ค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ของกังหันลมผลิตไฟฟ้า

1. 1. 1. พลังงานที่ผลิตได้ในหนึ่งปี (ANNUAL ENERGY PRODUCTION (AEP))

พลังงานไฟฟ้าที่กังหันลมหรือทุ่งกังหันลมสามารถผลิตได้ในระยะเวลา 1 ปี คำนวณได้จากความเร็วลมที่วัด ณ ตำแหน่งที่จะติดตั้งกังหันลม ร่วมกับกราฟการผลิตกำลังไฟฟ้าของกังหันลม (power curve) ที่คาดว่านำมาติดตั้ง พลังงานที่กังหันลมส่งไปยังระบบไฟฟ้าอาจจะลดลง เนื่องจากผลของเงาลม จากกังหันที่ติดตั้งอยู่ในบริเวณเดียวกัน การใช้พลังงานของตัวกังหันลม ความสูญเสียในสายส่งไฟฟ้าและการหยุดกังหันลมเพื่อทำการซ่อมบำรุง ซึ่งจะต้องนำไปหักออกจากพลังงานไฟฟ้าที่กังหันลมผลิตได้เพื่อให้ได้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ในหนึ่งปีที่แท้จริง เป็นดัชนีชี้วัดที่สำคัญทางเศรษฐศาสตร์ในการตัดสินใจลงทุนสร้างทุ่งกังหันลม

2. 2. 2. อัตราส่วนสมรรถภาพ (CAPACITY FACTOR (CF))

อัตราส่วนระหว่างพลังงานที่กังหันลมผลิตขึ้นจริงในช่วงระยะเวลาหนึ่งกับพลังงานสูงสุดที่กังหันลมผลิตได้ตลอดเวลาในช่วงเวลาเดียวกัน คำนวณจากพิกัดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในหน่วยกิโลวัตต์-ชั่วโมง โดยปกติแล้วโรงไฟฟ้าพลังงานลมจะมีค่าอยู่ระหว่างร้อยละ 20 ถึง 40

3. 3. 3. ความเร็วลมเริ่มทำงาน (CUT-IN WIND SPEED)

ความเร็วลมตํ่าสุด (วัดที่ระดับความสูงของดุมของกังหันลม) ที่กังหันลมเริ่มต้นผลิตพลังงาน ความเร็วลมตํ่าสุดที่กังหันลมต้องการใช้สร้างแรงบิดเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานต่างๆ ในระบบส่งกำลัง เช่น แรงเสียดทานของตลับลูกปืน แรงเสียดทานของชุดเกียร์ ความหนืดของระบบ เป็นต้น เมื่อมีลมพัดผ่านใบพัดของกังหันลมด้วยความเร็วลมเริ่มทำงานในขณะที่กังหันลมหยุดนิ่งกังหันลมจะยังไม่หมุนทันที จนกว่าจะได้รับลมที่ความเร็วระดับนี้อย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลาหนึ่งก่อน

4. 4. 4. ความเร็วลมหยุดทำงาน (CUT-OUT WIND SPEED)

ความเร็วลมสูงสุด (วัดที่ระดับความสูงของดุมของกังหันลม) ที่ทำให้กังหันลมผลิตไฟฟ้าหยุดทำงาน เมื่อลมมีความเร็วลมสูงมาก ๆ (มากกว่า 25 เมตรต่อวินาที) ระบบควบคุมการทำงานของกังหันลมจะสั่งให้กังหันลม (กังหันลมกำลังจ่ายพลังงานอยู่ที่พิกัด) หยุดทำงานด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย และสั่งให้โรเตอร์ของกังหันลมอยู่ในสภาวะจอดสำหรับกังหันลมที่ปรับมุมใบพัดได้ ใบพัดของกังหันลมจะหมุนไปอยู่ที่ตำแหน่งจอด เพื่อลดพลังงานที่ใบพัดของกังหันลมสกัดจากลม กังหันลมที่ปรับมุมใบพัดไม่ได้และมีระบบควบคุมการหมุนหาทิศทางลม (yaw control) กังหันลมจะหมุนด้านข้างเข้าหาลม เพื่อลดพื้นที่การกวาดลมของใบพัดให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อลดพลังงานจากลม กังหันลมอาจหยุดหมุนหรือหมุนช้าโดยไม่จ่ายภาระทางไฟฟ้า

5. 5. 5. ระยะความสูงดุมยึดใบพัด (HUB HEIGHT)

ระยะจากฐานของกังหันลมไปยังดุมแกนหมุนของกังหันลม โดยทั่วไป คือ ระยะความสูงเฉลี่ยของกังหันลมจากพื้นดินปัจจุบันกังหันลมที่ใหญ่ที่สุดติดตั้งเมื่อปี ค.ศ. 2011 และใช้งานแล้ว คือ ขนาด 7.58 เมกะวัตต์ ของบริษัท Enercon รุ่น E126 มีระยะความสูงดุมยึดใบพัด 135 เมตร ทั่วโลกกำลังพัฒนากังหันลมให้มีขนาดใหญ่ขึ้น จึงมีแนวโน้มที่กังหันลมจะมีขนาดใหญ่และมีความสูงมากขึ้น มีความน่าเชื่อถือมากขึ้น เงียบ และมีราคาเหมาะสมมากขึ้น

