การออกแบบกังหันน้ำเพื่อโครงการพลังงานน้ำพลังน้ำ

การออกแบบกังหันน้ำเพื่อพลังงานน้ำ
ไอคอนพลังงานน้ำ พลังงานน้ำเป็นเทคโนโลยีที่แปลงพลังงานจลน์ของน้ำที่เคลื่อนที่เป็นพลังงานกลหรือพลังงานไฟฟ้า และหนึ่งในอุปกรณ์ยุคแรกๆ ที่ใช้ในการแปลงพลังงานของน้ำที่เคลื่อนที่เป็นงานที่ใช้งานได้คือ Water wheel Design
การออกแบบวงล้อน้ำได้มีการพัฒนาไปตามกาลเวลา โดยวงล้อน้ำบางวงจะวางในแนวตั้ง บางวงจะวางในแนวนอน และบางวงจะมีรอกและเฟืองที่ซับซ้อนติดมาด้วย แต่ทั้งหมดได้รับการออกแบบมาให้ทำหน้าที่เดียวกัน นั่นก็คือ “แปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้นของน้ำที่กำลังเคลื่อนที่ให้เป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน ซึ่งสามารถใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรใดๆ ที่เชื่อมต่อกับวงล้อด้วยเพลาหมุนได้”

การออกแบบกังหันน้ำแบบทั่วไป
การออกแบบกังหันน้ำในยุคแรกนั้นเป็นเครื่องจักรที่ค่อนข้างเรียบง่ายและประกอบด้วยวงล้อไม้แนวตั้งพร้อมใบพัดหรือถังไม้ที่ยึดไว้เท่าๆ กันรอบเส้นรอบวง โดยทั้งหมดรับอยู่บนเพลาแนวนอน โดยแรงของน้ำที่ไหลอยู่ด้านล่างจะผลักวงล้อในทิศทางสัมผัสกับใบพัด
กังหันน้ำแนวตั้งเหล่านี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่ากังหันน้ำแนวนอนในยุคก่อนๆ ที่ออกแบบโดยชาวกรีกและอียิปต์โบราณอย่างมาก เนื่องจากกังหันน้ำเหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงโมเมนตัมของน้ำที่กำลังเคลื่อนที่เป็นพลังงาน จากนั้นรอกและเกียร์จะถูกติดตั้งเข้ากับกังหันน้ำ ซึ่งทำให้สามารถเปลี่ยนทิศทางของเพลาหมุนจากแนวนอนเป็นแนวตั้งได้ เพื่อใช้งานโม่หิน เลื่อยไม้ บดแร่ ปั๊มและตัด ฯลฯ

ประเภทของการออกแบบกังหันน้ำ
กังหันน้ำส่วนใหญ่มักเรียกอีกอย่างว่ากังหันน้ำหรือเรียกสั้นๆ ว่ากังหันน้ำ เป็นกังหันที่ติดตั้งในแนวตั้งและหมุนรอบแกนแนวนอน โดยกังหันน้ำประเภทนี้จะจำแนกตามลักษณะการจ่ายน้ำไปที่กังหันเมื่อเทียบกับแกนของกังหัน ดังที่คุณอาจคาดไว้ กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่หมุนด้วยความเร็วเชิงมุมต่ำ และมีประสิทธิภาพต่ำ เนื่องมาจากการสูญเสียจากแรงเสียดทานและการเติมน้ำในถังไม่หมด เป็นต้น
การกระทำของน้ำที่ดันถังน้ำหรือใบพัดจะทำให้เกิดแรงบิดบนเพลา แต่การที่น้ำไหลไปที่ใบพัดและถังน้ำจากตำแหน่งต่างๆ บนล้อ จะทำให้ความเร็วในการหมุนและประสิทธิภาพดีขึ้นได้ กังหันน้ำแบบที่นิยมใช้กันมากที่สุดมี 2 ประเภท คือ “กังหันน้ำแบบใต้ท้อง” และ “กังหันน้ำแบบเหนือท้อง”

