นิทรรศการงานวิจัย "บนเส้นทางงานวิจัยมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ปี 2554"

ความเป็นมาของโครงการ

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงมีพระราชกระแสกับรองราชเลขาธิการ(นายวุฒิ สุมิตร) เชิญพระราชดำริเพิ่มเติมมอบให้ ฯพณฯ องคมนตรี นายสวัสดิ์ วัฒนายากร รับไปพิจารณาดำเนินการ ณ สวนจิตรลดา พระราชวังดุสิต เมื่อวันที่ 17 พฤศจิกายน 2549 “ ทรงชื่นชมโครงการคลองลัดโพธิ์มาก รับสั่งว่า โครงการนี้จะทำประโยชน์ได้อย่างมหัศจรรย์ มีพลังงานมหาศาล จะใช้พลังงานน้ำที่ระบายผ่านคลอง ทำประโยชน์อย่างอื่นด้วยได้หรือไม่ นอกจากนี้ ได้มีพระราชกระแสให้สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ซึ่งเข้าเฝ้า ณ ที่นั้น รับไปศึกษาและทอดพระเนตรโครงการคลองลัดโพธิ์ ในโอกาสต่อไป” ดังนั้นกรมชลประทานจึงได้ทำบันทึกข้อตกลงความร่วมมือทางวิชาการกับมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์เมื่อวันที่ 29 มีนาคม 2550 เพื่อร่วมกันในการศึกษาวิจัย โครงการศึกษาวิเคราะห์ศักยภาพของคลองลัดโพธิ์อันเนื่องมาจากพระราชดำริด้านไฟฟ้าพลังน้ำและการปรับปรุงคุณภาพน้ำ

วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัย

วัตถุประสงค์หลักของการศึกษาโครงการนี้เพื่อ
1) ศึกษาทบทวนองค์ความรู้เกี่ยวกับพลังน้ำ(Hydro Power) ที่มีในโลกและการนำมาประยุกต์ใช้กับคลองลัดโพธิ์อย่างเหมาะสม
2) ศึกษาวิเคราะห์ศักยภาพของคลองลัดโพธิ์อันเนื่องมาจากพระราชดำริ ด้านการนำพลังน้ำมาประโยชน์

สรุปผลของโครงการวิจัย

3.1 การทบทวนองค์ความรู้การนำพลังงานน้ำมาใช้ประโยชน์
จากการศึกษาทบทวนองค์ความรู้เกี่ยวกับการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำพบว่าในปัจจุบันมีการดำเนินการอยู่ 2 ลักษณะคือ

1) การนำพลังงานน้ำจากแหล่งน้ำที่มีความสูงของน้ำที่เก็บกัก(Storage Sources)มากกว่า 2 เมตร
ซึ่งเป็นพลังงานศักย์มาผลิตไฟฟ้า โดยที่ศักยภาพพลังน้ำของโครงการจะผันแปรตามปริมาณน้ำและความสูงของน้ำ สามารถแสดงในรูปสมการได้ดังนี้

2) การนำพลังงานน้ำจากแหล่งน้ำที่ไหลอย่างอิสระ(Free Surface Flow Sources) แต่มีความเร็วของกระแสน้ำซึ่งเป็นพลังงานจลน์มาผลิตไฟฟ้า เช่นเดียวกับการใช้พลังงานลมผลิตไฟฟ้า โดยที่ศักยภาพพลังน้ำของโครงการจะผันแปรตามความเร็วกระแสน้ำยกกำลังสามและพื้นที่ภาพฉายของใบพัดที่หมุน สามารถแสดงในรูปสมการได้ดังนี้

เมื่อ คือความหนาแน่นของน้ำ A คือพื้นที่กวาดหรือพื้นที่ฉายของกังหัน และ V คือความเร็วของกระแสน้ำ คือเปอร์เซ็นต์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานจลน์จากความเร็วของกระแสน้ำไหลไปเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเรียก ว่า Power coefficient

3.2 การวิเคราะห์ทางชลศาสตร์ของประตูคลองลัดโพธิ์ฯ

การไหลของน้ำผ่านประตูคลองลัดโพธิ์เป็นแบบยกบานประตูจมน้ำและยกบานประตูพ้นน้ำ ซึ่งจะได้ความเร็วกระแสน้ำที่ใต้บานประตู 2.0 ม./วิ เมื่อมีความต่างระดับน้ำด้านเหนือน้ำและท้ายน้ำเท่ากับ 0.12 ม.

