الطاقة الكهربائية
الطاقة الكهربائية هي أحد
أنواع الطاقة الموجودة
في الطبيعة، يمكن
الحصول على الطاقة الكهربائية من الطبيعة عن طريق الصواعق والاحتكاك ولكن هذا صعب وغير
مجدٍ اقتصادياً. ولكن يمكن توليد الطاقة الكهربائية بعدة طرق أخرى منها الكيميائية
مثل البطاريات أو عن
طريق تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وذلك بتحريك سلك موصل في مجال
مغناطيسي كما في المولدات الكهربائية أو بتسخين مزدوج حراري كما في المزدوجة
الحرارية.
-في البطاريات تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمر.
-في المولدات الكهربائية تكون الكهرباء المولدة في الغالب
ذات تيار متناوب ويمكن ان تكون الكهرباء ذات تيار مستمر.
الطاقة الكهربائية هي إحدى الصور المهمة للطاقات التي
تستخدم في شتى المجالات والتي لا غنى عنها في حياتنا اليومية في الاستخدامات
المنزلية كالإنارة والتدفئة وتشغيل الأجهزة الكهربائية المنزلية وكافة المجالات
الأخرى مثل الصناعة والاتصالات والمجالات العلمية.
عموما يتم توليد الكهرباء بمحطات كبيرة تصل طاقاتها إلى
آلاف الميجاوات بجهد منخفض 11000 فولت ذو تيار متردد 50 هرتز أو 60 هرتز.تكون
محطات توليد الكهرباء قرب مصادر الطاقة الأساسية على الأكثر وربما بعيدا عن أماكن
الحاجة الفعلية لها, حيت يتم تحويل الجهد الكهربائي بواسطة محولات كهربائية إلى
جهد عالي 33 كيلوفولت أو 132 كيلوفولت أو 220 كيلو فولت او400 كيلو فولت تهيئة
لنقلها من منطقة التوليد إلى منطقة الحاجة لها بواسطة أبراج كبيرة تعلق عليها
الأسلاك التي تمرر التيار الكهربائي. حيث يتم قرب المواقع التي يحتاج فيها للطاقة
الكهربائية إلى جهد منخفض 400 فولت أو 220 فولت أو 110 فولت بواسطة محولات
كهربائية أخرى.
أنواع محطات الطاقة
·
محطات طاقة حرارية
المحطة الحرارية هي محطة توليد طاقة كهربائية تعمل باندفاع
البخار، فالمحطة الحرارية تعمل على تسخين المياه وتحويله إلى بخار مضغوط. ويُوجَّهُ
ذلك البخار في ضغط عالي إلى تدوير توربين بخاري ويكون ذلك التوربين موصولًا بمولد كهربي،
أو تقوم بأي شغل ميكانيكي آخر كتحريكِ السفنِ مثلًا. بعد أن يخرج البخار من التوربين
يتم تكثيفه في مكثف حراري ويعاد تدويره مرة أخرى إلى الغلاية البخارية لتسخينه من جديد،
وتسمى هذه الدورة بدورة رانكن.
تُستغلُّ الحرارة لتوليد طاقة حركية بواسطةِ آلةٍ تدور، وتتصل
تلك الآلة بمولد كهربائي، فهذه العملية هي عملية تحويل للطاقة .
معظم المحطات الحرارية هي محطات بخارية لإنتاج الطاقة الكهربائية.
ولكن توجد أيضًا أشكال أخرى للآلات البخارية المختلفة عن التوربين البخاري مثل الآلة
البخارية القديمة، أو آلاتٍ لا تحتاجُ إلى الماء أو البخار مثل محرك الديزل أو المحرك
الغازي أو محطات توليد غازية. العامل المشترك في المحطات الحرارية المختلفة هي الدورات
الترموديناميكية لمادة التشغيل والتي تكون مغلقة في المحطات الحرارية البخارية، ومفتوحة
في محطات التوليد الغازية.
·
محطات طاقة مائية
لقد تم استغلال طاقة المياه لقرون طويلة. ففي امبراطورية
روما، كانت الطاقة المائية تستخدم في مطاحن الدقيق وإنتاج الحبوب، كما في الصين وبقية
بلدان الشرق الاقصى، وتستخدم حركة الماء الهيدروليكية على تحريك عجلة لضخ المياه في
قنوات الري وهو ما يعرف ب النواعير.
وفي الثلاثينات من القرن الثامن عشر، في ذروة بناء القناة
المائية استخدمت المياه للنقل الشاقولي صعودا ونزولا عبر التلال باستخدام السكك الحديدية.
