توربین ها، ژنراتورها و نیروگاه های برق 

همان طور که در مطلب (الکتریسته چیست؟) یاد گرفتیم، جریان برق از سیم ها عبور می کند تا چراغ ها، تلویزیون ها، کامپیوترها و دیگر وسایل برقی ما را روشن کند. اما این الکتریسیته از کجا می آید؟

در این فصل یاد می گیریم که چگونه در نیروگاه ها الکتریسیته تولید می شود. در چند فصل بعد، خواهیم آموخت که چگونه می توان با استفاده از منابع مختلف تولید گرما، الکتریسیته ایجاد کرد. در فصل 7، به نحوه انتقال برق از نیروگاه به منازل، مدارس، مراکز تجاری و غیره خواهیم پرداخت.

نیروگاه های حرارتی دارای دیگ های بزرگی هستند که در آن ها با استفاده از یک سوخت فسیلی، گرما تولید می شود. دیگ بخار مانند قوری چای بر روی یک اجاق گاز است. هنگامی که آب می جوشد، بخار از طریق سوراخ کوچکی که در بالای لوله قوری قرار دارد، خارج می شود. بخار در حال حرکت صدای سوتی ایجاد می کند که به شما می گوید آب در حال جوشیدن است. در نیروگاه ها، آب در داخل دیگ های بزرگ به جوش می آید و سپس بخار آب از طریق لوله های خیلی ضخیم به توربین پمپاژ می شود.

در بیشتر دیگ های بخار برای تولید گرما، چوب، زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی در محفظه های ویژه ای سوزانده می شوند. در داخل و بالای این محفظه سوخت، مجموعه ای از لوله ها وجود دارند که در آن ها آب داغ جریان دارد. انرژی گرمایی به داخل لوله های فلزی هدایت می شود، آب داخل لوله ها را گرم کرده و به نقطه جوش می رساند. آب در نقطه 212 درجه فارنهایت یا 100 درجه سانتی گراد به بخار تبدیل می شود.

تصویر سمت چپ بالا، یک نیروگاه کوچک را نشان می دهد. قسمت سیاه رنگ سمت چپ نیروگاه زغال سنگ است. منبع انرژی در این نیروگاه، زغال سنگ است که با سوختن آن در دیگ های بخار می توان آب را گرم کرد.

در تصویر سمت چپ، شما می توانید توربین و ژنراتور نیروگاه MSU  آمریکا را مشاهده کنید. لوله بزرگ سمت چپ، ورودی بخار است. سمت راست توربین قسمتی است که بخار از آن خارج می شود. بخار تحت فشار بالا به توربین اعمال می شود. توربین می چرخد و محور آن به یک توربوژنراتور (دستگاه مولد برق) متصل است که انرژی مکانیکی حرکت چرخشی را به الکتریسیته تبدیل می کند.

تصویر زیر مربوط به فن (هواکش) توربین، قبل از قرار گرفتن در داخل محفظه توربین است. شما می توانید نمای نزدیک پره های توربین را در شکل چهارم مشاهده کنید. یک توربین دارای صدها پره است که زاویه قرار گرفتن آن ها مانند پره های یک پنکه است. وقتی که بخار به پره ها برخورد می کند، این پره ها محور توربین را که به انتهای آن ها متصل شده است به گردش در می آورند.

معمولاً بخار پس از عبور از داخل توربین، وارد یک برج خنک کننده می شود که در آن جا دمای بخار کاهش می یابد. بخار خنک شده بار دیگر به آب تبدیل می شود. وقتی که لوله های داغ در تماس با هوای خنک قرار می گیرند، قسمتی از بخار آب موجود در هوا گرم می شود و بخار آب از بالای برج های خنک کننده خارج می شود. به همین علت است که شما گاهی اوقات ابرهای سفید بزرگ را می بینید که از بالای برج های خنک کننده خارج می شوند. بدیهی است که این ابرهای سفید دود نیستند، بلکه بخار آب هستند. البته این بخار آب، بخاری نیست که در توربین استفاده می شود.

آب سرد مجدداً به دیگ بخار برمی گردد و در آن جا دوباره حرارت داده می شود، این فرآیند بارها و بارها تکرار می شود.

بیشتر نیروگاه ها مجهز به سیستم های پاکسازی هوا هستند و از سوختن گاز طبیعی، برق تولید می کنند. سایر نیروگاه ها برای گرم کردن آب از نفت و یا زغال سنگ استفاده می کنند. در نیروگاه های هسته ای برای تولید برق، از انرژی هسته ای، جهت گرم کردن آب استفاده می شود. هنوز هم برخی دیگر از نیروگاه ها تحت عنوان نیروگاه های ژئوترمال، بدون نیاز به سوخت فسیلی از بخار آب یا آب داغی که به طور طبیعی زیر سطح زمین یافت می شود، استفاده می کنند. در فصل های بعد به آن دسته از منابع انرژی خواهیم پرداخت.

ژنراتور چگونه کار می کند؟

توربین توسط یک محور به توربوژنراتور متصل شده است. روی محور ژنراتور یک سیم پیچ طویل وجود دارد که یک آهنربای بسیار بزرگ را در بر می گیرد. شما می توانید در تصویر سمت راست، داخل یک سیم پیچ ژنراتور را با تمام سیم های آن مشاهده کنید.

محوری که از توربین خارج می شود به ژنراتور متصل است. زمانی که توربین می چرخد، محور و موتور هم به چرخش در می آیند. هنگامی که محور داخل ژنراتور می چرخد، یک جریان الکتریکی در سیم تولید می شود. ژنراتور الکتریکی، انرژی حرکتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

اساس کار ژنراتور با استفاده از اصل "القای الکترومغناطیسی" است که در سال 1831 توسط دانشمند انگلیسی، مایکل فارادی کشف شد. فارادی کشف کرد که اگر یک رسانای الکتریکی، مانند یک سیم مسی، در یک میدان مغناطیسی حرکت کند، جریان الکتریکی در داخل رسانا برقرار (القا) خواهد شد. بنابراین انرژی مکانیکی سیم متحرک به انرژی الکتریکی جاری در سیم تبدیل می شود.

سپس الکتریسیته تولید شده توسط ژنراتور، در سیم های انتقال دهنده بسیار طویل جریان پیدا می کند و به این ترتیب جریان برق از نیروگاه به منازل ما، مدرسه ها و  مراکز تجاری منتقل می شود. برای دانستن مطالب بیشتر در مورد خطوط انتقال به فصل 7 مراجعه کنید.

همه نیروگاه ها توربین و ژنراتور دارند. برخی از توربین ها به وسیله باد ، بعضی با آب  و برخی دیگر  توسط بخار به حرکت در می آیند.

مترجم: سحر حمیدی