أنواع محطات توليد الطاقة الكهربائية
Generation of Electrical Energy Types
عملية توليد أو إنتاج الطاقة الكهربائية هى عملية تحويل الطاقة من شكل إلى آخر حسب مصادر الطاقة المتوفرة فى مراكز الطلب على الطاقة الكهربائية بحسب الكميات المطلوبة لهذه الطاقة ، والاشياء التى تحدد أنواع محطات التوليد وكذلك أنواع الاستهلاك وأنواع الوقود ومصادرة كلها تؤثر فى تحديد نوع المحطة ومكانها وطاقتها .
أنواع محطات التوليد :
- محطات التوليد البخارية .
- محطات التوليد النووية .
- محطات التوليد المائية .
- محطات التوليد من المد والجزر .
- محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلى ( ديزل – غازية ) .
- محطات التوليد بواسطة الرياح .
- محطات التوليد بالطاقة الشمسية .
محطات التوليد البخارية :
تعتبر محطات التوليد البخارية محولا للطاقة ( Energy Con – verter )، وتستعمل هذه المحطات أنواع مختلفة من الوقود حسب الأنواع المتوفرة مثل الفحم الحجرى أو البترول السائل أو الغاز الطبيعى أو الصناعى ، وتمتاز المحطات البخارية بكبر حجمها ورخص تكاليفها بالنسبة لإمكاناتها الضخمة كما تمتاز بإمكانية استعمالها لتحلية المياه المالحة ، الأمر الذى يجعلها ثنائية الإنتاج خاصة فى البلاد التى تقل فيها مصادر المياه العذبة .
اختيار مواقع المحطات البخارية :
تتحكم فى اختبار المواقع المناسبة لمحطات التوليد البخارية عدة عوامل نذكر منها ما يلى :
- القرب من مصادر الوقود وسهولة نقله إلى هذه المواقع وتوفير وسائل النقل الاقتصادية .
- القرب من مصادر مياه التبريد لأن المكثف يحتاج إلى كميات كبيرة من مياه التبريد لذلك تبنى هذه المحطات عادة على شواطئ البحار أو بالقرب من مجارى الأنهار .
- القرب من مراكز استهلاك الطاقة الكهربائية لتوفير تكاليف إنشاء خطوط النقل ومراكز الاستهلاك هى عادة المدن والمناطق السكنية والمجمعات التجارية والصناعية .
وتعتمد محطات التوليد البخارية على استعمال نوع الوقود المتوفر وحرقه فى أفران خاصة لتحويل الطاقة الكيميائية فى الوقود إلى طاقة حرارية فى اللهب الناتج من عملية الاحتراق ثم استعمال الطاقة الحرارية فى تسخين المياه فى مراحل خاصة Boilers وتحويلها إلى بخار فى درجة حرارة وضغط معين ثم تسليط هذا البخار على توربينات بخارية صممت لهذه الغاية فيقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية على محور هذه التوربينات ويربط محور المولد الكهربائى ربط مباشرا مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائى بنفس السرعة وباستغلال خاصة المغناطيسية الدوارة Rotor من المولد والجزء الثابت Stator منه تتولد على طرفى الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة ، ولا يوجد فوارق أساسية محطات التوليد البخارية التى تستخدم أنواع الوقود المختلفة إلا من حيث طرق نقل وتخزين وتناول وحرق الوقود ، وقد كان استخدام الفحم الحجرى شائعا فى أواخر القرن الماضى وأوائل هذا القرن ، إلا أن اكتشاف واستخراج البترول ومنتجاته أحدث تغييرا جذريا فى محطات التوليد الحرارية حيث أصبح يستعمل بنسبه 90% لسهولة نقله وتخزينه وحرقه إن كان بصورة وقود سائل أو غازى .
محطات التوليد البخارية :
تتكون محطات التوليد البخارية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية :
الفرن Furnace
وهو عبارة عن وعاء كبير لحرق الوقود ، ويختلف شكل ونوع هذا الوعاء وفقا لنوع الوقود المستعمل ويلحق به وسائل تخزين ونقل وتداول الوقود التخلص من المخلفات الصلبة .
