قبل 200 سنة حين كان اعتماد العالم الكلي على البطارية في توليد الكهرباء، وأخذ فارادي يبحث عن طريقة تمكنه من توليد تيار كهربائي من مصدر آخر مستمر وبجهد أقوى _ولأنه ومن المتعارف عليه أنه بمرور تيار كهربائي عبر سلك دوار سيولد مجال مغناطيسي _ فَفهِم العلاقة بين المجال المغناطيسي والتيار الكهربائي بعد التحليل والاختبار المطول أنه بالتغيير المستمر للمجال المغناطيسي نحصل على تيار كهربائي أي أننا بذلك نحدث جهد أي حث الالكترونات على التدفق، وهو المبدأ الرئيسي لعمل مولدات الكهرباء و أضف إليه المحولات و المحركات الكهربائية عزيزي القارئ.
تعددت أنواع مولدات الكهرباء ولكن معظمها يستند إلى اكتشاف العالم مايكل فارادي في عام 1831 م، والذي يرتكز على مبدأ الحث المغناطيسي وهو تحريض القوة الدافعة الكهربائية _الجهد_ في وسط أو جسم قريب بسبب وجود مجال مغناطيسي متغير.
تستخدم المولدات الكهرومغناطيسية مغناطيساً كهربائياً تنتجه الكهرباء وليس مغناطيساً تقليدياً، يحتوي المولد الكهرومغناطيسي الأساسي على سلسلة من الملفات المعزولة من الأسلاك التي تشكل أسطوانة ثابتة تسمى الجزء الثابت تحيط بعمود كهرومغناطيسي يسمى بالجزء الدوار، يؤدي تحريك الجزء الدوار إلى تدفق تيار كهربائي في كل قسم من أجزاء الملف السلكي والذي يصبح موصلًا كهربائياً منفصلاً، وتتحد التيارات في الأقسام الفردية لتشكل تيارًا كبيرًا واحدًا وهذا التيار هو الكهرباء الذي ينتقل من المولدات عبر خطوط الكهرباء إلى المستهلكين.
من أكثر أنواع المولدات المستخدمة هي المولدات الكهرومغناطيسية التي يقودها المحرك الرئيسي الحركي الميكانيكي، يتمثل المحرك الرئيسي بالتوربينات وهي وحدة متصلة بالمولد الكهربائي عبر العمود الدوار مصممة بحيث تستغل الطاقة الحركية للمواد من بخار ،و ماء، ورياح، والغازات الناتجة عن احتراق الوقود في تحريك الشفرات التي تحرك به المولد الكهربائي عبر العمود الدوار، وفي هذا المقال سأعرض أهم التوربينات المستخدمة حول العالم وكفاءة كل منها:
التوربينات البخارية:
تستخدم لتوليد غالبية الكهرباء في العالم و تحتوي على غلاية يتم فيها حرق الوقود لغلي الماء وتوليد البخار الفائق الحرارة _أو البخار الجاف_ وهو البخار الذي يتعرض لدرجة تسخين أعلى من درجة غليان الماء 100 درجة مئوية في عملية تسمى بتجفيف البخار، تكمن أهمية بل ضرورة تجفيف البخار في الحصول على قوة دفع أعلى للتوربينات بالإضافة للحفاظ على التوربينات من التلف والتآكل، و تتسبب حركة البخار الذي يتعرض للتوربينات في دفعها ليحرك بذلك المولد ثم يعود البخار الذي فقد جزءاً من طاقته أي ضغطه إلى غرفة المتكثف وهناك يسري عبر أنبوب من الماء البارد القادم من برج التبريد أو برج التهوية ليتكثف جزئيا ويفقد أيضا جزءاً كبيراً من درجة حرارته ليساق بعدها إلى وعاء الماء وتبدأ عملية غليانه من جديد.
