กังหันลมผลิตไฟฟ้า คืออะไร? หลักการทำงาน ข้อดี-ข้อเสีย

ด้วยวิกฤตการณ์โลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ การมองหาแหล่งพลังงานทางเลือกจึงกลายเป็นเรื่องสำคัญ พลังงานหมุนเวียนได้ก้าวเข้ามามีบทบาทสำคัญในการทดแทนพลังงานฟอสซิลแบบเดิม กังหันลมผลิตไฟฟ้าจึงเป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่ช่วยผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ บทความนี้จะพาเราไปทำความรู้จักกับกังหันลมที่ใช้ผลิตไฟฟ้า ตั้งแต่กลไกการทำงาน ประเภทต่าง ๆ ไปจนถึงข้อดีและข้อเสียที่ควรรู้ เพื่อให้เข้าใจว่าเพราะเหตุใดเทคโนโลยีนี้จึงเป็นหนึ่งในความหวังของอนาคตพลังงานโลก

กังหันลมผลิตไฟฟ้า คืออะไร?

กังหันลมผลิตไฟฟ้า คือกังหันที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานจลน์ ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของกระแสลม ให้กลายเป็นพลังงานกลผ่านการหมุนของใบพัด จากนั้นพลังงานกลดังกล่าวจะถูกส่งต่อไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อเปลี่ยนรูปให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่เราสามารถนำมาใช้งานได้ ซึ่งถือเป็นกระบวนการผลิตพลังงานที่สะอาด ปราศจากการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ประเภทของกังหันลมผลิตไฟฟ้า

กังหันลมผลิตไฟฟ้าเป็นเทคโนโลยีนี้ถูกออกแบบมาหลากหลายรูปแบบ เพื่อให้เหมาะสมกับสภาพพื้นที่และทิศทางของลมที่แตกต่างกัน โดยหลัก ๆ แล้วเราสามารถจำแนกออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ตามลักษณะแกนหมุน ดังนี้

กังหันลมแนวแกนตั้ง (Vertical Axis Wind Turbine – VAWT)

กังหันลมผลิตไฟฟ้าแบบแนวแกนตั้ง มีแกนหมุนที่ตั้งฉากกับพื้นดิน ลักษณะเด่นคือใบพัดจะหมุนรอบแกนในแนวตั้ง คล้ายกับการหมุนของลูกข่างหรือเครื่องตีไข่ ข้อดีคือสามารถรับแรงลมได้จากทุกทิศทางโดยไม่ต้องอาศัยระบบควบคุมทิศทางลม ทำให้เหมาะสำหรับการติดตั้งในพื้นที่ที่มีกระแสลมแปรปรวนหรือเปลี่ยนทิศทางบ่อย

กังหันลมแนวแกนนอน (Horizontal Axis Wind Turbine – HAWT)

กังหันลมผลิตไฟฟ้าแบบแนวแกนนอน เป็นรูปแบบที่เราคุ้นตามากที่สุดและนิยมใช้กันแพร่หลายทั่วโลก แกนหมุนของกังหันจะขนานกับพื้นดินและทิศทางลม โดยส่วนใหญ่จะมีใบพัด 3 ใบ ติดตั้งอยู่บนเสาที่มีความสูงมากเพื่อให้ได้รับลมที่แรงและสม่ำเสมอ การออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์ของกังหันลมชนิดนี้ ช่วยให้สามารถเปลี่ยนพลังงานลมเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตไฟฟ้าเชิงพาณิชย์หรือฟาร์มกังหันลม (Wind Farm) ข้อจำกัดคือจำเป็นต้องมีระบบหันหัวกังหันให้รับกับทิศทางลมอยู่เสมอ และการซ่อมบำรุงทำได้ยากกว่าเนื่องจากอุปกรณ์หลักอยู่บนยอดเสาสูง

หลักการทำงานของกังหันลมผลิตไฟฟ้า

กระบวนการเปลี่ยนสายลมที่มองไม่เห็น ให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้า อาศัยการทำงานประสานกันของชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่มีความซับซ้อนและแม่นยำ เพื่อให้เราเข้าใจถึงกลไกอัจฉริยะนี้ เราจะมาไล่เรียงลำดับขั้นตอนการทำงานหลัก ๆ ที่เกิดขึ้นภายในตัวกังหันกัน

ใบพัดจับพลังงานลม (Capturing Wind Energy)

ใบพัดของกังหันลมถูกออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamics) คล้ายกับปีกของเครื่องบิน เมื่อกระแสลมพัดผ่านใบพัด จะเกิดแรงยกและแรงหน่วงที่แตกต่างกันในแต่ละด้านของใบพัด ความแตกต่างของแรงดันอากาศนี้เองที่ก่อให้เกิดแรงบิด ส่งผลให้ใบพัดเริ่มหมุนรอบแกน ใบพัดที่มีประสิทธิภาพสูงจะสามารถจับพลังงานจากลมได้มากที่สุด แม้ในสภาวะที่มีลมพัดเบา และจะถ่ายเทพลังงานจลน์นี้ไปยังแกนหมุนความเร็วต่ำ (Low-speed Shaft) ที่เชื่อมต่ออยู่กับศูนย์กลางของใบพัด

เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า (Mechanical to Electrical Conversion)

เมื่อแกนหมุนความเร็วต่ำจะส่งแรงไปยังห้องเกียร์ ซึ่งช่วยเพิ่มรอบการหมุนของกังหันลมผลิตไฟฟ้า เนื่องจากใบพัดภายนอกมักหมุนด้วยความเร็วต่ำ ซึ่งไม่เพียงพอที่จะผลิตไฟฟ้าได้ ห้องเกียร์จะทำหน้าที่ทดรอบ เพิ่มความเร็วการหมุนให้สูงขึ้น เพื่อส่งต่อไปยังแกนหมุนความเร็วสูงที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานกลจากการหมุนจะเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กและแปลงสภาพกลายเป็นพลังงานไฟฟ้าในที่สุด

การควบคุมและส่งจ่ายไฟฟ้า (Control and Transmission)

ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากกังหันลมเป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่มีแรงดันไม่คงที่ จึงต้องผ่านระบบควบคุมไฟฟ้าและหม้อแปลง เพื่อปรับแรงดันให้เหมาะสมกับมาตรฐานของระบบสายส่ง ก่อนที่จะจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ระบบจำหน่าย นอกจากนี้กังหันลมผลิตไฟฟ้ายังมีระบบควบคุมความปลอดภัยที่สำคัญ เช่น ระบบเบรกที่จะหยุดการหมุนของใบพัดโดยอัตโนมัติเมื่อความเร็วลมสูงเกินพิกัด เพื่อป้องกันความเสียหายต่อโครงสร้าง และระบบเซนเซอร์วัดทิศทางลมที่จะสั่งการให้มอเตอร์หมุนส่วนหัวของกังหันให้หันหน้ารับลมอย่างแม่นยำ

ข้อดี-ข้อเสีย ของการใช้กังหันลมผลิตไฟฟ้า

กังหันลมผลิตไฟฟ้ามีทั้งข้อดี ข้อเสียที่ควรพิจารณาก่อน เพื่อใช้เป็นข้อมูลในการพิจารณาระหว่างประโยชน์ที่จะได้รับกับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น เพื่อให้เข้าใจภาพรวมอย่างรอบด้าน

ข้อดี

• ลมเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่เกิดขึ้นเองและไม่มีวันหมด จึงเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืน
• กระบวนการทำงานของกังหันลมไม่มีการเผาไหม้ จึงไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเรือนกระจก หรือฝุ่นควันพิษ PM2.5 ช่วยลดภาวะโลกร้อนโดยตรง
• ใช้พื้นที่คุ้มค่า โดยเฉพาะบนเขาหรือโนนสูงที่มีลมผ่าน 

ข้อควรพิจารณา

• ความไม่แน่นอนของลม ลมไม่ได้พัดแรงตลอดเวลา หากไม่มีลมหรือลมเบาเกินไป กังหันลมจะไม่สามารถผลิตไฟได้ จึงต้องมีระบบแบตเตอรี่สำรองหรือแหล่งพลังงานอื่นเสริม
• มลภาวะทางเสียง การหมุนของใบพัดขนาดใหญ่และกลไกภายในอาจก่อให้เกิดเสียงดังรบกวนผู้อยู่อาศัยในระยะใกล้เคียงได้
• ทัศนียภาพและสิ่งแวดล้อม บางคนมองว่าการติดตั้งกังหันลมจำนวนมากทำลายทัศนียภาพทางธรรมชาติ และอาจส่งผลกระทบต่อเส้นทางการบินของนกหรือค้างคาวในพื้นที่
• ต้นทุนการติดตั้งสูง แม้ค่าเชื้อเพลิงจะฟรี แต่ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นในการติดตั้งสูง โดยเฉพาะโครงสร้างขนาดใหญ่และระบบเชื่อมต่อไฟฟ้านั้นค่อนข้างสูง

