โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ

ลักษณะการทำงาน

          โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าที่สำคัญอีกชนิดหนึ่งของประเทศไทย โรงไฟฟ้าชนิดนี้ใช้น้ำในลำน้ำธรรมชาติเป็นพลังงาน ในการเดินเครื่อง โดยวิธีสร้างเขื่อนปิดกั้นแม่น้ำไว้ เป็นอ่างเก็บน้ำ ให้มีระดับอยู่ในที่สูงจนมีปริมาณน้ำ และแรงดันเพียงพอที่จะนำมาหมุนเครื่องกังหันน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งอยู่ในโรงไฟฟ้าท้ายน้ำที่มีระดับต่ำกว่าได้ กำลังผลิตติดตั้งและพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าชนิดนี้ จะเพิ่มเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันและปริมาณน้ำที่ไหลผ่านเครื่องกังหันน้ำ

          โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแบ่งตามลักษณะการบังคับน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าได้ 4 แบบ คือ 
          1. โรงไฟฟ้าแบบมีน้ำไหลผ่านตลอดปี (Run-of-river Hydro Plant)
          โรงไฟฟ้าแบบนี้ไม่มีอ่างเก็บน้ำ โรงไฟฟ้าจะผลิตไฟฟ้าโดยการใช้น้ำที่ไหลตามธรรมชาติของลำน้ำ หากน้ำมีปริมาณมากเกินไป กว่าที่โรงไฟฟ้าจะรับไว้ได้ก็ต้องทิ้งไป ส่วนใหญ่โรงไฟฟ้าแบบนี้จะอาศัยติดตั้งอยู่กับเขื่อนผันน้ำชลประทานซึ่งมีน้ำไหลผ่านตลอดปี จากการกำหนดกำลังผลิตติดตั้งมักจะคิดจากอัตราการไหลของน้ำประจำปีช่าวต่ำสุดเพื่อที่จะสามารถเดินเครื่องผลิตไฟฟ้าได้อย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งปี ตัวอย่างของโรงไฟฟ้าชนิดนี้ได้แก่ โรงไฟฟ้าที่ กฟผ.กำลังศึกษาเพื่อก่อสร้างที่เขื่อนผันน้ำเจ้าพระยา
จังหวัดชัยนาท และเขื่อนผันน้ำวชิราลงกรณ จังหวัดกาญจนบุรี 
          2. โรงไฟฟ้าแบบมีอ่างเก็บน้ำขนาดเล็ก (Regulating Pond Hydro Plant)
          โรงไฟฟ้าแบบมีอ่างเก็บน้ำขนาดเล็กที่สามารถบังคับการไหลของน้ำได้ในช่วงสั้นๆ เช่น ประจำวัน หรือประจำสัปดาห์ การผลิตไฟฟ้าจะสามารถควบคุมให้สอดคล้องกับความต้องการได้ดีกว่าโรงไฟฟ้าแบบ (Run-of-river) แต่อยู่ในช่วงเวลาที่จำกัดตามขนาดของอ่างเก็บน้ำ ตัวอย่างของโรงไฟฟ้าประเภทนี้ได้แก่ โรงไฟฟ้าเขื่อนท่าทุ่งนา จังหวัดกาญจนบุรี และโรงไฟฟ้าขนาดเล็กบ้านสันติจังหวัดยะลา 
          3. โรงไฟฟ้าแบบมีอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ (Reservoir Hydro Plant)
          โรงไฟฟ้าแบบนี้มีเขื่อนกั้นน้ำขนาดใหญ่และสูงกั้นขวางลำน้ำไว้ ทำให้เกิดเป็นทะเลสาบใหญ่ ซึ่งสามารถเก็บกักน้ำในฤดูฝน
และนำไปใช้ในฤดูแล้งได้ โรงไฟฟ้าแบบนี้นับว่ามีประโยชน์มาก เพราะสามารถควบคุมการใช้น้ำในการผลิตกระแสไฟฟ้า เสริมในช่วงที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงตลอดปี โรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดใหญ่ส่วนมากในประเทศไทยจัดอยู่ในโรงไฟฟ้าประเภทนี้ 
          4. โรงไฟฟ้าแบบสูบน้ำกลับ ( Pumped Storage Hydro Plant)
          โรงไฟฟ้าแบบนี้มีเครื่องสูบน้ำที่สามารถสูบน้ำที่ปล่อยจากอ่างเก็บน้ำลงมาแล้ว นำกลับขึ้นไป เก็บไว้ในอ่างเก็บน้ำเพื่อใช้ผลิต
กระแสไฟฟ้าได้อีก ประโยชน์ของโรงไฟฟ้าชนิดนี้เกิดจากการแปลงพลังงานที่เหลือใช้ในช่วงที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าต่ำ เช่นเวลาเที่ยงคืนนำไปสะสมไว้ในรูปของการเก็บน้ำในอ่างน้ำเพื่อที่จะสามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้อีกครั้งหนึ่งในช่วงที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูง เช่น เวลาหัวค่ำ ตัวอย่างของโรงไฟฟ้าแบบนี้ ได้แก่ โรงไฟฟ้าเขื่อนศรีนครินทร์ได้หน่วยที่ 4 ซึ่งสามารถสูบน้ำกลับขึ้น ไปเก็บไว้ในอ่างเก็บน้ำเขื่อนศรีนครินทร์ได้

