บทที่ 2
ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
ในการประดิษฐ์กังหันลมผลิตไฟฟ้าจากมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง กลุ่มของกระผมได้ไปศึกษาและค้นคว้าทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการประดิษฐ์กังหันลมผลิตไฟฟ้าจากมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มีดังต่อไปนี้
- กังหันลม
- ข้อมูลอัตราทดของมอเตอร์
- เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
- แบตเตอรี่
- พลังงานน้ำ
- มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
- แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า
1.กังหันลม
การจำแนกชนิดของกังหันลม มี 2 วิธี กล่าวคือ
1. การจำแนกตามลักษณะแนวแกนหมุนของกังหัน จำแนกได้ 2 ประเภท ได้แก่ กังหันลมที่มีแกนหมุนในแนวแกนนอน และกังหันลมที่มีแกนหมุนใน แกนแนวตั้ง
2. การจำแนกตามลักษณะแรงขับที่กระแสลมกระทำต่อใบกังหัน มี 2 แบบ คือ การขับด้วยแรงยก (Lift force) และ การขับด้วยแรงฉุดหรือแรงหน่วง (Drag force)
ส่วนประกอบของระบบกังหันสำหรับผลิตไฟฟ้าแบ่งได้ดังนี้
1. ใบพัด เป็นตัวรับพลังลมและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานกล ซึ่งยึดติดกับชุดแกนหมุนและส่งแรงจากแกนหมุนไปยังเพลาแกนหมุน
2. เพลาแกนหมุน ซึ่งรับแรงจากแกนหมุนใบพัด และส่งผ่านระบบกำลัง เพื่อหมุนและปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
3. ห้องส่งกำลัง ซึ่งเป็นระบบปรับเปลี่ยนและควบคุมความเร็วในการหมุน ระหว่างเพลาแกนหมุนกับเพลาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
4. ห้องเครื่อง ซึ่งมีขนาดใหญ่และมีความสำคัญต่อกังหันลม ใช้บรรจุระบบต่างๆ ของกังหันลม เช่น ระบบเกียร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เบรก และระบบควบคุม
5. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
6. ระบบควบคุมไฟฟ้า ซึ่งใช้ระบบคอมพิวเตอร์เป็นตัวควบคุมการทำงาน และจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ระบบ
7 . ระบบเบรก เป็นระบบกลไกเพื่อใช้ควบคุมการหยุดหมุนของใบพัดและเพลาแกนหมุนของกังหัน เมื่อได้รับความเร็วลมเกินความสามารถของกังหัน ที่จะรับได้ และในระหว่างการซ่อมบำรุงรักษา
8 . เครื่องวัดความเร็วลมและทิศทางลม ซึ่งเชื่อมต่อสายสัญญาณเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์ เพื่อเป็นตัวชี้ขนาดของความเร็วและทิศทางของลม เพื่อที่คอมพิวเตอร์จะได้ควบคุมกลไกอื่นๆ ได้ถูกต้อง
กังหันกับการผลิตไฟฟ้า
หลักการทำงานของกังหันผลิตไฟฟ้านั้น เมื่อมีน้ำผ่านใบกังหัน พลังงานจลน์ที่เกิดจากน้ำจะ ทำให้ใบพัดของกังหันเกิดการหมุน และได้เป็นพลังงานกลออกมา พลังงานกลจากแกนหมุนของกังหันน้ำจะถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออยู่กับแกนหมุนของกังหันน้ำ จ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านระบบควบคุมไฟฟ้า และจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ระบบต่อไป โดยปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้จะขึ้นอยู่กับความเร็วของน้ำ และสถานที่ติดตั้งกังหันน้ำ
