Development of low speed water turbine for generating electricity of 200 watts

ปัจจุบันการแสวงหาพลังงานทดแทนเป็นเรื่องที่มีความสำคัญและเร่งด่วนเป็นอย่างยิ่ง พลังน้ำนับเป็นทางเลือกหนึ่ง อย่างไรก็ตามการสร้างเขื่อนขนาดใหญ่ในประเทศไทยเป็นเรื่องที่เป็นไปได้ยาก สืบเนื่องมาจากกระแสการอนุรักษ์และทรัพยากรที่มีอย่างจำกัด การสร้างกังหันน้ำขนาดเล็กซึ่งต้องการแรงดันน้ำสถิตต่ำ หรือมีเฉพาะแรงดันอันเนื่องจากความเร็วของน้ำเพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้า จึงน่าจะเป็นทางออกที่ดีและมีความเป็นไปได้ ซึ่งแนวคิดในการออกแบบกังหันชนิดนี้ คือ กังหันจะถูกวางในกระแสน้ำซึ่งมีความเร็ว กระแสน้ำจะขับกังหันให้หมุนและส่งต่อกำลังไปยังเพลาซึ่งติดอยู่กับเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้า เช่นเดียวกับกังหันลม ในการออกแบบกังหันจะใช้ทฤษฎี Blade element momentum theory การออกแบบ diffuser 2 รูปแบบ คือ diffuser แบบ 2 ชั้น (Two shell diffuser) มีพื้นที่ทางเข้าโค้งภายใน และ diffuser แบบธรรมดา (simple diffuser) ซึ่งทางเข้าเป็นทางเรียบ พบว่า ความเร็วของกระแสน้ำภายใน diffuser แบบ 2 ชั้น สามารถให้ความเร็วกระแสน้ำสูงสุด 2.0 เท่าของความเร็วน้ำขาเข้า ขณะที่ diffuser แบบธรรมดา ทำได้ 1.7 เท่า อย่างไรก็ตาม diffuser แบบธรรมดาสามารถสร้างได้ง่ายกว่า จึงถูกเลือกเพื่อก่อสร้างและในการศึกษาถึงผลของมุมของ simple diffuser พบว่า ความสามารถในการเพิ่มความเร็วของกระแสน้ำจะเพิ่มตามมุมที่เพิ่มขึ้น โดยที่ความเร็วสูงสุดที่สามารถเพิ่มได้เป็น 3.5 เท่าของกระแสน้ำขาเข้าที่มุม 90 องศา โดยพบว่า ความเร็วที่เพิ่มขึ้นมีความสัมพันธ์กับปัจจัยดังนี้ (1) Back pressure velocity ratio หรือ อัตราส่วนความเร็วที่ทางออกและความเร็วของน้ำด้านหน้า diffuser โดยพบว่า ในช่วง 0-70 องศา ) Back pressure velocity ratio จะมีค่าเพิ่มขึ้นตามมุม และคงที่เมื่อมุมอยู่ระหว่าง 70-90 องศา โดยเมื่อมีการไหลและเกิดการหมุนวนบริเวณใกล้ผนังทางออก มีผลให้ static pressure บริเวณทางออกต่ำ ซึ่งจะช่วยดึงของไหลที่อยู่ด้านหน้าของ diffuser เข้ามาภายในมากขึ้น เป็นผลให้ความเร็วภายในและความเร็วตามแนวแกนที่ทางออกของ diffuser มีค่าสูงขึ้น (2) diffuser area ration หรืออัตราส่วนความเร็วที่ภายในและทางออกของ diffuser ซึ่งมีค่าเพิ่มขึ้นในช่วง 0 ถึง 20 องศา และลดลงจนคงที่ที่มุม 50 ถึง 90 องศา ซึ่งพบว่า ในช่วง 0-20 องศา ไม่มีการแยกไหล การกระจายตัวของของไหลภายในจะมีรูปแบบใกล้เคียงกับ diffuser ในอุดมคติ แต่ในช่วงมุม 50-90 องศา มีการแยกไหลเกิดขึ้น การกระจายตัวของของไหลไม่สม่ำเสมอ และมีรูปแบบที่คล้ายกัน ทำให้ค่า diffuser area ratio ไม่เปลี่ยนแลง และเมื่อพิจารณาถึง power coefficient ของกังหัน พบว่า มีค่าสูงสุดที่มุม 90 องศา เท่ากับ 2.14, power coefficient ของ DAWT มีค่าไม่เกิน 0.59 ซึ่งเป็นไปตาม Betz limits และ power coefficient ของ DAWT จะขึ้นกับ power coefficient ของกังหัน เป็นสำคัญ เมื่อติดตั้ง simple diffuser มุม 20 องศา เข้ากับกังหันซึ่งค่า ) Back pressure velocity ratio, diffuser area ratio ความสามารถในการเพิ่มความเร็วของกระแสน้ำ ของ diffuser เท่ากับ 1.2, 1.5, 1.86 ตามลำดับ พบว่า สามารถเพิ่มกำลังที่ได้ 53.4% เทียบกับเมื่อไม่ได้ติดตั้ง diffuser และจากการทดสอบ สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 301 วัตต์ ที่ความเร็วน้ำขาเข้า 1.8 m/s