انرژی برق

دانشمندان توانایی انجام کار را انرژی می نامند.

آنچه مسلم است تحقیقات علمی ثابت کرده اند که انرژی از بین نمی رود بلکه از نوعی به نوع دیگر تبدیل می شود.

کشف این واقعیت به بشر کمک بسیاری جهت ایجاد تمدن مدرن کرده است.

همانطور که میبینیم بشر به طور روزانه دائماً در حال استفاده از انواع انرژی جهت جابجایی، ایجاد نور، گرما و بسیاری موارد دیگر می باشد.

برق یا انرژی الکتریکی یکی از مهمترین و پرکاربردترین انواع انرژی است که در فرآیندهایی چون تولید نور، گرما و ایجاد حرکت به صورت های دیگر انرژی تبدیل می شود.

اساس کار انرژی الکتریکی توسط مایکل فارادی دانشمند قرن 19 میلادی کشف شده است.

انرژی الکتریکی انرژی حاصل از انرژی جنبشی ذرات باردار یا انرژی پتانسیل الکتریکی است.

این انرژی در نتیجه ی حرکت ذرات باردار (الکترون ها) از یک نقطه به نقطه دیگر از طریق یک رسانا مانند سیم تولید می شود.

به دلیل اینکه ذرات بارداری که ایجاد انرژی می کنند در حال حرکت هستند می توان گفت انرژی الکتریکی گونه ای از انرژی جنبشی است.

هرچه حرکت این ذرات سریع تر صورت گیرد انرژی الکتریکی بیشتری تولید می شود.

از انواع انرژی الکتریکی می توان به رعد و برق، باتری ها و … اشاره کرد.

مفاهیم پایه برق

بار الکتریکی (Electric Charge)

بار الکتریکی اصلی ترین خاصیت فیزیکی و طبیعی مواد می باشد.

اجسام در صورت باردار بودن این امکان را دارند که به هم نیرو وارد کنند.

بار الکتریکی دارای دو نوع مثبت (پروتون ها) و منفی (الکترون ها) می باشد که هرکدام دارای یک میدان نیرو هستند.

بار الکتریکی دارای خاصیت پایستگی می باشد به این معنی که نه به وجود آمده و نه از بین می رود بلکه از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود.

مثلاً دو جسم باردار در صورتی که دارای بارهای هم نام باشند زمانی که در کنار هم قرار می گیرند یکدیگر را دفع کرده و اگر دارای بارهای غیر همنام باشند یکدیگر را جذب می کنند.

واحد بار الکتریکی کولومب یا کولن است و با ((C نمایش داده می شود.

بار یک الکترون برابر است با -1 و بار یک پروتون برابر است با +1 می باشد.

جریان الکتریکی

زمانی که در یک جسم رسانا الکترون ها شروع به حرکت می کنند در آن جسم جریان برقرار می شود.

در واقع به جاری شدن بار الکتریکی در مدار جریان گفته می شود.

واحد اندازه گیری جریان آمپر است و با A)) نمایش داده می شود.

در جریان الکترونیک دو نوع جریان وجود دارد؛ جریان مستقیم یا DC و جریان متناوب یا AC.

•  جریان مستقیم یا  DC(Direct Current)

در جریان DC که ساده ترین نوع جریان است، جریان الکتریکی تنها در یک سو حرکت کرده و جهت یا علامت جریان با گذر زمان تغییر نمی کند.

حال آنکه اگر در یک جریان مستقیم علاوه بر جهت اندازه جریان نیز تغییر کند آن را جریان مستقیم خالص می نامند.

در بستن اکثر مدارهای الکترونیکی دیجیتالی از جریان DC استفاده می شود.

در پیل های الکتریکی و باتری ها نیز از این نوع جریان استفاده می شود.

•  جریان متناوب یا AC (Alternative Current)

بر خلاف جریان DC جریان AC به طور متناوب در حال تغییر جهت است که در اثر این تغییرات سطح به صورت معکوس می شود.

مولد جریان متناوب (alternator) نوعی ژنراتور برق است که جریان AC را تولید می کند.

برای برق رسانی به خانه ها، اماکن اداری و مکان های دیگر از این نوع جریان استفاده می شود اما هنگام استفاده از پریزها جریان AC را بایستی به جریان DC تبدیل کنیم.

ولتاژ

نیرو محرکه ی لازم جهت جهت جابجا کردن بار الکتریکی و ایجاد جریان الکتریکی در مدار را ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی یا فشار برق می گویند.

ولتاژ یک توصیف کمی از اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است.

واحد اندازه گیری ولتاژ را ولت می نامند که با (V) نمایش داده می شود و با وسیله ای به نام ولت متر اندازه گیری      می شود.

البته امروزه مولتی متر ها جایگزین ولت متر ها شده اند به این جهت که علاوه بر ولتاژ قابلیت اندازه گیری پارامترهای دیگر را نیز دارند.

ولتاژ مورد استفاده در وسایل خانگی 220 V می باشد در حالی که وسایل مورد استفاده در خارج از خانه مانند آسانسور، موتورخانه و… با برق سه فاز کار میکنند.

نکته قابل توجه این است که ولتاژ مورد استفاده در کشورهای مختلف متفاوت است و دانستن این مسأله برای تطبیق وسایل مورد استفاده در هر یک از این کشورها بسیار حائز اهمیت است.

مثلاً در کشور ایران برق 220 V استفاده می شود در حالی که در کشور آمریکا برق 110 V  تا 127 V استفاده میشود.

ولتاژها در مدار انواع و کاربردهای متفاوتی دارند که در زیر به بررسی آنها می پردازیم.

• v   ولتاژ DC یا یکسو شونده

جهت جریان در این نوع از ولتاژ ثابت و بدون هیچ گونه تغییر است؛ بدین معنی که جهت جریان در ولتاژ DC از جریان صفر به سمت جریان مثبت و یا منفی تغییر نمی کند و یک جریان با یک عدد ثابت در جعبه فیوز نمایش داده  می شود.

•  ولتاژ AC یا متناوب

بر خلاف ولتاژ DC جهت جریان در ولتاژ AC دائماً در حال تغییر است که امکان تغییر جهت جریان از جریان صفر به سمت جریان مثبت و یا منفی وجود دارد.

در ولتاژ AC تغییر جهات بسیار زیاد اتفاق می افتد و در هر ثانیه آن را سیکلیا هرتز می نامند.

ولتاژ RMS یا ولتاژ مؤثر

عبارت RMS مخفف (Root Mean-Squared) به معنای جذر مربع میانگین می باشد.

به زبان ساده می توان گفت ولتاژ RMS مقدار ولتاژی است که توسط ولت متر های دیجیتال و عقربه ای اندازه گیری می شود در حالی که اگر همان ولتاژ با دستگاه اسیلوسکوپ اندازه گیری شود مقدار بیشتری را نمایش می دهد.

به عنوان مثال دستگاه اسیلوسکوپ ولتاژ برق شهری را 310 V نشان می دهد در حالی که ولتاژ مؤثر آن  220 V است.

آشنایی با صنعت برق (Electric Power Industry)

 صنعت برق یکی از مهمترین و به عبارت دیگر اساسی ترین صنعت در جهان است که برق مصرف کنندگان در بخش های مختلف مانند تولیدی ها، صنایع، تجارت و مناطق مسکونی را در جهان تأمین می کند.

تأمین انرژی الکتریکی صنعت برق شامل سه فرآیند اصلی  تولید، انتقال و توزیع می باشد.

تولید برق  (Generation)

فرآیند تولید برق حاصل تبدیل منابع انرژی اولیه به انرژی الکتریکی می باشد.

برای تولید انرژی الکتریکی توربین هایی وجود دارند که با چرخش آنها برق تولید می شود و این توربین ها برای چرخش نیاز به منابع انرژی چون آب، باد یا گرمای حاصل از سوخت های فسیلی و هسته ای دارند.

این امر در جاهایی به نام نیروگاه برق حاصل می شود؛ در واقع نیروگاه برق به محلی اطلاق می شود که در آن با به حرکت درآوردن مولدهای الکتریکی توسط منابع مختلف انرژی بتوان برق تولید کرد.

بطور کلی می توان گفت که تولید برق توسط منابع طبیعی تجدید پذیر، منابع فسیلی تجدید ناپذیر و یا انرژی هسته ای صورت می گیرد.

منابع تولید برق

در گذشته تولید برق توسط منابعی چون آب و گرمای حاصل از زغال سنگ صورت می گرفت که با توجه به میزان مصرف امکان پذیر بود حال آنکه در دنیای مدرن با توجه به افزایش روزافزون مصرف برق بخش قابل توجهی از آن توسط منابع زغال سنگ، انرژی هسته ای، گاز طبیعی، نفت، هیدروالکتریک و همچنین منابع تجدید پذیری چون انرژی جزر و مد دریا، انرژی باد، انرژی خورشیدی، انرژی آب  و انرژی زیست توده تولید می شود.

روش های تولید برق

منابع تجدید ناپذیر (Non-renewable Sources)

منابع تجدیدناپذیر منابع طبیعی هستند که تا سال های سال امکان استفاده از آنها وجود دارد اما در نهایت و در صورت استفاده های زیاد و مداوم به پایان می رسند و متأسفانه قابلیت جایگزینی سریع و طبیعی را ندارند که شامل سوخت های فسیلی همچون نفت، گاز، زغال سنگ و اورانیوم می باشد.

این سوخت ها در نیروگاه های برق در محفظه هایی که بر روی آنها مخازن آبی قرار دارند سوزانده می شوند و گرمای حاصل از سوختن آنها باعث تبخیر آب این مخازن شده و بخار آب حاصل با فشار بالا وارد توربین هایی می شود که انرژی حاصل از آن به ژنراتور منتقل شده و ژنراتور با انرژی مکانیکی دریافتی حاصل از بخارآب انرژی الکتریکی تولید می کند.

منابع تجدید پذیر (Renewable Sources)

منابع تجدید پذیر منابعی هستند که در طول زمان از بین نمی روند و بطور عملی پایان ناپذیرند و در صورت استفاده انسان قابل جایگزینی هستند اما جایگیزینی به میزان محدود صورت گرفته و انرژی حاصل از این منابع در واحد زمان محدود است.

روش برق آبی و تولید برق (Hydro Power)

ابتدایی ترین روش تولید الکتریسیته استفاده از انرژی طبیعی آب در نیروگاه های برق آبی می باشد.

برای تحقق این امر سدهایی ساخته می شوند که آب انباشته شده پشت این سدها انرژی مکانیکی لازم جهت چرخاندن توربین ها را فراهم کرده و چرخش این توربین ها که به ژنراتور متصل هستند باعث ایجاد انرژی الکتریکی می شود.

انرژی باد و تولید برق (Wind)

در این روش از انرژی باد جهت به حرکت درآوردن پره های توربین ها استفاده می شود که محور متصل به این توربین ها باعث به حرکت درآمدن محور مولد شده و مولد برق تولید می کند.

این عملیات در محل هایی به نام نیروگاه های بادی صورت می گیرد که همیشه در مناطقی ساخته می شوند که بطور دائم باد در حال وزیدن باشد.

انرژی خورشیدی و تولید برق (Solar)

منبع دیگری که با استفاده ا زآن می توان به انرژی الکتریکی دست یافت انرژی فناناپذیر و رایگان خورشیدی است.

در این روش با استفاده از دستگاه هایی به نام فتوولتائیک (PV (photovoltaic)) یا سلول های خورشیدی انرژی الکتریکی مستقیماً از انرژی خورشیدی تولید می شود.

کاربرد انرژی خورشیدی را می توان در انواع ساعت ها یا ماشین حساب ها مشاهده کرد.

مسأله ی قابل توجه در مورد انرژی خورشیدی اطمینان نسبت به عدم آسیب رسانی این انرژی به محیط زیست می باشد که بسیار حائز اهمیت است.

با این حال این نکته بایستی در نظر گرفته شود که مقدار انرژی خورشیدی با توجه به نوری که به زمین می رسد، به مکان، زمان و شرایط آب و هوایی بستگی دارد و در شرایط متفاوت میزان این انرژی نیز متفاوت است.

زمین گرمایی یا ژئوترمال و تولید برق (Geothermal)

یکی دیگر از روش های طبیعی تولیدانرژی الکتریکی استفاده از گرمای درون زمین است.

گرمای درون هسته ی داخلی زمین که مدام در حال تولید شدن است، حرارتی در حدود گرمای سطح خورشید دارد که از آن میتوان هم برای ایجاد انرژی گرمایی و هم تولید الکتریسیته استفاده کرد.

زیست توده و تولید برق (Biomass)

زیست توده یک ماده ی عالی تجدیدپذیر حاوی انرژی شیمیایی ذخیره شده از خورشید در گیاهان و حیوانات است که از طریق عمل فتوسنتز توسط گیاهان تولید شده و جهت ایجاد گرما مستقیماً سوزانده می شود.

منابع زیست توده جهت تولید برق شامل موارد زیر می باشد:

• چوب و ضایعات چوب (wood and wood waste)
• زباله جامد شهری (Municipal solid waste)
• گاز و بیوگاز محل دفن زباله ها (Landfill gas and biogas)
• اتانول (Ethanol)
• بیودیزل (Biodiesel)

انتقال برق (Transmission)

فرآیندی که طی آن توان الکتریکی از نیروگاه یا مولد به تولید کننده ها و یا ایستگاه های توزیع تحویل داده می شود را انتقال الکتریکی می نامند.

انتقال الکتریکی این شرایط را فراهم میکند که مصرف کنندگان بدون پذیرش هزینه های تولید و آلودگی های ناشی از آن در نقاط مختلف از انرژی الکتریکی بهره مند شوند.

سهولت در انتقال و توزیع انرژی الکتریکی به ویژه در مسافت های طولانی یکی از مزایای این انرژی محسوب می شود که در مقایسه با سایر انرژی ها قابلیت دسترسی بیشتری دارد.

بطور کلی انتقال انرژی الکتریکی به سه طریق انجام می شوند که در فواصل طولانی از طریق خطوط هوایی، در مناطق پرجمعیت شهری به وسیله ی خطوط زیرزمینی و در مقیاس های بزرگ و مسیرهای طولانی از طریق HVDC یا جریان مستقیم صورت می گیرد.

خطوط انتقال زمینی

در ابتدا اتصال برق از طریق خطوط زمینی صورت می گرفت اما رفته رفته و در طول زمان جای خود را به خطوط انتقال هوایی داد که دلایل متعددی از جمله موارد زیر داشت:

• هزینه ی بالای حفاری و ایجاد کانال های زیرزمینی
• نیاز به وجود جعبه های انشعاب، ایستگاه های توزیع و تابلوهای برق جهت گرفتن انشعاب
• هزینه ی بالای عیب یابی این خطوط به دلیل عدم دسترسی آسان به آنها

اما با وجود این نقاط ضعف، استفاده از این نوع انتقال الکتریکی این مزی را دارد که در مقایسه با خطوط هوایی کمتر دچار مشکل شده و قطعی یا خاموشی آنها به مراتب کمتر است.

خطوط انتقال هوایی

خطوط انتقال هوایی انرژی الکتریکی از طریق احداث تیرها و دکل ها برای نگه داشتن کابل های انتقال در فواصل مشخص از سطح زمین صورت می گیرد.

در این خطوط چون از هوا به عنوان عایق الکتریکی کابل ها استفاده می شود این روش کم هزینه ترین و رایج ترین نوع انتقال می باشد.

در مقایسه با شبکه های زیرزمینی احداث شبکه های هوایی بسیار کم هزینه تر بوده و به این دلیل که در هر مکان و شرایطی قابلیت احداث این شبکه ها وجود دارد انتقال انرژی بسیار راحت تر و با سرعت بالاتری امکان پذیر است.

انتقال با جریان مستقیم یا HVDC

این روش انتقال الکتریکی در شرایط خاصی همچون فواصل طولانی و اتصال دو شبکه ی AC که با هم هماهنگ نیستند بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و به این صورت انجام می شود که هنگام انتقال از طریق مسیرهای طولانی این انرژی را از حالت ACبه DC تبدیل می کنند.

یکی از مزایای انتقال انرژی الکتریکی به صورتHVDC این است که هزینه ی بسیار بالای انتقال به صورت AC را به طور چشم گیری کاهش می دهد.

مزیت دیگری که استفاده از این روش دارد تثبیت دو شبکه ی اتصال AC متفاوت است.

زمانی که انتقال از دو شبکه AC متفاوت مثلاً دو شبکه متعلق به دو کشور متفاوت صورت می گیرد به دلیل ناهماهنگی، این اتصال با مشکل روبرو می شود که از طریق استفاده از روش HVDC به راحتی قابل رفع است؛به این صورت که در کشور اول که فرستنده ی انرژی است انرژی به حالت DC درآمده و پس از انتقال به کشور گیرنده مجدداً به حالت AC بازگردانده خواهد شد.

توزیع انرژی الکتریکی

مرحله ی نهایی که درواقع تحویل انرژی الکتریکی به دست مصرف کنندگان شخصی است را مرحله ی توزیع می گویند.

ولتاژ انتقال مقدار بالایی دارد به همین دلیل پست های توزیع که به سیستم های انتقال متصل هستند با استفاده از ترانسفورماتورها این ولتاژ را به ولتاژ متوسط بین 2 کیلو و 35 کیلوولت کاهش می دهند سپس خطوط توزیع اولیه این ولتاژ را به پست های توزیع در نزدیکی محل استفاده ی مشتری انتقال داده و ترانسفورماتورهای توزیع آنها را به ولتاژ قابل بهره برداری جهت لوازم خانگی، نور و یا تجهیزات صنعتی کاهش می دهند.

توزیع شهری معمولاً در زیرزمین و یا مجتمع های عمومی مشترک است، توزیع روستایی در سطح زمین و توزیع حومه به صورت ترکیبی است.

در محل نزدیک به مشترک یک ترانسفورماتور توزیع وجود دارد که ولتاژ توزیع اولیه را به ولتاژ پایین تر 120 ولت یا 240 ولت برای اماکن مسکونی تبدیل می کند و سپس برق از طریق یک کابل که به کنتور متصل است به مشترکان مسکونی می رسد.

کاربرد برق

امروزه برق در زندگی بشر نقش بسیار مهمی را ایفا می کند و تقریباً تمام وسایلی که در خانه، مشاغل و صنایع به کار می روند با انرژی الکتریکی کار می کنند و زندگی بدون برق تقریباً غیر قابل تصور است.

مواردی که در آنها برق برق مورد استفاده قرار میگیرد بسیار گسترده هستند که در زیر به اصلی ترین و مهم ترین نمونه های آنها اشاره می کنیم.

• کاربرد برق در شهرها
• کاربرد برق در کشاورزی
• کاربرد برق در مصارف صنعتی
• کاربرد برق در حمل و نقل
• کاربرد ارتباطی برق (مخابرات)