1

พลงงานลม ทางเลอกเพอโลกสดใส เจษฎา กาญจนะ

หนวยปฏบตการวจยพฒนาเทคโนโลยสมองกลฝงตว ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชาต

1. ลม ลมคออะไร? และเกดขนมาไดอยางไร? ลมคออากาศทกาลงเคลอนท ลมตามธรรมชาตนนเกดจากความแตกตางของความรอน ณ จดตาง ๆ บนผวโลก ภมประเทศทหลากหลายบนพนผวโลกเมอไดรบพลงงานความรอนจากดวงอาทตยจะมอตราการดดกลนความรอนทไมเทากน บรเวณทมความรอนมากกวา อากาศจะขยายตวมากกวา ทาใหบรเวณนนมความหนาแนนของอากาศตากวา ความดนอากาศหรอนาหนกของอากาศทกดลงมาบนพนโลกเนองจากความโนมถวงตอหนงหนวยพนทจงมคาตากวาบรเวณทมความรอนนอยกวา อากาศทมความรอนนอยกวาซงอยรอบขาง (มความดนอากาศสงกวา) จงเคลอนทเขาไปยงบรเวณความดนอากาศตา ปรากฏการณนเราเรยกวา ‘ลมพด’ ลมมหลายชนดหลายประเภทตามแตเกณฑทเราใชจาแนก และนอกจากความดนอากาศ (หรอความรอน) แลว ยงมปจจยอนอก อาท ปจจยเนองจากการหมนของโลก (เชน Coriolis effect, Centrifugal force) ตวอยางลมประจาเวลาทเราพบเหนเปนวฏจกรในชวตประจาวน เชน ลมบก (Land breeze) ลมทะเล (Sea breeze) ลมหบเขา (Valley breeze) ลมภเขา (Moutain breeze) ลมชนก (Chinook wind) สาหรบประเทศไทยมลมประจาถน เชน ลมทพดจากอาวไทยสภาคกลางตอนลางชวงกลางฤดรอน (เดอนกมภาพนธ-เมษายน) เรยกวาลมตะเภา ทไดชอนเพราะสมยกอนลมตะเภาชวยพดเรอสาเภาใหเขามาคาขายตามลาแมนาเจาพระยา นอกจากลมตะเภายงมลมวาวหรอลมขาวเบา เปนลมทพดชวงปลายเดอนกนยายนถงเดอนตลาคมซงเปนชวงทขาวเบากาลงออกรวง พดลงมาตามลาแมนาเจาพระยาออกไปยงบรเวณความดนอากาศตาทอาวไทย เนองจากความดนอากาศดงกลาวไมตามาก ลมวาวจงเปนลมเยนทพดออน ๆ กาลงสบาย ลมทเกดขนตามฤดกาลเรากเรยกวาลมประจาฤด เปนลมทเกดขนทกปตามฤด เชน ลมมรสมตะวนตกเฉยงใต (ลมมรสมฤดรอน) เกดจากความดนอากาศสงบรเวณมหาสมทรอนเดย การทมนพดผานมหาสมทรจงหอบเอาความอนชนมาสประเทศไทย ทาใหมเมฆมาก ฝนตกชก (เดอนพฤษภาคม-ตลาคม) ลมมรสมทพดผานประเทศไทยอกตวคอลมมรสมตะวนออกเฉยงเหนอ (ลมมรสมฤดหนาว เดอนตลาคม-กมภาพนธ) เกดจากความดนอากาศสงแถบมองโกเลยและจน รวมกบความดนอากาศตาจากอากาศอนในมหาสมทรอนเดย เปนลมแหงและเยน ทาใหทองฟาโปรงปกคลมภาคเหนอและภาคตะวนออกเฉยงเหนอ สวนภาคใตโดยเฉพาะฝงตะวนออกฝนจะตกชก เพราะลมมรสมฤดหนาวไดหอบเอาความชนจากอาวไทยเขามา ในฤดรอน ถาเรายนทชายหาดตอนกลางวน และหนหนาเขาหาทะเล ใบหนาจะปะทะกบลมเยนซงเปนอากาศเหนอพนนาทกาลงเคลอนทเขาสฝง ลมนคอลมทะเล ตอนกลางวนอากาศบนพนดนมอณหภมสงกวาอากาศบนผวทะเล ทาใหบรเวณชายฝงมความดนอากาศตา อากาศยกตวสง และอากาศจากทะเลไหลเขาไปแทนท ลมทะเลจะเรมพดตงแตเชาจนดวงอาทตยตกและพดแผวกระทงถงเวลาประมาณ 21.00 น. หลงจากดวงอาทตยตก พนดนสามารถคายความรอน (โดยการแผรงส) ไดเรวกวาพนนา ดงนนอากาศบรเวณเหนอพนดนจะคอย ๆ มอณหภมลดตาลง ขณะทอากาศอนเหนอพนนาลอยตวขน ทาใหอากาศไหลจากบกลงสทะเลเปนลมบก ซงรบชวงตอจากลมทะเลตงแตเวลาประมาณ 22.00 น. ถง 10.00 น. วฏจกรลมบกและลมทะเลแสดงดงภาพ

