บทเรียนการเรียนรู้ออนไลน์ วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2

พลังงานลมและการผลิตไฟฟ้า
(Wind Energy & Power)

เรียนรู้หลักการเกิดลม กฎการอนุรักษ์พลังงาน สูตรคำนวณพลังงานจลน์ของลม และทดลองปรับความเร็วลมผ่านการจำลองอินเทอร์แอคทีฟ

ทดลองคำนวณพลังงาน ทำแบบทดสอบ ม.2
จำลองกังหันลม
1

พละงานลมเกิดขึ้นได้อย่างไร?

การเคลื่อนที่ของมวลอากาศเนื่องจากอุณหภูมิและความดันอากาศ

ลม (Wind) คือ อากาศที่กำลังเคลื่อนที่ เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิและความดันอากาศในสองบริเวณอันเนื่องมาจากพลังงานจากดวงอาทิตย์:

  1. ดวงอาทิตย์ส่องแสง: ทำให้อากาศบริเวณหนึ่งร้อนขึ้น ขยายตัว และลอยตัวสูงขึ้น
  2. เกิดบริเวณความดันต่ำ ($L$): บริเวณที่อากาศร้อนลอยตัวไปจะมีความดันอากาศต่ำ
  3. อากาศเย็นไหลแทนที่ ($H$): อากาศเย็นจากบริเวณข้างเคียงที่มีความดันอากาศสูงกว่า จึงไหลเข้ามาแทนที่
  4. การเคลื่อนที่ของมวลอากาศนี้เรียกว่า "ลม"

แผนภาพจำลองการเคลื่อนที่ของลม

☀️🔥
บริเวณอากาศร้อน
อากาศขยายตัว ลอยสูงขึ้น
ความดันต่ำ (L)
❄️🌬️
บริเวณอากาศเย็น
มวลอากาศหนาแน่นกว่า
ความดันสูง (H)
ความดันสูง (H) การไหลของลม ความดันต่ำ (L)
2

การเปลี่ยนรูปพลังงาน (Energy Transformation)

กฎการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานไม่สูญหายแต่เปลี่ยนรูปได้

ในวิชาวิทยาศาสตร์ ม.2 เรื่องกฎการอนุรักษ์พลังงาน กังหันลมทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานจลน์จากมวลอากาศเคลื่อนที่ ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าผ่าน 3 ขั้นตอนหลัก:

ขั้นตอนที่ 1
พลังงานจลน์

อยู่ในมวลอากาศ ($m$) ที่กำลังพัดเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ($v$)

$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$
ขั้นตอนที่ 2
พลังงานกล

ลมปะทะใบพัด ส่งแรงหมุนใบพัดและแกนหมุนของกังหัน

การหมุนของแกนกังหัน
ขั้นตอนที่ 3
พลังงานไฟฟ้า

แกนหมุนส่งต่อให้ ไดนาโม/เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตัดผ่านสนามแม่เหล็กเกิดกระแสไฟ

กระแสไฟฟ้าส่งใช้งาน
3

สูตรคำนวณพลังงานลม (ระดับชั้น ม.2)

สูตรคำนวณพลังงานจลน์ และกำลังของลม ($P_{wind}$)

3.1 พลังงานจลน์พื้นฐานของลม ($E_k$)

$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$
  • • $E_k$ = พลังงานจลน์ (หน่วย: จูล, $J$)
  • • $m$ = มวลของอากาศ (หน่วย: กิโลกรัม, $kg$)
  • • $v$ = ความเร็วลม (หน่วย: เมตรต่อวินาที, $m/s$)

