3 พลังงานน้ำ รูปประโยชน์เขื่อนผลิตกระแสไฟฟ้า?

พลังงานน้ำ

พลังงานน้ำหมายถึง  การเคลื่อนที่ของน้ำจากที่สูงสู่ที่ต่ำ  รูปแบบที่คุ้นเคยคือ  การสร้างเขื่อนเก็บกักน้ำเพื่อสะสมพลังงานศักย์  เมื่อเปิดประตูที่ปิดกั้นทางเดินของน้ำ  พลังงานศักย์ที่สะสมอยู่        จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์  สามารถนำไปฉุดกังหัน  และต่อเชื่อมเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้น

พลังงานของมวลน้ำที่เคลื่อนที่  มนุษย์นำมาใช้โดยได้มีการสร้างกังหันน้ำ (Water Wheel)    เพื่อใช้ในการงานต่างๆ ในอินเดียและชาวโรมันก็ได้มีการประยุกต์ใช้เพื่อใช้ในการโม่แป้งจากเมล็ดพืชในจีนใช้พลังงานน้ำเพื่อสร้าง  Pot  Wheel  เพื่อใช้ในวิดน้ำเพื่อการชลประทาน  โดยในช่วงทศวรรษ 1830  ซึ่งเป็นยุคที่การสร้างคลองเฟื่องฟูถึงขีดสุดก็ได้มีการประยุกต์เอาพลังงานน้ำมาใช้เพื่อขับเคลื่อนเรือขึ้นและลงจากเขา โดยอาศัยรางรถไฟที่ลาดเอียง (Inclined  Plane Railroad : Funicular)  พลังงานน้ำเป็นพลังงานที่ได้จากแรงอัดดันของน้ำ  เป็นการนำพลังงานจากแรงของน้ำที่เคลื่อนที่หรือไหลจากบริเวณที่สูงกว่าลงสู่ตำแหน่งที่ต่ำกว่า  โดยอาศัยหลักการของแรงโน้มถ่วงของโลก  พลังงานศักย์ของน้ำถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์อุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนนี้คือกังหันน้ำ (Turbines)  น้ำที่มีความเร็วสูงจะผ่านเข้าท่อแล้วให้พลังงานจลน์ทำให้กังหันน้ำหมุนขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ประเภทของพลังงานน้ำ

1.  พลังงานน้ำตก เป็นการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานจากน้ำโดยอาศัยพลังงานของน้ำตก  เช่นน้ำตกที่เกิดจากการสร้างเขื่อนกั้นน้ำ  น้ำตกจากทะเลสาบบนเทือกเขาสู่หุบเขา กระแสน้ำในแม่น้ำไหลตกหน้าผา  การสร้างเขื่อนกั้นน้ำและให้น้ำตกไหลผ่านกังหันน้ำ  ซึ่งติดอยู่บนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  กำลังของน้ำที่ได้จะขึ้นอยู่กับความสูงของน้ำและอัตราการไหลของน้ำที่ปล่อยลงมา 

รูปที่ 3.17  พลังงานน้ำตก

ที่มา:http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/71/index71.htm

2.  พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง มีพื้นฐานมาจากพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ของระบบที่ประกอบด้วยดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์  พลังงานน้ำขึ้นน้ำลงให้เป็นพลังงานไฟฟ้ามีวิธีการเลือกแม่น้ำหรืออ่าวที่มีพื้นที่เก็บน้ำได้มาก เพื่อให้เกิดเป็นอ่างเก็บน้ำ เมื่อน้ำขึ้นจะไหลเข้าสู่อ่างเก็บน้ำ และเมื่อน้ำลงน้ำจะไหลออกจากอ่างเก็บน้ำ การไหลเข้าออกจากอ่างของน้ำต้องควบคุมให้ไหลผ่านกังหันน้ำที่ต่อเชื่อมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อกังหันน้ำหมุนก็จะได้ไฟฟ้าออกมาใช้งาน  หลักการผลิตไฟฟ้าจากน้ำขึ้นน้ำลงมีหลักการเช่นเดียวกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำตก แต่กำลังที่ได้จากพลังงานจากน้ำขึ้นน้ำลงไม่ค่อยสม่ำเสมอ

รูปที่ 3.18  พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง

ที่มา:http://www.thaigoodview.com/node/133129

3. พลังงานคลื่นเป็นพลังงานที่ลมถ่ายทอดให้กับผิวน้ำในมหาสมุทรเกิดเป็นคลื่นวิ่งเข้าสู่ชายฝั่งและเกาะแก่งต่างๆ เครื่องผลิตไฟฟ้าพลังงานคลื่นจะถูกออกแบบให้ลอยตัวอยู่บนผิวน้ำบริเวณหน้าอ่าวด้านหน้าที่หันเข้าหาคลื่น การผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานคลื่นในปัจจุบันประเทศไทยยังใช้ไม่ได้

