نیروگاه برق

می‌توان گفت قبل از ایجاد نیروگاه برق تا اواخر سال ۱۶۰۰ میلادی، جریان الکتریسیته یکی از مواردی بود که ذهن بشر را به خود مشغول کرده بود.

تاریخچه نیروگاه برق

دانشمندان بسیاری تحقیقات مهمی در رابطه با الکتریسیته و مغناطیس انجام دادند.

تحقیقات و پیشرفت‌ها همچنان ادامه داشتند تا اینکه در قرن ۱۹ام میلادی، دانشمندان بزرگترین پیشرفت را در زمینه مهندسی برق رقم زدند و نیروی برق و تولید آن در نیروگاه برق باعث تحول عظیم در انقلاب صنعتی شد.

می‌توان به جرات گفت که مهم ترین اختراع در رابطه با برق، اختراع لامپ‌ها باشند.

اختراعی که حتی تا به امروز زندگی ما را تحت تاثیر قرار داده است.

در سال ۱۸۸۰ میلادی ادیسون موفق به کشف پدیده‌ای فیزیکی شد که تا امروز نیز با نام او از آن یاد می‌شود.

انرژی‌های تجدیدپذیر مثل باد، خورشید، امواج دریا و … می توانند بدون تولید هیچ فرآورده خطرناکی، برق مورد نیاز ما را تولید کنند.

هزینه برق تولید شده توسط انرژی‌های تجدید پذیر، بالاتر از روش‌های دیگر است.

بسیاری از انرژی‌های تجدیدپذیر نمی‌توانند به صورت متوالی برق تولید کنند.

به عنوان مثال برق تولید شده توسط توربین‌های بادی به قدرت باد بستگی دارد.

اگر باد خیلی ضعیف یا خیلی قوی باشد هیچ برقی تولید نمی‌شود.

تولید برق توسط صفحات خورشیدی نیز به تابش خورشید و شدت تابش در آن محیط بستگی دارد.

ابری بودن هوا یا زمان تابش خورشید روی تولید موثر است.

بنابراین انرژی‌های تجدید پذیر باید توسط دیگر روش‌های تولیدی پشتیبانی شوند.

در واقع این روش ها احتیاج به دیگر انرژی ها دارند.

حتی گاهی استفاده از سوخت فسیلی با وجود تولید گازهای گلخانه‌ای می تواند کمک خوبی باشد.

برای تولید انرژی الکتریسیته از نیروگاه‌های تولید برق استفاده می شود. این نیروگاه‌ها دارای انواع مختلفی به شرح زیر می‌باشند:

1.  نیروگاه دیزلی
2. نیروگاه گازی
3. نیروگاه بخاری
4. نیروگاه سیکل ترکیبی
5. نیروگاه برق آبی
6. نیروگاه هسته ای
7. نیروگاه تلمبه ذخیره ای
8. نیروگاه خورشیدی
9. نیروگاه بادی
10. نیروگاه زمین گرمایی
11. نیروگاه آبی جذر و مدی

در اکثر نیروگاه‌های تجدیدناپذیر، از سوخت فسیلی مثل ذغال سنگ، نفت و گاز برای تولید بخار جهت به حرکت درآوردن توربین‌های تولید برق استفاده می کنند.

تولید برق در این نیروگاه‌ها، پروسه زمانبری دارد.

از جمله معایب این روش تولید مقدار زیاد کربن دی اکسید است که موجب تغییرات شرایط آب و هوایی کره زمین می‌شود.

همچنین با تولید اکسیدهای گوگرد موجب بارش باران های اسیدی می شوند.

مواد غذایی موجود در خاک بر اثر باران اسیدی از بین می رود.

خاک در اثر آلودگی به اسید مواد مورد نیاز درختان را از دست می‌دهد، نظم طبیعت به هم خواهد خورد و مرگ درختان و گیاهان فرا خواهد رسید و درنهایت اکو سیستم دچار تغییرات اساسی می‌شود.