Breeze, Wind กบ Monsoon

ภาพ ผงการเกดลมทะเล (Sea breeze)

ลมเฉอย (Breeze) เปนลม (Wind) ทพดออน ๆ ไมรนแรง

ภาพ กลมเมฆมรสมมหาสมทรอนเดยเหนอ

สะพาน Howrah เมอง Kolkata มรสม (Monsoon) เปนชอเรยกลมประจาฤด คาวา monsoon มรากศพทมาจาก mawsim ในภาษาอารบก แปลวา ฤดกาล ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Sea_breeze http://en.wikipedia.org/wiki/Monsoon

2

ภาพ1 ลมทะเล (ซาย) และลมบก (ขวา)

ถาเราไปเทยวภเขาหรออยกลางหบเขา ในตอนกลางวนจะมลมพดขนแนวภเขา เพราะบรเวณหบเขาหรอพนดนมอณหภมตากวาบรเวณยอดเขาซงไดรบแสงแดดเตมท เรยกวาลมหบเขา พอตกกลางคน พนดนคายความรอน บรเวณพนหรอหบเขาซงมพช ตนไม หนาแนนกวา ทาใหอากาศบรเวณนอนกวา อากาศบนยอดเขาทเยนกวาจงไหลลงสหบเขา เรยกวาลมภเขา (หรอลมพดลงลาดเขา, Katabatic wind) ซงลมภเขานไดสนามโนมถวงชวยดงอกแรงจงมความรนแรงมากกวาลมหบเขา

ภาพ2 ลมหบเขา (ซาย) และลมภเขา (ขวา)

2. พลงงานลม (Wind Energy) พลงงานฟรทไมมวนหมด! จากความรฟสกส ‘สงทเคลอนทมพลงงาน’ และลมคออากาศทเคลอนท ดงนนลมจงมพลงงาน พลงงานอนนเรยกวาพลงงานลม (Wind energy) พลงงานลมเปนพลงงานทเกดขนเองตามธรรมชาต และเปนพลงงานทสะอาด ในปจจบนมการนาเอาพลงงานลมมาใชงานอยางแพรหลายโดยการแปลงพลงงานลมใหมาอยในรปพลงงานทสามารถกกเกบและใชใหเกดประโยชนได เชน พลงงานไฟฟา (Electricity) เครองมอทเราใชแปลงพลงงานลมเปนพลงงานไฟฟาเรยกวา ‘กงหนลมผลตไฟฟา’ (Wind turbine) เครองจกรกลตวนสามารถแปลงพลงงานจลน (Kinetic energy) ของโมเลกลอากาศ (ลม) ใหเปนพลงงานกล (Mechanical energy) แลวแปลงพลงงานกลใหกลายเปนพลงงานไฟฟาอกทอดหนง กอนหนาทมนษยเราจะเรมใชพลงงานไฟฟา พลงงานลมกไดถกนามาใชแลวนะครบ เชน ใชในการเดนเรอ โดยขงใบเรอขวางทางลม พลงงานจลนของอากาศเปลยนไปเปนพลงงานจลนของเรอ หรอใชผานกงหนลม (Windmill) ซงทาหนาทแปลงพลงงานจลนของโมเลกลอากาศใหกลายมาเปนพลงงานกล และนาพลงงานกลนนมาใชงานตาง ๆ ไมวาจะเปนการบด การตา การเลอย การระบายนา (หลายหมบานในเนเธอรแลนด เชน Kinderdijk ทพนดนอยตากวาระดบนาทะเล ตองตดกงหนลมระบายนา) การสบนา เปนตน

1 ทมาภาพ: http://www.auburnschools.org2 ทมาภาพ: http://clem.mscd.edu/~wagnerri/mtnvalley.jpg

3

ภาพ3 Tjasker เปน drainage mill ทมโครงสรางเรยบ

งายทสด แกนหมนของใบพดยดกบ archimedean screw

ภาพ4 Windmill ในนอรธ ฮอลแลนด พนทลม (polder) อยระดบตากวาระดบนารอบนอกอกดานของเขอน กงหนลมตวนทาหนาทระบายนา

ภาพ5 (ซาย) “De Salamander” โรงเลอยทใชพลงงานลมในไลดเชนดม เนเธอรแลนด สรางค.ศ. 1792

3 ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Drainage_windmills (บน) http://www.nt.ntnu.no/users/haugwarb/DropBox/The Dutch Windmill Stokhuyzen 1962.htm (ลาง) http://en.wikipedia.org/wiki/Archimedean_screw (สกร archimedean) 4 ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Polder5 ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Sawmill

4

กงหนลมผลตไฟฟา (Wind turbine) ทาหนาทในการเปลยนพลงงานลมใหเปนพลงงานไฟฟา โดยการตอกงหนลมกบเครองกาเนดไฟฟา

พลงงานจลนของอากาศ

พลงงานกล พลงงานไฟฟา

เครองกาเนดไฟฟา

กงหนลม

กงหนลมผลตไฟฟาสามารถแบงออกเปน 2 กลมใหญ ๆ ตามลกษณะการจดตงแกนของใบพด คอ กงหนลมผลตไฟฟาแกนแนวนอน (Horizontal-Axis Wind Turbine, HAWT) กบกงหนลมผลตไฟฟาแกนแนวตง (Vertical-Axis Wind Turbine, VAWT)

ภาพ6 (ซาย) Wind farm ในทะเลเหนอจากชายฝงเบลเยยม เปนกงหนผลตไฟฟาแบบสามใบพดในกลม HAWT ภาพ7 (ขวา) Darrieus wind turbine บนเกาะ Magdalen ซงเปนกงหนผลตไฟฟาในกลม VAWT ภาพ8 คนยนเทยบกบใบพดสมยใหมขนาดกลาง

6 ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine7 ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine8 ทมาภาพ: http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design

5

สวนประกอบหลกของกงหนผลตไฟฟาแบบ HAWT ประกอบดวย

1. ใบพด (Blades) ทาหนาทจบพลงงานลม (พลงงานจลน) แลวแปลงใหเปนพลงงานกลในรปพลงงานทหมนแกน (เพลา) ใบพด

2. แกนใบพด (Shaft) เปนตวปอนพลงงานกลใหกบเครองกาเนดไฟฟา (Generator)

3. หองเครองยนต (Nacelle) ภายในม

ภาพ9 ภายในหองเครองยนตจาลอง

• gear box ทาหนาทปรบอตราเรวของ

กานทเชอมระหวาง rotor hub กบ generator

• generator ทาหนาทเปลยนพลงงานกลเปนพลงงานไฟฟา

• electronic control unit • yaw controller • brakes

4. เสา (Tower) 5. ฐาน (Base)

ภาพ10 สวนประกอบหลกของกงหนผลตไฟฟา

แบบแกนแนวนอน (HAWT)

3. เครองกาเนดไฟฟา (Generator) เมอลวดตวนาเคลอนทตดสนามแมเหลก! เครองกาเนดไฟฟา (Electricity generator) คออปกรณทเปลยนพลงงานกลใหเปนพลงงานไฟฟา หลกการทางานพนฐานของเครองกาเนดไฟฟาถกคนพบโดยไมเคล ฟาราเดย (Michael Faraday, 1791-1867) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษในชวง 1820 ถงตน 1830 แตกอนทจะกลาวถงเครองกาเนดไฟฟานน จาเปนตองมความรฟสกสเบองตน 2-3 หวขอทควรทาความเขาใจกนกอน ไดแก กระแสไฟฟาคออะไร? แมเหลกคออะไร? และกระแสไฟฟากบแมเหลกมความเกยวพนกนอยางไร? กระแสไฟฟา (Electric current) คออตราการไหลของประจ (Electric charge) ผานจดใด ๆ ในวงจรไฟฟา ในกรณของกระแสไฟฟาทวงในสายทองแดงหรอสายไฟตามบานหรอในอปกรณอเลกทรอนกสท

9 ทมาภาพ: http://www.ocean.edu/campus/grants/anemometer/Equipment.htm10 ทมาภาพ: http://www.masstech.org/cleanenergy/wind/turbineconstruction.htm

6

เราใชงานในชวตประจาวน ประจทเคลอนคออเลกตรอน (อเลกตรอนเปนอนภาคทมประจลบ มคาประจเทากบ -1.602 x 10-19 คลอมบ) พจารณาตวอยางเชน เราตอหลอดไฟเขากบแบตเตอร (หรอถานไฟฉาย) ดงรปดานลางทางซายมอ หลอดไฟจะสวาง คาถามคอหลอดไฟสวางไดอยางไร? จากทฤษฎเกยวกบโครงสรางอะตอมและสารตวนา เรารวาในลวดทองแดงหรอสายไฟมอเลกตรอนอสระเคลอนทสะเปะสะปะไปมาอยเปนจานวนมาก เมอมการตอสายไฟเขากบแบตเตอรและหลอดไฟใหครบวงจร ความตางศกยระหวางขวบวกและลบของแบตเตอรจะผลกใหอเลกตรอนจานวนมหาศาลนนเคลอนจากขวลบไปยงขวบวก ซงเสนทางทพวกมนเคลอนทถกกาหนดใหผานไสหลอดไฟ (Filament) ซงอาจจะเปนเสนใยทงสเตนบาง ๆ อเลกตรอนปรมาณมากทวงผานใยทงสเตนบาง ๆ ยอมไมอาจหลกเลยงการชนปะทะกบอะตอมของทงสเตน ทาใหอะตอมของทงสเตนสนแรงขน มพลงงานมากขน รอนขน และปลอยแสง11ออกมา

ถาเราซมมอง ณ จดใดจดหนงในสายทองแดง เราจะเหนอเลกตรอนกลมใหญชวนกนเดนขบวนไปในทศทางเดยวกน (ทศหนขวลบ พงเขาหาขวบวก) หากเราวดอตราการไหลของอเลกตรอนไดวามกคลอมบในหนงวนาท อตรานกคอกระแสไฟฟานนเอง และทศทางของกระแสไฟฟาถกกาหนดใหตรงขามกบทศทางการเคลอนทของอเลกตรอน จงพดไดวาหลอดไฟสวางเพราะมกระแสไฟฟาไหลในหลอดไฟ

ภาพ12 (ซาย) วงจรหลอดไฟตอกบแบตเตอร, (ขวา) หลอดไฟแบบ incadescent ในเสนลวดตวนา กระแสไฟฟาเกดขนเมอสองจดใด ๆ มศกยไฟฟาไมเทากน โดยกระแสจะไหลจากศกยสง (บวก) ไปสศกยตา (ลบ) เสมอ ดงรปขวามอ

กระแสไฟฟา

แมเหลก (Magnet) คอสสารหรอวตถท

สามารถสรางสนามแมเหลก (Magnetic field) ทาใหมคณสมบตดดโลหะบางชนดได และสารทถกดดโดยแมเหลกเรยกวาสารแมเหลก13 (Ferromagnetic material) ซงบรรดาสารแมเหลกเหลานเมออยในสนามแมเหลก พวกมนจะมสภาพเปนแมเหลกชวคราว และเราสามารถทาสารแมเหลกใหกลายเปนแมเหลกได เชน ถแทงเหลกดวยแมเหลกในทศทางเดมหลาย ๆ ครง แทงเหลกนนจะกลายเปนแมเหลก ทงนขนอยกบชนดของแทงเหลกดวยนะครบ ถาเปนเหลกออน หรอ iron จะไดแมเหลกชวคราว แตถาเปนเหลกกลา หรอ steel จะไดแมเหลกถาวร

+

สนามแมเหลกหมายถงอาณาบรเวณทแมเหลกมอทธพล เชน ขณะทเราคอย ๆ เลอนปลายดานหนงของแทงแมเหลกเขาหาเขมหมดซงอยนงจากเดมทอยไกลกน จนถงระยะใกลคาหนงเขมหมดจะถกดดและเคลอนทเขาหาแมเหลก นหมายความวาทระยะหางมาก แมเหลกมอทธพลตอเขมหมดนอย แตพอเขาใกล

11 การปลอยแสงของอะตอมนนเกดจากการทอเลกตรอนของอะตอมไดรบพลงงาน ทาใหตวมนกระโดดขนไปยงชนระดบพลงงานทสงกวา แตมนไมอาจมเสถยรภาพอยในระดบชนพลงงานนนไดจงกระโดดกลบลงมาทเดม ในการกระโดดกลบลงมาทเดมนแหละครบทอเลกตรอนปลอยแสง (โฟตอน) ออกมา 12 ทมาภาพ:

http://www.ionaphysics.org/lobby/robotics/Textbooks/liechtml/Exper/EXP_2.html (ซาย) http://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb (หลอดไฟแบบ incadescent)

13 ธาตม 5 ตว ไดแก เหลก (Fe) โคบอลต (Co) นกเกล (Ni) แกโดลเนยม (Gd) และดสโพรเซยม (Dy)

7

กลบมอทธพลมากขน อทธพลของแมเหลกนสามารถอธบายไดดวยสนามแมเหลกวา บรเวณทใกลกบปลายแทงแมเหลกสนามแมเหลกมความเขมหรอความแรงมากกวาบรเวณทไกลออกไป

แทงแมเหลกม 2 ขว คอ ขวเหนอ (N) และขวใต (S) สนามแมเหลกจะมความเขมสงทปลายแทง และคอย ๆ ลดลงเมอเขามากลางแทง ตรงจดกงกลางพอดนนแทงแมเหลกจะไมมอานาจแมเหลก ถาเราจบปลายแทงแมเหลก 2 แทงเขาใกลกน จะพบวาแมเหลกดดเขาหากนหากขวของปลายทงคแตกตางกน (N-S หรอ S-N) แตจะผลกกนหากขวของปลายทงคเหมอนกน (N-N หรอ S-S)

ภาพ แทงแมเหลก ทมาภาพ: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d8/Bar_magnet.jpg

ถาเราผกแทงแมเหลกและปลอยใหเคลอนไหวไดอยางอสระดงรปดานลาง ขวเหนอของแทงแมเหลกจะชไปยงทศเหนอ และขวใตชไปยงทศใตเสมอ

ภาพ14 แมเหลกวางตวในแนวทศเหนอใต

สาเหตทแมเหลกวางตวเชนนเพราะโลกมอานาจแมเหลกหรอสนามแมเหลกทเรยกวาสนามแมเหลกโลก เสมอนโลกมแทงแมเหลกอนใหญฝงอยขางใน โดยททศเหนอทางภมศาสตรเปนขวใต และทศใตทางภมศาสตรเปนขวเหนอ

ภาพ แสดงการดดและผลกของแทงแมเหลก

ภาพ: ://www.physics.sjsu.edu/becker/physics

ทมาhttp51/mag_field.htm

เสนแรงแมเหลก (Magnetic field line) คอ เสนทแสดงสนามแมเหลก กาหนดใหเสนแรงแมเหลกวงออกจากขวเหนอของแมเหลกโคงเขาสขวใต

ทมาภาพ: http://physicslearning.colorado.edu/PiraHome/PhysicsDrawings.htm

ภาพ15 สนามแมเหลกโลก (Earth’s magnetic field)

14 ทมาภาพ: http://www.kr.ac.th/tech/det48m2/word05.htm15 ทมาภาพ: http://129.128.241.207/carismaweb/content/view/69/1/

8

ความเกยวพนระหวางกระแสไฟฟากบแมเหลก เปนผลงานการคนพบของ ฮนส ครสเตยน เออรสเทด (Hans Christian Ørsted, 1777-1851) นกฟสกสและเคมชาวเดนช ขณะทเขากาลงเตรยมการสอนเมอวนท 21 เดอนเมษายน 1820 เขาสงเกตเหนเขมทศเฉไปมาตอนทเปดปดสวตชไฟทเชอมตอกบแบตเตอร ทาใหเขาออกแบบการทดลองและพบปรากฏการณทสาคญปรากฏการณหนง นนคอ มสนามแมเหลกเกดขนรอบ ๆ ลวดตวนาเมอมกระแสไฟฟา

ภาพ16 ความสมพนธร ของสนามแมเหลกและทศกระแสไฟฟาเปนไปต

ตวอยางเสนแรงแมเหลกของ (a) แมเหลกถาวร, (b) ลก

ะหวางทศทางทางของามกฎมอขวา

ขดลวดทรงกระบอก (cylindrical coil), (c) แมเหลกไฟฟาแกนเห(iron-core electromagnetic), (d) เสนลวดตรงทมกระแสไฟฟาไหลผาน และ (e) เสนลวดโคงทมกระแสไฟฟาไหลผาน แสดงดงรปดานลาง

ภาพ17 เขมทศทวางใกลลวดตวนา

ภาพ18 เสนแรงแมเหล ากแมเหลกชนดตาง ๆ

กจ

16 ทมาภาพ: http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/handrules/index.html17 ทมาภาพ: http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm18 ด 17

9

ตอมาไมเคล ฟาราเดยไดคนพบหลกการเหนยวนาแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic induction) มใจความงาย ๆ วา การเปลยนแปลงสนามแมเหลกของขดลวดเหนยวนาใหเกดกระแสไฟฟาขนภายในขดลวด จากภาพตวอยางการเหนยวนาแมเหลกไฟฟา (ซายมอ) เมอเราคอย ๆ เลอนแทงแมเหลกลงมา ทาใหสนามแมเหลกของขดลวดเปลยนแปลง เกดแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาขนภายในขดลวดและมกระแสไฟฟาไหลซงเราสามารถใชแอมปมเตอรวดคากระแสดงกลาวได แตเมอเราหยดเคลอนแทงแมเหลก กระแสจะคอย ๆ ลดลงจนเหลอศนย ไมวาเราจะเลอนแทงแมเหลกเขา หรอชกแทงแมเหลกออก กมกระแสไหลเชนเดยวกน (แตทศทางของกระแสตางกน) สาหรบรปขวามอ เปลยนแทงแมเหลกถาวรเปนขดลวดทจายกระแสไฟฟาซงทาใหมนสรางสนามแมเหลกขนมา พบวาผลทไดจากการทดลองกเหมอนกน บางครงเรยกหลกการเหนยวนาแมเหลกไฟฟานวากฎของฟาราเดย

ภาพ19 การเหนยวนาแมเหลกไฟฟา

กฎของฟาราเดยบอกแคเพยงวาการเปลยนแปลงสนามแมเหลกกอใหเกดกระแสไฟฟา แตทศทาง

ของกระแสเหนยวนาทเกดขนจะเปนเชนไรนนเปนไปตามกฎของเลนซ ‘เมอมการสรางแรงเคลอนไฟฟา จากการเปลยนแปลงฟลกซแมเหลกตามกฎของฟาราเดย ขวของแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาทเกดขนจะเปน (+) หรอ (-) ในทศทางทสรางกระแสซงสนามแมเหลกของกระแสตอตานการเปลยนแปลงทสรางมน’

ภาพ20 ทศทางของกระแสเหนยวนาในขดลวด

พ: http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/nov_06-04.html19 ทมาภา

20 ทมาภาพ: http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/induction.htm

10

เครองกาเนดกระแสไฟฟาใชหลกการเหนยวนาแมเหลกไฟฟา โดยใชพลงงานกลหมนขดลวดตดสนามแมเหลก ทาใหสนามแมเหลกทผานขดลวดไมคงท และเกดกระแสไฟฟาขนตามกฎของฟาราเดย โดยทเราสามารถออกแบบกลไกเพอใหไดไฟฟากระแสสลบ (AC) หรอไฟฟากระแสตรง (DC) กได จากรปเครองกาเนดไฟฟากระแสสลบ วงแหวนสองวง (Slip rings) เปนตวรบสมผสกบปลายของขดลวดเพอนากระแสไฟฟาออกไปใชงาน สวนเครองกาเนดไฟฟากระแสตรง จะมครงวงแหวนสองอน (Commutator) เปนตวรบสมผสกบปลายของขดลวดซงเปนทางนากระแสออกไปใชเชนเดยวกน โดยครงวงแหวนทงสองอนนน จะมอนหนงทมศกยไฟฟาสงกวาอกอนหนงเสมอ

