ภาพรวมการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ อุปกรณ์ไฟฟ้าพลังน้ำ และโครงสร้างไฮดรอลิก

1、ภาพรวมการผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
การผลิตไฟฟ้าพลังน้ำคือการแปลงพลังงานน้ำจากแม่น้ำธรรมชาติเป็นพลังงานไฟฟ้าสำหรับให้ผู้คนใช้ แหล่งพลังงานที่ใช้โดยโรงไฟฟ้ามีหลากหลาย เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานน้ำจากแม่น้ำ และพลังงานลมที่ผลิตจากการไหลของอากาศ ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำโดยใช้พลังงานน้ำมีราคาถูก และการก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำยังสามารถรวมกับโครงการอนุรักษ์น้ำอื่นๆ ได้อีกด้วย จีนมีทรัพยากรน้ำอุดมสมบูรณ์และมีสภาพแวดล้อมที่ยอดเยี่ยม พลังงานน้ำมีบทบาทสำคัญในการสร้างเศรษฐกิจของประเทศ
ระดับน้ำต้นน้ำของแม่น้ำสูงกว่าระดับน้ำปลายน้ำ เนื่องจากระดับน้ำของแม่น้ำต่างกัน จึงเกิดพลังงานน้ำขึ้น พลังงานนี้เรียกว่าพลังงานศักย์ หรือพลังงานศักย์ ส่วนต่างระหว่างความสูงของผิวน้ำแม่น้ำเรียกว่าหยดน้ำ หรือเรียกอีกอย่างว่าความแตกต่างของระดับน้ำหรือหัวน้ำ หยดน้ำนี้เป็นเงื่อนไขพื้นฐานของพลังงานน้ำ นอกจากนี้ ขนาดของพลังงานน้ำยังขึ้นอยู่กับขนาดของการไหลของน้ำในแม่น้ำ ซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานอีกประการหนึ่งที่สำคัญพอๆ กับหยดน้ำ ทั้งหยดน้ำและการปล่อยมีผลโดยตรงต่อขนาดของพลังงานน้ำ ยิ่งหยดน้ำมากเท่าไหร่ พลังงานน้ำก็จะมากขึ้นเท่านั้น หากหยดน้ำและปริมาณน้ำค่อนข้างน้อย ผลผลิตของโรงไฟฟ้าพลังน้ำก็จะน้อยลง
โดยทั่วไปแล้ว หยดน้ำจะแสดงเป็นเมตร ความชันของผิวน้ำคืออัตราส่วนของหยดน้ำและระยะทาง ซึ่งสามารถระบุระดับความเข้มข้นของหยดน้ำได้ หากหยดน้ำมีความเข้มข้นค่อนข้างมาก การใช้พลังงานน้ำจะสะดวกกว่า หยดน้ำที่ใช้โดยโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือความแตกต่างระหว่างผิวน้ำด้านต้นน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำและผิวน้ำด้านปลายน้ำหลังจากผ่านกังหันน้ำ
ปริมาณน้ำไหลคือปริมาณน้ำที่ไหลผ่านแม่น้ำในหน่วยเวลา แสดงเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที น้ำหนึ่งลูกบาศก์เมตรเท่ากับหนึ่งตัน ปริมาณน้ำในแม่น้ำเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลาและทุกสถานที่ ดังนั้น เมื่อเราพูดถึงปริมาณน้ำ เราต้องอธิบายเวลาของสถานที่เฉพาะที่น้ำไหล ปริมาณน้ำเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากตามกาลเวลา โดยทั่วไป แม่น้ำในประเทศจีนมีปริมาณน้ำไหลมากในฤดูร้อน ฤดูใบไม้ร่วง และฤดูฝน แต่มีปริมาณน้ำไหลน้อยในฤดูหนาวและฤดูใบไม้ผลิ ปริมาณน้ำจะแตกต่างกันไปในแต่ละเดือน และปริมาณน้ำจะแตกต่างกันไปในแต่ละปี ปริมาณน้ำในแม่น้ำทั่วไปค่อนข้างน้อยในตอนต้นน้ำ เมื่อสาขาต่างๆ มาบรรจบกัน ปริมาณน้ำในตอนล่างน้ำจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ดังนั้น แม้ว่าปริมาณน้ำในตอนบนน้ำจะรวมกัน แต่ปริมาณน้ำก็น้อย แม้ว่าปริมาณน้ำในตอนล่างน้ำจะมาก แต่ปริมาณน้ำก็ค่อนข้างกระจาย ดังนั้น การใช้พลังงานน้ำในตอนกลางแม่น้ำจึงมักประหยัดที่สุด
เมื่อทราบปริมาณหยดและการไหลที่สถานีพลังงานน้ำใช้ สามารถคำนวณผลผลิตได้จากสูตรต่อไปนี้:
N= GQH
ในสูตร N คือ เอาต์พุต มีหน่วยเป็น kW เรียกอีกอย่างว่า กำลังไฟฟ้า
Q — การไหลเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที
H — การลดลง เป็นเมตร
G=9.8 คือความเร่งโน้มถ่วง หน่วยเป็นนิวตัน/กก.
