند و چون تنظيم كننده ان ها به تغييرات بار حساس است بايد بين تمام ژنراتور ها انطباق زماني وجود داشته باشد  تا اصلاح بار به يك ژنراتور فشار وارد نكند  و تمام ژنراتور ها در اصلاح بار نقش داشته باشند اين عمل را كنترل اتوماتيك ژنراتور يا AGC  مي نامند در سيستم هاي مجزا تنظيم كننده ها به تنهاي تقييرات بار را انجام مي دهند در شبكه هاي بزرگ دامنه نواسانات خيلي زياد است.

معمولا حساسيت تنظيم كننده هاي ميكانيكي خيلي پايين در اين حالت كنترل تنظيم كننده ها روي اصلاح بار خيلي پايين مي باشد در اين حالت تجهيزات كنترل اتوماتيك كه سيستم را پيوسته پالايش مي كنند  بكار گرفته مي شونداين وسايل بايد يك سيستم پايدار ايجاد كنند.