تولید الکتریسیته

تولید الکتریسیته فرایندی است که طی آن از یک منبع انرژی استفاده می شود تا انرژی الکتریکی تولید شود.

اصول پایه برای تولید الکتریسیته توسط دانشمند انگلیسی مایکل فارادی در دهه 1820 تا اوایل دهه 1830 میلادی کشف شد. روش پایه او هنوز هم برای تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد: الکتریسیته با حرکت یک دور سیم یا یک استوانه مسی بین قطب های یک آهنربا تولید می شود.

برای شرکت هایی که در زمینه الکتریسیته فعال هستند تولید الکتریسیته اولین مرحله در رساندن الکتریسیته بدست شما است و در مراحل بعدی انتقال و توزیع قرار دارند.

الکتریسیته معمولا در نیروگاه توسط ژنراتور ها تولید می شود. ژنراتور ها برای تولید الکتریسیته نیاز به یک محرک مکانیکی نیاز دارند این محرک می تواند یک توربین یا یک موتور دیزل باشد ژنراتور های بزرگ بوسیله توربین ها دور می گیرند. بسته به نوع انرژی در دسترس توربینی متناسب با آن طراحی و ساخته می شود. در ادامه با ژنراتور ها و انواع نیروگاه ها آشنا می شوید و اطلاعات بیشتری در زمینه تولید الکتریسته بدست خواهید آورد.

ژنراتور ها

ژنراتورها یا مولد ها در حقیقت ماشین های الکتریکی هستند که با گرداندن شفت آنها البته با یک سری  ملاحظات می توان برق تولید کرد. معمول ترین انواع ژنراتور ژنراتور های سنکرون هستند که در بیشتر انواع نیروگاه ها مورد استفاده قرار می گیرند. ژنراتور سنکرون ماشینی است که باید دور آن با توجه به تعداد قطب ها در محدوده ای معین ثابت نگه داشته شود. در این ژنراتور یک میدان گردان روی سیم پیچ های ژنراتور القا می شود که دور این میدان گردان با دور روتور باید یکسان باشد. و روتور یک مغناطیس یا آهنربای کنترل شده است که به کمک این مغناطیس می توان ولتاژ ژنراتور را کنترل کرد.

 کابل های خروجی ژنراتور را ترمینال ژنراتور می نامند در ترمینال ژنراتور باید ولتاژ و فرکانس کنترل شده داشته باشیم

کنترل فرکانس

 فرکانس ژنراتور ها در یک شبکه بزرگ به صورت هماهنگ و مشترک در همه نیروگاه ها کنترل می شود کنترل فرکانس ژنراتور به کمک سیستم کنترل دور توربین انجام می شود که پایداری این سیستم کنترل بسیار اهمیت دارد و یک سیستم کنترل دور توربینی که ژنراتور را به حرکت در می آورد بسیار پیچیده است. اما به صورت ساده اگر بخواهیم به آن اشاره کنیم باید بگویم بار الکتریکی ژنراتور برای توربین مانند ترمز عمل می کند به این ترتیب دور توربین در صورت افزایش بار کاهش می یابد و سیستم کنترل از طریق فرمان به توربین دور آن را کنترل می کند. مثلاً در یک نیروگاه بخار این فرمان به دریچه کنترل بخار اعمال می شود و دریچه به مقدار بیشتری باز می شود تا بتواند دور لازم را به توربین بدهد. دور ژنراتور ها در یک شبکه بر فرکانس تاثیر می گذارند و فرکانس یک شبکه استاندارد نباید از محدوده معینی تجاوز کند نکته دیگر اینکه در صورت عملکرد معیوب سیتم کنترل یا دریچه کنترل احتمال دور گرفتن بیش از حد توربین وجود دارد که بسیار خطرناک است البته برای چنین مشکلاتی حفاظت هایی وجود دارد ولی در مواردی مشکلاتی پیش آمده که هم خسارت جانی و هم خسارت مالی بالایی دارد.

سیستم تحریک ژنراتور

ولتاژ خروجی ژنراتور بسیار اهمیت دارد چون اگر ولتاژ از حدی فراتر رود به عایق های الکتریکی ژنراتور و تجهیزات نیروگاه صدمه وارد شده و خسارت سنگینی در بر خواهد داشت. به سیستمی که ولتاژ ژنراتور را کنترل می کند سیستم تحریک یا AVR می گویند سیستم تحریک هم یک سیستم کنترل پیشرفته است که وظیفه آن کنترل ولتاژ ژنراتور است.