ส่วนประกอบที่สำคัญ
          เขื่อนเก็บกักน้ำ ทำหน้าที่เก็บกักน้ำในลำน้ำไว้เป็นอ่างเก็บน้ำให้มีปริมาณ และระดับน้ำสูงพอที่จะใช้ในการเดินเครื่องผลิตไฟฟ้า แบ่งออกเป็นประเภทใหญ่ 5 ประเภท คือ

          1. เขื่อนหิน 
          เขื่อนชนิดนี้ไม่จำเป็นต้องมีดินฐานรากที่แข็งแรงมาก วัสดุที่ใช้เป็นตัวเขื่อนประกอบด้วยหินถมที่หาได้จากบริเวณใกล้เคียง
กับสถานที่ก่อสร้างเป็นส่วนใหญ่ มีผนังกันน้ำซึมอยู่ตรงกลางแกนเขื่อน หรือด้านหน้าหัวเขื่อนโดยวัสดุที่ใช้ทำผนังกันน้ำซึม อาจจะเป็นดินเหนียว คอนกรีตหรือวัสดุกันซึมอื่นๆ เช่น ยางแอสฟัลท์ก็ได้ ตัวอย่าง เขื่อนชนิดนี้ในประเทศไทย ได้แก่ เขื่อนศรีนครินทร์ เขื่อนวชิราลงกรณ์ และเขื่อนบางลาง เป็นต้น 
          2. เขื่อนดิน 
          เขื่อนดินมีคุณสมบัติและลักษณะในการออกแบบคล้ายคลึงกับเขื่อนหิน แต่วัสดุที่ใช้ถมตัวเขื่อนมีดินเป็นส่วนใหญ่ ตัวอย่างเขื่อนชนิดนี้ในประเทศไทย ได้แก่ เขื่อนสิริกิติ์ เขื่อนแก่งกระจาน และเขื่อนแม่งัด เป็นต้น
          3. เขื่อนคอนกรีตแบบกราวิตี้
เขื่อนชนิดนี้ใช้ก่อสร้างในที่ตั้งที่มีหินฐานรากเป็นหินที่ดีมีความแข็งแรง การออกแบบตัวเขื่อนเป็นคอนกรีตที่มีความหนาและน้ำหนักมากพอที่จะต้านทานแรงดันของน้ำ หรือแรงดันอื่นๆได้ โดยอาศัยน้ำหนักของตัวเขื่อนเอง รูปตัดของตัวเขื่อนมักจะเป็นรูปสามเหลี่ยมเป็นแนวตรงตลอดความยาวของตัวเขื่อน 
          4. เขื่อนคอนกรีตแบบโค้ง 
          เขื่อนคอนกรีตแบบโค้ง มีคุณสมบัติที่จะต้านแรงดันของน้ำและแรงภายนอกอื่นๆ โดยความโค้งของตัวเขื่อน เขื่อนแบบนี้เหมาะที่จะสร้างในบริเวณหุบเขาที่มีลักษณะเป็นรูปตัว U และมีหินฐานรากที่แข็งแรง เมื่อเปรียบเทียบเขื่อนแบบนี้กับเขื่อนแบบกราวิตี้ เขื่อนแบบนี้มีรูปร่างแบบบางกว่ามากทำให้ราคาค่าก่อสร้างถูกกว่า แต่ข้อเสียของเขื่อนแบบนี้ คือการออกแบบและการดำเนินการก่อสร้างค่อนข้างยุ่งมาก มักจะต้องปรับปรุงฐานรากให้มีความแข็งแรงขึ้นด้วย เขื่อนภูมิพลซึ่งเป็น เขื่อนขนาดใหญ่แห่งแรกในประเทศไทย มีลักษณะผสมระหว่างแบบกราวิตี้และแบบโค้ง ซึ่งให้ทั้งความแข็งแรงและประหยัด
          5. เขื่อนกลวงหรือเขื่อนครีบ 
          เขื่อนกลวงมีโครงสร้างซึ่งรับแรงภายนอก เช่น แรงดันของน้ำ ที่กระทำต่อผนังกั้นน้ำที่เป็นแผ่นเรียบหรือครีบ (Buttress)
ที่รับผนังกั้นน้ำและถ่ายแรงไปยังฐานราก เขื่อนประเภทนี้มักจะเป็นเขื่อนคอนกรีตเสริมเหล็ก ใช้วัสดุก่อสร้างน้อย โดยทั่วไป แล้วเป็นเขื่อนที่ประหยัดมาก แต่ความปลอดภัยของเขื่อนประเภทนี้มีน้อยกว่าเขื่อนกราวิตี้ เนื่องจากมีความแข็งแรงน้อยกว่า ด้วยเหตุนี้จึงไม่ค่อยมีผู้นิยมสร้างเขื่อนประเภทนี้มากนัก

