هندسة محطات الطاقة

ببساطة، ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى؛ ومع ذلك، يمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. وهذا مهمٌ للغاية في توليد الطاقة، لأن إنتاج الطاقة في جميع أنواع محطات الطاقة تقريبًا يعتمد على استخدام المولدات . [ ^{4 ] تُستخدم} المولدات لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية؛ فعلى سبيل المثال، تستخدم توربينات الرياح شفرة كبيرة متصلة بعمود يُدير المولد عند دورانه. ثم يُولّد المولد الكهرباء نتيجة تفاعل موصل داخل مجال مغناطيسي. في هذه الحالة، تُحوّل الطاقة الميكانيكية المُولّدة من الرياح، عبر المولد، إلى طاقة كهربائية. وتعتمد معظم محطات الطاقة على هذه التحويلات لإنتاج طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. ^{[ 6 ]}

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا النظام المغلق لا يمكن أن تنقص أبدًا. وفيما يتعلق بمحطات توليد الطاقة، ينص هذا القانون على أن الحرارة تتدفق من جسم ذي درجة حرارة عالية إلى جسم ذي درجة حرارة منخفضة (الجهاز الذي يتم فيه توليد الكهرباء). ^{[ 4 ]} ويُعد هذا القانون ذا أهمية خاصة لمحطات الطاقة الحرارية التي تستمد طاقتها من احتراق الوقود . ^{[ 1 ]}

تُولد محطات الطاقة الكهرومائية الطاقة باستخدام قوة الماء لتشغيل المولدات. ويمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع: محطات التخزين، ومحطات التحويل، ومحطات التخزين بالضخ. ^{[ 7 ]} تعمل محطات التخزين ومحطات التحويل الكهرومائية بطريقة متشابهة، حيث تتضمن كل منهما إنشاء حاجز لمنع تدفق المياه بمعدل غير قابل للتحكم، ثم التحكم في معدل تدفق المياه لتمر عبر التوربينات لتوليد الكهرباء عند المستوى الأمثل. ويتولى مهندسو الإنشاءات الهيدروليكية مسؤولية حساب معدلات التدفق وغيرها من الحسابات الحجمية اللازمة لتشغيل المولدات وفقًا لمواصفات مهندسي الكهرباء. ^{[ 8 ]} تعمل محطات التخزين بالضخ بطريقة مماثلة، ولكنها تعمل فقط خلال ساعات ذروة الطلب على الطاقة. ففي ساعات الهدوء، تُضخ المياه إلى أعلى التل، ثم تُطلق في ساعات الذروة لتتدفق من منطقة مرتفعة إلى منطقة منخفضة لتشغيل التوربينات. ^{[ 9 ]} إن المعرفة الهندسية المطلوبة لتقييم أداء محطات التخزين بالضخ الكهرومائية مشابهة جدًا لتلك المطلوبة لتقييم أداء محطات التخزين ومحطات التحويل.

تنقسم محطات الطاقة الحرارية إلى فئتين رئيسيتين: محطات توليد الكهرباء عن طريق حرق الوقود، ومحطات توليد الكهرباء باستخدام محركات كهربائية. ومن الأمثلة الشائعة على محطات الطاقة الحرارية التي تولد الكهرباء عن طريق استهلاك الوقود، محطات الطاقة النووية. تستخدم هذه المحطات حرارة المفاعل النووي لتحويل الماء إلى بخار. ^{[ 1 ]} يُرسل هذا البخار عبر توربين متصل بمولد كهربائي لتوليد الكهرباء. وتساهم محطات الطاقة النووية بنسبة 20% من إنتاج الكهرباء في الولايات المتحدة . ^{[ 10 ]} ومن الأمثلة الأخرى على محطات الطاقة التي تحرق الوقود، محطات الطاقة التي تعمل بالفحم . وتولد هذه المحطات 50% من إمدادات الكهرباء في الولايات المتحدة. ^{[ 10 ]} وتعمل محطات الطاقة التي تعمل بالفحم بطريقة مشابهة لمحطات الطاقة النووية، حيث تُستخدم حرارة احتراق الفحم لتشغيل توربين بخاري ومولد كهربائي. ^{[ 1 ]} يعمل في محطات الطاقة الحرارية عدة أنواع من المهندسين. فمهندسو الميكانيكا مسؤولون عن صيانة أداء محطات الطاقة الحرارية وضمان استمرار تشغيلها. ^{[ 11 ]} أما مهندسو الطاقة النووية، فيتولون عادةً مسؤولية كفاءة استهلاك الوقود والتخلص من النفايات النووية. مع ذلك، في محطات الطاقة النووية، يعملون مباشرةً مع المعدات النووية. ^{[ 12 ]} يتعامل مهندسو الكهرباء مع معدات توليد الطاقة بالإضافة إلى الحسابات. ^{[ 13 ]}

