ภาพรวมของการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ

พลังงานน้ำคือการแปลงพลังงานน้ำจากแม่น้ำธรรมชาติให้เป็นกระแสไฟฟ้าเพื่อให้ผู้คนได้ใช้ มีแหล่งพลังงานหลากหลายที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้า เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานน้ำในแม่น้ำ และพลังงานลม ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำนั้นถูก และการก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำยังสามารถทำควบคู่ไปกับโครงการอนุรักษ์น้ำอื่นๆ ได้ ประเทศของเรามีทรัพยากรพลังน้ำที่อุดมสมบูรณ์และสภาพแวดล้อมที่เอื้ออำนวย พลังงานน้ำจึงมีบทบาทสำคัญในการสร้างเศรษฐกิจของประเทศ
ระดับน้ำต้นน้ำของแม่น้ำจะสูงกว่าระดับน้ำปลายน้ำ เนื่องจากความแตกต่างของระดับน้ำ จึงเกิดพลังงานน้ำขึ้น พลังงานนี้เรียกว่าพลังงานศักยภาพ หรือพลังงานน้ำศักย์ ความแตกต่างของระดับความสูงของน้ำในแม่น้ำเรียกว่าความต่างระดับ หรือความแตกต่างของหัวน้ำ ความต่างระดับนี้เป็นเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับการเกิดพลังงานน้ำ นอกจากนี้ ขนาดของพลังงานน้ำยังขึ้นอยู่กับขนาดของการไหลของน้ำในแม่น้ำ ซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานที่สำคัญไม่แพ้ความต่างระดับ ทั้งความต่างระดับและการไหลส่งผลโดยตรงต่อพลังงานน้ำ ยิ่งปริมาณน้ำที่ความต่างระดับมากเท่าใด พลังงานน้ำก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากความต่างระดับและปริมาณน้ำค่อนข้างน้อย ผลผลิตของโรงไฟฟ้าพลังน้ำก็จะน้อยลง
โดยทั่วไปแล้ว ระดับความสูงที่ลดลงจะแสดงเป็นเมตร ความชันคืออัตราส่วนของระดับความสูงที่ลดลงต่อระยะทาง ซึ่งสามารถบ่งบอกถึงระดับความเข้มข้นของการลดระดับน้ำได้ ยิ่งระดับความสูงที่ลดลงมีความเข้มข้นมากเท่าใด การใช้พลังงานน้ำก็จะยิ่งสะดวกมากขึ้นเท่านั้น ระดับความสูงที่ลดลงที่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือความแตกต่างระหว่างระดับน้ำต้นน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำกับระดับน้ำปลายน้ำหลังจากผ่านกังหันแล้ว

อัตราการไหลคือปริมาณน้ำที่ไหลในแม่น้ำต่อหน่วยเวลา โดยแสดงเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที หนึ่งลูกบาศก์เมตรเท่ากับหนึ่งตัน อัตราการไหลของแม่น้ำเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา ดังนั้นเมื่อเราพูดถึงอัตราการไหล เราต้องอธิบายเวลา ณ สถานที่เฉพาะเจาะจงที่น้ำไหลผ่าน อัตราการไหลเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามเวลา แม่น้ำในประเทศของเราโดยทั่วไปจะมีปริมาณน้ำไหลมากในฤดูฝนในฤดูร้อนและฤดูใบไม้ร่วง และค่อนข้างน้อยในฤดูหนาวและฤดูใบไม้ผลิ โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณน้ำไหลของแม่น้ำจะค่อนข้างน้อยในต้นน้ำ เนื่องจากลำน้ำสาขามารวมกัน ปริมาณน้ำไหลในปลายน้ำจึงค่อยๆ เพิ่มขึ้น ดังนั้น แม้ว่าปริมาณน้ำจะลดลงอย่างกระจุกตัวในต้นน้ำ แต่ปริมาณน้ำไหลกลับน้อย ในขณะที่ปริมาณน้ำไหลในปลายน้ำมีมาก แต่การลดลงของปริมาณน้ำค่อนข้างกระจายตัว ดังนั้น การใช้พลังงานน้ำในบริเวณกลางแม่น้ำจึงมักประหยัดที่สุด
