หลักการและขอบเขตการใช้งานของกังหันน้ำ

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรเทอร์โบในกลุ่มเครื่องจักรของไหล ต้นแบบของกังหันน้ำ หรือล้อน้ำ ได้ถือกำเนิดขึ้นตั้งแต่ราว 100 ปีก่อนคริสตกาล ในเวลานั้น หน้าที่หลักคือการขับเคลื่อนเครื่องจักรสำหรับการแปรรูปธัญพืชและการชลประทาน ล้อน้ำซึ่งเป็นอุปกรณ์เชิงกลที่ใช้การไหลของน้ำเป็นพลังงาน ได้พัฒนามาเป็นกังหันน้ำในปัจจุบัน และขอบเขตการใช้งานก็ขยายวงกว้างขึ้นเช่นกัน ดังนั้น กังหันน้ำสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ในด้านใดบ้าง?
กังหันน้ำส่วนใหญ่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ เมื่อภาระของระบบไฟฟ้าต่ำกว่าภาระพื้นฐาน กังหันน้ำสามารถใช้เป็นปั๊มน้ำเพื่อใช้กำลังการผลิตไฟฟ้าส่วนเกินในการสูบน้ำจากอ่างเก็บน้ำปลายทางไปยังอ่างเก็บน้ำต้นทางเพื่อเก็บพลังงานในรูปของพลังงานศักยภาพ เมื่อภาระของระบบสูงกว่าภาระพื้นฐาน กังหันน้ำสามารถใช้เป็นกังหันไฮดรอลิกเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อควบคุมภาระสูงสุด ดังนั้น โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับอย่างเดียวจึงไม่สามารถเพิ่มกำลังไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าได้ แต่สามารถปรับปรุงเศรษฐกิจในการดำเนินงานของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังความร้อนและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟฟ้าได้ ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับได้รับความนิยมและพัฒนาอย่างรวดเร็วในหลายประเทศทั่วโลก

โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับส่วนใหญ่ที่พัฒนาขึ้นในระยะแรกหรือในพื้นที่ที่มีระดับความสูงของน้ำสูง มักใช้แบบสามเครื่อง คือ ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กังหันน้ำ และปั๊มน้ำแบบอนุกรม ข้อดีคือ กังหันและปั๊มน้ำได้รับการออกแบบแยกกัน ทำให้แต่ละส่วนมีประสิทธิภาพสูง และเครื่องจะหมุนไปในทิศทางเดียวกันทั้งขณะผลิตไฟฟ้าและสูบน้ำ และสามารถเปลี่ยนจากการผลิตไฟฟ้าเป็นการสูบน้ำ หรือจากการสูบน้ำเป็นการผลิตไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน กังหันยังสามารถใช้ในการสตาร์ทเครื่องได้อีกด้วย ข้อเสียคือ ต้นทุนสูงและการลงทุนในโรงไฟฟ้ามีขนาดใหญ่
ใบพัดของกังหันน้ำแบบไหลเฉียงสามารถหมุนได้ และยังคงมีประสิทธิภาพการทำงานที่ดีเมื่อระดับน้ำและภาระเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของลักษณะทางไฮดรอลิกและความแข็งแรงของวัสดุ ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ระดับน้ำสุทธิจึงอยู่ที่เพียง 136.2 เมตรเท่านั้น (โรงไฟฟ้าทาคาเก็นแห่งแรกของญี่ปุ่น) สำหรับระดับน้ำที่สูงกว่านี้ จำเป็นต้องใช้กังหันน้ำแบบฟรานซิส
โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับมีอ่างเก็บน้ำบนและล่าง ภายใต้เงื่อนไขการเก็บพลังงานที่เท่ากัน การเพิ่มระดับความสูงในการสูบน้ำสามารถลดความจุในการเก็บพลังงาน เพิ่มความเร็วของหน่วยผลิต และลดต้นทุนโครงการได้ ดังนั้น โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับที่มีระดับความสูงมากกว่า 300 เมตรจึงพัฒนาอย่างรวดเร็ว เครื่องสูบน้ำแบบฟรานซิสที่มีระดับความสูงในการสูบน้ำสูงที่สุดในโลกถูกติดตั้งในโรงไฟฟ้าไบนา บาสตา ในประเทศยูโกสลาเวีย และเริ่มใช้งานมาแล้วหลายปี ตั้งแต่ศตวรรษที่ 20 หน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำได้พัฒนาไปในทิศทางของพารามิเตอร์สูงและกำลังการผลิตขนาดใหญ่ ด้วยการเพิ่มขึ้นของกำลังการผลิตไฟฟ้าพลังความร้อนในระบบไฟฟ้าและการพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ เพื่อแก้ปัญหาการควบคุมการใช้ไฟฟ้าสูงสุดอย่างเหมาะสม นอกเหนือจากการพัฒนาหรือขยายโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ในระบบน้ำหลักอย่างแข็งขันแล้ว ประเทศต่างๆ ทั่วโลกยังสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับอย่างแข็งขัน ส่งผลให้เครื่องสูบน้ำแบบสูบกลับมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรที่แปลงพลังงานจากการไหลของน้ำให้เป็นพลังงานกลแบบหมุน จึงเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ ในปัจจุบัน ปัญหาการรักษาสิ่งแวดล้อมทวีความรุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ และการประยุกต์ใช้และการส่งเสริมพลังงานน้ำซึ่งใช้พลังงานสะอาดก็เพิ่มมากขึ้น เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากทรัพยากรน้ำต่างๆ ได้อย่างเต็มที่ ทั้งน้ำขึ้นน้ำลง แม่น้ำที่ราบที่มีระดับน้ำต่ำมาก และแม้แต่คลื่น ก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ส่งผลให้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วของกังหันแบบท่อและหน่วยขนาดเล็กอื่นๆ