การใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนของแสงอาทิตย์

Solar thermal heat system ระบบทำความร้อนจากแสงอาทิตย์

ระบบเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงรังสีคลื่นสั้น (short wave radiation) ให้เป็นพลังงานความร้อนผ่านตัวเก็บรังสีอาทิตย์ (solar collector) โดยอาศัยหลักการเบื้องต้นของแสง ซึ่งเมื่อตกกระทบวัตถุใดๆ จะเกิดปรากฏการณ์เชิงแสง 4 รูปแบบ ได้แก่ การดูดกลืนแสง (absorption) การเปล่งแสง (emission) การสะท้อนแสง (reflection) และการส่องผ่าน (transmission) โดยวัสดุต่างชนิดกันจะมีสมบัติเชิงแสงต่างกัน การเลือกวัสดุที่มีสมบัติเชิงแสงที่เหมาะสมมาสร้างเป็นระบบทำความร้อน ทำให้ใช้ประโยชน์ได้ในหลากหลายลักษณะ เช่น การผลิตน้ำร้อน การสร้างความอบอุ่นในอาคารบ้านเรือนในเขตหนาว กระบวนการอบแห้ง หรือการผลิตกระแสไฟฟ้า เป็นต้น การใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อทำความร้อนเริ่มมีบันทึกเป็นหลักฐานครั้งแรกในปี ค.ศ. 1774 โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อ อังตวน ลาวัวซิเย (Antoine Lavoisier) ผู้ประดิษฐ์เครื่องจักรที่ใช้รวมแสงอาทิตย์เพื่อให้ความร้อนในการทดลองทางเคมี

GW449H286

เตาแสงอาทิตย์ (Solar Furnace) ประดิษฐ์ขึ้นโดย อังตวล ลาวัวซิเย (Antoine Lavoisier)
ที่มา : http://image.wikifoundry.com/image/1/X8Q5b2kgggFDnDY1-FQ3gg62430/GW449H286

Solar collector ตัวเก็บรังสีอาทิตย์

อุปกรณ์ที่ประดิษฐ์ขึ้นเพื่อใช้ในการดูดซับและสะสมพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์และถ่ายเทความร้อนไปให้ตัวกลาง (medium) ที่ลำเลียงไปตามระบบท่อ ส่วนประกอบหลักของตัวเก็บรังสีอาทิตย์ได้แก่

    1. ตัวดูดกลืน (absorber) ทำหน้าที่รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ ทำจากวัสดุที่มีคุณสมบัติดูดกลืนรังสีคลื่นสั้น (short wave radiation) ได้ดี สะท้อนแสงน้อย อัตราการปลดปล่อยพลังงานในรูปรังสีคลื่นยาว (long wave radiation) ตํ่าและไม่ยอมให้แสงส่องผ่าน ได้แก่ โลหะทองแดงหรืออลูมิเนียม เป็นต้น
    1. อุปกรณ์นำความร้อน (heat carrier) ประกอบด้วยตัวกลางและระบบท่อนำความร้อน ทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากตัวดูดกลืนไปยังอุปกรณ์ปลายทาง
    1. อุปกรณ์เก็บความร้อน (energy storage) ทำหน้าที่เก็บสะสมความร้อนก่อนที่จะนำไปใช้งาน ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ที่มีใช้กันอยู่ในปัจจุบันแบ่งตามรูปทรงของตัวเก็บรังสี ได้แก่ ตัวเก็บรังสีแบบแผ่นเรียบ แบบท่อ และแบบรางพาราโบลิก
capture-20150707-144646

เก็บรังสีอาทิตย์ที่ใช้ผลิตนํ้าอุ่นใช้ในอาคารบ้านเรือนประกอบด้วย (1) ตัวดูดกลืนติดตั้งบนหลังคาเพื่อรับแสงอาทิตย์ (2) อุปกรณ์นำความร้อน ได้แก่ ระบบท่อนํ้าร้อน (3) อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) และ (4) อุปกรณ์เก็บความร้อน ได้แก่ ถังนํ้าร้อน รวมถึงระบบทำความร้อนเสริม ในกรณีไม่มีแสงแดดหรือแสงแดดไม่เพียงพอ