ภาพ21 เครองกาเนดไฟฟากระแสสลบ (บน), ขดลวดเคลอนทตดสนามแมเหลก (ลาง-ซาย), เครองกาเนดไฟฟากระแสตรง (ลาง-ขวา)

21 ทมาภาพ: Serway and Jewett, Physics for Scientists and Engineers, 6E, p. 983-984

11

4. การออกแบบใบพด22 (Blade Design) นกจบลม

ารออกแบบและสรางใบพดเปนหนงในงานทซบซอนและสาคญสาหรบเทคโนโลยกงหนลมผลตไฟฟาใน

าลงลมคานวณไดจากสตร

กปจจบน เพราะมตวแปรหลายอยางทเราตองคานงถง เชน ความยาว จานวน นาหนก มมระวางใบพด การบดความโคงงอ เนอสาร รปทรง อตราเรวลม ฯลฯ ซงเหลาวศวกรพยายามอยางหนกในการออกแบบใบพดทสามารถดงพลงงานจากลมใหไดมากทสดเทาทเปนไปไดภายใตอตราเรวลมตาง ๆ รวมทงมความทนทาน เงยบ และราคาถก

31P A

2= ρ ก V เมอ A คอพนทท

จาก A = π

ม

สามบพด ห

ใบพดกวาดเปนวงกลม หาได R2 สาหรบใบพดทมความยาว R (ครงหนงของเสนผานศนยกลางวงกลมทใบพดกวาด) มหนวยตารางเมตร (m2), V คอความเรวลมหนวยเมตร/วนาท (m/s) และ ρ คอความหนาแนนของอากาศ มหนวยกโลกรม/ลกบาศกเมตร (kg/m3) ใบพดมหลายแบบ ใบพดเดยว สองใบพดใ รอหลายใบพด หรอใบพดทมแกนแนวตงกได

22 เนอหาสวนใหญในหวขอน ผมแปล (บางสวน) และเรยบเรยงจากเอกสารประกอบการสอน Wind Turbine Blade Design (Michael Arquin), Wind Turbine Blade Design (Joseph Rand), Advanced Wind Turbine Blade Design และ KidWind PVC Turbines Blade Test Results (Summer ’05) จาก The Kidwind Project (National Wind Technology Center, National Renewable Energy Laboratory, US) และภาพประกอบทงหมด นามาจากเอกสารดงกลาว ยกเวนภาพทมการระบเปนอน ขอมลเพมเตม ด http://www.kidwind.org

12

จานวนใบพด กงหน 1 ใบพด

• ใบพดตองหมนเรวมากขนเพอจบลมใหไดเทากบใบพดชนดอน (การหมนเรวขนสรางเสยงรบกวน และรบกวนการมองเหน ทงยงมผลกระทบกบสตวปา)

• ใบพดสามารถตดตงไดงาย เพราะใบพดทงอนสามารถประกอบไดเสรจสรรพบนพนดน

• จบพลงงานลมไดนอยกวา 2 ใบพด• ทสาคญ 1 ใบพดไมไดชวยลดตนทน

กงหน 2 ใบพด

10%

• ขอดและขอดอยไมแตกตางจาก 1 ใบพด • ตองการอปกรณเสรมท hub เนองจากการ

การทรงตวของใบพด 2 ใบไมสมดล (gyroscopic imbalance)

• จบพลงงานลมไดนอยกวา 3 ใบพด 5%

กงหน 3

ใบพด

• แรงทรงตวสมดล (Balance of gyroscopic force)

• หมนชากวา (เพมชดเกยรและตนทนการขนสง สวยงาม มสญญาณรบกวนตา รบกวนนกแคไมกชนด)

13

วสดทใชทาใบพด ไม (Wood)

• แขงแรง • นาหนกเบา • ราคาถก • มเหลอเฟอ • มความยดหยนในการใชงานสง

โล (• teel)

• num) o เบา o ใชงานงาย o แพง o มปญหาเรองความลาของโลหะ

หะ Metal) เหลก (S

o หนก o แพง

อลมเนยม (Alumi

ฉนวนใยแกว (Fiberglass) • นาหนกเบา • แขงแรง • ไมแพง • มคณลกษณะเชงความลาทด

แรงยกและแรงฉด (

Lift & Drag Forces)

