มารู้จักกังหันลมกันเถอะ! : Wind Turbine

กังหันลมทำหน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานของลมมาเป็นพลังงานกลในการขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อให้สามารถใช้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้อีกต่อหนึ่ง เรามาทำความรู้จักกับส่วนประกอบที่สำคัญของกังหันลมกันเลยครับ

1. ห้องเครื่องกังหันลม (NACELLE)

ห้องเครื่องจักรกลของกังหันลมผลิตไฟฟ้า ภายในประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก ๆ ได้แก่ ระบบเกียร์ (อาจจะไม่มีในกรณีที่เป็นกังหันลมแบบไม่มีเกียร์ทด) ระบบเบรก ระบบส่งกำลัง ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอุปกรณ์ส่วนควบคุม ห้องเครื่องของกังหันลมขนาดใหญ่จะมีหลังคาด้านบนเป็นแพลตฟอร์มใช้รับส่งพนักงานและเครื่องมือต่างๆ ในการบำรุงรักษาและซ่อมแซมกังหันลม

ห้องเครื่องกังหันลมแบบมีเกียร์ทด

2. ชุดแกนหมุนใบพัด (ROTOR BLADE)

ชุดแกนหมุนใบพัด ทำหน้าที่รับหรือปะทะกับแรงลมทำให้กังหันลมหมุน ประกอบด้วย ใบพัด (blade) ชุดควบคุมการปรับมุมใบพัด (pitch control) ซึ่งมีในกังหันลมขนาดใหญ่ ดุมใบพัด (hub) และเพลาโรเตอร์ (rotor shaft)

ใบพัด (blade) กังหันลมถูกออกแบบให้สามารถสกัดพลังงานจากลมได้สูงสุดโดยใช้แรงทางอากาศพลศาสตร์ในการเคลื่อนและยังต้องคำนึงถึงต้นทุนการผลิตด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณโคนใบพัดที่มีความเครียดสูง เนื่องจากแรงบิดสูงที่สุดใบพัดต้องบิดมุมเนื่องจากความเร็วในการเคลื่อนที่ของใบพัดมีค่าไม่เท่ากัน คือ บริเวณปลายปีกใบพัดที่อากาศเคลื่อนผ่านเร็วกว่า ทำให้มุมที่อากาศกระทำต่อใบพัดมีค่ามาก จึงจำเป็นต้องบิดมุมใบพัดไปด้านหน้า และค่อยๆ ลดลงจนถึงโคนใบพัด มุมบิดมีค่าประมาณ 10 ถึง 20 องศาจากโคนใบพัดถึงปลายใบพัด ความหนาของแพนอากาศของใบพัดจากปลายใบถึงโคนใบพัดมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เพื่อที่จะทำให้โครงสร้างของใบพัดสามารถรับโหลดที่เกิดจากแรงทางอากาศพลศาสตร์ และแรงโน้มถ่วงของโลกได้ โดยอัตราส่วนความหนาต่อความยาวของคอร์ด (chord) จะมีค่าประมาณร้อยละ 10 ถึง 15 ตลอดความยาวใบพัด

ชุดควบคุมการปรับมุมใบพัด (pitch control) ทำหน้าที่ปรับมุมใบพัดกังหันลมให้หมุนเข้าหาลม (feathering) หรือหมุนห่างจากลม (active stall) เพื่อลดพลังงานที่รับจากลมและควบคุมการผลิตพลังงานให้คงที่เท่ากับพิกัด

ดุมใบพัด (hub) ของกังหันลมมี 2 ลักษณะ คือ ดุมใบพัดแบบง่าย ใบพัดกังหันลมยึดโดยตรงกับดุมใบพัดโดยใช้โบลต์และดุมใบพัดแบบซับซ้อน ใบพัดกังหันลมยึดกับชุดปรับมุมใบพัด เพื่อปรับมุมใบพัดให้เหมาะสมกับความเร็วลมต่างๆ เพื่อควบคุมความเร็วรอบของการหมุนและกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ และชุดปรับมุมใบพัดก็จะยึดกับดุมใบพัดด้วยโบลต์ซึ่งต่อกับเพลาของโรเตอร์ซึ่งเชื่อมต่อกับกล่องเกียร์หรือต่อโดยตรงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ชุดแกนหมุนใบพัดของกังหันลมขนาดใหญ่                 ลักษณะการควบคุมการปรับหมุนใบพัด                     ดุมใบพัด

