1

บทท 1 บทน ำ

การผลตไฟฟา ปจจบนใชตนก าลงจากรปแบบตางๆ ซงพลงงานจากน าทน ามาใชสวน

ใหญจะเปนการใชจากเขอนกกเกบน าซงจะไดพลงงานไฟฟาเปนจ านวนมาก เนองจากการสรางเขอนท าไดยาก จงมการใชพลงงานน าจากแหลงน าขนาดเลก เชน น าตก ฝาย จากการไหลของแมน า เปนตน แตยงไมพบวามการน าแรงดนจากการไหลของน าในทอมาใชในการผลตไฟฟา จงมแนวความ คดทจะน าแรงดนน าในทอมาผลตไฟฟา โดยพลงงานฟาทผลตไดจะถกใชส าหรบหลอดไฟฟาสองสวาง หรอการชารจเกบพลงงานไวในแบตเตอรตอไป หลกการน าเสนอน จะอาศยแรงดนน าทเกดจากเครองสบน าส าหรบน าพทมอยแลว และใชงานเปนประจ า เปนตวขบเคลอนกงหนทตอพวงกบโรเตอรของเครองก าเนดไฟฟา ท าใหเกดก าลงงานไฟฟาขน จงนบวาเปนการใชประโยชนจากพลงงานน าอกทางหนง โครงงานนจงจะเปนการประดษฐชด “ระบบผลตไฟฟาขนาดเลกจากแรงดนน าในทอ”

1.1 วตถประสงคของโครงงำน

(1) ศกษาระบบการผลตไฟฟาดวยพลงน าจากแหลงน าตางๆ (2) ศกษาความดนในทอน า และความเปนไปไดในการน ามาผลตไฟฟาดวยเครองก าเนด

ไฟฟาขนาดเลก (3) ออกแบบกงหนน า และอปกรณประกอบทเกยวของ (4) ออกแบบระบบการเชอมตอระหวางกงหนน า และเครองก าเนดไฟฟา (5) สรางและทดสอบชดระบบการผลตไฟฟาทไดจากพลงน าในทอ

1.2 ประโยชนทคำดวำจะไดรบ

(1) สามารถน าไฟฟาทผลตไดมาเปนพลงงานส ารองในยามทกระแสไฟฟาขดของได (2) สามารถน าพลงงานน าบรเวณทมทอน าหรอน าพน ามาใชใหเกดประโยชนได (3) เพอเปนการประหยดพลงงานเพอเปนการลดคาใชจาย (4) ท าใหเกดการวเคราะหปญหาตางๆทเกดจากโครงงานและน าความรทไดจากวชา

โครงงานไปประยกตใชในการประกอบวชาชพวศวกรรมในอนาคตได

2

1.3 ขอบเขตโครงงำน

(1) ออกแบบชดตนก าลงเพอเปนตนก าลงในการขบโรเตอรของเครองก าเนดไฟฟา (2) สรางตวถงชดสาธตระบบปดการผลตไฟฟาขนาดเลกจากแรงดนน าในทอ (3) ใชเครองก าเนดไฟฟากระแสสลบ 1 เฟส (4) สรางชดวงจรส าหรบประจไฟฟาใหแบตเตอรรขนาด 12V

1.4 โครงสรำงของโครงงำน

ภาพท 1.1 โครงสรางของโครงงาน

3

บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ

บทนจะกลาวถง ทฤษฎทเกยวของ ทจะน ามาใชในการท าโครงงานน เปนการศกษาหา

ขอมล เพอจะไดความรมาวเคราะห เพอทจะน าไปใชกบการท าโครงงานตอไป

2.1 เครองสบน ำ กำรเลอกเครองสบน ำ [1] [5]

ถาจะเลอกเครองสบน ามาใชงานใหเหมาะสมกบการใชงานหรอใชงานทวไปแลว ควรค านวณตามหลกการจรงๆ ซงจ าเปนตองรพนฐานตางๆของเครองสบน าดวย หนวยวดตางๆทใชกบเครองสบน า การดตารางความสามารถของเครองสบน า แรงดนสญเสยภายในทอ หากไมเขาใจกอาจจะท าใหการเลอกเครองสบน าเกดการผดพลาดได หรออาจจะเลอกมาไมเหมาะสมกบงาน

2.1.1 หนวยวด (1) หนวยวดการไหลของน า ทเครองสบน าสามารถท าได หนวยทนยมใชมดงน

- ลตรตอนาท min)/(L (หมายความวาภายใน 1 นาทมน าไหลผานได 1 ลตร ) - ลกบาศกเมตรตอชวโมง )/( 3 hrm (หมายความวาภายใน 1 ชวโมงมน าไหล

ผานได 1 ลกบาศกเมตร) (2) หนวยวดความสง ทเครองสบน าสามารถสงน าขนไปในแนวตงได หนวยวดทนยมใช

คอ เมตร )(m (3) หนวยวดก าลงมอเตอรของปมน า ม 2 หนวยวดดวยกนคอ

- แรงมา )(hp (ประมาณ 750 วตต = 1 แรงมา) - กโลวตต )(kW (1000 วตต = 1 กโลวตต)

ส าหรบหนวยเอสไอ (SI Units) ก าลงวดเปนหนวยวตต (W) หรอหนวยใหญทนยมใชกนคอ กโลวตต ):( kWKilowatt หนงก าลงมามคาเทากบ kW746.0 หรอ kW1 เทากบ hp34.1

2.1.2 ขนำดของทอ (Pipe) ขนาดของทอและชนดของทอมความส าคญในการใชงาน ขนาดของทอทเลกยอมท าให

น าไหลผานไดนอย ทอทใหญยอมผานไดมากกวา ดงนนจงควรเลอกใชทอไหเหมาะสมตามความตองการของงาน

4

ตารางท 2.1 การเลอกใชทอใหเหมาะสมกบกบการใชงาน

ขนาดทอ

เสนผาศนย

กลางภายนอก

ความหนา

(THICKNESS)

อตราการไหลสงสด

)/( 3 sm

อตราการไหลสงสด

โดยประมาณ )/( 3 sm

นว mm PVC5 PVC8.5 PVC13.5 ½ 18

15.022 - 20.00.2 20.05.2 1,405 1.41

¾ 20 15.026 -

20.00.2 20.05.2 2,054 2.05 1 25

15.024 - 20.00.2 25.00.3 3,819 3.82

1 ¼ 35 15.042 15.05.1 20.00.2 25.01.3 6,127 6.13

1 ½ 40 5.1.048 15.05.1 20.03.2 25.05.3 7,992 7.99

2 55 15.060 20.08.1 25.09.2 30.03.4 12,464 12.46

2 ½ 65 20.076 20.02.2 25.05.3 35.04.5 27,700 27.70

3 80 20.089 20.05.2 30.01.4 40.04.6 45,538 45.54

4 100 30.0114 25.02.3 35.02.5 50.01.8 68,649 68.65

5 125 30.0140 30.09.3 40.04.6 55.09.9 95,464 95.46

6 150 40.0165 30.06.4 45.05.7 65.07.11 27,700 27.70

ตารางท 2.2 ตวอยางความสามารถของเครองสบน า

Model Motor Voltage Q = Capacity ( hrm /3 , min/L )

ขนาดทอ เขา

ขนาดทอ ออก KW HP

220v. 50hz

m3/hr 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8 6 L/min 10 20 30 40 50 60 70 80 100

VJ100 0.74 1 4.7 Head (M.)

48 43 38 33 25 10 1" 1" VJ150 1.1 1.5 8.2 61 59 57 54 50 46 40 1.1/2" 1" VJ200 1.65 2.2 10.3 61 59.5 58 56 54 51 49 46 40 1.1/2" 1"

5

จากตารางท 2.2 ความสามารถของเครองสบน าขางตน คาอตราการไหลทท าใหเครองสบน ามประสทธภาพดทสด คอ 40 L/min

(1) ถาตองการเครองสบน าขนาด 1.5 แรงมาใชงานกตองเลอกรน VJ150 ซงปมน าตวน จะมจดทใชงานดทสดอยท .50 m จายน าได min/40 L หรอ hrm34.2

(2) ถาตองการเครองสบน าทสามารถสงน าสงได .50 m ตองการน าท min/40 L ควรเลอกรน VJ150 สาเหตทไมเลอกรน VJ200 ซงดจากตาราง กสามารถสงน าสงได .54m นอกจากนยงไดปรมาณน ามากกวา กเพราะวาการเลอกใชเครองสบน าควรเลอกเครองสบน าใหเหมาะสมกบงานใหมากทสด ถาเลอกเครองสบน าทมแรงดนสงเกนไป กอาจจะสนเปลอง แตถาเลอกเครองสบน าทมแรงดนนอยไป กจะไมสามารถใชกบของทเราตองการใชได

หมายเหต ในทางปฏบตควรเพมแรงดนของเครองสบน า (ความสามารถในการสงสง) เพมไปอก %5030 เนองจากการตอขอตอตางๆรวมถงระยะทางในการสง ขนาดมผลตอการเกด Head Loss

2.2 กลศำสตรของไหล

กลศาสตรของไหลเปนเรองราวเกยวกบการน าของไหลซงเปนสารท างานมาใชประโยชนในทางกล ประโยชนเพอความสะดวกในการท างานของชนสวนหรออปกรณตางๆ เชน ระบบทอสงในบทนจะกลาวถงของไหลทอดตวไมได กคอน าซงจะเปนการน าพลงงาน ทไดจากการไหลของน ามาใชประโยชน

2.2.1 คณสมบตของน ำ ความหนาแนน (Density) “ ” เปนคณสมบตทไดจากการเปรยบเทยบมวลตอปรมาตร

ของของไหลนน

v

m (2.1)

โดยท ความหนาแนน )/( 3mkg

m มวล )(kg

v ปรมาตร )( 3m

6

กรณการไหล คอ น า 1 )( 3m จะมน าหนก 1,000 kg แตจรงๆแลวความหนาแนนของน าจะเปน Function กบอณหภม

3/000,1 mkg น าหนกจ าเพาะ (Specific Weight) “ ” หมายถง คาทไดจากการเปรยบเทยบน าหนก ตอปรมาตรของไหล

v

w (2.2)

โดยท น าหนกจ าเพาะ )/( 3mN

w น าหนก )(N

2.2.2 ควำมดน (Pressure) ขณะของไหลอยในสภาวะนงเฉย ความดนภายในของไหลจะมคาเทากบแรงกระท าตอ

หนงหนวยพนท ความดนของของไหลในทางปฏบตแบงออกเปน 2 ประเภท (1) ความดนเกจบวกคอ คาความดนของไหลทมคามากกวาความดนบรรยากาศ (2) ความดนเกจลบหรอ ความดนสญญากาศ คอ คาความดนของของไหลทมคาต ากวา

ความดนบรรยากาศ

A

FP (2.3)

โดยท P ความดน )( 2mN

F แรงกระท า )(N A พนท )( 2m

7

2.2.3 อตรำกำรไหลตอเนอง (Continuity Equation) ของไหลขณะไหลในทอกรณทเปนแบบ Steady Flow หรอไหลอยางสม าเสมอวดคาการ

ไหลได 3 ลกษณะ

(1) อตราการไหลโดยปรมาตร (Volume Flow Rate)

AvQ (2.4) โดยท Q อตราการไหล ( sm /3 ) v ความเรวของการไหล )/( sm

(2) อตราการไหลโดยประมวล (Mass Flow Rate)

Qdt

dm (2.5)

โดยท dt

dm อตราการไหลโดยมวล )/( skg

(3) อตราการไหลโดยน าหนก (Weight Flow Rate)

dt

dW (2.6)

โดยท dt

dW อตราการไหลโดยน าหนก )/( sN

สมการการไหลตอเนองกรณทมความหนาแนนและอณหภมคงทไหลผานทอจะไดวา

มวลทไหลเขาระบบ หรออปกรณทรองรบการไหลของของไหลจะมคาเทากบมวลทไหลจากระบบ

8

2.2.4 พลงงำนทเกยวของกบกำรไหล สมการพลงงานเปนสมการทเกดขนกบของไหลทเคลอนทประกอบดวยพลงงานจาก

ความดน ความเรว และความแตกตางของต าแหนงดงน (1) พลงงานจากความดน คอ ความดนของของไหลในแนวตง

h (2.7)

โดยท h ความสงของผวน า )(m

(2) พลงงานจลน คอ พลงงานอนเนองมาจากความเรวขนาดไหล

g

vKE

2

2

(2.8)

โดยท KE พลงงานจลน )(J

g ความเรงในแนวดง ( 2/ sm ) v ความเรว )/( sm

(3) พลงงานศกย คอ พลงงานทเกดจากน าหนกของของไหลทระดบอางอง

WZPE (2.9) โดยท PE พลงงานศกย )(J

Z เปนระยะทวดจากระนาบอางอง )(m

กรณทการไหลคงทไมมความเสยดทาน สมการพลงงานของของไหลจากต าแหนงท 1 ไป

ยงต าแหนงท 2 จะใชสมการของเบอรนลลในการค านวณดงน

2

2

221

2

11

22Z

g

vZ

g

v

(2.10)

9

ภาพท 2.1 การไหลของน าผานทอ

2.2.5 ควำมดนสญเสย เมอของไหลเคลอนทในทอกลมจะเกดคาความดนสญเสยแยกออกไดสองลกษณะ คอ

ความสญเสยหลก เปนความสญเสยทเกดจากการเสยดทานระหวางการไหลทไหลในทอและผนงทอ ความสญเสยรอง เปนความดนสญเสยทเกดขนในขณะทของไหลๆ ผานขอตอ วาลว อปกรณ อน ๆ รวมทงการไหลผานทอทมการเปลยนแปลงพนทหนาตด การสญเสยหลกขณะทของไหลๆผานทอสามารถหาคาไดดงน

gD

LvfhL

2

2

(2.11)

โดยท Lh ความดนสญเสย )(m

f ตวประกอบความเสยดทาน

L ความยาวทอ )(m

D เสนผาศนยกลางทอ )(m

2.2.6 กำรไหลผำนเทอรไบนของน ำ การไหลของน าผานทอไปยงเทอรไบน โดยตวเทอรไบนจะท าหนาทเปลยนพลงงานจลน

ทเกดจากการไหลของน าใหพลงงานกลตามสมการของเบอรนลล สามารถค านวณคาตางๆ ไดดงน

rhhh 12 (2.12)

2

2

221

2

11

22Z

g

vPhZ

g

vPr

(2.13)

10

rw QhP (2.14)

%100..

r

w

rhQ

P

(2.15)

โดยท rh ความสงของตวเทอรไบน

2.3 คณสมบตของกงหน

กงหนน าเปนเครองจกรกลของไหลชนดทดงพลงงานออกจากของไหลทเปนน า กงหนน าโดยทวไปจะแบงเปน 2 แบบ คอ กงหนแบบปฏกรยา (Reaction Turbine) และกงหนแบบแรงกระแทก (Impulse Turbine) กงหนแบบแรงปฏกรยาจะท าหนาทดงพลงงานออกจากของไหลโดยทของไหลจะไหลเตมตลอดใบพด และมการเปลยนแปลงความดนภายในใบพด กงหนแบบแรงปฏกรยาจะแบงออกไดตามลกษณะการไหล เปนกงหนแบบไหลตามแกน กงหนแบบการไหลผสม และกงหนแบบการไหลตามแนวรศม ในขณะกงหนแบบแรงกระแทกจะเปนตวดงพลงงานออกจากของไหล โดยทเปลยนพลงงานของของไหลจากทสงใหกลายเปนของไหลทมความเรวสงผานตวหวฉด ของไหลทมความสงเคลอนทไปกระแทกใบพดท าใหหมน ชวงทของไหลกระแทกใบพดจะมความดนในของไหลคอนขางคงท ไมมการเปลยนแปลงความดนของน าไหลทใบพดแตจะเปลยนคาความดนทหวฉดกงหนน าทมลกษณะการไหลตามแนวแกน มกถกเรยกวา กงหนแบบทรานซส (Francis Turbine) กงหนทมลกษณะการไหลตามแนวแกนมกถกเรยกวา กงหนแบบพรอแพลเลอร (Propeller Turbine) ซงอาจจะเปนชนดใบทยดอยกบท หรอชนดทสามารถปรบต าแหนงของใบได ซงชนดหลงมกเรยกวา กงหนแบบคาปลาน (Kaplan Turbine) และจากการพจารณาจากคาความเรวจ าเพาะของกงหนน าชนดตางๆ จะพบวากงหนแบบแรงกระแทกจะมคาความเรวจ าเพาะต าทสด ดงนนหากกงหนน าจะตองถกก าหนดใหท างานภายใตเงอนไขทของไหลอยในสภาวะทมคาความสง แตตองการก าลงงานต า ซงจะท าใหมคาความเรวจ าเพาะต าหากน าเอากงหนแบบแรงปฏกรยามาใช ดวยคาทสงสด จะท าใหกงหนนนตองหมนดวยความเรวสง และยงจะเกดความดนสงขนในสวนของใบพดดวย ซงกท าใหตองสรางโครงสรางของเรอนกงหน ดวยโครงสรางทหนาเพอทนความดนใชงานดงกลาวในกรณดงกลาวกงหนแบบแรงกระแทกจะเหมาะสมมากกวา

11

ภาพท 2.2 กงหนน าแบบแรงกระแทก

2.4 วงจรเรยงกระแส [1]

2.4.1 วงจรเรยงกระแสแบบครงคลน (Half wave rectifier) วงจรเรคตไฟรเออร คอ วงจรไฟฟาทมคณสมบตในการแปลงสญญาณไฟฟากระแสสลบ

ใหเปนไฟฟากระแสตรงอปกรณทนยมใชไดแกไดโอด

ภาพท 2.3 วงจรเรยงกระแสแบบครงคลน

เมอจายไฟฟากระแสสลบไฟฟาใหวงจรเรยงกระแส เมอสญญาณในซกลบกลบเขามา

ไดโอดจะไดรบไบแอสกลบ จงไมมกระแสไหลในวงจร แรงดนตกครอมเทากบศนย และเมอสญญาณในซกบวกเขามา ไดโอดจะถกไบแอสตรง ท าใหมกระแสไหลในวงจร ท าใหเกดแรงดนตกครอม LR ตามสญญาณอนพต ดงนนวงจรจะยอมใหสญญาณในซกบวกผานไดเทานน สญญาณเอาทพตทออกมาเปนสญญาณครงไซเคลทเรยกวาครงคลน (Half Wave) วงจรครงคลนจะสามารถจายกระแสใหกบโหลด ไดเพยงในชวงไซเคลทเปนบวกเทานน ดงนนวงจรนจงใชจายกระแสไฟใหโหลดไดไมเตมทนกแรงดนเอาทพตโดยประมาณ

pDC VV 318.0

12

2.4.2 วงจรเรยงกระแสแบบบรดจ (Bridge Rectifier) วงจรทใชสญญาณแบบเตมคลน (Full Wave) อกแบบหนงคอวงจรแบบบรดจ แตท

ตางกนคอ ในวงจรบรดจจะใชไดโอด 4 ตว และหมอแปลงจะเปนแบบไมมเซนเตอรแทป

ภาพท 2.4 วงจรเรยงกระแสแบบบรดจ

จากรปเมอมสญญาณไฟซกบวกเขามาทจด A จะท าให ท 2D และไดรบไบแอสตรง

กระแสไฟจะไหลผาน 2D โหลด LR และ 4D ครบวงจรทจด B ในขณะเดยวกนท 1D และ 3D จะไดรบไบแอสกลบท าใหไดโอดไมน ากระแส และเมอทจด B มสญญาณไฟซกบวกเขามากระแสจะ

ไหลผาน 2D โหลด LR และ 1D ครบวงจรทจด A แตในขณะเดยวกนท 2D และ 4D จะไม

น ากระแส วงจรบรดจจะใหสญญาณเอาทพตเหมอนวงจรเตมคลนแรงดนเอาทพต โดยประมาณมคาเทากบ

DCV 636.0)( FullWave PV

2.5 แบตเตอรและกำรประจแบตเตอร [2]

แบตเตอร (Battery) เปนอปกรณทสามารถแปลงพลงงานเคม ใหเปนพลงงานไฟฟาไดโดยตรงโดยการใชเซลลกลวานก (Galvanic Cell) ทประกอบดวยขวบวกและขวลบพรอมกบสารละลายอเลกโตรไลต (Electrolyte Solution) ซงแบตเตอรอาจประกอบดวยเซลลกลวานกเพยง 1 เซลลหรอมากกวากได พนฐานของแบตเตอรทประกอบดวย ขวบวก ขวลบ มสารอเลกโทรไลต (Electrolyte) และมแผนกน เพอปองกนไมใหขวบวกและลบสมผสกนโดยตรง โดยทแตละเซลลของแบตเตอรมแรงดนเทากบ 2V ดงนนแบตเตอร 12V จงประกอบดวย 6 เซลลตอกนแบบอนกรมเซลลทงหมดอาจบรรจอยภายในกลองเดยวหรอแยกกลองกได ซงการตอแบตเตอรมดงตอไปน

13

2.5.1 กำรประจแบบแรงดนคงท จากทไดทราบมาแลววา การประจแบบกระแสคงท จะท าการประจอยางรวดเรวไมได จง

มการไดศกษาถงการประจแบบแรงดนคงทในการประจแบบน จะใชระยะเวลาในการประจนอยกวาการประจในแบบแรก หรอท าการประจไดอยางรวดเรวกวานนเอง ระยะเวลาในการประจจะเรวเทาไรนน ขนอยกบความสามารถของเครองประจจะตองจายกระแสออกมาได %50 ของแบตเตอรมาท าการประจ เชน แบตเตอรขนาด 100 Ah จะใชเวลาในการประจเทากบ 2 h

การประจแบตเตอรเกดจาก การน าแบตเตอรทถกเอาน าพลงงานออกไปใชจนประจลดลง จงตองมการประจไฟใหแบตเตอรจนมประจเตมดงเดม การประจแบตเตอรโดยระบบแรงดนคงทท าไดโดยการใชเครองประจหรอเครองก าเนดไฟฟา เปนตวก าเนดแรงดนขนมาแลวเขาแบตเตอร แตการก าเนดแรงดนจากเครองประจหรอเครองก าเนดไฟฟา อาจจะมแรงดนทไมคงท และนบวาเปนวงจรทส าคญยงส าหรบการประจ ซงตวนเราเรยกกนทวไปวา วงจรเรคกเลเตอร (Voltage Regulator) ดงนน วงจรเรคกเลเตอรจะท าหนาทใหแบตเตอรไดรบการประจทคงท และนบวาเปนวงจรทส าคญยงส าหรบการประจแบบแรงดนคงท และในท านองเดยวกน ถาหากวงจรเรคกเลเตอรนเสย จะท าใหแบตเตอรไดรบระดบแรงดนในการประจทไมถกตอง ซงจะท าใหแบตเตอรไดรบแรงดนในการประจมากหรอนอยเกนไป โดยระดบแรงดนทงสองทกลาวมานจะท าใหแบตเตอรเกดการเสยหายซงไดกลาวมาแลวในหวขอระดบแรงดนในการประจโดยทวๆไปนน การตงแรงดนเรคกเลเตอร จะมคาแรงดนเทาไรนนใหดคมอของแบตเตอรนนๆ เปนหลกในกรณทไมมหนงสอคมอใหใชหลกการดงน ใหใชจ านวนแรงดนในการประจตอเซลล คณดวยจ านวนแรงดนในการประจตอเซลล คณดวยจ านวนเซลลของแบตเตอรทท าการประจ เชน แบตเตอร 24 เซลลจะปรบแตงแรงดนของเครองประจเทากบ 2.15 คณดวย 24 เทากบ 51.6

