نیروگاه برق

مقدمه :

تولید برق فرآیندی است که طی آن اشکال دیگر انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.       
اصول پایه تولید الکتریسیته در طی دهه ۱۸۲۰ و اوایل دهه ۱۸۳۰ توسط دانشمند انگلیسی مایکل فارادی کشف شد. متد ابتدایی او امروزه نیز مورد استفاده قرار می گیرد که عبارت است از تولید الکتریسیته بوسیله حرکت یک صفحه یا سیم پیچی از جنس مس بین قطبین مغناطیسی یک آهنربا.       
برای ابزارهای الکتریکی نخستین فرآیند انتقال انرژی الکتریکی به مصرف کننده ها می باشد. دیگر فرآیندها عبارتند از:   انتقال انرژی الکتریکی، توزیع برق و منابع ذخیره سازی و بازیابی انرژی الکتریکی با استفاده از روشهایی که توسط صنایع الکتریکی بکار گرفته میشود.     
در اغلب موارد برق توسط ژنراتورهای الکترومکانیکی در نیروگاه ها تولید میشود که این روش دارای مشتقاتی نظیر موتورهای سوختی حرارتی که از فعل و انفعلات شیمیایی استفاده می کنند و یا فرآیند شکاف هسته ای در راکتورهای اتمی میباشد همچنین استفاده از انواع منابع انرژی جنبشی مانند جریان هوا و جریان آب نیز در تولید برق کاربرد دارد. انواع انرژی های دیگر نظیر انرژی خورشیدی و استفاده از حرارت زمین نیز از تکنولوژیهای دیگر تولید برق بشمار میرود: 
در تولید انرژی الکتریکی، ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. معکوس این عملیات یعنی تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی توسط موتور انجام می گیرد. موتورها و ژنراتورها دارای شباهتهای زیادی با یکدیگر می باشند.
نیروی در یک ژنراتور جریان الکتریکی را در مدارات الکتریکی خارجی به حرکت در می آورد اما جریان برقی که در سیم ها و سیم پیچها موجود است را بوجود نمی آورد. این به نوعی شبیه یک پمپ آبی است که آب را به جریان در می آورد ولی آب را تولید نمی کند.     
منبع مکانیکی انرژی الکتریکی ممکن است که حرکت پیستون یا توربین یک ماشین بخار باشد. آب بر روی توربین و یا پروانه ای می ریزد که به داخل موتور حرارتی متصل است و یا توربین بادی که با گردش پره ها توسط هوای کار می کنند اینها همه انواعی از منابع انرژی مکانیکی بشمار می روند که در تولید برق کاربرد دارند. منابع عمده تولید الکتریسیته در ایالات متحده در سال ۲۰۰۸ سوخت فسیلی (بخصوص زغال سنگ) بوده است.

تاریخچه:

منابع انرژی الکتریکی فرانسه در سال ۲۰۰۶ انرژی هسته ای منبع اصلی بشمار می رود. زمانی که ژنراتورای قدرت مرکزی شناخته شدن جایگزینی برای ژنراتورهای رایج در نقل و انتقال برق خطور جریان در فواصل دور به شمار آمدند. از آنجائیکه امتیاز آنها توانایی شان در کاهش و افزایش انرژی الکتریکی از طریق ترانسفورماتورها می باشد هزینه های نقل و انتقال را به طور چشمگیری کاهش میدهند.   
تولید انرژی الکتریکی در نیروگاههای مرکزی از سال ۱۸۸۱ شروع شد. نخستین ماشین تولید قدرت بر پایه استفاده از نیروی آب یا سوخت زغال سنگ راه اندازی شد و امروزه با ابزارهای دیگر نظیر سوخت فسیلی، انرژی هسته ای، گاز طبیعی، هیدروالکتریک، نفت خام و میزان اندکی انرژی خورشیدی، ژنراتورهای بادی و منابع گرمایی زمین را در تولید برق بکار می بریم.    
پیش از آنکه رابطه بین الکتریسیته و مغناطیش کشف شود ژنراتورهای الکترواستاتیک ساخته شده بودند که از اصول الکترواستاتیک پیروی می کردند. این ژنراتورهای برق را با ولتاژ بالا و شدت جریان کم تولید می کردند. آنجا با استفاده از حرکت تسمه های الکتریکی ضمانت و دیسکها شارژ الکتریکی را به الکترود منتقل می کردند.