กำลังทางทฤษฎีจะคำนวณตามสูตรข้างต้น และไม่มีการสูญเสียใดๆ เกิดขึ้น ในความเป็นจริง ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ กังหันน้ำ อุปกรณ์ส่งกำลัง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ ย่อมมีการสูญเสียพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น จึงควรหักค่ากำลังทางทฤษฎีออก นั่นคือ ควรคูณกำลังไฟฟ้าที่ใช้ได้จริงด้วยค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (สัญลักษณ์: K)
กำลังไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังน้ำเรียกว่ากำลังไฟฟ้าที่กำหนด และกำลังไฟฟ้าจริงเรียกว่ากำลังไฟฟ้าจริง ในกระบวนการแปรรูปพลังงาน ย่อมต้องสูญเสียพลังงานบางส่วนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ มักมีการสูญเสียกังหันน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นหลัก (รวมถึงการสูญเสียท่อส่ง) ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กในชนบท การสูญเสียต่างๆ คิดเป็น 40~50% ของกำลังไฟฟ้าเชิงทฤษฎีทั้งหมด ดังนั้น ผลผลิตของโรงไฟฟ้าพลังน้ำจึงใช้พลังงานเชิงทฤษฎีได้เพียง 50~60% เท่านั้น นั่นคือ ประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 0.5~0.60 (รวมถึงประสิทธิภาพของกังหันน้ำที่ 0.70~0.85 ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ 0.85~0.90 และประสิทธิภาพของท่อและอุปกรณ์ส่งที่ 0.80~0.85) ดังนั้น จึงสามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าจริง (ผลผลิต) ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำได้ดังนี้:
K – ประสิทธิภาพของสถานีพลังงานน้ำ (0.5~0.6) นำมาใช้ในการคำนวณคร่าวๆ ของสถานีพลังงานน้ำขนาดเล็ก สูตรข้างต้นสามารถลดรูปลงได้ดังนี้:
N=(0.5 ～ 0.6) กำลังจริงของ QHG = ประสิทธิภาพ × การไหล × หยด × เก้าจุดแปด
การใช้พลังงานน้ำคือการใช้น้ำเพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรชนิดหนึ่งซึ่งเรียกว่ากังหันน้ำ ตัวอย่างเช่น กังหันน้ำโบราณในจีนเป็นกังหันน้ำที่เรียบง่ายมาก กังหันน้ำแบบไฮดรอลิกต่างๆ ที่ใช้ในปัจจุบันได้รับการปรับให้เข้ากับสภาวะไฮดรอลิกเฉพาะต่างๆ เพื่อให้สามารถหมุนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเปลี่ยนพลังงานน้ำเป็นพลังงานกล เครื่องจักรอีกเครื่องหนึ่งคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งเชื่อมต่อกับกังหันน้ำเพื่อให้โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนไปพร้อมกับกังหันน้ำ จากนั้นจึงสามารถผลิตไฟฟ้าได้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถแบ่งได้เป็นสองส่วน: ส่วนที่หมุนไปพร้อมกับกังหันน้ำและส่วนที่คงที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ส่วนที่หมุนไปพร้อมกับกังหันน้ำเรียกว่าโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมีขั้วแม่เหล็กจำนวนมากอยู่รอบโรเตอร์ วงกลมรอบโรเตอร์คือส่วนที่คงที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งเรียกว่าสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สเตเตอร์จะพันด้วยขดลวดทองแดงจำนวนมาก เมื่อขั้วแม่เหล็กจำนวนมากของโรเตอร์หมุนตรงกลางขดลวดทองแดงของสเตเตอร์ กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นบนลวดทองแดง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าจะถูกแปลงจากอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ให้เป็นพลังงานกล (มอเตอร์หรือมอเตอร์ไฟฟ้า) พลังงานแสง (หลอดไฟฟ้า) พลังงานความร้อน (เตาไฟฟ้า) เป็นต้น

2、องค์ประกอบของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำ
สถานีพลังงานน้ำประกอบด้วยโครงสร้างไฮดรอลิก อุปกรณ์เครื่องกล และอุปกรณ์ไฟฟ้า
（1）โครงสร้างไฮดรอลิก
ประกอบไปด้วย เขื่อนกั้นน้ำ ประตูระบายน้ำ ช่องทาง (หรืออุโมงค์) อ่างเก็บน้ำด้านหน้า (หรือถังควบคุม) ท่อส่งน้ำ โรงไฟฟ้าและท่อท้ายน้ำ ฯลฯ
สร้างเขื่อนกั้นน้ำในแม่น้ำเพื่อปิดกั้นแม่น้ำ ยกผิวน้ำขึ้นและสร้างอ่างเก็บน้ำ ด้วยวิธีนี้ หยดน้ำที่เข้มข้นจะก่อตัวจากผิวน้ำของอ่างเก็บน้ำบนเขื่อนกั้นน้ำไปยังผิวน้ำของแม่น้ำใต้เขื่อน จากนั้นน้ำจะถูกส่งไปยังสถานีไฟฟ้าพลังน้ำผ่านท่อส่งน้ำหรืออุโมงค์ ในช่องน้ำที่ลาดชัน การใช้ช่องทางเบี่ยงน้ำก็สามารถสร้างหยดน้ำได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น หยดน้ำของแม่น้ำธรรมชาติมีความลึก 10 เมตรต่อกิโลเมตร หากเปิดช่องทางที่ปลายด้านบนของส่วนแม่น้ำนี้เพื่อปล่อยน้ำ ช่องทางจะถูกขุดไปตามแม่น้ำและความลาดชันของช่องทางจะราบเรียบ หากหยดน้ำในช่องทางมีเพียง 1 เมตรต่อกิโลเมตร น้ำจะไหลในช่องทาง 5 กิโลเมตร และน้ำจะตกลงมาเพียง 5 เมตร ในขณะที่น้ำจะตกลงมา 50 เมตรหลังจากเดินไปในแม่น้ำธรรมชาติ 5 กิโลเมตร ขณะนี้ น้ำในช่องทางจะถูกส่งกลับไปยังโรงไฟฟ้าโดยใช้ท่อน้ำหรืออุโมงค์ และมีน้ำตกเข้มข้นขนาด 45 ม. ที่สามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าได้
สถานีพลังงานน้ำที่ใช้ช่องผันน้ำ อุโมงค์ หรือท่อส่งน้ำ (เช่น ท่อพลาสติก ท่อเหล็ก ท่อคอนกรีต เป็นต้น) เพื่อสร้างหยดน้ำที่เข้มข้น เรียกว่าสถานีพลังงานน้ำประเภทช่องผันน้ำ ซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปของสถานีพลังงานน้ำ
（2）อุปกรณ์เครื่องกลและไฟฟ้า
นอกเหนือจากงานไฮดรอลิกที่กล่าวมาข้างต้น (ฝาย คลอง อ่างเก็บน้ำ ท่อส่งน้ำ และโรงไฟฟ้า) สถานีไฟฟ้าพลังน้ำยังต้องการอุปกรณ์ต่อไปนี้:
(1) อุปกรณ์เครื่องกล
มีกังหันไฮดรอลิก, ตัวควบคุมแรงดัน, วาล์วประตู, อุปกรณ์ส่งกำลัง และอุปกรณ์ที่ไม่ผลิตพลังงาน
(2) อุปกรณ์ไฟฟ้า
มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แผงควบคุมการจ่ายไฟฟ้า หม้อแปลง สายส่งไฟฟ้า ฯลฯ
