كيفيه توليدالكهرباء ؟

تم اكتشاف المبادئ الأساسية لتوليد الكهرباء خلال العشرينات وأوائل الثلاثينات من القرن التاسع عشر من قبل العالم البريطاني مايكل فاراداي. ولا يزال منهجه الأساسي لتوليد الكهرباء يستخدم حتى اليوم: يتم توليد الكهرباء بواسطة تحريك مجموعة من الأسلاك، أو قرص من النحاس بين قطبي مغناطيس.

"توليد الكهرباء" هو أول مرحلة في عملية إيصال الكهرباء للمستهلكين، والتي تقوم بها عادة المرافق الكهربائية. وعادة ما يتم تنفيذ المراحل أخرى لتلك العملية، مثل نقل وتوزيع الكهرباء وتخزين الطاقة الكهربائية وإستعادتها باستخدام أساليب الاختزان المضخوخ بواسطة شركات صناعة الطاقة الكهربائية.

وغالباً ما يتم توليد الكهرباء في محطة لتوليد الطاقة من قبل مولدات كهروميكانيكية، تسوقها في الأساس محركات حرارية يتم تغذيها بواسطة عمليات الاحتراق الكيميائية أو الانشطار النووي، ولكنها أيضاً قد يتم دفعها بواسطة وسائل أخرى لتوليد الطاقة الكهربية مثل الطاقة الحركية للمياه المتدفقة والرياح. وتشمل مصادر الطاقة الأخرى الخلايا الكهروضوئية الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية (الحرارة الجوفية).

محطات توليد عن طريق البخار

محطات توليد بااستخدام الطاقة الشمسية

محطات توليد بااستخدام الديزل للاحتراق بدرجة عالية

الكهرباء الساكنة، بواسطة الفصل المادي للشحنات الكهربائية ونقلها (أمثلة: تأثير كهرباء الاحتكاك والبرق)

الطاقة الشمسية الحرارية (الشمس كمصدر للحرارة): الأحواض الشمسية مكافئية المقطع وأبراج الطاقة الشمسية تقوم بتركيز أشعة الشمس لتسخين مائع ناقل للحرارة، الذي يستخدم بعد ذلك لإنتاج البخار.

الرياح - معظم توربينات الرياح تولد الكهرباء من الرياح التي تجرى في الطبيعة. أبراج التيار الصاعد الشمسية تستخدم الرياح التي يتم إنتاجها صناعياً داخل مدخنة والتي يتم تسخينها بواسطة أشعة الشمس، وهى بذلك تكون في الحقيقة عبارة عن شكل من أشكال الطاقة الشمسية الحرارية.

المياه (الكهرومائية) - ويتم في تلك العملية التأثير على ريش التوربينات بواسطة المياه المتدفقة، التي تنتجها السدود الكهرومائية أو قوى المد والجزر.

باستعمال الالترناتور و استغلال اي مصدر للحركة

او باستعمال الواح الطاقة الشمسية

او باستعمال الكمياء مثال البطرية مثلا

هناك سبع طرق أساسية للتحويل المباشر لأشكال مختلفة من الطاقة إلى طاقة كهربائية:

الكهرباء الساكنة، بواسطة الفصل المادي للشحنات الكهربائية ونقلها (أمثلة: تأثير كهرباء الاحتكاك والبرق)

الحث الكهرومغناطيسي، الذي بواسطته يحول المولد الكهربائي، أو الدينامو، أو مولد التيار المتردد (المتناوب) الطاقة الحركية (طاقة الحركة) إلى كهرباء. هذا هو الشكل الأكثر استخداماً لتوليد الكهرباء، ويستند إلى قانون فاراداي. ويمكن تجربته ببساطة بواسطة اِستِدارة مغناطيس في قلب دائرة مغلقة من مادة موصلة (مثل الأسلاك النحاسية).

الكيمياء الكهربائية، وهو التحويل المباشر للطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، كما هو الحال في البطارية، وخلايا الوقود أو النبض العصبي

التأثير الكهروضوئي، وهو تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، كما هو الحال في الخلايا الشمسية.

التأثير الكهروحراري، وهو التحويل المباشر للاختلافات في درجة الحرارة إلى كهرباء، كما هو الحال في المزدوجات الحرارية، الركائز الحرارية (الترموبيلات)، والمحولات الثرميونية.

