چگونه برج‌های برق شهرهای ما را تأمین می‌کنند

سفر از نیروگاه‌ها به مرکزهای شهری

چگونگی تولید برق (منابع تجدیدپذیر نسبت به غیرتجدیدپذیر)

روش تولید برق ما به شدت به دو دسته اصلی بستگی دارد: منابع تجدیدپذیر و غیر تجدیدپذیر. مردم به طور فزاینده‌ای به گزینه‌هایی مانند پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، سدها و نیروگاه‌های ژئوترمالی روی آورده‌اند، زیرا این جایگزین‌ها برای سیاره بهتر بوده و می‌توانند به طور نامحدود ادامه یابند. به عنوان مثال، تنها انرژی بادی در سال 2020 حدود 7٪ از کل برق تولید شده در سطح جهانی را تشکیل می‌داد. بهترین بخش این است که این فناوری‌های سبز هیچ گونه انتشار مضری به اتمسفر وارد نمی‌کنند، بنابراین نقش مهمی در مبارزه با تغییرات اقلیمی ایفا می‌کنند. در همین حال، سوخت‌های سنتی از جمله زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی هنوز بیشترین سهم بازار را در تولید انرژی به خود اختصاص داده‌اند. اگرچه این سوخت‌های فسیلی فراوان هستند، اما سوزاندن آنها مقدار زیادی دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. آمار نشان می‌دهد که تقریباً 60٪ از برق جهان از این منابع قدیمی تأمین می‌شود. در نگاهی کلی، انرژی تجدیدپذیر در بلندمدت از نظر مالی مقرون به صرفه است و می‌توان آن را به راحتی گسترش داد، هرچند که شروع کار اغلب نیازمند سرمایه اولیه قابل توجهی است.

ارسال با ولتاژ بالا از طریق برج های الکتریکی

ارسال برق از طریق خطوط فشار قوی به کاهش اتلاف انرژی در هنگام انتقال برق در مسافت‌های طولانی کمک می‌کند. تحقیقات نشان می‌دهند که ولتاژهای بالاتر به معنای اتلاف انرژی کمتر است، بنابراین بخش بیشتری از انرژی تولید شده به شهرها می‌رسد که مردم به آن نیاز دارند. برج‌های فلزی بزرگی که این خطوط را حمل می‌کنند نیز خیلی مهم هستند. این برج‌ها از مواد محکم مانند فولاد ساخته شده‌اند و به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به اندازه کافی بلند باشند تا از برخورد با هر چیزی جلوگیری کنند و در عین حال پیگیری خود را در سطح زمین به حداقل برسانند. با این حال ساخت این برج‌ها همیشه ساده نیست. موانع قانونی زیادی وجود دارد که باید با مقررات محلی سازگار شد و همچنین باید با همسایگانی که ممکن است دوست نداشته باشند این برج‌ها در نزدیکی آن‌ها ساخته شود، صحبت کرد. بسیاری از شهرها نگران زیبایی شناسی برج‌ها در محله‌های خود هستند و گاهی سوالاتی درباره اثرات سلامتی ناشی از میدان‌های الکترومغناطیسی مطرح می‌کنند. به همین دلیل شرکت‌هایی که خطوط جدیدی را برنامه‌ریزی می‌کنند، قبل از شروع ساخت به توضیحات دقیق و برنامه‌ریزی‌های مناسب اقدام می‌کنند.

