طريقة عمل المولد الكهربائي

الطاقة

لم يتوقف البشر من سنوات بعيدة عن طرح أسئلة مثل: هل الطاقة مادة؟ أم أنها خاصية أم حالة؟ وربما باستثناء الطاقة الضوئية فالطاقة ليست شيء في حد ذاته، فالكتاب الذي يُوضع على طاولة على سبيل المثال يمتلك الطاقة بسبب حالته المُتمثلِّة في القدرة على السقوط في حالة دفعه بعيدًا عن الطاولة، وتمتلك الكرة التي تطير عبر الهواء طاقة بسبب سرعتها النسبية بالنسبة إلى الأرض، ويمكن تخزين الطاقة وشرائها وبيعها ونقلها، و يتم الحفاظ على الطاقة حيث تنتقل دائمًا حالة الطاقة من كائن إلى آخر، ولا يتم إنشاؤها أبدًا من جديد أو تدميرها، وسيتناول هذا المقال توضيح طريقة عمل المولد الكهربائي.^[١]

تاريخ تطور الطاقة

عندما استخدم البشر النار لأول مرة قبل 250000 عامًا بدأوا طريقهم الطويل لاكتشاف الحياة من حولهم، وقد استمر البحث لزمن طويل عن مصادر أكثر كفاءة للطاقة، ولم تتغير احتياجات البشر الأساسية من الطاقة في صور الحرارة، وكذلك الضوء وغيرها من صور الطاقة، وقد مرت البشرية بمراحل عديدة في تطوير مصادر الطاقة، وكان الوقود عنصرًا فعّالًا للطاقة منذ القدم وحتى الآن.^[٢]

ومن المهم للوقود وفرة عناصر مختلفة مثل الخشب والفحم النباتي والجفت والقش والروث المجفف وزيوت بعض الحيوانات، وقد كانت منازل البشر في أزمنة كثيرة تستفيد من الوقود في التدفئة بالإضافة إلى تدفئة الشمس، وقد ساعدت الحيوانات الإنسان في توفير بعض موارد الطاقة؛ فقد استخدم الإنسان حيوانات الرعي في الكثير من الأغراض التي يمكنه من خلفها الحصول على كثير من الطاقة، وقد كان التطور الرئيس في تاريخ استخدام الطاقة هو تسخير طاقة الرياح والطاقة المائية لأغراض تخدم الإنسان.^[٢]

وقد ساعدت طاقة الرياح في نقل المراكب الشراعية في وقت مبكر من 3500 قبل الميلاد، واستخدم الرومان القدماء والصينيون والهنود أشرعة مربعة على سفنهم، واستمرت السفن الشراعية كوسيلة النقل الرئيسة حتى تم استبدالها بواسطة السفن التي تعمل بالبخار في عام 1800، كما تم تسخير الرياح والمياه لتشغيل طواحين الهواء.^[٢]

وقد كان الإنسان منذ عصور بعيدة يجيد تطويع الرياح لتخدمه في حياته اليومية، ولذلك تطورت استفادته منها بصورة تدريجية وتطورت الأدوات والوسائل التي زادت من تلك الاستفادة بصورة كبيرة على مر العصور المختلفة، وقد استُخدمت طواحين الهواء لطحن الحبوب في بلاد فارس ابتداءً من عام 640، وتم تطويرها لاحقًا لضخ المياه، وتم تطوير أول عجلة مائية عمودية في اليونان في حوالي 200 قبل الميلاد، وتم استخدام الأحجار المائية لطحن الحبوب وضخ المياه لأغراض الري، وقد تم بناء السدود لتخزين المياه وزيادة ضغط المياه، فقد بذل الإنسان على مر الزمن جهودًا كبيرة للاستفادة من مصادر الطاقة، وقد استمر تطور وسائل وموارد الطاقة وشهد ذروته من القرن التاسع عشر وحتى القرن العشرين.^[٢]

أنواع الطاقة

لا تقتصر الطاقة على شكلٍ واحد، لها بل إنها تظهر في أكثر من صورة تنفرد كل منها بمجموعة مختلفة ومميزة من الخصائص والسمات الرئيسة، ويمكن توضيح أبرز أنواع الطاقة فيما يأتي:^[٣]