สรุปบทความ

กังหันลมผลิตไฟฟ้า ถือเป็นนวัตกรรมพลังงานสะอาดที่มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างความมั่นคงทางพลังงาน ช่วยลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลและรักษาสิ่งแวดล้อม แต่สำหรับการใช้งานในระดับครัวเรือนทั่วไป พลังงานไฟฟ้าจากกังหันลมอาจยังมีข้อจำกัดเรื่องความสม่ำเสมอของลมและต้องการพื้นที่เปิดโล่งกว้างขวางเพื่อให้ใบพัดทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ 

การติดตั้งโซลาร์เซลล์จึงอาจเหมาะกับประเทศไทย ที่มีแดดจัดเกือบตลอดทั้งปีมากกว่า เพื่อช่วยลดค่าไฟและประหยัดพลังงานในระยะยาว หากคุณสนใจติดตั้งโซลาร์เซลล์ KG Solar เป็นอีกหนึ่งตัวเลือกชั้นนำ ที่ให้บริการติดตั้งโซลาร์เซลล์ เจ้าใหญ่ที่สุดในไทย ด้วยประสบการณ์และความเชี่ยวชาญ ทีมงานของ KG Solar มีขั้นตอนการติดตั้งโซลล่าเซลล์ตั้งแต่การสำรวจพื้นที่ พร้อมให้คำปรึกษาและออกแบบระบบโซลาร์เซลล์ที่เหมาะสมกับบ้านของคุณ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดในการประหยัดพลังงานและลดค่าไฟฟ้าในระยะยาว

FAQ คำถามที่พบบ่อย

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าไม่มีลมพัดเลย?

หากไม่มีลมพัด หรือความเร็วลมต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดกังหันลมจะหยุดหมุนและไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ ในช่วงเวลานี้ 

กังหันลมมีอายุการใช้งานนานเท่าไหร่?

โดยทั่วไปแล้วกังหันลมผลิตไฟฟ้าที่ได้รับการออกแบบตามมาตรฐานและมีการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ จะมีอายุการใช้งานเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 20-25 ปี อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนบางอย่างที่สึกหรอได้ง่าย เช่น ใบพัด หรือชุดเกียร์ อาจจำเป็นต้องมีการซ่อมแซมหรือเปลี่ยนใหม่ในระหว่างอายุการใช้งาน เพื่อให้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้ายังคงอยู่ในระดับสูง

สามารถติดตั้งกังหันลมผลิตไฟฟ้าเพื่อใช้ในบ้านได้หรือไม่?

เราสามารถติดตั้งกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กใช้ในบ้านพักอาศัยได้ แต่มีข้อจำกัดที่ต้องพิจารณาอย่างละเอียด คือพื้นที่นั้นต้องมีลมพัดแรงและสม่ำเสมอตลอดปี (ความเร็วลมเฉลี่ยควรมากกว่า 4-5 เมตรต่อวินาที) และต้องไม่มีสิ่งกีดขวางทางลม เช่น ตึกสูง หรือต้นไม้ใหญ่ นอกจากนี้ต้องตรวจสอบกฎหมายผังเมืองและข้อบัญญัติท้องถิ่นเกี่ยวกับการติดตั้งโครงสร้างสูงด้วย

กังหันลมผลิตไฟฟ้าแนวตั้งกับแนวนอน แบบไหนดีกว่ากัน?

กังหันลมผลิตไฟฟ้าแนวตั้งกับแนวนอน แบบไหนดีกว่ากัน คำตอบขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์และพื้นที่ติดตั้ง 

• กังหันลมแบบแกนนอน (HAWT) เหมาะกับการผลิตไฟฟ้าจำนวนมากในพื้นที่โล่งกว้าง จะดีกว่าเพราะมีประสิทธิภาพสูงที่สุด 
• กังหันลมแบบแกนตั้ง (VAWT) เหมาะกับการติดตั้งในพื้นที่เขตเมืองที่มีลมแปรปรวน พื้นที่จำกัด หรือต้องการเสียงรบกวนที่น้อยกว่า

ผลิตไฟฟ้าใช้เองที่บ้าน กังหันลมกับโซลาร์เซลล์ เลือกอะไรดี?

สำหรับประเทศไทยซึ่งตั้งอยู่ในเขตเส้นศูนย์สูตร พลังงานแสงอาทิตย์มีความสม่ำเสมอและเข้มข้นกว่าพลังงานลมมาก การติดตั้งโซลาร์เซลล์จึงมักจะคุ้มค่าและตอบโจทย์บ้านพักอาศัยมากกว่ากังหันลม เพราะลมในระดับพื้นดินของบ้านเรือนทั่วไปมักไม่แรงพอและไม่ต่อเนื่อง