Research

กังหันลม (Wind Turbine Generator) - ตอนที่ 1 พื้นฐานเทคโนโลยีกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้าเชิงพาณิชย์


ดร.พุทธพร เศวตสกุลานนท์​  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
7 กันยายน 2559  

บทนำ
       ปัจจุบันภาวะโลกร้อน (Global warming) หรือ ภาวะภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง (Climate change) ส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกทุกปี  ซึ่งมีสาเหตุจากการใช้พลังงานกันอย่างฟุ่มเฟือย  โดยไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบที่จะตามมาในอนาคต  ทำให้ส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นของปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)  ซึ่งเป็นสาเหตุหลักก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก (Greenhouse Effect) ผลจากการศึกษาการปล่อยของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ดังรูปที่ 1 พบว่า ขบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้ามีการปล่อยของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงถึง 40 % ทั่วโลก ตามด้วยการขนส่ง อุตสาหกรรมและภาคอื่นๆ จากประเด็นปัญหาดังกล่าวทำให้ต้องมีการทบทวนถึงมาตรการในการดูแลและรักษาสิ่งแวดล้อม  เพื่อลดปัญหาข้างต้นซึ่งได้แก่ การรณรงค์อนุรักษ์พลังงานทั้งภาครัฐและเอกชนในรูปแบบต่างๆ นอกเหนือจากนี้ยังได้สนับสนุนให้มีการค้นคว้าวิจัยพลังงานทดแทนในรูปแบบต่างๆเช่น พลังงานแสงอาทิตย์  พลังงานลม เนื่องจากพลังงานดังกล่าวเป็นพลังงานที่ได้รับการยอมรับว่าสะอาด  ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมในขณะใช้งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลังงานลมเป็นพลังงานตามธรรมชาติที่เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ความกดดันของบรรยากาศและแรงจากการหมุนของโลก สิ่งเหล่านี้เป็นปัจจัยที่ก่อให้เกิดความเร็วลมและกำลังลม เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปว่าลมเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่มีอยู่ในตัวเอง ในปัจจุบันมนุษย์จึงได้ให้ความสำคัญและนำพลังงานจากลมมาใช้ประโยชน์มากขึ้น เนื่องจากพลังงานลมมีอยู่โดยทั่วไป ไม่ต้องซื้อหา เป็นพลังงานที่สะอาดไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อสภาพแวดล้อม และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างไม่รู้จักหมดสิ้น ซึ่งปัจจุบันได้มีการนำเอาพลังงานลมมาใช้ประโยชน์มากขึ้น พื้นที่บางพื้นที่สามารถนำเอาพลังงานลมมาใช้ให้เกิดประโยชน์ได้ เช่น พื้นที่บริเวณชายฝั่งทะเลเป็นต้นซึ่งสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้จากพื้นที่ชายฝั่งทะเล   ภูเขาของประเทศโดยไม่มีขีดจำกัดในส่วนของช่วงเวลาและฤดูกาล 

รูปที่ 1 แหล่งกำเนิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)

ระบบการแปลงรูปพลังงานลม   (Wind energy conversion system, WECS)
      
สำหรับความเข้าใจเกี่ยวกับระบบการแปลงรูปพลังงานลม   (Wind energy conversion system, WECS) นั้นแสดงดังรูปที่ 2 โดยพลังงานลมเป็นพลังงานที่สามารถแปรรูปจากพลังงานจลน์ของกระแสลมเป็นพลังงานกลโดย “กังหันลม” เมื่อมีลมพัดผ่านใบกังหัน พลังงานจลน์ที่เกิดจากลมจะทำให้ใบพัดของกังหันเกิดการหมุนก่อให้เกิดเป็นพลังงานกล พลังงานกลจากแกนหมุนของกังหันลมจะถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าส่งพลังงานไฟฟ้าเข้าสู่ระบบไฟฟ้าต่อไป

รูปที่ 2 ไดอะแกรมการแปลงรูปพลังงานลม

ระบบของกังหันลมที่ใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์
​       สำหรับระบบของกังหันลมที่ใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์ที่ใช้กันอยู่ทั่วโลกนั้น สามารถแบ่งออกเป็น 4 ประเภทประกอบด้วย 
​       - เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบกรงกระรอก (Squirrel cage induction generator) ดังรูปที่ 3 กังหันลมประเภทนี้จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบกรงกระรอกในการผลิตพลังงานไฟฟ้ารวมทั้งต้องใช้ตัวเก็บประจุ (Cap Bank) เพื่อชดเชยกำลังไฟฟ้าเสมือนแก่ระบบไฟฟ้า เหมาะสำหรับพื้นที่ๆความเร็วลมสม่ำเสมอ

รูปที่ 3 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบกรงกระรอก (Squirrel cage induction generator)

​       - เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบขดลวดพัน (Wound-rotor induction generator) ดังรูปที่ 4 กังหันลมประเภทนี้จะใช้ความต้านทานภายนอกที่สามารถปรับค่าได้ต่ออนุกรมกับขดลวดทางด้านโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำเพื่อใช้ในการควบคุมในการผลิตพลังงานไฟฟ้า เหมาะสำหรับพื้นที่ๆความเร็วลมเปลี่ยนแปลง

รูปที่ 4 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบขดลวดพัน (Wound-rotor induction generator)

​       - เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบดับเบิ้ลเฟด (Doubly-fed induction generator) ดังแสดงดังรูปที่ 5 กังหันลมประเภทนี้จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบขดลวดพันในการผลิตพลังงานไฟฟ้า และใช้คอนเวอร์เตอร์ (Converter) และอินเวอร์เตอร์ (Inverter) ต่อกับขดลวดทางด้านโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำเพื่อใช้ในการควบคุมในการผลิตพลังงานไฟฟ้า  ซึ่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สองด้านคือ ทางด้านสเตเตอร์และโรเตอร์ ส่งผลทำให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มาก เหมาะสำหรับพื้นที่ๆความเร็วลมเปลี่ยนแปลง

รูปที่ 5 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบดับเบิ้ลเฟด (Doubly-fed induction generator)

​       - เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขั้วแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet Alternator) ดังแสดงดังรูปที่ 6 กังหันลมประเภทนี้จะมีการออกแบบโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยใช้แม่เหล็กถาวรและใช้คอนเวอร์เตอร์ (Converter) และอินเวอร์เตอร์ (Inverter) ต่อร่วมในระบบ เหมาะสำหรับพื้นที่ๆความเร็วลมเปลี่ยนแปลง

รูปที่ 6 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขั้วแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet Alternator)

เอกสารอ้างอิง
1. “https://th.wikipedia.org/wiki/พลังงานลม” 
2. “www.pea-encom.com” 
3. Thomas Ackermann (2005) “Wind Power in Power Systems”, John WiIey and Sons, Ltd. 
4) พุทธพร เศวตสกุลานนท์, “การวิเคราะห์และศึกษาเปรียบเทียบพฤติกรรมระหว่างเครื่องจักรกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบมาตรฐานและเครื่องจักรกลไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบประสิทธิภาพสูงขณะทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบมีการเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้ากำลัง”, การประชุมวิชาการวิศวกรรมไฟฟ้า ครั้งที่ 30, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี , 2549,หน้า 129-132.
5) B. Sawetsakulanond, P. Hothongkham and V. Kinnares. “Investigation on the Performance between Standard and High Efficiency Induction Machines operating as Grid Connected Induction Generators.” Proc. IEEE-ICSET’2008, Singapore, November. 2008. pp.949-95

<< ย้อนกลับ