โรงไฟฟ้าพลังน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำทำงานอย่างไร

โรงไฟฟ้าพลังน้ำผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 24 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดของโลกและจ่ายไฟฟ้าให้กับประชากรมากกว่า 1 พันล้านคน โรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วโลกผลิตไฟฟ้าได้รวมกัน 675,000 เมกะวัตต์ ซึ่งเทียบเท่ากับน้ำมันดิบ 3.6 พันล้านบาร์เรล ตามข้อมูลของห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ ปัจจุบันมีโรงไฟฟ้าพลังน้ำมากกว่า 2,000 แห่งในสหรัฐอเมริกา ทำให้พลังงานน้ำกลายเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่ที่สุดในประเทศ
ในบทความนี้ เราจะมาดูว่าน้ำตกสร้างพลังงานได้อย่างไร และเรียนรู้เกี่ยวกับวัฏจักรของน้ำที่สร้างการไหลของน้ำซึ่งจำเป็นสำหรับพลังงานน้ำ นอกจากนี้ คุณยังจะได้เห็นการประยุกต์ใช้พลังงานน้ำในรูปแบบพิเศษที่อาจส่งผลต่อชีวิตประจำวันของคุณอีกด้วย
เมื่อมองดูแม่น้ำไหลผ่าน ก็ยากที่จะจินตนาการถึงพลังที่มันพัดพามา หากคุณเคยล่องแก่งน้ำเชี่ยว คุณจะสัมผัสได้ถึงพลังเล็กๆ น้อยๆ ของแม่น้ำ สายน้ำเชี่ยวเกิดจากแม่น้ำที่พัดพาน้ำจำนวนมากลงมาตามเนินเขา ทำให้น้ำไหลผ่านช่องแคบๆ อย่างรวดเร็ว เมื่อแม่น้ำไหลผ่านช่องแคบนี้ น้ำจะไหลเร็วขึ้น น้ำท่วมเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นถึงพลังมหาศาลของน้ำที่มีปริมาณมหาศาล

โรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้พลังงานน้ำและใช้กลไกง่ายๆ เพื่อแปลงพลังงานดังกล่าวเป็นไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังน้ำมีแนวคิดที่ค่อนข้างเรียบง่าย นั่นคือ น้ำที่ไหลผ่านเขื่อนจะหมุนกังหัน ซึ่งจะหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ส่วนประกอบพื้นฐานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบธรรมดามีดังนี้:
เพลาที่เชื่อมต่อระหว่างกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
เขื่อน – โรงไฟฟ้าพลังน้ำส่วนใหญ่ใช้เขื่อนที่กักเก็บน้ำไว้เพื่อสร้างอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ อ่างเก็บน้ำนี้มักใช้เป็นทะเลสาบเพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ เช่น ทะเลสาบรูสเวลต์ที่เขื่อนแกรนด์คูลีในรัฐวอชิงตัน
ทางเข้า – ประตูเขื่อนเปิดออกและแรงโน้มถ่วงจะดึงน้ำผ่านท่อส่งน้ำซึ่งเป็นท่อที่นำไปสู่กังหันน้ำ น้ำจะสร้างแรงดันขณะไหลผ่านท่อนี้
กังหันน้ำ – น้ำจะพัดพาใบพัดขนาดใหญ่ของกังหันน้ำ ซึ่งติดอยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้านบนด้วยเพลา กังหันน้ำประเภทที่พบมากที่สุดสำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือ กังหันฟรานซิส ซึ่งมีลักษณะเป็นแผ่นดิสก์ขนาดใหญ่ที่มีใบพัดโค้ง กังหันน้ำอาจมีน้ำหนักมากถึง 172 ตันและหมุนด้วยความเร็ว 90 รอบต่อนาที (rpm) ตามข้อมูลของมูลนิธิเพื่อการศึกษาด้านน้ำและพลังงาน (FWEE)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า – เมื่อใบพัดกังหันหมุน แม่เหล็กชุดหนึ่งภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าก็จะหมุนตามไปด้วย แม่เหล็กขนาดใหญ่จะหมุนผ่านขดลวดทองแดง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) โดยการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน (คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในภายหลัง)
หม้อแปลง – หม้อแปลงภายในโรงไฟฟ้าจะนำกระแสไฟฟ้าสลับมาแปลงให้เป็นกระแสไฟฟ้าแรงดันสูง
สายส่งไฟฟ้า – โรงไฟฟ้าทุกแห่งมีสายส่งไฟฟ้าสี่เส้น ได้แก่ สายส่งไฟฟ้าสามเฟสที่ผลิตขึ้นพร้อมกันและสายกลางหรือสายดินที่ใช้ร่วมกันสำหรับทั้งสามเฟส (อ่านวิธีการทำงานของระบบจ่ายไฟฟ้าเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับระบบส่งไฟฟ้า)
การไหลออก – น้ำที่ใช้แล้วจะถูกส่งผ่านท่อที่เรียกว่า ท่อท้ายน้ำ และไหลกลับลงสู่แม่น้ำด้านล่าง
น้ำในอ่างเก็บน้ำถือเป็นพลังงานที่เก็บไว้ เมื่อประตูเปิด น้ำที่ไหลผ่านท่อส่งน้ำจะกลายเป็นพลังงานจลน์เนื่องจากน้ำกำลังเคลื่อนที่ ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นถูกกำหนดโดยปัจจัยหลายประการ ปัจจัยสองประการ ได้แก่ ปริมาณการไหลของน้ำและปริมาณแรงดันไฮดรอลิก แรงดันหมายถึงระยะห่างระหว่างผิวน้ำกับกังหัน เมื่อแรงดันและการไหลเพิ่มขึ้น ไฟฟ้าที่ผลิตได้ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แรงดันมักจะขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำ
โรงไฟฟ้าพลังน้ำอีกประเภทหนึ่งเรียกว่าโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบน้ำ ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบทั่วไป น้ำจากอ่างเก็บน้ำจะไหลผ่านโรงไฟฟ้า ออก และส่งต่อไปยังลำธาร โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบน้ำมีอ่างเก็บน้ำ 2 แห่ง ได้แก่

อ่างเก็บน้ำด้านบน – เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วไป เขื่อนจะสร้างอ่างเก็บน้ำขึ้นมา น้ำในอ่างเก็บน้ำนี้จะไหลผ่านโรงไฟฟ้าพลังน้ำเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า
อ่างเก็บน้ำด้านล่าง – น้ำที่ไหลออกจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะไหลเข้าสู่อ่างเก็บน้ำด้านล่าง แทนที่จะไหลกลับลงสู่แม่น้ำและไหลไปตามลำน้ำ
โรงไฟฟ้าสามารถสูบน้ำกลับไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบนได้โดยใช้กังหันแบบกลับด้าน ซึ่งทำได้ในช่วงนอกชั่วโมงเร่งด่วน โดยอ่างเก็บน้ำที่สองจะเติมน้ำในอ่างเก็บน้ำด้านบน โดยการสูบน้ำกลับไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบน โรงไฟฟ้าจะมีน้ำมากขึ้นเพื่อผลิตไฟฟ้าในช่วงที่มีการใช้ไฟฟ้าสูงสุด

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
หัวใจหลักของโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังน้ำส่วนใหญ่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเครื่อง
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะทำหน้าที่สร้างกระแสไฟฟ้า กระบวนการพื้นฐานในการสร้างกระแสไฟฟ้าในลักษณะนี้คือการหมุนแม่เหล็กชุดหนึ่งภายในขดลวด กระบวนการนี้จะเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนซึ่งจะสร้างกระแสไฟฟ้า
เขื่อนฮูเวอร์มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมด 17 เครื่อง โดยแต่ละเครื่องสามารถผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 133 เมกะวัตต์ โรงไฟฟ้าพลังน้ำเขื่อนฮูเวอร์มีกำลังการผลิตไฟฟ้ารวม 2,074 เมกะวัตต์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องประกอบด้วยชิ้นส่วนพื้นฐานบางส่วน ดังนี้

