ของไหลถ่ายเทความร้อนชนิดใดที่ใช้ในระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบ Demax?

ตัวเลือกหลักสำหรับของไหลถ่ายเทความร้อนในระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบ Demax

น้ำ: เหมาะที่สุดสำหรับการติดตั้งระบบ Demax ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำและมีแรงดัน

สำหรับการประยุกต์ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส น้ำยังคงเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพสูงสุดในฐานะของเหลวถ่ายเทความร้อน คุณสมบัติที่ได้เปรียบของน้ำเกิดจากความจุความร้อนจำเพาะที่ค่อนข้างสูง (ประมาณ 4.18 กิโลจูลต่อกิโลกรัม-เคลวิน) ขณะที่ต้องใช้กำลังปั๊มเพียงเล็กน้อย เมื่อใช้น้ำในการทำความเย็นร่วมกับระบบ Demax ที่ทำงานภายใต้แรงดัน น้ำจึงเหมาะสมอย่างยิ่ง เนื่องจากไม่สามารถเดือดได้ และปลอดภัยต่อผู้ใช้และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ดังนั้นระบบที่ใช้น้ำจึงสามารถใช้งานได้เฉพาะในพื้นที่ที่ไม่มีน้ำค้างแข็งเท่านั้น เมื่อระบบเสี่ยงต่อการแข็งตัวเนื่องจากสภาพอากาศในฤดูหนาว เจ้าหน้าที่เทคนิคจำเป็นต้องระบายน้ำออกให้หมดเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย ผลการประเมินประสิทธิภาพจากระบบติดตั้งในบ้านแบบทวีปเมดิเตอร์เรเนียนแสดงให้เห็นว่า ในปี 2023 สหพันธ์อุตสาหกรรมพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แห่งยุโรป (ESTIF) ได้พิสูจน์แล้วว่า ระบบที่ใช้น้ำเป็นตัวกลางสามารถบรรลุประสิทธิภาพรายฤดูกาลได้ประมาณ 60%

โซลูชันที่มุ่งเน้นความปลอดภัยและการป้องกันน้ำแข็ง

เมื่อพูดถึงการป้องกันการแข็งตัว สารผสมของโพรพิลีนไกลคอลกับน้ำแสดงศักยภาพที่น่าสนใจมาก สารผสมเหล่านี้ยังคงทำงานได้ดีแม้ที่อุณหภูมิต่ำถึงลบ 30 องศาเซลเซียส และมีความอันตรายน้อยกว่าทางเลือกอื่นๆ ที่ใช้เอทิลีนไกลคอล ซึ่งอาจเป็นอันตรายหากรั่วไหล นอกจากนี้ สารผสมเหล่านี้ยังช่วยป้องกันการกัดกร่อนได้ เมื่อระบบถูกสร้างขึ้นตามแนวทางที่เหมาะสม โดยใช้วัสดุเช่น สแตนเลสสตีลและพลาสติกบางชนิด อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือ สารผสมโพรพิลีนไกลคอล/น้ำมีความหนืดสูงกว่าน้ำ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ทำให้ปั๊มต้องทำงานหนักขึ้น แต่เนื่องจากสารผสมเหล่านี้สามารถทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีมาก จึงถือเป็นของเหลวถ่ายเทความร้อนที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในภูมิภาคส่วนใหญ่ของอเมริกาเหนือและยุโรปตอนเหนือ ล่าสุด ผู้ผลิตยังบรรลุความก้าวหน้าโดยการเติมสารเคมีเฉพาะสูตรกรรมสิทธิ์ลงในของเหลว เพื่อลดอัตราการเสื่อมสภาพของของเหลว ทั้งนี้ เมื่อนำของเหลวไปทดสอบในระบบ Demax แบบวงจรปิดตามมาตรฐานอุตสาหกรรมที่กำหนดไว้ พบว่าของเหลวมีอายุการใช้งานโดยประมาณ 5–7 ปี

ของเหลวซิลิโคนที่มีเสถียรภาพทางความร้อนและอากาศ: การใช้งานเฉพาะด้านในระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ โดยไม่ใช้แรงดันและที่อุณหภูมิสูง

