محطات الطاقة
Power Stations

محطة الطاقة : هي محطة توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحويل الطاقة المستخدمة في المحطة الى طاقة حركية لشتغيل المولد الكهربائي الذي يعتبر العنصر الريئسي الذي تعمل كل عناصر المحطة من اجل تشغيله .
و المولد الكهربائي ( الدينامو ) هو جهاز – اخترعهُ العالم الانكليزي مايكل فاراداي - يحول الطاقة الحركية ( الميكانيكية ) الى طاقة كهربائية بوجود المجال المغناطيسي ، حيث يعمل على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي و الذي هو الاساس لتوليد التيار الحثي .
و من هذا يتضح ، ان المولد الكهربائي لا يستحدث طاقة ، بل يحول الطاقة الميكانيكية الى كهربائية ، لذا فان كلما زادت الطاقة الميكانيكية زادت الطاقة الكهربائية .

انواع محطات الطاقة
تقسم أهم محطات الطاقة الى :

1. محطات الطاقة الحرارية
2. محطات الطاقة المائية
3. محطات الطاقة الشمسية
4. محطات طاقة الرياح


اولاً
محطات الطاقة الحرارية
Thermal power stations

و هي التي يتم فيها تحويل الطاقة الحرارية - والتي غالبا ما تنتج عن احتراق وقود- إلى طاقة حركية دورانية لتوليد الكهرباء ، و هذا النوع من المحطات هو الغالب على مستوى العالم .
تقسم المحطات الحرارية الى :

1. محطات بخارية و تستخدم التوربين البخاري steam turbine
2. محطات الاحتراق الداخلي و تستخدم التوربين الغازي gas turbine
3. محطات نووية و تستخدم الوقود النووي
4. محطات الحرارة الارضية و تستخدم الطاقة الحرارية الارضية geothermal energy

المحطات البخارية
Steam power stations

تتألف هذه المحطة بأبسط اشكالها من اربعة اجزاء أساسية و رئيسية هي :
1. الفرن ( Furnace ) : وهو عبارة عن وعاء كبير لحرق الوقود ( غاز طبيعي ، نفط ، الخ .. ) . ويختلف شكل ونوع هذا الوعاء وفقا لنوع الوقود المستعمل ويلحق به وسائل تخزين ونقل وتداول الوقود ورمي المخلفات الصلبة ، الطاقة الحرارية الناتجة من حرق الوقود تستعمل في المرجل .
2. المرجل أو الغلاية ( Boiler ) : و فيه يتم تسخين الماء الى درجة حرارة عالية و تحويله الى بخار و يسمى ايضاً Steam generator
يُصنَعُ المَرجل غالباً من الصلبsteel او الصلب المصلد stainless steel او من معادن اخرى.
3. التوربين البخاري ( Steam turbine ) : يدخل اليه البخار ودرجة حرارته مرتفعة جداً تصل إلى 650°س وضغطه مرتفع يصل إلى 250كغم/سم². ويندفع هذا البخار المضغوط عبر التوربين، جاعلاً عجلات التوربين تدور بسرعة. تُصمَّم التوربينات البخارية لكي تعمل بمبدأ الدفع أو مبدأ رد الفعل أو بهما معاً .
اي ان التوربين هو الجهاز الذي نحصل منه على الطاقة الدورانية .
4. المولد الكهربائي ( Generator ) : هو عبارة عن مولد كهربائي مؤلف من عض دوار مربوط مباشرة مع محور التوربين وعضو ثابت .ويلف العضوين بالأسلاك النحاسية المعزولة لتنقل الحقل المغناطيسي الدوار وتحوله إلى تيار كهربائي على أطراف العضو الثابت . ويختلف شكل هذا المولد باختلاف حجم المحطة .
5.. المكثف ( Condenser ) : يقوم بسحب الحرارة من البخار الخارج من التوربين و تحويله الى ماء
و لذلك يكون دائماً ساخناً و يحتاج الى تبريده لكي يستطيع هو نفسه تبريد البخار .