รงยก (Lift force) คอ แรงทตงฉากกบทศการเคลอนท เราต แรงตวนมคามากแองการทาให แรงฉด (Drag force) คแรง เคลอนท เราตองการทาใหแรงตวนมค

อ ทขนานกบทศการ า

นอย ท นองเดยวกบปา กเครองบน ใบพดของกงหนเรากออก บ เพอสรางแรงยกและประ ธ

บรนลล

แบ ดวยรปทรง airfoil สท ภาพสงสด

ภาพ23 (ซาย) ปกทรง airfoil แบบตาง ๆ

อาศยคณสมบตของของไหลจากสมการแ

21p V gh

2+ ρ + ρ (Bernoulli's equation) เปนคาคงท

เมอ p คอ ความดน, ρ คอ ความหนาแนน, V คอ อตราเรว, g คอ ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก และ h คอ ความสง

23 ทมาภาพ: http://www.quicktechhobby.com/articles/learning_to_fly.htm

14

หากพจารณาท ρ, g, h คงท เราจะพบสมบตแปรผกผนระหวาง V และ p กลาวคอ อากาศทมความเรวสงจะมวามดนตา การออกแบบใหดานหนงของปกโคง เทากบการเพมอตราเรวใหกบอากาศ ทาใหอากาศทดานนน

าตองการ ใบพดหมน ถาใบพดหมนชาเกนไป ลมสวนใหญจะผานชองวางระหวางใบ ทาใหจบพลงงานไมได แตถาใบพด

มนเรวมากเกนไป ตาแหนงของใบพดจะทาตวราวกบแผกระจายอยทกจดในวงกลมเสมอนสรางกาแพงกนลม อกจากนใบพดยงสรางความผนผวนใหกบอากาศขณะทมนพดผานอากาศ ถาใบพดใบทอยตดกนวงมาถงเรว

เกนไป มนจะชนกบอากาศทผนผวนสรางความเสยหาย ดงนนบางครงมนกดกวาทเราจะตอมการบดทเห งหนไปยงปลายเพ ไดมมปะทะ (A เพราะมมปะทะเ ปรสาคญทกาห นอกจากนอตราเรว ณ จดตาง ๆ บนใบพดเพมขนเมอจ ยห างมากขน ทาใหทจดปลายของใบพดจะมอตราเร วปลายใบพด’ (Tip speed) และเรยกอตร าเรวปลายใบพดกบอตราเรวลม (Wind speed) วratio, TSR)

คมความดนตา และเกดแรงยกซงเปนสงทเร หน

งทาใหใบพดหมนชาลงมาบาง และใบพดจะตองมาะสมตงแตโคนทศนยกลางก อให

ngel of attack) ทเหมาะสม ปนตวแนดแรงยกดนนอ างจากจดศนยกล

วสงสด เรยกวา ‘อตราเราสวนระหวางอตรา ‘สดสวนอตราเรวปลายใบพด’ (Tip speed

Ω อตราเรวของใบพดทหมน (rad/s)

TSR หรอ R

VΩ

λ = เมอ R ความยาวใบพด (m)

V คออตราเรวลม (m/s) คา λ เปนตวแปรทมความสาคญมากอกตวในการออกแบบใบพด กงหนลมผลตไฟฟาจงตองออกแบบใบพด

งงานจากลมมากทสด คา λ > 1 หมายความวาใบพดหมนเรวกวาดเกดขนมาก กงหนลมโบราณนนมคา λ ประมาณเทากบ 1 สวนกงหนทชวยใหเราหาคากาลงทไดสงสดและประสทธภาพสงสดของกงหน

นลมทงหมดได ยงไงกตองมอากาศอยหลงใบพดทไมยอมใหลมผะสทธภาพอยท 59% และกงหนลมผลตกระแสไฟฟาสวนใหญม

ใหมคา λ ทเหมาะสมทสดเพอใหไดพลอตราเรวลม แตถา λ < 1 แปลวามแรงฉลมสมยใหมม λ ประมาณ 5 คานเปนคาลมผลตไฟฟา กงหนลมไมสามารถจบพลงงา านมากกวานน ตามทฤษฎขดจากดของปรประสทธภาพอยในชวง 35-48%

15