กังหันลมผลิตไฟฟ้าได้อย่างไร?

ทุกครั้งที่ผมผ่านฟาร์มกังหันลมในเขตชานเมือง ผมมักจะเห็น "กังหันลมขนาดใหญ่" หมุนวนไปมาอย่างช้าๆ เสมอ ถึงแม้ว่ามันอาจจะดูไม่แน่นหรือช้า แต่พวกมันสามารถผลิตไฟฟ้าให้กับบ้านเรือนได้หลายพันหลัง เพื่อนๆ หลายคนคงสงสัยว่าใบพัดที่หมุนตามลมเหล่านี้สามารถเปลี่ยนลมที่มองไม่เห็นให้กลายเป็นไฟฟ้าที่เราสามารถนำมาใช้ได้อย่างไร วันนี้เราจะพาคุณไปรู้จักกับ "เทคนิคการแปลงพลังงาน" ของการผลิตพลังงานลมกันแบบง่ายๆ

อันที่จริงแล้ว หลักการสำคัญของการผลิตพลังงานลมก็เปรียบเสมือน "การแข่งขันวิ่งผลัดพลังงาน" กล่าวคือ ขั้นแรกต้องเข้าใจ "พลังงานจลน์" ของลม จากนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานดังกล่าวให้เป็น "แรงหมุน" เชิงกล และสุดท้ายแปลงพลังงานดังกล่าวให้เป็น "พลังงานไฟฟ้า" ที่สามารถจุดหลอดไฟได้ กระบวนการทั้งหมดแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน โดยแต่ละขั้นตอนจะมี "ผู้มีส่วนร่วม" เฉพาะทางร่วมแรงร่วมใจกัน

ขั้นตอนแรกคือการอาศัยใบพัดเพื่อ "รับลม" โดยเปลี่ยนพลังงานลมให้เป็นแรงหมุน ลมคืออากาศที่ไหลเวียนด้วย "พลังงานจลน์" ที่มองไม่เห็น เช่นเดียวกับลมแรงที่สามารถพัดใบไม้ที่ร่วงหล่นและขับเคลื่อนเรือใบ แรงนี้ยังสามารถขับเคลื่อนใบพัดกังหันลมได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม ใบพัดไม่ได้ถูกออกแบบมาอย่างง่ายๆ รูปร่างของใบพัดคล้ายกับปีกเครื่องบินมาก โดยด้านหนึ่งนูนและอีกด้านหนึ่งแบน เมื่อลมพัด ความเร็วลมบนพื้นผิวนูนจะเร็วและมีแรงดันต่ำ ในขณะที่ความเร็วลมบนพื้นผิวเว้าจะช้าและมีแรงดันสูง ความแตกต่างของแรงดันนี้ก่อให้เกิด "แรงยก" คล้ายกับมือที่มองไม่เห็นดันใบพัดให้หมุนรอบแกนกลาง ในขณะนั้น พลังงานจลน์ของลมกลายเป็นพลังงานกลสำหรับการหมุนของใบพัด และส่วนแรกของ "การแข่งขันผลัดเปลี่ยนพลังงาน" ก็ถูกยึดไว้

ขั้นตอนที่สองคือการใช้คันเร่งเพื่อ "เร่งความเร็ว": ทำให้แรงหมุน "ทรงพลัง" คุณอาจไม่ทันสังเกต แต่ใบพัดหมุนค่อนข้างช้า โดยปกติเพียง 10 ถึง 20 รอบต่อนาที และความเร็วที่ต่ำเช่นนี้ไม่สามารถขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ ณ จุดนี้ จำเป็นต้องใช้ "บูสเตอร์" (หรือที่รู้จักกันในชื่อกระปุกเกียร์) เพื่อประหยัดพื้นที่: เปรียบเสมือนชุด "เพาเวอร์แอมป์" ที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งใช้เฟืองขนาดต่างๆ เพื่อกัดและ "ยก" การหมุนความเร็วต่ำที่ใบพัดส่งผ่านให้อยู่ที่ประมาณ 1,500 รอบต่อนาที เช่นเดียวกับการเปลี่ยนเกียร์ขณะขี่จักรยาน การเหยียบคันเร่งเบาๆ ก็สามารถทำให้ล้อหมุนเร็วขึ้นได้เช่นกัน คันเร่งจะเปลี่ยนระบบพลังงานลมไปที่ "เกียร์สูง" เพื่อสะสมพลังงานเพียงพอสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าในขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนที่สามคือการใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อ "เปลี่ยน" แรงหมุนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ขั้นตอนนี้ต้องใช้หลักการ "เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า" ที่เราเรียนมาตั้งแต่มัธยมต้น กล่าวง่ายๆ คือ "แม่เหล็กไดนามิกสร้างกระแสไฟฟ้า" ตัวลดความเร็วจะขับเคลื่อน "โรเตอร์" (ซึ่งติดตั้งแม่เหล็ก) ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้หมุนด้วยความเร็วสูง ในขณะที่ "สเตเตอร์" ที่พันด้วยลวดทองแดงก็ถูกยึดไว้ภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเช่นกัน เมื่อแม่เหล็กของโรเตอร์หมุนรอบสเตเตอร์ มันจะตัดสนามแม่เหล็กในขดลวดสเตเตอร์ ซึ่งเทียบเท่ากับ "การสร้างรันเวย์" สำหรับอิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอนไหลไปตามทิศทางในลวดทองแดง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า!

อย่างไรก็ตาม กระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นไม่สามารถนำไปใช้งานได้โดยตรง ต้องผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น "การเรียงกระแส" และ "การรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า" เพื่อแปลงกระแสไฟฟ้าให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่ตรงตามมาตรฐานโครงข่ายไฟฟ้า จากนั้นจึงส่งกระแสไฟฟ้าผ่านสายส่งไปยังสถานีย่อย ก่อนที่จะเข้าสู่บ้านเรือนและสำนักงานของเรา ส่องสว่าง และขับเคลื่อนเครื่องใช้ไฟฟ้า

คุณเห็นไหมว่า ตั้งแต่ลมที่พัดใบพัดไปจนถึงกระแสไฟฟ้าที่ส่องหลอดไฟ กระบวนการทั้งหมดเปรียบเสมือน “เวทมนตร์แห่งพลังงาน” ที่ประสานกัน ไม่มีควันดำจากการเผาไหม้ถ่านหิน ไม่มีการใช้ทรัพยากรที่ไม่หมุนเวียน และมีเพียงลมธรรมชาติเท่านั้นที่สามารถทำให้ “กังหันลมขนาดใหญ่” ผลิตกระแสไฟฟ้าสะอาดได้ไม่รู้จบ ครั้งต่อไปที่คุณเห็นใบพัดของฟาร์มกังหันลมหมุน คุณอาจนึกขึ้นได้ว่าการหมุนแต่ละครั้งคือการเปลี่ยนผ่านอันน่าอัศจรรย์จากพลังงานลมไปสู่พลังงานไฟฟ้า