تحولات الطاقة في المولد الكهربائي
كيف يعمل المولد الكهربائي
لفهم آليات توليد الطاقة، يجب فقط إلقاء نظرة واسعة على خصائص الطاقة وأجزاء المولد الكهربائي التي تحكم العالم من حولنا، فكل ما يتحرك أو يلمع، سواء كان عضويا أو صناعيا، يتم تحويله إلى نوع آخر من الطاقة، فجسم الإنسان يحول الطعام والمغذيات إلى طاقة بدنية، والراديو يحول التيارات الكهربائية إلى طاقة صوتية، وحتى الكم الهائل من الكهرباء المتاحة للجمهور يأتي من مصادر أخرى .
مثلًا، يحول سد هوفر سحب المياه (الطاقة الكهرومائية) إلى طاقة كهربائية لمدينة لاس فيجاس بأكملها والمناطق المحيطة بها، وتعمل مولدات الغاز والديزل على نفس المبدأ البسيط، حيث تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
تشبه طريقة عمل المولد إلى حد كبير طريقة عمل السيارة ، و تعمل المكونات الميكانيكية بنفس الطريقة تقريبًا، مثل سيارتك اليومية ، يستخدم المولد بطارية قابلة لإعادة الشحن للخدمة الشاقة لبدء مستوى الطاقة الأساسي و الحفاظ عليه، المولد مجهز أيضًا بخزان وقود يوفر لمحركه الموارد اللازمة لإنتاج الطاقة الميكانيكية.
تعمل معظم المولدات على نفس أنواع الوقود مثل السيارات ، على الرغم من توفر المزيد من الخيارات، غالبًا ما تعمل أنواع المنازل الصغيرة بالبنزين ، لكن المولدات الصناعية الأكبر عادة ما تحتوي على محركات ديزل أو غاز طبيعي، بغض النظر عن نوع الوقود ، يعمل المحرك بالتنسيق مع المولد،يحتوي هذا المولد على موصلات كهربائية تتفاعل مع الطاقة الميكانيكية للمحرك و تحولها إلى طاقة كهربائية مفيدة.
كيف تتحول الطاقة في المولد الكهربائي
فيما يتعلق بتحويلات مولد الكهرباء، يعتمد المولد في محطة الطاقة الكهربائية على نفس المبدأ
التيار المباشر
- يُطلق على التيار المباشر الجاري عبر الملفات الموجودة على عمود المولد اسم ملف المجال، وينتج جزءًا من المجال المغناطيسي.
- يتألف الجزء الآخر من التيارات التي تمر عبر الملفات الموجودة على الجزء الثابت من المولد، وتسمى هذه التيارات لف المحرك.
- تم إنشاء الملفين بطريقة معينة، حيث عندما لا يدور المولد، يتم إنتاج تيار في أحدهما لإنشاء مجال مغناطيسي يتقاطع محوريًا مع الآخر.
- تستخدم مولدات صغيرة لتشغيل محركات البنزين والغاز الطبيعي وأنواع الغازات والبروبان
المجال المغناطيسي
- يتم تغيير الحقل المغناطيسي باستخدام ملف المجال مع دوران المولد.
- عندما يتم تدوير ملف المجال بسرعة محددة، يتحرك مجاله المغناطيسي خلف ملفات المحرك (الثابتة)، ويتسبب ذلك في توليد جهد كهربائي في العضو الإنتاجي.
- في حالة كان المولد عبارة عن دائرة مفتوحة، أي لا توجد وصلات بين ملفات المحرك، ستظهر الفولتية المستحثة على أطراف المولد.
التيار المتناوب
- ينتج المولد تيارًا متناوبًا ثلاثي الأطوار في الجزء الثابت، ويدور أيضًا مجال مغناطيسي حول محور المولد بسرعات تعادل تردد التيار.
- عندما يكون المولد متصلاً بشبكة النقل في الظروف العادية، يدور المجال المغناطيسي الناتج عن تيارات المولد بالتزامن مع المجال المغناطيسي الناتج عن لفة الحقل.
- عندما يتوقف دوران عمود المولد، يتم محاذاة المجالين المغناطيسيين تمامًا، ويتم وضع مغناطيسين قضيبين على زجاج عديم الاحتكاك بنفس الاتجاه.
- ومع تطبيق الطاقة، يتحرك العمود ومجاله المغناطيسي قبل المجال المغناطيسي المشترك.
- وبالتالي، يسحب عمود المحرك ومظهر المجال المغناطيسي الخاص به التدفقات المغناطيسية والجهود المستحثة.
- تساعد حركة السحب على ضبط الدوران بين 40 و 75 درجة قبل تشغيل المحرك.
