วิธีการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำแบบกังหัน

ทั่วโลก โรงไฟฟ้าพลังน้ำผลิตกระแสไฟฟ้าประมาณ 24 เปอร์เซ็นต์ของกระแสไฟฟ้าทั่วโลก และจ่ายพลังงานให้กับประชากรมากกว่า 1 พันล้านคน โรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วโลกผลิตกระแสไฟฟ้ารวมกันได้ 675,000 เมกะวัตต์ ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงานจากน้ำมัน 3.6 พันล้านบาร์เรล ตามข้อมูลของห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ ในสหรัฐอเมริกามีโรงไฟฟ้าพลังน้ำมากกว่า 2,000 แห่ง ทำให้พลังน้ำเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่ที่สุดของประเทศ
ในบทความนี้ เราจะมาดูกันว่าน้ำตกสร้างพลังงานได้อย่างไร และเรียนรู้เกี่ยวกับวัฏจักรของน้ำที่สร้างการไหลของน้ำซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับพลังงานน้ำ นอกจากนี้ คุณจะได้เห็นตัวอย่างการประยุกต์ใช้พลังงานน้ำที่น่าสนใจอย่างหนึ่ง ซึ่งอาจส่งผลต่อชีวิตประจำวันของคุณด้วย
เมื่อเรามองดูสายน้ำไหลเอื่อยๆ เราอาจนึกภาพไม่ออกว่ามันมีพลังมหาศาลเพียงใด หากคุณเคยล่องแก่งมาก่อน คุณคงได้สัมผัสพลังของแม่น้ำเพียงเล็กน้อยแล้ว แก่งน้ำเชี่ยวเกิดขึ้นเมื่อแม่น้ำที่มีปริมาณน้ำมหาศาลไหลลงมาจากที่สูง บีบตัวผ่านช่องแคบ เมื่อแม่น้ำถูกบังคับให้ไหลผ่านช่องแคบนี้ กระแสน้ำก็จะเร็วขึ้น น้ำท่วมเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นถึงพลังมหาศาลของน้ำปริมาณมหาศาล

โรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้พลังงานจากน้ำและใช้กลไกง่ายๆ ในการแปลงพลังงานนั้นให้เป็นไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังน้ำนั้นตั้งอยู่บนหลักการที่ค่อนข้างง่าย นั่นคือ น้ำที่ไหลผ่านเขื่อนจะหมุนกังหัน ซึ่งจะหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ต่อไปนี้คือส่วนประกอบพื้นฐานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบดั้งเดิม:
เพลาที่เชื่อมต่อกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
เขื่อน – โรงไฟฟ้าพลังน้ำส่วนใหญ่อาศัยเขื่อนในการกักเก็บน้ำ ทำให้เกิดอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ บ่อยครั้งที่อ่างเก็บน้ำนี้ถูกใช้เป็นทะเลสาบเพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ เช่น ทะเลสาบรูสเวลต์ที่เขื่อนแกรนด์คูเลในรัฐวอชิงตัน
การรับน้ำ – ประตูระบายน้ำบนเขื่อนเปิดออก และแรงโน้มถ่วงดึงน้ำผ่านท่อส่งน้ำที่นำไปสู่กังหันน้ำ น้ำจะเพิ่มแรงดันขึ้นเมื่อไหลผ่านท่อนี้
กังหันน้ำ – น้ำจะกระทบและหมุนใบพัดขนาดใหญ่ของกังหัน ซึ่งเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้านบนโดยใช้เพลา กังหันน้ำชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือ กังหันฟรานซิส ซึ่งมีลักษณะคล้ายแผ่นดิสก์ขนาดใหญ่ที่มีใบพัดโค้ง กังหันน้ำอาจมีน้ำหนักมากถึง 172 ตัน และหมุนด้วยความเร็ว 90 รอบต่อนาที (rpm) ตามข้อมูลจากมูลนิธิเพื่อการศึกษาด้านน้ำและพลังงาน (FWEE)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า – ขณะที่ใบพัดกังหันหมุน ชุดแม่เหล็กภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าก็จะหมุนตามไปด้วย แม่เหล็กขนาดใหญ่หมุนผ่านขดลวดทองแดง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) โดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในภายหลัง)
หม้อแปลงไฟฟ้า – หม้อแปลงไฟฟ้าภายในโรงไฟฟ้าจะรับกระแสสลับ (AC) และแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าที่มีแรงดันสูงขึ้น
สายส่งไฟฟ้า – จากโรงไฟฟ้าทุกแห่งจะมีสายไฟสี่เส้น ได้แก่ สายไฟสามเฟสที่ผลิตกระแสไฟฟ้าพร้อมกัน และสายกลางหรือสายดินที่ใช้ร่วมกันระหว่างทั้งสามเฟส (อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของระบบส่งไฟฟ้าได้ในหัวข้อ “วิธีการทำงานของโครงข่ายจำหน่ายไฟฟ้า”)
การระบายน้ำ – น้ำเสียที่ใช้แล้วจะถูกส่งผ่านท่อที่เรียกว่าท่อระบายท้ายน้ำ และไหลกลับเข้าสู่แม่น้ำอีกครั้งในบริเวณปลายน้ำ
น้ำในอ่างเก็บน้ำถือเป็นพลังงานสะสม เมื่อประตูระบายน้ำเปิด น้ำที่ไหลผ่านท่อส่งน้ำจะกลายเป็นพลังงานจลน์เนื่องจากการเคลื่อนที่ ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย สองในปัจจัยเหล่านั้นคือปริมาณการไหลของน้ำและความสูงของระดับน้ำ ความสูงของระดับน้ำหมายถึงระยะห่างระหว่างผิวน้ำกับกังหัน เมื่อความสูงของระดับน้ำและการไหลเพิ่มขึ้น ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย โดยปกติแล้วความสูงของระดับน้ำจะขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำ
โรงไฟฟ้าพลังน้ำอีกประเภทหนึ่งเรียกว่า โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบดั้งเดิม น้ำจากอ่างเก็บน้ำจะไหลผ่านโรงไฟฟ้า ออกไป และไหลลงสู่ลำน้ำด้านล่าง แต่โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับมีอ่างเก็บน้ำสองแห่ง:

อ่างเก็บน้ำด้านบน – เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วไป เขื่อนจะสร้างอ่างเก็บน้ำ น้ำในอ่างเก็บน้ำนี้จะไหลผ่านโรงไฟฟ้าพลังน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า
อ่างเก็บน้ำด้านล่าง – น้ำที่ออกจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะไหลลงสู่อ่างเก็บน้ำด้านล่างแทนที่จะไหลกลับลงสู่แม่น้ำและไหลลงสู่ปลายน้ำ
โรงไฟฟ้าแห่งนี้ใช้กังหันน้ำแบบกลับทิศทางได้ในการสูบน้ำกลับไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบน โดยจะดำเนินการในช่วงเวลาที่ไม่ใช่ช่วงพีคของการใช้ไฟฟ้า กล่าวคือ อ่างเก็บน้ำที่สองจะเติมน้ำให้กับอ่างเก็บน้ำด้านบน การสูบน้ำกลับไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบนทำให้โรงไฟฟ้ามีน้ำมากขึ้นสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าในช่วงเวลาที่มีการใช้ไฟฟ้าสูงสุด

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
หัวใจสำคัญของโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังน้ำส่วนใหญ่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเครื่อง
อย่างที่คุณอาจเดาได้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำหน้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้า กระบวนการพื้นฐานของการผลิตกระแสไฟฟ้าในลักษณะนี้คือการหมุนแม่เหล็กหลายตัวภายในขดลวด กระบวนการนี้จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ซึ่งก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า
เขื่อนฮูเวอร์มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมด 17 เครื่อง แต่ละเครื่องสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้สูงสุด 133 เมกะวัตต์ กำลังการผลิตรวมของโรงไฟฟ้าพลังน้ำเขื่อนฮูเวอร์อยู่ที่ 2,074 เมกะวัตต์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องประกอบด้วยชิ้นส่วนพื้นฐานบางอย่าง:

เมื่อกังหันหมุน ตัวกระตุ้นจะส่งกระแสไฟฟ้าไปยังโรเตอร์ โรเตอร์ประกอบด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่หลายตัวที่หมุนอยู่ภายในขดลวดทองแดงที่พันแน่นเรียกว่าสเตเตอร์ สนามแม่เหล็กระหว่างขดลวดและแม่เหล็กจะสร้างกระแสไฟฟ้าขึ้น
ในเขื่อนฮูเวอร์ กระแสไฟฟ้าขนาด 16,500 แอมป์ไหลจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยังหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็น 230,000 แอมป์ก่อนที่จะถูกส่งต่อไป
โรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้ประโยชน์จากกระบวนการทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้ฝนตกและระดับน้ำในแม่น้ำสูงขึ้น ทุกวัน โลกของเราสูญเสียน้ำไปเล็กน้อยผ่านชั้นบรรยากาศเนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลตทำลายโมเลกุลของน้ำ แต่ในขณะเดียวกัน น้ำใหม่ก็ถูกปล่อยออกมาจากส่วนในของโลกผ่านกิจกรรมภูเขาไฟ ปริมาณน้ำที่เกิดขึ้นใหม่และปริมาณน้ำที่สูญเสียไปจึงมีประมาณเท่ากัน
ปริมาณน้ำทั้งหมดบนโลกในแต่ละช่วงเวลามีอยู่หลายรูปแบบ อาจเป็นของเหลว เช่น ในมหาสมุทร แม่น้ำ และฝน ของแข็ง เช่น ธารน้ำแข็ง หรือก๊าซ เช่น ไอน้ำที่มองไม่เห็นในอากาศ น้ำเปลี่ยนสถานะไปเรื่อยๆ ขณะที่ถูกพัดพาไปทั่วโลกด้วยกระแสลม กระแสลมเกิดจากความร้อนของดวงอาทิตย์ ส่วนวัฏจักรของกระแสลมเกิดจากการที่ดวงอาทิตย์ส่องแสงไปยังบริเวณเส้นศูนย์สูตรมากกว่าบริเวณอื่นๆ ของโลก

กระแสลมหมุนเวียนขับเคลื่อนแหล่งน้ำของโลกผ่านวัฏจักรของมันเอง ซึ่งเรียกว่าวัฏจักรน้ำ เมื่อดวงอาทิตย์ให้ความร้อนแก่น้ำที่เป็นของเหลว น้ำจะระเหยกลายเป็นไอน้ำในอากาศ ดวงอาทิตย์ให้ความร้อนแก่อากาศ ทำให้อากาศลอยสูงขึ้นในชั้นบรรยากาศ อากาศที่สูงขึ้นไปจะเย็นกว่า ดังนั้นเมื่อไอน้ำลอยสูงขึ้นไป มันจะเย็นลงและควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ เมื่อหยดน้ำสะสมมากพอในบริเวณหนึ่ง หยดน้ำเหล่านั้นอาจหนักพอที่จะตกลงสู่พื้นโลกเป็นฝนได้
วัฏจักรของน้ำมีความสำคัญต่อโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เนื่องจากโรงไฟฟ้าเหล่านี้ต้องพึ่งพาการไหลของน้ำ หากฝนตกน้อยบริเวณใกล้เคียงโรงไฟฟ้า น้ำจะไม่สะสมตัวอยู่เหนือลำน้ำ เมื่อไม่มีน้ำสะสมอยู่เหนือลำน้ำ น้ำก็จะไหลผ่านโรงไฟฟ้าพลังน้ำน้อยลง และผลิตกระแสไฟฟ้าได้น้อยลง
หลักการพื้นฐานของพลังงานน้ำคือการใช้พลังงานจากของเหลวที่เคลื่อนที่เพื่อหมุนใบพัดกังหัน โดยทั่วไปแล้วจะต้องสร้างเขื่อนขนาดใหญ่กลางแม่น้ำเพื่อทำหน้าที่นี้ แต่สิ่งประดิษฐ์ใหม่กำลังใช้ประโยชน์จากแนวคิดพลังงานน้ำในขนาดที่เล็กกว่ามากเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา

โรเบิร์ต โคมาเรชกา นักประดิษฐ์จากออนแทรีโอ ประเทศแคนาดา คิดค้นไอเดียในการติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กไว้ในพื้นรองเท้า เขาเชื่อว่ากังหันขนาดเล็กเหล่านี้จะผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากพอที่จะใช้กับอุปกรณ์เกือบทุกชนิด ในเดือนพฤษภาคม ปี 2001 โคมาเรชกาได้รับสิทธิบัตรสำหรับอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานจากเท้าอันเป็นเอกลักษณ์ของเขา
หลักการพื้นฐานอย่างหนึ่งของการเดินของเราคือ เท้าจะลงน้ำหนักจากส้นเท้าไปยังปลายเท้าในแต่ละก้าว เมื่อเท้าแตะพื้น แรงจะถูกส่งลงผ่านส้นเท้า เมื่อคุณเตรียมจะก้าวต่อไป คุณจะหมุนเท้าไปข้างหน้า แรงจึงถูกถ่ายโอนไปยังปลายเท้า โคมาเรชก้าสังเกตเห็นหลักการพื้นฐานของการเดินนี้ และได้พัฒนาแนวคิดที่จะใช้ประโยชน์จากพลังของการเดินในชีวิตประจำวัน
ตามที่ระบุไว้ในสิทธิบัตรของ Komarechka "รองเท้าพร้อมชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ" นั้น ประกอบด้วยห้าส่วน:

ของเหลว – ระบบนี้จะใช้ของเหลวที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้า
ถุงสำหรับกักเก็บของเหลว – จะวางถุงหนึ่งไว้ที่ส้นรองเท้า และอีกถุงหนึ่งไว้ที่ปลายเท้าของรองเท้า
ท่อส่ง – ท่อส่งทำหน้าที่เชื่อมต่อถุงแต่ละถุงเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก
กังหัน – เมื่อน้ำเคลื่อนที่ไปมาในพื้นสระ ใบพัดของกังหันขนาดเล็กก็จะหมุน
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก – เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตั้งอยู่ระหว่างถุงบรรจุของเหลวสองถุง และประกอบด้วยใบพัดหมุน ซึ่งขับเคลื่อนเพลาและหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ขณะที่คนเดิน แรงดันของของเหลวในถุงที่อยู่บริเวณส้นรองเท้าจะดันของเหลวผ่านท่อและเข้าไปในโมดูลเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ เมื่อผู้ใช้เดินต่อไป ส้นเท้าจะถูกยกขึ้น และแรงกดลงจะกระทำต่อถุงใต้ฝ่าเท้า การเคลื่อนที่ของของเหลวจะทำให้ใบพัดและเพลาหมุนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

จะมีปลั๊กไฟภายนอกสำหรับเชื่อมต่อสายไฟกับอุปกรณ์พกพา นอกจากนี้ อาจมีชุดควบคุมกำลังไฟให้ผู้ใช้สามารถสวมไว้ที่เข็มขัดได้ จากนั้นจึงสามารถต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับชุดควบคุมกำลังไฟนี้ ซึ่งจะจ่ายกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง
เอกสารสิทธิบัตรระบุว่า “ด้วยจำนวนอุปกรณ์พกพาที่ใช้แบตเตอรี่เพิ่มมากขึ้น จึงมีความต้องการแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ ใช้งานได้ยาวนาน และปรับเปลี่ยนได้ตามสถานการณ์เพิ่มมากขึ้น” โคมาเรชกาคาดว่าอุปกรณ์ของเขาจะถูกนำไปใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับคอมพิวเตอร์พกพา โทรศัพท์มือถือ เครื่องเล่นซีดี เครื่องรับ GPS และวิทยุสื่อสารสองทาง