การวัดระยะความสูงดุมยึดใบพัด

แนวโน้มการขยายขนาดและเพิ่มความสูงของกังหันลม

6. สัมประสิทธิ์กำลัง (Power Coefficient (C_P))

สัมประสิทธิ์กำลังคืออัตราส่วนระหว่างกำลังไฟฟ้าที่กังหันลมผลิตได้กับพลังงานลมที่เข้ากังหนลม บ่งบอกถึงประสิทธิภาพทางเทคนิคของกังหันลม

หรืออาจแสดงได้อีกแบบหนึ่ง คือ อัตราส่วนระหว่างกำลังที่กังหันผลิตได้กับพื้นที่กวาดลมของกังหันลม ค่าที่ได้ คือ กำลังการผลิตของกังหันลมต่อตารางเมตร ปัจจัยหลักที่มีผลต่อค่าสัมประสิทธิ์กำลัง คือ จำนวนใบพัด ตำแหน่งมุมใบพัด และอัตราส่วนความเร็วขอบต่อความเร็วลม (tip speed ratio; λ) ถ้าต้องการกำลังจากกังหันลมสูงสุดต้องควบคุมค่าสัมประสิทธิ์กำลัง (C_P) ให้มีค่าสูงสุด

ความสัมพันธ์ระหว่างสัมประสิทธิ์กำลังอัตราส่วนความเร็วขอบต่อความเร็วลม และมุมใบพัด

7. พิกัดกำลังผลิต (RATED POWER OUTPUT)

พิกัดกำลังการผลิตคือ ค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดที่กังหันลมผลิตได้อย่างต่อเนื่องที่ความเร็วลมพิกัด (อยู่ระหว่าง 10 ถึง 14 เมตรต่อวินาที) ซึ่งบริษัทผู้ผลิตกังหันลมเป็นผู้กำหนดค่าพิกัดกำลังผลิตควบคู่ไปกับค่าความเร็วลมพิกัด ถ้าลมมีความเร็วสูงกว่าความเร็วลมพิกัด (พลังงานที่สามารถสกัดได้มีมากกว่าพิกัด) กังหันลมขนาดใหญ่จะควบคุมกำลังการผลิตให้มีค่าเท่ากับพิกัดกำลัง สำหรับกังหันลมขนาดเล็กค่ากำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จะมีค่าไม่คงที่ (อาจจะมีค่ามากหรือน้อยกว่าพิกัดกำลังผลิต) ค่าพิกัดกำลังผลิตจะเป็นตัวกำหนดขนาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ปกติจะมีค่าเท่ากับหรือมากกว่าเล็กน้อย) เส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์กังหันลม(มีค่ามากถ้าเป็นกังหันลมความเร็วลมตํ่า และมีค่าน้อยถ้าเป็นกังหันลมความเร็วลมสูง)

8. พิกัดความเร็วรอบชุดแกนหมุนใบพัด (RATED ROTOR SPEED)

พิกัดความเร็วรอบชุดแกนหมุนใบพัดเป็นความเร็วรอบตํ่าสุดของชุดแกนหมุนใบพัดที่ทำให้กังหันลมสกัดพลังงานจากลมได้เท่ากับพิกัด (ต้องสอดคล้องกับความเร็วพิกัดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย) มีหน่วยเป็นรอบต่อนาที กังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กมีค่าพิกัดความเร็วรอบชุดแกนหมุนใบพัดสูงระหว่าง 100-500 รอบต่อนาที กังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ชุดแกนหมุนใบพัดต่อกับเพลาความเร็วรอบตํ่ามีค่าตํ่า ระหว่าง 5-20 รอบต่อนาที

กราฟแสดงความเร็วลมกับกําลังจากลมตามทฤษฎี พิกัดกําลังผลิตไฟฟ้าที่กังหันลมสกัดได้
ถ้ากังหันลมมีประสิทธิภาพร้อยละ 40 และ 20

9. ความเร็วลมอยู่รอด (SURVIVAL WIND SPEED)

ความเร็วลมสูงสุดที่โครงสร้างของกังหันลมที่ออกแบบไว้สามารถทนได้อย่างปลอดภัย ส่วนใหญ่กำหนดอยู่ในช่วง 50 เมตรต่อวินาที ถึง 65 เมตรต่อวินาที (112 ไมล์ต่อชั่วโมง ถึง 145 ไมล์ต่อชั่วโมง) หลายประเทศควบคุมโดยมาตรฐานแห่งชาติสามารถระบุค่าความเร็วลมอยู่รอดให้สูงขึ้นได้ สำหรับการติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่ผิดปกติหรือพิเศษ กังหันลมขนาดเล็กที่มีกลไกสำหรับการหุบตัว (furling) จะยังคงผลิตไฟฟ้าได้ถึงความเร็วลมอยู่รอด ในขณะที่กังหันลมที่ไม่มีกลไกสำหรับการหุบตัวไม่สามารถทำได้ ความเร็วลมอยู่รอดเป็นการรับประกันหรือการบ่งบอกถึงความปลอดภัยว่ากังหันลมจะไม่ได้รับความเสียหายใดๆ

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานลม. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 283-284,287,294-295,299). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.