المرجل Boiler
وهو وعاء كبير يحتوى على مياه نقية تسخن بواسطة حرق الوقود لتتحول هذه المياه إلى بخار ، وفى كثير من الأحيان يكون الفرن والمرجل فى حيز واحد تحقيقا للاتصال المباشر بين الوقود المحترق والماء المراد تسخينه وتختلف أنواع المراجل حسب حجم المحطة وكمية البخار المنتج فى وحدة الزمن .
التوربين Turbine
وهى عبارة عن عنقة من الصلب لها محور ويوصل به جسم على شكل أسطوانى مثبت به لوحات مقعرة مصطدم فيها البخار فيعمل على دورانها ويدور المحور بسرعة عالية جدا حوالى 3000 دورة بالدقيقة وتختلف العنقات فى الحجم والتصميم والشكل باختلاف حجم البخار وسرعته وضغطه ودرجة حرارته ، أى باختلاف حجم محطة التوليد .
المولد الكهربائى Generator
وهو عبارة عن مولد كهربائى مؤلف من عضو دوار مربوط مع محور التوربين وعضو ثابت ويلف العضوين بالأسلاك النحاسية المعزولة لتنقل الحقل المغناطيسيى الدوار وتحوله إلى تيار كهربائى على أطراف العضو الثابت ويختلف شكل هذا المولد باختلاف حجم المحطة .
المكثف Condenser
وهو عبارة عن وعاء كبير من الصلب يدخل إليه من الأعلى البخار الآتى من التوربين بعد أن يكون قد قام بتدويرها وفقد الكثير من ضغطه ودرجة حرارته ، كما يدخل فى هذا المكثف من أسفل تيار من مياه التبريد داخل أنابيب حلزونية تعمل على تحويل البخار الضعيف إلى مياه حيث تعود هذه المياه إلى المراجل مرة أخرى بواسطة مضخات خاصة .
المدخنة Chimney
وهى عبارة عن مدخنة أسطوانية الشكل مرتفعة جدا تعمل على طرد مخلفات الاحتراق الغازية إلى الجو على ارتفاع عالى جدا للإسراع فى طرد غازات الاحتراق والتقليل من تلوث البيئة المحيطة بالمحطة .
الآلات المساعدة Auxiliaries
وهى عبارة عن عدد كبير من المضخات والمحركات الميكانيكية والكهربائية ومنظمات السرعة ومعدات تحميص البخار التى تساعد على إتمام العمل فى محطات التوليد .
محطات التوليد النووية :
محطات التوليد النووية نوعا من محطات التوليد الحرارية لأنها تعمل بنفس المبدأ وهو توليد البخار على تدوير التوربينات التى يدورها الجزء الدوار من المولد الكهربائى من المولد الكهربائى وتتولد الطاقة الكهربائية على أطراف الجزء الثابت من هذا المولد ، والفرق فى محطات التوليد النووية أنه بدل الفرن الذى يحترق فيه الوقود يوجد مفاعل ذري تتوليد فيه الحرارة نتيجة انشطار ذرات اليورانيوم بضربات الإلكترونات المتحركة فى الطبقة الخارجية للذرة وتستغل هذه الطاقة الحرارية الهائلة فى غليان المياه فى المراجل وتحويلها إلى بخار ذى ضغط عالى ودرجة مرتفعة جدا وتحتوى محطة التوليد النووية على الفرن الذرى الذى يحتاج إلى جدار عازل من الإشعاع الذرى وهو يتكون من طبقة من الحجر النارى وطبقة من المياه وطبقة من الحديد الصلب ثم طبقة من الأسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين فى المحطة والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذرية .
وجدير بالذكر أن أول محطة توليد جرارية نووية فى العالم نفذت فى عام 1954 وكانت فى الاتحاد السوفيتى بطاقة 5 ميجاواط ، ومحطات التوليد النووية غير مستعملة فى البلاد العربية حتى الآن ، ولكن محطات التوليد الحرارية البخارية مستعملة بصورة كثيفة على البحر الأحمر والبحر الأبيض المتوسط والخليج العربى فى توليد الكهرباء ولتحلية المياه المالحة .
محطات التوليد المائية :
توجد المياه فى أماكن مرتفعة كالبحيرات ومجارى الأنهار لذلك يمكن التفكير بتوليد الطاقة ، خاصة إذا كانت طبيعة الأرض التى تهطل فيها الأمطار أو تجرى فيها الأنهار الجبلية ومرتفعة ففى هذه الحالات يمكن توليد الكهرباء من مساقط المياه ، أما إذا كانت مجارى الأنهار ذات انحدار خفيف فيقتضى عمل سدود فى الأماكن المناسبة من مجرى النهر لتخزين المياه ، تنشاء محطات التوليد عادة بالقرب من هذه السدود كما هو الحال فى مجرى نهر النيل ، وقد بنى السد العالى وبنيت معه محطة توليد كهرباء بلغ قدرتها المركبة 1800 ميجاواط ، وعلى نهر الفرات فى شمال سوريا بنى سد ومحطة توليد كهرباء بلغت قدرتها المركبة 800 ميجاواط .
أما إذا كانت مجري النهر منحدرا انحدار كبيرا فيمكن عمل تحورة فى مجري النهر باتجاه أحد الوديان المجاورة وعمل شلال اصطناعى ، هذا بالإضافة إلى الشلالات الطبيعية التى تستخدم مباشرة لتوليد الكهرباء كما هو فى شلالات نياغرا بين كندا والولايات المتحدة ، وبصورة عامة أن أية كمية من المياه موجودة على ارتفاع معين تحتوى على طاقة كامنة فى موقعها ، فإذا هبطت كمية المياه إلى ارتفاع ادنى تحولت الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية وإذا سلطت كمية المياه على توربينة مائية ذادت بسرعة كبيرة وتكونت على محور التوربينة طاقة ميكانيكية ، وإذا ربطت التوربينة مع محور المولد الكهربائى تولد على أطراف العضو الثابت من المولد طاقة كهربائية .
محطات التوليد المائية :
تتكون محطة توليد الكهرباء المائية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية :
مساقط المياه Penstock
وهو عبارة عن أنبوب كبير أو أثكر يكون فى أسفل السد أو من أعلى الشلال إلى مدخل التوربينة وتسيل فى المياه بسرعة كبيرة ، يوجد بوابة فى أوله ( بوابة ) آخر فى آخره للتحكم فى كمية المياه التى تدور التوربينة .
وتجدر الإشارة إلى أن السدود وبوابات التحكم وأقنية المياه الموصلة للأنابيب المائلة تختلف حسب كمية المياه وأماكن تواجدها .
التوربين Turbine
تكون التوربينة والمولد عادة فى مكان واحد مركبين على محور رأسى واحد ، يركب المولد فوق التوربينة ، وعندما تفتح البوابة فى أسفل الأنابيب المائلة تتدفق المياه بسرعة كبيرة فى تجاويف مقعرة فتدور بسرعة وتدير معها العضو الدوار فى المولد حيث تتولد الطاقة الكهربائية على أطراف هذا المولد .
أنبوبة السحب Draught Tubes
بعد أن تعمل المياه المتدفقة فى تدوير التوربين فلابد من سحبها للخارج بسرعة حتى لا تعوق الدوران ، لذا توضع أنابيب بأشكال خاصة لسحبها للخارج بالسرعة اللازمة .
الآلات المساعدة Auxiliaries
تحتاج محطات التوليد المائية إلى العديد من الآلات المساعدة مثل المضخات والبوابات والمفاتيح ومعدات تنظيم سرعة الدوران وغيرها .