روشهای تولید برق :

هفت روش اساسی و تبدیل سایر انرژیها به انرژی الکتریکی وجود دارد:        
۱- الکتریسیته ساکن: بر اساس جداسازی بارهای الکتریکی به روش فیزیکی و حمل شارژ می باشد.    
مثال: اثر توربوالکتریک و صاعقه.    
۲- القاء الکترومغناطیس: توسط یک موتور الکتریکی دینام و ترانسفورماتور انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود
۳- روش الکتروشیمیایی: تبدیل مستقیم انرژیهای شیمیایی به جریان الکتریکی می باشد مثل باتری پیل سوختی. 
۴- اثر فتوالکتریک: تبدیل نور به انرژی الکتریکی مانند سلولهای فتوالکتریکی (باتری نوری).
۵- اثر ترموالکتریک: تبدیل مستقیم اختلاف دما به انرژی الکتریکی (ترموکوپل) و ترموپیل.   
۶-ذاثر پینرئوالکتریک: در اثر کشش مکانیکی مولکولها و یا کریستالهایی که دارای بار الکتریکی ناهمسان می باشند.         
۷- تبدیل هسته ای: ساخت انرژی الکتریکی بر اساس شتاب ذرات باردار مثل بتاولتایی و تشعش ذرات آلفا.     
الکتریسیته ساکن نخستین شکل انرژی الکتریکی بود که کشف و مورد تحقیق قرار گرفت. هنوز ژنراتورهای الکترواستاتیک حتی در دستگاه های مدرن مانند ژنراتور و اندوگراف و ژنراتور MHD کاربرد دارند. در این روش الکترونها بطور مکانیکی جدا شده و در جهت افزایش پتانسیل الکتریکی منتقل میشوند. 
تقریباً تمام ژنراتورهای تجاری تولید برق از روش القاء الکترومغناطیسی بدین شکل که انرژی نیروهای مکانیکی جریان الکتریکی را پدید می آورند. روشهای مختلفی در پیشرفت و توسعه این انرژی های مکانیکی از قبیل موتورهای حرارتی، موتورها با نیروی محرکه آب، باد و نیروی کشش و رانش وجود دارند. روش مستقیم در تبدیل انرژی هسته به انرژی الکتریکی کاربرد چندانی ندارد و در دستگاههایی که از انرژی هسته ای در تولید برق استفاده می کنند . این انرژی برای راه اندازی موتور حرارتی استفاده می شود که محرکه ژنراتوری است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی از طریق القاء الکترومغناطیس تبدیل می کند پس انرژی هسته ای نقش سوخت موتور حرارتی را عهده دار بوده و به طور مستقیم در تولید برق بکار نمی رود.     
اغلب ژنراتورهای الکتریکی با موتورهای حرارتی کار می کنند. انرژی گرمایی اغلب این ماشینها توسط سوختهای فسیلی شکاف هسته ای و انواع منابع قابل تجدید انرژی تأمین می شود . نخستین مدل پیشرفته توربین بخار توسط سر چارلز پارسونس در سال ۱۸۸۴ طراحی و ساخته شده که امروزه ۸۰ درصد نیروی برق در جهان با استفاده از اشکال مختلف این روش تولید می شوند.

