همه چیز در مورد تولید برق با استفاده از ژنراتور

ممکن است در حال حاضر نفت محبوب ترین سوخت در دنیا باشد اما این وضعیت به زودی تغییر خواهد کرد. خانه های امروزی اکثراً دارای سیم کشی برق هستند و طولی نخواهد کشید که همه ما از خودرو برقی استفاده خواهیم کرد. برق برای اکثر مصارف بسیار مناسب است، تولید آن به انواع روش ها و با استفاده از هرچیزی از زغال سنگ و نفت گرفته تا باد و امواج دریا امکان پذیر است. می توان آن را در جایی تولید و در جایی دیگر از آن استفاده کرد. می توان آن را تولید و در باطری ها ذخیره کرد و روزها، هفته ها، ماه ها و یا حتی سال ها بعد از آن استفاده کرد.

آنچه تولید انرژی الکتریکی را درعمل امکان پذیر می کند یک دستگاه الکترومغناطیسی فوق العاده به نام ژنراتور الکتریکی است. ژنراتور نوعی موتور الکتریکی است به شکل معکوس کار می کند و اشکال متداول انرژی را به الکتریسیته تبدیل میکند. در ادامه نگاه دقیق تری به ژنراتور ها و نحوه کار آن ها خواهیم داشت.

یک ژنراتور الکتریکی دیزلی مربوط به اواسط قرن بیستم. عکس از موزه نیروگاه های برق REA در نزدیکی همپتون در آیووا گرفته شده است.

فهرست مطالب این مقاله:

1. برق از کجا می‌آید؟
2. برق چگونه تولید میشود؟
3. ژانراتور چگونه کار میکند؟
4. ژانراتورهای جریان مستقیم یا DC
5. آلترناتور AC
6. ژنراتورها در عمل
7. یک ژنراتور چقدر توان تولید میکند؟
8. ژنراتورهای قابل حمل

در همین خصوص ببینید: آموزش پیشرفته etap 16

تولید برق به چه روش هایی انجام می شود؟

بهترین راه برای درک الکتریسیته یا برق این است که با نام درست و کامل آن شروع کنیم: انرژی الکتریکی. برای کار کردن وسایل و ابزارهای برقی، از توستر گرفته تا مسواک برقی، ام پی تری پلیر یا پخش کننده موسیقی و تلویزیون باید آنها را با استفاده از یک منبع ثابت انرژی الکتریکی تغذیه کنید.

پرسش مهم این است که این منبع کجاست؟ یک قانون پایه ای فیزیک با عنوان اصل پایستگی انرژی وجود دارد که نحوه تولید انرژی را توضیح میدهد. طبق قانون پایستگی انرژی در دنیا مقدار ثابتی انرژی وجود دارد. خبر بد این است که تولید انرژی بیش از این مقدار ثابت غیرممکن است. خبر خوب هم این است که این انرژی هرگز از بین نمی رود. بنابراین ما تنها می توانیم انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل کنیم.

یک ژنراتور الکتریکی بزرگ بخاری در یک نیروگاه زمین – گرمایی در شهر امپریال کالیفرنیا

اگر برای روشن کردن تلویزیون به برق نیاز داشته باشید، انرژی تولید نمی کنید چون طبق قانون پایستگی انرژی این کار غیرممکن است. بلکه انرژی را از شکلی دیگر به انرژی الکتریکی مورد نیاز خود تبدیل می کنید. این تبدیل انرژی در نیروگاه برق اتفاق می افتد که در محلی دور از خانه شما قرار دارد.

تلویزیون را به پریز برق متصل میکنید و انرژی الکتریکی از طریق سیم جریان پیدا می کند. طول سیم خیلی بیشتر از آن چیزی است که ممکن است تصور کنید. این سیم از تلویزیون شما بیرون می آید و از زیرزمین یا هوا تا نیروگاه برق می رود، جایی که انرژی الکتریکی از یکی از انواع سوخت ها مانند زغال سنگ، نفت، گاز یا انرژی هسته ای تامین می شود.

در عصر حاضر که سازگاری با محیط زیست اهمیت ویژه ای پیدا کرده است، بخشی از انرژی الکتریکی موردنیاز شما از توربین های بادی، نیروگاه های برق-آبی (که در آنها انرژی الکتریکی از آب رودخانه های پشت سد تامین می شود)، یا انرژی زمین گرمایی (حرارت پوسته های درونی زمین) تامین می شود. انرژی موردنیاز شما از هرجایی که تامین شود، در نهایت به کمک ژانراتور به الکتریسیته تبدیل می شود. فقط سلول های خورشیدی و سلول های سوختی بدون ژنراتور برق تولید می کنند.

برق چگونه تولید می شود؟

یک ژنراتور الکتریکی معمولی در آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر آمریکا. این ژنراتور میتوان تا 225 کیلو وات توان الکتریکی تولید کند برای آزمایش توربین های بادی مورد استفاده قرار می گیرد.

اگر مقاله مفصل ما را راجع به موتورهای الکتریکی مطالعه کرده باشید، تقریباً با نحوه کار ژنراتور ها آشنایی دارید. ژنراتور فقط یک موتور الکتریکی معکوس است. اگر آن مقاله را نخوانده اید، می توانید پیش از ادامه نگاهی به آن بیندازید. ما در اینجا خلاصه ای از آن را برایتان می آوریم:

موتور الکتریکی یک سیم پیچ مسی است که حول یک هسته آهنی پیچیده شده است و این هسته آهنی می تواند داخل یک آهنربای دائمی قوی با سرعت بالا بچرخد. وقتی سیم پیچ مسی را با جریان برق تغذیه می کنید، سیم پیچ تبدیل به یک آهنربای الکتریکی موقت میشود و یک میدان مغناطیسی در اطراف خود تولید می کند.

این میدان مغناطیسی موقت نیرویی خلاف میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنربای دائم به سیم پیچ وارد میکند و باعث چرخش آن میشود. با یک طراحی هوشمندانه می توان کاری کرد که سیم پیچ همواره در یک جهت به چرخش خود ادامه دهد و انرژی مکانیکی موردنیاز هر وسیله ای از مسواک برقی گرفته تا قطار برقی را فراهم کند.

بخش گردان (روتور) یک موتور الکتریکی معمولی کوچک. یک ژنراتور الکتریکی دقیقاً  از قسمت های مشابه تشکیل شده است با این تفاوت که به شکل معکوس کار میکند و انرژی حرکتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

تفاوت ژنراتور با موتور چیست؟

فرض کنید یک مسواک برقی با باطری قابل شارژ دارید. اگر به جای اینکه باطری انرژی لازم برای موتوری که مسواک را حرکت می دهد تامین کند، برعکس این کار را انجام دهید چه می شود؟ اگر شما به طور مرتب مسواک را به جلو و عقب حرکت دهید چه اتفاقی می افتد؟ با این کار شما به صورت دستی محور موتور الکتریکی را به حرکت در می آورید. درنتیجه سیم پیچ مسی داخل موتور، درون آهنربای دائمی آن شروع به گردش می کند.

اگر یک سیم رسانا را درون یک میدان مغناطیسی حرکت دهید، در سیم جریان الکتریکی ایجاد و در نتیجه برق یا الکتریسیته تولید می شود. بنابراین اگر برای مدت کافی به حرکت دادن مسواک ادامه دهید، در تئوری مقدار الکتریسیته لازم برای شارژ مجدد باطری را تولید خواهید کرد. این در واقع همان کاری است که ژنراتور انجام می دهد. البته ماجرا کمی پیچیده تر از این مثال است. همچنین در عمل شما نمی توانید به این روش باطری مسواک را شارژ کنید، اگرچه می توانید امتحان کنید و ببینید!

ژانراتور چگونه کار می کند؟

یک ژنراتور ساده، جریان متناوب (جریان الکتریکی که در فواصل زمانی معین تغییر جهت می دهد) تولید می کند. هر طرف ژنراتور (سبز یا نارنجی) یا به سمت بالا حرکت می کند یا به سمت پائین. با تغییر جهت حرکت سیم، جهت جریان گذرنده از آن نیز تغییر می کند. اگر شما روی سیم نشسته باشید نمی دانید سیم به کدام سمت حرکت می کند و تنها متوجه تغییر جهت جریان سیم در فواصل زمانی معین می شوید. در واقع شما فقط یک جریان متناوب می بینید.

یک سیم بلند بردارید و آن را به یک آمپرمتر وصل کنید (ابزار اندازه گیری جریان الکتریکی) و آن را بین قطب های یک آهنربا قرار دهید. سپس سیم را به سرعت درون میدان مغناطیسی نامرئی تولید شده توسط آهنربا حرکت دهید.

خواهید دید که یک جریان الکتریکی برای مدت زمان خیلی کوتاهی از سیم عبور میکند (آمپرمتر عبور این جریان را نشان می دهد). این اصل اساسی کار ژنراتور الکتریکی است که در سال 1831 توسط دانشمند انگلیسی، مایکل فارادی کشف شد.

اگر سیم را در جهت مخالف حرکت دهید، جریانی خلاف جهت جریان قبلی تولید می کنید. (برای تعیین جهت جریان میتوان از قانونی به نام قانون دست راست یا قانون ژانراتور استفاده کرد. قانون دست راست برعکس قانون دست چپ است که برای توصیف نحوه کار موتور کاربرد دارد).

رابطه جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی

نکته مهم این است که بدانید تنها در صورتی جریان الکتریکی در سیم ایجاد میشود که آن را داخل میدان مغناطیسی حرکت دهید (یا زمانی که آهنربا را به صورت عمود بر سیم حرکت می دهید که معادل حرکت دادن سیم در میدان مغناطیسی است). قرار دادن سیم در مجاورت آهنربا کافی نیست.

برای تولید برق، یا باید سیم در داخل میدان مغناطیسی آهنربا عمود بر آن حرکت کند یا برعکس. فرض کنید میخواهید برق زیادی تولید کنید. بالا و پائین کردن سیم برای مدت زمان طولانی کار جالبی نیست، بنابراین باید با سوار کردن سیم یا آهنربا روی یک چرخ روشی برای حرکت دادن سیم در میدان مغناطیسی پیدا کنید. وقتی چرخ را بچرخانید سیم و آهنربا نسبت به هم حرکت می کنند و جریان الکتریکی تولید می شود.

حالا می رسیم به قسمت جالب ماجرا. سیم را به شکل یک حلقه درآورید، آن را بین قطب های آهنربا قرار دهید و مانند شکل زیر آن را طوری تنظیم کنید که به صورت مداوم بچرخد. میبینید که با چرخاندن حلقه سیم، هر طرف آن (طرف نارنجی یا سبز) گاهی به سمت بالا و گاهی به سمت پائین حرکت میکند و با تغییر جهت حرکت سیم، جهت جریان گذرنده از آن نیز تغییر می کند. بنابراین یک ژنراتور خیلی ساده مانند این، جریان الکتریکی تولید می کند که هربار حلقه سیم یک نیم دور میزند، جهت آن معکوس می شود (به عبارت دیگر جریان متغیر یا AC). اگرچه، اکثر ژنراتور های ساده در عمل جریان مستقیم تولید می کنند، اما چگونه؟

ژانراتور جریان مستقیم یا DC

درست مثل یک موتور ‌ DC ساده که از برق جریان مستقیم یا DC برای ایجاد حرکت دورانی مداوم استفاده می کند، یک ژنراتور DC ساده هم وقتی می چرخد یک جریان الکتریکی مستقیم و پایدار تولید می کند. مانند یک موتور DC، ژنراتور DC نیز از یک کموتاتور یا جابجاگر استفاده می کند. به نظر پیچیده می آید، اما کموتاتور یک حلقه فلزی دارای شکاف است که به طور متناوب کنتکت های الکتریکی متصل به دو سر سیم پیچ ژنراتور را جابه جا و در نتیجه جهت جریان الکتریکی را معکوس میکند.

همانطور که مشاهده کردیم، یک حلقه سیم چون در حال گردش است به صورت اتوماتیک جهت جریان تولیدی را در هر نیم گردش تغییر می دهد و وظیفه کموتاتور خنثی کردن اثر گردش سیم پیچ و مستقیم نگه داشتن جریان الکتریکی است.

مقایسه بین ساده ترین ژنراتور DC و ساده ترین آلترناتور AC.

در این شکل سیم پیچ (خاکستری) بین قطب های آهنربای دائمی می چرخد. هربار که سیم پیچ یک نیم دور می زند، جهت جریان تولیدی در آن معکوس می شود. در ژنراتور DC (تصویر بالا)، یک کموتاتور هربار که سیم پیچ به نقطه نیم دور (یا 90 درجه روی دایره مثلثاتی) می رسد،جلوی تغییر جهت جریان را میگیرد. در آلترناتور AC (تصویر پائین)، کموتاتور وجود ندارد و بنابراین خروجی با گردش سیم پیج زیاد، کم و معکوس می شود. تغییرات جریان هر نوع از ژنراتو در نمودار سمت راست آن نمایش داده شده است.

همچنین به شما توصیه می کنیم: آموزش نقشه کشی برق صنعتی با eplan

آلترناتور AC

چطور میشود به جای جریان مستقیم، جریان متناوب یا AC تولید کرد؟ برای این کار نیاز به آلترناتور یا متناوب ساز دارید، که اگر بخواهیم ساده بگوییم یک ژنراتور AC است. ساده ترین آلترناتور مانند یک ژنراتور DC بدون کموتاتور است. همانطور که سیم پیچ یا آهنرباها در حال چرخش از کنار هم عبور می کنند، جریان نیز طبیعتاً کم، زیاد و معکوس می شود و منجر به تولید خروجی AC می شود.

درست مانند موتورهای القایی AC که در آنها به جای آهنربا های دائمی، از آهنربا های الکتریکی برای تولید میدان مغناطیسی گردان استفاده میشود، آلترناتورهایی نیز وجود دارند به صورت مشابه از طریق القا کار میکنند.

آلترناتورها عمدتاً برای تولید برق از موتور های خودرو به کار گرفته میشوند. در خودرو ها برای شارژ باتری ها در حال حرکت، از آلترناتور ها که توسط موتور های بنزینی به حرکت واداشته می شوند استفاده می شود (جریان AC توسط دیود ها یا مدارات یکسوساز به جریان مستقیم تبدیل می شود).

ژنراتور ها در عمل

آلترناتور یک ژنراتور الکتریکی است که به جای جریان مستقیم یا DC، جریان متناوب یا AC تولید می کند. در این تصویر شخصی در حال جدا کردن آلترناتور از موتور قایق است.

تولید برق ساده به نظر میرسد و این طور نیز هست. بخش دشوار ماجرا این است که برای تولید مقدار کمی توان باید کار مکانیکی زیادی انجام داد. آنهایی که انرژی موردنیاز برای روشن شدن چراغ دوچرخه دینام دارشان با حرکت چرخ ها تامین می شود، کاملا این موضوع را درک می کنند. برای افزایش نور چراغ های این دوچرخه ها باید خیلی سریع پدال بزنید و این تنها برای تولید توان الکتریکی ناچیزی است که برای روشن کردن چند چراغ کوچک لازم است.

دینام در واقع یک ژنراتور برق خیلی کوچک است. در ابعاد خیلی بزرگتر، در نیروگاه های برق، توان لازم برای حرکت ژنراتورهای غول پیکر توسط توربین های بخار تامین می شود. این توربین ها شبیه پروانه کشتی یا پره های آسیاب بادی هستند که با بخار آب حرکت می کنند.

بخار از طریق جوشاندن آب با استفاده از حرارت حاصل از سوختن زغال سنگ، نفت یا سوخت های دیگر تامین می شود. دقت کنید که قانون پایستگی انرژی در اینجا هم برقرار است. انرژی لازم برای حرکت ژنراتور از توربین و انرژی لازم برای حرکت توربین از سوخت ها تامین می شود. سوخت ها هم- اگر زغال سنگ یا نفت باشند –  از درختانی به دست می آیند که توسط انرژی خورشید تغذیه می شوند. موضوع ساده است: انرژی همواره از شکلی یه شکل دیگر تبدیل می شود.

یک ژنراتور چقدر توان تولید می کند؟

ژنراتور ها براساس توان تولیدی به وات (واحد اندازه گیری توان که میزان انرژی تولیدی در هر ثانیه را نشان می دهد) دسته بندی می شوند. همانطور که می توانید حدس بزنید، هر چه اندازه ژنراتور بزرگتر باشد، توان تولیدی آن نیز بیشتر است. در جدول زیر انواع ژانراتور ها به صورت تقریبی و غیر دقیق از بیشترین توان تا کمترین توان مرتب شده اند.

نوع توان بر حسب وات:

دینام دوچرخه 3
ژنراتور دستی قابل حمل 20
میکرو توربین بادی 500
دیزل ژنراتور کوچک 5000 (5 kW)
توربین بادی 2,000,000 (2 MW)

ژنراتور های قابل حمل

یک ژنراتور الکتریکی قابل حمل که با موتور دیزلی کار می کند

ما در اکثر اوقات قدر برق را نمی دانیم. ما چراغ ها، تلویزیون ها یا ماشین های لباسشویی را بدون مکث و فکر کردن در مورد منبع انرژی الکتریکی روشن می کنیم. اما اگر بیرون از خانه و درجایی دور از همه چیز باشید و هیچ منبع تغذیه ای برای به کار انداختن اره برقی با دریل الکتریکی خود نداشته باشید چه می کنید؟

یک راه، استفاده از ابزارهای بیسیم با باتری های قابل شارژ است. راه دیگر استفاده از ابزارآلات بادی مثل مته دستی است. این ابزارها کاملا مکانیکی هستند و از هوای فشرده به جای برق استفاده میکنند. گزینه سوم استفاده از ژنراتور های قابل حمل است. این دسته از ژنراتور ها یک موتور بنزینی ساده و مشابه موتور جمع و جوری هستند که در موتورسیکلت ها وجود دارند و به یک ژنراتور الکتریکی متصل هستند.

وقتی موتور بنزینی کار می کند و بنزین می سوزاند، یک پیستون را به عقب و جلو هل میدهد که باعث روشن شدن ژنراتور و تولید جریان الکتریکی پایدار می شود. به کمک یک مبدل میتوانید در هرجایی که بخواهید، از این ژنراتور برای تولید تقریبا هر ولتاژی استفاده کنید. تا زمانی که بنزین کافی دارید می توانید به طور نامحدود یک منبع تغذیه الکتریکی برای خود داشته باشید. اما قانون پایستگی انرژی را به یاد داشته باشید. اگر بنزین تمام شود، برق هم نخواهید داشت!