لقد أصبحت الكهرباء جزءاً لا يتجزأ من حياة الإنسان في عصرنا الحالي، فقدانتشر استخدامها في جميع المجالات الصناعية والتجارية والمنزلية.
ومن أجل تأمين الطاقة الكهربائية وإيصالها للمستهلك، لا بد من أنظمة توليد ونقل هذه الطاقة الكهربائية وتأمين التغذية الكهريائية بموثوقية عالية.
1-محطات التوليد الكهربائية:تقوم محطات توليد الطاقة الكهربائية بتحويل أحد أشكال الطاقة إلى طاقةكهربائية.
وهناك طريقتان معروفتان لتوليد الطاقة الكهربائية باستطاعات كبيرة، ويعتبر المولد والعنفة العناصر الأساسية في توليد الطاقة الكهربائية، حيث يقومان على تحويل الطاقة الكامنة بالوقود المستخدم إلى طاقة ميكانيكية دورانية، ومن ثم تحويلها بواسطة المولد من طاقة ميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
بعض تصنيفات المحطات المختلفة لإنتاج الطاقة الكهربائية:
1-1- محطات التوليد الحرارية
وأهمها:
1-1-1- محطات التوليد البخارية.
1-1-2- محطات التوليد الغازية.
1-1-3- المحطات الحرارية ذات الوقود النووي (محطات التوليد النووية).
1-1- محطات التوليد الحرارية
1-1-1-محطات التوليد البخارية:
يعتمد المبدأ الرئيسي في عمل المحطات البخارية على تأكسد أحد العناصر المكونة للوقود المتوفر مثل (الفحم الحجري أو البترول أو الغاز الطبيعي أو الصناعي) مع الأكسجين، والذي بدوره ينتج طاقة حرارية بدرجة عالية.
– تتكون محطات التوليد البخارية من الأجزاء التالية:
1- الفرن (الحراق) Furnace:
ويعرف بالجهاز الكهروميكانيكي، الذي يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى طاقة حرارية، ويوجد داخلحجرة تدعى بحجرة الاحتراق، وفيه يتم حرق الوقود و يختلف شكله حسب نوع الوقود المستخدم، وتعتمد الحراقات في عملها على مبدأ سحب الهواء ومزجه مع الوقود ليمر بعدها على شرارة كهربائية لاشتعاله.
2- المرجل Boiler:وهو عبارة عن وعاء كبير مغلق يصنع من معادن النحاس أو الكروم أو الفولاذ، ويستخدم لتسخين المياه النقية بواسطة حرق الوقود فتتحول المياه إلى بخار.
وهناك أنواع مختلفة من المراجل منها:
– مراجل الأنبوب الناري.
– مراجل الأنبوب المائي.
– مراجل الدوران الطبيعي.
– مراجل الضغط تحت الحرج.
– مراجل الضغط فوق الحرج.
3- العنفة البخارية Steam Turbine:
وتمثل المحرك الحراري الذي يحول القدرة الكامنة إلى بخار ومن ثم إلى قدرة ميكانيكية تستخدم فيها الفوهة المثبتة في الهيكل ليدخل من خلالها البخار الذي يتم إنتاجه من مولد البخار و يتوضع داخل الهيكل الدوار، الذي يتألف من قرص تثبت عليه الشفرات المتحركة ويثبت بدوره على المحور الذي يدوُّر مساند الانزلاق، أما الهيكل فيعزل الفراغ الداخلي للعنفة عن الوسط المحيط.
وتختلف العنفات البخارية في الحجم والتصميم والشكل باختلاف كمية البخاروسرعته وضغطه ودرجة حرارته، وباختلاف استطاعة محطة التوليد.
4- المولد الكهربائي Generator:
يتألف المولد من عضو ثابت وعضو دوار، يُربط مباشرة مع محور العنفة وتختلف المولدات فيما بينها باختلاف استطاعة المحطة.
تصمم المولدات الكهربائية التي تقاد بواسطة العنفات البخارية لتعمل عند تردد (50 أو 60)Hz، ويكون محورها أفقياً.
