منابع انرژی

علم برق

علم مبانی برق
همه چیز از اتم ساخته شده است

برای درک برق، برخی از اطلاعات اساسی در مورد اتم ها مفید است. اتم ها عناصر سازنده جهان هستند. همه چیز در جهان از اتم ساخته شده است – هر ستاره، هر درخت و هر حیوان. بدن انسان از اتم ساخته شده است. هوا و آب نیز از اتم ساخته شده اند. اتم ها آنقدر کوچک هستند که میلیون ها عدد از آنها روی سر یک سنجاق قرار می گیرند.

اتم ها حتی از ذرات کوچکتر نیز ساخته شده اند

مرکز یک اتم هسته نامیده می شود. هسته از ذراتی به نام پروتون و نوترون تشکیل شده است. الکترون ها به صورت پوسته ای به دور هسته می چرخند. اگر هسته به اندازه یک توپ تنیس باشد، اتم به اندازه کره ای به قطر حدود 1450 فوت یا به اندازه یکی از بزرگترین استادیوم های ورزشی جهان خواهد بود. اتمها بیشتر فضای خالی هستند.

اگر چشم غیر مسلح بتواند اتمی را ببیند، کمی شبیه یک خوشه کوچک از گلوله ها است که توسط حباب های غول ناپیدا (یا پوسته ها ) احاطه شده اند. الکترونها روی سطح حبابها قرار می گیرند، دائماً می چرخند و حرکت می کنند تا آنجا که ممکن است از یکدیگر دور شوند. الکترون ها توسط یک نیروی الکتریکی در پوسته های خود نگه داشته می شوند.

پروتون ها و الکترون های یک اتم به یکدیگر جذب می شوند. هر دو بار الکتریکی دارند. پروتون ها دارای بار مثبت (+) و الکترون ها دارای بار منفی (-) هستند. بار مثبت پروتون ها برابر با بار منفی الکترون ها است. اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند. یک اتم وقتی تعادل داشته باشد که تعداد پروتون و الکترون آن برابر باشد. نوترون ها هیچ بار ندارند و تعداد آنها می تواند متفاوت باشد.

تعداد پروتون های یک اتم نوع اتم یا عنصر را تعیین می کند. عنصر ماده ای است که از یک نوع اتم تشکیل شده است. جدول تناوبی عناصر نشان می دهد عناصر با عدد اتمی-خود تعداد پروتون دارند. به عنوان مثال، هر اتم هیدروژن (H) دارای یک پروتون و هر اتم کربن (C) دارای شش پروتون است.

الکتریسیته حرکت الکترون ها بین اتم ها است

الکترونها معمولاً در پوسته های دقیق با هسته اتم فاصله ثابت می مانند. پوسته نزدیک به هسته می تواند دو الکترون را در خود نگه دارد. پوسته بعدی می تواند تا هشت را در خود جای دهد. پوسته های بیرونی می توانند حتی بیشتر نگه دارند. برخی از اتم ها با تعداد زیادی پروتون می توانند به اندازه هفت پوسته با الکترون باشند.

الکترونهای موجود در پوسته های نزدیک به هسته دارای یک نیروی جذب قوی به پروتون ها هستند. بعضی اوقات، الکترونهای موجود در بیرونی ترین پوسته های یک اتم ، نیروی جذب زیادی به پروتون ها ندارند. این الکترونها را می توان از مدار خود خارج کرد. اعمال نیرو باعث می شود که آنها از اتمی به اتم دیگر منتقل شوند. این الکترونهای متحرک الکتریسیته هستند.

الکتریسیته ساکن در طبیعت وجود دارد

رعد و برق نوعی برق است. رعد و برق به الکترونهایی گفته می شود که از یک ابر به ابر دیگر منتقل می شوند یا الکترونهایی از ابر به زمین می پرند. آیا تا به حال احساس کرده اید که بعد از عبور از روی یک فرش یک شی an را لمس کنید؟ یک جریان الکترون از آن جسم به سمت شما پرید. به این الکتریسیته ساکن می گویند .

آیا تابحال با مالیدن بادکنک بر روی موهای خود صاف ایستاده اید؟ در این صورت، برخی از الکترون ها را از بالون مالیده اید. الکترون ها از بادکنک به داخل موهای شما حرکت می کنند. الکترون ها با حرکت به انتهای موهای شما سعی کردند از یکدیگر فاصله بگیرند. آنها یکدیگر را تحت فشار قرار داده یا دفع کردند و موهای شما را به حرکت در آوردند. همانطور که اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند، مانند اتهامات همدیگر را دفع می کنند.

آهن ربا و برق

چرخش الکترون ها در اطراف هسته یک اتم باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی کوچک می شود. الکترون ها در بیشتر اجسام به صورت تصادفی می چرخند و نیروهای مغناطیسی آنها یکدیگر را لغو می کنند.

آهن ربا متفاوت است زیرا مولکولهای آهن ربا به گونه ای مرتب شده اند که الکترونهای آنها در یک جهت می چرخند. این چیدمان و حرکت نیرویی مغناطیسی ایجاد می کند که از یک قطب شمال جوی و از یک قطب جنوب جوی خارج می شود. این نیروی مغناطیسی یک میدان مغناطیسی در اطراف یک آهنربا ایجاد می کند .

آیا تا به حال دو آهن ربا نزدیک به هم نگه داشته اید؟ آنها مانند اکثر اشیا عمل نمی کنند. اگر سعی کنید دو قطب شمال یا دو قطب جنوب را به هم فشار دهید ، آنها یکدیگر را دفع می کنند. اما اگر یک قطب شمال و یک قطب جنوب را کنار هم قرار دهید ، آهن ربا به هم می چسبد زیرا قطب های شمال و جنوب یکدیگر را جذب می کنند. درست مانند پروتون ها و الکترون ها – اضداد در آهن ربا جذب می شود.

از میدان های مغناطیسی می توان برای تولید برق استفاده کرد

از خصوصیات آهن ربا برای تولید برق استفاده می شود. میدان های مغناطیسی در حال حرکت الکترون ها را می کشند و هل می دهند. فلزاتی مانند مس و آلومینیوم دارای الکترونهایی هستند که بصورت آزاد نگه داشته می شوند. حرکت یک آهنربا به دور سیم پیچ سیم یا حرکت سیم پیچ به دور یک آهنربا، الکترون ها را در سیم هل می دهد و جریان الکتریکی ایجاد می کند. ژنراتورهای الکتریکی اساساً انرژی جنبشی (انرژی حرکت) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

باتری، مدار و ترانسفورماتور
باتری ها برق تولید می کنند

یک باتری الکتروشیمیایی با دو فلز مختلف در یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت برق تولید می کند. یک سر باتری به یکی از فلزات متصل است و سر دیگر آن به فلز دیگر متصل است. یک واکنش شیمیایی بین فلزات و الکترولیت، الکترونهای بیشتری را در فلز آزاد می کند تا فلز دیگر.

فلزی که الکترونهای بیشتری آزاد می کند، بار مثبت ایجاد می کند و فلز دیگر بار منفی ایجاد می کند. اگر یک هادی الکتریکی یا سیم، یک سر باتری را به سر دیگر متصل کند ، الکترون ها از طریق سیم جریان می یابند تا بار الکتریکی متعادل شود.

بار الکتریکی یک دستگاه است که با استفاده از برق به انجام کار و یا برای انجام یک کار است. اگر بار الکتریکی – مانند لامپ رشته ای – در امتداد سیم قرار گیرد، جریان برق از طریق سیم و لامپ می تواند کار کند. الکترون ها از انتهای منفی باتری از طریق سیم و لامپ عبور می کنند و به انتهای مثبت باتری برمی گردند.

جریان الکتریسیته به صورت مدارها حرکت می کند

قبل از اینکه الکترونها حرکت کنند، برق باید یک مسیر کامل یا مدار الکتریکی داشته باشد. دکمه سوئیچ یا خاموش شدن همه دستگاه های الکتریکی مدار الکتریکی دستگاه را بسته یا روشن می کند یا خاموش می کند. روشن یا خاموش کردن چراغ، مدار را باز می کند و الکترون ها نمی توانند از طریق نور عبور کنند. روشن کردن چراغ باعث بسته شدن مدار می شود كه باعث می شود برق از یك سیم برق از طریق لامپ و سپس از طریق سیم دیگر جریان یابد.

