الكهرباء من الخصائص الأساسية للمادة المكونة لكل الأشياء في الكون. وعندما يسمع الناس كلمة كهرباء يتبادر إلى أذهانهم الضوء والتلفاز وفرن المايكرويف والحاسوب وغيرها من النبائط المفيدة. ولكن الكهرباء أهم من ذلك بكثير. فالكهرباء والمغنطيسية تكونان معًا قوة تسمى الكهرومغنطيسية، وهي من القوى الأساسية في الكون. والقوة الكهربائية مسؤولة عن إمساك الذرات والجزيئات المكونة للمادة معًا، وبهذه الطريقة تحدد الكهرباء تركيب وخصائص كل الموجودات.
ترتبط الكهرباء أيضًا بالعديد من العمليات البيولوجية. ففي جسم الإنسان تنتقل الإشارات الكهربائية عبر الأعصاب، حاملة المعلومات من الدماغ وإليه، حيث تساعد هذه الإشارات الدماغ على تحديد ما تراه العين، وتسمعه الأذن، وتتحسسه الأصابع. وهذه الإشارات هي التي تسبب حركة العضلات ونبض القلب، كما تنظم معدل النبض
ومن أهم خصائص الكهرباء الطاقة الكهربائية. فقد استطاع الناس خلال القرن التاسع عشر تسخير الكهرباء لأداء الأعمال. وكان لهذا المصدر الجديد للطاقة تطبيقات عملية كثيرة، ساهمت كثيرًا في تغيير حياة الناس، حيث تمكن المخترعون والعلماء من توليد الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة، واكتشفوا طرق استخدام هذه الطاقة في إنتاج الضوء والحرارة والحركة، وصمموا نبائط كهربائية مكنت الناس من الاتصال عبر المسافات البعيدة، ومعالجة المعلومات بسرعة فائقة. وقد ازداد الطلب على الكهرباء خلال القرن العشرين إلى درجة أن الناس اليوم لايستطيعون تخيل شكل الحياة في حالة عدم وجود الطاقة الكهربائية.
القـــدرة الكهربائية:
تَعْـني استخدام الطاقة الكهربائية لأداء العمل. ففي كثير من المنازل تستخدم الكهرباء في الإضاءة والتدفئة والتبريد. وتمدنا الكهرباء أيضًا بالقدرة لتشغيل أجهزة التلفاز والثلاجات والمكانس وأجهزة منزلية أخرى متعددة. وبالقدرة الكهربائية تدار الآلات في المصانع. وتستخدم القدرة الكهربائية في السلالم المتحركة والمصاعد والحواسيب وأجهزة أخرى في المحلات والمكاتب الإدارية. وتحرك الكهرباء القطارات ونُظم النقل في الأنفاق. وفي المزارع تؤدي الآلات الكهربائية أعمالاً مختلفة مثل ضخ المياه وحلب الأبقار وتجفيف العلف.
وتنتج بعض المصانع والمنازل النائية ما يلزمها من القدرة الكهربائية بمولِّد يدار بمحرك ديزل. ويكون لدى المستشفيات عادة مولدات لتزويدها بالقدرة الكهربائية لتشغيل غرف الطوارئ والعمليات في حالة حدوث انقطاع القدرة الكهربائية.وتوفر محطات القدرة الكهربائية الضخمة معظم احتياجات المستهلكين من القدرة الكهربائية.
وتدار المولدات في معظم محطات القدرة الكهربائية بالفحم الحجري أو النفط أو الغاز الطبيعي. وتدار مولدات محطات أخرى باستخدام الطاقة النووية أو بقوة الشلالات. وتنتقل الكهرباء من محطات القدرة إلى المدن ومناطق أخرى حسب الحاجة بأسلاك، حيث توزع لكل مستهلك على حدة.
وتقاس القدرة الكهربائية بوحدات يطلق عليها الواط. وعلى سبيل المثال، يلزم 100 واط من القدرة الكهربائية لإنــارة مصباح كهربـائـي قـدرتـه 100 واط، كـمـا أن 10 مصابيح قدرة كل واحد منها 100 واط تحتاج 1,000 واط، أو كيلوواط واحد. ويُعبَّر عن كمية الطاقة المستخدمة بالكيلوواط ـ ساعة، ويعادل الكيلوواط ـ ساعة مقدار الشغل المبذول بوساطة كيلوواط واحد في ساعة واحدة. فعندما تضيء عشرة مصابيح ذات 100 واط لمدة ساعة واحدة، أو تضيء مصباحًا واحدًا ذا 100 واط لمدة عشر ساعات، فإنك تستهلك كيلو واط ـ ساعة واحدًا من القدرة الكهربائية.
