در جامعه‌ی مدرن، تولید برق یکی از جنبه‌های اساسی زندگی بوده که به عنوان ستون فقرات صنعتی شدن نیز شناخته می‌شود. از نظر تاریخی، منابع اولیه‌ی تولید برق شامل سوخت‌های فسیلی، مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، در کنار منابع تجدیدپذیر مانند برق آبی، نیروگاه خورشیدی، باد و انرژی زمین گرمایی بوده است. تولید برق، بسیاری از فناوری‌ها و روش‌ها را در بر می‌گیرد که برای تأمین انرژی خانه‌ها، مشاغل و سیستم‌های حمل‌ونقل بسیار مهم است. در این مطلب با تولید برق بیشتر آشنا خواهید شد.
منظور از تولید برق چیست؟
تولید برق اصطلاحی است که برای توصیف فرآیند ایجاد الکتریسیته با استفاده از انواع مختلف فناوری استفاده می‌شود. برخی از این فناوری‌ها مانند دیگ بخار بیش از صد سال قدمت داشته و برخی دیگر مانند توربین‌های بادی جدیدتر هستند. در واقع دیگ‌های بخار و آسیاب‌های بادی سابقه‌ای بسیار قدیمی دارند. آسیاب‌های بادی در ابتدا برای جابجایی ماشین‌آلات و خرد کردن غلات اختراع شدند (و هنوز هم این کار را انجام می‌دهند) اما اکنون بیشتر برای تولید برق استفاده می‌شوند.
بیشتر تجهیزات تولید برق با چرخاندن مکانیزمی در دینام، برق تولید می‌کنند. نحوه‌ی ساخت مکانیزم چرخش بستگی به فناوری مورد استفاده دارد.
برق چگونه تولید می‌شود؟
در ژنراتورهای برق و نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه خورشیدی فولاد مبارکه اصفهان برق زیادی تولید می‌شود. گفتیم که شروع فرآیند تولید برق با یک حرکت چرخشی بوده که به یک دینام منتقل می‌شود و دینام، این حرکت را به برق تبدیل می‌کند اما دقیقا چطور این اتفاق میفتد؟
دینام بسیار شبیه به یک موتور الکتریکی است. موتورهای الکتریکی از الکتریسیته برای چرخاندن آرمیچر، پروانه یا روتور استفاده می‌کنند اما این کار در دینام‌ها برعکس است. دینام به جای استفاده از الکتریسیته برای ایجاد حرکت، از حرکت برای ایجاد الکتریسیته استفاده می‌کند. در واقع، بسیاری از موتورها می‌توانند به عنوان دینام موقت عمل کنند.
دینام‌های موقت (یا آلترناتورها) از دو قسمت استاتور و روتور تشکیل شده‌اند. روتور در داخل دینام می‌چرخد و در واقع برای ایجاد میدان مغناطیسی طراحی شده است. استاتور نیز در اصل جعبه‌ای بوده که از سیم‌پیچ‌های مسی زیادی تشکیل شده که دور یک هسته‌ی آهنی توخالی پیچیده شده‌اند. هنگامی که روتور در داخل استاتور می‌چرخد، میدان مغناطیسی آن نیز با آن چرخیده و این چرخش در سیم‌پیچ‌های استاتور، جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. این جریان الکتریکی جمع آوری شده و به شبکه‌ی برق ارسال می‌شود.
منابع انرژی برای تولید برق
تمام سیستم‌های تولید برق و نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه‌های شرکت صنایع نیرو و انرژی پاک فولاد (صناپ) با تبدیل انرژی موجود که به شکل‌های مختلف وجود دارد به برق کار می‌کنند.
در نیروگاه خورشیدی و مزرعه‌ی بادی، پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی انرژی موجود در محیط خود (نور خورشید و باد) را به برق تبدیل می‌کنند. به همین ترتیب، نیروگاه‌های برق‌آبی، انرژی بالقوه‌ی آب جمع شده پشت سد یا انرژی جنبشی موجود در رودخانه‌ها را برای تولید برق استخراج می‌کنند. انرژی حاصل از باد، خورشید و آب به عنوان انرژی تجدیدپذیر در نظر گرفته می‌شود. زیرا منبع آن به طور مداوم دوباره پر می‌شود. حتی اگر در دسترس بودن آن به شرایط آب و هوایی بستگی داشته باشد.
سایر فناوری‌های تولید برق به سوخت به عنوان منبع انرژی نیاز دارند. تقریباً هر چیزی که می‌تواند سوزانده شود به عنوان سوخت برای تولید برق استفاده شده است. نیروگاه‌هایی وجود دارند که با زباله‌های شهری، لاستیک‌های قدیمی، گاز فاضلاب، پوسته‌ی ذرت، زباله‌های صنعتی و غیره کار می‌کنند. به این ترتیب، بیشتر برق تجدیدناپذیر از سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود، این دسته شامل زغال‌سنگ، گاز طبیعی و تقطیرهای نفتی مانند دیزل است.
