การออกแบบกังหานน้ำสำหรับโครงการพลังงานน้ำ

การออกแบบกังหานน้ำสำหรับพลังงานน้ำ
พลังงานน้ำเป็นเทคโนโลยีที่แปลงพลังงานจลน์ของน้ำที่เคลื่อนที่ให้เป็นพลังงานกลหรือพลังงานไฟฟ้า และหนึ่งในอุปกรณ์แรกๆ ที่ใช้ในการแปลงพลังงานของน้ำที่เคลื่อนที่ให้เป็นงานที่ใช้งานได้คือ กังหานน้ำ
การออกแบบกังหานน้ำได้พัฒนาไปตามกาลเวลา โดยบางกังหานน้ำวางในแนวตั้ง บางกังหานน้ำวางในแนวนอน และบางกังหานน้ำมีรอกและเฟืองที่ซับซ้อนติดตั้งอยู่ แต่ทั้งหมดได้รับการออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่เดียวกัน นั่นคือ "แปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้นของน้ำให้เป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน ซึ่งสามารถนำไปใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรใดๆ ที่เชื่อมต่อเข้ากับมันผ่านเพลาหมุน"

การออกแบบกังหานน้ำทั่วไป
การออกแบบกังหานน้ำในยุคแรกนั้นค่อนข้างดั้งเดิมและเรียบง่าย ประกอบด้วยล้อไม้แนวตั้งที่มีใบพัดหรือถังไม้ติดอยู่รอบเส้นรอบวงอย่างเท่าๆ กัน โดยทั้งหมดได้รับการรองรับบนเพลาแนวนอน และแรงของน้ำที่ไหลอยู่ด้านล่างจะผลักล้อในทิศทางสัมผัสกับใบพัด
กังหานน้ำแนวตั้งเหล่านี้เหนือกว่ากังหานน้ำแนวนอนแบบเดิมที่ชาวกรีกและอียิปต์โบราณใช้เป็นอย่างมาก เพราะสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า โดยแปลงโมเมนตัมของน้ำที่เคลื่อนที่ไปเป็นพลังงาน ต่อมาจึงมีการติดตั้งรอกและเฟืองเข้ากับกังหานน้ำ ซึ่งช่วยให้สามารถเปลี่ยนทิศทางการหมุนของเพลาจากแนวนอนเป็นแนวตั้ง เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนหินโม่ เลื่อยไม้ บดแร่ ตอก และตัด เป็นต้น

ประเภทของการออกแบบกังหานน้ำ
กังหานน้ำส่วนใหญ่ หรือที่รู้จักกันในชื่อโรงสีน้ำ หรือเรียกง่ายๆ ว่า กังหานน้ำนั้น เป็นกังหานที่ติดตั้งในแนวตั้งและหมุนรอบแกนแนวนอน โดยกังหานน้ำประเภทนี้จะถูกจำแนกตามวิธีการที่น้ำถูกส่งไปยังกังหาน โดยสัมพันธ์กับแกนของกังหาน อย่างที่คุณอาจคาดเดาได้ กังหานน้ำเป็นเครื่องจักรขนาดค่อนข้างใหญ่ที่หมุนด้วยความเร็วเชิงมุมต่ำ และมีประสิทธิภาพต่ำ เนื่องจากมีการสูญเสียจากแรงเสียดทานและการเติมน้ำในถังไม่เต็ม เป็นต้น
แรงดันน้ำที่กระทำต่อใบพัดหรือกระบอกของล้อทำให้เกิดแรงบิดบนแกนหมุน แต่การควบคุมทิศทางของน้ำที่ส่งไปยังใบพัดและกระบอกจากตำแหน่งต่างๆ บนล้อจะช่วยเพิ่มความเร็วในการหมุนและประสิทธิภาพได้ กังหานน้ำที่พบได้ทั่วไปมีสองประเภท คือ "กังหานน้ำแบบยิงน้ำจากด้านล่าง" และ "กังหานน้ำแบบยิงน้ำจากด้านบน"

