สามารถใช้เครื่องเก็บความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบของ Demax สำหรับการให้ความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรมได้หรือไม่

การปรับแต่งกำลังผลลัพธ์จากเครื่องเก็บความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบให้สอดคล้องกับความต้องการให้ความร้อนของภาคอุตสาหกรรม

กระบวนการอุตสาหกรรมที่ใช้อุณหภูมิต่ำและปานกลางซึ่งใช้เครื่องเก็บความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบ

เครื่องเก็บความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบ (Flat plate solar collectors) เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับตอบสนองความต้องการความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรมที่ต้องการอุณหภูมิในช่วง 60–90°C ตัวอย่างกระบวนการที่ต้องการความร้อนในช่วงอุณหภูมิดังกล่าว ได้แก่ การให้ความร้อนล่วงหน้าสำหรับผลิตภัณฑ์อาหารและเครื่องดื่ม (60–80°C) การย้อมผ้า (70–90°C) และการฆ่าเชื้อวัสดุและอุปกรณ์ (70–85°C) ทั้งหมดนี้สอดคล้องกับขีดจำกัดของกำลังความร้อนที่ระบบแผ่นเรียบมาตรฐานสามารถให้ได้เป็นอย่างดี เนื่องจากประสิทธิภาพของระบบจะลดลงอย่างรวดเร็วและมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 85°C ตัวอย่างเช่น กระบวนการพาสเจอร์ไรซ์นม (dairy pasteurization) เป็นกระบวนการให้ความร้อนที่ควบคุมอย่างแม่นยำ ซึ่งต้องการอุณหภูมิ 72–75°C ซึ่งอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิการทำงานของเครื่องเก็บความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบที่มีอยู่แล้ว รายงานของ IEA SHC Task 49 ระบุว่า อุตสาหกรรมการผลิตที่ใช้ความร้อนในการดำเนินกระบวนการ (process heat) ต่ำกว่า 90°C คิดเป็นสัดส่วน 65% ของพลังงานที่ใช้ในการผลิตทั่วโลก ซึ่งเน้นย้ำว่ามีโอกาสสำคัญอย่างยิ่งในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการใช้พลังงานทั่วโลก โดยการผสานระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (solar thermal) อย่างมีเป้าหมาย

กรณีศึกษาการนำระบบไปใช้งานล่าสุดสำหรับการให้ความร้อนล่วงหน้าในโรงเบียร์และการย้อมผ้า

การติดตั้งจริงในโลกแห่งความเป็นจริงยืนยันถึงความเป็นไปได้ทางเทคนิคและเศรษฐกิจของระบบที่กล่าวมาข้างต้น ดังที่แสดงในกรณีตัวอย่างต่อไปนี้

โรงเบียร์แห่งหนึ่งในเยอรมนีซึ่งใช้แผงเก็บความร้อนแบบแบน (flat plate collectors) สามารถลดการใช้ก๊าซธรรมชาติลงได้ร้อยละ 40 โดยการให้ความร้อนล่วงหน้าแก่น้ำสำหรับล้างอุปกรณ์ให้มีอุณหภูมิสูงถึง 75°C

นอกจากนี้ โรงงานผลิตสิ่งทอแห่งหนึ่งยังสามารถบรรลุสัดส่วนพลังงานแสงอาทิตย์ (solar fraction) ได้สูงถึงร้อยละ 68 สำหรับหม้อย้อมผ้า (ที่อุณหภูมิ 85°C) โดยใช้ชุดแผงเก็บความร้อนแบบหลายขั้นตอน (staged collector arrays) ร่วมกับระบบเก็บความร้อนแบบแยกชั้น (stratified thermal storage)

ในช่วงที่มีสภาพท้องฟ้าปิดบางส่วนและมีการแผ่รังสีแบบชั่วคราว ทั้งสองระบบแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการจ่ายพลังงานออกอย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากมีการปรับปรุงสารเคลือบตัวดูดซับแบบเลือกสรร ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานความร้อนจากการแผ่รังสีได้อย่างมีนัยสำคัญ และประสิทธิภาพเชิงความร้อนของระบบทั้งสองนี้สูงกว่าระบบรุ่นเก่า 12–18% ในการใช้งานจริง ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแบน (Flat Plate Technology) สามารถพึ่งพาได้ในการจ่ายภาระความร้อนสำหรับอุตสาหกรรมอย่างสม่ำเสมอ เมื่อความต้องการความร้อนอยู่ในช่วงที่ใกล้เคียงกับปริมาณพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่จัดหาได้

ขีดจำกัดอุณหภูมิในการดำเนินงานของเครื่องรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบสำหรับการใช้งานในภาคอุตสาหกรรม

เหตุใดประสิทธิภาพจึงเริ่มลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 85°C: กลไกของการสูญเสียความร้อนและข้อมูลเชิงประจักษ์จาก IEA SHC Task 69

ประสิทธิภาพของเครื่องเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 85°C เนื่องจากความสูญเสียพลังงานที่เพิ่มขึ้นจากการแผ่รังสีและการพาความร้อน อุณหภูมิของตัวดูดซับยิ่งสูงเท่าใด อัตราการแผ่รังสีก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น (ตามกฎของสเตฟาน-โบลท์ซ์มันน์) และอัตราการพาความร้อนระหว่างตัวดูดซับกับกระจกก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น IEA SHC Task 69 (2023) วัดพบว่าประสิทธิภาพลดลง 22% ที่อุณหภูมิ 95°C เมื่อเปรียบเทียบกับที่อุณหภูมิ 75°C ภายใต้ความเข้มของรังสีดวงอาทิตย์เท่ากัน จึงยืนยันว่า 85°C เป็นขีดจำกัดเชิงปฏิบัติสำหรับการออกแบบเครื่องเก็บพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบแบบดั้งเดิมที่ไม่มีฉนวนกันความร้อนขั้นสูง ดังนั้น เมื่อเกินอุณหภูมินี้ ความสูญเสียความร้อนจะมากกว่าปริมาณความร้อนที่ได้รับจากแสงอาทิตย์ และกระบวนการให้ความร้อนจนถึงภาวะไอน้ำที่อุณหภูมิสูงกว่า 100°C จะไม่สามารถทำได้โดยไม่ใช้เทคโนโลยีอื่นร่วมด้วย

นวัตกรรมเพื่อขยายช่วงอุณหภูมิที่ใช้งานได้: ตัวดูดซับแบบเลือกสรรและโครงสร้างฉนวนสุญญากาศแบบไฮบริด

การเคลือบด้วยสารดูดซับแบบเลือกสรรช่วยเพิ่มช่วงอุณหภูมิในการทำงานได้อย่างมาก โดยเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ของชั้นเคลือบสูงสุดถึง 95% ขณะเดียวกันก็ลดการแผ่รังสีอินฟราเรดลง (5–10%) การรวมกันของสารดูดซับแบบเลือกสรรเข้ากับแผงฉนวนสุญญากาศแบบไฮบริด ซึ่งช่วยกำจัดทางการสูญเสียความร้อนจากการพาความร้อนภายใต้แผ่นดูดซับ ทำให้เครื่องเก็บความร้อนแบบแผ่นแบนรุ่นใหม่สามารถรักษาประสิทธิภาพที่ใช้งานได้สูงสุดถึง 110°C ซึ่งจะทำให้เครื่องเก็บความร้อนเหล่านี้สามารถนำไปใช้งานในแอปพลิเคชันอื่นๆ ได้ เช่น การฆ่าเชื้อระดับสูง และการผลิตไอน้ำแรงดันปานกลาง การทดลองภาคสนามเบื้องต้นและการทดสอบยืนยันแล้วว่า ระบบที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 90°C จะสร้างพลังงานได้เพิ่มขึ้นประมาณ 18% เมื่อเทียบกับระบบแผ่นแบนแบบมาตรฐาน

พิจารณาการผสานระบบสำหรับการใช้งานเชิงอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง

การเลือกของเหลวถ่ายเทความร้อน: น้ำภายใต้ความดันเทียบกับส่วนผสมของไกลคอล — พิจารณาประเด็นการกัดกร่อน การป้องกันการแข็งตัว และการบำรุงรักษา

การเลือกของเหลวถ่ายเทความร้อนมีผลอย่างมากต่ออายุการใช้งาน ความปลอดภัย และประสิทธิภาพของระบบ น้ำที่อยู่ภายใต้ความดันมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าสารผสมไกลคอลถึง 15% (International Energy Agency, 2023) ซึ่งส่งผลให้แผงรับความร้อนให้กำลังผลิตสูงขึ้นและลดพลังงานที่ใช้ในการสูบน้ำลง อย่างไรก็ตาม ในสภาพแวดล้อมที่มีแนวโน้มเกิดน้ำแข็ง ของเหลวที่มีส่วนประกอบของไกลคอล (โดยทั่วไปคือโพรพิลีนไกลคอล เพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับอาหาร) มีข้อเสียที่สำคัญดังนี้:

- การเสื่อมสภาพทางความร้อนที่เกิดจากอุณหภูมิสูงเกิน 120°C ก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ย่อยที่มีฤทธิ์เป็นกรด ซึ่งเพิ่มอัตราการกัดกร่อน

- การตรวจสอบและเปลี่ยนของเหลวทุกปีทำให้เกิดต้นทุนการบำรุงรักษาเพิ่มเติมประมาณ 18,000 บาท/เมกะวัตต์เทอร์มัล

- ความหนืดเพิ่มขึ้น 35% ส่งผลให้ปั๊มทำงานได้ไม่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และโหลดพลังงานสูญเสีย (parasitic load) สูงขึ้น

สามารถใช้มาตรการป้องกันการแข็งตัวอย่างแข็งแกร่ง เช่น ระบบที่ระบายน้ำกลับ (drain-back) หรือท่อที่ทนต่อการแข็งตัว (freeze-tolerant piping) ในระบบที่ใช้ของไหลที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบได้ การเสื่อมสภาพของของไหลในระยะยาวไม่ใช่ปัญหา อย่างไรก็ตาม ของไหลที่มีโพรพิลีนไกลคอลเป็นส่วนประกอบจำเป็นต้องใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม เช่น กระบวนการผลิตอาหาร แม้จะมีข้อเสียบางประการ

การจัดเรียงแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแบนราบ (Flat Plate Solar Collectors) ตามภาระงานที่แตกต่างกัน (เช่น การพาสเจอร์ไรซ์ เทียบกับการล้าง)

การแบ่งวงจรความร้อนตามโซนอุณหภูมิของแต่ละกระบวนการช่วยให้สามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นภายใต้รูปแบบความต้องการที่เปลี่ยนแปลงได้กว้าง โดยการแยกวงจรการล้างที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า (40–65°C) ออกจากวงจรการพาสเจอร์ไรซ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า (70–85°C) อย่างเป็นสัดส่วน จะทำให้สามารถออกแบบขนาดของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างเหมาะสม และกำหนดลำดับความสำคัญของการส่งผ่านความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แนวทางนี้ใช้:

- ชุดแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งแบบขนานและปรับแต่งให้เหมาะกับอุณหภูมิของภาระงานเฉพาะ

- วาล์วกำหนดลำดับความสำคัญ ซึ่งทำหน้าที่ส่งความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ไปยังกระบวนการที่มีคุณค่าสูงกว่าและมีความไวต่อเวลา

- วาล์วควบคุมอุณหภูมิที่ทำหน้าที่เบี่ยงเบนกระแสความร้อน เพื่อป้องกันกระบวนการระดับต่ำไม่ให้เกิดภาวะร้อนเกิน

โรงเบียร์ที่ใช้วิธีนี้รายงานว่าสามารถลดภาระของหม้อไอน้ำได้ถึง 60% ในช่วงเวลาที่มีแสงแดดสูงสุด และลดระยะเวลาคืนทุนลงได้ 22% ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการจัดลำดับขั้นตอนการใช้ความร้อน (thermal staging) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการสร้างมูลค่าได้โดยไม่จำเป็นต้องออกแบบระบบใหม่ทั้งหมดจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบ

คำถามที่พบบ่อย

ขีดจำกัดอุณหภูมิของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบในสภาพแวดล้อมเชิงอุตสาหกรรมคือเท่าใด?

อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม สิ่งทอสำหรับการย้อมสี และอุปกรณ์ฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำส่วนใหญ่ใช้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 60–90°C ซึ่งแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบสามารถรองรับการใช้งานในช่วงอุณหภูมิดังกล่าวได้เป็นอย่างดี

อะไรคือสาเหตุที่ทำให้ประสิทธิภาพของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 85°C?

เมื่ออุณหภูมิของแผ่นดูดซับความร้อนเพิ่มสูงขึ้น การสูญเสียพลังงานผ่านการแผ่รังสีและการพาความร้อนจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง

มีวิธีใดบ้างที่มีการปรับปรุงแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบเพื่อให้สามารถใช้งานในแอปพลิเคชันที่ต้องการอุณหภูมิสูงขึ้น?

ในแอปพลิเคชันสมัยใหม่ สารเคลือบแบบดูดซับแบบเลือกสรรและแผงฉนวนสุญญากาศแบบไฮบริดทำให้แผงเก็บความร้อนแบบแบนสามารถทำงานได้สูงสุดถึง 110°C ซึ่งช่วยขยายขอบเขตการใช้งานให้กว้างขึ้น

ปัญหาด้านการบำรุงรักษาใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับการใช้ไกลคอลเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน

ของเหลวสำหรับถ่ายเทความร้อนมีความหนืดมากขึ้นและทำงานได้ไม่มีประสิทธิภาพเท่าที่ควร มีแนวโน้มก่อให้เกิดการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง (เสื่อมสภาพเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 120°C) และจำเป็นต้องตรวจสอบ แทนที่ และจัดการค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องบ่อยครั้งยิ่งขึ้น

ข้อดีบางประการของการแบ่งโซนตามอุณหภูมิในระบบพลังงานแสงอาทิตย์เชิงอุตสาหกรรมคืออะไร

การใช้การแบ่งโซนตามอุณหภูมิหรือการแบ่งวงจรความร้อนออกเป็นส่วนย่อยตามระดับอุณหภูมิที่เหมาะสมกับแต่ละกระบวนการ ช่วยให้สามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดในระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมและมูลค่าของระบบดีขึ้น