ภาพรวมการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ

พลังงานน้ำคือการแปลงพลังงานน้ำจากแม่น้ำธรรมชาติเป็นพลังงานไฟฟ้าสำหรับให้ผู้คนใช้ มีแหล่งพลังงานต่างๆ ที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้า เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานน้ำในแม่น้ำ และพลังงานลมที่ผลิตจากการไหลของอากาศ ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำโดยใช้พลังงานน้ำมีราคาถูก และการก่อสร้างสถานีพลังงานน้ำยังสามารถรวมกับโครงการอนุรักษ์น้ำอื่นๆ ได้อีกด้วย ประเทศของเรามีทรัพยากรพลังงานน้ำอุดมสมบูรณ์มากและมีสภาพแวดล้อมที่ดีมาก พลังงานน้ำมีบทบาทสำคัญในการสร้างเศรษฐกิจของชาติ
ระดับน้ำในแม่น้ำที่อยู่เหนือน้ำจะสูงกว่าระดับน้ำในแม่น้ำที่อยู่ใต้น้ำ เนื่องจากระดับน้ำในแม่น้ำต่างกัน จึงเกิดพลังงานน้ำขึ้น พลังงานนี้เรียกว่าพลังงานศักย์ หรือพลังงานศักย์ ส่วนต่างระหว่างความสูงของน้ำในแม่น้ำเรียกว่าหยดน้ำ หรือเรียกอีกอย่างว่าความแตกต่างของระดับน้ำหรือหัวน้ำ หยดน้ำนี้เป็นเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับการสร้างพลังน้ำ นอกจากนี้ ขนาดของพลังน้ำยังขึ้นอยู่กับขนาดของการไหลของน้ำในแม่น้ำ ซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานอีกประการหนึ่งที่สำคัญพอๆ กับหยดน้ำ ทั้งหยดน้ำและการไหลส่งผลโดยตรงต่อพลังน้ำ ยิ่งปริมาณน้ำที่ตกลงมามากเท่าไร พลังน้ำก็จะมากขึ้นเท่านั้น หากหยดน้ำและปริมาณน้ำค่อนข้างน้อย ผลผลิตของโรงไฟฟ้าพลังน้ำก็จะน้อยลง
โดยทั่วไปแล้วหยดน้ำจะแสดงเป็นเมตร ความชันคืออัตราส่วนของหยดน้ำและระยะทาง ซึ่งสามารถระบุระดับความเข้มข้นของหยดน้ำได้ หยดน้ำมีความเข้มข้นมากขึ้น และการใช้พลังงานไฮดรอลิกก็สะดวกมากขึ้น หยดน้ำที่ใช้โดยโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือความแตกต่างระหว่างผิวน้ำด้านต้นน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำและผิวน้ำด้านท้ายน้ำหลังจากผ่านกังหันน้ำ

อัตราการไหลคือปริมาณน้ำที่ไหลในแม่น้ำต่อหน่วยเวลา โดยแสดงเป็นลูกบาศก์เมตรใน 1 วินาที น้ำ 1 ลูกบาศก์เมตรเท่ากับ 1 ตัน อัตราการไหลของแม่น้ำเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ดังนั้น เมื่อเราพูดถึงอัตราการไหล เราต้องอธิบายเวลาของสถานที่ที่อัตราการไหลเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากในแต่ละช่วงเวลา โดยทั่วไป แม่น้ำในประเทศของเรามีอัตราการไหลมากในฤดูฝนในฤดูร้อนและฤดูใบไม้ร่วง และค่อนข้างน้อยในฤดูหนาวและฤดูใบไม้ผลิ โดยทั่วไป อัตราการไหลของแม่น้ำในตอนต้นน้ำจะค่อนข้างน้อย เนื่องจากสาขาต่างๆ มาบรรจบกัน อัตราการไหลในตอนล่างน้ำจึงค่อยๆ เพิ่มขึ้น ดังนั้น แม้ว่าปริมาณน้ำในตอนต้นน้ำจะรวมกัน แต่ปริมาณการไหลก็น้อย ในขณะที่ปริมาณน้ำในตอนล่างน้ำจะมาก แต่ปริมาณการไหลค่อนข้างกระจัดกระจาย ดังนั้น การใช้พลังงานไฮดรอลิกในบริเวณตอนกลางน้ำจึงมักประหยัดที่สุด
เมื่อทราบปริมาณการหยดและการไหลที่ใช้โดยสถานีพลังงานน้ำแล้ว สามารถคำนวณผลผลิตได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
N= GQH
ในสูตรนี้ เอาต์พุต N มีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ เรียกอีกอย่างหนึ่งว่ากำลังไฟฟ้า
Q–flow เป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที
H – การลดลง เป็นเมตร
G = 9.8 คือ ความเร่งโน้มถ่วง หน่วย : นิวตัน/กก.
