เทคโนโลยีพลังงานลม

เทคโนโลยีพลังงานลม

 

บทความฉบับนี้ได้นำเสนอเทคโนโลยีพลังงานลม ว่ามีประวัติความเป็นมาอย่างไร เทคโนโลยีในปัจจุบัน ศักยภาพ ของพลังงานลมในประเทศไทย ทฤษฎีพลังงานลม เทคโนโลยีกังหันลมผลิตไฟฟ้าแบบต่างๆ ส่วนประกอบหลัก จุดเด่นและจุดด้อย ของเทคโนโลยีแบบต่างๆ และผลกระทบของการใช้งานกังหันลมผลิตไฟฟ้า ซึ่งสิ่งที่นำเสนอในบทความนี้น่าจะเป็นข้อมูลที่มีประโยชน์ ต่อประเทศ และทำให้ทุกคนหันมาให้ความสำคัญกับพลังงานจากลมมากขึ้น การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีกังหันลมผลิตไฟฟ้านั้น ถึงแม้ว่าจะผ่านไปกว่า 100 ปีแล้ว แต่การที่จะให้เทคโนโลยีนี้สามารถเข้ามาทดแทนเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าอื่นๆ ที่ใช้กันอยู่ ในปัจจุบันทั้งหมดคงเป็นไปไม่ได้ เพราะในอนาคตรูปแบบการใช้พลังงานจะหลากหลายมากขึ้น การใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล จะลดลงเนื่องจากส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมสัดส่วนการใช้พลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอาทิพลังงานแสงอาทิตย์พลังงานนํ้า พลังงานชีวมวลหรือแม้แต่พลังงานลมจะสูงขึ้นสำหรับประเทศไทยนั้นยังมีความรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีพลังงานลมน้อยมากจำเป็นอย่างยิ่ง ที่เราจะต้องหันมาให้ความสนใจในเทคโนโลยีพลังงานลมถึงแม้ว่าจะมีศักยภาพไม่สูงนักหากเปรียบเทียบกับในต่างประเทศแต่ก็สามารถ นำมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าในขนาดพิกัดระดับกิโลวัตต์ได้ หากเราเริ่มวิจัยและพัฒนาตั้งแต่วันนี้ ในอนาคตประเทศเราจะได้มี เทคโนโลยีด้านพลังงานลมเป็นของตัวเองไม่ต้องพึ่งพาจากต่างประเทศทั้งหมดเหมือนเช่นเทคโนโลยีอื่นๆอย่างในปัจจุบัน

การใช้ประโยชน์จากพลังงานลมมีมากว่า 3,000 ปี จนกระทั่งต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ได้เริ่มมีการใช้ พลังงานลมเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานกลเพื่อการสูบนํ้าและการสีข้าว ต่อมาในช่วงเริ่มต้นของยุคอุตสาหกรรมใหม่

การใช้งานพลังงานจากลมถูกแทนที่ด้วยพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1970 เกิดวิกฤตการณ์ นํ้ามันทั่วโลกความสนใจในพลังงานลมจึงกลับมาอีกครั้งโดยมีเป้าหมายหลักคือการนำพลังงานลมมาใช้เพื่อการ

ผลิตไฟฟ้า ร่วมกับแหล่งพลังงานฟอสซิลเพื่อความมั่นคงของระบบ และลดปัญหาความไม่แน่นอนของลมตาม ธรรมชาติ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานลมถูกพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรกในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่20 และมีการพัฒนา

เทคโนโลยีมาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ช่วงต้นปี ค.ศ. 1970 จนกระทั่งปลายปี ค.ศ. 1990 พลังงานลมจึงกลับมา เป็นแหล่งพลังงานทดแทนหลักอีกแหล่งหนึ่ง ในช่วงสิบปีหลังของคริสต์ศตวรรษที่ 20 การติดตั้งกังหันลม ผลิตไฟฟ้า (wind turbines) ทั่วโลกเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าของทุกๆ สามปี ค่าไฟฟ้าจากพลังงานลมลดตํ่าลง ประมาณ 1 ใน 6 ตั้งแต่ช่วงต้นปี ค.ศ. 1980 และมีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่อง ผู้เชี่ยวชาญด้านพลังงานลม ได้ทำนายเอาไว้ว่ากำลังการติดตั้งรวมสะสมของกังหันลมทั่วโลกจะเพิ่มขึ้นประมาณ25 เปอร์เซ็นต์ต่อปีจนกระทั่ง ปี ค.ศ. 2005 และราคาค่าไฟฟ้าจากพลังงานลมจะลดลงประมาณ 20 - 40 เปอร์เซ็นต์ ในช่วงเวลาเดียวกัน เทคโนโลยีพลังงานลมมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วจากในปี ค.ศ. 1989 ขนาดของกังหันลมในขณะนั้น มีขนาด 300 กิโลวัตต์ ด้วยขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของใบกังหัน 30 เมตร หลังจากนั้นประมาณสิบปีมีผู้ผลิต จากหลายบริษัทได้ผลิตกังหันลมขนาด 1,500 กิโลวัตต์ ด้วยขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางใบกังหัน 70 เมตร และในช่วงก่อนเปลี่ยนศตวรรษใหม่ กังหันลมขนาด 2 เมกะวัตต์ เส้นผ่าศูนย์กลางของใบกังหันขนาด 74 เมตร

