รู้หรือไม่? โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์มีกี่รูปแบบ
พลังงานแสงอาทิตย์ สามารถนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้าได้หลายรูปแบบ นอกเหนือจากการใช้แผงโซล่าร์เซลล์แล้ว ยังมีการใช้ความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ผลิตไฟฟ้า เราเรียกเทคโนโลยีนี้ว่า Solar Thermal Power Plant (โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์) หลักการทำงานของ Solar Thermal Power Plant จะทำงานคล้ายการรวมแสงจากแว่นขยาย แล้วเกิดความร้อน ณ จุดที่มีการรวมแสง เราเรียกว่า ตัวรับแสง ซึ่งทำหน้าที่ในการเปลี่ยนรูปพลังงาน ถ่ายเทความร้อนสู่ตัวกลาง เพื่อเข้าสู่ระบบผลิตไฟฟ้าต่อไป
Solar Thermal Power Plant สามารถแบ่งออกเป็น 5 รูปแบบดังนี้
1. โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนระบบหอคอยรวมแสง (CENTRAL RECEIVER SYSTEM)
หน่วยผลิตความร้อนในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่อาศัยการสะท้อนแสงอาทิตย์ด้วยกระจกเฮลิโอสแตต (heliostat) จำนวนมากไปรวมที่จุดรวมแสงบริเวณตัวรับ (receiver) ที่ติดตั้งบนยอดหอคอย ทำหน้าที่แปรรูปพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อนถ่ายเทให้กับตัวกลาง (medium) สามารถนำไปผลิตไอนํ้าป้อนเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าต่อไป กระจกเฮลิโอสแตตแต่ละแผ่นที่ติดตั้งในทุ่งเฮลิโอสแตต (heliostat field) ได้รับการออกแบบให้ตำแหน่งของการติดตั้งรับกับองศาของมุมตกกระทบของแสงอาทิตย์และองศาของมุมสะท้อนแสงที่แตกต่างกันไป เพื่อสะท้อนแสงอาทิตย์จากแต่ละตำแหน่งของดวงอาทิตย์ไปที่ตัวรับได้ตลอดทั้งวัน ตัวรับบนยอดหอคอยอาจใช้ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger tube receiver) ที่ภายในท่อบรรจุตัวกลางของเหลว เช่น นํ้ามันสังเคราะห์ (synthetic oil) ตัวรับอัดอากาศระบบปิด (closed air receiver) หรือตัวรับมวลอากาศระบบเปิด (open volumetric air receiver) ซึ่งใช้อากาศเป็นตัวกลาง เพื่อลดการกัดกร่อนและอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากนํ้ามันสังเคราะห์ที่ไหลเวียนในระบบ
ประสิทธิภาพโดยรวมของการแปรรูปพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อนของเทคโนโลยีหอคอยรวมแสงขึ้นอยู่กับชนิดและการจัดเรียงกระจกในทุ่งเฮลิโอสแตต ความสูงของหอคอย และประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนของตัวรับแสง โรงไฟฟ้าระบบหอคอยรวมแสงที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน คือ โครงการ Planta Solar 10 และPlanta Solar 20 (PS10 และ PS20) ตั้งอยู่ในเมืองซานลูคา ลา มายอ (Sanlúcar la Mayor) ในประเทศสเปน ครอบคลุมพื้นที่ 225,000 ตารางเมตร โครงการ PS10 และ PS20 เป็นโครงการที่ในระยะแรกจะเริ่มผลิตไฟฟ้าที่กำลังการผลิตรวม 31 เมกะวัตต์ (MW) หลังโครงการเสร็จสิ้นทั้งหมดในปี ค.ศ. 2013 จะมีกำลังการผลิตไฟฟ้าสูงสุดรวม 300 เมกะวัตต์ (MW)
โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ระบบหอคอยรวมแสงที่ใหญ่ที่สุดในโลก ปัจจุบันตั้งอยู่ที่ประเทศสเปน
ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/PS20_solar_power_plant
กระบวนการผลิตไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ระบบจานรับแสง/เครื่องจักรกลสเตอร์ลิง
2. โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน ระบบจานรับแสง/เครื่องจักรกลสเตอร์ลิง (DISH/STIRLING ENGINE SYSTEM)
