กังหันไอน้ำ

ลมเป็นพลังงานรูปหนึ่งซึ่งสามารถทำงานได้ เช่น สามารพัดพาเรือใบหรือวัตถุจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง นอกจากนั้นแล้วลมยังเป็นพลังงานที่สามารถแปรเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นได้ เช่นแปรเปลี่ยนเป็นพลังงานกล พลังงานความร้อน หรือพลังงานไฟฟ้า เป็นต้น

ลม คือ อากาศที่เคลื่อนที่ สาเหตุใหญ่ของการเกิดลมมาจาก การรับความร้อนจากดวงอาทิตย์ของผิวโลกไม่เท่ากัน พื้นผิวโลกส่วนใดได้รับความร้อนมาก อากาศบริเวณนั้นจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อย และจะลอยตัวสูงขึ้น อากาศบริเวณข้างเคียงที่เย็นและมีความหนาแน่นมากกว่า จะเคลื่อนเข้าไปแทนที่ จึงทำให้เกิดกระแสลมขึ้น   นอกจากนี้ยังมีสาเหตุอื่นๆอีกที่ทำให้เกิดกระแสลม เช่น การหมุนรอบตัวเองของโลก  การเกิดกลางวันกลางคืน และลักษณะของภูมิประเทศที่ต่างกัน

วิวัฒนาการการใช้พลังงานลม
มนุษย์ใช้พลังงานลมมาประมาณห้าพันปีแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งแถวบริเวณลุ่มแม่น้ำไนล์ประมาณ 200 ถึง 300 ปีก่อนคริสต์ศักราช ชาวเปอร์เซียใช้กังหันลมแบบง่ายๆ เพื่อการสีข้าว จากนั้นการใช้กังหันลมก็แพร่หลายเข้ามายังบริเวณชายฝั่งทะเลเมดิเตอร์เรเนียน บริเวณชายฝั่งทวีปแอฟริกาและเอเชีย กังหันลมได้มีวิวัฒนาการมาเรื่อยๆ เช่น จากการใช้เสื่อทำใบกังหันก็เปลี่ยนมาใช้ไม้แทน ประมาณปลายคริสต์ศตวรรษที่ 14 ชาวดัทช์ได้ทำการออกแบบแก้ไขปรับปรุงกังหันลมให้มีประสิทธิภาพในการทำงานดียิ่งขึ้น เพื่อใช้ในการสูบน้ำออกจากชายฝั่งของประเทศเนเธอร์แลนด์ ซึ่งได้ถมพื้นที่ชายฝั่งของประเทศให้ยื่นออกไปในทะเลเพื่อใช้เป็นที่เพาะปลูก และเป็นที่อยู่อาศัย พื้นที่เหล่านี้อยู่ต่ำกว่าระดับน้ำทะเล จึงจำเป็นจะต้องมีการสูบน้ำออกตลอดเวลา ปัจจุบันนี้กังหันลมของชาวดัทช์แบบโบราณก็ยังมีใช้อยู่บ้าง แต่ส่วนใหญ่มีไว้ให้ชาวต่างประเทศได้ชมกัน กังหันลมของชาวดัทช์ที่เรียกกันว่า  ดัทช์วินด์มิล Dutch Windmill

ในคริสต์ศตวรรษที่ 16 ประเทศเนเธอร์แลนด์ได้ปรับปรุงกังหันลมจนเป็นที่รู้จักกันดีของชาวโลก เพราะกังหันลมที่ประดิษฐ์ขึ้นมานั้นมีกำลังถึง 90 แรงม้า ใน พ.ศ.2129 ประเทศเนเธอร์แลนด์ได้ประดิษฐ์กังหันลมเพื่อใช้ในกิจการของโรงงานทำกระดาษเป็นแห่งแรกของโลก ประมาณกลาง คริสต์ศตวรรษที่ 19 ประเทศเนเธอร์แลนด์มีกังหันลมใช้กว่าเก้าพันเครื่อง นอกจากประเทศเนเธอร์แลนด์แล้ว ยังมีประเทศอื่นๆ อีกหลายประเทศที่เคยใช้กังหันลมมาแล้วในอดีต เช่น ประเทศเดนมาร์ก ฝรั่งเศส อังกฤษ รัสเซีย แคนาดา สหรัฐอเมริกา อิสราเอล อินเดีย และญี่ปุ่น เป็นต้น ในประเทศไทยก็มีการใช้กังหันลมกันในบริเวณลุ่มแม่น้ำเจ้าพระยาเพื่อสูบน้ำขึ้นมาทำนา บริเวณชายฝั่งอ่าวไทยก็มีการใช้กังหันลมเพื่อทำนาเกลือ ปัจจุบันก็ยังมีใช้อยู่บ้าง เช่น จังหวัดสมุทรสาคร  สมุทรสงคราม  สมุทรปราการ และชลบุรี เป็นต้น