3.2 กำลังของลมที่ผ่านใบพัดกังหัน ($P_{\text{wind}}$)

$$P_{\text{wind}} = \frac{1}{2}\rho A v^3$$
  • • $P_{\text{wind}}$ = กำลังของลม (หน่วย: วัตต์, $W$)
  • • $\rho$ = ความหนาแน่นอากาศ ($\approx 1.225\ kg/m^3$)
  • • $A$ = พื้นที่กวาดใบพัด = $\pi r^2$ (หน่วย: $m^2$)
  • • $v^3$ = ความเร็วลมยกกำลังสาม
📌 จุดสำคัญที่มักออกข้อสอบ! สังเกตตัวแปร $v^3$ (ความเร็วลมยกกำลังสาม) หากความเร็วลมเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า (เช่น จาก $4\ m/s$ เป็น $8\ m/s$) กำลังของลมจะเพิ่มขึ้นถึง $2^3 = 2 \times 2 \times 2 =$ 8 เท่า!

ทดลองเปลี่ยนค่า $v$ เพื่อดูผลลัพธ์ $v^3$

ลองเลื่อนสไลเดอร์เพื่อดูว่าเมื่อความเร็วลม ($v$) เพิ่มขึ้น พลังงานลมจะพุ่งสูงขึ้นอย่างไร

ความยาวใบพัด ($r$): 2.0 m
ความเร็วลม ($v$): 4.0 m/s
พื้นที่กวาดใบพัด ($A = \pi r^2$): 12.57 m²
ตัวคูณความเร็ว ($v^3 = v \times v \times v$): 64
กำลังลมที่ได้รับ ($P_{\text{wind}}$): 492.6 W
ลองเลื่อนความเร็วลมจาก 4 m/s ไปเป็น 8 m/s สังเกตกำลังลมจะเพิ่มจาก ~492 W พุ่งเป็น ~3,940 W (8 เท่า!)
4

ข้อดีและข้อจำกัดของพลังงานลม

เปรียบเทียบจุดเด่นและสิ่งที่ต้องพิจารณาในการนำไปใช้

ข้อดี (Pros)

  • 🍃
    เป็นพลังงานหมุนเวียน (Renewable): เกิดขึ้นตามธรรมชาติและไม่มีวันหมดไป
  • 🌿
    เป็นพลังงานสะอาด: ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกหรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ($CO_2$) ในขณะผลิตไฟฟ้า
  • 💰
    ต้นทุนเชื้อเพลิงเป็นศูนย์: สายลมได้มาฟรีตามธรรมชาติโดยไม่ต้องซื้อเชื้อเพลิง

ข้อจำกัด (Cons)

  • 🌬️
    ความไม่แน่นอนของลม: ความเร็วลมขึ้นอยู่กับฤดูกาล และสภาพอากาศ ไม่สามารถควบคุมได้
  • 🔋
    ต้องใช้ระบบกักเก็บ: จำเป็นต้องมีแบตเตอรี่สำรอง หรือใช้ร่วมกับแหล่งพลังงานอื่นเมื่อไม่มีลม
  • ⛰️
    ใช้พื้นที่มากและมีเสียงรบกวน: ฟาร์มกังหันลมขนาดใหญ่ต้องใช้พื้นที่กว้าง และอาจมีเสียงรบกวนชุมชน
5

แบบทดสอบทบทวนความเข้าใจ (ม.2)

ทดสอบความรู้และวิเคราะห์โจทย์เกี่ยวกับพลังงานลม

ข้อที่ 1: ลมเกิดจากการเคลื่อนที่ของมวลอากาศแบบใด?

ข้อที่ 2: ลำดับการเปลี่ยนรูปพลังงานในกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้าคือข้อใด?

ข้อที่ 3 (โจทย์ท้าทาย ม.2): หากวิศวกรทำการออกแบบกังหันลมใหม่ โดยเพิ่มความยาวของใบพัด ($r$) ให้ยาวขึ้นเป็น 2 เท่า จากเดิม กำลังของลมที่กังหันได้รับ ($P_{\text{wind}}$) จะเพิ่มขึ้นเป็นกี่เท่า?

(คำแนะนำ: พิจารณาจากสูตร $P_{\text{wind}} = \frac{1}{2}\rho A v^3$ และพื้นที่วงกลม $A = \pi r^2$)