การวิเคราะห์ใบพัดกังหันลมด้วยปฏิสัมพันธ์ระหว่างของไหลและโครงสร้างแบบ 2 ทาง

บทคัดย่อ

การคำนวณกังหันลมผลิตกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่นิยมใช้ใบพัดกังหันลมเป็นแบบแข็ง (rigid) ซึ่งจะไม่นำการเสียรูปของใบพัดมาคำนวณ แต่ในความเป็นจริงใบพัดมีการแอ่น การบิดจากแรงลมที่ปะทะ และการผลิตพลังงานไฟฟ้าจำเป็นต้องนำการเสียรูปของ ใบพัดมาคิดด้วย งานวิจัยนี้ได้มุ่งเน้นที่จะศึกษาการเสียรูปของใบพัดกังหันลมด้วยคุณสมบัติของแผ่นโครงสร้างคอมโพสิตแบบแซนวิช (Sandwich Composite) ใบพัดที่นำมาศึกษามีความยาว 33.25 เมตร (WindPact 1.5 MW) นำมาจำลองด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) เพื่อศึกษาพลังงานที่ผลิตได้ วิเคราะห์ด้วยวิธีการปฏิสัมพันธ์ระหว่างของไหลและโครงสร้าง (Fluid-Structure Interaction) เพื่อศึกษาการเสียรูปจากแรงลมที่ปะทะ พิจารณาที่ความเร็วลม 8-24 เมตรต่อวินาที เปรียบเทียบประสิทธิภาพของใบพัด จากการคำนวณแบบทางเดียว (One-Way FSI) คำนวณหาพลังงานไฟฟ้าจากพลศาสตร์ของไหล (CFD) โดยใช้รูปร่างใบพัดตามที่ออกแบบ ยังไม่นำการเสียรูปมาคำนวณ จากนั้นส่งข้อมูลความดันที่กระทำต่อผิวใบพัดไปคำนวณด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEA) เพื่อทำนายการเสียรูปของใบพัด และแบบสองทาง (Two-Way FSI) เริ่มคำนวณหาการเสียรูปของใบพัดด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEA) แล้วนำรูปร่างใบพัดที่เสียรูปแล้วมาคำนวณด้วยพลศาสตร์ของไหล (CFD) เพื่อหาพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ จากนั้นในรอบที่สองส่งข้อมูลความดันที่กระทำต่อผิวใบพัดไปคำนวณหาการเสียรูปด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEA) อีกครั้ง แล้วนำรูปร่างใบพัดที่เสียรูปจากการคำนวณรอบที่สองมาหาพลังงานไฟฟ้าด้วยพลศาสตร์ของไหล (CFD) ทำการคำนวณแบบวนรอบไปเรื่อยๆ จนกระทั่งสัมประสิทธิ์โมเมนต์มีค่าลู่เข้าจึงหยุดการคำนวณ ผลการศึกษาพบว่าใบพัดชนิด WindPact 1.5 MW พลังงานที่ผลิตได้ของการคำนวณแบบทางเดียวกับแบบสองทางให้ผลที่ไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ จึงทำการเปลี่ยนแปลงใบพัดโดยลดค่ามอดูลัส (modulus: E_x, E_y) ของเนื้อวัสดุลง 3 เท่า ที่ความเร็วลม 12 เมตรต่อวินาที การคำนวณพลังงานที่ผลิตได้แบบสองทาง 1.54 เมกะวัตต์ และแบบทางเดียว 1.45 เมกะวัตต์ ซึ่งแบบสองทางมีค่ามากกว่าแบบทางเดียวคิดเป็น 6.2 เปอร์เซ็นต์ และความเร็วลม 16 เมตรต่อวินาที การคำนวณพลังงานที่ผลิตได้ แบบสองทาง 1.57 เมกะวัตต์ และแบบทางเดียว 1.64 เมกะวัตต์ ซึ่งแบบทางเดียวมีค่ามากกว่าแบบสองทางคิดเป็น 4.27 เปอร์เซ็นต์ ผู้วิจัยมีความเชื่อว่าการคำนวณแบบสองทางให้ผลที่แม่นยำกว่าเพราะได้นำโครงสร้างที่มีการเสียรูประหว่างการทำงานมาคิดด้วยและสอดคล้องกับงานวิจัยที่มีการเผยแพร่แล้ว