• الطاقة الحرارية: وهي الطاقة التي ينتج عنها تحويل حرارة بين أنظمة متعددة.
• الطاقة النووية: وهي الطاقة الناتجة عن التغيرات في النواة الذرية أو عن التفاعلات ذات الطابع النووي.
• الطاقة الكيميائية: وهي الطاقة المسؤولة عن التفاعلات بين جزيئات المادة، وهناك أنواع مختلفة من الطاقة الكيميائية مثل الطاقة الكهروكيميائية.
• الطاقة الكهرومغناطيسية: ويمثّلها الطاقة المشعة وهي تنتج عن تفاعل الموجات الضوئية وأشعتها المختلفة.
• طاقة الجاذبية: وتتضمن كل القوى الطبيعية ذات الصلة بالجاذبية، ومن أمثلتها الطاقة الحركية للقمر في مداره حول الأرض.
• طاقة التأين: وهي شكل الطاقة التي تربط الإلكترون بنواة ذراته، ومثالها طاقة التأين الأولى للذرة، وهي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون واحد بالكامل، وطاقة التأين الثانية وهي الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون الثاني وهي أكبر من تلك المطلوبة لإزالة الإلكترون الأول.

الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائية هي الطاقة التي يتم تخزينها في جزيئات مشحونة داخل مجال كهربائي، والمجالات الكهربائية هي مجرد مناطق تحيط بجسيم مشحون، وتُنشئ الجزيئات المشحونة مجالات كهربائية تمارس قوة على جزيئات مشحونة أخرى داخل المجال، ويمارس المجال الكهربائي القوة على الجسيمات المشحونة مما يؤدي إلى تحريكها، وتشبه المجالات الكهربائية مجالات الجاذبية حيث إن كلا المجالين متأثران بجسيمات مشحونة، ويحيط مجال الجاذبية بالأرض ويوفر قوة تسحبها إلى أسفل، وبالمثل تحيط المجالات الكهربائية بالمصادر المشحونة وتمارس قوة على الجزيئات المشحونة بشحنات كهربائية موجودة داخل المجال، وتشير المجالات الكهربائية إلى الاتجاه الذي تتحرك فيه الجزيئات الموجبة داخلها، والطاقة الكهربائية تعمل على تحريك شحنة في مجال كهربائي ضد اتجاهها الطبيعي بما يتطلب جهدًا مبذولًا، وتعد الطاقة الكهربائية بمثابة حجر الزاوية في طريقة عمل المولد الكهربائي.^[٤]

الطاقة الميكانيكية

الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة التي يتأثر بها النظام الميكانيكي، حيث تشمل هذه الطاقة كلا من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، وتحتوي الأجسام على طاقة ميكانيكية، وبعض الأمثلة على ذلك: السيارة المتحركة حيث تمتلك طاقة ميكانيكية بسبب حركتها وحامل الحديد المرتفع عالياً فوق رأس رفع الأثقال حيث يمتلك طاقة ميكانيكية بسبب موقعه العمودي فوق الأرض، والطاقة الحركية هي الطاقة التي تنتج عن حركته، فالجسم الذي له حركة سواء حركة رأسية أو أفقية لديه طاقة حركية، وهناك العديد من أشكال الطاقة الحركية مثل: الاهتزاز أو الطاقة الناتجة عن الحركة الاهتزازية، والدوران أو الطاقة الناتجة عن الحركة الدورانية، والتحويلية أو الطاقة الناتجة عن الحركة من موقع إلى آخر، والطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة في الجسم أو النظام بسبب موقعها في مجال القوة، والوحدة القياسية لقياس الطاقة والعمل هي الجول، ويستخدم مصطلح "الطاقة الكامنة" منذ القرن التاسع عشر، وبسبب المكونات المختلفة للطاقة الميكانيكية فهي موجودة في كل نظام في الكون.^[٥]

المولد الكهربائي

قبل توضيح طريقة عمل المولد الكهربائي تجدر الإشارة إلى أن المولد الكهربائي هو آلة يتم من خلالها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، وتختلف المولدات الكهربائية بحسب ما إذا كان التيار الكهربائي الذي تنتجه هو تيار متردد أو تيار مباشر، وتعمل أغلب المولدات الكهربائية بنفس المبدأ الأساسي، وقد تم اكتشاف المبدأ العلمي الذي تعمل به المولدات الكهربائية في حوالي عام 1831 بواسطة الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي والفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري، ويعتمد حجم التيار المستحث على ثلاثة عوامل: قوة المجال المغناطيسي وطول الملف والسرعة التي يتحرك بها الملف داخل المجال، وفي الواقع لا يوجد اختلاف في طريقة عمل المولد الكهربائي إذا كان الملف يدور داخل المجال المغناطيسي أو أن المجال المغناطيسي يتسبب في الدوران حول الملف، وبشكلٍ عام فإن معظم مولدات التيار المستمر لديها مجال مغناطيسي ثابت ولفائف دوارة بينما تحتوي معظم مولدات التيار المتردد على ملف ثابت ومجال مغناطيسي دائري.^[٦]

