[บทความ] เบรกประสิทธิภาพสูงในกังหันลม

เบรกต่างๆ ที่จะนำมาใช้ในกังหันลมจะต้องมี Cycle Rate ที่สั้นลง ทนทานขึ้น และวางใจได้มากขึ้น และโดยมากแล้วจะต้องสามารถติดตั้งในพื้นที่แคบๆ ได้ด้วย ซึ่งผู้เชี่ยวชาญด้านการขับเคลื่อนมีผลิตภัณฑ์ที่สามารถตอบสนองต่อความต้องการในแต่ละด้านอยู่มากมายให้เลือก

ความต้องการแหล่งพลังงานสะอาดที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้โรงไฟฟ้าพลังลมได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ เช่นกัน ซึ่งทำให้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องโดยมุ่งเน้นให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดจากทุกๆ การติดตั้ง พลังงานจากแรงลมที่โรงไฟฟ้าพลังลมสามารถผลิตได้นั้นจะขึ้นอยู่กับขนาดของใบพัดที่ติดอยู่กับแกนเพลาหมุน (Rotor) เป็นสำคัญ ดังนั้น จึงไม่น่าแปลกใจที่เราจะเห็นกังหันลมผลิตไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ แต่พร้อมๆ กับขนาดที่ใหญ่ขึ้นก็จะทำให้ชิ้นส่วนกลไกต่างๆ ที่ใช้ในการส่งผ่านพลังงานต้องรับภาระมากขึ้นด้วยเช่นกัน โดยเฉพาะเบรก


เบรกทำงานโดยอัตโนมัติในกังหันที่ไม่มีคนอยู่ 
คุณลักษณะพิเศษที่สำคัญที่เบรกของกังหันลมผลิตไฟฟ้าควรจะต้องมี ก็คือ มี Cycle Rate ที่สั้นลง ทนทานขึ้น และวางใจได้มากขึ้น บ่อยครั้งที่ความสามารถเหล่านั้นจะต้องถูกอัดลงไปให้มีขนาดที่กะทัดรัดกว่าที่มีใช้งานอยู่ในปัจจุบันอีกด้วย

นอกจากนั้น เบรกเหล่านี้ยังจะต้องสามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติในกังหัน (ปกติแล้วจะไม่มีคนอยู่) และมักจะตั้งอยู่ตามสถานที่ที่ห่างไกล ซึ่งการเดินทางไปซ่อมบำรุงค่อนข้างทำได้ยาก หรือมีค่าใช้จ่ายสูงด้วย ที่สำคัญคือมันจะต้องทำงานอย่างเชื่อถือได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบาก เช่น ในสถานที่ที่มีความชื้นหรืออุณหภูมิสูงๆ บริเวณชายฝั่งที่มีปริมาณความเค็มสูง หรือในสภาพอากาศแบบทะเลทราย ที่เบรกจะต้องทนต่อฝุ่นและทรายได้

ในกังหันลม เบรกจัดว่าเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญในหลายๆ จุด ไม่ว่าจะเป็นเบรกสำหรับ Rotor ซึ่งไม่ว่ากังหันลมขนาดใดก็จะต้องมี เบรกสำหรับระบบทิศทาง (Azimuth System) และเบรกสำหรับการปรับมุมใบพัด (Pitch) โดยเบรกแต่ละตัวนั้นก็จะมีโครงสร้างและคุณลักษณะที่แตกต่างกันออกไป

เบรกสำหรับ Rotor ที่ทำงานได้แน่นอน จะช่วยป้องกันกังหันจากการหมุนเกิน
เบรกสำหรับ Rotor เป็นตัวป้องกันกังหันจากการหมุนเกิน และยังทำหน้าที่เป็นเบรกสำหรับการหยุดทั้งตามปกติ และในกรณีฉุกเฉินด้วย Twiflex หนึ่งในกลุ่ม Altra Industrial Motion เป็นผู้ผลิตเบรกสำหรับ Rotor สำหรับกังหันขนาดใหญ่ ที่มีประสบการณ์มายาวนาน

รูปที่ 1 : ในกังหันลมนั้น เบรกถือเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญในหลายๆ จุด 

โดยปกติแล้วเบรกสำหรับ Rotor จะถูกออกแบบมาให้ทำงานได้โดยไม่มีการขัดข้องกล่าวคือ ใช้สปริงในการสั่งการ และใช้ไฮดรอลิกในการปล่อยลม มันจะมีสปริงที่แข็งแรงซึ่งส่งผ่านแรงทั้งโดยตรง หรือผ่านอุปกรณ์กดแยกต่างหาก ไปกดแผ่นเบรกแต่ละแผ่นเข้ากับจานเบรก ส่วนในการคลายสปริงออกก็จะใช้น้ำมันไฮดรอลิกความดันสูงจากระบบไฮดรอลิก

