نیروگاه حرارتی

در یک نیروگاه حرارتی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن مولدها به وسیله حرارتی که معمولاً از سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید تامین می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های حرارتی (یعنی در حدود86 درصد آنها) از بخار برای انتقال حرارت و ایجاد انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند و به همین دلیل این نیروگاه‌ها را نیروگاه‌های بخاری نیز می‌نامند. بر طبق قانون دوم ترمو دینامیک هرگز نمی‌توان تمامی انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد بنابر این همیشه مقداری از حرارت اضافی در محیط آزاد می‌شود, حال اگر از این حرارت برای انجام فرآیندهای صنعتی یا گرمایش ناحیه‌ای استفاده کنیم می‌توانیم راندمان استفاده از انرژی را بالا ببریم, این روش که در برخی تأسیسات حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد, سیستم ترکیبی گرما و نیرو یا CHP نام دارد. یکی از کاربردهای این روش که بیشتر در خاورمیانه مورد استفاده قرار می‌گیرد استفاده از انرژی حرارتی اضافی برای نمک زدایی آب است.

طبقه بندی از نظر نوع منبع انرژی

• نیرو گاه هسته ای که از یک رآکتور هسته ای برای تولید گرما و چرخاندن توربین‌های بخار استفاده می‌کند.
• نیروگاه سوخت فسیلی که انرژی گرمایی مورد نیاز را از سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت یا گاز طبیعی تامین می‌کند.
• نیروگاه زمین گرمایی که انرژی گرمایی مورد نیاز را از گرمای آب‌های گرم شده در اعماق زمین به دست می‌آورد.
• نیروگاه سوخت‌های تجدید پذیر که انرژی مورد نیاز خود را از سوزاندن ضایعات مزارع نیشکر, زباله‌های شهری, بیوگازها و دیگر منابع این چنینی تامین می‌کند.

طبقه‌بندی از نظر نوع عامل محرک

• توربین بخار: در این دستگاه‌ها از فشار دینامیکی بخار برای چرخاندن پره‌های دستگاه استفاده می‌شود. تقریباً همه توربین‌های بزرگ غیر آبی از این نوع هستند.

• توربین گازی: در این دستگاه‌ها از گاز به عنوان عامل محرک استفاده می‌شود. به عبارت دیگر این توربین‌ها از فشار گازهای ناشی از سوختن سوخت‌ها برای به حرکت درآمدن استفاده می‌کنند. مزیت این توربین‌ها در قابلیت راه‌اندازی سریع آنهاست و از این رو برای جبران مصرف بالا در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) از آنها استفاده می‌شود اما با این حال هزینه‌های مربوط به این توربین‌ها بالاست و بنابراین استفاده از آنها محدود است.
• چرخه مرکب: در این چرخه از ترکیبی از توربین‌های گازی و بخار استفاده می‌شود به این ترتیب که با سوختن سوخت از گازهای ایجاد شده برای به حرکت درآوردن توربین‌های گازی و از گرمای تولیدی از سوختن برای بخارکردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌های بخار استفاده می‌شود. استفاده از این روش به علت بازدهی بالای آن به سرعت در حال افزایش است.
• موتور احتراق داخلی: به طور کلی از این موتورها برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کوچک استفاده می‌شود. کاربرد این موتورها تنها به مناطق دورافتاده و سیستم‌های پشتیبانی مورد استفاده در بیمارستان‌ها, ساختمان‌های اداری و مراکز حساس محدود می‌شود. سوخت مورد استفاده در این موتورها را گازوئیل, نفت سنگین, گاز طبیعی و بیوگاز تشکیل می‌دهد.

خنک کنندگی

به دلیل محدودیت‌های موجود در اصول ترمودینامیک هر نیروگاه گرمایی مقداری انرژی را به صورت انرژی اتلافی از دست می‌دهد. در نیروگاه‌های هسته‌ای و یا برخی نیروگاه‌های گرمایی بزرگ از لوله‌های بسیار بزرگ هزلولی شکل برای آزاد کردن حرارت و یا بخار آب در جو استفاده می‌شود. در پالایشگاه‌ها, صنایع نفتی و برخی از نیروگاه‌های حرارتی بزرگ از یک سیستم خنک کنندگی با فشار هوا استفاده می‌شود. دراین نوع سیستم با استفاده از گردش هوای مصنوعی که به وسیله یک فن ایجاد می‌شود, گرمای تولیدی از یک فرآیند به آب منتقل می‌شود. در این روش به برج‌های خنک کننده بلند و هذلولی شکل نیاز نخواهد بود و سیستم خنک کننده بیشتر شبیه یک اتاقک مستطیل شکل است.در صحراها و مناطق خشک نیاز به یک رادیاتور یا برج خنک کننده خشک خیلی ضروری‌تر است چراکه هزینه فراهم آوردن آب برای یک سیستم خنک کنندگی با تبخیرآب بسیار بالا خواهد بود. استفاده از روش‌های خنک کنندگی خشک در مقایسه با روش‌های خنک کنندگی با تبخیر آب دارای راندمان پایین‌تر و نیاز به مصرف انرژی بیشتر در فن‌هاست.