وتنتج محطات القدرة الكهربائية في العالم أكثر من 2,25 بليون كيلوواط من الكهرباء في أي وقت، وتأتي الولايات المتحدة الأمريكية في مقدمة الدول من حيث توليد السعة الكهربائية. كذلك تنتج روسيا واليابان وكندا وألمانيا كميات كبيرة من السعة الكهربائية.
1- مصادر القدرة الكهربائية:
تمد محطات القدرة الكهربائية الضخمة السكان بمعظم ما يحتاجونه من الكهرباء. وفي محطات القدرة يتم أولاً تسخير ضغط البخار أو اندفاع المياه لإدارة عمود آلة يطلق عليه التوربين (العنفة). ويدير هذا العمود مولدًا كهربائيًا يُحوِّل الطاقة الميكانيكية فيه إلى طاقة كهربائية.
والمولد الكهربائي له جزء ثابت يعرف بالعضو الساكن وجزء متحرك يعرف بالعضو الدَوَّار. وفي المولدات الكهربائية الضخمة بمحطات القدرة يتكون العضو الساكن من مئات من لفات السلك. والعضو الدوَّار مغنطيس كهربائي كبير يُمَد بالكهرباء من مولد منفصل صغير يطلق عليه المستثير. ويدار العضو الدوار بطاقة ميكانيكية خارجية، ويتولد منه مجال مغنطيسي يدور مع دورانه. وينتج من دوران المجال المغنطيسي تولُّد جهد في لفات السلك الموجودة في العضو الساكن، مما يسبب سريان التيار الكهربائي.
وتصنف محطات القدرة الكهربائية إلى:
1- محطات بخارية تعمل بالوقود الأحفوري؛
2- محطات كهرومائية؛
3- محطات نووية. وتنتج محطات أخرى متنوعة كميات صغيرة من الكهرباء
محطات القدرة الكهربائية البخارية :
التي تعمل بالوقود الأحفوريّ. تُولِّـد هذه المحطات حوالي 66% من إجمالي القدرة الكهربائية العالمية. وتحرق هذه المحطات الفحم الحجري أو النفط أو الغاز الطبيعي. ويطلق على هذه المواد الوقود الأحفوري لأنها تكونت من مواد أحفورية (بقايا من نباتات وحيوانات ما قبل التاريخ). ويحرق الوقود في غرفة احتراق لإنتاج حرارة، وتحوّل تلك الحرارة بدورها الماء إلى بخار في المرجل. ثم يمر البخار خلال أنابيب في جهاز يسمى السخان الفائق. وتحيط غازات الاحتراق الساخنة بالأنابيب المملوءة بالبخار في السخان الفائق لرفع ضغط البخار في الأنابيب ودرجة حرارتها
ويستخدم البخار فائق الحرارة، عالي الضغط لإدارة توربين بخاري ضخم. والتوربين له مجموعة من العجلات ذات الرّيَش المروحية مُركبة على عمود. وعندما يندفع البخار خلال التوربين يدفع الريش مما يسبب دوران كل من العجلات وعمود التوربين. ويدير عمود التوربين العضو الدوار للمولد الكهربائي، وبالتالي تتولد الكهرباء.
وبعد مرور البخار خلال التوربين يدخل إلى مكثّف حيث يمر البخار حول أنابيب تحمل ماءً بارداً. وتمتص المياه الموجودة في الأنابيب الحرارة من البخار. وعندما يبرد البخار يتكثف إلى ماء. ويعاد ضخ هذا الماء إلى المرجل ليتحول إلى بخار مرة أخرى.
وفي محطات قدرة عديدة تضخ مياه أنابيب التكثيف التي امتصت الحرارة من البخار إلى برك الرش أو برج التبريد، لتبريدها. وفي برك الرش تدفع المياه خلال فوهات ضيقة لتتحول إلى قطرات من الرذاذ. ويزيد الرذاذ من مساحة سطح المياه التي تتعرض للهواء، مما يؤدي إلى سرعة تبريدها. أما برج التبريد فله عدد من الأسطح المتتالية حيث تسقط المياه من سطح إلى آخر فتبرد نتيجة تعرضها للهواء. وبعد ذلك تُضخ المياه مرة أخرى إلى المكثف أو تصرف إلى بحيرة أو نهر أو تجمع مائي آخر.