علاوه بر این باران‌های اسیدی رویه‌های سنگی ساختمان‌ها، پل‌ها، سدها و… را نیز تخریب می‌کنند و موجب نابودی آن‌ها می‌شود. در مطلب زیر سعی داریم به بررسی انواع نیروگاه ها بپردازیم:

نیروگاه دیزلی:

در این نوع نیروگاه‌ها نیروی محرکه ژنراتور توسط یک موتور درون‌سوز دیزلی تأمین می‌شود. امروزه از نیروگاه‌های دیزلی به عنوان یک نیروگاه پایه کمتر استفاده می شود و بیشتر برای مواقع اضطراری و احتمالاً بار حداکثر شبکه از این نیروگاه ها استفاده می‌گردد.

در حال حاضر در مناطقی از ایران که به شبکه سراسری متصل نیستند، ازنیروگاه های دیزلی استفاده می شود. این نیروگاه ها معمولاً دارای توان تولیدی 630KW تا 12000KW هستند.

مزایای نیروگاه دیزلی عبارتند از:

این نیروگاه ها به آب نیاز ندارند.

به عنوان برق اضطراری در مکان هایی مثل بیمارستان ها ، دانشگاه ها و … مورد استفاده قرار می گیرند.

در مراکز دور افتاده ای که هزینه انتقال برق از هزینه تولید نیروگاه دیزلی بیشتر است مورد استفاده قرار می گیرند.

معایب نیروگاه دیزلی عبارتند از:

رنج تولیدی این نیروگاه‌ها پایین است.

این نوع نیروگاه به دلیل حرکت‌های مکانیکی زیادی که در آن‌ها وجود دارد دارای عمر کمی هستند.

این نوع نیروگاه‌ها دارای راندمان پایینی می‌باشند. به دلیل راندمان پایین این نیروگاه‌ها، هزینه برق تولیدی آنها بالاست.

نیروگاه بخار:

چگونگی تولید برق در نیروگاه بخار که دارای ظرفیت تولید برق بالایی هست، به این صورت است که از سوخت ذغال‌سنگ، مازوت و یا گاز طبیعی و تولید بخار توسط بویلر جهت به حرکت درآوردن پره‌های توربین بخار و روتور ژنراتور استفاده‌شده و در نهایت موجب تولید برق می‌گردد.

ظرفیت این نیروگاه‌ها در گذشته تا ۱۲۰۰ مگاوات نیز طراحی می‌شد.

ولی امروزه نیروگاه بخار عموماً در ظرفیت‌های بین ۳۵۰ تا ۶۰۰ مگاوات طراحی می‌شود.

در این نیروگاه‌ها از سیستم خنک‌کننده خشک و تر جهت خنک کردن آب حاصل از چگالش بخار خروجی از توربین بخار استفاده می‌گردد.

در شبکه سراسری برق ایران حدود ۲۱ درصد از برق تولیدی توسط نیروگاه‌های بخار تأمین می‌شود.

نیروگاه گازی:

در نیروگاه‌های گازی سیالی که سبب چرخش توربین می‌شود هوای محیط است.

در این نیروگاه‌ها از کمپرسور استفاده می‌شود.

کمپرسورها وسایلی هستند که با مکش هوای محیط به درون خود، هوا را فشرده کرده و فشار آن را افزایش می‌دهند.

معمولاً برای افزایش راندمان نیروگاه، هوای ورودی را از مجاورت گازهای خروجی از دودکش توربین عبور می‌دهند تا هوای ورودی به کمپرسور گرم شود.

هوای فشرده شده در کمپرسور وارد اتاق احتراق می‌شود و در آنجا با سوخت فسیلی ترکیب می‌شود و می‌سوزد و گاز داغی با فشار بالا از اتاق احتراق خارج می‌شود که آلاینده نیز هست.

برای اینکه گاز داغ پرفشار ورودی به توربین محور چرخنده آن را به حرکت درآورد، باید این گاز با سرعت زیاد وارد توربین شود. این عمل توسط نازل ابتدای توربین انجام می‌شود.