كان نقل الطاقة الميكانيكية مباشرة يتطلب وجود الصناعات التي
تستخدم الطاقة المائية قرب شلال. وخاصة خلال النصف الأخير من القرن التاسع عشر، واليوم
يعتبر أهم استخدامات الطاقة المائية هو توليد الطاقة الكهربائية، مما يوفر الطاقة المنخفضة
التكلفة حتى لو استخدمت في الأماكن البعيدة من المجرى المائي.
·
محطات طاقة شمسية
محطات الطاقة الشمسية تمثل التقنيات الحرارية الركيزة الأساسية
الحالية لإنتاج الكهرباء. هذا الوضع هو نتيجة لخصائص متميزة لمنظومة الإنتاج الحراري.
وقد عمل الباحثون على تطوير مكونات المنظومة للتمكن من استعمال المصادرالطاقية المتجددة(Renewable energy sources). في هذه الموضوع
نقدم نظرة عن تطور التقنيات الحرارية الشمسية(Thermal Solar Energy
Techniques) لإنتاج الكهرباء:
·
محطات طاقة الرياح
طاقة الرياح، هي طاقة مستخرجة من الرياح باستخدام توربينات
الرياح لإنتاج الطاقة الكهربائية، وطواحين الهواء من أجل الطاقة الميكانيكية، ومضخات
الرياح لضخ المياه، أو لدفع أشرعة السفن. تعد طاقة الرياح بديل للوقود الأحفوري، وهي
طاقة وفيرة وقابلة للتجدد، وتوجد على نطاق واسع، بجانب أنها طاقة نظيفة لا ينتج عنها
انبعاثات غازات الاحتباس الحراري أثناء التشغيل وتستخدم مساحات قليلة من الأراضي. وأثرها على البيئة عادة ما يكون أقل إشكالية من مصادر الطاقة الأخرى.
تتألف مزارع الرياح الكبيرة من المئات من توربينات الرياح
الفردية التي ترتبط بشبكة لنقل الطاقة الكهربائية. طاقة الرياح البرية مصدر غير مكلف
وتنافسي؛ فهو أرخص من محطات الفحم أو الغاز أو الوقود الأحفوري. أما الرياح البحرية
فهي الأكثر ثباتاً وأشد من الرياح البرية، ولكن مزارع الرياح البحرية لها تكاليف بناء
وصيانة مرتفعة عن المزارع العادية. ويمكن لمزارع الرياح البرية صغيرة أن توفر الكهرباء
لمواقع معزولة خارج نطاق الشبكة الكهربائية
بحسب إحصاءات عام 2013، فإن الدنمارك هي أكثر دول العالم
استخداماً لطاقة الرياح، فهي تولد أكثر من ثلث احتياجاتها من الكهرباء من الرياح. كذلك
83 بلداً في جميع أنحاء العالم تستخدم طاقة الرياح لتعزيز شبكات الكهرباء لديها. قدرة
طاقة الرياح توسعت بسرعة إلى 336 غيغاوات في يونيو 2014، لذلك إنتاج طاقة الرياح سجل
حوالي 4% من إجمالي استهلاك الكهرباء في جميع أنحاء العالم، وهذه النسبة في زيادة مستمرة.
·
محطات طاقة امواج البحر
الطاقة البحرية أو القوى البحرية ( وتسمى في بعض الأحيان
طاقة المحيط أو قوة المحيط أو الطاقة الحركية للمحيط ) هي الطاقة المتولدة من موجات
المحيط أو من ظاهرة المد والجزر أو من ملوحة المياة أو من إختلاف درجات حرارة المياة
. فنتيجة لحركة المياة في محيطات العالم يتم توليد مقدارا هائلا من الطاقة الحركية
والتي يمكن إستخدامها لتوليد الكهرباء المستخدمة إما في المنازل , وسائل النقل , المصانع
.
·
محطات نووية
المحطة النووية هي موقع صناعي لإنتاج الحرارة عبر الانشطار
النووي للأنوية الذرية وذلك لاستعمالها لإنتاج الكهرباء وهذا الاستعمال هو الرئيسي
في مجال استخدام الطاقة النووية المدنية. تتكون المحطة النووية من أحد أو عدة مفاعلات
نووية التي تتراوح قوتها من بضع إلى آلاف الميغاوات (1500 ميغاوات في بعض المفاعلات
[1]). في 2009 قدرت عدد المفاعلات المنتجة للطاقة 439 في 31 بلداً منتجة ما يقارب ال
14% من الطاقة الكهربائية في العالم.
