برق A.C.

برقی که در صنعت و مصارف خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد برق A.C. یا جریان متناوب نامیده می‌شود.
برای تولید برق A.C. از دستگاهی به‌نام مولد یا ژنراتور استفاده می‌شود برحسب اینکه انرژی …

برقی که در صنعت و مصارف خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد برق A.C. یا جریان متناوب نامیده می‌شود.

برای تولید برق A.C. از دستگاهی به‌نام مولد یا ژنراتور استفاده می‌شود برحسب اینکه انرژی لازم برای به‌حرکت در آوردن مولد از چه منبعی دریافت شود مولد را با آن نام می‌خوانند. مثلاً اگر برای گرداندن مولد انرژی از انرژی بخار استفاده شود مولد را تور بوژنراتور می‌گویند.

برای تولید بخار از ماشینی به‌نام توربین بخار استفاده می‌شود. درین ماشین آبرا به‌وسیله سوختی مانند زغال‌سنگ، گاز، مولد نفتی یاسوخت اتمی به بخار تبدیل می‌کنند، بخار تولید شده با شرایطی توربین و سپس محو ژنراتور را به‌گردش در می‌آورد. ژنراتور بما برق می‌دهد.

برق ـ تولید از انرژی حرارتی اقیانوس‌ها:

الکتریسته می‌تواند با بهره‌گیری از اختلاف درجه حرارت آب‌های گرم سطحی و آب‌های سرد اعماق دریا تولید گردد. البته وقتی که تهیهٔ نفت نسبتاً مشکل باشد این تکنولوژی مفید خواهد بود.

اقیانوس پهناورترین جمع کننده انرژی خورشیدی در جهان است در یک روز عادی قریب ۶۰ میلیون کیلومتر مربع از دریاهای گرمسیری می‌تواند مقدار تشعشع خورشیدی معادل حرارت ۲۵۰ میلیارد بشکه نفت را جذب کنند حتی با وجود فراوانی نفت، تلاش برای تبدیل کسری از این انرژی به الکتریسیته در چندین کشور جهان دنبال می‌شود. این تکنولوژی اصطلاحاً ”اتک“ نامیده می‌شود.

اگر مجموعه‌ای چند ملیتی از تأسیسات ”اتک“ بتواند با استفاده از یک دهم درصد از این انرژی آب‌های سطحی زمین را به گرما تبدیل کند، در آن صورت می‌توان انتظار داشت که توانی معادل حداقل ۱۴ میلیون مگاوات یا به عبارتی بیشتر از ۲۰ برابر ظرفیت تولید جاری کشور آمریکا ایجاد شود. این تکنولوژی همچنین می‌تواند آب شیرین، تهویه مطبوع و یک محیط مناسب برای پرورش ماهی فراهم نماید.

منبع انرژی حرارتی در یک سیستم ”اتک“ فقط آب گرم می‌باشد که از دو راه می‌تواند الکتریسته تولید کند. در یکی از این روش‌ها، آب گرم، سیال عامل دیگری را که دارای نقطهٔ جوش پائین می‌باشد تبخیر می‌کند و در روش دیگر خود آب دریا در یک اطاقک خلاء به‌جوش می‌آید و آب در این حالت با فشار کم در درون اطاقک دارای نقطهٔ جوش پائین‌تری خواهد بود.

در هر حال بخار به‌وجود آمده از این دو روش برای تولید الکتریسته یک توربین را به‌حرکت در می‌آورد. آب سرد می‌تواند از عمق ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ متری (که بستگی به طرح دارد) به بالا آورده شود تا سیال عامل را تقطیر کند و به این ترتیب این سیکل کامل می‌گردد. مادامی که یک اختلاف درجه حرارتی معادل ۲۰ سانتیگراد بین لایهٔ آب بالا و آبی که در اعماق دریا وجود دارد. می‌توان مقداری توان خالص مفید تولید کرد این طرح می‌تواند روی زمین در نزدیکی ساحل یا حتی روی یک کشتی که امکان تغییر مکان دارد بنا گردد.

الکتریسته حاصل می‌تواند به یک شبکه نیرو تحویل داده شود یا در همان محل برای ساخت محصولاتی از قبیل متانول، هیدروژن، فلزات تصفیه شده و آمونیاک به‌کار رود.