یک لامپ رشته ای با جریان برق از طریق یک سیم کوچک در لامپ، نور تولید می کند که بسیار گرم می شود و می درخشد. با شکستن سیم کوچک داخل لامپ، یک لامپ رشته ای می سوزد که باعث باز شدن مدار می شود.

ترانسفورماتورها به حرکت موثر برق در مسافت های طولانی کمک می کنند

برای حل مشکل ارسال برق در مسافت های طولانی، ویلیام استنلی دستگاهی به نام ترانسفورماتور تولید کرد. یک ترانسفورماتور ولتاژ برق را در یک رسانا یا خط برق تغییر می دهد. خطوط انتقال ولتاژ بالا، مانند آنهایی که بین برج های فلزی بلند آویزان هستند، برق را در فواصل طولانی به مکان مورد نیاز منتقل می کنند. برق ولتاژ بالاتر برای انتقال برق از راه دور کارآمدتر و هزینه کمتری دارد. برق ولتاژ پایین برای استفاده در خانه ها و مشاغل ایمن تر است. ترانسفورماتورها با انتقال برق از نیروگاه ها به خانه ها و مشاغل، ولتاژ را افزایش می دهند (افزایش می دهند) یا آن را کاهش می دهند (کاهش می دهند).

اندازه گیری برق
برق با وات و کیلووات اندازه گیری می شود

الکتریسیته با واحد قدرت بنام واتس اندازه گیری می شود که برای بزرگداشت جیمز وات، مخترع موتور بخار نامگذاری شده است. وات واحد توان الکتریکی برابر با یک آمپر تحت فشار یک ولت است.

یک وات مقدار کمی قدرت است. برخی از دستگاه ها برای کار فقط به چند وات نیاز دارند و سایر دستگاه ها به مقدار بیشتری نیاز دارند. مصرف برق دستگاه های کوچک معمولاً با وات و میزان مصرف برق دستگاه های بزرگتر با کیلووات (کیلووات) یا 1000 وات اندازه گیری می شود.

ظرفیت تولید برق غالباً در چند مگاوات کیلووات مانند مگاوات (مگاوات) و گیگاوات (GW) اندازه گیری می شود. یک مگاوات 1.000 کیلووات (یا 1.000.000 وات) و یک گیگاوات 1000 مگاوات (یا 1.000.000.000 وات) است.

مصرف برق با گذشت زمان در Watthours اندازه گیری می شود

Watthour (Wh) برابر با انرژی یک وات است که به مدت یک ساعت به طور مداوم از مدار الکتریکی تأمین یا از آن گرفته می شود. مقدار الکتریکی که نیروگاه تولید می کند یا مشتری برق از آن استفاده می کند معمولاً بر حسب کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) اندازه گیری می شود. یک کیلووات ساعت یک کیلووات است که به مدت یک ساعت تولید یا مصرف می شود. به عنوان مثال، اگر به مدت پنج ساعت از لامپ 40 وات (04/0 کیلووات) استفاده کنید، از 200 وات یا 0.2 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی استفاده کرده اید.

شرکت های تاسیساتی میزان مصرف برق را با کنتور اندازه گیری و کنترل می کنند

تاسیسات برق مصرف برق مشتریان خود را با کنتورهایی اندازه گیری می کنند که معمولاً در قسمت خارج از املاک مشتری در محل ورود خط برق به ملک قرار دارند. در گذشته، تمام کنتورهای برق دستگاه های مکانیکی بودند که یک کارمند خدمات مجبور بود آنها را به صورت دستی بخواند. در نهایت ، دستگاه های خودکار خواننده در دسترس قرار گرفتند. این کنتورها به طور دوره ای استفاده از برق را از کنتورهای مکانیکی با سیگنال الکترونیکی به برق می گویند. در حال حاضر، بسیاری از برنامه های کاربردی از متر هوشمند الکترونیکی، که دسترسی بی سیم به داده های مصرف برق متر را فراهم می کنند، برای اندازه گیری مصرف برق در زمان واقعی استفاده می کنند. برخی از کنتورهای هوشمند حتی می توانند میزان مصرف برق دستگاه های جداگانه را اندازه گیری کرده و به شرکت آب و برق یا مشتری امکان کنترل از راه دور برق را بدهند.

چگونه برق تولید می شود

ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که نوعی انرژی را به برق تبدیل می کند. انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد. بیشتر تولید برق جهان از ژنراتورهایی است که براساس کشف دانشمند مایکل فارادی در سال 1831 مبنی بر حرکت یک آهنربا به داخل سیم پیچ باعث ایجاد جریان الکتریکی در سیم می شود. او اولین ژنراتور برق را به نام دیسک فارادی ساخت که با این رابطه بین مغناطیس و برق کار می کند و منجر به طراحی ژنراتورهای الکترومغناطیسی می شود که امروزه ما استفاده می کنیم.

ژنراتورهای الکترومغناطیسی از آهنربای الکترومغناطیسی – آهنربا تولید شده توسط الکتریسیته – استفاده نمی کنند و از آهنربا سنتی استفاده نمی کنند. یک ژنراتور اساسی الکترومغناطیسی دارای یک سری سیم پیچ عایق بندی شده است که یک استوانه ثابت – به نام استاتور – را احاطه می کند که شافت الکترومغناطیسی را احاطه می کند – روتور نامیده می شود. چرخاندن روتور باعث ایجاد جریان الکتریکی در هر قسمت از سیم پیچ سیم می شود که به یک هادی الکتریکی جداگانه تبدیل می شود. جریان در بخشهای جداگانه با هم ترکیب می شوند و یک جریان بزرگ را تشکیل می دهند. این جریان الکتریکی است که از ژنراتورها از طریق خطوط برق به سمت مصرف کنندگان حرکت می کند. ژنراتور الکترومغناطیسی رانده شده توسط جنبشی (مکانیک) محرک اول برای تقریبا تمام تولید برق آمریکا هستند.

ژنراتورهای توربین دار

بیشتر تولید برق ایالات متحده و جهان از نیروگاه های الکتریکی است که برای هدایت ژنراتورهای برق از توربین استفاده می کنند. در یک توربین ژنراتور، یک سیال در حال حرکت – آب، بخار، گازهای احتراق یا هوا – مجموعه ای از تیغه های نصب شده روی شافت روتور را هل می دهد. نیروی سیال روی پره ها می چرخد ​​/ شافت روتور یک ژنراتور را می چرخاند. ژنراتور، به نوبه خود، انرژی مکانیکی (جنبشی) روتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. انواع مختلف توربین ها شامل توربین های بخار، توربین های احتراقی (گازی)، توربین های برق آبی و توربین های بادی است.

توربین های بخار برای تولید اکثر برق جهان مورد استفاده قرار می گیرند و حدود 48٪ از تولید برق ایالات متحده در سال 2019 را تشکیل می دهند. اکثر توربین های بخار دارای یک دیگ بخار هستند که در آن سوخت سوزانده می شود تا در مبدل حرارتی آب گرم و بخار تولید شود و بخار توربینی را تولید می کند که یک ژنراتور را هدایت می کند. راکتورهای انرژی هسته ای از میله های سوخت هسته ای برای تولید بخار استفاده می کنند. نیروگاه های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای تولید بخار استفاده می کنند. از 10 نیروگاه برتر برق ایالات متحده در سال 2019، 9 نیروگاه دارای توربین های بخار هستند که از انرژی هسته ای ، زغال سنگ و گاز طبیعی تأمین می شوند.

توربین های گازی احتراقی، که مشابه موتورهای جت هستند، سوخت های گازی یا مایع را می سوزانند تا گازهای داغ تولید کنند تا پره های توربین چرخانده شود.

