هندسة الطاقة

هندسة الطاقة ، والتي تسمى أيضًا هندسة أنظمة الطاقة ، هي مجال فرعي من الهندسة الكهربائية التي تتعامل مع توليد الطاقة الكهربائية ونقلها وتوزيعها واستخدامها ، والأجهزة الكهربائية المتصلة بهذه الأنظمة. على الرغم من أن جزءًا كبيرًا من المجال يهتم بمشاكل الطاقة المترددة ثلاثية الطور - المعيار لنقل وتوزيع الطاقة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم الحديث - إلا أن جزءًا كبيرًا من المجال يهتم بالتحويل بين الطاقة المترددة والمستمرة وتطوير أنظمة الطاقة المتخصصة مثل تلك المستخدمة في الطائرات أو شبكات السكك الحديدية الكهربائية. تستمد هندسة الطاقة غالبية قاعدتها النظرية من الهندسة الكهربائية والهندسة الميكانيكية .

تاريخ

رسم تخطيطي لمحطة بيرل ستريت، أول محطة طاقة كهربائية تعمل بالبخار في مدينة نيويورك

سنوات الريادة

أصبحت الكهرباء موضوعًا ذا اهتمام علمي في أواخر القرن السابع عشر. وعلى مدار القرنين التاليين، تم إجراء عدد من الاكتشافات المهمة بما في ذلك المصباح المتوهج والبطارية الفولتية . ^[1]^[2] ربما جاء أعظم اكتشاف فيما يتعلق بهندسة الطاقة من مايكل فاراداي الذي اكتشف في عام 1831 أن التغيير في التدفق المغناطيسي يحفز قوة دافعة كهربائية في حلقة من الأسلاك - وهو مبدأ يُعرف باسم الحث الكهرومغناطيسي الذي يساعد في تفسير كيفية عمل المولدات والمحولات. ^[3]

في عام 1881، بنى كهربائيان أول محطة طاقة في العالم في جودالمينج بإنجلترا. استخدمت المحطة عجلتين مائيتين لإنتاج تيار متناوب تم استخدامه لتزويد سبعة مصابيح قوسية من سيمنز بجهد 250 فولت وأربعة وثلاثين مصباحًا متوهجًا بجهد 40 فولت. ^[4] ومع ذلك، كان الإمداد متقطعًا وفي عام 1882، طور توماس إديسون وشركته، شركة إديسون للإضاءة الكهربائية، أول محطة طاقة كهربائية تعمل بالبخار في شارع بيرل في مدينة نيويورك. تتكون محطة بيرل ستريت من عدة مولدات وكانت تعمل في البداية على تشغيل حوالي 3000 مصباح لـ 59 عميلًا. ^[5]^[6] استخدمت محطة الطاقة التيار المستمر وعملت بجهد واحد. نظرًا لأنه لا يمكن تحويل طاقة التيار المستمر بسهولة إلى الفولتات الأعلى اللازمة لتقليل فقد الطاقة أثناء النقل، فقد اقتصرت المسافة المحتملة بين المولدات والحمل على حوالي نصف ميل (800 متر). ^[7]

في نفس العام في لندن، أظهر لوسيان جولارد وجون ديكسون جيبس أول محول مناسب للاستخدام في نظام طاقة حقيقي. تم إثبات القيمة العملية لمحول جولارد وجيبس في عام 1884 في تورينو حيث تم استخدام المحول لإضاءة أربعين كيلومترًا (25 ميلاً) من السكك الحديدية من مولد تيار متناوب واحد . ^[8] على الرغم من نجاح النظام، ارتكب الزوجان بعض الأخطاء الجوهرية. ربما كان أخطرها هو توصيل التيارات الأساسية للمحولات على التوالي بحيث يؤثر تشغيل مصباح واحد أو إيقاف تشغيله على المصابيح الأخرى في المستقبل. بعد العرض التوضيحي، استورد جورج وستنجهاوس ، رجل أعمال أمريكي، عددًا من المحولات جنبًا إلى جنب مع مولد سيمنز وكلف مهندسيه بإجراء تجارب عليها على أمل تحسينها لاستخدامها في نظام طاقة تجاري.