دو نوع سیستم ”اتک“ در راه رسیدن به تولید نیروی مؤثر و تجاری ساختن نهائی آن وجود دارد. یکی از آنها (سیستم سیال با نقطه جوش پائین) به‌صورت یک سیستم بسته و دیگری (سیستم فشار پائین) که به‌عنوان یک سیستم باز عمل می‌کند. در یک سیستم بسته سیال عامل در سیستم محبوس بوده و مداوماً در سیکل گردش می‌کند مانند سیالی که در یک یخچال معمولی کار می‌کند ولی در یک سیستم باز سیال عامل که آب می‌باشد مداوماً تهیه و تخلیه می‌شود.

لازمهٔ یک سیستم بسته سیال عاملی با نقطهٔ جوش پائین است که می‌تواند آمونیاک یا فریون باشد. سیال به درون یک مبدل حرارتی به‌نام تبخیر کننده پمپ می‌شود و در آنجا توسط آب گرم دریا که درون یک لوله دیگر جریان دارد تبخیر می‌گردد بخار حاصل یک توربین متصل به یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می‌آورد.

بخار تخلیه شده از توربین، با فشار کم و از میان یک مبدل حرارتی ثانویه متمرکز کننده برق که در آن آب سرد پمپ شده از اعماق جریان دارد عبور می‌کند. پمپهاسیال عامل تقطیر شده را به‌ تبخیر کننده بر می‌گرداند تا مجدداً سیکل را شروع نمایند در یک آن آب سرد پمپ شده که از اعماق جریان دارد عبور می‌کند. پمپ‌ها سیال عامل تقطیر شده را به تبخیر کننده برمی‌گرداند تا مجدداً سیکل را شروع نمایند.

در یک سیستم سیکل باز سیال عامل آب گرم دریا است این آب به شدت درون یک اطاقک خلاء می‌جوشد و بخاری با تراکم کم را تولید می‌کند. می‌توان تصور نمود که این جریان همان پدیده جوشیدن آب در درجه حرارت‌های پائین است که به واسطهٔ افزایش ارتفاع حاصل می‌شود.

اطاقک خلاء یک سیستم باز را قادر می‌سازد تا در فشاری بین ۲۷ تا ۳۰ کیلومتر از زمین (فشاری بسیار کم) عمل نمایند.

چنین فشارهای کمی مسائل خاصی را به همراه دارند که از آن جمله تمایل جدائی گازهای محلول از آب دریا است و از آن‌جائی که این گازها نمی‌توانند تقطیر شوند می‌توانند موجب غیر عملی گشتن کار سیستم گردند مگر آنکه به‌طور مداوم از طریقی به بیرون رانده شوند.

تنها کمتر از ۵% آب گرم ورودی در چنین سیستمی به بخار تبدیل می‌گردد لذا به‌منظور تولید کافی بخار باید مقدار بسیار زیادی آب که برای راندن توربینی با چنین فشار کمی باشد پمپ شود. برای کامل کردن سیکل آب سرد دریا بخار را تقطیر می‌کند. تقطیر می‌تواند مستقیماً توسط مخلوط نمودن آب سرد دریا با بخار یا به‌طور غیر مستقیم در یک کندانسور سطحی صورت گیرد.

در چنین کندانسوری بخار و خنک کننده (آب سرد دریا) به‌طور فیزیکی دیواره‌هائی از یکدیگر جدا شده‌اند و حرارت باید از میان این دیواره‌ها عبور کند. از همین رو در این نوع کندانسور از فلزی که بهترین قابلیت انتقال را داشته باشد استفاده می‌شود. با چنین سیستمی بخار تقطیر شده از ناخالصی‌های آب دریا نیز جدا می‌شود به‌طوری‌که این عمل منفعت مضاعف تولید آب شیرین را نیز به همراه دارد.

ایدهٔ استفاده از انرژی حرارتی اقیانوس در بیشتر از یک قرن پیش توسط یک مهندس فرانسوی پایه‌ریزی شد و اولین نمونه‌ها توسط دوست و دانشجوی پیشین او که جرج‌کلود نام داشت جهت آزمایش ساخته شد.

بحران انرژی سال ۱۹۷۰ آمریکا و چند کشور دیگر را مجبور ساخت تا نسبت به پروژه ”اتک“ توجه و علاقمندی بیشتری زا خود نشان دهند.