อย่างไรก็ตาม สถานีไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กไม่ได้มีโครงสร้างไฮดรอลิกและอุปกรณ์เครื่องกลและไฟฟ้าดังกล่าวข้างต้นทั้งหมด หากสถานีไฟฟ้าพลังน้ำที่มีหัวน้ำต่ำที่มีหัวน้ำน้อยกว่า 6 เมตร มักใช้ช่องทางเบี่ยงน้ำและห้องเบี่ยงน้ำแบบเปิด จะไม่มีท่อส่งน้ำด้านหน้าและท่อส่งน้ำ สถานีไฟฟ้าที่มีระยะจ่ายไฟสั้นและระยะส่งสั้นใช้การส่งตรงโดยไม่ใช้หม้อแปลง สถานีไฟฟ้าพลังน้ำที่มีอ่างเก็บน้ำไม่จำเป็นต้องสร้างเขื่อน ใช้ช่องทางน้ำเข้าลึก และไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างไฮดรอลิก เช่น ฝาย ประตูรับน้ำ ช่องทาง และท่อน้ำล้นของเขื่อนในท่อภายใน (หรืออุโมงค์)
ในการสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำ จำเป็นต้องทำการสำรวจและออกแบบอย่างรอบคอบเสียก่อน โดยขั้นตอนการออกแบบแบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอน ได้แก่ การออกแบบเบื้องต้น การออกแบบทางเทคนิค และรายละเอียดการก่อสร้าง เพื่อให้การออกแบบออกมาดี เราต้องดำเนินการสำรวจอย่างละเอียดถี่ถ้วนเสียก่อน นั่นคือ ต้องเข้าใจสภาพธรรมชาติและเศรษฐกิจในพื้นที่อย่างถ่องแท้ ไม่ว่าจะเป็นลักษณะภูมิประเทศ ธรณีวิทยา อุทกวิทยา ทุน ฯลฯ ความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของการออกแบบจะรับประกันได้ก็ต่อเมื่อเข้าใจสภาพเหล่านี้และวิเคราะห์แล้วเท่านั้น
ส่วนประกอบของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กมีรูปแบบที่หลากหลายตามประเภทของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำ

3、การสำรวจภูมิประเทศ
คุณภาพของการสำรวจภูมิประเทศมีอิทธิพลอย่างมากต่อเค้าโครงโครงการและการประมาณปริมาณ
การสำรวจทางธรณีวิทยา (ความเข้าใจในสภาพธรณีวิทยา) ไม่เพียงแต่ต้องมีความเข้าใจและการวิจัยทั่วไปเกี่ยวกับธรณีวิทยาของแอ่งน้ำและธรณีวิทยาริมแม่น้ำเท่านั้น แต่ยังต้องเข้าใจว่าฐานรากของห้องเครื่องมีความมั่นคงหรือไม่ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าเอง เมื่อทำลายเขื่อนที่มีปริมาตรอ่างเก็บน้ำจำนวนหนึ่งแล้ว ไม่เพียงแต่จะทำลายโรงไฟฟ้าพลังน้ำเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดการสูญเสียชีวิตและทรัพย์สินจำนวนมากในบริเวณปลายน้ำด้วย ดังนั้น การคัดเลือกเขื่อนหน้าเขื่อนตามหลักธรณีวิทยาจึงมักจะได้รับการพิจารณาเป็นอันดับแรก

4、ไฮโดรมิเตอร์
สำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ข้อมูลอุทกวิทยาที่สำคัญที่สุดคือ บันทึกระดับน้ำในแม่น้ำ การไหล ความเข้มข้นของตะกอน การจับตัวเป็นน้ำแข็ง ข้อมูลอุตุนิยมวิทยา และข้อมูลการสำรวจน้ำท่วม ขนาดของการไหลของแม่น้ำส่งผลต่อการวางผังของทางระบายน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ และประเมินความรุนแรงของน้ำท่วมต่ำเกินไป ซึ่งจะนำไปสู่การทำลายเขื่อน ตะกอนที่แม่น้ำพัดพามาอาจเติมอ่างเก็บน้ำได้อย่างรวดเร็วในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ตัวอย่างเช่น การไหลเข้าในช่องทางจะทำให้เกิดการตกตะกอนของช่องทาง และตะกอนหยาบจะผ่านกังหันน้ำและทำให้กังหันน้ำสึกหรอ ดังนั้น การก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะต้องมีข้อมูลอุทกวิทยาที่เพียงพอ
ดังนั้นก่อนตัดสินใจสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำจึงจำเป็นต้องศึกษาทิศทางการพัฒนาเศรษฐกิจและความต้องการไฟฟ้าในอนาคตในพื้นที่จ่ายไฟฟ้า ขณะเดียวกันก็ประเมินสถานการณ์ของแหล่งพลังงานอื่น ๆ ในพื้นที่พัฒนาด้วย หลังจากศึกษาและวิเคราะห์เงื่อนไขข้างต้นแล้ว เราจึงจะตัดสินใจได้ว่าจำเป็นต้องสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำหรือไม่ และขนาดการก่อสร้างควรใหญ่แค่ไหน
โดยทั่วไปแล้ววัตถุประสงค์ของการสำรวจพลังงานน้ำคือเพื่อให้ข้อมูลพื้นฐานที่แม่นยำและเชื่อถือได้ซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบและการก่อสร้างสถานีพลังงานน้ำ

5、เงื่อนไขทั่วไปของไซต์สถานีที่เลือก
เงื่อนไขทั่วไปในการเลือกสถานที่ตั้งสถานีสามารถอธิบายได้ 4 ประเด็น ดังต่อไปนี้
(1) สถานที่ตั้งสถานีที่เลือกจะต้องสามารถใช้พลังงานน้ำได้อย่างประหยัดที่สุดและเป็นไปตามหลักการประหยัดต้นทุน กล่าวคือ หลังจากโรงไฟฟ้าสร้างเสร็จ จะต้องใช้จ่ายต้นทุนขั้นต่ำและผลิตพลังงานได้สูงสุด โดยทั่วไป สามารถวัดได้โดยการประมาณรายได้ต่อปีจากการผลิตพลังงานและการลงทุนก่อสร้างสถานี เพื่อดูว่าจะคืนทุนที่ลงทุนไปได้นานเพียงใด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสภาพทางอุทกวิทยาและภูมิประเทศที่แตกต่างกันและความต้องการพลังงานที่แตกต่างกัน ต้นทุนและการลงทุนจึงไม่ควรจำกัดด้วยค่าบางค่า
(2) สถานที่ตั้งสถานีที่เลือกควรมีสภาพภูมิประเทศ ธรณีวิทยา และอุทกวิทยาที่ดีเยี่ยม และสามารถออกแบบและก่อสร้างได้ การก่อสร้างสถานีไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กจะต้องเป็นไปตามหลักการของ “วัสดุในท้องถิ่น” ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในแง่ของวัสดุก่อสร้าง
（3） ไซต์สถานีที่เลือกจะต้องอยู่ใกล้กับพื้นที่จ่ายไฟและประมวลผลให้มากที่สุดเพื่อลดการลงทุนในอุปกรณ์ส่งและการสูญเสียพลังงาน
(4) เมื่อเลือกสถานที่ตั้งสถานี ควรใช้โครงสร้างไฮดรอลิกที่มีอยู่ให้มากที่สุด ตัวอย่างเช่น สามารถใช้หยดน้ำเพื่อสร้างสถานีพลังงานน้ำในคลองชลประทาน หรือสร้างสถานีพลังงานน้ำใกล้กับอ่างเก็บน้ำชลประทานเพื่อผลิตไฟฟ้าโดยใช้การไหลของน้ำชลประทาน เป็นต้น เนื่องจากสถานีพลังงานน้ำเหล่านี้สามารถปฏิบัติตามหลักการในการผลิตไฟฟ้าเมื่อมีน้ำ จึงมีความสำคัญทางเศรษฐกิจที่ชัดเจนยิ่งขึ้น