แหล่งเรียนรู้พลังงานกังหันลม
ลม คืออะไร
ลม คือการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ ของอากาศด้วยความเร็วต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเคลื่อนที่ในระนาบที่ขนานไปกับพื้นโลก
อากาศ เป็นชื่อเรียกทั่วไปของบรรยากาศ เกิดเป็นชั้นห่อหุ้มโลก จากแรงโน้มถ่วงของโลก โดยเอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิตบนโลกดังนี้ (1) ทำหน้าที่ป้องกันสิ่งมีชีวิต โดยการดูดซับรังสียูวี (อัลตร้าไวโอเลต) จากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ (2) ทำให้ผิวโลกอุ่น โดยทำหน้าที่รักษาความร้อน และ (3) ลดการเกิดอุณหภูมิที่ต่ำมาก และสูงมาก ระหว่างกลางคืนกับกลางวัน
องค์ประกอบของอากาศ แห้งโดยปริมาตร ประกอบด้วยแก๊สหลัก 2 ชนิดคือ แก๊สไนโตรเจน และแก๊สออกซิเจน
ปัจจัยที่ทำให้เกิดลม
ตัวแปรต่างๆ ที่ส่งผลต่อการเกิดลม ประกอบด้วย ความดันอากาศ พลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ โดยมีปัจจัย ลักษณะของผิวโลกที่โค้ง การหมุนรอบตัวเองของโลก แกนโลกที่เอียง สภาพและองค์ประกอบของผิวโลก ที่ประกอบร่วมกัน ตัวแปรที่กล่าวต่อไปนี้ส่งผลประกอบร่วมกัน ทั้งการเกิดลมในระดับกว้าง และระดับท้องถิ่น ปัจจัยที่ทำให้เกิดลม แยกเป็นกรณีได้ดังนี้
1.ความดันอากาศ
อากาศที่อยู่รอบตัวเรามีน้ำหนัก (ภาพ 2.1) และในแต่ละบริเวณบนผิวโลก หรือบริเวณเดียวกันบนผิวโลก ความดันอากาศมีการแปรเปลี่ยนตลอดเวลา อากาศเคลื่อนที่ (ไหล) จากบริเวณที่มีความกดอากาศมาก (ความกดอากาศสูง) ไปยังบริเวณต่ำ การเคลื่อนที่ของอากาศทำให้เกิด “ลม” (ภาพ 2.2)
2. ความร้อนจากดวงอาทิตย์
พลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ ทำให้ผิวโลกร้อนขึ้น แต่ในแต่ละบริเวณของโลก ผิวโลกจะได้รับความร้อนไม่เท่ากัน (ภาพ 2.3) เนื่องจากชั้นบรรยากาศโลก หนาไม่เท่ากัน โดยบริเวณศูนย์สูตรจะมีความหนามากกว่าบริเวณขั้นโลก แต่ที่แสดงในภาพกำหนดให้คงที่ เพื่อให้ง่ายในการพิจารณาแยกประเด็น
ภาพ 2.3: ผิวโลกที่โค้ง ทำให้แต่ละส่วนบริเวณผิวโลกได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน
จากแกนหมุนรอบตัวเองของโลกที่มีแกนหมุนเอียง
การเคลื่อนที่ของอากาศที่ห่อหุ้มโลก มีความซับซ้อน เนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้เกิดผลจากแรงคอริออลิส (coriolist force) หรือทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอากาศเบี่ยงไปทางขวามือ ในบริเวณซีกโลกเหนือ และการเคลื่อนที่ของอากาศไปทางซ้ายมือ ในบริเวณซีกโลกใต้ ภาพ 2.4 เป็นการแสดงผลจากแรงคอริออลิสอย่างง่าย โดยกำหนดให้โลกไม่หมุน (ภาพ 2.4 (ก) และโลกหมุนรอบตัวเองในขณะที่แกนโลกไม่เอียง (ตำแหน่งเดียวกับขั้วโลก) (ภาพ 2.4 (ข) ความซับซ้อนของการเคลื่อนที่ของอากาศ มีมากดังนี้ คือเมื่อโลกหมุนรอบตัวเอง จะเกิดแรงที่ลากโมเลกุลของอากาศในบริเวณที่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตรมากกว่า บริเวณที่ห่างจากเส้นศูนย์สูตร ทำให้ชั้นบรรยากาศของโลกส่วนล่างมีความหนาแปรเปลี่ยน (ขอพักเรื่องนี้ชั่วคราวไว้ส่วนนี้ก่อน)
ภาพ 2.4: (ก) การเคลื่อนที่ของมวลอากาศ ในกรณีที่โลกไม่หมุนรอบตัวเอง (ข) ผลของแรงคอริออลิส ทำให้มวลอากาศเคลื่อนที่เบี่ยงจากทิศทางที่ควรเคลื่อนที่จากบริเวณเส้นศูนย์สูตรไปยังขั้วโลก
การที่โลกมีแกนหมุนรอบตัวเองที่เอียง ส่งผลทำให้เกิดฤดูกาล ในพื้นที่ต่างๆของผิวโลก ซึ่งทำให้ผิวโลกได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์เช่นกัน (ภาพ 2.5) ผลจากแกนหมุนรอบตัวเองของโลกที่เอียง การหมุนรอบตัวเองของโลก และการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ทำให้ในแต่ละวัน และแต่ละเดือน พื้นที่แต่ละบริเวณของโลกได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ไม่เท่ากัน
ภาพ 2.5: แกนหมุนของโลกที่เอียงส่งผลการได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ ไม่สม่ำเสมอทั้งปี แต่มีรูปแบบที่ซ้ำเดิม เกิดเป็นฤดูของพื้นที่ต่างๆ บริเวณผิวโลก
3. ลักษณะและองค์ประกอบของผิวโลก
ลมส่วนมากเคลื่อนที่ในระนาบราบ ตัดผ่านผิวโลก ลมที่เคลื่อนที่ในแนบดิ่งพบได้ในสภาพที่ผิดปกติ เช่น ลมที่เคลื่อนที่สู่พื้นดินในขณะที่เกิดฝนฟ้าคะนอง ลักษณะผิวโลก ส่งผลกระทบต่อลมที่พัดบริเวณผิวโลก และเป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่า ผิวพื้นโลกจะทำให้เกิดแรงเสียดทาน ที่ลดความเร็วของลมที่เคลื่อนที่
ลักษณะความสูงต่ำ และความลาดชันของพื้นที่ ส่งผลต่อการได้รับปริมาณความร้อน ที่ได้จากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ (ภาพ 2.6) พื้นที่ลาดราบเชิงเขา ในช่วงกลางวันได้รับพลังงานความร้อนน้อยแต่กระจายในพื้นที่กว้างกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นที่เขาบริเวณผาชัน ได้รับพลังงานความร้อนมากพื้นที่ลาดเขา เนื่องจากพื้นที่กระจายความร้อนน้อยกว่า ลักษณะดังกล่าว โดยทั่วไป ทำให้เกิดลมภูเขา พัดขึ้นบริเวณยอดเขาในเวลากลางวัน และเกิดลมเย็นภูเขาที่พัดจากยอดเขา สู่ที่ราบลาดเชิงเขาในเวลากลางคืน
ภาพ 2.6: ลักษณะภูมิประเทศบริเวณผิวโลก ที่เกิดเป็นภูเขา และที่ราบ ส่งผลต่อการเกิดลมท้องถิ่น ในเวลากลางวันพื้นที่ลาดเขาที่ชันบริเวณยอดเขาได้รับพลังงานความร้อน มากกว่าบริเวณที่ราบลาดเชิงเขา ทำให้อากาศที่อยู่เหนือบริเวณดังกล่าวมีความดันอากาศต่างกัน ส่งผลทำให้เกิดลมภูเขา
การนำลมมาใช้ประโยชน์ จากอดีตถึงปัจจุบัน
เป็นเวลา มากกว่า 5,000 ปี ที่ผ่านมา ชาวสุเมเรียน (อารยธรรม เมโสโปเตเมีย) แห่งลุ่มน้ำไทกริส และยูเฟรทีสที่ไหลลงอ่าวเปอร์เซีย (ปัจจุบันคือประเทศอิรัก) ใช้ประโยชน์จากลม โดยการสร้างเรือใบสำหรับการเดินเรือ การเดินทางค้าขาย และขนถ่ายสินค้า (ภาพ 4.1) หลักฐานดังกล่าวนี้ ปัจจุบัน บ่งชี้ถึงการใช้ประโยชน์จากลมเป็นครั้งแรกของมนุษย์
ภาพ 4.1: (ก) ที่ตั้งอารยธรรม เมโสโปเตเมีย บริเวณพื้นดินที่อุดมสมบูรณ์รูปพระจันทร์เสี้ยว ที่เกิดริมฝั่งแม่น้ำไทกริส และแม่น้ำยูเฟรทีส (ข) ภาพวาดจากดินเผารูปเรือใบ หลักฐานการใช้ประโยชน์จากลมเป็นครั้งแรกของมนุษย์
ประมาณ พ.ศ. 943 เป็นต้นมา พบหลักฐาน กังหันลมเพื่อทำให้ระฆังที่เกิดเสียง สำหรับการสวดมนต์ แพร่หลาย ใน ประเทศอินเดีย ทิเบต และจีน (คล้ายกับกระดิ่งลม ที่พบในวัดของประเทศ ทำให้เกิดเสียง ที่ฟังดูแล้วทำให้ใจสงบ) ภาพ 4.2 แต่มีการอ้างอิงว่า กระดิ่งลม (wind chime) ชนชาติจีนเป็นผู้ประดิษฐ์ขึ้น มากกว่า 3,000 ปี ที่ผ่านมาแล้ว
ภาพ 4.2: กระดิ่งลมโบราณ พบได้ในวัดที่อยู่ในเขตปกครองตนเอง ทิเบต ประเทศจีน
