พลังงานลม: ลักษณะเฉพาะของลม และเครื่องมือวิเคราะห์

ในการออกแบบและเลือกใช้กังหันลมในการผลิตไฟฟ้าโดยพลังงานลม สิ่งที่จำเป็นที่ใช้ในการตัดสินใจเพื่อเลือกใช้กังหันลมที่เหมาะสมและเกิดประสิทธิภาพสูงสุด คือ ลักษณะเฉพาะของลมในบริเวณที่เราจะติดตั้งกังหันลม ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

1. ทิศทางลม (Wind Direction)

ทิศการกำเนิดของกระแสลมเทียบกับจุดสังเกต อาจเรียกชื่อตามทิศต่าง ๆ ของเข็มทิศ หรือเรียกเป็นองศาจากทิศจริง ปัจจุบันการวัดทิศลมนิยมวัดตามเข็มทิศและวัดเป็นองศา ถ้าวัดทิศลมด้วยเข็มทิศ เข็มทิศจะถูกแบ่งออกเป็นทิศใหญ่ๆ 4 ทิศ คือ ทิศเหนือ ทิศใต้ ทิศตะวันออก และทิศตะวันตก ซึ่งแบ่งย่อยออกรวมเป็น 8 ทิศ คือ ทิศตะวันออกเฉียงเหนือ ทิศตะวันออกเฉียงใต้ ทิศตะวันตกเฉียงเหนือ และทิศตะวันตกเฉียงใต้ นอกจากนี้ยังสามารถแบ่งจาก 8 ทิศ ให้ย่อยเป็น 16 ทิศ หรือ 32 ทิศ ได้อีก แต่มักนิยมรายงานจำนวนทิศเพียง 8 หรือ 16 ทิศ เท่านั้น ส่วนการวัดทิศลมที่เป็นองศาบอกมุมของลมจากทิศจริงในลักษณะเวียนตามเข็มนาฬิกา ใช้สเกลจาก 0 องศา ไปจนถึง 360 องศา เช่น ลมทิศ 0 องศา หรือ 360 องศา เป็นทิศเหนือ ลมทิศ 45 องศาเป็นทิศตะวันออกเฉียงเหนือ ลมทิศ 90 องศาเป็นทิศตะวันออก ลมทิศ 135 องศาเป็นทิศตะวันออกเฉียงใต้ ลมทิศ 180 องศาเป็นทิศใต้ ลมทิศ 225 องศาเป็นทิศตะวันตกเฉียงใต้ ลมทิศ 270 องศาเป็นทิศตะวันตก และลมทิศ 315 องศาเป็นทิศตะวันตกเฉียงเหนือ เป็นต้น

2. ความเร็วลม (Wind Speed)



ความเร็วลม คือ อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ของอากาศที่ทำให้เกิดแรงหรือความกดที่ผ่านจุดที่กำหนดให้บนพื้นผิวโลก และแรงหรือความกดเป็นสัดส่วนกับกำลัง 2 ของความเร็วลม ความเร็วลมมีผลกระทบต่อการการพยากรณ์อากาศ เครื่องบิน การเดินทางทางทะเล โครงการก่อสร้าง และการเจริญเติบโตและอัตราการเผาผลาญของพืชหลายชนิด และผลกระทบอื่นๆอีกมากมาย วัดด้วยเครื่องวัดความเร็วลม (anemometer) ซึ่งอาจจะมีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที กิโลเมตรต่อชั่วโมง ไมล์ต่อชั่วโมง หรือน็อต เป็นต้น แต่ยังสามารถจำแนกได้โดยใช้โบฟอร์ตสเกล (Beaufort scale) ปัจจัยที่มีผลกระทบต่อความเร็วลม คือ การกระจายของความกดอากาศ คลื่นในทะเล และสภาพอากาศท้องถิ่น

Wind Speed Frequency Distribution การแจกแจงความถี่ความเร็วลม
capture-20150625-103546

