Research

พลังงานลมและกังหันลมเบื้องต้น


อาจารย์ณัฐพงษ์ ประพฤติ  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
13 กันยายน 2558  

       ในปัจจุบันการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานลมนั้นเป็นสิ่งที่ได้รับความสนใจกันอย่างกว้างขวางเนื่องจากเป็นพลังงานทดแทนรูปแบบหนึ่งที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้โดยไม่เป็นปัญหากับสิ่งแวดล้อม พลังงานดังกล่าวเป็นพลังงานที่ได้รับการยอมรับว่าสะอาด ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมในขณะใช้งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลังงานลมที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้จากพื้นที่ชายฝั่งทะเล ภูเขา ของประเทศโดยไม่มีขีดจำกัดในส่วนของช่วงเวลาและฤดูกาล โดยพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากพลังงานลมนั้นมีประโยชน์ต่อชุมชนเมืองและชนบทที่อยู่ห่างไกลความเจริญ ดังนั้นหากเราสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานลมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประเทศก็สามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้น รวมทั้งเป็นการรักษาสิ่งแวดล้อมอีกด้วย

ทฤษฎีพลังงานลม
       พลังงานลมคือมวลอากาศซึ่งเคลื่อนที่ไปบนผิวโลกตามแนวนอนในทุกทิศทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน พลังงานลมเกิดจากอิทธิพลของดวงอาทิตย์ โดยบริเวณพื้นผิวโลกแต่ละส่วนได้รับพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน จึงเป็นเหตุให้อากาศที่มีอุณหภูมิสูงเกิดการลอยตัวสูงขึ้น และอากาศที่มีอุณหภูมิต่ำไหลเข้ามาแทนที่ จึงทำให้มวลของอากาศเกิดการเคลื่อนที่ขึ้นซึ่งเราเรียกว่าลม พลังงานลมเป็นพลังงานจลน์ที่เกิดจากลมในหนึ่งหน่วยเวลา (Wind power) ค่าเพิ่มขึ้นตามปริมาตรของความเร็วลม (v) โดยขนาดความเร็วลม 3 เมตร/วินาที จะมีกำลังลมต่อพื้นที่หน้าตัด 1 ตารางเมตร มีค่าเท่ากับ 9 วัตต์/ตารางเมตร ณ. ที่ความเร็ว 10 เมตร/วินาที ก็จะมีค่าเพิ่มขึ้นเป็น 325 วัตต์/ตารางเมตร และที่ความเร็ว 50 เมตร/วินาที (ความเร็วพายุเฮอริเคน) จะมีกำลังสูงถึง 40,560 วัตต์/ตารางเมตร ตามทฤษฎีแล้วกังหันลมสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มากที่สุดแค่ 16 ใน 27 ส่วนหรือประมาณ 59.3 % ของพลังงานจลน์ของลม เราสามารถพิจารณากำลังลมจากสมการที่ (1)

(1)

       เมื่อ     Pw     คือ     กำลังลม (W)

                     คือ     ความหนาแน่นของอากาศ (มีค่าเท่ากับ 1.225 kg/m3)

                A       คือ     พื้นที่หน้าตัด (m2)

                V       คือ     ความเร็วลม (m/s)

       เมื่อพิจารณาจากรูปที่ 1 พลังงานลมจะถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานกลเพื่อขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในทางปฏิบัติแล้วพลังงานลมไม่สามารถถ่ายเทให้กับใบพัดได้ทั้งหมด นั่นหมายความว่ามวลของอากาศที่ปะทะเข้ากับใบพัดจะต้องหยุดสนิทอยู่กับที่บริเวณพื้นที่หน้าตัดของใบพัดทั้งหมด โดยสมการที่ (2) สามารถอธิบายพลังงานทั้งหมดที่ใบพัดสามารถเปลี่ยนรูปได้จากพลังงานลม

รูปที่ 1 ความเร็วลมที่เคลื่อนที่ผานพื้นที่หนาตัด

(2)

