صنعت برق جهان

صنعت برق جهان

تاریخ

در دهه های 1880 و 1890، افزایش نگرانی ها در زمینه اقتصادی و ایمنی منجر به تاسیس صنعت برق می شود. آنچه که روزگاری یک موضوع گران قیمت بود و محدود به پر جمعیت ترین مناطق دنیا می شد. توان الکتریکی مطمئن و اقتصادی، به جنبه ای اساسی برای عملکرد عادی همه عناصر اقتصادهای توسعه یافته تبدیل شده است.

در اواسط قرن بیستم، برق به عنوان انحصار طبیعی تلقی می شد. این صنعت  تنها در صورتی که تعداد محدودی از سازمان ها در بازار شرکت می کردند، کارآمد بود. در برخی مناطق، شرکت های یکپارچه همه مراحل را از تولید تا خرده فروشی فراهم می کردند و فقط نظارت دولتی نرخ بازده و هزینه را تنظیم می کرد.

از دهه 1990 در بسیاری از مناطق، تولید و توزیع نیروی الکتریکی برای تأمین بازار رقابتی تر توسعه یافت. به طور کلی تولید رقابتی انرژی الکتریکی منجر به بهبود در بهره وری شده بود. با این حال، انتقال و توزیع آن با مشکلات سخت تری مواجه بود. زیرا یافتن بازده سرمایه گذاری به آسانی برای سازمان ها امکان پذیر نبود.

پست برق بلسوار، هلند

الکتریسته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی که در یک سلول الکترولیتی رخ می دهد شناخته می شود. در سال 1800 الساندرو ولتا برق را با توسعه ولتایی تولید می کرد که بسیار گران بود. در سال 1831 مایکل فارادی ماشینی را ابداع کرد که با حرکت چرخشی برق تولید می کرد. اما تقریباً 50 سال طول کشید تا این فناوری به یک مرحله تجاری مناسب برسد.

در سال 1878، در ایالات متحده، توماس ادیسون با استفاده از برق جریان مستقیم تولید و توزیع شده، جایگزین مناسب تجاری برای روشنایی و گرمایشی ایجاد کرد و به فروش رساند.

رابرت هاموند، در دسامبر 1881، برای مدت زمان آزمایشی، چراغ برق جدید را در شهر ساسکس برایتون در انگلیس به نمایش گذاشت. موفقیت متعاقب این نصب، هاموند را قادر ساخت تا از نظر تجاری و قانونی این کار را توسعه دهد. زیرا تقاضای صاحبان مغازه ها برای استفاده از چراغ برق جدید زیاد شده بود. بنابراین شرکت تأمین برق هاموند راه اندازی شد.

در اوایل سال 1882، ادیسون اولین ایستگاه تولید برق مجهز به بخار در جهان را در هولبورن ویاودت در لندن افتتاح کرد. جایی که برای تأمین روشنایی خیابان برای مدت سه ماه با شرکت شهر توافق کرده بود. به مرور زمان او برای تعدادی از مصرف کنندگان محلی نور الکتریکی تهیه کرد. روش تأمین این فناوری جریان مستقیم (DC) بود. برنامه 1882 هولبورن بعد از چند سال بسته شد و  طرح برایتون ادامه یافت و تأمین آن در سال 1887 به مدت 24 ساعت در روز انجام شد.

بعدها در همان سپتامبر سال 1882 بود که ادیسون ایستگاه برق خیابان پرل را در شهر نیویورک افتتاح کرد و منبع تغذیه همچنان جریان متناوب DC بود. به همین دلیل تولید برق نزدیک یا در محل مصرف کننده بود زیرا ادیسون هیچ وسیله ای برای تبدیل ولتاژ نداشت.

سیستم ادیسون به ایستگاه های برقی نیاز داشت که در فاصله ی یک مایلی از مصرف کنندگان قرار داشته باشند. اگرچه این امر می تواند در مراکز شهر کارساز باشد، اما تأمین آن از نظر اقتصادی در حومه شهرها مقرون به صرفه نیست.

اواسط تا اواخر دهه 1880 شاهد ورود سیستم های متناوب (AC) در اروپا بودیم. برق AC ایالات متحده این مزیت را داشت که از ژنراتورها و ترانسفورماتورهای نصب شده در نیروگاه ها، برای بالا بردن ولتاژ در پست های محلی استفاده می کرد که ولتاژ را برای تأمین بار مورد نیاز کاهش می داد. افزایش ولتاژ باعث کاهش جریان در خطوط انتقال و توزیع و در نتیجه تلفات توزیع می شود. این امر توزیع نیرو در مسافت های طولانی را مقرون به صرفه تر می کند. ژنراتورها (مانند مکان های برق آبی) می توانند دور از بار قرار بگیرند.

جریان AC  و جریان DC برای مدتی در دوره ای به نام جنگ جریانات با هم رقابت می کردند. سیستم DC توانست ایمنی بیشتری را فراهم کند. اما این تفاوت آنقدر زیاد نبود که بتواند بر مزایای فنی و اقتصادی عظیم جریان متناوب غلبه کند.

خطوط انتقال در رومانی

سیستم برق متناوب امروزه مورد استفاده بسیاری قرار می گیرد. صنعتگرانی مانند جورج وستینگهاوس و میخائیل دولیو-دوبروولسکی، گالیله فراری، سباستین زیانی د فرنتی، لوسین گولارد، جان دیکسون گیبس، کارل ویلهلم زیمنس، ویلیام استنلی، جونیور، نیکولا تسلا، و بسیاری دیگر از افراد فعال در زمینه صنعت برق و الکترونیک مشارکت داشتند.

قدرت کاربرد الکترونیک حالت جامد برای کنترل و تبدیل توان الکتریکی است. الکترونیک قدرت با توسعه یکسو کننده قوس جیوه، که برای تبدیل AC به DC استفاده می شود، در سال 1902 آغاز شد. از دهه 1920 به بعد، تحقیقات در مورد استفاده از تیراترون ها و شیرهای قوس جیوه تحت کنترل شبکه برای انتقال قدرت ادامه یافت. الکترودهای درجه بندی آن ها را برای انتقال نیرو با جریان مستقیم (HVDC) ولتاژ بالا مناسب کرده است .در سال 1933، یکسو کننده های سلنیوم اختراع شد.

پیشینه فناوری ترانزیستور با اختراع ترانزیستور نقطه تماس، که به دنبال آن ترانزیستور اتصال دو قطبی اختراع شد، به سال 1947 برمی گردد. در دهه 1950 دیودهای نیمه هادی با توان بالاتر در دسترس قرار گرفتند و جایگزین لوله های خلأ شدند. در سال 1956، یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR) معرفی شد که باعث افزایش دامنه کاربردهای الکترونیکی قدرت می شود.

دستیابی به موفقیت در الکترونیک قدرت با اختراع MOSFET  (ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی – فلز اکسید – نیمه هادی) در سال 1959 انجام شد. در سال 1969، هیتاچی اولین قدرت عمودی این ترانزیستور را معرفی کرد. که بعداً با نام VMOS شیار V MOSFET شناخته شد.

از آن زمان قدرت MOSFET به دلیل کم بودن قدرت درایو دروازه، سرعت سوئیچینگ سریع، قابلیت موازی پیشرفته، به رایج ترین دستگاه قدرت در جهان تبدیل شده بود.  پهنای باند گسترده، ناهمواری، درایو آسان، سهولت استفاده و سهولت تعمیر از ویژگی های بارز این ترانزیستور بود.

در حالی که HVDC به طور فزاینده ای برای انتقال مقادیر زیادی برق در مسافت های طولانی یا اتصال سیستم های برق ناهمزمان مجاور مورد استفاده قرار می گیرد. تولید، انتقال، توزیع و خرده فروشی برق با استفاده از جریان متناوب انجام می شود.

