ตลอดหลายปีที่ผ่านมา ฟาร์มกังหันลมได้แพร่กระจายไปทั่วโลก ความสนใจของเกือบทุกคนต่างจับจ้องไปที่ใบพัดสามใบอันเป็นเอกลักษณ์ของกังหันลมแกนนอน และด้วยเหตุผลที่ดี: กังหันลมแกนนอนขนาดใหญ่ให้กำลังไฟฟ้าที่น่าประทับใจและมีประสิทธิภาพสูง ทำหน้าที่เป็นหัวใจสำคัญของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

แต่ไม่ใช่ทุกสถานที่ที่จะสามารถติดตั้งกังหันลมแกนแนวนอนสูงร้อยเมตรได้ บนดาดฟ้าอาคารในเมือง แท่นลอยน้ำนอกชายฝั่ง หรือพื้นที่ห่างไกล กังหันลมแกนแนวตั้ง (VAWT) จะเริ่มแสดงข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์ออกมาในสภาพแวดล้อมเหล่านี้

ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ กังหันลมแนวตั้ง (VAWT) กลับมาเป็นที่พูดถึงอีกครั้ง ไม่ใช่เพราะว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่ากังหันลมแนวนอน (HAWT) ในแง่ของตัวเลข แต่เป็นเพราะใช้งานง่ายกว่าและปรับตัวได้ดีกว่า

บทความนี้จะเจาะลึกถึงส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ทุกชนิด นั่นก็คือ ใบพัด และจะตรวจสอบสถานะปัจจุบันของเทคโนโลยีนี้

I. อะไรทำให้ VAWTs น่าสนใจยิ่งขึ้น?

พูดกันตรงๆ ก็คือ กังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ไม่สามารถเทียบเท่าประสิทธิภาพการผลิตพลังงานของกังหันลมแนวนอน (HAWT) ที่มีพื้นที่กวาดเท่ากันได้ แต่ข้อดีของมันอยู่ที่ด้านอื่นๆ

1. ความเรียบง่ายทางกลไก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เกียร์บ็อกซ์ และชิ้นส่วนหนักอื่นๆ สามารถติดตั้งไว้ที่ระดับพื้นดินหรือระดับความสูงต่ำได้ หอคอยไม่จำเป็นต้องทนต่อแรงดัดมหาศาล และทีมบำรุงรักษาไม่จำเป็นต้องปีนโครงสร้างสูงร้อยเมตร ซึ่งเพียงอย่างเดียวก็ช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาลงได้มากแล้ว นอกจากนี้ ระบบกังหันลมแนวตั้งยังมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยกว่ากังหันลมแนวนอน ทำให้มีความน่าเชื่อถือมากกว่าโดยธรรมชาติ

2. ควบคุมได้รอบทิศทาง — ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบหมุนรอบแกน (yaw system)

ทิศทางลมในเขตเมืองเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา กังหันลมแนวนอน (HAWT) จำเป็นต้องมีกลไกการหมุนเพื่อติดตามทิศทางลม และระบบเหล่านี้มักเป็นจุดที่เกิดความเสียหายได้บ่อยเมื่อเวลาผ่านไป ในขณะที่กังหันลมแนวตั้ง (VAWT) รับลมจากทุกทิศทางได้โดยไม่เลือกปฏิบัติ — ไม่มีการสูญเสียการหมุน และไม่มีโหมดความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับการหมุน

3. เสียงรบกวนต่ำ ดีไซน์สวยงามเรียบง่าย

อัตราส่วนความเร็วปลายใบพัด (TSR) ของกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ต่ำกว่าของกังหันลมแนวนอน (HAWT) มาก ความเร็วในการหมุนต่ำหมายถึงเสียงรบกวนต่ำ – สามารถทำงานได้อย่างเงียบสนิท โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการที่ผสานเข้ากับอาคาร กังหันลมแนวตั้งจะทำงานได้เงียบกว่า และรูปทรงของมันก็กลมกลืนกับสภาพแวดล้อมทางสถาปัตยกรรมได้อย่างเป็นธรรมชาติมากกว่า