5- مكثف الماء Condenser:
يعمل على إنقاص ضغط الخروج للعنفة وإعادة ماء التغذية للمراجل.
6- المتحكم بالسرعة:
وظيفته تنظيم خرج المحركات الأولية في محطة التوليد بزيادة كميةالبخار الداخلة للعنفة البخارية، وتتألف المتحكمات الحديثة من حساسات لتغييرالسرعة بشكل دقيق.
7- الموفرات:
يُعرف الموفر بسطح التبادل، ومهمته نقل الحرارة من الغازات العادمة إلىماء تغذية المرجل، بعد تسخينه في مسخنات الضغوط العالي، حيث تدخل الغازات العادمة الموفر عند درجة حرارة (100-700)F، وتستخدم جزء من طاقتها لتسخين ماء التغذية.
8- سطوح التسخين الثانوية:
تعمل هذه السطوح على انتزاع الحرارة من الغازات العادمة بعد أن قامت هذه الغازات بنقل الحرارة إلى سطوح التسخين الأولية، للحصول على مردود عالي من المرجل، وذلك عن طريق خفض درجة حرارة الغازات العادمة.
9- المسخنات الأولية للهواء:
وهي من حيث المبدأ تشبه الموفرات، فهي تستفيد من طاقة الغازات العادمة قبل مغادرتها إلى الفضاء، فتمر بدرجة حرارة تتراوح من (600 – 800) F الى مسخنات الهواء، فتبرد من (275 – 350) F فقط من أجل تجفيف تكاثف الغاز منعاً للتآكل، وتسمح بالانتشار الملائم في الجو.
10- مراوح سحب الهواء القسري:
وظيفتها تأمين هواء الاحتراق ضمن غرفة الاحتراق في المرجل، لتكامل عملية الاحتراق.
11- نافخات الهباب وملفات التحميص:
مهمتها تنظيف سطوح المحمِّصات وجدران المراجل الداخلية وسطح الموفر ومسخن الهواء من بعض ذرات الكربون المتواجد في وقود الفيول غير المحترقة.
– يتم تحويل الماء إلى بخار تحت ضغط مرتفع عن طريق المرجل، ينتقل هذا البخار بوساطة أنابيب إلى العنفة البخارية بعد تحميصه وتجفيفه، يتحول جزء من حرارة البخار لعمل ميكانيكي، حيث يشكل عزم دوران يعمل على تدوير محور العنفة المتصلة بمحور المنوِّبة، وبالتالي يؤدي إلى دوران هذا المحور وإلى توليد الطاقة الميكانيكية ومن ثم إلى طاقة كهربائية، أما الطاقة الحرارية يمكن أن تؤخذ على شكل بخار من العنفة أو من المرجل.
يتم ينقل البخار المتمدد إلى الوسط المبرد عن طريق المكثف إلى مضخات التبريد حيث يتم فيها فصل الهواء، أما مضخة الماء فتدخل الماء المتكاثف إلى مسخنات الضغط المنخفض، حيث يتم تسخين الماء المتكاثف والذي بدوره يؤدي إلى زيادة مردود الدارة الحرارية، ثم يمر إلى فاصل الغازات الذي يفصل الأوكسجين المنحل في الدارة الحرارية، أما خزان التعويض فهو يعوض عن الماء المفقود، يتم ضخ الماء المعالج إلى مسخنات الضغط العالي ثم تدخل المرجل وتقفل الدارة الحرارية ويقوم معيد التحميص بإعادة التسخين.
– يتم اختيار المواقع المناسبة لبناء المحطات البخارية وفقا للأسس التالية:
1- قرب موقع المحطة من مصدر الطاقة التي تستخدم لتشغيل المحطة.
2- قرب المحطة من مصادر ثابتة للمياه وبكمية كافية تؤمن تغطية الأحمال الاعظمية للمحطة.
3- قرب موقع المحطة من المستهلكين قدر الإمكان.
4- توفر المساحات الكافية المستوية، بغية توفير كلفة البناء لأعمال الحفريات.
