كيف تصل الكهرباء إلى منزلِك

بقلم: سكوت داتفيلد

في المملكة المتحدة، تستهلك الأسرة الواحدة نحو 2700 كيلوواط/ساعة من الطاقة سنويًا، وتولَّد الكهرباء غالبًا باستخدام مبدأ الحث الكهرومغناطيسي Electromagnetic induction الذي شرحه مايكل فارادايMichael Faraday لأول مرة في العام 1831. يعتمد هذا المبدأ على تحريك مغناطيس داخل موصل مثل سلك نحاسي لتوليد شحنة كهربائية، حيث يؤدي ذلك إلى توليد فرق جهد كهربائي Potential difference، أو ما يعرف بالفلطية Voltage، بين طرفي الملف ونشوء تيار كهربائي ناتج عن حركة الشحنات. يمكن اعتبار الفلطية بمنزلة الضغط الذي يدفع الشحنات، في حين أن التيار Current هو المعدل الفعلي لتدفق تلك الشحنة. وكلما كان الملف أطول كان المجال المغناطيسي أكبر وتحرك المغناطيس بوتيرة أسرع، مما يؤدي بدوره إلى زيادة حجم الفلطية الناتجة، ومن ثم صار تدفق التيار أكبر.

وأيًا كان نوع الوقود المستخدم – سواء كان حرق الفحم أو تسخير طاقة الرياح – يتمثل هدف معظم محطات الطاقة في تدوير توربين متصل بمولد حثي كهرومغناطيسي. يؤدي تدوير شفرات التوربين إلى تحريك مغناطيس كهربائي داخل دائرة من الأسلاك النحاسية لتوليد تيار كهربائي. في بعض محطات توليد الطاقة، مثل تلك التي تعمل بالفحم والانشطار النووي، تدار التوربينات عن طريق تسخين الماء إلى بخار، والذي يحرك شفراتها. أما محطات توليد الطاقة التي تستخدم الغاز الطبيعي فتضغط الوقود، إلى جانب الهواء، ومن ثم تشعله لتوليد ما يكفي من الغازات ذات الضغط العالي لتدوير التوربين. يستخدم عديدٌ من مصادر الطاقة المتجددة الطاقةَ الحركية التي توفرها الطبيعة، مثل طاقة الرياح أو المياه المتدفقة، لتدوير التوربينات وتوليد تيار كهربائي.

قبل أن يُوجَّه أي تيار كهربائي إلى منازلنا، يجب أولًا أن يُنقل عبر نظام نقل خاص. في إنجلترا وويلز، ينقل التيار عبر أكثر من 4,500 ميل من الكبلات الهوائية و900 ميل من الكبلات الأرضية. ولكي ينتقل التيار بأمان وكفاءة، تبدأ رحلته وتنتهي بجهازين أساسيين: محول رفع الجهد ومحول خفض الجهد. تُستخدَم هذه المحولات لزيادة وخفض جهد التيار في

أثناء رحلته عبر البلاد. يُستخدَم محول رفع الجهد Step-up transformer في بَدء الرحلة لزيادة جهد التيار الكهربائي بهدف نقله مسافات طويلة، بينما يُستخدَم محول خفض الجهد Step-down transformer في النهاية لتقليل الجهد إلى مستوى آمن قبل وصول التيار إلى منازلنا.

لتحقيق ذلك، تَستخدِم المحولات ملفَّين داخليَّين مصنوعين من النحاس. دعونا نُسَمِّهما الملفَّين «أ» و«ب». في محول رفع الجهد، يستقبل الملف «أ» تيارًا مترددًا Alternating current (AC) من محطة توليد الطاقة. بخلاف التيار المستمر Direct current (DC)، يتحرك التيار المتردد ذهابًا وإيابًا بنمطٍ منتظم. عندما يمر هذا النوع من التيار عبر ملف نحاسي، يُنتج مجالًا مغناطيسيًّا نابضًا يُسمّى «التدفق المغناطيسي» Magnetic flux. ويتميز هذا المجال المغناطيسي بقدرته على تحفيز تدفق تيار في ملف آخر موضوع بجانبه. ومن ثم يُحفز التدفقُ المغناطيسي الناتج في الملف «أ» تدفقَ التيار في الملف «ب». ومن خلال تغيير طول كل ملف نحاسي، يمكن أيضًا تغيير فلطية المتولد بواسطة التدفق المغناطيسي؛ فكلما كان الملف أقصر، ارتفعت الفلطية (الجهد الكهربائي)، والعكس صحيح. في محول رفع الجهد، يكون الملف «أ» أطول من الملف «ب»، لذا رفع الجهد في الملف «ب». أما في محول خفض الجهد، فيمر التيار الداخل أولًا عبر الملف «أ»، الذي يكون أقصر من الملف «ب»، مما يؤدي إلى خفض الجهد إلى مستوًى آمن.