ได้รับการพัฒนา และติดตั้งเพื่อใช้งาน ปัจจุบันนี้กังหันลมขนาด 2 เมกะวัตต์กลายเป็นขนาดของกังหันลม ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์เป็นที่เรียบร้อยแล้ว และกังหันลมขนาด 4 - 5 เมกะวัตต์ กำลังอยู่ในช่วงของการพัฒนา โดยตัวต้นแบบขนาด 4.5 เมกะวัตต์ ได้มีการติดตั้งเพื่อทำการทดสอบแล้วในปี ค.ศ. 2002 (ตารางที่ 1) การขยายตัวของตลาดกังหันลมเป็นไปอย่างรวดเร็ว ส่งผลในเชิงบวกต่อการศึกษา วิจัยและพัฒนา เทคโนโลยี และกับบริษัทอุตสาหกรรมที่ผลิตกังหันลมเพื่อการพาณิชย์ แต่หากจะกล่าวไปแล้วปัจจุบัน มากกว่า83 เปอร์เซ็นต์ของการติดตั้งกังหันลมทั่วโลกมีอยู่ใน5 ประเทศเท่านั้นคือเยอรมันสหรัฐเมริกาสเปน เดนมาร์กและอินเดียดังนั้นความรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีกังหันลมจึงมาจากประเทศเหล่านี้เกือบทั้งหมดอย่างไรก็ดี การใช้งานจากพลังงานลมก็ได้แพร่หลายไปยังพื้นที่ส่วนอื่นๆ ของโลก ดังนั้นข้อมูลต่างๆ เกี่ยวกับเรื่อง พลังงานลมจึงสามารถหาได้ทั่วๆ ไปจากหลายแหล่งทั่วโลกเช่นกัน แม้ว่าการใช้งานพลังงานลมจะมี

มากว่าสามพันปี แต่ก็ยังเป็นเทคโนโลยีที่สลับซับซ้อน เนื่องจากต้องอาศัยหลักทางวิชาการจากหลากหลายสาขา ได้แก่ อากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) โครงสร้างและการเคลื่อนไหวของวัตถุ (structure-dynamics) และวิศวกรรมเครื่องกล (mechanical engineering) รวมไปถึงวิศวกรรมไฟฟ้า (electrical engineering)

ดังนั้นในการศึกษาวิจัยและการพัฒนาเทคโนโลยีกังหันลมจึงจำเป็นที่จะต้องมีพื้นฐานความรู้ที่เป็นสหวิทยาการ

ประวัติของการประยุกต์ใช้พลังงานจากลม

มีการค้นพบบันทึกเกี่ยวกับโรงสีข้าวพลังงานลม(windmills) โดยใช้ระบบเครื่องโม่ในแกนตั้งซึ่งเป็น

เครื่องโม่แบบง่ายๆ นิยมใช้กันในพื้นที่ภูเขาสูงของ Afghan เพื่อการสีเมล็ดข้าวเปลือกในช่วงศตวรรษที่ 7 ก่อนคริสตกาล ส่วนโรงสีข้าวพลังงานลมแบบแกนหมุนแนวนอนพบครั้งแรกแถบเปอร์เซีย ทิเบตและจีน ประมาณคริสต์ศักราชที่ 1000 โรงสีข้าวพลังงานลมชนิดแกนหมุนในแนวนอนได้แพร่หลายไปจนถึงประเทศ แถบเมดิเตอร์เรเนียนและ ประเทศยุโรปตอนกลาง โรงสีข้าวแบบแกนหมุนแนวนอนพบครั้งแรกในประเทศอังกฤษประมาณปี ค.ศ. 1150 พบในฝรั่งเศสปี ค.ศ. 1180 พบในเบลเยียมปี ค.ศ. 1190 พบในเยอรมันปี ค.ศ. 1222 และ พบในเดนมาร์กปี ค.ศ. 1259 การพัฒนาและแพร่หลายอย่างรวดเร็วของโรงสีข้าวแบบ แกนหมุนแนวนอนมาจากอิทธิพลของนักรบครูเซดซึ่งเป็นผู้นำความรู้เกี่ยวกับโรงสีข้าวพลังงานลมจากเปอร์เซีย มาสู่หลายพื้นที่ของยุโรป(รูปที่1) ในยุโรปโรงสีข้าวพลังงานลมได้รับการพัฒนาสมรรถนะอย่างต่อเนื่องโดยเฉพาะระหว่างช่วงศตวรรษ

ที่ 12 และ ศตวรรษที่ 19 ในปี ค.ศ. 1800 ในประเทศฝรั่งเศสมีโรงสีข้าวพลังงานลมแบบยุโรปใช้งานอยู่ ประมาณ 20,000 เครื่อง ในประเทศเนเธอแลนด์พลังงานที่ใช้ในอุตสาหกรรมในช่วงเวลานั้นมาจากพลังงานลม

ถึง90 เปอร์เซ็นต์ในช่วงปลายศตวรรษที่19 โรงสีข้าวพลังงานลมมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางแกนหมุน(rotor) 25 เมตร ตัวอาคารมีความสูงถึง 30 เมตร ซึ่งในช่วงเวลานั้นการใช้พลังงานลมไม่ได้มีเพียงแค่การสีข้าว แต่ยังมีการประยุกต์ใช้สำหรับการสูบนํ้าอีกด้วย ต่อมาในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรมโรงสีข้าวพลังงานลมเริ่มมีการใช้ งานลดลง อย่างไรก็ตามในปี ค.ศ. 1904 การใช้พลังงานจากลมยังมีอัตราส่วนถึง 11 เปอร์เซ็นต์ของพลังงาน ในภาคอุตสาหกรรมของประเทศเนเธอแลนด์ และในประเทศเยอรมันยังมีโรงสีข้าวชนิดนี้ติดตั้งอยู่กว่า

18,000 เครื่อง

ในช่วงเวลาเดียวกับที่โรงสีข้าวพลังงานลมในยุโรปเริ่มเสื่อมความนิยม เทคโนโลยีนี้กลับได้รับ

การเผยแพร่ในทวีปอเมริกาเหนือโดยผู้ที่ไปตั้งถิ่นฐานใหม่ มีการใช้กังหันลมสูบนํ้าขนาดเล็กสำหรับงาน

ปศุสัตว์ซึ่งได้รับความนิยมมาก กังหันลมชนิดนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ American windmill ซึ่งใช้ระบบการทำงาน

แบบ fully self-regulated โดยสามารถปรับความเร็วของแกนหมุนได้เมื่อความเร็วลมสูงในขณะที่โรงสีข้าว พลังงานลมของยุโรปสามารถเบี่ยงตัวใบพัดออกจากทิศทางลมได้หรือสามารถม้วนใบพัดเก็บได้หากความเร็วลมสูง

จนเกินไป เพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับตัวโรงสีข้าว ความนิยมของกังหันลมแบบอเมริกัน

เพิ่มขึ้นสูงมากระหว่างปี ค.ศ. 1920 - 1930 มีกังหันลมประมาณ 600,000 ตัวถูกติดตั้งเพื่อใช้งาน กังหันลมแบบอเมริกันหลายแบบยังคงถูกใช้งานเพื่อวัตถุประสงค์ทางการเกษตรด้านต่างๆทั่วโลก สำหรับประเทศไทยผู้เชี่ยวชาญทางด้านพลังงานลมได้ประเมินการใช้งานกังหันลมแบบใบพัดที่ทำด้วยไม้ ซึ่งใช้ในนาข้าวมีจํานวนอยู่ประมาณ 2,000 ตัว และกังหันลมแบบเสื่อลําแพนหรือแบบผ้าใบ ซึ่งใช้ในนาเกลือ หรือนากุ้งมีจํานวนอยู่ประมาณ 3,000 ตัว ต่อมาได้พบว่าจํานวนกังหันลมดังกล่าวลดลงอย่างรวดเร็ว เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงการพัฒนาพื้นที่เกษตรกรรมให้เป็นพื้นที่อุตสาหกรรม ในปี พ.ศ 2531 มีการสํารวจ จํานวนกังหันลมเฉพาะในบริเวณ 20 ตารางกิโลเมตร ของจังหวัดสมุทรสาครและสมุทรสงคราม พบว่ามีกังหันลมเหลืออยู่เพียง 667 ตัว กังหันลมดังกล่าวถือได้ว่าเป็นชนิดดั้งเดิมจากภูมิปัญญาชาวบ้าน แต่สามารถใช้ทดแทนพลังงานไฟฟ้าเพื่อการสูบนํ้าได้เป็นอย่างดี (กรมพัฒนาและส่งเสริมพลังงาน, 2544) ในปี ค.ศ. 1891 Dane Poul LaCour วิศวกรชาวเดนมาร์กเป็นคนแรกที่สร้างกังหันลมผลิตไฟฟ้า ขึ้นเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาระหว่างช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 และ 2 โดยใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อทดแทน การขาดแคลนพลังงานในขณะนั้น บริษัท F.L. Smidth ของเดนมาร์กถือได้ว่าเป็นผู้ริเริ่มกังหันลมผลิตไฟฟ้า แบบสมัยใหม่ในปี ค.ศ. 1941-1942 กังหันลมของ Smidth เป็นกังหันลมแบบสมัยใหม่ตัวแรกที่ใช้ airfoils ซึ่งใช้ความรู้ขั้นสูงทางด้านอากาศพลศาสตร์ในเวลานั้น ในช่วงเวลาเดียวกัน Palmer Putnam ชาวอเมริกันได้ สร้างกังหันลมขนาดใหญ่ให้กับบริษัท Morgan Smith Co. กังหันลมที่สร้างขึ้นมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 53 เมตร ซึ่งมีความแตกต่างจากกังหันลมของเดนมาร์กทั้งในเรื่องของขนาดและหลักการออกแบบกังหันลมของเดนมาร์ก มีหลักการอยู่บนพื้นฐานของ upwind rotor กับ stall regulation ทำงานที่ความเร็วลมตํ่า กังหันลมของ Putnam ออกแบบอยู่บนพื้นฐานของdownwind rotor กับvariable pitch regulation แต่อย่างไรก็ตามกังหันลมของPutnam ก็ไม่ประสบความสำเร็จ และถูกรื้อออกในปี ค.ศ. 1945 ตารางที่ 2 คือประวัติของกังหันลมผลิต ไฟฟ้าที่สำคัญๆ

หลังจากสงครามโลกครั้งที่ 2 Johannes Juul ชาวเดนมาร์กได้พัฒนาหลักการออกแบบของกังหันเดนมาร์กเพิ่มเติมกังหันลมของเขาถูกติดตั้งที่Gedser ประเทศเดนมาร์กผลิตไฟฟ้าได้กว่า2.2 ล้านหน่วยในช่วงปี

ค.ศ. 1956 - 1967 ในเวลาเดียวกัน H

tter ชาวเยอรมันได้พัฒนากังหันรูปแบบใหม่ โดยกังหัน ประกอบด้วยใบกังหันเรียวยาวที่ทำจากไฟเบอร์กลาส (fiberglass) 2 ใบ ติดไว้ที่ downwind ของหอสูงบน teetering hub กังหันลมชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูง (รูปที่ 2)

