الطاقة المتجددة: الطاقة الهيدرودينامية

مواصفات المقرر

• اسم المقرر: الطاقة الجديدة والمتجددة الهيدروديناميكية
• رمز المقرر: MPE 333
• محاضرة: ساعتان
• تمرين: ساعتان
• إجمالي الساعات: 4 ساعات
• السنة الدراسية: لائحة ‪2014‬
• الفصل الدراسي: الفصل الدراسي الثاني
• يتناول المقرر المعلومات الأساسية، وأهداف المقرر وموضوعاته، والعلامات، والمراجع

أهداف المقرر

• إكساب الطلاب تعريفات متعلقة بالطاقات المتجددة مع التركيز على الطاقة الهيدرودينامية.
• لفت انتباه الطلاب إلى المشاكل الناشئة لتغير المناخ وتأثير البيت الزجاجي ودور الطاقة المتجددة للتغلب على هذه المشاكل.
• إكساب الطلاب المعالجة الرياضية الأساسية للطاقات المتجددة المختلفة.
• تعريف الطالب بالطرق المختلفة لتوليد الطاقة من المصادر المتجددة.
• إعطاء نظرة ثاقبة حول مشاريع الطاقة المتجددة في مصر.

موضوعات المقرر

• مقدمة
• طاقة الرياح
• الطاقة الهيدروليكية (الطاقة المائية أو الكهرومائية)
• طاقة الأمواج
• طاقة المد والجزر
• الطاقة الحرارية للمحيطات
• مشاريع الطاقة المتجددة في مصر

توزيع الدرجات

• امتحان منتصف الفصل: 10 درجات
• حضور المحاضرات: 5 درجات
• التقارير والعروض التقديمية: 10 درجات
• الاختبارات القصيرة: 5 درجات
• الامتحان النهائي: 70 درجة
• الإجمالي: 100 درجة

الفصل الأول: ​​مقدمة

• يشمل الفصل تعريف الطاقة، وأهميتها، وأشكالها، وكيفية قياسها، وتحويل الطاقة.

تعريف الطاقة

• الطاقة هي خاصية يجب نقلها إلى جسم ما لأداء شغل أو تسخين الجسم.
• الطاقة هي القدرة على بذل شغل.
• الشغل يعني تحريك شيء أو تسخين شيء أو إضاءة شيء.
• الطاقة خاصية محفوظة وشاملة لكل نظام في أي حالة، وبالتالي تعتمد قيمتها فقط على الحالة.
• الشغل، من ناحية أخرى، ليس خاصية للنظام.

أهمية الطاقة

• أهمية الطاقة في حياتنا تنبع من الفوائد التي نكتسبها من الطاقة.
• تُستخدم الطاقة لإنارة المدن وتشغيل أنظمة النقل وتدفئة المنازل.
• تحتاج الكائنات الحية، مثل البشر، إلى الطاقة للبقاء على قيد الحياة، من خلال الحصول عليها من الطعام.
• تُستخدم الطاقة لتشغيل الآلات في المصانع والجرارات في المزارع، وكذلك لتشغيل آلات الحرب.
• الحضارة الإنسانية تتطلب الطاقة لكي تعمل، وتحصل عليها من موارد الطاقة، مثل الوقود الأحفوري أو النووي أو الطاقة المتجددة.

أشكال الطاقة

• توجد الطاقة في عدد من الأشكال المختلفة، مثل:
• الطاقة الكيميائية
• الطاقة الكهربائية
• الحرارة (الطاقة الحرارية)
• الضوء (الطاقة الإشعاعية)
• الطاقة الميكانيكية
• الطاقة الكامنة
• الطاقة الحركية
• الطاقة الداخلية
• الطاقة النووية
• الطاقة الكلية هي مجموع كل أشكال الطاقة التي يمتلكها النظام.
• الطاقة الداخلية الحسية ناتجة عن التأثيرات الاهتزازية للذرات والجزيئات.
• الطاقة الحرارية هي الشكل الحسي والكامن للطاقة الداخلية.