การจัดเรียงลำดับข้อมูลความเร็วลมตามช่วงความเร็วโดยระบุระยะเวลา (ชั่วโมงหรือร้อยละ) ที่เกิดความเร็วลมในแต่ละช่วงความเร็ว การแจกแจงความถี่ความเร็วลมเป็นเครื่องมือพื้นฐานสำหรับการประเมินศักยภาพของการผลิตพลังงานลมของทุ่งกังหันลม ถ้าลมพัดด้วยความเร็วต่างๆโดยความเร็วลมระหว่าง 0 และ 1 เมตรต่อวินาที นับเป็น 1 เมตรต่อวินาที ความเร็วลมระหว่าง 1 และ 2 เมตรต่อวินาที นับเป็น 2 เมตรต่อวินาที และอื่นๆ ถ้าวัดความเร็วลมแล้วนับระยะเวลาทั้งหมดของแต่ละความเร็วลม และนำมาแจกแจงความถี่ของลมจะได้กราฟการแจกแจงความถี่ความเร็วลมซึ่งพล็อตระหว่างจำนวนชั่วโมงที่เกิดความเร็วลมที่แต่ละความถี่กับความเร็วลม

3. ศักยภาพพลังงานลม (Wind-Energy Potential)

ศักยภาพพลังงานลมเป็นข้อมูลหรือแผนที่ซึ่งบ่งบอกถึงความเร็วลม พลังงานที่มีอยู่ในลมในบริเวณนั้นๆ ในช่วงเวลาต่าง ๆ โดยปกติแล้วจะใช้ระยะเวลาอย่างน้อย 1 ปี ในการเก็บรวบรวมข้อมูลเพื่อนำมาใช้ในการคำนวณหาค่าความเร็วลมเฉลี่ย กราฟการแจกแจงความถี่ของความเร็วลม กราฟการกระจายตัวของทิศทางลม และพลังงานที่อยู่ในลม เพื่อนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ในการเลือกรูปแบบของกังหันลมที่เหมาะสม หรือเทคโนโลยีที่เหมาะสม คำนวณความเหมาะสมทางเศรษฐศาสตร์ และองค์ประกอบอื่น ๆ ในการวางแผนสร้างทุ่งกังหันลมมีความจำเป็นอย่างยิ่ง ที่จะต้องศึกษาศักยภาพพลังงานลมในบริเวณนั้น ๆ ทำโดยติดตั้งเสาสูงเพื่อติดตั้งระบบตรวจวัดความเร็วลมโดยทั่วๆ ไป อุปกรณ์ที่ติดตั้งจะประกอบไปด้วย เครื่องวัดความเร็วลมและเครื่องวัดทิศทางลมที่ระดับต่าง ๆ (โดยความสูงของเครื่องมือวัดจะต้องเหมาะสมกับกังหันลมที่จะเลือกใช้) เครื่องวัดอุณหภูมิเครื่องวัดความดันบรรยากาศ และอุปกรณ์สำหรับจัดเก็บข้อมูลลักษณะการติดตั้ง ความละเอียดของเครื่องมือที่ใช้ต้องเป็นไปตามมาตรฐานสากล ระยะเวลาที่ใช้ในการเก็บข้อมูลต้องมีระยะเวลาอย่างน้อย 1 ปี หลังจากรวบรวมข้อมูลต่าง ๆ จากการวัดแล้ว ก็จะต้องนำข้อมูลที่ได้ไปคำนวณเพื่อหาศักยภาพพลังงานลม

แผนที่ศักยภาพพลังงานลม

แผนที่ศักยภาพพลังงานลม

สถานีวัดความเร็วลมที่มหาวิทยาลัยบูรพาสถานีวัดความเร็วลมที่มหาวิทยาลัยบูรพา

4. แผนที่ศักยภาพพลังงานลม (Wind Map)

แผนที่ลม (wind map) คือ แผนที่ทางสารสนเทศภูมิศาสตร์ ที่ใช้แสดงว่าตำแหน่งต่างๆ บนแผนที่นั้นมีลักษณะลมเป็นอย่างไร โดยการทำแผนที่ลมในระยะแรกๆ (ในอดีต) จะแสดงค่าความเร็วเฉลี่ยของลมตลอดปีในรูปของเส้นชั้นความสูง ซึ่งเป็นเส้นที่ลากผ่านตำแหน่งที่มีค่าความเร็วลมเฉลี่ยเท่ากัน แต่ในปัจจุบันมีผู้พัฒนาโปรแกรมคำนวณด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ นิยมแสดงในรูปสเกลสีที่ทำให้ง่ายต่อการอ่านค่ามากขึ้น แผนที่ลมแบ่งจำแนกเป็น 4 ระดับใหญ่ๆ คือ ไมโครสเกล (micro scale) เมโซสเกล (meso scale) แมคโครสเกล (macro scale) และ เมกะสเกล (mega scale)

alt-energy-encyclopedia-1

4.1 ชั้นกำลังลม (Wind Power Class)