توربین های بخار و احتراق می توانند به عنوان مولد مستقل در یک چرخه کار کنند یا در یک چرخه ترکیبی متوالی ترکیب شوند. سیستم های چرخه ترکیبی از گازهای احتراقی یک توربین برای تولید برق بیشتر در توربین دیگر استفاده می کنند. اکثر سیستم های چرخه ترکیبی برای هر توربین ژنراتور جداگانه دارند. در سیستم های سیکل ترکیبی تک شافت، هر دو توربین ممکن است یک ژنراتور واحد را هدایت کنند. درباره انواع نیروگاه های سیکل ترکیبی بیشتر بدانید. در سال 2019 نیروگاه های سیکل ترکیبی حدود 33٪ از تولید برق ایالات متحده را تأمین کردند.

نیروگاه های گرمایش و نیروگاه ترکیبی (CHP) که ممکن است از آنها به عنوان تولید کننده های مولد یاد شود، از حرارتی که مستقیماً به توربین بخار، توربین احتراق یا مولد موتور احتراق داخلی به برق تبدیل نمی شود، برای حرارت فرآیند صنعتی یا گرم کردن فضا و آب بیشترین بزرگترین کارخانه های CHP در ایالات متحده در تأسیسات صنعتی مانند کارخانه های تولید کاغذ و کاغذ قرار دارند، اما در بسیاری از کالج ها، دانشگاه ها و مراکز دولتی نیز از آنها استفاده می شود. CHP و نیروگاه های سیکل ترکیبی کارآمدترین روش ها برای تبدیل سوخت واحد به انرژی مفید هستند.

توربین های برق آبی از نیروی آب در حال حرکت برای چرخاندن پره های توربین برای تأمین انرژی یک ژنراتور استفاده می کنند. بیشتر نیروگاه های برق آبی از آب ذخیره شده در مخزن یا هدایت از رودخانه یا جریان آب استفاده می کنند. این نیروگاه های برق آبی معمولی حدود 7٪ از تولید برق ایالات متحده در سال 2019 را تشکیل می دهند. نیروگاه های آبی با ذخیره پمپاژ از همان توربین های آبی استفاده می کنند که نیروگاه های برق آبی معمولی از آنها استفاده می کنند، اما آنها سیستم ذخیره سازی برق در نظر گرفته می شوند (به زیر نگاه کنید). انواع دیگر توربین های برق آبی به نام توربین های هیدروکینتیک در سیستم های قدرت جزر و مدی و قدرت موج استفاده می شود. درباره انواع توربین های برق آبی بیشتر بدانید .

توربین های بادی از توان موجود در باد برای جابجایی پره های یک روتور برای تأمین انرژی یک ژنراتور استفاده می کنند. توربین های بادی دو نوع کلی دارند : توربین های محور افقی (متداول ترین) و محورهای عمودی. توربین های بادی منبع حدود 7٪ تولید برق ایالات متحده در سال 2019 بودند.

نیروگاه های زمین گرمایی از منابع زمین گرمایی برای هدایت ژنراتورهای الکتریکی استفاده می کنند.

سیستم های تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC) از اختلاف دما بین آب اقیانوس در اعماق مختلف برای تأمین انرژی توربین برای تولید برق استفاده می کنند. یک سیستم نمایشی OTEC در هاوایی وجود دارد.

انواع دیگر ژنراتورها

انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد که از توربین برای تولید برق استفاده نمی کنند. متداول ترین مورد استفاده امروزه سیستم های فتوولتائیک خورشیدی (PV) و موتورهای احتراق داخلی است.

سلول های فتوولتائیک خورشیدی نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کنند. اینها برای تأمین نیروگاههایی به اندازه ساعتهای مچی مورد استفاده قرار می گیرند و می توانند در پانل هایی که به صورت آرایه ای به یکدیگر متصل می شوند، برای برق رسانی به خانه های جداگانه یا تشکیل نیروگاه های بزرگ به یکدیگر متصل شوند. نیروگاه های PV اکنون یکی از سریعترین منابع تولید برق در سراسر جهان هستند.

موتورهای احتراق داخلی، مانند موتورهای دیزلی، در سراسر دنیا برای تولید برق از جمله در بسیاری از روستاهای دور افتاده در آلاسکا مورد استفاده قرار می گیرند. آنها همچنین به طور گسترده ای برای منبع تغذیه سیار در سایت های ساختمانی و منبع تغذیه اضطراری یا پشتیبان برای ساختمان ها و نیروگاه ها استفاده می شوند. ژنراتورهای موتور دیزل می توانند از انواع سوخت ها از جمله گازوئیل نفتی، سوخت های مایع با پایه زیست توده و بیوگاز، گاز طبیعی و پروپان استفاده کنند. ژنراتورهای کوچک موتور احتراق داخلی با سوخت بنزین، گاز طبیعی یا پروپان معمولاً توسط خدمه ساختمانی و تجار و برای تأمین برق اضطراری برای خانه ها استفاده می شوند.

انواع دیگر تولید کننده های برق شامل سلول های سوختی، موتورهای استرلینگ (که در ژنراتورهای بشقاب حرارتی خورشیدی استفاده می شود ) و ژنراتورهای ترموالکتریک هستند .

  • سهم کل تولید برق در مقیاس سودمند ایالات متحده در سال 2019 توسط انواع عمده تولید کننده های برق
  • توربین های بخار 58٪
  • توربین های احتراقی 24٪
  • توربین های برق آبی
  • توربین های بادی
  • سیستم های فتوولتائیک خورشیدی 2٪
  • انواع دیگر 2٪
علم مبانی برق
همه چیز از اتم ساخته شده است

برای درک برق، برخی از اطلاعات اساسی در مورد اتم ها مفید است. اتم ها عناصر سازنده جهان هستند. همه چیز در جهان از اتم ساخته شده است – هر ستاره، هر درخت و هر حیوان. بدن انسان از اتم ساخته شده است. هوا و آب نیز از اتم ساخته شده اند. اتم ها آنقدر کوچک هستند که میلیون ها عدد از آنها روی سر یک سنجاق قرار می گیرند.

اتم ها حتی از ذرات کوچکتر نیز ساخته شده اند

مرکز یک اتم هسته نامیده می شود. هسته از ذراتی به نام پروتون و نوترون تشکیل شده است. الکترون ها به صورت پوسته ای به دور هسته می چرخند. اگر هسته به اندازه یک توپ تنیس باشد، اتم به اندازه کره ای به قطر حدود 1450 فوت یا به اندازه یکی از بزرگترین استادیوم های ورزشی جهان خواهد بود. اتمها بیشتر فضای خالی هستند.

اگر چشم غیر مسلح بتواند اتمی را ببیند، کمی شبیه یک خوشه کوچک از گلوله ها است که توسط حباب های غول ناپیدا (یا پوسته ها ) احاطه شده اند. الکترونها روی سطح حبابها قرار می گیرند، دائماً می چرخند و حرکت می کنند تا آنجا که ممکن است از یکدیگر دور شوند. الکترون ها توسط یک نیروی الکتریکی در پوسته های خود نگه داشته می شوند.

پروتون ها و الکترون های یک اتم به یکدیگر جذب می شوند. هر دو بار الکتریکی دارند. پروتون ها دارای بار مثبت (+) و الکترون ها دارای بار منفی (-) هستند. بار مثبت پروتون ها برابر با بار منفی الکترون ها است. اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند. یک اتم وقتی تعادل داشته باشد که تعداد پروتون و الکترون آن برابر باشد. نوترون ها هیچ بار ندارند و تعداد آنها می تواند متفاوت باشد.

تعداد پروتون های یک اتم نوع اتم یا عنصر را تعیین می کند. عنصر ماده ای است که از یک نوع اتم تشکیل شده است. جدول تناوبی عناصر نشان می دهد عناصر با عدد اتمی-خود تعداد پروتون دارند. به عنوان مثال، هر اتم هیدروژن (H) دارای یک پروتون و هر اتم کربن (C) دارای شش پروتون است.