การออกแบบกังหานน้ำแบบยิงใต้
กังหานน้ำแบบใต้ใบพัด หรือที่รู้จักกันในชื่อ "กังหานน้ำกระแสน้ำ" เป็นกังหานน้ำประเภทที่ใช้กันมากที่สุดในสมัยโบราณของชาวกรีกและโรมัน เนื่องจากเป็นกังหานน้ำที่ง่ายที่สุด ราคาถูกที่สุด และสร้างได้ง่ายที่สุด
ในกังหานน้ำแบบนี้ กังหานจะถูกวางไว้ในแม่น้ำที่ไหลเชี่ยวโดยตรงและได้รับการรองรับจากด้านบน การเคลื่อนที่ของน้ำด้านล่างจะสร้างแรงดันต่อใบพัดที่จมอยู่ใต้น้ำบริเวณส่วนล่างของกังหาน ทำให้กังหานหมุนไปในทิศทางเดียวเท่านั้นเมื่อเทียบกับทิศทางการไหลของน้ำ
กังหานน้ำแบบนี้โดยทั่วไปใช้ในพื้นที่ราบที่ไม่มีความลาดชันตามธรรมชาติ หรือในบริเวณที่มีกระแสน้ำไหลเร็วเพียงพอ เมื่อเปรียบเทียบกับกังหานน้ำแบบอื่นๆ แล้ว กังหานน้ำแบบนี้มีประสิทธิภาพต่ำมาก โดยใช้พลังงานศักยภาพของน้ำเพียงแค่ 20% ในการหมุนกังหานเท่านั้น และพลังงานของน้ำถูกใช้เพียงครั้งเดียวในการหมุนกังหาน หลังจากนั้นก็จะไหลไปพร้อมกับน้ำส่วนที่เหลือ
ข้อเสียอีกประการหนึ่งของกังหานน้ำแบบใต้ใบพัดคือ ต้องใช้น้ำปริมาณมากและไหลด้วยความเร็วสูง ดังนั้น กังหานน้ำแบบใต้ใบพัดจึงมักตั้งอยู่ริมฝั่งแม่น้ำ เนื่องจากลำธารหรือห้วยเล็กๆ ไม่มีพลังงานศักยภาพในน้ำที่ไหลมากพอ
วิธีหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหานน้ำแบบใต้ใบพัดเล็กน้อย คือการผันน้ำส่วนหนึ่งจากแม่น้ำไปตามช่องหรือท่อแคบๆ เพื่อให้น้ำที่ผันมาทั้งหมด 100% ถูกนำไปใช้หมุนกังหาน ในการทำเช่นนั้น กังหานน้ำแบบใต้ใบพัดจะต้องมีขนาดแคบและติดตั้งให้พอดีกับช่องอย่างแม่นยำเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำไหลออกไปด้านข้าง หรือโดยการเพิ่มจำนวนหรือขนาดของใบพัด

การออกแบบกังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อต
กังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตเป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุด กังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตมีโครงสร้างและการออกแบบที่ซับซ้อนกว่ากังหานน้ำแบบอันเดอร์ช็อต เนื่องจากใช้ถังหรือช่องเล็กๆ ในการทั้งดักและกักเก็บน้ำ
ถังเหล่านี้จะเต็มไปด้วยน้ำที่ไหลเข้ามาจากด้านบนของล้อ แรงโน้มถ่วงของน้ำในถังที่เต็มจะทำให้ล้อหมุนรอบแกนกลาง ในขณะที่ถังเปล่าอีกด้านหนึ่งของล้อจะเบาลง
กังหานน้ำประเภทนี้ใช้แรงโน้มถ่วงเพื่อเพิ่มผลผลิต รวมถึงพลังงานจากน้ำด้วย ดังนั้นกังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบอันเดอร์ช็อตมาก เพราะน้ำเกือบทั้งหมดและน้ำหนักของน้ำถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงาน อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับที่กล่าวมาแล้ว พลังงานของน้ำถูกใช้เพียงครั้งเดียวในการหมุนกังหาน หลังจากนั้นพลังงานก็จะไหลออกไปพร้อมกับน้ำส่วนที่เหลือ
กังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตจะถูกแขวนไว้เหนือแม่น้ำหรือลำธาร และโดยทั่วไปจะสร้างอยู่บนเนินเขา โดยรับน้ำจากด้านบนด้วยระดับความสูง (ระยะทางแนวดิ่งระหว่างน้ำด้านบนกับแม่น้ำหรือลำธารด้านล่าง) ที่ต่ำเพียง 5-20 เมตร สามารถสร้างเขื่อนหรือฝายขนาดเล็กเพื่อใช้ในการควบคุมทิศทางและเพิ่มความเร็วของน้ำไปยังด้านบนของกังหาน ทำให้กังหานมีพลังงานมากขึ้น แต่ปริมาณน้ำมากกว่าความเร็วของน้ำต่างหากที่ช่วยให้กังหานหมุนได้