Flat plate collector ตัวเก็บรังสีแบบแผ่นเรียบ

ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ที่มีลักษณะเป็นแผงโลหะ ประกอบด้วยตัวดูดกลืนที่เป็นแผ่นเรียบรับแสงทำด้วยทองแดงหรืออลูมิเนียม และมีระบบท่อ (riser tube) เชื่อมติดอยู่ด้านบนของแผ่นรับแสง ปิดทับด้วยกระจกหรือพลาสติกด้านบน (glazing) แผ่นรับแสงเคลือบด้วยสารพิเศษที่มีคุณสมบัติเลือกรังสี (selective coating) ช่วยเพิ่มการดูดกลืนแสงอาทิตย์ (absorption) ทั้งจากรังสีตรง (direct radiation) และรังสีกระจาย (diffuse radiation) และลดอัตราการปลดปล่อยพลังงานในรูปของแสง (emission) ตัวแผงโลหะและขอบทั้งสี่ด้านหุ้มด้วยฉนวน เพื่อลดการสูญเสียพลังงานจากการนำความร้อน (conductive heat loss) เมื่อแสงอาทิตย์ส่องเข้ามาในแผงโลหะ พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจากแผ่นดูดกลืนจะส่งผ่านให้ตัวกลาง (medium) ที่ไหลอยู่ภายในท่อ เช่น นํ้าหรือของเหลวชนิดอื่น โดยทั่วไปตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบสามารถนำมาใช้ผลิตนํ้าร้อนเพื่อใช้ประโยชน์ในช่วงอุณหภูมิไม่เกิน 100 องศาเซลเซียส เช่น การผลิตนํ้าร้อนเพื่อใช้ในอาคารบ้านเรือน หรือผลิตนํ้าอุ่นสำหรับสระว่ายนํ้า เป็นต้น

capture-20150707-145110

090715

ส่วนประกอบและระบบผลิตน้ำร้อนพลังแสงอาทิตย์ที่ใช้เก็บรังสีแบบแผ่นเรียบ

Parabolic Trough Collector ตัวเก็บรังสีแบบรางพาราโบลิก

ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ที่มีแผ่นสะท้อนแสง (reflector) รูปทรงพาราโบลาช่วยรวมแสงอาทิตย์ไปยังจุดโฟกัส ณ ตำแหน่งที่ติดตั้งแนวท่อที่มีตัวกลาง (medium) ไหลผ่านทำให้ดูดกลืนความร้อนได้ในปริมาณสูงมาก โดยมีอุณหภูมิสูงถึง 290-400 องศาเซลเซียสกรณีที่ใช้นํ้าเป็นตัวกลาง ถ้าติดตั้งตัวเก็บรังสีแบบรางพาราโบลิก จำนวนมากพอ ความร้อนที่เกิดขึ้นจะทำให้นํ้ากลายสภาพเป็นไอนํ้าแรงดันสูงป้อนเข้าสู่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์เพื่อนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าต่อไปตัวเก็บรังสีแบบรางพาราโบลิกยังสามารถออกแบบให้มีระบบติดตามตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้าเพื่อรับแสงอาทิตย์จากรังสีตรง (direct radiation) ความเข้มสูงได้ตลอดทั้งวัน เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการแปรรูปพลังงานให้สูงขึ้นได้อีกด้วย