ดังนั้น กังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ไม่ได้มีไว้เพื่อทดแทนกังหันลมแนวนอน (HAWT) แต่ได้ค้นพบบทบาทของตนเองในสถานการณ์การใช้งานใหม่ๆ เช่น การผลิตไฟฟ้าแบบกระจาย การผลิตไฟฟ้าจากกังหันลมลอยน้ำนอกชายฝั่ง และไมโครกริดในเมือง

II. ใบมีดสองประเภท — เลือกผิดแล้วคุณจะเสียใจ

ใบพัดเป็นหัวใจสำคัญของกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) โดยแบ่งตามหลักการทำงานออกเป็นสองประเภท คือ ประเภทแรงยกและประเภทแรงต้าน ซึ่งประสิทธิภาพระหว่างสองประเภทนี้แตกต่างกันอย่างมาก

ความแข็งแกร่ง: พารามิเตอร์ที่กำหนดพฤติกรรมของใบมีด

ก่อนที่จะเริ่มเปรียบเทียบกัน มีพารามิเตอร์สำคัญหนึ่งอย่างที่กำหนดคุณลักษณะของใบมีด นั่นคือ ความแข็งแรง (σ)

σ = N × c / D

โดยที่ N คือจำนวนใบพัด, c คือความยาวคอร์ดของใบพัด และ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ ความหนาแน่นของใบพัดเป็นตัวกำหนดขอบเขตการทำงาน Cp–TSR ของโรเตอร์โดยตรง:

ความหนาแน่นสูง (σ > 0.4): ค่า TSR ต่ำ สตาร์ทเองได้ง่าย ค่า Cp ต่ำ ซึ่งเป็นคุณสมบัติเด่นของโรเตอร์แบบแรงต้าน

ความหนาแน่นต่ำ (σ < 0.2): TSR สูง ประสิทธิภาพสูง แต่การสตาร์ทเองไม่ดี ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโรเตอร์แบบยกตัว

โดยหลักการแล้ว ความแข็งแกร่ง ค่า Cp และค่า TSR มีความสัมพันธ์กันแบบสามทาง เมื่อคุณเข้าใจสิ่งนี้แล้ว คุณก็จะเข้าใจความแตกต่างพื้นฐานระหว่างใบพัดแบบยกและใบพัดแบบต้าน

2.1 แบบยก: เลือกตัวเลือกนี้เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

ใบพัดแบบยกตัวมีลักษณะคล้ายปีกเครื่องบิน เมื่อลมพัดผ่านพื้นผิวใบพัด ความแตกต่างของความเร็วลมระหว่างพื้นผิวด้านบนและด้านล่างจะสร้างความแตกต่างของความดัน ซึ่งก่อให้เกิดแรงยก แรงยกในแนวสัมผัสนี้จะขับเคลื่อนใบพัดให้หมุน

การเลือกรูปทรงปีก: NACA ซีรีส์ 00xx

สำหรับกังหันลมแนวตั้งแบบ H-type รูปทรงใบพัดที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือรูปทรงปีกสมมาตรซีรีส์ NACA 00xx เช่น NACA 0012, 0015 และ 0018 ตัวเลขสองหลักแสดงถึงอัตราส่วนความหนาต่อความยาวคอร์ดเป็นเปอร์เซ็นต์ รูปทรงที่หนากว่าจะให้ความแข็งแรงของโครงสร้างที่ดีกว่า แต่ประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์จะลดลงเล็กน้อย ในขณะที่รูปทรงที่บางกว่าจะให้อัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านที่ดีกว่า แต่ต้องการความแม่นยำในการผลิตที่สูงกว่า การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับช่วงเลขเรย์โนลด์ที่ใช้งานและขนาดของโรเตอร์ โดยทั่วไปกังหันขนาดเล็กจะใช้ NACA 0012–0015 ในขณะที่กังหันขนาดกลางถึงขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะใช้ NACA 0018–0021 เพื่อความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง

การกำหนดค่าแบบ H

รูปแบบลิฟต์ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดคือแบบตัว H ซึ่งประกอบด้วยใบพัดตรงหลายใบที่เชื่อมต่อกับแกนกลางผ่านแขนรองรับแนวนอน ทำให้มีลักษณะคล้ายตัวอักษร H เมื่อมองจากด้านบน

จำนวนใบมีดมีความสำคัญ

จำนวนใบพัดมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของกังหันลมแนวตั้งแบบยกตัว (VAWT): การออกแบบใบพัด 2 ใบนั้นง่ายที่สุดและถูกที่สุด แต่ต้องมีการปรับสมดุลไดนามิกอย่างเข้มงวดและมีปัญหาเรื่องแรงบิดกระเพื่อมสูง ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนได้ง่าย การออกแบบใบพัด 3 ใบเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไป เนื่องจากมีการปรับสมดุลไดนามิกที่ดี แรงบิดกระเพื่อมต่ำ และเป็นการประนีประนอมที่ดีระหว่างประสิทธิภาพและความเสถียร ใบพัดสี่ใบขึ้นไปจะเพิ่มความแข็งแรงมากขึ้น ทำให้แรงบิดราบเรียบขึ้น แต่ค่าสัมประสิทธิ์กำลังจะลดลง กังหันลมแบบ H ขนาดเล็กถึงขนาดกลางเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้การออกแบบใบพัด 3 ใบ

ข้อดี: ประสิทธิภาพสูง

เมื่อพูดถึงทฤษฎี ผู้คนมักอ้างถึงขีดจำกัดของ Betz ที่ 59.3% ซึ่งเป็นขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ไม่เคยไปถึงในทางปฏิบัติ กังหันลมแบบ H ที่ใช้งานจริงในภาคสนามมีค่าสัมประสิทธิ์กำลัง Cp ประมาณ 0.25 ถึง 0.35 ที่ความเร็วลมใกล้เคียงความเร็วที่กำหนด การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดสามารถเกิน 0.35 ได้ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม และต้นแบบในห้องปฏิบัติการจำนวนหนึ่งเข้าใกล้ 0.40 ที่ TSR ที่เหมาะสมที่สุด

ในการใช้งานจริง กังหันลมแนวนอนที่ดีที่สุดมีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ (Cp) ประมาณ 0.50 ในขณะที่ค่าสูงสุดทางทฤษฎีสำหรับกังหันลมแนวตั้งแบบยกตัวอยู่ที่ประมาณ 0.40 อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงข้อดีของกังหันลมแนวตั้งในสภาพลมที่ซับซ้อน เช่น ความเสี่ยงต่อสภาพอากาศรุนแรง เช่น พายุไต้ฝุ่นน้อยลง การลดการสูญเสียจากการหมุนรอบแกน และต้นทุนการติดตั้งและการบำรุงรักษาที่ต่ำกว่า ช่องว่างของกำลังการผลิตไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพระหว่างกังหันลมทั้งสองประเภทจึงแคบลงอย่างมากในบางสถานการณ์การใช้งาน

ข้อเสีย: สตาร์ทเครื่องเองได้ไม่ดี

กังหันลมแบบยกตัวมีข้อเสียที่แก้ไขยากอย่างหนึ่ง คือ ที่ความเร็วลมต่ำ ใบพัดจะหยุดนิ่ง ใบพัดจะต้องหมุนด้วยความเร็วระดับหนึ่งก่อน จึงจะสามารถสร้างแรงยกได้มากพอที่จะหมุนต่อไปได้ นี่คือเหตุผลที่กังหันลมแบบยกตัวหลายๆ ตัวติดตั้งมอเตอร์สตาร์ทขนาดเล็ก หรือสร้างเป็นแบบไฮบริด โดยเพิ่มใบพัดต้านลมเข้าไปเพื่อช่วยในขั้นตอนเริ่มต้น