توربین ها : 
سدهای بزرگ نظیر سه نمونه سد آبی که در چین وجود دارند می توانند نیروی هیدروالکتریک عظیمی را جهت تولید برق تأمین کنند. این روش توانایی تولید GW 5/22 برق را داراست. ساسکوئینا (Susquehanna) نیروگاه برقی بخار با دستگاه تولید برق از طریق سوخت هسته ای می باشد. سیکل ترکیبی گاز طبیعی نزدیک اورم (Orem) در ایالت یونا (utah)  آمریکا می باشد. تمام توربین ها توسط حرکت سیال با انرژی متوسط بکار می افتد. شمار زیادی از انواع توربین های حرارتی موجود می باشند و از دیگر انواع توربینها می توان از توربینهای بادی یا توربینهایی که با فشار آب کار می کنند یاد کرد.        

بخار آب حاصل از راه های زیر:  
* شکاف هسته ای     
سوختن سوختهای فسیلی (زغال سنگ ، گاز طبیعی، نفت خام). بخار مورد استفاده در این توربین ها بطور مستقیم از سوخت گاز طبیعی یا نفت تولید میشود.
توربین های سیکل گاز ترکیبی دستگاه هایی هستند که انرژی محرکشان هم از بخار و هم از گاز طبیعی حاصل می شود.
آنها انرژی خود را از طریق سوخت گاز طبیعی در توربین های گازی و بکار بردن بخار همین فرآیند برای تولید انرژی بیشتر تأمین می کنند. راندمان این دستگاهها بیش از ۶۰ درصد است.   
انرژی قابل تجدید بخار به روش زیر تولید می شود:    
* زیست توده (Biomass) :

خورشید به عنوان انرژی حرارتی: پارابولیک خورشیدی (salarparabolic) از طریق شعاع های نور خورشید دما را برای جریان تأمین می کند.  
نیروی ژئوترمال (حرارت زمین) بار از طریق فشار تحت دما در اعماق زمین توربین را به حرکت در می آورد و یا حرارت آبهای گرم معدنی برای حرکت توربین بکار گرفته می شود.    
         
منابع قابل تجدید دیگر:    
آب (هیدروالکتریک) تیغه های توربین توسط فشار آب موجود در پشت سدها و نیروی کششی آن به حرکت در می آیند.
باد – اغب توربین های بادی انرژی الکتریکی را از وزش باد طبیعی تأمین می کنند.  

موتورهای عملکرد متقابل   
ژنراتورهای برق کوچک اغلب بر اساس این روش و با استفاده از سوخت گازوئیل، گاز متان و یا گاز طبیعی نیروی برق تولید می کنند. موتورهای دیزلی اغلب برای راه اندازی برق اضطراری معمولاً با تولید ولتاژ کم استفاده می شوند. بهرحال انژی زیادی در این موتورها مصرف می شود که برای تولید برق اضطراری در شرایط خاص و یا در بیمارستان ها و در نبود برق بکار می روند . گاز متان در راه اندازی توربین های گازی کوچکی استعمال می شود که در نزدیکی منابع تولید این گاز نظیر فاضلاب ها بکار گرفته میشود و برق حاصله نیز از ولتاژ کمی برخوردار است. ژنراتوری که از سوخت زغال سنگ استفاده می کند در لافلین نواای امریکا قرار دارد. صاحبان این دستگاه پس از آنکه این دستگاه توسط مطالعات زیست محیطی این دستگاه را به عنوان منبع آسیب رسان به محیط زیست شناساند از استفاده بیشتر از آن دست کشیدند.       
سلول فتو الکتریک از روشهایی بی شباهت به آنچه ذکر شده است انرژی حاصل از نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. با وجودیکه نور خورشید رایگان است اما تجهیزات تولید انرژی الکتریکی به این روش گران می باشد و تولید انبوه برق از این روش با وجود مزایای زیادش به صرفه نیست.

روشهای دیگر تولید برق   
توربینهای تولید برق بادی از دیگر متدهایی به شمار می روند که به شبکه تولید برق در جهان پیوسته اند. تکنولوژیهای متنوع دیگری نیز در ارتباط با تولید برق مورد مطالعه و گسترش قرار گرفته اند.

