برق چطور تولید می‌شود؟

اهمیت الکتریسیته در دنیای مدرن امروزی را نمی‌توان نادیده گرفت. چیزی که صد سال پیش بسیار لوکس بود، امروزه یکی از اجزای اصلی وجود امنیت، آبادانی و سلامتی برای همه به شمار می‌رود. و با این وجود، الکتریسیته به هیچ‌یک از دیگر نیازهای فیزیکی ما شباهتی ندارد. نمی‌توانیم آن را در دست بگیریم، نمی‌توانیم مستقیما آن را ببینیم و معمولا درک درستی از منشا آن به دست نمی‌آوریم. در این قسمت، در مورد تولید برق صحبت خواهیم کرد.

برق چطور تولید می‌شود؟

تولید اولین قدم از مسیری است که الکتریسیته در شبکه‌ی توان از آن عبور می‌کند. شبکه‌ی توان، ماشین غول پیکری که روزانه به میلیون‌ها نفر برق‌رسانی می‌کند. در ویدیوی قبلی در مورد شبکه‌ی برق صحبت کردیم اما یک نکته‌ی بسیار مهم وجود دارد که باید تکرار کنیم، آن هم سیستم تحویل سریع انرژی می‌باشد.

الکتریسیته تقریبا با سرعت نور حرکت می‌کند و دسترسی فعلی به ذخیره‌‌ی وسیع انرژِی قابل چشم‌پوشی است. این یعنی انرژِی به‌طور همزمان تولید می‌شود، انتقال می‌یابد و پس از تامین شدن، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انرژِی جاری در سیم‌های خانه یا اداره‌ی شما تنها چند صدم ثانیه قبل‌تر، اشعه‌ی خورشید بر روی یک پنل خورشیدی، یک اتم اورانیوم یا احتمالا یک تکه ذغال یا گاز طبیعی درون دیگ بخار بوده است.

به خاطر قوانین ترمودینامیک، تمام الکتریسیته در نوع دیگری از انرژِی آغاز می‌شود که یعنی تمام روش‌های ما برای تولید انرژِی تنها رویای تبدیل یک نوع از انرژی به نوع دیگر آن می‌باشد. و در اکثر موارد، گرما است که به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

به جدول‌های مختلف که تولید انرژی جهانی را تفکیک می‌کنند نگاه کنید، متوجه خواهید شد که بیشترین شیوه‌هایی که برای تولید برق به کار می‌بریم روش‌های مختلف داغ کردن آّب هستند.

بسیاری از نیروگاه‌های حرارتی برای تولید بخار از سوخت‌های فسیلی مانند ذغال یا گاز طبیعی در یک کوره استفاده می‌کنند. نکته‌ی منفی این نوع از نیروگاه‌ها، تولید مقادیر بسیار زیاد کربن دی اکسید به عنوان یک محصول فرعی است، یک گاز گلخانه‌ای که نقش بزرگی در افزایش دمای متوسط کره‌ی زمین ایفا می‌کند، که احتمالا با نام بحران گرمایش کره‌ی زمین می‌شناسید. در حقیقت، تقریبا یک سوم انتشار کل گازهای گلخانه‌ای به دلیل تولید الکتریسیته است. خوشبختانه روش‌های دیگری برای تولید مقادیر وسیع بخار وجود دارد که به سوخت فسیلی وابسته نیست.

برخی از نیروگاه‌ها از شکاف عناصر رادیواکتیو در راکتورهای هسته‌ای به عنوان منبع گرما استفاده می‌کنند. در بخشی از نقاط دنیا از انرژی زمین گرمایی یعنی گرمای خارج شده از داخل هسته‌ی زمین استفاده می‌شود. حتی می‌توانیم از تعدادی آینه جهت متمرکز کردن نور خورشید و ایجاد گرمای کافی برای راه‌اندازی دیگ بخار استفاده کنیم. اما بعد از قدم اول، ایستگاه‌های حرارتی تقریبا مشابه هستند.

زمانی که بخار ایجاد شد، از درون یک توربین عبور می‌کند که گرما را به انرژی چرخشی تبدیل می‌کند. محور توربین به روتور، یعنی قسمتی از ژنراتور ‏‫AC که آهنرباها را می‌چرخاند، متصل می‌شود.