نوع دیگری از ماشین های الکتریکی که به عنوان ژنراتور استفاده می شوند ماشین های الکتریکی آسنکرون یا القایی هستند. یک ماشین الکتریکی آسنکرون هم می تواند به صورت موتور استفاده شود و هم به صورت ژنراتور. این نوع ماشین در صنعت بیشتر به صورت موتور استفاده می شود چون موتوری محکم و با قابلیت های بالاست، نیاز به ذغال یا جاروبک ندارد، و تعمیرات آن ساده است. این ماشین معمولاً در نیروگاه های بادی به عنوان ژنراتور مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی دور موتور آسنکرون از دور سنکرون آن بیشتر می شود شروع می کند به تولید الکتریسته و تبدیل به ژنراتور می شود. استفاده از این نوع ژنراتور در نیروگاه های بادی به علت محدودیت در کنترل سرعت باد است و حتی با همین نوع ژنراتور هم اگر سرعت باد از حدی بالاتر رود یا کمتر از مقدار مورد نیاز باشد ترمز های توربین به صورت خودکار آنرا متوقف خواهند کرد.

توربین ها

توربین ها در نیروگاه ها نقشی اساسی دارند به کمک توربین ها انرژی سوخت یا بخار یا آب به ژنراتور منتقل می شود تا تبدیل به انرژی الکتریکی شود. توربین ها تجهیزاتی مکانیکی با دقت ساخت بالا هستند که با توجه به نوع نیروگاه انواع مختلفی دارند که در ادامه در مورد آن بیشتر صحبت می کنیم.

توربین بخار

توربین بخار که بوسیله بخار خشک یا بخار سوپر هیت به حرکت در می آید یکی از متداول ترین انواع توربین در دنیاست این توربین ها که معمولا چند مرحله ای یا دو مرحله ای هستند (بسته به فشار بخار و توان توربین) عمر بالایی دارند و راندمان قابل قبولی هم دارند. بخار مورد نیاز توربین توسط بویلر ها تامین می شود که بویلر هم به کمک سوخت های فسیلی انرژی خود را تامین می کند. نکته بحرانی در مورد توربین های بخار دما و فشار بخار است بخار ورودی به توربین باید آنقدر داغ باشد که بخار کاملا خشک داشته باشیم تا در خروجی توربین که دما افت می کند قطرات آب تشکیل نشود در صورتی که قطرات آب در توربین تشکیل شود یک فاجعه رخ خواهد داد چون قطرات آب تشکیل شده در آن دما و فشار بالا به راحتی به پره های گرانقیمت توربین صدمه می زنند. از مزایای توربین بخار عمر مناسب و راندمان  نسبتا بالای آن است و از معایب آن می توان به مصرف زیاد منابع آبی و هزینه بالای مورد نیاز برای سرمایه گذاری اولیه اشاره کرد و همچنین برای استارت این نیروگاه به زمان و فعالیت زیادی نیاز است و مشکلات خاص خود را دارد. همچنین بهره برداری از نیروگاه بخار پیچیدگی های خاص خود را دارد.

نیروگاه هسته ای

 انرژی حاصل از واکنش هسته ای در یک راکتور هسته ای در نهایت بخار خشک تولید می کند و با استفاده از یک توربین بخار انرژی بخار خشک به ژنراتور منتقل می شود. بنابراین یک نیروگاه هسته ای در حقیقت یک نیروگاه بخار است که برای تامین بخار از انرژی هسته ای استفاده شده است. از مزایای این نوع نیروگاه می توان به انرژی ارزان و طولانی مدت اشاره کرد از معایب آن این است که باید انرژی آن همیشه مصرف شود و برای نوسانات بار مناسب نیست و حتی نوسانات بار در شرایطی می تواند برای آن خطرناک باشد همچنین در صورت بروز حادثه مانند آنچه در نیروگاه چرنوبیل یا نیروگاه های اتمی ژاپن رخ داد یک فاجعه انسانی رخ خواهد داد. اما با این حال هنوز بسیاری از کشور های پیشرفته از جمله آمریکا درصد بالای از انرژی مورد نیاز خود را از انرژی هسته ای تامین می کنند.