ایستگاه‌های تبدیل: کاهش ولتاژ برای توزیع ایمن

پست‌های تبدیل نقش بسیار مهمی در شبکه برق ما ایفا می‌کنند، زیرا ولتاژ را به سطحی پایین می‌آورند که استفاده از آن برای خانه‌ها و کسب‌وکارها ایمن باشد. به طور خلاصه، آنچه که این پست‌ها انجام می‌دهند این است که ولتاژ بسیار بالایی که از خطوط انتقال می‌آید را کاهش می‌دهند تا بتوانیم آن را به وسایل خود متصل کنیم و خسارتی به وجود نیاید. از نظر ایمنی در این گونه از تاسیسات، اقدامات زیادی انجام شده است که شامل مواد عایقی مناسب و رویه‌های عملیاتی سفت و سخت است تا ایمنی کارکنان را تضمین کند و از وقوع حوادث در مناطق مسکونی اطراف جلوگیری شود. از دیدگاه عددی، شهرها به طور معمول نیاز به تعداد بیشتری از پست‌های تبدیل نسبت به مناطق روستایی دارند، زیرا تعداد زیادی از مردم در فضاهای شهری متراکم زندگی می‌کنند و در مجموع مصرف برق بیشتری دارند. این تفاوت در طراحی شبکه برق بسیار مهم است، به خصوص اینکه برنامه‌ریزان شهری باید به دقت شبکه پست‌های تبدیل خود را طراحی کنند تا اطمینان حاصل کنند که جریان برق بدون وقفه در مناطق پرجمعیت به خوبی جریان دارد.

نقش ترانسفورماتورها در انتقال برق

افزایش ولتاژ برای کارایی فاصله‌های بلند

ترانسفورماتورها واقعاً در افزایش ولتاژ اهمیت دارند، به طوری که می‌توانیم برق را به طور کارآمدتری در مسافت‌های طولانی انتقال دهیم. وقتی ولتاژ را افزایش می‌دهند، به کاهش اتلاف انرژی زیادی که در حین انتقال رخ می‌دهد کمک می‌کنند. تحویل مطمئن برق بسیار مهم است، به ویژه در مناطق گسترده‌ای که مردم به تأمین برق پایدار نیاز دارند. به عنوان مثال، شبکه برق آمریکا، مطالعات نشان داده‌اند که این دستگاه‌ها واقعاً در کاهش تلفات در مسیر انتقال تأثیر زیادی دارند، که این امر هم انرژی و هم هزینه را ذخیره می‌کند. نسخه‌های ولتاژ بالا که در شبکه‌های ملی برق دیده می‌شوند نیز بسیار مهم هستند. آن‌ها به خوبی در تضمین این موضوع که برق تولید شده در نیروگاه‌های دوردست به شهرها بدون افت زیاد رسیده باشد، عمل می‌کنند. بدون این ترانسفورماتورها، مقدار بیشتری از برق قبل از رسیدن به خانه‌ها و کسب‌وکارهای مصرف‌کننده از بین می‌رفت.

ترانسفورماتورهای پایین آور برای استفاده در خانه

در خانه‌های سراسر کشور، ترانسفورماتورهای کاهنده ولتاژ نقشی حیاتی ایفا می‌کنند، چرا که ولتاژ بسیار بالایی که از آن خطوط برق بزرگ عبور می‌کند را دریافت کرده و آن را به میزانی قابل استفاده در خانه تبدیل می‌کنند. بدون این ترانسفورماتورها، در واقع تمام وسایل برقی ما ذوب می‌شدند به محض اینکه آنها را به برق وصل می‌کردیم. داده‌های جالبی وجود دارد که نشان می‌دهد خانوارهایی که ترانسفورماتورهای کاهنده ولتاژ به‌خوبی کارکردی دارند، معمولاً حدود 15 درصد در ماه در صورت‌حساب برق خود صرفه‌جویی می‌کنند نسبت به خانوارهایی که چنین ترانسفورماتوری ندارند. بیشتر مردم این موضوع را درک نمی‌کنند، اما در شهرها و مناطق شهری، این جعبه‌های کوچک بیرون از ساختمان‌ها همواره در حال کار پشت صحنه هستند تا ولتاژهای بسیار بالا مانند 110 کیلوولت را به ولتاژهای معمول 120 ولت یا 240 ولت که برای روشنایی، یخچال و دیگر وسایل لازم است، کاهش دهند. این ترانسفورماتورها از برق‌گرفتگی ما جلوگیری می‌کنند و همچنین به کاهش اتلاف انرژی در طول زمان کمک می‌کنند.

