كيف يعمل المولد الكهربائي؟

يعود الفضل في تحريك عالمنا الحديث بكافة كهربائياته، من سخانات ومصابيح وغسالات وسيارات وغيرها، إلى العالم الفيزيائي والكيميائي مايكل فارادي. ابتكر فاراداي في القرن التاسع عشر أول مولد كهربائي والذي عُرف لاحقاً بالدينامو. يعمل المولد بمبدأ أساسي وهو تحويل الطاقة الحركية إلى كهربائية. قد توفر الرياح أو المياه أو الغاز أو الوقود هذه الطاقة الحركية، ولكن كيف يتم تحويلها إلى كهرباء، بعبارة أخرى كيف يعمل المولد الكهربائي؟

ما هو المولد الكهربائي؟

المولدات الكهربائية هي مصدر طاقة احتياطي يمكن استخدامه في حال حدوث أي طارئ يتسبب بانقطاع التيار الكهربائي في شبكة الكهرباء الرئيسية. تُستخدم في أحجام مختلفة، فقد تكون صغيرة محمولة تلائم المنازل أو المكاتب أو لتشغيل المعدات خلال السفر أو رحلات التخييم أو مواقع البناء، بحيث يمكنها تشغيل أداة أو اثنتين، أو قد تكون أكبر حجماً لتتمكن من تشغيل المباني والمنشآت الضخمة كالمستشفيات والجامعات، بحيث تزود بخزانات ضخمة من الوقود يمكنها تشغيل المنشأة لعدة أيام بكامل أجهزتها، أو كما في السدود ومزارع الرياح التي تزود شبكة الطاقة الرئيسية بالكهرباء.

لا يخلق المولد الكهربائي التيار الكهربائي، وإنما يحفّز تشكله من خلال مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لفاراداي.

اقرأ أيضاً: كيف يعمل السخان الكهربائي؟

الحث الكهرومغناطيسي: مبدأ عمل المولد الكهربائي

عام 1832 قام فاراداي بلف سلك من مادة موصلة حول مغناطيس متحرك، ثم توصيل السلك بكاشف لقياس الجهد في الدائرة الكهربائية، فلاحظ مرور تيار كهربائي ضمن السلك. استنتج فاراداي إمكانية تحفيز تدفق الشحنات الكهربائية ضمن سلك المادة الموصلة بتحريكه ضمن مجال مغناطيسي ثابت، أو بتثبيت الموصل وتحريك المجال المغناطيسي، وهو ما أُطلق عليه مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. اكتشف فاراداي في تجربته أن إنتاج الجهد ضمن السلك يتأثر بعاملين هما:

عدد الملفات: يزداد الجهد الناتج كلما زاد عدد لفات السلك.
تغيير المجال المغناطيسي: بتغيير حركة المجال المغناطيسي أو حركة الموصل يمكن تغيير المجال المغناطيسي وبالتالي زيادة الجهد المُستحث.

المكونات الأساسية للمولد الكهربائي

مهما تنوعت أحجام وأشكال المولدات الكهربائية، فإن لها مكونات مشتركة بوظائفها بشكل عام، إذ تتكون من:

الإطار أو الهيكل الخارجي: وهو الغلاف الذي يضم المكونات الداخلية بما يسمح للبشر بالتعامل مع المولد بأمان.
المحرك: وهو الجزء الذي يؤمّن الطاقة الميكانيكية التي سيتم تحويلها في مكونات لاحقة إلى تيار كهربائي، ويعمل على أنواع مختلفة من الوقود. وفقاً لحجم المحرك تتحدد كمية الجهد المتولد.
المولد: وهو المسؤول عن إنشاء المجال المغناطيسي والتيار المتناوب، حيث يؤدي الحث الكهرومغناطيسي دوره. ويتكون من:
- عمود الدوران: هو العمود المتصل بالمحرك أو بالمراوح أو بأي مصدر للطاقة، مع مغناطيس دائم مثبت حوله، أي هو الجزء الذي ينقل الطاقة الحركية لتحريك المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس، وداخل الجزء الثابت.
- الجزء الثابت: هو مجموعة الموصلات الكهربائية الملفوفة على قلب حديدي.
خزان الوقود: قد تحتاج بعض المولدات الكهربائية التي تعمل بالمحركات إلى خزان وقود لتزويد المحرك بالطاقة اللازمة لدورانه وتوليد الطاقة الحركية، مثل البنزين أو الديزل أو الغاز الطبيعي أو البروبان المُسال.

