วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันฟรานซิส

กังหันน้ำ ซึ่งกังหันแบบคาปลัน เพลตัน และฟรานซิสเป็นแบบที่พบได้ทั่วไป เป็นเครื่องจักรหมุนขนาดใหญ่ที่ทำงานเพื่อแปลงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ เครื่องจักรที่ทันสมัยเหล่านี้ซึ่งมีรูปแบบคล้ายกับกังหันน้ำแบบดั้งเดิม ได้ถูกนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมมานานกว่า 135 ปี และเมื่อไม่นานมานี้ก็ถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำด้วย

ปัจจุบันกังหันน้ำถูกนำไปใช้ทำอะไรบ้าง?
ปัจจุบัน พลังงานน้ำมีส่วนช่วยในการผลิตไฟฟ้าทั่วโลกถึง 16% ในศตวรรษที่ 19 กังหันน้ำถูกนำมาใช้เป็นหลักในการผลิตไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรม ก่อนที่ระบบสายส่งไฟฟ้าจะแพร่หลาย ปัจจุบัน กังหันน้ำถูกนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้า และสามารถพบได้ในเขื่อนหรือพื้นที่ที่มีปริมาณน้ำไหลมาก
ด้วยความต้องการพลังงานทั่วโลกที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ประกอบกับปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการลดลงของเชื้อเพลิงฟอสซิล พลังงานน้ำจึงมีศักยภาพที่จะสร้างผลกระทบอย่างมากในฐานะแหล่งพลังงานสีเขียวในระดับโลก ในขณะที่การค้นหาแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและสะอาดยังคงดำเนินต่อไป กังหันน้ำแบบฟรานซิสอาจพิสูจน์ได้ว่าเป็นทางเลือกที่ได้รับความนิยมและนำมาใช้มากขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

กังหันน้ำผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างไร?
แรงดันน้ำที่เกิดจากน้ำไหลตามธรรมชาติหรือที่เกิดจากการกระทำของมนุษย์เป็นแหล่งพลังงานสำหรับกังหันน้ำ พลังงานนี้จะถูกดักจับและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ โดยทั่วไปโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะใช้เขื่อนกั้นแม่น้ำที่มีน้ำไหลเพื่อกักเก็บน้ำ จากนั้นจะปล่อยน้ำออกมาทีละน้อย ไหลผ่านกังหัน ทำให้กังหันหมุน และกระตุ้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้ผลิตกระแสไฟฟ้า

กังหันน้ำมีขนาดใหญ่แค่ไหน?
โดยพิจารณาจากระดับความสูงของน้ำที่ใช้ในการผลิต กังหันน้ำสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ กังหันน้ำระดับสูง ระดับกลาง และระดับต่ำ ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำระดับต่ำจะมีขนาดใหญ่กว่า เนื่องจากกังหันน้ำต้องมีขนาดใหญ่เพื่อให้ได้อัตราการไหลสูง ในขณะที่แรงดันน้ำที่กระทำต่อใบพัดนั้นต่ำ ในทางกลับกัน ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำระดับสูงไม่จำเป็นต้องมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่นัก เนื่องจากใช้เพื่อดึงพลังงานจากแหล่งน้ำที่มีการไหลเร็ว

แผนภูมิแสดงขนาดของชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ รวมถึงกังหันน้ำ
แผนภูมิอธิบายขนาดของชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ รวมถึงกังหันน้ำ
ด้านล่างนี้ เราจะอธิบายตัวอย่างบางส่วนของกังหันน้ำประเภทต่างๆ ที่ใช้ในงานและระดับแรงดันน้ำที่แตกต่างกัน

กังหันคาปลัน (แรงดันน้ำ 0-60 เมตร)
กังหันเหล่านี้เรียกว่ากังหันปฏิกิริยาแบบไหลตามแนวแกน เนื่องจากมันเปลี่ยนความดันของน้ำขณะที่ไหลผ่าน กังหันคาปลันมีลักษณะคล้ายใบพัดและมีใบพัดที่ปรับได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในช่วงระดับน้ำและความดันที่หลากหลาย

แผนภาพกังหันคาปลัน
กังหันน้ำเพลตัน (แรงดันน้ำ 300-1600 เมตร)
กังหันเพลตัน หรือล้อเพลตัน เป็นที่รู้จักกันในชื่อกังหันแบบแรงกระตุ้น เนื่องจากดึงพลังงานจากน้ำที่เคลื่อนที่ กังหันชนิดนี้เหมาะสำหรับใช้งานในพื้นที่ที่มีหัวน้ำสูง เพราะต้องการแรงดันน้ำสูงเพื่อออกแรงกระทำต่อใบพัดรูปช้อน ทำให้ใบพัดหมุนและสร้างพลังงานได้

กังหันเพลตัน
กังหันฟรานซิส (แรงดันน้ำ 60-300 เมตร)
กังหันน้ำแบบสุดท้ายและมีชื่อเสียงที่สุดคือ กังหันฟรานซิส ซึ่งผลิตพลังงานน้ำได้ถึง 60% ของพลังงานน้ำทั้งหมดทั่วโลก กังหันฟรานซิสทำงานแบบแรงกระแทกและปฏิกิริยา โดยทำงานที่ระดับความสูงของน้ำปานกลาง เป็นการผสมผสานแนวคิดการไหลตามแนวแกนและแนวรัศมี ด้วยเหตุนี้ กังหันจึงเติมเต็มช่องว่างระหว่างกังหันที่ใช้กับระดับความสูงของน้ำสูงและต่ำ ทำให้ได้การออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และท้าทายวิศวกรในปัจจุบันให้พัฒนาให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

กล่าวโดยละเอียดแล้ว กังหันฟรานซิสทำงานโดยอาศัยน้ำไหลผ่านท่อเกลียวเข้าไปในใบพัดนำทาง (แบบคงที่) ซึ่งควบคุมการไหลของน้ำไปยังใบพัดหมุน (แบบเคลื่อนที่) น้ำจะผลักใบพัดให้หมุนด้วยแรงกระแทกและแรงปฏิกิริยารวมกัน และสุดท้ายน้ำจะไหลออกจากใบพัดผ่านท่อระบายน้ำที่ปล่อยน้ำออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก

ฉันจะเลือกแบบกังหันน้ำได้อย่างไร?
การเลือกแบบกังหันน้ำที่เหมาะสมที่สุดมักขึ้นอยู่กับสิ่งเดียว นั่นคือ ปริมาณแรงดันน้ำและอัตราการไหลที่คุณสามารถใช้ได้ เมื่อคุณทราบแล้วว่าคุณสามารถใช้แรงดันน้ำได้มากน้อยเพียงใด คุณก็สามารถตัดสินใจได้ว่าแบบกังหันน้ำแบบปิด “กังหันปฏิกิริยา” เช่น กังหันฟรานซิส หรือแบบกังหันน้ำแบบเปิด “กังหันแรงกระตุ้น” เช่น กังหันเพลตัน จะเหมาะสมกว่ากัน

แผนภาพกังหันน้ำ
สุดท้ายนี้ คุณสามารถกำหนดความเร็วรอบที่จำเป็นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่คุณเสนอได้