3. ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

รูปสายน้ำที่ไหลตามธรรมชาติ

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      เมื่อเรามองดูน้ำในแม่น้ำลำคลองที่ไหลไปเรื่อย ๆ เหมือนกับว่ามันไม่มีประโยชน์อันใดเลย แต่ทว่า แท้จริงแล้ว การไหลของน้ำนั้นมันมีประโยชน์ให้กับมนุษย์มหาศาลเมื่อนำมาใช้ให้เป็น

      อันประโยชน์ที่จะได้นั้นก็คือ การดึงเอาพลังงานแฝงจากน้ำจำนวนมากที่ไหลด้วยความแรง, ไหลจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำ, ไหลผ่านทางแคบ มาใช้ปั่นเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้มากมายกับมนุษย์  

รูปตัวอย่างง่าย ๆ ของการนำแรงของน้ำมาใช้ประโยชน์

      โรงไฟฟ้าพลังน้ำ จะทำหน้าที่ควบคุมพลังงานของน้ำ และใช้กลไก ที่จะเปลี่ยนพลังงานน้ำไปเป็นพลังงานกล เปลี่ยนจากพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า หลักการง่าย ๆ ของการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากน้ำก็คือ ปล่อยน้ำที่ถูกกักเก็บไว้บนเขื่อนให้ไหลออกไป ก่อนที่น้ำจะไหลออกไปสู่ข้างนอกจะต้องไปหมุน กังหันน้ำ (Hydraulic Turbine) เสียก่อน

รูปกังหันน้ำประเภทหนึ่งที่เรียกกันว่ากังหันน้ำเพลตัน

รูปกังหันเพลตัน

วิดีโอแอนิเมทชันแสดงการทำงานของกังหันน้ำเพลตัน

ซึ่งกังหันน้ำนี้จะต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ผลิตกระแสไฟฟ้าออกมา แล้วแปลงไฟฟ้าให้เป็นแรงดันสูง จากนั้นก็ส่งไปตามสายส่งไปที่สถานีไฟฟ้าย่อย ลดแรงดันไฟฟ้าลง เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าไปให้แก่ผู้บริโภคต่อไป

ด้านล่างนี้แสดงถึงส่วนประกอบพื้นฐานง่าย ๆ ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ มีดังนี้

วิดีโอการทำงานของเขื่อน

รูปส่วนประกอบของการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้เขื่อน

เขื่อน เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญ ที่อุปกรณ์ต่าง ๆ ส่วนมากจะประกอบติดกับตัวเขื่อน เขื่อนทำหน้าที่กักเก็บน้ำ (Reservoir) จำนวนมหาศาล เหนือเขื่อนขึ้นไปจะเรียกว่า ทะเลสาบ (Lake) เพื่อใช้เป็นแหล่งท่องเที่ยวพักผ่อนหย่อนใจ, ทำชลประทาน, ผลิตกระแสไฟฟ้า ฯลฯ

ประตูน้ำเข้า (Intake) เป็นประตูให้น้ำไหลเข้าไปในตัวเขื่อน โดยมีแรงดึงดูดของโลก และน้ำหนักของน้ำดึงน้ำให้ไหลผ่านเข้าไปในตัวเขื่อนเมื่อทำการเปิด ประตูควบคุม (Control gate) น้ำที่มีความดันมหาศาลวิ่งไหลผ่านท่อทางส่งน้ำ (Penstock) ไหลผ่านไปสู่กังหันน้ำ  

กังหันน้ำ (Turbine) น้ำที่ไหลมาจากท่อทางน้ำจะไหลมาปะทะกับใบกังหัน แรงของน้ำมีมากพอพอที่จะทำให้กังหันน้ำขนาดใหญ่หมุน ซึ่งแกนของกังหันจะต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำให้หมุนตามไปด้วย กังหันน้ำมีหลายชนิด ที่นิยมใช้กันมากก็คือ กังหันน้ำฟรานซิส (Francis turbine) ซึ่งคล้ายกับจานขนาดใหญ่ (รายละเอียดจะกล่าวในหัวข้อต่อต่อไป) กังหันฟรานซิสนี้มีน้ำหนักมากกว่า 172 ตัน และหมุนด้วยความเร็วประมาณ 90 รอบต่อนาที กำหนดโดย สถาบันศึกษาน้ำและพลังงาน (Foundation for Water & Energy Education: FWEE)