توربین گاز

توربین گازی در حقیقت مانند یک موتور جت هواپیماست و خود از یک کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است. این توربین با استفاده از انرژی بالای گاز داغ حاصل از انفجار در محفظه احتراق به گردش در می آید. به همین دلیل به آن توربین گازی می گویند. سوخت این نوع توربین گازوییل و گاز طبیعی است که البته گاز طبیعی سوخت بهتری برای آن محسوب می شود و راندمان بیشتر داشته و هزینه و مشکلات بهره برداری کمتری دارد. ولی این توربین ها معمولاً دو سوخته هستند چون در شرایطی که ممکن است گاز طبیعی در دسترس نباشد در فرایند تولید الکتریسیته خللی ایجاد نشود. بنابراین گازوییل سوخت دوم محسوب می شود از مزایای این نیروگاه می توان به زمان نسبتا کم برای ساخت تا بهره برداری، آمادگی بالا برای استارت و استارت مجدد، قابلیت جمع آوری و جابجایی از یک منطقه به منطقه دیگر هزینه اولیه پایین برای سرمایه گذاری و زودبازده تر بودن نسبت به سایر نیروگاه ها  اشاره کرد. از معایب این نیروگاه می توان به راندمان پایین و هزینه بالای بهره برداری اشاره کرد.

توربین آبی

توربین های آبی هم که در مناطق پر آب نقش بزرگی در تولید انرژی ایفا می کنند در محل سد ها احداث می شوند این توربین ها انرژی آب ذخیره شده در ارتفاع بالا را به انرژی گردشی برای ژنراتور های خود تبدیل می کنند. معمولا دور این نوع توربین ها پایین است در حالیکه توربین های بخار و گاز دارای دور 3000 دور بر دقیقه و بالاتر هستند این نوع توربین دور پایینی دارد و از آنجا که دور ژنراتور به فرکانس برق تولیدی ارتباط دارد تعداد قطب های توربو ژنراتور های آبی بیشتر است تا در دور کم همان فرکانس 50 هرتز را تحویل دهند. از مزایای این نوع نیروگاه می توان به تولید برق بدون نیاز به سوخت های فسیلی، کمک به کاهش آلودگی هوا، توانایی ذخیره سازی انرژی با استفاده از سیستم تلمبه ای ذخیره ای که قبلا به آن اشاره شد و قابلیت بالای کنترل بار اشاره کرد. ولی از مشکلات آن می توان به هزینه بالای اولیه برای ساخت نیروگاه اشاره کرد همچنین فعالین محیط زیست در باره مشکلاتی که این نوع نیروگاه ها برای ماهی ها ایجاد می کنند اعتراض دارند که امروزه توربین هایی ساخته شده که برای ماهی ها مشکلات کمتری ایجاد می کنند.

همچنین نیروگاه های جزر و مدی هم هستند که به کمک انرژی جزر و مد برق تولید می کنند.

توربین بادی

 توربین های بادی هم از دیگر انواع توربین هستند که از طبیعت برای تولید انرژی الکتریکی کمک می گیرند توربین ها بادی باید در مناطقی نصب شوند که سرعت باد مناسب باشد و این وزش در طول سال آنقدر ادامه داشته باشد که نصب این نوع نیروگاه ها صرفه اقتصادی داشته باشد. حتی سرعت خیلی بالای باد هم برای این نوع توربین مناسب نیست. تا کنون تمام انواع توربین هایی که درباره آن صحبت شد دارای ژنراتور سنکرون بودند ولی توربین بادی نیاز به ژنراتور آسنکرون دارد.

نوع جدیدی از توربین های بادی هم با نام برج های خورشیدی پا به عرصه تولید انرژی الکتریکی گذاشته اند که باد به صورت مصنوعی در آنها جریان می افتد. با استفاده از انرژی خورشید هوای داخل برج گرم می شود هوای گرم تمایل دارد به سمت بالا حرکت کند سپس با مکشی که بوسیله برج ایجاد می شود همانند آنچه در دودکش ها اتفاق می افتد هوای گرم به سمت بالا حرکت می کند و سرعت می گیرد. حرکت هوای گرم سبب چرخش توربینی می شود که ژنراتور را دور می دهد. منبع این انرژی را هم خورشید می دانند و یکی از نیروگاه های خورشیدی گرمایی به حساب می آید.