รูปที่ 3.19  พลังงานคลื่น

ที่มา:http://atcloud.com/stories/5118

รูปแบบของโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ

โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำเป็นรูปแบบเพื่อรองรับระบบการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำตกแหล่งที่เป็นแหล่งธรรมชาติที่อยู่บนพื้นโลก  แบ่งออกเป็น 3 ประเภท (วัฒนา  ถาวร. 2543 : 35-41)  คือ

1.  โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบไม่มีอ่างเก็บน้ำ (run  of  river)  เป็นโรงไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเพื่อผลิตไฟฟ้า  โดยการบังคับทิศทางการไหลของน้ำจากแหล่งน้ำเล็กๆ  เช่น  ตามลำห้วย  ลำธารหรือฝายต่างๆ ให้มารวมตัวกัน  และไหลผ่านท่อหรือรางน้ำที่จัดทำไว้  และใช้แรงดันของน้ำซึ่งตกจากตำแหน่งที่สูงมาหมุนกังหันซึ่งต่อกับแกนหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ลักษณะของโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบไม่มีอ่างเก็บน้ำ

รูปที่ 3.20  แสดงลักษณะโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบไม่มีอ่างเก็บน้ำ

ที่มา: วัฒนา  ถาวร, 2543 : 35

2.  โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบมีอ่างเก็บน้ำ (storage regulation  development)เป็นโรงไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ผลิตไฟฟ้า  โดยการใช้พลังงานน้ำที่มีอยู่ซึ่งอาจเป็นแหล่งธรรมชาติหรือเกิดจากการสร้างขึ้นมาเองในลักษณะของเขื่อน  ซึ่งน้ำที่มีอยู่ในอ่างหรือเขื่อนจะมีปริมาณมากพอที่จะถูกปล่อยออกมาเพื่อผลิตไฟฟ้าได้ตลอดเวลา  ในประเทศไทยโรงไฟฟ้าแบบนี้ถูกใช้เป็นหลักในการผลิตกระแสไฟฟ้า  เพราะเป็นระบบที่มีความมั่นคงในการผลิตและจ่ายไฟสูง

รูปที่ 3.21  แสดงลักษณะโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบมีอ่างเก็บน้ำ

ที่มา: วัฒนา  ถาวร, 2543 : 36

3.โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบสูบน้ำกลับ (pumped  storage  plant)  โรงไฟฟ้าแบบนี้ถูกสร้างบนพื้นฐานความคิดในการจัดการกระแสไฟฟ้าส่วนเกิน  เพราะโดยปกติการใช้ไฟฟ้าในช่วงกลางคืนที่ค่อนดึกไปแล้ว  จะมีการใช้ไฟฟ้าลดลงแต่กำลังการผลิตไฟฟ้ายังคงเท่าเดิม  ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า  โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบสูบน้ำกลับเป็นโรงไฟฟ้าที่มีอ่างเก็บน้ำสองส่วนคือ  อ่างเก็บน้ำส่วนบน (upper  reservoir)  และอ่างเก็บน้ำส่วนล่าง (lower  reservoir)  น้ำจะถูกปล่อยจากอ่างเก็บน้ำส่วนบนลงมาเพื่อหมุนกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อต้องการผลิตไฟฟ้า  และในช่วงที่ความต้องการใช้ไฟฟ้าต่ำหรือน้อยลง  จะใช้ไฟฟ้าที่เหลือจ่ายให้กับปั๊มน้ำขนาดใหญ่ที่ติดตั้งอยู่ในอ่างเก็บน้ำส่วนล่าง  เพื่อสูบน้ำจากอ่างเก็บน้ำส่วนล่างนี้กลับขึ้นไปเก็บไว้ที่อ่างเก็บน้ำส่วนบน  เพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าต่อไป

รูปที่ 3.22  แสดงลักษณะโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบบสูบกลับ

ที่มา: วัฒนา ถาวร, 2543 : 37

ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

1.  อาคารรับน้ำ (power  intake)  คืออาคารสำหรับรับน้ำที่ไหลจากอ่างลงสู่ท่อ  ที่อยู่ภายในตัวอาคาร  เพื่อนำพลังงานน้ำไปหมุนกังหันและหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ภายในตัวอาคารจะมีห้องควบคุมระบบการไหลของน้ำและระบบการผลิตไฟฟ้า

