مولد یا ژنراتور برق چیست؟ آشنایی با انواع رایج ژنراتور برق
مولد یا ژنراتور برق وسیله ای است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. با استفاده از یک میدان مغناطیسی دوار برای القای جریان الکتریکی در یک سیم پیچ کار می کند. انرژی مکانیکی می تواند از منابع مختلفی مانند باد، آب یا بخار حاصل شود.
انواع مختلفی از ژنراتورهای برق وجود دارد که در طراحی و کاربرد متفاوت هستند. در اینجا برخی از رایج ترین انواع آن آورده شده است:
- ژنراتورهای AC: اینها رایج ترین نوع ژنراتورهای برق هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. آنها برق جریان متناوب (AC) تولید می کنند که استاندارد اکثر شبکه های برق در سراسر جهان است. ژنراتورهای AC از یک میدان مغناطیسی دوار برای القای جریان متناوب در یک سیم پیچ استفاده می کنند.
- ژنراتورهای DC: اینها برق جریان مستقیم (DC) تولید می کنند که در بسیاری از وسایل الکترونیکی مانند کامپیوتر و تلفن همراه استفاده می شود. ژنراتورهای DC از یک کموتاتور برای تبدیل ولتاژ AC تولید شده توسط ژنراتور به ولتاژ DC استفاده می کنند.
- توربین های بادی: نوعی ژنراتور هستند که از نیروی باد برای تولید برق استفاده می کنند. پره های توربین بادی شفتی را می چرخاند که به نوبه خود یک ژنراتور را برای تولید برق می چرخاند.
- ژنراتورهای هیدروالکتریک: اینها از نیروی حرکت آب برای تولید برق استفاده می کنند. آب از طریق یک توربین جریان می یابد که یک ژنراتور را برای تولید برق می چرخاند. ژنراتورهای هیدروالکتریک اغلب برای تولید برق برای کاربردهای بزرگ مانند شهرها و تاسیسات صنعتی استفاده می شوند.
- توربین های بخار: این توربین ها از نیروی بخار برای تولید برق استفاده می کنند. بخار با گرم کردن آب تولید می شود و سپس برای چرخاندن یک توربین که یک ژنراتور را به حرکت در می آورد استفاده می شود. توربین های بخار اغلب در نیروگاه هایی که زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی می سوزانند استفاده می شود.
- دیزل ژنراتورها: اینها از موتور دیزلی برای به حرکت درآوردن ژنراتوری که برق تولید می کند استفاده می کنند. دیزل ژنراتورها اغلب به عنوان منبع تغذیه پشتیبان برای بیمارستان ها، مراکز داده و سایر امکانات حیاتی استفاده می شوند.
علاوه بر این انواع، ژنراتورهای تخصصی بسیاری نیز وجود دارند که برای کاربردهای خاص مانند ژنراتورهای قابل حمل برای کمپینگ یا سایت های ساخت و ساز، یا ژنراتورهای اینورتر برای الکترونیک حساس طراحی شده اند. هر نوع ژنراتور بسته به کاربرد و نیازهای خاص خود مزایا و معایب منحصر به فرد خود را دارد.
ژنراتور AC
ژنراتور AC که به عنوان آلترناتور نیز شناخته می شود، وسیله ای است که انرژی مکانیکی را به صورت جریان متناوب (AC) به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. با استفاده از یک میدان مغناطیسی دوار برای القای جریان الکتریکی در یک سیم پیچ ثابت کار می کند.
اجزای اصلی یک ژنراتور AC شامل روتور، استاتور و پایانه های خروجی است. روتور یک جزء دوار است که معمولاً توسط یک محرک اصلی مانند توربین بخار، توربین گاز یا موتور احتراق داخلی به حرکت در میآید. استاتور یک جزء ثابت است که شامل مجموعه ای از سیم پیچ هایی است که در اطراف روتور قرار گرفته اند. هنگامی که روتور می چرخد، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند که جریان الکتریکی را در سیم پیچ های سیم در استاتور القا می کند.
جریان الکتریکی تولید شده توسط ژنراتور AC معمولاً سه فاز AC است، به این معنی که از سه موج سینوسی مجزا تشکیل شده است که 120 درجه با یکدیگر اختلاف فاز دارند. این نوع برق AC در اکثر شبکه های برق در سراسر جهان استفاده می شود زیرا کارآمد و آسان برای انتقال در فواصل طولانی است.