ใน พ.ศ. 1243 – 1443 พบหลักฐานการใช้ กังหันลม (โรงสีลม) ชนิดกังหัน เพนีโมนี (Panemone windmill) ของชาวเปร์เชีย (อยู่ในแถบประเทศอิหร่านในปัจจุบัน) สำหรับบดเมล็ดธัญพืช (ทำแป้ง) เป็นแกนหมุนในแนว (ตั้ง) กังหันทำจากต้นกกที่มัดรวมเป็นท่อนยึดติดกับโครงไม้ และสร้างกำแพงไม้เพื่อบังคับทิศทางลม ให้พัดหมุนกังหัน (ภาพ 4.3 ก และ ข) หินบดของเครื่องโม่ธัญพืชจะติดอยู่กับแกนหมุนในแนวดิ่ง ในประเทศจีน อ้างอิงว่ามีเอกสารที่กล่าวถึงการสร้าง กังหันลมสำหรับบดธัญพืช และสูบน้ำ มากว่า 2,000 ปีที่ผ่านมา
กังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวดิ่งนี้ เป็นการหมุนจากแรงที่เกิดจากแรงต้านลมที่ที่ต่างกัน ของชุดพัดของใบครึ่งหนึ่งมาก และอีกครึ่งหนึ่งน้อย (ถูกบังไว้) ในภาพ 4.3 (ข) จะเห็นได้ว่า มีเพียงใบพัดจำนวนครึ่งหนึ่ง (4) ใบ ที่จะทำให้เกิดแรงหมุนนี้ แรงหมุนดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า “drag force = แรงต้านอากาศ” กังหันลมเพนีโมนี แม้ว่าเป็นกังหันลม ที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานลมต่ำ แต่ถือว่าเป็นจุดเริ่มต้น ที่มนุษย์นำพลังงานลมมาใช้ประโยชน์ (ข้อมูลรายละเอียด เกี่ยวกับทิศทางการหมุนของกังหัน รูปแบบการสร้างกำแพงดักลม รวมถึงรายละเอียดเกี่ยวกับเครื่องบดธัญพืช และวิธีการสูบน้ำ ไม่ปรากฏเป็นหลักฐานในปัจจุบัน)
ภาพ 4.3: กังหันลมเพนีโมนี (ก) ภาพทั่วไป (ข) ภาพที่มองจากด้านบน
ประมาณ พ.ศ. 1500 จีน สร้างกังหันลมเพื่อสูบน้ำทะเลเพื่อมาตาก ในการทำนาเกลือ
ประมาณ พ.ศ. 1728 – 2418 เกิดรูปแบบใหม่ของกังหันลมในกลุ่มประเทศในแถบยุโรปตะวันตก คือกังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวราบ โดยสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงแกนหมุนจากในแนวดิ่ง (ชาวเปร์เชีย) มาเป็นในแนวราบไม่ทราบแน่ชัด แต่เชื่อกันว่า ประสิทธิภาพในการนำพลังานลมมาใช้ประโยชน์ ทำให้เกิดกังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวราบ (แรงหมุนที่เกิดจากลม ทั้ง 2 แบบ เกิดจากแรงต้านอากาศ หรือ เป็น drag-type)
ในช่วงแรกของกังหันลมในยุโรป ส่วนมากเป็นแบบที่เรียกว่า “โพสต์ มิล – post mill – โรงบดกังหันลม” และต่อมาพัฒนามากเป็น กังหันลมแบบหอคอย (tower windmill)
โรงบดกังหันลม คือ อาคารบดธัญพืช ที่ติดตั้งกังหันลม (ใบกังหัน 4 ใบ) ไว้กับตัวอาคารหลายรูปทรง ใช้การหมุนของเพลาในแนวราบ ที่หมุนจากการหมุนของใบกังหัน (ภาพ 4.4) ในการขับเคลื่อนเครื่องโม่ธัญพืช โดยใช้เฟืองที่ทำด้วยไม้ และชุดเปลี่ยนทิศทางการหมุน เทคโนโลยีที่พบในโรงบดกังหันลม ที่สำคัญคือ ระบบป้องกันโรงบดกังหันลม จากลมพัดแรง และพื้นที่สำหรับกักเก็บธัญพืช
ภาพ 4.4: โรงบดกังหันลม (ก) ด้านหน้า และด้านหลัง (ข) ด้านข้าง และ (ค) ด้านข้าง และอุปกรณ์เพื่อปรับการหมุนของใบพัด เพื่อรับลม และเพื่อหยุดรับลม (ช่วงที่เกิดพายุ)
กังหันลมในกลุ่มประเทศยุโรป มีหลากหลาย ทั้งขนาด และรูปร่าง และ ชาวดัตซ์ ประเทศเนเธอร์แลนด์ สร้างกังหันลมจำนวนมาก เพื่อสูบน้ำออกจากพื้นที่มีระดับต่ำกว่าน้ำทะเล จนกังหันลม กลายเป็นสัญลักษณ์ของประเทศ กังหันลมขนาดใหญ่สร้างขึ้นสำหรับสูบน้ำ มีชื่อเฉพาะว่า กังหันลมในพื้นที่ลุ่มน้ำท่วม หรือกังหันลมสูบน้ำ (polder) ชนิดฮอลแลนด์ใต้ พบบริเวณตอนใต้ของประเทศเนเธอแลนด์ (ภาพ 4.5)
ภาพ 4.5: กังหันลมสูบน้ำขนาดใหญ่ ภายในประกอบด้วยระบบล้อวิดน้ำ เพื่อยกระดับน้ำให้สูงขึ้น
เนื่องจากกังหันลมสูบน้ำ มีความสามารถในการยกระดับน้ำ ให้สูงขึ้นจากระดับเดิม เพียง 1.2 ถึง 1.5 เมตร เท่านั้น การสูบน้ำออกจากพื้นที่น้ำท่วมของชาวดัตซ์ จึงใช้กังหันลมสูบน้ำดังกล่าว เป็นชุด พร้อมกับการขุดคลองระบายน้ำเป็นแนววงแหวน สร้างคันดินสูง และอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ในพื้นที่สูง ภาพ 4.6 แสดงถึงการสูบน้ำในพื้นที่ต่ำ และยกระดับน้ำ ได้มากกว่า 3.6 เมตร จากระดับเดิม จากชุดกังหันลมสูบน้ำ น้ำที่สูบขึ้นในระดับที่สูงขึ้น จะกักเก็บไว้ในอ่างเก็บน้ำ และระบบคลองชลประทานเพื่อการเกษตร และระบบคลองที่สามารถระบายน้ำลงสู่ทะเล
วีดิทัศน์ ตอนลมกับคนในแต่ละยุค
กลับไปที่เนื้อหา
1. ลมหลักของโลก
การหมุนเวียนของอากาศในบรรยากาศชั้นโทรโพสเฟียร์ (ชั้นที่ติดกับผิวโลก) เป็นการเคลื่อนที่ของมวลอากาศที่ใหญ่มาก เป็นผลจากการกระจายตัวของพลังงานความร้อนบริเวณผิวโลก การหมุนเวียนของอากาศ ในแต่ละปีไม่เหมือนกัน มีความแปรเปลี่ยน แต่ในภาพหลักจะถือว่ามีรูปแบบที่คงที่ ลักษณะของการหมุนเวียนของอากาศบริเวณผิวโลก สามารถแบ่งได้เป็น 3 เซลล์หลัก คือ แฮดเลย์ เซลล์ (Hadley cell) เฟอร์เรล เซลล์ (Ferrel cell) และโพลาร์ เซลล์ (Polar cell) ซึ่งเกิดทั้งซีกโลกเหนือ และซีกโลกใต้ (ภาพ 3.1) ซึ่งอธิบายได้ดังนี้
แฮดเลย์ เซลล์
(1) เซลที่มีขนาดใหญ่สุด มีชื่อว่า แฮดเลย์ เริ่มที่บริเวณศูนย์สูตร อากาศที่อุ่น มีความหนาแน่นน้อยลอยตัวสูงขึ้น เป็นระยะทางประมาณ 18 กิโลเมตร (ส่วนบนสุดของโทรโพสเฟียร์) อากาศที่อุ่นที่ลอยตัวเกิดการขยายตัว และมีอุณหภูมิต่ำลง ไอน้ำในอากาศเกิดการควบแน่น เกิดเมฆ และฝน เกิดเป็นระบบอากาศที่มีความกดอากาศต่ำ
(2) ที่ระดับประมาณ 18 กิโลเมตร อากาศอุ่นแยกเคลื่อนที่กระจายตัวไปยังขั้วโลกเหนือ และขั้วโลกใต้
(3) บริเวณ ละติจูด ประมาณ 30 องศา เหนือ และใต้ มวลอากาศแฮดเลย์ เซลล์ ปะทะ กับมวลอากาศเฟอร์เรล เซลล์
(4) มวลอากาศที่ปะทะกัน จะอัดตัวกันแน่น โดยมีอุณหภูมิสูงขึ้น และความชื้นลดลง เกิดเป็นระบบความกดอากาศสูง และเรียกบริเวณนี้ว่า ละติจูดม้า (horse latitudes)
(5) มวลอากาศเคลื่อนที่บริเวณผิวโลก กลับสู่บริเวณศูนย์สูตร เกิดเป็นลม ที่รู้จักกันในชื่อ ลมค้า หรือลมสินค้า (trade winds) ดูเพิ่มเติมในหัวข้อ “ลมค้า”
(6) มวลอากาศที่ติดกับผิวโลกปะทะ กับมวลอากาศของ แฮดเลย์ เซลล์ อีกเซลล์หนึ่ง ที่เคลื่อนตัวเข้าหากันบริเวณศูนย์สูตร และเกิดเป็นวงจรต่อเนื่อง ต่อในข้อ (1)
ภาพ 3.1: ระบบหมุนเวียนของอากาศ ที่ยอมรับในปัจจุบัน (มาตราส่วนไม่ถูกต้อง)
เฟอร์เรล เซลล์
การอธิบาย เฟอร์เรล เซลล์ ไม่เหมือนกับ แฮดเลย์ เซลล์ และโพลาร์ เซลล์ กล่าวคือ เฟอร์เรล เซลล์ ดูเหมือนจะไม่ขับเคลื่อนโดยตรงโดยอุณหภูมิของมวลอากาศ แต่การหมุนเวียนของมวลอากาศใน เฟอร์เรล เซลล์ จะหมุนในทิศทางตรงกันข้ามกับ เซลล์สองข้างที่ประกบอยู่ด้านข้าง มีผู้อธิบายเปรียบเทียบว่า การหมุนของอากาศในเซลล์นี้คล้ายกับการหมุนของฟันเฟือง และลักษณะการหมุนของมวลอากาศในเฟอร์เรล เซลล์ มีดังนี้
(1) ที่ประมาณบริเวณละติจูด 30 องศาเหนือ และใต้ ส่วนบนของชั้นโทรโพสเฟียร์ มวลอากาศจมตัวลง อัดตัวกันมากขึ้น มีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่มีความชื้นลดลง เกิดระบบความกดอากาศสูง
(2) มวลอากาศเคลื่อนที่บริเวณส่วนล่างของชั้นโทรโพสเฟียร์ที่ติดกับผิวโลก จากบริเวณละติจูด 30 องศาเหนือและใต้ เคลื่อนที่ไปในทิศตะวันตก เข้าหาบริเวณขั้วโลกเหนือ และขั้วโลกใต้ การเคลื่อนที่ของมวลอากาศนี้ ทำให้เกิดลม ที่มีชื่อเรียกว่า “ลมเวสเทอร์ลีส์ – westerlies” (ลมหลัก พัดจากทิศตะวันตก เกิดในบริเวณละติจูกลาง ทั้งซีกโลกเหนือ และซีกโลกใต้)