2.2 แบบดึง: เลือกตัวเลือกนี้สำหรับแรงบิดเริ่มต้น

ใบพัดแบบลากนั้นมีหลักการที่เรียบง่ายกว่ามาก — เหมือนกับกังหันลมหรือเครื่องวัดความเร็วลม: ลมจะผลักให้มันหมุนโดยตรง

ซาโวเนียส (แบบ S)

ใบพัดแบบคลาสสิกคือใบพัดแบบซาโวนิอุส (Savonius rotor) ซึ่งประกอบด้วยใบพัดครึ่งทรงกระบอกสองใบที่วางเยื้องไปตามแกนกลาง ทำให้มีรูปร่างคล้ายตัว S เมื่อมองจากด้านบน การทำงานของมันอาศัยแรงต้านอากาศล้วนๆ โดยพื้นผิวด้านเว้าจะรับแรงผลักจากลม ในขณะที่พื้นผิวด้านนูนที่อยู่ตรงข้ามจะมีแรงต้านอากาศน้อยกว่า แรงบิดสุทธิจากความแตกต่างนี้จะขับเคลื่อนการหมุน ด้วยโครงสร้างที่เรียบง่ายและไม่มีพื้นผิวตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ซับซ้อน ใบพัดแบบซาโวนิอุสจึงสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในลมที่มีความเร็วต่ำเพียง 1.5–2 เมตร/วินาที

เกลียว (แบบกอร์ลอฟ)

นอกจากนี้ยังมีแบบเกลียว ซึ่งใบพัดจะบิดไปตามแกน ทำให้หมุนได้อย่างราบรื่นเป็นพิเศษและมีรูปลักษณ์ที่โดดเด่นสะดุดตา

ข้อดี: ตอบสนองรวดเร็ว

ความเร็วลมที่ทำให้ใบพัดหมุนนั้นต่ำมากเป็นพิเศษ เพียงแค่ลมพัดเบาๆ 1.5–2 เมตรต่อวินาทีก็ทำให้ใบพัดหมุนได้แล้ว เสียงรบกวนน้อยมาก และการออกแบบยังเป็นมิตรกับนกอีกด้วย

ข้อเสีย: ประสิทธิภาพต่ำ

ใบพัดแบบลากทั่วไป (เช่น ใบพัด Savonius แบบคลาสสิก) มักจะมีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน (Cp) เพียง 0.15 ถึง 0.18 เท่านั้น ส่วนการออกแบบแบบเกลียวหรือแบบปรับรูปทรงได้ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม สามารถทำค่า Cp ได้ถึง 0.20–0.25 ทำให้กังหันลมแบบลากไม่เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ แต่ในแอปพลิเคชันที่ประสิทธิภาพสูงสุดไม่ใช่สิ่งสำคัญอันดับแรก เช่น แหล่งจ่ายไฟนอกระบบขนาดเล็ก ระบบที่ติดตั้งในอาคาร กังหันลมแบบลากกลับใช้งานได้จริงมากกว่าที่ตัวเลขบ่งบอก

2.3 ประเภทไฮบริด: ทำไมไม่ใช้ทั้งสองแบบ?

วิศวกรต่างต้องการสิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งสองแบบมาโดยตลอด นั่นคือประสิทธิภาพสูงของใบพัดแบบยกตัว และความสามารถในการเริ่มต้นทำงานเองได้ของใบพัดแบบต้าน คำตอบคือ การออกแบบแบบไฮบริด

วิธีการทั่วไปคือการเพิ่มใบพัดต้านลมเข้าไปด้านในหรือด้านนอกของใบพัดยกตัวแบบ H ในสภาวะลมเบา ใบพัดต้านลมจะทำหน้าที่เพิ่มความเร็วรอบของใบพัด เมื่อความเร็วรอบเพียงพอแล้ว ใบพัดยกตัวจะเข้ามาทำหน้าที่แทนและเริ่มสร้างพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

