معرفی جامع تجهیزات تولید برق

تجهیزات تولید انرژی به ماشین آلات و وسایل مورد استفاده برای تولید برق اشاره دارد. این تجهیزات برای تبدیل انواع انرژی مانند انرژی مکانیکی، گرمایی یا شیمیایی به انرژی الکتریکی طراحی شده‌اند در ادامه، نمونه‌هایی ازتجهیزات‌ معمول تولید برق را بررسی می‌کنیم.

نیروگاه‌های حرارتی (Thermal Power Plants)

 نیروگاه‌های حرارتی برق را با سوخت‌های فسیلی مانند ذغال‌سنگ، گاز طبیعی یا نفت تولید می‌کنند. این مواد در یک  دیگ بویلر (Boiler) می‌سوزند و باعث تولید بخار با دما و فشار بالا می‌شوند، بخار تولید شده سپس به سمت توربین هدایت می‌شود که شامل مجموعه‌ای از پره‌های چرخان است. در نتیجه‌،  بخار با فشار بالا توربین متصل به ژنراتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. نیروگاه های حرارتی به دلیل در دسترس بودن سوخت‌های فسیلی و هزینه نسبتا پایین به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، تولید گازهای گلخانه‌ای در این نیروگاه‌ها باعث افزایش آلودگی هوا می‌شود.

 توربین‌های گازی (Gas Turbines) 

توربین‌های گازی برای تبدیل انرژی سوختن گاز طبیعی یا سوخت مایع به انرژی مکانیکی استفاده می‌شود. اشتعال سوخت در یک محفظه احتراق اتفاق می‌افتد، جایی که گازهای با دمای بالا تولید می شوند. این گازها افزایش پیدا می‌کنند و از میان یک توربین جریان می‌یابند و باعث چرخش آن می شوند. محور چرخان توربین مستقیماً به یک ژنراتور متصل است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. توربین‌های گازی معمولاً در نیروگاه‌های انرژی پیشینه (peaking power plants) که برق را برای دوره‌های پرمصرف تأمین می‌کنند و همچنین در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی استفاده می‌شوند. در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی، گرمای هدر رفته از توربین گاز برای تولید الکتریسیته اضافی از طریق توربین بخار استفاده می شود.

 توربین‌های بخار (Steam Turbines)

این توربین‌های از بخار فشار بالا استفاده می‌کنند  تا توربین متصل به ژنراتور را حرکت درآوردند.  بخار معمولاً با سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی یا نفت در دیگ بخار تولید می‌شود. انرژی گرمایی آزاد شده در حین احتراق برای تبدیل آب به بخار استفاده می شود و بخار پرفشار از میان یک سری پره‌های ثابت و چرخشی جریان می‌یابد و باعث حرکت توربین می‌شود. محور چرخان توربین به یک ژنراتور متصل است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. توربین‌های بخار به طور گسترده استفاده می‌شوند در نیروگاه‌های زغال سنگ و نیروگاه‌های هسته‌ای که بخار از طریق واکنش‌های هسته‌ای تولید می‌شود.

نیروگاه های آبی برق (Hydroelectric Power Plants)

نیروگاه‌های آبی برق با بهره برداری از انرژی آب‌های جاری یا آبشارها، برق تولید می‌کنند. این نیروگاه‌ها از انرژی حرکتی آب استفاده می‌کنند تا توربین‌های آبی مانند توربین های فرانسیس، کاپلان یا پلتون به حرکت درآوردند.  معمولا آب‌ها  با کمک سد‌ها در مخازنی ذخیره می‌شوند و هنگام رها سازی، جریان‌های آب از طریق لوله هایی به نام پن استوک( لوله‌ای که اب تحت فشار را به توربین میرساند) با فشار به پره‌های توربین برخورد می‌کند و باعث چرخیدن توربین می‌شوند و توربین چرخشی به یک ژنراتور متصل است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. مقدار برق تولید شده به حجم جریان آب و  ارتفاع آبشارها بستگی دارد. نیروگاه‌های آبی برق در حین کار، گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کنند و جز منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر به شمار می‌روند. 

توربین‌های بادی(Wind Turbines)

 توربین‌های بادی، انرژی حرکتی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. آنها از پره‌های بزرگی تشکیل شده‌اند که به یک محور متصل است و این محور در بالای یک برج بلند نصب می‌گردد.  وزش باد باعث چرخیدن پره‌های روتور می شود  و چرخش پره‌ها ژنراتور(مولد انرژی مکانیکی به الکتریکی) را به حرکت درمی‌آورد و انرژی مکانیکی تبدیل انرژی الکتریکی می‌شود. توربین‌های بادی معمولاً در مزارع بادی نصب می‌شوند، جایی که توربین‌های متعدد در کنار هم قرار می‌گیرند و به یک شبکه برق متصل می‌شوند تا برق در مقیاس بزرگ‌تر تولید کنند. انرژی باد یک منبع پاک و تجدیدپذیر است و بازدهی آن به الگوهای باد محلی و مکان های مناسب بستگی دارد.