แม้ว่าจะประสบความสำเร็จเบื้องต้นกับกังหันลมของ Juul และ H

tter ความสนใจในกังหันลม เพื่อการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ก็ลดลงหลังจากสงครามโลกครั้งที่ 2 มีเพียงกังหันลมขนาดเล็กสำหรับผลิตไฟฟ้า ในพื้นที่ห่างไกลหรือสำหรับการประจุแบตเตอรี่ที่ได้รับความสนใจ แต่จากปัญหาวิกฤตการณ์นํ้ามันในปี ค.ศ. 1970 ทำให้ความสนใจในพลังงานลมได้กลับมาอีกครั้งจากเหตุผลดังกล่าวจึงมีการสนับสนุนเงินทุน เพื่อการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับพลังงานลมเป็นอย่างมากโดยเฉพาะในประเทศเยอรมันสหรัฐอเมริกา และสวีเดน ซึ่งได้ใช้เงินนี้ในการพัฒนากังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ต้นแบบในขนาดระดับเมกกะวัตต์ อย่างไรก็ตามกังหันลมต้นแบบหลายๆ ตัวไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร ทั้งที่ผ่านมาเป็นเวลานาน สาเหตุมาจากปัญหาทางเทคนิคหลายๆ ประการ เช่น กลไกการบิดของใบพัด (pitch mechanism) รูปแบบการสนับสนุนทางด้านพลังงานหมุนเวียนที่สำคัญคือPublic Utility Regulatory Policies Act (PURPA) ซึ่งผ่านสภานิติบัญญัติของสหรัฐ (US Congress) ในเดือนพฤศจิกายน ปี ค.ศ. 1978 ประธานาธิบดี Carter และสภานิติบัญญัติมีความต้องการที่จะเพิ่มการอนุรักษ์พลังงานและ การใช้พลังงานอย่าง มีประสิทธิภาพภายในประเทศด้วยการลดการใช้นํ้ามันจากต่างชาติ พระราชบัญญัติฉบับนี้ (PURPA) ประกอบ ไปด้วยภาษีพิเศษ เงินสินเชื่อสำหรับพลังงานหมุนเวียน ซึ่งนำไปสู่ความสนใจในการพัฒนาพลังงานลมเป็นอย่าง มาก ตัวอย่างที่สามารถเห็นได้ชัดเจนถึงผลของการกระตุ้นในครั้งนี้ เช่น ทำให้เกิดทุ่งกังหันลม (wind farms) ขนาดใหญ่ติดตั้งอยู่ตามเทือกเขาทางตะวันออกของ ซาน ฟรานซิสโก และทางตะวันออกเฉียงเหนือของ ลอสแองเจลลิสทุ่งกังหันลมแห่งแรกนี้ประกอบไปด้วยกังหันลมขนาด50 กิโลวัตต์เป็นส่วนใหญ่หลายปีผ่านไป ขนาดของกังหันลมรุ่นใหม่เพิ่มขึ้นเป็น 200 กิโลวัตต์ ณ สิ้นทศวรรษที่ 80 กังหันลมเกือบทั้งหมดนำเข้าจาก ประเทศเดนมาร์ก ในช่วงสิ้นปี ค.ศ. 1980 มีกังหันลมติดตั้งอยู่ใน แคลิฟอร์เนีย ประมาณ 15,000 ตัว ด้วยขนาดกำลังการผลิตไฟฟ้ารวม 1,500 เมกกะวัตต์ ปัจจุบันเงินทุนสนับสนุนดังกล่าวได้เริ่มลดลงในอเมริกาแต่กลับเพิ่มขึ้นในยุโรปและอินเดียโดยในปีค.ศ. 1990 ยุโรปมีรูปแบบเงินทุนสนับสนุนในลักษณะ fix feed-in tariff สำหรับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงาน หมุนเวียนคือได้กำหนดราคารับซื้อแบบคงที่ให้กับไฟฟ้าที่ผลิตมาจากพลังงานหมุนเวียนส่วนในประเทศอินเดีย

ใช้วิธีการลดภาษีให้กับการลงทุนทางด้านพลังงานลม การสนับสนุนดังกล่าวทำให้การติดตั้งกังหันลมผลิตไฟฟ้า

เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในประเทศเยอรมัน รัฐบาลให้การสนับสนุนในรูปแบบต่างๆ กับผู้ประกอบการหรือโรงงานที่ลงทุน ติดตั้งกังหันลมหรือใช้พลังงานไฟฟ้าจากพลังงานลมเพื่อการผลิตสินค้า ซึ่งมีส่วนช่วยเพิ่มภาพลักษณ์ที่ดี ต่อสินค้า สามารถโฆษณาต่อผู้บริโภคได้ว่าสินค้าของตนเองผลิตจากพลังงานที่สะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ ต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งปัจจุบันเป็นเรื่องที่คนในยุโรปให้ความสำคัญเป็นอย่างมาก การขยายตัวของตลาด พลังงานลมทำให้มีการพัฒนาเทคโนโลยีเพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน20 ปีหลังจากความล้มเหลวในการทดสอบกังหันลม ต้นแบบทั่วโลก ณ สิ้นปี ค.ศ. 2000 กังหันลมขนาด 1.5 เมกกะวัตต์ได้กลายมาเป็นกังหันลม ที่มีความ เหมาะสมทางด้านเทคนิค (technical optimum) ตารางที่ 3 แสดงข้อมูลของกังหันลมขนาดใหญ่ซึ่งสร้างขึ้น

และทดสอบโดยหลายบริษัทในหลายประเทศ ในช่วงเวลาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1941 - 1994 และรูปที่ 3 เป็นการพัฒนากังหันลมในประเทศเยอรมันในช่วงปี ค.ศ. 1925 - 1999 ซึ่งแสดงข้อมูลของบริษัทผู้ผลิต ขนาดกำลังการผลิตไฟฟ้าและขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางใบกังหัน

สถานะปัจจุบัน

ตลาดของกังหันลมผลิตไฟฟ้าขยายตัวอย่างต่อเนื่องกว่า 30 เปอร์เซ็นต์ต่อปี ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา พลังงานลมมีบทบาทที่สำคัญเพิ่มขึ้นในการใช้เพื่อการผลิตไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเทศเยอรมันและสเปน ซึ่งมีกำลังการติดตั้งกังหันลมผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในประเทศเนเธอแลนด์เกิดกระแสของwind boom ทำให้ในช่วงปลายปี ค.ศ. 2002 มีการติดตั้งกังหันลมรวมกำลังการผลิตไฟฟ้าเกินกว่า 700 เมกกะวัตต์ แม้จะมีการคาดการณ์ไว้ว่าการขยายตัวของการติดตั้งกังหันลมจะลดลงในช่วงปี ค.ศ. 2003 - 2004 ในแถบตะวันตกเฉียงเหนือของยุโรป แต่ในช่วงปี ค.ศ. 2005 - 2006 ก็เป็นที่คาดว่าจะมีโครงการ ด้านพลังงานลมเกิดขึ้นตามมาอีกครั้ง (Han and Eize, 2003) ปัจจุบันมีกังหันลมติดตั้งอยู่ทั่วโลกมีกำลังการ ผลิตไฟฟ้ารวมกว่า 33,000 เมกกะวัตต์ (John, 2003) และเฉพาะในยุโรป European Wind Energy Associa- tion ตั้งเป้าหมายไว้ว่าจะติดตั้งกังหันลมให้ได้ 60,000 เมกกะวัตต์ ภายในปี ค.ศ. 2010 (Ledesma et al., 2003) ภาพรวมของระบบกังหันลมผลิตไฟฟ้าแบบเชื่อมต่อเข้าสายส่ง การใช้กังหันลมเพื่อการผลิตไฟฟ้ามีอัตราการเจริญเติบโตเป็นเปอร์เซ็นต์ที่สูงมากต่อปีในเชิงของ จำนวนการติดตั้งในช่วงทศวรรษที่ 90 หากเปรียบเทียบกับการใช้เทคโนโลยีพลังงานอื่น อย่างไรก็ตามจาก

ที่ได้กล่าวไปแล้วในหัวข้อก่อนหน้านี้ว่า การขยายตัวนี้ไม่ได้เกิดขึ้นทั่วโลก โดยในสิ้นปี ค.ศ. 1999 การติดตั้ง กังหันลมทั่วโลกประมาณกว่า 70 เปอร์เซ็นต์ อยู่ในทวีปยุโรป 19 เปอร์เซ็นต์ในอเมริกาเหนือ และ 9 เปอร์เซ็นต์ในเอเชียและแถบแปซิฟิกตารางที่4 แสดงภาพรวมของการติดตั้งกังหันลมทั่วโลก สำหรับในประเทศไทยมีการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมจ่ายเข้าสายส่งในปริมาณน้อยมากหากเทียบ กับแหล่งพลังงานอื่นๆ มีการติดตั้งกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาด 150 กิโลวัตต์ ของบริษัท Nordtank ประเทศ เดนมาร์ก ในพื้นที่สถานีผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนของการไฟฟ้าฝ่ายผลิต แหลมพรหมเทพ จังหวัดภูเก็ต มาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2539 เพื่อสาธิตการผลิตไฟฟ้าจากกังหันลมร่วมกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาด 10 กิโลวัตต์

ศักยภาพพลังงานลม

จากการศึกษาศักยภาพพลังงานลมทั่วโลกพบว่าเป็นแหล่งพลังงานที่มีอยู่อย่างมหาศาล ข้อมูลจาก เอกสารอ้างอิงพบว่าเฉพาะในพื้นที่ชายฝั่งของทวีปยุโรปมีพลังงานจากลมถึง2,500 เทอราวัตต์ชั่วโมง/ปีซึ่งคิดเป็น 85 เปอร์เซ็นต์ของการใช้พลังงานไฟฟ้าในยุโรปในปี ค.ศ. 1997 (Thomas and Lennart, 2002) ซึ่งตัวเลขพลังงานลมดังกล่าวนี้อาจแตกต่างกันไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณภาพของข้อมูลความเร็วลมที่นำมาใช้ใน การวิเคราะห์นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับสมมุติฐานของเทคโนโลยีกังหันลมที่เลือกใช้ในการประเมิน