การออกแบบกังหันน้ำแบบ Undershot
กังหันน้ำแบบ Undershot หรือที่เรียกอีกอย่างว่า “กังหันน้ำลำธาร” ถือเป็นกังหันน้ำประเภทที่นิยมใช้กันมากที่สุด ซึ่งออกแบบโดยชาวกรีกและชาวโรมันโบราณ เนื่องจากเป็นกังหันที่สร้างง่ายที่สุด ราคาถูกที่สุด และสร้างง่ายที่สุด
ในการออกแบบกังหันน้ำประเภทนี้ เพียงแค่วางกังหันลงในแม่น้ำที่ไหลเชี่ยวโดยตรง แล้วประคองไว้ด้านบน การเคลื่อนไหวของน้ำด้านล่างจะสร้างแรงผลักต่อใบพัดที่จมอยู่ใต้น้ำบริเวณส่วนล่างของกังหัน ทำให้ใบพัดหมุนไปในทิศทางเดียวเท่านั้นโดยสัมพันธ์กับทิศทางการไหลของน้ำ
การออกแบบกังหันน้ำประเภทนี้มักใช้ในพื้นที่ราบซึ่งไม่มีความลาดเอียงตามธรรมชาติของพื้นดินหรือในพื้นที่ที่น้ำไหลเร็วเพียงพอ เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบกังหันน้ำแบบอื่น การออกแบบประเภทนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก โดยใช้พลังงานศักย์ของน้ำเพียง 20% เท่านั้นในการหมุนกังหัน นอกจากนี้ พลังงานของน้ำจะใช้เพียงครั้งเดียวในการหมุนกังหัน หลังจากนั้นน้ำจะไหลออกไปพร้อมกับน้ำส่วนที่เหลือ
ข้อเสียอีกประการหนึ่งของกังหันน้ำแบบใต้ท้องน้ำคือต้องใช้น้ำจำนวนมากในการเคลื่อนตัวด้วยความเร็วสูง ดังนั้น กังหันน้ำแบบใต้ท้องน้ำจึงมักตั้งอยู่บนฝั่งแม่น้ำ เนื่องจากลำธารหรือลำห้วยขนาดเล็กไม่มีพลังงานศักย์เพียงพอในน้ำที่ไหล
วิธีหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันน้ำแบบใต้ท้องน้ำเล็กน้อยก็คือการเปลี่ยนทิศทางการไหลของน้ำในแม่น้ำไปตามช่องทางหรือท่อแคบๆ เพื่อให้ใช้น้ำที่เปลี่ยนทิศทางได้ 100% ในการหมุนกังหันน้ำ เพื่อให้บรรลุผลดังกล่าว กังหันน้ำแบบใต้ท้องน้ำจะต้องแคบและพอดีกับช่องทางเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำไหลออกทางด้านข้างหรือโดยการเพิ่มจำนวนหรือขนาดของใบพาย

