کلیات

---

نیروگاه برق (Power station)، که با نام «کارخانه برق» هم شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از تأسیسات صنعتی است که از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.   وظیفه اصلی یک نیروگاه تبدیل انرژی از دیگر شکل‌های آن مانند انرژی شیمیایی،  انرژی هسته‌ای، انرژی پتانسیل گرانشی و... به انرژی الکتریکی است. وظیفه اصلی در تقریباً همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است؛ ماشینی دوار که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راه‌های مختلفی تأمین می‌شود و عموماً به میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد. از دیدگاه علمی انواع نیروگاه عبارتند از: ۱) نیروگاه طبیعی: در این نیروگاه با استفاده از عوامل طبیعی مانند باد برق تولید می‌شود. ۲) نیروگاه اتمی: در این نیروگاه با استفاده از انرژی‌های نهفته در درون اتم برق تولید می‌شود. ۳) نیروگاه مکانیکی: در این نیروگاه با استفاده از عوامل مکانیکی مانند یک موتور مکانیکی که میله آن می‌چرخد برق تولید می‌شود. ۴) نیروگاه فیزیکی: در این نیروگاه با استفاده از عوامل فیزیکی مانند نور و حرارت برق تولید می‌شود. ۵) نیروگاه شیمیایی: در این نیروگاه با استفاده از فعل و انفعالات مواد شیمیایی برق تولید می‌شود. ۶) نیروگاه دریایی: در این نیروگاه با استفاده از آب دریا برق تولید می‌شود.


نیروگاه گرمایی

---

در یک نیروگاه گرمایی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن مولد‌ها به وسیله گرمایی که معمولاً از سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید تأمین می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های گرمایی (در حدود ۸۶ 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 ترمودینامیک هرگز نمی‌توان تمامی انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد بنابراین همیشه مقداری از گرمای اضافی در محیط آزاد می‌شود، حال اگر از این گرما برای انجام فرایند‌های صنعتی یا گرمایش ناحیه‌ای استفاده کنیم می‌توانیم بازدهی استفاده از انرژی را بالا ببریم، این روش که در برخی تأسیسات گرمایی 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 گرمایی اضافی برای نمک‌زدایی آب است. در نمک‌زدایی آب دریا نیاز به حجم زیاد بخار با فشارکم می‌باشد که از چرخه ترکیبی بدون مشعل باید استفاده کرد.

---

طبقه‌بندی نیروگاه‌ها براساس نوع سوخت مصرفی و عامل محرک به صورت زیر است.

---

نیروگاه هسته‌ای که از یک راکتور هسته‌ای برای تولید گرما و چرخاندن توربین‌های بخار استفاده می‌کند.
نیروگاه سوخت فسیلی که انرژی گرمایی مورد نیاز را از سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی یا زغال سنگ تأمین می‌کند.
نیروگاه‌هایی که از منابع انرژی‌های تجدید پذیر استفاده می‌کنند وانرژی مورد نیاز خود را از انرژی بادی،  انرژی خورشیدی،  انرژی جزر و مد دریا، انرژی گرمایی موجود در آب‌های اعماق زمین، و زیست‌توده (سوزاندن ضایعات مزارع نیشکر، زباله‌های شهری،  زیست‌گاز‌ها و دیگر منابع این چنینی) تأمین می‌کند.
نیروگاه آبی (هیدروالکتریک) که انرژی پتانسیل گرانشی آب، توربین را به جرکت در می‌آورد البته میتوان آنرا جزء منابع انرژی‌های تجدیدپذیر هم قرار داد.

 

---

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 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 بخار کردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌های بخار استفاده می‌شود. استفاده از این روش به علت بازده بالای آن به سرعت در حال افزایش است.
موتور درون‌سوز: به‌طور کلی از این موتور‌ها برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کوچک استفاده می‌شود. کاربرد این موتور‌ها تنها به مناطق دورافتاده و سامانه‌های 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 زیست‌گاز تشکیل می‌دهد.

 

---

به دلیل محدودیت‌های موجود در اصول گرماپویشی (ترمودینامیک) هر نیروگاه گرمایی مقداری انرژی را به صورت انرژی اتلافی از دست می‌دهد. در نیروگاه‌های هسته‌ای یا برخی نیروگاه‌های گرمایی بزرگ از لوله‌های بسیار بزرگ هذلولی شکل برای آزاد کردن حرارت یا بخار آب در جو استفاده می‌شود. در پالایشگاه‌ها، صنایع نفتی و برخی از نیروگاه‌های گرمایی بزرگ از یک سامانهٔ خنک‌کنندگی با فشار هوا استفاده می‌شود. در این نوع سامانه با استفاده از گردش هوای مصنوعی که به وسیله یک بادزن ایجاد می‌شود، گرمای تولیدی از یک فرایند به آب منتقل می‌شود. در این روش به برج‌های خنک‌کننده بلند و هذلولی شکل نیاز نخواهد بود و سیستم خنک‌کننده بیشتر شبیه یک اتاقک مستطیل شکل است.

