พลังงานน้ำ

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

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

3. พลังงานคลื่น เป็นพลังงานที่ลมถ่ายทอดให้กับผิวน้ำในมหาสมุทรเกิดเป็นคลื่นวิ่งเข้าสู่ชายฝั่งและเกาะแก่งต่างๆ เครื่องผลิตไฟฟ้าพลังงานคลื่นจะถูกออกแบบให้ลอยตัวอยู่บนผิวน้ำบริเวณหน้าอ่าวด้านหน้าที่หันเข้าหาคลื่น การผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานคลื่นในปัจจุบันประเทศไทยยังใช้ไม่ได้

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

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

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

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

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

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