2.5.2 หลกกำรอดประจไฟฟำแบตเตอร เครองอดประจแบตเตอรเปนแหลงจายไฟกระแสตรง ซงจะใหระดบแรงดนสงกวาระดบ

แรงดนของแบตเตอร ในขณะทมการอดประจแบตเตอรจะใหขวบวกของเครองอดประจแบตเตอร โดยทกระแสทท าการประจแบตเตอร จะมทศทางตรงขามกบทศทางของกระแสทแบตเตอรจายออกมา

14

ภาพท 2.5 ทศทางการไหลของกระแสอดประจ

โดยท E แรงดนทท าการอดประจ )(V CE แรงดนทขวแบตเตอร )(V

iR ความตานทานภายในของแบตเตอร )(

I กระแสทใชในการอดประจแบตเตอร )(A สมการทไดจากภาพท 2.5 คอ

iC IREE (2.16)

i

C

R

EEI

)( (2.17)

เมอแรงดนทแบตเตอร cE มคาเทากบแรงดนอดประจ E จะไมมกระแส I ไหลในวงจร

ถาแรงดน cE ต ากวาแรงดน E จะท าใหมกระแสไหลเพอเขาไปอดใหกบแบตเตอร แตถาใหแรงดน

cE สงกวาแรงดน E กระแสจะถกอดประจออกจากแบตเตอร คาความตานทานภายใน iR ของแบตเตอรสวนมากจะมคานอย ซงมหนวยเปน โอหม โดยจะมการเปลยนแปลงไปในขณะทอดประจปรมาณทแบตเตอรจะทนได อาจจะท าใหแบตเตอรช ารดได การทจะลดปรมาณกระแสการอดประจแบตเตอรใหต าลง ท าไดโดยเอาความตานทานตออนกรมเขาไป เพอจ ากดปรมาณกระแสทไหลไดตามตองการดงภาพท 2.6

15

ภาพท 2.6 การตอคา sR ในวงจร

ค านวณกระแสไดดงน

is

c

RR

EEI

)( (2.18)

i

c RI

EEI

)( (2.19)

เมอแบตเตอรแบบทตยภม อตราการอดประจหรอคายประจ จะขนอยกบความจของ

แบตเตอรพกดของกระแสอดประจจะออกใหเปนชวโมง ฉะนนคาของกระแสจะหาไดจากคาความจซงมหนวยเปน แอมแปร-ชวโมง แตทงนและทงนน คาความสมพนธของกระแสและชวโมงในการคายประจน จะไมแปรผนตามกนตลอด เชน แบตเตอร 100 Ah คายประจกระแส 5A ในเวลา 20h แตถาคายประจกระแส 10 A อาจจะคายประจไดในเวลาเพยง 7 h หรออาจจะคายประจกระแส20A ไดในเวลาเพยง 3h เปนตน จะเหนวาถาจายกระแสในปรมาณมาก คาพกดแอมป - ชวโมง (Ah) ของแบตเตอรอาจมคานอยลง ซงจะขนอยกบการคายประจของแบตเตอร (Rate of Discharge) ซงราคาแบตเตอรกจะตางกนไปดวย อกสงหนงทตองค านงถงวาคาของกระแส ในการประจแบตเตอรควรมคาเทาใด นนคอคาก าลงสญเสยในแบตเตอรซงอาจเขยนในรปของสมการคอ

iRIP 2 (2.20) โดยท P ก าลงสญเสยในแบตเตอร )(W

16

จากสมการขางตนจะเหนวา เมอคากระแสในการอดประจมคาสง จะท าใหมคาสญเสยมาก ซงจะมผลท าใหเกดความรอนขนในแบตเตอร ถามคาสงมากจะท าใหแบตเตอรมอายการใชงานนอยลง หรอจะท าใหเสยหายได ฉะนนในการอดประจแบตเตอร ตองพจารณาขอจ ากดดงกลาวนดวย ประสทธภาพของแบตเตอรกเปนสงจ าเปน

17

บทท 3 กำรค ำนวณและออกแบบ

กระบวนการนเปนการวเคราะหจากเอาทพตทตองการคอ พกดของเครองก าเนดไฟฟา

ขนาดแรงดนเอาทพต 12V พกดกระแส 1A ยอนกลบไปหาขนาดของแรงตนจากพลงงานน า ไดแก ขนาดของกงหนระบบปดทเหมาะสม

ภาพท 3.1 ขนตอนการค านวณและออกแบบ

ออกแบบชดตนก ำลง

เครองก ำเนดไฟฟำกระแสสลบ

วงจรส ำหรบอดประจไฟฟำใหแบตเตอร

พลงงำนกลจำกแรงดนน ำ

18

3.1 ค ำนวณกำรอดประจแบตเตอร

3.1.1 ค ำนวณกำรใชงำนของหลอดไฟฟำ LED ตวโคมท าจาก Aluminium casting , Stainless steelใชกบหลอดฮาโลเจน MR16

12V/50W เหมาะส าหรบใชสองในสระน า น าพ หรอน าตก ชนดตง

ภาพท 3.2 หลอดไฟฟา LED 12V/50W ขอก าหนด

(1) หลอดฮาโลเจน ขนาด 50W จ านวน 2 หลอด (2) ระยะเวลาการใชงาน 2 ชวโมง (3) แรงดนไฟฟาของแบตเตอร 12 V