ชั้นกำลังลมเป็นช่วงที่แสดงค่าปริมาณกำลังลมตั้งแต่ตํ่าที่สุดจนถึงสูงที่สุดจัดลำดับเป็นตัวเลขตั้งแต่ 1 ถึง 7 แทนด้วยแถบสีต่างๆการจำแนกชั้นกำลังลม เพื่อแสดงศักยภาพของแหล่งพลังงานลมของพื้นที่นั้นๆ โดยใช้การวัดค่าความหนาแน่นกำลังลมที่ความสูงมาตรฐาน 2 ระดับ คือ 10 เมตร และ 50 เมตร ความเร็วลมมีค่าเพิ่มขึ้นตามความสูงเหนือพื้นดิน สำหรับทุ่งกังหันลมขนาดใหญ่ต้องมีชั้นกำลังลมอยู่ที่ระดับ 4 หรือสูงกว่า

ความเร็วลมเฉลี่ยจะขึ้นอยู่กับการกระจายความเร็ว

ความเร็วลมเฉลี่ยจะขึ้นอยู่กับการกระจายความเร็ว Rayleigh (Weibull ที่มีค่า k = 2) ของความหนาแน่นพลังงานลมเทียบเท่าความเร็วลมสำหรับเงื่อนไขที่ระดับน้ำทะเลมาตรฐาน

4.2 ความหนาแน่นกำลังลม (Wind Power Density)

ปริมาณกำลังลมต่อพื้นที่หน้าตัด โดยองค์ประกอบที่มีผล 2 องค์ประกอบ คือ ความเร็วลม และความหนาแน่นของอากาศ ความหนาแน่นกำลังลมแปรผันกับกำลัง 3 ของความเร็วลม และแปรผันโดยตรงกับความหนาแน่นของอากาศ ความหนาแน่นของอากาศมีค่าลดลงถ้าระดับความสูง และอุณหภูมิมีค่าสูงขึ้น ทำให้ความหนาแน่นกำลังลมลดลง ทุ่งกังหันลมที่ติดตั้งอยู่บนภูเขา และอยู่ในเขตร้อนต้องคำนึงถึงผลกระทบนี้ด้วยการเปรียบเทียบแหล่งของทรัพยากรลม พิจารณาจากค่าความหนาแน่นกำลังลมที่แบ่งออกเป็นหลายระดับ โดยวัดความเร็วลมที่ความสูงที่กำหนด

5. แผนภูมิทิศทางลม (Wind Rose)



