پاورپوینت آشنایی با مهندسی برق گرایش سیستم های قدرت الکتریکی

آشنایی با مهندسی برق
(گرایش سیستمهای قدرت الکتریکی)

منابع انرژی پاک
تلاشهای بین المللی قابل توجهی در ایجاد منابع انرژی دیگر برای جایگزینی و تکمیل انرژی حاصل از سوختهای فسیلی انجام گرفته است.

بسیاری از منابع جدید (که بعضی از آنها در حقیقت قرن هاست که مورد استفاده قرار میگیرد!) در حقیقت از انرژی خورشیدی بوجودآمده اند، مانند باد، امواج دریا، تغییرات درجه حرارت اقیانوس و فتوسنتز.

روشهای غیر سنتی تولید برق که به انرژی پاک موسوم هستند در زیر مورد بررسی قرار می گیرند.

انرژی خورشیدی- تبدیل مستقیم به برق

مقدار متوسط انرژی خورشیدی دریافت شده در سطح زمین در حدود 600 وات در هر متر مربع میباشد، اما مطمئناً مقدار واقعی آن به مقدار قابل توجهی متغیر است.

تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی بروش فتوولتائیک دریک لایه نازک از مواد مناسب ، مثلا سیلیکون، صورت میگیرد.

وقتی جفت های الکترون–حفره به وسیله تابش فتونهای خورشیدی به مثلا سیلیکون حاصل میشود، جدا شدن این الکترون و حفره ها در پتانسیل الکتروشیمیایی بصورت ناپیوسته یک اختلاف پتانسیلی ایجاد میکند.

انرژی خورشیدی- تبدیل مستقیم به برق
در حالیکه راندمان تئوری حدود 25 درصد است، مقدار آن در عمل کمتر است. کریستالهای تک سلولی سیلیکون و گالیم–آرسناد با بازده به ترتیب %10 و 16% ساخته شده اند.

هزینه ساخت و اتصالات داخلی سلولها بالا است (امروزه در سفینه های فضایی بیشتراستفاده میشود).

اگرچه این دستگاهها تولید آلودگی نمی کنند، برای تولید زیاد انرژی، فضای زیادی را اشغال میکنند.

انرژی خورشیدی- تبادل حرارتی
در این روش کاربرد، انرژی خورشید باعث گرم شدن آب و تولید بخار آب و سپس افزایش درجه حرارت بخار آب و استفاده از آن برای تولید برق؛در یک نیروگاه مرکزی می شود

در بعضی شرایط آب و هوایی خاص که احتیاج به مقدار زیادی برق می باشد، شرکت برق ملزم به داشتن ذخیره مناسب است.

شمای یک دریافت کننده مرکزی برق توسط انرژی خورشیدی

شکل ساده یک پنل خورشیدی برای گرم کردن آب

توربین های بادی
توربین بادی از قدیم ابتدا بصورت آسیابهای بادی برای منظورهای مختلف مخصوصا تولید برق، مورد استفاده قرار گرفته اند.

تبدیل انرژی حرارتی دریا
در سال 1881 میلادی D'Arsonval پیشنهاد استفاده از تفاوت انرژی بین سطح و لایه های زیرین دریاهای استوایی را داد. برای اهداف عملی لایه ها لازم است که تا حد معقولی در نزدیکی یکدیگر قرار داشته باشند، جذب انرژی خورشیدی بوسیله لایه های سطحی آب دریا عمل کششی حرارتی( Thermal-syphon) )ایجاد کرده و آب گرم سطح دریا به سمت قطب های زمین جریان می یابند که در نتیجه آب سرد از طرف قطبها در عمق زیاد به سمت استوا بر میگردد.

تبدیل انرژی حرارتی دریا(ادامه)
جریان Gulf Stream در غرب کشور انگلستان حدود 2 کیلومتر مکعب در دقیقه آب گرم را به حریان می اندازد و مقدار انرژی آن فوق العاده زیاد است.
در نتیجه برای تولید توانهای بزرگ، مقدار وسیعی از آب، و واحد های تبدیل انرژی بزرگ مورد نیاز هستند. به همین طریق میتوان دراقیانوس منجمد شمالی از تفاضل دمای بین لایه های آن (مثلاً 2 درجه) و دمای هوای زیر صفرآن نواحی استفاده کرد.