در بیابان‌ها و مناطق خشک نیاز به یک رادیاتور یا برج خنک‌کننده خشک خیلی ضروری‌تر است چرا که هزینه فراهم آوردن آب برای یک سامانهٔ خنک‌کنندگی با تبخیر آب بسیار بالا خواهد بود. استفاده از روش‌های خنک‌کنندگی خشک در مقایسه با روش‌های خنک‌کنندگی با تبخیر آب دارای بازده پایین‌تر و نیاز به مصرف انرژی بیشتر در فن‌هاست.
در مواردی که از نظر اقتصادی و محیط زیست مانعی وجود نداشته باشد، استفاده از آب دریا، دریاچه، رودخانه و در صورت امکان حوضچه‌های مصنوعی می‌توان مفیدتر باشد چرا که با این کار نیازی به ساخت برج‌های خنک‌کننده یا پمپ کردن آب تا تبادل‌گر‌های گرمایی نخواهد بود. البته باید به این نکته هم توجه داشت که آب بازگشتی از این فرایند می‌تواند موجب ایجاد آلودگی گرمایی گردد.

---

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

 

---

هیدروالکتریک یا تولید انرژی الکتریکی از انرژی پتانسیل گرانشی آب، فرایندی 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 فرایند از توربین‌های آبی برای انتقال انرژی آب به مولد‌ها استفاده می‌شود.

---

این روش در واقع نوعی متعادل‌کننده 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 پرمصرف یا ساعات اوج، چرخه وارونه خواهد شد یعنی آب موجود در مخازن پایین آمده و موجب تولید انرژی الکتریکی و ایجاد تعادل در شبکه می‌شود.

---

مولد یا باتری خورشیدی، 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 مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند در صفحات گرمایی متمرکزکننده 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 با گِردآور‌های سهموی خطی در نزدیکی شیراز در حال ساخت می‌باشد. 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.

---

توربین‌های بادی در مناطقی که دارای پتانسیل بادی مناسبی می‌باشند مورد استفاده قرار می‌گیرند. در گذشته برای این نوع توربین‌ها طراحی‌های زیادی وجود داشت، اما امروزه تقریباً تمام توربین‌های ساخته شده از نوع هلندی سه‌پره هستند. در توربین‌های بزرگ امروزی پره کوچک‌تر هستند و آرام‌تر می‌چرخند که این باعث ایجاد ایمنی بیشتر برای پرندگان و ایجاد زیبایی دیداری بیشتر می‌شود. با این حال هنوز هم در برخی استفاده‌های ویژه از توربین‌های قدیمی استفاده می‌شود. با پیشرفت علم طراحی این توربین‌ها به نحوی انجام می‌پذیرد که بتوان از آن‌ها در مقیاس‌های کوجک و در مناطق با پتانسیل کم انرژی بادی برای کاربرد‌های خانگی هم بهره جست و برق تولیدی از این روش را بتوان به عنوان کمکی هر چند کوچک در کاهش میزان تقاضای انرژی دانست و این امر باعث می‌شود تا مصرف‌کننده‌های قبلی انرژی حال به‌عنوان یک تولیدکننده توان مطرح شوند.

---

انرژی دریایی - انرژی به دست آمده با استفاده از امواج دریا،  جزر و مد،  شوری،  انرژی جریان اقیانوسی، و تفاوت در درجه حرارت آب دریا است.

---

زیست‌سوخت به سوخت‌هایی گفته می‌شود که از زیست‌توده بدست می‌آیند. این تعریف، زیست‌سوخت‌های جامد،  سوخت‌های مایع و زیست‌گاز‌های مختلف را دربر می‌گیرد. زیست‌سوخت‌ها پس از عامل‌هایی، چون بحران انرژی که نیازمند امنیت انرژی بیشتر بود و نگرانی از انتشار کربن توسط سوزاندن سوخت‌های فسیلی بسیار مورد توجه علمی و همگانی قرار گرفت.

---

توان اسمزی یا توان گرادیان شوری انرژی موجود از اختلاف در غلظت نمک بین اب دریا واب رودخانه است. دو روش عملی برای این موضوع الکترودیالیز معکوس (RED) وفشار اسمزبا غشاهاب تاخیری (PRO) می‌باشند.