สงสัยกันไหม ว่ากระแสไฟฟ้าผลิตมาจากไหน?
ไฟฟ้าที่ส่งมาตามสายไฟฟ้าหน้าบ้าน ผ่านมาตามเสาไฟฟ้าแรงสูงที่อยู่หลังหมู่บ้าน
วันนี้แอดจะมาเล่าเรื่องราวของโรงไฟฟ้าให้ฟังกันน
พร้อมแล้วก็ตามมาเลยยย~
และนี่ ก็คือภาพรวมคร่าวๆของวิธีการได้มาซึ่งกระแสไฟฟ้า
แบ่งได้สองกลุ่มคือ
(1) ได้จากวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษ กับ
(2) ได้กระแสไฟฟ้าจากการปั่นไฟด้วยเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า
(เกือบทั้งหมดของไฟฟ้าที่เราใช้กันผลิตจากวิธีนี้)
และนี่ก็เป็นหัวข้อที่แอดจะเล่าให้ฟังในวันนี้นั่นเอง..นั่นคือ
"การผลิตกระแสไฟฟ้าจาก Thermal Powerplant" ~
ก่อนจะไปพูดถึงการทำงานของโรงไฟฟ้า ต้องขอพูดถึงพระเอกของโรงไฟฟ้ากันก่อน..
นั่นก็คือ electric generator
ซึ่งเป็นตัวที่ผลิตกระแสไฟฟ้าขึ้นมา
ทำงานด้วย Faraday’s law ที่ว่าเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยน จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้นภายในขดลวด..
หรือพูดง่ายๆก็คือถ้าขดลวดหมุนตัดสนามแม่เหล็ก ไฟฟ้าก็จะไหลนั่นเอง
คำถามถัดมาคือ แล้วจะทำยังไงให้ electric generator หมุนล่ะ?
เราจึงเอาเพลาของ generator ต่อกับกังหัน (turbine) ไว้ เมื่อทำให้กังหันหมุนได้ generator ก็จะหมุนตาม และเราก็จะได้ไฟฟ้า
ดังนั้นจะเห็นว่า generator กับ turbine เป็นของที่มาคู่กันเสมอๆ ซึ่งกังหันก็มีหลายแบบ แตกต่างไปตามลักษณะพลังงานที่เอามาใช้หมุนกังหัน
- กังหันลม (wind turbine) : สกัดพลังงานจลน์จากลม สมัยก่อนใช้วิดน้ำเข้านา ปัจจุบันใช้ผลิตไฟฟ้าตามฟาร์มกังหันลม
- กังหันน้ำ (water turbine) : สกัดพลังงานจากน้ำ ใช้ตามเขื่อนเก็บน้ำต่างๆ
- กังหันไอน้ำ (steam turbine) : สกัดเอนทัลปีจาก vapor ของ working fluid เป็นพระเอกหลักในโรงไฟฟ้าแบบ thermal powerplant
*Note*
Turbine แต่ละประเภทจะมีลักษณะใบกังหันแตกต่างกัน ในรูปนี้เป็น steam turbine ขนาดใหญ่ที่ใช้ในการปั่นไฟในโรงไฟฟ้า
ภาพแสดงส่วนประกอบของโรงไฟฟ้า thermal power plant เรียงจากบนลงล่าง (บน) โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (กลาง) โรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิง เช่น ถ่านหิน/น้ำมันเตา (ล่าง) โรงไฟฟ้าที่ใช้ geothermal
OK เรามาโฟกัสที่โรงไฟฟ้าแบบ thermal powerplant กันต่อ
หลักการของโรงไฟฟ้าแบบ Thermal Powerplant ก็คือ..
ใช้ความร้อนต้มน้ำ /เอาไอน้ำไปหมุน turbine / turbine ซึ่งต่ออยู่กับ generator ก็หมุนขดลวดภายใน generator / เมื่อขดลวดตัดผ่านสนามแม่เหล็กก็จะเกิดกระแสไฟฟ้า
ลักษณะร่วมของโรงไฟฟ้าทั้งสามแบบด้านบน
- ทำงานด้วย Rankine cycle
- ต้องมี working fluid ซึ่งมักเป็นน้ำ
- ประกอบด้วย unit สำคัญ 4 ตัว ได้แก่
(1) steam generator (boiler/evaporator) : ผลิต vapor เพื่อใช้หมุนกังหัน
(2) condenser : ควบแน่น vapor กลับเป็นของเหลวเพื่อกลับไปใช้ใหม่
(3) turbine : มีเพลาต่อกับเครื่องปั่นไฟ (electrical generator) เมื่อกังหันหมุน เครื่องปั่นไฟก็จะหมุนด้วย
(4) compressor : ใส่งานเข้าไปเพื่อเหนี่ยวนำให้วัฏจักรเกิดการทำงาน
Thermodynamics cycle
การทำงานของวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิกส์ใดๆก็ตาม หลักการก็คือ : ดึงความร้อนจาก heat source เข้ามาในวัฏจักร เปลี่ยนความร้อนบางส่วนเป็นงาน แล้วทิ้งความร้อนส่วนที่เหลือที่เปลี่ยนเป็นงานไม่หมดทิ้งให้ heat sink
สำหรับวัฏจักรที่โรงไฟฟ้าใช้ในการผลิตกระแสไฟส่วนใหญ่จะเป็น Rankine cycle ซึ่งถือว่าเป็น ideal cycle ชนิดหนึ่ง (ตย. ของ ideal cycle อื่นก็เช่น carnot cycle, otto cycle)
- steam generator (หรือจะเรียกว่า boiler/evaporator) และ condenser ทำงานที่ P คงที่ (เส้นแดงยึกยักขั้นบันได กับเส้นส้มด้านล่างคือลากเส้นตามเส้น Isobaric นะ เนื่องจากแผนภาพนี้เป็น T-s diagram เส้น isoP เลยจะลากแปลกๆหน่อย)