2.  ตะแกรง (screen)  เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ป้องกันเศษไม้หรือวัตถุใดๆ ที่จะผ่านเข้าไปทำให้เกิดการอุดตันของท่อส่งน้ำ

3.  อุโมงค์เหนือน้ำ (headrace)  เป็นช่องสำหรับให้น้ำไหลเข้ามายังท่อส่งน้ำอยู่ภายในตัวเขื่อน

อุโมงค์นี้จะอยู่ในตัวอาคารรับน้ำมีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปเกือกม้าหรือวงกลมทำด้วยคอนกรีตเสริมเหล็ก

4.  ท่อส่งน้ำ (penstock)  เป็นท่อสำหรับรับน้ำจากเหนือเขื่อนและส่งต่อไปยังอาคารรับน้ำเพื่อหมุนกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

5.  อาคารลดแรงดันน้ำ (surge  tank)  เป็นอาคารที่สร้างขึ้นเพื่อควบคุมแรงดันของน้ำที่จะอัดใส่ภายในท่อส่งน้ำซึ่งอาจทำให้ท่อหรือหัวฉีดน้ำเสียหาย

6.  ประตูน้ำ (wicket  gate  or  guide  vane)  เป็นบานประตูที่ควบคุมการไหลของน้ำที่จะไหลเข้าไปหมุนใบพัดของกังหัน  ควบคุมโดยการปิดหรือเปิดประตูน้ำให้น้ำไหลผ่านเข้าไปยังท่อ

7.  กังหันน้ำ (water  turbine)  เป็นตัวรับแรงดันของน้ำที่ไหลมาจากท่อส่งน้ำ  โดยแรงดันนี้จะทำหน้าที่ฉีดหรือผลักดันให้กังหันหมุน  ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถผลิตไฟฟ้าออกมาได้  กังหันเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ 

8. ท่อรับน้ำ (draft  tube)  เป็นท่อรับน้ำหลังจากที่น้ำผ่านออกมาจากกังหันเพื่อนำน้ำออกไปยังท้ายน้ำ  ท่อรับน้ำนี้จะอยู่บริเวณส่วนหลังของกังหัน

9.  ทางน้ำล้น (spill  way)  คือทางระบายน้ำออกจากอ่างเก็บน้ำ  ในกรณีที่น้ำในอ่างมีระดับสูงเกินไป  ทางน้ำล้นจะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะให้ปริมาณน้ำสูงสุดที่ระบายออก  สามารถระบายออกได้ทัน  เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายแก่เขื่อน

10.เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator)  เป็นอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนพลังงานกลจากการหมุนของ

กังหันมาเป็นพลังงานไฟฟ้า  โดยใช้หลักการของขดลวดตัดผ่านสนามแม่เหล็ก

11.  หม้อแปลง (transformer)  เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้สำหรับแปลงแรงดัน  ไฟฟ้าที่ผลิตได้จาก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ให้เป็นไฟฟ้าที่มีแรงดันสูงเพื่อส่งเข้าสู่ระบบสายส่งต่อไป

รูปที่ 3.23  โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ

ที่มา:http://mblog.manager.co.th/ratchadaphorn/th-17405/

ประเทศไทยกับการใช้พลังงานน้ำ

ประเทศไทยใช้ไฟฟ้าจากการผลิตด้วยพลังงานจากน้ำประมาณร้อยละ 5-6 ของปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั่วประเทศ

การใช้ประโยชน์ของพลังงานน้ำ

การสร้างเขื่อนเป็นการเก็บกักน้ำเอาไว้ใช้ในช่วงที่ไม่มีฝนตก ทำให้ได้แหล่งน้ำขนาดใหญ่ การใช้พลังงานน้ำเป็นการใช้เฉพาะส่วนที่อยู่ในรูปพลังงานซึ่งไม่ใช่เป็นเนื้อมวลสารดังนั้นเมื่อใช้พลังงานไปแล้วเนื้อมวลสารของน้ำก็ยังคงเหลืออยู่  น้ำที่ถูกปล่อยออกมายังมีปริมาณและคุณภาพเหมือนเดิมสามารถนำไปใช้ประโยชน์อย่างอื่นได้อีกมากมาย  เช่น

1. เพื่อการชลประทาน

2.  การเกษตร

3.  การอุปโภคบริโภค

4.  การเดินเรือ

5.  ประกอบอาชีพด้านประมง

6.  สถานที่ท่องเที่ยวพักผ่อนหย่อนใจ

7.  การผลิตพลังงานไฟฟ้า   ระบบการใช้พลังงานน้ำผลิตกระแสไฟฟ้าเป็นระบบที่มีประสิทธิภาพสูงสามารถ  ดำเนินการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในเวลาอันรวดเร็ว  และสามารถควบคุมให้ผลิตพลังงานออกมาได้ใกล้เคียงกับความต้องการ  ทำให้การผลิตและการใช้พลังงานเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 3.24  เขื่อนไฟฟ้าพลังงานน้ำ

