تولید و انتقال برق

بخش های مختلف يک سيستم قدرت الکتريکی

• تولید انرژی الکتریکی
• انتقال انرژی الکتریکی
• توزیع انرژی الکتریکی

مشخصه های تأثيرگذار بر توليد و انتقال

سه شاخص اصلي در تغذيه برق وجود دارد كه اگر چه واضح است، اثر قابل توجهي در مهندسي تغذيه برق دارد. آنها عبارتند از:

الف- برق، برخلاف آب و گاز قابل ذخيره سازي نيست و توليد كننده در هر زمان كنترل كمی روی بار دارد. مهندسان كنترل ملزم هستند تا توان خروجي ژنراتورها را برابر با بار متصل شده با ولتاژ و فركانس معين تنظیم کنند. سختي اين كار با مطالعه نمودارهاي تغييرات روزانه بار مشخص مي­ شود.

ب- يك افزايش پيوسته در تقاضا براي برق سالانه وجود دارد. اگر چه در بسياري از كشورهاي صنعتي نرخ افزايش مصرف برق در سال هاي اخير كاهش يافته است، ولي حتي در كشورهاي با كمترين رشد مصرف، برق مصرفي به مقدار قابل توجهي در حال افزايش است. بنابراين يك روند افزاینده و پيوسته در مقدار تجهیزات تولید برق وجود دارد.

ج- مسئله توزيع برق و طبيعت سوخت موجود از اهميت بالايي برخوردار است. از آنجائيكه سوخت های فسیلی و زغال سنگ در نواحي­ استخراج مي­شود كه لزوماً در مركز بار اصلي نيست و برق هيدروالكتريك توليدي از سدها معمولاً از نواحي مراكز بارهاي بزرگ دور است، شركت های برق با مشكل برپا كردن پست هاي برق روبرو شده و مجبور به انتقال توان در فواصل طولاني و مشكلات اقتصادي مربوط به آن را خواهند داشت.

د- در سال هاي اخير ملاحظات زيست محيطي تأثير قابل توجهي در جايابي محل پست هاي برق، هزينه ساخت و بهره برداري از واحدهاي توليد برق داشته است.

طراحي شبكه برق از تأثيرهاي حاصل از طي مراحل قانوني قبل از شروع پروژه نيز تأثير پذيرفته است. مخصوصاً امروزه سئوال اينكه اثر زيست محيطي واحدهاي تولید برق چقدر اهميت دارد، مطرح شده است.

تبديل انرژی الکتریکی

انرژی از حالت های مختلف: (مکانیکی، حرارتی، پتانسیل، جنبشی، شیمیایی، فسیلی و…) قابل تبدیل به انرژی الکتریکی است.

تبديل انرژی به وسيله بخار (نيروگاه های بخاری)

احتراق سوخت های فسیلی نظیر زغال سنگ، گاز يا نفت در مولد بخار باعث ايجاد بخار با درجه حرارت و فشار بالا شده كه به توربين بخار هدايت مي شود. نفت داراي مزيت هاي اقتصادي است چرا كه مي تواند از محل تصفيه از طريق خط لوله به طرف مولد هاي بخار در ايستگاه توليد برق تلمبه زده شود.

افزايش بازده حرارتي در اثر استفاده از بخار در بالاترين فشار و دماي ممكن به وجود مي آيد. همچنين، براي ساختن اقتصادي توربين ها، از توربين هاي با اندازه هر چه بزرگتر و در نتيجه هزينه سرمايه گذاری اوليه بیشتر و هزینه بهره برداری كمتر استفاده شود.

در نتيجه، واحدهاي توربين با ژنراتور با اندازه MW500 و بيشتر در حال حاضر مورد استفاه قرار مي­گيرند. راندمان توربين­ هاي بخار با ظرفيت MW100 و بيشتر با استفاده از حرارت دادن دوباره بخاري كه تا حدودي منبسط شده است توسط يك واحد باز گرمکن افزايش مي يابد. بخار دوباره حرارت داده شده سپس به سمت توربين بازگردانده مي شود و وارد قسمت ديگر توربين با فشار كمتر شده در آنجا منبسط و انرژی آن تبدیل به انرژی مکانیکی مي شود.