انرژی ژئوترمال (زمین گرمایی)
در بسیاری قسمت های زمین مقدار وسیع حرارت در داخل زمین در عمق بسیار زیادی قرار دارد. در بعضی نقاط، با این وجود، چشمه های داغ یا چشمه های آبگرم و رودهای مواد (توده های) مذاب و گداخته به اندازه کافی به سطح زمین نزدیک هستند تا مورد استفاده قرار گیرند.
انرژی حرارتی از چشمه های داغ برای سالهای زیادی برای تولید برق ، از آغاز 1904 در ایتالیا مورد استفاده گرفته است. در آمریکا واحد های اصلی تولید توان بروش ژئوترمال در شمال کالیفرنیا، در یک محیط بخاری طبیعی که Geysers (چشمه آبگرم، جوشان) نامیده میشود، قرار گرفته اند.

انرژی ژئوترمال (زمین گرمایی)-ادامه
بخار از تعدادی چشمه به داخل توربین ها فرستاده میشود. توان مورداستفاده در حال حاضر در حدود 500 مگاوات قدرت دارد و کل ظرفیت آنهاحدود 2000 مگاوات پیش بینی شده است. به علت فشار و دمای پایینتر نسبت به واحد های با سوخت فسیلی، راندمان آنها کمتر از واحد های تولید برق با سوخت فسیلی است، اما هزینه سرمایه گذاری کمتر است و مطمئناً سوخت در این حالت رایگان است.

انرژی ژئوترمال (زمین گرمایی)-ادامه
چشمه های آبگرم یک محیط بخاری خشک ارایه میکنند که برای تولید توان توسط توربینهای بخار مناسبتر هستند.
انواع دیگر منابع انرژی ژئوترمال: آب داغ، صخره خشک داغ، آب تحت فشار در زمین و لایه های با تفاوت درجه حرارتی طبیعی در پوسته سخت زمین هستند.
عموما چشمه های فوق ترکیبی از بخار و آب داغ تولید کرده که این ترکیب بسیار کمتر از چشمه های با بخار خشک مورد استفاده قرار میگیرد.

تولیدبرق بروش (MHD) Magneto Hydro Dynamic
در روش فوق، گازها در دمای 2500 درجه سانتیگراد از داخل محفظه ای که در آن یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد شده است عبور داده میشود. اگر گاز به اندازه کافی داغ باشد،از نظر الکتریکی تا حدودی هادی خواهد بود (از پتاسیم مخلوط در گاز برای افزایش درجه هدایت استفاده می شود).این عمل مشابه حرکت یک هادی در یک میدان مغناطیسی خواهد بود. در نتیجه یک e.m.f (نیروی الکترومغناطیسی)بوجود میآید که میتوان آن را توسط الکترودها در محلهای مناسب خارج کرد.

تلاشهای زیادی در حال حاضر در بعضی از کشورها در حال انجام است تا یک ژنراتور MHD بزرگ اقتصادی ساخته شود. در شکل عملی آن این سیستم در کنار نیروگاههای سنتی مورد استفاده قرار میگیرد.

استفاده از انرژی موج Wave Energy
مقدار انرژی امواج دریا بسیار بالا است. امواج اقیانوس اطلس در شمال غربی سواحل بریتانیا دارای متوسط مقدار توان 80 کیلووات در متررا دارد. مسلما انرژی حاصل خیلی متغیر است.
استفاده از انرژی موج در کانال ها از دیرباز مطرح بوده است. مشکلات تکنیکی و اقتصادی وجغرافیایی بسیار زیادی در استفاده ازاین انرژی وجود دارند.
یک واحد استفاده از انرژی موج در La Rance در شمال فرانسه جایی که ارتفاع موج به 9.2 متر و جریان آن 18000 مترمکعب در ثانیه تقریب زده شده، ساخته شده است.

نمونه ای از Salter cam (Duck) برای استفاده از انرژی موج دریا

استفاده از انرژی موج Wave Energy -ادامه
یک روش سودمند در استفاده کردن از موج دریا، هدایت امواج دریا به داخل یک محفظه وهمزمان استفاده از این جریان آب در یک توربین برای تولید برق است. سپس در زمانی که ارتفاع موج کم است با جریان برگشت آب ذخیره شده بدریا از طریق یک سری دیگر از توربینها تولید برق میکنند. این عمل باعث پیوستگی در استفاده از توربین های مختلف برای تولید برق در ارتفاعهای آب متفاوت میشود
در نتیجه،در بیش از صدها کیلومتراز ساحل، یک منبع انرژی وسیع وجود دارد.

