توليد الکتريسيته فرايندي است که طي آن از يک منبع انرژي استفاده مي شود تا انرژي الکتريکي توليد شود.
اصول پايه براي توليد الکتريسيته توسط دانشمند انگليسي مايکل فارادي در دهه 1820 تا اوايل دهه 1830 ميلادي کشف شد. روش پايه او هنوز هم براي توليد الکتريسيته مورد استفاده قرار مي گيرد: الکتريسيته با حرکت يک دور سيم يا يک استوانه مسي بين قطب هاي يک آهنربا توليد مي شود.
براي شرکت هايي که در زمينه الکتريسيته فعال هستند توليد الکتريسيته اولين مرحله در رساندن الکتريسيته بدست شما است و در مراحل بعدي انتقال و توزيع قرار دارند.
الکتريسيته معمولا در نيروگاه توسط ژنراتور ها توليد مي شود. ژنراتور ها براي توليد الکتريسيته نياز به يک محرک مکانيکي نياز دارند اين محرک مي تواند يک توربين يا يک موتور ديزل باشد ژنراتور هاي بزرگ بوسيله توربين ها دور مي گيرند. بسته به نوع انرژي در دسترس توربيني متناسب با آن طراحي و ساخته مي شود. در ادامه با ژنراتور ها و انواع نيروگاه ها آشنا مي شويد و اطلاعات بيشتري در زمينه توليد الکتريسته بدست خواهيد آورد.
ژنراتور ها
ژنراتورها يا مولد ها در حقيقت ماشين هاي الکتريکي هستند که با گرداندن شفت آنها البته با يک سري ملاحظات مي توان برق توليد کرد. معمول ترين انواع ژنراتور ژنراتور هاي سنکرون هستند که در بيشتر انواع نيروگاه ها مورد استفاده قرار مي گيرند. ژنراتور سنکرون ماشيني است که بايد دور آن با توجه به تعداد قطب ها در محدوده اي معين ثابت نگه داشته شود. در اين ژنراتور يک ميدان گردان روي سيم پيچ هاي ژنراتور القا مي شود که دور اين ميدان گردان با دور روتور بايد يکسان باشد. و روتور يک مغناطيس يا آهنرباي کنترل شده است که به کمک اين مغناطيس مي توان ولتاژ ژنراتور را کنترل کرد.
کابل هاي خروجي ژنراتور را ترمينال ژنراتور مي نامند در ترمينال ژنراتور بايد ولتاژ و فرکانس کنترل شده داشته باشيم
کنترل فرکانس
فرکانس ژنراتور ها در يک شبکه بزرگ به صورت هماهنگ و مشترک در همه نيروگاه ها کنترل مي شود کنترل فرکانس ژنراتور به کمک سيستم کنترل دور توربين انجام مي شود که پايداري اين سيستم کنترل بسيار اهميت دارد و يک سيستم کنترل دور توربيني که ژنراتور را به حرکت در مي آورد بسيار پيچيده است. اما به صورت ساده اگر بخواهيم به آن اشاره کنيم بايد بگويم بار الکتريکي ژنراتور براي توربين مانند ترمز عمل مي کند به اين ترتيب دور توربين در صورت افزايش بار کاهش مي يابد و سيستم کنترل از طريق فرمان به توربين دور آن را کنترل مي کند. مثلاً در يک نيروگاه بخار اين فرمان به دريچه کنترل بخار اعمال مي شود و دريچه به مقدار بيشتري باز مي شود تا بتواند دور لازم را به توربين بدهد. دور ژنراتور ها در يک شبکه بر فرکانس تاثير مي گذارند و فرکانس يک شبکه استاندارد نبايد از محدوده معيني تجاوز کند نکته ديگر اينکه در صورت عملکرد معيوب سيتم کنترل يا دريچه کنترل احتمال دور گرفتن بيش از حد توربين وجود دارد که بسيار خطرناک است البته براي چنين مشکلاتي حفاظت هايي وجود دارد ولي در مواردي مشکلاتي پيش آمده که هم خسارت جاني و هم خسارت مالي بالايي دارد.
سيستم تحريک ژنراتور
ولتاژ خروجي ژنراتور بسيار اهميت دارد چون اگر ولتاژ از حدي فراتر رود به عايق هاي الکتريکي ژنراتور و تجهيزات نيروگاه صدمه وارد شده و خسارت سنگيني در بر خواهد داشت. به سيستمي که ولتاژ ژنراتور را کنترل مي کند سيستم تحريک يا AVR مي گويند سيستم تحريک هم يک سيستم کنترل پيشرفته است که وظيفه آن کنترل ولتاژ ژنراتور است.
