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

SOLAR COLLECTOR ตัวเก็บรังสีอาทิตย์

อุปกรณ์ที่ประดิษฐ์ขึ้นเพื่อใช้ในการดูดซับและสะสมพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์และถ่ายเทความร้อนไปให้ตัวกลาง (medium) ที่ลำเลียงไปตามระบบท่อ ส่วนประกอบหลักของตัวเก็บรังสีอาทิตย์ได้แก่

1. 1. ตัวดูดกลืน (absorber) ทำหน้าที่รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ ทำจากวัสดุที่มีคุณสมบัติดูดกลืนรังสีคลื่นสั้น (short wave radiation) ได้ดี สะท้อนแสงน้อย อัตราการปลดปล่อยพลังงานในรูปรังสีคลื่นยาว (long wave radiation) ตํ่าและไม่ยอมให้แสงส่องผ่าน ได้แก่ โลหะทองแดงหรืออลูมิเนียม เป็นต้น

1. 1. อุปกรณ์นำความร้อน (heat carrier) ประกอบด้วยตัวกลางและระบบท่อนำความร้อน ทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากตัวดูดกลืนไปยังอุปกรณ์ปลายทาง

1. 1. อุปกรณ์เก็บความร้อน (energy storage) ทำหน้าที่เก็บสะสมความร้อนก่อนที่จะนำไปใช้งาน ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ที่มีใช้กันอยู่ในปัจจุบันแบ่งตามรูปทรงของตัวเก็บรังสี ได้แก่ ตัวเก็บรังสีแบบแผ่นเรียบ แบบท่อ และแบบรางพาราโบลิก

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

PARABOLIC TROUGH COLLECTOR ตัวเก็บรังสีแบบรางพาราโบลิก

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

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

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