       เมื่อ     Pwt     คือ     กำลังของลม (W)

                 Cp      คือ     สัมประสิทธิ์สมรรถนะของใบพัด

                 AR      คือ     พื้นที่กวาดของใบพัด (m2)

       พลังงานที่ได้รับจากกังหันลมจะมีเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเร็วลม แต่ความสัมพันธ์นี้ไม่เป็นสัดส่วนโดยตรง ณ ที่ความเร็วลมต่ำในช่วง 1-3 เมตรต่อวินาที กังหันลมจะยังไม่ทำงานจึงยังไม่สามารถผลิตไฟฟ้าออกมาได้ ความเร็วลมระหว่าง 2.5-5 เมตรต่อวินาที กังหันลมจะเริ่มทำงานเรียกช่วงนี้ว่าช่วงเริ่มความเร็วลม (Cut in wind speed) และที่ความเร็วลมในช่วง 12-15 เมตรต่อวินาที เรียกว่าช่วงความเร็วลมพิกัด (Nominal or Rate wind speed) ซึ่งเป็นช่วงที่กังหันลมทำงานอยู่บนพิกัดกำลังสูงสุดของตัวมันเอง ในช่วงที่ความเร็วลมไต่ระดับไปสู่ช่วงความเร็วลมซึ่งเป็นการทำงานของกังหันลมด้วยประสิทธิภาพสูงสุด (Maximum rotor efficiency) ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยค่านี้ขึ้นอยู่กับอัตราการกระตุ้นความเร็ว (tip speed ratio) และในช่วงเลยความเร็วลม (Cut out wind speed) คือช่วงที่ความเร็วลมสูงกว่า 25 เมตรต่อวินาที กังหันลมจะหยุดทำงานเนื่องจากความเร็วลมสูงเกินไป ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายต่อกลไกและระบบของกังหันลมได้

รูปที่ 2 กำลังไฟฟ้าและช่วงการทำงานของกังหันลม

ชนิดของกังหันลม
       ปัจจุบันการพัฒนาเทคโนโลยีกังหันลมเพื่อใช้สำหรับผลิตไฟฟ้าได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง หลายประเทศทั่วโลกได้ให้ความสนใจ โดยเฉพาะในทวีปยุโรป เช่น ประเทศเดนมาร์ก กังหันลมที่ได้มีการพัฒนากันขึ้นมานั้นจะมีลักษณะและรูปร่างแตกต่างกันออกไป แต่ถ้าจำแนกตามลักษณะแนวแกนหมุนของกังหันจะได้ 2 แบบ คือ

       1. กังหันลมแนวแกนนอน (Horizontal Axis Wind Turbine)
       เป็นกังหันลมที่มีแกนหมุนขนานกับทิศทางของลมโดยมีใบพัดเป็นตัวตั้งฉากรับแรงลม มีอุปกรณ์ควบคุมกังหันให้หันไปตามทิศทางของกระแสลม เรียกว่า หางเสือ และมีอุปกรณ์ป้องกันกังหันชำรุดเสียหายขณะเกิดลมพัดแรง เช่น ลมพายุและตั้งอยู่บนเสาที่แข็งแรง กังหันลมแบบแกนนอน ได้แก่ กังหันลมวินด์มิลล์ (Windmills) กังหันลมใบเสื่อลำแพน นิยมใช้กับเครื่องฉุดน้ำ กังหันลมแบบกงล้อจักรยาน กังหันลมสำหรับผลิตไฟฟ้าแบบพรอบเพลเลอร์ (Propeller)

รูปที่ 3 Horizontal Axis Wind Turbine

       2. กังหันลมแนวแกนตั้ง (Vertical Axis Wind Turbine)
       เป็นกังหันลมที่มีแกนหมุนและใบพัดตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของลมในแนวราบ ซึ่งทำให้สามารถรับลมในแนวราบได้ทุกทิศทาง กังหันลมแบบแกนตั้งมีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานต่ำ มีข้อจำกัดในการขยายให้มีขนาดใหญ่และการยกชุดใบพัดเพื่อรับแรงลมในปัจจุบันมีการใช้งานกังหันลมแบบนี้น้อยมาก