ژنراتورهای AC در طیف گسترده ای از کاربردها، از ژنراتورهای کوچک قابل حمل برای کمپینگ یا برق پشتیبان اضطراری گرفته تا نیروگاه های بزرگ مقیاس که برای کل شهرها برق تولید می کنند، استفاده می شوند. آنها همچنین معمولاً در کاربردهای صنعتی مانند فرآیندهای تولید و ماشین ابزار استفاده می شوند.
ژنراتورهای AC علاوه بر کاربرد آنها در تولید برق، در موتورهای الکتریکی نیز استفاده می شوند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. اصل القای الکترومغناطیسی که در ژنراتورهای AC استفاده می شود در موتورهای الکتریکی نیز به صورت معکوس برای ایجاد حرکت چرخشی استفاده می شود.
ژنراتور DC
ژنراتور DC که به نام دینام نیز شناخته می شود، وسیله ای است که انرژی مکانیکی را به صورت جریان مستقیم (DC) به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. با استفاده از یک کموتاتور برای تبدیل جریان متناوب (AC) تولید شده توسط ژنراتور به ولتاژ DC کار می کند.
اجزای اصلی یک ژنراتور DC مشابه اجزای یک ژنراتور AC است که شامل روتور، استاتور و پایانههای خروجی میشود. با این حال، روتور در یک ژنراتور DC طراحی متفاوتی دارد که به آن اجازه می دهد ولتاژ DC تولید کند.
روتور در یک ژنراتور DC از مجموعه ای از آهنرباهای الکتریکی تشکیل شده است که در اطراف یک محور مرکزی قرار گرفته اند. با چرخش روتور، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنرباهای الکتریکی با آن می چرخد و جریان الکتریکی را در سیم پیچ های ثابت سیم در استاتور القا می کند. با این حال، برخلاف ژنراتور AC، جریان الکتریکی تولید شده توسط روتور، متناوب است.
برای تبدیل این جریان متناوب به ولتاژ DC از یک کموتاتور استفاده می شود. کموتاتور مجموعه ای از کنتاکت های دوار است که به سیم پیچ های سیم در روتور متصل می شوند. همانطور که روتور می چرخد، کنتاکت ها از روی مجموعه ثابتی از براش ها که به پایانه های خروجی متصل هستند عبور می کنند. براش ها اطمینان حاصل می کنند که جریان همیشه در یک جهت جریان می یابد و ولتاژ DC تولید می کند.
ژنراتورهای DC در کاربردهای مختلفی از ژنراتورهای کوچک قابل حمل گرفته تا ابزارهای برقی و شارژرهای باتری و نیروگاه های بزرگ مقیاس استفاده می شوند. آنها همچنین در وسایل نقلیه الکتریکی، مانند اتومبیل ها و قطارها، که در آنها ولتاژ DC برای تامین انرژی موتورها مورد نیاز است، استفاده می شود.
ژنراتورهای DC علاوه بر کاربرد در تولید برق، در موتورهای الکتریکی نیز استفاده می شوند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. اصول القای الکترومغناطیسی که در ژنراتورهای DC استفاده می شود در موتورهای الکتریکی نیز به صورت معکوس برای ایجاد حرکت چرخشی استفاده می شود.
توربین بادی
توربین بادی وسیله ای است که انرژی جنبشی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این با استفاده از نیروی باد برای چرخاندن مجموعه ای از پره های متصل به روتور کار می کند که به نوبه خود ژنراتور را برای تولید برق می چرخاند.
اجزای اصلی یک توربین بادی شامل روتور، ژنراتور و برج است. روتور از مجموعه ای از تیغه ها تشکیل شده است که معمولاً از فایبرگلاس یا سایر مواد سبک وزن ساخته شده اند. همانطور که باد می وزد، باعث می شود که تیغه ها به دور یک هاب مرکزی بچرخند. ژنراتور به طور معمول در پشت روتور قرار دارد و توسط یک شفت به آن متصل می شود. حرکت چرخشی روتور شفت ژنراتور را می چرخاند که برق تولید می کند.
این برج برای پشتیبانی از روتور و ژنراتور در ارتفاعی استفاده می شود که بتواند بیشترین انرژی باد را جذب کند. این برج می تواند از مواد مختلفی مانند فولاد یا بتن ساخته شود و ارتفاع آن از چند ده متر تا بیش از 100 متر باشد.