استفاده از انرژی جذر و مد دریاTidal Energy
یک روش دیگر در استفاده کردن از موج دریا، استفاده از انرژی جذر و مد دریا است.

در ساعات مد دریا، آب را به داخل یک محفظه هدایت میکنند و سپس در زمان مد دریا که ارتفاع آب کم است با جریان برگشت آب ذخیره شده به دریا، با استفاده از این جریان آب در چند توربین برای تولید برق استفاده می شود.

ذخیره سازی انرژی
مشکلات وسیع در ذخیره سازی برق در هر مقدار زیادی موجب شکل دهی تکنولوژی سیستمهای قدرت، به صورتی که امروزه وجود دارد، شده است.

روشهای گوناگونی برای ذخیره سازی انرژی در ابعاد بزرگ، که میتواند به انرژی برق تبدیل شود، وجود دارد.

ذخیره سازی انرژی-ادامه
هر نوع ذخیره سازی ، به هر حال گران است و محاسبات اقتصادی باید مورد توجه قرار گیرد.

روشهای معمول ذخیره سازی انرژی برای تبدیل به انرژی برق امروزه به این ترتیب هستند: روشهای ذخیره- تلمبه ای ،هوای متراکم شده، حرارت، گاز هیدروژن، باتری های ثانویه.

ذخیره سازی انرژی-نیروگاه تلمبه ذخیره ای
یک روش استفاده از مزیت نیروگاه آبی در جایی که منابع آب مناسب در دسترس نیست استفاده از روش تلمبه-ذخیره ای میباشد.
این نیروگاه شامل مخزن آب دردو سطح بالا و پایین است و واحد توربین ژنراتورها به بصورت پمپ-موتوری مورد استفاده قرار میگیرد.
مخزن آب بالایی دارای ذخیرهسازی کافی معمولاً 4-6 ساعت برای تولید در بار کامل با یک مخزن رزرو 1-2 ساعتی میباشد.

ذخیره سازی انرژی-نیروگاه تلمبه ذخیره ای-ادامه
روش کار به این ترتیب است:
در طول زمانهای قله بار در شبکه،جریان آب از مخزن آب بالایی بسمت مخزن آب پاییینی حرکت کرده توربینها را در شرایط طبیعی می چرخاند.ژنراتور های چرخانیده شده توسط توربین تولید برق می کنند.

در طول شب در حالی که تنها نیروگاههای بار پایه زیر بار هستند و برق به صورت ارزانترین حالت تولید میشود، ژنراتور ها سپس به بصورت موتور سنکرون مورد بهره برداری قرار گرفته و توربین ها را که اکنون به صورت تلمبه کار میکند می چرخانند و آب در مخزن آب پایین تر تلمبه زده شده و به مخزن بالایی برگردانیده میشود و برای قله بار روز بعد آماده میشود.

ذخیره سازی انرژی-نیروگاه تلمبه ذخیره ای-ادامه
بازده معمول این واحد ها بصورت زیر است:
برای موتور و ژنراتور 96%،
برای تلمبه و توربین 77% ،
برای لوله کشی و تونل 97%،
وبرای انتقال توان 95%
که بازده کل %67 درصد میشود.

ذخیره سازی انرژی-ذخیره سازی هوای فشرده شده
هوا به داخل محفظه های بزرگ (مثلا غار های زیر زمینی یا معدن های قدیمی) در شب تلمبه زده میشود و برای قله های بارهای روز برای چرخانیدن توربین های گازی استفاده میشود.
برای نصب یک واحد 290 مگاولت آمپر در آلمان، در سال 1975 مبلغی در حدود 100 دلار بر کیلووات هزینه شد. این واحد انرژی 580 مگاوات-ساعت مربوط به ساعات قله برق را تولید میکند.
انرژی ذخیره شده مساوی با حاصل ضرب فشار در حجم هوای ذخیره شده است. هوای متراکم شده موجب سوختن سوخت در توربینهای گاز به میزان 2 برابر بازده معمول میشود.

ذخیره سازی انرژی – ذخیره سازی حرارت

هیچ ذخیره سازی در مقیاس بزرگ که حرارت در آن دخیره شود هنوز بصورت عملی مورد بهره برداری قرار نگرفته است.