تستمد محطات الطاقة الشمسية طاقتها من ضوء الشمس، الذي يُتاح عبر الخلايا الكهروضوئية . تُصنع الألواح الكهروضوئية، أو الألواح الشمسية ، باستخدام خلايا كهروضوئية مصنوعة من مواد السيليكا التي تُطلق إلكترونات عند تسخينها بواسطة الطاقة الحرارية للشمس. يُولد تدفق الإلكترونات الناتج الكهرباء داخل الخلية. ^{[ 14 ]} على الرغم من أن الخلايا الكهروضوئية تُعد طريقة فعالة لإنتاج الكهرباء، إلا أنها تتلف بعد عقد من الزمن، وبالتالي يجب استبدالها؛ ومع ذلك، فإن كفاءتها، وتكلفة تشغيلها المنخفضة، وانعدام الضوضاء والملوثات الفيزيائية تجعلها من أنظف أشكال الطاقة وأقلها تكلفة. ^{[ 1 ]} تتطلب محطات الطاقة الشمسية جهودًا من مختلف التخصصات الهندسية؛ إذ يُعد مهندسو الكهرباء أساسيين في بناء الألواح الشمسية وربطها بشبكة الكهرباء، بينما يقوم مهندسو الحاسوب ببرمجة الخلايا نفسها لضمان إنتاج الكهرباء بكفاءة وفعالية، ويلعب مهندسو الإنشاءات دورًا بالغ الأهمية في تحديد المناطق التي يمكن لمحطات الطاقة الشمسية فيها جمع أكبر قدر من الطاقة. ^{[ 11 ]}

تستمد محطات طاقة الرياح ، المعروفة أيضًا باسم توربينات الرياح، طاقتها من الرياح عن طريق توصيل مولد كهربائي بشفرات المروحة، واستخدام الحركة الدورانية الناتجة عن الرياح لتشغيل المولد. ^{[ 15 ]} ثم تُعاد الطاقة المولدة إلى شبكة الكهرباء. يمكن إنشاء محطات طاقة الرياح على مساحات شاسعة من الأرض أو على مسطحات مائية كبيرة كالمحيطات؛ وتعتمد على وجودها في مناطق تشهد رياحًا قوية. ^{[ 1 ]} من الناحية التقنية، تُعد توربينات الرياح شكلًا من أشكال الطاقة الشمسية، إذ تعتمد على فروق الضغط الناتجة عن التسخين غير المتساوي للغلاف الجوي للأرض. ^{[ 15 ]} تتطلب توربينات الرياح خبرة من مهندسي الميكانيكا والكهرباء والمدنيين. تُعد معرفة ديناميكا الموائع، التي يقدمها مهندسو الميكانيكا، أمرًا بالغ الأهمية لتحديد مدى ملاءمة مواقع توربينات الرياح. ^{[ 16 ]} يضمن مهندسو الكهرباء إمكانية توليد الطاقة ونقلها. ^{[ 13 ]} يلعب مهندسو المدنيون دورًا هامًا في بناء توربينات الرياح واستخدامها. ^{[ 17 ]}