สำหรับประเทศไทยยังไม่เคยมีการประเมินค่าพลังงานจากลมว่ามีค่าประมาณเท่าไรต่อปี แต่มีการ ศึกษาเพื่อหาความเร็วลมเฉลี่ยในพื้นที่ต่างๆ ซึ่งจากการศึกษาของกรมพัฒนาและส่งเสริมพลังงาน (ปัจจุบันคือ กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน) พบว่าแหล่งศักยภาพพลังงานลมที่ดีของประเทศไทย มีกําลังลมเฉลี่ยทั้งปีอยู่ระดับ 3 (Class 3) หรือมีความเร็วลม 6.4 เมตร/วินาที ขึ้นไปที่ความสูง 50 เมตร อยู่ที่ภาคใต้บริเวณชายฝั่งทะเลตะวันออก เริ่มตั้งแต่ จังหวัดนครศรีธรรมราช สงขลา และปัตตานี และที่อุทยานแห่งชาติดอยอินทนนท์ จังหวัดเชียงใหม่ ซึ่งเกิดจากอิทธิพลของลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ ตั้งแต่เดือนพฤศจิกายนถึงปลายเดือนมีนาคม นอกจากนั้นยังพบว่ามีแหล่งศักยภาพพลังงานลมที่ดีอีกส่วนหนึ่ง อยู่บริเวณเทือกเขาด่านทิศตะวันตกตั้งแต่ภาคใต้ตอนบนจรดภาคเหนือตอนล่างในจังหวัดเพชรบุรีกาญจนบุรีตาก ซึ่งเกิดจากอิทธิพลของลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้ ระหว่างเดือนพฤษภาคมถึงกลางเดือนตุลาคม แหล่งศักยภาพพลังงานลมที่ดีที่ได้รับอิทธิพลจากลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือและลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้ อยู่ในบริเวณเทือกเขาในอุทยานแห่งชาติแก่งกรุง จังหวัดสุราษฎร์ธานี อุทยานแห่งชาติเขาหลวง และใต้ร่มเย็น จังหวัดนครศรีธรรมราช ในอุทยานแห่งชาติศรีพังงา จังหวัดพังงา เขาพนมเบญจา จังหวัดกระบี่ส่วนแหล่งที่ มีศักยภาพรองลงมาโดยมีกําลังลมเฉลี่ยทั้งปีตั้งแต่ระดับ 1.3 ถึง 2 (Class 1.3 - Class 2) หรือมีความเร็วลม 4.4 เมตร/วินาที ขึ้นไปที่ความสูง 50 เมตร พบว่าอยู่ที่ภาคใต้ตอนบนบริเวณอ่าวไทยชายฝั่งตะวันตก ตั้งแต่ จังหวัดเพชรบุรี ประจวบคีรีขันธ์ ชุมพร จรดจังหวัดสุราษฎร์ธานี และบริเวณเทือกเขาในภาคเหนือ คือ จังหวัดเชียงใหม่ และภาคตะวันออกเฉียงเหนือ คือ จังหวัดเพชรบูรณ์ และเลยซึ่งได้รับอิทธิพลจากลมมรสุม ตะวันออกเฉียงเหนือ และพบว่าอยู่ที่ภาคใต้ฝั่งตะวันตก ตั้งแต่ จังหวัดพังงา ภูเก็ต กระบี่ ตรัง จรดสตูล และในอ่าวไทยชายฝั่งตะวันออก คือ จังหวัดระยองและชลบุรี ซึ่งได้รับอิทธิพลจากลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้ (กรมพัฒนาและส่งเสริมพลังงาน, 2544) จากข้อมูลศักยภาพพลังงานลมของประเทศไทยที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น หากเปรียบเทียบกับประเทศ ในยุโรปแล้วถือว่าตํ่ามาก ซึ่งในทางปฏิบัตินั้นความเร็วลมในระดับประมาณ 6 เมตร/วินาที ถือว่าไม่เหมาะสม กับการติดตั้งกังหันลมขนาดใหญ่ระดับเมกกะวัตต์ได้เพราะต้องการความเร็วลมเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 12 - 15 เมตร/วินาที ดังนั้นทางเลือกที่เหมาะสมของประเทศไทยหากจะส่งเสริมให้มีการใช้พลังงานจากลม ในการผลิตไฟฟ้าควรจะเป็นระบบขนาดเล็กในช่วงพิกัดกำลังระดับกิโลวัตต์จึงจะเหมาะสมกว่า

ทฤษฎ

ี

ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงพื้นฐานของพลังงานลม ลักษณะทางกายภาพและ ชนิดของกังหันลมแบบต่างๆ

ซึ่งมีความแตกต่างทั้งทางด้านกายภาพและหลักการออกแบบ

ลม

ลมเกิดจาการเคลื่อนที่ของมวลอากาศซึ่งมีอุณหภูมิแตกต่างกัน ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นโดยธรรมชาติ ทั่วโลก ลมที่มักจะได้ยินชื่ออยู่บ่อยๆ ก็คือ ลมมรสุม ซึ่งหมายถึงลมที่พัดเปลี่ยนทิศทางกับการเปลี่ยนฤดู คือฤดูร้อนจะพัดอยู่ในทิศทางหนึ่งและจะพัดเปลี่ยนทิศทางในทางตรงกันข้ามในฤดูหนาว นอกจากนี้ลมยังอาจ เกิดขึ้นจากอิทธิพลของภูมิประเทศและ ความเปลี่ยนแปลงของความกดอากาศในพื้นที่นั้นๆ ซึ่งเรียกลมชนิดนี้ ว่าลมประจําถิ่น ซึ่งลมประจําถิ่นยังสามารถแบ่งออกเป็น ลมบกและลมทะเล ลมภูเขาและลมหุบเขา นอกจากนี้ ในประเทศไทยยังมีลมประจำถิ่นที่เป็นที่รู้จักกันดีคือลมตะเภาและลมว่าว(กรมพัฒนาและส่งเสริมพลังงาน, 2544) กังหันลมจะใช้ประโยชน์จากลมที่อยู่ใกล้ผิวโลกหรือที่เรียกว่าลมผิวพื้น หมายถึงลมที่พัดในบริเวณ ผิวพื้นโลกภายใต้ความสูงประมาณ1 กิโลเมตรเหนือพื้นดินเป็นบริเวณที่มีการคลุกเคล้าของอากาศและมีแรงฝืด อันเกิดจากการปะทะกับสิ่งกีดขวางร่วมกระทำด้วยในระดับตํ่า แต่ที่ระดับความสูงมากกว่า 10 เมตรขึ้นไป แรงต้านจะลดลงและ ความเร็วลมจะเพิ่มขึ้น (รูปที่ 5) ส่วนที่ระดับความสูงใกล้ 1 กิโลเมตรเกือบไม่มีแรงฝืด ความเร็วลมเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับระดับความสูงและ สภาพภูมิประเทศ เช่นเดียวกันกับทิศทางของลม จาก ประสบการณ์ที่ผ่านมาพบว่ากังหันลมจะทำงานได้ดีหรือไม่นั้นก็จะขึ้นอยู่กับตัวแปรทั้งสองนี้ที่ความเร็วลมเท่าๆ กันแต่มีทิศทางลมที่แตกต่างกัน เมื่อพุ่งเข้าหาแกนหมุนของกังหันลมแล้วจะส่งผลต่อแรงบิดของกังหันลมเป็น อย่างมาก ผลคือแรงลัพธ์ที่ได้ออกมาจากกังหันลมแตกต่างกัน สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมสามารถอ่านได้จาก