والمحطات التي تعمل بالوقود الأحفوريّ ذات كفاءة وموثوق بها ولكنها تتسبب في تلوث البيئة. وبعض المحطات لا تستخدم أبراج التبريد أو برك الرش فهي تصرف المياه الساخنة إلى البحيرات أو البرك أو الأنهار أو الجداول. ويؤدي ذلك إلى التلوث الحراري وإلى الإضرار بالحياة الحيوانية والنباتية في التجمعات المائية. وفي مناطق عديدة تحد القوانين من صرف المياه الساخنة لمحطات القدرة.
ويحتوي الدخان المنبعث من احتراق الوقود الأحفوريّ على مواد كيميائية وجسيمات صغيرة تتسبب في تلوث الهواء في حالة خروجها إلى الغلاف الجوي. وتستخدم معظم محطات القدرة التي تحرق هذا الوقود معدات تحكم في التلوث للحد من مثل هذه الملوثات. وبرغم استخدام تلك المعدات، لم يقض تمامًا على تلوث الهواء بسبب حرق المحطات للوقود الأحفوري
محطات القدرة الكهرومائية:
تُولِّد هذه المحطات حوالي22% من إجمالي القدرة الكهربائية العالمية. وتُحول تلك المحطات الطاقة الناتجة من سقوط المياه إلى طاقة كهربائية. وتستخدم محطة القدرة الكهربائية المياه المخزونة خلف السد. ويتدفق الماء خلال مجرى أو أنبوب إلى توربين مائي أو توربين هيدروليكي بالمحطة. وعندما يندفع الماء خلال التوربين يدُوَّر عمود التوربين الذي يدوّر المولد الكهربائي.
وتستطيع محطات القدرة الكهرومائية ـ والتي يطلق عليها محطات كهرومائية ذات ضخ وتخزين ـ تخزين الطاقة بالأداء العكسي. فعندما يقل الطلب على الكهرباء تعمل المولدات في تلك المحطات كمحركات لإدارة التوربينات. وتعمل التوربينات عندئذ كمضخات لرفع الماء إلى الخزان ويستخدم الماء فيما بعد لتوليد الكهرباء.
ومحطات القدرة الكهرومائية أقل تكلفة من المحطات التي تعمل بالوقود الأحفوري، ولا تسبب تلوث الهواء، ومع ذلك فإن عدد تلك المحطات محدود بسبب محدودية مصادر القدرة المائية والاختيار المناسب لمواقع السدود والخزانات.
محطات القدرة النووية:
تُولِّد هذه المحطات 11% من إجمالي القدرة الكهربائية العالمية، وتنتج المحطات النووية الكهرباء بنفس الطريقة المتبعة في المحطات التي تعمل بالوقود الأحفوري، ولكنها تستخدم جهازًا يسمّى المفاعل النووي بدلاً من غرفة احتراق الوقود. وينتج المفاعل النووي طاقة حرارية هائلة عن طريق انشطار نويات ذرات عنصر ثقيل. وتستخدم معظم المحطات النووية عنصر اليورانيوم وقودًا لمفاعلاتها.
وتستغل الحرارة الناجمة من الانشطار النووي لتحويل الماء إلى بخار. ويدير البخار التوربين البخاري فيدير بدوره المولد الكهربائي. وبعد مرور البخار على التوربين يكثف ويعاد مرة أخرى إلى المحطة. وتستخدم معظم محطات القدرة النووية أبراج التبريد لتبريد المياه في أنابيب المكثف.
