เทอร์ไบน์ลมแกนนอนและแกนตั้ง: การเปรียบเทียบ

พลังงานลมเป็นแหล่งพลังงานที่หมุนเวียนและสะอาด สามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมเป็นเครื่องจักรที่แปลงพลังงานจลน์ของลมให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า มีสองประเภทหลักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมตามแนวแกนของเครื่องจักร: แนวนอนและแนวตั้ง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมแนวแกนแนวนอนคืออะไร?

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมแนวแกนแนวนอน (HAWT) หมายถึง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมที่มีแกนหมุนในแนวขนานกับพื้นดิน HAWTs เป็นประเภทที่ใช้มากที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าในขนาดใหญ่ โดยทั่วไปจะมีใบพัดสามใบคล้ายกับใบพัดของเครื่องบิน แต่บางเครื่องอาจมีสองใบหรือหนึ่งใบ

ส่วนประกอบหลักของ HAWT คือ:

• โรเตอร์ ซึ่งประกอบด้วยใบพัดและฮับที่เชื่อมต่อกับแกน

• นาเซลล์ ซึ่งบรรจุเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กล่องเกียร์ ระบบเบรก ระบบยอร์ และอุปกรณ์กลไกและไฟฟ้าอื่น ๆ

• หอคอย ซึ่งรองรับนาเซลล์และโรเตอร์และยกขึ้นเหนือพื้นดินเพื่อรับลมมากขึ้น

• ฐานราก ซึ่งยึดหอคอยไว้กับพื้นดินและโอนแรงกดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม

หลักการทำงานของ HAWT ขึ้นอยู่กับแรงยก ซึ่งเป็นแรงที่ผลักวัตถุขึ้นเมื่อลมไหลผ่านผิวของวัตถุ ใบพัดของ HAWT มีรูปร่างคล้ายปีกอากาศ ซึ่งสร้างความแตกต่างของความดันระหว่างผิวด้านบนและด้านล่างเมื่อลมพัดผ่าน ความแตกต่างนี้ทำให้ใบพัดหมุนรอบแกนแนวนอน ซึ่งทำให้แกนและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนเพื่อผลิตไฟฟ้า

ระนาบของโรเตอร์ของ HAWT ต้องถูกจัดให้ตรงกับทิศทางของลมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ดังนั้น HAWT จึงมีเซ็นเซอร์วัดลมและระบบยอร์ที่ปรับทิศทางของนาเซลล์ตามทิศทางของลม HAWT ยังมีระบบพิทช์ที่เปลี่ยนมุมโจมตีของใบพัดเพื่อควบคุมความเร็วรอบและกำลังผลิต

ข้อดีของ HAWTs คือ:

• มีประสิทธิภาพสูงกว่า VAWTs เพราะสามารถรับพลังงานลมได้มากขึ้นโดยมีแรงเสียดน้อยลง

• มีแรงกระแทกและความเครียดทางกลน้อยกว่า VAWTs เพราะมีการเปลี่ยนแปลงของแรงอากาศน้อยลงในแต่ละรอบการหมุน

• สามารถติดตั้งนอกชายฝั่งบนแพลอยหรือฐานรากที่มั่นคง ที่มีความเร็วลมสูงและสม่ำเสมอ

ข้อเสียของ HAWTs คือ:

• ต้องการหอคอยสูงและพื้นที่ขนาดใหญ่เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือนและการรบกวนจากโครงสร้างหรือภูมิประเทศใกล้เคียง

• มีราคาแพงและซับซ้อนในการติดตั้งและบำรุงรักษาเพราะมีส่วนเคลื่อนไหวและส่วนประกอบไฟฟ้ามากกว่า VAWTs

• มีความเสี่ยงต่อการเสื่อมสภาพและการเสียหายจากลมแรง พายุฟ้าผ่า นก หรือน้ำแข็ง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมแนวแกนตั้งคืออะไร?