พลังงานลม

การใช้กังหันลมของประเทศต่างๆ เริ่มลดน้อยลง เมื่อมีการผลิตเครื่องจักรไอน้ำ ประกอบกับเป็นสมัยที่กำลังมีการปฏิวัติอุตสาหกรรม ซึ่งจำเป็นจะต้องใช้พลังงานจักรกลเป็นจำนวนมาก กังหันลมไม่สามารถนำไปใช้ได้ทุกสถานที่ เพราะมีข้อจำกัดในเรื่องกระแสลมและกำลังที่ได้ออกมา ดังนั้นเครื่องจักรไอน้ำจึงค่อยๆ เข้ามาแทนที่กังหันลม ในเวลาต่อมาเมื่อมีการผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายในขึ้น การใช้กังหันลมก็ยิ่งลดน้อยลงไปตามลำดับ จนกระทั่งเมื่อประมาณ พ.ศ.2516 กลุ่มประเทศผู้ผลิตและส่งน้ำมันเป็นสินค้าออก ได้ประกาศขึ้นราคาน้ำมันอย่างรวดเร็วทำให้เกิดปัญหาในด้านเชื้อเพลิงของโลก ประเทศที่ไม่มีน้ำมันเชื้อเพลิงจึงจำเป็นต้องพยายามพัฒนาพลังงานอื่นๆ มาทดแทน ประเทศไทยเราก็ได้มีการค้นคว้าทดลอง การใช้พลังงานลมในรูปแบบต่างๆ เพื่อมาทดแทนเช่นกัน
Link : พัดลมไอน้ำ

การผลิตไฟฟ้าพลังน้ำทำได้โดยอาศัยพลังงานของน้ำตก น้ำตกอาจเกิดจากน้ำตกตามธรรมชาติ หรือน้ำตกที่เกิดจากการดัดแปลงสภาพธรรมชาติ เช่น น้ำที่ตกจากทะเลสาบบนเทือกเขาลงสู่หุบเขา กระแสน้ำในแม่น้ำไหลตกหน้าผา หรือน้ำตกที่เกิดจากการสร้างเขื่อนกั้นน้ำซึ่งอาจจะตกจากเขื่อนทางช่องที่กำหนดให้หรือถูกส่งไปตามอุโมงค์หรือคลองส่งน้ำไปตกในที่สูงชันที่เหมาะสมตามธรรมชาติ เป็นต้น การสร้างเขื่อนกั้นแม่น้ำและให้น้ำตกไหลผ่านกังหันน้ำซึ่งติดอยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้ามีลักษณะต่างๆ กัน

การทำน้ำตกเพื่อผลิตไฟฟ้าอีกวิธีหนึ่ง คือ การทำน้ำตกโดยมีคลองส่งน้ำและท่อส่งน้ำ โดยน้ำจากอ่างเก็บน้ำ (ซึ่งอาจเป็นทะเลสาบตามธรรมชาติหรืออ่างที่เกิดจากการสร้างเขื่อน) จะไหลไปตามอุโมงค์เข้าสู่ท่อส่งน้ำซึ่งเอียงลาดลงสู่โรงไฟฟ้าด้านล่าง ปล่องที่ติดอยู่กับอุโมงค์เป็นตัวป้องกันความดันส่วนเกินที่เกิดจากน้ำไหลผ่านอุโมงค์และช่วยให้การควบคุมความเร็วของกังหันน้ำทำได้ดีขึ้น

ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำ  กังหันน้ำเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญยิ่งเพราะเป็นตัวรับพลังงานจลน์ของน้ำตกซึ่งมีผลทำให้กังหันหมุนได้ การหมุนของกังหันจะทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งต่ออยู่กับกังหันหมุน และผลิตกระแสไฟฟ้าออกมา กังหันน้ำมีรูปร่างแตกต่างกันออกไป แต่อาจแบ่งได้ 2 ประเภท ใหญ่ๆ คือ

1.       กังหันน้ำแบบอิมพัลส์ (Impulse turbines) เป็นแบบที่หมุนได้ด้วยแรงกระแทกจากน้ำที่พุ่งออกมาจากหัวฉีด เช่น แบบเพลตัน Pelton เป็นต้น

2.       กังหันน้ำแบบรีแอคชัน (Reaction turbines) เป็นแบบที่ทำงานโดยอาศัยแรงดันของน้ำตัวกังหันทั้งหมดจมอยู่ใต้น้ำในท่อ เช่น แบบฟรานซิส และ แบบแคแปลน เป็นต้น

กังหันน้ำแบบเพลตัน
เป็นแบบความเร็วรอบต่ำเหมาะสำหรับใช้กับน้ำตกที่มีเฮดสูงๆ คือ ตั้งแต่ 200 เมตร ขึ้นไป มีประสิทธิภาพร้อยละ 80 – 85 น้ำที่พุ่งออกจากหัวฉีดจะกระแทกครีบที่ขอบกังหันครีบมีลักษณะโค้งเว้ามีสันอยู่ตรงกลาง ซึ่งจะทำให้สายน้ำที่พุ่งมากระทบแยกออกเป็นสองส่วนและสะท้อนกลับ

กังหันน้ำแบบฟรานซิส
น้ำในท่อที่อยู่รอบกังหันจะถูกลิ้นบังคับให้เข้าสู่ตัวกังหันตามแนวรัศมีของกังหัน แล้วไหลผ่านครีบกังหันลงตามแนวแกนหมุนออกสู่ภายนอก กังหันแบบนี้เป็นแบบความเร็วรอบปานกลาง ใช้กับน้ำตกขนาดเฮด 25-400 เมตร มีประสิทธิภาพถึงร้อยละ 90

กังหันน้ำแบบแคแปลน
เป็นแบบความเร็วรอบสูง มีลักษณะคล้ายใบจักรเรือ แต่ละครีบสามารถปรับมุมเอียงได้เพื่อสะดวกในการควบคุมความเร็วรอบ เป็นแบบที่เหมาะกับน้ำตกเฮดต่ำ คือ 10-60 เมตร มีประสิทธิภาพมากกว่าร้อยละ 90
กังหันน้ำที่ใช้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเขื่อนภูมิพล จังหวัดตาก เป็นแบบกังหันรีแอคชั่น ซึ่งมีครีบวิ่งแบบฟรานซิสได้กำลังงานสูงสุดถึง 115000 ล้านแรงม้า ระดับน้ำสูง 123.2 เมตร น้ำที่ไหลผ่านมีปริมาณ 75.8 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที ความเร็ว 150 รอบต่อนาที เหนือตัวกังหันขึ้นไปเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขนาด 75 เมกะวัตต์ สามารถจ่ายไฟฟ้าส่วนใหญ่ให้แก่ภาคกลางของประเทศไทยได้ทั้งหมด

ยังมีกังหันน้ำอีกแบบหนึ่งซึ่งทำงานโดยอาศัยทั้งแรงกระแทกของน้ำและความดันของน้ำจึงไม่ได้จัดเป็นกังหันน้ำแบบอิมพัลส์หรือแบบรีแอคชั่น  กังหันน้ำแบบนี้ คือแบบ ครอสโฟล ลักษณะเป็นครีบเรียงกันเป็นรูปทรงกระบอก น้ำจากท่อน้ำเข้าจะไหลเข้าสู่กังหันโดยมีลิ้นบังคับทิศทางให้ผ่านครีบด้านหนึ่งและไหลออกทางครีบอีกด้านหนึ่ง กังหันน้ำแบบนี้ออกแบบสำหรับโครงการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กมากๆ เพราะมีประสิทธิภาพปานกลางคือร้อยละ 60-80 แต่สร้างได้ง่ายและราคาถูกกว่าแบบอื่นๆ
Link : พัดลมไอน้ำ

