انواع نیروگاه (هسته ای، خورشیدی،بادی و ...)-قسمت سوم

دیدگاه تاریخی

در سال 1942 ،انريكو فرمی، دانشمند ايتاليايی، نشان داد كه چگونه می توان از هسته اورانيوم ، گرما توليد نمود وی ساختمانی را در زير زمين فوتبال دانشگاه شيكاگو ساخت و در آنجا آزمايش هايی در رابطه با اين نظريه انجام داد البته مبنای تئوری شكاف هسته در سال 1935 توسط دو دانشمند آلمانی به نام های هان و استراسمن كشف گرديده بود طبق نظر اين دو دانشمند اگر نوترون به هسته اتم های سنگين مثل اورانيوم برخورد كند، آن هسته شكافته شده و انرژی زيادی آزاد می كند، البته در اين عمل نوترون های جديدی نيز آزاد می شوند. 

در سال 1954 اولين نيروگاه هسته ای در روسيه ساخته شد و با توان 5 MW برق توليد نمود پس از آن در سال های 1956 در انگلستان و در سال 1957 در آمريكا نيروگاه هسته ای ساخته شدند.

اورانيوم به صورت سنگ معدن استخراج شده سپس خرد می شود و بوسيله مواد شيميايی از مواد ناخالصی جدا می شود حاصل اين فرايند اكسيد اورانيوم زرد رنگ می باشد، كه به مقدار وسيع در ساخت شيشه های رنگی و ظروف سفالی به كار می رود البته در اين مرحله اورانيوم 60 الی 80 درصد خالص شده است اما برای يك نيروگاه بايستی اورانيوم به مقدار 3/99 خالص شده و فقط شامل اورانيوم 238  باشد. حاصل اين فرايند اورانيوم غنی شده می باشد.

 برای كنترل انرژی هسته ای تمهيداتی انديشيده می شود برای كم و زياد كردن واكنش هستهای، مقدار اورانيوم شركت يافته در واكنش هسته ای را زياد يا كم می نمايند و اين كار به سادگی توسط وارد كردن يا خارج نمودن ميله های اورانيوم از راكتور صورت می گيرد.

طرز استفاده از انرژی هسته ای

در نيروگاه هسته ای، گرمای حاصل از واكنشهای هسته ای باعث بخار شدن آب میشود و بخار آب باعث به حركت در آمدن توربين ها می شود توربين ها مولد های برق را به حركت در می آورند حاصل اين زنجيره از تبديل های انرژی توليد برق میباشد.

همان طوركه مي دانید فعل و انفعال هسته ای به صورت زنجیره ای روی میدهد البته این فعل و انفعال بایستی تحت كنترل باشد بدیهی است عدم كنترل این فرایند باعث انفجار هسته ای مثل یك بمب اتمی خواهد شد.

مزایای نیروگاه هسته ای یا اتمی

1. نيروگاه هسته ای تميز و باعث خرابی كمتری در محيط زيست (نسبت به نيروگاه های نفتی و گاز) می شوند.
2. نيروگاه هسته ای اثر گلخانه ای ندارند و باعث باران اسيدی نمی شوند.
3. مساحت نيروگاه هسته ای در مقايسه با نيروگاه هايی مثل ذغال سنگ بسيار كمتر می باشد.
4.  استفاده از نيروگاه هسته ای مانع از بين رفتن سوخت فسيلی می شود. 
5. مقدار كمی سوخت قادر است مقدار قابل توجهی انرژی توليد كند.

معایب نیروگاه هسته ای یا اتمی

1.  باقی مانده سوخت هسته ای (زباله هسته ای) برای هزاران سال باقی می ماند.
2. نيروگاههايی كه به پايان عمر خود می رسند بايستی بدقت مورد حفاظت قرار گيرند.
3. كودكانی كه در نزديكی نيروگاه هسته ای هستند، به مقدار زيادی در معرض خطر سرطان میباشند.
4. تاسيس نيروگاه هسته ای بسيار گران و پر هزينه می باشد.
5. مردم عموماً از نيروگاه هستهای می ترسند.
6. منابع اورانيوم محدود هستند.
7.  منابع اورانيوم قابل بازيافت نمی باشند.
8. هزينه دفن زباله های هسته ای بسيار زياد می باشد و خطر نشت مواد راديواكتيو از اين زباله ها بسيار زياد اس

نیروگاه خورشیدی 

تكنولوژی دودكش خورشیدی در واقع از سه قسمت اصلی تشكیل شده است كه اولی جمع كننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودكش و قسمت آخر نیز توربینهای باد.

اصول کار

هوا در زیر یك سقف شفاف كه تشعشع خورشیدی را عبور میدهد، گرم میشود. باید توجه داشت كه وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یك كلكتور یا جمع كننده خورشیدی عمل میكند. در وسط این سقف شفاف یك دودكش یا برج عمودی وجود دارد كه هوای زیادی از پایین آن وارد میشود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی باشد كه منفذی نداشته باشد و اصطالحاً »هوا بند« شده باشد. بر همگان روشن است كه هوای گرم چون سبكتر از هوای سرد است به سمت بالای برج حركت میكند. این حركت باعث ایجاد مكش در پایین برج میشود تا هوای گرم بیشتری را به درون بكشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینكه بتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد میتوان از لوله ها یا كیسه های پرشده از آب در زیر سقف استفاده كرد. این موضوع بسیار ساده انجام میشود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب كرده وگرم میشود و در طول شب این حرارت را آزاد میكند. قابل ذكر است كه باید این لوله ها را فقط برای یكبار با آب پر كرده و به آب اضافی نیازی نیست. بنابراین اساس كار بدین صورت است كه تشعشع خورشیدی در این برج باعث ایجاد یك مكش به سمت بالا میشود كه انرژی حاصل از این مكش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مكانیكی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل میشود. 

برای ساخت یك مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریك مفصلی انجام شده كه آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراه داشت و نهایتاً در سال 1981 منجر به ساخت واحدی در (Manzanares )با توان تولید 50 كیلووات برق در منطقه مانزانارس 105  كیلومتری جنوب مادرید در كشور اسپانیا شد.

مناطقی که با رنگ قرمز مشخص شده بهترین مناطق برای تولید برق خورشیدی می باشد کشور ما نیز در منطقه نارنجی رنگ قرار گرفته که برای تولید برق خورشیدی مناسب است.

نیروگاه بادی

• یک نيروگاه بادی یا مزرعه ی بادی، مجموعهای از چندین توربین بادی است که در یک مکان قرار گرفته اند. یک نیروگاه بادی بزرگ میتواند شامل چندصد توربین بادی باشد.
•  در ماه اوت سال 1978 در ساحل دریای شمالی آلمان در ایالت اشلسویگ- هولاشتاین 32 توربین بادی با نوازشهای باد شروع به چرخیدن کردند. به این ترتیب نخستین مجتمع توربینهای بادی تولیدکنندهی انرژی وارد شبکه شدند. در آن زمان نمیشد هنوز از تأسیسات انرژی بادی سخن گفت.
• راندمان این توربینها چیزی میان 10  تا 25 کیلو وات بود. اما توربینهای بادی امروزه، 200 برابر راندمان آن روزها را دارند. امروزه توربینهای بادی دوش به دوش نیروگاه های اتمی و حتی بیش از آنها انرژی تولید میکنند. در ماه اوت سال 2007 انرژی تولیدی توسط نیروگاهای اتمی 21366 مگا وات بوده است. درعوض توربینهای سر به فلک کشیده 21383 مگا وات انرژی تولید کرده اند به این ترتیب پروژهای که بیست و یک سال پیش به سخره گرفته میشد، امروزه به یکی از پر درآمدترین بخش ها در صنعت جهان تبدیل شده است.
• بزرگترین نیروگاه بادی دنیا، نیروگاه بادی روسکو در تگزاس آمریکا است که توان نامی 781,5 مگاوات دارد
  . WTG(Wind Turbine Generators)ratings range from 25 kW to 3MW

1. پره های توربین
2. روتور
3. محل استقرار پره
4. ترمز
5. شفت سرعت آهسته
6. گیربکس
7. ژنراتور
8. کنترل کننده
9. بادسنج
10. میله بادنما
11. بدنه
12. شفت سرعت بالا
13. درایو تغییر جهت
14. موتور تغییر جهت
15. برج

محاسبه سرعت میانگین باد

بادها از یک قانون کلی تبعیت میکنند، ولی از لحاظ شدت روزانه و مدت وزش در هر نقطه از زمین بطور قابل مالحظهای تغییر می کند . سرعت باد نسبت به ارتفاع از سطح دریا تغییر میکند. با آزمایشهایی که انجام یافته ، نسبت توان تولیدی در ارتفاع 1500 متری به توان تولیدی در ارتفاع 50 متری برابر 25 و در ارتفاع 300 متری این نسبت برابر 10 میباشد.

تیروگاه آب تلمبه ای

وظیفه یک نیروگاه آب تلمبه ای ، پشتیبانی شبکه الکتریکی در ساعات اوج مصرف ساعات پیک است این نیروگاه تنها آب را در ساعات مختلف بین دو سطح جابجا میکند در ساعاتی که تقاضای برای انرژی الکتریکی پایین است با پمپ کردن آب به یک منبع مرتفع انرژی الکتریکی را به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل میکند.

در زمان اوج مصرف آب دوباره از مخزن به سمت پایین جاری میشود و با چرخاندن توربین آبی موجب تولید برق و رفع نیاز شبکه میگردد. این نیروگاه ها با ایجاد تعادل در ساعات مختلف موجب بهبود ضریب بار شبکه و کاهش هزینه های تولید انرژی الکتریکی میگردد.

تمامی تاسیسات 250 متر زیر زمین واقع شده است.(حداقل فشار بر روی محیط)

مزایای نیروگاه آبی تلمبه ای

1. عدم آلودگي و پس ماند
2. تاثیر کم بر چشم انداز
3. ایجاد فضا براي تفریح و ماهي گیري و ورزش هاي آبي

معایب نیروگاه آبی تلمبه ای

1. گران بودن
2. یك بار كه از آن استفاده شود ، نمي شود دوباره از آن استفاده كرد مگر آنكه آب را دوباره تلمبه كرده باشید. 

نیروگاه جزر و مدی

نکات اساسی در طراحی نیروگاه جزر و مدی

تفاوت عمده نیروگاه های جزر و مدی با نیروگاه های آبی سنتی در نحوه استفاده از منابع آب می باشد در نیروگاه های آبی سنتی با ایجاد یک مانع بوسیله سد در مسیر رودخانه ای که با شیب خاصی جریان دارد اختلاف ارتفاعی پدید می آید که رها سازی آب از آن ارتفاع و عبور آن از بین توربین ها سبب ایجاد انرژي می شود. در نیروگاه های جزر و مدی بطور خود به خود اختلاف ارتفاع مورد نیاز برای عملکرد توربین وجود ندارد و تنها در هنگام رخ دادن پدیده جزر و مد این اختلاف ارتفاع ایجاد مي گردد. در نیروگاههاي جزر و مدي بایستي به نحوي از ارتفاع ایجادشده در اثر بالا رفتن آب دریا و پائین آمدن آن استفاده نمود.

طراحي نیروگاههاي جزر و مدي مشابه نیروگاههاي آبي سنتي شامل سه قسمت جداگانه زیر است

1. نحوه عملکردی نیروگاه عملکردی
2. دایك براي ایجاد حوضچه ها و دریچه ها براي عبور آب از دریا به حوضچه ها و بالعكس
3. طراحي داخلي نیروگاه (شامل طراحي تجهیزات الكترومكانیكي و طراحي معماري و سازه هاي نیروگاه

 نحوه عملكرد نیروگاه جزر و مدی

تفاوت عمده نیروگاه هاي آبي سنتي و نیروگاه هاي جزر و مدي در نحوه عملكرد آنها مي باشد. نیروگاه هاي آبي در یكي از دو حالت عمده پیك یا بار پایه كار مي كند، اما نیروگاه هاي جزر و مدي به شكل سیكلي كار مي كنند. در نیروگاه هاي جزر و مدي بعلت اینكه در همه مواقع جزر و مد حداقل ارتفاع و دبي مورد نیاز براي عملكرد توربین ها موجود نیست باید زماني را براي پر شدن حوضچه و انتظار تولید برق در نظر گرفت. از نقطه نظر كاركرد در زمان حداكثر نیاز مصرف (پیك) این امكان نیز وجود دارد كه واحد در زمان پیك كار كند. در سیكل تولید انرژي در زماني كه امكان استحصال انرژي بین حوضچه و دریا وجود ندارد. مي توان عمل پمپاژ را انجام داد. در واقع نحوه عملكرد نیروگاه هاي جزر و مدي تابع ساعات وقوع جزر و مد و نیاز شبكه سراسري به كار كردن نیروگاه در بار پیك یا پایه مي باشد. بدین منظور براي تعیین ضریب تولید نیروگاه ابتدا باید محل از نقطه نظر شرایط توپوگرافي بازدید شود. تا تعیین گردد كه در آن محل چند حوضچه مي توان احداث نمود، چه ارتفاعي ایجاد مي شود، چندبار جزر و مد اتفاق مي افتد و سپس با انجام مطالعات اقتصادي طرح و بازار برق در مورد نحوه عملكرد نیروگاه تصمیم گیري شود.

نحوه و تجهیزات آبگیری در نیروگاه جزر و مدی

یكي دیگر از تفاوت هاي عمده نیروگاه هاي آبي سنتي با نیروگاه هاي جزر و مدي در نحوه آبگیري براي تولید انرژي مي باشد. در نیروگاه هاي جزر و مدي با ایجاد یك دایك، دریا را از حوضچه كه اغلب به شكل مصنوعي ایجاد مي كند جدا كرده و در امتداد دایك دریچه هاي آبگذر در همان راستا نیروگاه را بنا مي كنند. برخالف نیروگاههاي آبي سنتي كه جهت جریان آب همواره از سمت سد به سمت نیروگاه و در نهایت به سمت پایاب water Tailاست. در نیروگاههاي جزر و مدي جهت جریان مي تواند در سیكل هاي مختلف تغییر كند و از سمت حوضچه به دریا و یا از دریا به حوضچه باشد.

در نیروگاههاي جزر و مدي واحدهاي افقي جریاني مانند توربین هاي حبابي Turbine-Bulb نصب خواهند شد، بنابراین مجراي انتقال مناسب براي این توربین.ها كوتاه خواهد بود و در مجرا به ترتیب آشغالگیر، دریچه  Gateو بعد توربین قرار مي گیرند. در نیروگاه هاي آبي سنتي از مجراي آبگیر و دریچه هاي آن فقط در زمان آبگیري استفاده مي شود و تخلیه آب از طریق دریچه ها و مجراي لوله مكش انجام مي گیرد. لذا یكي دیگر از تفاوت.هاي نیروگاه هاي جزر و مدي با نیروگاه هاي آبي سنتي در این است كه در نیروگاه هاي جزر و مدي از مجرا هاي دریچه دار عبور آب در دو حالت پر و تخلیه شدن حوضچه استفاده مي شود.