6. المدخنة ( Chimney ) : وهي عبارة عن مدخنة من الآجر الحراري ( Brick) أسطوانية الشكل مرتفعة جدا تعمل على طرد مخلفات الاحتراق الغازية إلى الجو على ارتفاع شاهق للإسراع في طرد غازات الاحتراق والتقليل من تلوث البيئة المحيطة بالمحطة .
7. المضخة (Pump ) : المضخة بصورة عامة هي جهاز يستخدم لنقل المائع ،
و في حالة المحطات البخارية ، تستعمل لنقل البخار بسرعة عالية الى المرجل مؤدية الى رفع ضغطهِ . و لهذا نحتاج الى مصدر للطاقة لتغذية المضخة و قد يستعمل لذلك محرك احتراق داخلي او ماطور كهربائي او غيرها .
و هناك ادوات اخرى مساعدة كبعض الافران لتحميص البخار و محركات ميكانيكية و كهربائية تساعد على اتمام عمل المحطة .
مميزاتها
تمتاز المحطات البخارية بكبر حجمها ورخص تكاليفها بالنسبة لإمكاناتها الضخمة كما تمتاز بإمكانية استعمالها لتحلية المياه المالحة ، الأمر الذي يجعلها ثنائية الإنتاج خاصة في البلاد التي تقل فيها مصادر المياه العذبة .
اختيار مواقع المحطات البخارية
تتحكم في اختيار المواقع المناسبة لمحطات التوليد الحرارية عدة عوامل مؤثرة نذكر منها ما يلي:
1. القرب من مصادر الوقود وسهولة نقله إلى هذه المواقع وتوفر وسائل النقل الاقتصادية .
2. القرب من مصادر مياه التبريد لأن المكثف يحتاج إلى كميات كبير من مياه التبريد ، لذلك تبنى هذه المحطات عادة على شواطئ البحار أو بالقرب من مجاري الأنهار .
3. القرب من مراكز استهلاك الطاقة الكهربائية لتوفير تكاليف إنشاء خطوط النقل ، مراكز الاستهلاك هي عادة المدن والمناطق السكنية والمجمعات التجارية والصناعية .




محطات الاحتراق الداخلي
Internal combustion power stations

محطات التوليد ذات الاحتراق الداخلي هي عبارة عن الآت تستخدم الوقود السائل (Fuel Oil) حيث يحترق داخل غرف احتراق بعد مزجها بالهواء بنسب معينة ، فتتولد نواتج الاحتراق وهي عبارة عن غازات على ضغط مرتفع تستطيع تدوير التوربينات حركة دورانية .
و تعتبر هذه المحطات حديثة العهد نسبياً و يعتبر الشرق الاوسط من اكثر البلدان استخداماً لها ، و هي ذات سعات و احجام مختلفة من 1 ميكاواط الى 250 ميكاواط ... تستعمل عادة اثناء ذروة الحمل في البلدان التي يوجد فيها محطات توليد بخارية أو مائية ، علماً ان فترة اقلاعها و ايقافها تتراوح بين دقيقتين و عشرة دقائق .
وفي معظم الشرق الأوسط ، تستعمل التوربينات الغازية لتوليد الطاقة طوال اليوم بما فيه فترة الذروة . ونجد اليوم في الأسواق وحدات متنقلة من هذه المولدات لحالات الطوارئ مختلفة الأحجام والقدرات .
مكونات محطات التوربينات الغازية
إن الأجزاء الرئيسية التي تتكون منها محطة التوليد بالتوربينات الغازية هي ما يلي :
1. ضاغط الهواء ( Air compressor ) : وهو يأخذ الهواء من الجو المحيط ويرفع ضغطه الى عشرات الضغوط الجوية .
2. غرفة الاحتراق ( Combustion Chamber ) : وفيها يختلط الهواء المضغوط الآتي من مكبس الهواء مع الوقود ويحترقان معا بواسطة وسائل خاصة بالاشتعال . وتكون نواتج الاحتراق من الغازات المختلفة على درجات حرارة عالية وضغط مرتفع .
3. التوربين ( Turbine ) : و محوره أفقي مربوط من ناحية مع محور مكبس الهواء مباشرة و من ناحية أخرى مع المولد ولكن بواسطة صندوق تروس لتخفيف السرعة لأن سرعة دوران التوربين عالية جدا لا تتناسب مع سرعة دوران المولد الكهربائي . تدخل الغازات الناتجة عن الاحتراق في التوربين فتصطدم بريشها الكثيرة العدد من ناحية الضغط المنخفض ( يتسع قطر التوربين من هذه الناحية) ثم تخرج الى الهواء عن طريق مدخنة .
4. المولد الكهربائي ( generator ) : يتصل المولد الكهربائي مع التوربين بواسطة صندوق تروس لتخفيف السرعة كما ذكرنا وفي بعض التوربينات الحديثة تقسم التوربين الى توربينتين واحدة للضغط والسرعة العالية متصلة مباشرة مع مكبس الهواء والثانية تسمى توربينة القدرة متصلة مباشرة مع محور المولد الكهربائي .
5. الآلات والمعدات المساعدة
تحتاج محطات التوربينات الغازية الى بعض المعدات والآلات المساعدة على النحو التالي :
مصافي الهواء قبل دخوله الى مكبس الهواء
مساعد التشغيل الأولي وهو اما محرك ديزل أو محرك كهربائي
وسائل المساعدة على الاشتعال
آلات تبريد مياه تبريد المحطة
معدات قياس الحرارة والضغط في كل مرحلة من مراحل العمل
معدات القياس الكهربائية المعروفة المختلفة