          เครื่องกังหันน้ำ (Hydro Turbine) ทำหน้าที่รับน้ำจากอ่างเก็บน้ำมาหมุนเครื่องกังหันน้ำซึ่งต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
          กังหันน้ำจำแนกออกเป็นประเภทใหญ่ ๆ ได้ 2 ประเภท คือ Reaction กับ Impulse กังหันน้ำทั้ง 2 ประเภทมีคุณสมบัติแตกต่างกัน

คุณสมบัติที่แตกต่างกันของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

          กังหันน้ำประเภท Reaction ที่ใช้กันแพร่หลายอยู่ทั่วไป คือ แบบ Francis และ Kaplan ส่วนกังหันน้ำประเภทImpulse นั้นแบบที่สำคัญและเป็นที่รู้จักกันดีว่าแบบอื่น ๆ ก็คือ กังหันน้ำแบบ Pelton การพิจารณาเลือกสรรประเภท และแบบของกังหันน้ำเพื่อให้เหมาะสมกับสภาพของงานนั้นอาศัยหลักเกณฑ์กว้างๆพอเป็นแนวทางได้ดังนี้

Head
กังหันน้ำแบบ (เมตร)
Kaplan (Fixed - blade) 1 ถึง 30
Kaplan (Adjustable - blade) 1 ถึง 60
Francis 25 ถึง 450
Pelton 250 ขึ้นไป

          ในกรณีนี้น้ำซึ่งใช้หมุนกังหันน้ำ มีกรวดทรายปนอยู่ด้วย และกังหันมีแรงม้าไม่สูงนักแล้วกังหันน้ำแบบ Pelton เป็นดีที่สุด ซึ่งอาจใช้กับ Head ต่ำลงมาถึง 120 หรือ 150 เมตร ได้

          เครื่องกำเนิดไฟฟ้า(Generator) จำแนกตามความเร็วรอบและขนาดอย่างกว้างๆได้ดังต่อไปนี้ (ความถี่มาตรฐาน 50 ไซเกิลวินาที)

          เครื่องความเร็วรอบสูง ขนาดเล็ก คือ ขนาด 200 – 2,000 เควี เอ.หมุน 1,000 – 750 รอบต่อนาที (หรืออาจต่ำกว่านี้)
ส่วนมากเป็นชนิดเพลานอน (Horizontal Shaft) ต่อตรงกับกังหันน้ำประเภท Impulse บางทีก็เป็นชนิดเพลาตั้ง(Vertical Shaft) ต่อตรงหรือขับด้วยเกียร์จากกังหันรอบช้า ในบางโอกาสที่ใช้กับกังหันน้ำประเภท Reaction ด้วยก็มี 

          เครื่องความเร็วรอบสูง ขนาดใหญ่ คือขนาด 3,000 – 100,000 เควี เอ. หรือสูงกว่านี้หมุน 750 – 333 รอบต่อนาที
มีทั้งชนิดเพลานอนและเพลาตั้ง เหมาะกับกังหันน้ำประเภท Impulse หรือ Reaction 

          เครื่องความเร็วรอบต่ำ ขนาดเล็ก คือ ขนาด 200 – 2,00 เควี. หมุน 250 รอบต่อนาทีลงมา จนถึงขนาด 5,000 หรือ 10,000 เควี
หมุน 125 รอบต่อนาทีลงมา ส่วนมากเป็นชนิดเพลาตั้ง เหมาะกับกังหันน้ำแบบ Francis และ Kaplan

          เครื่องความเร็วรอบต่ำ ขนาดใหญ่ คือ ขนาด 5,000 – 250,000 เควีเอ. หมุนหรือสูงกว่านี้ หมุน 250 – 75 รอบต่อนาที
เป็นเครื่องชนิดเพลาตั้ง เหมาะกับกังหันน้ำแบบ Francis และ Kaplan 2.6.3 ค่าลงทุนขั้นแรกและต้นทุนการผลิตไฟฟ้า 

          โรงไฟฟ้าพลังน้ำใหม่มีค่าลงทุนขั้นแรกประมาณ 20,000 – 56,375 บาทต่อกิโลวัตต์ คิดเป็นต้นทุนการผลิตประมาณ
1.20 – 2.20 บาทต่อหน่วย