تعريف الطاقة الكهربائية: تعد الطاقة الكهربائية من أنواع الطاقة التي تتمتع بقدرة كبيرة على أداء مختلف الأعمال. وتتميز بأنها طاقة يسهل استخدامها في حياتنا اليومية، حيث تعتبر أحد الأشكال الأساسيات للطاقة.
ما هي الطاقة الكهربائية؟
- يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى أشكال متعددة من الطاقة، لكن من تحدياتها الكبرى هو صعوبة تخزينها بكميات كبيرة. وقد توسعت تطبيقات الكهرباء وانتشرت بشكل ملحوظ.
- تستخدم الطاقة الكهربائية في تشغيل العديد من الأجهزة المنزلية، فضلاً عن استخدامها في تدفئة المنازل وعمليات النقل.
- تدخل الطاقة الكهربائية أيضًا في العمليات الصناعية والعديد من التطبيقات الخاصة بالمنازل، بالإضافة إلى التطبيقات الأكثر تعقيدًا.
- تشكل الطاقة الكهربائية نحو 12٪ من إجمالي الطاقة المستهلكة على نطاق عالمي، وتعتبر من المصادر الأساسية لتوليد الطاقة.
- تشير الطاقة الكهربائية إلى الطاقة المشتقة من الإلكترونات المشحونة داخل الذرات، حيث تُنتج مجالًا كهربائيًا يحيط بهذه الذرات.
كيف تنشأ القوة الكهربائية؟
- تتولد القوة الكهربائية بين الجسيمات المشحونة في المجال المعروف باسم المجال الكهربائي.
- وبالتالي، تعتبر القوة الناتجة عن المجال الكهربائي هي ما يحرك الجسيمات المشحونة ويولد منها عملاً كبيراً.
- يجدر التنويه إلى أن الطاقة الكهربائية تعتبر من المصادر الثانوية للطاقة، مما يعني أنه لا يمكن استخراجها من باطن الأرض مثل الفحم الحجري.
- تشتق الطاقة الكهربائية من مصادر أولية مثل الفحم، الغاز الطبيعي، التفاعلات النووية، بالإضافة إلى الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
تخزين الطاقة الكهربائية
- يساعد تدفق الإلكترونات في خلق التيار الكهربائي، حيث تتدفق نتيجة للتأثيرات الناتجة عن مجالات كهربائية أخرى.
- تؤثر مجالات مغناطيسية مترابطة أيضًا على احتماالية توليد الطاقة الكهربائية المُستخدمة في تشغيل الشاحنات.
- أصبح بالإمكان تخزين هذه الطاقة عبر استخدام المكثفات والبطاريات، مما يساعد في استغلالها في تطبيقات متعددة.
- يمكن نقل الكهرباء بسهولة عبر أسلاك مصنوعة من مواد جيدة التوصيل مثل المعادن.
- يشار إلى نظام نقل الطاقة الكهربائية غالبًا باسم الشبكة الكهربائية، وهو مصطلح قد لا يكون معروفًا لدى الكثيرين.
تطبيقات الطاقة الكهربائية
- يظهر استخدام التيار الكهربائي في تشغيل مجموعة متنوعة من الأجهزة الكهربائية كدليل واضح على التطبيقات العديدة للطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى إمكانية تحويلها إلى طاقة حرارية.
- تستطيع الطاقة الكهربائية التحول إلى طاقة حرارية، ضوئية، ميكانيكية، وغير ذلك من أشكال الطاقة.
- تعتبر البطاريات مصدرًا أساسيًا وموثوقًا لكميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، ولا شك أنها من المصادر الحيوية.
- التيار الكهربائي الناتج عن البطاريات هو تدفق للأيونات المعدنية، بدلاً من الإلكترونات.
- تعتبر الطاقة الكهربائية ضرورية في أجسام الكائنات الحية، حيث تلعب دورًا فاعلاً في الاستجابات العصبية وحركة العضلات.
- يساعد وجود الطاقة الكهربائية والتدفق الكهربائي في تركيب الأيونات على جانبي الأغشية العصبية، مما يؤدي إلى تجاذب وتنافر يولد الاستجابات العصبية.
آلية توليد الطاقة الكهربائية
- اكتشف العالم البريطاني مايكل فاراداي طريقة لتوليد الطاقة الكهربائية في القرن التاسع عشر.
- وذلك من خلال إدخال حلقة أو قرص معدني من النحاس، نظراً لكون النحاس موصل جيد للكهرباء، داخل مجال مغناطيسي ناتج عن أقطاب مغناطيسية متعددة.
- هذا المجال يعمل على توليد مجال كهربائي يحرر الأيونات والإلكترونات السالبة.
- يؤدي التجاذب والتنافر الكهربائي إلى خلق مجال كهربائي متوازن.