سوخت‌های زیستی نیز دسته‌ای از سوخت‌ها بوده که امروزه اهمیت زیادی یافته‌اند. زیرا این سوخت‌ها کربن-صفر هستند. این بدان معناست که وقتی می‌سوزند، کربنی که آزاد می‌کنند از منبع فسیلی ایجاد نشده است. سوخت‌های زیستی از مواد آلی مانند محصولات گیاهی سوختی، محصولات جانبی کشاورزی یا حتی روغن سرخ کردنی استفاده می‌شود. سوخت‌های زیستی در اشکال جامد، مایع و گاز بوده که کاربردهای گوناگونی در فرآیند تولید برق دارند. برای مثال بیودیزل نوعی سوخت زیستی مایع پرکاربرد است.
انواع نیروگاه برق
انواع مختلفی از نیروگاه‌های برق شامل فناوری‌های مختلف تولید برق هستند: موتورهای پیستونی (گاهی به عنوان موتورهای احتراق داخلی نیز شناخته می‌شوند)، توربین‌های بخار، توربین‌های گاز، توربین‌های برق‌آبی، توربین‌های بادی، نیروگاه خورشیدی، زمین گرمایی، هسته‌ای و غیره.
نیروگاه‌های برق‌آبی و مزارع بادی
نیروگاه‌های برق آبی و مزارع بادی، از نظر فناوری بسیار نزدیک به یکدیگر هستند زیرا برق را بدون استفاده از سوخت و فقط با جریان‌های باد و آب تولید می‌کنند.
همچنین هر دو از پره‌های توربین چرخان خارجی برای اعمال گشتاور بر روی محور چرخان دینام استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، سد کارون ۳ در ایذه خوزستان حاوی یک نیروگاه برق‌آبی معروف (نیروگاه کارون ۳) بوده که با استفاده از انرژی پتانسیل آزاد شده توسط آب هنگام عبور از سد، مقادیر زیادی برق تولید می‌کند.
در توربین‌های بادی نیز هر برج دارای مجموعه‌ای از پره‌های توربین و یک دینام بوده که انرژی باد را استخراج کرده و آن را به برق تبدیل می‌کند.
نیروگاه‌های زمین‌گرمایی
نیروگاه‌های زمین‌گرمایی دارای لوله‌هایی بوده که به اعماق زمین می روند. آب در آنجا توسط گرمای ناشی از ماگمای مجاور گرم می‌شود. سپس آب به بخار تبدیل شده که این بخار توسط مجموعه‌ای از یک توربین بخار و دینام برای تولید برق استفاده می‌شود. نمونه‌ای از نیروگاه زمین‌گرمایی در ایران، نیروگاه زمین گرمایی مشگین شهر بوده که در استان اردبیل واقع شده است.
نیروگاه‌های دیزلی
نیروگاه‌های دیزلی از نظر ظرفیت تولید برق نسبت به سایر نیروگاه‌ها نسبتاً کوچک‌تر هستند. این نیروگاه‌ها اغلب از موتورهای پیستونی برای تولید برق استفاده می‌کنند. این موتورهای پیستونی درست مانند موتور خودرو هستند:
- با تزریق سوخت دیزل، هوا وارد کمپرسور می‌شود
- یک پیستون با احتراق مخلوط هوا و سوخت دیزل بالا و پایین می‌رود
- پیستون به یک میل لنگ متصل بوده که باعث ایجاد یک حرکت چرخشی می‌شود
- حرکت چرخشی به یک دینام منتقل شده و دینام این حرکت را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند
در واقع نیروگاه‌های مبتنی بر موتور پیستونی می‌توانند سوخت‌های مختلفی از جمله گاز طبیعی، نفت سنگین و غیره را بسوزانند.
نیروگاه‌های زغال سنگ و نیروگاه‌های هسته‌ای
در نیروگاه‌های زغال سنگ، فرآیند تولید برق به این صورت است:
- یک منبع سوخت برای گرم کردن آب در دیگ بخار روشن می‌شود
- آب گرم شده در دیگ بخار به بخار تبدیل می‌شود
- بخار باعث چرخش پره‌های یک توربین بخار می‌شود
- این حرکت چرخشی به دینام منتقل شده که الکتریسیته ایجاد می‌کند
در نیروگاه‌های هسته‌ای نیز این فرآیند به طور یکسانی اتفاق می‌افتد. اما آب در آنجا به جای احتراق سوخت، توسط گرمای حاصل از شکافت اتم‌های اورانیوم به جوش می‌آید.