(3) ประมาณบริเวณละติจูด 60 องศา เหนือ และใต้ ส่วนล่างของโทรโพสเฟียร์ มวลอากาศของเฟอร์เรล เซลล์ ปะทะกับมวลอากาศ ของโพลาร์ เซลล์ เกิดมวลอากาศอุ่นลอยตัวสูงขึ้น
(4) อากาศบริเวณ ละติจูด 60 องศา เหนือ และใต้ จะขยายตัว อุณหภูมิต่ำลง ไอน้ำเกิดการควบแน่น เป็น เมฆ และฝน เกิดเป็นระบบความกดอากาศต่ำ
(5) มวลอากาศในบริเวณส่วนบนของโทรโพสเฟียร์ ที่ ละติจูด 60 องศา เหนือ และใต้ เคลื่อนที่กลับไปยัง บริเวณ ละติจูด 30 องศา เหนือ และใต้ และปะทะกับ มวลอากาศของ แฮดเลย์ เซลล์ และลมตัวลง หมุนเวียนต่อเนื่อง ต่อใน ข้อ (1)
โพลาร์ เซลล์
โพลาร์ เซลล์ เป็นเซลล์ การเคลื่อนที่ของมวลอากาศที่มีขนาดเล็กสุด เกิดบริเวณขั้วโลก ภาพ 3.1 แสดงโพลาร์ เซลล์ เพียงครึ่งซีกเท่านั้น การเคลื่อนที่ของมวลอากาศในโพลาร์ เซลล์ มีดังนี้
(1) มวลอากาศส่วนล่างของโทรโพสเฟียร์ ที่ละติจูด 60 องศาเหนือ และใต้ ลอยตัวสูงขึ้น ขยายตัว อุณหภูมิลดลง ไอน้ำเกิดการควบแน่น เกิดเมฆ ฝน ซึ่งเป็นส่วนของระบบความกดอากาศต่ำ
(2) ที่ละติจูด 60 องศาเหนือ และใต้ อากาศที่ลอยตัวสูงขึ้นยังส่วนบนของโทรโพสเฟียร์ เคลื่อนที่ไปยังบริเวณขั้วโลก
(3) บริเวณขั้วโลก ส่วนบนของโทรโพสเฟียร์ เกิดการประทะของมวลอากาศ ระหว่างโพลาร์ เซลล์ กับอีกโพลาร์ เซลล์หนึ่งที่ติดกัน
(4) บริเวณขั้วโลก มวลอากาศจมตัว อัดตัวกัน อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้น และแห้ง เกิดระบบความกดอากาศสูง
(5) อากาศที่จมตัวบริเวณขั้วโลก เคลื่อนที่บริเวณส่วนล่างของ โทรโพสเฟียร์ ไปในทิศตะวันออก ไปยังบริเวณ ละติจูด 60 องศาเหนือ และใต้ เกิดลมที่เรียกว่า ลมโพลาร์ อีสเตอร์ลีส์ (polar easteries)
(6) มวลอากาศ บริเวณส่วนล่างของโทรโพสเฟียร์ ปะทะกับมวลอากาศ เฟอร์เรล เซลล์ ที่ละติจูด 60 องศาเหนือ และใต้ หมุนเวียนต่อเนื่องกับข้อ 1
2. ชนิดของลมหลักของโลก
ลมหลักของโลก เป็นลมที่จำแนกโดยอาศัยขนาด ในการเคลื่อนที่ของลม ซึ่งโดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่ ในระดับประเทศ หรือระดับทวีป และอาจเกิดในช่วงเวลาสั้นๆ เป็นวัน หรือสัปดาห์ หรือยาวนานเป็นฤดู ตัวอย่างของลมประเภทนี้ คือ ลมค้า (ลมสินค้า) ลมเวสเทอร์ลีส์ ลมอีสเตอร์ลีส์ พายุไซโคลน (ไต้ฝุ่น) และลมมรสุม
ภาพที่แสดงเกี่ยวกับ ทิศทางการพัด ของ ลมค้า ลมเวสเทอร์ลีส์ ลมอีสเตอร์ลีส์ (ภาพ 3.2 ก) ส่วนมากเป็นภาพในอุดมคติ (ภาพตามแบบจำลอง) บ่อยครั้งที่แสดงพร้อมกับระบบความกดอากาศ ที่มีชื่อต่างๆ (ITCZ, Subtropical high และ Subpolar low ซึ่งจะไม่กล่าวในที่นี้) ในความเป็นจริง (ภาพที่สังเกตได้จากภาพดาวเทียม) ระบบความกดอากาศจะเกิดเป็นกลุ่มก้อน หรือเป็นรูปคล้ายดวงตา (ภาพ 3.2 ข) ลักษณะที่เห็นเป็นกลุ่มก้อนคือก้อนเมฆ (มองจากด้านบน รวมทุกระดับความสูง) ซึ่งมีการแปลความหมาย ว่าเป็นบริเวณที่มีความกดอากาศสูง หรือต่ำ ส่วนทิศทางการพัดของลมหลัก (ลมที่พัด บริเวณที่ติดกับผิวโลก หรือส่วนล่างของโทรไพสเฟียร์) จะเคลื่อนที่หมุนรอบบริเวณที่เกิดเป็นกลุ่มก้อนเหล่านี้
ภาพ 3.2: ลมค้า ลมเวสเทอร์ลีส์ ลมอีสเตอร์ลีส์ และทิศทางการพัด (ก) ภาพจากแบบจำลอง และ (ข) ภาพที่ปรับปรุงให้เหมือนกับลักษณะที่เกิดจริงมากสุดในปัจจุบัน
ลมหลักของโลก ที่เกิดในระดับภูมิภาค (หลายประเทศ) ที่คนไทยคุ้นเคย คือ พายุไซโคลนเขตร้อน หรือทรอปิคอล ไซโคลน – tropical cyclone (ตัวอย่าง คือพายุไต้ฝุ่น) และลมมรสุม ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้
พายุไซโคลนเขตร้อน (พายุหมุนเขตร้อน)
พายุไซโคลนเขตร้อน หรือทรอปิคอล ไซโคลน คือ ระบบพายุ ที่มีศูนย์กลาง เป็นความกดอากาศต่ำ ล้อมรอบด้วยลมพัดแรง และหมุนวน คำว่า “cyclone” (ชื่อหมายถึง “ขดม้วนเหมือนงู” กำหนดชื่อโดย เฮนรี พิดดิงตัน (Henry Piddington) ในปี พ.ศ. 2548) คือมวลอากาศขนาดใหญ่ ที่หมุนเป็นเกลียวล้อมรอบศูนย์กลางความกดอากาศต่ำ และคำว่า “ทรอปิคอล” หมายถึง “เขตร้อน” ส่วนคำว่า “พายุโซนร้อน – tropical strom” เป็นชื่อพายุ ที่มีความเร็วน้อยกว่า พายุไซโคลน โดยประมาณน้อยกว่า 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
ความเร็วลม ของพายุไซโคลนเขตร้อน โดยทั่วไป มีความเร็วลม มากกว่า 120 กิโลเมตร ต่อชั่วโมง และอาจมีความเร็ว มากกว่า 260 กิโลเมตร ต่อชั่วโมง และสามารถทำให้เกิด ฝนตกหนักมาก พายุฝนฟ้าคะนอง คลื่นพายุซัดฝั่ง (น้ำทะเลยกตัวสูง พัดเข้าท่วมชายฝั่ง)
พายุไซโคลนเขตร้อนขนาดใหญ่กำลังแรง ถ้าก่อตัวในบริเวณมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ และด้านตะวันออกของมหาสมุทรแปซิฟิก พายุหมุนนี้มีชื่อเรียกว่า “เฮอริเคน – hurricane” แต่ถ้าพายุไซโคลนเขตร้อนขนาดใหญ่กำลังแรง ก่อตัวด้านตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิก ทะเลญี่ปุ่น และทะเลในบริเวณเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ จะเรียกว่า “ไต้ฝุ่น - typhoon” และสำหรับพายุไซโคลนเขตร้อนนี้ ถ้าก่อตัวในมหาสมุทรอินเดีย จะเรียกพายุนี้ว่า “ไซโคลนส์ – cyclones)
จากสถิติเกี่ยวกับพิบัติภัย พบว่า พายุไซโคลนเขตร้อน โดยเฉพาะ “ไต้ฝุ่น” สร้างความเสียหายต่อชีวิต และทรัพย์สิน เป็นจำนวนมาก รวมถึงประเทศไทยด้วย และเนื้อหาในส่วนต่อไป จะกล่าวถึง “ไต้ฝุ่น” แทนพายุไซโคลนเขตร้อนชื่ออื่นๆ
การก่อตัวของพายุไต้ฝุ่น (ดูภาพ 3.3 ประกอบ)
ในมหาสมุทร หรือทะเล บริเวณเขตร้อนชื้น ละติจูด ส่วนมาก 5 – 20 องศาเหนือ ในตำแหน่งดังกล่าวอากาศจะร้อน และไต้ฝุ่นจะเริ่มก่อตัวเหนือผิวทะเล โดยอุณหภูมิบริเวณผิวทะเล มีค่าไม่ต่ำกว่า 26.5 องศาเซลเซียส บริเวณดังกล่าว เป็นบริเวณในร่องความกดอากาศต่ำ เช่นในรายงานเกี่ยวกับการก่อตัวของพายุไต้ฝุ่นเกย์ (ไต้ฝุ่นก่อตัว 1 พ.ย. 2532 สลายตัว 10 พ.ย. 2532; https://en.wikipedia.org/wiki/Typhoon_Gay_(1989)) ระบุว่า ในต้นเดือน พฤศจิกายน 2532 เกิดร่องมรสุมความกดอากาศต่ำ ปกคลุมอ่าวไทย แสดงสภาพเหมาะสมต่อการเกิดพายุหมุน มีพื้นที่ขนาดเล็กที่มีการพาความร้อนเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ในพื้นที่ความกดอากาศต่ำภายในร่องความกดอากาศต่ำที่เกิดขึ้น”
ภาพ 3.3: ลักษณะของพายุหมุนเขตร้อน ภาพตัดขวาง ขนาด ความเร็วลม และความกดอากาศ ของพายุ
สภาพอากาศในบริเวณที่ก่อตัว มีอุณหภูมิสูง และความชื้นสัมพัทธ์สูง (ร้อนอบอ้าว) ทำให้ อากาศขยายตัว เชื่อว่าลมที่พัดเบาๆ เป็นส่วนให้เกิดการเติมอากาศส่วนนอกพื้นที่ (อุณหภูมิต่ำกว่า) เข้าไปแทนที่อากาศที่ลอยตัวสูงขึ้น
อากาศเย็นว่าที่เคลื่อนที่เข้าไปจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น และเกิดวงจรหมุนเวียนการพาความร้อน อุณหภูมิอากาศสูงขึ้นจากความร้อนที่เกิดเฉพาะบางบริเวณ เกิดการกลั่นตัว เป็นกลุ่มเฆมสูงชันรูปร่างของการพาความร้อนเกิดเป็นแบบหอสูง หรือปล่องสูง โดยจะมีลมแรง และฝนฟ้าคะนองเกิดร่วมด้วย
