วิธีเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันฟรานซิส

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ โดยกังหันน้ำแบบ Kaplan, Pelton และ Francis เป็นกังหันน้ำที่พบเห็นได้ทั่วไป เครื่องจักรดังกล่าวเป็นเครื่องจักรแบบโรตารีขนาดใหญ่ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ เครื่องจักรที่เทียบเท่ากับกังหันน้ำสมัยใหม่นี้ถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมมานานกว่า 135 ปีแล้ว และล่าสุดก็ถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำด้วย

กังหันน้ำใช้ทำอะไรในปัจจุบัน?
ปัจจุบัน พลังงานน้ำมีส่วนสนับสนุนการผลิตไฟฟ้าของโลกถึง 16% ในศตวรรษที่ 19 กังหันน้ำถูกใช้เป็นหลักในการผลิตไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมก่อนที่ระบบไฟฟ้าจะแพร่หลาย ปัจจุบันกังหันน้ำถูกใช้เพื่อผลิตไฟฟ้าและสามารถพบได้ในเขื่อนหรือบริเวณที่มีน้ำท่วมขัง
ความต้องการพลังงานทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ลดลง พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำจึงมีศักยภาพที่จะสร้างผลกระทบครั้งใหญ่ในฐานะรูปแบบหนึ่งของพลังงานสีเขียวในระดับโลก ในขณะที่การค้นหาแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและสะอาดยังคงดำเนินต่อไป กังหันฟรานซิสอาจกลายเป็นโซลูชันที่ได้รับความนิยมอย่างมากและได้รับการนำไปใช้เพิ่มมากขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

กังหันน้ำผลิตไฟฟ้าได้อย่างไร?
แรงดันน้ำที่เกิดจากการไหลของน้ำตามธรรมชาติหรือจากน้ำเทียมนั้นเป็นแหล่งพลังงานสำหรับกังหันน้ำ พลังงานดังกล่าวจะถูกกักเก็บและแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ โดยทั่วไปโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะใช้เขื่อนบนแม่น้ำที่น้ำไหลเพื่อกักเก็บน้ำ จากนั้นน้ำจะถูกปล่อยออกมาทีละน้อย ไหลผ่านกังหัน หมุนกังหัน และกระตุ้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งผลิตไฟฟ้าได้

กังหันน้ำมีขนาดใหญ่แค่ไหน?
กังหันน้ำสามารถแบ่งได้เป็นกังหันน้ำแบบแรงดันสูง กังหันน้ำแบบแรงดันต่ำ และกังหันน้ำแบบแรงดันต่ำ โดยพิจารณาจากแรงดันน้ำที่กังหันทำงาน ระบบพลังงานน้ำแบบแรงดันต่ำจะมีขนาดใหญ่กว่า เนื่องจากกังหันน้ำจะต้องมีขนาดใหญ่เพื่อให้มีอัตราการไหลสูงในขณะที่ใบพัดใช้แรงดันน้ำต่ำ ในทางกลับกัน ระบบพลังงานน้ำแบบแรงดันสูงไม่จำเป็นต้องมีเส้นรอบวงพื้นผิวขนาดใหญ่ เนื่องจากระบบนี้ใช้เพื่อดึงพลังงานจากแหล่งน้ำที่เคลื่อนที่เร็ว

แผนภูมิอธิบายขนาดชิ้นส่วนต่างๆ ของระบบพลังงานน้ำรวมทั้งกังหันน้ำ
แผนภูมิอธิบายขนาดชิ้นส่วนต่างๆ ของระบบพลังงานน้ำรวมทั้งกังหันน้ำ
ด้านล่างนี้เราจะอธิบายตัวอย่างกังหันน้ำประเภทต่างๆ ที่ใช้สำหรับการประยุกต์ใช้และแรงดันน้ำที่แตกต่างกัน

กังหันน้ำ Kaplan (หัวแรงดัน 0-60 ม.)
กังหันเหล่านี้เรียกว่ากังหันปฏิกิริยาการไหลตามแกน เนื่องจากกังหันจะเปลี่ยนความดันของน้ำในขณะที่น้ำไหลผ่าน กังหัน Kaplan มีลักษณะคล้ายใบพัดและมีใบพัดที่ปรับได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในระดับน้ำและความดันต่างๆ

แผนภาพกังหัน Kaplan
กังหันน้ำเพลตัน (หัวแรงดัน 300-1600 ม.)
กังหันเพลตันหรือกังหันเพลตันเป็นที่รู้จักกันในชื่อกังหันแรงกระตุ้น เนื่องจากเป็นกังหันที่ดึงพลังงานจากน้ำที่เคลื่อนที่ กังหันชนิดนี้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแรงดันน้ำสูง เนื่องจากต้องใช้แรงดันน้ำในปริมาณมากเพื่อออกแรงกับถังรูปช้อน และทำให้จานหมุนและสร้างพลังงาน

กังหันเพลตัน
กังหันฟรานซิส (หัวแรงดัน 60-300 ม.)
กังหันน้ำสุดท้ายและมีชื่อเสียงที่สุดคือกังหันฟรานซิส ซึ่งคิดเป็น 60% ของพลังงานน้ำทั้งหมดในโลก กังหันฟรานซิสทำงานเป็นกังหันแบบกระแทกและแบบปฏิกิริยาที่มีหัวน้ำปานกลาง โดยผสมผสานแนวคิดการไหลแบบแนวแกนและแนวรัศมีเข้าด้วยกัน การทำเช่นนี้ทำให้กังหันเติมเต็มช่องว่างระหว่างกังหันแบบหัวน้ำสูงและหัวน้ำต่ำ ทำให้การออกแบบมีประสิทธิภาพมากขึ้น และท้าทายวิศวกรในปัจจุบันให้ปรับปรุงต่อไป

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กังหันฟรานซิสทำงานโดยใช้น้ำที่ไหลผ่านตัวเรือนเกลียวเข้าไปในใบพัดนำทาง (แบบคงที่) ซึ่งควบคุมการไหลของน้ำไปยังใบพัดของรันเนอร์ (ที่กำลังเคลื่อนที่) น้ำจะบังคับให้รันเนอร์หมุนโดยอาศัยแรงกระแทกและแรงปฏิกิริยาร่วมกันของแรงต่างๆ สุดท้ายจึงไหลออกจากรันเนอร์ผ่านท่อดูดที่ปล่อยน้ำที่ไหลออกสู่สภาพแวดล้อมภายนอก

ฉันจะเลือกการออกแบบกังหันน้ำได้อย่างไร?
การเลือกการออกแบบกังหันที่เหมาะสมที่สุดมักจะขึ้นอยู่กับสิ่งเดียว นั่นคือปริมาณแรงดันน้ำและอัตราการไหลที่คุณสามารถเข้าถึงได้ เมื่อคุณกำหนดแรงดันน้ำที่สามารถควบคุมได้ได้แล้ว คุณก็สามารถตัดสินใจได้ว่าการออกแบบกังหันปฏิกิริยาแบบปิด เช่น กังหันฟรานซิส หรือแบบเปิด เช่น กังหันเพลตัน จะเหมาะสมกว่ากัน

แผนผังกังหันน้ำ
ในที่สุด คุณสามารถกำหนดความเร็วรอบที่จำเป็นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่คุณเสนอได้