...............صدر المجلد الأول من موسوعة الآثار في سورية...............ترقبو صدور المجلد الأول من موسوعة العلوم والتقانة ...............صدور المجلد الأول من موسوعة الآثار في سورية...............صدور المجلد الثاني عشر من الموسوعة الطبية المتخصصة بعنوان الأمراض العصبية ...............المدير العام لهيئة الموسوعة العربية الأستاذ الدكتور محمود السيد...............صدر المجلد الحادي عشر من الموسوعة الطبية المتخصصة ويتضمن أمراض الرأس ...............صدر المجلد العاشر من الموسوعة الطبية المتخصصة وهو بعنوان: الأمراض النَّفسيّة ...............إلى زوار موقع هيئة الموسوعة العربية الكرام، نلفت عنايتكم إلى أنه لا يوجد حساب لهيئة الموسوعة العربية على أي من مواقع التواصل الاجتماعي...............صدر المجلد السابع والأخير من الموسوعة القانونية المتخصصة ...............دور النشر والمكتبات المعتمدة لتوزيع الموسوعة العربية

المجلد الثامن عشر >> العلوم التطبيقية>> التقنيات (التكنولوجية) >> محطات توليد الطاقة الكهربائية

محطات توليد الطاقة الكهربائية Electrical power stations Centrales électriques

محطات توليد الطاقة الكهربائية

 

كان اكتشاف الفحم بأنواعه حجر الزاوية في إطلاق الثورة الصناعية في منتصف القرن الثامن عشر. وكان اكتشاف النفط عام 1859 نقطة انعطاف في تاريخ البشرية، ولاسيما في مجال توليد الطاقة الكهربائية، حيث طُوِّرت العنفات البخارية لتعمل على النفط بدلاً من الفحم. وشاع استخدام محركات الديزل لتوليد الطاقة، وكذلك استخدام العنفات الغازية التي تستخدم الوقود أو الغاز. وقد قام الاتحاد السوفييتي السابق في عام 1956 ببناء أول مفاعل نووي لإنتاج الكهرباء وتبعته بريطانيا عام 1956 وفرنسا عام 1959 وأمريكا عام 1961، ثم انتشر في العالم استخدام المفاعلات النوعية باستطاعات متزايدة لتوليد الطاقة الكهربائية.

 وللارتفاع المتزايد في أسعار البترول والاهتمام بحماية البيئة من الغازات الناتجة من احتراق الفحم والبترول والتخوف من تلوث نووي قد تولده محطات توليد الطاقة النووية؛ فقد ازداد الاهتمام بتوليد الطاقة النظيفة من مصادر طبيعية، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وأصبح هذا المصدر ينافس اقتصادياً مصادر الطاقة الحرارية الأخرى.

ويظهر الشكل رقم (1) تزايد استهلاك الطاقة العالمي حتى عام 2001، وكذلك التزايد المتوقع بعد ذلك حتى عام 2025، حيث يقدّر أن تَوَزُّع مصادر توليد الطاقة سيكون 39% من البترول و25% من الغاز و23% من الفحم و8% من الطاقات المتجددة[ر] و5% من الطاقات النووية.

كما يظهر الشكل (2) توزع مصادر الطاقة المختلفة المولدة عالمياً عام 2004، وحيث البترول هو المصدر الأول منها يليه الفحم والغاز، ثم مصادر الطاقة الأخرى.

الشكل (1) معدل تزايد استهلاك الطاقة العالمي

الشكل (2) توزع مصادر الطاقة في العام 2004

تُصنَّف محطات توليد الطاقة الكهربائية حسب نوع الوقود المستخدم أو حسب نوع المحطة كما يأتي:

1ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية المائيةhydro power stations : تدرجت استخدامات الإنسان للطاقة المائية من رفع الماء (النواعير) لأغراض الزراعة، إلى تدوير دواليب المطاحن لطحن الحبوب، ثم تدوير بعض الآلات البسيطة إلى أن أصبحت مصدراً مهماً لتوليد الطاقة الكهربائية.

يصل الاحتياطي العالمي لطاقة المياه الجارية على سطح الأرض ما يعادل توليد طاقة كهربائية مقدارها n36×1012 kwh في العام الواحد، أما الطاقة التي يمكن الاستفادة منها فتعادل نحو (kwh/a)11x1012 كيلوواط ساعي سنوياً. ويولِّّد في الوقت الحاضر بوساطة المحطات المائية نحو  n2.04×1012 kwh من الكهرباء سنوياً أي ما يعادل نحو 800 ميغا طن فحم، وهذا يعادل نحو 3% من الطاقة الإجمالية المولَّدة في العالم.