سازمان های تولید برق

صنعت برق به طور معمول به چهار فرآیند تقسیم می شود. تولید برق مانند نیروگاه ، انتقال برق، توزیع برق و خرده فروشی برق است .در بسیاری از کشورها، شرکت های برق تولیدی مجموعه ای از ایستگاه های تولیدی گرفته تا زیرساخت های انتقال و توزیع هستند. به همین دلیل، قدرت الکتریکی به عنوان انحصار طبیعی در نظر گرفته می شود. این صنعت اغلب با كنترل قیمت ها غالباً متعلق به دولت و ادارات می باشد. با این حال، روند مدرن تولید برق حداقل در دو فرآیند اخیر از بین بردن مقررات رو به رشد بوده است.

ماهیت و وضعیت اصلاح بازار در بازار تولید برق اغلب تعیین می کند که آیا شرکت های برق قادر به شرکت در برخی از این فرایندها هستند بدون اینکه لازم باشد کل زیرساخت را در اختیار داشته باشند یا شهروندان کدام یک از زیرساخت ها را برای حمایت انتخاب می کنند. در کشورهایی که تأمین برق نا منظم صورت می گیرد، مصرف کنندگان نهایی برق ممکن است برق پرهزینه تری را استفاده  کنند.

نیروگاه آتلون در کیپ تاون، آفریقای جنوبی

همه اشکال تولید برق جنبه های مثبت و منفی دارند .فناوری سرانجام بیشترین ارجحیت ها را نشان می دهد. اما در زمینه اقتصادی، گزینه هایی با هزینه کلی کمتر معمولاً بالاتر از سایر منابع انتخاب قرار می گیرند. هنوز مشخص نیست که کدام فرم می تواند به بهترین وجه نیازهای انرژی لازم را برآورده کند یا کدام فرآیند می تواند تقاضای برق را به بهترین وجه برطرف کند. نشانه هایی وجود دارد که انرژی های تجدید پذیر از لحاظ اقتصادی دوام بیشتری دارند. ترکیبی متنوع از این منابع روند افزایشی قیمت برق را کنترل می دهد.

انتقال برق

خطوط انتقال برق سه فاز 500 کیلوولت در سد گراند کولی

نیروی الکتریکی از طریق خطوط هوایی مانند تیرهای برق یا از طریق کابل های فشار قوی زیر زمین منتقل می شود. انتقال نیروی الکتریکی از یک محل تولید مانند نیروگاه به پست برق صورت می گیرد. خطوط بهم پیوسته ای که این حرکت را تسهیل می کنند به عنوان یک شبکه انتقال شناخته می شوند. این از سیم کشی محلی بین پست های فشار قوی و مشتریان متمایز است. که به طور معمول به عنوان توزیع نیروی برق تعریف می شود.

شبکه انتقال و توزیع ترکیبی در آمریکای شمالی  به عنوان شبکه برق  و در انگلستان، هند، مالزی و نیوزیلند این شبکه به عنوان شبکه ملی شناخته می شود.

به طور مستقیم بسیاری از ژنراتور های تولید برق AC با توجه به فرکانس مصرف کنندگان متعدد هستند. به عنوان مثال، چهار اتصال عمده در آمریکای شمالی وجود دارد که عبارتند از شبکه اتصال غربی، اتصال شرقی، اتصال کبک و شورای قابلیت اطمینان الکتریکی تگزاس. در اروپا یک شبکه بزرگ برق تمام نیاز قاره رافراهم می کند.

در سال 1990، بسیاری از کشورها به تنظیم بازار برق پرداختند که به جدایی از کسب و کار انتقال برق از کسب و کار توزیع منجر شد.

توزیع برق

ترانسفورماتور توزیع قطب سوار 50 کیلوولت آمپر

توزیع برق در مرحله نهایی قرار می گیرد. این سیستم برق را از سیستم انتقال به مصرف کنندگان منفرد منتقل می کند. پست های توزیع به سیستم انتقال متصل می شوند و با استفاده از ترانسفورماتور ولتاژ انتقال را به ولتاژ متوسط بین 2  کیلو ولت و 35 کیلو ولت کاهش می دهند.

