การเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำ: การวัดความสูงของน้ำและอัตราการไหล

เพื่อกำหนดว่าแม่น้ำแห่งหนึ่งเหมาะสมกับการผลิตพลังงานหรือไม่ และกังหันน้ำแบบใดที่เหมาะสมกับขนาดการผลิตไฟฟ้า ขั้นตอนแรกคือการวัดข้อมูลหลักสองประการ ได้แก่ ความสูงของน้ำ (water head) และอัตราการไหลของน้ำ (flow rate) ข้อมูลทั้งสองประการนี้กำหนดกำลังการผลิตไฟฟ้า และเป็นพื้นฐานสำหรับการเลือกและเสนอราคาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากกังหันน้ำ

การวัดไม่จำเป็นต้องใช้วิศวกรผู้เชี่ยวชาญ แต่ใช้เพียงสมาร์ทโฟนหนึ่งเครื่องและถังหนึ่งใบเท่านั้น

การวัดความสูงของน้ำ (water head)

ความสูงของน้ำ (water head) หมายถึง ความต่างของระดับความสูงในแนวดิ่งระหว่างจุดรับน้ำเข้ากับจุดติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากกังหันน้ำ วัดเป็นหน่วยเมตร มีความสูงของน้ำสองประเภท คือ ความสูงรวม (gross head) กับความสูงสุทธิ (net head)

ความสูงรวมหมายถึงระยะแนวตั้งระหว่างระดับน้ำด้านต้นน้ำกับระดับน้ำด้านปลายน้ำ ซึ่งเป็นความต่างของความสูงที่ทฤษฎีโดยรวม; ในขณะที่ความสูงสุทธิหมายถึงความลดลงของระดับน้ำที่ใช้งานได้จริงสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำ เนื่องจากความสูญเสียจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำไหลผ่านท่อรับน้ำ (ท่อแรงดัน) ความสูงสุทธิของน้ำจึงมักน้อยกว่าความสูงรวมของน้ำเล็กน้อยเสมอ สิ่งนี้คือพื้นฐานสำหรับการคำนวณกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จริง

มีวิธีการวัดหลักสามวิธีที่ใช้กันทั่วไป

แอปพลิเคชันโทรศัพท์มือถือ – เครื่องวัดความสูง

เปิดฟังก์ชันวัดความสูงเหนือระดับน้ำทะเลบนสมาร์ทโฟนของคุณ (สำหรับ iPhone ใช้แอปพลิเคชัน "เข็มทิศ" ที่ติดตั้งมาพร้อมเครื่อง; สำหรับสมาร์ทโฟนระบบ Android ให้ดาวน์โหลดแอปพลิเคชันวัดความสูงฟรี) บันทึกค่าความสูงเหนือระดับน้ำทะเล ณ จุดที่กำหนดไว้สำหรับรับน้ำ จากนั้นเดินไปยังจุดที่กำหนดไว้สำหรับติดตั้งกังหันน้ำและบันทึกค่าอีกครั้ง ผลต่างระหว่างสองค่านี้คือความสูงของหัวน้ำ กระบวนการนี้ใช้เวลาเพียงประมาณสองนาที การวัดหลายครั้งแล้วหาค่าเฉลี่ยจะช่วยลดความคลาดเคลื่อนได้

มาตรวัดความดัน

หากท่อส่งน้ำติดตั้งเรียบร้อยแล้ว สามารถติดตั้งมาตรวัดแรงดันที่ปลายท่อได้ ปิดวาล์วเพื่อหยุดการไหลของน้ำในท่อ ค่าที่แสดงขณะนั้นคือแรงดันเกจ ความสัมพันธ์ในการแปลงคือ 1 บาร์ ≈ 10 เมตรของหัวน้ำ และ 1 เมกะพาสคาล ≈ 100 เมตรของหัวน้ำ เมื่อเปิดวาล์วและกังหันน้ำทำงานตามปกติ ค่าที่มาตรวัดแรงดันแสดงขึ้นคือหัวน้ำที่ใช้งานได้จริง