چگونه برج‌ها جریان انرژی بین ایالتی را ممکن می‌سازند

برج‌های برق و ترانسفورماتورها با هم همکاری می‌کنند تا برق را در سراسر کشورها منتقل کنند و جریان برق به‌طور پایدار به قسمت‌های مختلف کشور برسد. برای مثال، محور شمال-جنوب آلمان را در نظر بگیرید که از هسته مرکزی کشور عبور می‌کند و نقش مهمی در برنامه‌های انرژی ملی آنها ایفا می‌کند. این خطوط اطمینان حاصل می‌کنند که روستاها برق داشته باشند و شهرها نیز همچنان روشن بمانند. وقتی انرژی به‌صورت کارآمد از یک مکان به مکان دیگر حرکت می‌کند، شکافی که ممکن است برخی مناطق به دلیل نبود برق ایجاد شود، پر می‌شود. مردم روستایی که قبلاً با خدمات نامطمئن دچار مشکل بودند، اکنون دسترسی بهتری دارند و در عین حال این شبکه‌ها با کاهش هدررفت انرژی، به اهداف انرژی سبز کمک می‌کنند. واقعیت ساده این است: بدون اتصالات قوی بین مناطق، نه شهروندان و نه کشاورزان نمی‌توانند روزانه از برق قابل اطمینان برخوردار شوند.

ساختار زیربنایی برج برق و استحکام شبکه

آناتومی ساختارهای برج انتقال

دکل‌های انتقال بخشی ضروری از سیستم‌های برقی ما را تشکیل می‌دهند و با طراحی‌های خاصی ساخته می‌شوند تا کارهای مورد نیاز خود را انجام دهند. در حالت کلی دو نوع اصلی از این دکل‌ها وجود دارد: دکل‌های شبکه‌ای و دکل‌های یک‌تکه. دکل‌های شبکه‌ای دارای قاب‌های فولادی متقاطع هستند که به آن‌ها استحکام لازم برای نگه‌داشتن چندین کابل را در عین حال می‌دهد. دکل‌های یک‌تکه از جنس لوله‌های فولادی یا مواد مرکب جدیدتر ساخته می‌شوند و ظاهری تمیزتر دارند که در مناطق شهری که فضا اهمیت دارد، بهتر عمل می‌کنند. نوع ماده‌ای که در ساخت این دکل‌ها استفاده می‌شود، بر وزن آن‌ها، مدت زمان دوام و نیاز به نگهداری‌شان تأثیر می‌گذارد. سازمان‌های استاندارد مانند IEC قواعدی برای نحوه ساخت و نگهداری این دکل‌ها وضع کرده‌اند تا ایمنی و کارایی آن‌ها در طول زمان تضمین شود. از نظر تعداد، حدوداً ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ دکل برای انتقال یک گیگاوات برق در سراسر کشور لازم است، هرچند در مناطق کوهستانی یا شبکه‌های قدیمی‌تر ممکن است تعداد بیشتری مورد نیاز باشد.

استراتژی‌های قرارگیری جغرافیایی

جایی که تورهای برقی قرار داده می‌شوند، تفاوت بزرگی در نحوه کارکرد و مقاومت شبکه برق ایجاد می‌کند. وقتی شرکت‌های برق موقعیت جغرافیایی را به درستی در نظر بگیرند، می‌توانند از اتلاف‌های انتقالی آزاردهنده بکاهند و تعادل بار را در سراسر سیستم حفظ کنند. امروزه بیشتر مهندسان به شدت به سیستم‌های اطلاعات مکانی یا همان GIS تکیه می‌کنند تا تصمیم بگیرند کجا باید تورها را نصب کرد. این نرم‌افزار به آنها کمک می‌کند تا عواملی چون رشته کوه‌ها، فاصله از ایستگاه‌های تبدیل موجود و مقررات ساخت‌وساز در مجاورت مناطق خاص را بررسی کنند. به عنوان مثال، آلمان و سوئد از سال‌ها پیش از فناوری GIS استفاده می‌کنند و همین امر باعث شده است که شبکه‌های برق آنها بهتر از بسیاری دیگران با افزایش‌های ناگهانی تقاضا کنار بیایند. قرار دادن صحیح تورها امروز تنها مشکلات فعلی را حل نمی‌کند، بلکه زمینه را برای مقابله با آینده فراهم می‌کند، چه این بدان معنا باشد که تعداد بیشتری از صفحات خورشیدی به شبکه متصل شوند و چه اینکه خودروهای برقی در همه جا شارژ شوند.