بنابراین گاز پرفشار و داغ با سرعت زیاد به پره‌های توربین برخورد می‌کند و سبب چرخش روتور توربین می‌‌شود و حرکت دورانی روتور توربین نیز سبب چرخش ژنراتور و در نتیجه تولید برق می‌شود.

مزایای نیروگاه گازی عبارتند از:

• این نیروگاه‌ها به آب نیاز ندارند.
• زود ساخته می‌شوند. (حدوداً ساخت یک نیروگاه گازی 6 ماه زمان می‌برد)
• این نیروگاه‌ها سرعت مانور بالایی دارند. (کم و زیاد کردن تولید نیروگاه را مانور کردن نیروگاه می‌گویند)
• این نیروگاه‌ها را خیلی زود می‌توان روشن کرد.

معایب نیروگاه گازی عبارتند از:

• راندمان این نیروگاه‌ها پایین است.
• عمر این نیروگاه‌ها کوتاه است.
• هزینه برق تولیدی آنها بالاست.
• رنج تولید انرژی این نیروگاه‌ها پایین است.

نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی به نیروگاه‌هایی گفته می‌شود که روند چرخه تبدیل سوخت به انرژی الکتریکی در آن‌ها به دو روش مستقیم و غیرمستقیم و به موازات یکدیگر انجام می‌شود.

در واقع در این نیروگاه‌ها انرژی الکتریکی یک بار به طور مستقیم و یکبار به کمک هدر رفت انرژی گرمایی تولید می‌شود.

ترتیب این عملکرد به گونه‌ای است که در طی آن سوخت و توربین‌ها دست به دست یکدیگر داده تا بتواند 50% برق بیشتری از حالت معمولی تولید نماید.

برای درک علت بالا رفتن راندمان در زمان استفاده از نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بهتر است با روند تبدیل انرژی موجود در سوخت به برق در این نیروگاه‌ها آشنا شویم.

• احتراق سوخت در توربین‌های گازی

این بخش از روند تولید انرژی الکتریکی در این دسته از نیروگاه‌ها از دو مرحله زیر تشکیل می‌شود:

در ابتدا هوای فشرده شده با سوخت ترکیب می‌شود و اعمال حرارت بالا بر سوخت، باعث احتراق شده و به جریان افتادن گاز در مسیرهای اطراف توربین‌ها، آن‌ها را به چرخش در‌ می‌آورد.

با چرخش سریع توربین، ژنراتور انرژی مکانیکی ناشی از چرخش ایجاد شده را به برق تبدیل می‌کند.

• بازیابی گرما

پس از آن سیستم بازیابی گرما نیروگاه سیکل ترکیبی، ضایعات ناشی از احتراق را جمع آوری کرده و مراحل زیر به انجام می‌رسند:

ابتدا ژنراتور بخار سیستم بازیابی گرما (HRSG) گرمای جذب شده از توربین گازی را به خود جذب می‌کند.

در نیروگاه‌هایی که از این سیستم بهره نمی‌برند، این گرما از طریق اگزوز خارج شده و اتلاف بیشتری وجود خواهد داشت.

این گرما به تبخیر آب منجر خواهد شد و بخار به جریان افتاده دسته‌ای از توربین‌های بخار متصل به ژنراتورها را به چرخش در آورده و برق تولید می‌کنند.

نیروگاه برق ‌آبی:

آب به عنوان یکی از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید برق، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اکنون در ایران نیروگاه‌های آبی حدود 15 درصد از کل نیروگاه‌ها را تشکیل داده‌اند.

نیروگاه‌های آبی معمولا در جاهایی احداث می‌شوند که بتوان آب را ذخیره و از آن استفاده کرد.

اغلب نیروگاه‌های آبی را در کنار سدها می‌سازند و آب را پشت سد جمع می‌کنند تا بتوانند از آن استفاده کنند.

در نیروگاه‌های آبی، آب باعث چرخش توربین شده و سپس حرکت مکانیکی به ژنراتور منتقل شده و ژنراتور به برق تبدیل می‌کند.