การออกแบบกังหันน้ำแบบโอเวอร์ช็อต
การออกแบบกังหันน้ำแบบ Overshot เป็นรูปแบบการออกแบบกังหันน้ำที่พบเห็นได้ทั่วไปที่สุด กังหันน้ำแบบ Overshot มีโครงสร้างและการออกแบบที่ซับซ้อนกว่ากังหันน้ำแบบ Undershot ก่อนหน้านี้ เนื่องจากใช้ถังหรือช่องเล็กๆ เพื่อรองรับและกักเก็บน้ำ
ถังเหล่านี้จะเติมน้ำที่ไหลเข้ามาที่ด้านบนของล้อ น้ำหนักจากแรงโน้มถ่วงของน้ำในถังที่เต็มทำให้ล้อหมุนรอบแกนกลาง ขณะที่ถังเปล่าที่อยู่อีกด้านหนึ่งของล้อมีน้ำหนักเบาลง
กังหันน้ำประเภทนี้ใช้แรงโน้มถ่วงเพื่อปรับปรุงผลผลิตและน้ำด้วย ดังนั้นกังหันน้ำแบบโอเวอร์ช็อตจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบอันเดอร์ช็อตมาก เนื่องจากน้ำและน้ำหนักเกือบทั้งหมดถูกใช้เพื่อผลิตพลังงาน อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับก่อนหน้านี้ พลังงานของน้ำจะถูกใช้เพียงครั้งเดียวเพื่อหมุนกังหัน หลังจากนั้นพลังงานจะไหลออกไปพร้อมกับน้ำส่วนที่เหลือ
กังหันน้ำที่อยู่เหนือน้ำจะแขวนอยู่เหนือแม่น้ำหรือลำธาร และโดยทั่วไปจะสร้างขึ้นบนไหล่เขาเพื่อส่งน้ำจากด้านบน โดยมีค่าหัวน้ำต่ำ (ระยะห่างแนวตั้งระหว่างน้ำที่ด้านบนและแม่น้ำหรือลำธารด้านล่าง) ระหว่าง 5 ถึง 20 เมตร สามารถสร้างเขื่อนหรือฝายน้ำขนาดเล็กเพื่อใช้ส่งน้ำและเพิ่มความเร็วของน้ำไปยังด้านบนของกังหันน้ำ ทำให้กังหันน้ำมีพลังงานมากขึ้น แต่ปริมาตรของน้ำมากกว่าความเร็วของน้ำต่างหากที่ช่วยหมุนกังหันน้ำ

โดยทั่วไปกังหันน้ำขนาดใหญ่กว่าจะสร้างขึ้นให้มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้มีระยะหัวน้ำมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้แรงโน้มถ่วงของน้ำหมุนกังหันได้ อย่างไรก็ตาม กังหันน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่จะซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าในการสร้างเนื่องจากน้ำหนักของกังหันและน้ำ
เมื่อถังแต่ละใบเต็มไปด้วยน้ำ น้ำหนักจากแรงโน้มถ่วงของน้ำจะทำให้ล้อหมุนไปในทิศทางที่น้ำไหล เมื่อมุมการหมุนใกล้ถึงก้นล้อมากขึ้น น้ำในถังจะไหลออกสู่แม่น้ำหรือลำธารด้านล่าง แต่ด้วยน้ำหนักของถังที่หมุนอยู่ด้านหลังล้อจึงทำให้ล้อหมุนด้วยความเร็วคงที่ ถังเปล่าจะหมุนรอบล้อที่หมุนอยู่จนกระทั่งกลับขึ้นมาด้านบนเพื่อเตรียมพร้อมที่จะเติมน้ำเพิ่ม และวงจรก็จะวนซ้ำไปซ้ำมา ข้อเสียอย่างหนึ่งของการออกแบบล้อน้ำที่หมุนเกินคือ น้ำจะถูกใช้เพียงครั้งเดียวเท่านั้นเมื่อไหลผ่านล้อ

