مولد الكهرباء و مبدأ عملها
مولد الكهرباء
يعرّف مولّد الكهرباء (بالإنجليزية: Electric Generator) بأنّه آلة تُحوّل الطاقة الميكانيكية أو الكيميائية إلى طاقة كهربائية؛[١] لنقلها وتوزيعها عبر خطوط الكهرباء والاستفادة منها، كما تُستخدم مولّدات الكهرباء في إنتاج الكهرباء اللازمة في وسائل النقل المختلفة والعديد من التطبيقات الأخرى، وتُقسم المولدات الكهربائية إلى نوعين رئيسيين حسب نوع التيّار الذي تُنتجه وهي؛ مولّدات التيار المتناوب (بالإنجليزية: AC Generators) ومولّدات التيار المباشر (بالإنجليزية: DC Generators)، كما يُمكن تصنيف المولّدات بناءً على مصدر الطاقة الميكانيكية التي يتمّ تشغيلها بواسطتها.[٢][٣]
تطورّ المولّدات الكهربائية عبر التاريخ
اكتشف العالم فارادي في الفترة 1831م-1832م أنّ حركة موصل كهربائيّ عمودياً داخل مجال مغناطيسي تولّد فرق جهد بين طرفي الموصل، وهذا ما يُسمّى بمبدأ الحث الكهرومغناطيسي، وسُمّي أول نموذج لتوليد الكهرباء بقرص فاراداي، وكان يُنتج تيّاراً كهربائياً مستمراً بجهد قليل وشدّة تيّار مرتفعة نسبياً، وفي عام 1832م بُني أول نوذج لمولّد كهربائي بناءً على مبدأ الحث الكهرومغناطسي الذي اكتشفه العالم فاراداي، حيث صنع الفرنسي هيبوليت بيكسي آلةً ذات هيكل ثابت تحتوي مجالاً مغناطيسياً قوياً، يدور في داخلها ملف معدنيّ موصل بواسطة ذراع دوران، فكان المجال المغناطيسي يُنتج نبضةً كهربائيةً عند كلّ دورة كاملة يدورها الملف، وتنعكس قيمة التيار عند تبدّل أقطاب المغناطيس أثناء دوران الملفّ في مجاله، ممّا يُنتج تيّاراً كهربائيّاً متردداً، ومن أجل الحصول على تيّار مستمر أضاف هيبوليت بيسكي قطعةً إضافيةً على نموذج المولّد الكهربائي تُسمّى بالمبدّل، لتعكس أقطاب الموصل عند كلّ نصف دورة لتمنع انعكاس التيّار ممّا يؤدّي لتولّد تيار كهربائيّ مستمر.
وُضع نموذج جديد للمولد الكهربائي بعد عام 1854م مغاير للنموذج الأولي الذي يستخدم مجالاً مغناطيسياً دائماً، إذ تمّ استخدام مغناطيسين متقابلين يولّدان مجالاً مغناطيسياً حول الجزء الدوّار في المولّد، ثمّ طوّر العالم الإيطالي أنطونيو باسينوتي التصميمين السابقين للمولد الكهربائيّ لتجنّب أيّة طفرات في التيارات الكهربائية، إذ استبدل الملفّ المُستخدم بملفّ حلقيّ يُنظّم التيّار، واستخدم هذا النموذج مع بداية بناء محطات الطاقة الكهربائية في سبعينيات القرن التاسع عشر.
مبدأ عمل المولّد الكهربائي
يعمل المولّد الكهربائيّ على مبدأ الحث الكهربائي الذي اكتشفه العالم فارادي أثناء تجاربه، حيث توصّل إلى أنّ تحريك موصل كهربائي كالأسلاك النحاسية داخل مجال مغناطيسي يُسبّب فرق جهد كهربائي بين طرفيّ السلك الموصل، ممّا يُحفّز الإلكترونات في السلك النحاسي ويجعلها تتدفقّ مُشكّلةً التيّار الكهربائيّ، ثمّ تطوّرت المولّدات لتحتوي على ملفّ من الأسلاك النحاسية يتمّ إدخالها داخل مجال مغناطيسي كبير لتوليد التيّار الكهربائي بشدة أكبر، إذ يعتمد حجم التيار المتولّد على شدّة المجال المغناطيسي في المولّد، وطول الملفّ الكهربائيّ الموصل، وسرعة دوران الملف داخل المجال المغناطيسي.