เทคโนโลยี

ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงเฉพาะรายละเอียดของเทคโนโลยีกังหันลมผลิตไฟฟ้าแบบแกนนอนเป็นหลัก เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่นิยมใช้งานกันอยู่ในปัจจุบัน และมีส่วนแบ่งทางการตลาดขนาดใหญ่ และมีส่วนสำคัญ ในการกำหนดอนาคตของเทคโนโลยีพลังงานลมเป็นอย่างสูง ชนิดของกังหันลมผลิตไฟฟ้าแบบแกนนอน ในบทความฉบับนี้แบ่งชนิดของ HAWT ออกเป็น 3 ชนิดคือ a) fixed speed with directly grid-couple (asynchronous) squirrel cage induction generator b) variable speed with doubly fed induction generator และ c) variable speed based on a direct drive synchronous generator (รูปที่ 8) ตารางที่ 5 แสดงข้อมูลของการพัฒนากังหันลมของบริษัทต่างๆ ในช่วงปี ค.ศ. 1990 - 2002 กังหันลมแบบความเร็วคงที่(fixed speed turbine) กังหันลมชนิดนี้ประกอบไปด้วยใบพัดกล่องเกียร์ ซึ่งเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแบบเหนี่ยวนำ (squirrel cage induction generator) ชุดสเตเตอร์ ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อเชื่อมเข้ากับระบบสายส่งไฟฟ้า (รูปที่ 8.a) ในความเป็นจริงแล้วกังหันลมแบบนี้มี ค่าสลิปของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator slip) ไม่คงที่ซึ่งจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของกำลังเครื่องกำเนิด ไฟฟ้า(ศิวะหงษ์นภา, 2544) อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงนี้มีค่าน้อยมากเพียง1 - 2 เปอร์เซ็นต์ดังนั้นจึงเรียก กังหันลมแบบนี้ว่าเป็นแบบความเร็วคงที่ (fix speed turbine) เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแบบเหนี่ยว นำมักจะดึงพลังงาน (reactive power) จากสายส่งมาใช้ โดยเฉพาะที่ ในที่ที่มีระบบสายส่งที่ไม่เสถียรภาพ สำหรับเหตุการณ์ลักษณะดังกล่าวสามารถแก้ไขโดยการชดเชยพลังงานจากตัวเก็บประจุซึ่งติดตั้งอยู่ภายใน ตัวกังหันลมผลิตไฟฟ้าชนิดนี้ กังหันลมแบบความเร็วไม่คงที่ (variable speed) กังหันลมชนิดนี้ประกอบไปด้วย ใบพัด กล่องเกียร์ เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแบบเหนี่ยวนำแบบดับเบิลเฟ็ด (doubly fed induction generator) เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าชุดสเตเตอร์ต่อเชื่อมเข้ากับระบบสายส่งไฟฟ้ากังหันลมชนิดนี้ความเร็วรอบของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงได้โดยเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า ดังนั้นจึงสามารถปรับความเร็วรอบและ ความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่ผลิตออกมาได้(รูปที่8.b) กังหันลมแบบความเร็วไม่คงที่ชนิดต่อตรง (variable speed with direct drive) กังหันลมชนิดนี้ ประกอบไปด้วยใบพัด เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสโดยตรง และมีเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า สำหรับการควบคุมความเร็วรอบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

จำนวนใบพัด

โดยทั่วไปกฎของการหาจำนวนใบพัดที่เหมาะสมสำหรับกังหันลมขึ้นอยู่กับตัวแปรต่อไปนี้ คือ ถ้าต้องการผลิตไฟฟ้าที่ความเร็วรอบสูง แรงบิดตํ่า กังหันจะต้องการจำนวนใบพัดน้อยแต่ถ้าเป็นกังหันลม ซึ่งประยุกต์ใช้เพื่อการสูบนํ้า หรือสีข้าว กังหันชนิดนี้ต้องการแรงบิดสูงที่ความเร็วรอบตํ่าดังนั้นกังหันชนิดนี้ จะต้องการจำนวนใบพัดมาก จำนวนใบพัดตํ่าสุดที่ควรจะมีของกังหันลม คือ หนึ่งใบ ซึ่งมีข้อดีคือลดนํ้าหนักของใบพัดลง อย่างไรก็ตามการหมุนของกังหันแบบใบเดียวไม่ดีเท่าที่ควร กังหันลมแบบสองใบเป็นแบบหนึ่งที่นิยมใช้กัน แต่การหมุนก็ยังไม่ราบรื่นนัก กังหันแบบสามใบให้การหมุนของแกนกังหันที่ราบรื่น แต่ก็มีนํ้าหนักมาก ทำให้ต้องการโครงสร้างรองรับที่แข็งแรง ซึ่งส่งผลถึงงบประมาณการลงทุน อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันกังหันลม ผลิตไฟฟ้าแบบสามใบพัดเป็นที่นิยมและ มีส่วนแบ่งทางการตลาดสูงกว่า นอกจากนี้ยังมีข้อดีมากกว่าแบบ สองใบพัดอีก คือ ให้ความสวยงามมากกว่าในด้านของรูปลักษณ์และการมองและ มีเสียงดังรบกวนน้อยกว่า ความเร็วลมและกำลังของกังหันลม พลังงานที่ผลิตได้จากกังหันลมจะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเร็วลม แต่ความสัมพันธ์นี้ไม่เป็น สัดส่วนโดยตรง ที่ความเร็วลมตํ่า (1 - 3 เมตร/วินาที) กังหันลมจะยังไม่ทำงาน ในช่วงความเร็วลมนี้กังหันลม จะยังไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ ที่ความเร็วลมระหว่าง 2.5 - 5 เมตร/วินาที กังหันลมจะเริ่มทำงานเรียกช่วงนี้ว่า "cut in wind speed" ที่ความเร็วลมช่วงประมาณ 12 - 15 เมตร/วินาที เป็นช่วงที่เรียกว่า "nominal หรือ rate wind speed" ซึ่งเป็นช่วงที่กังหันลมทำงานอยู่บนพิกัดกำลังสูงสุดของตนเอง ค่าความเร็วลมที่แน่นอนขึ้นอยู่กับ อัตราส่วนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อพื้นที่หน้าตัดของใบพัดและการออกแบบ ที่จุดตํ่ากว่า