طريقة عمل المولد الكهربائي

لتوضيح طريقة عمل المولد الكهربائي تجدر الإشارة إلى أن المولد الكهربائي يتكون من أنبوب مع لفائف من الأسلاك المعزولة ومغناطيس شريط، حيث يتم وضع نوع خاص من المغناطيس حول سلسلة من الملفات المعزولة من الأسلاك الموصلة والملفوفة حول عمود مركزي، وعندما يدور العمود الموصل بالأسلاك يتم إنشاء تيار لأن المغناطيس الكهربي الأسطواني خارج الأسلاك لا يدور معها، مما ينشئ حركة نسبية بين مجال مغناطيسي وشحنات داخل سلك التوصيل، ولتوضيح المزيد عن طريقة عمل المولد الكهربائي تجدر الإشارة إلى أنه بينما يتحرك المغناطيس تتقاطع خطوط القوة المغناطيسية مرارًا وتكرارًا مع السلك المثير للإلكترونات الموجودة في السلك وتولد التيار الكهربائي، حيث يتحرك التيار الكهربائي الناتج في اتجاه واحد، ثم عندما يصل الملف إلى موقع يكون فيه مواز لخطوط القوة المغناطيسية لا ينتج أي تيار على الإطلاق، وفي وقتٍ لاحق ومع استمرار دوران الملف ينتقل عبر خطوط القوة المغناطيسية في الاتجاه المعاكس.^[٧]

ولتوضيح المزيد عن طريقة عمل المولد الكهربائي تجدر الإشارة إلى أن طريقة عمل المولد الكهربائي لا تختلف كثيرًا من نوع لآخر إذ تتشابه طريقة عمل المولد الكهربائي في أغلب أنواع المولدات، ونتيجة لعدم وجود طريقة موثوقة لتخزين الكهرباء في العالم الحديث يجب أن تكون هناك دائمًا طرق لإنتاجها من المواد الخام، وهذا هو السبب في أن معظم الشركات لديها مولدات في حالة انقطاع الإمدادات المحيطة، وفي حين أن فقدان متجر البيسبول لمدة ساعة قد لا يكون كارثيًا، إلا أن ذلك سيختلف في وحدة العناية المركزة بالمستشفى، حيث تقوم الآلات التي تعمل بالكهرباء بإبقاء الناس على قيد الحياة حرفيًا من خلال التنفس والوظائف الحيوية الأخرى، وهذه إجمالًا هي طريقة عمل المولد الكهربائي.^[٧]

أنواع المولد الكهربائي

بعد توضيح طريقة عمل المولد الكهربائي تجدر الإشارة إلى أن المولدات الكهربائية هي في واقع الأمر عبارة عن مصادر طاقة يتم استخدامها في الكثير من الأحيان من خلال تحويل إمدادات الوقود كالبروبان أو الديزل أو البنزين إلى طاقة كهربائية، كما أنها المصادر الأولية للإمداد الكهربائي أثناء انقطاع التيار الكهربائي، وهي لا تقتصر على نوعٍ واحد فقط، ويمكن توضيح أهم أنواع المولدات الكهربائية فيما يأتي:^[٨]

المولدات المحمولة

توفر المولدات المحمولة الكهرباء عن طريق تشغيل محرك يعمل بالغاز الطبيعي، وطريقة عمل المولد الكهربائي المحمول تجعل من السهل تشغيله على طائرة على سبيل المثال، ويحتوي المولد المحمول النموذجي على المكونات الأولية التي تم تجميعها معًا على إطار معدني في وحدة واحدة كمحرك الاحتراق الداخلي وخزان الوقود ومخارج المولد.^[٨]

المولدات العاكسة

المولدات العاكسة يتم استخدامها كمحركًا متصلًا بمولدات كهربائية بهدف إنتاج طاقة التيار المتردد، وتلزم طريقة عمل المولد الكهربائي العاكس استخدام مقومًا على عكس طريقة عمل المولد الكهربائي في المولدات الأخرى لتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر.^[٨]

المولدات الاحتياطية

يتم تشغيل المولدات الاحتياطية عندما تنهار الشبكة في غضون ثوان من انقطاع التيار الكهربائي، حيث يتم تشغيل المولدات الاحتياطية تلقائيًا وإرسال الطاقة إلى الأجهزة، ويلزم طريقة عمل المولد الكهربائي الاحتياطي ضبط إعدادات المولد بعد انقطاع الطاقة، وسيكون هناك حاجة إلى تخزين وقود إضافي في حالة انقطاع التيار الكهربائي لعدة أيام وليس ساعات فقط.^[٨]