چالش‌های آب و هوایی: درس‌های گرفته شده از قطعات برق در طوفان هیوستون

وقوع اخیر بلیزهای شدید در مناطقی مثل هیوستون نشان می‌دهد که چقدر شبکه برق ما واقعاً شکننده است. طوفان‌های ماه گذشته را در نظر بگیرید، سرعت بادهای آن به حدود ۱۱۰ مایل بر ساعت رسید و باعث قطع برق در سراسر منطقه شد. بیش از ۹۰۰ هزار خانوار و کسب‌وکار در این بلاتکلیفی از دسترسی به برق محروم شدند و این امر نقایص جدی در ساختار زیرساخت‌های فعلی را آشکار کرد. برج‌های انتقال در مناطقی مثل سایپرسس به شدت آسیب دیدند، برخی از آن‌ها کاملاً فرو ریختند و این به معنای گذشت روزهای زیادی بدون برق برای ساکنان این مناطق بود. اکنون مقامات در حال صحبت درباره این موضوع هستند که چگونه می‌توانند این سازه‌ها را در آینده مقاوم‌تر کنند، این کار از طریق چیزی به نام مطالعات استحکام مکانیکی در زمان ساخت برج‌های جدید انجام خواهد شد. ایده بسیار ساده است: تقویت پی‌های برج‌ها به گونه‌ای که بتوانند در برابر شرایط جوی بدتری مقاومت کنند، در زمان بحران‌ها برق را روشن نگه دارند و به طور کلی سیستم کمترین احتمال خرابی را داشته باشد وقتی طبیعت دوباره شوکی برایمان فرستد.

نوآوری‌ها در انتقال برق الکتریکی

ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر: مطالعه موردی برج تمام الکتریکی بروکلین

پروژه برج تمام الکتریکی بروکلین نشان می‌دهد که چگونه شهرها می‌توانند منابع انرژی تجدیدپذیر را به طور موثری با شبکه‌های برق موجود خود ترکیب کنند. این ساختمان‌ها از پنل‌های خورشیدی و توربین‌های کوچک بادی استفاده می‌کنند که با فناوری بسیار خلاقانه‌ای به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند. آنچه این برج‌ها را خاص می‌کند، سیستم‌های باتری هوشمندی هستند که انرژی اضافی را در زمانی که در دسترس است ذخیره می‌کنند، همراه با تجهیزاتی پیشرفته که بازدهی تبدیل انرژی را افزایش داده و از هدر رفتن برق جلوگیری می‌کند. یکی از مزایای بزرگ این سیستم، کاهش قابل توجه گازهای گلخانه‌ای منتشر شده به جو و همچنین صرفه‌جویی در هزینه‌های انرژی است. بر اساس داده‌های جمع‌آوری شده در طول زمان، مصرف انرژی در این سیستم به طور متوسط حدود ۲۰ درصد کمتر از روش‌های متداول است، که به معنای کاهش واقعی انتشار کربن است. این رویکرد ثابت می‌کند که راهکارهای انرژی سبز حتی در مناطق پرجمعیت و با فضای محدود نیز به خوبی کار می‌کنند.