เบรกสำหรับ Rotor สามารถนำไปใช้ได้ทั้งกับเพลา Rotor ที่หมุนช้า เพลา Generator ที่หมุนเร็ว หรือในบางครั้งก็ใช้กับเพลาทั้งสองเลยก็ได้ โดยหลักการแล้วเบรกสำหรับเพลาที่หมุนช้าจะไม่ค่อยมีอะไรซับซ้อนมากนัก แค่มีแผ่นเบรกขนาดใหญ่หนึ่งอันพร้อมจานเบรกขนาดใหญ่ก็เพียงพอแล้ว
อย่างไรก็ตาม เบรกที่จะใช้กับเพลาที่หมุนช้านั้น จะต้องมีโมเมนต์เบรกที่สูงมาก ดังนั้น โดยปกติแล้วจึงมักจะติดตั้งเบรกเอาไว้บนเพลาที่หมุนเร็ว ระหว่างชุดเกียร์และ Generator มากกว่า เพราะหลังจากที่ผ่านการทดจากชุดเกียร์แล้ว จะทำให้ขนาดของโมเมนต์หมุนที่ต้องใช้ลดน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งจะเป็นการประหยัดต้นทุนกว่า

ในการคำนวณเบรกสำหรับ Rotor มีปัจจัยหลายอย่างที่ต้องคำนึงถึง
การจะติดตั้งเบรกลงไปบนเพลาที่หมุนเร็วนั้น หมายความว่ามันจะต้องสามารถติดตั้งลงไปบนที่แคบๆ ได้ แต่ไม่ว่าจะติดเบรกลงไปบนเพลาใดก็ตาม พลังงานที่มันจะต้องหยุดให้ได้ก็ยังคงมีค่าเท่ากันเหมือนเดิม นั่นหมายความว่า ขนาดของพื้นที่แผ่นเบรกทั้งหมดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

นอกจากนั้น พื้นที่แผ่นเบรกยังจะต้องใหญ่มากพอที่จะกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเบรก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีเบรกฉุกเฉินไปได้ ซึ่งความเร็วรอบและพื้นที่ในการติดตั้งนับว่าเป็นปัจจัยที่สำคัญมากในการกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเบรกและการเลือกชนิดของเบรก

โมเมนต์เบรกเป็นค่าที่สำคัญที่จะต้องคำนวณขึ้นมาตั้งแต่ในระยะแรกของการออกแบบเบรกสำหรับ Rotor ซึ่งในการติดตั้งเบรกลงบนเพลา Rotor นั้นค่าโมเมนต์เบรกสูงสุดที่ยอมรับได้จะขึ้นอยู่กับจำนวนใบพัดของ Rotor หรือการติดตั้งมันลงบนเพลาของเกียร์ แต่ถ้าเป็นการติดตั้งเบรกลงบนเพลาที่หมุนเร็ว ขนาดของโมเมนต์เบรกจะขึ้นอยู่กับโหลดเกียร์สูงสุดที่ยอมรับได้

นอกจากนั้น ยังต้องมีการกำหนดค่าโมเมนต์เบรกต่ำสุดด้วย มิเช่นนั้นแรงเสียดทานที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก (แล้วแต่การใช้งาน) อาจจะทำความเสียหายให้กับ Rotor ของเครื่องได้ ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องคำนึงถึง Safety Factor หรือค่าสัมประสิทธิการใช้งานในการคำนวณด้วย เพื่อที่จะมั่นใจได้ว่าเบรกจะสามารถทำงานได้ในทุกๆ สภาวะอากาศอย่างไม่มีปัญหา

ในการคำนวณยังจะต้องคำนึงถึงแรงเฉื่อยของ Rotor, ค่าโมเมนต์หมุนตามหลักอากาศพลศาสตร์, ความเร็วรอบของ Rotor, องค์ประกอบของวัสดุที่ใช้ทำแผ่นเบรก และคุณสมบัติด้านอุณหภูมิของแผ่นเบรกด้วย

เบรกตัวที่สองในระบบขับเคลื่อนของกังหันลม ได้แก่ เบรกสำหรับระบบทิศทาง (Azimuth Break) มันจะเป็นตัวควบคุมการหมุนของห้องเครื่อง (Nacelle) ที่หมุนอยู่ในกระแสลม โดยปกติแล้วเบรกสำหรับระบบทิศทางจะเป็น Drag Break ซึ่งเป็นตัวกำหนดแรงต้านที่ขึ้นอยู่กับ แรงสปริงที่ใช้หรือตัวโมเมนต์เบรกนั่นเอง