تأثير الكهرضغطية، بواسطة الاجهاد الميكانيكي للجزيئات اللا متجانسة كهربياً في شتي الاتجاهات أو البلورات. وقد طور الباحثون في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) التابع للوزارة الأمريكية للطاقة مولد كهرضغطي كافي لتشغيل عرض بلوري سائل باستخدام أغشية رقيقة من عاثية (بكتريوفاج) M.[7]

التحويل النووي، وهو الإحداث والتسريع لجسيمات مشحونة (أمثلة: المولدات البيتافلطائية أو الانبعاث الألفا جسيمي)

كانت الكهرباء الساكنة هى أول شكل للطاقة يتم اكتشافه والتحقيق فيه، ومازال المولد الكهروستاتيكي يستخدم حتى مع الأجهزة الحديثة مثل مولد فان دي غراف ومولدات إم إتش دى (مولدات للطاقه باستخدام الهيدروديناميكية المغنطيسية). في تلك العملية يتم عزل حاملات الشحنة ونقلها فعلياً إلى موضع يكون فيه زيادة في الجهد الكهربائي.

تقريباً كل الطاقة الكهربائية المولدة على نطاق التجاري تستخدم الحث الكهرومغناطيسي، الذي تقوم فيه الطاقة الميكانيكية بدفع مولد كهربائي للدوران. هناك العديد من الطرق المختلفة لاكتساب تلك الطاقة الميكانيكية، منها المحركات الحرارية، والطاقة المائية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر.

يتم استخدم التحويل المباشر لطاقة الوضع النووية إلى كهرباء بواسطة النشاط الإشعاعي لتحلل بيتا على نطاق ضيق فقط. ففي محطات الطاقة النووية الضخمة، يتم استخدام الحرارة الناتجة من التفاعل النووي لتشغيل محرك حراري. وهذا المحرك يقوم بدفع مولد كهربائي للدوران، والذي بدوره يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية بواسطة الحث المغناطيسي.

أغلب التوليد الكهربي يكون مدفوع بواسطة محركات حرارية. وتزود معظم تلك المحركات بالحرارة اللازمة للتشغيل من خلال عمليات الاحتراق للوقود الأحفوري، مع جزء آخر معتبر منها يزود بالحرارة من خلال الانشطار النووي وبعض مصادر الطاقة المتجددة. التوربينات البخارية الحديثة (التي اخترعها السير تشارلز بارسونز في عام) تولد حالياً نحو٪ من الطاقة الكهربائية في العالم باستخدام مجموعة متنوعة من المصادر الحرارية.

التوربينات

السدود الكبيرة مثل سد الخوانق الثلاثة في الصين يمكنها توفير كميات كبيرة من الطاقة الكهرومائية؛ فقدرته على توليد الكهرباء تبلغ.5 جيجاواط.

كل التوربينات يتم تحريكها بواسطة مائع يعمل كوسيط ناقل للطاقة. العديد من المحركات الحرارية التي ذكرت اعلاه هي في الواقع توربينات. هناك أنواع أخرى من التوربينات تدفع للدوران بفعل الرياح أو المياه الساقطة (الهابطة من ارتفاع).

مصادر الطاقة للتوربينات تشمل:

البخار - ويتم غلي الماء بواسطة:

الانشطار النووي

حرق الوقود الأحفوري (الفحم، الغاز الطبيعي، أو البترول). في توربينات الغاز الساخن (توربينات الغاز)، يتم تحرك التوربينات مباشرة بواسطة الغازات التي تنتج عن عملية الاحتراق للغاز الطبيعي أو البترول. أما محطات توربينات الغاز ذات الدورة المركبة فهى تتحرك بواسطة كل من البخار والغاز الطبيعي. فهى تولد الطاقة عن طريق حرق الغاز الطبيعي في توربينات الغاز وتستخدام الحرارة المتبقية من تلك العملية لتوليد طاقة كهربائية إضافية من البخار. توفر تلك المحطات كفاءة توفر تصل إلى٪.

مصادر الطاقة المتجددة. يتم إنتاج البخار عن طريق:

الكتلة الحيوية.

الطاقة الشمسية الحرارية (الشمس كمصدر للحرارة): الأحواض الشمسية مكافئية المقطع وأبراج الطاقة الشمسية تقوم بتركيز أشعة الشمس لتسخين مائع ناقل للحرارة، الذي يستخدم بعد ذلك لإنتاج البخار.