تبديل انرژی به وسيله آب (نيروگاه های آبی)

احتمالاً قديمي ترين روش تبديل انرژي استفاده از قدرت آب است. در ايستگاه هيدروالكتريك انرژي آب به صورت رايگان در دسترس است. اين ويژگي جذاب هميشه به گونه اي توسط هزينه های بالاي سرمايه گذاری اولیه جهت ساخت نیروگاه، به خصوص هزینه های ساختمانی نیروگاه، تحت تاثیر قرار گرفته است. متاسفانه شرايط جغرافيايي لازم براي نیروگاه هيدروالكتريك به طور معمول پيدا نمي شوند.

نیروگاه آبی به دو صورت استفاده از “ذخیره آب پشت سد” و “نیروگاه جریانی” مورد استفاده قرار می گیرند. يك راه معمول استفاده از انرژي آب، سیستم تلمبه-ذخيره اي است كه استفاده از انرژی آب در شرايط غیر معمول را قادر مي سازد.

توربين های گازی (نيروگاه های گازی)

استفاده از توربين گازی به عنوان محرك اوليه داراي مزيت هاي خاصي نسبت به نیروگاه های بخاري است، اگرچه استفاده از آن ها در حالت کار دایم کمتر اقتصادی است.

مهم ترين مزيت توربين گازی در توانايي آن در راه اندازي و تغذیه سريع بار است. بنابراين توربين های گازی می توانند مورد استفاده براي مقابله با قله­ هاي بار (PEAK) قرار گیرند. از نقطه نظر اقتصادي مطلوب تر است كه با راه اندازي توربين هاي گازي که قادر هستند 2 دقیقه بعد از راه اندازی قله هاي بار را تغذیه کنند استفاده کنیم.

نيروگاه اتمی

استفاده از انرژي اتمي در توليد برق به طور چشم گيري در حال گسترش است. در اکثر این نیروگاه ها انرژي اتمی اساساً براي توليد بخار براي توربين ها استفاده مي­شود. با افزایش ظرفیت توربین ها، استفاده از توربين هاي بخار با محور افقي چند مرحله اي با سطوح فشار متفاوت روي يك محور معمول شده است.

استفاده از انرژی اتمی در نیروگاه اتمی به دو روش قابل بهره برداری است.

توليد انرژی اتمی به روش شكست هسته (Fission)

تا به حال توان به صورت موفقيت آميز فقط از طريق عمل شكستن هسته كه مربوط به تقسیم هسته يك اتم است بدست آمده است. در مقايسه با فرآيندهاي شيميایي مقدار زيادي انرژي به ازاي هر بار فعل و انفعال روي يك اتم با هر یک از دو عمل تركيب و یا شکستن هسته بدست مي­آيد.

فلز تجزيه شده از سنگ معدن اورانیم عموماً از دو ايزوتوپ تشكيل شده است، اورانيوم 238U- (به میزان 99.3درصدوزني) و235-U (0.7 درصد). تنها اورانيوم 235U-  قابل شكستن مي باشد. یعنی وقتي با نوترون های متحرك با سرعت كم برخورد مي كند هسته اتم آن به دو جزء کوچکتر و تعدادی نوترون و انرژي جنبشي زیادی تجزيه مي شود (مي شكند).

اجزای کوچکتر تولید شده، كه در حال حركت با سرعت زياد هستند، قبل از ساكن شدن با اتم هاي اطراف برخورد كرده و حرارت توليد مي كنند. نوترون ها مجدداً ادامه مسير داده و با اتم هاي ديگر برخورد كرده و شكست هاي هسته بيشتري را موجب مي شوند. همانطورکه تعداد نوترون ها افزايش می يابد، موجب مي شود كه در شرايط درست زنجيره هايی از واكنش به وجود آيد. در راكتورهاي معمولی نظر به اینکه برای شکست هسته نیاز به نوترون ها با سرعت كم می باشد، از تعديل كننده يا كنترل كننده برای كاهش سرعت حركت­ نوترون ها به منظور بدست آوردن تجزيه هاي اتمي مفيدتر استفاده می شود.

جوش هسته (Fusion)

تركيب  دو هسته اتم سبك و ايجاد يك هسته اتم سنگين تر را جوش یا تركيب هسته (fusion) نامند که در اثر این واكنش انرژی بسیار زیادی نیز ایجاد می شود. در این عمل احتیاج به انتشار نوترون نبوده و برای تداوم عمليات تركيب هسته نیاز به دماي بسيار بالا برای ايجاد برخوردهاي پيوسته مي باشد.

