طاقة كهربائية

الطاقة الكهربائية هي احد انواع الطاقة الموجودة في الطبيعة. يمكن الحصول على الكهرباء وتطويعها من الطبيعة عن طريق الصواعق و الاحتكاك وهذا صعب وغير مجدي. ولكن يمكن توليد الكهرباء بعدة طرق منها الكيمياوية عن طريق التفاعل الكيمياوي في البطاريات او عن طريق تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وذلك عند تحرك سلك موصل في مجال مغناطيسي كما في المولدات الكهربائية او بتسخين مزدوج حراري كما في المولدات الحرارية.

-في البطاريات تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمر.

-في المولدات الكهربائية يمكن ان تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمر او تيار متناوب حسب نوع المولدة المستخدمة.

-في حالة تسخين للمزدوج الحراري تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمر.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تاريخ

اكتشفت الكهرباء الساكنة (البرق) من قبل العالم فرانكلين Franklin بوساطة طائرته الورقية المربوطة بحبل معدني، وبعد ذلك استطاع العالم الإيطالي فولتا Volta عام 1798 إنتاج الكهرباء كيمياوياً بوساطة وعائه المشهور (وعاء فولطا) المؤلف من وعاء زجاجي يحوي قضيبين معدنيين أحدهما من الحديد والآخر من النحاس ضمن محلول ملحي. ثم توالت الاكتشافات من قبل العالم الفرنسي أمبير Ampere الذي استطاع التمييز بين التوتر (العمل) والتيار، واكتشف العالم أوم Ohm عام 1827 العلاقة الأساسية المشهورة بين التوتر والتيار المعروفة بقانون أوم (U=R*I) حيث U تمثل التوتر وR تمثل المقاومة وI يمثل التيار، وتقاس بالأوم. بيّن فارادي Faraday تأثير الحقل الكهرومغنطيسي، وعبر ماكسويل Maxwell عن علاقات فارادي رياضياً، وهكذا توالت الاكتشافات.

تصنف المواد من وجهة نظر كهربائية تبعاً لتفاعلها مع التيار الكهربائي (مرور الشحنات الكهربائية) في:

أ ـ مواد ناقلة أو اختصاراً نواقل conductors، وهي المواد التي تبدي مقاومة بسيطة أو قليلة لمرور التيار الكهربائي فيها مثل المعادن.

ب ـ مواد عازلة أو عوازل insulators، وهي التي تبدي مقاومة عالية لمرور التيار الكهربائي فيها مثل الزجاج والبورسلان والمطاط وغيرها.

ج ـ أنصاف نواقل semiconductors، وهي التي تبدي مقاومة عالية جداً لمرور التيار الكهربائي في اتجاه، وتبدي مقاومة منخفضة لمروره في الاتجاه المعاكس، كمادة الجرمانيوم وغيرها. وتستخدم في بناء الترانزيستورات transistors وغيرها من تجهيزات أنصاف النواقل.

 استخدام الطاقة الكهربائية

يتم حاليا توليد الطاقة الكهربائية في محطات خاصة لتوليد الطاقة الكهربائية وهي على انواع :-

 طرق نمطية

-محطات حرارية لتوليد الطاقة الكهربائية, حيث يتم فيها تسخين الماء وتحويله إلى بخار يستخدم في تدوير عنفات توربينية بخارية (ذات سرع عالية) تدور بدورها مكائن لتوليد الكهرباء وهي بقدرات مختلفة.

-محطات مائية لتوليد الطاقة الكهربائية, حيث تستخدم الطاقة الكامنة في المجمعات المائية (الشلالات) في تدوير عنفات توربينية مائية (ذات سرع منخفضة) تدور بدورها مكائن لتوليد الكهرباء وهي بقدرات مختلفة.