เมื่อทราบระดับความสูงและอัตราการไหลที่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแล้ว สามารถคำนวณปริมาณผลผลิตได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
N= GQH
ในสูตร N–เอาต์พุต ในหน่วยกิโลวัตต์ สามารถเรียกว่ากำลังได้เช่นกัน
Q – อัตราการไหล ในหน่วยลูกบาศก์เมตรต่อวินาที;
H – การลดลงของระดับน้ำ (หน่วยเป็นเมตร)
G = 9.8 คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง หน่วย: นิวตัน/กิโลกรัม
ตามสูตรข้างต้น กำลังไฟฟ้าตามทฤษฎีคำนวณโดยไม่หักลบการสูญเสียใดๆ แต่ในความเป็นจริง ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น กังหัน เครื่องส่งไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ ล้วนมีการสูญเสียพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น กำลังไฟฟ้าตามทฤษฎีจึงควรถูกหักลบออก กล่าวคือ กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงควรคูณด้วยค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (สัญลักษณ์: K)
กำลังไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังน้ำเรียกว่ากำลังไฟฟ้าพิกัด และกำลังไฟฟ้าจริงเรียกว่ากำลังไฟฟ้าที่ใช้ได้จริง ในกระบวนการแปลงพลังงาน ย่อมหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีการสูญเสียพลังงานบางส่วน ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ ส่วนใหญ่จะมีการสูญเสียจากกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (รวมถึงการสูญเสียในท่อส่งน้ำด้วย) การสูญเสียต่างๆ ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กในชนบทคิดเป็นประมาณ 40-50% ของกำลังไฟฟ้าตามทฤษฎีทั้งหมด ดังนั้นผลผลิตของโรงไฟฟ้าพลังน้ำจึงใช้ได้จริงเพียง 50-60% ของกำลังไฟฟ้าตามทฤษฎี นั่นคือ ประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 0.5-0.60 (ซึ่งประสิทธิภาพของกังหันอยู่ที่ 0.70-0.85 ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอยู่ที่ 0.85 ถึง 0.90 และประสิทธิภาพของท่อส่งน้ำและอุปกรณ์ส่งกำลังอยู่ที่ 0.80 ถึง 0.85) ดังนั้น กำลังไฟฟ้าจริง (ผลผลิต) ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำสามารถคำนวณได้ดังนี้:
K คือประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ (0.5～0.6) ซึ่งใช้ในการคำนวณคร่าวๆ ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก โดยสามารถลดรูปค่านี้ได้ดังนี้:
N=(0.5～0.6)QHG กำลังไฟฟ้าจริง = ประสิทธิภาพ × อัตราการไหล × แรงดันตก × 9.8
การใช้พลังงานน้ำคือการใช้พลังงานจากน้ำเพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรที่เรียกว่ากังหันน้ำ ตัวอย่างเช่น กังหันน้ำโบราณในประเทศของเราเป็นกังหันน้ำแบบง่ายๆ กังหันน้ำแบบต่างๆ ที่ใช้ในปัจจุบันได้รับการปรับให้เข้ากับสภาพไฮดรอลิกเฉพาะต่างๆ เพื่อให้สามารถหมุนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและแปลงพลังงานน้ำเป็นพลังงานกล เครื่องจักรอีกชนิดหนึ่งคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จะเชื่อมต่อกับกังหันน้ำ โดยที่โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะหมุนไปพร้อมกับกังหันน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน คือ ส่วนที่หมุนไปพร้อมกับกังหันน้ำและส่วนที่อยู่กับที่ ส่วนที่เชื่อมต่อกับกังหันน้ำและหมุนได้เรียกว่าโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งมีขั้วแม่เหล็กจำนวนมากอยู่รอบโรเตอร์ ส่วนที่อยู่กับที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่าสเตเตอร์ ซึ่งมีขดลวดทองแดงจำนวนมากพันอยู่รอบสเตเตอร์ เมื่อขั้วแม่เหล็กจำนวนมากของโรเตอร์หมุนอยู่ตรงกลางขดลวดทองแดงของสเตเตอร์ กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในลวดทองแดง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตโดยโรงไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพลังงานกล (มอเตอร์ไฟฟ้าหรือมอเตอร์ขับเคลื่อน) พลังงานแสง (หลอดไฟ) พลังงานความร้อน (เตาไฟฟ้า) และอื่นๆ โดยอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ
องค์ประกอบของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำ
องค์ประกอบของโรงไฟฟ้าพลังน้ำประกอบด้วย: โครงสร้างไฮดรอลิก อุปกรณ์เชิงกล และอุปกรณ์ไฟฟ้า
(1) โครงสร้างไฮดรอลิก
ประกอบด้วยฝาย (เขื่อน), ประตูรับน้ำ, คลอง (หรืออุโมงค์), ถังเก็บน้ำแรงดัน (หรือถังควบคุมระดับน้ำ), ท่อแรงดัน, โรงไฟฟ้า และทางระบายน้ำ เป็นต้น
เขื่อนกั้นน้ำถูกสร้างขึ้นในแม่น้ำเพื่อกักเก็บน้ำและยกระดับผิวน้ำเพื่อสร้างอ่างเก็บน้ำ ด้วยวิธีนี้ จะเกิดความลาดชันที่เข้มข้นระหว่างผิวน้ำในอ่างเก็บน้ำบนเขื่อนกับผิวน้ำของแม่น้ำด้านล่างเขื่อน จากนั้นจึงส่งน้ำไปยังโรงไฟฟ้าพลังน้ำโดยใช้ท่อส่งน้ำหรืออุโมงค์ ในแม่น้ำที่มีความลาดชันค่อนข้างสูง การใช้คลองผันน้ำก็สามารถทำให้เกิดความลาดชันได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปแล้ว ความลาดชันต่อกิโลเมตรของแม่น้ำตามธรรมชาติจะอยู่ที่ 10 เมตร หากมีการเปิดคลองที่ปลายด้านบนของแม่น้ำส่วนนี้เพื่อนำน้ำเข้ามา คลองจะถูกขุดตามแนวแม่น้ำ และความลาดชันของคลองจะแบนราบลง หากความลาดชันในคลองลดลงเพียง 1 เมตรต่อกิโลเมตร ดังนั้นเมื่อน้ำไหลผ่านคลองเป็นระยะทาง 5 กิโลเมตร ระดับน้ำจะลดลงเพียง 5 เมตร ในขณะที่น้ำจะลดลง 50 เมตรหลังจากไหลผ่านแม่น้ำตามธรรมชาติเป็นระยะทาง 5 กิโลเมตร ในขณะนี้ น้ำจากคลองจะถูกส่งกลับไปยังโรงไฟฟ้าโดยแม่น้ำผ่านท่อส่งน้ำหรืออุโมงค์ และมีความแตกต่างของระดับความสูงที่เข้มข้นถึง 45 เมตร ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ รูปที่ 2

การใช้คลองผันน้ำ อุโมงค์ หรือท่อส่งน้ำ (เช่น ท่อพลาสติก ท่อเหล็ก ท่อคอนกรีต ฯลฯ) เพื่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีความเข้มข้นของน้ำสูง เรียกว่า โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบคลองผันน้ำ ซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ
(2) อุปกรณ์เครื่องกลและไฟฟ้า
นอกเหนือจากงานด้านไฮดรอลิกที่กล่าวมาข้างต้น (ฝาย, คลองส่งน้ำ, ลานด้านหน้า, ท่อแรงดัน, โรงงานซ่อมบำรุง) แล้ว โรงไฟฟ้าพลังน้ำยังต้องการอุปกรณ์ต่อไปนี้ด้วย:
(1) อุปกรณ์เครื่องจักรกล
ประกอบด้วยกังหัน, ตัวควบคุมความเร็ว, วาล์วประตู, อุปกรณ์ส่งกำลัง และอุปกรณ์ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการผลิตกระแสไฟฟ้า
(2) อุปกรณ์ไฟฟ้า
ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แผงควบคุมการจ่ายไฟฟ้า หม้อแปลง และสายส่งไฟฟ้า
แต่ไม่ใช่ว่าโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กทุกแห่งจะมีโครงสร้างทางไฮดรอลิกและอุปกรณ์เครื่องกลและไฟฟ้าตามที่กล่าวมาข้างต้น หากระดับน้ำต่ำกว่า 6 เมตรในโรงไฟฟ้าพลังน้ำระดับต่ำ โดยทั่วไปจะใช้เพียงทางนำน้ำและทางน้ำแบบเปิด และไม่มีบ่อพักน้ำแรงดันและท่อน้ำแรงดัน สำหรับโรงไฟฟ้าที่มีระยะการจ่ายไฟฟ้าขนาดเล็กและระยะการส่งไฟฟ้าสั้น จะใช้การส่งไฟฟ้าโดยตรงและไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีอ่างเก็บน้ำไม่จำเป็นต้องสร้างเขื่อน การใช้ช่องรับน้ำลึก ท่อภายในเขื่อน (หรืออุโมงค์) และทางระบายน้ำล้นช่วยลดความจำเป็นในการใช้โครงสร้างทางไฮดรอลิก เช่น ฝาย ประตูรับน้ำ ทางน้ำ และบ่อพักน้ำแรงดัน
ในการสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ขั้นแรกต้องมีการสำรวจและออกแบบอย่างรอบคอบ ในขั้นตอนการออกแบบนั้นมีสามขั้นตอน ได้แก่ การออกแบบเบื้องต้น การออกแบบทางเทคนิค และรายละเอียดการก่อสร้าง เพื่อให้การออกแบบออกมาดี จำเป็นต้องทำการสำรวจอย่างละเอียดก่อน กล่าวคือ ต้องทำความเข้าใจสภาพธรรมชาติและเศรษฐกิจในท้องถิ่นอย่างถ่องแท้ เช่น ภูมิประเทศ ธรณีวิทยา อุทกวิทยา ทุน และอื่นๆ ความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของการออกแบบจะรับประกันได้ก็ต่อเมื่อเข้าใจและวิเคราะห์สถานการณ์เหล่านี้อย่างถ่องแท้แล้วเท่านั้น
ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กมีรูปแบบที่หลากหลาย ขึ้นอยู่กับประเภทของโรงไฟฟ้าพลังน้ำนั้นๆ
3. การสำรวจภูมิประเทศ
คุณภาพของงานสำรวจภูมิประเทศมีผลอย่างมากต่อการวางผังทางวิศวกรรมและการประมาณปริมาณงานทางวิศวกรรม
การสำรวจทางธรณีวิทยา (ความเข้าใจเกี่ยวกับสภาพทางธรณีวิทยา) นอกเหนือจากความเข้าใจและการวิจัยทั่วไปเกี่ยวกับธรณีวิทยาของลุ่มน้ำและตามแนวแม่น้ำแล้ว ยังจำเป็นต้องเข้าใจด้วยว่าฐานรากของห้องเครื่องมีความแข็งแรงหรือไม่ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าพลังน้ำเอง หากเขื่อนที่มีปริมาตรอ่างเก็บน้ำระดับหนึ่งถูกทำลาย มันจะไม่เพียงแต่สร้างความเสียหายให้กับโรงไฟฟ้าพลังน้ำเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดความสูญเสียอย่างใหญ่หลวงต่อชีวิตและทรัพย์สินในพื้นที่ปลายน้ำด้วย
4. การทดสอบทางอุทกวิทยา
สำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ข้อมูลทางอุทกวิทยาที่สำคัญที่สุด ได้แก่ บันทึกระดับน้ำในแม่น้ำ ปริมาณน้ำไหล ปริมาณตะกอน สภาพการเกิดน้ำแข็ง ข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา และข้อมูลการสำรวจน้ำท่วม ปริมาณน้ำไหลในแม่น้ำมีผลต่อการออกแบบทางระบายน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ การประเมินความรุนแรงของน้ำท่วมต่ำเกินไปจะทำให้เขื่อนเสียหาย ตะกอนที่แม่น้ำพัดพามาสามารถเติมเต็มอ่างเก็บน้ำได้อย่างรวดเร็วในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ตัวอย่างเช่น ช่องทางน้ำไหลเข้าจะทำให้ช่องทางน้ำอุดตัน และตะกอนขนาดใหญ่จะผ่านเข้าไปในกังหันและทำให้กังหันสึกหรอ ดังนั้น การก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำจึงต้องมีข้อมูลทางอุทกวิทยาที่เพียงพอ
ดังนั้น ก่อนที่จะตัดสินใจสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เราต้องศึกษาทิศทางการพัฒนาเศรษฐกิจในพื้นที่ที่ต้องการผลิตไฟฟ้าและความต้องการใช้ไฟฟ้าในอนาคตเสียก่อน พร้อมทั้งประเมินสถานการณ์ของแหล่งพลังงานอื่นๆ ในพื้นที่นั้นด้วย หลังจากทำการวิจัยและวิเคราะห์สถานการณ์ข้างต้นแล้วเท่านั้น จึงจะสามารถตัดสินใจได้ว่าควรสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำหรือไม่ และควรมีขนาดใหญ่เพียงใด
โดยทั่วไป จุดประสงค์ของงานสำรวจด้านพลังงานน้ำ คือการให้ข้อมูลพื้นฐานที่ถูกต้องและเชื่อถือได้ ซึ่งจำเป็นต่อการออกแบบและการก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ
5. เงื่อนไขทั่วไปสำหรับการคัดเลือกสถานที่ตั้ง
เงื่อนไขทั่วไปในการเลือกสถานที่ตั้งสามารถอธิบายได้จากสี่แง่มุมดังต่อไปนี้:
(1) สถานที่ที่เลือกควรสามารถใช้พลังงานน้ำได้อย่างประหยัดที่สุดและสอดคล้องกับหลักการประหยัดต้นทุน กล่าวคือ หลังจากสร้างโรงไฟฟ้าเสร็จแล้ว ควรใช้เงินน้อยที่สุดและผลิตไฟฟ้าได้มากที่สุด โดยปกติสามารถวัดได้จากการประมาณรายได้จากการผลิตไฟฟ้าต่อปีและการลงทุนในการก่อสร้างโรงไฟฟ้าเพื่อดูว่าเงินทุนที่ลงทุนไปจะคืนทุนได้ภายในระยะเวลาเท่าใด อย่างไรก็ตาม สภาพทางอุทกวิทยาและภูมิประเทศแตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ และความต้องการไฟฟ้าก็แตกต่างกันด้วย ดังนั้นต้นทุนการก่อสร้างและการลงทุนจึงไม่ควรถูกจำกัดด้วยค่าใดค่าหนึ่ง
(2) สภาพภูมิประเทศ ธรณีวิทยา และอุทกวิทยาของพื้นที่ที่เลือกควรอยู่ในระดับที่ดี และควรมีความเป็นไปได้ในการออกแบบและก่อสร้าง ในการก่อสร้างสถานีไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก การใช้วัสดุก่อสร้างควรเป็นไปตามหลักการ “วัสดุในท้องถิ่น” ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
(3) สถานที่ที่เลือกจะต้องอยู่ใกล้กับแหล่งจ่ายพลังงานและพื้นที่ประมวลผลให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดการลงทุนในอุปกรณ์ส่งกำลังไฟฟ้าและการสูญเสียพลังงาน
(4) เมื่อเลือกสถานที่ ควรใช้โครงสร้างไฮดรอลิกที่มีอยู่ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้หยดน้ำเพื่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำในคลองชลประทาน หรือสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำไว้ข้างอ่างเก็บน้ำชลประทานเพื่อผลิตไฟฟ้าจากน้ำชลประทาน เป็นต้น เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำเหล่านี้สามารถตอบสนองหลักการผลิตไฟฟ้าเมื่อมีน้ำได้ ความสำคัญทางเศรษฐกิจจึงชัดเจนยิ่งขึ้น