วิศวกรรมโรงไฟฟ้า

วิศวกรรมโรงไฟฟ้า (ย่อว่าTPTL ) เป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมพลังงานและถูกกำหนดให้เป็นวิศวกรรมและเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับการผลิตโรงไฟฟ้า^{[ 1 ]}เทคนิคนี้มุ่งเน้นไปที่การผลิตพลังงานสำหรับอุตสาหกรรมและชุมชน ไม่ใช่แค่การผลิตไฟฟ้าสำหรับครัวเรือน สาขานี้เป็นสาขาวิชาที่ใช้พื้นฐานทางทฤษฎีของวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมไฟฟ้าด้านวิศวกรรมของการผลิตพลังงานได้พัฒนาไปพร้อมกับเทคโนโลยีและมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ การนำ เทคโนโลยี นิวเคลียร์และ ความก้าวหน้า ทางเทคโนโลยี อื่นๆ มาใช้ ทำให้สามารถผลิตพลังงานได้หลายวิธีและในขนาดที่ใหญ่กว่าที่เคยเป็นไปได้ การมอบหมายวิศวกร ประเภทต่างๆ สำหรับการออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงานของโรงไฟฟ้า ใหม่ ขึ้นอยู่กับประเภทของระบบที่กำลังสร้าง เช่น ไม่ว่าจะเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลนิวเคลียร์ พลังงานน้ำ หรือพลังงานแสงอาทิตย์

วิศวกรรมโรงไฟฟ้าเริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 1800 เมื่อโรงงานแต่ละแห่งใช้ระบบขนาดเล็กเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเดิมทีแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียวมาจากระบบกระแสตรง (DC) ^{[ 2 ]}แม้ว่าระบบนี้จะเหมาะสมสำหรับธุรกิจ แต่ไฟฟ้าก็ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับประชาชนส่วนใหญ่ ในช่วงเวลานั้นเครื่องจักรไอน้ำ ที่ใช้ถ่านหินเป็นพลังงาน มีค่าใช้จ่ายในการใช้งานสูง และไม่มีวิธีใดที่จะส่งกระแสไฟฟ้าไปได้ในระยะทางไกลพลังงานน้ำเป็นหนึ่งในรูปแบบการผลิตพลังงานที่ถูกนำมาใช้มากที่สุด เนื่องจากโรงสีน้ำสามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อส่งไปยังเมืองเล็กๆ ได้^{[ 2 ]}

จนกระทั่งมีการนำระบบไฟฟ้ากระแสสลับ( AC ) มาใช้ จึงทำให้สามารถสร้างโรงไฟฟ้าอย่างที่เราเห็นในปัจจุบันได้ ระบบไฟฟ้ากระแสสลับช่วยให้สามารถส่งพลังงานได้ในระยะทางที่ไกลกว่าระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ดังนั้นจึงสามารถสร้างโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ หนึ่งในผู้บุกเบิกการส่งพลังงานระยะไกลคือโรงไฟฟ้าเลาเฟน-แฟรงก์เฟิร์ตซึ่งมีระยะทางยาวถึง 109 ไมล์^{[ 3 ]} โรงไฟฟ้า เลาเฟน-แฟรงก์เฟิร์ตแสดงให้เห็นว่าพลังงานสามเฟสสามารถนำมาใช้ในการส่งพลังงานในระยะทางไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 3 ] [ 4 ]}พลังงานสามเฟสเป็นผลมาจากการวิจัยด้านการกระจายพลังงานมาหลายปี และโรงไฟฟ้าเลาเฟน-แฟรงก์เฟิร์ตเป็นการแสดงครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในอนาคต

ความรู้ทางวิศวกรรมที่จำเป็นในการปฏิบัติงานเหล่านี้ต้องอาศัยความช่วยเหลือจากหลายสาขาวิศวกรรม รวมถึงวิศวกรรมเครื่องกล วิศวกรรมไฟฟ้าวิศวกรรมนิวเคลียร์และวิศวกรรมโยธาเมื่อโรงไฟฟ้ากำลังพัฒนา งานวิศวกรรมที่จำเป็นในการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยวิศวกรเครื่องกล วิศวกรโยธา และวิศวกรไฟฟ้า^{[ 2 ]}สาขาวิชาเหล่านี้ช่วยให้สามารถวางแผนและก่อสร้างโรงไฟฟ้าได้ แต่เมื่อมีการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขึ้น ก็ได้นำวิศวกรนิวเคลียร์เข้ามาทำการคำนวณที่จำเป็นเพื่อรักษามาตรฐานความปลอดภัย^{[ 5 ]}