مميزاتها
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 النقي – الغاز الطبيعي – الغاز الثقيل وغيرها ... ) وتمتاز كذلك بسرعة التشغيل وسرعة الإيقاف .
سلبياتها
وأما سيئاتها فهي ضعف المردود الذي يتراوح بين 15 و 25 % كما أن عمرها الزمني قصير نسبيا وتستهلك كمية اكبر من الوقود بالمقارنة مع محطات التوليد الحرارية البخارية .



المحطات النووية
Nuclear power plants


تعتبر محطات التوليد النووية نوعا من محطات التوليد الحرارية البخارية ، حيث تقوم بتوليد البخار بالحرارة التي تتولد في فرن المفاعل. الفرق في محطات الطاقة النووية أنه بدل الفرن الذي يحترق فيه الوقود يوجد الفرن الذري الذي يحتاج إلى جدار عازل وواق من الإشعاع الذري وهو يتكون من طبقة من الآجر الناري وطبقة من المياه وطبقة من الحديد الصلب ثم طبقة من الأسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين في المحطة والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذرية .
والمفاعل الذري تتولد فيه الحرارة نتيجة انشطار ذرات اليورانيوم بضربات الإلكترونات المتحركة في الطبقة الخارجية للذرة وتستغل هذه الطاقة الحرارية الهائلة في غليان المياه في المراجل وتحويلها إلى بخار ذات ضغط عال ودرجة مرتفعة جدا، باستعمال الطاقة الحرارية في تسخين المياه في مراجل Boilersو تحويلها إلى بخار في درجة حرارة وضغط معين .ثم يسلط هذا البخار على زعنفات أو توربينات بخارية صممت ليقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة البخارية إلى طاقة ميكانيكية على محور هذه التوربينات . ويربط محور المولد الكهربائي مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي بنفس السرعة لتتولد على طرفي الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة . وكانت أول محطة توليد حرارية نووية في العالم نفذت في عام 1954 وكانت في الاتحاد السوفيتي بطاقة 5 ميجاواط .. عندما توصل العلماء إلى تحرير الطاقة النووية من بعض العناصر كاليورانيوم والبلوتونيوم . فوقود المفاعلات النووية اليورانيوم المخصب بكمية تكفي لحدوث تسلسل تفاعلي انشطاري يستمر من تلقاء ذاته . و الوقود يوضع في شكل حزم من قضبان طويلة داخل قلب المفاعل الذي عبارة عن حجرة مضغوطة شديدة العزل. ويتم الانشطار النووي بها لتوليد حرارة ، لتسخين المياه وتكوين البخار الذي يدير زعانف التوربينات التي تتصل بمولدات كهربائية . و يتم تغطيس الحزم في الماء للإبقاء عليها باردة . أو استخدام ثاني أكسيد الكربون أو معدن مصهور لتبريد قلب المفاعل. ويتم إدخال قضبان تحكم في غرفة المفاعل ، من مادة الكادميوم لتمتص النيوترونات المتولدة من انشطار أنوية الذرات داخل المفاعل. فكلما تم تقليل النيوترونات كلما تم تحجيم التفاعلات المتسلسلة بما يبطئ من عملية انشطار ذرات اليورانيوم . وكان أول مفاعل نووي قد أقيم عام 1944 في هانفورد بأمريكا لآنتاج مواد الأسلحة النووية وكان وقوده اليورانيوم الطبيعي ةكان ينتج البلوتونيوم ولم تكن الطافة المتولدة تستغل . ثم بنيت أنواع مختلفة من المفاعلات في كل أنحاء العالم لتوليدالطاقة الكهربائية. وتختلف في نوع الوقود والمبردات و الوسيط . وفي أمريكا يستعمل الوقود النووي في شكا أكسيد اليورانيوم المخصب حتي 3% باليورانيوم 235 والوسيط والمبرد من الماء النقي وعذع الأنواع من المفاعلات يطلق عليها مفاعلات الماء الخفيف .