โดยทั่วไปแล้ว กังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตจะถูกสร้างให้มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้แรงโน้มถ่วงของน้ำสามารถหมุนกังหานได้ในระยะทางที่ไกลที่สุด อย่างไรก็ตาม กังหานน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่จะมีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าในการสร้าง เนื่องจากน้ำหนักของกังหานและน้ำ
เมื่อถังแต่ละใบเต็มไปด้วยน้ำ น้ำหนักของน้ำจะทำให้ล้อหมุนไปในทิศทางเดียวกับการไหลของน้ำ เมื่อมุมการหมุนเข้าใกล้ด้านล่างของล้อ น้ำในถังจะไหลลงสู่แม่น้ำหรือลำธารด้านล่าง แต่ด้วยน้ำหนักของถังที่หมุนอยู่ด้านหลังจะทำให้ล้อหมุนต่อไปด้วยความเร็วคงที่ ถังเปล่าจะหมุนรอบล้อที่กำลังหมุนอยู่จนกระทั่งกลับขึ้นไปด้านบนอีกครั้งพร้อมที่จะรับน้ำเพิ่ม และวงจรก็จะเริ่มต้นใหม่ ข้อเสียอย่างหนึ่งของการออกแบบกังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตคือ น้ำจะถูกใช้เพียงครั้งเดียวเท่านั้นเมื่อไหลผ่านล้อ

การออกแบบกังหานน้ำพิทช์แบ็ค
การออกแบบกังหานน้ำแบบ Pitchback เป็นรูปแบบหนึ่งของกังหานน้ำแบบ Overshot รุ่นก่อนหน้า เนื่องจากใช้แรงโน้มถ่วงของน้ำช่วยหมุนกังหานเช่นกัน แต่ยังใช้กระแสน้ำเสียด้านล่างช่วยผลักดันเพิ่มเติมอีกด้วย กังหานน้ำแบบนี้ใช้ระบบป้อนน้ำแบบหัวต่ำ ซึ่งส่งน้ำไปยังบริเวณใกล้ส่วนบนของกังหานจากรางน้ำด้านบน
ต่างจากกังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตที่ส่งน้ำตรงไปยังเหนือล้อทำให้ล้อหมุนไปในทิศทางเดียวกับการไหลของน้ำ กังหานน้ำแบบพิทช์แบ็คจะส่งน้ำลงมาในแนวดิ่งผ่านกรวยลงไปในถังด้านล่าง ทำให้ล้อหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลของน้ำด้านบน
เช่นเดียวกับกังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตก่อนหน้านี้ น้ำหนักของน้ำในถังทำให้กังหานหมุน แต่หมุนในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา เมื่อมุมการหมุนเข้าใกล้ด้านล่างของกังหาน น้ำที่ขังอยู่ในถังจะไหลออกไปด้านล่าง เมื่อถังเปล่าติดอยู่กับกังหาน มันก็จะหมุนไปพร้อมกับกังหานเช่นเดิม จนกระทั่งกลับขึ้นไปด้านบนอีกครั้ง พร้อมที่จะเติมน้ำเพิ่ม และวงจรก็จะเริ่มต้นใหม่
ความแตกต่างในครั้งนี้คือ น้ำเสียที่ถูกระบายออกจากถังหมุนจะไหลไปในทิศทางของล้อหมุน (เนื่องจากไม่มีที่อื่นให้ไป) คล้ายกับหลักการของกังหานน้ำแบบยิงจากด้านล่าง ดังนั้นข้อได้เปรียบหลักของกังหานน้ำแบบยิงจากด้านล่างคือการใช้พลังงานจากน้ำสองครั้ง ครั้งหนึ่งจากด้านบนและอีกครั้งจากด้านล่างเพื่อหมุนล้อรอบแกนกลาง
ผลที่ได้คือ ประสิทธิภาพของการออกแบบกังหานน้ำเพิ่มขึ้นอย่างมาก เกินกว่า 80% ของพลังงานน้ำ เนื่องจากถูกขับเคลื่อนด้วยทั้งน้ำหนักของน้ำที่ไหลเข้ามาและแรงดันของน้ำที่พุ่งเข้าสู่ใบพัดจากด้านบน รวมถึงการไหลของน้ำเสียด้านล่างที่ดันใบพัดด้วย อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของกังหานน้ำแบบใบพัดคว่ำคือ จำเป็นต้องมีระบบจ่ายน้ำที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อย โดยต้องมีรางและท่อส่งน้ำอยู่เหนือกังหานโดยตรง