3. เบรกกังหันลม (WIND TURBINE BREAK)

เบรกกังหันลมอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่หยุดกังหันลมทั้งในขณะเวลาปกติและสภาวะฉุกเฉิน เป็นระบบความปลอดภัยหลักที่สำคัญ ระบบเบรกของกังหันลมขนาดใหญ่ประกอบด้วย 2 ระบบ คือ ระบบเบรกทางอากาศพลศาสตร์และระบบเบรกทางกล ระบบแรกเป็นระบบเบรกหลัก ที่สำคัญ มีความปลอดภัย และหยุดกังหันลมได้อย่างนิ่มนวล ทำให้ไม่เกิดความเครียดขึ้นกับชิ้นส่วนหรือการฉีกขาดสึกหรอกับกังหันลม กังหันลมสมัยใหม่มีระบบเบรกทางอากาศพลศาสตร์ 2 ลักษณะ คือ กังหันลมที่ปรับมุมใบพัดให้เป็นมุมประมาณ 90 องศา ตามแนวแกนเพื่อเบรก ส่วนกังหันลมที่ไม่สามารถปรับมุมใบพัดจะเบรกโดยหมุนปลายใบพัดไป 90 องศา (เบรกปลายใบพัด) การทำงานของระบบเบรกทางอากาศพลศาสตร์ที่ใช้สปริงมีความปลอดภัย เพราะในกรณีระบบไฟฟ้าล้มเหลวระบบจะทำงานโดยอัตโนมัติ แต่ถ้าใช้ระบบไฮดรอลิก เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าจะสูญเสียความดัน ทำให้ใบพัดหรือปลายใบพัดหมุนกลับมาอยู่ในตำแหน่งเดิมซึ่งเป็นสถานการณ์อันตรายมาก ส่วนระบบเบรกทางกลมักใช้เป็นเบรกสำรองของระบบเบรกทางอากาศพลศาสตร์ โดยกังหันลมที่สามารถควบคุมมุมใบพัดได้แทบไม่จำเป็นต้องใช้เบรกทางกลเลย ยกเว้นในกรณีที่ทำการบำรุงรักษาหรือหยุดการใช้งานกังหันลม (ทำให้กังหันลมหยุดนิ่ง)

ระบบเบรกทางกลของกังหันลม

เบรกปลายใบพัด

4. ระบบควบคุมกังหันลม (WIND TURBINE CONTROLLER)

ระบบควบคุมกังหันลมประกอบด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์หลายเครื่อง ทำหน้าที่ควบคุมและตรวจสอบการทำงานของกังหันลมอย่างต่อเนื่อง เก็บรวบรวมสถิติต่างๆ เกี่ยวกับการทำงาน ควบคุมการทำงานของสวิทช์ควบคุมจำนวนมาก ปั๊มไฮดรอลิก วาล์ว และมอเตอร์ต่างๆภายในกังหันลม ความน่าเชื่อถือของระบบควบคุมเป็นสิ่งสำคัญมากในการควบคุมการทำงานของกังหันลมขนาดใหญ่ให้ถูกต้องตลอดเวลา มีระบบป้องกันการทำงานผิดพลาด และระบบซํ้าสำรอง (redundancy) โดยเน้นด้านความปลอดภัย คอมพิวเตอร์ทั้งสองเครื่องของส่วนควบคุมจะอ่านและเปรียบเทียบค่าจากเซ็นเซอร์ทั้งสองชุด เพื่อให้แน่ใจว่ามีค่าถูกต้อง นอกเหนือจากนี้แล้วระบบควบคุมยังทำหน้าที่ติดต่อสื่อสาร การสื่อสารภายนอกระหว่างตัวกังหันกับผู้ควบคุมเป็นการรับส่งสัญญาณเตือนผ่านทางสายโทรศัพท์หรือวิทยุสื่อสาร การติดต่อสื่อสารภายในเป็นการติดต่อระหว่าง 3 ส่วน คือ จากดุมกังหันไปยังส่วนควบคุมที่ห้องเครื่อง เป็นการสื่อสารแบบอนุกรมผ่านทางวงแหวนลื่น (communication slip ring) และจากห้องเครื่องไปยังส่วนควบคุมที่อยู่ด้านล่างผ่านเส้นใยแก้วนำแสง