در این رابطه ایالت هاوائی و شرکت هوا ـ فضائی لاکهید با حمایت تکنیکی شرکت ویلینگ‌هام یک مینی ”اتک“ را ساختند که اولین نیروگاه از این نوع برای تولید یک توان خالص الکتریکی بود این سیستم از نوع سیکل ـ بسته بود که روی یک سکو در حدود دو کیلومتری نقطه‌ای به‌نام ”کی‌هول“ در جزیره هاوائی نصب شده بود. این نیروگاه به مدت ۱۰ روز و به‌طور متناوب در چهار ماه توانست ۵۰ کیلووات توان ناخالص و ۱۵ کیلووات توان خالص تولید نماید.

در طی همان سال‌ها دپارتمان انرژی آمریکا اقدام به مشارکت در طرح ”اتک“ نمود که سیستم آزمایشی نصب شده روی یک تانکر تبدیل یافته مربوط به نیروی دریائی آمریکا بود.

این سیستم از مبدل‌های حرارتی سیکل بسته و در مقیاس تجاری و به‌علاوه یک دسته لوله‌هائی به قطر ۱۰۲ متر و پمپ‌های لازم طرح تشکیل می‌یافت. طرح فوق نتایج قابل قبولی به همراه داشت و نشان داد که یک نیروگاه ”اتک“ می‌تواند به‌صورت شناور در سرعت‌های کم و تواماً با حرکت و تغذیه در آب‌های گرمسیری کار کند.

کمی بعد کمپانی قدرت الکتریکی توکیو و مؤسسه توشیبا (با ۵۰ درصد حمایت وزارت تجارت و صنعت بین‌المللی ژاپن) یک سیستم بسته را در جزیره ”نااورو“ در اقیانوس آرام تأسیس نمود که با فریون به‌عنوان سیال عامل کار می‌کرد که متناوباً از اکتبر ۱۹۸۱ تا سپتامبر ۱۹۸۲ راه‌اندازی شد و توانی معادل ۱۰۰ کیلووات (۳۵ کیلووات خالص) را تولید تست سیستم ”اتک“ بود و از آنها انتظار نمی‌رفت در سطح نیروگاه‌های تجاری قادر به عمل باشند.

تمام نیروگاه‌های آزمایشی فعالیت روی تجهیزات سیستم ”اتک“ ادامه داشته. در آمریکا تحقیق روی سیستم‌های سیکل ـ بسته بیشتر روی توسعه مبدل‌های حرارتی متمرکز شده است که حداقل ۲۰ درصد هزینه نیروگاه را در بر می‌گیرد. این فعالیت‌ها شامل کوشش‌هائی برای کاهش کروژن (خوردگی) دستگاه‌های سیستم به واسطه تماس آب دریا و زوائد و کثافات ناشی از موجودات زندهٔ دریائی است. یک مبدل حرارتی مناسب برای سیستم‌های بسته معمولاً مبدل به نام ”پوسته و لوله“ است.

آب دریا از میان لوله‌های این مبدل عبور می‌کند و سیال حول این لوله‌ها و درون پوسته تبخیر یا تقطیر می‌گردد. در ابتدا تیتانیوم به واسطه مقاومت خوب آن در مقابل کروژن به‌عنوان فلز مناسب در مبدل‌های حرارتی سیکل بسته انتخاب می‌شد اما به واسطه هزینه زیاد آن (لابراتور ملی آرگون) اخیراً مبدل‌های حرارتی اصلاح شده آلومینیومی ـ برنجی را پیشنهاد نموده است. که این نوع مبدل‌ها معمولاً در یخچال مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند برای۳۰ سال و یا حتی بیشتر در محیط‌های خورنده دریائی چنانچه پوشش محافظی داشته باشند کار کنند.

طرح‌هائی که در جریان چنین نیروگاه‌ها است شامل یک نیروگاه آمریکائی در هاوائی، یک نیروگاه فرانسوی در تاهیتی و یک نیروگاه آلمانی در بالبی و یک نیروگاه شناور انگلیسی می‌باشد. در هر حال برآوردهای مالی نشان می‌دهد که یک نیروگاه ۵۰ مگاواتی هزینه‌ای بالغ بر ۲۰۰ تا ۵۰۰ میلیون دلار بسته به محل وقوع تجهیزات آن دارد.