أدرك أحد مهندسي وستنجهاوس، ويليام ستانلي ، مشكلة توصيل المحولات على التوالي بدلاً من التوازي وأدرك أيضًا أن جعل القلب الحديدي للمحول حلقة مغلقة بالكامل من شأنه أن يحسن تنظيم الجهد للملف الثانوي. باستخدام هذه المعرفة، بنى أول نظام طاقة عملي للتيار المتردد يعتمد على المحولات في جريت بارينجتون، ماساتشوستس عام 1886. ^[9]^[10] في عام 1885، أظهر الفيزيائي والمهندس الكهربائي الإيطالي جاليليو فيراريس محركًا تحريضيًا وفي عامي 1887 و1888، قدم المهندس الصربي الأمريكي نيكولا تيسلا مجموعة من براءات الاختراع المتعلقة بأنظمة الطاقة بما في ذلك واحدة لمحرك تحريضي عملي ثنائي الطور ^[11]^[12] والذي رخصه وستنجهاوس لنظام التيار المتردد الخاص به.

بحلول عام 1890 ازدهرت صناعة الطاقة وبنت شركات الطاقة آلاف أنظمة الطاقة (التيار المباشر والمتناوب) في الولايات المتحدة وأوروبا - كانت هذه الشبكات مخصصة بشكل فعال لتوفير الإضاءة الكهربائية. خلال هذا الوقت، نشأت منافسة شرسة في الولايات المتحدة تُعرف باسم "حرب التيارات " بين إديسون وويستنجهاوس حول شكل النقل (التيار المباشر أو المتناوب) المتفوق. في عام 1891، قامت شركة ويستنجهاوس بتثبيت أول نظام طاقة رئيسي تم تصميمه لتشغيل محرك كهربائي وليس فقط توفير الإضاءة الكهربائية. قام النظام بتشغيل محرك متزامن بقوة 100 حصان (75 كيلو وات) في تيلورايد، كولورادو مع بدء تشغيل المحرك بواسطة محرك حثي تسلا. ^[13] على الجانب الآخر من المحيط الأطلسي، بنى أوسكار فون ميلر خط نقل ثلاثي الطور 20 كيلو فولت بطول 176 كم من لاوفن أم نيكار إلى فرانكفورت أم ماين لمعرض الهندسة الكهربائية في فرانكفورت. ^[14] في عام 1895، وبعد عملية اتخاذ قرار مطولة، بدأت محطة توليد آدامز رقم 1 في شلالات نياجرا في نقل طاقة التيار المتناوب ثلاثي الطور إلى بوفالو عند 11 كيلو فولت. وبعد اكتمال مشروع شلالات نياجرا، اختارت أنظمة الطاقة الجديدة بشكل متزايد التيار المتناوب بدلاً من التيار المستمر لنقل الكهرباء. ^[15]

القرن العشرين

هندسة الطاقة والبلشفية

كان توليد الكهرباء يُنظر إليه على أنه مهم بشكل خاص بعد استيلاء البلاشفة على السلطة . صرح لينين "إن الشيوعية هي القوة السوفيتية بالإضافة إلى كهربة البلاد بأكملها". ^[16] وقد ظهر لاحقًا على العديد من الملصقات والطوابع السوفيتية وما إلى ذلك التي تقدم هذا الرأي. بدأت خطة GOELRO في عام 1920 كأول تجربة بلشفية في التخطيط الصناعي والتي شارك فيها لينين شخصيًا. كان جليب كرزيجانوفسكي شخصية رئيسية أخرى مشاركة، حيث شارك في بناء محطة طاقة في موسكو عام 1910. كما كان يعرف لينين منذ عام 1897 عندما كانا كلاهما في فرع سانت بطرسبرغ لاتحاد النضال من أجل تحرير الطبقة العاملة .

هندسة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية

في عام 1936 تم بناء أول خط تجاري للتيار المستمر عالي الجهد (HVDC) باستخدام صمامات القوس الزئبقي بين شينيكتادي وميكانيكفيل ، نيويورك . تم تحقيق التيار المستمر عالي الجهد سابقًا عن طريق تركيب مولدات التيار المستمر على التوالي (نظام يُعرف باسم نظام ثوري ) على الرغم من أن هذا عانى من مشكلات خطيرة في الموثوقية. ^[17] في عام 1957، أظهرت شركة سيمنز أول مقوم للحالة الصلبة (أصبحت مقومات الحالة الصلبة هي المعيار لأنظمة التيار المستمر عالي الجهد) ومع ذلك لم يتم استخدام هذه التكنولوجيا في أنظمة الطاقة التجارية حتى أوائل السبعينيات. ^[18] في عام 1959، أظهرت شركة ويستنجهاوس أول قاطع دائرة يستخدم SF ₆ كوسيط مقاطعة. ^[19] SF _{6 هو}عازل متفوق بكثير على الهواء، وفي الآونة الأخيرة، تم توسيع استخدامه لإنتاج معدات تحويل أكثر إحكاما (المعروفة باسم معدات التبديل ) والمحولات . ^[20]^[21] كما جاءت العديد من التطورات المهمة من توسيع الابتكارات في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات لتشمل مجال هندسة الطاقة. على سبيل المثال، أدى تطوير أجهزة الكمبيوتر إلى إمكانية إجراء دراسات تدفق الحمل بكفاءة أكبر مما يسمح بتخطيط أفضل بكثير لأنظمة الطاقة. كما سمح التقدم في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات بالتحكم عن بعد بشكل أفضل بكثير في معدات التبديل والمولدات الخاصة بأنظمة الطاقة.

قوة

تتعامل هندسة الطاقة مع توليد الكهرباء ونقلها وتوزيعها واستخدامها، فضلاً عن تصميم مجموعة من الأجهزة ذات الصلة. وتشمل هذه المحولات والمولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية .

قد يعمل مهندسو الطاقة أيضًا على أنظمة غير متصلة بالشبكة. تسمى هذه الأنظمة أنظمة الطاقة خارج الشبكة ويمكن استخدامها بدلاً من أنظمة الشبكة لعدة أسباب. على سبيل المثال، في المواقع النائية قد يكون من الأرخص بالنسبة للمناجم أن تولد طاقتها الخاصة بدلاً من دفع ثمن الاتصال بالشبكة، وفي معظم التطبيقات المحمولة فإن الاتصال بالشبكة ليس عمليًا ببساطة.

الحقول

يشمل توليد الكهرباء اختيار وتصميم وإنشاء المرافق التي تعمل على تحويل الطاقة من الأشكال الأولية إلى طاقة كهربائية.

يتطلب نقل الطاقة الكهربائية هندسة خطوط نقل الجهد العالي ومرافق محطات الطاقة الفرعية للربط مع أنظمة التوليد والتوزيع. تعد أنظمة التيار المستمر ذات الجهد العالي أحد عناصر شبكة الطاقة الكهربائية.

يغطي هندسة توزيع الطاقة الكهربائية تلك العناصر من نظام الطاقة من محطة فرعية إلى العميل النهائي.

حماية نظام الطاقة هي دراسة الطرق التي يمكن أن يفشل بها نظام الطاقة الكهربائية، وطرق الكشف عن مثل هذه الأعطال والتخفيف منها.

في أغلب المشاريع، يجب على مهندس الطاقة التنسيق مع العديد من التخصصات الأخرى مثل المهندسين المدنيين والميكانيكيين، والخبراء البيئيين، والموظفين القانونيين والماليين. قد تتطلب مشاريع أنظمة الطاقة الكبرى مثل محطة توليد كبيرة عشرات من المتخصصين في التصميم بالإضافة إلى مهندسي أنظمة الطاقة. في أغلب مستويات ممارسة هندسة أنظمة الطاقة المهنية، سيحتاج المهندس إلى قدر كبير من المهارات الإدارية والتنظيمية مثل المعرفة بالهندسة الكهربائية.