نیروگاه هسته‌ای:

نیروگاه هسته‌ای به تأسیسات صنعتی و نیروگاهی می‌گویند که بر پایه فناوری هسته‌ای و با کنترل فرآیند شکافت هسته‌ای، از گرمای تولید شده آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی می‌کند.

کنترل انرژی هسته‌ای با حفظ تعادل در فرآیند شکافت هسته‌ای همراه است.

با استفاده از گرمای تولیدی برای تولید بخار آب (مانند بیشتر نیروگاه‌های گرمایی) اقدام به چرخاندن توربین‌های بخار و به دنبال آن ژنراتورها می‌کند.

در سال ۲۰۰۴ انرژی هسته‌ای در تولید کل انرژی مصرفی جهان سهمی در حدود ۶.۵٪، در تولید انرژی الکتریکی سهمی در حدود ۱۵.۷٪ داشته ‌است.

نخستین بار به وسیله انریکو فرمی در سال ۱۹۳۴ در یکی از آزمایشگاه‌های دانشگاه شیکاگو تولید شد. این اتفاق زمانی رخ داد که تیم او مشغول بمباران کردن هسته اورانیوم با نوترون بودند.

نحوه عملکرد نیروگاه اتمی:

عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن ذغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است.

در ‏این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ U 235 عمل شکست انجام می‌گیرد و ‏انرژی فراوانی تولید می‌کند.

بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود می‌آید.

بعد از ‏لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می‌شود.

نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای:

نیروگاه تلمبه‎ ذخیره‎‌ای نوعی نیروگاه است که برای استفاده از برق مازاد بر مصرف و بازتولید این برق در زمان‌‎هایی که تقاضای مصرف زیاد است به کار می‎‌رود.

نیروگاه های تلمبه ذخیره‌ای از انواع نیروگاه‌های برقابی هستند.

با عملکرد موتوری (پمپاژ آب به سد بالا دست) طی ساعات کم باری شبکه برق از یکسو و تولید برق در شرایط پیک بار سیستم از سوی دیگر می‌توانند نقش موثری در بهبود عملکرد سیستم تولید داشته باشند.

نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای در شب یا زما‌ن‌های کاهش تقاضا برای برق با تلمبه کردن آب از دریاچه مخزن در پائین دست به دریاچه یا مخزنی که در بالا دست و در ارتفاعی بالاتر قرار دارد انرژی را ذخیره می‌سازند.

در زمان‌هایی که مازاد مصرف وجود دارد، این انرژی پتانسیل با عبور آب از واحدهای توربین ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

از مزایای این نیروگاه‌ها عملکرد آنها در ساعات مختلف شبانه روز است.

گذشته از موضوع متعادل نمودن تولید و مصرف برق، دارای مزایای دیگری می‌باشند.

از جمله مزایای آن تنظیم انرژی، فراهم سازی خدمات جنبی، زیست محیطی و اقتصادی و…. می‌باشد.

نیروگاه بادی:

همانگونه که از نام این نیروگاه بر می‌آید، بر اساس وزش باد کار می‌کند.

به گونه ای که انرژی جنبشی باد را گرفته و تبدیل به نیروی الکتریکی می‌کند.

در به اصلاح مزرعه بادی یکی از مهمترین مسائل، ساخت نیروگاه می‌باشد.

چرا که در نهایت توان تولید شده از طریق توربین بادی به شدت به میزان باد وزیده شونده بستگی دارد.

به همین دلیل باید در بادگیرترین منطقه و ارتفاع مناسب نصب گردد.

تا بتوانیم ضریب کاری نسبت به بی‌کاری نیروگاه را افزایش دهیم و در کلام ساده‌تر در ساعات بیشتر باد برای چرخاندن توربین بادی مورد نظرمان داشته باشیم.

نیروگاه بادی کشور چین به نام نیروگاه گانسو (Gansu) در حال حاضر از 8000 مگاوات برق تولید می‌کند.

بزرگترین نیروگاه سیکل ترکیبی خاورمیانه به نام دماوند که در کشورمان با 12 واحد دارای توان تولیدی 2500مگاوات می‌باشد.

