توان الکتریکی که اغلب به عنوان برق یا الکتریسیته شناخته می شود، شامل تولید و ارایه انرژی الکتریکی به میزان کافی برای راه اندازی لوازم خانگی، تجهیزات اداری، دستگاه های صنعتی و فراهم آوردن انرژی کافی برای روشنایی، پخت و پز، گرمای خانگی و صنعتی و فرایندهای صنعتی بکار می رود.
تاریخچه
اگرچه که الکتریسته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی ای که در یک پیل الکترولیک از زمانی که الساندرو ولتا در سال1800م این آزمایش را انجام داد، شناخته می شده است، اما تولید آن به این روش گران بوده و هست. در سال 1831م، میشل فارادی ماشینی ابداع کرد که از حرکت چرخشی تولید الکتریسته می کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشید تا این فن آوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شود. در سال 1878م، توماس ادیسون جایگزین عملی تجاری ای را برای روشنایی های گازی و سیستم های حرارتی ایجاد کرد و به فروش رساند که از الکتریسته جریان مستقیمی استفاده می کرد که بطور منطقه ای تولید و توزیع شده بود، استفاده می کرد. در سیستم جریان مستقیم ادیسون، ایستگاه های تولید توان اضافی می بایست نصب می شدند. بدلیل اینکه ادیسون قادر نبود سیستمی را تولید کند که به ژنراتورهای چندگانه اجازه بدهد که به یکدیگر متصل شوند، گسترش سیستم او نیاز داشت که تمامی ایستگاه های تولید جدید مورد نیاز ساخته شوند.
نیاز به نیروگاه های اضافی ابتدا توسط قانون اهم بیان شده است: بدلیل اینکه تلفات با مربع جریان یا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل های طولانی در سیستم ادیسون به مفهوم داشتن ولتاژهای خطرناک در برخی نقاط یا کابل های بزرگ و گران قیمت و یا هر دوی اینها بود.
نیکولا تسلا که مدت کوتاهی برای ادیسون کار می کرد و تئوری الکتریسته را بگونه ای درک کرده بود که ادیسون درک نکرده بود، سیستم جایگزینی را ابداع کرد که از جریان متناوب استفاده می کرد. تسلا بیان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جریان را نصف می کند و منجر به کاهش تلفات به میزان 4/3 می شود و تنها یک سیستم جریان متناوب اجازه انتقال بین سطوح ولتاژ را در قسمت های مختلف آن سیستم ممکن می سازد. او به توسعه و تکمیل تئوری کلی سیستم اش ادامه داد و جایگزین تئوری و عملی ای را برای تمامی ابزارهای جریان مستقیم آن زمان ابداع کرد و ایده های بدیعش را در سال 1887م در 30 حق انحصاری اختراع به ثبت رساند.
در سال 1888م کار تسلا مورد توجه جرج وستینگهاوس که حق انحصاری اختراع یک ترانسفورماتور را در اختیار داشت و یک کارخانه روشنایی را از سال 1886م در گریت بارینگتون، ماساچوست راه اندازی کرده بود، قرار گرفت. اگرچه که سیستم وستینگهاوس می توانست از روشنایی های ادیسون استفاده کند و دارای گرم کننده نیز بود، اما این سیستم دارای موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستینگهاوس یک سیستم قدرت برای یک معدن طلا در تلورید، کلورادو در سال 1891 ساخت که دارای یک ژنراتور آبی 100 اسب بخار(75 کیلو وات) بود که یک موتور 100 اسب بخار (75 کیلو وات) را در آنسوی خط انتقالی به فاصله 5/2 مایل (4 کیلومتر) تغذیه می کرد. سپس در یک قرارداد با جنرال الکتریک که ادیسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت یک نیرگاه در نیاگارا فالس کرد که دارای سه ژنراتور تسلای 5000 اسب بخار بود که الکتریسته را به یک کوره ذوب آلومینیوم در نیاگارا ، نیویورک و به شهر بوفالو، نیویورک به فاصله 22 مایل (35 کیلومتر) انتقال می داد. نیروگاه نیاگارا در 20 آوریل 1895م شروع به کار کرد.
