تولید برق به کمک موتور مولد برق

704 بازدید

به احتمال زیاد، تا به حال پیش آمده است که به چگونگی و نحوه تولید برق فکر کنید. اما شاید پاسخ مشخصی برای آن نیافته باشید. برق از راه‌های متفاوتی مانند استفاده از موتور مولد برق و سوخت‌های فسیلی، سوخت‌های هسته‌ای، انرژی خورشیدی، بادی، سوخت‌های زیستی و … تولید می‌شود.

بیشتر نیروگاه‌هایی که سوخت فسیلی و یا زیستی را تبدیل به برق کرده و آن را به شبکه برق ارسال می‌نمایند، از دستگاهی با نام موتور مولد برق یا ژنراتور برق استفاده می‌کنند. دستگاهی که در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد کمی با موتور مولد برق یا ژنراتورهای ساده امروزی متفاوت است اما هر دو اصول کاری مشابهی داشته و هر دو انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل می‌کنند.

راهنمای مطالعه نمایش

موتور مولد برق چیست؟!

موتور مولد برق یا ژنراتور برق (Electric Generator) دستگاهی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در واقع پروسه کاری ژنراتور برق بدین شکل بوده که انرژی شیمیایی حاصل از سوخت (سوخت فسیلی یا زیستی) را به انرژی مکانیکی تبدیل و سپس انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در واقع ژنراتور با استفاده از انرژی مکانیکی تولید شده توسط موتور، در سیم‌پیچ و مدارها بار الکتریکی ایجاد کرده و برق را به عنوان خروجی سیستم تولید می‌کند.

بیشتر موتورهای مولد و یا ژنراتورها کاربرد جایگزین برق یا کاربردی با نام برق ذخیره شده دارند. برای مثال، حتما پیش آمده است که برق در یک سازمان، شرکت و یا ارگان بزرگ قطع شده و پس از چند دقیقه برق جایگزین یا ذخیره شده وارد مدار می‌شود و دوباره برق به مجموعه باز می‌گردد. دقت کنید که این برق جایگزین و یا ذخیره شده همان موتورهای مولد و ژنراتورهای برق بوده که وارد مدار مجموعه شده‌اند.

یک نمونه موتور مولد برق

تاریخچه اختراع موتور مولد برق

ابتدایی‌ترین و اولین راه‌های تولید برق به اواخر قرن 18 میلادی و قبل از کشف رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس باز می‌گردد. در آن زمان از مولدهای الکترواستاتیکی و اصول الکترواستاتیک برای تامین و تولید انرژی الکتریسیته استفاده می‌شد. مشهورترین موتور مولد برق یا همان دستگاه‌های تولید برق ، که بر مبنای اصول الکترواستاتیکی کار می‌کردند ، ماشین‌ ویمس هورست (Wimshurst) و مولدهای ون‌دی‌گراف (Van de Graaff) بودند. مکانیزم کاری این دستگاه‌ها بر مبنای القای الکترواستاتیکی و تولید برق بر اساس اصطکاک (تریبوالکتریسیته) بود. این دستگاه‌ها و این روش (روش تولید برق بر مبنای اصول الکترواستاتیکی) به دلیل بهره‌وری پایین مولدها، هزینه عایق‌کاری بسیار بالا و تولید برق با ولتاژ بالا و جریان بسیار پایین، منسوخ شدند.

در اواسط دهه 1930 میلادی و پس از کشف اصول عملکرد مولدهای الکترومغناطیس توسط مایکل فارادی، مایکل فارادی موفق به ساخت یک مولد برق با نام “صفحه فارادی” شد. نحوه کار این مولد بدین شکل بود که این مولد هم قطب بوده و از یک صفحه مسی که بین دو آهنربای نعل اسبی مانند می‌چرخید، تشکیل شده بود. این مولد قادر به تولید میزان ولتاژ پایین و جریان بالا بود. بزرگ‌ترین مشکل این روش در کمی ولتاژ تولیدی، پخش شدن جریان تولیدی در صفحات و تبدیل جریان به گرما بود.