กระบวนการจะเริ่มตั้งแต่ตัววัดลม (anemometer) ตรวจจับการเปลี่ยนทิศทางของลม แล้วสั่งให้ระบบขับเคลื่อนของ Azimuth ทำงาน จนเมื่อระบบทำการหมุนกังหันจนอยู่ในทิศทางที่ดีที่สุดในลม และห้องเครื่องอยู่ในตำแหน่งที่ต้องการแล้ว ก็จะส่งสัญญาณอีกครั้งให้หยุดระบบขับเคลื่อนนั้น

แรงลมที่ต่างกันจะทำให้ภาระ (โหลด) ของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะส่งผลต่อความแม่นยำของตำแหน่งของห้องเครื่องต่อทิศทางลม อย่างไรก็ตาม ก็สามารถที่จะปรับภาระของมอเตอร์ตามกำลังแรงลมที่เปลี่ยนไปได้เช่นกัน โดยติดตั้งเบรกที่ทำงานด้วยระบบทางกลผสมอิเล็กทรอนิคส์ ซึ่งทำงานอยู่ตลอดเวลาลงไปบนเฟืองวงแหวน (Annular Gear) โดยกำลังของเบรกจะถูกควบคุมด้วยสัญญาณที่จะเปลี่ยนไปตามภาระของมอเตอร์

กังหันลมส่วนมากจะมีมอเตอร์ปรับทิศทาง 4-8 ตัว ซึ่งปกติแล้วเบรกจะถูกติดตั้งไว้อยู่ทางด้านมอเตอร์ขับ โดยมากคือด้านล่างของเฟืองวงแหวนของระบบทิศทาง มันมีหน้าที่ควบคุมการวางตำแหน่งของห้องเครื่องให้ได้อย่างแม่นยำ และได้ประสิทธิภาพสูงสุด โครงสร้างเช่นนี้จะช่วยป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับระบบฟันเฟืองจากการเคลื่อนไหวที่นอกเหนือจากการควบคุมได้ นอกจากนั้น มันยังจะช่วยยึดระบบทิศทางเอาไว้ในตำแหน่งที่ถูกต้องเหมาะสมอีกด้วย

รูปที่ 2 : ทั้งเบรกสำหรับ Rotor (A :บน)และเบรกสำหรับระบบทิศทาง (B : ล่าง) ล้วนแล้วแต่ต้องตอบสนองต่อความต้องการที่สูงได้ แม้จะมีขนาดเล็กกะทัดรัดก็ตาม

 
เบรกสำหรับการปรับพิทช์ต้องมีขนาดเล็กเป็นพิเศษ 
ใบ Rotor ของกังหันลมขนาดใหญ่ที่มีแกนตามแนวนอน (horizontal) จะสามารถถูกปรับให้ใช้ประโยชน์จากพลังงานลมได้มากที่สุด หรือเรียกว่าสามารถปรับพิชท์ได้นั่นเอง นอกจากนั้น ยังสามารถปรับใบ Rotor ให้อยู่ในตำแหน่งหันออกจากลม (Vane Position) เพื่อจำกัดการหมุนของใบในกรณีที่ลมแรงมาก หรือเพื่อการซ่อมบำรุง

ระบบขับเคลื่อนของการปรับพิทช์จะมีทั้งแบบอิเล็กทรอนิคส์และไฮดรอลิก โดยระบบอิเล็กทรอนิกส์จะค่อนข้างได้รับความนิยมมากกว่า เพราะจะทำให้ได้โครงสร้างที่สะอาดกว่า และมีขนาดเล็กกว่า นอกจากนั้น มันยังทำงานได้แม่นยำกว่า และสามารถตั้งค่าโปรแกรมให้นำไปใช้งานได้หลากหลาย แต่ไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตาม ก็จะต้องมีเบรกที่ทำงานด้วยไฟฟ้า (Electrically Released) สำหรับหยุด หรือเพื่อเบรกแบบไดนามิกส์ในกรณีที่มีปัญหาเกี่ยวกับระบบปรับพิทช์เกิดขึ้น

ในการเลือกเบรกที่เหมาะสมสำหรับระบบปรับพิทช์จะต้องคำนึงถึงหลายปัจจัยอยู่เช่นกัน ตัวระบบปรับพิทช์เองนั้นต้องมีขนาดที่เล็กมาก เนื่องจากในดุมใบพัดสำหรับติดตั้งมันมีพื้นที่ค่อนข้างจำกัด ดังนั้น เบรกที่จะนำมาใช้จึงต้องมีขนาดเล็กตามไปด้วย แต่ยังคงต้องสร้างโมเมนต์เบรกได้มากพอ โดยปกติแล้วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเบรกจะต้องไม่ใหญ่ไปกว่ามอเตอร์และตัวบอกตำแหน่ง และจะต้องไม่ยาวมากจนเกินไปด้วย