الکتریسیته حرکت الکترون ها بین اتم ها است

الکترونها معمولاً در پوسته های دقیق با هسته اتم فاصله ثابت می مانند. پوسته نزدیک به هسته می تواند دو الکترون را در خود نگه دارد. پوسته بعدی می تواند تا هشت را در خود جای دهد. پوسته های بیرونی می توانند حتی بیشتر نگه دارند. برخی از اتم ها با تعداد زیادی پروتون می توانند به اندازه هفت پوسته با الکترون باشند.

الکترونهای موجود در پوسته های نزدیک به هسته دارای یک نیروی جذب قوی به پروتون ها هستند. بعضی اوقات، الکترونهای موجود در بیرونی ترین پوسته های یک اتم ، نیروی جذب زیادی به پروتون ها ندارند. این الکترونها را می توان از مدار خود خارج کرد. اعمال نیرو باعث می شود که آنها از اتمی به اتم دیگر منتقل شوند. این الکترونهای متحرک الکتریسیته هستند.

الکتریسیته ساکن در طبیعت وجود دارد

رعد و برق نوعی برق است. رعد و برق به الکترونهایی گفته می شود که از یک ابر به ابر دیگر منتقل می شوند یا الکترونهایی از ابر به زمین می پرند. آیا تا به حال احساس کرده اید که بعد از عبور از روی یک فرش یک شی an را لمس کنید؟ یک جریان الکترون از آن جسم به سمت شما پرید. به این الکتریسیته ساکن می گویند .

آیا تابحال با مالیدن بادکنک بر روی موهای خود صاف ایستاده اید؟ در این صورت، برخی از الکترون ها را از بالون مالیده اید. الکترون ها از بادکنک به داخل موهای شما حرکت می کنند. الکترون ها با حرکت به انتهای موهای شما سعی کردند از یکدیگر فاصله بگیرند. آنها یکدیگر را تحت فشار قرار داده یا دفع کردند و موهای شما را به حرکت در آوردند. همانطور که اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند، مانند اتهامات همدیگر را دفع می کنند.

آهن ربا و برق

چرخش الکترون ها در اطراف هسته یک اتم باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی کوچک می شود. الکترون ها در بیشتر اجسام به صورت تصادفی می چرخند و نیروهای مغناطیسی آنها یکدیگر را لغو می کنند.

آهن ربا متفاوت است زیرا مولکولهای آهن ربا به گونه ای مرتب شده اند که الکترونهای آنها در یک جهت می چرخند. این چیدمان و حرکت نیرویی مغناطیسی ایجاد می کند که از یک قطب شمال جوی و از یک قطب جنوب جوی خارج می شود. این نیروی مغناطیسی یک میدان مغناطیسی در اطراف یک آهنربا ایجاد می کند .

آیا تا به حال دو آهن ربا نزدیک به هم نگه داشته اید؟ آنها مانند اکثر اشیا عمل نمی کنند. اگر سعی کنید دو قطب شمال یا دو قطب جنوب را به هم فشار دهید ، آنها یکدیگر را دفع می کنند. اما اگر یک قطب شمال و یک قطب جنوب را کنار هم قرار دهید ، آهن ربا به هم می چسبد زیرا قطب های شمال و جنوب یکدیگر را جذب می کنند. درست مانند پروتون ها و الکترون ها – اضداد در آهن ربا جذب می شود.

از میدان های مغناطیسی می توان برای تولید برق استفاده کرد

از خصوصیات آهن ربا برای تولید برق استفاده می شود. میدان های مغناطیسی در حال حرکت الکترون ها را می کشند و هل می دهند. فلزاتی مانند مس و آلومینیوم دارای الکترونهایی هستند که بصورت آزاد نگه داشته می شوند. حرکت یک آهنربا به دور سیم پیچ سیم یا حرکت سیم پیچ به دور یک آهنربا، الکترون ها را در سیم هل می دهد و جریان الکتریکی ایجاد می کند. ژنراتورهای الکتریکی اساساً انرژی جنبشی (انرژی حرکت) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

باتری، مدار و ترانسفورماتور
باتری ها برق تولید می کنند

یک باتری الکتروشیمیایی با دو فلز مختلف در یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت برق تولید می کند. یک سر باتری به یکی از فلزات متصل است و سر دیگر آن به فلز دیگر متصل است. یک واکنش شیمیایی بین فلزات و الکترولیت، الکترونهای بیشتری را در فلز آزاد می کند تا فلز دیگر.

فلزی که الکترونهای بیشتری آزاد می کند، بار مثبت ایجاد می کند و فلز دیگر بار منفی ایجاد می کند. اگر یک هادی الکتریکی یا سیم، یک سر باتری را به سر دیگر متصل کند ، الکترون ها از طریق سیم جریان می یابند تا بار الکتریکی متعادل شود.

بار الکتریکی یک دستگاه است که با استفاده از برق به انجام کار و یا برای انجام یک کار است. اگر بار الکتریکی – مانند لامپ رشته ای – در امتداد سیم قرار گیرد، جریان برق از طریق سیم و لامپ می تواند کار کند. الکترون ها از انتهای منفی باتری از طریق سیم و لامپ عبور می کنند و به انتهای مثبت باتری برمی گردند.

جریان الکتریسیته به صورت مدارها حرکت می کند

قبل از اینکه الکترونها حرکت کنند، برق باید یک مسیر کامل یا مدار الکتریکی داشته باشد. دکمه سوئیچ یا خاموش شدن همه دستگاه های الکتریکی مدار الکتریکی دستگاه را بسته یا روشن می کند یا خاموش می کند. روشن یا خاموش کردن چراغ، مدار را باز می کند و الکترون ها نمی توانند از طریق نور عبور کنند. روشن کردن چراغ باعث بسته شدن مدار می شود كه باعث می شود برق از یك سیم برق از طریق لامپ و سپس از طریق سیم دیگر جریان یابد.

یک لامپ رشته ای با جریان برق از طریق یک سیم کوچک در لامپ، نور تولید می کند که بسیار گرم می شود و می درخشد. با شکستن سیم کوچک داخل لامپ، یک لامپ رشته ای می سوزد که باعث باز شدن مدار می شود.

ترانسفورماتورها به حرکت موثر برق در مسافت های طولانی کمک می کنند

برای حل مشکل ارسال برق در مسافت های طولانی، ویلیام استنلی دستگاهی به نام ترانسفورماتور تولید کرد. یک ترانسفورماتور ولتاژ برق را در یک رسانا یا خط برق تغییر می دهد. خطوط انتقال ولتاژ بالا، مانند آنهایی که بین برج های فلزی بلند آویزان هستند، برق را در فواصل طولانی به مکان مورد نیاز منتقل می کنند. برق ولتاژ بالاتر برای انتقال برق از راه دور کارآمدتر و هزینه کمتری دارد. برق ولتاژ پایین برای استفاده در خانه ها و مشاغل ایمن تر است. ترانسفورماتورها با انتقال برق از نیروگاه ها به خانه ها و مشاغل، ولتاژ را افزایش می دهند (افزایش می دهند) یا آن را کاهش می دهند (کاهش می دهند).

اندازه گیری برق
برق با وات و کیلووات اندازه گیری می شود

الکتریسیته با واحد قدرت بنام واتس اندازه گیری می شود که برای بزرگداشت جیمز وات، مخترع موتور بخار نامگذاری شده است. وات واحد توان الکتریکی برابر با یک آمپر تحت فشار یک ولت است.

یک وات مقدار کمی قدرت است. برخی از دستگاه ها برای کار فقط به چند وات نیاز دارند و سایر دستگاه ها به مقدار بیشتری نیاز دارند. مصرف برق دستگاه های کوچک معمولاً با وات و میزان مصرف برق دستگاه های بزرگتر با کیلووات (کیلووات) یا 1000 وات اندازه گیری می شود.

ظرفیت تولید برق غالباً در چند مگاوات کیلووات مانند مگاوات (مگاوات) و گیگاوات (GW) اندازه گیری می شود. یک مگاوات 1.000 کیلووات (یا 1.000.000 وات) و یک گیگاوات 1000 مگاوات (یا 1.000.000.000 وات) است.