نوع ديگري از ماشين هاي الکتريکي که به عنوان ژنراتور استفاده مي شوند ماشين هاي الکتريکي آسنکرون يا القايي هستند. يک ماشين الکتريکي آسنکرون هم مي تواند به صورت موتور استفاده شود و هم به صورت ژنراتور. اين نوع ماشين در صنعت بيشتر به صورت موتور استفاده مي شود چون موتوري محکم و با قابليت هاي بالاست، نياز به ذغال يا جاروبک ندارد، و تعميرات آن ساده است. اين ماشين معمولاً در نيروگاه هاي بادي به عنوان ژنراتور مورد استفاده قرار مي گيرد. وقتي دور موتور آسنکرون از دور سنکرون آن بيشتر مي شود شروع مي کند به توليد الکتريسته و تبديل به ژنراتور مي شود. استفاده از اين نوع ژنراتور در نيروگاه هاي بادي به علت محدوديت در کنترل سرعت باد است و حتي با همين نوع ژنراتور هم اگر سرعت باد از حدي بالاتر رود يا کمتر از مقدار مورد نياز باشد ترمز هاي توربين به صورت خودکار آنرا متوقف خواهند کرد.
توربين ها
توربين ها در نيروگاه ها نقشي اساسي دارند به کمک توربين ها انرژي سوخت يا بخار يا آب به ژنراتور منتقل مي شود تا تبديل به انرژي الکتريکي شود. توربين ها تجهيزاتي مکانيکي با دقت ساخت بالا هستند که با توجه به نوع نيروگاه انواع مختلفي دارند که در ادامه در مورد آن بيشتر صحبت مي کنيم.
توربين بخار
توربين بخار که بوسيله بخار خشک يا بخار سوپر هيت به حرکت در مي آيد يکي از متداول ترين انواع توربين در دنياست اين توربين ها که معمولا چند مرحله اي يا دو مرحله اي هستند (بسته به فشار بخار و توان توربين) عمر بالايي دارند و راندمان قابل قبولي هم دارند. بخار مورد نياز توربين توسط بويلر ها تامين مي شود که بويلر هم به کمک سوخت هاي فسيلي انرژي خود را تامين مي کند. نکته بحراني در مورد توربين هاي بخار دما و فشار بخار است بخار ورودي به توربين بايد آنقدر داغ باشد که بخار کاملا خشک داشته باشيم تا در خروجي توربين که دما افت مي کند قطرات آب تشکيل نشود در صورتي که قطرات آب در توربين تشکيل شود يک فاجعه رخ خواهد داد چون قطرات آب تشکيل شده در آن دما و فشار بالا به راحتي به پره هاي گرانقيمت توربين صدمه مي زنند. از مزاياي توربين بخار عمر مناسب و راندمان نسبتا بالاي آن است و از معايب آن مي توان به مصرف زياد منابع آبي و هزينه بالاي مورد نياز براي سرمايه گذاري اوليه اشاره کرد و همچنين براي استارت اين نيروگاه به زمان و فعاليت زيادي نياز است و مشکلات خاص خود را دارد. همچنين بهره برداري از نيروگاه بخار پيچيدگي هاي خاص خود را دارد.
نيروگاه هسته اي
انرژي حاصل از واکنش هسته اي در يک راکتور هسته اي در نهايت بخار خشک توليد مي کند و با استفاده از يک توربين بخار انرژي بخار خشک به ژنراتور منتقل مي شود. بنابراين يک نيروگاه هسته اي در حقيقت يک نيروگاه بخار است که براي تامين بخار از انرژي هسته اي استفاده شده است. از مزاياي اين نوع نيروگاه مي توان به انرژي ارزان و طولاني مدت اشاره کرد از معايب آن اين است که بايد انرژي آن هميشه مصرف شود و براي نوسانات بار مناسب نيست و حتي نوسانات بار در شرايطي مي تواند براي آن خطرناک باشد همچنين در صورت بروز حادثه مانند آنچه در نيروگاه چرنوبيل يا نيروگاه هاي اتمي ژاپن رخ داد يک فاجعه انساني رخ خواهد داد. اما با اين حال هنوز بسياري از کشور هاي پيشرفته از جمله آمريکا درصد بالاي از انرژي مورد نياز خود را از انرژي هسته اي تامين مي کنند.