อีกแนวทางหนึ่งคือการใช้ใบพัดที่บิดเป็นเกลียว ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้มีคุณสมบัติแบบต้านลมที่ความเร็วลมต่ำ และเปลี่ยนไปเป็นคุณสมบัติแบบยกตัวที่ความเร็วลมสูงขึ้น

โดยธรรมชาติแล้ว ระบบไฮบริดจะมีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่า แต่ในพื้นที่ที่มีสภาพลมแรง ระบบไฮบริดมักให้ประสิทธิภาพโดยรวมที่เหนือกว่า

III. การคำนวณ: พื้นที่กวาดและกำลังเอาต์พุต

ไม่ว่าจะเป็นกังหันลมประเภทใด พลังงานที่กังหันลมสามารถดักจับได้นั้นอยู่ภายใต้สมการสากลเพียงสมการเดียว:

P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp

ρ — ความหนาแน่นของอากาศ ประมาณ 1.225 กก./ลบ.ม. ที่ระดับน้ำทะเล

A — พื้นที่กวาดของใบพัด สำหรับกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) สูตรที่ใช้กันทั่วไปคือ เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด × ความสูงของใบพัด

V³ — ความเร็วลมยกกำลังสาม เมื่อความเร็วลมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า พลังงานก็จะเพิ่มขึ้นเป็นแปดเท่า

Cp — สัมประสิทธิ์กำลัง ซึ่งเป็นค่าที่กล่าวถึงในหัวข้อก่อนหน้านี้

การคำนวณพื้นที่กวาดจะแตกต่างกันเล็กน้อยตามการกำหนดค่า สำหรับโรเตอร์แบบ H: พื้นที่กวาด = เส้นผ่านศูนย์กลาง × ความสูงกวาด สำหรับแบบ Φ (Darrieus): พื้นที่กวาด ≈ 0.65 × ความสูง × เส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด — เป็นค่าประมาณที่ปรับแก้ตามความโค้งของรูปทรงใบพัดทั่วไป

ตัวอย่างการใช้งาน

พิจารณากังหันลมแนวตั้งแบบ H ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด 3 เมตร และความสูงในการกวาด 3.5 เมตร พื้นที่กวาด A = 3 × 3.5 = 10.5 ตารางเมตร ที่ความเร็วลมพิกัด 10 เมตร/วินาที และสมมติว่า Cp = 0.30:

P = 0.5 × 1.225 × 10.5 × 10³ × 0.30 ≈ 1,930 วัตต์

นี่คือเครื่องกังหันลมที่มีกำลังการผลิตเกือบ 2 กิโลวัตต์ภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนด กำลังการผลิตจริงต้องคำนึงถึงประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (โดยทั่วไปอยู่ที่ 85–93%) การสูญเสียในสายส่ง และความแปรปรวนของสภาพลมด้วย ตัวอย่างนี้ยังอธิบายได้ว่าทำไมกังหันลมแนวตั้งจึงต้องมีพื้นที่รับลมอย่างน้อย 20 ตารางเมตรเพื่อให้ได้กำลังการผลิต 5 กิโลวัตต์

IV. เส้นทางข้างหน้าเป็นอย่างไร?

มีสองทิศทางในการพัฒนากังหันลมแนวตั้งที่ควรให้ความสนใจ:

1. กังหันลมลอยน้ำนอกชายฝั่ง

บริเวณน้ำลึกมีทรัพยากรลมอุดมสมบูรณ์ แต่ความลึกของน้ำทำให้ไม่สามารถใช้ฐานรากแบบตอกเสาเข็มได้ จึงมีเพียงแท่นลอยน้ำเท่านั้นที่ใช้งานได้ จุดศูนย์ถ่วงต่ำของกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ทำให้มีความเสถียรดีกว่ากังหันลมแนวนอน (HAWT) บนแท่นลอยน้ำที่โยกเยกได้ และการเข้าถึงเพื่อบำรุงรักษาก็ง่ายกว่ามาก

