ใครทราบหลักการทำงานของสระแสงอาิทิตย์บ้างครับ ช่วยหน่อยครับ

บทความวิชาการ
บ่อความร้อน พลังงานแสงอาทิตย์
โดย ถนัด เกษประดิษฐ
ห้องวิจัยท่อความร้อน
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

"...การประยุกต์ใช้บ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ในประเทศไทยมีแนวโน้มที่เป็นไปได้ เนื่องจากราคาที่ดินในประเทศยังมีราคาไม่แพงและ มีความเข้มของแสงแดดมาก..."


         แสงอาทิตย์ เป็นแหล่งพลังงานใหญ่ที่สุด     ที่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติและมีบทบาทสำคัญในการดำรงชีวิต นานมาแล้วที่มนุษย์ได้รู้จักการใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์ ซึ่งการใช้ประโยชน์ในยุคแรกๆ ได้แก่ การใช้สำหรับถนอมอาหาร การอบแห้งผลิตภัณฑ์เกษตร รวมทั้งให้ความร้อนแก่บ้านเรือนในฤดูหนาว การประยุกต์ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เริ่มต้นขึ้นเมื่อประมาณ 2,000 ปีที่ผ่านมา โดยการใช้พลังงานแสงอาทิตย์สำหรับขับปั๊มน้ำอย่างง่ายซึ่งคิดค้นขึ้นโดย Heron และใช้กระจกรวมแสง เพื่อก่อไฟ จากนั้นได้มีการพัฒนาการอุปกรณ์เพื่อใช้ประโยชน์จากแสง--อาทิตย์อย่างต่อเนื่อง เช่น กล่องสำหรับหุงต้มอาหาร แผงรับความร้อน (Solar collector) และระบบโฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic) หรือโซล่าเซลล์ ส่วนในบทความนี้ ต้องการนำเสนออุปกรณ์สำหรับกักเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์ชนิดใหม่ล่าสุดที่เรียกว่า ”บ่อความร้อนพลังงานแสดงอาทิตย์หรือ โซล่าฟอนด์ (Solar pond)”ซึ่งสามารถเป็นแหล่งกำเนิดความร้อนได้อย่างต่อเนื่องในสภาพอากาศที่มีแสงแดดไม่มากหรือสภาพอากาศแปรปรวน นอกจากนั้นบ่อความร้อนยังไม่มีส่วนประกอบใด ๆ ที่ต้องเคลื่อนย้ายวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างมีราคาไม่แพง และค่าบำรุงรักษาต่ำ

         รับความร้อน (Solar collector) และระบบโฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic) หรือโซล่าเซลล์ ส่วนในบทความนี้ ต้องการนำเสนออุปกรณ์สำหรับกักเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์ชนิดใหม่ล่าสุดที่เรียกว่า ”บ่อความร้อนพลังงานแสดงอาทิตย์หรือ โซล่าฟอนด์ (Solar pond)”ซึ่งสามารถเป็นแหล่งกำเนิดความร้อนได้อย่างต่อเนื่องในสภาพอากาศที่มีแสงแดดไม่มากหรือสภาพอากาศแปรปรวน นอกจากนั้นบ่อความร้อนยังไม่มีส่วนประกอบใด ๆ ที่ต้องเคลื่อนย้ายวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างมีราคาไม่แพง และค่าบำรุงรักษาต่ำ

         แนวความคิดของบ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์เริ่มขึ้นประมาณปี 1980 โดยเริ่มจาก Ziegler Kalesinsky ได้ทำการสังเกตพฤติกรรมของอุณหภูมิในทะเลสาบน้ำเค็มที่ ทราสวาเนีย (Transylvania) พบว่ามีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียสที่ระดับความลึก 1 หรือ 2 เมตร ขณะที่อุณหภูมิที่ผิวหน้าใกล้เคียงกับอุณหภูมิบรรยากาศจากการค้นพบดังกล่าวทำให้มีการวิจัยอย่างต่อเนื่องจนมีการพัฒนานำมาใช้เป็นแหล่งผลิตน้ำร้อนเพื่อใช้กับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถให้พลังงานความร้อนได้มากถึง 300 kW