تتطلب محطة القدرة النووية كمية من الوقود أقل كثيرًا من محطات الوقود الأحفوري لإنتاج كمية مماثلة من الكهرباء، كما أنها أقل تلويثًا للهواء، ولكنها تحتوي على مواد مشعة خطرة. ونتيجة لذلك فإنه يلزم لتشغيل تلك المحطات توفير أنظمة خاصة للسلامة لتساعد على منع الحوادث التي تؤدي إلى تسرب الإشعاع وسرعة التعامل معها. ويكلف إنشاء المحطات النووية أكثر من المحطات التي تعمل بالوقود الأحفوري بالنظر إلى التكاليف الإضافية لمعدات السلامة بها
مصادر أخرى للقدرة الكهربائية:
. تنتج مصادر أخرى كميات صغيرة نسبيًا من الكهرباء. فمحطات القدرة الحرارية الجوفية تستخدم البخار من أعماق الأرض لدفع التوربينات (العنفات) التي تدير بدورها المولد الكهربائي. وكانت المحطة الحرارية الجوفية، وكاتو، في نيوزيلندا التي افتتحت عام 1958م، هي المحطة الثانية في العالم من هذا النوع بعد المحطة الأولى التي أقيمت في لاندريلو بإيطاليا. وتسخِّر بعض محطات القدرة طاقة الرياح باستخدام طواحين الهواء لتدير المولدات الكهربائية. ويوجد في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية العديد من الحقول الهوائية التي تحتوي على مئات من التوربينات الهوائية الصغيرة التي تمدّ المنازل بالكهرباء حول مدينة لوس أنجلوس. ويستخدم عدد من محطات القدرة طاقة المد والجزر بالمحيط في تحريك التوربينات التي تدير المولدات. ويوجد أكبر تلك المحطات في العالم على نهر رانس بالقرب من سانت مالو بفرنسا. وقليل من محطات القدرة يحوِّل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بوساطة الخلايا الشمسية. ولكن هذه الطريقة باهظة التكاليف. ومع ذلك فإن العلماء والمهندسين يدرسون طرق تحسين الخلايا الشمسية لإنتاج كميات كبيرة من القدرة الكهربائية بتكلفة أقل. وهناك طريقة بديلة لتسخير طاقة الشمس باستخدام مرايا لعكس أشعة الشمس إلى مرجل لتوليد البخار الذي يدير التوربين والمولد. وفي بارستو بكاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية توجد محطة للطاقة الشمسية قـدرتها 10 ملايين واط، تستخدم 1,200 مرآة لتركيز الضوء على مرجل فـي قمة البرج، ويتـم التحكم في دوران المـرايا بحاسوب يتتبع أشعة الشمـس
ولدى العديد من محطات القدرة الكهربائية توربينات غازية أو محركات ديزل لإدارة مولدات إضافية في أوقات ازدياد الطلب على القدرة الكهربائية. وتستخدم محركات الديزل أيضًا لإدارة المولدات في المناطق المعزولة التي لا تصل إليها خدمات شركات الكهرباء. ويوجد في العديد من المستشفيات والمصانع والبنايات السكنية محركات ديزل لإدارة المولدات في حالة حدوث عطل في توزيع الكهرباء المولدة من محطات القدرة الكهربائية
2- نقل وتوزيع القدرة الكهربائية
تنقل الكهرباء المولدة من محطات القدرة الكهربائية إلى المدن أو مناطق أخرى، ثم توزع في المنازل والمصانع والمزارع و المكاتب ولكل مستهلك فردي.
النقل. تنقل معظم الكهرباء من محطات القدرة عبر أسلاك معلقة يطلق عليها خطوط النقل. وتمديد الكبلات تحت الأرض أو الماء أكثر تكلفة من الأسلاك المعلقة، ولذا فإن استخدام الكبلات أقل من استخدام تلك الأسلاك. وعندما ينتقل تيار كهربائي عبر خطوط نقل فإن الخطوط تقاوم سريان التيار، وتتسبب المقاومة في فقدان التيار للطاقة. وللحد من الطاقة المفقودة تنقل الكهرباء من محطات القدرة الكهربائية بجهود عالية. وعندما يزداد الجهد فإن كمية التيار اللازم لنقل كمية محددة من القدرة الكهربائية تقل. وعندما يقل سريان التيار خلال خط فإن الطاقة المفقودة بسبب المقاومة تقل.
والتيار الكهربائي إما أن يكون تيارًا مستمراً أو تيارًا متناوبًا. ويسير التيار المستمر في اتجاه واحد فقط، بينما يغير التيار المتناوب اتجاهه عدة مرات كل ثانية. ورفع جهد التيار المتناوب أسهل من رفع جهد التيار المستمر. ولذا فإن نقل التيار المتناوب أسهل من نقل التيار المستمر، ولهذا السبب فإن محطات القدرة الكهربائية تولد تياراً متناوباً
وتنتج محطة نموذجية لتوليد القدرة مليون كيلو ـ واط من القدرة الكهربائية عند جهد يصل إلى 22,000 فولت. ويُرفع الجهد باستخدام جهاز يُسمى محول رفع حيث يُرفع إلى 765,000 فولت لنقله.
