مقدمه نيروگاه‌هاي برق آبي كوچك معمولاً به گونه‌اي در نظر گرفته مي‌شوند كه كمترين مقدار عمليات نصب در سايت را به همراه داشته باشند. در اين نوع نيروگاه‌ها سعي برآن است كه از كارهاي زمان‌بر و با پيشرفت كند، مثل واحدهاي با قطر زياد كه استاتورهاي 2 یا چندتكه دارند و نياز به مونتاژ نهايي در سايت دارند ،پرهيز شود. کاربرد نيروگاه‌هاي برق آبي كوچك: زمانی نصب نيروگاه‌هاي برق آبي کوچک در نظر گرفته مي‌شوند که کارهاي ساختماني مورد نياز و نيز هزينه‌هاي انجام آن‌ها حداقل باشد. به‌طور مثال: نصب نیروگاه در محل سدهای موجود نصب نیروگاه در محل خطوط لوله نصب نیروگاه در محل کانال‌ها ایده نیروگاه‌های کوچک در مواردی استفاده می شود که جریان آب یا سایر مایعات دیگر مانند خروجی فاضلاب یا جریان آب شور و ... وجود داشته باشد و ارتفاع (هد) مناسبی هم موجود باشد. واحدها ممکن است بسته به شرایط فیزیکی سایت، شفت‌هایی به صورت عمودی، افقی و یا مورب داشته باشند. در حالت کلی تفاوتی بین تجهیزات کنترلی واحدها باشفت افقی و عمودی وجود ندارد. تجهیزات مورد نیاز کاملاً به شرایط کاری پروژه مورد نظر بستگی دارند. طبقه بندي نيروگاه هاي برق آبي از نظر ظرفيت: معمولاٌ نيروگاه‌هاي برق آبي را بر حسب ظرفيتشان به دسته‌هاي ميكرو (Micro)، ميني(Mini)، كوچك(Small) و بزرگ تقسيم بندي مي كنند هر چند در اين زمينه توافق كلي وجود ندارد اما محدوده هاي ذكر شده در اين مورد به يكديگر نزديك مي‌باشند كه چند نمونه را به اختصار ذكر مي‌كنيم: 2-1- بر اساس استاندارد IEEE [1] : الف- نيروگاه‌هاي برق آبي ميني يا ميكرو (Mini / Micro hydro electric power plant ) واحدهاي ميني يا ميکرو به واحدهاي با خروجي توان كمتر از kw 100 گفته مي‌شود. ب-نيروگاه‌هاي برق آبي كوچك( Small hydro electric power plant ) واحدهاي کوچک(small) به واحدهاي با خروجي كمتر از 5MW گفته مي‌شود. ۲-2-بر اساس دسته‌بندی شرکت RET SCREEN [2] در کانادا: در ایالت انتاريوی کانادا " نيروگاه كوچك(small)" به ظرفيت‌هاي زير 20 مگاوات گفته مي‌شود،در ایالت کبک کانادا، 25 مگاوات به عنوان حد بالای نیروگاه کوچک در نظر می‌گیرند و ظرفيت 10 مگاوات، ظرفيت متداول اين محدوده است. در برخي موارد ظرفيت‌هاي بين 100 كيلووات تا 1 مگاوات را در دسته " ميني هيدرو" و ظرفيت‌هاي زير 100 كيلووات را دردسته " ميكرو هيدرو" تقسيم بندي مي نمايند. همچنين در ملاحظات ارايه شده از طرف اين شركت، قطر توربين هم به عنوان يك عامل در دسته‌بندي نيروگاه‌هاي برق آبي درنظر گرفته شده است. ۳-2-مرجع شماره 3 محدوده هاي زير را بيان نموده است[3]: كشور Micro (KW) Mini (KW) Small (MW) امريكا <100 kw 100-1000 kw 1-30 MW چين ------------ <500kw .5-25 MW هند <100 kw 100-1000 kw 1-15 MW فرانسه 5-5000 kw ------------- -------------- ۴-تجهیزات: تجهيزات نيروگاه برق آبي كوچك را مي‌توان به دو دسته‌ی كلي تقسيم نمود: · تجهیزات اصلی(major) : مستقیماً در ارتباط با توزیع و انتقال توان هستند مانند: توربین ،ژنراتور ، سیستم تحریک ، سیستم کنترل بار و سرعت واحد(گاورنر) ، ترانس ها، تجهیزات پست و ... · تجهیزات کمکی(ancillary) : به تجهیزاتی گفته می‌شود که از عملکرد تجهیزات اصلی پشتیبانی می‌کنند. مثل تجهیزات کنترل واحد، سیستم‌های حفاظتی، سیستم مصرف داخلی و ... 4-1-انواع هيدرو ژنراتورهاي کوچک : در نيروگاه‌هاي برق آبي كوچك براي تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي از ژنراتور القايي(آسنکرون) يا ژنراتور سنكرون استفاده مي شود. غالباٌ ملاحظات اقتصادي در تعيين نوع ژنراتور نقش اساسي دارد.