توربين گاز
توربين گازي در حقيقت مانند يک موتور جت هواپيماست و خود از يک کمپرسور، محفظه احتراق و توربين تشکيل شده است. اين توربين با استفاده از انرژي بالاي گاز داغ حاصل از انفجار در محفظه احتراق به گردش در مي آيد. به همين دليل به آن توربين گازي مي گويند. سوخت اين نوع توربين گازوييل و گاز طبيعي است که البته گاز طبيعي سوخت بهتري براي آن محسوب مي شود و راندمان بيشتر داشته و هزينه و مشکلات بهره برداري کمتري دارد. ولي اين توربين ها معمولاً دو سوخته هستند چون در شرايطي که ممکن است گاز طبيعي در دسترس نباشد در فرايند توليد الکتريسيته خللي ايجاد نشود. بنابراين گازوييل سوخت دوم محسوب مي شود از مزاياي اين نيروگاه مي توان به زمان نسبتا کم براي ساخت تا بهره برداري، آمادگي بالا براي استارت و استارت مجدد، قابليت جمع آوري و جابجايي از يک منطقه به منطقه ديگر هزينه اوليه پايين براي سرمايه گذاري و زودبازده تر بودن نسبت به ساير نيروگاه ها اشاره کرد. از معايب اين نيروگاه مي توان به راندمان پايين و هزينه بالاي بهره برداري اشاره کرد.
توربين آبي
توربين هاي آبي هم که در مناطق پر آب نقش بزرگي در توليد انرژي ايفا مي کنند در محل سد ها احداث مي شوند اين توربين ها انرژي آب ذخيره شده در ارتفاع بالا را به انرژي گردشي براي ژنراتور هاي خود تبديل مي کنند. معمولا دور اين نوع توربين ها پايين است در حاليکه توربين هاي بخار و گاز داراي دور 3000 دور بر دقيقه و بالاتر هستند اين نوع توربين دور پاييني دارد و از آنجا که دور ژنراتور به فرکانس برق توليدي ارتباط دارد تعداد قطب هاي توربو ژنراتور هاي آبي بيشتر است تا در دور کم همان فرکانس 50 هرتز را تحويل دهند. از مزاياي اين نوع نيروگاه مي توان به توليد برق بدون نياز به سوخت هاي فسيلي، کمک به کاهش آلودگي هوا، توانايي ذخيره سازي انرژي با استفاده از سيستم تلمبه اي ذخيره اي که قبلا به آن اشاره شد و قابليت بالاي کنترل بار اشاره کرد. ولي از مشکلات آن مي توان به هزينه بالاي اوليه براي ساخت نيروگاه اشاره کرد همچنين فعالين محيط زيست در باره مشکلاتي که اين نوع نيروگاه ها براي ماهي ها ايجاد مي کنند اعتراض دارند که امروزه توربين هايي ساخته شده که براي ماهي ها مشکلات کمتري ايجاد مي کنند.
همچنين نيروگاه هاي جزر و مدي هم هستند که به کمک انرژي جزر و مد برق توليد مي کنند.
توربين بادي
توربين هاي بادي هم از ديگر انواع توربين هستند که از طبيعت براي توليد انرژي الکتريکي کمک مي گيرند توربين ها بادي بايد در مناطقي نصب شوند که سرعت باد مناسب باشد و اين وزش در طول سال آنقدر ادامه داشته باشد که نصب اين نوع نيروگاه ها صرفه اقتصادي داشته باشد. حتي سرعت خيلي بالاي باد هم براي اين نوع توربين مناسب نيست. تا کنون تمام انواع توربين هايي که درباره آن صحبت شد داراي ژنراتور سنکرون بودند ولي توربين بادي نياز به ژنراتور آسنکرون دارد.
نوع جديدي از توربين هاي بادي هم با نام برج هاي خورشيدي پا به عرصه توليد انرژي الکتريکي گذاشته اند که باد به صورت مصنوعي در آنها جريان مي افتد. با استفاده از انرژي خورشيد هواي داخل برج گرم مي شود هواي گرم تمايل دارد به سمت بالا حرکت کند سپس با مکشي که بوسيله برج ايجاد مي شود همانند آنچه در دودکش ها اتفاق مي افتد هواي گرم به سمت بالا حرکت مي کند و سرعت مي گيرد. حرکت هواي گرم سبب چرخش توربيني مي شود که ژنراتور را دور مي دهد. منبع اين انرژي را هم خورشيد مي دانند و يکي از نيروگاه هاي خورشيدي گرمايي به حساب مي آيد.