- تنجذب الإلكترونات نحو الأيونات والبروتونات ذات الشحنة الموجبة، بينما تتنافر مع إلكترونات وأيونات مشابهة.
كيفية توليد الطاقة من محطات توليد الطاقة؟
- تُنتج الطاقة الكهربائية في محطات توليد الطاقة باستخدام مصادر متعددة منها الفحم والنفط والغاز.
- تشمل مصادر الوقود أيضًا الطاقة النووية لتوليد الحرارة اللازمة لتسخين المياه إلى درجة الغليان.
- يساعد هذا في إنتاج بخار يُستخدم في تشغيل التوربينات تحت ضغط مرتفع.
- ترتبط التوربينات بالمولد الكهربائي الذي يعتمد على الطاقة الكهرومغناطيسية لتوليد الكهرباء وتوزيعها عبر شبكة الأسلاك.
- تشترك محطات توليد الكهرباء في العديد من الأجزاء الرئيسية لضمان كفاءة عملية توليد الكهرباء.
الأجزاء الأساسية في محطات توليد الكهرباء
- تسخن وحدة الغليان المياه حتى الغليان، مما يحولها إلى بخار عالي الضغط باستخدام مصادر طاقة متنوعة.
- تشمل مصادر الطاقة الفحم والنفط والغاز، بالإضافة إلى الغازات الناتجة عن احتراق الكتلة الحيوية ومعالجة النفايات.
- تختلف هذه المصادر في تأثيرها على البيئة بسبب انبعاثات الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون والغازات السامة.
- يستخدم المولد الكهربائي البخار الفائق التسخين الناتج عن وحدة الغليان لتحريك شفرات التوربينات، مما يسهم في عملية توليد الطاقة الكهربائية.
- يجب تبريد البخار المستخدم في التوربينات وتكثيفه باستخدام مياه مضخوخة من مصادر مائية أو عبر أبراج التبريد المتخصصة.
مصادر توليد الطاقة الكهربائية
- تتعدد مصادر توليد الطاقة الكهربائية وسنستعرض أبرزها كالتالي:
1- مصادر حرارية
- تستخدم معظم محطات توليد الطاقة الكهربائية الوقود لتسخين المياه وإنتاج البخار الضروري لاستكمال دورة توليد الكهرباء المعروفة باسم دورة رانكن.
- يتم تنظيم عمل المحطات بموجب القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
- تشير النتائج إلى أن المحطات الكهربائية لا تستطيع تحويل طاقتها الحرارية إلى كهرباء بكفاءة عالية.
2- الوقود الحفري
- تقوم محطات توليد الطاقة الكهربائية بحرق أنواع الوقود الحفري مثل النفط والفحم لإنتاج بخار الماء اللازم لتوليد الكهرباء.
- تعمل محطات الغاز على تشغيل التوربينات بواسطة الغازات الناتجة عن الحرق، مما يؤدي إلى دوران الشفرات.
- تستخدم المحطات المركبة مولدًا بخاريًا لزيادة إنتاج الكهرباء.
- في عام 2017، تم إنتاج حوالي 64.5% من استهلاك العالم للكهرباء من الوقود الحفري.
3- الوقود النووي
- تشترك محطات الطاقة النووية في العملية مع محطات توليد الكهرباء التي تستخدم الوقود الحفري، إلا أنها تعتمد على حرارة الأنشطة النووية بدلاً من حرق الوقود.
- تتميز محطات الوقود النووي بأنها تنتج انبعاثات أقل تضر بالبيئة مقارنة بمحطات الوقود الحفري.
- تحتاج المحطات النووية إلى كميات أقل من الوقود مقارنة بالمدارس الأخرى التقليدية لتوليد الكهرباء.
4- مصادر متجددة
- المحطات التي تعمل بمصادر الطاقة المتجددة تعتمد على مصادر طاقة لا تنفذ، ولكنها قد تكون متقطعة في إنتاجها.
- تحتاج هذه المحطات إلى مواقع مناسبة لإنتاج الطاقة وتوليد الكهرباء بشكل مستدام.
أمثلة على مصادر الطاقة المتجددة
1- طاقة المياه
- تُنتج الطاقة الكهرومائية بتخزين كميات كبيرة من المياه في السدود، ثم تمليها لتدفق المياه عبر التوربينات المائية.
- تعتبر الطاقة الكهرومائية مصدرًا صديقًا للبيئة، ويمكن الاستفادة من الأنهار الجارية لإنتاج كميات كبيرة من الطاقة.
- تتطلب هذه الطريقة اختيار المواقع المناسبة لبناء السدود ومحطات توليد الطاقة الكهرومائية.
- تشكل الطاقة الكهرومائية أحد المصادر المتجددة الهامة في حياة الإنسان.