مصرف برق با گذشت زمان در Watthours اندازه گیری می شود

Watthour (Wh) برابر با انرژی یک وات است که به مدت یک ساعت به طور مداوم از مدار الکتریکی تأمین یا از آن گرفته می شود. مقدار الکتریکی که نیروگاه تولید می کند یا مشتری برق از آن استفاده می کند معمولاً بر حسب کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) اندازه گیری می شود. یک کیلووات ساعت یک کیلووات است که به مدت یک ساعت تولید یا مصرف می شود. به عنوان مثال، اگر به مدت پنج ساعت از لامپ 40 وات (04/0 کیلووات) استفاده کنید، از 200 وات یا 0.2 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی استفاده کرده اید.

شرکت های تاسیساتی میزان مصرف برق را با کنتور اندازه گیری و کنترل می کنند

تاسیسات برق مصرف برق مشتریان خود را با کنتورهایی اندازه گیری می کنند که معمولاً در قسمت خارج از املاک مشتری در محل ورود خط برق به ملک قرار دارند. در گذشته، تمام کنتورهای برق دستگاه های مکانیکی بودند که یک کارمند خدمات مجبور بود آنها را به صورت دستی بخواند. در نهایت ، دستگاه های خودکار خواننده در دسترس قرار گرفتند. این کنتورها به طور دوره ای استفاده از برق را از کنتورهای مکانیکی با سیگنال الکترونیکی به برق می گویند. در حال حاضر، بسیاری از برنامه های کاربردی از متر هوشمند الکترونیکی، که دسترسی بی سیم به داده های مصرف برق متر را فراهم می کنند، برای اندازه گیری مصرف برق در زمان واقعی استفاده می کنند. برخی از کنتورهای هوشمند حتی می توانند میزان مصرف برق دستگاه های جداگانه را اندازه گیری کرده و به شرکت آب و برق یا مشتری امکان کنترل از راه دور برق را بدهند.

چگونه برق تولید می شود

ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که نوعی انرژی را به برق تبدیل می کند. انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد. بیشتر تولید برق جهان از ژنراتورهایی است که براساس کشف دانشمند مایکل فارادی در سال 1831 مبنی بر حرکت یک آهنربا به داخل سیم پیچ باعث ایجاد جریان الکتریکی در سیم می شود. او اولین ژنراتور برق را به نام دیسک فارادی ساخت که با این رابطه بین مغناطیس و برق کار می کند و منجر به طراحی ژنراتورهای الکترومغناطیسی می شود که امروزه ما استفاده می کنیم.

ژنراتورهای الکترومغناطیسی از آهنربای الکترومغناطیسی – آهنربا تولید شده توسط الکتریسیته – استفاده نمی کنند و از آهنربا سنتی استفاده نمی کنند. یک ژنراتور اساسی الکترومغناطیسی دارای یک سری سیم پیچ عایق بندی شده است که یک استوانه ثابت – به نام استاتور – را احاطه می کند که شافت الکترومغناطیسی را احاطه می کند – روتور نامیده می شود. چرخاندن روتور باعث ایجاد جریان الکتریکی در هر قسمت از سیم پیچ سیم می شود که به یک هادی الکتریکی جداگانه تبدیل می شود. جریان در بخشهای جداگانه با هم ترکیب می شوند و یک جریان بزرگ را تشکیل می دهند. این جریان الکتریکی است که از ژنراتورها از طریق خطوط برق به سمت مصرف کنندگان حرکت می کند. ژنراتور الکترومغناطیسی رانده شده توسط جنبشی (مکانیک) محرک اول برای تقریبا تمام تولید برق آمریکا هستند.

ژنراتورهای توربین دار

بیشتر تولید برق ایالات متحده و جهان از نیروگاه های الکتریکی است که برای هدایت ژنراتورهای برق از توربین استفاده می کنند. در یک توربین ژنراتور، یک سیال در حال حرکت – آب، بخار، گازهای احتراق یا هوا – مجموعه ای از تیغه های نصب شده روی شافت روتور را هل می دهد. نیروی سیال روی پره ها می چرخد ​​/ شافت روتور یک ژنراتور را می چرخاند. ژنراتور، به نوبه خود، انرژی مکانیکی (جنبشی) روتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. انواع مختلف توربین ها شامل توربین های بخار، توربین های احتراقی (گازی)، توربین های برق آبی و توربین های بادی است.

توربین های بخار برای تولید اکثر برق جهان مورد استفاده قرار می گیرند و حدود 48٪ از تولید برق ایالات متحده در سال 2019 را تشکیل می دهند. اکثر توربین های بخار دارای یک دیگ بخار هستند که در آن سوخت سوزانده می شود تا در مبدل حرارتی آب گرم و بخار تولید شود و بخار توربینی را تولید می کند که یک ژنراتور را هدایت می کند. راکتورهای انرژی هسته ای از میله های سوخت هسته ای برای تولید بخار استفاده می کنند. نیروگاه های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای تولید بخار استفاده می کنند. از 10 نیروگاه برتر برق ایالات متحده در سال 2019، 9 نیروگاه دارای توربین های بخار هستند که از انرژی هسته ای ، زغال سنگ و گاز طبیعی تأمین می شوند.

توربین های گازی احتراقی، که مشابه موتورهای جت هستند، سوخت های گازی یا مایع را می سوزانند تا گازهای داغ تولید کنند تا پره های توربین چرخانده شود.

توربین های بخار و احتراق می توانند به عنوان مولد مستقل در یک چرخه کار کنند یا در یک چرخه ترکیبی متوالی ترکیب شوند. سیستم های چرخه ترکیبی از گازهای احتراقی یک توربین برای تولید برق بیشتر در توربین دیگر استفاده می کنند. اکثر سیستم های چرخه ترکیبی برای هر توربین ژنراتور جداگانه دارند. در سیستم های سیکل ترکیبی تک شافت، هر دو توربین ممکن است یک ژنراتور واحد را هدایت کنند. درباره انواع نیروگاه های سیکل ترکیبی بیشتر بدانید. در سال 2019 نیروگاه های سیکل ترکیبی حدود 33٪ از تولید برق ایالات متحده را تأمین کردند.

نیروگاه های گرمایش و نیروگاه ترکیبی (CHP) که ممکن است از آنها به عنوان تولید کننده های مولد یاد شود، از حرارتی که مستقیماً به توربین بخار، توربین احتراق یا مولد موتور احتراق داخلی به برق تبدیل نمی شود، برای حرارت فرآیند صنعتی یا گرم کردن فضا و آب بیشترین بزرگترین کارخانه های CHP در ایالات متحده در تأسیسات صنعتی مانند کارخانه های تولید کاغذ و کاغذ قرار دارند، اما در بسیاری از کالج ها، دانشگاه ها و مراکز دولتی نیز از آنها استفاده می شود. CHP و نیروگاه های سیکل ترکیبی کارآمدترین روش ها برای تبدیل سوخت واحد به انرژی مفید هستند.

توربین های برق آبی از نیروی آب در حال حرکت برای چرخاندن پره های توربین برای تأمین انرژی یک ژنراتور استفاده می کنند. بیشتر نیروگاه های برق آبی از آب ذخیره شده در مخزن یا هدایت از رودخانه یا جریان آب استفاده می کنند. این نیروگاه های برق آبی معمولی حدود 7٪ از تولید برق ایالات متحده در سال 2019 را تشکیل می دهند. نیروگاه های آبی با ذخیره پمپاژ از همان توربین های آبی استفاده می کنند که نیروگاه های برق آبی معمولی از آنها استفاده می کنند، اما آنها سیستم ذخیره سازی برق در نظر گرفته می شوند (به زیر نگاه کنید). انواع دیگر توربین های برق آبی به نام توربین های هیدروکینتیک در سیستم های قدرت جزر و مدی و قدرت موج استفاده می شود. درباره انواع توربین های برق آبی بیشتر بدانید .

توربین های بادی از توان موجود در باد برای جابجایی پره های یک روتور برای تأمین انرژی یک ژنراتور استفاده می کنند. توربین های بادی دو نوع کلی دارند : توربین های محور افقی (متداول ترین) و محورهای عمودی. توربین های بادی منبع حدود 7٪ تولید برق ایالات متحده در سال 2019 بودند.