در مواردی که از نظر اقتصادی ومحیط زیست مانعی وجود نداشته باشد, استفاده از آب دریا, دریاچه, رودخانه و در صورت امکان حوضچه‌های مصنوعی می‌توان مفیدتر باشد چراکه با این کار نیازی به ساخت برج‌های خنک کننده و یا پمپ کردن آب تا تبادل‌گرهای حرارتی نخواهد بود. البته باید به این نکته هم توجه داشت که آب بازگشتی از این فرآیند می‌تواند موجب ایجاد آلودگی گرمایی گردد.

دیگر منابع انرژی

بجز استفاده از سوخت‌ها راه‌های دیگری نیز برای تولید انرژی الکتریکی وجود دارد, در این روش‌ها برای تامین انرژی اولیه از منابعی مانند انرژی موج, انرژی جزر و مد, انرژی باد, انرژی تابش آفتاب یا انرژی پتانسیل گرانشی آب (هیدروالکتریسیته) استفاده می‌شود.

هیدروالکتریسیته

هیدروالکتریک یا تولید انرژی الکترکی از انرژی پتانسیل گرانشی آب, فرآیندی است که در آن با استفاده از نگه داشتن آب پشت یک سد و افزایش انرژی پتانسیل آن, از این انرژی پتانسیل برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. در این فرآیند از توربین‌های آبی برای انتقال انرژی آب به مولدها استفاده می‌شود.

ذخیره‌سازی انرژی هیدروالکتریک

این روش در واقع نوعی متعادل کننده مصرف در شبکه الکتریکی است که موجب کاهش یافتن هزینه تولید برق می‌شود. در این روش در طول ساعات کم مصرف شب از انرژی تولیدی نیروگاه برای پمپ کردن آب به مخازن بلند استفاده می‌شود و در واقع با این کار انرژی الکتریکی به انرژی پتانسیل آب تبدیل می‌گردد. با شروع ساعات پر مصرف یا ساعات پیک, چرخه برعکس خواهد شد یعنی آب موجود در مخازن پایین آمده و موجب تولید انرژی الکتریکی و ایجاد تعادل در شبکه می‌شود.

انرژی خورشیدی

مولد یا باتری خورشیدی (solar photovoltaic power plant) وسیله‌ای است که انرژی تابش خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که ممکن است برای تبدیل نوع جریان از DC به AC نیازمند مبدل نیز باشد. این نوع مولدها از ماشین‌های دوار برای تولید انرژی الکتریکی استفاده نمی‌کنند. از انرژی خورشیدی به روش دیگری نیز برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. برعکس باتری‌های خورشیدی که انرژی تابشی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند در صفحات گرمایی متمرکز کننده از انرژی تابشی برای گرم کردن آب و به حرکت درآوردن یک توربین استفاده می‌شود. در این روش از صفحات مخروطی شکل استفاده می‌شود این صفحات مخروطی نور را به سمت یک لوله محتوی یک سیال مثل روغن هدایت می‌کنند و در نهایت از روغن گرم شده برای گرم کردن آب و چرخاندن توربین استفاده می‌شود. یک نیروگاه از این نوع از صدها یا هزاران آینه برای متمرکز کردن نور استفاده می‌کند. البته برای تولید انرژی الکتریکی از تابش خورشید روش دیگری نیز وجود دارد, در این روش با تاباندن نور به کف یک حوضچه و گرم کردن آب کف حوضچه و با استفاده از اختلاف دمای آب, انرژی الکتریکی تولید می‌شود. البته تعداد نیروگاه‌های ساخته شده به این روش بسیار کم است.

انرژی باد

توربین‌های بادی می‌توانند در مناطقی پر باد که دارای شد باد ثابتی هستند مورد استفاده قرار بگیرند. در گذشته برای این نوع توربین‌ها طراحی‌های زیادی وجود داشت اما امروزه تقریباً تمام توربین‌های ساخته شده از نوع هلندی سه پره هستند. با پیشرفت علم طراحی این توربین‌ها, امروزه برق تولیدی از این روش ارزان‌تر و قابل اطمینان‌تر شده است. در توربین‌های بزرگ امروزی پره‌ها کوچک‌تر هستند و آرام تر می‌چرخند که این باعث ایجاد ایمنی بیشتر برای پرندگان و ایجاد زیبایی بصری بیشتر می‌شود. بااین حال هنوز هم در برخی اتفاده‌های خاص از توربین‌های قدیمی استفاده می‌شود.