กังหันลมสามารถผลิตไฟฟ้าด้วยความเร็วต่ำขนาดนั้นได้หรือไม่?

สามารถ กังหันลม ผลิตไฟฟ้าด้วยความเร็วต่ำขนาดนั้นได้หรือ? พลังงานลมเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนและสะอาด เนื่องจากความต้องการพลังงานของมนุษย์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง มนุษย์จึงค่อยๆ เพิ่มการใช้พลังงานลมมากขึ้น กังหันลมมักปรากฏบนทุ่งหญ้าอันกว้างใหญ่ เชิงเขา และแม้แต่ผิวน้ำทะเล แต่เราจะเห็นว่ากังหันลมแบบหมุนก็อาจมีปัญหาเช่นนี้ได้ ทำไมใบพัดของกังหันลมถึงหมุนช้าจัง? แบบนี้จะผลิตไฟฟ้าได้ไหม?

การปรับความเร็วของกังหันลมให้เหมาะสมกับสิ่งที่เราเห็นนั้น จริงๆ แล้วเป็นการผสมผสานกันของปัจจัยหลายประการ

ใบพัดกังหันลมมีมวลมากและต้องใช้แรงหมุนมาก

หลายๆ คนอาจคิดว่ากังหันลมเป็นเหมือนกังหันลมขนาดเล็ก ไม่ได้ใหญ่โตอะไรมาก โดยเฉพาะเมื่อเราเห็นกังหันลมขนาดใหญ่แต่ไกล เรามีความรู้สึกนี้ แต่ในความเป็นจริง กังหันลมสามารถเรียกได้ว่าเป็นยักษ์เลยทีเดียว ใบพัดของกังหันลมมีความยาวได้ถึง 60 เมตร เป็นที่ทราบกันว่าปีกของเครื่องบินโดยสารขนาดกลางมีความกว้างประมาณ 30 เมตร ส่วนปีกของเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ทั่วไปอาจมีความกว้างเพียง 60 เมตรเท่านั้น แม้ว่าใบมีดขนาดใหญ่ดังกล่าวจะใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงและความหนาแน่นต่ำ แต่ก็มีมวลไม่น้อยเกินไป โดยปกติจะมีน้ำหนักเกิน 10 ตัน ใบมีดคุณภาพสูงสามใบดังกล่าวหมุนได้ยากตามธรรมชาติ

บางคนอาจคิดเช่นนั้น เนื่องจากพัดลมขนาดใหญ่หมุนยาก ทำไมไม่ทำให้เล็กลงล่ะ? เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับบริเวณลมพัดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อใบพัดมีขนาดเล็กเกินไป พื้นที่รับลมก็จะเล็กตามไปด้วย และลมที่พัดผ่านใบพัดก็จะน้อยลงเรื่อยๆ และไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพียงเครื่องเดียวก็จะน้อยลงเรื่อยๆ หากจำนวนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มขึ้น จะสามารถชดเชยได้หรือไม่? อันที่จริงแล้ว ปริมาณที่เพิ่มขึ้นยังทำให้ต้นทุนการก่อสร้างเพิ่มขึ้นด้วย โดยทั่วไปแล้ว หากใช้แหล่งพลังงานเดียวกัน ต้นทุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบใบพัดขนาดเล็กจะมีสูงขึ้น อย่างไรก็ตามพัดลมไม่ควรมีขนาดใหญ่เกินไป ในด้านหนึ่งมีข้อจำกัดด้านวัสดุ และอีกด้านหนึ่งการติดตั้งก็จะยากกว่า หลังจากพิจารณาอย่างครบถ้วนแล้ว ตอนนี้เราได้ใช้พัดลมที่มีขนาดแตกต่างกัน

ความเร็วในการหมุนที่สูงขึ้นไม่ได้หมายความว่าจะสามารถผลิตพลังงานได้มากขึ้นเสมอไป

เมื่อใบพัดของกังหันลมหมุน มันจะขับเคลื่อนเฟืองภายในขนาดใหญ่ให้หมุนไปด้วยกัน และเมื่อเฟืองขนาดใหญ่ขับเคลื่อนเฟืองขนาดเล็ก ความเร็วในการหมุนก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน โครงสร้างนี้แสดงออกมาในรูปแบบที่คุ้นเคยที่สุด เทียบเท่ากับกล่องเกียร์ เราจะเห็นว่าใบพัดหมุนช้า แต่พัดลมทำหน้าที่ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้หมุนด้วยความเร็วสูงผ่านกล่องเกียร์