วธกำรค ำนวณ

ก าลงไฟฟาทจายดวงโคม (Power) 502P W เทากบ 100 W กระแสไฟฟาทจายดวงโคม หาไดจากสตร

V

PI

12

100

33.8 A

19

ตองการใชงานแบตเตอรทระยะเวลา 2 ชวโมง (h) ดงนน คาความจของแบตเตอรทจะตองจายดวงโคม เทากบ

66.16233.8 Ah

คดเผอไว 25% (ตามมาตรฐาน IEEE 1184-1994) ดงนน คาความจของแบตเตอรทจายดวงโคมทงหมด

82.2025.166.16 Ah ดงนนจะเลอกใชแบตเตอร 12V, 20 Ah

3.1.2 สตรหำคำควำมจแบตเตอร ทอดประจเขำ จำกเวลำทใชในกำรอดประจ

แรงดนไฟฟาท 12V และกระแสไฟฟาท 1A ตองการอดประจในเวลา 5 ชวโมง ก าหนด

(1) กระแสไฟฟาทชารจ 1 A (2) เวลาในการชารจ 5 ชวโมง (h) (3) Specific gravity มคาเทากบ 1.2 (4) ปรมาณความจของแบตเตอร (C), Ah

จากสมการ

hIC )2.1/(

5)2.1/1( C

166.4 Ah

ดงนนปรมาณความจของแบตเตอร 4.166 Ah ภายในเวลา 5 ชวโมง

20

3.1.3 สตรหำคำเวลำในกำรประจแบตเตอร ตองการประจแบตเตอรคาความจท 20Ah โดยก าหนดกระแสท 1A

จากสมการ

2.1)/( ICT

2.1)1/20( T

24 h

ดงนนเวลาในการประจแบตเตอรท 20Ah กระแสท 1A ใชเวลาในการประจ 24 ชวโมง

3.2 กำรค ำนวณเครองก ำเนดไฟฟำกระแสสลบ 1 เฟส

ภาพท 3.3 วงจรเรยงกระแสในการออกแบบ จากคาแรงดนเอาทพต (Vdc) 12Volt ค านวณหาคาแรงดนทขวของเครองก าเนดไฟฟา )( tV

rmst VVdc

V 32.1322

12

22

จากวงจรท าการค านวณหาคาแรงดนเฟสของเครองก าเนดไฟฟา aE

rmsphma VNfE 32.1344.4

rmsphmFL

a VNPN

E 32.13120

44.4 2

21

โดยท aE แรงดนเฟสของเครองก าเนดไฟฟา )(V tV แรงดนขวของโหลด )(V

f ความถทางไฟฟา

m เสนแรงแมเหลก )/( 2mWb

phN จ านวนรอบอาเมเจอรทอนกรมกนใน1เฟส )(rpm

สามารถค านวณหาคาความเรวรอบแกนเพลาได จากสมการ

.44.4

1202 rpm

PN

EN

phm

aFL

โดยท FLN2 จ านวนรอบของเฟองทด (ขณะตอโหลด) )(rpm

P จ านวนขวแมเหลก )( pole จากสมการ

AB

โดยท B ความหนาแนนของฟลกซ )(Wb

A พนทตงฉากทฟลกซแมเหลกผาน เสนแรงแมเหลก PoleWbm 0014064.0 (เปนคาคงทของชดแมเหลกถาวร) จ านวนรอบอาเมเจอรทอนกรมกนใน 1 เฟส 140phN รอบ/ขด จ านวนขวแมเหลก 8P ขว

.24881400014064.044.4

12044.142 rpmN FL

22

ค านวณหาแรงบด sm NTP 2

s

m

N

PT

2

2482

13

Nm120 โดยท mP ก าลงทางกล )(W

T แรงบด )(Nm sN ความเรวรอบ )(rpm ชดเฟอง

(1) เฟองขบทกงหนมรศม cmRF 91 จ านวน 32 ฟนเฟอง (2) เฟองทด (เฟองขบโรเตอร) มรศม cmRF 2727.32 ม 16 ฟนเฟอง

(3) อตราการทดเฟอง )(a มคาเพมขน 27.22727.3

9a เทาจากเฟองขบ

คาความเรวรอบของกงหน )( 1FLN หาไดจาก อตราสวนระหวางความเรวรอบของแกนเพลา FLN2 ตออตราการทดเฟอง )(a ไดจากการออกแบบ มคาดงสมการ

.21 rpm

a

NN FL

FL

75.2

2481 FLN

.90 rpm

23

ภาพท 3.4 แบบรางโครงสรางกงหง

3.3 ค ำนวณกงหน

(1) จากขนาดเสนผานศนยกลางสามารถค านวณหาพนทไดจากสตร ขนาดเสนผานศนยกลาง )( mD m40.0 เทากบ รศม mr 48.0)(

4

2

mDA

2

2

4

40.014.3m

23768.0 m

คา A ทได สามารถค านวณหาอตราการไหล (Q ) ก าหนด smv /37.8 AvQ

3768.037.8

sm2045.0

โดยท A พนทหนาตด )( 2m Q อตราการไหลเชงปรมาตร )/( 2 sm

v ความเรวของไหล )/( sm

24

(2) การค านวณแรงดนน า จากตารางท 2.2 ความสามารถของปมน า min/40Lv แปลงหนวยเปน min/04.0 3m

vgF

8.904.01000

N53.6 ดงนน

A

FP

125.0

53.6

2/26.52 mN

โดยท F แรงกระท า )(N

P ความดนน า )/( 2mN

ความหนาแนน )/( 3mkg

g ความเรงในแนวดง )/( 2sm

(3) การค านวณหาแรงบด

rFT 222111 coscos VrVrQT

rrr 21 รศมเฉลย

222111 coscos VrVrQT ก าลงงานทรนเนอรไดรบจากน ามคาเทากบ

r

uTP ;