5- الابتعاد عن المطارات، بسبب تصمم المداخن بارتفاع لا يقل عن 350m.
6- توفر مساحات قريبة من المحطة لبناء المجمعات السكنية للعاملين فيها.
7- أن يؤمن موقع المحطة إمكانية النقل السريع والسهل لبقايا الاحتراق والنفايات.
1-1-2- محطات التوليد الغازية:
بدأت فكرة استخدام العنفات الغازية سنة 1920 و استخدمت أول عنفة غازيةفي إنتاج الطاقة الكهربائية عام 1938 و تم استثمارها عام 1940، حيث كانت استطاعتها عندئذٍ 1MW.
– إن معظم هذه المحطات تستخدم كمحطات لتغذية الأحمال أو لربطها مع المحطات الهيدروليكية، وقد استخدمت هذه المحطات للتغذية في الأماكن التي يكثر فيها الغاز الطبيعي الرخيص، إن فترة إقلاع وإيقاف المحطات الكهربائية الغازية تتراوح بين دقيقتين وعشرة دقائق.
– يتم توليد الطاقة الكهربائية في مثل هذه المحطات عن طريق الطاقة الكامنة التي تنتج عن حرق مزيج من الهواء والغاز عند ضغط معين فتتحول هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية تؤدي إلى دوران عنفة بخارية والتي بدورها تقود مولداً كهربائيا يولد الطاقة الكهربائية.
– تتأثر العنفات الغازية كثيراً بدرجة حرارة الجو المحيط سواء في الشتاء أم في الصيف، فهي ليست ذات كفاءة عالية في توليد الطاقة الكهربائية وخاصة في الأماكن الباردة، أو عندما تستخدم مع المحطات الهيدروليكية حيث ينخفض مستوى الماء لتجمده في الشتاء كما تفقد العنفات الغازية الكثير من طاقتها على شكل حرارة في العادم “Exhaust” وهي طاقة مهدورة.
– مبدأ عمل المحطات الغازية:يدخل الوقود المستخدم في محطات التوليد الغازية (الغاز الطبيعي أو وقود الديزل) حجرة الاحتراق، أما الهواء المضغوط فيدخل عن طريق الضاغط، فتندفع نواتج الاحتراق الساخنة (الغاز) إلى العنفة الغازية التي تُدور، وتدوّر بدورها مولداً صغيراً نسبياً.
يتم إقلاع المجموعة الغازية وإيقافها بفترة تتراوح من (2 – 20) sec ويتراوح المردود الإجمالي مابين (25 – 30)% فهي ذات مردود ضعيف وهذه إحدى مساوئ هذا النوع من المحطات.
تتكون هذه المحطات من الأجزاء الرئيسية التالية:
1- ضاغط الهواء Air Compressor:
يأخذ هذا الضاغط الهواء من الجو المحيط ويرفع ضغطه إلى عشرات الضغوط الجوية.
2- غرفة الاحتراق Combustion Chamber:
وفيها يتم مزج الهواء المضغوط الذي يأتي من مكبس الهواء مع الوقود ويحترقان معاً بوساطة وسائل خاصة بالاشتعال، وتكون نواتج الاحتراق من الغازات المختلفة وذات درجات حرارة عالية وضغط مرتفعين.
3- العنفة Turbine:
وهي عبارة عن توربين محورها أفقي مرتبط من ناحية مع محور مكبسالهواء مباشرة، ومن ناحية أُخرى مع المولد عن طريق محكمات السرعة بغية تخفيف السرعة، حيث تكون سرعة دوران التوربين عالية جداً لا تتناسب مع سرعة دوران المولد الكهربائي.تدخل الغازات الناتجة عن الاحتراق في التوربين، فتصطدم بريشها، فتنتج طاقةميكانيكية يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية.
4- المولد الكهربائي Generator:
يتصل المولد مع العنفة عن طريق محكمات السرعة، وفي بعض العنفات الحديثة يتم تقسيم العنفة إلى قسمين الأول للضغط والسرعة العاليةويكون متصل مباشرة بمكبس الهواء، والثاني يتصل مباشرة مع محور المولد الكهربائي.
