فكرة عمل المولد الكهربائي

• ١ المولِّد الكهربائي
• ٢ آليّة عمل المولِّد الكهربائي
• ٣ الطاقة الكهربائيّة
• ٤ المراجع

المولّد الكهربائي جهاز يقوم بتوليد الكهرباء عن طريق الطاقة الميكانيكية، وتُستخدم طريقة الحث الكهرومغناطيسي عادةً من أجل ذلك. الحث الكهرومغناطيسي يتمّ عن طريق تحريك ملف سلكي حول قضيب ثابت ذو مجال كهربائي، ويتم ذلك إمّا عن طريق مغناطيس أو مغناطيس كهربائي، ووفقاً لقانون فاراداي؛ فإنَّ ذلك يؤدّي إلى إنشاء تيّار كهربائي داخل الملف، والذي يمكن أن يُستخدم لتشغيل الآلات أو شحن البطاريات. إنّ أحد مصادر الطاقة الميكانيكية هي المحرّكات البخاريّة، والمياه التي تجري في التوربينات أو النواعير إضافةً لمحركات الاحتراق الداخلي، والكرنك اليدوي، وتوربينات الرياح، والهواء المضغوط، والطاقة الشمسية، وغيرها الكثير. يُعدّ المولِّد الكهربائي أساس المجتمع الكهربائي الحديث، وإذا توقّفت المولِّدات الكهربائية عن العمل؛ فإنَّ ذلك سيؤدّي إلى تدهوُر الاقتصاد بشكلٍ كبير.[١]

إنَّ أوّل من قام بصناعة المولِّد الكهربائي هو المُهندس المَجَري أنيوس جيدلك؛ حيثُ قام بصناعة مولِّد كهربائي بسيط في الفترة ما بين 1827م و 1830م، وبعد ستّ سنوات؛ قام العالم وارنر فون سيمنس (ألماني الجنسيّة)، والعالم تشارلز يتستون (بريطاني الجنسيّة)، بإعادة صناعة المولِّد الكهربائي من جديد، وقد أصبح اسم هذين العالمين مُرتبطاً بكونهما هما من اخترعا المولِّد الكهربائي، مع أنَّ أوّل من قام بصناعته هو العالم المجري أنيوس جيدلك وليس هذين العالِمَين.[١] لم يُستخدم المولِّد الكهربائي في مجال الصناعة إلّا بعد عام 1882م، حيثُ لم يكن صالحاً للاستخدام في هذا المجال قبل ذلك؛ إلّا أنَّ اكتشافات العالم نيكولا تيسلا في إمكانيّة جعل المجال المغناطيسي يدور قد طَوّرت من المولِّد الكهربائي بشكل كبير. تمَّ إدخال الكهرباء إلى الولايات المُتّحدة في التسعينات من القرن العشرين، والذي كان سبباً رئيساً في قيام الثورة الصناعيّة الثانية، والتي لعبت الكهرباء فيها دوراً كبيراً.[١]

تُوجد مولدات كهربائية بجميع الأحجام التي يمكن تصوُّرها؛ من مولّدات بقدرة 3-6 واط لتشغيل أضواء الدرّاجات إلى المولدات الكهرومائية الموجودة في سدّ الممرات الثلاث في الصين، والتي تقوم بإنتاج حوالي 22.5 جيجا واط من الطاقة. إنَّ الإنتاج العالمي للطاقة الكهربائيّة يبلغ حوالي 20000 تيرا واط/الساعة، حوالي 66٪ منها تُولَّد عن طريق الحرارة (حرق الوقود الأحفوري)، و 16٪ من خلال الطاقة المائية، و 15٪ من خلال الطاقة النوويّة، أمّا ال2٪ المُتبقّية فيتمّ إنتاجها من خلال مصادر الطاقة المُتجدّدة كطاقة الرياح أو الطاقة الشمسية. لأسباب بيئيّة وصحيّة؛ فإنّه يجري التوسُّع عالميّاً في إنتاج الكهرباء عن طريق الطاقة المائيّة، والطاقة النوويّة، ومصادر الطاقة المُتجددة، والتقليص من إنتاج الكهرباء بواسطة الوقود الأحفوري.[١]

بعدَ اكتشاف العالم فاراداي أنَّ عمليّة تغيير المجال المغناطيسي العمودي على سلك موصِل للكهرباء يؤدّي إلى إنشاء فرق جهد كهربائي في هذا السلك، وإذا كان السلك يُشكّل دارّةً مُغلقة، فإنَّ هذا سوف يؤدّي إلى مرور تيار كهربائي من خلاله، والنتيجة الطبيعية هي أنَّ التيّار الكهربائي عندما ينتقل عبر موصِل يؤدّي إلى إنتاج مجال مغناطيسيّ، وهذا هو مبدأ عمل المغناطيس الكهربائي. استطاع فاراداي أن يكتشف أنّه عندما يتم لفّ الأسلاك على شكل لفائف، فإنَّ فرق الجهد الكهربائي النّاتج (وبالتالي مقدار التيّار الكهربائي) يتناسب بشكل طردي مع عدد لفّات الملف، كما أنّه يتناسب طرديّاً أيضاً مع مُعدَّل التغيُّر في المجال المغناطيسي.[٢]

