مقدمه:
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 ۱۸۲۰ تا اوایل دهه ۱۸۳۰ 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 (ژنراتور) تولید می شود.
برای شرکت هایی که در زمینه الکتریسیته فعال هستند تولید الکتریسیته اولین مرحله در رساندن الکتریسیته به دست شما است و در مراحل بعدی انتقال و توزیع قرار دارند. الکتریسیته معمولاً 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 به وسیله توربین ها دور می گیرند. بسته به نوع انرژی در دسترس توربینی متناسب با آن طراحی و ساخته می شود. تمرکز مولدهای الکتریکی از زمانی ممکن شد که با رشد علم امکان تغییر ولتاژ الکتریکی متناوب و در نتیجه افزایش آن در طول خطوط انتقال انرژی و کاهش آن در انتهای خطوط به وسیله ترانسفورماتورها فراهم شد
از سال ۱۸۸۱ تاکنون و برای بیش از ۱۲۰ سال انرژی الکتریکی به منظور تغذیه مصرف کننده‌های انسانی به وسیله منابع مختلف تأمین می‌شود. اولین مولدهای الکتریکی با انرژی آب و ذغال سنگ کار می‌کردند و امروزه بخش عظیمی از انرژی الکتریکی به وسیله ذغال سنگ، انرژی هسته‌ای، گاز طبیعی، هیدروالکتریک و نفت تولید می‌شود که البته در این میان منابعی مانند انرژی خورشیدی، انرژی جزر و مدی، انرژی بادی و انرژی زمین گرمایی نیز نقش کوچکی ایفا می‌کنند.
روش‌های تولید انرژی الکتریکی عبارت است از:
۱- نیروگاه ها
۲- توربین‌ها
۳- موتورهای احتراق داخلی
۴- باتری خورشیدی
۱- تولید انرژی الکتریکی از طریق نیروگاه ها
نیروگاه مجموعه‌ای از تأسیسات صنعتی است که برای تولید انرژی الکتریکی از آن استفاده می‌شود. نیروگاه‌ها بسته به نوع تکنولوژی به کار رفته در آن ها و منابع انرژی در دسترس متفاوت هستند.
وظیفه اصلی یک نیروگاه تبدیل انرژی از دیگر شکل‌های آن مانند انرژی شیمیایی، انرژی هسته‌ای، انرژی پتانسیل گرانشی و ... به انرژی الکتریکی است. وظیفه اصلی در تقریباً همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است، ماشین دواری که انرژی جسم سیال را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راه‌های مختلفی تأمین می‌شود و غالباً به منظور ایجاد حداکثر راندمان و حداقل نمودن هزینه ها و هم چنبن میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.
۱.۱- ژنراتور:
ژنراتورها یا مولد ها در حقیقت ماشین های الکتریکی هستند که با گرداندن شفت آن ها 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. یکابل های خروجی ژنراتور را ترمینال ژنراتور می نامند در ترمینال ژنراتور باید ولتاژ و فرکانس کنترل شده داشته باشیم.
۱.۲- 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.
۱.۳- 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 آن را متوقف خواهند کرد.
۲- تولید انرژی الکتریکی از طریق توربین ها
امروزه توربین‌های متصل به ژنراتورهای الکتریکی بیشترین حجم انرژی الکتریکی را تولید می‌کنند. 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 و سیالی که آن را به چرخش در می آوردانواع مختلفی دارند که در ادامه در مورد آن بیشتر صحبت می کنیم.
۲.۱- بخار:
توربین بخار که به وسیله بخار خشک یا بخار سوپر هیت به حرکت در می آید یکی از متداول ترین انواع توربین در دنیاست این توربین ها که معمولاً چند مرحله ای یا دو مرحله ای هستند (بسته به فشار بخار و توان توربین) عمر بالایی دارند و راندمان قابل قبولی هم دارند. ابتدا آب به وسیله حرارت تولید شده از روش های زیر:
۲.۱.۱- شکافت هسته‌ای که 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 تأمین 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 هم چنین در صورت بروز حادثه مانند آن چه 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 تأمین می کنند.
۲.۱.۲- از سوختن سوخت‌هایی هم چون زغال سنگ، گاز طبیعی و یا نفت آب به جوش می‌آید و سپس از این بخار برای به حرکت درآوردن پره‌های توربین استفاده می‌شود. در بعضی از نیروگاه‌های جدید از انرژی خورشیدی برای تأمین انرژی استفاده می‌شود.
۲.۱.۳- انرژی زمین گرمایی این روش تولید انرژی در مکان هایی خاص مانند نزدیک آتش فشان های نیمه فعال قابل ساخت است در این روش معمولاً 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.نیز اشاره کرد.
۲.۱.۴- پانل های فتو ولتاییک 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 ۳۰ درصد در گذشته ای نه چندان دور به ۴۰ 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 آب 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.
نکته بحرانی در مورد توربین های بخار دما و فشار بخار است بخار ورودی به توربین باید آن قدر داغ باشد که بخار کاملاً 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 نسبتاً 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 هم چنین برای استارت این نیروگاه به زمان و فعالیت زیادی نیاز است و مشکلات خاص خود را دارد. هم چنین بهره برداری از نیروگاه بخار پیچیدگی های خاص خود را دارد.
