تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية

ماذا نعني بعملية تحويل الطاقة؟

نقل الطاقة: هو تحويل الطاقة من الأشكال التي توفرها الطبيعة إلى الأشكال التي يمكن للبشر استخدامها. نقل أو تحويل الطاقة هو حركة الطاقة من مكان إلى آخر. على سبيل المثال، عندما تنتقل الكهرباء من قابس الحائط، عبر الشاحن إلى البطارية. يتم تحويل الطاقة عندما تتغير الطاقة من شكل إلى آخر، كما هو الحال في السد الكهرومائي الذي يحول الطاقة الحركية للمياه إلى طاقة كهربائية.

بينما يمكن نقل الطاقة أو تحويلها، فإنّ المقدار الإجمالي للطاقة لا يتغير وهذا ما يسمى بمبدأ الحفاظ على الطاقة أو “حفظ الطاقة”. يمكن أن يتغير نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر من الطاقة. يعني تحويل الطاقة تغيير الطاقة من نوع إلى آخر، على سبيل المثال التحويل من الطاقة الحركية إلى الطاقة الكهربائية، أو من الطاقة الكامنة إلى الطاقة الحركية. على مر القرون، تمّ تطوير مجموعة واسعة من الأجهزة والأنظمة لهذا الغرض. بعض محولات الطاقة هذه بسيطة للغاية.

على سبيل المثال، حولت طواحين الهواء المبكرة الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة ميكانيكية لضخ المياه وطحن الحبوب. تعتبر أنظمة تحويل الطاقة الأخرى أكثر تعقيداً، لا سيما تلك التي تأخذ الطاقة الخام من الوقود الأحفوري والوقود النووي لتوليد الطاقة الكهربائية. تتطلب الأنظمة من هذا النوع خطوات أو عمليات متعددة تخضع فيها الطاقة لسلسلة كاملة من التحولات من خلال أشكال وسيطة مختلفة.

أنواع تحويلات الطاقة:

هناك أنواع مختلفة من الطاقة في كل مكان حولنا ويمكن تحويل مصادر الطاقة هذه من شكل إلى آخر:

• يمكن تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة حرارية.

• يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية وطاقة ضوئية وطاقة حرارية وغيرها.

• يمكن تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

• يمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة تسخين.

• يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، طاقة كامنة، وغيرها.

• يمكن تحويل الطاقة النووية إلى طاقة ضوئية وطاقة حرارية.

• يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية وطاقة كيميائية وطاقة كهربائية.

• يمكن تحويل طاقة الجاذبية الكامنة إلى طاقة حركية.

ما الذي يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية؟

أدرك العالم البريطاني “مايكل فاراداي” العلاقة بين المجالات المغناطيسية والكهرباء لأول مرة في عام 1831م. ولاحظ أنّه عندما يتحرك المغناطيس عبر ملف من النحاس، يتدفق التيار عبر الأسلاك. يحدث الشيء نفسه إذا تم تحريك الأسلاك وكان المغناطيس ثابتاً. كل ما يهم هو أنّ هناك حركة في مجال مغناطيسي، ممّا يسمح بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. لا تزال هذه الملاحظة البسيطة هي الأساس لكيفية توليد الكهرباء حول العالم اليوم.

لتكرار هذه العملية في صورة مصغرة، يمكننا استخدام أسلاك نحاسية دوارة ومغناطيس يومي. في هذا النطاق، يكون التيار الكهربائي المستحث صغيراً جداً ولا يكفي حتى لتشغيل ضوء (LED). ومع ذلك، يظهر مقياس التيار الكهربائي الجهد الصغير الذي يمر على طول الأسلاك. هذا ممكن بسبب العلاقة بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية.

كيف تعمل حركة الإلكترونات على توليد الكهرباء؟

تم العثور على مفتاح كيفية تحويل الحقول المغناطيسية للحركة إلى تيارات كهربائية في الذرات. يتكون قلب كل ذرة محايدة من نيوترونات ثابتة وبروتونات، مع إلكترونات تدور حولها. ومع ذلك، مع إدخال القوة الخارجية، يمكن تحفيز الإلكترونات، مما يؤدي إلى انفصالها عن الذرة وإطلاق تفاعل متسلسل يحرر الإلكترونات الأخرى، مما يؤدي بدوره إلى توليد تيار كهربائي.