مطلوب ترين سوخت ها در عمليات جوش هسته تركيب ايزوتوپ هاي هيدروژن كه ديوترويم (D) (جرم 2) و تريتيوم (T) (جرم 3) مي باشند. محصول تركيب هسته، ايزوتوپ هليم (جرم 3)، هيدروژن، نوترون و گرما مي باشد. از آنجائي كه ايزوتوپ تریتيوم به طور طبيعي ساخته نمي شود آن را در راكتور در اثر فعل و انفعالات (تركيب) تركيب نوترون و ايزوتوب ليتيم جرم 6 (توليد مي شود).

تركيب ديوتريم- دوتريوم  (dueterium-deuterium)، احتياج به دماي بيشتري نسبت به ديوترميم- تريتيوم (dueterium-tritium) دارد و دومي در حال حاضر بيشتر احتمال مورد استفاده قرار گرفتن دارد. ذخایر ليتيم موجود تقريباً مساوي با مقدار ذخایر سوخت هاي فسيلي تقريب زده شده است. از طرف ديگر، دوتريوم در آب دريا با ميزان تمركز حدود 34 در هر يك ميليون قسمت وجود دارد. در نتيجه پتانسيل منابع انرژي وسيع است.

براي عمليات موفقيت آميز تركيب ديوتريم – تريتيم راكتور ترکیب هسته، دما بايد به اندازه كافي بالا باشد تا توان خارج شده بيشتر از توان ورودي به علاوه تلفات انرژی باشد. همچنين تعداد هسته هاي شرکت کننده در واكنش بايد به اندازه كافي زیاد باشد تا واكنش تداوم یابد. دما بايد بيش از 8´10⁷ درجه کلوین باشد و چگالي اتم­ ها حدود 10¹⁵/Cm³ باشد. براي داشتن چنين دماي بالايي در پلاسما، بايد از ديوارهاي محفظه دور نگه داشته شود زيرا یک تمایل طبيعي براي انبساط پلاسما و خاموش شدن آن وجود دارد. اين عمل با ایجاد یک ميدان مغناطيسي محوری كه توسط یک هسته در اطراف يك لوله مارپيچي به وجود آمده است، مطابق با سيستم توكاماك روسي ایجاد می شود.

در اين دماها سوخت به شكل گاز يوني شده يا پلاسما وجود دارد. یعنی الكترون هاي مدار خارجي از اتم خود آزاد شده و گاز هادی الکتریسته است. براي بدست آوردن مقدار لازم انرژي، پلاسما بايد در دماي مناسب براي بيشتر از يك زمان بحراني باشد. حاصل ضرب چگالي پلاسما و زمان محبوس بودن همگي مهم هستند. در راكتور در شرايط پايدار، سوخت به طور پيوسته به پلاسما تغذيه مي شود و سوخت استفاده شده بطور پيوسته خارج مي شود. در یک طرح پيشنهاد شده، انرژي توسط دو حلقه انتقال حرارت ، در جهت تأمين گرما براي يك سيستم بخار معمول منتقل مي­شود.

از نقطه نظر ملاحظات راديواكتيوی، تشعشع راكتورهاي جوش هسته ای بسيار كمتر از راكتورهاي شكست هسته ای اتمي مي باشد. در حدود 90 درصد از هزينه راکتورهای جوش هسته ای هزينه سرمايه گذاری اولیه است. مطمئناً توليد برق توسط روش جوش هسته اي اتمي كمبود سوخت را در طویل المدت با حداقل مشکلات زیست محیطی حل مي كند.

منابع انرژی پاک

تلاش هاي بين المللي قابل توجهي در ایجاد منابع انرژي ديگر براي جایگزینی و تكميل انرژی حاصل از سوخت هاي فسيلي انجام گرفته است. بسياري از منابع جديد (که بعضي از آن ها در حقيقت قرن هاست كه مورد استفاده قرار ميگيرد!) در حقيقت از انرژي خورشيدي به وجودآمده اند، مانند باد، امواج دريا، تغییرات درجه حرارت اقيانوس و فتوسنتز. مقدار متوسط انرژي خورشيدي دريافت شده در سطح زمين در حدود600 وات در هر متر مربع مي­باشد، اما مطمئناً مقدار واقعی آن به مقدار قابل توجهي متغير است.