ถ้าเกิดลมแรงที่สามารถพัดส่วนบนของกลุ่มเมฆที่ก่อตัวเป็นหอสูงนี้ จะทำให้การก่อตัวเป็นพายุสลายไป (ชื่อ พายุหมุน พายุไซโคลน พายุหมุนเขตร้อน ไต้ฝุ่น หรือชื่ออื่นๆ เป็นชื่อที่แฝงสมบัติอื่นๆ ที่ติดมากับชื่อ เช่น ความเร็วลม สถานที่ที่ก่อตัว)
ในกรณีที่ลมไม่แรงพอ ถึงสภาพลมสงบ วงจรการพาความร้อนพัฒนามากขึ้น อากาศที่ร้อน ชื้น ลอยตัวสูงขึ้น และกระจายตัวออกด้านข้างบริเวณส่วนบน แรงคอริออลิส กระตุ้นทำให้อากาศที่ลอยตัวหมุนวน ความเร็วลมสูงสุดเกิดบริเวณใกล้กับศูนย์กลางของพายุ (ความเร็วลมมากกว่า 118 กิโลเมตร ต่อชั่วโมง จำแนกพายุนี้ว่าเป็นไต้ฝุ่น)
ส่วนกลางของพายุ เป็นเขตที่มีความกดอากาศต่ำ อุณหภูมิสูงกว่าส่วนนอก (10 องศาเซลเซียส) การลอยตัวของอากาศรอบตาพายุ เป็นการดึงอากาศร้อนชื้นจากส่วนล่างรอบนอกเข้าสู่ตาพายุ (เป็นการป้อนพลังงานให้แก่พายุ)
ไต้ฝุ่น มักเคลื่อนที่โดยลมค้า (ส่วนมากไปในทิศตะวันตก) และเคลื่อนที่เข้าฝั่ง ในประเทศ ญี่ปุ่น จีน ไต้หวัน เวียดนาม ฟิลลิปินส์ ไทย มาเลเซีย โดยทั่วไปเมื่อไต้ฝุ่นเคลื่อนที่เข้าแผ่นดินจะอ่อนกำลังลง และสลายตัว เป็นพายุฝนฟ้าคะนอง เนื่องจากขาดอากาศร้อนชื้น จากผิวน้ำในการป้อนวงจรการพาความร้อน แต่มีบางครั้งที่ไต้ฝุ่น หรือพายุหมุนเขตร้อน สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นดินอ่อนกำลัง และเพิ่มความรุนแรงมากขึ้นอีกเมื่อเคลื่อนที่ผ่านทะเลกลายเป็นไต้ฝุ่นอีกครั้ง เช่น ไต้ฝุ่นเกย์ สำหรัยพายุหมุนแฮเรียต (พ.ศ. 2505) แม้ความเร็วลมไม่มากพอที่จะเรียกเป็นไต้ฝุ่น แต่เป็นระบบพายุที่อ่อนพลังเมื่อพัดเข้าหาฝั่ง และเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ไปทางเหนือ เมื่อเคลื่อนที่ผ่านทะเลอันดามัน (ภาพ 3.4)
ภาพ 3.4: การเคลื่อนที่ของพายุหมุนแฮเรียต (พ.ศ. 2505)
ลมมรสุม
ลมมรสุม คือลมหลักที่พัดในทิศทางที่กลับกัน ใน 1 ปี ทำให้เกิดการฤดูต่างกันในพื้นที่ที่ลมนี้พัดผ่าน ลมมรสุม มักหมายถึง ลมที่เกิดในทวีป เอเชีย (พื้นที่จากประเทศอินเดีย ถึง กลุ่มประเทศอินโดจีน และเอเซียตะวันออกเฉียงใต้) สำหรับประเทศไทย ลมมรสุมจัดเป็นลมประจำฤดู แบ่งเป็น ลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ (เริ่มประมาณกลางเดือนตุลาคม สิ้นสุดเดือนกุมภาพันธ์) และลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้ (เริ่มในกลางเดือนพฤษภาคม ถึงประมาณกลางเดือนตุลาคม) (ภาพ 3.4)
ภาพ 3.5: ลมมรสุม ที่พัดผ่านประเทศไทย ในแต่ละช่วงเวลาของปี หมายเหตุ ทิศที่ใช้เรียกชื่อลม เป็นทิศที่ลมพัดมาจากทิศไหน โดยอ้างอิงกับตำแหน่ง (จุด) ที่ลมพัดผ่าน
ลมมรสุม สามารถเปรียบเทียบได้ว่า มีการเกิดเหมือนกับลมบก-ลมทะเล ที่มีขนาดใหญ่ระดับทวีป ในช่วงเดือนที่ซีกโลกเหนือเอียงเข้าหาดวงอาทิตย์มาก ความร้อนจากดวงอาทิตย์ทำให้อุณหภูมิอากาศเหนือแผ่นดินสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำทะเล ผลคือ เกิดความแตกต่างของความกดอากาศ ทำให้อากาศที่อยู่เหนือพื้นทะเล (ความกดอากาศสูง) เคลื่อนที่เข้าหาแผ่นดิน อากาศที่อยู่เหนือพื้นทะเล มีความชื้นในอากาศสูง เมื่อเคลื่อนตัวเข้าหาแผ่นดิน จะลอยตัวสูงขึ้น และเย็นตัว จนอากาศไม่สามารถจะรักษาความชื้นไว้ได้ จึงทำให้เกิดฝนตกบนแผ่นดิน อากาศที่ร้อน จะเคลื่อนที่กลับไปในทะเล ทำให้วงจรการหมุนเวียนอากาศครบวงจร
ในช่วงเดือนที่ซีกโลกเหนือเอียงออกจากดวงอาทิตย์ วงจรการหมุนเวียนอากาศจะกลับกันกับที่กล่าวมาข้างต้น กล่าวคือ แผ่นดินจะเย็นตัวเร็วกว่าทะเล อากาศที่อยู่เหนือแผ่นดินจะมีความกดอากาศสูง กว่าอากาศที่อยู่เหนือน้ำทะเล ทำให้อากาศจากแผ่นดินเคลื่อนที่สู่ทะเล และเมื่ออากาศชื้นในทะเลที่ลอยตัวสูงขึ้น ประทะกับอากาศเย็น จะทำให้เกิดฝนตก ในบริเวณที่เกิดการประทะของมวลอากาศ อากาศที่ลอยตัวขึ้นจะเคลื่อนตัวกลับไปยังแผ่นดิน เพื่อทำให้เกิดการหมุนเวียนของอากาศสมบูรณ์
3.3 ลมประจำถิ่น
ลมท้องถิ่น เป็นรูปแบบการหมุนเวียนอากาศ ที่เกิดเฉพาะบริเวณในพื้นที่จำกัด ตัวอย่างลมท้องถิ่นที่นิยมอ้างถึง คือ ลมบก-ลมทะเล (ภาพ 3.6) และลมภูเขา (ภาพ 2.6)
ภาพ 3.6: การเกิดลมบก ลมทะเล
ในช่วงฤดูร้อน (เดือน เมษายน) ของ ชายทะเลฝั่งอ่าวไทย และ (เดือน มกราคม) ของชายทะเลฝั่งอันดามัน ในเวลากลางวัน อุณหภูมิของแผ่นดินเพิ่มขึ้นมากกว่า อุณหภูมิของน้ำทะเล อากาศเหนือแผ่นดินมีความร้อนมากขึ้น ขยายตัว และลอยตัวขึ้น ทำให้อากาศที่อยู่เหนือพื้นทะเลที่เย็นกว่า เคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง (ลมทะเล) ลมทะเล อาจพัดเข้าไปในแผ่นดิน หลายกิโลเมตร หรือไม่ถึงกิโลเมตร ทั้งนี้ขึ้นกับความแตกต่างของอุณหภูมิอากาศในช่วงเวลานั้นๆ ในเวลากลางคืน พื้นดินเย็นตัวเร็วกว่าพื้นน้ำ ผลทำให้เกิดลมพัดจากแผ่นดินสู่ทะเล (ลมบก)
วีดิทัศน์ ปากพนังวินด์ พาร์ค
กลับไปที่เนื้อหา
กังหันลม เพื่อผลิตไฟฟ้า
ในส่วนนี้จะกล่าวถึงข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับ ชนิดของกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า รวมถึงการองค์ประกอบโดยทั่วไปของกังหันลม ที่ใช้ผลิตไฟฟ้าโดยทั่วไป
1. ชนิดของกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า
กังหันลมที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบัน เช่นเดียวกับกังหันลมในอดีต กล่าวคือ เป็นอุปกรณ์ สำหรับเปลี่ยนพลังงานจลน์ ที่มีอยู่ในลม มาเป็นพลังงานกล (การหมุน) ปัจจุบันมีการกล่าวว่า “กังหันลม” คือ อุปกรณ์ในการ “ล่าลม” หรืออุปกรณ์สำหรับ “เก็บเกี่ยว” พลังงานจากลม
กังหันลม ชื่อในภาษาอังกฤษ มีใช้อยู่ 2 แบบ คือ windmill (โรงสี หรือโรงบดเมล็ดธัญพืช หรือโรงสูบน้ำ) คือ กังหันลมที่เปลี่ยนพลังงานลม มากะเทาะเปลือก และบดธัญพืช และสูบน้ำ และ wind turbine คือ กังหันลม ที่เปลี่ยนพลังงานลม ไปใช้ในการผลิตไฟฟ้า (ภาพ 5.1)
ภาพ 5.1: โรงสูบน้ำโดยใช้พลังงานลม และกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า (บริษัท อินเตอร์ ฟาร์อีสท์ วินด์ อินเตอร์เนชั่นแนล จำกัด)
กังหันลม เพื่อผลิตไฟฟ้า โดยทั่วไปจำแนกได้โดยอาศัยการแกนหมุนของไปพัด คือ กังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวราบ กับกังหันลมที่มีแกนหมุน ในแนวดิ่ง (ภาพ 5.2) แม้ว่าทั้ง 2 ประเภทของกังหันลมมีข้อดี และข้อด้อย แตกต่างกัน แต่ในปัจจุบันพบว่า มีการใช้กังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวราบ ในการผลิตไฟฟ้า มากกว่ากังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวดิ่ง
ภาพ 5.2: กังหันลมแกนหมุนในแนวราบ และกังหันลมแกนหมุนในแนวดิ่ง
2. องค์ประกอบหลักของกังหันลม
