نیروگاه

نیروگاه ، که با نام «کارخانه برق» هم شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از تاسیسات صنعتی است که از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.
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 تقریبا همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است؛ ماشینی دوار که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راه‌های مختلفی تامین می‌شود و عموما به میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.
یک نیروگاه CHP در ورشو، لهستان
نیروگاه حرارتی
در یک نیروگاه حرارتی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن مولدها به وسیله حرارتی که معمولا از سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید تامین می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های حرارتی (در حدود ۸۶ درصد آنها) از بخار برای انتقال حرارت و ایجاد انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند و به همین دلیل این نیروگاه‌ها را نیروگاه‌های بخاری نیز می‌نامند. بر طبق قانون دوم ترمودینامیک هرگز نمی‌توان تمامی انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد بنابراین همیشه مقداری از حرارت اضافی در محیط آزاد می‌شود، حال اگر از این حرارت برای انجام فرایندهای صنعتی یا گرمایش ناحیه‌ای استفاده کنیم می‌توانیم راندمان استفاده از انرژی را بالا ببریم، این روش که در برخی تاسیسات حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم ترکیبی گرما و نیرو یا CHP نام دارد. یکی از کاربردهای این روش که بیشتر در خاورمیانه مورد استفاده قرار می‌گیرد استفاده از انرژی حرارتی اضافی برای نمک زدایی آب است. درنمک زدایی آب دریا نیازبه حجم زیاد بخاربا فشارکم می‌باشد که ازچرخه ترکیبی بدون مشعل بایداستفاده کرد.
طبقه‌بندی
طبقه‌بندی نیروگاه‌ها براساس نوع سوخت مصرفی و عامل محرک به صورت زیر است.
طبقه‌بندی از نظر نوع منبع انرژی
نیروگاه هسته‌ای که از یک راکتور هسته‌ای برای تولید گرما و چرخاندن توربین‌های بخار استفاده می‌کند.
نیروگاه سوخت فسیلی که انرژی گرمایی مورد نیاز را از سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی یا زغال سنگ تامین می‌کند.
نیروگاه‌هایی که از منابع انرژی‌های تجدید پذیر استفاده می‌کنند وانرژی مورد نیاز خود را از انرژی بادی، انرژی خورشیدی، انرژی جزر و مد دریا، انرژی حرارتی موجود در آبهای اعماق زمین، و بیومس (سوزاندن ضایعات مزارع نیشکر، زباله‌های شهری، بیوگازها و دیگر منابع این چنینی) تامین می‌کند.
طبقه‌بندی از نظر نوع عامل محرک
توربین بخار : در این دستگاه‌ها از فشار دینامیکی بخار برای چرخاندن پره‌های دستگاه استفاده می‌شود. تقریبا همه توربین‌های بزرگ غیر آبی از این نوع هستند.
توربین گازی : در این دستگاه‌ها از گاز به عنوان عامل محرک استفاده می‌شود. به عبارت دیگر این توربین‌ها از فشار گازهای ناشی از سوختن سوخت‌ها برای به حرکت درآمدن استفاده می‌کنند. مزیت این توربین‌ها در قابلیت راه‌اندازی سریع آنهاست و از این رو برای جبران مصرف بالا در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) از آن‌ها استفاده می‌شود اما با این حال هزینه‌های مربوط به این توربین‌ها بالاست و بنابراین استفاده از آن‌ها محدود است.
چرخه مرکب : در این چرخه از ترکیبی از توربین‌های گازی و بخار استفاده می‌شود به این ترتیب که با سوختن سوخت از گازهای ایجاد شده برای به حرکت درآوردن توربین‌های گازی و از گرمای تولیدی از سوختن برای بخار کردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌های بخار استفاده می‌شود. استفاده از این روش به علت بازده بالای آن به سرعت در حال افزایش است.
موتور احتراق داخلی : به‌طور کلی از این موتورها برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کوچک استفاده می‌شود. کاربرد این موتورها تنها به مناطق دورافتاده و سامانه‌های پشتیبانی مورد استفاده در بیمارستان‌ها، ساختمان‌های اداری و مراکز حساس محدود می‌شود. سوخت مورد استفاده در این موتورها را گازوئیل، نفت سنگین، گاز طبیعی و بیوگاز تشکیل می‌دهد.
