ระบบสูบน้ำด้วยกังหันลมโดยเก็บพลังงานในรูปเชิงกล

บทคัดย่อ
บทความนี้เสนอการออกแบบระบบสูบน้ำด้วยกังหันลมโดยเก็บพลังงานในรูปเชิงกล (สปริงหรือล้อจลน์) เพื่อยกน้ำ 500 ลิตรขึ้นสูง 5 เมตรต่อวันโดยไม่ใช้ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์ใดๆ เราจะคำนวณพลังงานที่ต้องใช้ แสดงวิธีการไหลของพลังงานในบล็อกไดอะแกรม และวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อดีข้อเสียระหว่างระบบเก็บพลังงานด้วยสปริงและล้อจลน์ รวมถึงนำเสนอภาพสเก็ตช์โครงสร้างระบบที่ติดฉลากไว้ (labeled schematic) เพื่อใช้ประกอบการอธิบายตามหลักวิศวกรรมเครื่องกลแบบไร้ไฟฟ้า

การคำนวณพลังงานยกน้ำ
การยกน้ำขึ้นที่ความสูง 5 เมตร ปริมาณ 500 ลิตร (ประมาณน้ำหนัก 500 กิโลกรัม) ต้องใช้พลังงานงานโน้มถ่วง

E=mgh=500 "kg"×9.81 〖"m/s" 〗^2×5 "m"≈2.45×10^4 "J/วัน".

ซึ่งประมาณ 24.5 กิโลจูล (หรือประมาณ 6.8 วัตต์-ชั่วโมง) ต่อวัน นับว่าน้อยมาก (กำลังเฉลี่ยเพียง ~0.28 วัตต์ตลอดวัน) อย่างไรก็ตาม ในระบบจริงต้องบวกเผื่อประสิทธิภาพปั๊มและการสูญเสียกลไก (สมมุติ efficiency รวม 50–80% ขึ้นอยู่กับปั๊มและกลไกส่งกำลัง) ดังนั้นอาจต้องออกแบบให้มีกำลังสำรองเล็กน้อย การคำนวณนี้ใช้สูตรพลังงานศักย์โน้มถ่วงพื้นฐาน กล่าวคือมวลความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงความสูง (m·g·h)[1][2].

การเก็บพลังงานในรูปกลไก: สปริง vs ล้อจลน์

การเก็บพลังงานเชิงกลสามารถทำได้สองวิธีหลักคือใช้สปริง (elastic storage) หรือใช้ล้อจลน์ (flywheel) แต่ละวิธีมีลักษณะเฉพาะ ดังนี้

สปริง (Spring) – สปริงเก็บพลังงานโดยการบิดหรือยืดตัว สปริงมีคุณสมบัติได้น้อยในแง่ความหนาแน่นพลังงาน (energy density) โดยสปริงเหล็กคุณภาพสูงเก็บได้ประมาณ 10 กิโลจูล/กก. เทียบกับล้อจลน์ที่เก็บได้สูงกว่า[3][2] อย่างไรก็ตาม สปริงมีข้อดีคือ การเก็บและคืนพลังงานมีประสิทธิภาพสูง (เสียพลังงานน้อยมาก) และระบบมีขนาดไม่ซับซ้อน[4] แต่ข้อด้อยสำคัญคือ วัสดุสปริงมีอายุการใช้งานจำกัด ต้องทนต่อแรงล้า (fatigue) หากใช้งานซ้ำๆ มาก ๆ จะเกิดรอยร้าวและล้าหักได้ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพอาจลดลงตามอุณหภูมิและการสึกหรอ[4] รวมทั้งเก็บพลังงานได้ค่อนข้างน้อยในปริมาณวัสดุจำกัด (สปริงทั่วไปเก็บได้เพียงสิบกิโลจูลต่อกิโลกรัมเท่านั้น)[3] ทำให้ต้องใช้สปริงขนาดใหญ่หรือน้ำหนักมากขึ้นถ้าต้องการพลังงานมากขึ้น

ล้อจลน์ (Flywheel) – ล้อจลน์เก็บพลังงานโดยการหมุนมวลให้กวาดความเฉื่อย (rotational inertia) พลังงานที่เก็บได้ขึ้นกับอินเทียและความเร็วเชิงมุม (½Iω²) สามารถเก็บพลังงานต่อมวลได้มากกว่าแบบสปริงหลายเท่า[2][5] ข้อดีคือ ล้อจลน์ไม่มีข้อจำกัดด้านวงจร (charge-discharge cycles) เหมือนแบตเตอรี่ ทำให้ทนทานและอายุยืนนาน มีประสิทธิภาพสูงในทางทฤษฎี และเมื่อนำกลับมาใช้สามารถวัดปริมาณพลังงานได้ง่ายจากความเร็วรอบ[6] ปัจจุบันมีตัวอย่างล้อจลน์ที่ทำงานต่อเนื่องนับร้อยปีอย่างล้อเก็บพลังงานในเครื่องจักรยุคไอน้ำของเจมส์ วัตต์[6] อย่างไรก็ดี ข้อจำกัดของล้อจลน์คือ ต้องมีขนาดและโครงสร้างใหญ่พอสมควรจึงจะเก็บพลังงานมากได้ ล้อจลน์ขนาดเล็กต้องหมุนรอบสูงมาก จึงเกิดความเค้นสูงและความเสี่ยงแตกหัก[5] รวมทั้งล้อหมุนเร็วจำเป็นต้องติดตั้งชุดตลับลูกปืนหรือแบริ่งชนิดพิเศษ (บางกรณีอาจติดตั้งในห้องสุญญากาศเพื่อลดการสูญเสีย) การแตกสลายของล้อจลน์ความเร็วสูงอาจเป็นอันตรายได้ (เศษเหล็กกระเด็น)[7] การบำรุงรักษาอาจมากกว่าสปริงเล็กน้อย แต่หากออกแบบแข็งแรงและรักษาดี ก็สามารถทำงานได้นานโดยไม่เสื่อมสภาพมากนัก[6]