وتتميز محطات التوليد المائية بمردودها المرتفع، مقارنة بمحطات التوليد الحرارية، إضافة إلى عدم إضرارها بالبيئة، إذ لا تسبب أيَّ تلوث. كما أن كلفة توليد الطاقة منها منخفضة لكون طاقة التغذية تقدمها الطبيعة مجاناً.

ـ أنواع المحطات المائية: يمكن تقسيم المحطات المائية حسب مصدر المياه المغذي لها إلى المحطات ذات التخزين بالضخ pumpedـ storage power plants، ومحطات المياه المنسابة (الجارية)، ومحطات المياه المختزنة.

أـ المحطات ذات التخزين بالضخ: تتألف المحطة ذات التخزين بالضخ، من مجموعة عنفات ومعدات ضخ، وأنابيب الضغط المرتفع وحوضين للتخزين (حوض علوي وآخر سفلي). يراوح ارتفاع السقوط في محطات التخزين بالضخ، العاملة في الوقت الحاضر، بين 50 و1120م. تستخدم الطاقة الكهربائية الفائضة والمولَّدة في محطات تغطية الحمولة الأساسية في أوقات انخفاض الحمولة لضخ الماء إلى الحوض العلوي، ولتغطية حمولة الذروة تستخدم الطاقة الكامنة للماء المختزن في توليد الكهرباء في العنفات.

تُستخدم في هذه الطريقة آلتان منفصلتان هما العنفة والمضخة، حيث تركبَّان على المحور نفسه مع مولد/محرك تزامني. هناك نوعان آخران من المحطات المائية ذات التخزين بالضخ. تستخدم هنا عنفة ـ مضخة عكوسة مع مولد/محرك تزامني. يبلغ مردود المحطة المائية ذات التخزين بالضخ، أي النسبة بين الطاقة الكهربائية التي تم كسبها والطاقة الكهربائية المستخدمة 75% وأكثر.

ب ـ محطات المياه الجارية: تُنشأ محطات المياه الجارية، كما يظهر الشكل (4)، على الأنهار أو الجداول وتتميز بتدفق كميات من المياه كبيرة، إلا أن انحدارها قليل.

الشكل (3) محطة تخزين بالضخ

الشكل (4) مخطة توليد باستخدام المياه الجارية

الشكل (5) محطة توليد باستخدام مياه السدود

ج ـ محطات المياه المختزنة: تمتاز محطات المياه المخزنة بالتدفقات القليلة للماء، وبفروق الارتفاع الكبيرة جداً، والتي تتحقق عن طريق بحيرات مرتفعة أو بحيرات تتشكل خلف السدود، حيث تستطيع بحيرة السد تخزين الماء في فترات طويلة.

إن تخزين الطاقة الكامنة للماء هو الطريقة الأنسب من ناحية التكاليف والأكثر رفقاً بالبيئة إذا أريد تخزين الطاقة. أما المحطات ذات التخزين بالضخ فتستخدم لتغطية حمولات الذروة وكاحتياطي آني لتوليد الكهرباء.

الشكل (6) أنواع العنفات المستخدمة في توليد الكهرباء

الشكل (7) محطة مجهزة بعنفة كابلان

ـ أنواع العنفات المائية: تستخدم ثلاثة أنواع من العنفات حسب الغزارة المتوافرة وارتفاع السقوط (الضاغط). فالعنفات المماسية (عنفات بلتون Pelton) تستخدم لارتفاعات سقوط تراوح بين 300 و2000م ولاستطاعة حتى 300 ميغا واط. أما العنفات القطرية (عنفات فرانسيس Francis) فتستخدم لارتفاعات سقوط من 40 ـ 700م والاستطاعة حتى 1000 ميغاواط، أما العنفات المحورية (عنفات كابلان Kaplan) فتستخدم من أجل ارتفاعات سقوط عدة أمتار ولاستطاعات حتى 200 ميغاواط. ويوضح الشكل (6) مقاطع في أنواع العنفات الثلاث.

كما يبين الشكل (7) مقطعاً في محطة مائية مجهزة بعنفة (كابلان).