خنک‌کنندگی
به دلیل محدودیت‌های موجود در اصول گرماپویشی (ترمودینامیک) هر نیروگاه گرمایی مقداری انرژی را به صورت انرژی اتلافی از دست می‌دهد. در نیروگاه‌های هسته‌ای یا برخی نیروگاه‌های گرمایی بزرگ از لوله‌های بسیار بزرگ هذلولی شکل برای آزاد کردن حرارت یا بخار آب در جو استفاده می‌شود. در پالایشگاه‌ها، صنایع نفتی و برخی از نیروگاه‌های حرارتی بزرگ از یک سامانه خنک‌کنندگی با فشار هوا استفاده می‌شود. در این نوع سامانه با استفاده از گردش هوای مصنوعی که به وسیله یک بادزن ایجاد می‌شود، گرمای تولیدی از یک فرایند به آب منتقل می‌شود. در این روش به برج‌های خنک‌کننده بلند و هذلولی شکل نیاز نخواهد بود و سیستم خنک‌کننده بیشتر شبیه یک اتاقک مستطیل شکل است.
برج‌های خنک‌کننده از نوع‌تر یک نیروگاه در انگلستان در حال خارج کردن بخار آب
در بیابان‌ها و مناطق خشک نیاز به یک رادیاتور یا برج خنک‌کننده خشک خیلی ضروری‌تر است چرا که هزینه فراهم آوردن آب برای یک سامانه خنک‌کنندگی با تبخیر آب بسیار بالا خواهد بود. استفاده از روش‌های خنک‌کنندگی خشک در مقایسه با روش‌های خنک‌کنندگی با تبخیر آب دارای بازده پایین‌تر و نیاز به مصرف انرژی بیشتر در فن‌هاست.
در مواردی که از نظر اقتصادی و محیط زیست مانعی وجود نداشته باشد، استفاده از آب دریا، دریاچه، رودخانه و در صورت امکان حوضچه‌های مصنوعی می‌توان مفیدتر باشد چرا که با این کار نیازی به ساخت برج‌های خنک‌کننده یا پمپ کردن آب تا تبادل‌گرهای حرارتی نخواهد بود. البته باید به این نکته هم توجه داشت که آب بازگشتی از این فرایند می‌تواند موجب ایجاد آلودگی گرمایی گردد.
منابع انرژی تجدیدپذیر
سد سه‌دره چین
نیروگاه خورشیدی نلیس آمریکا
توربین بادی آمریکا
بجز استفاده از سوخت‌ها راه‌های دیگری نیز برای تولید انرژی الکتریکی وجود دارد، در این روش‌ها برای تامین انرژی اولیه از منابعی مانند انرژی موج، انرژی کشند، انرژی باد، انرژی تابش آفتاب یا انرژی پتانسیل گرانشی آب (هیدروالکتریسیته) استفاده می‌شود.
روتور یک توربین بخار پیشرفته
هیدروالکتریسیته
هیدروالکتریک یا تولید انرژی الکتریکی از انرژی پتانسیل گرانشی آب، فرایندی است که در آن با استفاده از نگه داشتن آب پشت یک سد و افزایش انرژی پتانسیل آن، از این انرژی پتانسیل برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. در این فرایند از توربین‌های آبی برای انتقال انرژی آب به مولدها استفاده می‌شود.
ذخیره انرژی هیدروالکتریک
این روش در واقع نوعی متعادل‌کننده مصرف در شبکه الکتریکی است که موجب کاهش یافتن هزینه تولید برق می‌شود. در این روش در طول ساعات کم مصرف شب از انرژی تولیدی نیروگاه برای پمپ کردن آب به مخازن بلند استفاده می‌شود و در واقع با این کار انرژی الکتریکی به انرژی پتانسیل آب تبدیل می‌گردد. با شروع ساعات پرمصرف یا ساعات اوج، چرخه وارونه خواهد شد یعنی آب موجود در مخازن پایین آمده و موجب تولید انرژی الکتریکی و ایجاد تعادل در شبکه می‌شود.