[1] ژنراتور سنکرون مهم‌ترين مزيت ژنراتورسنكرون اين است كه با كنترل مقدار جريان تحريك مي‌تواند بصورت پيش فاز يا پس‌فاز كار كند. مزيت ديگر ژنراتورهاي سنكرون در اين است كه مي توانند در حالت ايزوله از شبكه هم، ولتاژ و فركانس كاري خود را كنترل كنند. تحريك ژنراتورهاي سنكرون در واحدهايي كه ظرفيت‌هاي كم وسرعت‌هاي بالايي دارند به روش" بدون جاروبك" (Brushless) و در واحدهايي كه ظرفيت‌هاي بزرگ وسرعت‌هاي كمتري دارند با جاروبك و نيز استفاده از يكسو ساز (استاتیکی) تامين مي شود.[1] ژنراتور آسنکرون اصلي‌ترين دليل استفاده از ژنراتورهاي القايي در نيروگاه‌هاي برق آبي كوچك، هزينه‌ی سرمايه‌گذاري اندك اين نوع از ژنراتورهاست. اساساٌ عملكرد اين ژنراتور به تجهيز كنترلي خاصي نياز ندارد. اين نوع ژنراتورها بصورت ايزوله كار نمي‌كنند. به‌‌علاوه، به تجهيزات حفاظتي خاصي هم نياز ندارند زيرا ژنراتور القايي منبع تامين توان راكتيو مغناطيس‌كننده‌ی خود را در صورت بروز خطا در شبكه، از دست مي‌دهد. تنها وسيله‌ی ابزار دقيق مورد نياز، يك آمپرمتر است تا مقدار بار را اندازه گيري و دنبال كند. مقادير ولتاژ و فركانس از طرف شبكه به ژنراتور تحميل مي‌شوند. تواني كه ژنراتور به شبكه تحويل مي دهد به لغزش وابسته است و در صورت بروز خطا در شبكه هيچ‌گونه خود تحريكي امكان پذير نمي‌باشد. همچنين جريان مورد نياز ژنراتور براي مغناطيس‌كردن ماشين به‌خاطر طبيعت غيرخطي منحني مغناطيسي، هارمونيك‌هاي بيشتري دارد. [5] از این نوع ژنراتورها به ندرت در نیروگاه‌های آبی استفاده می‌شود. انواع تجاري هيدرو توربين هاي کوچک[4] : توربين نيروگاه‌هاي آبي کوچک را مي توان از هرکدام از انواع توربين‌هاي تجاري انتخاب کرد. حتي مي توان از پمپ هم به‌جاي توربين استفاده کرد. در يك دسته‌بندي كلي، هيدروتوربين‌ها، به دو دسته توربين‌هاي عكس العملي و ضربه‌اي تقسيم مي‌شوند كه هر كدام از اين انواع، نمونه‌هاي تجاري مختلفي دارند كه ما در اين‌جا 10 نمونه‌ی متداول توربين به‌كار گرفته شده در نيروگاه‌هاي برق آبي كوچك را ذكر مي‌كنيم: 1. Inclined axis, very low head Kaplan gear turbine. 2. Horizontal axis bulb or pit Kaplan turbine. 3. Horizontal axis “S” type Kaplan turbine. 4. Vertical axis small Kaplan turbine with elbow draft tube. 5. Horizontal axis “S” type propeller turbine. 6. Horizontal axis pit type propeller turbines. 7. Horizontal axis Francis turbine. 8. Horizontal axis, double runner Francis turbine. 9. Vertical axis “Saxo” axial flow Kaplan turbine. 10. Horizontal axis, angled inlet, axial flow Kaplan turbine. محل كاربرد هیدروتوربین‌های کوچک: 1. Inclined axis, very low head Kaplan gear turbine اين مدل توربين در محل‌هایي با زواياي شيب 15 تا 45 درجه نسبت به افق و در سايت‌هاي به‌كار مي روند که هد بسيار كمی با ارتفاع خالص بين 2 تا 8 متر دارند. اين توربين‌ها در محدوده‌ی توان‌هاي حداكثر تا 2.6MW به‌كار گرفته مي‌شوند. 2. Horizontal axis “S” type Kaplan turbine اين توربين‌ها در محدوده‌ی هدهاي از 5 متر تا 25 متر وهمچنين در محدوده‌ی توان‌هاي حداكثر تا12MW به‌كار گرفته مي شوند. 5. Horizontal axis “S” type propeller turbine. 6. Horizontal axis pit type propeller turbines. از مدل‌هاي 5 و 6 كه در فهرست بالا آورده شده‌اند به‌خاطر مشخصه‌ی بسيار حساس راندمان اين توربين‌ها نسبت به تغييرات هد و فلو به ندرت استفاده مي‌شود و اين توربين‌ها تنها در سايتهايي به‌كار گرفته مي‌شوند كه كمترين تغيير در ميزان هد و فلوي آب را دارند. 