ในส่วนนี้กล่าวถึงลักษณะหลักของ กังหันลม 3 ใบพัดแบบแกนหมุนในแนวนอน ซึ่งกังหันลมประเภทนี้ ในปัจจุบัน เป็นประเภทที่ได้รับความนิยม ใช้สำหรับผลิตไฟฟ้าจากลม สำหรับคำว่า “กังหันลม 3 ใบพัดแบบแกนหมุนในแนวนอน” “กังหันลมแบบใบหมุน 3 ใบ” “กังหันลมหมุนในแนวนอน” เพื่อความสะดวก จะใช้คำว่า “กังหันลม” เท่านั้น
กังหันลมเป็นสิ่งประดิษฐ์ทางกล และทางไฟฟ้า ที่มนุษย์พัฒนาขึ้นเพื่อ เก็บเกี่ยวพลังงานจากลม และเปลี่ยนพลังงานดังกล่าวเป็นพลังงานไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้องค์ประกอบหลัก ประกอบด้วย องค์ประกอบทางกล และองค์ประกอบทางไฟฟ้า ซึ่งแบ่งได้เป็นระบบแยกเป็นส่วนดังนี้ (ดูภาพ 5.2 ประกอบ)
| องค์ประกอบหลัก* | ระบบที่แยกเป็นส่วน ของกังหันลม และระบบที่ผลิตไฟฟ้า |
| ทางกล | เสากังหัน (tower) ห้องเครื่อง (nacelle) โรเตอร์ (rotor) และ ฐานราก |
| ทางไฟฟ้า | เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) และระบบแปลงไฟฟ้า (transformer) |
* ในส่วนขององค์ประกอบของกังหันลม ยังมีองค์ประกอบอื่นๆ ที่เป็นองค์ประกอบเสริม เช่น ระบบยอ (yaw system) เป็นระบบหมุนกังหันให้รับลมมากสุด หรือหมุนกังหันให้รับลมน้อยสุด โดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้า หรือ ระบบเกียร์ กับระบบไร้เกียร์ ที่ติดตั้งไว้ในห้องเครื่อง จะไม่กล่าวในส่วนนี้ แต่จะกล่าวเพิ่มในส่วนต่อไป
ลักษณะทางกลทั่วไป ของกังหันลม แสดงไว้ใน ภาพที่ 5.3 และ 5.4 ซึ่งเป็นรูปแบบของกังหันลมผลิตไฟฟ้า พบเห็นในปัจจุบัน เสากังหันลม เป็นท่อเหล็กกลวงทรงกระบอก ออกแบบมาเพื่อรับน้ำหนักของโรเตอร์ และห้องเครื่อง ที่ติดตั้งไว้ด้านบน และส่วนที่อยู่ใต้ดินคือ ส่วนฐานราก
ภาพที่ 5.3: กังหันลม กำลังการผลิตติดตั้ง 2.5 เมกกะวัตต์ ต่อต้นกังหัน ของบริษัท อินเตอร์ ฟาร์อีสท์ วินด์ อินเตอร์เนชั่นแนล จำกัด บริเวณชายฝั่งทะเล อำเภอปากพนัง จังหวัดนครศรีธรรมราช
องค์ประกอบทางกลของกังหันลม
เสากังหันลม
ทำหน้าที่รองรับน้ำหนักของ ห้องเครื่อง และโรเตอร์ ที่อยู่สูงจากพื้นดิน และเป็นทางสำหรับการเข้าไปบำรุงรักษาระบบอุปกรณ์ต่างๆ ภายในห้องเครื่อง ด้วยเหตุนี้เสากังหันลม จึงต้องเป็นโครงสร้างที่แข็งแรง ที่ทนต่อน้ำหนักด้านบนของห้องเครื่อง รวมกับโรเตอร์ และแรงลมที่สามารถทำให้เสากังหันงอ หรือหักถ้าเสาไม่แข็งแรง
เสากังหันลม มีกฎพื้นฐานเกี่ยวกับความสูงของเสา ดังนี้คือ “ความสูงของเสา จะมีค่าอย่างน้อยจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดกังหันที่หมุน” เสากังหันลม มีลักษณะหลายแบบ ซึ่งแต่ละแบบยังออกแบบหลากหลาย แต่สามารถ จำแนกตามวัสดุที่สร้าง คือ เสากังหันลมแบบเหล็กขัดแตะ (lattice tower) เสากังหันลมแบบชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป (precast concrete tower) และ เสากังหันลมแบบท่อทรงกระบอก (tubular tower) ซึ่งเสาแต่ละประเภทมีข้อเด่น และข้อด้อยดังนี้
เสากังหันลมเหล็กขัดแตะ
- ก่อสร้างโดยใช้ท่อนเหล็กกล้า ต่อกันโดยการเชื่อม หรือยึดด้วยน๊อต
- ใช้เหล็กที่มีความเหนียวตามมาตรฐานก่อสร้าง ในปริมาณน้อยกว่า ประมาณ 50 % ของเหล็กที่จะทำเป็นเสาท่อทึบ ด้วยเหตุนี้ต้นทุนวัตถุดิบในการก่อสร้างจึงถูก
- สะดวกในการก่อสร้าง เนื่องจากการขนถ่ายเหล็กสามารถขนเป็นท่อน และนำมาประกอบบริเวณพื้นที่โครงการ
- การบำรุงรักษาเสาเหล็ก เช่น ทาสีใหม่ ทำได้ง่าย
- นิยมใช้ ในอดีต และใช้กับกังหันลมผลิตไฟฟ้า ที่มีกำลังการผลิต น้อยกว่า 1 เมกกะวัตต์ (เช่น กังหันลมทดลองผลิตไฟฟ้า รุ่น BWC EXCEL-R 10 กิโลพัตต์ ที่สถานนีพลังงานทนแทนพรมเทพ อ. เมือง จ. ภูเก็ต ของการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย)
เสากังหันลมแบบชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป
- ก่อสร้างโดยใช้ ชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป มาประกอบกัน เป็นเสากังหันลม ในบริเวณพื้นที่ติดตั้งกังหันลม
- ในอดีตสร้างเสากังหันลม โดยใช้ชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป ไม่เป็นที่นิยม ด้วยราคาวัตถุดิบ และราคาก่อสร้างจะสูงกว่า การก่อสร้างเป็นแบบเสาเหล็กขัดแตะ ยกเว้นในประเทศที่มีราคาเหล็กแพงมาก (เช่น ประเทศบราซิล)
- ในปัจจุบัน มีความต้องการสร้างกังหันลม ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น (มีความสูงมากขึ้น และผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้น) เสากังหันลมแบบชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสม ด้วยราคาวัตถุดิบ และราคาก่อสร้าง จะถูกกว่า เสากังหันลมแบบท่อทรงกระบอก ถ้าความสูงของเสา มากกว่า 100 เมตร (ซึ่งจะกล่าวต่อไป)
- เสากังหันลมแบบนี้ ในอนาคตอีกไม่นาน เราจะเห็นลักษณะของเสากังหันแบบนี้ที่สูงมากขึ้น มีใบพัดยาวขึ้น และผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้น
- เสากังหันลมชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป จะมีน้ำหนักมาก และทำให้ต้องก่อสร้างฐานราก ที่รับน้ำหนักเพิ่มมากขึ้น (ราคาก่อสร้างฐานรากจะสูงขึ้นด้วย)
เสากังหันลมแบบท่อ (เหล็ก) ทรงกระบอก
- เสากังหันลม แบบท่อทรงกระบอก ลู่เล็กลงในด้านบน เป็นเสากังหันลมที่พบเห็นได้ทั่วไปในปัจจุบัน (แบบยอดนิยม)
- เสาประกอบด้วยท่อเหล็กกลวงเป็นส่วน โดยแต่ละส่วนมีความยาว ระหว่าง 20 – 30 เมตร และท่อจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง ที่ฐาน ประมาณ 4.5 เมตร และด้านบนจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 เมตร (ถ้าเสามีความสูงมากกว่า 100 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลางบริเวณฐาน จะมีค่ามากกว่า 5 เมตร)
- แม้ว่าในปัจจุบันเสาประเภทนี้ เป็นที่นิยมทั่วไป แต่ในกรณีต้องการสร้างเสาให้มีความยาวเพิ่มขึ้น การขนส่งท่อแยกส่วน ขนาดใหญ่ และยาว ทำได้ยากในหลายพื้นที่ และถ้าทำได้ ค่าขนส่งที่แพงมาก ในการขนส่งท่อ ที่ยาว และมีเส้นผ่านศูนย์กลางมาก
- ด้วยข้อดีของน้ำหนักเสาแบบนี้ เบากว่าเสากังหันลมชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป ดังนั้นในอนาคตจึงอาจจะเกิดแบบผสม คือส่วนล่างของเสาสร้างจากชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป ส่วนด้านบนของเสาจะเป็นท่อเหล็กกลวง
ราคาโดยประมาณแบบแปรียบเทียบ ระหว่างการก่อสร้างเสากังหันลมชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป กับ เสากังหันลมแบบท่อ (เหล็ก) ทรงกระบอก แสดงให้เห็นถึง ราคาก่อสร้างเสากังหัน (ประมาณ 20 -25 % ของราคาก่อสร้างกังหันลมทั้งหมด) เมื่อเสากังหันลม มีความสูงมากกว่า 100 เมตร ราคาของเสากังหันลม ที่สร้างจากชิ้นส่วนคอนกรีตสำเร็จรูปจะถูกกว่า เสากังหันเหล็กทรงกระบอกอย่างมาก
เสากังหันแบบปิด ทั้งเสากังหันแบบคอนกรีตสำเร็จรูป กับแบบท่อเหล็ก ทั้ง 2 เป็นโครงสร้างปิด มีข้อดีดังนี้
1. ป้องกันองค์ประกอบอื่นๆ ของกังหันลม เช่น สายเคเบิ้ล และอุปกรณ์ไฟฟ้า ต่างๆ จากสภาพภูมิอากาศ ลม และไอทะเล