ปัจจัยที่สำคัญอีกประการหนึ่ง คือ อายุการใช้งาน กังหันลมขนาดใหญ่มักถูกออกแบบมาให้สามารถใช้งานได้ประมาณ 20 ปี ดังนั้น ชิ้นส่วน อุปกรณ์ และระบบต่างๆ ที่ติดตั้งอยู่ภายใน จึงควรมีอายุการใช้งานอย่างน้อยเท่าๆ กันนั้น หรือนานกว่าด้วย โดยทั่วไปจะประมาณการเบรกฉุกเฉินของระบบปรับพิทช์ไว้ที่ 500-1000 ครั้งในช่วงระยะเวลา 20 ปีดังกล่าว นอกจากนี้ ด้วยแรงเบรกที่ค่อนข้างสูง ทำให้ต้องคำนึงถึงคุณสมบัติด้านการระบายความร้อน และการรับ Energy Peak ด้วย

ระบบดิสก์เบรกที่เหมาะสมจะสามารถรับโมเมนต์และภาระทางความร้อนที่กล่าวมาได้ แต่ปกติแล้วเบรกประเภทนี้มักจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ค่อนข้างใหญ่ จึงไม่เหมาะกับการนำไปใช้ในสถานที่แคบๆ ในขณะที่เบรกมอเตอร์มาตรฐานที่ใช้สปริงและไฟฟ้าในการเบรกและปลดนั้น ถึงแม้จะมีที่เล็กพอ แต่ก็ไม่สามารถสร้างโมเมนต์เบรก และระบายความร้อนได้เพียงพอ ดังนั้น จึงได้มีการพัฒนาเบรกแบบใหม่ขึ้นมาสำหรับการใช้งานแบบพิเศษนี้

เบรกแม่เหล็กไฟฟ้า มีระยะเวลาการเบรกที่สั้น 
Warner Electric ได้ผลิตเบรกซีรีส์ใหม่ (ERS) ที่ใช้สปริงและไฟฟ้าในการเบรก และผลิตขึ้นมาสำหรับงานนี้โดยเฉพาะ ซึ่งปกติแล้วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของซีรี่ส์ ERS นี้จะเล็กกว่าของเบรกสำหรับมอเตอร์ และทำให้ความยาวของส่วนขับเคลื่อนเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

เบรกซีรีส์ใหม่ ถูกออกแบบมาให้สามารถทำการหยุดแบบไดนามิกส์ได้อย่างน้อย 30,000 ครั้ง ซึ่งมากกว่าที่จำเป็นต้องใช้ในการใช้งานจริงมากทีเดียว และข้อได้เปรียบที่สำคัญของเบรกแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือ ระยะเวลาในการตอบสนองเพียงแค่ 0.2 วินาทีหรือน้อยกว่านั้น ทำให้มันเหมาะมากสำหรับการใช้ในระบบปรับพิทช์ของกังหันลม

นอกจากนั้น รูปทรงของเบรกรุ่นดังกล่าวยังสามารถระบายความร้อนที่เกิดขึ้นในการใช้งานตามปกติได้อย่างไม่มีปัญหา และยังสามารถที่จะระบายความร้อนที่มากเกินกว่านั้นได้อีกด้วย

จะเห็นได้ว่า ทั้งเบรกสำหรับ Rotor สำหรับระบบปรับทิศทาง และสำหรับระบบปรับพิทช์นั้น ล้วนแล้วแต่ต้องตอบสนองต่อความต้องการที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งต่างก็มีปัจจัยหลายๆ อย่างที่ต้องคำนึงถึงด้วยกันทั้งสิ้น ในระหว่างกระบวนการพัฒนาควรจะตัดสินใจเลือกรูปแบบโมเดลที่ต้องการให้ได้เร็วที่สุด เพื่อให้ได้ภาพรวมของทั้งระบบที่สมบูรณ์แบบที่สุด

ในกรณีที่ไม่แน่ใจ ก็ควรที่จะปรึกษากับผู้เชี่ยวชาญอย่างเช่นบริษัทในกลุ่ม Altra Industrial Motion ที่มีประสบการณ์ในด้านนี้สูง และมีเบรกที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานในกังหันลม เพื่อให้มั่นใจได้ว่า มันจะทำงานได้ยาวนานอย่างเชื่อถือได้ และในทุกสภาพอากาศด้วย

ที่มา : mmthailand