8.77 بليون طن

كان الفحم أكثر أنواع الوقود الأحفوري استخدامًا في العالم في العام

أكبر خمسة منتجين للطاقة في العام 2023:

الصين: 9,460 تيراواط- ساعة

الولايات المتحدة: 4,490 تيراواط- ساعة

الهند: 1960 تيراواط- ساعة

روسيا: 1,180 تيراواط- ساعة

اليابان: 1,010 تيراواط- ساعة

70,000 طن

الاستهلاك العالمي السنوي من اليورانيوم الخام لإنتاج الطاقة

تكفي 10 أطنان من اليورانيوم الطبيعي لتزويد أكثر من 148,000 منزل بالطاقة على مدار سنة

طاقة من الفضاء

ماذا لو كان في إمكاننا توليدُ الطاقة الكهربائية من الفضاء؟ قد تبدو التقنية المقترحة والمعروفة باسم الطاقة الشمسية الفضائيةSpace- based solar power وكأنها من عالم الخيال العلمي، إلا أنها بالفعل موضع اهتمام ودراسة من قِبَل العلماء، إذ تعتمد فكرتها على إطلاق أقمار صناعية ضخمة مزوّدة بألواح شمسية إلى المدار، بحيث تجمع الطاقة الشمسية في عملٍ مستمر من دون قيود ساعات النهار كما هي الحال بالنسبة إلى الألواح الأرضية، ويمكن بعد ذلك تحويل هذه الطاقة إلى موجات قصيرة (ميكروويف) أو أشعة ليزر تُنقَل لاسلكيًا إلى هوائيات أو خلايا ضوئية لتحويلها إلى تيار كهربائي. وعلى الرغم من ميزاتها التي تشمل إنتاج الطاقة على مدار الساعة وكونها صديقة للبيئة، تواجه هذه الطريقة بعض

الصعوبات مثل ضعف الكفاءة في تحويل الأشعة الشمسية إلى موجات ميكروويف، وإحداث تلوث ضوئي، إلى جانب الحاجة إلى قمر اصطناعي بحجم أكبر من أي جسم أُرسلناه إلى الفضاء من قبل.

 

---

الطريق إلى الطاقة

كيف تُولَّد الطاقة وتُنقَل إلى أحيائنا السكنية

الفحم Coal

1 الغلاية Boiler

يوجَّه الفحمُ إلى غلايات كبيرة، حيث يُسخَّن إلى 1,700°س.

2 الانبعاثات Emissions

تُنفَّس الانبعاثات الضارة، مثل ثاني أكسيد الكربون، من محطة الطاقة عبْر مداخنَ عالية تسمى الأبراج Stacks.

3 بخار Steam

تُسخِّن الحرارةُ المتولدة من حرق الفحم المياهَ المجاورة وتحولها إلى بخار تحت ضغط عال.

4 التوربينات Turbine

يتحرك البخار عبر التوربينات ذات الشفرات، مما يسبب دورانَها بسرعة تصل إلى 3,600 دورة في الدقيقة.

5 المُولِّد الكهربائي Generator

يثبَّت على التوربين مغناطيس كهربائي، بداخل ملف الأسلاك النحاسية للمولد الكهربائي.

6 المكثف Condenser

يدخل البخار إلى المكثف ليعاد إلى حالته السائلة قبل إعادة تسخينه وتحويله مرة أخرى إلى بخار.

وقود نووي Nuclear

7 الوقود الأساسي Elemental Fuel

تُقصَف قضبان وقود اليورانيوم بالنيوترونات، مما يؤدي إلى حدوث تفاعل منتج للحرارة يسمى الانشطار النووي Nuclear fission.

8 المياه Water

تُسبب الحرارةُ الناتجة عن الانشطار النووي، والتي تتراوح بين 300 و900°س، غليانَ الماء المحيط وتُحوِّله إلى بخار مضغوط.

9 قضبان التحكم Control Rods

تُزود قضبانُ التحكم المفاعلَ بالنيوترونات، وتُنظم معدلَ حدوث الانشطار النووي في المفاعل.

طاقة الرياح Wind

10 الشفرات الدوارة Rotor Blades

عادةً ما يتراوح طول الشفرات الدوارة لتوربينات الرياح بين 50 و90م لالتقاط تيارات الرياح.

11 علبة التروس Gearbox

تدير الشفراتُ الدوارة علبةَ تروس بدلًا من التوربين الموجود في محطات الطاقة الأخرى.

الطاقة الشمسية Solar

12 طاقة الشمس Sun Power

بدلًا من استخدام الحث الكهرومغناطيسي لتوليد الكهرباء، تستخدم الألواح الشمسية الخلايا الكهروضوئية Photovoltaics لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

التحويل والنقل Transform And Transmit

13 بطانة عازلة Bushings

تمر التيارات داخل وخارج خزان المحول الكهربائي عبْر وصلة معزولة تُسمى البطانة العازلة Bushing. تساعد هذه البطانات على منع تسرُّب الكهرباء إلى الخارج.

14 راديتر (مبرد) Radiator

يدور الزيت عبْر المبرد Radiator للمساعدة على تبريد الحرارة الزائدة التي يولدها المحول.

15 قلب المحول Core

في قلب المحول، تُستخدَم صفائح رقيقة من الفولاذ السيليكوني لتركيز التدفق المغناطيسي.

16 الملفات Coils

تَنتُج التقلبات في الجهد بفعل أسلاك نحاسية ملفوفة حول قلب المفاعل.

17 كبلات Cables

تنتقل الكهرباء ذات الجهد العالي من المحول عبْر شبكة نقل مكونة من كبلات، بجهد يقارب 400,000 فولت.

18 الأبراج الحاملة Pylons

تتم عملية نقل شبكة الكبلات الحاملة للكهرباء عبْر أبراج فولاذية، وهي معزولة أيضًا بحيث لا تَنقُل التيار الكهربائي عبر البُرج نفسه.

19 المحول الخافض للجهد Step-Down Transformer

قبل أن يصبح التيار الكهربائي جاهزًا للاستخدام، يمرَّر عبْر محوِّل خافض للجهد، وهو يقلل الجهد الكهربائي إلى مستوى آمن.

20 المنازل Homes

يوصل نحو 230 فولتًا إلى المنازل عبْر كبلات علوية أو تحت الأرض.