ที่มา:http://53011711152.blogspot.com/2012/08/blog-post.html

ข้อเสียของการใช้พลังงานน้ำ

1.  ในการสร้างเขื่อนเพื่อกักเก็บน้ำนั้น  จะต้องมีการสูญเสียพื้นที่ป่าไม้เป็นบริเวณกว้าง          ซึ่งนับวันป่าไม้จะหมดลงไปทุกที  และทำให้สัตว์ป่าต้องอพยพหนีน้ำท่วม  บางชนิดอาจสูญพันธุ์ไปจากโลกเลยก็ได้  ซึ่งถือเป็นการทำลายระบบนิเวศวิทยาของพื้นที่บริเวณนั้นอย่างรุนแรง  นอกจากนี้ยังทำให้ชีวิตความเป็นอยู่ของคนในพื้นที่ต้องเปลี่ยนไปจากเดิมด้วย

2.  ต้องใช้เงินลงทุนสูงในการสร้างเขื่อนหรือพัฒนาแหล่งพลังงานน้ำเพื่อให้ได้ลักษณะ

ภูมิประเทศที่เหมาะสม เช่น ต้องการพื้นที่ที่มีระดับท้องน้ำลึกๆ สำหรับการสร้างเขื่อนสูงโดยที่มี 

ความยาวไม่มากนัก  ซึ่งพื้นที่เหล่านี้มักจะอยู่ในป่าหรือช่องเขาแคบๆ

3.  เนื่องจากแหล่งพลังงานน้ำส่วนใหญ่อยู่ในที่ห่างไกลชุมชน  จึงมักเกิดปัญหาในเรื่อง

การจัดหาบุคลากรไปปฏิบัติงาน  รวมทั้งการซ่อมแซม  การบำรุงรักษาสิ่งก่อสร้างและอุปกรณ์ต่างๆ

ไม่ค่อยสะดวกนักเพราะการคมนาคมไม่สะดวก

4.  ในบางโอกาสอาจเกิดปัญหาจากสภาวะของน้ำฝนที่ตกลงสู่แหล่งกักเก็บน้ำ มักมีความ

ไม่แน่นอนทำให้เกิดผลกระทบต่อการผลิตไฟฟ้าได้

ประโยชน์ของโรงไฟฟ้าพลังงานจากน้ำ

1.  มีอายุการใช้งานประมาณ 50 ปี  ขึ้นไป

2.มีประสิทธิภาพในการเดินเครื่องสูงสุด  สามารถหยุดและเดินเครื่องได้อย่างฉับพลัน

3.ต้นทุนในการผลิตต่ำ  เพราะใช้น้ำธรรมชาติเป็นแหล่งพลังงานในการเดินเครื่อง

4.  น้ำเป็นแหล่งพลังงานภายในประเทศที่เกิดจากฝน  ซึ่งมีการหมุนเวียนตามธรรมชาติไม่มีวันหมดสิ้น

5.  เป็นแหล่งพลังงานบริสุทธิ์ไม่มีมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม

6.  อุปกรณ์ต่างๆ ของระบบพลังงานน้ำส่วนใหญ่จะมีความทนทานสูงมีอายุการใช้งานนาน

7.  ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานในการใช้พลังงานจากน้ำค่อนข้างต่ำ  เพราะไม่ต้องสิ้นเปลือง

ค่าเชื้อเพลิง และเนื่องจากไม่มีการปล่อยมลพิษจึงไม่ต้องจ่ายค่ากำจัดมลพิษ

ผลกระทบที่เกิดจากการใช้พลังงานจากน้ำผลิตกระแสไฟฟ้า

การใช้พลังงานจากน้ำในการผลิตกระแสไฟฟ้า  จะไม่ก่อให้เกิดผลกระทบกับสิ่งแวดล้อม  แต่ในการสร้างเขื่อนเพื่อเก็บกักน้ำ  จะมีปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ควรคำนึงถึงคือการสูญเสียพื้นที่ป่าอย่างมหาศาล การอพยพราษฎรออกจากพื้นที่  สัตว์ป่าสูญเสียที่อยู่อาศัยหรืออาจต้องสูญพันธุ์ไป  แร่ธาตุต่างๆ ที่มีอยู่ในพื้นที่จะต้องจมอยู่ใต้น้ำไม่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้

รูปที่ 3.25  โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