كيف احول الطاقة الحرارية الى كهربائية

يحتاج الإنسان إلى الطاقة الموجودة في الطبيعة من أجل القيام بأعماله المتعددة، فلجأ إلى إيجاد الطرق المختلفة للحصول على الطاقةِ من مصادر مختلفة، ولكن كيفية تحويل الطاقة الحرارية إلى كهربائية؟

3 إجابات

إن عملية تحويل الطاقة الحرارية إلى كهربائية تتمّ عن طريق المولدات الكهروحرارية، التي يعتمد مبدأ عملها على الفرق بين درجة حرارة طرفيها، حيث أن طرفي هذه المولدات عبارة عن مواد معدنية صلبة، والمعادن تُعتبر موصلات جيدة لأن الإلكترونات يمكن أن تتحرك بحرية داخلها.

وبالتالي فإن تسخين أحد طرفي المولد الكهروحراري، سوف يؤدي إلى تحرك الإلكترونات من الطرف الساخن باتجاه الطرف الأبرد، وانتقال هذه الالكترونات هو الذي يؤدي لتوليد التيار الكهربائي، وكلما زاد الفرق بين درجة حرارة الطرفين، كلّما تم إنتاج تيار كهربائي أكبر، وبالتالي توليد المزيد من الطاقة.

إن أبرز الصعوبات التي تواجه عمل المولدات الكهروحرارية هي أنه وأثناء تسخين أحد الطرفين، يسخن الطرف الثاني معه أيضاً، وبالتالي سوف تحتاج طريقة لتبديد الحرارة عن الطرف الثاني من أجل الحفاظ على فرق درجة الحرارة بين كلا الطرفين.

تنتج الطاقة الكهروحرارية عن اثنين من التأثيرات الفيزيائية هما:

  •  تأثير سيبيك : سمي بهذا الاسم نسبة إلى مكتشفه توماس جيه سيبيك، الذي لاحظ أنه عندما تم تسخين حلقة مكونة من مادتين مختلفتين على جانب واحد، تم إنشاء مجال كهرومغناطيسي، وأن قوة هذا المجال تتناسب مع فرق درجة الحرارة بين الجانبين.
  • تأثير بلتيير: أيضاً سُمّي نسبة لمكتشفه جان سي. بلتيير الذي اكتشف أنه كلما مر تيار بدائرة مكونة من مادتين مختلفتين، يتم امتصاص الحرارة في أحد طرفي التقاطع ويتم إطلاقها في الطرف الآخر.

أكمل القراءة

يعتمد إنتاج الكهرباء من الحرارة على نوع من المواد تعرف بمولدات الكهرباء الحرارية (Thermoelectric generators). لا تنتظم هذه المواد في آلات تنتج الكهرباء، إنما هي مواد صلبة يتولد فيها التيار الكهربي عند وجود فرق في درجة الحرارة بين طرفيها.

يحدث ذلك اعتمادًا على حركة إلكترونات المادة، فالكهرباء ليست إلا سيلًا من الإلكترونات تتحرك خلال الموصلات. في مولدات الكهرباء الحرارية يستخدم فرق درجة الحرارة بين طرفيها في تحريك الإلكترونات، التي تنتقل من الطرف الأعلى إلى الطرف الأقل في درجة الحرارة، تعرف هذه الظاهرة باسم تأثير سيبيك (Seebek effect). وقد لاحظ توماس سيبيك ظاهرة التأثير الكهروحراري أول مرة سنة 1821.

تحتسب كمية الكهرباء الناتجة عن وجود فرق في درجة الحرارة بين الطرفين من خلال حساب قيمة تعرف بـ ZT value، كلما ارتفعت هذه القيمة ازدادت الخصائص الكهروحرارية للمادة. وإن أفضل المواد الكهروحرارية تتمتع بقيمة ZT تتراوح بين 2.5 و 2.8، ذلك حتى تمكن علماء من جامعة فيينا من تطوير مادة لها قيمة بين 5 و6، ونشرت هذه الدراسة في مجلة nature العام الماضي.

عند تسخين أحد الطرفين ترتفع حرارة الطرف الآخر، وهو ما يتطلب تبريد أحد الطرفين باستمرار للحفاظ على درجة حرارته منخفضة، وبالتالي استمرار تدفق التيار. الرائع بحقٍّ في هذه التقنية أنها تستخدم في توليد الكهرباء من الحرارة المهدرة في العمليات الصناعية، ولا تحمل معها تهديدات بيئية كتلك المصاحبة لاستخدام الوقود الحيوي.

أكمل القراءة

كيف احول الطاقة الحرارية الى كهربائية

تعتبر الكهرباء بمثابة الأكسجين الذي نتنفسه في العالم، فجميع أشكال التقنيات والتكنولوجيا ووسائل الاتصال والترفيه تعتمد على الكهرباء بشكل أساسي، فأصبحت مطلبًا أساسيًا لا يمكن الاستغناء عنه.

تولد الكهرباء عادة بعدة طرق، فتقوم الدول التي تمتلك أنهار ضخمة ببناء السدود وإنشاء محطات لإنتاج الكهرباء عليها بما يسمى الطاقة الكهرومائية، وأيصًا يتم إنتاج الكهرباء عن طريق الاستفادة من طاقة الرياح ووضع عنفات لتوليد الكهرباء، وقد تم مؤخرًا البدء بمشاريع عملاقة لإنتاج الكهرباء عن طريق الألواح الشمسية، كما في الصحراء المغربية.

تعد المحطات الحرارية أكثر الطرق المستخدمة للحصول على الكهرباء، وتعد أيضًا من أكثر الأشكال تضييعًا للطاقة، فتقدر نسبة الطاقة الضائعة بما يقارب 60%، حيث يفقد حوالي ثلثي الطاقة كحرارة مهدورة.

أغلب الطاقة الكهربائية المولدة عن طريق الحرارة تنتج في محطات ضخمة، حيث تعتمد بشكل رئيسي على توربينات ضخمة، فيتم تسخين الماء حتى يتبخر، عن طريق الحرارة الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري وخاصة الغاز الطبيعي، ثم يمر بخار الماء عبر التوربينات ويحرك الشفرات داخلها، ينتج عن هذا طاقة ميكانيكية تتحول لكهربائية عن طريق مولد.

هناك شكل آخر تم اكتشافه حديثًا، وهو إنتاج الكهرباء من الطاقة الحرارية مباشرة من دون الحاجة لتوربينات وبخار ووقود، ويعتمد على الفرق بين درجتي حرارة معدنيين مختلفين، هذا الفرق يولد تيارًا كهربائيًا تتناسب قيمته طردًا مع فرق درجة الحرارة، إلا أن الكمية قليلة ويستخدم لتطبيقات محددة، من أهمها المركبات الفضائية.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "كيف احول الطاقة الحرارية الى كهربائية"؟