กล่าวโดยง่ายกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์ระบุว่าพลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายได้ อย่างไรก็ตาม พลังงานสามารถแปลงจากรูปแบบพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตพลังงาน เนื่องจากการผลิตพลังงานในโรงไฟฟ้าเกือบทุกประเภทต้องอาศัยการใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้า [ ^{4 ] เครื่อง} กำเนิดไฟฟ้าใช้ในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นกังหันลมใช้ใบพัดขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อกับเพลาซึ่งจะหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อหมุน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสร้างกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ของตัวนำภายในสนามแม่เหล็ก ในกรณีนี้ พลังงานกลที่เกิดจากลมจะถูกแปลงผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นพลังงานไฟฟ้า โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่อาศัยการแปลงเหล่านี้เพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้^{[ 6 ]}

กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบปิดไม่สามารถลดลงได้เลย กฎนี้เกี่ยวข้องกับโรงไฟฟ้า โดยระบุว่าความร้อนจะไหลจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ (อุปกรณ์ที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้า) [ ^{4 ] กฎ}นี้มีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนซึ่งได้รับพลังงานจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง^{[ 1 ]}

โรงไฟฟ้าทุกแห่งถูกสร้างขึ้นโดยมีเป้าหมายเดียวกันคือ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าให้มีประสิทธิภาพมากที่สุด อย่างไรก็ตาม เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น แหล่งพลังงานที่ใช้ในโรงไฟฟ้าก็พัฒนาขึ้นเช่นกัน^{[ 1 ]}การนำพลังงานหมุนเวียน/พลังงานที่ยั่งยืนมาใช้มากขึ้น ส่งผลให้มีการปรับปรุงและสร้างโรงไฟฟ้าบางประเภทเพิ่มขึ้น^{[ 1 ]}

โรงไฟฟ้าพลังน้ำผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้แรงของน้ำในการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบกักเก็บน้ำ โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบผันน้ำ และโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบ กลับ ^{[ 7 ]}โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบกักเก็บน้ำและแบบผันน้ำทำงานคล้ายกันตรงที่แต่ละแบบเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งกีดขวางเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำไหลในอัตราที่ควบคุมไม่ได้ จากนั้นจึงควบคุมอัตราการไหลของน้ำให้ผ่านกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในระดับที่เหมาะสมวิศวกรโยธาด้านไฮดรอลิกมีหน้าที่คำนวณอัตราการไหลและการคำนวณปริมาตรอื่นๆ ที่จำเป็นในการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้เป็นไปตามข้อกำหนดของวิศวกรไฟฟ้า^{[ 8 ]}โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับทำงานในลักษณะเดียวกัน แต่จะทำงานเฉพาะในช่วงเวลาที่มีความต้องการพลังงานสูงสุดเท่านั้น ในช่วงเวลาที่น้ำนิ่ง น้ำจะถูกสูบขึ้นไปบนเนินเขา จากนั้นจะถูกปล่อยออกมาในช่วงเวลาที่มีความต้องการพลังงานสูงสุดเพื่อให้ไหลจากที่สูงไปยังที่ต่ำเพื่อหมุนกังหัน^{[ 9 ]}ความรู้ทางวิศวกรรมที่จำเป็นในการประเมินประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับนั้นคล้ายคลึงกับโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบกักเก็บน้ำและแบบผันน้ำมาก

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ โรงไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าโดยการเผาเชื้อเพลิง และโรงไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าโดยใช้เครื่องต้นกำลัง ตัวอย่างทั่วไปของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ผลิตไฟฟ้าโดยการใช้เชื้อเพลิงคือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้ ความร้อน จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อเปลี่ยนน้ำให้เป็นไอน้ำ^{[ 1 ]}ไอน้ำนี้จะถูกส่งผ่านกังหันซึ่งเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์คิดเป็น 20% ของ การผลิต ไฟฟ้าของอเมริกา^{[ 10 ]}อีกตัวอย่างหนึ่งของโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงคือโรงไฟฟ้าถ่านหินโรงไฟฟ้าถ่านหินผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 50% ของปริมาณไฟฟ้าทั้งหมดของสหรัฐอเมริกา^{[ 10 ]}โรงไฟฟ้าถ่านหินทำงานในลักษณะคล้ายกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ตรงที่ความร้อนจากการเผาถ่านหินจะขับเคลื่อนกังหันไอน้ำและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า^{[ 1 ]}มีวิศวกรหลายประเภทที่ทำงานในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน วิศวกรเครื่องกลจะดูแลรักษาประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนในขณะที่ทำให้โรงไฟฟ้ายังคงใช้งานได้^{[ 11 ]}โดยทั่วไปแล้ววิศวกรนิวเคลียร์จะจัดการเรื่องประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและการกำจัดกากกัมมันตรังสี อย่างไรก็ตาม ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ พวกเขาทำงานโดยตรงกับอุปกรณ์นิวเคลียร์^{[ 12 ]}วิศวกรไฟฟ้าจัดการกับอุปกรณ์ผลิตพลังงานรวมถึงการคำนวณด้วย^{[ 13 ]}

โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับพลังงานจากแสงแดด ซึ่งสามารถเข้าถึงได้ผ่านทางเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) แผงเซลล์แสงอาทิตย์ หรือแผงโซลาร์เซลล์สร้างขึ้นโดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งทำจาก วัสดุ ซิลิกาที่ปล่อยอิเล็กตรอนเมื่อได้รับความร้อนจากพลังงานความร้อนของดวงอาทิตย์ การไหลของอิเล็กตรอนใหม่นี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าภายในเซลล์^{[ 14 ]} แม้ว่า PV จะเป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ แต่ก็เสื่อมสภาพหลังจากใช้งานไปหนึ่งทศวรรษและต้องเปลี่ยนใหม่ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพ ต้นทุนการดำเนินงาน และการไม่มีเสียงรบกวน / มลพิษทางกายภาพทำให้ PV เป็นหนึ่งในรูปแบบพลังงานที่สะอาดและราคาถูกที่สุด^{[ 1 ]}โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ต้องอาศัยการทำงานของวิศวกรหลายด้าน วิศวกรไฟฟ้ามีความสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างแผงโซลาร์เซลล์และเชื่อมต่อเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้า วิศวกรคอมพิวเตอร์จะเขียนโค้ดเซลล์เพื่อให้สามารถผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และวิศวกรโยธามีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการระบุพื้นที่ที่โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานได้มากที่สุด^{[ 11 ]}

โรงไฟฟ้าพลังงานลมหรือที่รู้จักกันในชื่อกังหันลม ได้รับพลังงานจากลมโดยการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับใบพัด และใช้การเคลื่อนที่แบบหมุนที่เกิดจากลมเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า^{[ 15 ]}จากนั้นพลังงานที่ผลิตได้จะถูกส่งกลับเข้าสู่ระบบสายส่งไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังงานลมสามารถติดตั้งได้บนพื้นที่โล่งกว้าง หรือบนแหล่งน้ำขนาดใหญ่ เช่น มหาสมุทร โดยอาศัยพื้นที่ที่มีปริมาณลมมาก^{[ 1 ]}ในทางเทคนิคแล้ว กังหันลมเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากอาศัยความแตกต่างของความดันที่เกิดจากความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของชั้นบรรยากาศโลก^{[ 15 ]}กังหันลมต้องการความรู้จากวิศวกรเครื่องกล วิศวกรไฟฟ้า และวิศวกรโยธา ความรู้เกี่ยวกับพลศาสตร์ของไหลจากความช่วยเหลือของวิศวกรเครื่องกลมีความสำคัญอย่างยิ่งในการพิจารณาความเป็นไปได้ของสถานที่สำหรับกังหันลม^{[ 16 ]}วิศวกรไฟฟ้าทำให้มั่นใจได้ว่าการผลิตและการส่งพลังงานเป็นไปได้^{[ 13 ]}วิศวกรโยธามีความสำคัญในการก่อสร้างและการใช้งานกังหันลม^{[ 17 ]}

วิศวกรรมโรงไฟฟ้าครอบคลุมสาขาวิชาวิศวกรรมที่หลากหลาย สาขานี้สามารถดึงข้อมูลจากวิศวกรเครื่องกล วิศวกรเคมี วิศวกรไฟฟ้า วิศวกรนิวเคลียร์ และวิศวกรโยธาได้

วิศวกรเครื่องกลทำงานเพื่อบำรุงรักษาและควบคุมเครื่องจักรที่ใช้ในการผลิตพลังงานให้กับโรงงาน^{[ 12 ]}ในการทำงานในสาขานี้ วิศวกรเครื่องกลต้องสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีด้านวิศวกรรมศาสตร์และได้รับใบอนุญาตผ่านการสอบวิศวกรรมวิชาชีพ (PE) และการสอบวิศวกรรมพื้นฐาน (FE) วิศวกรเครื่องกลยังมีบทบาทเพิ่มเติมที่ต้องพิจารณาตามเส้นทางอาชีพของพวกเขา เมื่อทำงานในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน วิศวกรเครื่องกลจะตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครื่องจักรขนาดใหญ่ เช่น หม้อไอน้ำและกังหัน อยู่ในสภาพที่เหมาะสมที่สุดและมีการผลิตพลังงานอย่างต่อเนื่อง^{[ 12 ]}วิศวกรเครื่องกลยังทำงานร่วมกับการดำเนินงานของโรงงาน ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และโรงไฟฟ้าพลังน้ำ วิศวกรจะทำงานเพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องจักรขนาดใหญ่ได้รับการบำรุงรักษาและมีการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน

วิศวกรไฟฟ้าทำงานกับเครื่องใช้ไฟฟ้าในขณะที่ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครื่องมือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานได้ตามมาตรฐานของบริษัทและระดับรัฐ^{[ 13 ]}พวกเขาต้องได้รับใบอนุญาตโดยผ่านการสอบวิศวกรรมวิชาชีพ (PE) และการสอบวิศวกรรมพื้นฐาน (FE) นอกจากนี้ยังควรมีปริญญาตรีที่ได้รับการรับรองจากคณะกรรมการรับรองวิศวกรรมและเทคโนโลยี (ABET) และประสบการณ์ภาคสนามก่อนที่จะได้รับตำแหน่งระดับเริ่มต้น

วิศวกรนิวเคลียร์พัฒนาและวิจัยวิธีการ เครื่องจักร และระบบที่เกี่ยวข้องกับรังสีและพลังงานในระดับอนุภาคย่อย^{[ 12 ]}พวกเขาต้องการประสบการณ์ในสถานที่และปริญญาตรีด้านวิศวกรรม วิศวกรเหล่านี้ทำงานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และต้องมีใบอนุญาตประกอบวิชาชีพขณะทำงานในโรงไฟฟ้า พวกเขาต้องการประสบการณ์การทำงาน การสอบผ่านการสอบวิศวกรรมวิชาชีพ (PE) การสอบวิศวกรรมพื้นฐาน (FE) และปริญญาจากโรงเรียนที่ได้รับการรับรอง จาก คณะกรรมการรับรองวิศวกรรมและเทคโนโลยี (ABET) ^{[ 12 ]} วิศวกรนิวเคลียร์ทำงานเกี่ยวกับการจัดการวัสดุนิวเคลียร์และการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ การดำเนินงานเหล่านี้อาจมีตั้งแต่การจัดการกากกัมมันตรังสี การทดลองวัสดุนิวเคลียร์ และการออกแบบอุปกรณ์นิวเคลียร์^{[ 18 ]}

วิศวกรโยธามุ่งเน้นไปที่การก่อสร้างโรงไฟฟ้า ค่าใช้จ่าย และการก่อสร้าง^{[ 19 ]}วิศวกรโยธาต้องผ่านการสอบวิศวกรรมวิชาชีพ (PE) การสอบวิศวกรรมพื้นฐาน (FE) และปริญญาจาก โรงเรียนที่ได้รับการรับรองจาก คณะกรรมการรับรองวิศวกรรมและเทคโนโลยี (ABET) ^{[ 19 ]}พวกเขาทำงานเพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างของโรงไฟฟ้า สถานที่ตั้ง การออกแบบ และความปลอดภัยของโรงไฟฟ้า

แม้ว่าจะมีความแตกต่างกันมากมายระหว่างสาขาวิชาวิศวกรรมที่กล่าวมาข้างต้น แต่ทั้งหมดก็ครอบคลุมเนื้อหาที่เกี่ยวข้องกับ การส่ง ความร้อนหรือไฟฟ้า การได้รับปริญญาจาก โรงเรียนที่ได้รับการรับรองจาก ABETในสาขาวิชาใดสาขาหนึ่งเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเป็นวิศวกรโรงไฟฟ้า^{[ 20 ]}นอกจากนี้ยังมีสมาคมมากมายที่วิศวกรที่มีคุณสมบัติสามารถเข้าร่วมได้ รวมถึงสมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งอเมริกา (ASME) สถาบันวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ (IEEE) และสมาคมวิศวกรพลังงานแห่งอเมริกา (ASOPE)

การดำเนินงานและการบำรุงรักษาโรงไฟฟ้าประกอบด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพและกำลังการผลิตของโรงไฟฟ้าและการรับประกันการดำเนินงานในระยะยาว ^{[ 21 ]}โรงไฟฟ้าเหล่านี้มีขนาดใหญ่และใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับชุมชนและอุตสาหกรรมไม่รวมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในครัวเรือนแต่ละหลัง^{[ 1 ]}

การออกแบบโรงไฟฟ้าประกอบด้วยการออกแบบระบบโรงไฟฟ้าใหม่^{[ 4 ]}โรงไฟฟ้ามีหลายประเภท และแต่ละประเภทต้องการความเชี่ยวชาญเฉพาะด้าน รวมถึงการทำงานเป็นทีมแบบสหวิทยาการ เพื่อสร้างระบบที่ทันสมัย^{​​[ 1 ]}

• วิศวกรรมพลังงาน
• วิศวกรรมเครื่องกล
• วิศวกรรมไฟฟ้า
• วิศวกรรมโยธา
• เซลล์แสงอาทิตย์
• โรงไฟฟ้าพลังความร้อน
• พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
• กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์
• กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์
• พลังงานลม

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีโรงไฟฟ้า

• สมาคมวิศวกรไฟฟ้าแห่งอเมริกา
• สมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งอเมริกา
• สถาบันวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์