آب دارای مزیت های زیادی است. مثلا آب می تواند بعنوان یک ابزار جهت ذخیره سازی حرارت استفاده شود. سدیم مایع همچنین برای ذخیره سازی حرارت پیشنهاد شده است

ذخیره سازی انرژی – ذخیره سازی حرارت-ادامه

در یک نیروگاه بخاری، اگر بار کم باشد، قدرت دیگ های بخار را میتوان برای قدرت خروجی بار کامل نگهداشته و از بخار ناخواسته برای گرم کننده های آب و ذخیره سازی حرارت استفاده کرد.

در طول زمانی که ژنراتور در بار کامل کار میکند،گرمای ذخیره شده برای گرم کردن آب ورودی به دیگ بخار استفاده می شود.

ذخیره سازی انرژی-باتری های ثانویه
استفاده از باتری در مقیاس بزرگ اقتصادی نبوده و دو محلی که استفاده از باتریهای ثانویه زیاد است در اتومبیل و منابع انرژی با تولید برق نوسانی محلی مانند توربین های بادی و واحد های خورشیدی است.

باتری اسید سربی معمول، با وجود آنکه قیمت معقولی دارد دارای چگالی انرژی کم حدود 15 وات-ساعت برای هر کیلوگرم است.

باتری های نیکل-کادمیم بهتر هستند(حدود 40 وات-ساعت برای هر کیلوگرم)، اما بسیار گرانتر هستند.

ذخیره سازی انرژی-باتری های ثانویه-ادامه

باتری سدیم–سولفور(حدود 200 وات-ساعت برای هر کیلوگرم)در حال توسعه به مقدار زیادی هستند. این باطریها دارای یک الکترولیت جامد و الکترودهای مایع است و در دمای 300 درجه کار میکند.

تحقیقات در جهت ساخت باطری از ترکیبات دیگر مواد برای افزایش قدرت خروجی و ذخیره سازی بیشتر در واحد وزن در حال انجام است.

ذخیره سازی انرژی-پیل های سوختی
یک پیل سوختی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی با استفاده از واکنش های الکتروشیمیایی تبدیل میکند.
سوخت(هیدروژن)بطور پیوسته به یک الکترود تغذیه میشود و یک اکسید کننده(معمولاً اکسیژن)، در الکترود دیگر تولید میشود.

ذخیره سازی انرژی-پیل های سوختی-ادامه
در یک پیل سوختی هیدروژن-اکسیژن ، گاز هیدروژن در یک الکترود فلزی پر منفد پخش میشود(نیکل). یک کاتالیز در الکترود اجازه جذب H2 در سطح الکترود را بصورت یون های هیدروژن می دهد. یون های هیدروژن با یونهای هیدروکسیل در الکترولیت واکنش میدهند و آب تولید می شود

در حال حاضر هزینه پیلهای سوختی بسیار بالا است و استفاده زیاد آنها در آینده به کاهش اساسی در هزینه بستگی دارد.

ذخیره سازی انرژی-سیستمهای انرژی هیدروژن
در سالهای اخیراستفاده از هیدروژن به عنوان واسطه برای انتقال و ذخیره انرژی انجام شده است.
گرما زایی گاز هیدروژن زیاد و در شرایط متعارف 12 میلیون ژول در مترمکعب است.
استفاده از هیدروژن برای سوخت هواپیما و اتومبیل نیز مطرح است
فاکتورهای امنیتی و قابل انفجار بودن مخازن هیدروژن دلیلی برای استفاده غیر عمومی از آن می باشد

ذخیره سازی انرژی-سیستمهای انرژی هیدروژن-ادامه
مزیت اساسی هیدروژن مطمئناً این است که میتواند ذخیره شود و عیب اساسی نیز این است که از آب با عمل الکترولیز بدست میآید.
روشهای دیگر تولید تحت بررسی آزمایشگاهی هستند.مثلا استفاده از حرارت نیروگاهای اتمی برای شکستن اتم ملکول آب و آزاد سازی هیدروژن وجود دارد، ولی اشکال آن نیاز به دمای 3000 درجه است.
الکترولیز کننده های بسیار بزرگ می توانند بازدهی در حدود 60 درصد بدست آورند. این بازده جمعا با بازده تولید برق یک نیروگاه اتمی رویهم، بازده تولید هیدروژن حدود 21 درصد را میدهد.

با تشکر از توجه شما

تعداد صفحات : 36 | فرمت فایل : پاورپوینت قابل ویرایش

بلافاصله بعد از پرداخت لینک دانلود فعال می شود