توربین های بادی را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: محور افقی و محور عمودی. توربینهای بادی محور افقی (HAWT) دارای پرههایی هستند که حول محور افقی میچرخند و رایجترین نوع توربینهای بادی هستند که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند. توربینهای بادی محور عمودی (VAWT) دارای پرههایی هستند که حول محور عمودی میچرخند و معمولاً در کاربردهای مقیاس کوچکتر مانند ساختمانهای مسکونی یا تجاری استفاده میشوند.
توربینهای بادی اغلب در مزارع بادی استفاده میشوند، جایی که چندین توربین در مکانی با سرعت باد بالا نصب میشوند. مزارع بادی می توانند مقدار قابل توجهی برق تولید کنند و اغلب به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر برای جایگزینی سوخت های فسیلی استفاده می شوند.
یکی از مزیتهای توربینهای بادی این است که هیچ گونه انتشار یا آلایندهای در حین کار تولید نمیکنند و به یک منبع انرژی پاک و پایدار تبدیل میشوند. با این حال، آنها دارای محدودیت هایی هستند، مانند وابستگی آنها به سرعت و جهت باد، و پتانسیل تأثیرات منفی بر حیات وحش و محیط زیست.
ژنراتور هیدروالکتریک
ژنراتور هیدروالکتریک دستگاهی است که از انرژی سقوط یا جاری شدن آب برای تولید برق استفاده می کند. با تبدیل انرژی مکانیکی آب به انرژی الکتریکی با استفاده از یک توربین و ژنراتور کار می کند.
اجزای اصلی یک ژنراتور برق آبی شامل سد، مخزن، پنستوک، توربین و ژنراتور است. آب در مخزن پشت سد ذخیره می شود و از طریق یک پنستوک که لوله یا تونلی است که آب را به سمت توربین هدایت می کند، آزاد می شود. همانطور که آب از طریق پنستوک جریان می یابد و به پره های توربین برخورد می کند، باعث چرخش توربین می شود.
سپس از حرکت چرخشی توربین برای چرخاندن یک ژنراتور استفاده می شود که برق تولید می کند. الکتریسیته تولید شده توسط ژنراتور معمولاً جریان متناوب سه فاز (AC) است که سپس ولتاژ آن افزایش یافته و به شبکه برق منتقل می شود.
ژنراتورهای هیدروالکتریک بر اساس نوع توربین مورد استفاده طبقه بندی می شوند، مانند توربین های فرانسیس، پلتون یا کاپلان. توربینهای فرانسیس معمولاً در کاربردهای هد متوسط تا بالا، توربینهای پلتون در کاربردهای هد بالا و توربینهای کاپلان در کاربردهای هد پایین مورد استفاده قرار میگیرند.
یکی از مزیتهای ژنراتورهای برق آبی این است که بدون انتشار گازهای گلخانهای یا سایر آلایندهها، برق تولید میکنند و به یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر تبدیل میشوند. آنها همچنین دارای راندمان تبدیل انرژی بالایی هستند، به این معنی که درصد زیادی از انرژی موجود در آب جاری را می توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد.
با این حال، ساخت و بهره برداری از ژنراتورهای برق آبی می تواند اثرات زیست محیطی منفی داشته باشد، مانند تغییر اکوسیستم رودخانه و تأثیر بر جمعیت ماهی. ساخت سدهای بزرگ همچنین می تواند تأثیرات اجتماعی و فرهنگی بر جوامع محلی داشته باشد.
توربین بخار
توربین بخار وسیله ای است که انرژی حرارتی بخار پرفشار را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند و سپس می تواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد. این دستگاه با استفاده از یک سری تیغه ها یا پره های دوار که روی یک محور نصب شده اند، برای استخراج انرژی از بخار هنگام عبور از توربین کار می کند.
اجزای اصلی یک توربین بخار شامل یک روتور، پره ها یا نازل های ثابت و یک پوشش است. روتور بر روی یک شفت نصب می شود و با عبور بخار از آن می چرخد. تیغه ها یا نازل های ثابت روی محفظه ثابت هستند و طوری قرار می گیرند که جریان بخار را به سمت پره های چرخان روتور هدایت کنند.