2. อำนวยความสะดวกแก่ผู้ปฏิบัติงาน ในงานตรวจสภาพ และงานซ่อมบำรุง
3. สามารถติดตั้ง ลิฟท์ เพื่อขนส่ง ทั้งพนักงาน และอุปกรณ์
4. ลักษณะภายนอกมีความสวยงามกว่า เสากังหันแบบเหล็กขัดแตะ
ฐานราก
กังหันลมทุกประเภท ต้องสามารถที่จะทนต่อแรงกระทำจากลม รวมถึงแรงจากน้ำหนักของโครงสร้างส่วนบน ประกอบด้วย เสากังหัน ห้องเครื่อง และโรเตอร์ ที่มีน้ำหนักมาก นอกจากนี้การออกแบบฐานรากของกังหันลม ยังขึ้นกับ สภาพภูมิประเทศ สภาพภูมิอากาศ และรวมถึงลักษณะของดิน หรือหิน บริเวณที่จะติดตั้งกังหันลม
บริเวณใต้กังหันลม นอกจากจะมีเสาเข็มแล้ว ส่วนมากบริเวณฐานใต้ดินจะมีการหล่อเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก ในบางครั้งอาจมีขนาด กว้าง 15 เมตร ยาว 15 เมตร และลึกถึง 9 เมตร
โรเตอร์ (ใบพัด และฮับ)
โรเตอร์ หมายถึงทุกส่วนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่หมุนได้ เริ่มจากใบพัดที่เป็นส่วนของกังหันลม ที่ทำหน้าที่เก็บเกี่ยวพลังงานลม เมื่อลมปะทะใบพัดทั้ง 3 ใบ จะทำให้เกิดแรงบิด (torgue) ที่หมุนเพลาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
กังหันลมในปัจจุบัน ใบพัดจะติดกับฮับ ด้วยระบบการบิด (pitch) ปรับมุมการรับลมของใบพัด เพื่อทำให้การรับลมในการผลิตกระแสฟ้ามีประสิทธิภาพ (บิดใบพัดด้วยมุมที่สัมพันธ์กับฮับ) กลไกการควบคุมการบิดของใบพัดจะอยู่ภายในฮับ ซึ่งรับข้อมูลการตรวจวัดทิศทางและกระแสลม จากอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนภายนอกบนห้องเครื่อง และทำการบิดใบพัดด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า หรือมอเตอร์ไฮดรอลิค
ใบพัด ต้องแข็งแรงมากที่จะรับลม เมื่อกังหันหมุน และต้องมีน้ำหนักเบา วัสดุที่ใช้ผลิตเป็นไปพัด เป็นวัสดุสังเคราะห์ ทำจาก อะลูมิเนียม – ไฟเบอร์กลาส หรือ คาร์บอน - ไฟเบอร์กลาส
เมื่อกังหันลมหมุน ทั้งใบพัดและฮับ จะหมุนไปด้วยกัน โดยมีแกนกลางที่เป็นเพลา ต่อเชื่อมกับแกนหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ห้องเครื่อง
ห้องเครื่อง เป็นส่วนที่ตั้งอยู่บนเสากังหัน และต่อเชื่อมกับโรเตอร์ มีหน้าที่ดังนี้
- ภายในประกอบด้วย อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ชุดเกียร์ (สำหรับกังหันลมที่ใช้ชุดเกียร์) เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ระบบเบรก ระบบการหมุนห้องเครื่องให้สัมพันธ์กับทิศทางลม (yaw – ยอ) ระบบการวัดและประมวลทิศทางและความเร็วลม หม้อแปลงไฟฟ้า ระบบหล่อเย็น เครนยกอุปกรณ์หนัก และอุปกรณ์เสริมอื่นๆ
- เป็นส่วนที่ทำให้เกิดสมดุลน้ำหนัก กับโรเตอร์ ที่ติดตั้งบนเสากังหัน
ด้วยเทคโนโลยีในการผลิตกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้าในปัจจุบัน มีการพัฒนาเร็วมาก และทำให้เกิดระบบการเปลี่ยนพลังงานกล (จากการหมุน) ไปเป็นพลังงานไฟฟ้า มี 2 แบบหลัก คือ ระบบการเพิ่มรอบการหมุนของเพลา โดยใช้ชุดเกียร์ (ระบบกังหันลมที่ใช้กันมากในประเทศ) และระบบที่เปลี่ยนพลังงานโดยตรง ซึ่งระบบนี้เป็นระบบใหม่ ไม่ใช้ชุดเกียร์ (ภาพ 5.4) ระบบกังหันลมในการผลิตไฟฟ้า ที่ไม่ใช้ชุดเกียร์ เป็นระบบทางเลือกอีกทางในการล่าลม เพื่อใช้ผลิตไฟฟ้า (ทั้งสองระบบ มีข้อเด่น และข้อด้อยต่างกัน การเลือกใช้ขึ้นกับสภาพลมของพื้นที่ และความพอใจของเจ้าของโครงการ)
ภาพ 5.4: ภายในห้องเครื่องของ กังหันลมที่มีชุดเกียร์ และไม่มีชุดเกียร์ ระบบที่ใช้เกียร์ทดรอบหมุนให้มากขึ้น ในการผลิตไฟฟ้า และระบบไม่ใช้เกียร์ ใช้ความเร็วรอบหมุนปกติในการผลิตไฟฟ้า
ระบบกังหันลมที่ไม่เปลี่ยนพลังงานโดยตรง ใช้ระบบเกียร์
ระบบเกียร์ ใช้เพิ่มรอบหมุนให้แก่เพลาที่ต่อมาจากโรเตอร์ โดยกังหันลมจะหมุนเพลา ได้ในช่วง 12 – 24 รอบต่อนาที เมื่อผ่านระบบเกียร์ที่ใช้ในกังหันลม รอบที่ได้จะเพิ่มเป็น 900 – 1800 รอบต่อนาที (75 เท่า = 1800/24) ซึ่งรอบดังกล่าวเหมาะสมต่อใช้ในการผลิตไฟฟ้า
ระบบกังหันลมที่เปลี่ยนพลังงานโดยตรง ไม่ใช้ระบบเกียร์
เพลาจากโรเตอร์ ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง และหมุนด้วยความเร็วเท่ากับใบพัด ในกรณีที่จะผลิตไฟฟ้าได้ โรเตอร์ที่ผลิตไฟฟ้า (เป็นรูปวงแหวน) ต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่มาก และแม่เหล็กที่ใช้เป็นแม่เหล็กที่ทำจากธาตุนีโอดิเมียม – Nb (แม่เหล็กแรเอิรธ์)
ความสำเร็จของกังหันลมแบบไม่ใช้ระบบเกียร์ เกิดเนื่องจากการนำแม่เหล็กถาวรกำลังแม่เหล็กแรงมาก ทำจากโลหะผสม (อัลลอยด์ – alloy) ที่มีธาตุหายากเป็นองค์ประกอบ (เช่น Nd2Fe14B) มาเป็นองค์ประกอบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยหมุนชุดแม่เหล็ก (ยึดติดกับเพลา) ที่โดยรอบเป็นขดลวดที่ติดตั้งอยู่กับที่ (ภาพ 5.5)
ภาพ 5.5: การผลิตไฟฟ้าของกังหันลมไร้เกียร์ โดยชุดของแม่เหล็กนีโอดิเมียม จะหมุนไปพร้อมกับเพลาที่ต่อจากกังหันลม โดยมีขดลวดซึ่งอยู่กับที่ ผลที่ได้คือจะเกิดไฟฟ้ากระแสสลับ
ถอดรหัสกังหันลม
กังหันลมอัจฉริยะ
กลับไปที่เนื้อหา
กำลังการผลิตไฟฟ้าของกังหันลม
ในบทนี้จะกล่าวถึงหลักของการเปลี่ยนรูปของพลังงานลม เป็นพลังงานกล (การหมุน) ของกังหันลม ซึ่งเป็นไปตาม กฎการอนุรักษ์พลังงาน ที่กล่าวว่า “พลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ และไม่สามารถทำให้สูญหาย หรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปได้” นอกจากนี้จะยกตัวอย่าง ของกังหังหันลมที่ผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก เปรียบเทียบกับกังหันลมขนาดใหญ่ (2.5 เมกกะวัตต์ ของ บริษัท อินเตอร์ ฟาร์อีสท์ วินด์ อินเตอร์เนชั่นแนล จำกัด) พร้อมกับเหตุผลทางวิชาการ ในการออกแบบกังหันลม เพื่อผลิตไฟฟ้า
1. พลังงานลม ที่เก็บเกี่ยวโดยกังหันลม (ตามทฤษฎี)
ลมเป็นมวลอากาศที่เคลื่อนที่ หรือเป็นโมเลกุลของแก๊สต่างๆ (ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา) ที่เคลื่อนที่ หากเราคิดถึงพลังงานจลน์ เราสามารถเขียนความสัมพันธ์ของพลังงานกับการเคลื่อนที่ได้ดังนี้
พลังงานจลน์ (Pk) = ½ mv2 ............................................ (1)
โดยที่ m = มวลของโมลกุลแก๊ส และ v = ความเร็วของโมเลกุลแก๊ส
การใช้สมการที่ (1) เพื่อคำนวณ ค่าพลังงานของลมเป็นเรื่องที่ไม่สะดวก ในทางปฏิบัติ เราสามารถใช้ อัตราการไหลของของไหล (ลมเป็นของไหล) ผ่านพื้นที่หน้าตัด (กำหนดให้เป็น A) และหาค่าความสัมพันธ์ ได้ดังนี้
มวลลม ต่อหน่วยเวลา (dm/dt) = AV ……………………. (2)
โดยที่ = ความหนาแน่นของอากาศ (มีค่าใกล้กับ 1 กิโลกรัม ต่อลูกบาศก์เมตร)
A = พื้นที่หน้าตัด หรือ พื้นที่ที่ใบพัดหมุน (ตารางเมตร)
V = ความเร็วลม (เมตร/วินาที)
dm/dt = มวลลมที่เคลื่อนที่ผ่านใบพัดกังหันลม ในเวลาที่กำหนด
จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานจลน์ ของลม เมื่อเคลื่อนที่ผ่านใบพัดกังหันลม จะทำให้ใบพัดหมุน ซึ่งความสัมพันธ์ เขียนได้ดังนี้ (นำ AV ของ สมการ (2) แทนค่ามวลของสมการ (1)