ژنراتورهای نیمه هادی (بدون داشتن قسمتهای متحرک) بطور گسترده ای در وسایل الکتریکی همراه بکار گرفته شدند (نظیر لپ تاپ ها) . این حوزه بطور وسیعی از تکنولوژی ترموالکتریک TE استفاده کرده است و گسترش ترمیونیک TI و ترموفتوولتائیک TPV نیز تقریباً در همان سطوح صورت گرفته است. عمدتاً دستگاههای TE از دمای پایینتری نسبت به TI و TPV استفاده می کنند. دستگاهها پنیرئوالکتریک از نیروی مکانیکی نظیر کشش و اصطکاک جهت تولید برق استفاده می کنند. بتاولتایی شکل دیگری از اشکال ژنراتورهای نیمه هادی می باشند که با تشعشعات اندک رادیواکتیو، الکتریسیته می سازد. ژنراتورهای MHD از جمله ژنراتورهایی هستند که مورد مطالعه زیادی قرار گرفته اند و از جمله روشهایی هستند که بر پایه انرژی هسته ای در جهت تولید جریان برق مورد استفاده قرار میگیرند.         
و در آخر می توان از نیروی فشار عنصری یاد کرد که در مناطقی که آبهای شیرین یا آبهای شور در دسترس است می تواند کاربرد داشته باشد.        
همچنین تولید برق به روشهای الکتروشیمیایی در ابزارهای همراه مانند موبایل و لپ تاپ حائز اهمیت میباشد. امروزه جریان الکتریکی به روش الکتروشیمیایی از سلولهای الکتروشیمایی و باتریها گرفته می شود که بیشتر به عنوان منبع ذخیره انرژی الکتریکی تا منبع تولید آن بکارگیری میشود. در سالهای اخیر منابع الکتروشیمیایی تولید جریان الکتریکی در دامنه وسیعی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته اند. سلولهای سوختی که از طریق سوختهای طبیعی و باز فرآیند سنتزی به تولید انرژی الکتریکی می پردازند (مخصوصاً هیدورژن الکترولیت) نسبت به حوزه کاربردشان به عنوان منابع تولید یا ذخیره سازی انرژی الکتریکی بکار گرفته می شوند.

انواع نیروگاه برق :

·        نیروگاههای جزر و مدی

·        نیروگاههای موجی

·        نیروگاههای مگنتو هیدرودینامیک

·        نیروگاههای بیوماس

·        نیروگاههای زباله سوز بخاری

·        نیروگاههای گازی با سوخت خرده چوب

·        نیروگاههای شکافت هسته‌ای

·        نیروگاههای جوش (گداخت) هسته‌ای

·        نیروگاههای ترکیبی تولید کننده برق و انرژی حرارتی

·        نیروگاه تبدیل انرژی اقیانوسی

·        نیروگاه های پیل سوختنی

نظیم شده توسط کاربر۲ پشتیبانی سایت امداد برق و تلفن پایتخت و ایران داکیومنت

کلیات فعالیت رشته های مهندسی برق، تبدیل یک سیگنال به سیگنال دیگر است. که در برخی موارد سیگنال یاد شده به شکل موج ولتاژ یا شکل موج جریان و یا ترکیب دیجیتالی یک بخش از اطلاعات در یک مدار میباشد

خط تلفن شهری

خط تلفن از یک زوج سیم مسی تشکیل شده است . گاه این “خط تلفن” زوج توسط کابلی سه سیمه به منزل شما میرسد که سیم فولادی ضخیم ، تنها نقش استحکام کابل را برعهده دارد . در اصطلاح این دوسیم را سیمهای A و B یا Tip و Ring می نامند که نامگذاری دوم به تاریخچه اختراع تلفن بازمیگردد. در حالت عادی که خط مشغول نیست )وضعیت On Hook) ، یک ولتاژ دی سی بین دوسیم وجود دارد و هیچ جریانی از خط نمیگذرد ( یا جریانی با مقدار حداکثر 5میکروآمپر میگذرد) . این ولتاژ به طور کلی در حدود 48 ولت است و بسته به عواملی از جمله استاندارد محلی مرکز مخابرات، تغییر میکند . برای مطمئن شدن از وصل بودن خطوط میتوانید این ولتاژ را با یک مولتی متر از پریز تلفن یا ترمینالها اندازه بگیرید .

در یک مرکز مخابراتی محلی (LEC) منابع تغذیه دی سی که معمولا از نوع سوئیچینگ هستند ، ولتاژ DC لازم را از برق AC فراهم میکنند . ولتاژ DC تنظیمی ، روی 50 ولت یا بیشتر قرار میگیرد . تعدادی باتری بزرگ ( برای مثال 24 باتری 2 ولت سری، جمعا معادل 48 ولت ( نیز بصورت شناور در مدار هستند که در هنگام قطع برق وارد مدار میشوند و از قطع شدن شبکه تلفن جلوگیری میکنند .

با بالا رفتن بار خط تلفن در ساعات پرترافیک شبانه روز یا هفته ، جریان مصرفی بالا میرود و در نتیجه از ولتاژ منابع تغذیه کاسته میشود . برای مثال در یک مرکز مخابرات محلی 40000 شماره ای ممکن است 600 آمپر جریان از منبع تغذیه کشیده شود . به محض برقراری ارتباط میان دو نفر ، ولتاژ خط از 48 ولت به 8 ولت کاهش می یابد و جریانی در حدود 20 میلی آمپر از خط میگذرد . در حقیقت ولتاژ حالت تماس هنگامی که خط اشغال میشود ، به طور کلی بین 6 تا 15 ولت است . جریانی که در حالت تماس از خط تلفن کشیده میشود ، در محدوده 10 تا 65 میلی آمپر و مقاومت DC دستگاه تلفن بین 200 تا 300 اهم است.

صدا از طریق خازنهایی با ظرفیت 2 میکروفاراد به خط تلفن منتقل میشود . از طرفی خط تلفن از طریق دو چوک 5 هانری با مقاومت داخلی 200اهم تغذیه میگردد.

هنگامی که گوشی گذاشته شده است ، ( وضعیت On Hook) ولتاژ 48- ولت خط تلفن را تغذیه میکند . دلیل استفاده از ولتاژ منفی در مقابل ولتاژ مثبت به مسائل الکتروشیمیایی برمیگردد . هنگامی که سطح ولتاژ سیم نسبت به زمین منفی است ، واکنشهای شیمیایی کمتر باعث خوردگی سیمها میشوند . اندازه این ولتاژ نیز در بعضی کشورها متفاوت است . این کشورها از ولتاژهای دیگری در محدوده 36 ولت تا 60 ولت استفاده میکنند . در هر حال این ولتاژ با مشغول شدن خط و شارش جریان افت پیدا میکند . به محض وقوع این رخداد ، ولتاژ Ring از 48- به 28- ولت و ولتاژ Tip از 0 به 20- ولت خواهد رسید و این به این معناست که ولتاژ خط به 8 ولت دی سی کاهش یافته است.

در این حالت ، سیگنال صوتی با باند فرکانسی صوتی میتواند روی خط قرار بگیرد . پهنای باند خطوط انتقال تلفن شهری در حدود 3 تا 3.4KHZ است که در مقایسه با پهنای باند صدای انسان به وضوح کمتر است . اما از آنجا که اغلب فرکانسهای صدای انسان در محدوده 300HZ تا 4KHZ متمرکز شده اند ، بیشتر فرکانسهای صوتی انتقال می یابند و تن صدای افراد تغییر چندانی نمیکند . با این حال ، صداهای زیر دارای فرکانس بالاتر ، نسبت به صداهای بم تغییر بیشتری می کنند . هر گونه اطلاعات دیگری نیز که بخواهد از طرف مبدا یا مقصد ، روی خط قرار بگیرد ، به صورت فرکانسهای صوتی انتقال می یابد . برای مثال ، اگر عددی در حین صحبت کردن دو فرد فشار داده شود ، این عدد به صورت فرکانس مورد نظر در می آید و مانند صوت و بدون هیچ تداخلی روی خط تلفن قرار میگیرد .