يمكن أن يوفر المغناطيس هذه القوة الخارجية. فمرور المجال المغناطيسي عبر الأسلاك النحاسية، على سبيل المثال، يكسر الإلكترونات من ذراتها النحاسية ويرسلها متدفقة في اتجاه واحد. تُعد المعادن جيدة في توصيل الكهرباء لأنّ ذراتها تمتلك إلكترونات أكثر مرونة من المواد مثل الخشب أو الزجاج، مما يسهل على المجال المغناطيسي تحريرها.

تؤثر السرعة التي يمر بها المجال المغناطيسي عبر الذرات على عدد الإلكترونات المنفصلة عنها. إذا تم وضع المزيد من الطاقة الحركية في المغناطيس ومرت عبره بشكل أسرع، فسيتم تحرير المزيد من الإلكترونات والمزيد من التدفقات للتيار.

توليد الطاقة التدريجي – Scaling generation up:

هذا هو المبدأ البسيط للمغناطيس والمعادن والحركة الذي يمد معظم العالم بالطاقة، ولكن في محطات الطاقة يتم توسيع نطاقه وتحسينه لتوفير كميات هائلة من الطاقة الكهربائية. يحتوي كل مولد من مولدات (Drax) التي تزيد طاقتها عن (600) ميغاواط على دوار يبلغ (120) طناً، والذي يعمل كمغناطيس كهربائي قوي جداً. يوجد هذا داخل الجزء الثابت الذي يزن (300) طن ويحتوي على (84) قضيباً نحاسياً بطول (11) متراً.

الجهاز الذي يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية:

المولد الكهربائي – Electric generator:

المولد الكهربائي: هو جهاز يحول شكلاً من أشكال الطاقة ومنها الطاقة الحركية إلى كهرباء. هناك أنواع مختلفة من مولدات الكهرباء. يأتي معظم توليد الكهرباء في العالم من المولدات التي تستند إلى اكتشاف العالم “مايكل فاراداي” في عام 1831م، إنّ تحريك المغناطيس داخل ملف من الأسلاك يصنع (يحفز) تياراً كهربائياً يتدفق عبر السلك.

لقد صنع “فاراداي” أول مولد كهربائي يسمّى “قرص فاراداي”، والذي يعمل على هذه العلاقة بين المغناطيسية والكهرباء والذي أدى إلى تصميم المولدات الكهرومغناطيسية التي نستخدمها اليوم.

تستخدم المولدات الكهرومغناطيسية مغناطيساً كهربائياً “مغناطيساً تنتجه الكهرباء” وليس مغناطيساً تقليدياً. يحتوي المولد الكهرومغناطيسي الأساسي على سلسلة من الملفات المعزولة من الأسلاك التي تشكل أسطوانة ثابتة تسمى الجزء الثابت (stator) تحيط بعمود كهرومغناطيسي يسمى الدوّار (rotor). يؤدي تدوير الدوار إلى تدفق تيار كهربائي في كل قسم من أجزاء الملف السلكي، والذي يصبح موصلاً كهربياً منفصلاً.

تتحد التيارات في الأقسام الفردية لتشكل تياراً كبيراً واحداً. هذا التيار هو الكهرباء التي تنتقل من المولدات عبر خطوط الكهرباء إلى المستهلكين. تمثل المولدات الكهرومغناطيسية التي يقودها المحرك الرئيسي الحركي (الميكانيكي – kinetic) أداة لتوليد الكهرباء في الولايات المتحدة والعالم تقريباً.

مولدات تعمل بالتوربينات – Turbine driven generators:

يتم توليد معظم الكهرباء في الولايات المتحدة والعالم من محطات الطاقة الكهربائية التي تستخدم التوربينات لتشغيل مولدات الكهرباء. في مولد التوربينات، يدفع مائع متحرك “مثلاً ماء أو بخار أو غازات احتراق أو هواء”، سلسلة من الشفرات المركبة على عمود دوار. قوة السائل على الشفرات تدوّر (spins / rotates) عمود الدوران للمولد.

يقوم المولد بدوره بتحويل الطاقة الميكانيكية (الحركية) للعضو الدوّار إلى طاقة كهربائية. هناك أنواع مختلفة من التوربينات، مثل: التوربينات البخارية وتوربينات الاحتراق (الغازية) والتوربينات الكهرومائية وتوربينات الرياح.