خطوط توزیع اولیه، این ولتاژ متوسط ​​را به ترانسفورماتورهای توزیع واقع در نزدیکی محل مشتری منتقل می کنند. ترانس های توزیع دوباره ولتاژ را به  ولتاژ قابل استفاده محلی و شهری تبدیل می کند. که این ولتاژ ممکن است در سیستم های روشنایی، تجهیزات صنعتی یا لوازم خانگی استفاده شود.

اغلب مشتری ها از طریق ترانسفورماتور توسط خطوط توزیع ثانویه تأمین می شوند. مشتریان تجاری و مسکونی از طریق افت خدمات به خطوط توزیع ثانویه متصل می شوند. مشتریانی که خواهان برق قوی تری هستند ممکن است مستقیماً به سطح توزیع اولیه یا سطح انتقال فرعی متصل شوند. در خرده فروشی برق، فروش نهایی برق از تولید به مصرف کننده نهایی می رسد.

صنایع برق جهانی

سازمان های تولید برق یک کشور یا منطقه بسته به سیستم اقتصادی کشور با هم متفاوت هستند. در بعضی از نقاط، تولید، انتقال و توزیع نیروی برق توسط یک سازمان تحت کنترل دولت تأمین می شود. در مناطق دیگر شرکت های عمومی و خصوصی یا سرمایه گذار، شرکت های شهری و شرکت های تعاونی متعلق به مشتریان خود هستند.

تولید و انتقال و توزیع برق ممکن است توسط یک شرکت واحد ارائه شود یا سازمان های مختلف بتوانند از این بخش، سیستم را تهیه کنند. البته همه کشورها به برق شبکه دسترسی ندارند. حدود 840 میلیون نفر (عمدتا در آفریقا) در سال 2017 به برق هیچگونه دسترسی نداشتند. كه این میزان در سال 2010 به 1.2 میلیارد نفر رسیده است.

اصلاح بازار برق

نوع  کسب و کار  در حوزه صنعت تولید برق در طول سال های متمادی، نقش حیاتی در شکل دادن صنعت برق داشته است. از تولید، انتقال، توزیع گرفته تا خرده فروشی محلی. این امر از زمان اصلاح صنعت برق در انگلیس و ولز در سال 1990 اتفاق افتاده است.

صنعت برق

در برخی از کشورها، بازارهای عمده فروشی برق فعالیت زیادی دارند. تولید کنندگان و خرده فروشان برق به شیوه مشابه با دیگر تجارت ها سهام و ارز را تنظیم می کنند. با خریدهای خارجی، بازار برق به سطح جهانی رسید. یکی از این خریدها زمانی بود که شبکه ملی انگلیس، بزرگترین شرکت برق خصوصی در جهان، سیستم برق نیوانگلند را به قیمت 3.2 میلیارد دلار خریداری کرد.

در سال های 1995 تا 1997، هفت شرکت از 12 شرکت برق منطقه ای (REC) در انگلیس و ولز توسط شرکت های انرژی ایالات متحده خریداری شده اند. در داخل، شرکت های محلی برق و گاز با در نظر گرفتن مزایای وابستگی مشترک، به ویژه با کاهش هزینه های اندازه گیری مشترک، فعالیت های خود را ادغام کردند.

پیشرفت های فنی در بازارهای عمده فروشی برق رقابتی سنگین خواهد بود. از جمله نمونه هایی که قبلاً استفاده شده است می توان به سلول های سوختی استفاده شده در پروازهای فضایی اشاره کرد .توربین های گازی هوادهی مورد استفاده در هواپیماهای جت، سیستم های مهندسی خورشیدی و فتوولتائیک، مزارع بادی دریایی و پیشرفت های ارتباطی بوجود آمده توسط دنیای دیجیتال، نقش مهمی در نظارت و ارسال برق دادند.

انتظار می رود برق در آینده تقاضای فزاینده ای داشته باشد. امروزه انتفال اطلاعات بسیار متکی به برق است. سایر زمینه های رشد شامل ظهور فن آوری های جدید انحصاری برق، تحولات در تهویه هوا، فرآیندهای صنعتی و حمل و نقل به عنوان مثال وسایل نقلیه هیبریدی  و لوکوموتیو می باشند.