محطات الحرارة الارضية
Geothermal power plants


الطاقة الحرارية الأرضية (Geothermal power) : هي مصدر طاقة بديل نظيف ومتجدد، وهي طاقة حرارية مرتفعة ذات منشأ طبيعي مختزنة في صخور الماگما في باطن الأرض. حيث يقدر أن أكثر من 99% من كتلة الكرة الأرضية عبارة عن صخور تتجاوز حرارتها 1000 درجة مئوية [1]. ويستفاد من هذه الطاقة الحرارية بشكل أساسي في توليد الكهرباء. و في بعض الأحيان تستخدم للتدفئة عندما تكون الحرارة قريبة من سطح الأرض أو على صورة ينابيع جارة.
هذة الطاقة المتجددة، نظريا، يمكن أن تكفي لتغطية حاجة العالم من الطاقة لمدة 100000 سنة قادمة إلا أن تحويلها إلى طاقة كهربائية هي عملية باهظة التكاليف، وذلك رغم أن الطاقة الأساسية (المادة الأولية) مجانية وهي متوفرة بكثرة لكن صعب الحصول عليها.
توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية


تعتبر الطريقة الأولى والأهم للاستفادة من الطاقة الحرارية الأرضية هي بتحويلها إلى طاقة كهربائية، ويتم ذلك في محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية. هناك ثلاث أنواع من محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية، وهي كالتالي:
محطات البخار الجاف
هذه الطريقة هي أقدم الطرق واكثرها إنتشارا، وهي نفس الطريقة التي استخدمت في إيطاليا سنة 1904م. تستخدم هذه المحطات الماء الموجود بشكل طبيعي في الطبقات الأرضية العميقة والموجود تحت تأثير ضغط وحرارة عاليين، فيتم إستخراجه بواسطة حفر آبار عميقة فيخرج على شكل بخار ماء بسبب حرارته العالية وبسبب فرق الضغط . يسير هذا البخار في أنابيب ثم يعرض لتوربينات تدور المولدات الكهربائية التي تنتج الطاقة الكهربائية. يضخ الماء المتكثف إلى الأرض عبر بئر آخر بسمى بئر الحقن..
محطات التبخير
تستخدم هذه المحطات السوائل الموجودة بضغط عالي تحت الأرض حيث يتم تركزها في وعاء ذي ثقب صغير يؤدي إلى وعاء أخر ذي ضغط معتدل، فعند حركة السائل من الوعاء الأول إلى الثاني عبر الثقب يتبخر بسبب السرعة وفرق الضغط العالي. يحرك البخار التوربين فيحرك بدوره المولدات الكهربائية التي تنتج الكهرباء. يضخ الماء المتكثف المتبقي إلى الأرض عبر بئر الحقن.
محطات الدائرة المزدوجة
تستخدم هذه المحطات السوائل الموجودة تحت الارض ذات درجة غليان مرتفعة (حوالي 200 مئوية) يتم ضخها إلى الأعلى حيث تقوم بتسخين الماء ذي درجة غليان عادية (100 مئوية) في أنبوب آخر يمر بمحاذات الأنبوب الساخن. يتبخر الماء الذي تم تسخينه بسبب درجة الحرارة المرتفعة للسائل في الأنبوب الآخر. يحرك البخار توربين المولد الكهربائي ويتكثف فيعود مجددا إلى محاذات الأنبوب الساخن، ويتحرك بهذه الطريقة في دوران مستمر. يضخ الماء المستخرج مجددا إلى الأرض عبر بئر الحقن.
سلبيات ومعوقات
رغم كل مميزات الطاقة الحرارية الأرضية، والتي جعلتها في طليعة مصادر الطاقة البديلة المستقبلية. إلا أن هناك بعض عوامل التي تصعب إنتشارها على الأقل في وقتنا الحالي. ومن أهم هذه الأسباب إرتفاع تكلفة إقامة محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية. ويرجع السبب في ذلك إلى صعوبة حفر آبار بأعماق سحيقة وسط درجات حرارة مرتفعة جداً .