2. พลังงานอัจฉริยะในเขตเมือง

การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์แบบบูรณาการกับอาคาร ร่วมกับกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ควบคู่กับระบบจัดเก็บพลังงานและตัวควบคุมไมโครกริด สามารถเปลี่ยนอาคารหลังเดียวให้กลายเป็นหน่วยพลังงานแบบพึ่งพาตนเองได้

V. พัฒนาการในต่างประเทศมีความหมายอย่างไรต่อจีน

ความพยายามด้านการวิจัยและพัฒนาในระดับนานาชาติในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้ให้ข้อมูลอ้างอิงที่มีคุณค่ามากมาย ในด้านกังหันลมลอยน้ำนอกชายฝั่ง บริษัท SeaTwirl ของสวีเดนประสบความสำเร็จในการติดตั้งต้นแบบกังหันลมแนวตั้งลอยน้ำรุ่น S1 ขนาด 30 กิโลวัตต์ในปี 2015 ซึ่งเป็นการยืนยันถึงข้อได้เปรียบด้านเสถียรภาพของการออกแบบกังหันลมแนวตั้งที่มีจุดศูนย์ถ่วงต่ำบนแพลตฟอร์มลอยน้ำ การออกแบบทางวิศวกรรมโดยละเอียดสำหรับหน่วย S2 ขนาด 1 เมกะวัตต์ของบริษัทได้เสร็จสมบูรณ์แล้ว บริษัท FlowGen (สวิตเซอร์แลนด์) ได้นำระบบกังหันลมแนวตั้งขนาดกะทัดรัดมาใช้ในโครงการพลังงานแบบกระจายหลายโครงการทั่วทวีปยุโรป

ผู้ผลิตชาวจีนไม่ได้ล้าหลังในการผลิตกังหันลมแนวตั้งกำลังต่ำหรือกระบวนการผลิตใบพัดกังหันลม ช่องว่างหลักๆ อยู่สองด้าน คือ ประการแรก ขาดข้อมูลการทดสอบภาคสนามระยะยาวและหลายสภาวะเพื่อตรวจสอบความน่าเชื่อถือของระบบ และประการที่สอง ยังมีช่องว่างให้ปรับปรุงในด้านการบูรณาการระดับระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจับคู่ระหว่างใบพัด เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และตัวควบคุม แทนที่จะไล่ตามความก้าวหน้าเฉพาะด้าน แนวทางที่ปฏิบัติได้จริงมากกว่าคือการทำให้ระบบกังหันลมแนวตั้งขนาด 5–50 กิโลวัตต์มีความแข็งแกร่งอย่างแท้จริงก่อน

VI. อย่าลืมเครื่องกำเนิดไฟฟ้า — การจับคู่ระบบใบพัดกับระบบ PMG

ชุดใบพัดที่ออกแบบมาอย่างสวยงามนั้นไร้ประโยชน์หากไม่เข้ากันกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า นี่คือจุดที่ถูกมองข้ามบ่อยที่สุดในงานวิศวกรรมภาคปฏิบัติ

แรงบิดการกัด

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรมีแรงบิดกระตุก (cogging torque) ที่เกิดขึ้นเองระหว่างแม่เหล็กในโรเตอร์และร่องของสเตเตอร์ แรงบิดต้านทานนี้จะซ้อนทับกับแรงบิดเริ่มต้นของโรเตอร์ในระหว่างช่วงเริ่มต้นการทำงาน หากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรมีแรงบิดกระตุกสูง (เช่น การออกแบบที่มีร่องน้อยและช่องว่างอากาศแคบ) ความเร็วลมเริ่มต้นจริงของระบบอาจเพิ่มขึ้นจากค่าทางทฤษฎี 2-3 เมตร/วินาที เป็น 4-5 เมตร/วินาที ในภูมิภาคที่มีทรัพยากรลมต่ำมาก นี่เป็นเรื่องร้ายแรง เพราะระบบจะหมุนไปทั้งวันโดยไม่ผลิตกระแสไฟฟ้า สำหรับระบบกังหันลมแนวตั้งแบบขับตรงความเร็วต่ำ การเลือกใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรต้องให้ความสำคัญกับการกำหนดค่าแบบหลายร่องที่มีช่องว่างอากาศกว้างขึ้นอย่างเหมาะสมเพื่อลดแรงบิดกระตุกให้น้อยที่สุด

