ความรู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับพลังงานน้ำ

ในแม่น้ำตามธรรมชาติ น้ำจะไหลจากต้นน้ำไปยังปลายน้ำโดยผสมกับตะกอน และมักจะชะล้างพื้นแม่น้ำและลาดตลิ่ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีพลังงานบางส่วนซ่อนอยู่ในน้ำ ภายใต้สภาวะธรรมชาติ พลังงานศักยภาพนี้จะถูกใช้ไปในการกัดเซาะ ผลักดันตะกอน และเอาชนะแรงเสียดทาน หากเราสร้างสิ่งก่อสร้างและติดตั้งอุปกรณ์ที่จำเป็นเพื่อให้กระแสน้ำไหลผ่านกังหันน้ำอย่างต่อเนื่อง กังหันน้ำจะถูกขับเคลื่อนด้วยกระแสน้ำเหมือนกังหันลมที่สามารถหมุนได้อย่างต่อเนื่อง และพลังงานน้ำจะถูกแปลงเป็นพลังงานกล เมื่อกังหันน้ำขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้หมุนไปพร้อมกัน ก็จะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ และพลังงานน้ำก็ถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า นี่คือหลักการพื้นฐานของการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ กังหันน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์พื้นฐานที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ ขออนุญาตแนะนำความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำโดยสังเขป

1. พลังงานน้ำและพลังงานจากการไหลของน้ำ

ในการออกแบบโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เพื่อกำหนดขนาดของโรงไฟฟ้า จำเป็นต้องทราบกำลังการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า ตามหลักการพื้นฐานของการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ จะเห็นได้ไม่ยากว่ากำลังการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าถูกกำหนดโดยปริมาณงานที่กระแสน้ำสามารถทำได้ เราเรียกงานทั้งหมดที่น้ำสามารถทำได้ในช่วงเวลาหนึ่งว่า พลังงานน้ำ และงานที่สามารถทำได้ในหน่วยเวลา (วินาที) เรียกว่า กำลังของกระแสน้ำ เห็นได้ชัดว่า ยิ่งกำลังของกระแสน้ำมากเท่าไร กำลังการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น เพื่อให้ทราบกำลังการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า เราจึงต้องคำนวณกำลังของกระแสน้ำก่อน พลังงานการไหลของน้ำในแม่น้ำสามารถคำนวณได้ดังนี้ โดยสมมติว่าระดับน้ำลดลงในบางช่วงของแม่น้ำคือ H (เมตร) และปริมาตรน้ำ H ที่ไหลผ่านช่วงหน้าตัดของแม่น้ำในหน่วยเวลา (วินาที) คือ Q (ลูกบาศก์เมตร/วินาที) ดังนั้นพลังงานการไหลในช่วงหน้าตัดจึงเท่ากับผลคูณของน้ำหนักของน้ำและการลดลงของระดับน้ำ เห็นได้ชัดว่ายิ่งระดับน้ำลดลงมากเท่าไร การไหลก็จะยิ่งมากขึ้น และพลังงานการไหลของน้ำก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
2. ผลผลิตจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

ภายใต้ระดับความสูงและอัตราการไหลที่กำหนด กระแสไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้าพลังน้ำสามารถผลิตได้เรียกว่ากำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ เห็นได้ชัดว่ากำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ขึ้นอยู่กับกำลังการไหลของน้ำที่ผ่านกังหัน ในกระบวนการแปลงพลังงานน้ำเป็นพลังงานไฟฟ้า น้ำจะต้องเอาชนะแรงต้านทานของพื้นแม่น้ำหรือสิ่งก่อสร้างต่างๆ ตลอดทางจากต้นน้ำไปยังปลายน้ำ กังหันน้ำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และอุปกรณ์ส่งกำลังก็ต้องเผชิญกับแรงต้านทานมากมายในระหว่างการทำงานเช่นกัน เพื่อเอาชนะแรงต้านทานเหล่านั้น จำเป็นต้องมีการทำงาน และพลังงานการไหลของน้ำจะถูกใช้ไป ซึ่งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น กำลังการไหลของน้ำที่สามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าได้จึงมีค่าน้อยกว่าค่าที่ได้จากสูตร กล่าวคือ กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำควรเท่ากับกำลังการไหลของน้ำคูณด้วยค่าที่น้อยกว่า 1 ค่าสัมประสิทธิ์นี้เรียกว่าประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ
ค่าประสิทธิภาพเฉพาะของโรงไฟฟ้าพลังน้ำนั้นสัมพันธ์กับปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปเมื่อน้ำไหลผ่านอาคารและกังหันน้ำ อุปกรณ์ส่งกำลัง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ ยิ่งสูญเสียมาก ประสิทธิภาพก็จะยิ่งต่ำลง ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก ผลรวมของการสูญเสียเหล่านี้คิดเป็นประมาณ 25-40% ของกำลังน้ำที่ไหลผ่าน กล่าวคือ น้ำที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 100 กิโลวัตต์ไหลเข้าสู่โรงไฟฟ้าพลังน้ำ แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้เพียง 60-75 กิโลวัตต์ ดังนั้นประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังน้ำจึงอยู่ที่ประมาณ 60-75%

จากบทนำข้างต้นจะเห็นได้ว่า เมื่ออัตราการไหลและความแตกต่างของระดับน้ำในโรงไฟฟ้าพลังน้ำคงที่ กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพ จากการปฏิบัติจริงพิสูจน์แล้วว่า นอกเหนือจากประสิทธิภาพของกังหันน้ำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และอุปกรณ์ส่งกำลังแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เช่น คุณภาพของการก่อสร้างอาคารและการติดตั้งอุปกรณ์ คุณภาพของการดำเนินงานและการจัดการ และความถูกต้องของการออกแบบโรงไฟฟ้าพลังน้ำ แน่นอนว่า ปัจจัยเหล่านี้บางส่วนเป็นปัจจัยหลักและบางส่วนเป็นปัจจัยรอง และภายใต้เงื่อนไขบางประการ ปัจจัยหลักและปัจจัยรองก็จะเปลี่ยนแปลงไปเป็นปัจจัยอื่นได้
อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าปัจจัยใด ปัจจัยชี้ขาดคือ มนุษย์ไม่ใช่วัตถุ เครื่องจักรถูกควบคุมโดยมนุษย์ และเทคโนโลยีถูกควบคุมโดยความคิด ดังนั้น ในการออกแบบ การก่อสร้าง และการเลือกอุปกรณ์ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ จำเป็นต้องให้บทบาทสำคัญของมนุษย์อย่างเต็มที่ และมุ่งมั่นสู่ความเป็นเลิศทางเทคโนโลยีเพื่อลดการสูญเสียพลังงานจากการไหลของน้ำให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำบางแห่งที่มีระดับความสูงของน้ำค่อนข้างต่ำ ในขณะเดียวกัน จำเป็นต้องเสริมสร้างการดำเนินงานและการจัดการโรงไฟฟ้าพลังน้ำให้มีประสิทธิภาพ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้า ใช้ทรัพยากรน้ำอย่างเต็มที่ และทำให้โรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กมีบทบาทมากขึ้น