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมแนวแกนตั้ง (VAWT) หมายถึง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมที่มีแกนหมุนในแนวตั้งฉากกับพื้นดิน VAWTs พบได้น้อยกว่า HAWTs แต่มีข้อดีสำหรับการใช้งานในขนาดเล็กและในเมือง โดยทั่วไปจะมีใบพัดสองหรือสามใบที่เป็นแบบตรงหรือโค้ง

ส่วนประกอบหลักของ VAWT คือ:

• โรเตอร์ ซึ่งประกอบด้วยใบพัดและแกนตั้งที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

• เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งแปลงพลังงานกลของโรเตอร์ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า

• ฐาน ซึ่งรองรับโรเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเชื่อมต่อกับพื้นดิน

หลักการทำงานของ VAWT ขึ้นอยู่กับแรงเสียดทาน ซึ่งเป็นแรงที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของวัตถุเมื่อลมไหลผ่านผิวของวัตถุ ใบพัดของ VAWT มีรูปร่างสมมาตรหรือไม่สมมาตร ซึ่งสร้างแรงเสียดทานที่แตกต่างกันเมื่อเผชิญหรือต้านลม ความแตกต่างนี้ทำให้ใบพัดหมุนรอบแกนตั้ง ซึ่งทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนเพื่อผลิตไฟฟ้า

ระนาบของโรเตอร์ของ VAWT ไม่จำเป็นต้องจัดให้ตรงกับทิศทางของลมเพราะสามารถรับลมจากทิศทางใดก็ได้ ดังนั้น VAWT ไม่ต้องการระบบยอร์หรือเซ็นเซอร์วัดลม แต่ VAWT อาจมีระบบพิทช์ที่เปลี่ยนมุมโจมตีของใบพัดเพื่อควบคุมความเร็วรอบและกำลังผลิต

ข้อดีของ VAWTs คือ:

• มีค่าใช้จ่ายในการติดตั้งและบำรุงรักษาต่ำกว่า HAWTs เพราะมีส่วนเคลื่อนไหวและส่วนประกอบไฟฟ้าน้อยกว่า

• มีระดับเสียงต่ำกว่า HAWTs เพราะหมุนด้วยความเร็วต่ำ

• สามารถติดตั้งบนหลังคาหรือใกล้อาคารเพราะมีความสูงและพื้นที่ขนาดเล็กกว่า HAWTs

ข้อเสียของ VAWTs คือ:

• มีประสิทธิภาพต่ำกว่า HAWTs เพราะมีแรงเสียดทานมากและแรงยกน้อย

• มีแรงกระแทกและความเครียดทางกลสูงกว่า HAWTs เพราะมีการเปลี่ยนแปลงของแรงอากาศมากขึ้นในแต่ละรอบการหมุน

• ไม่สามารถติดตั้งนอกชายฝั่งได้เพราะมีความมั่นคงและทนทานน้อยกว่า HAWTs

ประเภทของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลมแนวแกนตั้ง

มีสองประเภทหลักของ VAWTs ตามการออกแบบใบพัด: Darrieus และ Savonius

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม Darrieus

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม Darrieus เป็น VAWTs ที่มีใบพัดโค้งคล้ายกับไข่คนหรือโทรคอยด์ ได้รับการประดิษฐ์โดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส Georges Darrieus ในปี 1931 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม Darrieus ใช้ทั้งแรงยกและแรงเสียดทานในการหมุนใบพัด สามารถทำให้มีความเร็วรอบสูง แต่ต้องการกลไกเริ่มต้นภายนอก เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่น ๆ เพราะไม่สามารถเริ่มต้นเองได้

ข้อดีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม Darrieus คือ:

• มีค่าสัมประสิทธิ์กำลังสูงกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม Savonius เพราะใช้ทั้งแรงยกและแรงเสียดทาน

• มีอัตราความหนาแน่นต่ำกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากลม Savonius เพราะมีใบพัดน้อยกว่าและมีช่อง