- อาจจะมี/ไม่มี cooling tower ก็ได้ : แทนที่จะระบายความร้อนลงแหล่งน้ำธรรมชาติ ก็แบ่งความร้อนบางส่วนสู่บรรยากาศแทน
ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้าถ่านหิน
(1) Fossil fuel power plant
แบ่งเป็นประเภทย่อยๆตามชนิดเชื้อเพลิงที่นำมาใช้ เช่น โรงไฟฟ้าถ่านหิน โรงไฟฟ้าแก๊สธรรมชาติ โรงไฟฟ้าน้ำมันดีเซล เป็นต้น
ในรูปนี้เป็นโรงไฟฟ้าถ่านหิน
ถ่านหินจะถูกเผาใน Furnace ปลดปล่อยพลังงานที่กักเก็บไว้ในเนื้อถ่านออกมาในรูปความร้อน ความร้อนเปลี่ยนรูปเป็นความร้อนในไอน้ำและลำเลียงไปที่ steam turbine เพื่อหมุนกังหัน จากนั้นไอน้ำที่หมดพลังก็จะควบแน่นกลับเป็นหยดน้ำที่ condenser เพื่อวนกลับไปรับความร้อนใหม่
ในการเปลี่ยนไอน้ำที่หมดพลังแล้วให้เป็นหยดน้ำ จะมีการใช้ cooling water ซึ่งสูบจากบ่อน้ำหรือแม่น้ำเพื่อมารับความร้อนอีกต่อหนึ่ง cooling water นี้เมื่อรับความร้อนแล้วก็จะไประบายความร้อนออกที่ cooling tower ก่อนจะปล่อยกลับคืนสู่ธรรมชาติ
ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
(2) Nuclear powerplant
โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ได้ความร้อนจากธาตุกัมมันตรังสี
กระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้าเหมือนกับโรงไฟฟ้าถ่านหินเด้ะเลย ต่างกันที่ไม่ได้ใช้ Furnace แต่เปลี่ยนมาเป็น Nuclear reactor แทน (ในรูปคือส่วนอาคารโดมโค้ง)
เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะอยู่ในรูป rod ยาวๆ จุ่มอยู่ในน้ำที่มีความดันสูง (tank สีส้ม) แท่งเชื้อเพลิงจะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันซึ่งเป็นปฎิกิริยาคายความร้อน ความร้อนรับไว้โดยน้ำความดันสูง(สีส้ม) น้ำร้อนก็หมุนไปที่ steam generator เพื่อส่งความร้อนต่อให้น้ำ(สีฟ้า) ซึ่งน้ำสีฟ้านี้จะเป็นน้ำธรรมดาล้ะ ซึ่งจะเป็น working fluid ของ Rankine cycle ของเรา
Note ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มักจะมี signature เป็น cooling tower ขนาดใหญ่โตและควันโขมงที่เห็น จริงๆแล้วคือไอน้ำตะหาก
Binary cycle
ซึ่งในรูปนี้เป็นแบบที่เรียกว่า Binary cycle คือใช้ fluid สองตัว
ของไหลสีส้ม (น้ำร้อน) ซึ่งเป็นตัวนำความร้อนขึ้นมาจากใต้ดิน
และของไหลสีฟ้า(working fluid) ที่เป็น organic compound เป็นตัวที่ปั่นกังหัน
ซึ่ง organic compound กับน้ำร้อนจะแลกเปลี่ยนกันผ่าน Heat exchanger
ความร้อนที่ได้จากใต้ดินนั้น-ก็เหมือนกับโรงไฟฟ้า thermal แบบอื่นๆ- คือใช้ความร้อนต้มสารให้กลายเป็นไอแล้วเอาไอไปปั่นกังหันนั่นเอง
วัฏจักรที่ใช้ก็เป็น Rankine cycle เช่นกัน แต่คราวนี้ working fluid เราเป็นสาร organic เลยมีชื่อใหม่ว่า Organic Ranking Cycle (ORC)
แล้วทำไมต้องใช้ organic compound แทนด้วยล่ะ? ไม่ใช้น้ำแบบเดิม?
ข้อดีของการเปลี่ยนมาใช้ organic compound เป็น working fluid แทนคือ organic compound จุดเดือดต่ำกว่า เราจึง operate cycle ที่ อุณหภูมิที่ต่ำกว่าได้ เพราะว่าโดยทั่วไปแหล่งความร้อนใต้พิภพนั้นอุณหภูมิไม่สูงพอจะ operate ด้วยน้ำได้
และก่อนจะจากไป เราก็มีคำถามฉุกคิดสะกิดใจต่อยอดมาจากสิ่งที่เราเพิ่งคุยกันไป ซึ่งจะนำมาเป็นประเด็นพูดคุยกันในโอกาสถัดๆไป (ถ้ามีโอกาสอ่ะนะ >__<'' )
ท้ายสุดนี้แปะรายการอ้างอิงไว้ดังนี้
REFERENCE
[1] Randal Munroe (2017) Heavy metal power building.Thing Explainer-complicated stuff in simple words. p.3.
[2] หทัยรัตน์ ทองกร, วีรภัทร จงจารุกวิน (2016) การจำลองระบบผลิตไฟฟ้าโดยใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ (Simulation of geothermal energy integrated power system), วิทยานิพนธ์ปริญญาบัณฑิต. ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
[5] Energy 101: Electricity Generation
[6] How does a Steam Turbine Work ?
[7] How does a Steam Turbine Work ?
- 2
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
