انماط توليد الطاقة الكهربائية

المميزات والعيوب: المميزات: 1- للحدافات القدرة على تخزين كمية كبيرة من الطاقة ضمن حيز صغير نسبياً مقارنة بأنظمة التخزين الأخرى. 2- تمتلك عدد دورات شحن وتفريغ كبير مقارنة بالبطاريات ، كما تمتاز بسرعة الشحن والتفريغ . 3- كفاءتها عالية ويمكن أن تصل الـى 90٪ ، يساعدها في ذلك قلة الاحتكاك بين اجزائها عند تصميمها مع الحوامل المغناطيسية magnetic bearings (الحوامل الميكانيكية تفقدها 20 - الى 50% من طاقتها) ، وكذلك قلة الاحتكاك مع الهواء عند تصميمها بمنظومة تفريغ حيز الدوران من الهواء . 4- لا تتأثر الحذافات سلبًا بتغيرات درجة الحرارة ، ويمكن أن تعمل في نطاق درجة حرارة أوسع بكثير ، ولا تخضع للعديد من الأعطال الشائعة للبطاريات الكيميائية القابلة لإعادة الشحن. 5- عمرها الافتراضي طويل ، ولاتحتاج الى صيانة كثيرةً. . العيوب: 1- التكلفة عالية مقارنة ببطاريات الليثيوم - ايون. 2- كثافة الطاقة منخفضة . 3- هناك عيب أخر يتمثل في الضغوط والتوترات الهائلة التي تتعرض لها الحذافات عندما تدور بسرعات عالية للغاية، مما قد يتسبب في تحطمها وانفجارها إلى شظايا ، اذا حدث خطأ او عيوب في نظام السيطرة. 4- تتطلب أنظمة الحذافة التقليدية أوعية احتواء قوية كإجراء وقائي عند الانفجار، مما يزيد من الكتلة الإجمالية للجهاز وكذلك التكلفة . 💡تميل المواد المكونة لجسم الحذافات الحديثة إلى التفكك بسرعة لتتحول إلى مسحوق أحمر حار بمجرد انفجارها بدلاً من قطع كبيرة من الشظايا عالية السرعة. ومع ذلك، فإن العديد من عملاء أنظمة تخزين الطاقة الحديثة ذات دولاب الموازنة يفضلون اخفاءها في الأرض للوقاية.

مكونات الحذافة: 1-نظام تحكم يتحكم باتجاه حركة الحذافة (توليد أو تخزين). 2-محرك/مولد motor/generator يعمل كمحرك عند تزويده بفائض الطاقة الكهربائية لتدوير عجلة الحذافة ، وكمولد عند الحاجة للكهرباء بالاستفادة من طاقته الدورانية المحفوظة. 3-عجلة دوارة rotor او flywheel hub. 4-هيكل واقي protective shield. 5- كراسي تحميل bearings علوي وسفلي، وفي بعض الحذافات تكون مغناطيسية Magnetic Bearing ، وتعمل في حيز فراغي ينشأ بواسطة مضخة فراغية vacuum pump لتقليل الاحتكاك لتحقيق سرعات دوران عالية جدا تدوم طويلا.

مكونات الحذافة: 1-نظام قيادة كهربائي يتحكم باتجاه حركة الطاقة (توليد أو تخزين). 2-آلة كهربائية تعمل كمولد وكمحرك (عند تدويرها تولّد الكهرباء وعند تغذيتها بالكهرباء تعمل كمحرك). دولاب الموازنة. حمّالة. مساند خاصة (غالباً مغناطيسية لتجنب الاحتكاك Magnetic Bearing). تستخدم بعض الحذافات محامل مغناطيسية ، وتعمل في فراغ لتقليل السحب ، ويمكن أن تحقق سرعات دوران تصل إلى 60000 دورة في الدقيقة.

للتنويه بعض معلومات هذه القناة قد يرى البعض انها قديمة ، خاصة المتقدمة منها ، والسبب انني انشأت هذه القناة قبل ثمان سنوات ، والمادة العلمية فيها كنت قد بدأت في اعدادها قبلها بسنة ونصف او سنتين ، يعني في حدود العام 2013 ، ولكني رغم ذلك كنت لا انزل أي منشور الا بعد البحث عن الجديد فيه وبعد تحديثه ، ولكن رغم ذلك هناك مستجدات في العلم ، والتطورات لا تتوقف ، فقد وجدت بعض المعلومات تحتاج تحديث خاصة في مسألة أكبر نمط معروف حاليا في العالم فهناك محطات جديدة أخذت بالظهور واحتلت المراكز الاولى ، وما رصدناه صار في مراكز متأخرة رغم انه كان متصدرا في وقت انزال المنشور ، لهذا سنترك ذلك للاخير ، والله الموفق.