يستخدم الفحم وجميع أنواع الوقود الأحفوري لتوليد الحرارة اللازمة لغليان الماء في المولد البخاري، بالإضافة إلى الوقود الحيوي والتفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة هي الأخرى تعد أحد أنواع الوقود المستخدم في توليد البخار عبر قضبان الوقود في المفاعلات النووية، وأيضا طاقة المياه الجوفية وحرارة الشمس.
قد تصل كفاءة توربينات البخار إلى 38 بالمئة، والمقصود هنا أن الطاقة المنتجة إلى الطاقة المستهلكة الكلية في تشغيل التوربين أو بمعنى آخر الطاقة المستخرجة من مصدر الطاقة، و السبب في هذه النسبة يكمن أنه بعودة الماء من المتكثف فإنه يفقد جزء كبير من درجة حرارته وبذلك يحتاج إلى وقود أكثر لتوليد البخار فائق السخونة، لذلك لجأت بعض الشركات المتخصصة في تصنيع التوربينات إلى إضافة التسخين التجددي عبر وحدة تسمى المقتصد وهي بتمرير البخار المتكثف عبر منفذ الغازات الناتجة عن الاحتراق والتي لها سخونه كافية بأن تقلل من الفرق بين درجة حرارة الماء العائد للغلاية و درجة حرارة الماء في الغلاية، مما ساهم في تحسين الكفاءة لتصل إلى 42 بالمئة.
توربينات الغاز:
تماما كمحرك الطائرة، حيث يتسرب الهواء عبر المراوح التي تمتصه إلى داخل وحدة أصغر فأصغر في الحجم ليرتفع بذلك حرارته وضغطه وفقا لقانون الغاز ثم ينفث الغاز الطبيعي ويحترق محدثا تمدد هائل للهواء أشبه بالانفجار محركا في طريقه التوربينات، وفي حالة الطائرات فإنه يستخدم كيروسين.
إلا أن كفاءته تعد أقل عن توربينات البخار بحيث أعلى قيمة قد يصل لها هي 35 % لتواجد الضغاط الذي يستهلك قرابة 65 % من الطاقة الناتجة الإجمالية و بالذات في الدول الحارة أو شديدة الرطوبة، لأن خفة كتلة الهواء الساخن تتطلب استهلاك طاقة أكبر من الضغاط لضغط نفس وزن الهواء البارد، فا نجد أن بعض الشركات المصنعة تتجه لتبريد الهواء أولا قبل دخوله إلى المروحه ليرفع الكفاءة ب 4 %، إلا أنه يتوقع إزدياد في الطلب على للتوربينات الغازية ب 60 % بحسب موقع تيربو ماشينري خلال سبع سنوات خاصة في أمريكا الشمالية تليها أوروبا.
بعض المحطات الكهربائية قد تدمج بين توربينات البخار وتوربينات الغاز من خلال تصميم يدعى الدورة المركبة للتوربينة الغازية، وبها يمر الغاز الناتج عن الاحتراق عبر الغلاية لإنتاج البخار لتوليد توربين آخر متصل بمولد آخر في سبيلهم لاستخلاص أكبر قدر ممكن من الطاقة الحرارية الناتجة عن حرق الوقود فنحصل على كفاءة كلية تصل إلي 54% وأكثر.
توربينات الرياح:
تستغل طاقة الرياح في تحريك التوربينات _مراوح تدور حول محور أفقي أو عمودي_ وهي مسؤولة عن توليد 5.3 من الكهرباء في العالم، قد تصل كفاءتها إلى 100 بالمئة ولكنها مصممة خصيصا لعدم تجاوز حد بيتز وهو 59.3 بالمئة؛ لأنه عند تحويل حركة الرياح بأكملها إلى توربين حينها لن يتبقى ريح ليحرك التوربين فيتوقف.
توربينات المائية:
وأشهرها بل وأكثرها كفاءة هو توربينات السدود، وهو بمرور قوة الماء التي يدفعه وزن الماء القادم من مكان مرتفع ليحرك التوربينات بكفاءة قد تصل إلى 90%.
لمعلومات أكثر عن الموضوع:
