กังหันลมยุคใหม่ ออกแบบจากกลศาสตร์ของไหลของฝูงปลา

แนวโน้มการใช้พลังงานทางเลือกที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในปัจจุบันแสดงให้เราเห็นอย่างชัดเจนว่าหลายประเทศทั่วโลกให้ความสำคัญกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ ปรากฏการณ์เรือนกระจกที่โลกกำลังเผชิญอยู่ทำให้อุณหภูมิของโลกเพิ่มสูงขึ้นทุกปี ปัญหาโลกร้อนจึงกลายเป็นแรงกระตุ้นให้นักวิจัยจากทั่วทุกมุมโลกเร่งพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานที่มีการปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจกน้อยลงเพื่อรักษาสิ่งแวดล้อม


หลายปีที่ผ่านมา พลังงานลมดูเหมือนจะค่อนข้างซบเซาและพัฒนาช้าเมื่อเทียบกับพลังงานแสงอาทิตย์ที่พัฒนารวดเร็วราวก้าวกระโดด แต่ถึงอย่างไรก็ตาม พลังงานลมก็ยังคงถูกใช้อย่างแพร่หลายในแทบทุกประเทศ โดยเฉพาะประเทศจีน สหรัฐอเมริกา และเยอรมนี ซึ่งเป็นสามประเทศที่มีการใช้พลังงานลมมากเป็นอันดับต้น ๆ ของโลก


กังหันลมจะเริ่มทำงานก็ต่อเมื่อมีลมที่มีความเร็วที่เหมาะสมค่าหนึ่งพัดผ่านใบพัดของกังหัน (Cut-In Wind Speed) นั่นหมายความว่ากังหันลมทำงานโดยอาศัยหลักพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) ของมวลอากาศที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านใบพัด จากพื้นฐานทางฟิสิกส์นี่เองที่กลายเป็นรากฐานของการออกแบบกังหันลมทั้งหมด โดยกำลังของลม (Wind Power) จะแปรผันตรงกับพื้นที่หน้าตัดรับลมและความเร็วลมยกกำลังสาม


ในปัจจุบันมีนักวิจัยด้านพลังงานลมหลายกลุ่มยังคงหาแนวทางในการออกแบบกังหันลมให้มีประสิทธิภาพสูงที่สุด แต่ทฤษฎีการออกแบบพื้นฐานยังคงใช้ทฤษฎีโมเมนตัม (Momentum Theory) และทฤษฎีส่วนย่อยใบพัด (Blade Element Theory) ขยายความคือทฤษฎีโมเมนตัมจะอาศัยหลักการของโมเมนตัม สมการการไหลอย่างต่อเนื่อง (Continuity Equation) และสมการของเบอร์นูลลี (Bernoulli Equation) มาใช้วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของมวลอากาศก่อนและหลังกระทบใบพัด การไหลอย่างต่อเนื่องของมวลอากาศผ่านใบพัด และการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศที่ไหลผ่านใบพัด ส่วนทฤษฎีส่วนย่อยใบพัดจะใช้วิเคราะห์แรงที่กระทำบนใบพัดของกังหัน ซึ่งได้แก่แรงยก (Lift Force) และแรงฉุด (Drag Force) นอกจากทฤษฎีพื้นฐานทั้งสองแบบแล้วยังมีการพัฒนาทฤษฎีเชิงลึกโดยการรวมทฤษฎีพื้นฐานทั้งสองให้เป็นหนึ่งเดียวกัน เรียกว่า Blade Element-Momentum Theory อีกด้วย แต่กังหันลมก็มีข้อจำกัดในการเปลี่ยนรูปพลังงานลมไปเป็นพลังงานกลเช่นเดียวกับเครื่องจักรอื่น ๆ นั่นคือกังหันลมมีค่าสัมประสิทธิ์เชิงกำลัง (Power Coefficient) ไม่เกิน 0.59 ในทางทฤษฎี และค่าสัมประสิทธิ์ดังกล่าวจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับรูปแบบของกังหัน
 

การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของมวลอากาศด้านหลังใบพัด
(ภาพจาก http://home.uni-leipzig.de/energy/ef/15.htm)

 
แรงยก (FL) และแรงฉุด (FD) ที่กระทำกับใบพัด
(ภาพจาก https://physics.stackexchange.com/questions/143155/do-wind-turbines-convert-the-kinetic-energy-of-air)

กังหันลมที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือกังหันลมแบบแกนนอน (Horizontal Axis Wind Turbines) และกังหันลมแบบแกนตั้ง (Vertical Axis Wind Turbines) โดยกังหันลมแบบแกนนอนมักได้รับความนิยมมากกว่าเนื่องจากมีการใช้งานมานานแล้วและสะดวกสบายในแง่มุมการใช้งานจริง ส่วนกังหันลมแบบแกนตั้งได้รับการพัฒนาทีหลัง แต่มีข้อเด่นคือมีโครงสร้างที่ง่ายกว่าและสามารถรับลมได้ทุกทิศทาง อย่างไรก็ตาม แม้พลังงานลมจะเป็นพลังงานที่ใช้ได้อย่างไม่มีวันหมด (ตราบใดที่โลกยังไม่แตก) แต่มันก็มีข้อด้อยหลายประการ เช่น ความไม่แน่นอนของความเร็วลมและช่วงเวลาที่ลมพัด สถานที่ติดตั้งที่ใช้ได้เฉพาะบริเวณที่กำลังลมเหมาะสมและมีพื้นที่กว้าง รวมถึงปัญหาด้านมลภาวะทางเสียง ทัศนียภาพ การรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และขัดขวางการบินของสัตว์ปีก เป็นต้น