مزايا محطات التوليد الغازية بـ :
1- سهولة التحكم بالعنفة.
2- سرعة التشغيل والإيقاف.
3- إمكانية إقامة وبناء مثل هذه المحطات ف المراكز الصناعية حيث تكون قريبة جداً من الاستهلاك الكهربائي الأعظمي.
4- عدم حاجتها لمساحات واسعة وذات حجم بناء أصغر من المحطات البخارية.
5- كلفة إنشاء صغيرة و اقتصادية بالنسبة للمحطات البخارية، عدم الحاجة ليد عاملة كبيرة.
6- إمكانية وصلها بالحمل بشكل سريع، وعدم حاجتها لكميات كبيرة من الماء
7- بسيطة ورخيصة الثمن نسبياً، سرعة في تركيبها وانشائها وسهولة صيانتها وهي أيضاً لا تحتاج إلى مياه كثيرة للتبريد.
8- يمكن استعمال المنوبة فيها كمعوض متزامن “متواقت”.
من أهم مساوئ وعيوب محطات التوليد الغازية:
1- حاجتها لدرجات حرارة عالية.
2- انخفاض قيمة المردود الحراري والإجمالي بالمقارنة مع المحطات البخارية.
3- ذات عمر افتراضي أقصر من عمر المحطات البخارية.يتم في معظم الأوقات جمع العنفات الغازية وملحقاتها والعنفات البخاريةوملحقاتها في محطة واحدة، بغية الاستفادة من الحرارة وزيادة الكمية الفعالة للتحويل ورفع المردود العام، بالإضافة إلى الاستعمال المتكامل للوقود.
يعود ذلك إلى عدم إمكانية تصميم عنفات غازية باستطاعات كبيرة وذات مردود عالي بالمقارنة مع العنفات البخارية.
يتجه الغاز الناتج عن الاحتراق في حجرة الاحتراق إلى العنفة الغازية، أما نواتج الاحتراق بعد التبريد إلى درجة حرارة ملائمة فتتوجه إلى العنفة البخارية وبالتالي نجد أن محطة التوليد البخارية تمتلك مولّدين دوَّارين، أحدهما مع عنفة بخارية وآخر مع عنفة غازية.
وبذلك يتم الحصول على مردود يصل إلى حوالي من 35%.
1-1-3- محطات التوليد النووية:
الطاقة النووية أو الطاقة الذرية هي الطاقة الي تتحرر عندما تتحول ذرات عنصر كيمائي إلى ذرات عنصر آخر.عندما تنشطر ذرات عنصر ثقيل إلى ذرات عنصرين أخف فإن التحول يسمى “إنشطاراً نووياً” ويمكن أن يكون التحول “اندماجاً نووياً” عندما تتحد أجزاء ذرتين. من ناحية أخرى، يخاف بعض الناس من الطاقة النووية، لأنها تخدم أيضاً في صنع أعظم القنابل والأسلحة فظاعة في تاريخ العالم.
نفذت أول محطة توليد حرارية نووية في العالم في عام 1954 وكانت في الاتحاد السوفيتي بطاقة 5MW.
يوضع الوقود على شكل حزم من قضبان طويلة داخل قلب المفاعل وهو عبارة عن حجرة مضغوطة شديدة العزل، يتم الانشطار النووي فيها لتوليد الحرارة، والتي تعمل على تسخين المياه وتكوين البخار فتدور التوربينات التي تتصل بمولدات كهربائية، ويتم تغطيس الحزم في الماء للإبقاء عليها باردة، أو يمكن استخدام ثاني أُكسيد الكربون أو معدن مصهور لتبريد قلب المفاعل.
1- التخصيب Enrichment: يعرف اليورانيوم بأنه المادة الخام للمشاريع النووية العسكرية والمدنية، ويستخرج من باطن الأرض أو من الطبقات القريبة من سطحها أو عن طريق التعدين.