เมื่อกังหันหมุน ตัวกระตุ้นจะส่งกระแสไฟฟ้าไปที่โรเตอร์ โรเตอร์เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่หลายชุดที่หมุนอยู่ภายในขดลวดทองแดงที่พันกันแน่น เรียกว่าสเตเตอร์ สนามแม่เหล็กระหว่างขดลวดและแม่เหล็กจะสร้างกระแสไฟฟ้า
ในเขื่อนฮูเวอร์ กระแสไฟฟ้า 16,500 แอมป์จะถูกย้ายจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยังหม้อแปลง ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็น 230,000 แอมป์ ก่อนที่จะถูกส่งต่อไป
โรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้ประโยชน์จากกระบวนการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและต่อเนื่อง ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้ฝนตกและระดับน้ำในแม่น้ำสูงขึ้น ทุกวัน โลกของเราสูญเสียปริมาณน้ำเล็กน้อยผ่านชั้นบรรยากาศ เนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลตทำลายโมเลกุลของน้ำ แต่ในขณะเดียวกัน น้ำใหม่ก็ถูกปล่อยออกมาจากส่วนในของโลกผ่านกิจกรรมของภูเขาไฟ ปริมาณน้ำที่สร้างขึ้นและปริมาณน้ำที่สูญเสียไปนั้นใกล้เคียงกัน
ในแต่ละช่วงเวลา ปริมาณน้ำทั้งหมดของโลกจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันมากมาย อาจเป็นของเหลว เช่น ในมหาสมุทร แม่น้ำ และฝน ของแข็ง เช่น ในธารน้ำแข็ง หรือเป็นก๊าซ เช่น ในไอน้ำที่มองไม่เห็นในอากาศ น้ำจะเปลี่ยนสถานะเมื่อถูกกระแสลมพัดไปรอบๆ โลก กระแสลมเกิดจากกิจกรรมความร้อนของดวงอาทิตย์ วัฏจักรของกระแสลมเกิดจากแสงอาทิตย์ที่ส่องแสงบนเส้นศูนย์สูตรมากกว่าบริเวณอื่นๆ ของโลก

วัฏจักรของกระแสลมขับเคลื่อนแหล่งน้ำของโลกด้วยวัฏจักรของมันเอง เรียกว่า วัฏจักรของน้ำ เมื่อดวงอาทิตย์ให้ความร้อนแก่ของเหลว น้ำจะระเหยกลายเป็นไอในอากาศ ดวงอาทิตย์ทำให้บรรยากาศร้อนขึ้น ส่งผลให้บรรยากาศลอยขึ้น อากาศจะเย็นลงเมื่ออยู่สูงขึ้น ดังนั้น เมื่อไอน้ำลอยขึ้น อากาศก็จะเย็นลงและควบแน่นเป็นละอองน้ำ เมื่อละอองน้ำสะสมในบริเวณใดบริเวณหนึ่งมากพอ ละอองน้ำอาจหนักพอที่จะตกลงสู่พื้นโลกเป็นหยาดน้ำฟ้า
วัฏจักรของน้ำมีความสำคัญต่อโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำต้องอาศัยการไหลของน้ำ หากฝนไม่ตกใกล้โรงไฟฟ้า น้ำจะไม่ถูกกักเก็บในลำธาร เมื่อไม่มีน้ำกักเก็บในลำธาร น้ำจะไหลผ่านโรงไฟฟ้าพลังน้ำน้อยลงและผลิตไฟฟ้าได้น้อยลง
แนวคิดพื้นฐานของพลังงานน้ำคือการใช้พลังงานน้ำจากของเหลวที่เคลื่อนที่เพื่อหมุนใบพัดกังหัน โดยทั่วไปแล้ว จะต้องสร้างเขื่อนขนาดใหญ่ไว้กลางแม่น้ำเพื่อทำหน้าที่นี้ สิ่งประดิษฐ์ใหม่กำลังใช้ประโยชน์จากแนวคิดของพลังงานน้ำในขนาดเล็กกว่ามากเพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา

โรเบิร์ต โคมาเรชกา นักประดิษฐ์จากออนแทรีโอ ประเทศแคนาดา ได้คิดค้นแนวคิดในการนำเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กมาใส่ไว้ในพื้นรองเท้า เขาเชื่อว่ากังหันน้ำขนาดเล็กเหล่านี้จะสามารถผลิตไฟฟ้าได้เพียงพอที่จะใช้กับอุปกรณ์แทบทุกชนิด ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2544 โคมาเรชกาได้รับสิทธิบัตรสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากเท้าอันเป็นเอกลักษณ์ของเขา
การเดินของเรามีหลักการพื้นฐานที่สำคัญมาก นั่นคือ ในแต่ละก้าว เท้าจะเหยียบลงส้นเท้า เมื่อเท้าแตะพื้น แรงจะกดลงที่ส้นเท้า เมื่อคุณเตรียมตัวก้าวต่อไป ให้กลิ้งเท้าไปข้างหน้า แรงจะถ่ายเทไปยังอุ้งเท้าของคุณ ดูเหมือนว่า Komarechka จะสังเกตเห็นหลักการพื้นฐานนี้ในการเดิน และได้พัฒนาแนวคิดที่จะใช้ประโยชน์จากกิจกรรมประจำวันนี้
“รองเท้าพร้อมชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ” ของ Komarechka แบ่งออกเป็น 5 ส่วน ตามที่อธิบายไว้ในสิทธิบัตร:

ของเหลว – ระบบจะใช้ของเหลวที่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า
ถุงสำหรับเก็บของเหลว – ถุงหนึ่งจะวางไว้ที่ส้นเท้า และอีกถุงหนึ่งอยู่ที่ส่วนปลายเท้าของรองเท้า
ท่อนำ – ท่อนำเชื่อมต่อแต่ละถุงกับเครื่องผลิตไมโครเจนเนอเรเตอร์
กังหันน้ำ – เมื่อน้ำเคลื่อนไปมาในพื้นรองเท้า น้ำจะเคลื่อนที่ใบพัดของกังหันขนาดเล็กด้วย
ไมโครเจเนอเรเตอร์ – เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตั้งอยู่ระหว่างถุงบรรจุของเหลวสองถุง และมีโรเตอร์แบบใบพัดซึ่งทำหน้าที่ขับเคลื่อนเพลาและหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ขณะที่คนเดิน แรงอัดของของเหลวในถุงที่ส้นรองเท้าจะดันของเหลวผ่านท่อและเข้าไปในโมดูลเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ ขณะที่ผู้ใช้เดินต่อไป ส้นเท้าจะยกขึ้นและแรงกดจะกดลงบนถุงที่อยู่ใต้ฝ่าเท้า การเคลื่อนไหวของของเหลวจะหมุนโรเตอร์และเพลาเพื่อผลิตไฟฟ้า

จะมีซ็อกเก็ตภายนอกสำหรับเชื่อมต่อสายไฟกับอุปกรณ์พกพา นอกจากนี้ยังอาจมีหน่วยเอาต์พุตควบคุมพลังงานสำหรับสวมไว้ที่เข็มขัดของผู้ใช้ จากนั้นจึงสามารถติดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับหน่วยเอาต์พุตควบคุมพลังงานนี้ ซึ่งจะให้พลังงานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง
สิทธิบัตรระบุว่า “ด้วยจำนวนอุปกรณ์พกพาที่ใช้แบตเตอรี่เพิ่มมากขึ้น จึงมีความจำเป็นมากขึ้นที่จะต้องจัดหาแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้ยาวนาน ปรับเปลี่ยนได้ และมีประสิทธิภาพ” Komarechka คาดว่าอุปกรณ์ของเขาจะถูกใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับคอมพิวเตอร์พกพา โทรศัพท์มือถือ เครื่องเล่นซีดี เครื่องรับ GPS และวิทยุสื่อสารสองทาง