فرکانس بوق آزاد ، بوق اشغال و بوق انتظار کمی با هم متفاوتند ، ولی معمولا در حدود 400 تا 425Hz در نظر گرفته میشوند .

سیگنال زنگ ( Ringing Signal) هم یک سیگنال AC با ولتاژ محلی 90Vrms است که حدودا برابر 110 ولت AC میباشد . ممکن است در حالت عادی این اعداد را از یاد ببرید ولی اگر یکی از سیمهای خط تلفن در دست شما باشد و فردی به طور اتفاقی تماس بگیرد ، دیگر هرگز این ولتاژ را فراموش نخواهید کرد!

در کشورهای مختلف ، این ولتاژ بین 40 تا 150Vac متغیر است . این سیگنال در ایران ، بسته به سوییچ استفاده شده در مرکز مخابرات ، بین 70 تا 110Vac است . این سیگنال روی ولتاژ DC خط تلفن سوار می شود و با نوسان خود زنگ تلفن را به صدا در می آورد . فرکانس سیگنال زنگ بین 20 تا 40 هرتز است که تناوب آن حدود یک ثانیه ممتد و چهار ثانیه قطع میباشد . شایان ذکر است که تمامی مقادیر گفته شده ، تقریبی هستند و در استانداردهای گوناگون ، متفاوتند . برای مثال فرکانس زنگ در کشور انگلستان 25Hz است و با تناوب 4 ثانیه ممتد و 2 ثانیه قطع به صدا در می آید .

در پایان باید گفت که هر مرکز تلفن محلی ، محدوده ای دارد که معمولا حد بالای آن 4 کیلومتر است . از آنجا که رشته سیمهای مسی خطوط تلفن شهری ( سیم شماره 0.22AWG) دارای مقاومت متوسطی در حد 50 اهم در هر 1000 متر می باشد ، با افزایش طولشان باعث کاهش جریان مصرف کننده می شوند . این در حالی است که مسئله مهم ، جریان مصرف کننده در انتهای خط تلفن است . اگر این جریان به کمتر از 8mA کاهش یابد ، ارتباط تلفنی ناممکن خواهد شد .

نحوه شماره گیری شماره گیری از روی گوشیها به دو روش تن (Tone) و پالس (Pulse) انجام میشود . در روش پالس ، باگرفتن هر شماره ، تعدادی پالس متناسب با شماره گرفته شده روی خط تلفن فرستاده می شوند . هر پالس 100ms طول میکشد . ابتدا خط به مدت 40ms در ولتاژ قطع (48V) و سپس به مدت 60ms در حالت مشغول (8V) قرار می گیرد . برای گرفتن هرشماره به همان تعداد پالس نیاز است ، البته غیر از صفر که باید ده پالس برای شناساندن آن به مرکز فرستاده شود و این کار یک ثانیه به طول می انجامد . برای گرفتن دو شماره پشت سرهم باید حداقل فاصله ای برابر با 200ms بین دوعدد ایجاد شود . به همین علت است که با قطع و وصل کردن قلاب تلفن در تناوبهای 100ms میتوان عمل شماره گیری را انجام داد .
در سیستم شماره گیری تن ، به جای ایجاد پالس، فرکانسهای کاملا مشخصی تولید و در خط تلفن جاری می شوند . این صداها رو تن های شماره گیری می نامند . از آنجا که هرفرکانسی که روی خط قرار میگیرد در حقیقت ترکیبی از دوفرکانس سطر و ستون صفحه کلید گوشی است ، این روش، شماره گیری با دو تن چند فرکانسی (DTMF) نام گرفته است . با استفاده از 7 فرکانس بصورت سطری و ستونی میتوانیم 12 کد تولید کنیم که شامل 10 عدد و دو کلید * و # است . در روش تن ، ارسال و تفسیر هر شماره ، به علاوه فاصله لازم بین دو رقم ، به حداکثر  100ms زمان احتیاج دارد