3.3 การออกแบบกังหันพลังน้ำต้นแบบ

การศึกษาวิจัยครั้งนี้ได้ออกแบบกังหันพลังน้ำที่เหมาะสมกับคลองลัดโพธิ์เป็นแบบกังหันพลังงานจลน์จากความเร็วของกระแสน้ำไหล โดยคำนึงถึงประสิทธิภาพสูงสุด สะดวกต่อการปฏิบัติงาน ซ่อมบำรุงง่ายและมีราคาประหยัด ได้กังหันพลังน้ำต้นแบบ 2 แบบคือ แบบหมุนตามแนวแกน(Axial Flow)และแบบหมุนขวางการไหล(Cross Flow)

3.4 การวิเคราะห์ด้านพลศาสตร์ของไหล (CFD) ของกังหันพลังน้ำ

การวิเคราะห์ทางด้านพลศาสตร์ของการไหล อาศัยการจำลองทางด้านพลศาสตร์ของของไหล (Computational Fluid Dynamics , CFD) โดยใช้โปรแกรมสำเร็จรูป FLUENT การวิเคราะห์จะแสดงการกระจายตัวของความดันและเส้นการไหลของน้ำผ่านกังหัน

3.5 กำลังและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้น

กำลังและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรที่ความเร็วรอบต่างๆ ซึ่งที่ความเร็วรอบออกแบบเท่ากับ 200 rpm ได้กำลังไฟฟ้า 5 kW และ Open Circuit Voltage 650 V.

3.6 ใบพัดกังหันพลังน้ำต้นแบบทั้ง 2 ที่ผลิตขึ้น

ใบพัดต้นแบบที่ผลิตขึ้นแบบหมุนตามแนวแกนมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 2.00 ม. และแบบหมุนขวางการไหลมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.00 ม. ยาว 2.50 ม. โดยที่ความเร็วน้ำออกแบบ 2.0 ม./วิ จะได้กำลังไฟฟ้าสูงสุด 5 kW.

3.7 การประกอบชุดกังหันพลังน้ำต้นแบบกับโครงเหล็ก

การประกอบชุดกังหันพลังน้ำทั้ง 2 แบบกับโครงเหล็ก ใช้เป็นต้นกำลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรและเกียร์ทดรอบที่อยู่ภายในกล่องที่จมน้ำได้ที่ระดับความดันใต้น้ำไม่มากกว่า 1.5 บาร์

3.8 การติดตั้งกังหันพลังน้ำต้นแบบกับโครงเหล็กที่ตอม่อท้ายประตูคลองลัดโพธิ์ฯ

ติดตั้งกังหันต้นแบบทั้ง 2 ติดกับโครงเหล็กกว้าง 1.00 ม. สูง 2.50 ม. ยาว 14.00 ม. ที่ปรับยกขึ้น-ลงได้ในช่องใส่บานซ่อมบำรุง (Bulk head) ที่ตอม่อท้ายประตูคลองลัดโพธิ์ฯ พร้อมตะแกรงดักขยะ

3.9 การติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมเพื่อนำไฟฟ้าไปใช้ประโยชน์

เมื่อเดินกังหันน้ำต้นแบบซึ่งเป็นต้นกำลังไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร จะได้พลังงานไฟฟ้าเป็นแบบกระแสสลับ แล้วใช้ Rectifier เปลี่ยนเป็นกระแสตรงแล้วเชื่อมต่อเข้ากับ Inverter & Controller ซึ่งจะปรับแรงดันและความถี่เพื่อเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้านครหลวง

3.10 การทดลองเดินกังหันพลังน้ำต้นแบบและนำไฟฟ้าไปใช้ประโยชน์

การทดลองเดินกังหันพลังน้ำต้นแบบเพื่อเป็นต้นกำลังไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร ซึ่งกังหันพลังน้ำแบบหมุนตามแนวแกนได้กำลังไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 5.74 kW. สูงกว่าที่ออกแบบไว้

3.11 ความคาดหวังที่จะนำผลการวิจัยไปประยุกต์ใช้

สามารถนำองค์ความรู้ที่ได้รับจากการวิจัยในครั้งนี้ไปต่อยอดการผลิตกังหันพลังน้ำในประเทศที่เหมาะสมในทางปฏิบัติและราคาประหยัด รวมทั้งนำไปประยุกต์ใช้กับประตูระบายน้ำของกรมชลประทานที่มีอยู่ทั่วประเทศเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโครงการและเป็นพลังงานทดแทนอีกทางหนึ่ง