انرژی خورشيدی – تبديل مستقيم به برق

تبديل انرژی خورشيدي به الکتریکی بروش فتوولتائيك در يك لايه نازك از مواد مناسب، مثلا سيليكون، صورت مي گيرد.

وقتي جفت هاي الكترون–حفره به وسيله تابش فتون های خورشيدي به مثلاً سيليكون حاصل می شود، جدا شدن اين الكترون و حفره ها در پتانسيل الكتروشيميايي به صورت ناپيوسته يك اختلاف پتانسيلي ايجاد مي كند. در حالي كه راندمان تئوري حدود 25 درصد است، مقدار آن در عمل كمتر است. كريستال هاي تك سلولی سيليكون و گاليم–آرسناد با بازده به ترتيب %10 و 16% ساخته شده ­اند.

هزينه ساخت و اتصالات داخلي سلول ها بالا است (امروزه در سفينه ­هاي فضايي بیشتر استفاده مي­ شود). غشاي سيليكون چند كريستالي، داراي دانه های درشت (یعنی كريستال پيوسته دراز) با بازده بيش از 10 درصد، با تكنيك هايی به صورت تولید انبوه قابل توليد هستند. اگر چه اين دستگاه ها تولید آلودگي نمي كنند، برای تولید زیاد انرژی، فضاي زيادي را اشغال مي كنند.

انرژی خورشيدی – تبادل حرارتی

در این روش کاربرد، انرژی خورشید باعث گرم شدن آب و تولید بخار آب و سپس افزایش درجه حرارت بخار آب و استفاده از آن براي توليد برق در یک نيروگاه مركزي می شود. در بعضي شرايط آب و هوايي خاص که احتياج به مقدار زيادي برق می باشد، شرکت برق ملزم به داشتن  ذخيره مناسب است.

توربين های بادی

توربین بادي از قدیم ابتدا به صورت آسياب های بادي براي منظورهای مختلف مخصوصاً توليد برق، مورد استفاده قرار گرفته اند.

تبديل انرژی حرارتی دريا

در سال 1881 میلادی D’Arsonval پيشنهاد استفاده از تفاوت انرژي بين سطح و لايه هاي زيرين درياهاي استوایی را داد. براي اهداف عملي لايه ها لازم است كه تا حد معقولي در نزديكي يكديگر قرار داشته باشند، جذب انرژي خورشيدي به وسيله لايه هاي سطحی آب دریا عمل کششی حرارتي (Thermal-syphon) ايجاد كرده و آب گرم سطح دریا به سمت قطب هاي زمين جريان مي يابند كه در نتیجه آب سرد از طرف قطب ها در عمق زیاد به سمت استوا بر مي گردد.

جريان Gulf Stream­ در غرب کشور انگلستان حدود 2 کیلومتر مکعب در دقیقه آب گرم را به حریان می اندازد و مقدار انرژی آن فوق العاده زیاد است. در نتيجه، براي توليد توان هاي بزرگ، مقدار وسيعي از آب و واحد های تبدیل انرژی بزرگ مورد نياز هستند. به همین طریق می توان دراقيانوس منجمد شمالي از تفاضل دماي بين لایه های آن (مثلاً 2 درجه) و دماي هواي زیر صفرآن نواحی استفاده کرد.

انرژی ژئوترمال (زمين گرمايی)

در بسياري قسمت هاي زمین مقدار وسيع حرارت در داخل زمين در عمق بسيار زيادي  قرار دارد. در بعضي نقاط با اين وجود، چشمه هاي داغ يا چشمه هاي آبگرم و رودهاي مواد (توده هاي) مذاب و گداخته به اندازه كافي به سطح زمین نزديك هستند تا مورد استفاده قرار گيرند.

