ประเภทของกังหันลม HAWT, VAWT และคำอธิบายอื่นๆ

ส่วนใหญ่แล้ว กังหันลม กังหันลมแบบ 3 ใบพัดที่พบเห็นได้ทั่วไปในฟาร์มกังหันลม (ทั้งบนบกและนอกชายฝั่ง) มักเป็นแบบมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม กังหันลมมีหลายประเภทและหลายสไตล์ และวิธีที่กังหันลมเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากพลังงานจลน์จากลมก็แตกต่างกันมาก

กังหันลมมีอยู่ 2 ประเภทหลัก คือ แกนแนวนอนและแกนแนวตั้ง กังหันลมแกนนอน มีแกนหมุนวางในแนวนอน โดยทั่วไปจะมีใบพัด 3 ใบและออกแบบมาให้รับลม กังหันลมแกนตั้งมีแกนหมุนวางในแนวตั้งและออกแบบมาเพื่อควบคุมพลังงานจลน์ในทิศทางตรงข้าม

นอกเหนือจากกังหันลมแกนแนวนอนและกังหันลมแกนแนวตั้งแล้ว ยังมีกังหันลมรุ่นอื่นๆ ที่น่าสนใจอีก

กังหันลมประเภทที่พบมากที่สุดคือกังหันลมแกนนอน กังหันลมประเภทนี้เรียกว่าแกนนอน เนื่องจากแกนหมุนจะวางในแนวนอน (ดูแผนภาพด้านล่าง)

กังหันลมแกนนอนต้องชี้ตรงเข้าหาลมเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด และส่วนหัวทั้งหมดได้รับการออกแบบให้หันเข้าหาลม เมื่อลมเปลี่ยนทิศทาง ส่วนหัวจะต้องหัน (หรือ 'หันเห') เพื่อให้ชี้เข้าหาลม

กังหันลมแกนนอนได้รับเลือกสำหรับฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งและฟาร์มกังหันลมบนชายฝั่งที่มีพื้นดินเป็นที่ราบและเปิดโล่งเป็นส่วนใหญ่ เพราะกังหันลมแกนนอนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันลมแกนตั้งในพื้นที่ที่ลมไม่ปั่นป่วน

สร้างมาเพื่อขนาด

แม้ว่าจะมีกังหันลมแกนนอนขนาดเล็กจำนวนมากในเชิงพาณิชย์สำหรับเจ้าของบ้านที่ใส่ใจเรื่องพลังงาน แต่ข้อดีที่สำคัญประการหนึ่งก็คือ กังหันลมเหล่านี้สามารถปรับขนาดให้เหมาะกับการผลิตได้ และสามารถสร้างให้ใหญ่โตได้ นี่เป็นอีกเหตุผลหนึ่งว่าทำไมกังหันลมเหล่านี้จึงถูกนำมาใช้ในฟาร์มลม การสร้างและใช้งานกังหันลมขนาด 10 เมกะวัตต์ (MW) หนึ่งตัวนั้นคุ้มต้นทุนมากกว่าการสร้างและใช้งานกังหันลมขนาด 2 เมกะวัตต์ห้าตัวมาก

กังหันลมที่ใหญ่ที่สุดในโลก (ณ ฤดูร้อนปี 2021) คือกังหันลม Vestas V236 ซึ่งมีกำลังการผลิตไฟฟ้า 15 เมกะวัตต์ (MW) กังหันลมนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด 236 เมตร ซึ่งสูงกว่าความสูงของเทพีเสรีภาพถึงสองเท่า การหมุนใบพัดเพียงรอบเดียวก็สามารถให้พลังงานไฟฟ้าเพียงพอสำหรับครัวเรือนทั่วไปได้หนึ่งวัน

กังหันลมแกนตั้ง

กังหันลมที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าและพบเห็นได้น้อยคือกังหันลมแกนตั้ง กังหันลมแกนตั้งจะเรียกว่าแกนตั้งเนื่องจากแกนหมุนจะเรียงตัวในแนวตั้งขึ้น