พลังงานที่ได้จากน้ำ คือ พลังงานจลน์ของน้ำที่ไหลเชี่ยวในแม่น้ำหรือน้ำตก ในสมัยก่อนพลังงานน้ำถูกนำมาใช้ในงานโม่แป้งและสูบน้ำ ในปัจจุบันพลังงานน้ำถูกนำมาใช้ในการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าด้วย พลังงานจลน์ของน้ำเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างไรจะได้กล่าวถึงต่อไป สิ่งที่น่าสนใจจะพิจารณาประการแรก คือ พลังงานจลน์ของน้ำเพิ่มขึ้นได้อย่างไร และเราอาจควบคุมและนำมาใช้งานได้อย่างไร

พลังงานน้ำ

แหล่งพลังงานที่ให้พลังงานแก่กระแสน้ำหรือน้ำตกก็คือ ดวงอาทิตย์ แสงอาทิตย์ที่ส่องไปบนทะเล มหาสมุทร จะทำให้พื้นน้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น เป็นผลให้บางโมเลกุลของน้ำมีพลังงานจลน์มากพอที่จะหลุดลอยออกจากผิวน้ำไปอยู่ในสภาพของไอน้ำ ไอน้ำเหล่านี้จะไปก่อตัวเป็นก้อนเมฆในอากาศและถูกพัดพาไปที่ต่างๆ ของโลกโดยกระแสลม ก้อนเมฆที่ถูกพัดพาไปผ่านยอดเขาสูงๆ จะมีอุณหภูมิลดต่ำลง ทำให้ไอน้ำในก้อนเมฆควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำและตกลงมาเป็นฝน น้ำฝนที่ตกลงมาจะรวมตัวกันไหลลงสู่เชิงเขา ในที่สุดน้ำนี้ก็จะไหลลงสู่มหาสมุทรและจะเปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักรของน้ำต่อไป

ในกรณีที่ฝนตกลงสู่ทะเลสาบ บนพื้นที่สูงๆ หรืออ่างเก็บน้ำหน้าเขื่อนที่เราสร้างขึ้นจะทำให้มีน้ำปริมาณมากถูกเก็บกักไว้ในที่สูง น้ำนี้จะมีพลังงานศักย์เท่ากับ mgh หรือ 9.8 จูลต่อกิโลกรัมต่อความสูงหนึ่งเมตร ที่อยู่เหนือจุดที่จะนำพลังงานนี้ไปใช้งาน ความสูงของน้ำตกวัดจากจุดที่ใช้งานนี้ เรียกว่า เฮด (head) ของน้ำ เมื่อเราเปิดประตูที่ปิดกั้นน้ำในอ่างเก็บน้ำ พลังงานศักย์ที่สะสมอยู่จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ซึ่งเราสามารถนำมาทำให้กังหันน้ำหมุน เพื่อฉุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ ข้อดีของแหล่งพลังงานนี้ คือ ให้พลังงานได้ตราบเท่าที่ยังมีฝนตกลงมาเพิ่มปริมาณน้ำชดเชยส่วนที่ไหลลงสู่ที่ต่ำไปแล้ว
พลังงานจลน์ของน้ำในแม่น้ำลำธารอาจนำไปเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ทันที แต่เนื่องจากอัตราการไหลของน้ำยังไม่เหมาะสมจึงมีการสร้างเขื่อนขึ้นกั้นลำน้ำ เพื่อกักน้ำไว้แล้วปล่อยให้ไหลออกตามช่องทางที่สร้างขึ้นในอัตราที่ต้องการได้

Link : พัดลมไอน้ำ