ثانياً
محطات الطاقة المائية


حيث توجد المياه في أماكن مرتفعة كالبحيرات ومجاري الأنهار يمكن التفكير بتوليد الطاقة ، خاصة إذا كانت طبيعة الأرض التي تهطل فيها الأمطار أو تجري فيها الأنهار جبلية ومرتفعة. ففي هذه الحالات يمكن توليد الكهرباء من مساقط المياه . أما إذا كانت مجاري الأنهار ذات انحدار خفيف فيقتضي عمل سدود في الأماكن المناسبة من مجرى النهر لتخزين المياه . تنشاء محطات التوليد عادة بالقرب من هذه السدود كما هو الحال في مجرى نهر النيل. وقد بني السد العالي وبنيت معه محطة توليد كهرباء بلغت قدرتها المركبة 1800 ميغاواط . وعلى نهر الفرات في شمال سوريا بني سد ومحطة توليد كهرباء بلغت قدرتها المركبة 800 ميغاواط .
إذا كان مجرى النهر منحدرا انحدار كبيرا فيمكن عمل تحويرة في مجرى النهر باتجاه أحد الوديان المجاورة وعمل شلال اصطناعي . هذا بالإضافة إلى الشلالات الطبيعية التي تستخدم مباشرة لتوليد الكهرباء كما هو حاصل في شلالات نياغرا بين كندا والولايات المتحدة . وبصورة عامة أن أية كمية من المياه موجودة على ارتفاع معين تحتوي على طاقة كامنة في موقعها . فإذا هبطت كمية المياه إلى ارتفاع ادنى تحولت الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية . وإذا سلطت كمية المياه على توربينة مائية دارت بسرعة كبيرة وتكونت على محور التوربينة طاقة ميكانيكية . وإذا ربطت التوربينة مع محور المولد الكهربائي تولد على أطراف العضو الثابت من المولد طاقة كهربائية .
مكونات محطة التوليد المائية
تتألف محطة توليد الكهرباء المائية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية.
1. مساقط المياه Penstock
وهو عبارة عن أنبوب كبير أو أكثر يكون في اسفل السد أو من أعلى الشلال إلى مدخل التوربينة وتسيل في المياه بسرعة كبيرة . يوجد سكر في أوله (بوابة) (VALVE) وسكر آخر في آخره للتحكم في كمية المياه التي تدور التوربينة . تجدر الإشارة الى أن السدود وبوابات التحكم وأقنية المياه الموصلة للأنابيب المائلة تختلف حسب كمية المياه وأماكن تواجدها .
2. التوربين Turbine
تكون التوربينة والمولد عادة في مكان واحد مركبين على محور رأسي واحد . يركب المولد فوق التوربينة . وعندما تفتح البوابة في اسفل الأنابيب المائلة تتدفق المياه بسرعة كبيرة في تجاويف مقعرة فتدور بسرعة وتدير معها العضو الدوار في المولد حيث تتولد الطاقة الكهربائية على أطراف هذا المولد .
3. أنبوبة السحب Draft Tubes
بعد أن تعمل المياه المتدفقة في تدوير التوربين فلا بد من سحبها للخارج بسرعة ويسر حتى لا تعوق الدوران . لذا توضع أنابيب بأشكال خاصة لسحبها للخارج السرعة اللازمة.
4. المعدات والآلات المساعدة Auxiliaries
تحتاج محطات التوليد المائية آلي العديد من الآلات المساعدة مثل المضخات والبوابات والمفاتيح ومعدات تنظيم سرعة الدوران وغيرها .



ثالثاً
محطات الطاقة الشمسية


تستخدم فيها الخلايا الشمسية ( photovoltaic cells ) لتحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء ، و قد تحتاج هذه الطريقة إلى تحويل التيار إلى تيار متردد لنقله إلى المستهلك ، و لكنها تتميز بعدم وجود أجزاء ميكانيكية وسيطة لتحويل الطاقة.
هناك أنواع أخرى لمحطات الطاقة الشمسية كتجميع أشعة الشمس لتسخين الماء ثم استغلال نفس فكرة المحطات الحرارية لتدوير المولد . و هناك محطات البرج المركزي التي تستخدم المرايا لتجميع أشعة الشمس و تسخين الهواء و الذي بدوره يرتفع إلى أعلى في برج يحتوي على المولدات الكهربية التي تعتمد على هذا الهواء الساخن في الدوران كما تستطيع حفظ هذه الحرارة في مادة ما كالصوديوم لاستغلالها في توليد الطاقة حال غياب الشمس.



رابعاً
محطات طاقة الرياح


يمكن استخدام طاقة الرياح في المناطق التي تتمتع برياح سريعة و قوية لتدوير طواحين الهواء و التي بدورها تستخدم في توليد الطاقة الكهربية. يميز هذه الطاقة أنها نظيفة تماما و لا ينتج عنها أي تلوث و لكن يعيبها أنها بحاجة إلى مساحات واسعة و أن أماكن استغلال طاقة الرياح محدودة و بعيدة.