7. Unit #7. Horizontal axis Francis turbine اين توربين‌ها عمدتاٌ با رانرهايي با قطر كمتر از 1.8 متر بكار مي روند. براي به‌كارگيري اين توربين‌ها به هد خالص بين 20 تا 100 متر نياز دارند و در محدوده‌ی تواني حداكثر تا 12MW به‌كار گرفته مي‌شوند. در بيشتر كاربردهايي كه از اين نوع توربين استفاده شده است، توان خروجي كمتر از 5MW بوده است. 8. Unit #8. Horizontal axis, double runner Francis turbine در برخي از سايت‌ها كه هد نيروگاه براي نصب يك رانر بسیار كم است، براي افزايش سرعت رانر از اين نوع توربين استفاده مي شود. در بيشتر كاربردهاي به‌كار رفته، توان اين نوع توربين كمتر از 5MW بوده است . اصولاٌ اين نوع توربين در محدوده‌ی توان 1MW تا 15MW و ارتفاع يا هدهاي 15 تا 100 متر به‌كار مي‌روند. 9. Unit #9. Vertical axis “Saxo” axial flow Kaplan turbine تا كنون تعداد بسیار كمي از اين نمونه توربين ساخته شده‌اند. در اين نمونه توربين، با افزايش ميزان فلو، راندمان توربين افت مي كند كه در نتيجه باید از رانری با قطر بزرگ‌تر در اين موارد استفاده شود. اين مدل توربين در محل‌هایي با زواياي شيب 15 تا 45 درجه نسبت به افق و در سايت‌هاي به‌كار مي روند که هد بسيار كمی با ارتفاع خالص بين 2 تا 8 متر دارند. اين توربين‌ها در محدوده‌ی توان‌هاي حداكثر تا 2.6MW به‌كار گرفته مي‌شوند. توربین کاپلان S- type با محور افقی این توربین‌ها معمول‌ترین توربین با هد پایین هستند که در نیروگاه‌های برق آبی کوچک استفاده می‌شوند که توسط بسیاری از سازندگان به‌صورت از پیش طراحی شده‌ای، ساخته می‌شوند. قطر این توربین‌ها از 1 متر تا 4 متر ساخته می‌شود و در محدوده‌ی هدهاي از 5 متر تا 25 متر و همچنين در محدوده‌ی توان‌هاي حداكثر تا12MW به‌كار گرفته مي شوند. <IMG width=503 border=0> نیروگاه های برق آبی کوچک - قسمت هشتم در این شکل، ژنراتور در یک حباب تخم‌مرغی(بالب) و یا یک Pit و در مسیر آب بالادست قرار می‌گیرد. نصب به صورت Pit، همان حالت بالب است که قسمت بالای آن باز شده باشد و امکان دسترسی به ژنراتور را ساده‌تر می‌سازد. به این دلیل برای حفظ اندازه‌ی ژنراتور، نیاز به گیربکسی است که سرعت ژنراتور را بین 600 تا 1000 rpm افزایش دهد. اگر دور رانر توربین، بیش از 275 rpm باشد، نیازی به گیربکس نیست. این حالت را در شکل می‌توان دید. پایین‌دست بالب یا pit ، تجهیزاتی مانند پره‌های ثابت، پره‌های متحرک(ویکت گیت)، رانر کاپلان و در نهایت یک درفت تیوب مخروطی وجود دارد. همان‌طور که گفتیم، برای تعمیرات، دستیابی راحتی به اطراف توربین وجود دارد. بنابراین مانند همه‌ی واحدهای با شفت افقی، بدون درآوردن ژنراتور، می‌توان رانر را برای تعمیرات بیرون آورد. واحدهای بالب فقط در قطرهای زیاد وجود دارند و با توجه به مشکل " دسترسی محدود" به بالب، باید تا حد ممکن، کمتر استفاده شوند. واحدهای pit type از این جهت، مطلوب‌ترند. Turbine selection for small low-head hydro developments. By: J. L. Gordon, P. Eng - Hydropower consultant توربین کاپلان با محور عمودی و درفت تیوب زانویی چینش‌های متفاوتی برای واحدهای کوچک کاپلان با محور عمودی وجود دارد. معمولاً از رانرهایی استفاده می‌کنند که نسبت به سطح آب پایین دست در ارتفاع بالاتری قرار می‌گیرند. بنابراین نیازی به دریچه ای برای درافت تیوب وجود ندارد (شکل زیر را ببینید). <IMG width=535 border=0> محل نیروگاه، شکلی نیمه کروی دارد. همان طور که در شکل دیده می‌شود، برای دسترسی به هدکاور توربین، فضای کمی وجود دارد. این مساله، محدودیت اساسی را در این چینش نشان می‌دهد. بنابراین از روی احتیاط، ارتفاع ژنراتور و شفت توربین را بیشتر می گیرند تا فضای کافی برای تعمیرات به‌وجود آید. بنابراین بیرون آوردن توربین، نیازمند بیرون آوردن ژنراتور و همچنین افزایش‌دهنده‌ی سرعت خواهد بود که سبب افزایش هزینه‌ها خواهد شد. بنابراین اولویت با چینش هایی با شفت افقی خواهد بود که از واحدهای S شکل استفاده می‌کنند. ولی در هر صورت، نحوه‌ی نصب به آسانی مشابه شکل زیر خواهد بود.