การจับคู่เส้นโค้งความเร็ว-กำลัง

ใบพัดทำงานที่ช่วง TSR ที่เหมาะสมที่สุดภายใต้สภาวะที่กำหนด (โดยทั่วไป 2.5–3.5 สำหรับการออกแบบแบบยกตัว) ความเร็วรอบที่กำหนดที่สอดคล้องกันต้องอยู่ในช่วงการสร้างพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงของ PMG (โดยทั่วไป 80–120% ของความเร็วรอบที่กำหนด) ความไม่ตรงกันอาจหมายความว่าใบพัดถึงความเร็วลมที่กำหนดในขณะที่ PMG ยังคงต่ำกว่าความเร็วรอบที่กำหนด ซึ่งส่งผลให้การผลิตพลังงานต่ำกว่าที่ควรจะเป็น หรือ PMG เข้าสู่ช่วงกำลังคงที่ก่อนเวลาอันควรในขณะที่ใบพัดยังไม่สามารถแสดงศักยภาพได้อย่างเต็มที่ ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบระบบ ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ตรวจสอบความถูกต้องของเส้นโค้ง Cp–TSR ของใบพัดเทียบกับเส้นโค้งลักษณะเฉพาะประสิทธิภาพ–ความเร็วของ PMG

ระบบขับเคลื่อนตรงเทียบกับระบบเกียร์

กังหันลมแนวตั้ง (VAWT) ทำงานที่ความเร็วค่อนข้างต่ำ (โดยทั่วไปหน่วยขนาดเล็กถึงขนาดกลางจะอยู่ที่ 100–250 รอบต่อนาที) มอเตอร์ขับเคลื่อนตรง (PMG) ช่วยลดการสูญเสียทางกลและความเสี่ยงต่อความเสียหายของเกียร์ แต่ต้องใช้จำนวนคู่ขั้วที่สูงกว่าเพื่อให้ได้กำลังขับตามพิกัดที่ความเร็วรอบต่ำ ซึ่งจะทำให้ขนาดและต้นทุนของมอเตอร์สูงขึ้น การเพิ่มเกียร์ช่วยให้สามารถใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงที่มีขนาดกะทัดรัดกว่าได้ แต่จะทำให้ต้องมีการบำรุงรักษาเกียร์ ปัจจุบัน ระบบขับเคลื่อนตรงเป็นที่นิยมในระบบที่มีกำลังต่ำกว่า 10 กิโลวัตต์ ในขณะที่ช่วง 10–50 กิโลวัตต์นั้น ทั้งสองวิธีมีการใช้งานร่วมกัน โดยการเลือกใช้ขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญของลูกค้าในด้านความน่าเชื่อถือเทียบกับต้นทุน

สรุป

เทคโนโลยีกังหันลมแนวตั้ง (VAWT) มีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และการพัฒนาใบพัดก็มีความโดดเด่นเป็นพิเศษ การออกแบบแบบไฮบริดได้ผสานจุดแข็งของใบพัดแบบยกตัวและแบบต้านแรงเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพ

โดยพื้นฐานแล้ว เทคโนโลยีไม่ได้เกี่ยวกับความดีหรือความเลวโดยสิ้นเชิง แต่เกี่ยวกับการใช้งานให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ หากเลือกการกำหนดค่าที่ถูกต้อง คุณก็จะได้กังหันลมที่ดี