เป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างกังหันลมแกนตั้งในขนาดใหญ่อย่างที่เราเห็นในฟาร์มกังหันลมแกนนอน กังหันลมแกนตั้งที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมาคือกังหันลม “ÉOLE” สูง 110 เมตร กำลังไฟฟ้า 3.8 เมกะวัตต์ ในควิเบก ประเทศแคนาดา อย่างไรก็ตาม แบริ่งโรเตอร์เกิดชำรุดในปี 1993 เนื่องจากต้องรับน้ำหนัก 880 ตัน แบริ่งโรเตอร์จึงหยุดทำงานตั้งแต่นั้นมา และกลายเป็นที่สนใจของนักท่องเที่ยวในปัจจุบัน แทบจะไม่มีใครพยายามสร้างกังหันลมแกนตั้งที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ เนื่องจากมีปัญหาทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการรองรับน้ำหนักที่มากขนาดนั้นโดยตรงบนแบริ่งเพียงตัวเดียว

สร้างขึ้นเพื่อความยืดหยุ่น

แม้ว่าจะมีขนาดเล็กกว่า แต่ข้อได้เปรียบหลักของกังหันลมแกนตั้งเหนือกังหันลมแกนนอนก็คือ กังหันลมแกนตั้งไม่ต้องหันเห กังหันลมแกนตั้งจะรวบรวมพลังงานลมจากทุกทิศทางตลอดเวลา เนื่องจากใบพัดได้รับการออกแบบมาในลักษณะนี้ ใบพัดจึงหมุนไปในทิศทางเดียวกันเสมอ ไม่ว่าลมจะมาจากที่ใดก็ตาม

ซึ่งทำให้กังหันลมแกนแนวตั้งสามารถจับพลังงานลมบนหลังคาเมืองและพื้นที่ที่มีการก่อสร้างซึ่งมีลมกระโชกแรงเปลี่ยนทิศทางอยู่ตลอดเวลาได้ดีขึ้น

กังหันลมแกนตั้ง ใช้พื้นที่น้อยกว่ากังหันแกนนอนที่มีกำลังเทียบเท่า และมักถูกเลือกใช้ในพื้นที่ที่มีพื้นที่จำกัด

VAWT ประเภทต่างๆ

กังหันลมแนวตั้งมีการออกแบบหลัก 2 แบบ คือ แบบซาโวเนียสและแบบดาร์ริอุส ซึ่งการออกแบบทั้งสองแบบนี้แตกต่างกันมากในแง่ของวิธีการจับพลังงานลม

VAWTs ของซาโวเนียส

กังหันลมแนวตั้งแบบซาโวเนียสใช้หลักการลากเพื่อแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานหมุนเชิงกล กังหันลมทำงานเหมือนตักที่มีรูปร่างเพื่อดักลมที่เข้ามาในกังหันลม ทำให้เกิดแรงลากและบังคับให้กังหันลมหมุน (ดูแผนภาพด้านล่าง) ไม่ว่าลมจะมาจากทิศทางใด ลมจะพัดเข้าทั้งด้านหน้าและด้านหลังของตักเสมอ แต่ส่วนหลังที่โค้งมนของตักจะทำให้เกิดแรงลากน้อยลง ทำให้กังหันลมหมุนได้ อย่างไรก็ตาม นั่นหมายความว่ากังหันลมแนวตั้งแบบซาโวเนียสสามารถแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานหมุนเชิงกลได้เพียง 15% เท่านั้น

ดาร์ริอุส VAWTs

กังหันลมแกนตั้ง Darrieus ใช้หลักการยกเพื่อแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานหมุนเชิงกล และมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันลมแกนตั้งแบบ Savonius กังหันลมแกนตั้ง Darrieus ใช้ใบพัดที่มีหน้าตัดเป็นรูปปีกเครื่องบิน เมื่อลมพัดผ่านใบพัด เอฟเฟกต์แอโรฟอยล์จะสร้างแรงยก และนี่คือสิ่งที่ทำให้กังหันลมหมุน (ดูแผนภาพด้านล่าง)

ใบพัดแบบแอโรฟอยล์ของกังหันลมแบบดาร์ริอุสอาจมีรูปร่างตรง โค้ง หรือเกลียว (ดูแผนภาพด้านล่าง)

ทั้งหมดนี้เป็นกังหัน Darrieus – ใบพัดโรเตอร์ทั้งหมดเป็นแอโรฟอยล์สร้างแรงยกเหมือนกัน แต่มีการกำหนดค่าที่แตกต่างกัน