การออกแบบกังหันน้ำ Pitchback
การออกแบบกังหันน้ำแบบ Pitchback Water Wheel เป็นรูปแบบหนึ่งของกังหันน้ำแบบ Overshot ที่ใช้แรงโน้มถ่วงของน้ำในการช่วยหมุนกังหันน้ำ แต่ยังใช้การไหลของน้ำเสียที่อยู่ด้านล่างเพื่อเพิ่มแรงผลักดัน การออกแบบกังหันน้ำประเภทนี้ใช้ระบบป้อนน้ำที่มีหัวต่ำ ซึ่งจะส่งน้ำไปยังด้านบนของกังหันจากรางน้ำด้านบน
กังหันน้ำแบบแรงดันย้อนกลับ (Pitchback Water Wheel) มีลักษณะการส่งน้ำลงมาในแนวตั้งผ่านกรวยและเข้าไปในถังด้านล่าง ทำให้กังหันหมุนในทิศทางตรงข้ามกับการไหลของน้ำด้านบน
เช่นเดียวกับกังหันน้ำแบบโอเวอร์ช็อตก่อนหน้านี้ น้ำหนักจากแรงโน้มถ่วงของน้ำในถังทำให้กังหันหมุน แต่ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา เมื่อมุมการหมุนใกล้ถึงด้านล่างของกังหัน น้ำที่ติดอยู่ภายในถังจะไหลออกมาด้านล่าง เมื่อถังเปล่าติดอยู่กับกังหัน ถังจะหมุนต่อไปพร้อมกับกังหันเช่นเดิม จนกระทั่งกลับขึ้นไปด้านบนอีกครั้งเพื่อเตรียมพร้อมที่จะเติมน้ำเพิ่ม และวงจรก็เกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง
ความแตกต่างในครั้งนี้คือ น้ำเสียที่ระบายออกจากถังหมุนจะไหลออกไปในทิศทางของวงล้อหมุน (เนื่องจากไม่มีทางออกอื่น) คล้ายกับหลักการของกังหันน้ำแบบใต้ท้องน้ำ ดังนั้น ข้อได้เปรียบหลักของกังหันน้ำแบบใต้ท้องน้ำคือใช้พลังงานของน้ำสองครั้ง ครั้งแรกจากด้านบนและอีกครั้งจากด้านล่าง เพื่อหมุนวงล้อรอบแกนกลาง
ผลที่ได้คือ ประสิทธิภาพของการออกแบบกังหันน้ำเพิ่มขึ้นอย่างมากเป็นมากกว่า 80% ของพลังงานน้ำ เนื่องจากขับเคลื่อนโดยทั้งน้ำหนักจากแรงโน้มถ่วงของน้ำที่ไหลเข้ามาและแรงหรือแรงดันของน้ำที่ส่งไปยังถังจากด้านบน รวมถึงการไหลของน้ำเสียด้านล่างที่ดันถัง ข้อเสียของกังหันน้ำแบบกลับด้านคือ ต้องมีการจัดระบบจ่ายน้ำที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยเหนือกังหันโดยตรง โดยมีรางและรางระบายน้ำ

การออกแบบกังหันน้ำแบบ Breastshot
การออกแบบกังหันน้ำแบบ Breastshot นั้นเป็นการออกแบบกังหันน้ำแบบติดตั้งในแนวตั้งอีกแบบหนึ่ง โดยน้ำจะไหลเข้าไปในถังประมาณครึ่งหนึ่งของความสูงของเพลา หรือสูงกว่านั้นเล็กน้อย จากนั้นจึงไหลออกที่ด้านล่างตามทิศทางการหมุนของล้อ โดยทั่วไปแล้ว กังหันน้ำแบบ Breastshot จะใช้ในสถานการณ์ที่หัวน้ำไม่เพียงพอที่จะส่งพลังให้กับกังหันน้ำแบบ Overshot หรือ Pitchback จากด้านบน
ข้อเสียคือแรงโน้มถ่วงของน้ำจะถูกใช้เพียงประมาณหนึ่งในสี่ของการหมุนเท่านั้น ซึ่งต่างจากก่อนหน้านี้ที่ใช้เพียงครึ่งหนึ่งของการหมุน เพื่อแก้ปัญหาความสูงหัวที่ต่ำนี้ ถังกังหันน้ำจึงถูกทำให้กว้างขึ้นเพื่อดึงพลังงานศักย์ที่ต้องการจากน้ำ
กังหันน้ำแบบยิงหัว ใช้แรงโน้มถ่วงของน้ำที่เท่ากันในการหมุนกังหัน แต่เนื่องจากความสูงของหัวน้ำอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของกังหันน้ำแบบยิงหัวทั่วไป ถังน้ำจึงกว้างกว่ากังหันน้ำแบบก่อนๆ มาก เพื่อเพิ่มปริมาณน้ำที่กักไว้ในถัง ข้อเสียของการออกแบบประเภทนี้คือความกว้างและน้ำหนักของน้ำที่ถังแต่ละใบจะรับได้มากขึ้น เช่นเดียวกับการออกแบบแบบโยนกลับ กังหันน้ำแบบยิงหัวใช้พลังงานของน้ำสองเท่า เนื่องจากกังหันน้ำได้รับการออกแบบให้จมอยู่ในน้ำ ทำให้น้ำเสียช่วยหมุนกังหันในขณะที่น้ำไหลไปตามลำธาร