ـ التحكُّم باستطاعة العنفة: هناك حاجة للتحكم باستطاعة العنفة المائية المولِّدة بما يتناسب مع الاستطاعة المطلوبة، ومع المحافظة على شرط إبقاء عدد دورات العنفة ثابتاً، وذلك للمحافظة على تردد التيار الكهربائي المتولِّد ثابتاً. ففي عنفة بلتون يتم التحكم بالاستطاعة عن طريق التحكم بالغزارة التي تغذي العنفة وذلك بضبط مقطع فتحة التغذية. أما في عنفة فرنسيس فيتم التحكم بالاستطاعة من خلال إعطاء ريش التوجيه المحيطة بدولاب العنفة الاتجاه المناسب. في حين يتم التحكم بالاستطاعة في عنفة كابلان بتحريك كل من رِيَش التوجيه المحيطة بدولاب العنفة وبأجنحة العنفة نفسها، مما يجعل هذه العنفة تتميز بمردود جيد، يمتد على مجال كبير من تغير الغزارة وبالتالي الاستطاعة، يقارن الشكل (8) بين مردود العنفات المختلفة بدلالة التدفق النسبي للمياه فيها.

الشكل (8) مردود العنفات المختلفة بدلالة التدفق النسبي فيها

الشكل (9) ريش دولاب العنفة وبينها ريش تزجيه

الشكل (10) مركبات محطة توليد بخارية

2ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية الحرارية:

أـ المحطات البخارية لتوليد الطاقة الكهربائية (العنفات البخارية): يتمّ في العنفات البخارية تحويل طاقة ضغط البخار إلى طاقة حركية، من خلال تمرير كتلة البخار عبر نافث يساعد على تمدده ومن ثم زيادة سرعته. وعندما يمر البخار بهذه السرعة عبر أقنية بين ريش دولاب العنفة فإنه يقدم لها جزءاً من طاقته الحركية مولداً قوى تؤثر في هذه الريش، وبالتالي يتولّد عزم تدوير يؤدي إلى تدوير دولاب العنفة والمولدة الكهربائية الموصولة مع دولاب العنفة بوساطة محور وعلبة سرع.

تتألف محطة التوليد البخارية من المركبات الرئيسية الآتية (الشكل 10):

ـ توليد البخار بالكمية والمواصفات المطلوبة من ضغط ودرجة حرارة وغيرها.

ـ عنفة بخارية تتألف من دولاب مثبت عليه عدة صفوف من الريش تتعرض لقوى تدوير نتيجة إجبارها البخار على تغيير سرعته (شدةً واتجاهاً) لدى مروره عبرها، ويوجد بينها صفوف من الريش الثابتة التي تقوم بإعطاء السرعة والاتجاه المناسبين للبخار الداخل إلى أقنية ريش دولاب العنفة.

ـ مكثّف يدخل إليه البخار الخارج من العنفة، حيث يتعرّض هناك إلى التكاثف نتيجة تبريده مما يؤدي إلى خفض الضغط عند مخرج العنفة، وبالتالي زيادة قيمة فرق الضغط المطبق بين طرفي دخولها وخروجها، ويؤدي ذلك إلى رفع قيمة الاستطاعة المولدة، وبالتالي المردود. كما أن البخار المتكاثف يُعاد إلى المرجل لتوليد البخار من جديد (دارة مغلقة).

ـ مولدة كهربائية غالباً من نوع التيار الدوار.

ـ نظام تحكم مهمته المحافظة على عدد دورات العنفة بالقرب من قيمته الاسمية عند تغير الحمل (الاستطاعة المستهلكة)، وتلافي ارتفاع مفاجئ في عدد الدورات عند فصل مفاجئ للحمل.

ـ نظام أمان: عند فصل مفاجئ للتحميل (ربما بسبب تماس كهربائي في محطة التحويل) يمكن أن يرتفع عدد دورات العنفة إلى 3ـ4 مرات عدد دوراتها الاسمي، مما يولّد قوى نابذة قد لا تتحملها الأجزاء الدوارة من العنفة. لذلك تحتوي جميع العنفات على نظام أمان يقوم بإيقاف تدفق البخار إلى العنفة على نحو فوري عند ارتفاع عدد دوراتها عن حد معين مسموح به، أو عندما يكون تزايد سرعة الدوران فوق الحد المسموح به.

تمَّ بناء أول عنفة بخارية في السويد عام 1885 من قبل المهندس لاڤال Laval، وكانت استطاعتها لا تجاوز 15 كيلوواط، أما اليوم فهناك عنفات بخارية تولد استطاعة تراوح بين 50 و500 ميغاواط، وتستخدم بخاراً يبلغ ضغطه حتى 140 ضغط جوي، ودرجة حرارته تراوح بين 550 ـ600 درجة مئوية، فيما يمكن أن يصل الضغط في المكثف إلى 0.08 ضغط جوي ويراوح مردود العنفات البخارية بين 0.6ـ0.85 بحسب مواصفاتها واستطاعاتها. وهناك نوعان أساسيان من العنفات البخارية:

ـ عنفة بخارية محورية: حيث يتحرك البخار باتجاه موازٍ لمحور العنفة.