ระบบควบคุมการทํางานของกังหันลมขนาด 1.5 เมกะวัตต์
ที่ตําบลหัวไทร จังหวัดนครศรีธรรมราช

5. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของกังหันลม (WIND TURBINE GENERATOR)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของกังหันลม ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลที่เกิดจากการหมุนของใบพัดกังหันลมเป็นพลังงานไฟฟ้า การใช้งานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของกังหันลมส่วนใหญ่จะเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้า เพื่อส่งพลังงานที่ผลิตได้ให้กับระบบไฟฟ้า แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของกังหันลมขนาดเล็กจะเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ เพื่อเก็บสะสมพลังงานแรงดันไฟฟ้าที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสร้างขึ้น ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ ปกติจะเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส 690 โวลต์ ซึ่งถูกส่งไปที่หม้อแปลงไฟฟ้า เพื่อเพิ่มแรงดันให้สูงขึ้นระหว่าง 10,000 ถึง 33,000 โวลต์ (ระดับแรงดันไฟฟ้าปานกลาง) ตามมาตรฐานระบบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละประเทศ โดยผู้ผลิตกังหันลมขนาดใหญ่จะผลิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความถี่ทั้ง 50 Hz (สำหรับระบบจำหน่ายไฟฟ้าส่วนใหญ่ของโลก) และ 60 Hz (สำหรับระบบไฟฟ้าในประเทศสหรัฐอเมริกา)

ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากกังหันลมขนาดเล็ก (ใช้งานอยู่ในระบบแรงดันตํ่าน้อยกว่า 1,000 โวลต์) ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะมีหลายขนาดให้เลือก เช่น 24 โวลต์ 36 โวลต์ 48 โวลต์ 120 โวลต์ เป็นต้น เพื่อให้เหมาะสมกับการนำไปใช้งานในขั้นตอนต่อไป เช่น ถ้านำใปชาร์จแบตเตอรี่ก็จะเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันตํ่า แต่ถ้านำไปใช้ในการเชื่อมต่อกับระบบจำหน่าย ก็จะเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าสูง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องการระบบระบายความร้อนในขณะทำงาน ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้พัดลมขนาดใหญ่ในการระบายความร้อน แต่ก็อาจจะมีผู้ผลิตบางรายใช้นํ้าในการระบายความร้อน ซึ่งการใช้ของเหลวในการระบายความร้อนจะทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขนาดเล็กลงมีประสิทธิภาพดีขึ้น แต่ข้อเสียของระบบนี้ คือ ต้องการอุปกรณ์ที่ใช้ในการระบายความร้อนออกจากของเหลวที่ใช้ ส่วนในกังหันลมขนาดเล็กจะใช้การระบายความร้อนโดยธรรมชาติ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากกัง หันลมมีหลายชนิด คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส (synchronous generator)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบกรงกระรอก (squirrel-cage induction generator) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำแบบป้อนสองทาง (doubly-fed induction generator; DFIG) เป็นต้น การนำไปใช้งานต้องเลือกให้เหมาะสมโดยพิจารณาได้จากระบบส่งกำลังทางกลว่า เป็นระบบที่มีเกียร์หรือไม่ ถ้าเป็นระบบที่ไม่มีเกียร์จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแบบจำนวนขั้วมาก (เนื่องจากความเร็วรอบตํ่า) แต่ถ้าระบบส่งกำลังมีระบบเกียร์ก็จะเลือกใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะเป็นแบบกรงกระรอกหรือแบบป้อนสองทางก็ขึ้นอยู่กับอีกหลายปัจจัย ส่วนในกังหันลมขนาดเล็กจะนิยมใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแบบแม่เหล็กถาวรเป็นส่วนใหญ่

6. เสากังหันลม (WIND TURBINE TOWER)

