พลังงานลม : ลักษณะเฉพาะของลม และเครื่องมือวิเคราะห์

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

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

สถานีวัดความเร็วลมที่มหาวิทยาลัยบูรพา

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)

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 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

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

เมื่อ k คือ พารามิเตอร์รูปร่างของไวบูลล์

c คือ พารามิเตอร์ระดับของไวบูลล์

v คือ ความเร็วของลม (เมตรต่อวินาที)

ค่าพารามิเตอร์รูปร่าง k มีความสัมพันธ์กับทิศทาง และความเร็วลมของลมแต่ละชนิดตามตาราง

อุตสาหกรรมด้านพลังงานลมใช้การแจกแจงแบบไวบูลล์ เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลม ออกแบบกังหันลมต้องการข้อมูลเพื่อออกแบบกังหันลมให้เหมาะสม มีค่าใช้จ่ายในการผลิตไฟฟ้าตํ่าสุด และผู้ลงทุนต้องการข้อมูลเพื่อประมาณกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้

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