التوزيع:
تحتاج بعض الصناعات الكبيرة إلى تيار ذي جهد عالٍ يصل إليها مباشرة من خطوط النقل. ولكن الجهد العالي غير آمن في المنازل والمكاتب ومعظم المصانع، لذا يلزم تقليل الجهد قبل توزيع الكهرباء عليها.
وتنقل الكهرباء بجهد عالٍ بوساطة خطوط نقل إلى محطات نقل فرعية بالقرب من المناطق التي تستخدم القدرة الكهربائية. ويوجد في تلك المحطات الفرعية أجهزة تسمى محولات الخفض، تخفض الجهد إلى 12,500 وإلى 138,000 فولت. ثم يخفض الجهد مرة أخرى في محطات توزيع فرعية إلى2,000 فولت وإلى 34,500 فولت. وتحمل خطوط التوزيع تيار الجهد المتوسط مباشرة إلى مستهلكين تجاريين وصناعيين ومؤسسات. وتنقل خطوط التوزيع القدرة الكهربائية إلى محولات التوزيع على الأعمدة فوق الأرض أو في أقبية تحت الأرض. وتخفض محولات التوزيع الجهد إلى مستويات تناسب معظم المستهلكين. وتمد الأسلاك من المحولات إلى المنازل والمحلات والمكاتب وإلى مستهلكين آخرين. ويتلقى معظم هؤلاء المستهلكين القدرة الكهربائية ذات جهد 110 أو 220 فولت.
صناعة القدرة الكهربائية
يطلق على الهيئات التي تولد وتنقل وتوزع القدرة الكهربائية المصالح الكهربائية. وتكون كل مصلحة كهربائية تقريبا هي المزود الوحيد للكهرباء في منطقة معينة. وفي معظم الأقطار تقوم الجهات الحكومية بتنظيم المصالح الكهربائية لضمان متطلبات الخدمة للجمهور، وفي بعض الأقطار تمتلك الحكومة جميع المصالح الكهربائية. وفي بعض الأقطار الأخرى ربما يشارك مساهمون أو جمعيات تعاونية الحكومة في امتلاك المصالح الكهربائية.
وتعتبر الولايات المتحدة الأمريكية أكبر مستهلك ومولد للكهرباء في العالم، حيث يوجد بها 3,300 مصلحة كهربائية ويمتلك القطاع الخاص منها حوالي 200 مصلحة، وتشكل هذه المصالح نحو 75% من سعة التوليد الكهربائية للبلاد. وتمتلك باقي المصالح جمعيات تعاونية أو مؤسسات قدرة عامة أو هيئات حكومية. وتستطيع بعض الأقطار توليد كهرباء أكثر من حاجتها حيث يكون الفائض متاحًا للتصدير. وتصدر كندا الكهرباء إلى الولايات المتحدة، وتصدرها فرنسا إلى المملكة المتحدة، وتصدرها ـ كذلك ـ العديد من الدول الإفريقية إلى جيرانها
الخاتمـــــة :
يستمر الطلب على القدرة الكهربائية في النمو. ولذا يجب على شركات الكهرباء التخطيط الجيد في التوسع لمقابلة هذه الزيادة المستمرة في الطلب. ولكن بناء محطات قدرة جديدة مكلف ويستغرق سنوات عديدة. ولقد ألغيت عدة خطط لمحطات نووية نظرًا للارتفاع الهائل في تكلفة الإنشاءات بالإضافة إلى خوف الرأي العام من عدم سلامتها بسبب النفايات النووية. وهناك بحوث مكثفة تجري على الاندماج النووي لكن سوف تمضي سنوات قبل أن يكتب لها النجاح.
ومصادر الوقود الأحفوري ستئول إلى التوقف فيما بعد، ولكن العلماء يعتقدون أن الطاقة من باطن الأرض والشمس والرياح والمحيطات يمكن أن تُستخدم على نطاق واسع لإنتاج القدرة الكهربائية بشكل أرخص وأكثر كفاءة في المستقبل
الرئيسية 
تسجيل دخول الاعضاء 
اليومية
الخميس يوليو 21, 2011 9:43 pm