ـ عنفة بخارية قطرية: حيث يتحرك البخار باتجاه عمودي على محور العنفة.

الشكل (11) مكونات محطة توليد غازية

الشكل (12) عنفة غازية تعمل على البترول

ب ـ محطات توليد الطاقة الغازية (العنفات الغازية): انتشر استخدام العنفات الغازية لتوليد الكهرباء كمصدر احتياطي للطاقة، إضافة إلى تغطية الذروة في الاستهلاك. وتراوح الاستطاعة التي تقدمها العنفة الغازية الواحدة المركبة حالياً بين 15 و50 ميغاواط علماً أن مردود العنفات الغازية الكبيرة قريب من مردود العنفات البخارية التي لها الاستطاعة نفسها.

تتألف العنفة الغازية من الأجزاء الرئيسية الآتية (الشكل رقم 11):

ـ ضاغط محوري أو قطري يقوم بامتصاص الهواء ورفع ضغطه وتوجيهه إلى غرف الاحتراق.

ـ غرف الاحتراق حيث يتم مزج الهواء المضغوط القادم من الضاغط مع رذاذ الوقود (أو الغاز الطبيعي)، وإشعال المزيج، رافعاً درجة حرارته إلى نحو 1000 ْم، وتخرج غازات احتراق ذات ضغط ودرجة حرارة مرتفعين إلى دولاب العنفة.

ـ دولاب العنفة: يحتوي دولاب العنفة على عدة مجموعات من الريش المثبتة على محور العنفة وتدور معه، ويفصل بين كل مجموعتين مجموعة من الريش الثابتة (ريش توجيه) التي تقوم بإعادة توجيه غازات الاحتراق، وإدخالها إلى المجموعة التالية بالسرعة والاتجاه المناسبين، حيث تتعرض غازات الاحتراق إلى انخفاض في قيمة الضغط وفي قيمة درجة الحرارة نتيجة تقديمها لجزء من طاقتها الداخلية إلى هذه المجموعة. تغادر غازات الاحتراق المرحلة الأخيرة بعد أن انخفض ضغطها ودرجة حرارتها إلى قيم تسمح بإطلاقها في الجو، ويقوم دولاب العنفة بتقديم جزء من طاقته إلى الضاغط عن طريق المحور الذي يربط بينهما.

تستخدم العنفات الغازية، (الشكل 12) مشتقات البترول (فيول ـ مازوت) وقوداً كما أن العنفات الحديثة تستخدم الغاز الطبيعي بسبب عدم احتوائه على مركبات كيميائية تسبب تآكل ريش العنفة، إضافة إلى مردود أعلى نتيجة الاحتراق الأفضل، وعدم احتواء غازات الاحتراق على مركبات ضارة بالبيئة مثل أكاسيد الكبريت وغيرها.

الشكل (13) عنفة غازية ثنائية تعمل مع مبادل حراري

الشكل (14) محطة محورية مختلطة

ويمكن استخدام غازات الاحتراق لتسخين الهواء الداخل إلى العنفة بهدف رفع مردود العنفة كما في الشكل (13):

حيث:

1 ـ دخول الهواء الأولي

2 ـ غرفة الاحتراق

3 ـ ضاغط

4 ـ دخول الهواء الثانوي

5 ـ عنفة غازية

6 ـ مبادل حراري

7 ـ علبة سرع

8 ـ مولدة كهربائية

ج ـ محطات توليد الطاقة الحرارية المختلطة: يجري منذ عدة سنوات استخدام غازات الاحتراق الناتجة من العنفة الغازية التي تصل درجة حرارتها إلى نحو 500 ْم لتسخين الماء وتحويله إلى بخار يستخدم لتشغيل عنفة بخارية. وقد نتج من ذلك زيادة مردود محطة التوليد المختلطة، وخفض درجة حرارة غازات الاحتراق الناتجة من العنفة الغازية (الشكل 14).

دـ محطات توليد الطاقة باستخدام محطات الديزل: تستخدم محركات الديزل المكبسية مولداً للطاقة عند الحاجة إلى استطاعات صغيرة لا تتجاوز 1 ميغاواط. وغالباً ما تركب هذه المولدات في المعامل وفي المناطق السكنية لتوفير الطاقة عند انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي.