- يشبه تقدم هذه المرحلة إلى حد كبير ما يحدث عندما يدور قضيب مغناطيسي آخر على الجانب الآخر من الزجاج.
- تنتقل الطاقة من العمود ومجاله المغناطيسي إلى المحرك ونظام النقل عن طريق هذه الطريقة.
انتقال الطاقة
- تنتقل الطاقة الكهربائية من المولد إلى المستخدمين عبر المحولات وخطوط الكهرباء.
- نظراً لأن المحولات الكبيرة وخطوط النقل ذات الجهد العالي تم بناؤها لتسبب خسائر منخفضة جداً، لذلك تتمتع بمقاومة منخفضة للتيارات الكهربائية التي تمر عبرها.
- تنشأ مجالات مغناطيسية حول الأسلاك في خطوط النقل والمحولات بفعل تيارات الطاقة التي تمر عبرها.
- هذه المناطق تسبب مقاومة لتدفق التيار.
- مثلا في خطوط نقل الجهد العالي (تلك التي تبلغ حوالي 100 كيلو فولت) ، تكون هذه الممانعة الحثية أكبر من تأثير المقاوم بعامل لا يقل عن 10 وأكثر احتمالاً ، 20 من الطاقة المتدفقة من المعاوقة الحثية لخطوط النقل و المحولات تسبب تأخير المرحلة، أي أن جهد نهاية المستقبل يستمر بعد جهد نهاية الإرسال.
- فيما يتعلق بخطوط النقل والمحولات، تترتب عمليات نقل الطاقة بشكل أساسي على مرحلة الجهد من طرف إلى طرف محطات التحويل. يتم ربط المولدات والمحولات والخطوط بنظام الطاقة، وتشمل هذه العملية هياكل موصلة كبيرة تسمى `الحافلات`. يتم في هذه المرحلة إجراء قياسات مثل زوايا طور الجهد لدخول الطاقة إلى الشبكة أو الدائرة. يجب أن تكون كل حافلة متصلة بالحافلات الأخرى قليلا، وهذا يشبه حقيقة أنه لكي يمر الهواء من مكان إلى آخر في نظام الطقس، يجب أن يكون هناك فرق ضغط بين النقطتين.
- كما و تعمل أربع شبكات طاقة كبيرة في أمريكا الشمالية على أنظمة نقل متزامنة تعمل بمعدل 60 دورة في الثانية،ثلاث من الشبكات المتنافسة هي وصلات بينية لمختلف المرافق ، الرابع ، كيبيك ، يتعلق فقط بمياه كيبيك، توجد شبكات أصغر أخرى في ألاسكا و هاواي و المكسيك و بورتوريكو و أماكن أخرى.
المخرجات الكهربائية لمولدات الغاز و الديزل
قوة إخراج المولد تقاس بالكيلوواط، بالإضافة إلى أهمية الغازات. هذا مصطلح مألوف ولكنه يهدف إلى نقل معنى واضح للكثير من الأشخاص. فما هي الكيلوواط بالضبط؟ لفهم هذا المفهوم بوضوح، نحتاج إلى تبسيط القياس
1 كيلوواط = 1000 واط، و 1 واط = 1 جول في الثانية
قلل من ذلك أكثر:
1 جول = 1 أمبير يمر خلال 1 أوم في الثانية
- ببساطة، الأمبير هو وحدة قياس الشحنة الكهربائية
- و الأوم هو مقياس للمقاومة
- يشير مصطلح الجول إلى مقدار الشغل الذي يحتاجه الحمل للتحرك في مستوى معين من المقاومة.
- يمكن أن يساعد تخيل مسامير صغيرة تكافح لدفع مجال مغناطيسي في رؤية قياس الطاقة هذا.
- في المولد، تتحول الطاقة الميكانيكية التي تدخله إلى تيار متناوب (AC) نتيجة للتفاعل الكهرومغناطيسي، ويتم إطلاق هذا التيار ككهرباء.
- لهذا السبب، تسمى المقابس الموجودة على الأجهزة الإلكترونية المنزلية محولات التيار المتردد.
- كما توقعت، كلما زادت الشحنات (الأمبيرات) التي يمكن أن تمر عبر مجال المقاومة (أوم) في الثانية، زادت قوة المولد.
- تكون المولدات الصناعية كبيرة جدًا لأنها تستطيع توليد عدد كبير من الكيلو واط لتوفير الكمية الطاقة المطلوبة للمباني الكبيرة أو الآلات الثقيلة.
- يجب على الناس شراء مولدًا، سواء كان الغرض منه كمصدر احتياطي أو كمصدر أساسي للطاقة، ويجب التأكد من اختيار منتج كبير بما فيه الكفاية لتلبية الاحتياجات الفردية للطاقة.