สรุปข้อดี-ข้อเสีย: สปริงเก็บพลังงานในพื้นที่เล็กได้มาก (สูงสุดไม่เกิน ~10^4–10^5 J/kg ตามวัสดุ)[3] และเรียบง่ายแต่มีพลังงานรวมจำกัด, ขณะที่ล้อจลน์เก็บพลังงานได้มากกว่า (สามารถถึงระดับ kJ/kg สูงกว่า)[2] แต่ต้องแลกกับขนาดใหญ่และความเสี่ยงหากบำรุงรักษาไม่ดี ทั้งคู่ไม่มีปัญหาเรื่องมลภาวะหรือการใช้สารเคมี (เป็นโซลิดสเตต) และใช้ในระบบเครื่องกลไร้ไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปหากต้องการเก็บพลังงานมากๆ ล้อจลน์มักจะเหมาะสมกว่า แต่หากพื้นที่จำกัดและต้องการระบบง่ายๆ สปริงอาจคุ้มค่ากว่า[4][5]

ไดอะแกรมบล็อกและผังภาพระบบ

ระบบพลังงานโดยรวมมีบล็อกการไหลดังนี้: กังหันลม (รับพลังงานลม) → ส่งกำลังเชิงกล (เฟือง/เพลา แปลงความเร็วแรงบิด) → โมดูลเก็บพลังงาน (ตัวเลือก: สปริงหรือล้อจลน์) → กลไกจ่ายพลังงาน (ชุดคลัทช์/เฟืองผ่อน) → ปั๊มสูบน้ำ → ถังเก็บน้ำสูง 5 ม.. โดยระบบสามารถส่งกำลังจากกังหันไปยังกระบอกสูบปั๊มโดยตรงเมื่อมีลม หรือเก็บไว้ในสปริง/ล้อจลน์ แล้วปล่อยต่อให้ปั๊มเมื่อต้องการ (เข้ากับเงื่อนไขงานตามจังหวะของผู้ใช้งาน)

ตัวอย่างการออกแบบผังระบบ (schematic) แสดงในรูปด้านล่าง ซึ่งเป็นตัวอย่างการสูบส่งน้ำด้วยกังหันลมแบบเครื่องกลทั่วไป:

รูป: ภาพประกอบระบบสูบน้ำด้วยกังหันลมแบบเครื่องกล (มีเฟือง, แผ่นบังคับ, แกนโยก, และลูกสูบในท่อน้ำ) อ้างอิงแนวคิดจาก WindmillsTech (Ironman Windmills Co.)

ในรูปกังหันลมจะหมุนชุดเฟืองผ่อน/เพลาส่งกำลัง ลักษณะแบบนี้ใช้กลไกก้านโยก (pitman arm) แปลงการหมุนเป็นการขึ้น-ลงของลูกสูบปั๊ม ดึงน้ำจากท่อฐานขึ้นสู่ถัง การเพิ่มระบบเก็บพลังงานเชิงกล (สปริงหรือล้อจลน์) อาจติดตั้งระหว่างชุดส่งกำลังกับปั๊ม เพื่อกักเก็บแรงหมุนเกินเมื่อมีลมพัดแรง และคืนพลังงานไปควบคุมปั๊มเมื่อผู้ใช้ต้องการสูบน้ำออกมาตามจังหวะที่กำหนด

สรุป
การยกน้ำ 500 ลิตรขึ้นสูง 5 เมตรต้องใช้พลังงานราว 2.45×10^4 จูลต่อวัน (6.8 Wh/day) หากออกแบบระบบสูบส่งด้วยกังหันลมเชิงกลควรคำนึงถึงการเก็บกักพลังงานเผื่อไว้ใช้เมื่อไม่มีลม ในระบบนี้มีทางเลือกหลักคือใช้สปริงหรือใช้ล้อจลน์ ในแง่ข้อดี-ข้อเสียพบว่า สปริงระบบง่าย ขนาดกะทัดรัด และสูญเสียพลังงานน้อย แต่เก็บพลังงานได้จำกัดและอายุใช้งานสั้นกว่า[4][3] ในขณะที่ล้อจลน์เก็บพลังงานได้สูงต่อมวลมากกว่า[2] และอายุการใช้งานยาวนาน (เช่นล้อเก่าๆ ที่ใช้งานมาแล้วเป็นร้อยปี[6]) แต่ต้องการขนาด/โครงสร้างที่ใหญ่กว่าและระมัดระวังด้านความปลอดภัย[5][6]