مبدأ عمل مولّد التيار المباشر
يدور الملفّ المعدني داخل المجال المغناطيسي لتوليد تيار كهربائيّ، وتُستخدم قطعة إضافية تُسمّى بالمبدّل في مولّد التيار المباشر وظيفتها عكس التيّار المتولّد بعد كلّ نصف دورة للملف، فعند كلّ نصف دورة يتمّ عكس أقطاب الدوران باستخدام المبدّل فيُلغى بذلك انعكاس التيار وتبقى قيمة التيار المتولّد ثابتة.[٧] وفي هذا النوع من المولّدات يكون مصدر المجال مغناطيسي ثابتاً في مكانه، والملفّ هو الجزء المتحرّك في داخل المولّد.[٣]
مبدأ عمل مولّد التيار المتناوب
لا يختلف مبدأ عمل مولّد التيّار المتناوب عن مبدأ عمل مولد التيّار المباشر غير أنّ مولّد التيار المتناوب لا يحتوي على قطعة المبدّل، حيث يمرّ التيار الكهربائيّ المتولدّ داخل المجال المغناطيسي دون عكس اتجاهه، ممّا يُنتج تياراً متغيًَراً في قيمته صعوداً وهبوطاً.[٧] أنواع المولّدات الكهربائية المولّدات التزامنية تعرّف المولّدات التزامنية (بالإنجليزية: Synchronous Generator) بأنّها نوع من المولّدات تعتمد على الحركة المستمرة لتوليد التيّار الكهربائيّ، والأجزاء الرئيسية في هذا النوع من المولّدات هي الجزء الدوّار (بالإنجليزية: Rotor) والجزء الثابت (بالإنجليزية: Stator)، وهما الجزءان المسؤولان عن توليد الطاقة الكهربائية،[٨] حيث يُمكن تثبيت مصدر المجال المغناطيسي على الجزء الدوّار من المولّد، أمّا الجزء الثابت يكون هو الملفّ المعدني الذي يسري فيه التيّار ويسمى بالمولّد ذي الملفّ الثابت (بالإنجليزية:Wound-field generator) ، وقد يكون الجزء الثابت هو مصدر المجال المغناطيسي والجزء الدواّر هو الملفّ المعدني الذي يسري فيه التيّار ويسمّى هذا النوع المولّد ذي المغناطيس الدائم (بالإنجليزية: Permanent-magnet generators).
مولّد التوربين البخاري
يرتبط مولّد التوربين البخاري بالتوربينات البخارية المستخدمة في محطات توليد الكهرباء بأنواعها المختلفة؛ كمحطات الفحم، ومحطات الطاقة الشمسية، ومحطات الطاقة الحرارية الأرضية، ومحطات الطاقة النووية، ومحطات الغاز الطبيعي، ومحطات الكتلة الحيوية، حيث يتمّ تحويل الطاقة الناتجة عن الضغط المرتفع لبخار الماء ذي الحرارة المرتفعة جداً إلى طاقة ميكانيكية تُحرّك شفرات التوربين البخاري، ثمّ تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال مولّدات كهربائية تعمل بمبدأ الحث الكهرومغناطيسي لتوليد الكهرباء، إذ يحتوي عمود الدوران في التوربين البخاري في نهايته على ملفّ من أسلاك موصلة للكهرباء يدخل في المولّد الكهربائي ويدور مع دوران شفرات التوربين البخاري داخل مجال مغناطيسيّ ممّا يؤدّي إلى تدفّق تيار كهربائيّ في الملفّ، ويتمّيز هذا النوع من المولّدات الكهربائية بقدرته المرتفعة التي يُمكن أن تصل إلى 1500 ميجا واط من إنتاج الكهرباء.
مولّدات توربينات الرياح
تتبع مولّدات توربينات الرياح نفس مبدأ عمل مولّد التوربين البخاري لكنّها من نوع المولّد ذي المغناطيس الدائم،[١١] وتعتمد على حركة شفرات التوربين الهوائي ودورانها بفعل حركة الرياح، إذ تكون الشفرات موصولةً بالجزء الدوّار داخل المولّد الكهربائي ممّا يؤدّي إلى توليد الطاقة الكهربائية.
مولّدات التوربينات المائية
تعتمد التوربينات المائية على طاقة الوضع للمياه المتدفقة من ارتفاعات عالية، والتي تؤدّي إلى تحريك شفرات التوربينات المائية ولفّ عمود الدوران الموصول بالمولّد الكهربائيّ إذ يكون الجزء الدوّار حاملاً للمجال المغناطيسي، أمّا الجزء الثابت يُمثّل الموصل الذي يسري فيه التيّار الكهربائي.
المولّدات المعتمدة على الوقود المولّدات الاحتياطية
تُستخدم المولّدات الاحتياطية في حال انقطاع التيّار الكهربائيّ عن المنشأة، وأهمّ ما يُميّز هذا النوع من المولّدات أنّه يعمل تلقائياً عند انقطاع التيّار الكهربائيّ، حيث يوصل المولّد بنظام مراقبة موصول بمفتاح وبمجرّد انقطاع التيار الكهربائيّ يتمّ تحويل المفتاح من مصدر الطاقة وربطه بالمولّد الكهربائي ممّا يضمن استمرار وصول التيّار الكهربائي للمنشأة،ويتمّ تثبيت هذا النوع من المولّدات الكهربائية بشكل دائم خارج المنزل، وتُستخدم لتشغيل الأجهزة الكهربائية المختلفة وأنظمة التكييف والإنارة والحماية كما يُستخدم بعضها في الفنادق والمستشفيات والأبنية التجارية، وتعتمد المولّدات الاحتياطية على مادتيّ الديزل والغاز في تشغيلها، وتحتوي على خزّان خراجيّ كبير بإمكانه تزويد المولّد الكهربائي بحاجته من الوقود لمدّة قد تصل إلى 72 ساعة قبل الحاجة لتعبئته مرّةً أخرى.
