การออกแบบกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาด 20 กิโลวัตต์

Abstract

วิทยานิพนธ์นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อทำการวิเคราะห์การออกแบบใบกังหันลมและระบบส่งกำลังสำหรับกังหันลมผลิตไฟฟ้าขนาด 20 กิโลวัตต์ โดยใช้ทฤษฎีโมเมนตัมกับการคำนวณพลศาสตร์ของไหล นำผลเฉลยจากการวิเคราะห์ทางพลศาสตร์การไหล ด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ CF-DesignV9.0 มาใช้ในการออกแบบระบบส่งกำลังให้เหมาะสมกับกังหันลมผลิตไฟฟ้าความเร็วลมต่ำ การออกแบบกังหันลมผลิตไฟฟ้า เพื่อให้ผลิตไฟฟ้าที่ความเร็วลมเริ่มทำงานที่ 2.5 เมตร ต่อวินาที และได้กำลังผลิตไฟฟ้าสูงสุด 20 กิโลวัตต์ ความเร็วลม 9.5 เมตรต่อวินาที โดยใช้รูปร่าง ใบกังหันลม คือ หยดน้ำ รุ่น S-1223 มาใช้ในการสร้างต้นแบบใบกังหันลม ผลการศึกษาพบว่าที่ความเร็วลม 2.5 เมตรต่อวินาที ใบกังหันมีมุมบิดโคนใบ 8 องศา และมีมุมบิดปลายใบ 2 องศา ได้แรงบิด 109 นิวตันเมตร ซึ่งสูงกว่าใบกังหันลมมีมุมบิดโคนใบ 8 องศา ตลอดความยาวใบอยู่ 18 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นนำผลที่ได้มาใช้ออกแบบระบบส่งกำลัง พบว่าแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 10 กิโลวัตต์ 2 ตัว เริ่มต้นหมุนได้ที่ความเร็วลม 2.5 เมตรต่อวินาที ส่วนแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 20 กิโลวัตต์ 1 ตัว ต้องใช้ความเร็วลมเริ่มต้นที่ 4 เมตรต่อวินาที คิดเป็นประสิทธิภาพในการเริ่มทำงานต่างกัน 38 เปอร์เซ็นต์ จากผลสรุปของงานวิจัยจึงเลือกใช้ใบกังหันลมแบบมุมบิดโคนใบ 8 องศาและมุมบิดปลายใบ 2 องศา กับระบบส่งกำลังแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 10 กิโลวัตต์ 2 ตัว ในการออกแบบกังหันลมผลิตไฟฟ้าความเร็วลมต่ำ สำหรับพื้นที่ที่มีความเร็วลมเฉลี่ยช่วง 4-5 เมตรต่อวินาที

The objective of this thesis is to analyze the blade profile and the transmission system of a 20 kW Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs). The momentum theory and Computational Fluid Dynamics (CFD) technique were used to validate the design. The commercial software named CF-DesignV9.0 was used for investigating the blade characteristics. The results from CFD software were applied to the design stage of the transmission system for the low-wind-speed wind turbines. The blade profile in this study was an S-1223 airfoil. This airfoil was applied to the investigating process of the wind turbine with cut-in of 2.5 m/s and rated power of 20 kW at 9.5 m/s wind speed respectively. The CFD results shown that by using S-1223 airfoil for the prototype with the 8-degree angle of blade root and 2-degree angle blade tip at wind speed of 2.5 m/s rotor generated 109 N-m torques. This configuration showed 18-percent higher torque compared to the fixed 8-degree angle thorough the blade length on the same basis. Additionally, the study showed that by using the dual generators required lower starting torque than a single unit. The dual generators required staring torque at incoming wind of 2.5 m/s whiles the single generators needs 4 m/s. These two configurations showed the different of 38-percent performances for these wind turbines. From the conclusion of this thesis, the S-1223 airfoil with 8-degree angle to 2 degree angle blade profile was applied to the dual-generator system. The study showed that the investigated factors were appropriated for applying to low-wind-speed wind which turbines suitable for average wind speed of 4-5 m/s.