กังหันลมแบบแกนนอนที่นิยมใช้กันต้องมีความสูงหลายสิบเมตรจนถึงหลักร้อยเมตรจึงจะเพียงพอต่อการผลิตไฟฟ้าให้กับชุมชน แต่ปัญหาสำคัญของมันคือกังหันลมแต่ละตัวต้องตั้งห่างกันมาก เพราะเมื่อลมเข้าปะทะด้านหน้าใบพัดแล้วทำให้ใบพัดเกิดการหมุน การหมุนของใบพัดจะทำให้กระแสลมด้านหลังใบพัดเกิดการหมุนอย่างปั่นป่วนคล้ายกับลมหมุนที่เกิดขึ้นบริเวณด้านหลังเครื่องบิน (Wake Vortex Turbulence)
 

(ภาพจาก https://www.skybrary.aero/images/thumb/Wake.jpg/400px-Wake.jpg)

กระแสลมปั่นป่วนนี่เองที่กลายเป็นอุปสรรคใหญ่ต่อการพัฒนากังหันลมอยู่เป็นเวลานาน แต่เมื่อประมาณ 5 ปีก่อนก็มีวิศวกรหนุ่มชาวไนจีเรียผู้เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์ของไหลนามว่า ดร.จอห์น ดาบิริ (John Dabiri) เข้ามาเป็นพระเอกในการแก้ปัญหาดังกล่าว โดยจอห์นเล่าว่าเขาได้ออกแบบกังหันลมแบบใหม่จากการศึกษาฟิสิกส์ของน้ำที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของฝูงปลา กล่าวคือเมื่อปลาแหวกว่ายผ่านกระแสน้ำ การสะบัดหางของปลาจะทำให้เกิดน้ำหมุนวงเล็ก ๆ ขึ้นที่ด้านหลังของปลาทั้งด้านซ้ายและด้านขวา เรียกวงน้ำหมุนนี้ว่า Vortices ซึ่งวงน้ำหมุนนี่เองที่ทำให้ปลาตัวอื่น ๆ ที่ว่ายตามหลังมาว่ายน้ำได้ง่ายขึ้น หรือใช้พลังงานในการว่ายน้ำน้อยลงนั่นเอง

 

(ภาพจาก https://climate.nasa.gov/images/dabiri_border21.jpg)

 
(ภาพจาก https://inhabitat.com/wp-content/blogs.dir/1/files/2013/07/John-Dabiri-FLOWE.jpg)

จากการศึกษาวิจัยอยู่ระยะเวลาหนึ่งโดยใช้แบบจำลองอากาศพลศาสตร์ในคอมพิวเตอร์และการทดลองจริงในภาคสนาม จอห์นพบว่า Vortices สามารถช่วยลดระยะห่างระหว่างกังหันแต่ละตัว ทั้งยังช่วยเสริมประสิทธิภาพการทำงานให้กับกังหันที่อยู่รอบข้างได้ โดยกังหันลมที่จอห์นออกแบบเป็นกังหันลมแบบแกนตั้งที่ใบพัดมีทิศทางการหมุนสลับกันกับกังหันตัวที่อยู่ด้านข้าง มีขนาดเล็กและสูงเพียง 10 เมตรทำให้มีราคาต้นทุนถูก สามารถติดตั้งใกล้ ๆ กันได้ทำให้ใช้พื้นที่น้อย และที่สำคัญคือมีประสิทธิภาพในการทำงานสูงกว่ากังหันลมแบบเก่าหลายเท่าตัว กังหันลมของดาบิริจึงกลายเป็นของใหม่มาแรงในแวดวงพลังงานลมในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทั้งยังคงได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างต่อเนื่องจวบจนทุกวันนี้


ผลงานของดร.จอห์น ดาบิริสะท้อนให้เห็นว่าการผสมผสานความรู้หลากหลายสาขาทั้งฟิสิกส์ ชีววิทยา คอมพิวเตอร์ วิศวกรรม รวมถึงความช่างสังเกต ความคิดสร้างสรรค์ และความเพียรพยายามเข้าด้วยกันสามารถทำให้เกิดสิ่งใหม่ที่อาจกลายเป็นความหวังในการแก้ปัญหาที่ค้างคามาเนิ่นนานได้นั่นเอง

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://www.evwind.es/2017/11/03/top-wind-power-producing-countries/61663
• [2] http://home.uni-leipzig.de/energy/ef/15.htm
• [3] https://physics.stackexchange.com/questions/143155/do-wind-turbines-convert-the-kinetic-energy-of-air
• [4] https://climate.nasa.gov/news/555/fishing-for-wind-nature-inspires-more-efficient-wind-turbines/
• [5] http://m.caltech.edu/news/wind-turbine-placement-produces-tenfold-power-increase-caltech-researchers-say-1700
• [6] http://dabirilab.com/fieldlab/
• [7] https://www.skybrary.aero/index.php/Wake_Vortex_Turbulence