تتكوّن معظم المولِّدات من عنصرين يعملان معاً من أجل إنتاج الكهرباء. يتمّ إنشاء التيّار الكهربائي في الجزء الثابت، وهو الجزء الحديديّ الموجود في المركز، والذي يُلَفّ حوله الملف الفلزّي والذي يتم وصله بالمولِّد الكهربائي. يدور العضو الدوّار (بالإنجليزيّة: Rotor) حول الجزء الثابت، وذلك يؤدّي إلى إنتاج المجال المغناطيسي المُتغيِّر. العضو الدوّار في المولِّدات الكهربائيّة المُستخدمة في المنازل -والتي تكون صغيرة عادةً- تحتوي في غالب الأحيان على مغناطيس، ولكن في المولِّدات الكبيرة، مثل تلك الموجودة في محطّات توليد الكهرباء، فإنَّ عمليّة إنتاج المجال المغناطيسي تتمّ عن طريق ملفّات حثّيّة ثانويّة، وفي كل مرّة يكمل الجزء الدوار نصف دورة، فإنَّ قطبيّة فرق الجهد الكهربائي تختلف؛ حيثُ إنَّ المولِّدات الكهربائيّة تنتج تيّاراً كهربائيّاً مُتردِّداً.[٢]

إنَّ المولِّدات الصغيرة عادةً تحتوي على مُحرِّكات تعتمد على وقود السيّارات من أجل تدوير العضو الدوّار، ويكون ذلك كافٍ لإنتاج قُدرة كهربائيّة بمُعدَّل 5 كيلوواط، أمَّا المولِّدات الكبيرة، فمُحرِّكاتها تعتمد على وقود الديزل أو البروبان، ويكفي ذلك لإنتاج قدرة كهربائيّة بمُعدَّل 10 كيلوواط أو أكثر. أمّا المولِّدات المُستخدمة من قِبَل الحكومات في توزيع الكهرباء على مُدُن بأكملها، فهي تعتمد على قوّة البُخار من أجل تدوير توربينات ضخمة، والتي بدورها تقوم بتدوير العضو الدوّار، أمّا طريقة إنتاج البُخار، فهي تكمن في تسخين الماء بواسطة الحرارة الناتجة من حرق الوقود الأحفوري، أو من خلال الإنشطار النووي.[٢]

تنشأ الطاقة الكهربائية من خلال تدفُّق الإلكترونات، وغالباً ما يُسمّى تدفُّق الإلكترونات بالتيّار الكهربائي، والذي يمرّ من خلال مادّة موصلة مثل السلك، وتعتمد كميّة الطاقة الكهربائية التي يتم إنشاؤها على كميّة الإلكترونات المُتدفّقة بالإضافة إلى سُرعة التدفُّق.[٣] الطاقة يمكن أن تكون إما طاقة وضع أو طاقة حركيّة؛ فعلى سبيل المثال، يُعتبر الفحم ذا طاقة وضع إلى أن يتمّ حرقه؛ حيثُ يصبح ذا طاقة حركيّة. للطاقة الكهربائيّة أشكال متعدّدة وطرق مختلفة لإنتاجها، منها:[٣]

• الطاقة الكيميائية: تُعدّ هذه الطاقة طاقة وضع (قابلة للتخزين). إنَّ عمليّة إنتاج هذه الطاقة من أنواع الوقود الكربونيّة التي تتطلَّب عادةً حدوث احتراق؛ كاحتراق الفحم، أو النفط، أو الغاز الطبيعي، أو الكُتل الحيويّة كالخشب.
• الطاقة الحرارية: إنّ أحد مصادر الطاقة الحرارية هي الحرارة الناشئة من الينابيع الحارّة في باطن الأرض، إضافةً لاحتراق الوقود الأحفوري أو الكُتل الحيويّة، أو بعض العمليّات الصناعية.
• الطاقة الحركيّة: الطاقة الحركية هي عبارة عن طاقة يكتسبها الجسم من الحركة، ومن الأمثلة عليها هي حركة الماء في المد والجزر أو تدفّقها في الأنهار، أو عندما يقوم الهواء بتحريك التوربينات الرياحيّة عند هبوبه.
• الطاقة النووية: هذا الشكل من أشكال الطاقة يكون مُخزّناً في الروابط الموجودة داخل الذرّات والجزيئات، وعند إنتاجها يمكن أن تبعث نشاطاً إشعاعيّاً وحرارة (طاقة حرارية).
• طاقة شمسية: تُشع هذه الطاقة من الشمس، ويمكن التقاط أشعّة الشمس الضوئيّة بواسطة الألواح الضوئيّة أو أشباه المواصلات. يمكن استخدام المرايا من أجل تركيز الطاقة، كما وتُعدّ حرارة الشمس أيضاً مصدراً للحرارة.
• طاقة الدوران: تنشأ هذه الطاقة عن طريق الدوران، والتي تنتج عادةً من قبل الأجهزة الميكانيكية كالحذافات.