ของเหลวซิลิโคนสำหรับการถ่ายเทความร้อนเป็นของเหลวเพียงชนิดเดียวที่สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานในระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบกระจกโฟกัส (concentrated solar thermal systems) ที่ใช้แบบวงจรเปิด (open loop) โดยไม่ใช้แรงดัน และทำงานที่อุณหภูมิสูงระหว่าง 200 ถึง 400 องศาเซลเซียส ของเหลวซิลิโคนยังมีความสามารถในการถ่ายเทความร้อนที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในช่วงอุณหภูมิสูงของระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบกระจกโฟกัสอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ของเหลวสำหรับการถ่ายเทความร้อนไม่ได้ถูกนำมาใช้ในระบบที่ใช้อากาศเป็นสารทำงาน อากาศเมื่อรวมกับระบบแบบวงจรเปิด ช่วยให้ระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่ไม่ใช้แรงดันมีความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานและบำรุงรักษาง่าย แม้ว่าของเหลวพิเศษเหล่านี้จะผ่านการปรับแต่งให้เหมาะสมที่สุดแล้ว ก็ยังคิดเป็นสัดส่วนน้อยกว่า 15 เปอร์เซ็นต์ของจำนวนการติดตั้งระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ทั่วโลกทั้งหมด

ตัวเลขนั้นมาจากผลการวิเคราะห์ตลาดล่าสุดของโครงการ SolarPACES ปี 2024 ของสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (International Energy Agency)

เกณฑ์สำคัญในการคัดเลือกของเหลวถ่ายเทความร้อนสำหรับระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์

ความเสถียรทางความร้อนและความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพ

ในการใช้งานของเหลวถ่ายเทความร้อน (HTFs) สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบความร้อน ของเหลวเหล่านี้จำเป็นต้องมีความเสถียรทางเคมีในระยะยาว เนื่องจากอาจต้องสัมผัสกับอุณหภูมิประมาณ 200 องศาเซลเซียสเป็นเวลานาน (แม้แต่หลายปี) ในบางกรณี หากของเหลวไม่มีความเสถียรทางเคมี จะส่งผลกระทบเชิงลบต่อระบบทั้งหมด รวมถึงการลดลงของประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ทั้งนี้ มีรายงานกรณีที่พบว่าของเหลวเกิดการลดลงของประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนถึงร้อยละ 22 ภายในระยะเวลาห้าปี ซึ่งมักเกิดจากความหนืดที่เพิ่มขึ้นอันเนื่องมาจากการออกซิเดชันของของเหลว และตามมาด้วยการเกิดตะกรัน ภาวะดังกล่าวส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนลดลง แม้ว่าสารยับยั้งการออกซิเดชันจะสามารถบรรเทาปัญหาที่กล่าวมาบางส่วนได้ แต่ก็จำเป็นต้องให้ความสำคัญมากขึ้นกับความเข้ากันได้ระหว่างของเหลวกับวัสดุของระบบในระยะยาว วัสดุของระบบ เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม รวมถึงยางที่ใช้ในซีลของวาล์วบางชนิด อาจเกิดปฏิกิริยาทางเคมีหลากหลายรูปแบบกับของเหลวเมื่อเวลาผ่านไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบ Demax ที่ทำงานภายใต้แรงดัน ประเมินว่าอัตราการกัดกร่อนสูงขึ้นประมาณร้อยละ 30 เมื่อใช้ของเหลวที่มีความเสถียร เมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวที่ไม่มีความเสถียร

การสึกหรอประเภทนี้ไม่เพียงแต่ทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลงเท่านั้น แต่ยังเพิ่มงบประมาณด้านการบำรุงรักษาอย่างมีนัยสำคัญในระยะยาวอีกด้วย

การเลือกของเหลวตามโซนภูมิอากาศในตลาดพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ในทวีปอเมริกาเหนือและยุโรป

การเลือกของเหลวต้องปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัดโดยพิจารณาจากสภาวะภูมิอากาศสุดขั้วในพื้นที่ที่ติดตั้งระบบ