پانل هاي فتوولتاييک و خورشيد گرمايي
در اين روش نور خورشيد مستقيما به انرژي الکتريکي تبديل مي شود. اگر چه سلول هاي فتو ولتاييک هنوز براي استفاده در مقياس وسيع گران هستند اما راندمان سلول هاي خورشيدي از 30 درصد در گذشته اي نه چندان دور به 40 درصد رسيده است. از پانل هاي خورشيدي فتو ولتاييک بيشتر در مناطق دور افتاده و کم جمعيت که هزينه انتقال انرژي و نصب تجهيزات توجيه ندارد مورد استفاده قرار مي گيرد. اما در کشور هاي با فناوري پيشرفته مانند ژاپن، آلمان، ايالات متحده و.. به علت مسائل زيست محيطي و افزايش راندمان نسل جديد اين سلول ها ظرفيت نصب با سرعت بالايي در حال افزايش است.
در روش خورشيد گرمايي با استفاده از نور آفتاب و تمرکز انرژي خورشيد به روش هاي مختلف دماي آب را بالا مي برند و در نهايت اختلاف دماي ايجاد شده بين آب گرم و سرد باعث جريان آب مي شود که اين حرکت سبب مي شود توربيني که در مسيرش قرار دارد را به حرکت وا دارد و به اين ترتيب الکتريسيته توليد مي شود. يا آنقدر دماي اب را بالا مي برند تا بخار تشکيل شود و با انرژي بخار توربين را به گردش در مي آورند. براي تمرکز انرژي گرمايي خورشيد از آينه هاي شلجمي استفاده مي شود يا اينکه با استفاده از محفظه اي شيشه اي دماي اب را بالا مي برند مانند همان پديده اي که هنگام بسته بودن در هاي خودرو در تابستان در داخل خودرو اتفاق مي افتد و دماي داخل خودرو بسيار بيشتر از دماي محيط مي شود فقط به اين دليل که بازتابش از داخل محفظه نمي تواند از محفظه عبور کند و دوبار بازتابيده مي شود.
توليد الکتريسيته به کمک علم الکترونيک
روش هاي ديگري هم براي توليد انرژي الکتريسته وجود دارند که به کمک علم الکترونيک انرژي الکتريکي توليد مي کنند و کمتر به تجهيزات مکانيکي نياز دارند و بيشتر در مقياس کوچک و براي وسايل الکترونيکي و وسايل قابل حمل مورد استفاده قرار مي گيرند. که از آنجمله مي توان به قطعات ترمو الکتريک، ترمو يونيک و تومو ولتاييک که با گرما توليد الکتريسيته مي کنند اشاره کرد. معمولا از سلول هاي ترمو الکتريک در دما هاي پايين تر استفاده مي شود. همچنين سلول هاي پيزوالکتريک که در نتيجه بار يا فشار مکانيکي توليد الکتريسيته مي کنند. مثلاً اخيرا با نصب اين سلول ها در پيادرو ها توانسته اند از قدم زدن افراد الکتريسته توليد کنند. و نوع ديگر از قطعات الکترونيکي بتاولتاييک ها هستند که با تابش راديو اکتيو توليد الکتريسيته مي کنند. روش ديگري که موسوم به نيروگاه MHD است و در دست مطالعه قرار دارد روش توليد انرژي الکتريکي از راکتور هاي هسته اي است که بر اساس ديناميک مايع کار مي کند. و نوع ديگر روش توليد انرژي روش اسموتيک است که و در جايي امکان پذير است که آب شور و شيرين با يکديگر ترکيب مي شوند. (دلتا ها از اين محل ها هستند.)
روش توليد الکتريسيته الکتروشيميايي
روش هاي توليد الکتريسته الکتروشيميايي هم وجود دارند که اهميت ويژه اي براي کاربرد هاي قابل حمل نقل دارند. انرژي الکتريکي مي تواند بوسيله سلول هاي بسته توليد مي شوند که مانند باتري ها کار مي کنند. اين روش بيشتر براي ذخيره انرژي مورد استفاده قرار مي گيرد تا توليد انرژي الکتريکي. اما سلول هاي باز الکتروشيميايي که با نام پيل سوختي يا سلول سوختي شناخته مي شوند بيشتر براي توليد انرژي مورد استفاده قرار مي گيرند. امروزه تحقيقات زيادي روي توسعه پيل هاي سوختي انجام شده است که سبب پيشرفته تر شدن و کاراتر شدن آنها شده است. پيل هاي سوختي مي توانند الکتريسيته را هم از سوخت طبيعي و هم از سوخت هاي ترکيبي فراهم کنند و همين طور مي توان از آنها براي توليد الکتريسيته و هم براي ذخيره الکتريسيته استفاده کرد.