هنگامی که بخار پرفشار وارد توربین می شود، منبسط شده و فشار خود را از دست می دهد و باعث می شود که از طریق نازل ها و روی پره های روتور جریان یابد. نیروی بخار بر روی پره ها باعث چرخش روتور می شود که به نوبه خود ژنراتور را برای تولید برق می چرخاند.
توربین های بخار را می توان در کاربردهای مختلفی از جمله تولید برق، فرآیندهای صنعتی و نیروی محرکه دریایی استفاده کرد. آنها اغلب در نیروگاه هایی استفاده می شوند که سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ یا گاز طبیعی را برای تولید بخار می سوزانند. سپس بخار برای تامین انرژی یک توربین بخار استفاده می شود که ژنراتور را برای تولید برق به حرکت در می آورد.
انواع مختلفی از توربین های بخار از جمله توربین های ضربه ای و توربین های واکنشی وجود دارد. توربینهای ضربهای برای کاربردهای پرفشار استفاده میشوند، جایی که بخار از طریق نازلهایی که جریان بخار را به سمت پرههای روتور هدایت میکنند، جریان مییابد. توربینهای واکنشی برای کاربردهای کمفشار استفاده میشوند، جایی که بخار از میان پرههای ثابتی که منحنی هستند برای هدایت جریان بخار به سمت پرههای روتور جریان مییابد.
توربین های بخار دارای راندمان تبدیل انرژی بالایی هستند، به این معنی که می توانند درصد زیادی از انرژی حرارتی بخار را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. با این حال، آنها همچنین به مقدار زیادی گرما برای تولید بخار نیاز دارند که می تواند کارایی آنها را نسبت به انواع دیگر فناوری های تولید برق، مانند توربین های گاز یا منابع انرژی تجدید پذیر، کمتر کند.
دیزل ژنراتور
دیزل ژنراتور نوعی ژنراتور است که از موتور دیزلی برای تولید نیروی الکتریکی استفاده می کند. با سوزاندن سوخت دیزل در یک موتور احتراق داخلی، ژنراتوری را به حرکت در می آورد که برق تولید می کند.
اجزای اصلی یک دیزل ژنراتور شامل موتور دیزل، آلترناتور یا ژنراتور، مخزن سوخت و تابلوی کنترل است. موتور دیزل منبع اصلی قدرت است و وظیفه تبدیل انرژی شیمیایی موجود در سوخت دیزل به انرژی مکانیکی را بر عهده دارد. سپس انرژی مکانیکی تولید شده توسط موتور برای چرخاندن ژنراتور مورد استفاده قرار می گیرد که نیروی الکتریکی تولید می کند.
مخزن سوخت برای ذخیره سوخت دیزل استفاده می شود که به عنوان منبع سوخت اولیه موتور استفاده می شود. پنل کنترل برای نظارت و کنترل عملکرد ژنراتور از جمله راه اندازی و خاموش کردن موتور، نظارت بر سطح سوخت و تنظیم توان خروجی استفاده می شود.
دیزل ژنراتورها معمولاً به عنوان منابع برق پشتیبان برای ساختمان ها، بیمارستان ها، مراکز داده و سایر زیرساخت های حیاتی در صورت قطع برق استفاده می شوند. آنها همچنین در مکان های دورافتاده که برق شبکه در دسترس نیست، مانند سایت های ساخت و ساز، عملیات معدن، و پایگاه های نظامی استفاده می شود.
یکی از مزیت های دیزل ژنراتورها این است که قابل اعتماد هستند و می توانند منبع انرژی ثابتی را در مدت زمان طولانی ارائه دهند. آنها همچنین نسبتا جمع و جور و قابل حمل هستند که حمل و نصب آنها را آسان می کند. با این حال، آنها به یک منبع ثابت سوخت دیزل نیاز دارند که می تواند گران باشد و ممکن است در برخی مکان ها به راحتی در دسترس نباشد.
دیزل ژنراتورها همچنین گازهای خروجی و ذرات معلق را منتشر می کنند که می تواند به آلودگی هوا کمک کند و اثرات منفی زیست محیطی داشته باشد. برای کاهش این اثرات، دیزل ژنراتورها را می توان به دستگاه های کنترل انتشار گازهای گلخانه ای مانند فیلترهای ذرات دیزل و سیستم های کاهش کاتالیزوری انتخابی مجهز کرد که انتشار آلاینده ها را کاهش می دهد.
