โรงไฟฟ้าพลังน้ำทำงานอย่างไร

โรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วโลกผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 24 เปอร์เซ็นต์ของโลก และจัดหาพลังงานให้กับผู้คนมากกว่า 1 พันล้านคนโรงไฟฟ้าพลังน้ำของโลกมีกำลังการผลิตรวม 675,000 เมกะวัตต์ เทียบเท่าพลังงานน้ำมัน 3.6 พันล้านบาร์เรล ตามรายงานของ National Renewable Energy Laboratoryมีโรงไฟฟ้าพลังน้ำมากกว่า 2,000 แห่งที่ดำเนินงานในสหรัฐอเมริกา ทำให้ไฟฟ้าพลังน้ำเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่ที่สุดของประเทศ
ในบทความนี้ เราจะมาดูกันว่าน้ำที่ตกลงมาสร้างพลังงานและเรียนรู้เกี่ยวกับวัฏจักรอุทกวิทยาที่สร้างกระแสน้ำที่จำเป็นสำหรับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำได้อย่างไรคุณยังจะได้เห็นการใช้พลังน้ำที่ไม่เหมือนใครซึ่งอาจส่งผลต่อชีวิตประจำวันของคุณ
เมื่อมองดูแม่น้ำไหลผ่าน เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงพลังที่แม่น้ำไหลผ่านหากคุณเคยล่องแก่งมาก่อน คุณจะสัมผัสได้ถึงพลังเล็กๆ น้อยๆ ของแม่น้ำแก่งน้ำเชี่ยวเกิดเป็นแม่น้ำ ไหลลงเขาเป็นจำนวนมาก คอขวดผ่านทางเดินแคบๆเมื่อแม่น้ำไหลผ่านช่องนี้ กระแสน้ำก็ไหลเร็วขึ้นอุทกภัยเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของแรงที่น้ำปริมาณมหาศาลสามารถมีได้
โรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้ประโยชน์จากน้ำและใช้กลไกง่ายๆ ในการแปลงพลังงานนั้นเป็นไฟฟ้าโรงไฟฟ้าพลังน้ำมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ค่อนข้างง่าย — น้ำที่ไหลผ่านเขื่อนจะเปลี่ยนเป็นกังหันซึ่งจะเปลี่ยนเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

นี่คือองค์ประกอบพื้นฐานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วไป:
เขื่อน – โรงไฟฟ้าพลังน้ำส่วนใหญ่อาศัยเขื่อนกักเก็บน้ำ ทำให้เกิดอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่บ่อยครั้ง อ่างเก็บน้ำนี้ถูกใช้เป็นทะเลสาบเพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ เช่น ทะเลสาบรูสเวลต์ที่เขื่อนแกรนด์คูลีในรัฐวอชิงตัน
ทางเข้า – ประตูบนเขื่อนเปิดและแรงโน้มถ่วงดึงน้ำผ่านเพนสต็อก ซึ่งเป็นท่อที่นำไปสู่กังหันน้ำสร้างแรงดันขณะไหลผ่านท่อนี้
กังหัน – น้ำกระทบและหมุนใบพัดขนาดใหญ่ของกังหันซึ่งติดอยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้านบนโดยใช้เพลากังหันประเภทที่พบมากที่สุดสำหรับโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือฟรานซิส เทอร์ไบน์ ซึ่งดูเหมือนใบพัดขนาดใหญ่ที่มีใบมีดโค้งกังหันสามารถชั่งน้ำหนักได้มากถึง 172 ตันและหมุนด้วยอัตรา 90 รอบต่อนาที (รอบต่อนาที) ตามมูลนิธิเพื่อการศึกษาน้ำและพลังงาน (FWEE)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า – เมื่อใบพัดกังหันหมุน ให้ทำชุดแม่เหล็กภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเช่นกันแม่เหล็กยักษ์หมุนผ่านขดลวดทองแดง ทำให้เกิดกระแสสลับ (AC) โดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน(คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวสร้างในภายหลัง)
หม้อแปลงไฟฟ้า – หม้อแปลงไฟฟ้าภายในโรงไฟฟ้าใช้ไฟฟ้ากระแสสลับและแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าแรงสูง
สายไฟ – จากโรงไฟฟ้าทุกแห่งจะมีสายไฟสี่สาย: ไฟฟ้าสามเฟสที่ผลิตพร้อมกัน บวกกับสายกลางหรือสายดินร่วมกันสำหรับทั้งสาม(อ่านวิธีการทำงานของกริดจำหน่ายไฟฟ้าเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการส่งสายไฟ)
การไหลออก – น้ำที่ใช้แล้วจะถูกส่งผ่านท่อที่เรียกว่า tailraces และกลับเข้าสู่แม่น้ำปลายน้ำ
น้ำในอ่างเก็บน้ำถือเป็นพลังงานสะสมเมื่อประตูเปิดออก น้ำที่ไหลผ่านเพนสต็อคจะกลายเป็นพลังงานจลน์เพราะมันกำลังเคลื่อนที่ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นนั้นพิจารณาจากปัจจัยหลายประการปัจจัยสองประการคือปริมาตรของการไหลของน้ำและปริมาณของหัวไฮดรอลิกหัวหมายถึงระยะห่างระหว่างผิวน้ำกับกังหันเมื่อหัวและการไหลเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าก็เกิดขึ้นเช่นกันศีรษะมักจะขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำในอ่างเก็บน้ำ