กังหันน้ำกับการใช้งาน
เนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของความเร็วน้ำที่แปรผันตามธรรมชาติ และความต้องการพลังงานที่สม่ำเสมอเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานแล้ว จะต้องมีตัวกักเก็บพลังงาน ถ้าเป็นกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กมักนิยมใช้แบตเตอรี่เป็นตัวกักเก็บ
2.ข้อมูลอัตราการทดเกียร์ของมอเตอร์ falcon กับใบพัด GWS (TD)
การเลือกอัตราทดเกียร์มอเตอร์ Falcon กับใบพัด
หลังจากที่ได้ทดลองใช้งานมอเตอร์ Falcon ทดเกียร์ใส่ใบพัดแล้ว พบว่าได้ผลดี เลยคิดว่าแทนที่ต่างคนต่างจะนั่งทดกัน ผมเลยลองเอา motoal ช่วยทำนายดู หากใครเอาไปทดลองแล้วได้ผลอย่างไรก็แจ้งให้กันทราบบ้างครับแสดงหน้าต่างที่ผมใส่ค่าต่างๆ สำหรับการทำนาย โดยจุดที่จะเปลี่ยนไปคือ ขนาดใบพัด นอกนั้นเหมือนเดิมหมดครับโดยผมได้แสดงกราฟระหว่างอัตราทดต่างๆ (GR) ตั้งแต่ 1-8 สำหรับใบพัดแต่ละรุ่น เพื่อดูค่า Trust กับ ประสิทธิภาพของมอเตอร์ โดยกราฟน้ำเงินจะแสดง Trust ส่วนสีแดงจะแสดงกระแสของมอเตอร์ โดยค่าที่แสดงนี้เป็น static หรือขณะอยู่กับที่ขยายความสักนิดเพราะมีน้องๆ บ่นมาว่าไม่รู้เรื่อง อัตราทด (แกนนอน) เป็นอัตราเกียร์ที่จะทดครับ ขึ้นอยู่กับจำฟันเฟืองที่เราเลือกใช้ เช่น ใช้เฟืองขับ (ติดที่มอเตอร์) 12 และหากใช้เฟืองตาม (ที่ติดแกนหมุนใบพัด) 36 ก็จะได้ gear ration (GR) เป็น 36/12 = 3 ครับ ส่วนอัตราอื่นๆ ก็คิดแบบเดียวกัน Trust (แกนตั้งด้านขวา) ก็คือค่าแรงฉุดที่ได้จากการทดเกียร์ ณ อัตราทดต่างๆ กัน มีหน่วยเป็น oz. (1 oz = 28.35g) หากค่านี้มีมาก ก็แสดงว่ามีแรงฉุดมากครับ กระแสมอเตอร์ (แกนตั้งด้านซ้าย) คือ แสดงการใช้กระแสของมอเตอร์ ว่ามากน้อยแค่ไหน
ตัวอย่าเช่นใบ 0706 ตามการทำนายจะพบว่าที่อัตรทดราว 2.5-2.75 จะให้ Trust สูงสุด แต่มอเตอร์จะมีประสิทธิภาพสูงสุดที่อัตราทดราว 5.5 ซึ่งเราคงไม่ต้องการให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด แต่คงอยากได้ Trust ที่สูงที่สุด ในขณะที่ได้ประสิทธิภาพของมอเตอร์พอสมควร (คือขอบินให้แรง และบินได้นานหน่อยนั้นเอง) ผมว่าจุดที่ optimum น่าจะเป็นอัตราทดประมาณ 3 คือได้ Trust ราว 3.2 oz แต่หากอยากได้แรงสุดๆ ก็ทดที่ 2.5 หรือ 2.75 ไปเลย
หากเปรียบเทียบระหว่างใบเล็ก กับใบใหญ่ จะเห็นว่าใบใหญ่จะให้แรงฉุดที่ดีกว่า และต้องทดด้วย GR ที่สูงขึ้นด้วย เปรียบเหมือนกับรถยนต์ที่วิ่งเกียร์ต่ำๆ นะแหละครับ มีแรงออกตัวฉุดดี แต่วิ่งไม่เร็ว หากเราเลือกที่จะทำพวก slow fly ก็ไม่มีปัญหาอะไร โดยเฉพาะมือใหม่ หัดบิน บินช้าแต่แรงฉุดเยอะไว้ก่อนดีกว่า
ขอบคุณครับน่าสนใจมาก