หน่วยผลิตความร้อนในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่ประกอบด้วยแผ่นกระจกรับแสงรูปจานโค้ง (dish) ทำหน้าที่สะท้อนแสงไปที่ตัวรับแสง (receiver) และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งติดตั้งอยู่ที่จุดโฟกัสของจานรับแสง ทำหน้าที่แปรรูปพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานกลเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ทันที โดยอาศัยหลักการของวัฏจักรสเตอร์ลิง (Stirling cycle) ตัวรับแบบท่อแลกเปลี่ยนความร้อนมีตัวกลาง (medium) คือ แก๊สไฮโดรเจนหรือแก๊สฮีเลียมบรรจุอยู่ในกระบอกสูบซึ่งขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนจากการรวมแสงอาทิตย์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 700 องศาเซลเซียสและที่ความดัน 20 เมกกะปาสกาล(MPa) แก๊สที่เย็นตัวลงจะหมุนเวียนกลับไปรับความร้อน ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่เกิดเป็นพลังงานกลเพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้าฐานของจานโค้งรับแสงถูกออกแบบให้มีระบบติดตามตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้า เพื่อรับแสงอาทิตย์จากรังสีตรง ความเข้มสูงได้ตลอดทั้งวัน จานรับแสงอาจมีลักษณะเป็นจานโค้งผิวเรียบ (continuous plenum) แผงกระจกรวม (attached segments) หรือแผงกระจกแยกส่วน (individual facets) เนื่องจากการออกแบบที่มีความซับซ้อนทำให้ระบบจานรับแสง/เครื่องจักรกลสเตอร์ลิงมีกำลังผลิตไฟฟ้าในระดับไม่เกิน 40 กิโลวัตต์ต่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจาน 5.5 เมตร เหมาะสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้านอกระบบสายส่ง (off-grid system)
โครงการมารีโคพาโซล่าร์ (Maricopa Solar project) โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ระบบจานรับแสง/เครื่องจักรกลสเตอร์ลิง
ในรัฐอริโซนา ประเทศสหรัฐอเมริกา
ที่มา : http://www.power-technology.com, http://www.mortenson.com
กระบวนการผลิตไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ระบบจานรับแสง/เครื่องจักรกลสเตอร์ลิง
จานรับแสงแบบจานโค้งผิวเรียบ (continuous plenum)
ที่มา : http://www.volker-quaschning.de/fotos/psa/Dish1_1024x768.jpg
แผงกระจกรวม (attached segments)
ที่มา : http://thefraserdomain.typepad.com/photos/uncategorized/sterling_solar_dish.jpg
แผงกระจกแยกส่วน (individual facets)
ที่มา : http://www.himinsun.com/products/1-5-3b.jpg
3. โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน ระบบรางพาราโบลิก (PARABOLIC TROUGH SYSTEM)
หน่วยผลิตความร้อนในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ ประกอบด้วยตัวเก็บรังสีแบบรางพาราโบลิก ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อนถ่ายเทให้กับตัวกลาง (medium) เพื่อนำไปผลิตไอนํ้าแรงดันสูงป้อนเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เทคโนโลยีระบบรางพาราโบลิกเริ่มนำมาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าครั้งแรกในปี 1984 ที่โรงไฟฟ้าในโครงการ Solar Energy Generating Systems (SEGS) บริเวณทะเลทรายโมฮาวี (Mojave Desert) ทางตะวันตกเฉียงใต้ของรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา เป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกครอบคลุมพื้นที่ 20.5 ตารางกิโลเมตร มีกำลังการผลิตไฟฟ้าสูงสุด 364 เมกะวัตต์ (MW) โดยมีโรงไฟฟ้าระบบรางพาราโบลิกจำนวน 9 โรง ทำงานร่วมกับระบบเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (ดู fossil fuel) ในเวลากลางคืนหรือช่วงที่ความเข้มของแสงอาทิตย์ตํ่า
กระบวนการผลิตไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ระบบรางพาราโบลิก
โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ ระบบรางพาราโบลิกโรงแรกที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ในจังหวัดสุพรรณบุรี
4. โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน ปล่องลมพลังแสงอาทิตย์ (SOLAR CHIMNEY)