محطات التوليد من المد والجزر :
المد والجزر من الظواهر الطبيعية المعروفة عند سكان سواحل البحار ، فهم يرون مياه البحر ترتفع فى بعض ساعات اليوم وتنخفض فى البعض الآخر ، وقد لا يعلمون أن هذا الإرتفاع ناتج عن جاذبية القمر عندما يكون قريبا من هذه السواحل وآن ذلك الانخفاض يحدث عندما يكون القمر بعيدا عن هذه السواحل ، أى عندما يغيب القمر ، علما بأن القمر يدور حول الأرض فى مدار بيضاوي الشكل دورة كل شهر هجرى ، وأن الأرض تدور حول نفسها كل أربع وعشرين ساعة ، فإذا ركزنا الانتباه على مكان معين ، وكان القمر ينيرة فى الليل ، فهذا معناه أنه قريب من ذلك المكان وأن جاذبيته قوية ، لذا ترتفع مياه البحر ، وبعد مضى أثنى عشرة ساعة من ذلك الوقت ، يكون القمر بالجزء المقابل فطريا ، أى بعيدا عن المكان ذاته بعدا زائدا بطول قطر الكرة الأرضية فيصبح اتجاه جاذبية القمر معاكسة وبالتالى ينخفض مستوى مياه البحر .
محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلى :
محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلى هى عبارة عن الآت تستخدم الوقود السائل Fuel Oil حيث يحترق داخل غرف احتراق بعد مزجها بالهواء بنسب معينة ، فتتولد نواتج الاحتراق وهى عبارة عن غازات على ضغط مرتفع تستطيع تحريك المكبس كما فى حالة ماكينات الديزل أو تستطيع تدوير التوربينات حركة دورانية كما فى حالة التوربينات الغازية .
توليد الكهرباء بواسطة الديزل :
تسعتمل ماكينات الديزل فى توليد الكهرباء فى أماكن كثيرة فى دول الخليج وخاصة فى المدن الصغيرة والقرى ، وهى تمتاز بسرعة التشغيل وسرعة الإيقاف ولكنها تحتاج إلى كمية مرتفعة من الوقود نسبيا وبالتالى فإن تكلفة الطاقة المنتجة منها تتوقف على أسعار الوقود ، ومن ناحية أخرى لا يوجد منها وحدات ذات قدرات كبيرة ، وهذه المولدات سهلة التركيب وتستعمل كثيرا فى حالات الطوارئ أو أثناء فترة ذروة الحمل ، وفى هذا الحالة عمل عادة عدد كبير من هذه المولدات بالتوازى لسد احتياجات مراكز الاستهلاك .
توليد الكهرباء بالتوربينات الغازية :
تعتبر محطات توليد الكهرباء العاملة بالتوربينات الغازية حديثة العهد نسبيا ويعتبر الشرق الأوسط من أكثر البلدان استعمالا لها ، وهى ذات سعات وأحجام مختلفة من 1 ميجاوات إلي 250 ميجاوات ، تستعمل عادة أثناء ذروة العمل فى البلدان التى يوجد فيها محطات توليد بخارية أو مائية ، علما أن فترة إقلاعها وإيقافها تتراوح بين دقيقتين وعشرة دقائق .
وفى معظم الشرق الأوسط ، وخاصة فى المملكة العربية السعودية ، فتستعمل التوربينات الغازية لتوليد الطاقة طوال اليوم بما فيه فترة الذروة ، ونجد اليوم فى الأسواق وحدات متنقلة من هذه المولدات لحالات الطوارئ مختلفة الأحجام والقدرات .
تمتاز هذه المولدات ببساطتها ورخص ثمنها نسبيا وسرعة تركيبها وسهولة صيانتها وهي لا تحتاج إلى مياه كثيرة للتبريد ، كما تمتاز بإمكانية استعمال العديد من أنواع الوقود ( البترول الخام – الغاز الطبيعى – الغاز الثقيل وغيرها ) وتمتاز كذلك بسرعة التشغيل وسرعة الإيقاف .