1. ประเทศแถบสแกนดิเนเวียและยุโรปตอนกลาง: ต้องให้การป้องกันจนถึงอุณหภูมิ –30°C สำหรับวัตถุประสงค์นี้ ส่วนผสมของโพรพิลีนไกลคอลกับน้ำในอัตราส่วน 50:50 ถือเป็นมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการติดตั้งระบบ Demax ในเขตอากาศเย็น เนื่องจากสามารถรักษาประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้มากกว่า 85% เมื่อเทียบกับน้ำ

2. ทะเลเมดิเตอร์เรเนียนและภาคตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา: อุณหภูมิขณะหยุดนิ่งมักสูงเกิน 300°C ดังนั้น อุณหภูมิขณะหยุดนิ่งจึงต้องการความเสถียรที่อุณหภูมิสูงร่วมกับแรงดันไอต่ำ ในแง่นี้ ซิลิโคนมีประสิทธิภาพเหนือกว่าไกลโคเลน เนื่องจากแรงดันไอของซิลิโคนต่ำกว่าไกลโคเลน 40% ที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด จึงช่วยลดความถี่ของการปล่อยแรงดันออก และลดการสูญเสียของเหลวตามมา

3. ภาคตะวันออกเฉียงเหนือของสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นตัวอย่างของภูมิอากาศแบบผสมผสาน: จำเป็นต้องใช้การออกแบบที่ให้การป้องกันแบบสองระบบ โฟมไฮโดรคาร์บอนรุ่นล่าสุดมีความสามารถในการคงสถานะที่สามารถสูบได้แม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า –25°C และทนต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อนได้ที่อุณหภูมิสูงสุดถึง 290°C ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการได้อย่างปลอดภัยตลอดทั้งปีโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพ

แม้ว่าการใช้งานของพวกมันจะทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้น 12–15% ซึ่งส่งผลให้ต้องใช้พลังงานในการสูบมากขึ้นและต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางของปั๊มที่ใหญ่ขึ้น แต่ก็มีแนวโน้มชัดเจนว่ามีการหันมาใช้ของเหลวที่มีความเสถียรทางความร้อนสูงขึ้น แม้จะมีข้อจำกัดด้านความปลอดภัยเพิ่มเติมที่พวกมันนำมาด้วย

เปรียบเทียบประสิทธิภาพในด้านประสิทธิผล ความปลอดภัย และความเข้ากันได้ของระบบในการประยุกต์ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์

การแลกเปลี่ยนเชิงเทอร์โมฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับความจุความร้อนจำเพาะ ความหนืด และพลังงานที่ใช้ในการสูบ รวมทั้งพิจารณาการไหลในบริบทของผลผลิตพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์

ได้วิเคราะห์ประสิทธิภาพด้านความร้อนโดยรวมของแต่ละของไหล โดยพิจารณาจากคุณลักษณะทางกายภาพและเคมีสามประการของของไหล ได้แก่ ความสามารถในการเก็บพลังงานความร้อน (ความจุความร้อนจำเพาะ) ความหนืดของของไหล (ซึ่งสัมพันธ์กับความหนาแน่นหรือความหนืด) และการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อน (ความเสถียรเชิงความร้อน) น้ำเป็นตัวดูดซับพลังงานความร้อนที่ยอดเยี่ยม (ความจุความร้อนจำเพาะประมาณ 4.18 กิโลจูลต่อกิโลกรัมต่อเคลวิน) อย่างไรก็ตาม การใช้น้ำในระบบนี้ก่อให้เกิดปัญหา เนื่องจากอุณหภูมิอาจลดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ดังนั้น ในกรณีดังกล่าว จึงจำเป็นต้องใช้สารผสมไกลคอล แม้ว่าของไหลเหล่านี้จะมีความหนืดสูงกว่าน้ำ 30 ถึง 50% ก็ตาม ความต้านทานจากความหนืดที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้ปั๊มต้องทำงานหนักขึ้น มักส่งผลให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น 15 ถึง 30% ในระบบอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ซึ่งลดปริมาณพลังงานแสงอาทิตย์สุทธิที่สามารถเก็บได้ แม้ว่าของไหลชนิดซิลิโคนจะมีความหนืดลดลงเมื่อถูกให้ความร้อน แต่ความจุความร้อนจำเพาะของมันจำกัดอยู่ที่ช่วง 1.5 ถึง 1.8 กิโลจูลต่อกิโลกรัมต่อเคลวิน ดังนั้น ผู้ปฏิบัติงานที่ใช้ของไหลชนิดซิลิโคนจึงจำเป็นต้องส่งผ่านของไหลในอัตราที่สูงกว่าสองเท่าเมื่อเทียบกับการใช้น้ำ การจัดการของไหลในลักษณะนี้ส่งผลให้ต้องใช้ปั๊มขนาดใหญ่ขึ้น เพิ่มค่าใช้จ่ายด้านไฟฟ้า และเพิ่มภาระในการบำรุงรักษา