ผลิตไฟฟ้าโดยใช้กังหันน้ำ
ในอดีต กังหันน้ำถูกใช้เพื่อโม่แป้ง ธัญพืช และงานเครื่องกลอื่นๆ แต่กังหันน้ำยังใช้ในการผลิตไฟฟ้าได้ด้วย ซึ่งเรียกว่า ระบบพลังงานน้ำ โดยการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับเพลาหมุนของกังหันน้ำโดยตรงหรือโดยอ้อมโดยใช้สายพานขับเคลื่อนและรอก กังหันน้ำจึงสามารถใช้ผลิตไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ซึ่งแตกต่างจากพลังงานแสงอาทิตย์ หากออกแบบกังหันน้ำอย่างถูกต้อง ระบบไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กหรือ "ไมโคร" ก็สามารถผลิตไฟฟ้าได้เพียงพอต่อการให้แสงสว่างและ/หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านทั่วไป
มองหาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำที่ออกแบบมาเพื่อผลิตเอาต์พุตที่เหมาะสมที่สุดที่ความเร็วค่อนข้างต่ำ สำหรับโครงการขนาดเล็ก มอเตอร์ DC ขนาดเล็กสามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วต่ำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ารถยนต์ได้ แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานที่ความเร็วที่สูงกว่ามาก ดังนั้นจึงอาจจำเป็นต้องมีระบบเกียร์บางรูปแบบ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันลมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำในอุดมคติ เนื่องจากได้รับการออกแบบให้ทำงานที่ความเร็วต่ำและเอาต์พุตสูง
หากมีแม่น้ำหรือลำธารไหลเร็วใกล้บ้านหรือสวนของคุณซึ่งคุณสามารถใช้ได้ ระบบพลังงานน้ำขนาดเล็กอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียนรูปแบบอื่น เช่น “พลังงานลม” หรือ “พลังงานแสงอาทิตย์” เนื่องจากมีผลกระทบต่อสายตาน้อยกว่ามาก นอกจากนี้ เช่นเดียวกับพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ด้วยระบบผลิตไฟฟ้าแบบกังหันน้ำขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าของสาธารณูปโภคในท้องถิ่น ไฟฟ้าที่คุณผลิตได้แต่ไม่ได้ใช้สามารถขายคืนให้กับบริษัทไฟฟ้าได้
ในบทช่วยสอนถัดไปเกี่ยวกับพลังงานน้ำ เราจะดูกังหันประเภทต่างๆ ที่มีจำหน่าย ซึ่งเราสามารถนำมาติดตั้งกับกังหันน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าพลังน้ำได้ หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับกังหันน้ำและวิธีการผลิตไฟฟ้าด้วยตัวเองโดยใช้พลังงานน้ำ หรือต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานน้ำเกี่ยวกับกังหันน้ำแบบต่างๆ ที่มีจำหน่าย หรือเพื่อสำรวจข้อดีและข้อเสียของพลังงานน้ำ โปรดคลิกที่นี่เพื่อสั่งซื้อสำเนาจาก Amazon วันนี้เกี่ยวกับหลักการและโครงสร้างของกังหันน้ำที่สามารถใช้ผลิตไฟฟ้าได้