มีโรงไฟฟ้าพลังน้ำอีกประเภทหนึ่งเรียกว่าโรงเก็บแบบสูบน้ำในโรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วไป น้ำจากอ่างเก็บน้ำจะไหลผ่านโรงงาน ออก และไหลลงสู่กระแสน้ำโรงเก็บแบบสูบน้ำมีอ่างเก็บน้ำสองแห่ง:
อ่างเก็บน้ำด้านบน – เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วไป เขื่อนจะสร้างอ่างเก็บน้ำน้ำในอ่างเก็บน้ำนี้ไหลผ่านโรงไฟฟ้าพลังน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้า
อ่างเก็บน้ำด้านล่าง – น้ำที่ออกจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำจะไหลลงสู่อ่างเก็บน้ำด้านล่างแทนที่จะไหลลงสู่แม่น้ำอีกครั้งและไหลลงสู่ด้านล่าง
พืชสามารถสูบน้ำกลับไปที่อ่างเก็บน้ำด้านบนโดยใช้กังหันแบบย้อนกลับได้นี้จะทำในชั่วโมงนอกชั่วโมงเร่งด่วนโดยพื้นฐานแล้ว อ่างเก็บน้ำที่สองจะเติมอ่างเก็บน้ำด้านบนการสูบน้ำกลับขึ้นสู่อ่างเก็บน้ำด้านบนทำให้โรงงานมีน้ำมากขึ้นเพื่อผลิตไฟฟ้าในช่วงที่มีการบริโภคสูงสุด

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
หัวใจของโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโรงไฟฟ้าพลังน้ำส่วนใหญ่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหล่านี้หลายเครื่อง
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตามที่คุณอาจเดาได้ผลิตกระแสไฟฟ้ากระบวนการพื้นฐานในการผลิตไฟฟ้าในลักษณะนี้คือการหมุนชุดแม่เหล็กภายในขดลวดกระบวนการนี้เคลื่อนที่อิเล็กตรอนซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้า
เขื่อนฮูเวอร์มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมด 17 เครื่อง โดยแต่ละเครื่องสามารถผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 133 เมกะวัตต์กำลังการผลิตรวมของโรงไฟฟ้าพลังน้ำเขื่อนฮูเวอร์คือ 2,074 เมกะวัตต์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องประกอบด้วยชิ้นส่วนพื้นฐานบางอย่าง:
เพลา
Excitor
โรเตอร์
สเตเตอร์
เมื่อกังหันหมุน ตัวกระตุ้นจะส่งกระแสไฟฟ้าไปยังโรเตอร์โรเตอร์คือชุดของแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่หมุนอยู่ภายในขดลวดทองแดงที่มีบาดแผลอย่างแน่นหนา เรียกว่าสเตเตอร์สนามแม่เหล็กระหว่างขดลวดกับแม่เหล็กจะสร้างกระแสไฟฟ้า
ในเขื่อนฮูเวอร์ กระแสไฟ 16,500 แอมป์จะเคลื่อนที่จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยังหม้อแปลงไฟฟ้า โดยที่กระแสไฟจะเพิ่มขึ้นเป็น 230,000 แอมป์ก่อนส่ง

โรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้ประโยชน์จากกระบวนการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้ฝนตกและแม่น้ำสูงขึ้นทุกๆ วัน โลกของเราสูญเสียน้ำเพียงเล็กน้อยในชั้นบรรยากาศ เนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลตทำให้โมเลกุลของน้ำแตกออกจากกันแต่ในขณะเดียวกัน น้ำใหม่ก็ถูกปล่อยออกมาจากส่วนในของโลกผ่านการระเบิดของภูเขาไฟปริมาณน้ำที่สร้างขึ้นและปริมาณน้ำที่สูญเสียนั้นใกล้เคียงกัน
ปริมาณน้ำทั้งหมดของโลกมีหลายรูปแบบ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งอาจเป็นของเหลวได้เช่นเดียวกับในมหาสมุทร แม่น้ำ และฝนแข็งเหมือนในธารน้ำแข็งหรือก๊าซเช่นเดียวกับในไอน้ำที่มองไม่เห็นในอากาศสถานะการเปลี่ยนแปลงของน้ำเมื่อเคลื่อนตัวไปทั่วโลกโดยกระแสลมกระแสลมเกิดจากความร้อนของดวงอาทิตย์วัฏจักรของกระแสลมเกิดจากดวงอาทิตย์ที่ส่องแสงบนเส้นศูนย์สูตรมากกว่าบริเวณอื่นๆ ของโลก
วัฏจักรกระแสลมขับเคลื่อนแหล่งน้ำของโลกผ่านวัฏจักรของมันเอง เรียกว่าวัฏจักรอุทกวิทยาเมื่อแสงแดดทำให้น้ำของเหลวร้อน น้ำจะระเหยกลายเป็นไอในอากาศแสงอาทิตย์ทำให้อากาศร้อนทำให้อากาศสูงขึ้นในชั้นบรรยากาศอากาศที่สูงกว่าอากาศจะเย็นกว่า ดังนั้นเมื่อไอน้ำเพิ่มขึ้น มันก็จะเย็นตัวลงและควบแน่นเป็นหยดน้ำเมื่อมีหยดสะสมในบริเวณใดพื้นที่หนึ่งมากพอ ละอองน้ำอาจหนักพอที่จะตกลงสู่พื้นโลกในลักษณะหยาดน้ำฟ้า
วัฏจักรอุทกวิทยามีความสำคัญต่อโรงไฟฟ้าพลังน้ำเพราะขึ้นอยู่กับการไหลของน้ำหากขาดฝนใกล้ต้นไม้ น้ำจะไม่สะสมต้นน้ำน้ำไหลผ่านโรงไฟฟ้าพลังน้ำน้อยลงและผลิตไฟฟ้าได้น้อยลงเมื่อไม่มีน้ำเก็บจากต้นน้ำ