انرژی الکتریکی در حال حاضر
امروزه سیستم انرژی الکتریکی جریان متناوب تسلا کماکان مهمترین ابزار ارایه انرژی الکتریکی به مصرف کنندگان در سراسر جهان است. با وجود جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) برای ارسال مقادیر عظیم الکتریسته در طول فواصل بلند بکار می رود، اما قسمت اعظم تولید الکتریسته، انتقال توان الکتریکی، توزیع الکتریسته و داد و ستد الکتریسته با استفاده از جریان متناوب محقق می شود.
در بسیاری از کشورها شرکت های توان الکتریکی کلیه زیرساخت ها را از نیروگاه ها تا زیرساخت های انتقال و توزیع در اختیار دارند. به همین علت، توان الکتریکی به عنوان یک حق انحصاری طبیعی در نظر گرفته می شود. صنعت عموماْ به شدت با کنترل قیمت ها کنترل می شود و معمولا مالکیت و عملکرد آن در دست دولت است. در برخی کشورها بازارهای الکتریسته وسیع با تولید کننده ها و فروشندگان الکتریسته، الکتریسته را مانند پول نقد و سهام معامله می کنند.
دید کلی
نیروگاه هسته‌ای مانند هر مرکز مولد برق با هدف تولید برق ایجاد میشود. تولید برق کار مشکلی به نظر نمی‌رسد. هر یک از شما احتمالا تکمه فلاش عکاسی یا استارت یک اتومبیل را زده است. در هر دوی اینها از انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک باطری در موقع لزوم استفاده میشود. ولی یک ایستگاه مولد برق را نمی‌توان از تعداد زیادی باطری متصل به هم تشکیل داد. دو دلیل بسیار مهم وجود دارد که چرا این کار نمی‌تواند صورت پذیرد:
اول اینکه باطریها مقدار انرژی الکتریکی محدودی دارند و نمی‌توانند بدون آنکه مرتب پر شوند مدت طولانی دوام داشته باشند، علاوه بر این برای پرکردن آنها نیاز به منبع انرژی الکتریکی دیگری است.
دوم اینکه باطریها نمی‌توانند انرژی الکتریکی به مقدار زیاد در زمان کوتاهی تهیه کنند. اگر باطری نمی‌تواند منظور یک یک مرکز تولید برق را برآورده سازد پس چه چیز می‌تواند؟
راههای تولید برق
مردم سالهای متمادی است حرکت مکانیکی را برای تولید برق مورد نیاز خود بکار می‌برند. می‌دانید اساس کار یک دستگاه مولد برق (ژنراتور) ، اعم از مولد جریان مستقیم یا متفاوت ، حرکت نسبی یک هادی در میدان مغناطیسی است. ولی مولد یک عیب دارد آن این است که مانند باطری نمی‌تواند انرژی الکتریکی ذخیره کند، به عبارت دیگر برقی که مولد تولید می‌کند باید در حین تولید مصرف شود.
در همه مولد‌ها یک چیز مشترک است، همه آنها نیاز به منبع قدرت دارند تا استوانه حامل‌هادی‌ها را ، یا آهنربای مولد میدان مغناطیسی را بچرخاند یعنی حرکت مکانیکی سیم‌ها را در میدان مغناطیسی ثابت ( یا حرکت آهنربا را در مقابل سیم پیچ‌ها ثابت) تامین کند. منابع قدرت مورد استفاده انواع مختلف دارند. چهار نوع از آنها که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از توربین آبی ، توربین بخار ، توربین گازی و موتور‌های درون سوز.
توربین آبی
در نیروگاه های هیدرولیک برای چرخاندن مولد برق (ژنراتور) از توربین آبی استفاده میشود. این طریقه تولید برق از لحاظ اقتصاد با صرفه است ولی محدودیت جغرافیایی محل از لحاظ سد سازی دارد.
توربین گازی
استفاده از توربین گازی برای به کار انداختن مولدهای برق روز افزون است. اساس کار توربین‌های گازی مانند کار موتور‌های جت است. سوخت می‌سوزد و گازهای حاصل از سوختن در توربین منبسط میشود. ساختن توربین‌های گازی کم خرج است ولی بهره برداری از آنها پرخرج می‌باشد، علاوه بر این ابعاد آنها محدود است. به همین جهت اغلب آنها را به عنوان واحد‌های اضافی برای تدارک الکتریسیته بیش از معمول ، بویژه هنگامی که مصارف اختصاصی مورد نیاز است ، بکار می‌روند.
توربین بخار
توربین بخار وسیله متداولتری برای تامین توان مکانیکی جهت چرخاندن القاء کن مولد برق از نیروگاه است. تفاوت یک نیروگاه بخار با نیروگاههای دیگر در چگونگی تولید بخار است. هر روشی که بکار می‌رود باید مقدار زیادی گرما برای تولید بخار لازم جهت بکار انداختن توربین‌های بخار تهیه شود. در نیروگاههای با سوخت فسیلی این گرما از سوختن زغال سنگ ، نفت ، یا گاز طبیعی حاصل میشود. در نیروگاه هسته‌ای گرما از شکافت اتمهای سوخت اورانیوم به دست می‌آید.
نیروگاه با سوخت فسیلی
نیروگاههای با سوخت فسیلی مدرن پیچیده و پراجزایند، ولی در همه آنها شش مرحله زیر انجام می‌گیرد:
تهیه سوخت و تزریق آن
سوختن
تولید بخار
کارکردن توربین
مولد
چگالیدن بخار
برگشت آب حاصل از چگالیدن بخار به دیگ
مکانیسم مراحل نیروگاه با سوخت فسیلی
در نیروگاه با سوخت فسیلی ، اول باید سوخت را آماده کرد. مثلا اگر سوخت زغال سنگ است باید به صورت گرد درآید، چنانچه نفت است باید گرم شود ، سپس سوخت آماده شده ، به داخل کوره تزریق یا پاشیده شود. در کوره سوخت با هوا مخلوط شده می‌سوزد و گرمای حاصل از سوختن آن برای تولید بخار بکار می‌رود و چرخه تولید بخار آغاز میشود، بخار در توربین منبسط شده و آن را می‌چرخاند و چون محور توربین به محور مولد برق اتصال دارد القاء کن مولد نیز به چرخش در می‌آید و برق تولید میشود، بخار پس از خروج از توربین باید متراکم شده دوباره به صورت آب در آید بطوریکه بتوان آن را بوسیله تلمبه به دیگ برگردانده دوباره از آن استفاده کرد.
تبدیلات انرژی در مکانیسم کار نیروگاه با سوخت فسیلی
در این شش مرحله که در نیروگاه با سوخت فسیلی جریان دارند، انرژی در مراحل پی‌درپی از یک صورت به صورت دیگر تبدیل میشود: انرژی اولیه در سوخت ذخیره است، وقتی سوخت می‌سوزد مقداری از این انرژی به صورت گرما آزاد میشود. آب درون دیگ این انرژی گرمایی را جذب می‌کند و بخار میشود. بخار انرژی را به توربین انتقال می‌دهد، در توربین این انرژی به انرژی جنبشی چرخاننده توربین تبدیل می‌گردد که مستقیما به مولد برق انتقال یافته به انرژی الکتریکی تبدیل میشود و برق تولید می‌گردد.
نیروگاه هسته ای
در حال حاضر ، در همه نیروگاههای هسته‌ای از توربین بخار برای چرخاندن مولدهای برق استفاده میشود، ولی در این نوع نیروگاه ، یک راکتور هسته‌ای جای یک دیگ بخار نیروگاه با سوخت فسیلی را گرفته است. به جای تهیه دائمی‌سوخت فسیلی ، تزریق آن به کوره و سوختن آن به منظور‌ایجاد گرما ، سوخت هسته‌ای گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد می‌کند. و این سوخت فقط تقریبا در هر سال یک بار تعویض میشود. گرمای حاصل شده از سوخت هسته‌ای به سیالی به نام خنک کننده راکتور که در اطراف سوخت جریان دارد انتقال می‌یابد.