การออกแบบกังหานน้ำเบรสต์ช็อต
กังหานน้ำแบบเบรสต์ช็อต (Breastshot Water Wheel) เป็นกังหานน้ำแบบติดตั้งในแนวตั้งอีกแบบหนึ่ง โดยน้ำจะไหลเข้าสู่ถังน้ำประมาณครึ่งหนึ่งของความสูงระดับแกนหมุน หรือสูงกว่าเล็กน้อย แล้วไหลออกทางด้านล่างในทิศทางเดียวกับการหมุนของล้อ โดยทั่วไปแล้ว กังหานน้ำแบบเบรสต์ช็อตจะใช้ในกรณีที่ระดับความสูงของน้ำไม่เพียงพอที่จะขับเคลื่อนกังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อต (Overshot) หรือแบบพิทช์แบ็ค (Pitchback) จากด้านบน
ข้อเสียเปรียบในที่นี้คือ น้ำหนักถ่วงของน้ำถูกใช้เพียงประมาณหนึ่งในสี่ของการหมุนเท่านั้น ต่างจากแต่ก่อนที่ใช้ครึ่งรอบ เพื่อแก้ไขปัญหาความสูงของหัวน้ำที่ต่ำนี้ จึงต้องทำให้ถังของกังหานน้ำกว้างขึ้น เพื่อดึงพลังงานศักย์จากน้ำให้ได้ในปริมาณที่ต้องการ
กังหานน้ำแบบเบรสต์ช็อตใช้แรงโน้มถ่วงของน้ำในการหมุนกังหานเกือบเท่าเดิม แต่เนื่องจากระดับความสูงของน้ำเหนือระดับน้ำต่ำกว่ากังหานน้ำแบบโอเวอร์ช็อตทั่วไปประมาณครึ่งหนึ่ง ถังน้ำจึงกว้างกว่ากังหานน้ำแบบเดิมมาก เพื่อเพิ่มปริมาณน้ำที่กักเก็บไว้ในถัง ข้อเสียของการออกแบบประเภทนี้คือความกว้างและน้ำหนักของน้ำที่บรรทุกในแต่ละถังเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับการออกแบบแบบพิทช์แบ็ค กังหานน้ำแบบเบรสต์ช็อตใช้พลังงานของน้ำเป็นสองเท่า เนื่องจากกังหานน้ำถูกออกแบบมาให้ตั้งอยู่ในน้ำ ทำให้น้ำเสียช่วยในการหมุนของกังหานขณะที่ไหลลงสู่ปลายน้ำ

ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้กังหานน้ำ
ในอดีต กังหานน้ำถูกนำมาใช้ในการบดแป้ง ธัญพืช และงานเชิงกลอื่นๆ แต่กังหานน้ำยังสามารถใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ด้วย ซึ่งเรียกว่าระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ โดยการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับเพลาหมุนของกังหานน้ำ ไม่ว่าจะโดยตรงหรือโดยอ้อมโดยใช้สายพานและรอก กังหานน้ำสามารถใช้ผลิตพลังงานได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ซึ่งแตกต่างจากพลังงานแสงอาทิตย์ หากกังหานน้ำได้รับการออกแบบอย่างถูกต้อง ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กหรือ "ไมโคร" ก็สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้เพียงพอสำหรับให้แสงสว่างและ/หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านโดยเฉลี่ย
มองหาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหานน้ำที่ออกแบบมาเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้ดีที่สุดที่ความเร็วรอบค่อนข้างต่ำ สำหรับโครงการขนาดเล็ก สามารถใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาดเล็กเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วต่ำ หรือใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับของรถยนต์ก็ได้ แต่เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ออกแบบมาให้ทำงานที่ความเร็วสูงกว่ามาก จึงอาจต้องใช้ระบบเกียร์ช่วย เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหานลมเหมาะอย่างยิ่งที่จะใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหานน้ำ เนื่องจากออกแบบมาเพื่อการทำงานที่ความเร็วต่ำแต่ให้กระแสไฟฟ้าสูง
หากมีแม่น้ำหรือลำธารที่มีกระแสน้ำไหลค่อนข้างเร็วอยู่ใกล้บ้านหรือสวนของคุณ และคุณสามารถใช้ประโยชน์ได้ ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียนรูปแบบอื่น เช่น พลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากมีผลกระทบต่อทัศนียภาพน้อยกว่ามาก นอกจากนี้ เช่นเดียวกับพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าของท้องถิ่น คุณสามารถขายไฟฟ้าที่ผลิตได้แต่ไม่ได้ใช้คืนให้กับบริษัทไฟฟ้าได้
ในบทเรียนถัดไปเกี่ยวกับพลังงานน้ำ เราจะมาดูประเภทต่างๆ ของกังหันที่สามารถนำมาใช้ร่วมกับกังหันน้ำที่เราออกแบบไว้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าพลังน้ำ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบกังหันน้ำและวิธีการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยตนเองโดยใช้พลังงานน้ำ หรือเพื่อรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานน้ำในรูปแบบต่างๆ หรือเพื่อสำรวจข้อดีและข้อเสียของพลังงานน้ำ โปรดคลิกที่นี่เพื่อสั่งซื้อหนังสือเกี่ยวกับหลักการและโครงสร้างของกังหันน้ำที่สามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้จาก Amazon ในวันนี้