อุปกรณ์แปรรูปพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานกลโดยอาศัยอากาศร้อนที่ลอยตัวขึ้น เช่นเดียวกับอากาศใต้หลังคาของอาคารที่ติดตั้งลูกหมุนระบายอากาศ (ventilator) ที่ได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ในช่วงเวลากลางวัน จะลอยตัวสูงขึ้นผ่านลูกหมุนระบายอากาศออกไปนอกอาคาร ขณะที่อากาศเย็นจากภายนอกอาคารจะไหลเข้ามาแทนที่ช่วยระบายอากาศภายในอาคารได้ โดยไม่ต้องใช้พัดลมดูดอากาศ และช่วยลดภาระการทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ สามารถนำหลักการนี้ไปประยุกต์ใช้กับปล่องลมพลังแสงอาทิตย์ ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยสร้างหลังคากระจกคลุมพื้นดินเป็นบริเวณกว้างรอบปล่องลมสูง เพื่อให้เกิดการสะสมความร้อนในอากาศ เป็นลักษณะปรากฏการณ์เรือนกระจกเหนือพื้นดิน มีระบบท่อที่บรรจุนํ้าไว้เต็มทำหน้าที่กักเก็บความร้อน ในช่วงเวลากลางวัน มวลอากาศความร้อนสูงใต้หลังคาจะลอยตัวเข้าไปในปล่องลมเพื่อขับกังหัน (turbine) ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ติดตั้งไว้บริเวณใต้ปล่องลม นอกจากนั้นมวลอากาศร้อนยังทำให้นํ้าในท่อและพื้นดินใต้หลังคากระจกมีอุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งจะปลดปล่อยความร้อนออกมาในเวลากลางคืน เพื่อทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของมวลอากาศไปขับกังหัน สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง แม้ช่วงเวลาที่ไม่มีแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานโดยรวมของเทคโนโลยีปล่องลมพลังแสงอาทิตย์ตํ่ามาก เมื่อเทียบกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ประเภทอื่น
ต้นแบบโรงไฟฟ้าพลังความร้อนระบบปล่องลมพลังแสงอาทิตย์ในประเทศสเปน ปล่องลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตร ความสูง 200 เมตร พื้นที่หลังคากระจก 45,000 ตารางเมตร
กําลังผลิตไฟฟ้าสูงสุด 50 กิโลวัตต์
ที่มา:http://www.sbp.de/system/attachments/project_images/1844/xlarge_1006_82_a.jpg?1291626240
5. โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน ระบบบ่อรับแสง (SOLAR POND SYSTEM)
ระบบสะสมพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์โดยอาศัยหลักการจัดช่วงชั้นของเกลือแร่ในนํ้า (water stratification) โดยทั่วไปแหล่งนํ้าตามธรรมชาติหรือแหล่งเก็บนํ้าที่สร้างขึ้นจะมีปริมาณเกลือแร่เพิ่มขึ้นตามระดับความลึกจากผิวนํ้า เมื่อได้รับแสงอาทิตย์ในช่วงเวลากลางวัน มวลนํ้าลึกที่มีเกลือแร่สูงจะสะสมความร้อน ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นและเคลื่อนที่ขึ้นมาที่ผิวนํ้า เนื่องจากมวลนํ้าอุ่นจะมีความหนาแน่นตํ่ากว่ามวลนํ้าเย็นที่ความลึกระดับหนึ่ง ซึ่งมีปริมาณเกลือแร่มากพอ ความหนาแน่นของมวลนํ้าสูงมากจนไม่สามารถเคลื่อนที่ขึ้นมาสู่ผิวนํ้าได้แม้ว่าจะสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์จนอุณหภูมิเกือบถึงจุดเดือดของนํ้าก็ตาม (80-90 องศาเซลเซียส) เรียกว่าบริเวณเก็บความร้อน (heat storage zone) ความร้อนที่สะสมอยู่ในมวลนํ้าบริเวณนี้สามารถถ่ายเทมาใช้ประโยชน์ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ ในกรณีนี้มวลนํ้าในระดับที่ตื้นกว่าที่มีปริมาณเกลือแร่ปานกลาง จะทำหน้าที่เป็นฉนวน (insulation zone) ป้องกันการสูญเสียความร้อนจากการระเหย การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อนจากมวลนํ้าลึกที่มีความร้อนสูงอีกด้วย
การสะสมความร้อนของระบบบ่อรับแสง
Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานแสงอาทิตย์. In สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 15, 17, 24, 29, 34). กรุงเทพ, ประเทศไทย.
อยากได้วิธีการทั้งห้าระบบเป็นภาษาไทย เพื่อความเข้าใจง่าย
น่าจะลงทุนมหาศาลกว่าโซล่าฟาร์ม