يعمل مهندسو الميكانيكا على صيانة ومراقبة الآلات المستخدمة لتشغيل المحطة. ^{[ 12 ]} يتطلب العمل في هذا المجال حصول مهندسي الميكانيكا على درجة البكالوريوس في الهندسة واجتياز امتحان الهندسة المهنية (PE) وامتحان الهندسة الأساسية (FE). يضطلع مهندسو الميكانيكا بأدوار إضافية يجب مراعاتها بناءً على مسارهم المهني. فعند العمل في محطات الطاقة الحرارية، يحرصون على ضمان عمل الآلات الثقيلة، كالغلايات والتوربينات، بكفاءة مثلى واستمرار توليد الطاقة. ^{[ 12 ]} كما يشرفون على عمليات تشغيل المحطة. وفي محطات الطاقة النووية والهيدروليكية، يعمل المهندسون على ضمان صيانة الآلات الثقيلة وإجراء الصيانة الوقائية اللازمة.

يعمل مهندسو الكهرباء مع الأجهزة الكهربائية، ويحرصون على ضمان عملها بكفاءة وفقًا لمعايير الشركة والولاية. ^{[ 13 ]} ويشترط عليهم الحصول على رخصة مزاولة المهنة بعد اجتياز امتحان الهندسة المهنية (PE) وامتحان الهندسة الأساسية (FE). كما يُفضل أن يكون لديهم شهادة بكالوريوس معتمدة من مجلس اعتماد الهندسة والتكنولوجيا (ABET) وخبرة عملية قبل شغل وظيفة مبتدئة.

يُطوّر مهندسو الطاقة النووية ويبحثون في الأساليب والآلات والأنظمة المتعلقة بالإشعاع والطاقة على المستويات دون الذرية. ^{[ 12 ]} ويتطلب عملهم خبرة عملية في الموقع وشهادة بكالوريوس في الهندسة. يعمل هؤلاء المهندسون في محطات الطاقة النووية، ويشترط حصولهم على تراخيص لممارسة المهنة أثناء عملهم في المحطة. كما يشترط عليهم امتلاك خبرة عملية، واجتياز امتحان الهندسة المهنية (PE)، وامتحان الهندسة الأساسية (FE)، والحصول على شهادة من كلية معتمدة من مجلس اعتماد الهندسة والتكنولوجيا (ABET). ^{[ 12 ]} يعمل مهندسو الطاقة النووية في مجال التعامل مع المواد النووية وتشغيل محطات الطاقة النووية. وتشمل هذه العمليات التعامل مع النفايات النووية، وإجراء التجارب على المواد النووية، وتصميم المعدات النووية. ^{[ 18 ]}

يركز مهندسو الإنشاءات المدنية على بناء محطات توليد الطاقة، وتكاليفها، وهيكلها. ^{[ 19 ]} ويشترط على مهندسي الإنشاءات المدنية اجتياز امتحان الهندسة المهنية (PE)، وامتحان الهندسة الأساسية (FE)، والحصول على شهادة من كلية معتمدة من مجلس اعتماد الهندسة والتكنولوجيا (ABET). ^{[ 19 ]} ويعملون على ضمان سلامة هيكل محطة توليد الطاقة، وموقعها، وتصميمها، وسلامتها.

على الرغم من وجود اختلافات عديدة بين التخصصات الهندسية المذكورة آنفًا، إلا أنها جميعًا تغطي مواضيع متعلقة بنقل الحرارة أو الكهرباء. ويُعدّ الحصول على شهادة من جامعة معتمدة من مجلس اعتماد الهندسة والتكنولوجيا (ABET) في أيٍّ من هذه التخصصات شرطًا أساسيًا للعمل كمهندس محطات توليد الطاقة. ^{[ 20 ]} كما توجد العديد من الجمعيات التي يمكن للمهندسين المؤهلين الانضمام إليها، بما في ذلك الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME)، ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، والجمعية الأمريكية لمهندسي الطاقة (ASOPE).