پانل های فتوولتاییک و خورشید گرمایی

در این روش نور خورشید مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. اگر چه سلول های فتو ولتاییک هنوز برای استفاده در مقیاس وسیع گران هستند اما راندمان سلول های خورشیدی از 30 درصد در گذشته ای نه چندان دور به 40 درصد رسیده است. از پانل های خورشیدی فتو ولتاییک بیشتر در مناطق دور افتاده و کم جمعیت که هزینه انتقال انرژی و نصب تجهیزات توجیه ندارد مورد استفاده قرار می گیرد. اما در کشور های با فناوری پیشرفته مانند ژاپن، آلمان، ایالات متحده و.. به علت مسائل زیست محیطی و افزایش راندمان نسل جدید این سلول ها ظرفیت نصب با سرعت بالایی در حال افزایش است.

در روش خورشید گرمایی با استفاده از نور آفتاب و تمرکز انرژی خورشید به روش های مختلف دمای آب را بالا می برند و در نهایت اختلاف دمای ایجاد شده بین آب گرم و سرد باعث جریان آب می شود که این حرکت سبب می شود توربینی که در مسیرش قرار دارد را به حرکت وا دارد و به این ترتیب الکتریسیته تولید می شود. یا آنقدر دمای اب را بالا می برند تا بخار تشکیل شود و با انرژی بخار توربین را به گردش در می آورند. برای تمرکز انرژی گرمایی خورشید از آینه های شلجمی استفاده می شود یا اینکه با استفاده از محفظه ای شیشه ای دمای اب را بالا می برند مانند همان پدیده ای که هنگام بسته بودن در های خودرو در تابستان در داخل خودرو اتفاق می افتد و دمای داخل خودرو بسیار بیشتر از دمای محیط می شود فقط به این دلیل که بازتابش از داخل محفظه نمی تواند از محفظه عبور کند و دوبار بازتابیده می شود.

تولید الکتریسیته به کمک علم الکترونیک

روش های دیگری هم برای تولید انرژی الکتریسته وجود دارند که به کمک علم الکترونیک انرژی الکتریکی تولید می کنند و کمتر به تجهیزات مکانیکی نیاز دارند و بیشتر در مقیاس کوچک و برای وسایل الکترونیکی و وسایل قابل حمل مورد استفاده قرار می گیرند. که از آنجمله می توان به قطعات ترمو الکتریک، ترمو یونیک و تومو ولتاییک که با گرما تولید الکتریسیته می کنند اشاره کرد.  معمولا از سلول های ترمو الکتریک در دما های پایین تر استفاده می شود. همچنین سلول های پیزوالکتریک که در نتیجه بار یا فشار مکانیکی تولید الکتریسیته می کنند. مثلاً اخیرا با نصب این سلول ها در پیادرو ها توانسته اند از قدم زدن افراد الکتریسته تولید کنند. و نوع دیگر از قطعات الکترونیکی بتاولتاییک ها هستند که با تابش رادیو اکتیو تولید الکتریسیته می کنند. روش دیگری که موسوم به نیروگاه MHD است و در دست مطالعه قرار دارد روش تولید انرژی الکتریکی از راکتور های هسته ای است که بر اساس دینامیک مایع کار می کند.  و نوع دیگر روش تولید انرژی روش اسموتیک است که و در جایی امکان پذیر است که آب شور و شیرین با یکدیگر ترکیب می شوند. (دلتا ها از این محل ها هستند.)

روش تولید الکتریسیته الکتروشیمیایی

روش های تولید الکتریسته الکتروشیمیایی هم وجود دارند که اهمیت ویژه ای برای کاربرد های قابل حمل نقل دارند. انرژی الکتریکی می تواند بوسیله سلول های بسته تولید می شوند که مانند باتری ها کار می کنند. این روش بیشتر برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می گیرد تا تولید انرژی الکتریکی. اما سلول های باز الکتروشیمیایی که با نام پیل سوختی یا سلول سوختی شناخته می شوند بیشتر برای تولید انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه تحقیقات زیادی روی توسعه پیل های سوختی انجام شده است که سبب پیشرفته تر شدن و کاراتر شدن آنها شده است. پیل های سوختی می توانند الکتریسیته را هم از سوخت طبیعی و هم از سوخت های ترکیبی فراهم کنند و همین طور می توان از آنها برای تولید الکتریسیته و هم برای ذخیره الکتریسیته استفاده کرد.