انرژی خورشیدی
مولد یا باتری خورشیدی (solar photovoltaic power plant) وسیله‌ای است که انرژی تابش خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که ممکن است برای تبدیل نوع جریان از DC به AC نیازمند مبدل نیز باشد. این نوع مولدها از ماشین‌های دوار برای تولید انرژی الکتریکی استفاده نمی‌کنند. از انرژی خورشیدی به روش دیگری نیز برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. برعکس باتری‌های خورشیدی که انرژی تابشی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند در صفحات گرمایی متمرکزکننده از انرژی تابشی برای گرم کردن آب و به حرکت درآوردن یک توربین استفاده می‌شود. در این روش از صفحات مخروطی شکل استفاده می‌شود این صفحات مخروطی نور را به سمت یک لوله محتوی یک سیال مثل روغن هدایت می‌کنند و در نهایت از روغن گرم شده برای گرم کردن آب و چرخاندن توربین استفاده می‌شود. یک نیروگاه از این نوع با گردآورهای سهموی خطی در نزدیکی شیراز در حال ساخت می‌باشد. البته برای تولید انرژی الکتریکی از تابش خورشید روش دیگری نیز وجود دارد، در این روش با تاباندن نور به کف یک حوضچه و گرم کردن آب کف حوضچه و با استفاده از اختلاف دمای آب، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. البته تعداد نیروگاه‌های ساخته شده به این روش بسیار کم است.
انرژی باد
توربین‌های بادی در مناطقی که دارای پتانسیل بادی مناسبی می‌باشند مورد استفاده قرار می‌گیرند. در گذشته برای این نوع توربین‌ها طراحی‌های زیادی وجود داشت اما امروزه تقریبا تمام توربین‌های ساخته شده از نوع هلندی سه‌پره هستند. در توربین‌های بزرگ امروزی پره کوچک‌تر هستند و آرام‌تر می‌چرخند که این باعث ایجاد ایمنی بیشتر برای پرندگان و ایجاد زیبایی دیداری بیشتر می‌شود. بااین حال هنوز هم در برخی استفاده‌های ویژه از توربین‌های قدیمی استفاده می‌شود. با پیشرفت علم طراحی این توربین‌ها به نحوی انجام می‌پذیرد که بتوان از آن‌ها در مقیاس‌های کوجک و در مناطق با پتانسیل کم انرژی بادی برای کاربردهای خانگی هم بهره جست و برق تولیدی از این روش را بتوان به عنوان کمکی هر چند کوچک در کاهش میزان تقاضای انرژی دانست و این امر باعث می‌شود تا مصرف‌کننده‌های قبلی انرژی حال به‌عنوان یک تولیدکننده توان مطرح شوند.
انرژی دریایی
انرژی دریایی - انرژی به دست آمده با استفاده از امواج دریا، جزر و مد، شوری، انرژی جریان اقیانوسی، و تفاوت در درجه حرارت آب دریا است.
زیست‌سوخت
اتوبوس بکاربرنده زیست‌دیزل
زیست‌سوخت به سوخت‌هایی گفته می‌شود که از زیست‌توده بدست می‌آیند. این تعریف، زیست‌سوخت‌های جامد، سوخت‌های مایع و زیست‌گازهای مختلف را دربر می‌گیرد. زیست‌سوخت‌ها پس از عامل‌هایی چون بحران انرژی که نیازمند امنیت انرژی بیشتر بود و نگرانی از انتشار کربن توسط سوزاندن سوخت‌های قسیلی بسیار مورد توجه علمی و همگانی قرار گرفت.
توان اسمزی
توان اسمزی یا توان گرادیان شوری انرژی موجود از اختلاف در غلظت نمک بین اب دریا واب رودخانه است.
دوروش عملی برای این موضوع الکترودیالیز معکوس (RED) وفشار اسمزبا غشاهاب تاخیری (PRO) می‌باشند.
تولید انرژی الکتریکی
نیروگاه هسته‌ای
نیروگاه برق آبی
نیروگاه بادی
نیروگاه موج
نیروگاه حرارتی
نیروگاه گازی
نیروگاه سوخت فسیلی
نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای
نیروگاه زمین گرمایی
تولید پراکنده
تولید هم‌زمان گرما و برق