7- الحذافة لتخزين الطاقة Flywheel Energy Storage – FES» الحذافة أو العطالة او دولاب التوازن٠ flywheel هي جهاز يتم عبره تخزين الطاقة عن طريق تحويلها من طاقة كهربائية إلى طاقة ميكانيكية , وذلك اثناء الخزن، والاحتفاظ بها بهذا الشكل ، واعادة تحويلها من طاقة ميكانيكية الى كهربائية اثناء التفريغ , من هذا المبدأ تسمى احيانا ب "البطارية الميكانيكية". تحتوي أنظمة الحذافة (FES) المتقدمة على عضو دوار او ما يسمى بدولاب الموازنة مصنوع من مركبات ألياف كربون عالية القوة، معلقة بواسطة محامل مغناطيسية، وتدور بسرعات تتراوح من (20000 – 50000) دورة في الدقيقة في حاوية فراغية ، يمكن لهذه الحذافات أن تصل إلى هذه السرعة في غضون دقائق، وتصل لسعة طاقتها بسرعة أكبر بكثير من بعض أشكال تخزين الطاقة الأخرى. مرتبط بدولاب الموازنة الدوار نظام قيادة يعمل كمحرك اثناء شحن الطاقة وكمولد كهرباء اثناء التفريغ ( مثل المحرك /المولد الموجود في نمط التخزين بالضخ Pumped Hydro-electric Storage ) , وتبقى الحذافة بعد الشحن تدور بسرعتها العالية يساعدها في ذلك الحيز المفرغ من الهواء وكراسي التحميل المغناطيسية لمنع الاحتكاك وضياع الطاقة، الى ان يتم تفريغ طاقتها الدورانية على شكل كهرباء وقت الطلب.

الآن نواصل مع النمط السابع والأخير من أنماط تخزين الطاقة ، وللتنويه هناك غيرها من الانماط لكنها أقل شهرة وأقل انتشارا حاليا ولازالت تحت التطوير والبحث، ولكن ما استعرضناه هي الأكثر شهرة وانتشارا ، وهذا النمط الذي سنتطرق اليه هو الحذافة او العطالة او دولاب الموازنة ، وهذه كلها تسميات لآلة واحدة تسمى بالإنجليزية العجلة الطائرة Flywheel.

المراجع: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_density_vs_power_density https://ar.m.wikipedia.org/wiki/مكثف_فائق https://www.voltiat.com/difference-between-capacitors/ https://eepower.com/capacitor-guide/applications/energy-storage/ https://electricengg.com/ultracapacitor_liion/ https://www.homeowner.com/energy-science/ultracapacitors https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X22002262 https://ar.m.wikipedia.org/wiki/مكثف_فائق https://www.4electron.com/2013/12/373/ https://ar.m.wikipedia.org/wiki/ماهر_القاضي https://www.maherelkady.com/post/amrkhaled-net-ثورة-في-عالم-بطاريات-الهواتف-ماهر-القاضي-صاحب-اختراع-البطارية-الخارقة https://www.eaton.com/us/en-us/products/electronic-components/topics/supercapacitors-vs-batteries.html

تمكن العالم ماهر القاضي من اكتشاف طريقة لصنع «مكثفات خارقة» وبطاريات يمكن شحنها في ثوان وتدوم لفترات طويلة. وتعتمد فكرة البحث على تصنيع بطارية يمكن شحنها في ثوان، من خلال ابتكار طريقة عملية لاستخلاص مادة "الجرافين"، يقوم من خلالها عوضًا عن تخزين الكهرباء في بطاريات الليثيوم- أيون Lithium-ion إلى تخزينها في المكثفات الفائقة. ويمكن - وفق اختراع القاضي - استخدام "الجرافين" في صنع بطاريات مناسبة للعمل مع الهواتف والحواسب اللوحية والمحمولة، موضحاً أنه في حال تم طرح تلك البطاريات سيستغرق شحنها عدة ثوان، بمتوسط 30 ثانية، وقد تصمد عملية الشحن الواحدة لعدة أيام في الحواسب المحمولة ولأسابيع في الهواتف والحواسب اللوحية. وأجرى القاضي أول تجربة ناجحة للدلالة على إمكانية استخدام "الجرافين" في صنع البطاريات والمكثفات الخارقة، بشحن قطعة من المادة لمدة ثلاث ثوان واستخدامها لإضاءة مصباح كهربائي صغير، واستمر المصباح في الإضاءة لمدة خمس دقائق. ومن المقرر أن يتم تصنيع أول منتج تجاري قائم على اكتشافه، بعد الاتفاق مع شركة "ماكسويل تكنولوجيز" على القيام بذلك، بعد أن وصلته عدة عروض فضل من بينها عرض الشركة الأمريكية، ومن المنتظر أن تكون صناعة بطاريات الهواتف والحواسب هي المرحلة الثانية من مراحل الإنتاج التجاري للمنتجات القائمة على الاكتشاف.