المولّدات الصناعيّة
لا تختلف المولّدات الصناعيّة عن المولّدات الاحتياطية من حيث مبدأ العمل، لكنّ المولّدات الصناعية عادةً ما تكون أقوى وأكثر تحمّلاً للظروف الخارجية القاسية من حيث تصميمها، كما أنّ سعتها الكهربائية أكبر من سعة المولّدات الاحتياطية للمنشآت العادية إذ تصل إلى 2500 كيلو واط، ويُمكن تصنيف المولّدات الصناعية بناءً على نوع الوقود المستخدم في تشغيلها، مثل: الديزل، أو البنزين، أو الغاز الطبيعي، أو الكيروسين، أو البروبان.
الموّلدات المحمولة
يُمكن استخدام الموّلدات المحمولة في حالات الطوارئ عند انقطاع الكهرباء إلّا أنّه يجب تشغيلها يدوياً وتوصيلها إمّا باللوحة الفرعية للمنازل أو توصيلها بالأجهزة الكهربائية مباشرةً، كما تُستخدم في المواقع الخارجية البعيدة عن مصادر الكهرباء كالمزارع؛ لتشغيل أنظمة الريّ والمعدّات الزراعية ومعدّات حفر الآبار، وتُعتبر خياراً مناسباً للحصول على الكهرباء في مواقع التخييم والفعاليات الخارجية، وتستخدم هذه المولّدات الغاز والديزل كوقود لمحرّك الاحتراق الذي يولّد الطاقة الكهربائية، ويتميّز المولّد المحمول بأنّه رخيص السعر نسبياً مقارنةً بغيره من المولّدات، ويجب الانتباه إلى أنّه لا يُمكن تشغيله داخل المنازل أو في الأماكن المغلقة، كما يجب تغطيته جيداً لحمايته من ظروف الطقس وتغيّراته.
تجنّب مخاطر المولّدات الكهربائية
تُعتبر المولّدات الكهربائية بأنوعها المختلفة من الأجهزة الكهربائية الخطيرة جداً، ولتجنّب مخاطر المولّدات الكهربائية من صدمات كهربائية أو تسرّب غازات أو إحداث حرائق لا بدّ من اتباع النصائح الآتية:
- التأكّد تماماً أنّ المولّد الكهربائيّ مُؤرّض بشكل صحيح؛ لمنع أيّة تدفّقات كهربائية قد تُسبّب صدمات كهربائية.
- تجنّب استخدام المولّدات في غير المجالات المحددة لها لتجنّب حدوث أحمال زائدة قد تتسبّب في وقوع حرائق خطيرة.
- اختيار الأسلاك المناسبة للتيّار الذي يُنتجه المولّد الكهربائي عند توصيل المولّد الكهربائي بالأجهزة الكهربائية المراد تشغيلها، لتتمكّن الأجهزة الكهربائية من استيعاب التيّار الكهربائي الواصل لها.
- عدم استخدام المولّد الكهربائي في الظروف الرطبة نهائياً؛ كالجو الماطر أو أثناء هطول الثلج، وضرورة حمايته وعزله بوضع أغطية واقية عليه.
- فصل جميع الأجهزة الكهربائية المتصلة بالمولد الكهربائي قبل إيقافه عن التشغيل.
- عدم تزويد المولّد الكهربائي بالوقود أثناء تشغيله أبداً لأنّ حرارة أجزائه تكون مرتفعة، والانتظار مدّةً كافيةً ليبرد قبل تعبئته.
- تخزين وقود المولّد كالديزل والبنزين في أماكن محكمة الإغلاق وبعيدة عن مصادر الحرارة التي يُنتجها المولّد أو غيره من مصادر الحرارة.
- تجنّب لمس المولّد الكهربائي أثناء تشغيله وإبعاد الأطفال والحيوانات عنه؛ لأنّ حرارته تكون مرتفعةً وقد تُسبّب حروقاً لمن يلمسه.
- تثبيت كاشف أول أكسيد الكربون، حيث يُعتبر أول أكسيد الكربون من أكثر الغازات سُميّةً وخطورةً، فقد ينتج عن احتراق الوقود في المولّد.
- عدم وضع المولّدات الكهربائية في أماكن مغلقة حيث إنّ فتحة التهوية والشبابيك لا توفّر تهويةً كافية، لذا يُفضّل وضعها في مكان مفتوح ذي تهوية مناسبة لتجنّب حالات الاختناق الناتجة عن احتراق الوقود.
- الصيانة الدورية والمنتظمة للمولّدات الكهربائية المستخدمة، لتجنّب أيّ أعطال مفاجئة قد تحدث أثناء تشغيله.