اخطار استعمال الطاقة الكهربائية
مخاطر على الحياة :
يتسبب مرور التيار الكهربائي في جسم الإنسان في إحداث آثار تتوقف خطورتها على
مسار التيار المصاب وشدته والمدة التي يبقى خلالها المصاب تحت تأثير التيار ،
وينشأ عن ذلك حروق بسيطة وقد يتسبب مرور التيار في إحداث شلل موضعي أو الوفاة .
وللتيار الكهربائي آثار حرارية هي التي تسبب الحروق وآثار كيميائية هي التي
تتسبب في تحليل الدم والخلايا العصبية .
مخاطر على الممتلكات :
عند حدوث قصر في الدائرة بين الأسلاك أو الكابلات الكهربائية نتيجة لإنهيار
العازل بينها لأي سبب كأن تكون مقاطع الأسلاك أو الكابلات غير مناسبة لقيمة التيار
المار فيها أي أن هذه المقاطع أقل من المسموح به فإنه ينتج عن مرور التيار إرتفاع
في درجة حرارة الأسلاك أو الكابلات ويستمر الإرتفاع إلى أن يصل إلى درجة إشتعال
المواد المحيطة بها وإحتراقها وقد تسقط على المواد مجاورة قابلة للاشتعال مما يؤدي
إلى نشوب الحرائق وإحداث خسائر مادية كبيرة إذا لم يتم تداركها وإخمادها في الحال .
مخاطر على الأجهزة والأدوات
والآلات الكهربائية :
يتسبب سوء الاستخدام كزيادة الحمل على الآلات الكهربائية مثل المولدات
والمحولات وخاصة عند وجود أجهزة وقاية مناسبة لها ، وكذلك إهمال إجراء أعمال
الصيانة الدورية اللازمة لهذه الأجهزة من تنظيف وتغيير الزيوت والتشحيم وخلافه أو
عدم ملاءمة الأجهزة للظروف الجوية المحيطة مثل ارتفاع درجات الحرارة والرطوبة
وتعرضها للأتربة والغبار في إحداث تلف أو احتراق لهذه الأجهزة
.
الطاقة الشمسية
تتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل
عام بأنها إما أن تكون نظم طاقة شمسية
سلبية أو نظم طاقة شمسية
إيجابية وفقًا
للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها.وتشمل التقنيات التي
تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمجمع الحراري
الشمسي، مع المعدات الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس
إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة.هذا، في حين تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال
الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة
أو خصائص تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة طبيعية.
توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية
يمكن تحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء باستخدام
محولات فولتوضوئية (PV) وعملية تركيز الطاقة الشمسية (CSP) والعديد من الأساليب التجريبية
الأخرى. وتُستخدم المحولات الفولتوضوئية بشكل أساسي لإمداد الأجهزة الصغيرة
والمتوسطة بالكهرباء، بدءًا من الآلة الحاسبة التي يتم تشغيلها بواسطة خلية
شمسية واحدة إلى المنازل التي لا تحتوي على شبكة كهرباء والتي يتم إمدادها
بالكهرباء بواسطةمجموعة من الخلايا الفولتوضوئية. وكان يتم توليد الكهرباء على نطاق واسع بواسطة محطات تركيز
الأشعة الشمسية، ولكن الآن أصبحت محطات المصفوفات الضوئية الجهدية التي تنتج كمية كبيرة من
الكهرباء مثل نظم توليد الطاقة الشمسية أكثر شيوعًا. وفي عام 20077
أصبحت محطة الطاقة التي تنتج الكهرباء بقدرة 14 ميجاواط الموجودة في كلارك كاونتي في نيفادا، وكذلك المحطة التي تعمل بقدرة
20 ميجاواط في بينيكساما في إسبانيا أوضح سمتين على الاتجاه نحو
إنشاء محطات طاقة شمسية جهدية عملاقة في الولايات المتحدةوأوروبا.
وكمصدر طاقة متجدد، تتطلب الطاقة الشمسية مصدرا داعما،
والذي يمكن أن يتمثل في طاقة ريحية بشكل جزئي. ويتم عادةً الحصول
على هذا الدعم من البطاريات، ولكن الأجهزة عادةً ما تستخدم طاقة كهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ.
ويقوم معهد تكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية في جامعة كاسل باختبار محطة طاقة افتراضية
متصلة بنظام لتخزين الطاقة، حيث يمكن توليد الطاقة من الطاقة
الشمسية أو طاقة الرياحأو الغاز العضوي والطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ،
لتوفير طاقة كافية للاستخدام بشكل مستمر؛ بحيث يعتمد المشروع على مصادر متجددة فقط.