ตามสูตรข้างต้น การคำนวณกำลังไฟฟ้าเชิงทฤษฎีนั้นไม่หักการสูญเสียใดๆ ออกไป ในความเป็นจริง ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ กังหัน อุปกรณ์ส่งกำลัง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ ล้วนมีการสูญเสียพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น จึงควรหักค่ากำลังไฟฟ้าเชิงทฤษฎีออกไป นั่นคือ ควรคูณกำลังไฟฟ้าที่ใช้ได้จริงด้วยค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (สัญลักษณ์: K)
กำลังไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังน้ำเรียกว่ากำลังไฟฟ้าที่กำหนด และกำลังไฟฟ้าจริงเรียกว่ากำลังไฟฟ้าจริง ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงพลังงานนั้น ย่อมหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องสูญเสียพลังงานบางส่วน ในกระบวนการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำนั้น ส่วนใหญ่แล้วจะมีการสูญเสียกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ยังมีการสูญเสียในท่อส่งด้วย) การสูญเสียต่างๆ ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กในชนบทคิดเป็นประมาณ 40-50% ของกำลังไฟฟ้าเชิงทฤษฎีทั้งหมด ดังนั้น ผลผลิตของโรงไฟฟ้าพลังน้ำจึงใช้พลังงานเชิงทฤษฎีได้เพียง 50-60% เท่านั้น นั่นคือ ประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 0.5-0.60 (ซึ่งประสิทธิภาพของกังหันอยู่ที่ 0.70-0.85 ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอยู่ที่ 0.85 ถึง 0.90 และประสิทธิภาพของท่อส่งและอุปกรณ์ส่งกำลังอยู่ที่ 0.80 ถึง 0.85) ดังนั้น จึงสามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าจริง (ผลผลิต) ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำได้ดังนี้:
K–ประสิทธิภาพของสถานีพลังงานน้ำ (0.5～0.6) ใช้ในการคำนวณคร่าวๆ ของสถานีพลังงานน้ำขนาดเล็ก ค่านี้สามารถลดรูปลงได้ดังนี้:
N=(0.5～0.6)QHG กำลังที่แท้จริง=ประสิทธิภาพ×การไหล×การลดลง×9.8
การใช้พลังงานน้ำคือการใช้พลังงานน้ำเพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรซึ่งเรียกว่ากังหันน้ำ ตัวอย่างเช่น กังหันน้ำโบราณในประเทศของเราเป็นกังหันน้ำที่เรียบง่ายมาก กังหันไฮดรอลิกต่างๆ ที่ใช้ในปัจจุบันได้รับการดัดแปลงให้เหมาะกับสภาพไฮดรอลิกเฉพาะต่างๆ เพื่อให้สามารถหมุนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและแปลงพลังงานน้ำเป็นพลังงานกล เครื่องจักรอีกประเภทหนึ่งคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งเชื่อมต่อกับกังหันเพื่อให้โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนไปพร้อมกับกังหันเพื่อสร้างไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถแบ่งได้เป็นสองส่วน: ส่วนที่หมุนไปพร้อมกับกังหันและส่วนที่คงที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ส่วนที่เชื่อมต่อกับกังหันและหมุนเรียกว่าโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมีขั้วแม่เหล็กจำนวนมากอยู่รอบโรเตอร์ วงกลมรอบโรเตอร์คือส่วนที่คงที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่าสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและสเตเตอร์จะพันด้วยขดลวดทองแดงจำนวนมาก เมื่อขั้วแม่เหล็กจำนวนมากของโรเตอร์หมุนตรงกลางขดลวดทองแดงของสเตเตอร์ กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นบนสายทองแดงและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพลังงานกล (มอเตอร์ไฟฟ้า หรือ มอเตอร์ไฟฟ้า) พลังงานแสง (หลอดไฟฟ้า) พลังงานความร้อน (เตาไฟฟ้า) และอื่นๆ โดยอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ
องค์ประกอบของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำ
องค์ประกอบของสถานีพลังงานน้ำประกอบด้วย โครงสร้างไฮดรอลิก อุปกรณ์เครื่องกล และอุปกรณ์ไฟฟ้า
(1) โครงสร้างไฮดรอลิก
มีเขื่อนกั้นน้ำ (เขื่อน) ประตูรับน้ำ ช่องทาง (หรืออุโมงค์) ถังแรงดันด้านหน้า (หรือถังควบคุม) ท่อแรงดัน โรงไฟฟ้าและท่อท้ายน้ำ ฯลฯ
เขื่อน (เขื่อน) ถูกสร้างขึ้นในแม่น้ำเพื่อปิดกั้นน้ำในแม่น้ำและยกระดับผิวน้ำเพื่อสร้างอ่างเก็บน้ำ ด้วยวิธีนี้ หยดน้ำที่เข้มข้นจะก่อตัวระหว่างผิวน้ำของอ่างเก็บน้ำบนเขื่อน (เขื่อน) และผิวน้ำของแม่น้ำด้านล่างเขื่อน จากนั้นน้ำจะถูกส่งไปยังโรงไฟฟ้าพลังน้ำโดยใช้ท่อส่งน้ำหรืออุโมงค์ ในแม่น้ำที่ค่อนข้างชัน การใช้ช่องทางเบี่ยงน้ำก็สามารถสร้างหยดน้ำได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปแล้ว หยดน้ำต่อกิโลเมตรของแม่น้ำธรรมชาติคือ 10 เมตร หากเปิดช่องทางที่ปลายด้านบนของส่วนนี้ของแม่น้ำเพื่อนำน้ำจากแม่น้ำเข้ามา ช่องทางจะถูกขุดไปตามแม่น้ำและความลาดชันของช่องทางจะราบเรียบกว่า หากหยดน้ำในช่องทางทำต่อกิโลเมตร หยดน้ำเพียง 1 เมตร ดังนั้นน้ำจึงไหลในช่องทาง 5 กิโลเมตร และผิวน้ำลดลงเพียง 5 เมตร ในขณะที่น้ำลดลง 50 เมตรหลังจากเดินทางในช่องทางธรรมชาติ 5 กิโลเมตร ในเวลานี้ น้ำจากช่องทางจะถูกส่งกลับไปยังโรงไฟฟ้าโดยแม่น้ำโดยใช้ท่อส่งน้ำหรืออุโมงค์ และมีหยดน้ำที่เข้มข้น 45 เมตรที่สามารถใช้ผลิตไฟฟ้าได้ รูปที่ 2

การใช้ช่องผันน้ำ อุโมงค์ หรือท่อส่งน้ำ (เช่น ท่อพลาสติก ท่อเหล็ก ท่อคอนกรีต เป็นต้น) เพื่อสร้างสถานีพลังงานน้ำที่มีการปล่อยน้ำเข้มข้น เรียกว่า สถานีพลังงานน้ำแบบช่องผันน้ำ ซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปของสถานีพลังงานน้ำ
(2) อุปกรณ์เครื่องกลและไฟฟ้า
นอกเหนือจากงานไฮดรอลิกที่กล่าวมาข้างต้น (ฝาย คลอง ลานหน้าเขื่อน ท่อแรงดัน โรงงาน) สถานีพลังงานน้ำยังต้องการอุปกรณ์ต่อไปนี้:
(1) อุปกรณ์เครื่องกล