ديزل ژنراتور ها
اين نيروگاه ها در حقيقت در مقياس هاي کوچک و با هدف پشتيباني از نيروگاه هاي بزرگتر يا سيتم هاي برق اضطراري مراکز مهم و حساس مانند بيمارستان ها مورد استفاده مي شوند.
روش زمين گرمايي
اين روش توليد انرژي در مکان هايي خاص مانند نزديک آتش فشان هاي نيمه فعال قابل ساخت است در اين روش معمولا با استفاده از آب گرمي که با فشار از داخل زمين فوران مي کند توربيني خاص را به حرکت در مي آورند يا با استفاده از اين حرارت مايعي که در دماي پاييني مي جوشد را گرم مي کنند و انرژي آن را به توربين مي دهند.
روش اقيانوس گرمايي
در اين روش با استفاده از تفاوت دماي کم بين آب در اعماق اقيانوس و آب گرم تر سطح اقيانوس يک مسير از آب بوجود مي آورند که اين آب هنگام حرکت يک توربين را مي چرخاند و توليد الکتريسيته مي کند.
ذخيره انرژِي الکتريکي
ذخيره انرژي الکتريکي کار کم هزينه و ساده اي نيست و معمولاً انرژي الکتريکي پس از توليد بلافاصله مصرف مي شود. البته روش هايي براي ذخيره انرژي الکتريکي در مقياس بالا وجود دارد که از معمول ترين اين روش ها استفاده از روش تلمبه اي-ذخيره اي است که به اين شکل عمل مي کند در ساعاتي که مصرف برق کم است مانند نيمه شب با استفاده از انرژي الکتريسيته آب را به محلي در ارتفاع بالا پمپ مي کنند. و در ساعات يا فصول اوج مصرف به کمک يک توربين آبي انرژي آن به الکتريسيته تبديل مي شود.
انتخاب نحوه توليد انرژي
انتخاب روش توليد انرژي بسته به ميزان تقاضا و شرايط منطقه اي متفاوت است. هر نوع نيروگاهي مزايا و معايب خود را دارد. توليد انرژي در مناطق صنعتي اقتصادي تر است. براي مصارف بالا استفاده از منابع و روش هاي توليد انرژي تجديدپذير امکان پذير نيست.
براي مشکلات مربوط به آلودگي هاي زيست محيطي معمولاً نيروگاه ها دورتر از شهرها و مناطق مسکوني ساخته مي شود. وقتي نياز به مقدار زيادي انرژي الکتريکي وجود دارد نمي توان اين انرژي را از انرژي هاي تجديد پذير مانند نور خورشيد تامين کرد. همچنين ميزان تداوم مصرف هم در نوع نيروگاه مهم است مثلاً در نيروگاه گازي به راحتي مي توان بار را کم يا زياد کرد.
نيروگاه هاي هسته اي مي توانند در مقياس بالا انرژي الکتريکي توليد کنند. هر چند فاجعه اخير در ژاپن ملاحظات و ترديد ها درباره ساخت نيروگاه اتمي و امنيت آن را بيشتر کرده است.
نيروگاه آبي معمولا در مناطقي نصب مي شوند که قابليت حرکت آب از ارتفاع بالا به پايين در حجم مناسب وجود داشته باشد تا انرژي کافي براي به حرکت در آوردن توربين وجود داشته باشد. اين نوع نيروگاه در صورتي که بار در طول سال تغييرات زيادي داشته باشد اقتصادي نيست چون حجم ذخيره سازي آب محدود است.
منابع انرژي تجديد پذير به غير از نيروگاه آبي (از قبيل نيروگاه خورشيدي، نيروگاه بادي، نيروگاه جزر و مدي و...) در حال حاضر با توجه به فناوري هاي موجود گران تمام مي شوند و با توجه به پيشرفت سريع فناوري اين اميد وجود دارد که هزينه اين نوع نيروگاه ها هم کاهش يابد و بتوان در جهت حفظ محيط زيست براي آيندگان درصدي بيشتر انرژي از اين منابع تامين شود. امروزه دولت ها در سراسر دنيا در جهت کاهش هزينه توليد انرژي حرکت مي کنند بنابراين هنوز هم اقتصادي بودن در احداث نيروگاه حرف اول را مي زند.
بزرگترين منابع تامين انرژي براي تامين الکتريسيته در دنيا به ترتيب عبارتند از: ذعال سنگ، گاز طبيعي، هيدروالکتريک(نيروگاه آبي)، انرژي هسته اي، نفت و مشتقات آن و ديگر منابع در رديف آخر قرار مي گيرند.