จัดทำโดย เด็กหญิงปภินดา สถานทรัพย์ ชื่อเล่น แอ้ม ชั้นม.3/4
สื่อการเรียนรู้วิศวกรรมกังหันลมเชิงปฏิสัมพันธ์ (Interactive Engineering)

เรียนรู้ โครงสร้าง มอเตอร์ และ วงจรไฟฟ้ากังหันลม

เจาะลึกระบบกลศาสตร์การหมุน การลดแรงเสียดทาน การเปลี่ยนพลังงานลมเป็นไฟฟ้า พร้อมทดลองปรับแต่งโมเดล 4D ทุ่งกังหันลม และจำลองวงจรไฟฟ้า 3D เสมือนจริง

Interactive 4D Wind Farm Playground

ห้องทดลอง 4D กังหันลมและทุ่งกังหันลม

หมุนมุมมองได้ 360° เพิ่มจำนวนกังหันลม ปรับอัตราเร่งเวลา (4D Time Control) และความเร็วรอบการหมุนของใบพัด

ลากเพื่อหมุน | สกรอลเพื่อย่อ/ขยาย
4D Dynamic Physics Active
สถานะการหมุน 120 RPM
จำนวนกังหันลม 1 ต้น
กำลังไฟฟ้ารวม 4.2 W

แผงควบคุมและจำลอง 4D

HAWT (Horizontal Axis): รูปแบบมาตรฐาน ประสิทธิภาพสูงที่สุด รับลมในทิศทางเดียว
อัตราเร่งเวลา 4D (Time Speed Multiplier) 1.0x
ความสูงเสากังหัน (Tower Height) 5.0m
ความเร็วลม Simulated (Wind Speed) 12 km/h
ระบบตลับลูกปืน (Bearing)
1

ฐาน เสา แกนหมุน และการลดแรงเสียดทาน

การออกแบบวิศวกรรมโครงสร้างเพื่อความมั่นคงและการถ่ายทอดแรงอย่างมีประสิทธิภาพ

1. ฐาน (Base) และ เสา (Tower)

ทำหน้าที่รับน้ำหนักรวมทั้งหมดและทนต่อแรงลมปะทะ (Thrust Force) ฐานรากต้องมีความกว้างเพื่อถ่วงศูนย์ถ่วง (Center of Gravity) ให้ต่ำลง

  • โครงสร้างเสา: นิยมใช้ท่อเหล็กกลมลดแรงต้านอากาศ (Drag)
  • การสั่นสะเทือน: ต้องออกแบบให้มี Resonance Frequency ต่างจากความเร็วรอบใบพัด

2. แกนหมุน (Shaft/Rotor)

เป็นส่วนที่รับแรงทอร์ค (Torque) จากใบพัดเพื่อส่งต่อไปยังตัวมอเตอร์หรือเกียร์ ส่งผ่านพลังงานกลจากแรงลมเข้าสู่ระบบผลิตไฟฟ้า

  • Low-speed Shaft: หมุนตามใบพัดหลัก รับแรงบิดสูง
  • High-speed Shaft: ต่อเข้ามอเตอร์สร้างพลังงานไฟฟ้า

3. การลดแรงเสียดทาน (Friction Reduction)

แรงเสียดทานสูญเสียพลังงานกลกลายเป็นความร้อน จึงต้องใช้เทคโนโลยีเพื่อช่วยให้กังหันเริ่มหมุนได้แม้ในความเร็วลมต่ำ (Cut-in Speed)

  • ตลับลูกปืน (Ball Bearings): เปลี่ยนแรงเสียดทานจลน์แบบไถลเป็นแบบหมุน
  • การใช้สารหล่อลื่น: จาระบีสังเคราะห์/น้ำมันเครื่องเฉพาะทาง
2

การเชื่อมต่อใบพัดเข้ากับมอเตอร์

กลไกส่งผ่านแรงหมุนและการปรับอัตราทดเกียร์ (Drive Train Mechanics)

1. การเชื่อมต่อแบบตรง (Direct Drive / Rigid Coupling)

ยึดดุมใบพัด (Hub) เข้ากับเพลามอเตอร์โดยตรงผ่าน **Coupling Hub** หรือข้อต่อเพลายืดหยุ่น มีจุดเด่นคือโครงสร้างไม่ซับซ้อน ลดจุดชำรุด สูญเสียพลังงานน้อย เหมาะกับมอเตอร์ความเร็วรอบต่ำแรงดันสูง (High Torque Motors)

