พลังงานลมหนึ่งในพลังงานทดแทนความหวังของชาติ

___________________________________
ดร. ติณณภพ แพงผม (เรียบเรียง)

 

ในปัจจุบันมีผู้ที่สนใจเกี่ยวกับเรื่องของพลังงานทดแทนกันมากขึ้นและมีการนำพลังงานทดแทนมาใช้อย่างเป็นรูปธรรมโดยมีการสนับสนุนจากรัฐบาลรัฐบาลไทยได้มีนโยบายทั้งทางด้านการรณรงค์ให้มีการประหยัดพลังงานรวมทั้งมีการสนับสนุนให้มีการใช้พลังงานทดแทนตามแผนพัฒนาพลังงานทดแทน 15 ปีพ.ศ. 2551-2565[1]โดยมีเป้าหมายของการผลิตพลังงานทดแทนดเรียงตามลำดับปริมาณพลังงานทดแทนที่คาดหวังดังนี้ 1.) ชีวมวล 3,700 เมกะวัตต์ 2.) ลม 800 เมกะวัตต์ 3.) แสงอาทิตย์ 500 เมกกะวัตต์ 4.) ไฮโดร 324 เมกะวัตต์ 5.) MSW 160 เมกกะวัตต์ 6.) ก๊าซชีวภาพ 120 เมกะวัตต์และอื่นๆ 3.5 เมกะวัตต์

ซึ่งพลังงานลมนั้นรัฐบาลไทยมุ่งหวังในการผลิตพลังงานทดแทนจากลม 800 เมกะวัตต์ภายในปีพ.ศ. 2565 [2]

กังหันลม(Wind turbine) เป็นเครื่องจักรกลอย่างหนึ่งในการผลิตพลังงานทดแทนจากลมโดยการเปลี่ยนพลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่ของกระแสลม เมื่อกระแสลมไหลผ่านบริเวณโรเตอร์ของกังหันลม ใบพัดของกังหันลมจะเกิดการหมุนและจะเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ที่ได้ไปสู่พลังงานกล ปัจจุบันพลังงานกลที่ได้จากกระแสลมมักนำไปใช้เพื่อผลิตเป็นพลังงานกระแสไฟฟ้าหรือเพื่อสูบน้ำ เป็นต้นกังหันลมสามารถแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ตามการวางตัวของแนวแกนของโรเตอร์(Rotor alignment) [3, 4]

1.) กังหันลมแนวแกนนอน (Horizontal Axis Turbine (HAWT)) เป็นกังหันลมที่มีแกนหมุนขนานกับการเคลื่อนที่ของลมในแนวราบโดยมีใบพัดเป็นตัวตั้งฉากรับแรงลม (รูปที่ 1)

2.) กังหันลมแนวแกนตั้ง (Vertical Axis Turbine (VAWT)) เป็นกังหันลมที่มีแกนหมุนและใบพัดตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของลมในแนวราบ (รูปที่ 2)

RMUTR_RCSEE_Dr.Tin01

จากรูปที่ 1 และ รูปที่ 2 แสดงถึงส่วนประกอบของกังหันลมซึ่งมีส่วนประกอบหลักประกอบไปด้วย

1) แกนหมุนของใบพัด (Rotor Blade) ซึ่งทำหน้าที่ในการรับแรงลม ส่วนประกอบของแกนหมุนประกอบด้วย1.ดุมแกนหมุน (Rotor Hub) มีลักษณะรูปร่างวงรีคล้ายไข่เป็นส่วนที่ช่วยในการลู่ลม 2.ใบพัด (Blade) เป็นส่วนที่ยึดติดกับแกนหมุนทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์จากกระแสลมไปสู่พลังงานกลโดยกระแสลมจะหมุนแกนหมุนเพื่อส่งถ่ายกำลังไปยังเพลาแกนหมุนหลัก 3.จุดปรับหมุนใบ (Pitch) เป็นส่วนที่อยู่ระหว่างรอยต่อของใบพัดและแกนหมุนใช้ในการปรับมุมพิชช์ เพื่อให้มุมของใบพัดมีความเหมาะสมกับทิศทางของกระแสลมที่กระทบกับผิวใบพัด

2) ห้องเครื่อง (Nacelle) มีลักษณะเหมือนกับกล่องใส่ของมีหน้าที่ป้องกันสภาพอากาศภายนอกไม่ให้กระทบกับอุปกรณ์ที่อยู่ภายในซึ่งได้แก่ 1.เพลาแกนหมุนหลัก (Main Shaft) ทำหน้าที่ในการรับแรงจากแกนหมุนใบพัดและทำการส่งแรงที่ได้สู่ห้องทดรอบกำลัง 2. ห้องทดรอบกำลัง (Gear Box) ทำหน้าที่ควบคุมปรับเปลี่ยนการทดรอบการหมุนและถ่ายเทแรงของเพลาแกนหมุนหลักไปสู่เพลาหมุนเล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีการทดรอบการหมุนให้ความเร็วสูงขึ้นและมีความเร็วสม่ำเสมอ 3.เพลาแกนหมุนเล็ก (Shall Shaft) ทำหน้าที่หมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 4.เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) ทำหน้าที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า 5.เบรก (Brake) ทำหน้าที่หยุดการหมุนอย่างสิ้นเชิงของใบพัดและเพลาแกนหมุนเมื่อต้องการให้กังหันลมหยุดหมุน 6.ระบบควบคุมไฟฟ้า (Controller System) ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานและการจ่ายกระแสไฟฟ้า 7.ระบบระบายความร้อน (Cooking) ทำหน้าที่ระบายความร้อนจากการทำงานของกังหันลม 8.เครื่องวัดความเร็วและทิศทางลม (Anemometer and Wired Vane) ทำหน้าที่วัดความเร็วและทิศทางลมซึ่งเป็นส่วนเดียวที่ติดตั้งอยู่นอกห้องเครื่อง