แน่นอนว่าการผลิตพลังงานจากกังหันลมไม่ได้เกี่ยวข้องกับความเร็วเพียงอย่างเดียว แต่ยังเกี่ยวข้องกับแรงบิดด้วย กำลัง = แรงบิด ความเร็ว K ซึ่งเป็นค่าคงที่ เมื่อความเร็วต่ำ การเพิ่มแรงบิดยังสามารถเพิ่มกำลังเอาต์พุตได้อีกด้วย ดังนั้นเพื่อยืดอายุการใช้งานของกังหันลม ใบพัดมักจะไม่หมุนเร็วเกินไป เนื่องจากใบพัดของกังหันลมมีขนาดใหญ่ และแรงเหวี่ยงจากการหมุนด้วยความเร็วสูงก็มีมากเช่นกัน การเคลื่อนที่แบบแรงเหวี่ยงที่มีความเข้มข้นสูงในระยะยาวอาจทำให้ใบพัดมีอายุการใช้งานลดลง และอาจเกิดความเสียหายร้ายแรงได้โดยตรง ดังนั้นเมื่อกังหันลมเผชิญกับลมแรงก็จะเปิดโหมดป้องกันและหยุดผลิตไฟฟ้าเพื่อปกป้องพัดลม

ความเร็วที่มากเกินไปอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการผลิตพลังงานได้เช่นกัน

ในความเป็นจริงเมื่อใบพัดของพัดลมหมุนมันก็ยังขัดขวางการเคลื่อนที่ของลมด้วย ยิ่งความเร็วมากขึ้น อุปสรรคก็จะยิ่งแข็งแกร่งมากขึ้น เมื่อถึงค่าหนึ่ง อัตราการใช้พลังงานลมก็จะเริ่มลดลงเช่นกัน เพื่อความสะดวกของทุกคนในการเข้าใจ เราสามารถจินตนาการถึงตัวอย่างสุดโต่งสองตัวอย่างได้ หากความเร็วพัดลมเข้าใกล้ระดับอนันต์ การหมุนของใบพัดจะเทียบเท่ากับการสร้างแผ่นปิดผนึกโดยตรงเพื่อปิดกั้นการไหลของอากาศ เมื่อถึงจุดนี้ ลมจะต้องเปลี่ยนทิศทาง ดังนั้นจึงไม่สามารถนำพลังงานลมนี้มาใช้ให้เกิดประโยชน์ได้ ณ จุดนี้ อัตราการใช้พลังงานลมจะเท่ากับศูนย์ อีกสถานการณ์หนึ่งคือเมื่อความเร็วพัดลมเป็นศูนย์โดยตรง ณ จุดนี้พลังงานลมไม่ได้ถูกนำไปใช้งานเลย ความเร็วที่มีอัตราการใช้พลังงานลมสูงสุดจะอยู่ในช่วงความเร็วศูนย์และความเร็วอนันต์ ความเร็วนี้เกี่ยวข้องกับหลายปัจจัย เราแค่พูดคุยกันมากที่นี่ ดังนั้นความเร็วพัดลมที่เราเห็นจึงไม่แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากความเร็วที่เหมาะสมในทางทฤษฎี โดยการปรับความเร็วให้เหมาะสมจะทำให้มีอัตราการใช้พลังงานลมสูงที่สุดในเวลานี้

สรุป

ดังนั้นกังหันลมจึงปรากฏทำงานช้าในขณะที่ตัวเครื่องจริงกลับผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพัดลมจะดูเหมือนเรียบง่าย แต่จริงๆ แล้วมีปัจจัยต่างๆ มากมายที่ได้รับการพิจารณาในตอนเริ่มต้นการออกแบบเพื่อส่งผลต่อประสิทธิภาพการผลิตพลังงานของพัดลม เบื้องหลังปรากฏการณ์ที่เรียบง่ายนี้ มีความจริงทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนและเคร่งครัดอยู่ด้วย