-محطات توليد صغيرة نسبيا تدار بواسطة عنفات توربينية غازية أو مكان احتراق داخلي (ديزل)

الطاقة الكهربائية المولدة بالمحطات السابقة هي ذات تيار متغير على اغلب الاحوال ويتوجب استخدامها فورا ويصعب تخزينها.

 طرق غير نمطية

-محطات توليد الكهرباء بواسطة الطاقة الشمسية باستخدام اللوحات الشمسية الخلايا الشمسية (الكهرباء المولدة بهذه الطريقة هي ذات تيار مستمر) وطاقات محدودة نسبيا يتم تخزينها في بطاريات خاصة لحين الحاجة لها.

-محطات توليد الكهرباء بواسطة طاقة الرياح باستخدام طواحين هوائية كبيرة.

-محطات توليد الكهرباء بواسطة طاقة المد والجزر وطاقة موج البحر.

-محطات صغيرة لتوليد الكهرباء بأستخدام المولدات الحرارية

عموما يتم توليد الكهرباء بمحطات كبيرة تصل طاقاتها 1000 او2000 ميكا واط وبجهد (فولتية) 3300 فولت او 11000 فولت ذو تيارمتناوب 50 هرتز او 60 هرتز.

محولات الاستطاعة على شبكات التوتر العالي

 محطات توليد الكهرباء

تُولّد الطاقة الكهربائية بوساطة المولدات (المنوبات) generators ثلاثية الأطوار، تتألف عموماً من قسم ثابت stator يحوي من الداخل مجاري slots محفورة متوضعة على الثابت، وتتوضع في هذه المجاري ملفات (بحسب عدد الأطوار) تؤخذ الكهرباء عادة منها، وقسم دائر rotor محفور عليه مجارٍ تتوضع فيها ملفات التهييج (التحريض) التي توفر التغذية الكهربائية لها عادة عن طريق منبع تيار مستمر (كالمدخرات أو مولدات تيار مستمر)، ويتم تدوير القسم الدائر الملحوم والمثبت على المحور بوساطة محرك motor أو عنفة turbine تكون عادة متصلة ميكانيكياً مع القسم الدائر للمولد.

تسمى عادة المحطات الكهربائية electrical power stations تبعاً للمحرك أو العنفة المستعمل فيها، فيقال مثلاً محطة توليد بخارية steam، أو غازية gaz، أو مائية hydro وغيرها، وذلك في حال كانت العنفة تعمل بفعل البخار أو الغاز أو الماء على الترتيب [ر. محطات توليد الطاقة الكهربائية].

تُولد طاقة كهربائية بوساطة مولد على قيمة توتر التوليد في محطات التوليد (10.5 أو 11.3كيلو فولت) التي تتواجد أو تنشأ عادة بالقرب من أماكن وجود المصادر الأولية كالماء (كمحطة توليد سد الفرات) أو قرب مراكز الحمولاتloads (محطة وديان الربيع قرب مدينة دمشق)، ويُرفع التوتر إلى قيمة توتر النقل (في سورية 230كيلو فولط و400كيلو فولط) بوساطة محولات transformers رافعة للتوتر لنقل الطاقة الكهربائية عبر خطوط النقل الكهربائي الهوائية (أو كابلات أرضية) لمسافات كبيرة إلى أماكن تواجد المستهلكين، بهذه الطريقة يتم تخفيف الضياعات losses وتصغير مقطع النواقل التي ستنقل هذه الطاقة إلى المستهلكين. وعند الاقتراب من مراكز الاستهلاك (مدن، معامل) تُخفّض قيمة التوتر بمحولات استطاعة خافضة للتوتر ـ هناك عملياً عدة أنواع للمحولات مثل محولات للتوتر وللتيار وللتردد ـ تتبع عملياً سوية التوتر التي تعمل عليها هذه الشبكات ومقدار الاستطاعة المنقولة عبرها للاستطاعة المطلوبة من الأحمال والبعد الكهربائي لها ولمحددات الشبكة (معدن النواقل) وغيرها.