يتم تخصيب اليورانيوم بطرق عديدة مثل ( الانتشار الغازي والطرد المركزي والليزر والتدفق النفاث والفصل للنظير بالكهرومغناطيسية)
1-1- الانتشار الغازي Method Diffusion Gaseous the :
يتم بتحويل اليورانيوم الذي تكون فيه نسبة (U – 235) 0.7% فقط إلى غاز هكسافلوريد اليورانيوم، ويتم ضخه بعدها عن طريق حاجز مسامي لزيادة نسبة (U – 235)، حيث يسمح الحاجز لذرات اليورانيوم بالعبور من خلاله بسرعة كبيرة، وبتكرار عملية النفاذية خلال حواجز متتالية مرات كثيرة، ترتفع نسبة (U – 235) من %0.7 إلى %3.5 وهكذا فقط يكون صالح للاستخدام في المفاعلات النووية التي تعمل بالماء العادي “مثل مفاعل الماء المغلي”، وبتكرار هذه العملية عدة مرات يرتفع تركيز (U – 235) إلى نحو 90% وهكذا يصبح صالحاً لصناعة الأسلحة النووية.
1-2- الطرد المركزي:
استخدمت هذه الطريقة دول عدة مثل الصين وفرنسا وبريطانيا والهند وباكستان وكوريا الشمالية، حيث حوّل اليورانيوم إلى غاز هكسافلوريد اليورانيوم بالتسخين، وتم بعد ذلك تدوير سداس فلوريد اليورانيوم بسرعة عالية في غرفة اسطوانية بدلاً من الطريقة السابقة، وبتأثير قوة الطرد المركزي تتجه ذرات اليورانيوم الأثقل (U- 238) إلى حافة اسطِوانة الطرد المركزي، وتبقى ذرات (U – 235) في وسط الإسطوانة لخفتها، ومن ثم يسحب (U – 235) ويفصل ويتم استخلاصه، ويضخ بعد ذلك (U – 235) في جهاز طرد مركزي آخر، وتتكرر تلك العملية مرات عديدة عبر سلسلة من أجهزة الطرد.
1-3- التخصيب بالليزر:
يستخدم فيها ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم وتدعى بطريقة البخار الذري، حيث يتم فصل “U” بتحويل المعدن لبخار وبتسليط أشعة الليزر عليه فتثير ذرات (U – 235) والتي تتجمع بالتأثير الإلكتروستاتيكي، واستخدمت هذه الطريقة في كوريا الجنوبية عام 2000 .
2- مكونات المفاعل النووي:
2-1 الوقود النووي Fuel Nuclear:
أو المادة الانشطارية، وتصنع على شكل فضبان أو ألواح، تغلف بغطاء محكم من مادة معدنية مثل الألمنيوم أو الحديد الصلب وتوضع في قلب المفاعل. ويستخدم عادة مزيج من (U – 235) والجرافيت كوقود.
2-2 المهدئ Moderator :
لابد من تهدئة النترونات الناتجة عن التفاعل من أجل استمرار التفاعل المتسلسل والتي تبلغ سرعتها حوالي 20000km/sec، وهنا يأتي المهدئ الذي يتألف من ذرات خفيفة، يعتبر الجرافيت من أهم المواد استخداماً كمهدئ، فهو، وقد يحل الماء العادي أو الماء الثقيل أو الغاز محل الجرافيت.
ومن الأجزاء الرئيسية المهمة في قلب المفاعل قنوات التبريد Cooling System التي تحمل الطاقة الحرارية المتولدة إلى خارج المفاعل بالإضافة إلى أنها تخفض حرارة وحدات الوقود النووي و تحافظ عليها من التلف، وقد يمر سائل أو غاز في قنوات التبريد لنقل الطاقة الحرارية.