Pw (พลังงานที่ใบพัดหมุน) = ½ AV3 ......................... (3)
ในสมการ (3) ค่า Pw มีหน่วยเป็น วัตต์ ได้ดังนี้
หน่วยของ AV3 คือ (กิโลกรัม/เมตร3) * (เมตร2) * (เมตร3/วินาที3) = กิโลกรัม เมตร2 / วินาที3
หน่วยวัตต์ มีค่าเท่ากับ 1 จูลของพลังงานต่อวินาที และ 1 จูล = 1 นิวตัน เมตร ส่วน 1 นิวตัน = 1 กิโลกรัม เมตร2 ต่อวินาที ดังนั้น Pw มีหน่วยเป็น วัตต์
กำหนดให้ ค่าความหนาแน่นของอากาศ = 1 กิโลกรัม ต่อ 1 ลูกบาศก์เมตร และพื้นที่ที่ใบพัดหมุน = 1 ตารางเมตร (ความยาวใบพัด = รัศมีวงกลม = (7/22)0.5 = 0.564 เมตร (กังหันขนาดเล็กมาก) เราสามารถแสดงความสัมพันธ์ของพลังงานลม (หน่วยเป็นวัตต์) กับความเร็วลมได้ ใน ตารางที่ 6.1 และแผนภาพ 6.1
ตาราง 6.1: ความเร็วลม และพลังงานลม คำนวณจาก สมการที่ (3) เปรียบเทียบกับพลังงานมากสุดที่กังหันลมสามารถเปลี่ยนถ่ายพลังงานได้ ตามกฎของเบตซ์ หรือค่าจำกัดของเบ็ตซ์ (Betz limit) ที่มีค่า 59.3 %
จาก สมการ (3) ตาราง 6.1 และภาพ 6.1 พบว่า
- ความเร็วลมเป็นปัจจัยสำคัญ ในการเปลี่ยนรูปพลังงาน (ค่าแปรผันยกกำลัง 3 กับค่าพลังงานที่ได้) แม้ว่าความเร็วลม เป็นปัจจัยที่ไม่สม่ำเสมอ ผันแปรตามธรรมชาติ แต่การความเร็ว และทิศทางการพัดของลม จะมีความคล้าย และเกิดเป็นฤดูกาล (สถิติการเก็บข้อมูลลมจึงมีความสำคัญ) นอกจากนี้ยังพบว่าลมที่พัดสูงจากพื้นโลกจะมีความเร็วมากกว่าลมที่พัดใกล้กับพื้นโลก
- ค่า A หรือพื้นที่กวาดลมของใบพัดกังหัน เป็นปัจจัยโดยตรงกับพลังงานที่ได้ หรือกล่าวง่ายๆ คือความยาวของใบพัดกังหันลม ยิ่งยาวมากขึ้นเท่าไร ค่าพลังงานที่ได้ก็จะมากขึ้นด้วย
- ค่าความหนาแน่นของอากาศ เป็นค่าคงที่ ที่อากาศหนาว (15 องศาเซลเซียส ความดันที่ระดับน้ำทะเล ค่าความหนาแน่น มีค่า 1.225 กิโลกรัม ต่อลูกบาศก์เมตร) การใช้ค่าความหนาแน่นของอากาศ ในประเทศไทย เป็น 1 กิโลกรัม ต่อลูกบาศก์เมตร จึงเป็นตัวเลขที่เหมาะสม
- ในปัจจุบัน มนุษย์ยังไม่สามารถสร้างอุปกรณ์ ที่สามารถเปลี่ยนรูปพลังงาน ได้ 100 % กังหันลมก็เช่นกัน (ดูตารางที่ 6.2) ในปี พ.ศ. 2462 อัลเบิร์ต เบ็ตซ์ (Albert Betz) นักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน ได้เสนอกฎเกี่ยวกับกังหันลมที่ใช้ในการเปลี่ยนรูปพลังงานว่า “ค่าพลังงานมากที่สุด ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานลม (พลังงานจลน์)ให้เป็นการหมุนของใบกังหัน มีค่าจำกัด (ค่าสูงสุด) อยู่ที่ 59.3 %” ซึ่งค่า 59.3 % เป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่า ค่าจำกัดของเบ็ตซ์ (Betz limit)
- เมื่อใช้ ค่าจำกัดของเบ็ตซ์ ซึ่งเป็นค่าสูงสุดของการเปลี่ยนถ่ายพลังงาน พบว่ากังหันลมที่ใช้ผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ในปัจจุบัน มีค่าประสิทธิภาพในการเปลี่ยนถ่ายพลังงาน หรือมีค่าสัมประสิทธิ์พลังงาน (Power Coefficient, Cp) ประมาณ 25 – 45 % (บางบริษัทผู้ออกแบบกังหันลม ระบุไว้ถึง 50 %)
- ในสมการ ที่ (3) เมื่อพิจารณา ค่าสัมประสิทธิ์พลังงาน(Cp) จะได้ความสัมพันธ์ ระหว่างความเร็วลม (V) กับพลังงานที่ใบพัดกังหันหมุน (PM) ได้ดังนี้
PM = ½ AV3 Cp …………………………… (4)
โดยทั่วไป ค่าสัมประสิทธิ์พลังงาน ของใบพัดกังหันลม มีค่าระหว่าง 0.2 – 0.5 เปรียบเทียบกับค่าจำกัดของเบ็ตซ์ มีค่า 0.59
ตาราง 6.2: รายการค่าประสิทธิภาพการเปลี่ยนถ่ายพลังงาน ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทต่างๆ
กังหันลมที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในปัจจุบัน ได้พัฒนาให้ค่าประสิทธิภาพการเปลี่ยนถ่ายพลังงาน ให้ได้ใกล้กับค่ามากสุดของเบ็ตซ์ ซึ่งเป็นค่าในอุดมคติ ค่าจำกัดของเบ็ตซ์ 0.59 เกิดจากสมมุติฐานดังนี้ (1) โรเตอร์ของกังหันลมเป็นใบพัดแผ่นบาง ไม่มีดุม (หรือฮับ) และเมื่อลมกระทบใบพัด จะไม่เกิดแรงฉุด หรือแรงลาก (drag force) (2) ลมเคลื่อนที่ตามแกนใบพัด และอากาศมีความหนาแน่นคงที่ และ (3) เกิดแรงหลักที่คงที่ที่กระทำต่อใบพัด
เพื่อให้เข้าใจถึงความพยายามของมนุษย์ ที่จะนำพลังงานมาใช้ประโยชน์ ในส่วนต่อไปจะกล่าวถึง ประสิทธิภาพในการล่าพลังงานของกังหันลม ลักษณะของใบพัด แรงจากลมที่กระทำต่อใบกังหัน ซึ่งรวมถึง วิธีต่างๆ ที่สำคัญที่มนุษย์ นำมาใช่ล่าพลังงานจากลม
2. ประสิทธิภาพของกังหันลม
พลังงานลมเมื่อเคลื่อนที่ผ่านใบพัดกังหัน พลังงานบางส่วนทำให้ใบพัดหมุน และถ้าลมพัดผ่านใบพัด และเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ตามกฎของเบ็ตซ์ พลังงานที่หมุนจะมีค่ามากสุด (59.3 %) แต่ในความเป็นจริง ลมที่พัดผ่านไปพัดกังหันลมจะเกิดการปั่นป่วน ไม่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง
ในบทที่ 4 (ภาพ 4.8) และบทที่ 5 ได้กล่าวถึงประเภทของกังหันแกนหมุนในแนวราบ และกังหันลมแกนหมุนในแนวดิ่ง ในการทดลองและศึกษา รูปแบบกังหันพบว่า ลักษณะของใบกังหันลม เป็นปัจจัยที่สำคัญ ในการเพิ่มประสิทธิภาพของกังหันลม ภาพ ที่ 6.2 แสดงถึงประเภทของกังหันลม ประเภทของแรงที่เกิดขึ้นกับใบกังหัน และตัวอย่างการนำแรงดังกล่าวไปใช้ประโยชน์
ภาพ 6.2: กังหันลมแกนหมุนแนวดิ่ง และแนวราบ กับแรงหลัก และลักษณะของที่เกิดกับใบพัด และตัวอย่างการนำแรงดังกล่าวไปใช้ประชน์
สำหรับกังหันลม สำหรับผลิตไฟฟ้า หน้าตัดตามแกนยาวของใบพัด มีรูปร่างเฉพาะเรียกว่า แอร์ฟอยล์ และตลอดความยาวของใบพัด หน้าตัดจะเป็นรูปแอร์ฟอยด์ ที่ต่างกัน และในพื้นที่ที่มีสภาพลมแตกต่างกัน ลักษณะในรายละเอียดของใบพัดกังหันลม (โดยเฉพาะ แอร์ฟอยล์) ก็แตกต่างกันด้วย การออกแบบใบพัดกังหันลม เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการล่าพลังงานจากลม จำเป็นต้องอาศัยข้อมูลลมในระดับความสูงที่เทียบเท่าความสูงของกังหันลม (เช่น วัดค่าลมที่ 100 เมตร ที่ความสูงของกังหัน (ความสูงของฮับ)) ที่เก็บบันทึกต่อเนื่องเป็นเวลา ไม่ต่ำกว่า 3 ปี
จากการทดลอง และการวัดค่าการดำเนินการของกังหันลมผลิตไฟฟ้าพบว่า ถ้าปลายกังหันหมุนได้เร็วมากเท่าไร ประสิทธิภาพของกังหันลมในการล่าพลังงานจะมีค่ามากขึ้นเท่านั้น ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของปลายใบพัด และความเร็วลม เรียกว่า สัดส่วนความเร็วปลายใบ (Tip Speed Ratio, TSR) หรือค่าแลมดา ซึ่งวัดค่าได้ดังนี้
r / Vw
โดยที่ = สัดส่วนความเร็วปลายใบ; = ความเร็วในการหมุน (หน่วย: เรดียน (rad) ต่อวินาที); r = ความยาวใบพัด หรือรัศมีของการกวาดใบกังหัน และ Vw = ความเร็วลม
ค่า สัดส่วนความเร็วปลายใบ = 1 – 2 เรียกว่าค่าต่ำ; สัดส่วนความเร็วปลายใบ มากกว่า 10 เป็นค่าที่สูงมาก และโดยทั่วไปค่าที่เหมาะสม มีค่า 6 – 8