أنواع الطاقة

• الطاقة الكامنة: الطاقة المخزنة داخل نظام فيزيائي كنتيجة للموضع (اختلافات في الارتفاع).
• الطاقة الحركية: الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته، وتساوي نصف كتلة الجسم مضروبة في مربع سرعته.
• الطاقة الحرارية: الطاقة الموجودة في أي نظام بحكم درجة الحرارة.
• الطاقة الكهربائية: الطاقة المتاحة من خلال تدفق الشحنات الكهربائية عبر موصل.
• الطاقة الكيميائية: الطاقة الناتجة عن ارتباط الذرات في الجزيئات وأنواع أخرى مختلفة من تجمعات المادة.
• الطاقة النووية: الطاقة المنطلقة خلال تفاعل نووي نتيجة للانشطار أو الاندماج، وتسمى أيضًا الطاقة الذرية.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

• يمكن تحويل الطاقة إلى شكل آخر من أشكال الطاقة، ولكن لا يمكن إنشاؤها ولا يمكن تدميرها.

وحدات قياس الطاقة

• تقاس الطاقة بعدة طرق.
• يستخدم العلماء الجول لقياس الطاقة بدلاً من وحدة BTU.
• وحدة SI للطاقة هي الجول، وهي الطاقة المنقولة إلى جسم ما عن طريق شغل تحريكه لمسافة متر واحد ضد قوة نيوتن واحد.
• السعر (كالوري): كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة عند درجة حرارة ‪15‬ درجة مئوية.
• BTU (وحدة حرارية بريطانية): كمية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء درجة فهرنهايت واحدة عند مستوى سطح البحر.
  • ‪Btu = 1,055‬ جول
• الثرم (unit) هي وحدة حرارية تساوي ‪ 100,000‬وحدة حرارية بريطانية.
  • وهي تقريباً تعادل الطاقة الناتجة عن حرق ‪ 100‬قدم مكعب ‪ 2.83‬متر مكعب من الغاز الطبيعي.
• الإلكترون فولت eV هي مقدار الطاقة الحركية المكتسبة أو المفقودة بواسطة إلكترون واحد يتسارع من السكون خلال فرق جهد كهربائي مقداره ‪ 1 فولت في الفراغ.

تحويل الطاقة

• يمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر أو نقلها من نظام إلى آخر.
• تشمل طرق تحويل الطاقة:
  • بذل شغل ميكانيكي كما في سيور النقل.
  • التبادل الحراري كما في المحركات البخارية.
  • المجالات الكهرومغناطيسية كما في المحركات الكهرومغناطيسية.

أنواع الطاقة

• الطاقة الكلية = الطاقة المستغلة (‪Exergy‬) + طاقة الفقد (‪Anergy‬)
• تعرف طاقة الفقد بأنها شكل من أشكال الطاقة لا يمكن استخدامه لتحويلات طاقة جديدة.
• الطاقة المستغلة هي الحد الأقصى للشغل المفيد الممكن خلال عملية تجلب النظام إلى حالة توازن مع خزان حراري (البيئة)، أو ببساطة "المادة" المفيدة التي يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة.

امثلة على تحويلات الطاقة

• يتم تحويل الطاقة المخزنة في بطاريات المصباح اليدوي إلى طاقة ضوئية عند تشغيل المصباح اليدوي.
• يتم تخزين الطعام كطاقة كامنة ، وعندما يستخدم الجسم هذه الطاقة المخزنة لأداء مهمة ما ، فإنها تتحول إلى طاقة حركية.
• تستخدم السيارة الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود للحركة، إذ يقوم المحرك بتحويل الطاقة الكيميائية إلى حرارة وطاقة حركية لتشغيل السيارة.
• يحول التلفزيون الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وصوتية.

الطاقة الحرارية

• الحرارة جزء من تدفق الطاقة الكلي عبر حدود النظام والتي تحدث بسبب اختلاف في درجة الحرارة بين النظام والوسط المحيط به أو بين نظامين مختلفين.
• تتدفق الحرارة من المنطقة ذات درجة الحرارة العالية إلى المنطقة ذات درجة الحرارة المنخفضة.
• لا يتم تخزين الحرارة وتعرف على أنها طاقة حرارية عابرة.
• معادلة حساب الطاقة الحرارية المنتقلة Q = m . Cp . (T2 – T₁) Q: الحرارة المنتقلة m: الكتلة Cp: الحرارة النوعية عند ضغط ثابت. T: درجة الحرارة
• قيمة الحرارة تكون موجبة (+) عندما تنتقل إلى النظام وسالبة (-) عند انتقالها من النظام إلى الوسط المحيط به.
• تصنيف انواع الطاقة وفقا للانتقال:
  • الطاقة المخزنة: هي الطاقة المحتواة داخل حدود النظام (طاقة كامنة، طاقة حركية، طاقة داخلية).
  • الطاقة المنتقلة: التي تعبر حدود النظام (حرارة , شغل , طاقة كهربائية).