ما هي مصادر الطاقة الكهربائية وآلية توليد الطاقة الكهربائية

أصبح العالم لا يستطيع الاستغناء عن الطاقة الكهربائية بشكل دائم ولهذا تتنوع مصادر الطاقة الكهربائية بشكل كبير وتشكل أساساً حيوياً لدعم الحياة الحديثة وتشغيل مجموعة متنوعة من الأجهزة والأنظمة، وتتضمن مجموعة متنوعة من الموارد الطبيعية والتقنيات المتطورة التي تحول الطاقة إلى كهرباء.

ما هي مصادر الطاقة الكهربائية ؟

فيما يلي أبرز أنواع مصادرها:

الوقود الأحفوري:

• يعرف بأنه مواد أصلها نباتات وحيوانات متحللة دفنت تحت طبقات الصخور والرواسب لآلاف السنين وتحولت فيما بعد إلى مواد غنية بعناصر الكربون والهيدروجين، ويستخدم في قطاعات التدفئة وتوليد الكهرباء والصناعة والنقل، ويشتمل على عدة أنواع منها: الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي.

الفحم:

• يعتمد على نطاق واسع في محطات توليد الكهرباء لتوليد البخار اللازم لتشغيل المولدات ويتم من خلال تحويل الفحم إلى مسحوق ناعم ثم حرقه على درجات حرارة عالية لتوليد البخار وتشغيل المولدات.

الغاز الطبيعي:

• مجموعة من الغازات الغنية بالهيدروكربونات يستخدم في توليد الكهرباء من خلال وحدات توليد البخار وتوربينات الغاز المركزية ووحدات الدورة المركبة.

النفط:

• سائل يتشكل نتيجة تحلل المواد العضوية في باطن الأرض يخضع لعمليات تكرير للحصول على منتجات مثل البنزين والديزل ووقود الطائرات، وتستخدم في قطاعات الصناعة وتوليد الكهرباء.

تعريف الطاقة الكهربائية

تُعرف الطاقة بشكل عام على أنها القدرة على إتمام العمل وتتنوع أشكالها واستخداماتها في الحياة، ومن أبرزها الطاقة الكهربائية التي تتميز بسهولة الاستخدام وتحويلها لأشكال أخرى من الطاقة إلا أن تخزينها بكميات كبيرة يعتبر تحدي.

استخدامات الكهرباء متنوعة تكون في تشغيل الأجهزة الكهربائية وتدفئة المنازل وفي عمليات النقل والمجالات الصناعية، حيث تمثل نسبته 18% من إجمالي أنواع الطاقة المستخدمة في العالم.

تُعبر الطاقة الكهربائية عن الطاقة المخزنة في الجسيمات المشحونة في الذرة والتي تنشئ مجالًا كهربائيًا يحيط بها، وينشأ قوى كهربائية بينها والجسيمات المشحونة الأخرى داخل المجال الكهربائي، مما يولد قوة تدفع الجسيمات المشحونة للتحرك وبالتالي يتم استخدامها للقيام بالعمل.

تخزين الطاقة الكهربائية

يحدث تدفق الإلكترونات المعروف أيضًا بالتيار الكهربائي نتيجة التأثير المتبادل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية حيث تتحرك في التوصيلات بفعل المجالات مما ينتج عنه تولد طاقة كهربائية تحرك الشحنات.

يمكن تخزين الطاقة باستخدام المكثفات أو البطاريات للاستفادة منها في مختلف التطبيقات، بالإضافة إلى ذلك يمكن نقل الكهرباء بسهولة عبر الأسلاك المصنوعة من مواد موصلة مثل المعادن حيث يطلق على هذا النظام نظام الشبكة الكهربائية.

تطبيقات الطاقة الكهربائية

تطبيقات الطاقة الكهربائية وتحولاتها تتجلى في التيار الكهربائي المستخدم لتشغيل الأجهزة الكهربائية حيث يحول الطاقة الكهربائية إلى أشكال مختلفة مثل الطاقة الحرارية أو الضوئية أو الميكانيكية

البطاريات أيضًا تعتبر مصدرًا جيدًا للطاقة إلا أن التيار الكهربائي الناتج عنها يتمثل في تدفق لأيونات المعادن المستخدمة فيها بدلاً من الإلكترونات.

كما أنها تلعب دورًا أساسيًا في جسم الكائنات الحية حيث تسهم في الاستجابات العصبية وحركة العضلات فوجود الطاقة الكهربائية والتيار الكهربائي في الجسم يعتبر أساسيًا لها

حيث يتركز توزيع الأيونات مثل الهيدروجين أو الإلكترونات على جانب واحد من أغشية الأعصاب مما يؤدي إلى توليد تجاذب أو تنافر وبالتالي انقباضات أو انبساطات تمثل الاستجابات العصبية.

آلية توليد الطاقة الكهربائية

في بداية القرن التاسع عشر ابتكر العالم البريطاني مايكل فاراداي طريقة لتوليد الطاقة الكهربائية باستخدام حلقة أو قرص معدني مثل النحاس داخل مجال مغناطيسي ناتج عن أقطاب مغناطيسية مختلفة.

وينتج هذا التفاعل عن تحرر الإلكترونات والأيونات السالبة في الموصل تحت تأثير القوى الكهربائية حيث تنجذب الإلكترونات للأيونات الموجبة وتتنافر مع الإلكترونات والأيونات المتماثلة معها في الشحنة.

في محطات توليد الكهرباء تتمثل العملية في تسخين المياه لتصبح بخارًا ذا ضغط مرتفع في وحدة الغليان باستخدام مصادر طاقة مثل الفحم أو النفط أو الغاز، ثم يستخدم البخار الناتج لتشغيل التوربينات التي تدير المولد الكهربائي لإنتاج الكهرباء بالطريقة الكهرومغناطيسية.

وتشترك جميع محطات توليد الكهرباء في أجزاء أساسية مثل وحدة الغليان التي تسخن المياه والمولد الكهربائي والتوربينات التي تحول البخار إلى كهرباء ومياه التبريد التي تستخدم لتكثيف البخار بعد استخدامه في التوربينات.

اطلع على: استخدامات متعددة لـ الهيدروكربونات المنزلية والطبية

قانون الطاقة الكهربائية

يمكن التعبير عن الطاقة الكهربائية باستخدام القوانين الثلاث التالية:

الطاقة الكهربائية (PE) تعبر عنها باستخدام القانون:  ط = ج × ش، حيث:

• ط هو الطاقة الكهربائية المقدرة بالجول.
• ج هو الجهد الكهربائي بالفولت.
• ش هي الشحنة الكهربائية بالكولوم.

الطاقة الكهربائية يمكن تعبيرها أيضًا باستخدام القانون: ط = ج × ت × ز، حيث:

• ت هو التيار الكهربائي بالأمبير.
• ز هو فرق الزمن اللازم لنقل الشحنات الكهربائية بين طرفي الموصل بالثانية.

وأخيرًا يمكن تعبير الطاقة الكهربائية بواسطة القانون: ط = م × ت^2 × ز، حيث:

• م هي المقاومة أو الموصلية الكهربائية.

ومن الجدير بالذكر أن الطاقة الكهربائية تعرف على أنها مقدار الجهد الكهربائي المبذول على الشحنات الكهربائية في دائرة كهربائية خلال مدة زمنية محددة وتقاس بوحدة الجول.

اطلع على: تعريف الصناعات التحويلية؛ وأهم 8 أنواع للصناعات التحويلية

مميزات الطاقة الكهربائية

تمكنت الطاقة الكهربائية من تقديم العديد من المزايا منذ ظهورها الأول، ومن أبرزها ما يلي:

• تشغيل معظم الأجهزة التكنولوجية والكهربائية يعتمد على الطاقة الكهربائية مما يسهل حياة الناس ويزيد من فعالية استخدام الأجهزة.
• تسهم في زيادة إنتاج المصانع من خلال توليد الطاقة مما يعزز الإنتاجية ويدعم التنمية الصناعية.
• توفير تزويد موثوق ومتواصل بالطاقة يضمن إدارة وعمل الأجهزة بكفاءة وباستمرار مما يسهل الحياة اليومية للأفراد والمؤسسات.
• تتطلب القليل من الصيانة مع ضمان عملها لسنوات طويلة مما يقلل من التكاليف ويزيد من كفاءة الاستخدام.
• تمكن الناس من ممارسة الأنشطة الترفيهية والاجتماعية في جميع الأوقات ليلاً ونهاراً وصيفاً وشتاءً مما يعزز من جودة الحياة ويزيد من الرفاهية العامة.