استاتور، همان بخش ثابت، دارای مجموعه‌ای از پیچک‌های سیم است که به آن سیم‌پیچ گفته می‌شود. با عبور هر یک از آهنرباهای روی روتور از هر سیم‌پیچ آن‌ها در هر پیچک یک ولتاژ تولید می‌کنند.

در بیش‌تر مناطق دنیا، سه عدد پیچک درون هر استاتور قرار می‌دهند، زیرا شبکه‌های ما برای جریان متناوب سه فاز ساخته شده‌اند.

مزیت داشتن جریانی که جهت ‌ها تغییر می‌دهد این است که با کمک آن می‌توان به راحتی و با استفاده از یک دستگاه ساده به اسم ترانسفورماتور ولتاژ را بالا و پایین برد. مزیت تولید برق در سه فاز مجزا داشتن منبع مناسبی از الکتریسیته است که هم‌پوشی دارند و در هیچ زمانی تمام فازها صفر نخواهند شد.

یک منبع سه فاز تا سه برابر بیش‌تر از یک منبع تک فاز در دو سیم توان حمل توان را در سه سیم دارا است. به همین خاطر است که ژنراتورهای توربین بخار تقریبا همیشه دسته‌های پیچک سه‌تایی دارند اما بخار، تنها روش چرخاندن یک توربین نیست.

هیدروالکتریسیته از آب جاری استفاده می‌کند و تولید انرژِ بادی در طول ده سال اخیر پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند. یکی دیگر از منابع تجدیدپذیر الکتریسیته که پیشرفت وسیعی داشته است صفحات خورشیدی یا ‫PV است.

هزینه‌های سلول‌های خورشیدی که نور را مستقیما به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، کاهش بسیار زیادی داشته است که باعث شده تا صاحبان منازل و مشاغل بتوانند به راحتی آن‌ها را بر روی سقف ساختمان خود نصب کنند و یک بخش یا تمام منبع توان مورد نیاز خود را تامین نمایند. مزارع خورشیدی وسیع نیز در آب و هوای گرم و آفتابی رو به افزایش هستند تا پاسخگوی افزایش نیاز به الکتریسیته‌ی تجدید‌پذیر باشند.

امکان تغذیه‌ی شبکه که مستقیما از نور خورشید انجام می‌گیرد و بدون هر گونه محصول فرعی مضر است، ویژگی مهمی است. اما هزینه‌های بسیاری خواهد داشت علاوه بر اینکه از انرژی خورشیدی می‌توان تنها در ساعات روز استفاده نمود، از دیگر معایب آن برای شبکه می‌توان به نداشتن اینرسی اشاره نمود.

یکی از بزرگ‌ترین مزایای اتصال تعداد زیادی نیروگاه به یکدیگر تمایل توان به متحرک ماندن در شبکه است. حتی در طول خطاها و اختلالات متمرکز اینرسی، الکتریسیته را ثابت و پایا می‌کند اما الکتریسیته به خودی خود اینرسی ندارد.

نمی‌توانید به الکترون‌ها ضربه بزنید و انتظار داشته باشید که بدون هیچ کمکی در طول سیم به حرکت خود ادامه بدهند. اینرسی از چرخش فیزیکی تمام ژنراتورهای عظیم به هم پیوسته به دست می‌آید. می‌توانید شبکه‌ی توان را یک قطار فرض کنید که از تپه بالا می‌رود. لوکوموتیوها برای حمل بار با یکدیگر کار می‌کنند.

برای حفظ سرعت، دریچه‌ی تنظیم بخار یا تعداد لوکوموتیوها را می‌بایست تنظیم کرد تا مطابق بار موجود در قطار باشند (که نشان‌دهنده‌ی نیاز کل توان است که به طور مداوم در طول روز تغییر می‌کند).‏‫ شبکه‌ی برق نیز عملکردی کاملا مشابه دارد. نیاز به الکتریسیته به سرعت در ژنراتورهای متصل مشخص می‌شود.

درخواست بیشتر باعث افزایش بار بر روی هر ژنراتور می‌شود و چرخش را به مقدار کمی آهسته‌تر می‌سازد و بنابراین سبب کاهش فرکانس جریان متناوب می‌شود. به همین ترتیب، اگر تولید الکتریسته از مقدار نیاز بیشتر باشد سرعت ژنراتورها افزایش می‌یابد.

