หลักการและขอบเขตการใช้งานของกังหันน้ำ

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรเทอร์โบในเครื่องจักรของไหล ในช่วงต้นประมาณ 100 ปีก่อนคริสตกาล ต้นแบบของกังหันน้ำ หรือกังหันน้ำ ได้ถือกำเนิดขึ้น ในเวลานั้น หน้าที่หลักคือการขับเคลื่อนเครื่องจักรสำหรับการแปรรูปเมล็ดพืชและการชลประทาน กังหันน้ำซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางกลที่ใช้การไหลของน้ำเป็นพลังงาน ได้พัฒนามาเป็นกังหันน้ำในปัจจุบัน และขอบเขตการใช้งานก็ขยายออกไปด้วย แล้วกังหันน้ำสมัยใหม่ใช้ส่วนใหญ่ที่ไหน?
กังหันน้ำส่วนใหญ่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบน้ำ เมื่อโหลดของระบบไฟฟ้าต่ำกว่าโหลดพื้นฐาน กังหันน้ำสามารถใช้เป็นปั๊มน้ำเพื่อใช้กำลังการผลิตไฟฟ้าส่วนเกินในการสูบน้ำจากอ่างเก็บน้ำปลายน้ำไปยังอ่างเก็บน้ำต้นน้ำเพื่อเก็บพลังงานในรูปของพลังงานศักย์ เมื่อโหลดของระบบสูงกว่าโหลดพื้นฐาน กังหันน้ำสามารถใช้เป็นกังหันน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าเพื่อควบคุมโหลดสูงสุด ดังนั้น โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบน้ำบริสุทธิ์จึงไม่สามารถเพิ่มกำลังไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าได้ แต่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังความร้อนและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟฟ้าได้ นับตั้งแต่ทศวรรษ 1950 หน่วยสูบน้ำแบบสูบน้ำได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางและพัฒนาอย่างรวดเร็วในประเทศต่างๆ ทั่วโลก

หน่วยเก็บน้ำแบบสูบน้ำส่วนใหญ่ที่พัฒนาขึ้นในช่วงเริ่มต้นหรือที่มีแรงดันน้ำสูงจะใช้แบบสามเครื่อง นั่นคือประกอบด้วยมอเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กังหันน้ำ และปั๊มน้ำแบบอนุกรม ข้อดีคือกังหันและปั๊มน้ำได้รับการออกแบบแยกกัน ซึ่งแต่ละเครื่องสามารถมีประสิทธิภาพสูงกว่า และเครื่องจะหมุนไปในทิศทางเดียวกันเมื่อผลิตไฟฟ้าและสูบน้ำ และสามารถแปลงจากการผลิตไฟฟ้าเป็นการสูบน้ำ หรือจากการสูบน้ำเป็นการผลิตไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันก็สามารถใช้กังหันเพื่อสตาร์ทเครื่องได้ ข้อเสียคือต้นทุนสูงและการลงทุนในโรงไฟฟ้าก็สูง
ใบพัดของกังหันน้ำแบบไหลเฉียงสามารถหมุนได้ และยังคงมีประสิทธิภาพการทำงานที่ดีเมื่อหัวน้ำและโหลดเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของคุณลักษณะด้านไฮดรอลิกและความแข็งแรงของวัสดุ ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ส่วนหัวสุทธิของกังหันน้ำจึงอยู่ที่ 136.2 เมตรเท่านั้น (โรงไฟฟ้าแห่งแรกของ Takagen ของญี่ปุ่น) สำหรับส่วนหัวที่สูงขึ้น จำเป็นต้องใช้กังหันน้ำแบบปั๊มฟรานซิส
สถานีพลังงานไฟฟ้าแบบสูบน้ำมีอ่างเก็บน้ำด้านบนและด้านล่าง ภายใต้เงื่อนไขการเก็บพลังงานเท่ากัน การเพิ่มแรงยกสามารถลดความจุในการจัดเก็บ เพิ่มความเร็วของหน่วย และลดต้นทุนโครงการ ดังนั้น สถานีพลังงานไฟฟ้าแบบสูบน้ำแรงดันสูงเหนือระดับ 300 เมตรจึงได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว กังหันปั๊มน้ำฟรานซิสที่มีหัวน้ำสูงที่สุดในโลกได้รับการติดตั้งในสถานีพลังงานไฟฟ้า Baina Basta ในยูโกสลาเวีย หนึ่งปีหลังจากเริ่มดำเนินการ หน่วยพลังงานน้ำได้รับการพัฒนาในทิศทางของพารามิเตอร์ที่สูงและความจุขนาดใหญ่ ตั้งแต่ศตวรรษที่ 20 ด้วยการเพิ่มขึ้นของความจุพลังงานความร้อนในระบบไฟฟ้าและการพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ เพื่อแก้ปัญหาการควบคุมพีคที่เหมาะสม นอกเหนือจากการพัฒนาหรือขยายสถานีพลังงานขนาดใหญ่ในระบบน้ำหลักอย่างแข็งขันแล้ว ประเทศต่างๆ ทั่วโลกกำลังสร้างสถานีพลังงานไฟฟ้าแบบสูบน้ำอย่างแข็งขัน ส่งผลให้กังหันปั๊มน้ำพัฒนาอย่างรวดเร็ว

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรผลิตไฟฟ้าที่แปลงพลังงานจากการไหลของน้ำเป็นพลังงานกลหมุน กังหันน้ำจึงเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ ปัจจุบัน ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมมีความรุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ และการใช้และส่งเสริมพลังงานน้ำซึ่งใช้พลังงานสะอาดก็เพิ่มมากขึ้นเช่นกัน เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากทรัพยากรน้ำต่างๆ ได้อย่างเต็มที่ กระแสน้ำ แม่น้ำที่ราบเรียบที่มีระดับน้ำต่ำมาก และแม้แต่คลื่นก็ดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวาง ส่งผลให้กังหันน้ำแบบท่อและหน่วยขนาดเล็กอื่นๆ ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว