โรงไฟฟ้าพลังงานลม

โรงไฟฟ้าพลังงานลม

ลมคือพลังงานรูปหนึ่งซึ่งสามารถทำงานได้ และสามารถเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานรูปอื่นได้ เช่น พลังงานความร้อน พลังงานไฟฟ้า พลังงานกลหรือพลังงานความร้อน เป็นต้น ลมเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ความกดดันบรรยากาศและแรงหมุนของโลก การเคลื่อนที่ของอากาศซึ่งมีสาเหตุมาจากบนผิวโลกได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากันทุกบริเวณ บริเวณที่ได้รับความร้อนมากอากาศบริเวณนั้นจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นต่ำ และลอยตัวสูงขึ้น อากาศบริเวณข้างเคียงที่เย็นและมีความหนาแน่นมากกว่า จะเคลื่อนเข้าไปแทนที่ทำให้เกิดกระแสลมขึ้น ขณะที่กระแสลมเคลื่อนที่จะมีพลังงานจลน์เกิดขึ้น ดังนั้นเมื่อกระแสลมพัดผ่านใบพัด จะถ่ายทอดพลังงานจลน์จากกระแสลมไปยังใบพัด ทำให้ใบพัดหมุนได้พลังงานกลออก พลังงานกลที่ได้ออกมานี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ เช่น ผลิตกระแสไฟฟ้า สูบน้ำเพื่อการเกษตร เป็นต้น พลังงานลมได้ถูกนำมาใช้ในการสีข้าว สูบน้ำและเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานกลรูปอื่น ๆ เป็นระยะหลายพันปีมาแล้ว ปัจจุบันมีกังหันลมที่ติดตั้งทั่วโลกมากกว่าหนึ่งล้านตัว ส่วนใหญ่นอกจากจะนำไปใช้เพื่อการสูบน้ำแล้ว ยังนำไปใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า การนำพลังงานลมมาผลิตกระแสไฟฟ้า นับเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเหมือนการใช้พลังงานจากเชื่อเพลิงบรรพชีวิน (fossil fuel) ดังนั้นพลังงานลมจึงเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่น่าสนใจมากแหล่งหนึ่ง

1. วิวัฒนาการการใช้พลังงานลม

          มนุษย์รู้จักใช้พลังงานจากลมมานานนับพพันปีแล้ว ลมได้ถูกนำไปใช้ในการแล่นเรือและเป็นกังหันลมถ่ายทอดพลังงานตั้งแต่สมัยโบราณ โดยเริ่มนำกังหันลมมาใช้ในการชลประทานตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 การใชกังหันลมในยุคเริ่มแรกมีวัตถุประสงค์เพื่อลดงานจากแรงคนและสัตว์ อุปกรณ์ที่ใช้ทำใบกังหันก็จัดหาจากในท้องถิ่นโดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพในการทำงาน จนกระทั่งกลางศตวรรษที่ 19 ได้มีการพัฒนากังหันลมใช้ในการสูบน้ำ โดยสร้างให้มีใบพัดหลายใบและได้มีการพัฒนาต่อมา จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2433 ได้มีการสร้างกังหันลมสำหรับผลิตไฟฟ้าขึ้นเป็นครั้งแรก ที่ประเทศเดนมาร์ก การนำพลังงานลมมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้ามีวิวัฒนาการมานานกว่าเจ็ดสิบปี และในปี พ.ศ. 2484 ได้มีการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานลมขนาด 1,250 กิโลวัตต์ที่รัฐเวอร์มองในประเทศสหรัฐอเมริกา เทคโนโลยีพลังงานลมได้มีวิวัฒนาการมาโดยตลอด ในปี พ.ศ.2513 มีการผลิตกังหันลมขนาดเล็กเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าประจุแบตเตอรี่ โดยมีการพัฒนามากขึ้นถึงในระดับอุตสาหกรรม ต่อมาได้มีการพัฒนานำพลังงานลมไปผลิตกระแสไฟฟ้าใช้ในอุตสาหกรรม และแพร่หลายมากขึ้นในการผลิตกระแสไฟฟ้าในประเทศที่มีศักยภาพพลังงานสูง

2. ทฤษฎีเกี่ยวกับพลังงานลม

          พลังงานลมเป็นพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของมวลอากาศที่ตกกระทบตั้งฉากบนหนึ่งหน่วยพื้นที่กับทิศทางการไหลของอากาศต่อหนึ่งหน่วยเวลา เมื่อพิจารณาในรูปของสมการโดยพิจารณาว่า มวล (m) มีหน่วยเป็น kg ถูกทำให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว V m/s จะก่อให้เกิดพลังงานจลน์ (E) ดังสมการที่ 1

                                                        E = 1/2(mV²)             Joule.............(1)

          เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอากาศมีหน่วยเป็นมวลต่อหน่วยเวลา ถ้าเราแทนค่า m ลงในสมการที่ 1 จะทำให้ลมในรูปของพลังงานจลน์ เปลี่ยนเป็นพลังงานลม P ดังสมการที่ 2

          

                                                            P = 1/2(mV²)          watt.............(2)

          ถ้าลมเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัด A ดังรูปที่ 4 เราสามารถเขียนอัตราการไหลของอากาศเชิงมวลต่อเวลา (m) ดังสมการที่ 3

                                                       m = ρVA                  kg/sec..........(3)

          เมื่อ ρ = ความหนาแน่นของอากาศ kg/m³

รูปที่ 1 แสดงความเร็วลม V เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัด A

          แทนค่าสมการที่ 3 ลงในสมการที่ 2 จะได้กำลังลม PW ซึ่งเป็นพลังงานจลน์ เมื่อกระแสลมมีความหนาแน่นและมีความเร็วลม V พัดผ่านพื้นที่หน้าตัด A ต่อหน่วยเวลา ดังแสดงในสมการที่ 4

                                                           P_w = 1/2(ρAV³)        watt............(4)

หรือเขียนให้อยู่ในรูปอัตราส่วนกำลังลมต่อพื้นที่หน้าตัด จะได้สมการที่ 5

                                                          P_w/A= 1/2(ρV³)        watt/m³.....(5)

กังหันลมจะสามารถนำกำลังงานลม ที่มีอยู่ในกระแสลมมาใช้ประโยชน์ได้เป็นเพียงบางส่วนเท่านั้น เนื่องจากเกิดการสูญเสียพลังงานเนื่องจากสาเหตุต่างๆ ในระบบขึ้น ถ้ากำหนดให้ Cp เป็นค่าสัมประสิทธิ์กำลังงาน (Power Coefficient) ซึ่งจะเป็นตัวบ่งชี้ถึงสัดส่วนของกำลังงานที่กังหันลมจะสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ดังนั้นกำลังงานที่จะได้จากกังหันลมคือ

                                                          P = 1/2(CpρAV³)          .............(6)

                                                 

3. ทฤษฎีโมเมนตั้มการไหลของอากาศในแนวแกน 

          

          Rankine (1865) ได้อธิบายทฤษฎีโมเมนตั้มการไหลของอากาศใน Axial Fan ว่า เป็นความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่กระทำบนใบพัด และความเร็วในการไหลของอากาศ ซึ่งต่อมา Froude ได้ปรับปรุงทฤษฎีดังกล่าวให้มีความเหมาะสม จึงทำให้สามารถทำนายประสิทธิภาพของใบพัดได้แม่นยำมากยิ่งขึ้น 

รูปที่ 2 แสดงรูปแบบการไหลของอากาศใน

ทฤษฎีโมเมนตั้มการไหลของอากาศในแนวแกน จะต้องอยู่ภายใต้สมมุติฐานดังต่อไปนี้

     - เป็นของไหลที่ไม่สามารถกดอัดได้

     - ไม่เกิดความต้านทานต่อการหมุนของใบพัด

     - ใบพัดพิจารณาให้เป็น Infinite Member

     - การไหลของอากาศมีความเป็นเนื้อเดียวกันตลอด

     - แรงที่กระทำตลอดแนวพื้นที่ใบพัดมีการกระจายแรงแบบ Uniform

     - ไม่มีความดันย้อนกลับในขณะที่ใบพัดหมุน

     - ความดันสถิตบริเวณด้านหน้าและด้านหลังใบพัด ไม่มีผลกระทบต่อการไหลของอากาศ

เมื่อพิจารณารูปที่ 5  จากกฎการอนุรักษ์มวล จะได้ว่า

    ρA₁Z₁  = ρA V_zx = ρA₂V_{2   ............(7)}

แรงที่กระทำ (T) ต่อใบพัดเป็นผลเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมการไหลของอากาศด้านข้างและด้านออก  ดังสมการที่ 8

  T = ρA₁V²₁ = ρA₁V²_{2          ...............(8)}

          จากสมการที่ 7 จะได้ว่า

                                                    T = ρA V_zxV₁ -  ρA V_zxV₂

                                                    T = ρA V_zx(V₁ – V₂)          ............(9)

เราอาจแสดงแรงที่กระทำต่อใบพัดในรูปของผลต่างความดันได้ดังสมการที่ 10

                                                    T = (P⁺ - P^-)A                    .............(10)   

จากสมการ Bernoulli แรงดันที่กระทำต่อใบพัดเราสามารถหาได้จากสมการต่าง ๆ คือ

ก่อนถึงใบพัด :                   P+1/2(ρV²₁) = P⁺+1/2(ρV²_zx)  ...(11)

ออกจากใบพัด :                P^-+1/2(ρV²_ZX) = P+1/2(ρV²₂)   ...(12)

นั่นคือ :                             P⁺-P^- = 1/2[ρ(V²₁- V²₂)]            ...(13)

จะได้แรงที่กระทำ (T) ต่อใบพัดดังสมการที่ 14

                                                  T = 1/2[ρA(V²₁- V²₂)]                ...(14)

แทนค่าสมการที่ 14 ในสมการที่ 9 จะได้

                                                  V_zx = 1/2(V₁-V₂)                         ...(15)

Betz ได้เสนอแนวทางการหาค่าสูงสุด ของการเก็บกำลังงานจากกระแสลมให้ได้ค่าสูงสุด โดยพิจารณาได้จากความสัมพันธ์ของความเร็วลม V₁ และ V₂
กำหนดให้ a  = อัตราส่วนระหว่างความเร็วลมที่ลดลง (v) กับความเร็วลมก่อนเข้าสู่ใบพัด (V₁)
นั่นคือ a = v/V₁
  ดังนั้น V_zx = V₁ – v = V₁(aV₁)
                                  V_zx = V₁(1-a)                                             ...(16)


          แทนค่าสมการที่ 15 ในสมการที่ 16 เพื่อหาค่าความเร็วลมด้านออกจากใบพัด จะได้

                                  V₂ = V₁(1-2a)                                            ...(17)

          ดังนั้นกำลังงานที่เกิดจากการหมุนของใบพัดจะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ของมวลอากาศที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ใบพัดของกังหันลม ดังสมการที่ 18

                                  P = 1/2[ρAV_zx(V²₁- V²₂)]                         ...(18)

จากสมการที่ 16 และ 17  จะได้กำลังงานของกังหันลมมีค่าเท่ากับ

                                 P = 4a(1 - a)² 1/2ρAV²₁                                   ...(19)

ค่า P จะมีค่าสูงสุดก็ต่อเมื่อ dP/da = 0 และจุดนี้ผมว่าค่า a = 1/3

นั่นคือกำลังงานสูงสุดที่ใบพัดของกังหันลมจะเก็บได้คือ

P = (16/27)(1/2)ρAV³₁                                     ...(20)

และตัวเลข 16/27 ก็คือค่าสัมประสิทธิ์กำลังงานสูงสุด (cpmax) หรือเรียกว่า Betz Coefficient

กำลังสูงสุดที่ได้จากกังหันลมมีค่า 0.593 เท่าของค่ากำลังตามทฤษฎี ค่า  เรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์กำลัง (power coefficient) มีค่าสูงสุด 0.593 หรืออาจเรียกว่าสัมประสิทธิ์ของเบทซ์ (Betz coefficient) เป็นค่าสัดส่วนกำลังที่ดึงออกมาได้สูงสุดของกังหันลม เป็นค่าทางทฤษฎีสำหรับกังหันลมที่มีใบพัดเป็นจำนวนอนันต์มีค่าความเสียดทานเป็นศูนย์ และหมุนด้วยความเร็วสูง สำหรับกังหันลมแต่ละแบบมีค่าสัมประสิทธิ์กำลังเปลี่ยนแปลงตามอัตราส่วนความเร็วที่ปลายใบพัดต่อความเร็วลมดังภาพ

รูปที่ 3 ประสิทธิภาพของกังหันลมแบบ

4. อากาศพลศาสตร์ของกังหันลม

กังหันลมหมุนได้เนื่องจากขณะที่กระแสลมเคลื่อนที่จะมีพลังงานจลน์เกิดขึ้นเมื่อกระแสลมพัดผ่านใบพัดผ่านใบพัดจะผลักดันทำให้ใบพัดหมุนรอบแกน แรงที่กระทำต่อใบพัดประกอบด้วย 2 แรงกระทำในทิศทางที่ตั้งฉากกันซึ่งเรียกว่า แรงฉุด (drag force) และ แรงยก (lift force) ดังแสดงในภาพ 4.1 ขนาดของแรงผลักและแรงยกจะขึ้นกับรูปร่างของวัตถุ มุมของวัตถุต่อทิศทางของกระแสลม และความเร็วของลม

แรงฉุด คือแรงที่กระทำต่อวัตถุที่อยู่ในรูปของไหล ทิศทางของแรงอยู่ในแนวเดียวกันกับทิศทางของการเคลื่อนที่ ถ้าวัตถุวางตัวอยู่ในแนวที่พื้นที่ด้านข้างตั้งฉากกับกระแสลมแรงฉุดที่กระทำต่อวัตถุจะมีค่ามากที่สุด แต่ถ้าพื้นที่ด้านข้างอยู่ในแนวเดียวกับทิศทางของกระแสลมแรงฉุดจะมีค่าต่ำสุด กังหันลมแกนตั้งถูกออกแบบมาเพื่อรับแรงฉุด

แรงยก คือแรงที่กระทำต่อวัตถุที่อยู่ในรูปของไหล ทิศทางของแรงอยู่ในแนวตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนที่ ถ้าวัตถุวางตัวอยู่ในแนวที่พื้นที่ด้านข้างขนานกับทิศทางของกระแสลมแรงยกที่กระทำต่อวัตถุจะมีค่ามากที่สุด แต่ถ้าพื้นที่ด้านข้างวางตัวในแนวตั้งฉากกับทิศทางของกระแสลมแรงยกจะมีค่าต่ำสุด กังหันลมแกนนอนถูกออกแบบมาเพื่อรับแรงยก

รูปที่ 4 แรงฉุดและแรงยกที่กระทำต่อ

5. ชนิดของกังหันลม

กังหันลมแบบต่าง ๆ ที่ใช้อยู่ตั้งแต่สมัยโบราณมีรูปแบบต่าง ๆ มากมาย การจำแนกชนิดของกังหันลมตามลักษณะการวางตัวของแกนหมุนแบ่งได้ 2 ประเภทใหญ่ๆ คือกังหันลมแกนนอนและกังหันลมแกนตั้ง

5.1 กังหันลมแกนนอน

กังหันลมแกนนอน (horizontal axis wind turbines; HAWTs) คือกังหันลมที่มีแกนหมุนอยู่ในแนวขนานกับทิศทางลม แรงที่กระทำบนใบพัดเกิดจากแรงยก กังหันลมแกนนอนจะมีจำนวนใบพัดตั้งแต่ 1 ใบถึง 50 ใบ มี่ทั้งแบบที่ใบกังหันวางอยู่เหนือลม (up draft) และใต้ลม (down draft) บางชนิดมีหางเสือเพื่อควบคุมทิศทาง และความเร็วรอบของกังหันลมให้หมุนด้วยความเร็วคงที่ กังหันลมแกนนอนมีการออกแบบรูปร่างและใบกังหันแตกต่างกันออกไปเพื่อให้กังหันลมสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด และเหมาะสมกับในแต่ละพื้นที่ กังหหันลมแกนนอนสามารถจำแนกตามลักษณะของใบพัดและมีชื่อเรียกต่างกันดังนี้

1)  กังหันลมแบบพรอบเพลเลอร์ (propeller) เป็นกังหันลมทีมีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปแพนอากาศ (airfoil) มีใบพัดตั้งแต่ 1 ถึง 4 ใบ แบบที่มีใบพัด 1 หรือ 2 ใบจะมีความเร็วรอบสูงมากเป็นกังหันลมผลิตกระแสไฟฟ้า

2)  กังหันลมแบบใบพัดเป็นแผ่น กังหันลมแบบนี้มีทั้งชนิดที่เป็นแผ่นราบและแผ่นโค้ง กังหันลมแบบนี้มีจำนวนใบพัดหลายใบอาจมีตั้งแต่ 4 ถึง 50 ใบ มีความเร็วรอบต่ำ มีความเร็วรอบต่ำเหมาะสำหรับการใช้งานการใช้งานที่ต้องการแรงขับสูง นิยมใช้เป็นกังหันลมสูบน้ำ

3)  กังหันลมแบบเซลวิง (sail wing) กังหันลมแบบนี้ได้พัฒนาและออกแบบพิเศษให้มีน้ำหนักเบา

4)  กังหันลมแบบกงล้อจักรยาน กังหันลมแบบนี้ได้พัฒนาขึ้นมาจากหลักการของล้อจักรยานคือขอบใบพัดและดุมล้อขึงไว้ด้วยลวด ใบพัดเป็นรูปแพนอากาศ ทำด้วยแผ่นอลูมิเนียมหุ้มรอบเส้นลวดที่คู่กันมีน้ำหนักเบา ใบพัดมีหลายใบ มีความเร็วรอบต่ำ

5)  กังหันลมชนิดใบพัดเป็นรูปลำแพน เป็นกังหันลมที่ออกแบบง่ายราคาถูก ใบพัดทำด้วยเสื่อหรือผ้าส่วนมากมีใบพัด 6 ใบ มีความเร็วรอบต่ำ

รูปที่ 5 ลักษณะของกังหันลมแกนนอนแบบ

  

รูปที่ 6 กังหันลมแกน

5.2 กังหันลมแกนตั้ง

กังหันลมแกนตั้ง (vertical axis wind turbines; VAWTs) คือกังหันลมที่มีแกนหมุนอยู่ในแนวตั้งฉากกับทิศทางลม กังหันลมแบบนี้สามารถรับลมได้ทุกทิศทางโดยไม่ต้องปรับมุมของแกนหมุนเมื่อทิศทางของลมเปลี่ยน กังหันลมแกนตั้งนี้ได้พัฒนาโดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส ชื่อจอร์ส แดร์เรียส (George Darrieus) ในปี ค.ศ. 1925 กังหันลมแบบนี้มีความสะดวกในการติดตั้งมากกว่ากังหันลมแบบแกนนอน เพราะอุปกรณ์ร่วมต่าง ๆ ที่ติดตั้งเช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ปั๊มน้ำวางอยู่บนพื้น กังหันลมแกนตั้งแบบต่าง ๆ กังหันลมแบบแกนตั้งสามารถแบ่งได้ 2 แบบคือ

1)  กังหันลมที่ขับด้วยแรงฉุด กังหันลมแบบนี้จะให้แรงบิดสูงและมีความเร็วรอบต่ำ เช่น แบบซาโวเนียสและแบบรูปถ้วย ที่รู้จักกันมากคือแบบซาโวเนียส

2)  กังหันลมที่ขับด้วยแรงยก กังหันลมแบบนี้มีความเร็วรอบสูง เช่น แบบแดร์เรียส และแบบไจโร ที่รู้จักกันมากคือแบบแดร์เรียส

รูปที่ 7 ลักษณะของกังหันลมแกนตั้งแบบ

รูปที่ 8 กังหันลมแกน

6. ส่วนประกอบของระบบกังหัน

กังหันลมมีส่วนประกอบที่สำคัญ 4 ส่วนได้แก่ ใบกังหัน ระบบควบคุม ระบบส่งกำลัง และหอคอย

1)  ใบกังหันเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของกังหันลมเพราะเป็นส่วนที่ปะทะกับลมโดยตรงทำให้เกิดพลังงานกล กังหันลมอาจมีจำนวนใบกังหันตั้งแต่หนึ่งใบถึงหลายสิบใบก็ได้ กังหันลมที่มีจำนวนใบมากต้องการแรงบิดสูง กังหันลมประเภทนี้เหมาะกับการสูบน้ำ กังหันลมที่มีจำนวนใบน้อยเหมาะกับการใช้งานที่ต้องการความเร็วรอบสูง กังหันลมประเภทนี้จึงเหมาะกับการผลิตกระแสไฟฟ้า วัสดุที่นำมาใช้ทำใบกังหันอาจเป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรง

2)  ระบบควบคุมในชุดของกังหันลมมี 2 ประเภทคือ ระบบควบคุมที่มีหน้าที่ควบคุมให้กังหันหันหน้าเข้าหาทิศทางลม โดยส่วนใหญ่ใช้เป็นหางเสือ และระบบควบคุมที่มีหน้าที่ควบคุมให้กังหันทำงานที่ความเร็วรอบสูงสุดที่กังหันจะรับได้ โดยทำให้เกิดการหน่วงต่อการหมุนของกังหันลมไม่ให้กังหันมีความเร็วเกินค่าความเร็วสูง

3)  ระบบส่งกำลัง ประกอบไปด้วยเฟืองหรือระบบไฮดรอลิก การส่งกำลังจากใบกังหันต้องผ่านระบบส่งกำลัง ซึ่งจะมีการทดสอบให้สอดคล้องกันระหว่างความเร็วรอบของแกนกังหันกับการใช้งาน

4)  หอคอยทำหน้าที่ยึดกังหันลมให้อยู่ในระดับสูง เพื่อรับกระแสลมได้แรงและทุกทิศทาง หอคอยต้องเป็นโครงสร้างที่แข็งแรงสามารถรับน้ำหนักและการสั่นสะเทือนจากตัวกังหันได้

รูปที่ 9 ส่วนประกอบของระบบกังหัน

7. การเลือกสถานที่ตั้งกังหันลม

ในการเลือกสถานที่ตั้งกังหันลม จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ ดังนี้

1)  ความเร็วลม สถานที่ติดตั้งกังหันลมจะต้องอยู่ในบริเวณที่มีความเร็วลมพอเพียงที่จะทำให้กังหันลมทำงานได้ตลอดปี หรือมีช่วงลมแรงในฤดูกาลที่ต้องการใชงาน

2)  แหล่งน้ำ ในกรณีที่ต้องการใช้กังหันลมเพื่อการสูบน้ำ ในบริเวณที่มีลมจะต้องมีแหล่งน้ำด้วย

3)  สิ่งแวดล้อม สถานที่ตั้งกังหันลมจะต้องไม่มีสิ่งกีดขวางทิศททางลมเพราะจะทำให้ความเร็วลมต่ำ ซึ่งมีผลต่อกำลังลมที่กระทบใบพัด และสถานที่ตั้งกังหันลมควรจะอยู่ห่างจากแหล่งชุมชนเพราะจะทำให้เกิดเสียงรบกวน

ไมเออร์และเมอร์สัน (Meier, and Merson, 1980: 21) ได้จำแนกระดับความเร็วลมเฉลี่ยที่ความสูง 10 เมตรจากพื้นดินที่เหมาะสมสำหรับการใช้ประโยชน์ในการผลิตไฟฟ้าออกเป็น 3 ระดับคือระดับต่ำความเร็ว 4-5 เมตรต่อวินาที ระดับปานกลาง 5-7 เมตรต่อวินาที ระดับสูงตั้งแต่ 7 เมตรต่อวินาทีขึ้นไป สำหรับกังหันลมสูบน้ำสามารถใช้งานได้กับความเร็วเฉลี่ยต่ำสุดประมาณ 3 เมตรต่อวินาที

เนื่องจากกำลังของลมมีค่าขึ้นอยู่กับความเร็วลมยกกำลังสาม ถ้าความเร็วลมเพิ่มขึ้นร้อยละ 10 จะทำให้กำลังของลมเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 33 ดังนั้นการเลือกสถานที่ตั้งกังหันลมจึงมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีความเร็วลมสูง ค่าความเร็วลมเหนือพื้นดินในแต่ละบริเวณจะมีค่าไม่เท่ากันที่ระดับสูงขึ้นไปความเร็วมีค่าเพิ่มขึ้น การคำนวณหาค่าความเร็วลมที่ระดับความสูงต่าง ๆ คำนวณได้จากสูตร ดังนี้

เมื่อ    V(Z)         คือ ความเร็ว ณ ตำแหน่งที่ต้องการหา

          V(Z_r)        คือ ความเร็ว ณ ตำแหน่งอ้างอิง

          Z               คือ ระดับความสูง ณ ตำแหน่งที่ต้องการหาความเร็ว

          Z₀             คือ ระดับความสูงที่ความเร็วลมเป็นศูนย์ (roughness height)

          Z_r             คือ ระดับความสูง ณ ตำแหน่งอ้างอิง โดยปกติใช้ที่ระดดับความสูง 10 เมตร

8. การใช้งานกังหันลมผลิตไฟฟ้า

เนื่องจากกระแสลมมีความเร็วเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ในการนำพลังงานลมมาผลิตไฟฟ้าให้กำลังไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอทำให้ไม่สามารถยึดเป็นพลังงานหลักได้ จำเป็นต้องมีตัวเก็บพลังงานและใช้พลังงานจากแหล่งพลังงานอื่นเป็นแหล่งพลังงานสำรอง หรือใช้ร่วมกับแหล่งพลังงานอื่น วิธีการประยุกต์นำพลังงานลมไปใช้ในวิธีต่าง ๆ ดังนี้

1)  ใช้ตัวเก็บพลังงาน การใช้พลังงานลมวิธีนี้จะเก็บสะสมพลังงานลมในรูปพลังงานอื่น ๆ เช่น ในกรณีของกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กนิยมใช้แบตเตอรี่เป็นตัวเก็บ หรืออาจใช้วิธีการสูบน้ำไปกักเก็บไว้ในรูปของพลังงานศักย์

2)  ใช้แหล่งพลังงานสำรอง วิธีนี้จะใช้กังหันลมจ่ายพลังงานในขณะที่มีความเร็วเพียงพอ ในช่วงที่ความเร็วต่ำใช้พลังงานจากแหล่งอื่นแทน เช่น พลังงานน้ำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันก๊าซ

3)  ใช้ระบบผสมผสาน วิธีนี้เป็นการใช้พลังงานร่วมกับแหล่งพลังงานอื่น โดยมีพลังงานจากแหล่งอื่นเป็นหลัก ขณะมีความเร็วลมเพียงพอกังหันลมผลิตไฟฟ้า

               

รูปที่ 10 ตัวอย่างระบบการทำงานโรงไฟฟ้า

9. ศักยภาพและการพัฒนาพลังงานลม

การศึกษาศักยภาพของพลังงานลมโดยคำนวณจากแหล่งพลังงานลมทั่วโลก ที่มีค่าความเร็วลมเฉลี่ยเหมาะสมที่จะพัฒนาผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานลมสรุปได้ว่า พลังงานที่ผลิตได้จากกังหันลมมีค่าประมาณ 20,000 เทอราวัตต์-ชั่วโมงต่อปี จะเห็นว่าพลังงานลมมีศักยภาพสูงมาก เพื่อที่จะให้มองเห็นภาพได้ชัดเจนมากขึ้น ถ้าเปรียบเทียบกับพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคทั่วโลกในปี  ค.ศ. 1987 มีค่าประมาณ  9000 เทอราวัตต์-ชั่วโมง จะเห็นได้ว่ามีค่าน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของศักยภาพของพลังงานลม แต่การผลิตพลังงานจากลมมีข้อจำกัดในเรื่องของโครงสร้างและข้อจำกัดอื่น ๆ ดังได้กล่าวมาแล้วในตอนต้น ประมาณว่าในปี ค.ศ. 2020  กังหันลมที่ติดตั้งทั่วโลกมีกำลังผลิตรวมกันประมาณ   450,000 เมกะวัตต์  ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ประมาณ 900 เทอราวัตต์-ชั่วโมงต่อปี และจากการประเมินโดยสภาพลังงานโลก(World Energy Council)  ประมาณว่าพนักงานที่ผลิตได้จากพลังงานลมมีค่าประมาณร้อยละ 10 ของพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคทั่วโลกในปี ค.ศ. 1991  ถ้าประมาณเทียบกับพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคทั่วโลกในปี ค.ศ.2020  จะมีค่าร้อยละ 3 จากตัวเลขที่แสดงปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ จากพลังานลมนี้จะสามารถลดการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ถึง 800 ล้านตันเมื่อเทียบกับการผลิตไฟฟ้าโดยใช้ถ่านหิน (Wijk,  Coelingh, and Turkenburg, 1991: 307-308)

พลังงานลมในประเทศต่าง ๆทั่วโลกมีการพัฒนาและใช้กันอย่างแพร่หลาย ในปีค.ศ. 1994  ประมาณว่ามีกังหันลมผลิตไฟฟ้าติดตั้งทั่วโลกมีกำลังผลิตมากกว่า 3.5 จิกะวัตต์ ส่วนใหญ่อยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกา เดนมาร์ก และมีการกระจายในประเทศอื่น ๆ เช่นอังกฤษ เยอรมัน สเปน อินเดีย (Boyle, 1996:311) ปัจจุบันการพัฒนาพลังงานลมในประเทศต่าง ๆ เป็นทางเลือกทางหนึ่งที่จะนำพลังงานหมุนเวียนมาใช้แทนพลังงานจากเชื้อเพลิงบรรพชีวิน เช่น การพัฒนาผลิตไฟฟ้าพลังงานลมที่ฝรั่งเศส ในปีค.ศ. 1997  ถือเป็นปีแห่งพลังงานลมสำหรับเมืองดังเคอ-เกอะ (Dunkerque) ประเทศฝรั่งเศส ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 1997  ได้เปิดโรงไฟฟ้าพลังงานลมขนาด 2.7 เมกะวัตต์ และมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลมที่กำลังอยู่ในระหว่างการก่อสร้างขนาด 1.5 เมกะวัตต์ โดยมีเป้าหมายในปี ค.ศ. 2005  จะสามารถเพิ่มกำลังผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมให้ได้  250 - 500 เมกะวัตต์ โดยจัดทำเป็นแผนร่วมกันระหว่างหน่วยงานสิ่งแวดล้อม การควบคุมพลังงานและองค์การไฟฟ้าแห่งประเทศฝรั่งเศส (ดุฟอิค,2541 : 14 -16)

10. ศักยภาพและการพัฒนาพลังงานลมในประเทศไทย

จากข้อมูลอุตุนิยมวิทยา ค่าเฉลี่ยความเร็วลมของพื้นที่ต่าง ๆ ทั่วประเทศค่อนข้างจะต่ำ จากข้อมูลพลังงานลมของกรมอุตุนิยมวิทยาที่ได้เก็บรวบรวมมาเป็นเวลา 17 ปีและได้คำนวณค่าความเร็วลมเฉลี่ยโดยรวมช่วงลมสงบ (include calm) มีค่าความเร็วลม 2.4 - 4 เมตรต่อวินาที หากทำการคำนวณโดยไม่รวมช่วงลมสงบ (exclude calm) พบว่ามีค่าความเร็วลม 3 - 6 เมตรต่อวินาที (Meteorolgical Department and king Mongkut’s institue of tecnology thonburi, 1984: 21 - 25) จะเห็นได้ว่าศักยภาพในการผลิตพลังงานจากลมของประเทศค่อนข้างต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการนำพลังงานลมมาผลิตกระแสไฟฟ้ายกเว้นพื้นที่บริเวณชายฝั่งตอนใต้และบริเวณอ่าวไทยจะมีความเร็วลมสูงเพียงพอที่จะผลิตพลังงานจากลมได้ บริเวณที่มีความเร็วลมเฉลี่ยสูงประมาณ 4 - 5 เมตรต่อวินาที มีอยู่ 5 แห่งในประเทศไทยได้แก่ที่ สัตหีบ เกาะสีชัง เกาะสมุย เกาะภูเก็ต และจังหวัดสงขลา (การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย, 2540: 2)

ศักยภาพพลังงานลมในประเทศไทยได้ประเมินโดยวิเคราะห์จากข้อมูลความเร็วซึ่งตรวจวัดโดยกรมอุตุนิยมวิทยาทุก 3 ชั่วโมง เป็นเวลา 17 ปี (พ.ศ. 2509 - 2525) จำนวน 62 สถานี โดยข้อมูลความเร็วลมได้ถูกปรับให้เป็นค่าความเร็วลมที่ระดับความสูง 10 เมตร จากระดับพื้นดิน กำลังของกังหันลมทางทฤษฎีของแต่ละสถานีได้คำนวณโดยคำนึงถึงการจัดวางตำแหน่งเพื่อไม่ให้บังกัน ศักยภาพของกำลังลมทั่วประเทศมีค่า 5,000 เมกะวัตต์ หรือคิดเป็นพลังงาน 4.4 เทอราวัตต์ – ชั่วโมง (Meteorolgical Department and king Mongkut’s institue of tecnology thonburi, 1984: 20) เนื่องจากในการนำพลังงานลมมาใช้ประโยชน์จำเป็นต้องมีข้อมูลพลังงานลมและวิเคราะห์ทำเป็นแผนที่พลังงานลม สำหรับประเทศไทย

โดยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีและกรมอุตุนิยมวิทยาได้เคยดำเนินการจัดทำและวิเคราะห์ข้อมูลพลังงานลม โดยอาศัยฐานข้อมูลจากกรมอุตุนิยมวิทยานำมาหาค่าความเร็วลมเฉลี่ยและศักยภาพพลังงานลดังได้กล่าวมาแล้วข้างต้นเป็นข้อมูลที่ได้จัดทำตั้งแต่ปี พ.ศ. 2527 ดังรายละเอียดที่สรุปในตารางที่ 1 ดังนั้นในการดำเนินงานเพื่อพัฒนาพลังงานหมุนเวียนตามแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 8 (พ.ศ. 2540 - 2544) จึงได้จัดให้มีโครงการจัดทำแผนที่ศักยภาพพลังงานลมของประเทศเพื่อใช้เป็นข้อมูลประกอบการคัดเลือกพื้นที่ที่มีศักยภาพพลังงานลมสำหรับการพัฒนานำไปใช้ต่อไป

11. ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการใช้พลังงานลม

การนำพลังงานลมมาใช้ประโยชน์นอกจากจะมีข้อดีในแง่ต่าง ๆ เนื่องจากพลังงานลมไม่มีปัญหาในเรื่องการปล่อยก๊าซพิษ ฝนกรด หรือมลพิษจากการแผ่รังสีแล้ว ยังช่วยลดปริมาณการใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงบรรพชีวินรวมทั้งการนำพลังงานลมมาใช้ไม่จำเป็นต้องมีแหล่งน้ำเหมือนกับการใช้พลังงานจากแหล่งอื่น ๆ ซึ่งรวมถึงพลังงานหมุนเวียนบางอย่างด้วย แต่การนำพลังงานลมมาใช้ไม่ว่าจะเพื่อสูบน้ำหรือผลิตกระแสไฟฟ้าก็ตาม มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในด้านต่าง ๆ สรุปได้ดังนี้

1)  เสียงรบกวน (noise pollution) กังหันลมที่หมุนด้วยความเร็วสูงจะทำให้เกิดเสียงดังรบกวนบริเวณใกล้เคียง ซึ่งเสียงดังเกิดเนื่องจาก 2 สาเหตุคือ เสียงจากเครื่องมือที่ผลิตไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า เสียงจากเครื่องกล (mechanical noise) และอีกส่วนหนึ่งเกิดจากกระแสลมกระทบใบพัด ซึ่งเรียกว่าเสียงจากการเคลื่อนที่ของอกาศ (aerodynamic noise)

2)  รบกวนสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic interference) การใช้พลังงานลมส่งผลกระทบต่อการส่งและรับสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ถ้าวัสดุที่ใช้ทำกังหันเป็นโลหะ

3)  รบกวนต่อการบินและการนำสัญญาณ (interference with aviation and navigation) กังหันลมที่ตั้งอยู่ใกล้บริเวณสนามบินจะรบกวนต่อการบินและสัญญาณเรดาร์

บรรณานุกรม

นที  ศรืทอง. (2552) กังหันลม – กังหันน้ำผลิตไฟฟ้าใช้เอง. พิมพ์ครั้งที่ 1 กรุงทพฯ : เกษตรกรรม

ธรรมชาติ

วรนุช  แจ้งสว่าง. (2553) พลังงานหมุนเวียน. พิมพ์ครั้งที่ 2 กรุงทพฯ : จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

การคำนวณ Power calculation ของกังหันลม.(ม.ป.ป.).สืบค้นเมื่อ 26 พฤศจิกายน 2561, จาก

https://technology.thaiza.com /การคำนวณ Power calculation ของกังหัน

ลม/311930/    

กังหันลมผลิตไฟฟ้า.(ม.ป.ป.).สืบค้นเมื่อ 26 พฤศจิกายน 2561, จาก http://www3.egat.co.th/re/

egat_wind/egat_windlamtakhong/wind_lamtakhong.htm

ค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของกังหันลมผลิตไฟฟ้า.(ม.ป.ป.).สืบค้นเมื่อ 26 พฤศจิกายน 2561, จาก

https://ienergyguru.com/2015/07/wind-turbine-parameter/

ทฤษฎีพลังงานลม.(ม.ป.ป.).สืบค้นเมื่อ 26 พฤศจิกายน 2561, จาก https://sites.google.com/site/

labkanghanlm/bth-thi-2-1/xeksar-laea-thvsdi-thi-keiywkhxng

พลังงานลม กับ อากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics. (ม.ป.ป.).สืบค้นเมื่อ 26 พฤศจิกายน 2561, จาก

https://ienergyguru.com/2015/07

หมายเหตุ : เรียบเรียงโดย : นายปิยพัทธ์   อ่อนน้อม

                   จัดทำโดย       : นายธนากิจ   ทองมนต์