      หลักการทำงานของบ่อความร้อนแสงอาทิตย์



รูปที่ 1 แผนภาพบ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์


         ส่วนประกอบของบ่อความร้อนแสงอาทิตย์แสดง ดังรูปที่ 1 ซึ่งประกอบด้วยบ่อที่มีผิวผนังด้านในสีดำเพื่อทำให้สามารถดูดความร้อนได้ดี และหุ้มฉนวนภายนอก เพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนที่กักเก็บ ภายในบ่อจะบรรจุด้วยน้ำผสมกับเกลือ (Sodium chloride, NaCl) หรือ เรียกว่า ”สารทำงาน” ที่ระดับความลึกเพิ่มขึ้นจะมีความเข้มข้นของเกลือเพิ่มขึ้น และสามารถแบ่งชั้นความเข้มข้นของเกลือได้เป็น 3 ส่วนได้แก่

          - ชั้นผิวหน้าเป็นส่วนที่มีความเข้มข้นของเกลือน้อยหรือไม่มีเลย หรือเรียกชั้นนี้ว่าชั้นการพาความร้อนชั้นบน (Upper convective zone) อุณหภูมิที่ส่วนนี้จะเท่ากับอุณหภูมิบรรยากาศปรกติชั้นนี้จะมีความลึกประมาณ 20-60 เซ็นติเมตร

          - ส่วนชั้นกลางหรือชั้นเกรเดียน (Gradient zone) เป็นส่วนที่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของเกลือตามระดับความลึก ซึ่งเป็นชั้นกั้นการพาความร้อนระหว่างชั้นบนกับชั้นล่าง

          - ส่วนชั้นล่างหรือเรียกว่าส่วนกักเก็บความร้อน (Heat storage zone) ส่วนนี้สารทำงานจะมีความเข้มข้นของเกลือมากที่สุดและเกือบจะเป็นเนื้อเดียวกัน อุณหภูมิน้ำร้อน ณ ตำแหน่งนี้จะอยู่ระหว่าง 70-93 องศาเซลเซียส

         เมื่อบ่อความร้อนได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์ความร้อนจะถูกส่งผ่านไปยังส่วนกักเก็บความร้อนที่อยู่ด้านล่างซึ่งมีความเข้มข้นของเกลือสูง โดยผ่านชั้นผิวหน้าและชั้น เกรเดี้ยนซึ่งมีความโปร่งแสงหลังจากความร้อนผ่านชั้นเกรเดี้ยน น้ำในชั้นเกรเดี้ยนไม่สามารถระเหยได้ เนื่องจากน้ำในส่วน ชั้นบนมีความหนาแน่นของเกลือน้อยกว่าและน้ำที่อยู่ในชั้นนี้ก็ไม่สามารถตกลงไปสู่ชั้นกักเก็บความร้อนได้ เนื่องจากชั้นล่างมีความเข้มข้นของเกลือมากกว่า ดังนั้น ทำให้ชั้นเกรเดี้ยนเป็นชั้นกั้นความร้อน (โปร่งแสง) เพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนที่อยู่ในชั้นกักเก็บส่งถ่ายขึ้นมาสู่ชั้นบนได้ โดยความลึกของบ่อที่เหมาะสมควรอยู่ระหว่าง 1-2 เมตร

      หลักการออกแบบบ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์

         การออกแบบขนาดของบ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์จะขึ้นอยู่กับตัวแปรหลักคือ ความเข้มของแสงอาทิตย์ ปริมาณความร้อนที่ต้องการ และเงื่อนไขที่จะทำให้บ่อสามารถกักเก็บความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพคือ

         - ความเสถียรภาพของชั้นเกรเดียน

         เพื่อที่จะรักษาให้ชั้นเกรเดี้ยนเป็นชั้นกันความร้อน ของส่วนกักเก็บความร้อนได้ อัตราของการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิกับความลึกจะต้องไม่สูงกว่าการเพิ่มขึ้นของน้ำเกลือที่กำหนดกับความลึก

         - ความสะอาดของบ่อ

         ความสะอาดของชั้นผิวและชั้นเกรเดี้ยนเป็นสิ่งจำเป็น เนื่องจากประสิทธิภาพของบ่อความร้อนขึ้นอยู่กับการส่งผ่านของแสงอาทิตย์ไปสู่ส่วนกักเก็บความร้อน ดังนั้นความสะอาดของสารทำงานจึงเป็นสิ่งจำเป็นในการพิจารณาการ ทำงานและการบำรุงรักษา

         - การถ่ายเทของเกลือ

         เมื่อใช้บ่อความร้อนเป็นเวลาหลายปี อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงของเกลือในสารทำงาน เนื่องจากเกลือจะเคลื่อนที่โดยการกระจายจากชั้นกักเก็บด้านล่างขึ้นสู่ด้านบน ทำให้ความเข้มข้นของเกลือในส่วนกักเก็บจะน้อยลง จากนั้นความเข้มข้นของเกลือชั้นผิวหน้ามีค่าสูงขึ้นจนกระทั่งความเข้มข้นของสารทำงานภายในบ่อเท่ากัน และทำให้บ่อความร้อนไม่สามารถกักเก็บความร้อนไว้ได้ เพื่อรักษาการทำงานของบ่อความร้อนควรตรวจสอบความเข้มข้นของเกลือในสารทำงานในแต่ละชั้นอย่างสม่ำเสมอหรือแก้ไขโดยการนำเกลือออกจากส่วนชั้นผิวและป้อนสู่ส่วนกักเก็บ

         - การจัดการทางด้านความร้อน

         เมื่อบ่อความร้อนได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์จะทำให้อุณหภูมิที่ชั้นกักเก็บเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วถ้าความร้อนไม่ได้ถูกนำไปใช้งานจะทำให้เกิดปัญหาทางเสถียรภาพความเข้มข้น ของเกลือ ดังนั้นหลังจากบ่อความร้อนพร้อมที่จะใช้งานควรจะติดตั้งอุปกรณ์ดึงความร้อนจากชั้นกักเก็บเพื่อนำความร้อนไปใช้งานวิธีที่ใช้สำหรับการดึงความร้อนในส่วนกักเก็บสามารถ ทำได้โดยการปั๊มสารละลายไปสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรงในส่วนกักเก็บความร้อน บ่อความร้อนที่สร้างขึ้นต้องมีการหุ้มฉนวนอย่างดีเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนลงสู่ดินหรืออากาศที่อยู่รอบๆ ของบ่อ

      การประยุกต์ใช้ความร้อนจากบ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์

         ความร้อนที่ได้จากบ่อความร้อนสามารถนำไปใช้งานได้หลายรูปแบบ การประยุกต์ใช้ความร้อนที่ได้จากบ่อ ความร้อนเป็นครั้งแรกที่รัฐเท็กซัสประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อปี 1986 โดยนำความร้อนจากบ่อความร้อนผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อใช้สำหรับอุ่นน้ำป้อนก่อนเข้าหม้อไอน้ำ(Boiler) สำหรับใช้ในอุตสาหกรรมอาหารค่าความร้อนที่ได้จากเครื่องแลกเปลี่ยนมีค่ามากถึง 300 kW แสดงดังรูปที่ 2



รูปที่ 2 บ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ใช้เป็นแหล่งความร้อนในอุตสหกรรมผลิตอาหาร


         ต่อมาในปี 1987 ได้มีการสร้างบ่อความร้อนที่ใหญ่ที่สุดในประเทศอิสราเอล เพื่อใช้ความร้อนในการขับเครื่องยนต์วัฏจักรแรงคินสำหรับเป็นต้นกำลังขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า(Generator) ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า และสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 500 kW และมีการสร้างบ่อความร้อนขนาดย่อมเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าในประเทศออสเตรเลียในปี 1992 พบว่า บ่อความร้อนสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากถึง 6,000 GJ/year

         นอกจากการประยุกต์ใช้งานดังกล่าวยังมีแนวทางสำหรับการใช้ความร้อนจากบ่อความร้อนอีกมากมาย เช่น ใช้สำหรับละลายน้ำแข็งในระบบกักเก็บ ผลิตน้ำอุ่นเพื่อใช้สำหรับบริโภค และใช้สำหรับการอบแห้งผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร เป็นต้น

      การเปรียบเทียบราคาบ่อความร้อน

         บ่อความร้อนเป็นอุปกรณ์กักเก็บความร้อนจาก แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่มีราคาต่อพื้นที่ต่ำ เมื่อเทียบกับอุปกรณ์กักเก็บความร้อนแบบแผ่นแบนและมีความสามารถ ในการกักเก็บความร้อนได้ดี แสดงในตารางที่ 1 ราคาในการก่อสร้างของบ่อความร้อนจะอยู่ระหว่าง 630-3,150 บาทต่อตารางเมตรโดยประมาณ แต่ทั้งนี้ การพิจารณาถึงความเหมาะสมทางด้านราคาในการสร้างบ่อความร้อน ควรจะพิจารณาถึงปัจจัยต่อไปนี้ด้วยคือ

          - พื้นที่ก่อสร้างต้องมีความเหมาะสม เช่น ราคาของที่ดินไม่แพงมาก ห่างจากตึกสูง

          - ราคาของเกลือต้องไม่แพง

          - ควรมีน้ำป้อนที่ชั้นผิวหน้าเพื่อถ่ายเทน้ำให้มีความสะอาดอยู่เสมอ ดังนั้น บ่อความร้อนควรอยู่ใกล้กับแหล่งน้ำ

          - ความเร็วลมต้องไม่สูงจนเกินไปเพราะอาจจะทำให้สารทำงานที่อยู่ชั้นผิวหน้าเกิดการกระเพื่อม ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้เกิดการสูญเสียความร้อนกักเก็บ

         ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบของอุปกรณ์กักเก็บความร้อน





         สำหรับแนวทางการประยุกต์ใช้บ่อความร้อน พลังงานแสงอาทิตย์ในประเทศไทยมีแนวโน้มที่เป็นไปได้ เนื่องจากราคาที่ดินในประเทศยังมีราคาไม่แพงและมีความเข้มของแสงแดดมาก การใช้อุปกรณ์กักเก็บความร้อนแสง อาทิตย์แบบแผ่นอาจจะไม่เหมาะกับพื้นที่ที่อยู่ติดกับทะเลเพราะเนื่องจากสภาพอากาศมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แต่สำหรับบ่อความร้อน สามารถทำงานได้ภายใต้สภาวะ ดังกล่าว ดังนั้น บ่อความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์น่าจะเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจที่จะใช้เป็นอุปกรณ์สะสมพลังงาน ในแทบภาคใต้หรือแทบชายฝั่งของประเทศไทยเพราะเนื่องจากใกล้แหล่งน้ำและราคาของเกลือไม่แพง





เอกสารอ้างอิง
1. Andrew, S.(1995), Salinity Gradient Solar Ponds, Report of the El Paso Solar Pond Project, Texas, U.S.A.
2. Burston,I.A.(1996), Application of a Salinity Gradient Solar Pond in a Salt Affected Area of Victoria, M.Eng. Thesis, Department of Mechanical Engineering, RMIT University, Melbourne, Australia.
3. GATE.(1986), Solar energy. Status report, Vieweg, Braunschweig, FR Germany.
4. John R. H., Peter G., Carl E. N.(1989), Salinity-Gradient Solar Ponds, Hardcover, Franklin Book Company.
5. Rao, K.S. and Kishore, V.V.N.(1987), Solar Ponds for Power Generation, Power Generation Through Renewable Energy Sources Workshop Solar Energy Society of India, Delhi, India.


--------------------------------------
ลองเอาเอกสาร ไปดูเพิ่มเติมครับ
สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย (วว.)
กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
http://opac.tistr.or.th/Multimedia/Web/0046/wb0046143.pdf