من العلماء العرب البارزين عالميا في مجال خزن الطاقة عبر المكثفات الفائقة العالم المصري الشاب البروفيسور ماهر القاضي. من مواليد قرية ناهيا بمحافظة الجيزة، لأب بسيط يعمل بالزراعة. التحق بعد الثانوية بكلية العلوم بجامعة القاهرة، والذي تم تعيينه معيدًا فيها بعد التخرج. كان مهتمًا بعلم "النانو"، وعلوم المجسات الكهربائية والكيمائية، وكان لذلك أثره عليه، حيث نال بحثه الذي نال عنه درجة "الماجستير" على جائزة أفضل رسالة على مستوى أقسام الكلية المختلفة. ومن ثم، بدأ رحلة البحث عن منحة دراسية بالخارج، وبالفعل حصل على منحة بجامعة "كاليفورنيا" التي تعتبر من أكبر المؤسسات العلمية بالولايات المتحدة، وفي عام 2013، برز اسم القاضي في وسائل الإعلام، بعد بحثه عن "المكثفات الفائقة"، والذي تم نشره بمجلة "ساينس" الأمريكية، ومثل حجر زاوية لباحثين آخرين في المجال ذاته، وحصل على المرتبة الـ 14 على مستوى العالم خلال السنوات الأخيرة.

الأثر البيئي: مع تزايد المخاوف واسعة النطاق بشأن الرواسب المتزايدة للمعادن السامة حول العالم وتأثيراتها على تغير المناخ ، تقدم المكثفات الفائقة حلاً قويًا وصديقًا للبيئة مقارنة بتخزين الطاقة التقليدي. وعلى عكس البطاريات ، توفر المكثفات الفائقة تخزينًا للطاقة النظيفة دون مخاوف تتعلق بالسلامة ، ولا تحتوي على معادن سامة أو ملحقات أو مكونات إضافية ، وهي أبسط بكثير من حيث إدارة الطاقة.

تُستخدم المكثفات الفائقة في التطبيقات التي تتطلب العديد من دورات الشحن أو التفريغ السريع بدلًا من تخزين الطاقة المدمجة على المدى الطويل، ومن الأمثلة على ذلك: داخل السيارات، والحافلات، والقطارات، والرافعات، والمصاعد، يمكن أن توفر Ultracapacitors أيضًا دفعة من الطاقة قبل بدء تشغيل محطة للطاقة الشمسية أو التحول إلى مولد احتياطي أثناء انقطاع التيار الكهربائي. يمكن أن توفر Ultracapacitors العديد من نفس خدمات تثبيت الطاقة التي تقوم بها لشبكات الطاقة التقليدية ، وتسهل دمج مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة في الشبكة الحالية.

مميزات المكثفات الفائقة وعيوبها: المميزات: -كفاءة طاقة عالية مقارنة ببطاريات الليثيوم وخلايا الوقود. - سرعة في الشحن والتفريغ ، مع فاقد بسيط جدا من الطاقة . - تحمل الحرارة العالية ، وكذلك المنخفضة جدا. - عمر دورة طويل ، اي تتحمل عدد كبير من دورات الشحن والتفريغ. عيوبها: - تكلفتها العالية. - الحاجة الى دوائر موازنة الجهد. - العيب الرئيسي هو أن جهد الخلية منخفض جدًا. يتم توصيل خلايا متعددة في سلسلة لتحقيق جهد أكبر ، مما قد يخلق المزيد من المشكلات. ومع ذلك ، يمكن حل هذه المشاكل عن طريق تقنيات تسوية الحمل وتوازن الجهد.