دیزل ژنراتور ها

این نیروگاه ها در حقیقت در مقیاس های کوچک و با هدف پشتیبانی از نیروگاه های بزرگتر یا سیتم های برق اضطراری مراکز مهم و حساس مانند بیمارستان ها مورد استفاده می شوند.

روش زمین گرمایی

این روش تولید انرژی در مکان هایی خاص مانند نزدیک آتش فشان های نیمه فعال قابل ساخت است در این روش معمولا با استفاده از آب گرمی که با فشار از داخل زمین فوران می کند توربینی خاص را به حرکت در می آورند یا با استفاده از این حرارت مایعی که در دمای پایینی می جوشد را گرم می کنند و انرژی آن را به توربین می دهند.

روش اقیانوس گرمایی

در این روش با استفاده از تفاوت دمای کم بین آب در اعماق اقیانوس و آب گرم تر سطح اقیانوس یک مسیر از آب بوجود می آورند که این آب هنگام حرکت یک توربین را می چرخاند و تولید الکتریسیته می کند.

ذخیره انرژِی الکتریکی

ذخیره انرژی الکتریکی کار کم هزینه و ساده ای نیست و معمولاً انرژی الکتریکی پس از تولید بلافاصله مصرف می شود. البته روش هایی برای ذخیره انرژی الکتریکی در مقیاس بالا وجود دارد که از معمول ترین این روش ها استفاده از روش تلمبه ای-ذخیره ای است که به این شکل عمل می کند در ساعاتی که مصرف برق کم است مانند نیمه شب با استفاده از انرژی الکتریسیته آب را به محلی در ارتفاع بالا پمپ می کنند. و در ساعات یا فصول اوج مصرف  به کمک یک توربین آبی انرژی آن به الکتریسیته تبدیل می شود.

انتخاب نحوه تولید انرژی

انتخاب روش تولید انرژی بسته به میزان تقاضا و شرایط منطقه ای متفاوت است. هر نوع نیروگاهی مزایا و معایب خود را دارد. تولید انرژی در مناطق صنعتی اقتصادی تر است. برای مصارف بالا استفاده از منابع و روش های تولید انرژی تجدیدپذیر امکان پذیر نیست.

 برای مشکلاتمربوط به آلودگی های زیست محیطی معمولاًنیروگاه ها دورتر از شهرها و مناطق مسکونی ساخته می شود. وقتی نیاز به مقدار زیادی انرژی الکتریکی وجود دارد نمی توان این انرژی را از انرژی های تجدید پذیر مانند نور خورشید تامین کرد. همچنین میزان تداوم مصرف هم در نوع نیروگاه مهم است مثلاً در نیروگاه گازی به راحتی می توان بار را کم یا زیاد کرد.

نیروگاه های هسته ای می توانند در مقیاس بالا انرژی الکتریکی تولید کنند. هر چند فاجعه اخیر در ژاپن ملاحظات و تردید ها درباره ساخت نیروگاه اتمی و امنیت آن را بیشتر کرده است.

نیروگاه آبی معمولا در مناطقی نصب می شوند که قابلیت حرکت آب از ارتفاع بالا به پایین در حجم مناسب وجود داشته باشد تا انرژی کافی برای به حرکت در آوردن توربین وجود داشته باشد.  این نوع نیروگاه در صورتی که بار در طول سال تغییرات زیادی داشته باشد اقتصادی نیست چون حجم ذخیره سازی آب محدود است.

منابع انرژی تجدید پذیر به غیر از نیروگاه آبی (از قبیل نیروگاه خورشیدی، نیروگاه بادی، نیروگاه جزر و مدی و...) در حال حاضر با توجه به فناوری های موجود گران تمام می شوند و با توجه به پیشرفت سریع فناوری این امید وجود دارد که هزینه این نوع نیروگاه ها هم کاهش یابد و بتوان در جهت حفظ محیط زیست برای آیندگان درصدی بیشتر انرژی از این منابع تامین شود. امروزه دولت ها در سراسر دنیا در جهت کاهش هزینه تولید انرژی حرکت می کنند بنابراین هنوز هم اقتصادی بودن در احداث نیروگاه حرف اول را می زند.

بزرگترین منابع تامین انرژی برای تامین الکتریسیته در دنیا به ترتیب عبارتند از: ذعال سنگ، گاز طبیعی، هیدروالکتریک(نیروگاه آبی)، انرژی هسته ای، نفت و مشتقات آن و دیگر منابع در ردیف آخر قرار می گیرند.