این را می‌توانید در موتورهای معمولی بدون جاروبک مشاهده کنید که دقیقا مانند یک ژنراتور سه فاز سیمکشی شده‌اند. بدون وجود بار، موتور آزادانه می‌چرخدر، اما اگر برای شبیه سازی بار الکتریکی بالا، تماس را کوتاه کنم برای چرخاندن آن به انرژی بیشتری نیاز خواهم داشت.

مصرف کننده‌های توان، بدون توجه به منبع برق، در هر زمانی دستگاه‌های خود را خاموش و روشن می‌کنند. بنابراین به منظور جلوگیری از نوسان در فرکانس تولید باید به طور مداوم با نیاز به الکتریسیته در شبکه هماهنگ شود. این پروسه «تغییرات روزانه‌ی خروجی نیرو» نام دارد. با افزایش یا کاهش مصرف شبکه در طول روز اپراتورهای شبکه ظرفیت تولید را برای هماهنگی با آن توزیع می‌کنند.

در مورد مثالی که پیش‌تر گفتیم، سرعت قطار ما نشان‌گر فرکانس شبکه است. با توجه به محل زندگی شما، می‌تواند ۵۰ یا ۶۰ هرتز باشد. هر لوکوموتیو یا قطاری برای حرکت با چنین سرعتی طراحی می‌شوند و ثبات تمام سیستم به هماهنگی کامل آن‌ها بستگی دارد.

اگر بخشی از قطار نسبت به سایر بخش‌ها سریع‌تر یا کندتر حرکت کند اوضاع آشفته خواهد شد. به همین دلیل است که اینرسی اهمیت زیادی دارد. در صورت بروز مشکل، مثلا اگر یکی از لوکوموتیوها از کار بیافتد قطار به اندازه‌ی کافی اینرسی دارد که به حرکت ادامه دهد، و می‌توان به اشکال نیز رسیدگی کرد.

به همین خاطر اپراتورهای شبکه، مراکز استراحت چرخشی را حفظ می‌کنند. ژنراتورهایی که آمادگی اتصال به شبکه را در لحظه دارا هستند. و پیش از اینکه ژنراتور بتواند به سایر بخش‌های شبکه متصل شود می‌بایست هماهنگ شود. این یعنی فرکانس، فاز و ولتاژ می‌بایست با توان شبکه هماهنگ شود و این کار با تنظیم سرعت و برانگیختگی الکترومغناطیس‌ها در روتور رخ می‌دهد.

یک وسیله‌ی خاص به اسم سینکروسکوپ در این مرحله به کمک ما خواهد آمد. زمانی که سینکروسکوپ همه چیز را تایید کند، اپراتورهای نیروگاه می‌توانند مدارشکن را ببندند تا آن را به شبکه متصل کنند.

این ساده‌سازی تغییرات روزانه‌ی خروجی نیرو و توزیع ژنراتور است اما یکی از تفاوت‌های اصلی میان انرژی بادی و خورشیدی و سایر ظرفیت‌های تولید ما را نشان می‌دهد. اگر می‌خواهیم با روشن کردن کلید، چراغ‌ها روشن شوند، باید بدانیم که اپراتورهای شبکه نیز یک چیز مشابه می‌خواهند و آن انتظار ظرفیت تولید بر حسب تقاضا است.

هدف اصلی داشتن یک شبکه‌ی توان به هم پیوسته اول از همه دوام است و نداشتن یک منبع توان بی‌دوام مانند توان بادی که به وزش باد بستگی دارد. و توان خورشیدی که تنها نیمی از شبانه‌روز قابل استفاده است.

یکی از بزرگترین چالش‌هایی است که در زیرساخت‌های الکتریکی با آن روبرو هستیم. به دلیل گرمایش زمین، استفاده از منابع تجدیدپذیر الکتریسیته یکی از چالش‌های بزرگ زندگی ما به شمار می‌رود و به نظر من کلید حل این مشکل در آگاهی، تمایل، اشتیاق و درک بهتر ما از منبع آن است.

ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)

منبع ویدیو: YouTube