تتألف هذه المحطات من محرك ديزل يحتوي على عدد من المكابس، وعلبة سرع، ومولدة، ونظام تحكم للمحافظة على عدد دورات المولِّدة ثابتاً، ولوحة تشغيل تؤمن إقلاع المجموعة فور انقطاع التيار الكهربائي.

الشكل (15) مجموعة توليد ديزل

الشكل (16) مزارع ريحية

وغالباً ما تزود وحدات الديزل بشاحن turbo ـcharger، وهو عبارة عن عنفة غازية صغيرة تمر عبرها غازات الاحتراق الخارجة من المحرك، هذه العنفة تُشغِّل ضاغطاً يقوم بامتصاص الهواء ودفعه إلى أسطوانات المحرك بضغط مرتفع نسبياً، مما يؤدي إلى زيادة كمية الهواء الداخلة إلى المحرك، وبالتالي زيادة الاستطاعة التي يولدها المحرك ورفع لمردوده.

3ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية باستخدام طاقة الرياح (المزارع الريحية):

نتيجة للارتفاع المتزايد في سعر البترول والاهتمام بتلافي تلوث البيئة بغازات الاحتراق الناتجة من محطات التوليد الحرارية، برز في العقدين الأخيرين من القرن العشرين اهتمام متزايد باستخدام طاقة الرياح لتوليد الطاقة الكهربائية النظيفة، ولاسيما في المناطق التي تزيد فيها سرعة الرياح المتوسطة السنوية عن 5م/ثا [ر. الطاقات المتجددة].

4ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية (اللواقط الشمسية): ازداد استخدام تقانة توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية في العقد الماضي على نحو كبير، وقد قُدرت الاستطاعة المولدة عام 2001 بنحو 1780 ميغا واط، ومن المتوقع أن تصل عام 2021 إلى 2070 ميغا واط [ر. الطاقات المتجددة].

5ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية المختلطة باستخدام طاقة الرياح والطاقة الشمسية: تم في العقدين الأخيرين تطوير تقانات لتوليد الكهرباء، تستخدم كلاً من طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وهذا الحل المتكامل يتميز بتوليد استطاعة أكثر انتظاماً مع الزمن. تتألف هذه المحطة المختلطة (الشكل 17) من المركبات الرئيسية الآتية:

الشكل (17) مخطات توليد الطاقة الكهربائية المختلطة

ـ عنفة ريحية أو مزرعة ريحية.

ـ لواقط شمسية بمساحة مناسبة لتقديم الاستطاعة الكهربائية المطلوبة.

ـ مجموعة بطاريات مع نظام شحن ومراقبة.

ـ قالب للتيار من مستمر إلى متناوب inverter.

ـ ويمكن أن يربط بالنظام محطة توليد حرارية (وحدة ديزل) تعمل آلياً عند انخفاض مستوى القدرة المختزنة عن الحد المسموح به وتتولى شحن البطاريات.

الشكل (18) مخطط هيكلي لمحطة نووية

6ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية النووية: تعتمد محطات توليد الطاقة الكهربائية النووية على الاستفادة من الطاقة الحرارية الناتجة من الانشطار النووي لمادة مشعة مثل البلوتونيوم لتوليد البخار اللازم لتشغيل عنفات بخارية تكون مربوطة مع مولدة كهربائية تقوم بتوليد الطاقة الكهربائية. أما البخار الخارج من العنفة فيدخل إلى مكثف لتبريده، وبالتالي خفض الضغط المؤثر في مخرج العنفة مما يرفع من مردودها ويبين الشكل (18) مخططاً هيكلياً لمحطة نووية.

تراوح استطاعة المفاعلات النووية المولدة للكهرباء حالياً وفق المبدأ المذكور أعلاه بين 50 ـ 1000 ميغاواط.

إن أكبر تحدٍ تقاني في استخدام المفاعلات النووية في توليد الطاقة الكهربائية هو التحكم الدقيق بكمية البخار المتولدة ودرجة حرارته وضغطه، وهذا عائد إلى الحساسية الكبيرة في أداء المفاعلات النووية [ر. المفاعل النووي].

معن العظمة

 

الموضوعات ذات الصلة:

 

الطاقات المتجددة ـ مبدل التيار ـ المفاعل النووي.

 

مراجع للاسـتزادة:

 

- F.BEACH, Modern Power Station Practice: Electrical Systems and Equipment (Pergamon Press, Inc 1993).

- International Conference on Power Station, Power Station Maintenance (John Wiley & Sons 2005).



رقم صفحه البحث ضمن المجلد:15