نیروگاه‌های سیکل ترکیبی
در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی، توربین‌های بخار از توربین‌های گازی بهره‌برداری مجدد می‌کنند. به این صورت که در این نیروگاه، از گرمای هدر رفته‌ی توربین گازی برای تولید بخار استفاده می‌شود. در این صورت، گرمای اگزوز توربین گاز نیز برق اضافی تولید می‌کند. به همین دلیل است که نیروگاه‌های سیکل ترکیبی راندمان بهتر و خروجی بالاتری نسبت به نیروگاه‌های سیکل ساده دارند.
نیروگاه‌های خورشیدی
نیروگاه خورشیدی مانند نیروگاه خورشیدی آفتاب شرق با تبدیل انرژی خورشید به برق کار می‌کند. برق از طریق استفاده از پنل‌های خورشیدی تولید شده که اندازه‌ی این پنل‌ها از پشت بام‌های مسکونی تا مزارع خورشیدی که ممکن است در چندین هکتار از زمین‌های روستایی امتداد داشته باشد، متغیر است.
الکتریسیته‌ی خورشیدی در پنل‌های فتوولتائیک ساخته شده که از نور خورشید برای فعال کردن سلول‌های سیلیکونی موجود در خود استفاده می‌کنند. هنگامی که پرتوها یا فوتون‌های خورشید به این سلول‌های سیلیکونی برخورد می‌کنند، الکترون‌های اتم‌های موجود در سیلیکون را از بین می‌برند. سلول‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که الکترون‌ها در آن فقط می‌توانند در یک جهت حرکت کنند. بنابراین، هنگامی که جمع‌آورنده‌ی الکترون سلول به یک بار الکتریکی متصل می‌شود، الکترون‌ها در صف قرار می‌گیرند تا از سلول خارج شده و وارد بار الکتریکی شوند. به عبارت دیگر جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. این بار الکتریکی، یک جریان الکتریکی (به طور خاص، جریان مستقیم یا DC) ایجاد می‌کند که توسط سیم کشی در پنل‌های خورشیدی ذخیره می‌شود. سپس این الکتریسیته DC توسط یک اینورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌شود. AC همان جریان الکتریکی بوده که هنگام وصل کردن وسایل برقی به پریزهای دیواری معمولی از آن استفاده می‌کنید.
جدا از نیروگاه خوشیدی، فناوری انرژی خورشیدی به نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز با توربین‌های بخار نیز راه پیدا کرده است. در برخی از پیکربندی‌های این نیروگاه‌ها، آینه‌هایی در اطراف یک برج قرار می‌گیرند که انعکاس آن به سمت گیرنده‌ای در بالای برج متمرکز است. این فرآیند مانند این است که از یک ذره‌بین برای متمرکز کردن پرتوهای خورشید برای روشن کردن آتش استفاده کنید. بالای برج دارای یک دیگ بخار بوده که بخار داغ از آن به یک توربین بخار در سطح زمین منتقل می‌شود.
کلام آخر
تولید برق، صنعتی حیاتی بوده که بر هر جنبه‌ای از زندگی معاصر، از ثبات اقتصادی گرفته تا پایداری محیطی، تأثیر می‌گذارد. نیاز مبرم به انرژی باید با نیاز فوری به انتقال به منابع تجدیدپذیر و پایدار مطابقت داشته باشد که می‌تواند به کاهش اثرات نامطلوب تغییرات اقلیمی و کاهش اتکای ما به سوخت‌های فسیلی محدود کمک کند. با تکامل فناوری، به منظور افزایش کارایی و قابلیت اطمینان در تولید برق، رویکردهای نوآورانه‌ای مانند شبکه‌های هوشمند، راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی و پیشرفت‌هایی در فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر در حال ظهور هستند. جوامع با سرمایه‌گذاری در سیستم‌های انرژی پاک‌تر و پایدارتر، می‌توانند آینده روشن‌تر و پایدارتری را تضمین کنند. همچنین می‌توانند انعطاف‌پذیری در برابر بحران‌های انرژی را تقویت کرده و تعادل اکولوژیکی را ارتقا دهند. در نهایت، مسیر رو به جلو در تولید برق وابسته به همکاری بین دولت‌ها، صنایع و جوامع بوده که بر مسئولیت جمعی برای ایجاد چشم‌انداز انرژی پایدار برای نسل‌های آینده تأکید دارد.
امروزه صنعت تولید برق گامی مهم به سوی تحول برداشته است. در این مسیر، بسیار مهم است که شرکت‌های برق هم بازده نیروگاه و هم هزینه‌ی تولید برق را بهینه کنند.