پیشرفت فناوری شبکه هوشمند

شبکه هوشمند در حال تغییر نحوه حرکت برق در سراسر کشور است و باعث بهتر شدن عملکرد سیستم و روشن ماندن برق در زمان‌هایی که باید روشن باشد می‌شود. در واقع، این شبکه‌ها از آن دستگاه‌های کوچک هوشمند اندازه‌گیری برق که اخیراً در خانه‌ها نصب شده‌اند و همچنین سیستم‌های کامپیوتری که وضعیت لحظه‌ای شبکه را نظارت می‌کنند، استفاده می‌کنند. وقتی مشکلی در قسمتی از شبکه رخ می‌دهد، سیستم به سرعت واکنش نشان می‌دهد و این به این معنی است که مردم دیگر به مدت طولانی بدون برق نمی‌مانند. برخی تحقیقات نشان می‌دهند که زمان قطعی برق در مناطقی که شبکه‌های هوشمند به خوبی کار می‌کنند، می‌تواند تقریباً نصف شود، چیزی که در شهرهای بزرگ که میلیون‌ها نفر به تأمین پایدار برق در روزهای مختلف وابسته هستند، اهمیت زیادی دارد. به عنوان مثال، آمستردام چند سال پیش فناوری شبکه هوشمند را در شهر راه‌اندازی کرد و بهبودهای قابل توجهی در نحوه توزیع یکنواخت انرژی در مناطق مختلف شهر مشاهده شد. البته در زمان نصب مشکلاتی هم وجود داشت، اما در مجموع هزینه‌های عملیاتی به طور قابل توجهی کاهش یافت. بیشتر کارشناسان صنعتی می‌گویند که هوشمند کردن شبکه‌های برق دیگر یک امر اختیاری نیست، بلکه ضروری است اگر می‌خواهیم سیستم‌های انرژی بتوانند با رشد تقاضا همگام شوند و در عین حال از محیط زیست حمایت کنند.

مواد آینده برای مقاومت بیشتر

مواد جدید از جمله کامپوزیت‌های الیاف کربنی و آلیاژهای پایه تیتانیوم باعث شده‌اند که برج‌های انتقال برق از هر زمان دیگری مقاوم‌تر باشند. آنچه این مواد را متمایز می‌کند، توانایی آن‌ها در مقاومت در برابر شرایط جوی سخت و مقاومت در برابر خوردگی در طول زمان است، که این امر به معنای حفظ سلامت خطوط انتقال برق برای مدت طولانی‌تری است. بر اساس مطالعات اخیر انجام شده در آزمایشگاه مواد MIT، برج‌های ساخته شده با این مواد پیشرفته عمری ۴۰٪ طولانی‌تر از برج‌های سنتی دارند و تنها نیاز به یک بازدید تعمیراتی در هر پنج سال دارند، نه یک بازدید سالانه. همچنین، این حوزه به سرعت در حال پیشرفت است. محققان دانشگاه استنفورد به تازگی از دستاوردهایی در زمینه پوشش‌های پلیمری خودترمیمی خبر داده‌اند که می‌توانند ترک‌های جزئی را به طور خودکار و در معرض نور UV تعمیر کنند. برای شرکت‌های برق که با چالش‌های تغییرات اقلیمی روبرو هستند، به کارگیری این فناوری‌ها تنها یک تصمیم هوشمندانه نیست، بلکه برای حفظ ثبات شبکه در مناطق مستعد بروز رویدادهای شدید جوی، ضروری شده است.

بخش سوالات متداول

منابع اصلی تولید برق چیست؟

برق از منابع تجدیدپذیر (مانند خورشید، باد، آب و ژئوترمال) و منابع غیرتجدیدپذیر (مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی) تولید می‌شود.

چرا انتقال با ولتاژ بالا مهم است؟

نقل ولتاژ بالا اهمیت دارد زیرا از کاهش انرژی در فواصل طولانی جلوگیری می‌کند و مطمئن می‌شود بیشترین توان به مرکزهای شهری به صورت کارآمد رسیده باشد.

نقش ایستگاه‌های تبدیل در شبکه برق چیست؟

ایستگاه‌های تبدیل ولتاژ بالا را از خطوط نقل و انتقال به سطح مناسب برای توزیع امن برای مصرف خانگی و تجاری کاهش می‌دهد.

ترانسفورماتورها چگونه در نقل و انتقال برق مفید هستند؟

ترانسفورماتورها ولتاژ را برای نقل و انتقال کارآمد در فواصل طولانی افزایش می‌دهند و آن را به سطح امن برای مصرف خانگی کاهش می‌دهند، باعث کاهش ضیاعات انرژی می‌شوند.

چگونه فناوری‌های شبکه هوشمند توزیع برق را بهبود می‌بخشند؟

فناوری‌های شبکه هوشمند توزیع برق را با ارائه نظارت و مدیریت داده‌ها در حین وقوع، که پاسخ‌گویی سریع‌تر به قطعیات و بهبود قابلیت اعتمادپذیری را ممکن می‌سازد، بهبود می‌بخشند.