انواع المكثفات الفائقة: على أساس آلية تخزين الشحن الخاصة بها يتم تصنيفها إلى ثلاثة أنواع: 1- مكثفات إلكتروستاتيكية مزدوجة الطبقة: يعمل هذا النوع على آلية تخزين الشحنة حيث يتم تخزين الشحنة فيزيائيا على سطح الأقطاب الكهربائية دون التسبب في أي تفاعلات كيميائية لا رجعة فيها عبر تكوين طبقة كهربائية مزدوجة. 2- المكثفات الزائفة (الفارادية): تستخدم هذه الأجهزة أقطابًا مصنوعة من مواد نشطة لإعادة الأكسدة مثل أكاسيد المعادن والبوليميرات الموصلة. 3- المكثفات الهجينة: تجمع بين النوعين السابقين ،وتتكون من أقطاب كهربائية ذات خصائص مختلفة تعتمد على الآليات الكيميائية والكهربائية.

التقنيات الحديثة التي تظهر غالبا يتم مقارنتها بالبطاريات ، كون هذه الاخيرة هي الاوسع انتشارا والاقدم من ناحية الاستخدام التجاري ويمتلك الانسان خبرة عمل طويلة معها. تتشابه المكثفات الفائقة (Ultracapacitor ,Suppercapacitors ) والبطاريات في وظيفة تخزين الطاقة الكهربائية ولكن النمطان يختلفان في طريقة التخزين، فالبطاريات تحتاج وسطا كيميائيا لتخزين الطاقة ، والمكثفات تتطلب وسطا فيزيائيا ، وتتميز البطاريات بسعة تخزين اعلى للكهرباء وحجم أقل وجهد شبه ثابت حتى نهاية العمر الافتراضي للبطارية، الا انه من عيوبها آنها تتطلب معادن غير متوفرة بكثرة كالليثيوم مما يرفع التكلفة ويؤثر بالاستدامة ، كما انها تحتاج لوقت اطول لشحنها (حوالي 30 دقيقة لشحن 85٪ من سعتها) ، اما المكثفات فتتميز بسرعة شحن عالية (اقل من 30 ثانية) وتصنع من مواد متوفرة بكثرة وتكلفة اقل وعمر افتراضي شبه لا نهائي ( مليون دورة شحن) على هذا النحو ، فإن المكثفات قادرة على إطلاق الطاقة المخزنة بمعدل أعلى بكثير من البطاريات ، لأن العمليات الكيميائية تحتاج إلى مزيد من الوقت. ضف الى ذلك تعتبر المكثفات صديقة للبيئة مقارنة بالبطارية ويمكن اعادة تدويرها ، كما يمكنها ان تعمل بمجال حراري من -40 الى 65 درجة مئوية مقارنة بالبطاريات والتى تعمل بنطاق شحن من صفر الى 45 درجة مئوية، وهي آمنة تشغيليًا مقارنةً باحتمالية الانفجار والحريق لبطاريات الليثيوم، ولكن يبقى حجم المكثفات وسعتها عائقًا لهذه التقنية مقارنة بالبطاريات، ولكن التطورات الجديدة في علوم المواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية والهوائيات ستسد الفجوة في المستقبل القريب.

التسيمة Ultracapacitors أو Supercapacitors هي تسمية ليست علمية، بل هي التسمية التجارية ، وهي التسمية التي أطلقتها كل من شركة NEC و شركة Pinnacle على هذا المنتج عند تصنيعه لأول مرة، بينما يبقى الاسم العلمي Electrochemical Capacitor المكثفات الكهروكيميائية هو الاسم الدقيق EC. وتقنية المكثفات الفائقة ليست جديدة مثلها مثل العديد من التقنيات الحديثة ، فهي معروفة منذ حوالي 100 عام، لكنها لم تدخل حيز التنفيذ الفعلي إلا منذ عام 1954، عندما قام العالم Becker بتطوير وسيلة تخزين طاقة باستخدام مفهوم الطبقة المضاعفة العازلة. وبحلول عام 1960، قام العالم Sohio بتطوير جهاز يخزن الطاقة باستخدام مفهوم الخلايا الكهركيميائية ذات الطبقة المضاعفة العازلة، إلا أن أول مكثف كهركيميائي EC فعال تم إنتاجه من قبل شركة NEC ، و ذلك في عام 1970.