พลังงานลม กับ อากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics) 

เรื่องของพลังงานลมและหลักการของอากาศพลศาสตร์นั้นมีความสัมพันธ์โดยตรง และเป็นสิ่งที่มีความจำเป็นต้องเรียนรู้หลักการต่างๆ ของอากาศพลศาสตร์ ดังนี้

1. กฎของเบ็ตซ์ (Betz’ law)

กฎขอเบ็ตซ์คือกฎที่แสดงการเปลี่ยนพลังงานจลน์ในลมให้เป็นพลังงานกลโดยใช้กังหันลม และแสดงว่าได้ประสิทธิภาพสูงสุดไม่เกิน 16/27 (ร้อยละ 59) กฎของเบ็ตซ์ถูกคิดขึ้นเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ชื่อ Albert Betz ใน ค.ศ.1919 และต่อมาในปี ค.ศ.1926 เขาตีพิมพ์หนังสือชื่อ “Wind-Energie” ซึ่งช่วยเพิ่มความรู้เกี่ยวกับความสามารถของกังหันลมในการสกัดพลังงานจากลมได้เป็นอย่างดี โดยกำลังในลม (P_wind) รูปทรงกระบอกที่มีพื้นที่หน้าตัด A และมีความเร็ว v สามารถคำนวณได้จาก

กำลังที่กังหันลมสกัดจากลม (P) ขึ้นอยู่กับ สัมประสิทธิ์กำลัง, C_P (power coefficient) ตามสมการ

กำลังสูงสุดที่สามารถสกัดตามกฎของเบ็ตซ์ ( P_max ) คือ เมื่อ CP = CP_max = 16/27 ตามสมการ

2. แรงต้านอากาศ (Drag force)

แรงต้านอากาเป็นแรงที่มีทิศทางต่อต้านการเคลื่อนที่หรือทิศทางตรงข้ามกับแรงที่พยายามจะทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่เกิดขึ้นขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ผ่านกระแสอากาศ

แรงต้านอากาศคำนวณจากสมการ

ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศมีผลจากรูปร่างของวัตถุ ตัวอย่างเช่น ทรงกลมกลวงผ่าครึ่งของเครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วย ถ้าหันด้านเว้าให้ลมค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ 1.42 แต่ถ้าหันด้านโค้งให้ลมค่าจะลดลงเหลือ 0.38 รถยนต์สมัยใหม่มีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศอยู่ระหว่าง 0.27-0.45 เครื่องบินหรือใบพัดกังหันลมมีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศน้อยมากประมาณ 0.04 ตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากแรงต้านอากาศ เช่น เครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วย กังหันลมแบบซาโวเนียส (Savonious) โดยแรงลมจะผลักใบพัดของกังหันลมทำให้เกิดแรงต้านอากาศขึ้นกับใบกังหันลมทั้งสองด้านที่แตกต่างกัน ทำให้โรเตอร์ของกังหันลมหมุน

แรงต้านอากาศที่เกิดขึ้นกับใบพัดกังหันลม หรือปีกเครื่องบิน

3. แรงยก (Lift force)

แรงยกเป็นแรงกระทำตั้งฉากกับทิศทางของกระแสอากาศหรือของไหลที่ไหลผ่านวัตถุเป็นแรงที่มีทิศตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วงหรือนํ้าหนักวัตถุนั้น ๆ แรงยกคำนวณได้จากสมการ

ค่าสัมประสิทธิ์แรงยกแปรผันกับรูปร่างและความเรียบของพื้นผิวของวัตถุ ตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากแรงยกเช่น เครื่องบิน กังหันลมผลิตไฟฟ้าสมัยใหม่ กังหันลมแกนหมุนแนวตั้งแบบแดร์เรียส (Darrieus) โดยแรงลมจะผลักใบพัดของกังหันลมทำให้ด้านล่างของแพนอากาศ เกิดความดันสูง และด้านบนของแพนอากาศเกิดความดันตํ่า ส่งผลทำให้เกิดแรงยกขึ้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับลมทำให้โรเตอร์หมุน