نیروگاه های زمین گرمایی از منابع زمین گرمایی برای هدایت ژنراتورهای الکتریکی استفاده می کنند.

سیستم های تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC) از اختلاف دما بین آب اقیانوس در اعماق مختلف برای تأمین انرژی توربین برای تولید برق استفاده می کنند. یک سیستم نمایشی OTEC در هاوایی وجود دارد.

انواع دیگر ژنراتورها

انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد که از توربین برای تولید برق استفاده نمی کنند. متداول ترین مورد استفاده امروزه سیستم های فتوولتائیک خورشیدی (PV) و موتورهای احتراق داخلی است.

سلول های فتوولتائیک خورشیدی نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کنند. اینها برای تأمین نیروگاههایی به اندازه ساعتهای مچی مورد استفاده قرار می گیرند و می توانند در پانل هایی که به صورت آرایه ای به یکدیگر متصل می شوند، برای برق رسانی به خانه های جداگانه یا تشکیل نیروگاه های بزرگ به یکدیگر متصل شوند. نیروگاه های PV اکنون یکی از سریعترین منابع تولید برق در سراسر جهان هستند.

موتورهای احتراق داخلی، مانند موتورهای دیزلی، در سراسر دنیا برای تولید برق از جمله در بسیاری از روستاهای دور افتاده در آلاسکا مورد استفاده قرار می گیرند. آنها همچنین به طور گسترده ای برای منبع تغذیه سیار در سایت های ساختمانی و منبع تغذیه اضطراری یا پشتیبان برای ساختمان ها و نیروگاه ها استفاده می شوند. ژنراتورهای موتور دیزل می توانند از انواع سوخت ها از جمله گازوئیل نفتی، سوخت های مایع با پایه زیست توده و بیوگاز، گاز طبیعی و پروپان استفاده کنند. ژنراتورهای کوچک موتور احتراق داخلی با سوخت بنزین، گاز طبیعی یا پروپان معمولاً توسط خدمه ساختمانی و تجار و برای تأمین برق اضطراری برای خانه ها استفاده می شوند.

انواع دیگر تولید کننده های برق شامل سلول های سوختی، موتورهای استرلینگ (که در ژنراتورهای بشقاب حرارتی خورشیدی استفاده می شود ) و ژنراتورهای ترموالکتریک هستند .

  • سهم کل تولید برق در مقیاس سودمند ایالات متحده در سال 2019 توسط انواع عمده تولید کننده های برق
  • توربین های بخار 58٪
  • توربین های احتراقی 24٪
  • توربین های برق آبی
  • توربین های بادی
  • سیستم های فتوولتائیک خورشیدی 2٪
  • انواع دیگر 2٪
علم مبانی برق
همه چیز از اتم ساخته شده است

برای درک برق، برخی از اطلاعات اساسی در مورد اتم ها مفید است. اتم ها عناصر سازنده جهان هستند. همه چیز در جهان از اتم ساخته شده است – هر ستاره، هر درخت و هر حیوان. بدن انسان از اتم ساخته شده است. هوا و آب نیز از اتم ساخته شده اند. اتم ها آنقدر کوچک هستند که میلیون ها عدد از آنها روی سر یک سنجاق قرار می گیرند.

اتم ها حتی از ذرات کوچکتر نیز ساخته شده اند

مرکز یک اتم هسته نامیده می شود. هسته از ذراتی به نام پروتون و نوترون تشکیل شده است. الکترون ها به صورت پوسته ای به دور هسته می چرخند. اگر هسته به اندازه یک توپ تنیس باشد، اتم به اندازه کره ای به قطر حدود 1450 فوت یا به اندازه یکی از بزرگترین استادیوم های ورزشی جهان خواهد بود. اتمها بیشتر فضای خالی هستند.

اگر چشم غیر مسلح بتواند اتمی را ببیند، کمی شبیه یک خوشه کوچک از گلوله ها است که توسط حباب های غول ناپیدا (یا پوسته ها ) احاطه شده اند. الکترونها روی سطح حبابها قرار می گیرند، دائماً می چرخند و حرکت می کنند تا آنجا که ممکن است از یکدیگر دور شوند. الکترون ها توسط یک نیروی الکتریکی در پوسته های خود نگه داشته می شوند.

پروتون ها و الکترون های یک اتم به یکدیگر جذب می شوند. هر دو بار الکتریکی دارند. پروتون ها دارای بار مثبت (+) و الکترون ها دارای بار منفی (-) هستند. بار مثبت پروتون ها برابر با بار منفی الکترون ها است. اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند. یک اتم وقتی تعادل داشته باشد که تعداد پروتون و الکترون آن برابر باشد. نوترون ها هیچ بار ندارند و تعداد آنها می تواند متفاوت باشد.

تعداد پروتون های یک اتم نوع اتم یا عنصر را تعیین می کند. عنصر ماده ای است که از یک نوع اتم تشکیل شده است. جدول تناوبی عناصر نشان می دهد عناصر با عدد اتمی-خود تعداد پروتون دارند. به عنوان مثال، هر اتم هیدروژن (H) دارای یک پروتون و هر اتم کربن (C) دارای شش پروتون است.

الکتریسیته حرکت الکترون ها بین اتم ها است

الکترونها معمولاً در پوسته های دقیق با هسته اتم فاصله ثابت می مانند. پوسته نزدیک به هسته می تواند دو الکترون را در خود نگه دارد. پوسته بعدی می تواند تا هشت را در خود جای دهد. پوسته های بیرونی می توانند حتی بیشتر نگه دارند. برخی از اتم ها با تعداد زیادی پروتون می توانند به اندازه هفت پوسته با الکترون باشند.

الکترونهای موجود در پوسته های نزدیک به هسته دارای یک نیروی جذب قوی به پروتون ها هستند. بعضی اوقات، الکترونهای موجود در بیرونی ترین پوسته های یک اتم ، نیروی جذب زیادی به پروتون ها ندارند. این الکترونها را می توان از مدار خود خارج کرد. اعمال نیرو باعث می شود که آنها از اتمی به اتم دیگر منتقل شوند. این الکترونهای متحرک الکتریسیته هستند.

الکتریسیته ساکن در طبیعت وجود دارد

رعد و برق نوعی برق است. رعد و برق به الکترونهایی گفته می شود که از یک ابر به ابر دیگر منتقل می شوند یا الکترونهایی از ابر به زمین می پرند. آیا تا به حال احساس کرده اید که بعد از عبور از روی یک فرش یک شی an را لمس کنید؟ یک جریان الکترون از آن جسم به سمت شما پرید. به این الکتریسیته ساکن می گویند .

آیا تابحال با مالیدن بادکنک بر روی موهای خود صاف ایستاده اید؟ در این صورت، برخی از الکترون ها را از بالون مالیده اید. الکترون ها از بادکنک به داخل موهای شما حرکت می کنند. الکترون ها با حرکت به انتهای موهای شما سعی کردند از یکدیگر فاصله بگیرند. آنها یکدیگر را تحت فشار قرار داده یا دفع کردند و موهای شما را به حرکت در آوردند. همانطور که اتهامات مخالف یکدیگر را جذب می کنند، مانند اتهامات همدیگر را دفع می کنند.

آهن ربا و برق

چرخش الکترون ها در اطراف هسته یک اتم باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی کوچک می شود. الکترون ها در بیشتر اجسام به صورت تصادفی می چرخند و نیروهای مغناطیسی آنها یکدیگر را لغو می کنند.

آهن ربا متفاوت است زیرا مولکولهای آهن ربا به گونه ای مرتب شده اند که الکترونهای آنها در یک جهت می چرخند. این چیدمان و حرکت نیرویی مغناطیسی ایجاد می کند که از یک قطب شمال جوی و از یک قطب جنوب جوی خارج می شود. این نیروی مغناطیسی یک میدان مغناطیسی در اطراف یک آهنربا ایجاد می کند .