الجمعيات المهنية ومنظمات المعايير الدولية

في كل من المملكة المتحدة والولايات المتحدة، كانت هناك جمعيات مهنية قائمة منذ فترة طويلة للمهندسين المدنيين والميكانيكيين. تأسست مؤسسة مهندسي الكهرباء (IEE) في المملكة المتحدة عام 1871، و AIEE في الولايات المتحدة عام 1884. ساهمت هذه الجمعيات في تبادل المعرفة الكهربائية وتطوير تعليم الهندسة الكهربائية. وعلى المستوى الدولي، تعد اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC)، التي تأسست عام 1906، معايير هندسة الطاقة، حيث يعمل 20 ألف خبير كهروتقني من 172 دولة على تطوير مواصفات عالمية تستند إلى الإجماع.

انظر أيضا

مراجع

^ "تاريخ المصباح الكهربائي". Net Guides Publishing, Inc. 2004. تم الاسترجاع في 2007-05-02 .
^ جرينسلاد، توماس. "The Voltaic Pile". كلية كينون . تم الاسترجاع في 2008-03-31 .
^ "صفحة فاراداي". المعهد الملكي. مؤرشف من الأصل في 2008-03-29 . تم الاسترجاع في 2008-03-31 .
^ "محطة توليد الطاقة في جودالمينج". الجداول الزمنية الهندسية . تم الاسترجاع في 2009-05-03 .
^ ويليامز، جاسمين (2007-11-30). "إديسون ينير المدينة". نيويورك بوست . تم الاسترجاع في 2008-03-31 .
^ جرانت، كيسي. "ميلاد NFPA". الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق . مؤرشف من الأصل في 2007-12-28 . تم الاسترجاع في 2008-03-31 .
^ "بدايات شبكة الكهرباء العامة" (PDF) (بيان صحفي). مشغل النظام المستقل في نيويورك. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2009-02-26 . تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ كاتز، يفغيني (2007-04-08). "لوسيان غولارد". مؤرشف من الأصل في 2008-04-22 . تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ Great Barrington 1886 - إلهام الصناعة نحو الطاقة المترددة
^ Blalock, Thomas (2004-10-02). "Alternating Current Electrification, 1886". IEEE. مؤرشف من الأصل في 5 يناير 2008. تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ Froehlich, Fritz E.; Kent, Allen (December 1998). Fritz E. Froehlich, Allen Kent, The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications: Volume 17, page 36. CRC Press. ISBN 9780824729158. تم الاسترجاع بتاريخ 2012-09-10 .
^ بيتر ميليانييك، نظام تيسلا المتعدد الأطوار والمحرك الحثي، المجلة الصربية للهندسة الكهربائية، ص 121-130، المجلد 3، العدد 2، نوفمبر 2006.
^ فورن، جاك. "اليوم الذي أداروا فيه الشلالات". مؤرشف من الأصل في 2008-05-11 . تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ Voith Siemens (company) (2007-02-01). HyPower (PDF) . ص. 7. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2012-07-25 . تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ "محطة آدامز لتوليد الطاقة الكهرومائية، 1895". IEEE. مؤرشف من الأصل في 5 يناير 2008. تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ فلاديمير، لينين (1920). موقفنا الخارجي والداخلي ومهام الحزب. موسكو. الشيوعية هي القوة السوفييتية بالإضافة إلى كهربة البلاد بأكملها، لأن الصناعة لا يمكن أن تتطور بدون كهربة.{{cite book}}:CS1 maint: موقع الناشر المفقود ( الرابط )
^ "نظام توزيع الطاقة الجديد ولكنه قصير العمر". IEEE. 2005-05-01. مؤرشف من الأصل في 2011-05-24 . تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ جين وولف (2000-12-01). "الكهرباء عبر العصور". مجلة النقل والتوزيع العالمية .
^ جون تاينر، ريك بوش ومايك إيبي (1999-11-01). "استعراض خمسين عامًا". مجلة Transmission & Distribution World .
^ "معدات التوزيع المعزولة بالغاز". ABB . تم الاسترجاع في 2008-05-25 .
^ أمين، سيد. "محول SF6". مؤرشف من الأصل في 16 يونيو 2008. استرجاع 25 مايو 2008 .