รูปภาคตัดของกังหันน้ำฟรานซิส

รูปกังหันน้ำเพลตัน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) เมื่อกังหันหมุน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะหมุนตามไปด้วย ภายในจะมีแม่เหล็กต่อเรียงกัน แม่เหล็กขนาดยักษ์หมุนในขดลวดทองแดง เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เกิดเป็น ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current: AC) 

รูปเครื่องกำเนิดไฟฟ้าภายในเขื่อน

รูปภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

หม้อแปลง (Transformer) หม้อแปลงจะอยู่ใน บ้านกำลังงาน (Powerhouse) หลังจากที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้สร้างกระแสไฟฟ้าขึ้นมาแล้วแต่แรงดันไฟฟ้ายังมีไม่มากพอ หน้าที่ของหม้อแปลงก็คือ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้เป็น กระแสไฟฟ้าแรงดันสูง (Higher-voltage current)

รูปหม้อแปลงไฟฟ้า

สายส่งไฟฟ้า (Power lines) หลังจากมีไฟฟ้าแรงดันสูงออกมาจะต้องมีอุปกรณ์ที่ใช่ส่งถ่ายกระแสไฟฟ้าเพื่อส่งไปสถานีไฟฟ้าที่ห่างไกลออกไป สายส่งที่ออกมาจากโรงไฟฟ้ามีสี่เส้น ซึ่งเป็นกำลังงานไฟฟ้าสามเฟส เป็นสายที่มีไฟฟ้า 3 เส้น และเป็นสายกลาง หรือสายดิน 1 เส้น

รูปสายส่งไฟฟ้าจากเขื่อนฮูเวอร์

รูปสายส่งไฟฟ้าแรงสูงเพื่อส่งไฟฟ้าไปสู่ผู้บริโภค

ทางไหลออก (Outflow) มีหน้าที่ส่งผ่านน้ำให้ออกจากเขื่อน เรียกกันว่า ร่องน้ำท้าย (Tailraces) และจะไหลลงไปสู่แม่น้ำลำธารที่อยู่ระดับต่ำกว่าต่อไป

รูปทางไหลของน้ำที่ออกจากเขื่อน

วิดีโอแสดงการทำงานของเขื่อนเป็นแอนิเมทชัน

ในแหล่งกักเก็บน้ำนั้นจะให้ความสำคัญกับ พลังงานที่สะสม (Stored energy) ก็คือปริมาณน้ำที่มีอยู่ในเขื่อน ถ้ามีระดับน้ำมากพลังงานที่สะสมไว้ก็จะมาก เมื่อเปิดประตูน้ำให้น้ำไหลผ่าน น้ำจะไหลผ่านท่อทางน้ำ พลังงานเคลื่อนที่ของน้ำที่ไหลเราเรียกว่า พลังงานจลน์ (Kinetic energy) 

      การคิดคำนวณปริมาณของไฟฟ้าที่สามารถผลิตออกมาได้นั้นมีปัจจัยให้คำนึงถึงอยู่มากมาย ในนั้นก็จะมีอยู่สองปัจจัยหลักอันได้แก่ การไหลของน้ำ (Water flow) และจำนวนของระดับความสูงของน้ำ หรือเฮดน้ำ (Hydraulic head) 

      เฮดน้ำวัดจากระยะระหว่างพื้นผิวน้ำ ถึงตัวกังหัน ถ้าการไหล และระดับความสูงของน้ำมีค่าลดลง จะมีผลต่อการผลิตกระแสไฟฟ้า ดังนั้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการจ่ายกระแสไฟฟ้า ปริมาณน้ำในเขื่อนควรจะมีปริมาณน้ำอยู่ในระดับที่สูงอยู่เสมอ

วิดีโอเขื่อนทรีจอร์จ (Three gorges) ของจีน

วิดีโอแอนิเมทชันของเขื่อนทรีจอร์จ

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ทำงานเพราะต้องทำงาน กับทำงานเพราะรักงาน
ให้ความรู้สึกที่ต่างกัน และให้ผลงานที่ต่างกันด้วย”