โดยทั่วไปกังหันลมแกนหมุนในแนวราบที่ผลิตไฟฟ้า มักจะหันหน้าเข้าหาลม เพื่อให้ได้รับลมได้อย่างเต็มที่ แต่บางครั้งมีการออกแบบกังหันลมให้หันหลังเข้าหาทิศทางลม ยอมให้บางส่วนของพลังงานสูญเสีย โดยมีห้องเครื่อง และเสากังหัน กั้นลมเป็นบางส่วน (ภาพ 6.4) กังหันลมที่หันหลังเข้าหาลม หรือกังหันลมที่หันหน้าไปทางเดียวกับทิศทางลม เหมาะสมกับกังหันลมที่ตั้งอยู่บริเวณหน้าภูเขาประทะกับทิศทางลม
ภาพ 6.4: ลักษณะของกังหันลมที่หันหน้าไปทิศทางเดียวกับทิศทางลมพัด
เราทราบกันว่า ใบพัดกังหันลม ส่งผลโดยตรงกับประสิทธิภาพในการล่าพลังงานจากลม หาเป็นเช่นนี้ ถ้าเพิ่มจำนวนใบพัด ให้มากขึ้นแล้วค่าประสิทธิภาพในการล่าลม ของกังหันลมก็จะเพิ่มขึ้นโดยเช่นกัน คำตอบของคำถามเกี่ยวกับการเพิ่มจำนวนใบพัดกังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวนอน ในการผลิตไฟฟ้า มีปัจจัยหลักที่สำคัญดังนี้ คือ
(1) จำนวนใบพัดที่เพิ่มขึ้น จะเพิ่มค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างกังหัน และค่าบำรุงรักษาเพิ่มขึ้นด้วย
(2) จำนวนใบพัดที่มีจำนวนมากกว่า 4 ใบพัดการเคลื่อนที่ของลมผ่านใบกังหันจะซับซ้อน ด้วยกังหันที่จำนวนใบมาก และหมุนเร็ว ทำให้ลมไม่สะดวกที่จะเคลื่อนที่ผ่านช่องระหว่างใบ การหมุนของใบพัดเปรียบเสมือนกำแพงกั้นลม
(3) จำนวนใบพัดของกังหันลม 1 2 และ 3 ใบพัด (ภาพ 6.5) สำหรับสร้างกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพสูงสุด (วัดในสภาพลมในช่วงที่เหมาะสมต่อใบพัด) มีค่า 43 %, 47 % และ 50 % ตามลำดับ ซึ่งจะเห็นได้ว่าประสิทธิภาพการล่าลม เป็นจริงเมื่อจำนวนใบเพิ่มมากขึ้น
(4) ด้วยเสถียรภาพของการหมุนของใบพัด ค่าประสิทธิภาพในการล่าลม รวมถึงค่าก่อสร้าง และการบำรุงรักษาใบพัดกังหัน จำนวนใบพัด 3 ใบ จึงเป็นตัวเลือกที่ดีสุด และนิยมสูงสุด ในปัจจุบัน สำหรับ กังหันลมแกนหมุนในแนวนอน
ภาพ 6.5: กังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า (ก) 1 ใบพัด (ข) 2 ใบพัด และ (ค) 3 ใบพัด
3. การเพิ่มกำลังการผลิตของกังหันลม
จากสมการที่ 4
PM = ½ AV3 Cp …………………………… (4)
เราสามารถเพิ่มพลังงานการหมุนของกังหัน โดยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัด ของกังหันลม การเพิ่มพื้นที่หน้าตัดกังหัน ทำให้ขนาดของกังหันลมมีความสูงมากขึ้น ล่าลมที่มีความเร็วมากขึ้น (ซึ่งค่าก่อสร้างจะสูงตามขึ้นมาด้วย โดยเฉพาะค่าฐานราก) การเพิ่มจำนวนกังหันลมเป็นอีกวิธีที่จะเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้า จึงเป็นเรื่องปกติที่ การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลม จะมีกังหันหลายต้น ซึ่งเรียกเป็นฟาร์มกังหันลม หรือสวนกังหันลม
การเพิ่มขนาด
ด้วยปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมในประเด็นภาวะโลกร้อน ทำให้การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ในการผลิตไฟฟ้า อาจไม่ได้รับการสนับสนุน รวมถึงปริมาณสำรองของเชื้อเพลิงฟอสซิลที่น้อยลง (โดยเฉพาะแก๊สธรรมชาติของประเทศ) การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมเป็นพลังงานทางเลือก (หรือพลังงานหมุนเวียน) ซึ่ง ในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยี และราคาค่าก่อสร้าง พลังงานลมจัดเป็นแหล่งพลังงานของโลก
ตั้งแต่ ปี พ.ศ. 2523 เป็นต้นมา ขนาดของกังหันลมสำหรับผลิตไฟฟ้า เริ่มที่ความสูงกังหัน (ความสูงของดุมใบพัด (ฮับ) 17 เมตร และผลิตไฟฟ้าได้ ต้นละ 75 กิโลวัตต์ ซึ่งผ่านมา 31 ปี (พ.ศ. 2554) ความสูงของดุมใบพัด เพิ่มเป็น 126 เมตร และผลิตไฟฟ้าได้ ต้นละ 7.5 เมกกะวัตต์ (1,000 เท่า) ภาพ 6.7 แสดงถึงการเพิ่มขนาดของกังหันลม โดยมีความสูงเพิ่มขึ้น พื้นที่กวาดลมของใบพัดพัดมากขึ้น และกำลังการผลิตของต้นกังหันสูงขึ้น
ในปี พ.ศ. 2557 กังหันลมชื่อ “Vestas V164” ชื่อรุ่นของบริษัทผู้ผลิต ติดตั้งบริเวณนอกชายฝั่งทะเล ประเทศเบลเยียมได้ปรับปรุง จากเดิม กำลังการผลิตติดตั้ง 8 เมกกะวัตต์ ต่อ 1 ต้น ให้มีกำลังการผลิต 9.5 เมกกะวัตต์ ต่อ 1 ต้น ซึ่งในปัจจุบัน (พ.ศ. 2561) จัดว่าเป็นกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่สุด และมีกำลังการผลิตมากที่สุดในโลก ภาพ 6.7 เปรียบเทียบระหว่าง “Vestas V164” ในด้าน ขนาด และกำลังการผลิตของกังหันลมขนาดใหญ่ที่สุด และกำลังการผลิตมากสุดของประเทศไทย (บริษัท อินเตอร์ ฟาร์อีสท์ วินด์ อินเตอร์เนชั่นแนล จำกัด)
ภาพ 6.6: ขนาดของกังหันลม และกำลังการผลิตติดตั้งของกังหันลมต่อต้น เพิ่มขึ้นตลอด ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2523 ถึง พ.ศ. 2554
ภาพ 6.7: เปรียบเทียบ ขนาด และกำลังการผลิต กังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า ระหว่าง Vestas V164 ที่ติดตั้งนอกชายฝั่งประเทศเบลเยียม (ความเร็วลมเฉลี่ยต่อปี 40 เมตร/วินาที) กับกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า ของ บริษัท อินเตอร์ ฟาร์อีสท์ วินด์ อินเตอร์เนชั่นแนล จำกัด ที่ติดตั้งบริเวณชายฝั่งทะเล อำเภอปากพนัง (ความเร็วลมเฉลี่ยต่อปี 8 เมตร/วินาที)
การเพิ่มจำนวน
กังหันลมที่ใช้ผลิตไฟฟ้าในปัจจุบัน มีรูปร่างคล้ายกัน กล่าวคือ เป็นเสาสูง มี 3 ใบพัดที่หมุน และมีสีอยู่ในโทนสีจาง ซึ่งเป็นรูปร่างที่คนส่วนมากชอบ และพึงพอใจ ไม่ว่าตัวกังหันลม จะไปสร้างอยู่ที่ใดก็ตาม และจะมีจำนวนมากเท่าไรก็ตาม ดังนั้นการเพิ่มจำนวนกังหันลม ในพื้นที่จึงไม่พบการต่อต้านของคนในพื้นที่ การเพิ่มจำนวนของกังหันลม เกิดเป็น สวนกังหันลม จนถึง เป็นอุทยานกังหันลม เพื่อเป็นแหล่งท่องเที่ยวแหล่งใหม่ของพื้นที่ จึงเป็นสิ่งที่เป็นไปได้
เนื่องจากกังหันลมแต่ละต้น สามารถผลิตไฟฟ้าได้ ไม่มากนัก ในประเทศไทย กังหันลม กำลังการผลิตติดตั้งสูงสุด มีเพียง 2.5 เมกกะวัตต์ ขณะที่ความต้องการไฟฟ้าของประเทศไทยสูงสุด มากกว่า 30,000 เมกกะวัตต์ จากแผนพัฒนาพลังงานทดแทน และพลังงานทางเลือก (AEDP = Alternative Energy Development Plan) ที่เป็นส่วนหนึ่งของ แผนพัฒนากำลังการผลิตไฟฟ้าของประเทศไทย (พ.ศ. 2558 – 2579) หรือ PDP 2015 ภาครัฐมีนโยบาย กำหนดเป้าหมายในการใช้พลังงานลม สำหรับผลิตไฟฟ้า ดังตาราง 6.3 ด้วยเหตุนี้ ในอนาคต เราจะเห็นโรงฟ้าแบบสวนกังหันลม หรืออุทยานกังหันลม มากขึ้น
ตาราง 6.3: แผนพัฒนาพลังงานลม ในปี พ.ศ. 2557 ถึง พ.ศ. 2579
วีดิทัศน์ กระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้า
วีดิทัศน์ โรงไฟฟ้าขนาดย่อม iWind
วีดิทัศน์ ศูนย์ควบคุมกังหันลม
กลับไปที่เนื้อหา
-
คลังวิดีทัศน์
ลมกับคนในแต่ละยุค
ปากพนังวินด์ พาร์ค
ถอดรหัสกังหันลม
กังหันลมอัจฉริยะ
กระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้า
โรงไฟฟ้าขนาดย่อม iWind
ศูนย์ควบคุมกังหันลม
ไฟฟ้ากับชุมชน
-
แผนการจัดการเรียนรู้
ผู้เขียนแผนการสอนนายธนกฤต ทับพันธ์ผู้เขียนแผนการสอนผู้เขียนแผนการสอนนางสาวภคพร วังกานนท์ผู้เขียนแผนการสอนผู้เขียนแผนการสอนนางสาวหทัยรัตน์ ไกยวงค์ผู้เขียนแผนการสอน