เกิดแรงยกบนแพนอากาศเนื่องจากความแตกต่างระหว่างความดัน และแรงยกทำให้กังหันลมหมุน

4. การสูญเสียแรงยก (Stall)

การสูญเสียแรงยกเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดเมื่ออากาศที่ไหลผ่านเหนือแพนอากาศ เกิดการแยกตัวออกจากพื้นผิวและก่อให้เกิดลมหมุนขึ้น ทำให้แรงยกมีค่าลดลงและเกิดแรงลากมากขึ้น ถ้าเกิดปรากฏการณ์เช่นนี้กับเครื่องบินเป็นภาวะที่เป็นอันตรายสูงสุดเพราะเป็นสาเหตุให้เครื่องบินตกได้

ปรากฏการณ์นี้เป็นประโยชน์ในการจำกัดพลังงานจากลมที่กระทำต่อกังหันลม เมื่อความเร็วลมสูงกว่าความเร็วลมพิกัดในกังหันลมแกนหมุนแนวนอน (horizontal axis wind turbine (HAWT)) ที่ไม่สามารถปรับมุมใบพัดได้ส่งผลทำให้มุมปะทะ (α) มีค่าเพิ่มขึ้นใบพัดกังหันลมเกิดการสูญเสียแรงยก พลังงานจากลมจะถูกจำกัดให้ลดลงได้ (แต่มีค่าไม่คงที่) และในขณะที่เกิดการสูญเสียแรงยกจะส่งผลทำให้เกิดความเครียดกับใบพัดกังหันลมมากขึ้น และเกิดเสียงดังมากขึ้นไปด้วย ในกังหันลมที่สามารถปรับมุมใบพัดได้ เมื่อปรับมุมใบพัดเพื่อเพิ่มมุมปะทะ (α) ใบพัดกังหันลมจะทำงานในสภาวะการสูญเสียแรงยก ส่งผลให้แรงยกของกังหันลมลดลงทำให้กังหันลมสามารถจำกัดพลังงานจากลมให้คงที่ได้ แต่การปรับมุมใบพัดให้เกิดการสูญเสียแรงยกเป็นการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของใบพัดให้หันหน้าหาลมมากขึ้น ส่งผลให้เกิดแรงลากมากขึ้นใบพัดก็จะได้รับความเครียดมากขึ้นตามไปด้วยเช่นกัน

กราฟการผลิตกำลังไฟฟ้าของกังหันลม

5. ลำการไหล (Stream tube)

กลุ่มของเส้นการไหลที่มีการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องผ่านหน้าตัดหนึ่ง ๆ ลำการไหลของอากาศจะไหลเข้าโรเตอร์ของกังหันลมด้วยความเร็วลมสูง (พื้นที่หน้าตัดน้อย) แต่เมื่ออากาศไหลออกจะไหลด้วยความเร็วลมตํ่า (พื้นที่หน้าตัดเพิ่มขึ้น)

ลำการไหลของอากาศผ่านกังหันลม

6. เส้นการไหล (Streamlines)

เส้นแสดงทางเดินของของไหล โดยสมมติว่าอนุภาคที่ไม่มีมวลเคลื่อนที่ไปกับการไหลทำให้เกิดเส้นการไหลขึ้น

7. ผลกระทบของการหมุนวนด้านหลัง (Wake effect)

ผลกระทบของการหมุนวนด้านหลังของกังหันลม Riso National Laboratory ประเทศเดนมาร์ก

ผลกระทบจากการหมุนวน ความปั่นป่วน และการลดความเร็วของลมที่เกิดขึ้นด้านหลังของกังหันลมในขณะทำงาน เกิดเนื่องจากกังหันลมหมุนและสกัดพลังงานไฟฟ้าออกจากลม ทำให้พลังงานในลมมีค่าลดลง ส่งผลต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าของกังหันลมที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังสำหรับทุ่งกังหันลมการลดผลกระทบนี้มักจะทำโดยการติดตั้งกังหันลมให้มีระยะห่างจากกันอย่างน้อยสามถึงห้าเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางโรเตอร์

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานลม. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 283-284, 289, 297-299, 302). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.