العوامل المؤثرة في أداء المولد الكهربائي

انتشر الآن استخدام المولدات الكهربائية في بلاد متفرقة ومتعددة حول العالم، نظرًا لقوة أغلب المولدات الحديثة وقدرتها الهائلة على تغطية انقطاع الكهرباء لساعات طويلة، لاسيما في المصالح الحكومية، ولا يتوقف الأمر على صحة طريقة عمل المولد الكهربائي بل هناك الكثير من العوامل التي يتأثر بها ويمكن توضيح العوامل المؤثرة في أداء المولد الكهربائي فيما يأتي:^[٩]

• الجهد: والتحكم في انخفاض الجهد له دور هام في تشغيل المولد الكهربائي على نحو صحيح، ويتم استخدام المقاوم لتقليل الجهد الناتج بالفعل للحفاظ على الجهد الناتج عند الحد الأدنى إذا ارتفع التيار الناتج وبأقل من الحد الأقصى للجهد إذا انخفض التيار.
• التردد: فالتردد هو أساس تقاسم الأحمال وتوليد وحدات تعمل بشكل متواز في المولد الكهربائي، وبالنسبة للمولدات المتعددة والتي تستخدم نفس الشبكة الكهربائية سيتم تشغيلها على نفس التردد، وتتفاعل المولدات مع التغييرات في الترددات بشكل متفاوت.

احتياطات المولد الكهربائي

لا يكفي توضيح طريقة عمل المولد الكهربائي، فرغم كل فوائد المولدات الكهربائية إلا أن هناك الكثير من الاحتياطات التي ينبغي اتباعها كإجراءات احترازية لتوفير شروط السلامة والأمن في محيط تشغيل المولدات الكهربائية، ويمكن توضيح أهم احتياطات المولد الكهربائي فيما يأتي:^[١٠]

• إذا بدأ شخص بالشعور بالغثيان أو بالدوار أو الضعف أثناء استخدام مولد كهربائي فيجب أن يحصل على هواء منعش على الفور، وإذا كان يعاني من أعراض خطيرة فعليه الحصول على العناية الطبية على الفور.
• يمكن أن يؤدي تشغيل مولد كهربائي داخل أي بنية مغلقة أو مغلقة جزئيًا إلى مستويات خطيرة ومميتة من أول أكسيد الكربون، لذلك ينبغي وضع المولدات في الخارج وعلى بعد 15 قدمًا على الأقل من النوافذ المفتوحة حتى لا يدخل العادم إلى داخل المنازل أو المؤسسات.
• يجب تشغيل المولد على سطح جاف تحت هيكل مفتوح يشبه المظلة والتأكد من أن اليدين جافة قبل لمس المولد، ويجب عدم استخدام المولد في ظروف ممطرة أو رطبة.
• يجب فصل الطاقة القادمة إلى داخل المنزل أو مكان العمل قبل تشغيل المولد.
• يجب توصيل المعدات مباشرة في المولد واستخدام أسلاك التمديد شديدة التحمل في الهواء الطلق وينبغي أن تكون في حالة عمل جيدة ولديها مقياس سلك يمكنه التعامل مع الحمل الكهربائي لأي أجهزة متصلة.
• لا ينبغي توصيل المولد في مقبس الحائط، ويجب على كهربائي مرخص فقط توصيل المولد بلوحة كهربائية رئيسة عن طريق تثبيت المعدات المناسبة وفقًا للرموز الكهربائية المحلية، والتأكد من قيام كهربائي بتثبيت مفتاح نقل تلقائي معتمد.

المراجع

1. ↑ "What is energy?", www.quora.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
2. ^ ^{أ ب ت ث} "Energy Sources: History, Selection, and Transitions", www.ag.ndsu.edu, Retrieved 05-02-2020. Edited.
3. ↑ " Name 10 Types of Energy ", www.thoughtco.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
4. ↑ " What is Electrical Energy? - Definition & Examples", study.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
5. ↑ " What Is Mechanical Energy", www.universetoday.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
6. ↑ "generator", www.encyclopedia.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
7. ^ ^{أ ب} "How Does a Generator Work?", sciencing.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
8. ^ ^{أ ب ت ث} "What are different types of electrical generators?", www.quora.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
9. ↑ "What is droop control for a generator ?", www.quora.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
10. ↑ "Using Portable/Emergency Generators Safely", www.energy.gov, Retrieved 13-01-2020. Edited.