222111 coscos VuVuQT

25

uuu 21 เพราะวา rrr 21 รศมเฉลย

smQ 3045.0

3000,1 mkg

mr 48.0

tVV 111 cos ความเรวยอยในแนวสมผส เนองจาก 902 องศา ก าหนด 501 องศา

)cos( 11 VQrT

)50cos7.2(48.0045.0000,1

Nm23.21

โดยท T แรงบด )(Nm

r รศมของทอ )(m

(4) ค านวณหา จาก TP ก าหนด WP 200

23.21

200

srad42.9

โดยท P ก าลงไฟฟา )(W ความเรวเชงมม )/( srad

(5) ค านวณหาความเรวรอบของกงหน

2

60N

14.32

42.960

rpm90

26

เครองก าเนดไฟฟาพลงงานน าขนาดเลก ทออกแบบและสรางขนมา มสวนประกอบคอ ตวเครองก าเนดไฟฟา ชดวงจรเรยงกระแสแบบไดโอด โดยไดโอดทใชตองสามารถทนตอกระแสไฟฟาทสงได และสวนประกอบทส าคญอกอยางหนงกคอ ตวกงหนน าและแบรงทประกอบตวกงหนกบแกนเพลา จะตองไดศนยกลาง เพอปองกนการแกวงของกงหนเวลาหมน สวนตวแบรงตองใชแบรงชนดพเศษทกนน าไดเพอปองกนสนม

27

บทท4 กำรทดลองและผลกำรทดลอง

บทนกลาวถงการทดลองการท างานของเครองก าเนดไฟฟาพลงงานน าขนาดเลก โดยท า

การทดลอง 2 ครงคอ การทดลองการท างานโดยไมมการตอแบตเตอร และการทดลองการท างาน โดยมแบตเตอรขนาด 20 Ah ตออย เพอท าการประจแบตเตอร

4.1 วตถประสงคกำรทดลอง

(1) เพอทดลองการท างานของเครองก าเนดไฟฟาวาสามารถผลตไฟฟาไดจรง หรอไม (2) เพอทดสอบวาเครองก าเนดไฟฟาสามารถจายกระแสเพอประจแบตเตอรได (3) เพอศกษาวาชดวงจรเรยงกระแสท างานไดจรง หรอไม (4) เพอศกษาแนวทางในการพฒนาตอไปในอนาคต

4.2 อปกรณกำรทดลอง

(1) เครองสบน า ขนาด 1.5 hp (2) ชดกงหนระบบปด (3) เครองก าเนดไฟฟากระแสสลบ (4) โวลตมเตอร (5) แอมปมเตอร (6) เครองมอวดความเรวรอบ (7) วงจรออโตชารจเจอร (8) แบตเตอรขนาด 12 V

4.3 วธกำรทดลอง

(1) ใชเครองสบน าในการขบเคลอนกงหน (2) วดคาแรงดน เมอไมตอโหลด (3) วดคาแรงดน เมอตอโหลดแบตเตอร 12 V

28

4.4 กำรทดลอง

4.4.1 กำรทดลองชดระบบปดและกำรประจแบตเตอร เมอท าการตดตงอปกรณเรยบรอยแลว ใชเครองสบน าจายน าใหกบตวชดกงหนระบบปด

ท าใหกงหนเกดการหมนในความเรวรอบท 300 รอบ/นาท แลวท าการวดคาเมอไมมโหลดตออย แรงดนไฟฟาทออกมาจากเครองก าเนด มคาเทากบ 13.37Vac จะเหนไดวาตองใชความเรวรอบคงทในการผลตไฟฟาทจะไดแรงดนตามความตองการ

เมอท าการตดตงอปกรณเรยบรอยแลวใชเครองสบน าจายน าใหกบตวชดกงหนระบบปด ท าใหกงหนเกดการหมนในความเรวรอบท 300 รอบ/นาท แลวท าการวดคา ขณะตอแบตเตอร 12 V แรงดนไฟฟาทออกมาจากเครองก าเนดไฟฟา จะมคาเทากบ 12.42Vdc จะเหนไดวาใชความเรวรอบเทากน แตแรงดนทไดตางกน เพราะแบตเตอรทใชในการทดลองมคาแรงดนอย

ภาพท 4.1 การวดคาวงจรเรยงกระแส ตารางท 4.1 ขอมลผลการทดลองการประจแบตเตอร จ านวนรอบ(RPM) แรงบด(Nm) แรงดนไฟฟา(V) กระแสไฟฟา(A) ก าลงไฟฟา(W)

ทชารจ ทชารจ ทชารจ

50 0.32 12.08 0.03 0.33

100 0.37 12.12 0.17 1.65

150 0.79 12.18 0.38 3.88

200 1.20 12.27 0.59 6.21

250 1.61 12.34 0.80 8.58

300 2.02 12.42 1.00 10.83

29

4.4.2 กำรทดลองวดอตรำกำรไหลของน ำ จากภาพท 4.2 และ 4.3 เมอท าการเปดเครองสบน าใหน าไหลเขาในชดกงหนระบบปด

เพอทจะทดลองหาคาอตราการไหลของน าในระบบ จากการทดลองวดคาอตราการไหลทางดานน าเขากงหน เมอไมมการตอโหลด มคาเทากบ 239.3 L/min แตเมอท าการวดคาอตราการไหลทางดานน าเขากงหน เมอมการตอโหลด คาทไดเทากบ 238.4 L/min จะเหนไดวาจากการทดลอง อตราการไหลทางดานน าเขากงหน มคาใกลเคยงกน เพราะอตราการไหลของเครองสบน าทสงน าในระดบคงทจงไมสงผลตอการเปลยนแปลงทางดานน าเขาของกงหนมากจนเกนไป