الطاقة الحرارية الأرضية (جوف الأرض كمصدر للحرارة): إما بخار تحت ضغط يخرج من الأرض ويحرك التوربين أو أن الماء الساخن الخارج من الأرض يستخدم لتبخير سائل ذو درجة غليان منخفضة لخلق بخار يستخدم في تحريك التوربينات.

تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات: يستخدم الفرق الصغير في الحرارة بين المياه العميقة الباردة والمياه السطحية الدافئة للمحيطات في تشغيل محرك حراري (عادة ما يكون توربيني).

مصادر الطاقة المتجددة الأخرى:

السدود الكبيرة مثل سد هوفر في الولايات المتحدة يمكنها توفير كميات كبيرة من الطاقة الكهرومائية؛ فقدرته على توليد الكهرباء تبلغ2. جيجاواط.

المياه (الكهرومائية) - ويتم في تلك العملية التأثير على ريش التوربينات بواسطة المياه المتدفقة، التي تنتجها السدود الكهرومائية أو قوى المد والجزر.

الرياح - معظم توربينات الرياح تولد الكهرباء من الرياح التي تجرى في الطبيعة. أبراج التيار الصاعد الشمسية تستخدم الرياح التي يتم إنتاجها صناعياً داخل مدخنة والتي يتم تسخينها بواسطة أشعة الشمس، وهى بذلك تكون في الحقيقة عبارة عن شكل من أشكال الطاقة الشمسية الحرارية.

المحركات الترددية

مولدات الكهرباء الصغيرة غالباً ما تعمل بواسطة محركات ترددية تحرق الديزل، أو الغاز الحيوي أو الغاز الطبيعي. وغالباً ما تستخدم محركات الديزل في التوليد الاحتياطي للكهرباء، وعادة ما يكون ذلك عند جهود كهربية منخفضة. ومع ذلك فأن غالبية شبكات الكهرباء الكبيرة تستخدم مولدات الديزل أيضاً، ويتم توفيرها في الأساس كاحتياطي للطوارئ في منشأت معينة مثل المستشفيات، وأيضاً لتغذية الشبكة بالطاقة خلال ظروف معينة. وغالباً ما يتم حرق الغاز الحيوي حيثما يتم إنتاجه، مثل مواقع طمر النفايات أو محطات معالجة مياه الصرف الصحي، بواسطة محرك متردد أو ميكروتوربين، وهو عبارة عن توربين غازي صغير.

محطة لتوليد الكهرباء تعمل بالفحم في لافلين، نيفادا، الولايات المتحدة الأمريكية. اصحاب هذه المحطة أوقفوا العمل فيها بعد ان خفضوا استثماراتهم في معدات مكافحة التلوث لكى تمتثل المحطة للوائح الحد في التلوث.[8]

ألواح الخلايا الشمسية

تقوم الألواح الضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء بعكس فكرة عمل مُركزات الحرارة الشمسية المذكورة أعلاه. وبالرغم من أن ضوء الشمس وفير ومجاني، إلا أن إنتاج الكهرباء الشمسية على نطاق واسع لا يزال في العادة أكثر تكلفة من الطاقة المولدة ميكانيكياً بسبب تكلفة الألواح. ولكن مع ذلك، تكلفة خلايا السليكون الشمسية منخفضة-الكفاءة كانت تقل مع الوقت وأصبحت "الخلايا متعددة الوصلات" ذات كفاءة التحويل المقاربة ل٪ متاحة الآن تجارياً. وقد تم استعراض خلايا ذات كفاءة تحويل أكثر من٪ في النظم التجريبية.[9] وحتى وقت قريب، كانت الخلايا الكهروضوئية الأكثر استخداماً في المواقع النائية التي لا يمكن فيها الوصول إلى شبكة كهرباء تجارية، أو كمصدر تكميلي للكهرباء في المنازل الفردية والشركات. التطورات الحديثة في كفاءة تصنيع الألواح الضوئية والتكنولوجيا الكهروضوئية، جنباً إلى جنب مع الدعم المدفوع بواسطة المهتمين بالبيئة، ادى إلى تسارع نمو الألواح الشمسية بشكل كبير. السعة المُرَكَبَة للكهرباء الشمسية في العالم تنمو بنسبة٪ سنوياً بفضل الزيادات الحادثة في ألمانيا واليابان وكاليفورنيا ونيو جيرسي.

توليد الكهرباء عن طريق الرياح

تتولد عن  الررياح والخلايا الشمسية ومسااقط االمياة