اولین مولد الکتریکی که توانایی تولید برق در مقیاس صنعتی داشت، مولد الکتریکی دینام یا به ‌اختصار دینام بود. دینام در سال 1872 توسط “زنوبه تئوفیل‌گرام” ساخته و ثبت شد. زنوبه تئوفیل‌گرام با استفاده از اصول الکترومغناطیس و یک وسیله به نام کموتاتور، موفق به ساخت دینام و تولید جریان مستقیم شد.

یک دینام از یک قسمت ثابت که میدان مغناطیسی دائمی تولید کرده و مجموعه‌ای از سیم‌پیچ‌های متحرک که داخل میدان می‌چرخند، تشکیل شده‌است. در دینام‌های کوچک، میدان مغناطیسی ثابت ممکن است به وسیله چند آهنربای دائمی فراهم شود. در دینام‌های بزرگ این میدان به وسیله یک یا چند آهنربای الکتریکی ایجاد می‌شود. دینام به یک الگو برای اختراع ماشین‌هایی چون موتور الکتریکی جریان مستقیم، مولد جریان متناوب و موتور سنکرون تبدیل شد. اما از آنجایی که امروزه بیشتر مصارف با برق و جریان متناوب هستند، استفاده از دینام و جریان مستقیم منسوخ شده و کمتر کسی از دینام برای تولید برق استفاده می‌کند. این دینام‌ها نیز جای خود را به دینام‌های جریان متناوب دادند. مولدهای امروزی برق را با جریان متناوب که از کیفیت، توزیع و انتقال مناسب‌تری نسبت به جریان مستقیم بهره‌مند است، تولید می‌کنند.

دینام

موتور مولد برق چگونه کار می‌کند؟!

ژنراتور برق وسیله‌ای است که انرژی مکانیکی به دست آمده از منبع بیرونی (سوخت فسیلی) را به انرژی الکتریکی به عنوان خروجی تبدیل می‌کند. ژنراتور برق یا موتور مولد برق از تلفیق یک قسمت موتور (تبدیل انرژی شیمیایی به مکانیکی) و یک قسمت ژنراتور (تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی) تشکیل شده است که به کل این مجموعه موتور مولد برق یا ژنراتور برق گفته می‌شود. قسمت موتور این سیستم، انرژی شیمیایی درون سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی و حرکتی تبدیل می‌کند. سپس قسمت ژنراتور مولد وارد عمل شده و انرژی مکانیکی (حرکتی) حاصله را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در نهایت برق یا الکتریسیته به وجود می‌آید.

توجه کنید که ژنراتور به هیچ عنوان انرژی الکتریکی تولید نمی‌کند بلکه با استفاده از انرژی مکانیکی عرضه شده در سیستم و با ایجاد حرکت و تولید بار الکتریکی در سیم‌پیچ‌های درون مدار الکتریکی، برق را به عنوان خروجی سیستم، به ما عرضه می‌کند. این جریان، شارژ الکتریکی یا همان جریان الکتریکی عرضه شده توسط ژنراتور است. در واقع عملکرد کل ژنراتور بدین شکل است که قسمت موتور همانند سایر موتورها، انرژی شیمیایی سوخت را با استفاده از پیستون و میلنگ به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و انرژی مکانیکی توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. ژنراتور، شار الکتریکی که توسط الکترون‌ها حمل می‌شود را به حرکت درآورده و در سیم‌پیچ‌های مدار، بار الکتریکی تولید می‌کند و در نهایت برق را به عنوان خروجی به سیستم ارائه می‌دهد. مکانیسم ژنراتور را می‌توان با درک کار پمپ آب دریافت که باعث جریان یافتن آب می‌شود اما در واقع هیچ گونه آبی تولید و یا ایجاد نمی‌کند.