มีกังหัน, ตัวควบคุมแรงดัน, วาล์วประตู, อุปกรณ์ส่งกำลัง และอุปกรณ์ที่ไม่ผลิตไฟฟ้า
(2) อุปกรณ์ไฟฟ้า
มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แผงควบคุมการจ่ายไฟฟ้า หม้อแปลง และสายส่งไฟฟ้า
แต่โรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กไม่ได้มีโครงสร้างไฮดรอลิกและอุปกรณ์เครื่องกลและไฟฟ้าดังที่กล่าวข้างต้นทั้งหมด หากหัวน้ำต่ำกว่า 6 เมตรในโรงไฟฟ้าพลังน้ำหัวต่ำ จะใช้ช่องทางน้ำนำทางและช่องทางน้ำเปิด และไม่มีแหล่งจ่ายแรงดันและท่อส่งน้ำแรงดัน สำหรับโรงไฟฟ้าที่มีระยะจ่ายไฟสั้นและระยะส่งสั้น จะใช้การส่งไฟฟ้าโดยตรงและไม่ต้องใช้หม้อแปลง โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีอ่างเก็บน้ำไม่จำเป็นต้องสร้างเขื่อน การใช้ช่องรับน้ำลึก ท่อภายในเขื่อน (หรืออุโมงค์) และทางระบายน้ำล้นทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างไฮดรอลิก เช่น เขื่อนกันดิน ประตูรับน้ำ ช่องทาง และแหล่งจ่ายแรงดัน
ในการสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ จำเป็นต้องทำการสำรวจและออกแบบอย่างรอบคอบก่อนเป็นอันดับแรก โดยในการออกแบบนั้น มี 3 ขั้นตอน ได้แก่ การออกแบบเบื้องต้น การออกแบบทางเทคนิค และรายละเอียดการก่อสร้าง เพื่อให้การออกแบบออกมาดี จำเป็นต้องทำการสำรวจอย่างละเอียดถี่ถ้วนเสียก่อน นั่นคือ ต้องเข้าใจสภาพธรรมชาติและเศรษฐกิจในพื้นที่อย่างถ่องแท้ ไม่ว่าจะเป็นลักษณะภูมิประเทศ ธรณีวิทยา อุทกวิทยา ทุน และอื่นๆ ความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของการออกแบบนั้นสามารถรับประกันได้หลังจากเข้าใจสถานการณ์เหล่านี้และวิเคราะห์แล้วเท่านั้น
ส่วนประกอบของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กมีรูปแบบหลากหลายขึ้นอยู่กับประเภทของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำ
3. การสำรวจภูมิประเทศ
คุณภาพของงานสำรวจภูมิประเทศมีอิทธิพลอย่างมากต่อการจัดวางทางวิศวกรรมและการประมาณปริมาณทางวิศวกรรม
การสำรวจทางธรณีวิทยา (ความเข้าใจในสภาพธรณีวิทยา) นอกเหนือจากความเข้าใจทั่วไปและการวิจัยทางธรณีวิทยาของลุ่มน้ำและตามแม่น้ำแล้ว ยังจำเป็นต้องทำความเข้าใจด้วยว่าฐานรากของห้องเครื่องนั้นมั่นคงหรือไม่ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าเอง เมื่อทำลายเขื่อนที่มีปริมาตรอ่างเก็บน้ำจำนวนหนึ่งแล้ว ไม่เพียงแต่จะทำลายโรงไฟฟ้าพลังน้ำเท่านั้น แต่ยังทำให้สูญเสียชีวิตและทรัพย์สินจำนวนมากที่อยู่ปลายน้ำอีกด้วย
4. การทดสอบทางอุทกวิทยา
สำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ข้อมูลอุทกวิทยาที่สำคัญที่สุดคือ บันทึกระดับน้ำในแม่น้ำ การไหล ปริมาณตะกอน สภาพน้ำแข็ง ข้อมูลอุตุนิยมวิทยา และข้อมูลการสำรวจน้ำท่วม ขนาดของการไหลของแม่น้ำมีผลต่อการวางผังของทางระบายน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ การประเมินความรุนแรงของน้ำท่วมต่ำเกินไปจะทำให้เขื่อนได้รับความเสียหาย ตะกอนที่แม่น้ำพัดพามาอาจเติมเต็มอ่างเก็บน้ำได้อย่างรวดเร็วในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ตัวอย่างเช่น ช่องทางการไหลเข้าจะทำให้ช่องทางเกิดตะกอน และตะกอนที่มีเนื้อหยาบจะผ่านกังหันน้ำและทำให้กังหันสึกหรอ ดังนั้น การก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะต้องมีข้อมูลอุทกวิทยาที่เพียงพอ
ดังนั้นก่อนตัดสินใจสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เราจะต้องศึกษาทิศทางการพัฒนาเศรษฐกิจในพื้นที่จ่ายไฟฟ้าและความต้องการไฟฟ้าในอนาคตก่อน ขณะเดียวกันก็ต้องประเมินสถานการณ์ของแหล่งพลังงานอื่นๆ ในพื้นที่พัฒนาด้วย หลังจากศึกษาและวิเคราะห์สถานการณ์ข้างต้นแล้ว เราจึงจะตัดสินใจได้ว่าจำเป็นต้องสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำหรือไม่ และควรมีขนาดเท่าใด
โดยทั่วไปแล้ว วัตถุประสงค์ของการสำรวจพลังงานน้ำคือเพื่อให้ข้อมูลพื้นฐานที่ถูกต้องและเชื่อถือได้ซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบและการก่อสร้างสถานีพลังงานน้ำ
5. เงื่อนไขทั่วไปในการเลือกสถานที่
เงื่อนไขทั่วไปในการเลือกไซต์สามารถอธิบายได้จากสี่ประเด็นดังต่อไปนี้:
(1) สถานที่ที่เลือกควรสามารถใช้พลังงานน้ำได้อย่างประหยัดที่สุดและเป็นไปตามหลักการประหยัดต้นทุน กล่าวคือ หลังจากโรงไฟฟ้าสร้างเสร็จ จะใช้เงินน้อยที่สุดและผลิตไฟฟ้าได้มากที่สุด โดยปกติสามารถวัดได้โดยการประมาณรายได้จากการผลิตไฟฟ้าประจำปีและการลงทุนก่อสร้างโรงไฟฟ้า เพื่อดูว่าสามารถคืนทุนที่ลงทุนไปได้นานแค่ไหน อย่างไรก็ตาม สภาพทางอุทกวิทยาและภูมิประเทศแตกต่างกันไปในแต่ละสถานที่ และความต้องการไฟฟ้าก็แตกต่างกันด้วย ดังนั้น ต้นทุนการก่อสร้างและการลงทุนไม่ควรจำกัดด้วยค่าบางค่า
(2) สภาพภูมิประเทศ ธรณีวิทยา และอุทกวิทยาของพื้นที่ที่เลือกควรดีกว่าเล็กน้อย และควรมีความเป็นไปได้ในการออกแบบและก่อสร้าง ในการก่อสร้างสถานีไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก การใช้วัสดุในการก่อสร้างควรเป็นไปตามหลักการของ “วัสดุในท้องถิ่น” ให้ได้มากที่สุด
(3) ไซต์ที่เลือกจะต้องอยู่ใกล้กับพื้นที่จ่ายไฟฟ้าและการประมวลผลให้ได้มากที่สุด เพื่อลดการลงทุนในอุปกรณ์ส่งไฟฟ้าและการสูญเสียพลังงาน
(4) เมื่อเลือกสถานที่ ควรใช้โครงสร้างไฮดรอลิกที่มีอยู่ให้มากที่สุด ตัวอย่างเช่น สามารถใช้หยดน้ำเพื่อสร้างสถานีพลังงานน้ำในคลองชลประทาน หรือสร้างสถานีพลังงานน้ำข้างอ่างเก็บน้ำชลประทานเพื่อผลิตไฟฟ้าจากการไหลของน้ำชลประทาน เป็นต้น เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำเหล่านี้สามารถปฏิบัติตามหลักการในการผลิตไฟฟ้าเมื่อมีน้ำ จึงมีความสำคัญทางเศรษฐกิจที่ชัดเจนยิ่งขึ้น