این برآوردها قابل تبدیل به هزینه‌ای از ۴۰۰۰ تا ۱۱۰۰۰ دلار برای هر کیلووات از ظرفیت نصب شده است و هزینه تحویلی آن از ۵ تا ۱۴ سنت به ازاء هر کیلووات ساعت است (یک دستگاه تولیدی که نفت مصرف می‌کند به ازاء نفت بشکه‌ای ۲۰ دلار الکتریسیته ۶/۵ سنت به ازاء هر کیلووات ساعت را تحویل می‌دهد).

اگرچه سیستم‌های سیکل ـ باز تا به حال به اندازه طرح‌های سیکل بسته توسعه نیافته‌اند ولی با این وجود آنها حداقل چهار امتیاز را از خود نشان می‌دهند اول اینکه آب دریا به‌عنوان سیال عامل به‌کار می‌رود و احتمال آلوده کردن محیط دریا با سیال‌های سمی از قبیل آمونیاک یا فریون از بین خواهد رفت. دوم یک سیستم ـ باز دارای مبدل‌های حرارتی با تماس مستقیم است که نتیجتاً ارزانتر است و نیز نسبت به مبدل‌هائی که در سیکل بسته مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای توانائی مؤثرتری است.

به واسطه همین امر نیروگاه‌های سیکل باز می‌تواند در تبدیل حرارت اقیانوس به الکتریسته دارای بازده بهتری باشد و همچنین خرج کمتری را به عهده خواهد داشت سوم مبدل‌های حرارتی با تماس مستقیم می‌تواند از پلاستیک به‌جای فلز ساخته شوند این نوع مبدل‌ها نسبت به کروژن آمادگی کمتری دارند و می‌توانند به مواد زائد و ناخالصی‌های آب حساسیت کمتری از خود نشان دهند. چهارم در این نوع سیستم‌ها به واسطه وجود کندانسور سطحی می‌توان آب شیرین را به‌عنوان یک محصول اضافی تولید نمود.

ولی در عین حال سیستم‌های سیکل ـ باز بعضی مسائل تکنولوژیکی خاصی را از خود بروز می‌دهند.

یکی از آنها این است که توربین‌های سیستم‌های سیکل باز باید از توربین‌هائی که در سیکل ـ بسته استفاده می‌شوند خیلی بزرگتر باشند چون دانسیتهٔ بخار در این نوع سیستم‌ها خیلی کم است.

مسأله دیگری که در یک سیستم سیکل باز مطرح است این است که باید دارای سیرهای جریان بسیار صاف و همواری برای عبور بخار کم باشد.

همچنین اطاقک خلاء باید کاملاً بزرگ باشد چون تنها ۵% از آب گرم که وارد نیروگاه می‌شود می‌تواند به بخار تبدیل شود نیروگاه نیاز به حجم زیاد جریان آب گرم (از دو تا چهار متر مکعب در ثانیه برابر ۳۱۷۰۰ تا ۶۳۰۰۰ گالن در دقیقه) را دارا می‌باشد.

از طرفی پمپ کردن آب بیشتر به معنای اتلاف فشار بیشتر است که باید به هر صورت در حلقهٔ آب گرم مینیمم گردد تا مطمئن شد که قدرت خروجی در حد ماکزیمم است. یک نیروگاه سیکل باز دو مگاواتی (خالص) با یک کندانسور سطحی می‌تواند در حدود ۴۳۲۰ متر مکعب در روز آب تولید کند. در واقع (۷۹۲ گالن در دقیقه و یا ۱۱ میلیون در روز).

اگر نیاز به آب از ظرفیت تولید طرح تجاوز کند چنین نیروگاهی می‌تواند از کندانسور سطحی و کندانسور تماس مستقیم توانا استفاده نماید یک کندانسور تماس مستقیم بعد از مرحلهٔ شیرین کردن آب برای متمرکز نمودن گازهای غیر قابل حل و کاهش اندازهٔ سیستم خروجی به‌کار گرفته می‌شود که بدین وسیله نسبت توان خالص به ناخالص افزایش می‌یابد.

توربین شاید مهمترین جزء یک سیستم ”اتک“ باشد که کمترین آزمایشات نیز روی آن انجام گرفته است. لازمهٔ به کارگیری توربین‌های بزرگ ممکن است حتی در نیروگاه‌های کوچک منجر به استفاده از بزرگترین نوع خود شود لاکن بازدهی لازم را ارائه نمی‌دهد زیرا که توان هر کدام از توربین‌ها متفاوت و هر کدام جهت استفاده از یک سیستم خاص طراحی شده است.