มาตรวัดระดับหรือระบบ GPS

หากเงื่อนไขในสถานที่เอื้ออำนวย การใช้เครื่องวัดระดับน้ำเพื่อวัดความต่างของระดับน้ำระหว่างตอนบนและตอนล่างของลำน้ำเป็นวิธีที่แม่นยำที่สุด หรือจะใช้อุปกรณ์จีพีเอสที่มีฟังก์ชันวัดความสูงก็สามารถใช้วัดได้เช่นกัน

การวัดอัตราการไหล

อัตราการไหลหมายถึงปริมาตรของน้ำที่ไหลผ่านจุดหนึ่งๆ ภายในหนึ่งหน่วยเวลา โดยทั่วไปวัดเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที (ม.³/วินาที) หรือลิตรต่อวินาที (ล./วินาที) เท่านั้นเมื่อรู้ค่าอัตราการไหลแล้ว จึงจะสามารถเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำที่เหมาะสมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับขนาดของแหล่งน้ำ จึงมีวิธีการวัดที่ใช้งานได้จริงสองวิธี

วิธีถัง: เหมาะสำหรับลำน้ำที่มีอัตราการไหลน้อย

สำหรับอัตราการไหลน้อย วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและแม่นยำที่สุด

● ใช้ก้อนหินหรือแผ่นไม้เบี่ยงน้ำให้ไหลออกทางจุดเดียว

● วางถังน้ำที่ทราบความจุแน่นอนไว้ใต้จุดปล่อยน้ำ และใช้นาฬิกาจับเวลาบนสมาร์ตโฟนบันทึกเวลาที่ใช้ในการเติมถังให้เต็ม

● อัตราการไหล = ความจุของถัง ÷ เวลาที่ใช้ในการเติมถัง (วินาที)

ตัวอย่างเช่น หากถังขนาด 20 ลิตรสามารถเติมให้เต็มได้ในเวลา 4 วินาที แสดงว่าอัตราการไหลคือ 20 ÷ 4 = 5 ลิตรต่อวินาที ทั้งนี้ ควรทำการวัดหลายครั้งแล้วหาค่าเฉลี่ย เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากยิ่งขึ้น

วิธีการวัดจากพื้นที่หน้าตัด: ใช้ได้กับช่องทางน้ำที่มีอัตราการไหลสูง

เมื่ออัตราการไหลสูงมากจนไม่สะดวกใช้ถังในการวัด สามารถใช้วิธีการวัดจากพื้นที่หน้าตัดเพื่อวัดอัตราการไหลของน้ำได้ (และสถานการณ์นี้ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำขนาดใหญ่ด้วย)

● วัดพื้นที่หน้าตัด: นำความกว้างของช่องทางคูณด้วยความลึกของน้ำ เพื่อหาพื้นที่ A (ตารางเมตร) ถ้ารูปร่างของช่องทางไม่สม่ำเสมอและวัดได้ยาก สามารถแบ่งออกเป็นส่วนย่อย ๆ วัดแต่ละส่วนแยกกัน แล้วนำค่าที่ได้มารวมกัน

● วัดความเร็วของการไหล: ปล่อยใบไม้หรือวัตถุลอยน้ำอื่นๆ ลงบนผิวน้ำ แล้วจับเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่เป็นระยะทางที่กำหนด (เช่น 10 เมตร) นำระยะทางหารด้วยเวลา เพื่อหาค่าความเร็วของการไหล V (เมตร/วินาที)

● สูตรคำนวณอัตราการไหลคือ: Q = พื้นที่หน้าตัด A × ความเร็วของการไหล V

เช่นเดียวกัน ควรทำการวัดหลายครั้งแล้วหาค่าเฉลี่ยในขั้นตอนนี้ด้วย

หลังจากวัดความสูงของน้ำ (water head) และอัตราการไหลแล้ว เราจะนำเสนอข้อมูลเหล่านั้นให้ท่าน และเราจะเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันน้ำที่เหมาะสมที่สุดสำหรับท่าน