ได้มีการยืนยันแล้วผ่านการทดสอบในโลกจริงที่โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบร่องพาราโบลา (parabolic trough solar plants) ว่าของเหลวและปั๊มที่ไม่สอดคล้องกันอาจทำให้กำลังความร้อนลดลง 12–18 เปอร์เซ็นต์เมื่อเวลาผ่านไป ที่น่าสังเกตคือ ของเหลวคุณภาพต่ำจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ และอาจมีความหนืดเพิ่มขึ้นถึง 50–80 เปอร์เซ็นต์หลังใช้งานเพียง 5 ปี ซึ่งส่งผลต่อการไหลของของเหลว ดังนั้น วิศวกรจึงจำเป็นต้องประเมินของเหลวใหม่แต่ละชนิดอย่างละเอียดกับชิ้นส่วนทุกชิ้นของระบบซึ่งของเหลวนั้นจะสัมผัสโดยตรง รวมถึงถังขยาย (expansion tanks), วาล์ว และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นเชื่อมด้วยโลหะ (brazed plate heat exchangers)

คำถามที่พบบ่อย

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้น้ำเป็นของเหลวถ่ายเทความร้อนในระบบ Demax คืออะไร

น้ำมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า เนื่องจากมีความจุความร้อนจำเพาะ (specific heat capacity) สูงกว่าของเหลวชนิดอื่น ทั้งยังสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำในเขตที่ไม่มีน้ำแข็งเกาะ และมีการสูญเสียพลังงานจากการสูบน้ำต่ำ จึงทำให้น้ำเป็นของเหลวที่ได้รับความนิยมสูงมาก

ข้อได้เปรียบของการใช้สารผสมโพรพิลีนไกลคอล/น้ำในเขตอากาศหนาวคืออะไร

ส่วนผสมเหล่านี้มีความหนืดมากกว่าน้ำ และมีความปลอดภัยมากกว่าตัวเลือกที่ใช้เอทิลีนไกลคอล จึงเป็นตัวเลือกที่นิยมใช้ในพื้นที่หนาวเย็น เนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีและมีความหนืดสูงขึ้น โดยเฉพาะในทวีปอเมริกาเหนือและยุโรปตอนเหนือ

ลักษณะใดของของไหลซิลิโคนที่ทำให้สามารถใช้งานในแอปพลิเคชันที่มีอุณหภูมิสูงได้?

ของไหลซิลิโคนมีความเสถียรทางความร้อนอย่างโดดเด่น ซึ่งทำให้สามารถใช้งานในแอปพลิเคชันที่มีอุณหภูมิสูงได้ เช่น ระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมศูนย์ (concentrated solar thermal systems) นอกจากนี้ ของไหลซิลิโคนยังมีแรงดันไอต่ำ ซึ่งช่วยลดโอกาสในการเปิดวาล์วปล่อยแรงดันเมื่อถึงอุณหภูมิสูงสุด

เกณฑ์การเลือกของเหลวรับส่งความร้อนมีผลต่อสภาพภูมิอากาศของภูมิภาคอย่างไร?

เพื่อให้ระบบมีความน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพสูงสุด ควรใช้ของเหลวรับส่งความร้อนที่มีคุณสมบัติป้องกันการแข็งตัวในพื้นที่หนาวเย็น ในขณะที่ควรใช้ของเหลวที่มีความเสถียรทางความร้อนสูงในพื้นที่ร้อน