نحوه کارکرد موتور مولد برق

اجزای موتور مولد برق

یک ژنراتور برق از اجزای مختلفی تشکیل شده است اما اصلی‌ترین اجزای یک موتور مولد برق عبارت است از:

موتور
ژنراتور
سیستم سوخت
تنظیم‌کننده ولتاژ
سیستم خنک‌سازی
سیستم روغن‌کاری
شارژ باطری
پنل کنترل
سیستم دود یا اگزوز
چارچوب اصلی
تجهیزات جانبی

حال به بررسی جداگانه هر قسمت می‌پردازیم.

موتور

موتور یکی از حیاتی‌ترین قسمت‌‌های ژنراتور برق بوده که وظیفه تامین انرژی مکانیکی ژنراتور را برعهده دارد. انتخاب صحیح موتور برای استفاده در ژنراتور از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا توان مکانیکی که یک موتور تامین می‌کند، می‌تواند توان الکتریکی خروجی ژنراتور را مشخص کند. پس هرچه توان موتور بیشتر باشد جریان خروجی از ژنراتور بیشتر خواهد بود. البته باید دقت شود که موتور استفاده شده در ژنراتور با ساختار ژنراتور هم‌خوانی و مطابقت داشته باشد. در انتخاب موتور موارد دیگری مانند میزان صدای تولیدی و میزان حجم محفظه سوخت نیز مهم هستند که باید به آن‌ها هم توجه نمود. برخی از موتورها برای شروع کار خود نیاز به یک انرژی اولیه دارند که این انرژی توسط یک منبع تغذیه یا باطری تولید می‌شود. ولتاژ این منبع تغذیه یا باطری می‌تواند بین 12 تا 24 ولت باشد.

ژنراتور

ژنراتور (قسمت تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی) قلب مولد برق بود و از اصلی‌ترین قسمت‌های یک ژنراتور برق یا موتور مولد برق به شمار می‌رود. از قسمت ژنراتور مولد با نام آلترناتور هم یاد می‌شود که وظیفه تبدیل انرژی مکانیکی و حرکتی را به انرژی الکتریکی دارد. توان ژنراتور برحسب نیاز ما و ساختمان ژنراتور برق تعیین می‌شود.

اجزای ژنراتور

سیستم سوخت

سیستم سوخت به منظور نگهداری سوخت (منبع انرژی شیمیایی) و انتقال سوخت برای احتراق در موتور، به کار می‌رود. تانک‌های سوخت معمولی (مخزن‌های سوخت معمولی) ظرفیت کاری بین 6 تا 8 ساعت را به صورت پیوسته دارند. سیستم سوخت در موتور برق که بسته به نوع سوخت متفاوت است می‌‌تواند بر روی خود دستگاه موتور برق، بر روی پایه دستگاه ژنراتور برق و یا به عنوان بخشی مجزا در سیستم موتور مولد برق قرار گیرد. اجزای سیستم سوخت و وظایف هر یک از اجزای سیستم سوخت عبارت است از:

مخزن سوخت (با نام تانک یا محفظه سوخت هم از آن‌ها یاد می‌شود)
لوله ارتباط از مخزن سوخت به موتور
انتقال مستقیم سوخت از مخزن به موتور و برگشت مستقیم از موتور به مخزن
سرریز: ارتباط سرریز از مخزن سوخت به لوله زهکش
لوله زهکش: انتقال سوخت باقیمانده از احتراق به منبع
پمپ سوخت: که باعث انتقال سوخت شده و از طریق انرژی الکتریکی عمل می‌کند
جداکننده آب و سوخت: جداکننده، آب و ماده خارجی را از سوخت مایع برای پشتیبانی از اجزای دیگر ژنراتور در مقابل خوردگی و آلودگی جدا می‌کند
انژکتور سوخت: سوخت مایع را اتمیزه کرده و سوخت را با فشار زیاد در اتاقک احتراق موتور اسپری می‌کند