نیروگاه گانسو در سال 2012 تاسیس گردیده و قرار است تا سال 2021 توان تولیدی خود را به 20000 مگاوات برساند.

نیروگاه خورشیدی:

یکی از آرزوهای بشر کاربرد انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع نامتناهی انرژی برای مصارف بزرگ بوده است.

اشکال بزرگ در کاربرد انرژی خورشیدی متمرکز نبودن، تناوبی بودن و ثابت نبودن مقدار انرژی و نیز پایین بودن شدت تابش می‌باشد.

به دلیل پایین بودن شدت تابش انرژی خورشیدی، سطح لازم برای کسب انرژی قابل توجه، بزرگ خواهد شد.

به خاطر ثابت نبودن مقدار آن، معمولاً برای نیروگاه خورشیدی یک منبع برای ذخیره انرژی کسب شده مورد نیاز است.

همچنین به دلیل متمرکز نبودن انرژی خورشیدی، احتیاج به تجهیزاتی جهت متمرکز ساختن آن می‌باشد .

انرژی خورشیدی را می‌توان در موارد زیر مورد استفاده قرار داد:

گرمایش و سرمایش ساختمان

گرم کردن آب و پختن غذا

استریلیزه کردن وسایل بهداشتی

خشک کردن محصولات کشاورزی

شیرین کردن آب

تولید سوخت‌های شیمیایی

احتراق مواد آلی

تولید گاز هیدروژن

تولید الکتریسیته به روش فتوولتایک

تولید بخار آب برای به چرخش در آوردن یک توربین بخار

و …

 

نیروگاه زمین گرمایی

به‌طور کلی انرژی زمین‌ گرمایی (geothermal energy) نوعی انرژی گرمایی است که در زمین تولید و ذخیره می‌گردد.

انرژی گرمایی موجود در پوسته‌ی زمین به دلیل ماهیت تشکیل این سیاره و تجزیه‌ی رادیواکتیو مواد معدنی به صورت پیوسته حاصل می‌شود.

از انرژی زمین‌گرمایی که در دسته‌ی «انرژی‌های جایگزین» (alternative energies) دسته‌بندی می‌شود.

برای کاربردهایی مانند گرم کردن ساختمان‌های شهری و صنعتی یا تولید برق استفاده می‌کنند.

عبارت «برق زمین‌گرمایی» (geothermal power) دقیقاً به همین کاربرد تولید الکتریسیته اشاره دارد.

یکی از انواع دسته‌بندی نیروگاه‌های زمین‌گرمایی بدین‌صورت است که بر اساس نوع سیال خروجی از چاه‌های تولیدی و نیز تجهیزات مورداستفاده در سیکل نیروگاه آن‌ها را دسته‌بندی نمود.

بر این اساس نیروگاه‌های زمین‌گرمایی به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:

1.  نیروگاه‌های که سیال خروجی از چاه بخار باشد.
2. نیروگاه‌های که سیال خروجی از چاه بخار و مایع داغ باشد.
3. نیروگاه‌های که سیال خروجی از چاه مایع داغ باشد.

نیروگاه جزر و مدی

انرژی جزر و مد را می‌توان انرژی ناشی از گرانش ماه و خورشید بر روی آب اقیانوس تعریف نمود.

تفاوت ارتفاع آب به هنگام جزر و مد را می‌توان منشا تولید انرژی در سواحل دانست.

زیرا این اختلاف اینقدر نیرو ایجاد می‌کند که بتوان یک توربین آبی را به‌ حرکت درآورد.

تولید برق در نیروگاه‌ها

نیروگاه متشکل از تأسیسات صنعتی است که اساس کار آن برای تولید انرژی الکتریکی می باشد.

از این تاسیسات برای تولید برق استفاده می‌شود.

نیروگاه‌ها با توجه به نوع تکنولوژی به کار رفته در آن‌ها و منابع انرژی در دسترس متفاوت هستند.

اساس کار 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 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.

اکثرا به منظور حداکثرشدن راندمان و حداقل نمودن هزینه‌ها و همچنین میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.