ภาพท 4.2 คาอตราการไหลทางดานน าเขากงหน เมอไมมการตอโหลด

ภาพท 4.3 คาอตราการไหลทางดานน าเขากงหน เมอมการตอโหลด

30

จากภาพท 4.4 และ 4.5 เมอท าการเปดเครองสบน า ใหน าไหลเขาในชดระบบปด เพอทจะทดลองหาคาอตราการไหลของน าในระบบ จากการทดลองวดคาอตราการไหลทางดานน าออกจากกงหน เมอไมมการตอโหลด มคาเทากบ 268.7 L/min แตเมอท าการวดคาอตราการไหลทางดานน าออกจากกงหน เมอมการตอโหลด คาทไดเทากบ 246.5 L/min จะเหนไดวา เมอไมมการตอโหลดคาอตราการไหลทางดานน าออกจากกงหนมคาสง แตขณะมการตอโหลดคาอตราการไหลทางดานน าออกจากกงหนมคาต าลง เพราะเมอตอโหลดท าใหเครองก าเนดไฟฟามภาระทางไฟฟาเกดขน ท าใหความเรวรอบของเครองก าเนดไฟฟากบกงหน คอนขางหมนชาลง น าทไหลผานกงหนจงชาลงดวยเกดจากการตานของใบกงหน แตถาไมมการตอโหลดเครองก าเนดไฟฟากไมมภาระทางไฟฟา การตานของน าทไหลผานกงหนจงนอย

ภาพท 4.4 คาอตราการไหลทางดานน าออกจากกงหน เมอไมมการตอโหลด

ภาพท 4.5 คาอตราการไหลทางดานน าออกจากกงหน เมอมการตอโหลด

31

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ

สรปผลของโครงงำน

การออกแบบและสราง ระบบผลตไฟฟาขนาดเลกจากแรงดนน าในทอส าหรบน าพ โดยอาศยแรงดนน าจากเครองสบน าทมอยแลว โดยมสวนประกอบส าคญคอ ชดกงหนระบบปด เครองก าเนดไฟฟา และวงจรประจแบตเตอร มการทดลองโดยน าระบบผลตไฟฟาทไดมการสรางขน มาตอเขากบทอน าจากเครองสบน า เพอวดหาคาแรงดนไฟฟาทไดจากการผลต และวดคาอตราการไหลของน าเมอมการตอโหลด และเมอไมมการตอโหลด

จากการทดลองท าการเปดเครองสบน า แรงดนน าจากเครองสบน าไดไหลเขาสชดกงหนระบบปดแรงดนน าจะท าใหกงหนหมน และเครองก าเนดไฟฟากจะสามารถผลตแรงดนไฟฟาออกมา เมอไมมการตอโหลดจ านวนรอบของเครองก าเนดไฟฟาจะอยทประมาณ 900รอบ (rpm) เมอมการประจแบตเตอรเกดขน จ านวนรอบของเครองก าเนดไฟฟาจะอยทประมาณ 200รอบ (rpm) และจะไดแรงดนไฟฟา 12V ทสามารถน าไปเพอประจแบตเตอรได สรปผลการทดลอง แรงดนไฟฟาทไดจากการผลต ของระบบผลตไฟฟาขนาดเลกจากแรงดนน าในทอนน สามารถน าไปประจแบตเตอรขนาด 12V ได แตอตราการไหลของน า ทออกจากกงหนเมอมการตอโหลด และเมอไมมการตอโหลด อตราการไหลของน าจะแตกตางกนกเพราะวา เมอมการตอโหลด จะท าไหระบบผลตไฟฟามภาระทางไฟฟาเกดขน กงหนจะหมนชาลงจงท าไหอตราการไหลของน าทออกจากกงหนมอตราการไหลทนอยกวาเมอไมมการตอโหลด

ปญหำและขอเสนอแนะ สามารถสรปไดดงน เครองก าเนดไฟฟามประสทธภาพคอนขางต าเมอตอกบแบตเตอร

โดยคาประสทธภาพคอนขางต านเอง เปนตวลดทอนความสามารถในการหมนของกงหน อตราการไหลของน าขณะทตอชดกงหนระบบปด และไมตอชดกงหนระบบปด อตราการไหลของน าจะมคาแตกตางกน ขอเสนอแนะ การเพมขนาดของตวน าอารเมเจอรในเครองก าเนดไฟฟา นนยอมสงผลดในแงของการเพมแรงดน สงผลใหคาความสญเสยในขดลวดมคาลดลง อกทงยงเปนการเพมประสทธภาพของเครองก าเนดไฟฟา อตราการไหลของน า สามารถใชงานไดในระดบหนง แตหากตองการรกษาระดบอตราการไหลของน า ขณะทยงไมตอชดกงหนระบบปด กควรทจะเพมอตราการไหลกอนทจะเขาชดกงหนระบบปด โดยวธการเพมชดหวฉด หรอระบบวาลว เพอทจะสามารถเพมแรงดนของน าตามความตองการได

32

เอกสำรอำงอง [1] เจน สงสมพนธ เทคโนโลยอเลกทรอนกส 3 วงจรอเลกทรอนกส ส านกพมพ สถาบน

อเลกทรอนกสกรงเทพรงสต , 2552

[2] กองบรรณาธการหนงสอพเศษดานอเลกทรอนกส แบตเตอรและเครองชารจ ส านกพมพ ซเอด ยเคชน , 2553

[3] ปณยภทร ภมภาค เครองจกรกลไฟฟามหาวทยาลยเทคโนโลยมหานคร , 2550

[4] วนชย จนไกรผล พนฐานระบบไฟฟาก าลง โรงพมพ ฝายบรหารมหาวทยาลยศรปทม , 2552

[5] Stephen S. Chapman, Electrical Machinery Fundamentals,McGraw-Hill Book Co.,1999.

33

ภาคผนวก

34

คมอ วดอตรำกำรไหลของน ำ (Flow Meter)

35

36

37

38