نظام التبريد: غالباً ما ينتج عن الاستخدام المستمر للمولد الكهربائي تسخين مكوناته، لذا يجب أن يزود المولد الكهربائي بنظام للتبريد مثل الماء في المولدات الصغيرة، أو الهيدروجين في المولدات الكبيرة.
نظام العادم: قد ينتج عن حرق الوقود في المولدات التي تعمل بالمحركات نواتج احتراق سامة، لذا يجب التخلص منها بطريقة آمنة عبر نظام العادم المصنوع من أنابيب الفولاذ أو الحديد.
منظم الجهد: يحول منظم الجهد التيار المتردد إلى التيار المستمر عندما ينخفض مستوى التشغيل عن الطاقة التشغيلية.
البطارية: تحتاج مكونات المولد الكهربائي لتشغيلها في البداية إلى طاقة كهربائية، لذا لا بُدّ من وجود بطارية وشاحن لها.
لوحة التحكم: في هذا الجزء يمكن الاطلاع على أداء المولد الكهربائي، مثل تحديد مستوى الوقود أو شدة التيار الكهربائي الناتج أو درجة حرارة سائل التبريد وغير ذلك.

آلية عمل المولدات الكهربائية

إذاً، فإن المبدأ الأساسي لعمل المولد هو تحويل الطاقة الحركية إلى كهربائية، أي لا بُدّ من وجود مصدر طاقة حركية، قد يكون قوة الرياح أو الماء أو محركات الوقود. تنقل التوربينات أو المحركات الطاقة الحركية إلى عمود الدوران فيدور بتأثيرها ويدور معه المغناطيس ضمن الجزء الثابت حيث ملف السلك الموصل. عندما يدور المغناطيس يتغير المجال المغناطيسي، ما يحفّز تشكل جهد كهربائي متناوب في الملف الموصل يسمى القوة الدافعة الكهربائية (emf)، كما هو محدد في قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، وبالتالي تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب.

اقرأ أيضاً: كيف يعمل الخلاط الكهربائي؟

أنواع المولدات الكهربائية

تختلف المولدات الكهربائية عن بعضها بمصدر الطاقة الحركية بشكل أساسي بالإضافة إلى الشكل الخارجي، وتُقسم إلى:

مولدات تعمل بالتوربينات

غالباً ما تُستخدم لتوليد الكهرباء ضمن الشبكة الكهربائية الرئيسية، وتعتمد في عملها على ما يُعرف بالتوربينات أو العنفات. والتوربينات هي الآلية التي يتم بها تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة ميكانيكية، حيث يزوَّد عمود الدوران في المولدات الكهربائية التي تعمل بالتوربينات، بشفرات تدور نتيجة دفع تيار الماء أو بخار ماء أو غاز احتراق أو الرياح، فيحول المولد الطاقة الميكانيكية للعمود الدوار إلى تيار كهربائي. إذاً تضم هذه التوربينات:

التوربينات البخارية.
توربينات الاحتراق (الغازية).
التوربينات الكهرومائية.
توربينات الرياح.

مولدات تعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية

وفيها تحول الخلايا الكهروضوئية ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، حيث تستفيد من قدرة ضوء الشمس على التسبب في تدفق تيار كهربائي في بعض المواد، أي تعمل الخلايا الكهروضوئية كمولد كهربائي. غالباً ما تُستخدم لتشغيل المعدات الصغيرة مثل ساعات المعصم، أو لتشغيل الأدوات المنزلية. يتوجه العالم حالياً نحو استخدام أوسع انتشاراً لمحطات الطاقة الكهروضوئية لتوليد الكهرباء.

مولدات تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي

تعتمد المولدات التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي على وقود الديزل أو البنزين أو الوقود الحيوي أو الغاز الطبيعي أو البروبان، لتوليد الكهرباء كما في بعض القرى النائية في ألاسكا، أو إمدادات الطاقة الاحتياطية للمباني أو المنازل.