سامانه فتوولتایی یا پنل‌های خورشیدی (PV) 

 سامانه‌های PV یا پنل‌های خورشیدی مستقیماً نور خورشید را با استفاده از سلول‌های خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. سلول‌های خورشیدی که معمولاً از مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون ساخته شده‌اند، هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید جریان الکتریکی تولید می‌کنند. سلول های خورشیدی متعددی به هم متصل می شوند تا صفحات های خورشیدی را تشکیل دهند و این صفحات ها بر روی پشت بام ها، فضاهای باز و یا در مزارع خورشیدی بزرگ نصب می‌شوند. هنگامی که نور خورشید به سلول های خورشیدی برخورد می‌کند، فوتون‌های موجود در نور خورشید، الکترون های موجود در مواد نیمه رسانا را تحریک می‌کنند و جریان الکتریکی به وجود می‌آورند. این جریان مستقیم (DC) سپس از طریق یک اینورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل می شود تا به شبکه برق  برای استفاده مستقیم سازگار می‌شود. سامانه فتوولتایی یا پنل‌های خورشیدی (PV) منابع برق پاک و تجدیدپذیری را فراهم می‌کنند و بازدهی آنها به میزان نور خورشید  و کارایی سلول های خورشیدی بستگی دارد.

 نیروگاه‌های زمین گرمایی (Geothermal Power Plants)

 نیروگاه‌های زمین گرمایی  از انرژی گرمایی طبیعی داخل زمین برای تولید برق بهره وری لازم را می‌کنند. آن‌ها از مخازن آب گرم استفاده می‌کنند که در مناطق فعال زمین شناسی یافت شده است. در این نیروگاه‌ها با حفر چاه‌هایی در مخازن گرمایی زمین، آب گرم یا بخار به سطح می‌آید و از این مایع سیال فشار بالا برای به حرکت درآوردن  توربین استفاده می‌شود، مشابه نحوه عملکرد توربین‌های بخار در سایر نیروگاه‌ها توربین چرخشی که به یک ژنراتور متصل است و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. نیروگاه‌های زمین گرمایی معمولاً در مناطقی با انرژی زمین گرمایی یا ژیوترمال مانند مناطق فعال زمین شناسی یا مناطق دارای چشمه های آب گرم قرار دارند. 

 نیروگاه‌های زیست توده (Biomass Power Plants)

 نیروگاه های زیست توده با سوزاندن مواد ارگانیک   مانند چوب، بقایای کشاورزی (مانند ساقه یا پوسته محصول)، و محصولات هیزمی، برق تولید می‌کنند. سوختن مواد باعث تولید حرارت می‌شود و دیگ بخار از این حرارت برای تولید بخار پر فشار استفاده می‌کند. سپس بخار پرفشار از میان یک توربین جریان می‌یابد و باعث چرخیدن توربین می‌شود. توربین به یک ژنراتور متصل است و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. نیروگاه‌های زیست توده منابع انرژی تجدیدپذیر در نظر گرفته می شوند. زیرا مواد ارگانیک مورد استفاده برای سوخت را می‌توان از طریق اقدامات پایدار جایگزین کرد.

سیستم های انرژی جزر و مد(Tidal Power Systems)

 سیستم‌های انرژی جزر و مدی، با کنترل کردن انرژی حاصل از جزر و مد اقیانوس‌ها  برق تولید کنند. توربین‌های جزر و مدی یا سدبندی‌های جزر و مدی برای گرفتن انرژی حرکتی جریان‌های جزر و مدی استفاده می شوند. توربین های جزر و مدی شبیه توربین های بادی هستند و در بستر دریا یا معلق در آب قرار می‌گیرند یا زیر آب نصب می‌شوند.  جریان‌های جزر و مد باعث چرخش پرهای توربین می‌شود و انرژی مکانیکی تولید شده با یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. از سوی دیگر، سدهای جزر و مدی، سدهای بزرگی هستند که در میان دهانه‌های رودخانه یا خلیج ها ساخته شده‌ا.ند آنها از اختلاف سطح آب بین جزر و مد برای به حرکت درآوردن توربین ها و تولید برق استفاده می‌کنند. سیستم‌های انرژی جزر و مدی به شدت به طبیعت قابل پیش بینی و منظم جزر و مد وابسته هستند.

 نیروگاه‌های هسته‌ای(Nuclear Power Plants)

 نیروگاه‌های هسته‌ای با واکنش‌های شکافت هسته‌ای برق تولید می‌کنند. این نیروگاه‎ها از سوخت‌های خاض  استفاده می‌کنند مانند اورانیوم غنی شده یا پلوتونیوم که تحت واکنش‌های کنترل شده هسته‌ای قرار می‌گیرد. در یک راکتور هسته‌ای، مواد سوختی با نوترون بمباران می‌شود و باعث می‌شود اتم‌های سوخت در فرآیندی به نام شکافت هسته‌ای از هم جدا ‌شوند و مقدار زیادی انرژی گرمایی آزاد کنند. این انرژی برای تبدیل آب به بخار پرفشار در دیگ استفاده می‌شود.  سپس بخار یک توربین را مانند سایر نیروگاه های حرارتی به حرکت در می‌آورد. و توربین برای تولید برق به ژنراتور متصل می‌شود. نیروگاه های هسته‌ای به دلیل تراکم انرژی بالا و انتشار کم گازهای گلخانه ای شناخته شده‌اند، اما همچنین نیازمند مدیریت دقیق زباله‌های رادیواکتیو و ملاحظات ایمنی هستند.

این روش های تولید برق هر کدام ویژگی ها، مزایا و ملاحظات منحصر به فرد خود را دارند عواملی مانند در دسترس بودن منابع، اثرات زیست محیطی، هزینه و رشد تکنولوژی در تعیین مناسب بودن و امکان پذیری هر روش در مناطق و زمینه های مختلف نقش دارند.