แผนผังแสดงสภาพ ปริมาณความเร็ว และทิศทางของลมในช่วงเวลาหนึ่งๆ ณ บริเวณที่วัดข้อมูลการจัดทำแผนภูมิทิศทางลมจำเป็นต้องใช้ข้อมูลค่าเฉลี่ยของความเร็วลมและทิศทางลมของช่วงเวลาสั้นๆ เช่น 1 สัปดาห์ 1 เดือนหรือนานกว่า จากนั้นจัดเรียงข้อมูลความเร็วลมที่เก็บรวบรวมได้ในแต่ละทิศทางลมและคำนวณเป็นร้อยละของเวลาที่ลมพัดมาจากทิศทางที่กำหนดการแสดงข้อมูลอยู่ในรูปกราฟวงกลม โดยข้อมูลทิศทางลมจะถูกจัดเรียง โดยแบ่งวงกลมออกเป็นสิบสองส่วนโค้งที่รองรับมุมเท่ากับ 30 องศา และความยาว
กราฟในแนวรัศมีของแต่ละสิบสองส่วน แสดงร้อยละของเวลาที่ลมพัดในทิศทางนั้นๆ ข้อมูลความเร็วลมสามารถซ้อนทับในส่วนของแต่ละทิศทาง เพื่อแสดงความเร็วลมเฉลี่ยเมื่อลมพัดมาจากทิศทางนั้นๆ กับความเร็วลมสูงสุดในช่วงระยะเวลาการเก็บบันทึกข้อมูล โดยมีแถบสีที่ระบุระดับความเร็วของลมและค่าร้อยละของเวลาที่มีลมที่พัดในความเร็วที่ระบุในทิศทางดังกล่าวใช้แผนภูมิทิศทางลมเพื่อติดตั้งกังหันลมให้ได้ประสิทธิภาพและพลังงานที่ดีที่สุด ถ้าพลังงานลมส่วนใหญ่มาจากทิศทางใดทิศทางหนึ่ง การตั้งกังหันลมต้องเลือกบริเวณที่มีสิ่งกีดขวางน้อยที่สุดในทิศทางนั้น และควรมีลักษณะภูมิประเทศเป็นที่ราบ รูปแบบของลมในแต่ละปีอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงบ้าง ทำให้พลังงานที่เกิดจากลมมีค่าเปลี่ยนไปบ้าง (ปกติจะมีการเปลี่ยนแปลงไม่เกินร้อยละ 10) ดังนั้นวิธีที่ดีที่สุด คือการเก็บข้อมูลต่อเนื่องกันหลายปี แล้วหาค่าเฉลี่ยเพื่อความน่าเชื่อถือของข้อมูล ในการวางแผนติดตั้งทุ่งกังหันลมขนาดใหญ่โดยปกติจะต้องติดตั้งสถานีตรวจอากาศในบริเวณนั้นเป็นระยะเวลาอย่างน้อยหนึ่งปี เพื่อเก็บรวบรวมข้อมูลและใช้ข้อมูลระยะยาวจากสถานีตรวจอากาศที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง เพื่อปรับแต่งข้อมูลให้มีความถูกต้องมากขึ้น

capture-20150625-103857 new

6. การแจกแจงแบบไวบูลล์(Weibull distribution)



การแจกแจงทางสถิติวิธีหนึ่ง แสดงการกระจายความน่าจะเป็นอย่างต่อเนื่องของฟังก์ชันใดๆ ประกอบด้วยพารามิเตอร์ตัวที่ใช้แทนลักษณะการกระจายตัวของข้อมูล เป็นการแจกแจงที่ได้รับความนิยมในการใช้วิเคราะห์ข้อมูลทางสถิติของลม พารามิเตอร์ของการแจกแจงไวบูลล์ประกอบด้วย พารามิเตอร์รูปร่าง (shape parameter, k) เป็นพารามิเตอร์ที่แสดงลักษณะการกระจายของข้อมูลความเร็วลม ถ้ามีค่าต่ำ แสดงว่ามีความเร็วลมต่ำ พักบ่อยกว่าความเร็วลมสูง และพารามิเตอร์ระดับ (scale parameter, c) เป็นพารามิเตอร์ที่สัมพันธ์กับอัตราเร็วลมเฉลี่ย ถ้าความเร็วลมเฉลี่ยมีค่าสูง ค่าจะสูงตามไปด้วย สมการความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วลม กับการแจกแจงไวบูลล์ คือ

capture-20150625-104013New

เมื่อ k คือ พารามิเตอร์รูปร่างของไวบูลล์

c คือ พารามิเตอร์ระดับของไวบูลล์

v คือ ความเร็วของลม (เมตรต่อวินาที)

ค่าพารามิเตอร์รูปร่าง k มีความสัมพันธ์กับทิศทาง และความเร็วลมของลมแต่ละชนิดตามตาราง

capture-20150625-104102 New

อุตสาหกรรมด้านพลังงานลมใช้การแจกแจงแบบไวบูลล์ เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลม ออกแบบกังหันลมต้องการข้อมูลเพื่อออกแบบกังหันลมให้เหมาะสม มีค่าใช้จ่ายในการผลิตไฟฟ้าตํ่าสุด และผู้ลงทุนต้องการข้อมูลเพื่อประมาณกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้

เครื่องมือวิเคราะห์ค่าต่างๆที่เกี่ยวกับลม

ข้อมูลต่าง ๆ ที่แสดงถึงลักษณะของลมในบริเวณที่เราพิจารณานั้น จะเห็นได้ว่ามีข้อมูลมากมายที่ใช้ประกอบกัน ซึ่งข้อมูลส่วนใหญ่จะได้มาจากการวัดคุณลักษณะต่าง ๆ ของลม ซึ่งเครื่องมือทีใช้วัดและวิเคราะห์ต่าง ๆ เกี่ยวกับลมมีดังนี้

1. เครื่องวัดความเร็วลม (Anemometer)

เครื่องมือสำหรับวัดความเร็วลม มักใช้แบบถ้วยซึ่งมีแกนในแนวตั้งและมีแขนยื่นออกไปสามแขนเพื่อยึดถ้วยดักลมอาศัยแรงลากทำให้เกิดการหมุน คำนวณเป็นความเร็วของการหมุน (รอบต่อนาที) แล้วจึงแปลงให้เป็นความเร็วลม และจัดเก็บข้อมูลที่ได้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยปกติติดตั้งเครื่องวัดความเร็วลมร่วมกับเครื่องวัดทิศลม เพื่อวัดทิศทางลมร่วมกันนอกจากนี้ยังมีแบบใบพัด ซึ่งไม่ค่อยเป็นที่นิยมใช้ในระบบกังหันลมเครื่องวัดความเร็วลมแบบอื่นๆ เช่น แบบอัลตราโซนิก หรือแบบเลเซอร์ ซึ่งทำงานโดยการตรวจจับการเลื่อนเฟสหรือการสะท้อนแสงจากโมเลกุลของอากาศ เพื่อคำนวณเป็นค่าความเร็วลม แบบลวดร้อน ทำงานโดยวัดความแตกต่างของอุณหภูมิของลวดร้อนที่วางอยู่ในบริเวณที่ต้องการวัดความเร็วลม และลวดร้อนอีกเส้นหนึ่งวางอยู่ในบริเวณที่ไม่มีลม (เงาลม) เครื่องวัดความเร็วลมแบบที่ไม่ใช้แรงทางกลมีข้อดี คือ สามารถลดผลกระทบ ถ้านำไปวัดในบริเวณที่อากาศเย็นจัดจนกลายเป็นนํ้าแข็ง ในทางปฏิบัติใช้เครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วยได้โดยที่มีตัวทำความร้อนให้เพลา

anemom-Bertie

เครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วย ที่มา:http://www.cnrt.scsu.edu/

เครื่องวัดความเร็วลมแบบใบพัด

เครื่องวัดความเร็วลมแบบใบพัด

เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตร้าโซนิค

เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตร้าโซนิค ที่มา : http://s0.geograph.org.uk/geophotos/03/29/02/3290227_34cb0654.jpg

เครื่องวัดความเร็วลมแบบเลเซอร์

2. เครื่องวัดทิศทางลม (Wind Vane)
เครื่องมือที่ใช้วัดและแสดงทิศทางลม อาจใช้เป็นเครื่องประดับทางสถาปัตยกรรมโดยติดตั้งที่จุดสูงที่สุดของอาคารทำงานโดยใช้หลักการการต้านทานอากาศของแพนหาง เมื่อมีอากาศไหลผ่านในทิศทางตั้งฉากหรือทำมุมกับเครื่องวัดจะเกิดแรงกระทำมากที่สุดที่บริเวณแพนหางของเครื่องวัด เนื่องจากมีพื้นที่ต้านอากาศมากที่สุด แรงลมจะผลักให้แพนหางหมุนจนกว่าแพนหางจะมีทิศทางขนานกับทิศทางลมซึ่งมีพื้นที่ต้านอากาศน้อยที่สุด จากหลักการนี้ทำให้สามารถระบุทิศทางลมได้ เครื่องวัดทิศทางลมสมัยใหม่ใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ติดตั้งอยู่ภายในเครื่องวัดทิศทางลมเพื่อให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนไปกับทิศทางลม จุดที่ค่าความต้านทานเป็นศูนย์ตรงกับทิศเหนือ ป้อนแรงดันไฟฟ้า และวัดแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนตามค่าความต้านทานเพื่อเก็บในหน่วยเก็บข้อมูล

capture-20150625-160109

เครื่องวัดทิศทางลมสมัยใหม

capture-20150625-160038

เครื่องวัดทิศทางลมที่ใช้เป็นเครื่องประดับ

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานลม. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 282, 303-305, 307, 309, 311, 316). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.
ienergyguru.com

0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *

Advertisements