3) เสา (Tower) เป็นตัวรับส่วนแกนหมุนของใบพัดและห้องเครื่อง

4) ฐานรากเป็นส่วนที่รับน้ำหนักของชุดกังหันลม

สัมประสิทธิ์กำลังงานของกังหันลมและ Betzlimit

ค่าสมรรถนะของกังหันลมเป็นค่าที่บอกถึงประสิทธิภาพในการสกัดพลังงานจากลมซึ่งแสดงในรูปเทอมไร้มิติของค่าสัมประสิทธิ์กำลังงาน Cpการคำนวณสามารถคำนวณได้จากสมการดังต่อไปนี้

RMUTR_RCSEE_Dr.Tin02

เมื่อ Qคือทอร์ก [นิวตันเมตร]

          Rคือ รัศมีของใบพัด[เมตร]

          rคือ ความหนาแน่นของอากาศ [กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร]

          Ad คือพื้นที่กวาดของใบพัด [เมตร]

          U0 คือกระแสลมจากอุโมงค์ลม[เมตร]

          Pคือกำลังงาน [วัตต์]

Betz’s law หรือ Betzlimit บ่งบอกถึงข้อจำกัดถึงกำลังงานสูงสุดที่กังหันลมจะสามารถทำได้ งานวิจัยนี้ได้ตีพิมพ์เมื่อปี ค.ศ. 1919 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Albert Betz สำหรับข้อจำกัดนี้ได้จากการศึกษา สมการ conservation of mass และสมการmomentum ของกระแสอากาศ ซึ่งข้อจำกัดนี้กล่าวว่า “ไม่มีกังหันลมชนิดไหนสามารถเปลี่ยนพลังงานจลน์จากลมไปเป็นพลังงานกลได้มากกว่า 59.3%(Cp< 0.593)”

ตัวอย่างกรณีศึกษาสัมประสิทธิ์กำลังงานของกังหันลม

Phengpom, T. และคณะ [5] ได้ทำการศึกษาสัมประสิทธิ์กำลังงานของกังหันลมแนวแกนนอนในอุโมงค์ลม การศึกษาใช้ความเร็วลมความเร็วหลักจากอุโมงค์ลมคงที่ 7 เมตรต่อนาที โดยผลการศึกษาลักษณะของการเพิ่มและลดของสัมประสิทธิ์กำลังงานเมื่อความเร็วปลายใบ (Tip speed ratio, λ) เปลี่ยนไปได้ผลดังรูปที่ 3

RMUTR_RCSEE_Dr.Tin03

รูปที่ 3 สัมประสิทธิ์กำลังงาน (Phengpom, T., 2015)

จากการศึกษาจะพบว่าในสภาวะความเร็วปลายใบต่ำจะได้ค่าสัมประสิทธิ์ของกำลังงานต่ำเหตุผลก็เนื่องมาจากความเร็วของใบพัดยังมีความเร็วต่ำทำให้ไม่สามารถสกัดพลังงานจากลมได้ไม่สูงมากสำหรับในสภาวะความเร็วปลายใบสูงมากไปก็จะได้ค่าสัมประสิทธิ์ของกำลังงานต่ำเช่นกันเนื่องด้วยถ้าใบพัดหมุนด้วยอัตราความเร็วที่สูงเกินไปจะทำให้ใบพัดเปรียบเสมือนกำแพงแข็ง (Solid wall) มากั้นกระแสลมไม่ให้ไหลผ่าน

Optimum point เป็นจุดที่กังหันลมหมุนให้สัมประสิทธิ์กำลังงานสูงสุดจากรูปที่ 3 เป็นการเปรียบเทียบการค่าสัมประสิทธิ์กำลังงานด้วยการทดลองในอุโมงค์ลมและการใช้ทฤษฎี Blade Element Momentum Theory (BEMT)  การเปรียบเทียบทั้งสองวิธีค่อนข้างที่จะใกล้เคียงกันในตำแหน่งของOptimum point ที่มีความเร็วปลายใบλ = 5.20 จะให้ค่าสัมประสิทธิ์กำลังงานCp = 0.43

 

 

 

เอกสารอ้างอิง

[1] กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2560). สถานการณ์พลังงานของประเทศไทยมกราคม– มีนาคม 2560. กรุงเทพฯ: กระทรวงพลังงาน.

[2] กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2560). แผนพัฒนาพลังงานทดแทน15ปี (พ.ศ. 2551 – 25565).
กรุงเทพฯ: กระทรวงพลังงาน.

[3] วิรชัยโรยนรินทร์ (2548). การออกแบบกังหันลม (Wind Turbine Design), วารสารวิศวกรรมศาสตร์ราชมงคล, 3(5), มิถุนายน2548, หน้า27-35.

[4] Roynarin, W. (2004). Optimisation of Vertical Axis Wind Turbines (Doctor’s thesis, Northumbria University, Newcastle, England). Retrieved from http://nrl.northumbria.ac.uk/1655/.

[5] Phengpom, T., Kamada, T., Maeda, T., Murata, J., Nishimura, S. and Matsuno, T. (2015). Study on Blade Surface Flow around Wind Turbine by Using LDV Measurements, Journal of Thermal Science, March 2015, Vol. 24 (2), pp. 131-139