مهندسی قدرت

همان‌طور که در بالا اشاره شد عمده مباحث در مهندسی برق قدرت بر تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی و برخی تجهیزات مصرف‌کننده انرژی الکتریکی استوار است؛ که این خود شامل ترانسفورماتورها، ژنراتورها، موتورهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیک قدرت است.

در بسیاری از کشورهای جهان، دولت شبکه‌های الکتریکی را به منظور انتقال انرژی تولیدی مولدها به مصرف‌کننده‌های الکتریکی راه‌اندازی می‌کند. این شبکه در اصطلاح شبکه قدرت نامیده میشود. به وسیله این شبکه مصرف‌کننده‌های الکتریکی میتوانند بدون متحمل شدن سختی‌ها و هزینه‌های مربوط به تولید برق به صورت جداگانه، برق را از شبکه خریداری نمایند. در این میان یکی از وظایف مهندسین برق قدرت، طراحی و نگهداری شبکه‌های الکتریکی و مصرف‌کننده‌های متصل شده به شبکه‌ است. تجهیزات متصل شده به شبکه الکتریکی (به انگلیسی: on-grid) نامیده میشوند. این تجهیزات میتوانند به شبکه، توان الکتریکی تزریق کرده یا برعکس از آن توان دریافت کنند یا حتی، هر دو کار را با هم انجام دهند.

مهندسین قدرت، فعالیتهایی را در زمینهٔ تجهیزات جدای از شبکه (به انگلیسی: off-grid) نیز انجام می‌دهند. دلیل استفاده نکردن از شبکه در این نوع مصرف‌کننده‌ها عموماً ثابت نبودن این مصرف‌کننده‌هاست؛ به صورتی که هزینه اتصال برای آن‌ها در هر جابه‌جایی، امکان وصل به شبکه را برای آن‌ها غیرممکن می‌کند.

امروزه بیشتر شبکه‌های الکتریکی از توان الکتریکی به صورت سه فاز متناوب استفاده می‌کنند که دلیل اصلی این انتخاب سهولت در تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی بدین صورت است. البته معمولاً در مصرف‌کننده‌های کوچک توزیع به صورت تک فاز صورت میگیرد که این به دلیل ضروری نبودن وجود سه فاز و همچنین ایمنی بیشتر برای این مصرف‌کننده هاست. با این وجود در صنایع و مصرف‌کننده‌های توان بالا برای بالا بردن بهره‌وری و استفاده از موتورهای سه فاز، انرژی الکتریکی به صورت سه فاز توزیع میشود.

نقش ترانسفورماتور در سیستم‌های انتقال بسیار مهم است چرا که ترانسفورماتورها در سیستم قدرت وظیفه تغییر دامنه ولتاژ را بر عهده دارند. افزایش ولتاژ به وسیله ترانسفورماتور به کاهش جریان می‌انجامد و طبق قانون تلفات توان الکتریکی (که تلفات توان با مجذور جریان متناسب است در این ارتباط معادله P=r.i مفیدتر است که در آن r مقاومت مسیر انتقال و i  معرف جریان عبوری از آن است p تلفات توان در مسیر انتقال است.) با کاهش جریان تا حد امکان، می‌توان تلفات را تا حد قابل ملاحظه‌ای کاهش داد؛ بنابراین افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به کاهش تلفات و در نتیجه افزایش بهره‌وری خطوط انتقال می‌انجامد.

بنا به دلایل گفته شده در بالا، پست‌های تغییر ولتاژ در سراسر شبکه‌های الکتریکی وجود دارند. این پست‌ها ولتاژ را در نزدیکی مولدها افزایش داده و سپس با نزدیک شدن به مناطق مسکونی یا مصرف‌کننده‌ها برای ایمنی مصرف‌کننده دوباره ولتاژ را در چند مرحله کاهش می‌دهند.

مهندسی قدرت معمولاً به سه زیر شاخه اصلی تقسیم میشود:

تولید

تولید انرژی الکتریکی فرایندی است که در طول آن دیگر شکل‌های انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شوند. برای انجام این فرایند راه‌های متعددی وجود دارد. از تبدیل الکترومکانیکی معمولاً در مواردی استفاده می‌شود که منبع انرژی زغال سنگ (نیروگاه سوخت فسیلی)، نفت، گاز طبیعی، اورانیوم (انرژی هسته‌ای)، جریان آب یا جریان باد باشد و در تمام این موارد به جز انرژی بادی برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی از ژنراتورهای سنکرون AC که به توربین بخار، گازی یا آبی متصل هستند استفاده می‌شود. استفاده از این نوع ژنراتورها دارای فواید بسیاری است که استفاده از آن‌ها را در بیشتر صنایع بزرگ تولید برق رایج کرده‌است.

هزینه‌های تولید انرژی الکتریکی در بیشتر روش‌ها به‌طور مشخص تابعی از قیمت سوخت مصرفی و بهره‌وری در نیروگاه است و در همین راستا برای هر نیروگاه یک تابع هزینه تعریف می‌شود که می‌توان آن را با یک معادله درجه دوم تقریب زد که تابعی از هزینه سوخت نیروگاه است. امروزه دانشمندان به دنبال منابع جدید برای تولید انرژی الکتریکی هستند که در آن به جای استفاده از سوخت‌های متداول از انرژی‌های تجدید پذیر و نو که به صورت رایگان در اختیار ما قرار دارند، استفاده شود تا با جایگزینی این منابع وابستگی قیمت انرژی الکتریکی به قیمت سوخت را کاهش دهند.

انتقال

شاخه برق‌رسانی مختلف با سیستم‌های متفاوت، بین چند شرکت تولیدکننده جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) با توجه به مزایای ویژه آن، در حال گسترش است.

توزیع

توزیع انرژی الکتریکی در واقع دریافت برق از شبکه انتقال و رساندن آن به مصرف‌کننده هاست. تبدیل ولتاژ وارد شده به سیستم توزیع به ولتاژ مورد نیاز مصرف‌کننده‌ها نیز در حوزه توزیع برق قرار میگیرد.

• مهندسی برق
• تولید انرژی الکتریکی
• توزیع انرژی الکتریکی
• انتقال انرژی الکتریکی
• نیروگاه