2-3 قضبان التحكم Rods ControI:
وهي قضبان من الكادميوم أو البورون هدفها التحكم في التفاعل النووي الحادث، وذلك بامتصاص النترونات وتقليل عددها حسب المطلوب، لأن من خصائص هذين العنصرين مقدرتهما على امتصاص النترونات، وقد يفعل الجرافيت ذلك و لكن بدرحة قليلة جداً، و توضع مكونات قلب المفاعل في وعاء ضغط كبير من الصلب Vessel Reactor قطره (4—2)mK سماكته (30—25).
يلف قلب المفاعل بجدار مسلح عريض من الصلب السميك يطلق عليه الواقي إذ يعمل على حبس و امتصاص ما يصحب الانشطار النووي من جسيمات وإشعاعات نووية ضارة، و يوجد بالجدار فتحات عليها أبواب يمكن الدخول منها لصيانة قلب المفاعل عند الحاجة أو لتغيير وحدات الوقود النووي، أو تحريك قضبان الكادميوم أو البورون، بهدف التحكم في التفاعل.
3- تخزين الفضلات والتخلص منها:
يتم التخلص من الفضلات بدفنها عميقاً تحت سطح الأرض أو في قاع البحر. وقد تم الأخذ بعين الاعتبار بعدد من هذه الطرق مثل إلقاء الفضلات إلى أسفل المناجم المهجورة في حُفر مهيأة لهذا الغرض، حيث تقوم حرارة نواتج الانشطار بصهر الصخور والفضلات على السواء. وحسب الطريقة التي تفضل في عزل الفضلات، تجفف الفضلات وتمزج مع الزجاج لتشكل مادة صلبة بغية مقاومة التأثيرات الكيماوية.
تعبأ المادة الصلبة في اسطِوانات معدنية وتوضع في ثقوب تحفر عميقاً في أرضية نفق حتى تصل إلى قعر منطقة ملحية، حيث درجة حرارة نواتج الانشطار تعمل على صهر الملح الموجود حول الاسطِوانات المعدنية، ثم يقوم الملح بتثبيت الاسطِوانات في أماكنها بإحكام.
4- المواقع الملائمة لبناء المفاعلات النووية:
تبنى المفاعلات النووية بعيدة عن الشاطئ، ويتضمن هذا المفهوم نصب المحطة النووية لتوليد الطاقة الكهربائية على سطح بارجة تطفو في المحيط على بعد عدة أميال من الشاطئ، ويوفر الجدار المحيط بالبارجة الحماية من أمواج البحر ومن الاصطدام بالبواخر والسفن.
ومن ميزات هذا الترتيب توفير أماكن جديدة ورخيصة تكون قريبة من مراكز التحميل، ولا تتعرض للهزات الأرضية، مع توفر ماء التبريد اللازم لإزالة الحرارة الضائعة، والابتعاد بالمحطة عن المراكز السكنية خشية حدوث أي تسرب للإشعاع.
كما يمكن أن يتم بناء المحطات تعت سطح الأرض، وقد وضعت مخططات مختلفة لهذا الغرض منها إقامة ساتر ترابي حول المحطة المقامة على سطح الأرض أو تغطية المحطة كليا، أو تغطية المحطة الموجودة في شق صخري أو إقامة المحطة عميقاً داخل كهف صخري كبير، ومن الميزات الأساسية لهذا الترتيب هي توفر حماية إضافية للسكان في حالة انصهار المفاعل وتسرب النشاط الإشعاعي ، ومقاومة الزلازل بشكل أفضل، والتقليل من تلوث المياه الجوفية تحت سطح الأرض، وتحسين الشكل الجمالي للمحطة.
ومن عيوب هذه الطريقة زيادة تكاليف البناء بنسبة 25% تقريباً وكذلك احتمالية حدوث فيضان طارئ.
المصادر والمراجع:
د. طه جبَّان
– د.صفر الهلال .
نظم القدرة الكهربائية .
منشورات جامعة حلب 2007
د. يوسف شعبان يوسف .
محطات توليد الطاقة الكهربائية .
منشورات جامعة تشرين 2004
د. كريمة سكر .
نظم القدرة الكهربائية والحماية .
منشورات جامعة حلب . 2011
اعداد م.خالد المصري
حول الكاتب