การกำหนดค่าแบบเกลียวอาจเป็นสิ่งที่น่าสนใจที่สุด เนื่องจากช่วยให้ใบพัดแบบแอโรฟอยล์ที่ยาวกว่าสามารถบรรจุไว้ภายในพื้นที่การหมุนเท่ากับกังหันลมใบตรง ทำให้จับลมได้มากขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพ 

แบบกังหันลมอื่น ๆ

แม้ว่ากังหันลมส่วนใหญ่จะอยู่ในสองประเภทหลักนี้ (แกนแนวตั้งและแกนแนวนอน) แต่ก็มีการออกแบบเชิงทดลองหลายแบบที่ละทิ้งการกำหนดค่าปกติของการออกแบบทั้งสองประเภทนี้

ต้นไม้แห่งสายลม

'Wind Tree' ที่สร้างโดยบริษัท New World Wind ที่ตั้งอยู่ในกรุงปารีส มีพื้นฐานมาจากกังหันลมแกนแนวตั้งของ Savonius แต่มีความแปลกใหม่ตรงที่ใช้กังหันลมขนาดเล็กจำนวนมากที่จัดเรียงให้ดูเหมือนใบไม้บนต้นไม้เพื่อสร้างองค์ประกอบตกแต่งในเมือง

วอร์เท็กซ์ไร้ใบพัด

Vortex Bladeless เป็นบริษัทสเปนที่ใช้กรรมวิธีที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงในการสกัดพลังงานจลน์จากลม “กังหันลม” ของบริษัทไม่เหมือนกับกังหันลมทั่วไปเลย เนื่องจากไม่หมุน

ระบบ Vortex Bladeless ใช้เสาสูงรูปเสาซึ่งดึงพลังงานจากลมโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการสั่นพ้องที่เกิดจากกระแสน้ำวน เมื่อลมพัดผ่านเสา ลมจะทำให้เกิดความปั่นป่วนด้านหลังเสา ซึ่งทำให้เสาแกว่งไปมา และพลังงานกลนี้จะขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเส้นตรง จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลมแบบนี้ไม่มีใบพัดหมุน จึงไม่เป็นอันตรายต่อนกหรือสัตว์ป่าที่อพยพย้ายถิ่น

กังหันลมที่ขับเคลื่อนด้วยยานยนต์

บริษัทหลายแห่งเริ่มพัฒนากังหันลมแนวตั้งขนาดเล็กที่สามารถนำไปติดตั้งในบริเวณทางหลวงและทางด่วนกลางได้ แทนที่จะขับเคลื่อนด้วยลม "ธรรมชาติ" กังหันลมเหล่านี้หมุนด้วยความปั่นป่วนที่เกิดจากกระแสลมที่พัดผ่านด้วยความเร็วสูงตลอดเวลา ดังนั้น แม้ว่ากังหันลมเหล่านี้จะยังคงเป็นเพียงกังหันลมแนวตั้งแบบธรรมดา แต่สถานการณ์ที่นำมาประยุกต์ใช้นั้นถือเป็นเรื่องแปลกใหม่

กังหันลมแกนไขว้ (CAWT)

กังหันลมแกนไขว้เป็นกังหันลมแกนแนวตั้งที่ออกแบบขึ้นเพื่อการทดลอง โดยใช้ใบพัดทั้งแบบแนวนอนและแนวตั้งในรูปแบบที่เชื่อมโยงกันแบบแปลกใหม่ ด้วยใบพัดแนวตั้ง 2.5 ใบและใบพัดแนวนอน XNUMX ใบ ทำให้สามารถจับพลังงานลมที่มาจากทั้งทิศทางแนวนอนและแนวตั้งได้ จากการศึกษาพบว่ามีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันลมแกนแนวตั้งแบบธรรมดาถึง XNUMX เท่าในสภาวะลมแบบเดียวกัน

กังหันน้ำขึ้นหอระบายความร้อน

การออกแบบนี้เสนอรูปแบบใหม่ของกังหันลมแกนแนวตั้ง Darrieus ซึ่งวางในแนวนอนและตั้งอยู่ที่ด้านบนของหอคอยระบายความร้อน กระแสลมขึ้นจากกระแสอากาศเสียจากหอคอยจะถูกนำมาใช้เพื่อขับเคลื่อนกังหันลมแทนที่จะถูกปล่อยทิ้งสู่ชั้นบรรยากาศ