انرژي حرارتي از چشمه هاي داغ براي سال هاي زيادي براي توليد برق، از آغاز 1904 در ايتاليا مورد استفاده گرفته است. در آمریکا واحد های اصلي تولید توان به روش ژئوترمال در شمال كاليفرنيا، در يك محيط بخاري طبيعي كه Geysers (چشمه آبگرم، جوشان) ناميده م يشود، قرار گرفته اند. بخار از تعدادي چشمه به داخل توربين ها فرستاده مي شود. توان مورد استفاده در حال حاضر در حدود 500 مگاوات قدرت دارد و كل ظرفيت آن ها حدود 2000 مگاوات پيش­بيني شده است. به علت فشار و دماي پايين تر نسبت به واحدهای با سوخت فسیلی، راندمان آن ها كمتر از واحد های تولید برق با سوخت فسيلي است، اما هزينه سرمايه گذاری كمتر است و مطمئناً سوخت در اين حالت رايگان است.

چشمه هاي آبگرم يك محيط بخاري خشك ارایه مي كنند كه براي توليد توان توسط توربين هاي بخار مناسبتر هستند. انواع ديگر منابع انرژي ژئوترمال: آب داغ، صخره خشك داغ، آب تحت فشار در زمین و لایه های با تفاوت درجه حرارتي طبيعي در پوسته سخت زمين هستند.

عموماً چشمه های فوق تركيبي از بخار و آب داغ توليد كرده که اين تركيب بسيار كمتر از چشمه های با بخار خشك مورد استفاده قرار می گیرد. تولید برق از چشمه­هاي آب داغ با فرستادن آب تحت فشار به داخل يك مبدل حرارتی می تواند انجام شود. آب تحت فشار موجب تبخير مايع فراري مانند فرئون مي شود که در داخل توربين انبساط مي يابد.

توليد برق به روش (MHD) Magneto Hydro Dynamic

در روش فوق، گازها در دماي 2500 درجه سانتیگراد از داخل محفظه اي كه در آن یک ميدان مغناطيسي قوي ایجاد شده است عبور داده مي شود. اگر گاز به اندازه كافي داغ باشد، از نظر الكتريكي تا حدودي هادي خواهد بود (از پتاسيم مخلوط در گاز برای افزايش درجه هدايت استفاده می شود). این عمل مشابه حرکت يك هادي در یک میدان مغناطيسي خواهد بود. در نتیجه يك e.m.f (نيروي الكترومغناطيسي) به وجود مي آيد كه مي توان آن را توسط الكترودها در محل های مناسب خارج کرد.

 تلاش هاي زيادي در حال حاضر در بعضي از كشورها در حال انجام است تا يك ژنراتور MHD بزرگ اقتصادي ساخته شود. در شكل عملي آن اين سيستم در كنار نیروگاه های سنتي مورد استفاده قرار مي گيرد.

استفاده از انرژی موج Tidal Energy

مقدار انرژي امواج دريا بسيار بالا است. امواج اقيانوس اطلس در شمال غربي سواحل بريتانيا داراي متوسط مقدار توان 80 کیلووات در متر را دارد. مسلماً انرژي حاصل خيلي متغير است.

استفاده از انرژي موج در كانال ها از ديرباز مطرح بوده است. مشكلات تكنيكی و اقتصادي وجغرافیایی بسيار زيادی در استفاده از این انرژي وجود دارند. يك واحد استفاده از انرژي موج در La Rance در شمال فرانسه جايي كه ارتفاع موج به 9.2 متر و جريان آن 18000 مترمکعب در ثانیه تقريب زده شده، ساخته شده است.

يك روش سودمند در استفاده كردن از موج دریا، هدایت امواج دریا  به داخل یک محفظه و همزمان استفاده از این جريان آب در یک توربين برای تولید برق است. سپس در زماني كه ارتفاع موج كم است با جریان برگشت آب ذخيره شده به دریا از طریق يك سري دیگر از توربين­ ها تولید برق مي­كنند. اين عمل باعث پيوستگی در استفاده از توربين های مختلف برای تولید برق در ارتفاع های آب متفاوت مي شود. در نتيجه، در بيش از صدها كيلومتر از ساحل، يك منبع انرژي وسيع وجود دارد.

استفاده از انرژی جزر و مد دريا

يك روش دیگر در استفاده كردن از موج دریا، استفاده از انرژي جزر و مد دريا است. در ساعات مد دریا، آب را به داخل یک محفظه هدایت می کنند و سپس در زمان مد دریا كه ارتفاع آب كم است، با جریان برگشت آب ذخيره شده به دریا با استفاده از این جريان آب در چند توربين برای تولید برق استفاده می شود.

فروشگاه اینترنتی ایران الکتریک

Iran Electric Shop