۲.۲- آب:
در این حالت پره‌های توربین به وسیله آب به حرکت در می‌آیند. این انرژی می‌تواند از حرکت آب پشت یک سد و یا حرکت آب یه وسیله نیروی جزر و مد تأمین گردد. توربین های آبی در مناطق پر آب نقش بزرگی در تولید انرژی ایفا می کنند این توربین ها انرژی آب ذخیره شده در ارتفاع بالا را به انرژی گردشی برای ژنراتور های خود تبدیل می کنند. معمولاً دور این نوع توربین ها پایین است در حالی که توربین های بخار و گاز دارای دور ۳۰۰۰ دور بر دقیقه و بالاتر هستند این نوع توربین دور پایینی دارد و از آن جا که دور ژنراتور به فرکانس برق تولیدی ارتباط دارد تعداد قطب های توربو ژنراتور های آبی بیشتر است تا در دور کم همان فرکانس ۴۰ 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 (پمپاژ آب با استفاده از برق مازاد در ساعات کم باری به ارتفاع بالا و استفاده از آب پمپ شده در ارتفاع برای حرکت توربین در ساعات اوج) و قابلیت بالای کنترل بار اشاره کرد. ولی از مشکلات آن می توان به هزینه بالای اولیه برای ساخت نیروگاه اشاره کرد همذچنین 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.
۲.۳- باد:
توربین های بادی هم از دیگر انواع توربین هستند که از طبیعت برای تولید انرژی الکتریکی کمک می گیرند اما در بعضی توربین‌ها فشار باد به صورت مصنوعی از طریق انرژی نور خورشید و یا سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید. توربین ها بادی باید در مناطقی نصب شوند که سرعت باد مناسب باشد و این وزش در طول سال آن قدر 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 آن ها 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 به وسیله برج ایجاد می شود همانند آن چه 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.
۲.۴- گازهای داغ:
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 نسبتاً 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.
به همین دلیل و به منظور افزایش راندمان این نوع نیروگاه از توربین‌های گازی مرکب که انرژی خود را به طور هم‌زمان از آب و فشار گاز می‌گیرنداستفاده می گردد در این نیروگاه‌ها انرژی مورد نیاز به وسیله سوختن گاز طبیعی و از طریق گازهای داغ در یک توربین گازی تأمین می‌گردد و از مازاد انرژی برای گرم کردن آب و تبدیل بیشتر انرژی استفاده می‌شود. راندمان این نیروگاه‌ها معمولاً بالاتر از ۶۰٪ است.
لازم به ذکر است روش های تولید انرژی اشاره شده در بالا مرسوم ترین و پر کاربرد ترین روش ها می باشد ولی در حال حاضر روش های دیگری نیز جهت تولید انرژه الکتریکی در جهان استفاده می گردد که مختصراً به آن اشاره می شود:
۲.۵- 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. معمولاً از سلول های ترمو الکت ریک در دما های پایین تر استفاده می شود. هم چنین 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.)
۲.۶- 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 به وسیله 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 آن ها 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 آن ها برای تولید الکتریسیته و هم برای ذخیره الکتریسیته استفاده کرد.
۲.۷- 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 به وجود می آورند که این آب هنگام حرکت یک توربین را می چرخاند و تولید الکتریسیته می کند.
3. تولید انرژی الکتریکی از طریق موتورهای احتراق داخلی
برای تولید انرژی الکتریکی در مقادیر یا مقیاس‌های پایین معمولاً از موتورهای الکتریکی که به وسیله سوخت دیزل، بیوگاز و یا گاز طبیعی به حرکت در می‌آیند استفاده می‌شود. از موتورهای دیزل معمولاً برای سیستم‌های پشتیبانی و یا برق اضطراری در ولتاژهای پایین استفاده می‌شود. اما بیوگاز معمولاً در محل تولید یعنی در مکان‌هایی مانند محل‌های دفع زباله یا فاضلاب سوزانده می‌شود و به وسیله یک موتور متناوب و یا میکروتوربین به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
4. تولید انرژی الکتریکی از طریق باتری خورشیدی
برعکس صفحات متمرکز کننده نور خورشید برای ایجاد حرارت، باتری‌های خورشیدی نور خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. با این که استفاده از نور خورشید رایگان است و نور خورشید در بسیاری از مناطق به راحتی قابل دسترسی است اما قیمت تمام شده برق تولیدی از این روش در مقایسه با تولید با روش‌های تولید انرژی الکتریکی در سطح کلان (نیروگاه‌ها) گران تر تمام می‌شود. هم چنین راندمان پایین سلول‌های خورشیدی سیلیکونی (نزدیک به ۳۰٪) استفاده از آن ها را با مشکل روبه‌رو کرده‌است. امروزه از باتری‌های خورشیدی معمولاً در مناطق دورافتاده‌ای که امکان دسترسی به شبکه برق وجود ندارد و یا به عنوان منبع الکتریکی تکمیلی در واحدهای مسکونی یا تجاری استفاده می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در زمینه ساخت باتری‌های خورشیدی و همچنین یارانه‌های در نظر گرفته شده به وسیله انجمن‌های محیط زیست باعث شده تا روند پیشرفت و استفاده از این منابع روزبه‌روز رشد کند.