รูปที่ 4 Vertical Axis Wind Turbine

       กังหันลมแบบแนวแกนนอนเป็นแบบที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ส่วนมากออกแบบให้เป็นชนิดที่ขับใบกังหันด้วยแรงยก แต่อย่างไรก็ตาม กังหันลมแบบแนวแกนตั้ง ซึ่งได้รับการพัฒนามากในระยะหลังก็ได้รับความสนใจมากขึ้นเช่นกัน ทั้งนี้เนื่องจากข้อดีกว่าแบบแนวแกนนอนคือ ในแบบแนวแกนตั้งนั้นไม่ว่าลมจะเข้ามาทิศไหนก็ยังหมุนได้ โดยไม่ต้องมีอุปกรณ์ควบคุมให้กังหันหันหน้าเข้าหาลม นอกจากนี้แล้วแบบแนวแกนตั้งนั้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและระบบการส่งกำลังวางไว้ใกล้พื้นดินมากกว่าแบบแกนนอน เวลาเกิดปัญหาแก้ไขง่ายกว่าแบบแกนนอนที่ติดอยู่บนหอคอยสูง

ส่วนประกอบของกังหันลม
       ส่วนประกอบที่สำคัญของระบบกังหันลมทั่วๆ ไปอาจแบ่งได้ ดังนี้

รูปที่ 5 ส่วนประกอบของกังหันลม

       1. ใบพัด ทำหน้าที่เป็นตัวรับพลังลมและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานกล ซึ่งยึดติดกับชุดแกนหมุนและส่งแรงจากแกนหมุนไปยังเพลาแกนหมุน
       2. เพลาแกนหมุน ทำหน้าที่รับแรงจากแกนหมุนใบพัด และส่งผ่านระบบกำลังเพื่อหมุนและปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
       3. ห้องส่งกำลัง เป็นระบบปรับเปลี่ยนและควบคุมความเร็วในการหมุนระหว่างเพลาแกนหมุนกับเพลาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
       4. ห้องเครื่อง มีขนาดใหญ่และมีความสำคัญต่อกังหันลม ใช้บรรจุระบบต่างๆ ของกังหันลม เช่น ระบบเกียร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ระบบเบรกและระบบควบคุม เป็นต้น
       5. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
       6. ระบบควบคุมไฟฟ้า ใช้ระบบคอมพิวเตอร์เป็นตัวควบคุมการทำงานและส่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า
       7. ระบบเบรก เป็นระบบกลไกเพื่อใช้ควบคุมการหยุดหมุนของใบพัดและเพลาแกนหมุนของกังหัน เมื่อได้รับความเร็วลมเกินความสามารถของกังหันที่รับได้ หรือในระหว่างการซ่อมบำรุงรักษากังหันลม
       8. แกนคอหมุนรับทิศทางลม ทำหน้าที่ควบคุมการหมุนของห้องเครื่อง เพื่อให้ใบพัดรับทิศทางลมโดยระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อให้มีความสัมพันธ์กับหางเสือรับทิศทางลมที่อยู่ด้านบนของเครื่อง
       9. เครื่องวัดความเร็วลมและทิศทางลม ทำหน้าที่เป็นตัววัดความเร็วลมและทิศทางลม เชื่อมต่อสายสัญญาณเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์ เพื่อที่คอมพิวเตอร์สามารถควบคุมกลไกอื่นๆ ของกังหันลมได้อย่างถูกต้อง
       10. เสากังหันลม ทำหน้าที่รับน้ำหนักตัวเครื่องที่อยู่ด้านบน

ข้อมูลเพิ่มเติม
       ​1. http://www.egat.co.th/re
       ​2http://www.greenpeace.org/
       ​3http://www.renewableenergyworld.com/

<< ย้อนกลับ