تولید الکتریسیته

تولید الکتریسیته فرایندی است که طی آن از یک منبع انرژی استفاده می‌شود 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 می‌گیرد: الکتریسیته با حرکت یک دور سیم یا یک استوانه مسی بین قطب‌های یک آهنربا (ژنراتور) تولید می‌شود. برای شرکت‌هایی که در زمینه الکتریسیته فعال هستند تولید الکتریسیته اولین مرحله در رساندن الکتریسیته بدست شما است و در مراحل بعدی انتقال و توزیع قرار دارند. الکتریسیته معمولاً در نیروگاه توسط ژنراتورها تولید می‌شود. ژنراتورها برای تولید الکتریسیته نیاز به یک محرک مکانیکی نیاز دارند این محرک می‌تواند یک توربین یا یک موتور دیزل باشد ژنراتورهای بزرگ بوسیله توربین‌ها دور می‌گیرند. بسته به نوع انرژی در دسترس توربینی متناسب با آن طراحی و ساخته می‌شود. 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 از۱۳۰ سال انرژی الکتریکی به منظور تغذیه مصرف‌کننده‌های انسانی به وسیله منابع مختلف تأمین می‌شود. اولین مولدهای الکتریکی با انرژی آب و زغال سنگ کار می‌کردند و امروزه بخش عظیمی از انرژی الکتریکی به وسیله زغال 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:

نیروگاه مجموعه‌ای از تأسیسات صنعتی است که برای تولید انرژی الکتریکی از آن استفاده می‌شود. نیروگاه‌ها بسته به نوع تکنولوژی به کار رفته در آنها 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 حداکثری راندمان و حداقل نمودن هزینه هاو همچنین میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.

ژنراتور

ژنراتورها یا مولدها در حقیقت ماشین‌های الکتریکی هستند که با گرداندن شفت آنها البته با یک سری ملاحظات می‌توان برق تولید کرد. معمول‌ترین انواع ژنراتور ژنراتورهای سنکرون هستند که در بیشتر انواع نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. ژنراتور سنکرون ماشینی است که باید دور آن با توجه به تعداد قطب‌ها در محدوده ای معین ثابت نگه داشته شود. در این ژنراتور یک میدان گردان روی سیم پیچ‌های ژنراتور القا می‌شود که دور این میدان گردان با دور روتور باید یکسان باشد؛ و روتور یک مغناطیس یا آهنربای کنترل شده‌است که به کمک این مغناطیس می‌توان ولتاژ ژنراتور را کنترل کرد. کابل‌های خروجی ژنراتور را ترمینال ژنراتور می‌نامند در ترمینال ژنراتور باید ولتاژ و فرکانس کنترل شده داشته باشیم.

کنترل فرکانس:

فرکانس ژنراتورها در یک شبکه بزرگ به صورت هماهنگ و مشترک در همه نیروگاه‌ها کنترل می‌شود کنترل فرکانس ژنراتور به کمک سیستم کنترل دور توربین انجام می‌شود که پایداری این سیستم کنترل بسیار اهمیت دارد و یک سیستم کنترل دور توربینی که ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد بسیار پیچیده‌است. اما به صورت ساده اگر بخواهیم به آن اشاره کنیم باید بگویم بار الکتریکی ژنراتور برای توربین مانند ترمز عمل می‌کند به این ترتیب دور توربین در صورت افزایش بار کاهش می‌یابد و سیستم کنترل از طریق فرمان به توربین دور آن را کنترل می‌کند. مثلاً در یک نیروگاه بخار این فرمان به دریچه کنترل بخار اعمال می‌شود و دریچه به مقدار بیشتری باز می‌شود تا بتواند دور لازم را به توربین بدهد. دور ژنراتورها در یک شبکه بر فرکانس تأثیر می‌گذارند 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 حفاظت‌هایی وجود دارد ولی در مواردی مشکلاتی پیش آمده که هم خسارت جانی و هم خسارت مالی بالایی دارد.

سیستم تحریک ژنراتور :

ولتاژ خروجی ژنراتور بسیار اهمیت دارد چون اگر ولتاژ از حدی فراتر رود به عایق‌های الکتریکی ژنراتور و تجهیزات نیروگاه صدمه وارد شده و خسارت سنگینی در برخواهد داشت. به سیستمی که ولتاژ ژنراتور را کنترل می‌کند سیستم تحریک یا AVR می‌گویند سیستم تحریک هم یک سیستم کنترل پیشرفته است که وظیفه آن کنترل ولتاژ ژنراتور است.

نوع دیگری از ماشین‌های الکتریکی که به عنوان ژنراتور استفاده می‌شوند ماشین‌های الکتریکی آسنکرون یا القایی هستند. یک ماشین الکتریکی آسنکرون هم می‌تواند به صورت موتور استفاده شود و هم به صورت ژنراتور. این نوع ماشین در صنعت بیشتر به صورت موتور استفاده می‌شود چون موتوری محکم و با قابلیت‌های بالاست، نیاز به زغال یا جاروبک ندارد، و تعمیرات آن ساده است. این ماشین معمولاً در نیروگاه‌های بادی به عنوان ژنراتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. وقتی دور موتور آسنکرون از دور سنکرون آن بیشتر می‌شود شروع می‌کند به تولید الکتریسته و تبدیل به ژنراتور می‌شود. استفاده از این نوع ژنراتور در نیروگاه‌های 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 ترمزهای توربین به صورت خودکار آنرا متوقف خواهند کرد.