ผลกระทบของการใช้กังหันลม

ปัจจุบันมีการใช้งานกังหันลมผลิตไฟฟ้ากันอยู่ในหลายประเทศ ซึ่งได้รับการยอมรับจากประชาชน ในพื้นที่เป็นอย่างดีอย่างไรก็ตามกังหันลมยังมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมหรือผลกระทบข้างเคียงอื่นๆดังต่อไปนี้ (John, 2003) พื้นที่: กังหันลมจะต้องติดตั้งอยู่ห่างกันห้าถึงสิบเท่าของความสูงกังหันเพื่อที่กระแสลมจะได้ลดความ ปั่นป่วนหลังจากที่ผ่านกังหันลมตัวอื่นมา อย่างไรก็ตามพื้นที่ที่ติดตั้งจริงของกังหันลมจะใช้เพียง 1 เปอร์เซ็นต์ ของพื้นที่ทั้งหมดซึ่งจะเป็นส่วนของเสาและฐานรากและเส้นทางสำหรับการเข้าไปติดตั้งและดูแลรักษากังหันลม ขนาดใหญ่ซึ่งมีความสูงของเสากังหันมาก จะต้องติดตั้งอยู่ห่างกันเป็นระยะทางไกล ตัวอย่างเช่น กังหันลมผลิต ไฟฟ้าขนาดระดับเมกกะวัตต์ ต้องการระยะห่างระหว่างกันถึง 0.5 - 1 กิโลเมตร ดังนั้นเมื่อพิจารณาโดยละเอียด แล้วจะพบว่าการติดตั้งกังหันลมจะไม่ส่งผลกระทบต่อการใช้ประโยชน์จากพื้นที่ต่างๆ อาทิเช่น พื้นที่ทางการ เกษตร พื้นที่อุตสาหกรรม หรือแม้แต่พื้นที่ป่าธรรมชาติ ประชาชนในพื้นที่ดังกล่าวยังคงสามารถใช้ประโยชน์ จากที่ดินได้อย่างปกติ

ทัศนวิสัย

: สำหรับผลกระทบทางด้านสายตาหรือการมองเห็นของระบบกังหันลมผลิตไฟฟ้า นั้น ยังไม่ได้มีการประเมินผลออกมาอย่างชัดเจน กังหันลมขนาดใหญ่จะมีความสูงมากกว่า 50 เมตรขึ้นไป ทำให้สามารถมองเห็นได้จากระยะไกล กังหันลมที่ติดตั้งอยู่ตามทุ่งหญ้า สร้างความสวยงาม สร้างจินตนาการ และความคิดต่างๆ ให้กับผู้พบเห็น กังหันลมสามารถใช้เป็นสื่อการเรียนรู้หลักการทางอากาศพลศาสตร์ ซึ่งเป็นพื้นฐานที่สำคัญต่อเทคโนโลยีการบินหรืออากาศยานได้

เสียง:

เสียงของกังหันลมเกิดจากการหมุนของปลายใบพัดตัดกับอากาศ จากการที่ใบพัดหมุน ผ่านเสากังหัน จากความปั่นป่วนของลมบริเวณใบกังหันลม และจากตัวเครื่องจักรกลภายในตัวกังหันลม โดยเฉพาะส่วนของเกียร์เสียงดังของกังหันลมผลิตไฟฟ้าเป็นตัวแปรที่สำคัญประการหนึ่งที่แสดงถึงประสิทธิภาพ ของกังหันลม ดังนั้นทางบริษัทผู้ผลิตกังหันลมจึงพยายามพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆเพื่อลดผลกระทบจากเสียง ของกังหันลมในช่วงห้าปีที่ผ่านมา ระดับของเสียงในบริเวณอาคาร บ้านเรือน หรือที่พักอาศัยที่จะเป็นอันตราย ต่อมนุษย์อยู่ที่ไม่เกิน 40 เดซิเบล ที่ระยะห่างไม่เกิน 250 เมตร ดังนั้นการติดตั้งกังหันลมหากต้องการหลีกเลี่ยง ปัญหาดังกล่าวก็สามารถทำได้โดยการเพิ่มระยะห่างจากเขตที่พักอาศัยของมนุษย์ให้มากขึ้น

นก

: มีผลการศึกษาจากหลายแห่งที่ขัดแย้งกัน สำหรับสาเหตุการตายของนกจากการบินช