capture-20150707-145257

ส่วนประกอบของตัวเก็บรังสีแบบพาราโบลิก

Tubular Collector ตัวเก็บรังสีแบบท่อ

ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ที่มีลักษณะเป็นท่อสุญญากาศประกอบด้วย หลอดแก้วชั้นนอก ชนิดโดร์เนีย (Dornier type หรือ heat pipe evacuated tube) และท่อชั้นในทำจากโลหะทองแดงหรืออลูมิเนียม ติดอยู่กับครีบ (fin) ซึ่งเคลือบด้วยสารพิเศษที่มีคุณสมบัติเลือกรังสี (selective coating) ทำหน้าที่เป็นตัวดูดกลืน (absorber) โดยมีตัวกลาง (medium) เป็นของเหลว เช่น นํ้า ไหลเวียนอยู่ภายในท่อชั้นใน ช่องว่างระหว่างหลอดแก้วชั้นนอกกับท่อโลหะชั้นในเป็นสุญญากาศ เพื่อลดการสูญเสียพลังงานจากการนำและการพาความร้อน (conductive และ convective heat losses) ทำให้ประสิทธิภาพการแปรรูปพลังงานสูงกว่าตัวเก็บรังสีแบบแผ่นเรียบ ตัวเก็บรังสีแบบท่ออีกรูปแบบหนึ่งประกอบด้วยหลอดแก้วสองชั้นชนิดเดวาร์ (Dewar type หรือ all glass evacuated tube) ชั้นนอกเป็นหลอดแก้วใส ผิวหลอดแก้วชั้นในเคลือบด้วยสารพิเศษที่มีคุณสมบัติเลือกรังสี ทำหน้าที่เป็นตัวดูดกลืน ช่องว่างระหว่างหลอดแก้วทั้งสองชั้นเป็นสุญญากาศเช่นเดียวกับชนิดโดร์เนีย ตัวเก็บรังสีแบบท่อสามารถผลิตความร้อนเพื่อใช้ประโยชน์ในช่วงอุณหภูมิ 90-200 องศาเซลเซียส

16885

ตัวเก็บรังสีแบบท่อในระบบทำความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์

capture-20150707-145525

ส่วนประกอบของตัวเก็บรังสีแบบท่อ ชนิดโดเนียร์ (Dornier) และชนิดเดวาร์ (Dewar)

Solar drying การอบแห้งด้วยพลังแสงอาทิตย์

การอบแห้งในระบบปิดที่มีการระบายอากาศ (enclosed ventilated area) พัฒนาขึ้นมาจากการตากแห้ง (sun drying) ซึ่งเป็นวิธีไล่ความชื้นในผลผลิตทางการเกษตร เพื่อยืดอายุการเก็บอาหาร ปัจจัยที่มีผลต่อการอบแห้ง ได้แก่ อุณหภูมิและความชื้นของอากาศ รูปแบบการไหลของอากาศภายในอุปกรณ์อบแห้ง และสมบัติทางกายภาพ/เคมีของสิ่งที่ต้องการจะอบ โครงสร้างอุปกรณ์อบแห้ง (solar dryer) มี 3 แบบ ได้แก่ ตู้อบแห้ง (cabinet) กระโจมอบแห้ง (tent) และอุโมงค์อบแห้ง (tunnel) ซึ่งสามารถสร้างเป็นโรงเรือนอบแห้ง (greenhouse) ที่ผสมผสานอุปกรณ์อบแห้งหลายแบบเข้าด้วยกัน ด้านที่รับแสงทำจากวัสดุโปร่งแสง เช่น พอลิเอทีลีนอะครีลิกหรือกระจก ภายในอุปกรณ์อบแห้งได้รับการออกแบบให้มีอากาศร้อนหมุนเวียนอาศัยหลักการพาความร้อนตามธรรมชาติ (passive solar drying) หรือติดตั้งพัดลม เพื่อเหนี่ยวนำให้อากาศเกิดการเคลื่อนที่ (active solar drying) นอกจากนี้ยังสามารถใช้ร่วมกับลมร้อนที่ได้จากเชื้อเพลิงชีวมวลเพื่อการอบแห้งอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาที่แสงอาทิตย์ไม่สมํ่าเสมอ เช่น ช่วงฝนตก หรือเพื่อลดความชื้นในอากาศก่อนป้อนเข้าสู่อุปกรณ์อบแห้ง ทำให้ใช้เวลาอบแห้งน้อยลง