آیا تا به حال دو آهن ربا نزدیک به هم نگه داشته اید؟ آنها مانند اکثر اشیا عمل نمی کنند. اگر سعی کنید دو قطب شمال یا دو قطب جنوب را به هم فشار دهید ، آنها یکدیگر را دفع می کنند. اما اگر یک قطب شمال و یک قطب جنوب را کنار هم قرار دهید ، آهن ربا به هم می چسبد زیرا قطب های شمال و جنوب یکدیگر را جذب می کنند. درست مانند پروتون ها و الکترون ها – اضداد در آهن ربا جذب می شود.

از میدان های مغناطیسی می توان برای تولید برق استفاده کرد

از خصوصیات آهن ربا برای تولید برق استفاده می شود. میدان های مغناطیسی در حال حرکت الکترون ها را می کشند و هل می دهند. فلزاتی مانند مس و آلومینیوم دارای الکترونهایی هستند که بصورت آزاد نگه داشته می شوند. حرکت یک آهنربا به دور سیم پیچ سیم یا حرکت سیم پیچ به دور یک آهنربا، الکترون ها را در سیم هل می دهد و جریان الکتریکی ایجاد می کند. ژنراتورهای الکتریکی اساساً انرژی جنبشی (انرژی حرکت) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

باتری، مدار و ترانسفورماتور
باتری ها برق تولید می کنند

یک باتری الکتروشیمیایی با دو فلز مختلف در یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت برق تولید می کند. یک سر باتری به یکی از فلزات متصل است و سر دیگر آن به فلز دیگر متصل است. یک واکنش شیمیایی بین فلزات و الکترولیت، الکترونهای بیشتری را در فلز آزاد می کند تا فلز دیگر.

فلزی که الکترونهای بیشتری آزاد می کند، بار مثبت ایجاد می کند و فلز دیگر بار منفی ایجاد می کند. اگر یک هادی الکتریکی یا سیم، یک سر باتری را به سر دیگر متصل کند ، الکترون ها از طریق سیم جریان می یابند تا بار الکتریکی متعادل شود.

بار الکتریکی یک دستگاه است که با استفاده از برق به انجام کار و یا برای انجام یک کار است. اگر بار الکتریکی – مانند لامپ رشته ای – در امتداد سیم قرار گیرد، جریان برق از طریق سیم و لامپ می تواند کار کند. الکترون ها از انتهای منفی باتری از طریق سیم و لامپ عبور می کنند و به انتهای مثبت باتری برمی گردند.

جریان الکتریسیته به صورت مدارها حرکت می کند

قبل از اینکه الکترونها حرکت کنند، برق باید یک مسیر کامل یا مدار الکتریکی داشته باشد. دکمه سوئیچ یا خاموش شدن همه دستگاه های الکتریکی مدار الکتریکی دستگاه را بسته یا روشن می کند یا خاموش می کند. روشن یا خاموش کردن چراغ، مدار را باز می کند و الکترون ها نمی توانند از طریق نور عبور کنند. روشن کردن چراغ باعث بسته شدن مدار می شود كه باعث می شود برق از یك سیم برق از طریق لامپ و سپس از طریق سیم دیگر جریان یابد.

یک لامپ رشته ای با جریان برق از طریق یک سیم کوچک در لامپ، نور تولید می کند که بسیار گرم می شود و می درخشد. با شکستن سیم کوچک داخل لامپ، یک لامپ رشته ای می سوزد که باعث باز شدن مدار می شود.

ترانسفورماتورها به حرکت موثر برق در مسافت های طولانی کمک می کنند

برای حل مشکل ارسال برق در مسافت های طولانی، ویلیام استنلی دستگاهی به نام ترانسفورماتور تولید کرد. یک ترانسفورماتور ولتاژ برق را در یک رسانا یا خط برق تغییر می دهد. خطوط انتقال ولتاژ بالا، مانند آنهایی که بین برج های فلزی بلند آویزان هستند، برق را در فواصل طولانی به مکان مورد نیاز منتقل می کنند. برق ولتاژ بالاتر برای انتقال برق از راه دور کارآمدتر و هزینه کمتری دارد. برق ولتاژ پایین برای استفاده در خانه ها و مشاغل ایمن تر است. ترانسفورماتورها با انتقال برق از نیروگاه ها به خانه ها و مشاغل، ولتاژ را افزایش می دهند (افزایش می دهند) یا آن را کاهش می دهند (کاهش می دهند).

اندازه گیری برق
برق با وات و کیلووات اندازه گیری می شود

الکتریسیته با واحد قدرت بنام واتس اندازه گیری می شود که برای بزرگداشت جیمز وات، مخترع موتور بخار نامگذاری شده است. وات واحد توان الکتریکی برابر با یک آمپر تحت فشار یک ولت است.

یک وات مقدار کمی قدرت است. برخی از دستگاه ها برای کار فقط به چند وات نیاز دارند و سایر دستگاه ها به مقدار بیشتری نیاز دارند. مصرف برق دستگاه های کوچک معمولاً با وات و میزان مصرف برق دستگاه های بزرگتر با کیلووات (کیلووات) یا 1000 وات اندازه گیری می شود.

ظرفیت تولید برق غالباً در چند مگاوات کیلووات مانند مگاوات (مگاوات) و گیگاوات (GW) اندازه گیری می شود. یک مگاوات 1.000 کیلووات (یا 1.000.000 وات) و یک گیگاوات 1000 مگاوات (یا 1.000.000.000 وات) است.

مصرف برق با گذشت زمان در Watthours اندازه گیری می شود

Watthour (Wh) برابر با انرژی یک وات است که به مدت یک ساعت به طور مداوم از مدار الکتریکی تأمین یا از آن گرفته می شود. مقدار الکتریکی که نیروگاه تولید می کند یا مشتری برق از آن استفاده می کند معمولاً بر حسب کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) اندازه گیری می شود. یک کیلووات ساعت یک کیلووات است که به مدت یک ساعت تولید یا مصرف می شود. به عنوان مثال، اگر به مدت پنج ساعت از لامپ 40 وات (04/0 کیلووات) استفاده کنید، از 200 وات یا 0.2 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی استفاده کرده اید.

شرکت های تاسیساتی میزان مصرف برق را با کنتور اندازه گیری و کنترل می کنند

تاسیسات برق مصرف برق مشتریان خود را با کنتورهایی اندازه گیری می کنند که معمولاً در قسمت خارج از املاک مشتری در محل ورود خط برق به ملک قرار دارند. در گذشته، تمام کنتورهای برق دستگاه های مکانیکی بودند که یک کارمند خدمات مجبور بود آنها را به صورت دستی بخواند. در نهایت ، دستگاه های خودکار خواننده در دسترس قرار گرفتند. این کنتورها به طور دوره ای استفاده از برق را از کنتورهای مکانیکی با سیگنال الکترونیکی به برق می گویند. در حال حاضر، بسیاری از برنامه های کاربردی از متر هوشمند الکترونیکی، که دسترسی بی سیم به داده های مصرف برق متر را فراهم می کنند، برای اندازه گیری مصرف برق در زمان واقعی استفاده می کنند. برخی از کنتورهای هوشمند حتی می توانند میزان مصرف برق دستگاه های جداگانه را اندازه گیری کرده و به شرکت آب و برق یا مشتری امکان کنترل از راه دور برق را بدهند.

چگونه برق تولید می شود

ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که نوعی انرژی را به برق تبدیل می کند. انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد. بیشتر تولید برق جهان از ژنراتورهایی است که براساس کشف دانشمند مایکل فارادی در سال 1831 مبنی بر حرکت یک آهنربا به داخل سیم پیچ باعث ایجاد جریان الکتریکی در سیم می شود. او اولین ژنراتور برق را به نام دیسک فارادی ساخت که با این رابطه بین مغناطیس و برق کار می کند و منجر به طراحی ژنراتورهای الکترومغناطیسی می شود که امروزه ما استفاده می کنیم.

