ประเภทของกังหันลม HAWT, VAWT และอื่น ๆ อธิบาย

ส่วนใหญ่ของ กังหันลม ที่เห็นรอบ ๆ ประเทศในฟาร์มกังหันลม (ทั้งบนฝั่งและนอกฝั่ง) เป็นการออกแบบมาตรฐาน 3 ใบพัด อย่างไรก็ตาม มีรูปแบบ/ประเภทของกังหันลมที่แตกต่างกันหลายแบบ และวิธีที่พวกมันใช้พลังงานจลน์จากลมค่อนข้างแตกต่างกัน

กังหันลมสองประเภทหลักคือ Horizontal-axis และ Vertical-axis กังหันลมแกนนอน มีแกนหมุนชี้ในแนวราบ โดยทั่วไปจะมี 3 ใบพัดและออกแบบให้หันไปทางลม กังหันลมแกนตั้งมีแกนหมุนชี้ในแนวตั้งและออกแบบมาเพื่อใช้พลังงานจลน์ในทิศทางตรงข้าม

นอกจากกังหันลมแกนนอนและแกนตั้งแล้ว ยังมีการพัฒนาแบบอื่น ๆ ของกังหันลมที่น่าสนใจ

ชนิดของกังหันลมที่พบได้บ่อยที่สุดคือ 'Horizontal Axis Wind Turbine' ซึ่งเรียกว่าแกนนอนเนื่องจากแกนหมุนอยู่ในแนวราบ (ดูแผนภาพด้านล่าง)

กังหันลมแกนนอนต้องชี้ไปทางลมโดยตรงเพื่อทำงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด และส่วนหัวทั้งหมดถูกออกแบบให้หมุนไปหาทิศทางของลม เมื่อทิศทางลมเปลี่ยน ส่วนหัวจะต้องหมุน (หรือ 'ยอว์') เพื่อรักษาการชี้เข้าหาลม

กังหันลมแกนนอนถูกเลือกใช้ในฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งและบนพื้นดินที่พื้นที่เป็นที่ราบและโล่ง เพราะพวกมันทำงานได้มีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันลมแกนตั้งในพื้นที่ที่ลมไม่ผันผวน

สร้างมาสำหรับขนาดใหญ่

แม้ว่าจะมีกังหันลมแกนนอนขนาดเล็กจำนวนมากที่วางขายสำหรับเจ้าของบ้านที่ใส่ใจเรื่องพลังงาน แต่ข้อได้เปรียบสำคัญประการหนึ่งของพวกมันคือสามารถขยายขนาดสำหรับการผลิตได้ดี และสามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่มากๆ ได้ อีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ใช้งานในฟาร์มกังหันลม เพราะมันมีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจมากกว่าในการสร้างและดำเนินการกังหันขนาด 10 เมกะวัตต์ (MW) เครื่องเดียว แทนที่จะสร้างกังหันขนาด 2 MW จำนวน 5 เครื่อง

กังหันลมที่ใหญ่ที่สุดในโลก (ณ ฤดูร้อนปี 2021) คือ Vestas V236 กังหันนี้มีกำลังไฟฟ้าที่กำหนดไว้ที่ 15 เมกะวัตต์ (MW) มันมีเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดขนาด 236 เมตร – ซึ่งมากกว่าสองเท่าของความสูงของเทพีเสรีภาพ! เพียงการหมุนของใบพัดเพียงรอบเดียวสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าเพียงพอสำหรับครอบครัวทั่วไปในหนึ่งวัน

เครื่องกำเนิดพลังงานลมแกนตั้ง

กังหันชนิดที่ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพและพบเห็นได้น้อยกว่าคือ ‘กังหันลมแกนตั้ง’ ชื่อนี้มาจากแกนหมุนที่ถูกจัดแนวในแนวตั้ง