IMG_4369

ที่มา : http://www.solardryerdede.com/wp-content/uploads/2013/11/IMG_4369.jpg

img111

ที่มา : http://www.tsatcr.com/administrator/product/img111.jpg

ตู้อบพลังงานแสงอาทิตย์

image031-horz

อุโมงคอบแหง หรือโรงเรือนอบแหงพลังแสงอาทิตย เมืองปากเซ แขวงจําปาสัก ประเทศ สปป.ลาว ออกแบบโดย รศ.ดร.เสริม จันทรฉาย ภาควิชาฟสิกส คณะวิทยาศาสตร ม.ศิลปากร โครงการใหความชวยเหลือทางวิชาการ ดําเนินงานโดยกรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษพลังงาน (พพ.) กระทรวงพลังงาน
ที่มา : http://www2.dede.go.th/acmecs/summary%202550/THAI/rpart/2.files/image031.jpg, http://rescom.trf.or.th/upload_photo/93269326.jpg

news_img_351279_1-150x150-horz

โรงเรือนอบแห้งพลังแสงอาทิตย์สําหรับอบข้าวแต๋น ของห้างหุ้นส่วนสามัญข้าวแต๋นแม่บัวจันทร์ อ.เมือง จ.ลำปาง ออกแบบโดย รศ.ดร.เสริม จันทร์ฉาย ภาควิชาฟิสิกส์ ม.ศิลปากร

Passive solar design การออกแบบอาคารพลังแสงอาทิตย์เชิงรับ

การออกแบบทางสถาปัตยกรรมที่นำความร้อนจากแสงอาทิตย์มาใช้ปรับอากาศในอาคารบ้านเรือน โดยอาศัยการนำ การพา และการแผ่รังสีความร้อน เพื่อให้ตัวอาคารมีอุณหภูมิพอเหมาะในการทำงานหรืออยู่อาศัยโดยไม่ต้องติดตั้งอุปกรณ์ใดๆ ลดการใช้เครื่องปรับอากาศ และดูแลรักษาง่าย มีองค์ประกอบหลัก คือ ช่องระบายอากาศ (operable window) มวลความร้อน (thermal mass) หรือวัตถุที่เก็บและปลดปล่อยความร้อนอย่างช้าๆ เช่น กำแพงทรอมบ์ (trombe wall) สระนํ้ารับแสงบนหลังคา (roofpond) และปล่องระบายอากาศ (thermal chimney) การปรับแต่งอากาศกระทำได้ใน 3 ลักษณะ ได้แก่ (1) ระบบรับแสงทางตรง (direct gain) โดยความร้อนจากแสงอาทิตย์จะถ่ายเทให้มวลอากาศในอาคารโดยตรง รวมถึงผนังอาคารซึ่งจะแผ่รังสีความร้อนออกมาในเวลากลางคืน (2) ระบบรับแสงทางอ้อม (indirect gain) โดยมวลอุณหภาพซึ่งนำความร้อนอย่างช้าๆ เมื่อรับความร้อนจากแสงอาทิตย์ในเวลากลางวันจะแผ่รังสีความร้อนออกมาในเวลากลางคืน (3) ระบบรับแสงแยกส่วน (isolated gain) จำเป็นต้องมีส่วนต่อเติมจากตัวอาคาร เช่น เรือนกระจก (greenhouse) รับแสงอาทิตย์ ความร้อนจะถ่ายเทจากส่วนต่อเติมของอาคารผ่านมวลอากาศร้อนไหลเวียนเข้ามาในห้องในเวลากลางวัน และการแผ่รังสีจากมวลอุณหภาพในเวลากลางคืน

capture-20150709-093325

การออกแบบอาคารพลังงานแสงอาทิตย์เชิงรับ (passive solar design) ที่ใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์ในการปรับอากาศให้เหมาะกับการทำงานหรืออยู่อาศัย

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานแสงอาทิตย์. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp.20, 23, 25, 30-31, 38, 42). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.

ienergyguru.com

0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *

Advertisements