تنظیم‌کننده ولتاژ

وظیفه این قطعه تنظیم ولتاژ خروجی برق از ژنراتور و تبدیل برق AC به DC و برعکس می‌باشد. تنظیم‌کننده ولتاژ شامل رگولاتور، سیم‌پیچ تحریک‌کننده و روتور یکسوکننده است. در حالت عمومی، تنظیم ولتاژ در انتهای ژنراتور و پس از تولید برق صورت می‌پذیرد.

سیستم خنک‌سازی

از آنجا که تبدیل انرژی شیمیایی به مکانیکی و عمل سوختن و احتراق، گرماده بوده و همراه با ایجاد گرما و حرارت هستند، نیاز به استفاده از یک سیستم خنک کاری در ژنراتور به شدت احساس می‌شود. گرما و حرارت در طولانی مدت باعث فرسوده و خراب شدن قطعات می‌شوند. در برخی از سیستم‌های خنک‌کننده از مایع یا آب و در سایر موارد از گاز هیدروژن استفاده می‌شود.

سیستم روغن‌کاری

از آنجایی که ژنراتور برق از قسمت‌ موتور و قطعات مکانیکی تشکیل شده است، این قطعات پس از مدتی کارکرد دچار سائیدگی و خوردگی خواهند شد که برای جلوگیری از این سائیدگی و خوردگی قطعات از روغن استفاده می‌‌شود. به طور کلی هر 10 ساعت یک بار باید روغن دستگاه چک شده و هر 500 ساعت، روغن تعویض شود.

ژنراتور برق

شارژ باطری

دستگاه ژنراتور به طور کلی باطری محور بوده و بدون استفاده از باطری امکان راه‌اندازی ندارد. این قسمت وظیفه شارژ باطری را بر عهده داشته و علاوه بر شارژ باطری، میزان شار را هم نشان می‌دهد. توان این شارژ با توان خروجی ژنراتور متناسب بوده و به نسبت آن تغییر می‌کند.

پنل کنترل

این قسمت وظیفه کنترل الکتریکی کل سیستم و تنظیم و راه‌اندازی کل دستگاه را دارد. قسمت‌هایی که توسط پنل کنترل، مدیریت می‌شوند، عبارتند از:

کنترل ژنراتور: شامل کنترل تمامی پارامترهای دخیل در ژنراتور بوده که شامل ولتاژ، جریان و فرکانس می‌شود.
کنترل موتور: در قسمت کنترل موتور باید پارامترهای سرعت، میزان روشن بودن، فشار روغن، میزان حرارت سیال خنک‌کننده و … اندازه‌گیری شوند.
پنل خاموش و روشن کردن سیستم: سیستم روشن و خاموش‌کردن اتوماتیک دستگاه که در بعضی از ژنراتورها موجود است.

سیستم دود یا اگزوز

از آنجا که عمل سوختن و احتراق درون موتور صورت گرفته و سوختن و احتراق همراه با دود و گرما است، به یک سیستم برای خارج کردن دود از مدار نیاز است. سیستم دود یا همان اگزوز در قسمت خارجی موتور قرار داشته و دود را از سیستم خارج می‌کند.

چارچوب اصلی ژنراتور

تمامی تجهیزات و قطعات ذکر شده روی یک شاسی قرار می‌گیرند. این شاسی همان چارچوب اصلی دستگاه بوده که باعث حفظ و ثبات قطعات دستگاه می‌شود.

تجهیزات جانبی

هر ژنراتوری با توجه نوع و کاربردی که دارد ممکن است از برخی از تجهیزات جانبی در کنار تجهیزات اصلی استفاده نماید. در اینجا به ذکر تجهیزات جانبی که بر روی برخی از موتورهای مولد برق نصب می‌شود، می‌پردازیم.