تقاس الطاقة الكهربائية بواحدة كيلو واط ساعي (اختصاراً «ك. و. س» Kwh) وهي كمية الاستطاعة power المقدرة بالكيلو واط المستهلكة في واحدة الزمن وهي هنا الساعة. وهناك مضاعفات لهذه الواحدة وهي ميغاواط ساعي Mwh وتساوي 1000كيلو واط ساعي والغيغا واط ساعي Gwh ويساوي 1000ميغا واط ساعي.

الطاقة الكهربائية هي كمية الاستطاعة المستهلكة (هناك استطاعة حقيقية P تقاس بالكيلو واط وردّية Q تقاس بالكيلوفولط أمبير ردّي والكلية S وتقاس بالكيلو فولط أمبير) وفي واحدة الزمن. تكون محطات توليد الكهرباء قرب مصادر الطاقة الاساسية على الاكثر وربما بعيدا عن اماكن الحاجة الفعلية لها, حيت يتم تحويل الجهد الكهربائي بواسطة محولات كهربائية إلى جهد عالي 33 كيلوفولت او 132 كيلوفولت او400 كيلو فولت تهيئة لنقلها من منطقة التوليد إلى منطقة الحاجة لها بواسطة ابراج كبيرة تعلق عليها الاسلاك التي تمرر التيار الكهربائي. حيث يتم قرب المواقع التي يحتاج فيها للطاقة الكهربائية إلى جهد واطئ 400 فولت او 220 فولت او 110 فولت بواسطة محولات كهربائية اخرى.

 توليد التيار الكهربائي

يمكن إنتاج التيار الكهربائي بخمس طرائق:

أ ـ الكهرباء الساكنة (جريان الشحنات الساكنة في المادة).

ب ـ التفاعل الكيمياوي.

ج ـ الكهرباء الحرارية.

د ـ بوساطة الحقل المغنطيسي.

هـ ـ الحيوانات المكهربة.

مزايا الطاقة الكهربائية وأنواعها

تمتاز الطاقة الكهربائية بأنها من الطاقات النظيفة والصديقة للبيئة مقارنة مع الطاقات الأخرى، وهي سهلة التحويل إلى طاقات أخرى، فمثلاً يمكن تحويلها إلى طاقة حرارية كما في المشعات والأفران الكهربائية، وإلى طاقة ميكانيكية في مختلف أنواع المحركات الكهربائية، وإلى طاقة ضوئية من خلال استخدام المصابيح الكهربائية على اختلافها، وإلى طاقة كيمياوية في أوعية التحليل الكهروكيمياوي. كما يمكن لبعض الطاقات الأخرى أن تتحول إلى طاقة كهربائية، كما هي الحال في مجموعة مولد ـ محرك؛ حيث بوساطة محرك يعمل على إحدى الطاقات المعروفة، كالديزل أو الماء، يمكن إدارة المولد المربوط معه على نفس محور الدوران مما يؤدي إلى إنتاج طاقة كهربائية.

 أمثلة وتطبيقات

يمكن استخدام الطاقة الكهربائية بأوعية التحليل الكهربائي في عمليات الترسيب والطلاء للمعادن، وفي أجهزة الطهو والتسخين الكهربائية المختلفة، وفي الإنارة بالمصابيح الكهربائية على اختلافها، وفي أغلب أنواع العدد والآلات والتجهيزات الدوارة والمتحركة بوساطة المحركات المختلفة الأنواع والاستطاعات والمتطلبات التي تتغذى بالطاقة الكهربائية. كما يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كهربائية بمواصفات تختلف عن الدخل كما هي الحال بمحولات الاستطاعة بالتوتر ومحولات التردد، وهي تستخدم في شتى مناحي الحياة وقطاعاتها كالزراعة والصناعة والتجارة والسكن والسياحة والخدمات وغيرها

 المصادر

الموسوعة العربية