ژنراتورهای الکترومغناطیسی از آهنربای الکترومغناطیسی – آهنربا تولید شده توسط الکتریسیته – استفاده نمی کنند و از آهنربا سنتی استفاده نمی کنند. یک ژنراتور اساسی الکترومغناطیسی دارای یک سری سیم پیچ عایق بندی شده است که یک استوانه ثابت – به نام استاتور – را احاطه می کند که شافت الکترومغناطیسی را احاطه می کند – روتور نامیده می شود. چرخاندن روتور باعث ایجاد جریان الکتریکی در هر قسمت از سیم پیچ سیم می شود که به یک هادی الکتریکی جداگانه تبدیل می شود. جریان در بخشهای جداگانه با هم ترکیب می شوند و یک جریان بزرگ را تشکیل می دهند. این جریان الکتریکی است که از ژنراتورها از طریق خطوط برق به سمت مصرف کنندگان حرکت می کند. ژنراتور الکترومغناطیسی رانده شده توسط جنبشی (مکانیک) محرک اول برای تقریبا تمام تولید برق آمریکا هستند.

ژنراتورهای توربین دار

بیشتر تولید برق ایالات متحده و جهان از نیروگاه های الکتریکی است که برای هدایت ژنراتورهای برق از توربین استفاده می کنند. در یک توربین ژنراتور، یک سیال در حال حرکت – آب، بخار، گازهای احتراق یا هوا – مجموعه ای از تیغه های نصب شده روی شافت روتور را هل می دهد. نیروی سیال روی پره ها می چرخد ​​/ شافت روتور یک ژنراتور را می چرخاند. ژنراتور، به نوبه خود، انرژی مکانیکی (جنبشی) روتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. انواع مختلف توربین ها شامل توربین های بخار، توربین های احتراقی (گازی)، توربین های برق آبی و توربین های بادی است.

توربین های بخار برای تولید اکثر برق جهان مورد استفاده قرار می گیرند و حدود 48٪ از تولید برق ایالات متحده در سال 2019 را تشکیل می دهند. اکثر توربین های بخار دارای یک دیگ بخار هستند که در آن سوخت سوزانده می شود تا در مبدل حرارتی آب گرم و بخار تولید شود و بخار توربینی را تولید می کند که یک ژنراتور را هدایت می کند. راکتورهای انرژی هسته ای از میله های سوخت هسته ای برای تولید بخار استفاده می کنند. نیروگاه های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای تولید بخار استفاده می کنند. از 10 نیروگاه برتر برق ایالات متحده در سال 2019، 9 نیروگاه دارای توربین های بخار هستند که از انرژی هسته ای ، زغال سنگ و گاز طبیعی تأمین می شوند.

توربین های گازی احتراقی، که مشابه موتورهای جت هستند، سوخت های گازی یا مایع را می سوزانند تا گازهای داغ تولید کنند تا پره های توربین چرخانده شود.

توربین های بخار و احتراق می توانند به عنوان مولد مستقل در یک چرخه کار کنند یا در یک چرخه ترکیبی متوالی ترکیب شوند. سیستم های چرخه ترکیبی از گازهای احتراقی یک توربین برای تولید برق بیشتر در توربین دیگر استفاده می کنند. اکثر سیستم های چرخه ترکیبی برای هر توربین ژنراتور جداگانه دارند. در سیستم های سیکل ترکیبی تک شافت، هر دو توربین ممکن است یک ژنراتور واحد را هدایت کنند. درباره انواع نیروگاه های سیکل ترکیبی بیشتر بدانید. در سال 2019 نیروگاه های سیکل ترکیبی حدود 33٪ از تولید برق ایالات متحده را تأمین کردند.

نیروگاه های گرمایش و نیروگاه ترکیبی (CHP) که ممکن است از آنها به عنوان تولید کننده های مولد یاد شود، از حرارتی که مستقیماً به توربین بخار، توربین احتراق یا مولد موتور احتراق داخلی به برق تبدیل نمی شود، برای حرارت فرآیند صنعتی یا گرم کردن فضا و آب بیشترین بزرگترین کارخانه های CHP در ایالات متحده در تأسیسات صنعتی مانند کارخانه های تولید کاغذ و کاغذ قرار دارند، اما در بسیاری از کالج ها، دانشگاه ها و مراکز دولتی نیز از آنها استفاده می شود. CHP و نیروگاه های سیکل ترکیبی کارآمدترین روش ها برای تبدیل سوخت واحد به انرژی مفید هستند.

توربین های برق آبی از نیروی آب در حال حرکت برای چرخاندن پره های توربین برای تأمین انرژی یک ژنراتور استفاده می کنند. بیشتر نیروگاه های برق آبی از آب ذخیره شده در مخزن یا هدایت از رودخانه یا جریان آب استفاده می کنند. این نیروگاه های برق آبی معمولی حدود 7٪ از تولید برق ایالات متحده در سال 2019 را تشکیل می دهند. نیروگاه های آبی با ذخیره پمپاژ از همان توربین های آبی استفاده می کنند که نیروگاه های برق آبی معمولی از آنها استفاده می کنند، اما آنها سیستم ذخیره سازی برق در نظر گرفته می شوند (به زیر نگاه کنید). انواع دیگر توربین های برق آبی به نام توربین های هیدروکینتیک در سیستم های قدرت جزر و مدی و قدرت موج استفاده می شود. درباره انواع توربین های برق آبی بیشتر بدانید .

توربین های بادی از توان موجود در باد برای جابجایی پره های یک روتور برای تأمین انرژی یک ژنراتور استفاده می کنند. توربین های بادی دو نوع کلی دارند : توربین های محور افقی (متداول ترین) و محورهای عمودی. توربین های بادی منبع حدود 7٪ تولید برق ایالات متحده در سال 2019 بودند.

نیروگاه های زمین گرمایی از منابع زمین گرمایی برای هدایت ژنراتورهای الکتریکی استفاده می کنند.

سیستم های تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC) از اختلاف دما بین آب اقیانوس در اعماق مختلف برای تأمین انرژی توربین برای تولید برق استفاده می کنند. یک سیستم نمایشی OTEC در هاوایی وجود دارد.

انواع دیگر ژنراتورها

انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد که از توربین برای تولید برق استفاده نمی کنند. متداول ترین مورد استفاده امروزه سیستم های فتوولتائیک خورشیدی (PV) و موتورهای احتراق داخلی است.

سلول های فتوولتائیک خورشیدی نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کنند. اینها برای تأمین نیروگاههایی به اندازه ساعتهای مچی مورد استفاده قرار می گیرند و می توانند در پانل هایی که به صورت آرایه ای به یکدیگر متصل می شوند، برای برق رسانی به خانه های جداگانه یا تشکیل نیروگاه های بزرگ به یکدیگر متصل شوند. نیروگاه های PV اکنون یکی از سریعترین منابع تولید برق در سراسر جهان هستند.

موتورهای احتراق داخلی، مانند موتورهای دیزلی، در سراسر دنیا برای تولید برق از جمله در بسیاری از روستاهای دور افتاده در آلاسکا مورد استفاده قرار می گیرند. آنها همچنین به طور گسترده ای برای منبع تغذیه سیار در سایت های ساختمانی و منبع تغذیه اضطراری یا پشتیبان برای ساختمان ها و نیروگاه ها استفاده می شوند. ژنراتورهای موتور دیزل می توانند از انواع سوخت ها از جمله گازوئیل نفتی، سوخت های مایع با پایه زیست توده و بیوگاز، گاز طبیعی و پروپان استفاده کنند. ژنراتورهای کوچک موتور احتراق داخلی با سوخت بنزین، گاز طبیعی یا پروپان معمولاً توسط خدمه ساختمانی و تجار و برای تأمین برق اضطراری برای خانه ها استفاده می شوند.

انواع دیگر تولید کننده های برق شامل سلول های سوختی، موتورهای استرلینگ (که در ژنراتورهای بشقاب حرارتی خورشیدی استفاده می شود ) و ژنراتورهای ترموالکتریک هستند .

  • سهم کل تولید برق در مقیاس سودمند ایالات متحده در سال 2019 توسط انواع عمده تولید کننده های برق
  • توربین های بخار 58٪
  • توربین های احتراقی 24٪
  • توربین های برق آبی
  • توربین های بادی
  • سیستم های فتوولتائیک خورشیدی 2٪
  • انواع دیگر 2٪