เสากังหันลมเป็นเสารองรับห้องเครื่องและโรเตอร์ของกังหันลม เสาสำหรับกังหันลมขนาดใหญ่ อาจเป็นเสาแบบท่อเหล็ก (tubular steel towers) เสาแบบโครงถัก (lattice towers) หรือเสาคอนกรีต เสาสำหรับกังหันลมขนาดเล็กเป็นแบบท่อเหล็กใช้สลิงยึดโยง

เสาแบบท่อเหล็ก กังหันลมขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้เสาแบบท่อเหล็ก แต่ละท่อนยาว 20-30 เมตร ปลายแต่ละด้านมีหน้าแปลน (flange) ไว้สำหรับยึดสลักเกลียวเข้าด้วยกันลักษณะเป็นทรงกรวย (เส้นผ่านศูนย์กลางของเสาที่ฐานกว้างที่สุด) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและประหยัดวัสดุในเวลาเดียวกัน

เสาแบบโครงถัก ถูกผลิตโดยใช้เหล็กโพรไฟล์ (เหล็กสำเร็จรูป) เชื่อม ข้อดีของเสาแบบโครงถัก คือ มีราคาถูกเพราะใช้วัสดุเพียงครึ่งหนึ่งของเสาแบบท่อเหล็ก แต่กังหันลมขนาดใหญ่สมัยใหม่ไม่ค่อยนิยมใช้

เสาแบบท่อเหล็กใช้สลิงยึดโยง สร้างจากท่อเหล็กขนาดเล็กและยึดโยงด้วยสลิง ข้อดี คือ นํ้าหนักเบาและราคาถูกแต่ข้อเสีย คือ เข้าถึงโคนเสายาก ทำให้ไม่เหมาะสำหรับสร้างทุ่งกังหันลม และมีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบด้านความปลอดภัยโดยรวม

เสาแบบลูกผสม (hybrid tower) สร้างจากการผสมผสานเทคนิคที่แตกต่างกัน เช่น ผสมผสานระหว่างเสาแบบโครงถักและเสาแบบสลิงยึดโยง ตัวอย่างหนึ่งได้แก่ เสาสามขาของกังหันลมยี่ห้อโบนัส ขนาด 95 กิโลวัตต์

การเลือกชนิดของเสากังหันลมต้องพิจารณาหลายองค์ประกอบ ทั้งด้านราคา อากาศพลศาสตร์และไดนามิกของโครงสร้างเสาโดยมีความสูงของเสากังหันลมเป็นตัวแปรที่สำคัญ

7. กลไกหมุนหาลม (YAW MECHANISM)

กังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่มีกลไกควบคุมการหมุนโรเตอร์กังหันลม เพื่อให้หันเข้าหาลมหรือให้หลบลม กังหันลมแกนหมุนแนวนอน ส่วนใหญ่จะใช้มอเตอร์และกล่องเกียร์ขับเคลื่อนกลไกหมุนหาลมภายในมอเตอร์มีระบบเบรก เพื่อหยุดกังหันลมให้อยู่ในตำแหน่งที่ต้องการ ตัวควบคุมกลไกหมุนหาลมจะตรวจสอบทิศทางของกังหันลมร่วมกับเซ็นเซอร์วัดทิศทางลมที่ติดตั้งอยู่บนห้องเครื่อง สายเคเบิ้ลที่เชื่อมต่อระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลงมาด้านล่างของกังหันลมจะบิดเมื่อกังหันลมหมุนในทิศทางเดียวกันหลายๆ รอบ กังหันลมมีอุปกรณ์นับจำนวนรอบการบิดของสายเคเบิ้ล เพื่อสั่งระบบควบคุมให้หมุนกังหันลมกลับ เพื่อป้องกันสายขาดและยังมีสวิทช์ตรวจสอบความตึงของสายเคเบิ้ลเพื่อใช้เป็นระบบความปลอดภัยสำรองอีกด้วย สำหรับกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กมีกลไกการหมุนโรเตอร์กังหันลม ชนิดหันเข้าหาลมเองโดยอัตโนมัติ และไม่ต้องใช้มอเตอร์ในการขับเคลื่อน

อุปกรณ์นับจํานวนรอบและสวิทช์ตรวจสอบความตึงของสายเคเบิ้ล
ที่มา : http://ele.aut.ac.ir/~wind/en/res/spinpull.jpg