ไม่สามารถสร้างกังหันแกนตั้งในขนาดใหญ่เท่าที่เราเห็นในฟาร์มกังหันลมแบบแกนนอนได้ กังหันลมแกนตั้งที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยถูกสร้างคือกังหัน "ÉOLE" สูง 110 เมตร พลังงาน 3.8MW ในรัฐควิเบก แคนาดา อย่างไรก็ตาม เหล็กดัดที่รองรับน้ำหนัก 880 ตันเกิดความเสียหายในปี 1993 และไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป ปัจจุบันกลายเป็นของแปลกใหม่สำหรับนักท่องเที่ยว มีโอกาสน้อยมากที่จะมีใครพยายามสร้างกังหันแกนตั้งที่ใหญ่กว่านี้เนื่องจากปัญหาทางวิศวกรรมในการรองรับน้ำหนักมหาศาลบนหมุดเดียว

สร้างขึ้นเพื่อความยืดหยุ่น

แม้ว่าจะเล็กกว่า แต่ข้อได้เปรียบที่สำคัญของกังหันลมแกนตั้งเหนือแบบแกนนอนคือไม่จำเป็นต้องหมุนตามทิศทางลม (yaw) กังหันลมแบบแกนตั้งสามารถรวบรวมพลังงานลมจากทุกทิศทางได้ตลอดเวลา เนื่องจากโครงสร้างใบพัดที่ออกแบบมา ทำให้ใบพัดหมุนไปในทิศทางเดียวกันเสมอ ไม่ว่าลมจะมาจากทิศทางใด

สิ่งนี้ทำให้กังหันลมแกนตั้งดีกว่าในการจับพลังงานลมบนหลังคาในเมืองและพื้นที่ที่มีการก่อสร้างหนาแน่น ซึ่งลมที่ไม่สม่ำเสมอเปลี่ยนทิศทางตลอดเวลา

เครื่องกำเนิดพลังงานลมแกนตั้ง ใช้พื้นที่น้อยกว่ากังหันลมแกนนอนที่มีกำลังไฟฟ้าเทียบเท่า และมักถูกเลือกใช้ในพื้นที่ที่มีพื้นที่จำกัด

ประเภทต่างๆ ของ VAWTs

มีการออกแบบหลักสองแบบสำหรับกังหันลมแกนตั้ง เรียกว่า Savonius และ Darrieus การออกแบบเหล่านี้มีวิธีการจับพลังงานลมที่แตกต่างกัน

Savonius VAWTs

กังหันลมแนวตั้งแบบ Savonius ใช้หลักการของแรงเสียดทานในการเปลี่ยนพลังงานลมเป็นพลังงานกลไกรูปแบบการหมุน มันทำงานเหมือนช้อนตัก ซึ่งออกแบบมาเพื่อดักจับลมที่เข้าสู่กังหัน สร้างแรงเสียดทานและทำให้มันหมุน (ดูแผนภาพด้านล่าง) ไม่ว่าลมจะมาจากทิศทางใด ก็จะกระทบกับทั้งด้านหน้าและด้านหลังของช้อนเสมอ แต่ด้านหลังของช้อนที่มนุษย์กว่าจะสร้างแรงเสียดทานน้อยกว่า ทำให้กังหันสามารถหมุนได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้หมายความว่า กังหันลมแนวตั้งแบบ Savonius สามารถแปลงพลังงานลมได้เพียง 15% ของปริมาณที่ดีที่สุดเท่านั้น

กังหันลมแนวตั้ง Darrieus

กังหันลมแนวตั้งแบบ Darrieus ใช้หลักการของการยกเพื่อเปลี่ยนพลังงานลมเป็นพลังงานกลไกรูปแบบการหมุน และมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันลมแนวตั้งแบบ Savonius กังหันลมแนวตั้งแบบ Darrieus ใช้ใบพัดที่มีหน้าตัดรูปทรงเหมือนปีกของเครื่องบิน เมื่อลมพัดผ่านใบพัด ผลลัพธ์จากการยกของแอโรฟอยล์จะสร้างแรงยก และนั่นคือสิ่งที่ทำให้กังหันหมุน (ดูแผนภาพด้านล่าง)

ใบพัดแบบแอโรฟอยล์ของกังหัน Darrieus สามารถมีรูปร่างเป็นเส้นตรง เส้นโค้ง หรือเกลียวได้ (ดูแผนภาพด้านล่าง)

เหล่านี้เป็นกังหัน Darrieus ทั้งหมด - ใบจักรหมุนทั้งหมดเป็นแอโรฟอยล์ที่สร้างแรงยกเหมือนกัน แต่อยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกัน

รูปแบบเกลียวเป็นที่น่าสนใจที่สุด เพราะมันช่วยให้ใบพัดแอโรฟอยล์ที่ยาวขึ้นสามารถบรรจุอยู่ภายในพื้นที่หมุนเดียวกับกังหันที่มีใบพัดเส้นตรง ซึ่งจะช่วยจับลมได้มากขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพ

การออกแบบกังหันแบบอื่นๆ

แม้ว่ากังหันลมส่วนใหญ่จะอยู่ในสองประเภทหลัก (แกนตั้งและแกนนอน) ก็ยังมีการออกแบบทดลองหลากหลายที่แตกต่างจากโครงสร้างปกติของสองแบบนี้

ต้นไม้พลังงานลม

‘ต้นไม้พลังงานลม’ ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยบริษัท New World Wind จากปารีส เป็นกังหันลมแกนตั้งแบบ Savonius แต่มีความแปลกใหม่ตรงที่ใช้กังหันขนาดเล็กจำนวนมากเรียงรายให้ดูเหมือนใบไม้บนต้นไม้ เพื่อเป็นลักษณะประดับในเมือง

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless เป็นบริษัทจากสเปนที่ใช้วิธีการใหม่ในการดึงพลังงานจลน์จากลม "กังหัน" ของพวกเขามองไม่เหมือนกังหันทั่วไปเลย เพราะมันไม่หมุน

ระบบ Vortex Bladeless ใช้เสาทรงสูงที่มีรูปทรงคล้ายแท่ง เพื่อสกัดพลังงานจากลมโดยใช้วิธีการที่เรียกว่า การสั่นสะเทือนแบบวนเกลียว เมื่อลมพัดผ่านเสา มันจะสร้างความวุ่นวายด้านหลังซึ่งทำให้เสาสั่นหรือ 'สั่น' ไปมา และพลังงานกลชนิดนี้จะขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดเส้นตรง จึงสร้างกระแสไฟฟ้าได้

เนื่องจากไม่มีใบพัดหมุน ตัวสร้างพลังงานลมประเภทนี้จึงไม่เป็นอันตรายต่อนกที่อพยพหรือสัตว์ป่า

กังหันขับเคลื่อนด้วยยานพาหนะ

หลายบริษัทได้เริ่มพัฒนากังหันพลังงานลมแกนแนวตั้งขนาดเล็กที่สามารถติดตั้งในขอบกลางของทางหลวงและถนนสายหลัก แทนที่จะขับเคลื่อนด้วย ‘ลมธรรมชาติ’ เป็นความวุ่นวายที่เกิดจากการไหลของยานพาหนะที่วิ่งผ่านด้วยความเร็วสูงที่ทำให้กังหันหมุน ดังนั้นแม้ว่าจะยังคงเป็นกังหันพลังงานลมแกนแนวตั้งตามปกติ แต่สถานการณ์ที่นำมาใช้คือสิ่งใหม่

กังหันลมแกนขวาง (CAWT)

กังหันลมแกนขวางเป็นการออกแบบกังหันแกนตั้งแนวตั้งแบบทดลองที่ใช้ใบกังหันแนวนอนและแนวตั้งในรูปแบบการเชื่อมโยงกางเขนใหม่ โดยมีสามใบพัดแนวตั้งและหกใบพัดแนวนอน ซึ่งสามารถจับพลังงานลมจากทิศทางแนวนอนและแนวตั้งได้ การศึกษาพบว่ามันมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันแกนตั้งแบบเดิม 2.5 เท่าในสภาพลมเดียวกัน

กังหันกระแสอากาศหอระบายความร้อน

การออกแบบนี้เสนอโครงสร้างใหม่ของกังหันลมแกนตั้ง Darrieus ที่ถูกวางแนวราบและติดตั้งอยู่บนยอดของหอระบายความร้อน กระแสน้ำขึ้นจากอากาศที่ระบายออกจากรอบหอ แทนที่จะปล่อยให้สูญเสียไปในบรรยากาศ จะถูกนำมาใช้ขับเคลื่อนกังหัน