2. การเชื่อมต่อผ่านชุดเฟืองทด (Geared Transmission Drive)

ใบพัดกังหันขนาดใหญ่มักหมุนช้า (10-30 RPM) การใช้เฟืองทด (Gearbox) ช่วยเพิ่มความเร็วรอบส่งไปยังมอเตอร์ (เช่น 1:50 หรือ 1:100) เพื่อให้มอเตอร์ตัดสนามแม่เหล็กด้วยความเร็วสูงพอในการสร้างแรงดันไฟฟ้า

3. เทคนิคข้อต่อป้องกัน Center Misalignment

หากศูนย์เพลาใบพัดและแกนมอเตอร์ไม่อยู่ในแนวเดียวกัน จะเกิดการสั่นและตลับลูกปืนพังงาย การใช้ **Flexible Coupling** (ข้อต่อยืดหยุ่น) หรือชิ้นส่วน 3D Print แฟลนจ์จะช่วยชดเชยค่าความคลาดเคลื่อนได้อย่างดี

ไดอะแกรมการส่งกำลัง (Power Transmission Diagram)
ใบพัด (Rotor)
ข้อต่อเพลา
มอเตอร์/เครื่องกำเนิด
แรงลม → แรงบิดหมุนใบพัด → เพลาส่งกำลังผ่าน Coupling → มอเตอร์หมุนสร้างกระแสไฟฟ้า
3

การใช้มอเตอร์เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Motor as Generator)

หลักการแม่เหล็กไฟฟ้าและการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า

กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ (Faraday's Law)

เมื่อขดลวดทองแดงหมุนตัดผ่านเส้นแรงแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet) ภายในมอเตอร์ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กส่งผลให้เกิด **แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (Induced EMF)** ตามสมการ:

EMF = -N × (ΔΦ / Δt)
  • N: จำนวนรอบของขดลวดในตัวมอเตอร์
  • ΔΦ / Δt: อัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กต่อเวลา (ขึ้นกับความเร็วรอบ RPM)

ประเภทมอเตอร์ที่นิยมนำมาปั่นไฟ

1. มอเตอร์กระแสตรงชนิดแม่เหล็กถาวร (DC Permanent Magnet) ให้ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ออกมาโดยตรงเมื่อปั่นเพลา มีขั้วบวก-ลบ ชัดเจน ใช้งานง่ายที่สุดสำหรับกังหันขนาดเล็ก
2. มอเตอร์สเต็ปเปอร์ (Stepper Motor) / BLDC ปั่นไฟได้แรงดันสูงแม้ในความเร็วรอบต่ำ แต่ไฟฟ้าที่ได้จะเป็น **กระแสสลับ (AC Multi-phase)** ต้องผ่านบริดจ์ไดโอดเพื่อแปลงเป็น DC ก่อนใช้งาน
4

วงจรไฟฟ้า 3D บอร์ด LED และการวัดแรงดัน

จำลองบอร์ดวงจรไฟฟ้าสามมิติพร้อมสายไฟ การจ่ายกระแสอิเล็กตรอน LED และโวลต์มิเตอร์วัดแรงดัน

โมเดล 3D วงจรไฟฟ้า (Interactive 3D Circuit Model) สถานะ: กำลังผลิตไฟฟ้า
ลากเมาส์หมุนมุมมอง 3D วงจร
3D Animated Electron Flow
ติดตั้งไดโอดเรกติไฟเออร์
เรียงกระแสป้องกันกระแสย้อนกลับ
V
Digital Voltmeter
แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ (Voltage Out)
3.75 V
กระแสไฟโดยประมาณ: 75 mA
0V (หยุด) 1.8V (LED ติด) 6.0V (Max)
การทำงานในแบบจำลอง 3D: เมื่อหมุนมอเตอร์กระแสจะวิ่งผ่านวงจรไปยังหลอด LED ในสามมิติ หากแรงดันถึง 1.8V หลอดไฟ 3D จะสว่างเรืองแสงพร้อมอนุภาคกระแสไฟฟ้าที่วิ่งสว่างขึ้น