وأما عيوبها فهى ضعف المردود الذى يتراوح بين 15 . 25 % كما أن عمرها الزمنى قصير نسبيا وتستهلك كمية أكبر من الوقود بالمقارنة مع محطات التوليد الحرارية البخارية .
محطات التوربينات الغازية :
إن الأجزاء الرئيسية التى تتكون منها محطة التوليد بالتوربينات الغازية هى ما يلى :
ضاغط الهواء The Air Compressor
وهو يأخذ الهواء من الجو المحيط ويرفع ضغطه إلى عشرات الضغوط الجوية .
غرفة الاحتراق The Combustion Cham – ber
وفيها يختلط الهواء المضغوط الآتى من مكبس الهواء مع الوقود ويحترقان معا بواسطة وسائل خاصة بالاشتعال ، وتكون نواتج الاحتراق من الغازات المختلفة على درجات حرارة عالية وضغط مرتفع .
التوربين The Turbine
وهى عبارة عن توربين محورها أفقى مربوط من ناحية مع محور مكبس الهواء مباشرة ومن ناحية أخرى مع المولد ولكن بواسطة صندوق تروس لتخفيف السرعة بسرعة دوران التوربين عالية جدا لا تتناسب مع سرعة دوران المولد الكهربائى ، وتدخل الغازات الناتجة عن الاحتراق فى التوربين فتصطدم بريشها كثيرة العدد من ناحية الضغط المنخفض ( يتسع قطر التوربين من هذه الناحية ) إلى الهواء عن طريق مدخنة .
المولد الكهربائى Generator
يتصل المولد الكهربائى مع التوربين بواسطة صندوق تروس لتخفيف السرعة كما ذكرنا وفى بعض التوربينات الحديثة يقسم التوربين إلى توربينتين واحدة للضغط والسرعة العالية متصلة مباشرة مع مكبس الهواء والثانية تسمى توربينة القدرة متصلة مباشرة مع محور المولد الكهربائى .
الآلات المساعدة Auxiliaries
تحتاج محطات التوربينات الغازية إلى بعض المعدات والآلات المساعدة على النحو التالى :
- مصافى الهواء قبل دخوله إلى مكبس الهواء .
- مساعد التشغيل الأولى وهو أما محرك ديزل أو محرك كهربائى .
- وسائل المساعدة على الاشتعال .
- آلات تبريد مياه لتبريد المحطة .
- معدات قياس الحرارة والضغط فى كل مرحلة من مراحل العمل .
- معدات القياس الكهربائية المعروفة المختلفة .
محطات توليد الكهرباء بواسطة الرياح :
يمكن استغلال الرياح فى الأماكن التى تعتبر مجاري دائمة لهذه الرياح فى تدور مراوح كبيرة وعالية التوليد للطاقة الكهربائية ، وعلى سبيل المثال هناك مدن صغيرة فى الولايات المتحدة وأوروبا تستمد الطاقة الكهربائية اللازمة للإستهلاك اليومى من محطة توليد كهرباء تعمل بالرياح يبلغ طول شفرة مروحتها 25 مترا ، ولا تعجب فقد كانت طواحين الهواء المعروفة قديما فى أوروبا نوعا من استغلال قدرة الرياح فى تدوير حجر الراحى ، وفى هذه الأيام الذى ينتقل على الساحل الشرقى لاسكتلندا يرى العديد من هذه المراوح التى تنتج الطاقة الكهربائية وكذلك المنتزة على الشاطئ الشمالى فى لبنان يرى هذه المراوح ترفع المياه من البحر إلى الملاحات لإنتاج الملح .
محطات التوليد بالطاقة الشمسية :
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلي طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتى التحويل الكهروضوئية والتحويل الحرارى للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمس أو الضوئى مباشرة إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلايا الشمسية ( الكروضوئية ) ، وكما هو معروف هناك بعض المواد التى تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تسمى اشباه الموصلات كالسيليكون والجرامنيوم وغيرها .
وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء فى أواخر القرن التاسع عشر الميلادى حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات .
