روش های تولید برق

تنها یک صاعقه می‌تواند حامل رقم حیرت برانگیز ۵ میلیارد ژول برق باشد، و به اندازه‌ای پرقدرت است که می‌توان ۱۵۰ میلیون لامپ را با استفاده از آن روشن کرد. این انرژی الکتریکی برای یک شهر کامل کافی بوده و به مدت یک روز از وابستگی به دیگر منابع انرژی بی نیاز خواهد شد.
برق به واسطه منابعی مانند آب، باد و اشعه‌های خورشیدی تولید می‌شود. اما این‌ها منابعی فرعی (غیرمستقیم) هستند. منابع اصلی (مستقیم) تبدیل انرژی به برق عبارتند از انرژی استاتیک، القای الکترومغناطیسی و انرژی شیمیایی. البته نباید فرآیند فوتوالکتریک (تبدیل نور به انرژی الکتریکی)، تبدیل مستقیم تفاوت‌های دمایی، انرژی هسته‌ای و … را نادیده گرفت.
مقدار بسیار فراوانی از حجم تولید برق توسط موتور‌های حرارتی حاصل می‌شود. حرارت مورد نیاز غالباً از طریق اشتعال سوخت‌های فسیلی، شکافت هسته‌ای و دیگر منابع انرژی قابل بازیافت تولید می‌شود. در ادامه به تکنیک‌های اصلی تولید برق می‌پردازیم.

اغلب توربین‌ها به وسیله یک ماده مایع یا گاز، که مانند حامل انرژی عمل می‌کنند، به چرخش درمی‌آیند. آن‌ها را می‌توان با باد یا آب جاری به چرخش واداشت. بخار نیز یکی از منابعی است که به توربین‌ها نیرو می‌بخشد. برای تولید این واسطه، آب را با کمک گرمای حاصل از روش‌هایی از قبیل شکافت هسته‌ای، زغال سنگ سوخته، گاز طبیعی یا نفت خام حرارت می‌دهند.

در نخستین اقدام باید توده‌های زغال سنگ را صاف و هموار کرد تا قطعه‌های زغال را ساخت و در کوره، که به دیگ بخار متصل است، قرار داد. پس از تحمل گرما و اشتعال، آب به جوش آمده و از برآیند بخار جهت چرخاندن توربین‌ها و تولید برق استفاده می‌کنند. روش جایگزین متد مزبور استفاده از سوخت محلول آبی زغال سنگ است. این روش به بهبود کارآمدی تولید نیرو کمک می‌کند. حدود چهل درصد از کل برق تولیدی سیاره زمین از زغال سنگ گرم مشتق می‌شود.

نواحی درونی کره زمین توده‌های عظیم گرما را در خود ذخیره کرده اند. این گرما اساساً از قسمت‌های ذوب شده درونی زمین به پوسته آن منتقل می‌شود. منابعی مانند چشمه‌های آب گرم، آبفشان‌ها و سفره‌های آب زیرزمینی توسط جایگاه‌های نیروی حرارت مرکزی زمین به کار انداخته می‌شوند. با کمک واسطه‌هایی مانند تزریق آب سرد و دیگر مایعات، بخار تولیدی چنین منابعی کنترل شده و از آن برای چرخاندن توربین‌ها و تولید الکتربرقیسیته استفاده می‌گردد. بیش از پانزده درصد کل برق تولیدی ایسلند از انرژی حرارت مرکزی زمین به تولید می‌رسد.

سرگین حیوانات، تراشه‌های درختان، بخش‌هایی از گیاهان (مانند شاخه‌ها و برگ‌ها)، مواد زباله‌های ارگانیک، توده حیوانات پوسیده و … نمونه‌های بارز توده‌های زیستی هستند. این مواد را می‌توان برای تولید گرما سوزاند و در تولید انرژی الکتریکی به کار گرفت. همچنین می‌توان برخی از منابع را برای تولید گاز زیستی جوشاند. گاز زیستی را می‌توان به سادگی سوزاند و با کمک گیاهان، نیروی گاز زیستی را به برق تبدیل کرد. توده‌های زیستی یکی از منابع نوید بخش و مهم انرژی تجدید پذیر هستند و استفاده از آن‌ها برای مقاصد تولید برق در حال افزایش است.

توربین مولد برق را می‌توان با جریان پرفشار آب نیز به کار انداخت. سد‌هایی که در میان جریان رودخانه‌ها بسته می‌شوند صرفاً به منظور ذخیره آب نیستند، بلکه برای تولید برق از طریق توربین‌ها نیز استفاده می‌شوند. این توربین‌ها در ایستگاه‌های ذخیره نیرو برپا شده اند. آبی که از ارتفاع زیاد سرازیر می‌شود برای عمل چرخش آن‌ها است. این آب ژنراتور‌ها را به ترتیب فعال می‌کند و سرانجام انرژی الکتریکی تولید می‌شود. در حال حاضر بیش از ۲۰۰۰ واحد نیروی هیدروالکتریکی در آمریکا وجود دارند و حدود هفت درصد از کل برق تولیدی منطقه را فراهم می‌آورند.

پیشرفت‌های سریعی در تولید برق از طریق نیروی کشندی نیز قابل مشاهده است. یکی از منابع انرژی پایان ناپذیر و مهم، واحد‌های کشندی هستند. این واحد‌ها از انرژی حاصل از امواجی که با نیروی فراوانی به سواحل برخورد می‌کنند، استفاده می‌کنند. توربین‌ها در نواحی زیرین مناطق شکن واحد‌های استوانه ای، یعنی مکانی که امواج با حدأکثر نیروی خود با آن برخورد می‌کنند، کار گذاشته می‌شوند. شتاب حرکتی سریع امواج کشندی به چرخش توربین‌ها کمک می‌کند و در نتیجه انرژی الکتریکی تولید می‌گردد. ژنراتور‌های سدبندی کشندی و بخار کشندی دو روش اصلی تولید برق از طریق نیروی امواج هستند.

برخلاف متمرکز کنندگان گرمای خورشیدی، این پنل‌ها نیروی خورشیدی را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند. این پنل‌ها ابتدا به عنوان بهترین دستگاه‌های متناسب با نواحی روستایی، که هیچ شبکه برق یا زیرساخت مناسبی در آنجا وجود ندارد، مورد توجه قرار گرفتند. اما اکنون، با افزایش آگاهی نسبت به مزیت‌های محیطی آنها، در مقیاس‌های بزرگی در سراسر جهان استفاده می‌شوند. آزمایشات بسیاری برای به جریان انداختن انرژی خورشیدی در حال راه اندازی هستند. آلمان بزرگترین تولید کننده پنل‌های قدرت زای خورشیدی است، در حالی که کشور‌های دارای پیشرفته‌ترین فنآوری، چین و ژاپن هستند. مواد مورد نیاز ساخت تراشه‌های خورشیدی عبارتند از: مونو کریستالین و پولی کریستالین، تلورید کادمیوم، سولفید مس و غیره. پنل‌ها به ماژول ها، که سپس با کمک کابل‌های مسی به وسایل مربوطه متصل می‌شوند، ضمیمه شده اند. سلول‌های قدرت زای خورشیدی جهت تولید برق در ساختمان ها، حمل و نقل عمومی (خودروها، کامیون ها، دوچرخه‌ها و غیره)، فضاپیما‌ها و ایستگاه‌های فضایی، شارژر‌های گوشی‌های همراه و … استفاده می‌شوند.

در هنگام شکستن یک هسته اتمی، واکنشی شیمیایی به نام شکافت هسته‌ای اتفاق می‌افتد. این فرآیند در رئاکتور‌های هسته‌ای انجام می‌پذیرد. در مراحل تولید نیروی هسته‌ای بیشترین استفاده از ماده معدنی به نام اورانیوم می‌گردد. این ماده در مرکز رئاکتور جای می‌گیرد و نوترون‌ها به صورت تصادفی در هسته رها می‌شوند. نوترون‌ها با هسته اورانیوم اتم حاصل از شکافت برخورد می‌کنند و به خلق زنجیره‌ای از واکنش‌ها می‌انجامند. در نتیجه واکنش‌های مزبور مقدار فراوانی گرما در هسته تولید می‌شود. اما در اینجا سرد کننده‌ها وارد عمل شده و گرمای جذب شده را سرد کرده و از طریق لوله به دیگ بخار منتقل می‌کنند. سپس گرمای سرد کننده‌ها از میان دیواره‌های لوله ای، که آب حاصل از منابع طبیعی مجاور را می‌جوشاند، عبور می-کند. اکسیژن گرم شده به بخار تبدیل می‌شود و توربین را برای تولید برق به چرخش درمی آورد. مشکل اصلی این روش عبارت است از تولید زباله هسته‌ای که ضرر‌های فراوانی برای محیط زیست در پی دارد.

دستگاه‌های تولید برق که با کمک انرژی شیمیایی مشتق شده از سوخت‌های خاص عمل می‌کنند، سلول‌های سوختی نامیده می‌شوند. واکنشی شیمیایی در این دستگاه‌ها اتفاق می‌افتد که سوخت، عامل اکسیدیزه کردن و اکسیژن را فعال می‌کند. برخلاف وسایلی به نام باتری که نیازمند ذخیره محدودی از مواد شیمیایی هستند و می‌توان آن‌ها را چندین بار مجدداً شارژ کرد (و در گوشی‌های همراه، رادیوها، لپ تاپ‌ها و کامپیوتر‌ها استفاده می‌شوند)، آن‌ها نیازمند یک مخزن همیشگی سوخت و مواد شیمیایی مورد نیاز هستند. هیدروکربن ها، هیدروژن و متانول تعدادی از سوخت‌های نمونه مورد استفاده در این روش هستند. البته در این میان هیدروژن عنصر ترجیحی سوخت این دستگاه‌ها می‌باشد. قابلیت اطمینان این دستگاه‌ها نسبت به روش‌های دیگری مانند واحد‌های تولید برق مبتنی بر زغال سنگ، توربین‌های بادی و برق تولیدی پنل‌های قدرت زای خورشیدی بیشتر است. این دستگاه‌ها به دلیل کارآمدی ۹۹ درصدی خود به طور گسترده در کاربرد‌های تجاری فراوانی استفاده می‌شوند. می‌توان گفت: این فنآوری یکی از نوید بخشترین فناوریهای در حال ظهور است که ممکن است در آینده نزدیک از دیگر روش‌ها پیشی بگیرد. هنوز تحقیقات درباره تولید چنین دستگاه‌هایی در ارتباط با ایمنی محیط و حفظ منابع طبیعی در حال انجام است.
علاوه بر آنچه که مورد بحث قرار گرفت، روش‌های تولید برق دیگری نیز وجود دارند (برای مثال باتری ها، برق استاتیک، کریستال‌های فیزوالکتریک و …) که آزمایشات فراوانی در خصوص این موارد نیز صورت گرفته اند. این روش ها، در مقایسه با روش‌های توضیح داده شده، در مقیاس نسبتاً کوچکتری کاربرد دارند. نوآوری در این حوزه شاید به سوی به حدأقل رسانی استفاده از منابع انرژی غیر قابل تجدید تولید برق هدایت شود.

۱۱. انرژی جریان اقیانوسی

۱۲. انرژی گرمایی اقیانوس

۱۳. انرژی نوری