เครื่องยนต์อากาศร้อน

จาก ChulaPedia

รุ่นปัจจุบันของ 08:42, 22 มีนาคม 2554

เครื่องยนต์อากาศร้อน ลดภาวะโลกร้อน

เครื่องยนต์อากาศร้อน

เครื่องยนต์อากาศร้อนหรือ hot-air engine เป็นชื่อสามัญของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่ถูกคิดค้นขึ้นกว่า 100 ปีที่แล้วโดยสาธุคุณ Robert Stirling ชาวสกอตแลนด์ ในช่วงนั้นของประวัติศาสตร์ ต้นกำลังที่สำคัญได้แก่เครื่องจักรไอน้ำซึ่งขับเคลื่อนการปฏิวัติอุตสาหกรรมมาได้อย่างแข็งขัน เครื่องยนต์อากาศร้อนก็เป็นทางเลือกร่วมสมัยหนึ่งของต้นกำลังที่นำเสนอความปลอดภัยที่เหนือกว่าเครื่องจักรไอน้ำ แต่อย่างไรก็ดี ในช่วงที่ไล่เลี่ยกัน การประดิษฐ์เครื่องยนต์สันดาปภายในขึ้นพร้อมกับการบุกเบิกการนำน้ำมันเชื้อเพลิงมาใช้อย่างกว้างขวางในเวลาต่อมาก็ทำให้การใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในร่วมกับน้ำมันเชื้อเพลิงนำพาการพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมโลกมากว่า 100 ปี มาจนปัจจุบัน ที่มนุษย์ได้พบกับภาวะโลกร้อน มนุษย์เริ่มตระหนักว่า เขาต้องใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเขาต้องนำพลังงานทดแทนมาใช้แทนที่น้ำมันเชื้อเพลิงและ เขาต้องหาทางเลือกเพื่อผลิตความเย็นโดยไม่ใช้สารทำความเย็นที่มีผลต่อภาวะโลกร้อน ในแต่ละส่วนนั้น เทคโนโลยีที่มีพื้นฐานจากเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถเข้ามามีบทบาทได้อย่างเป็นรูปธรรมในปัจจุบัน

การใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพด้วยรูปแบบพลังงานความร้อนร่วม

ในปัจจุบัน ตัวกลางทางพลังงานที่สำคัญในบ้านเรือนและอุตสาหกรรมคือพลังงานไฟฟ้า แต่สำหรับหลากหลายรูปแบบการใช้พลังงานแล้ว นอกจากการใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับต้นกำลังเช่นมอเตอร์ในอุปกรณ์ต่างๆแล้ว ยังมีการใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อให้ความอบอุ่นในบ้านเรือน รวมทั้งการต้มน้ำ/ผลิตไอน้ำในอุตสาหกรรม ซึ่งการใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อการผลิตความร้อนเหล่านี้ นับเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพต่ำมาก ในปัจจุบัน เพื่อการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ มีการนำรูปแบบพลังงานความร้อนร่วม (Combined Heat and Power, CHP) มาใช้ โดยผสานกับแนวคิดการผลิตไฟฟ้ารายย่อยที่มีการติดตั้งเครื่องผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กไว้ในบ้านเรือนหรือโรงงาน ด้วยธรรมชาติของเครื่องจักรความร้อนที่มีประสิทธิภาพราว 20-30% ก็หมายถึงความร้อนเหลือทิ้งปริมาณมาก ซึ่งสามารถนำมาใช้ทำความอบอุ่น หรือผลิตน้ำร้อน/ไอน้ำได้ เมื่อรวมการทำงานทั้งสองรูปแบบคือการผลิตไฟฟ้าและการผลิตความร้อนแล้ว การใช้พลังงานในรูปแบบพลังงานความร้อนร่วมให้ประสิทธิภาพได้สูงถึง 80-90% ในการนำระบบพลังงานความร้อนร่วมมาใช้ในปัจจุบัน นอกจากจะมีต้นกำลังเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในที่คุ้นเคยกันดีแล้ว ระบบทางเลือกที่สำคัญในปัจจุบันได้แก่ระบบที่ใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงและระบบที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งทั้งสองระบบมีข้อได้เปรียบที่ประสิทธิภาพที่สูงกว่ารวมทั้งมีการปล่อยมลพิษที่ต่ำกว่าการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน ตัวอย่างเช่นในประเทศญี่ปุ่นที่มีการสนับสนุนการทดลองตลาดระบบพลังงานความร้อนร่วมที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงในโครงการ Millennium โดยการสนับสนุนจาก NEDO เป็นจำนวนการติดตั้งสะสมแล้วกว่า 3300 ครัวเรือนเมื่อปลายปี 2551 และสำหรับเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแล้ว ก็มีการเข้าสู่ตลาดในครัวเรือนในยุโรปที่พิกัดการผลิตไฟฟ้าราว 1 กิโลวัตต์และพิกัดการผลิตความร้อน 6 กิโลวัตต์ ซึ่งเรียกว่าเป็นระบบ microCHP เช่นของบริษัท WhisperGen รวมทั้งในพิกัดที่สูงขึ้นเพื่อใช้ในโรงแรมหรือโรงพยาบาลที่มีการใช้น้ำร้อน/ไอน้ำในปริมาณมาก ด้วยพื้นฐานการทำงานแบบสันดาปภายนอกและความเรียบง่ายในการออกแบบ ระบบพลังงานความร้อนร่วมที่ใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทำงานได้เงียบ ในขณะที่มีราคาต่ำกว่าระบบที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง

การนำพลังงานทดแทนมาใช้โดยระบบ CSP

ด้วยศักยภาพที่สูงมากของพลังงานทดแทนจากแสงอาทิตย์ รูปแบบของพลังงานทดแทนที่มีพิกัดการผลิตสะสมสูงสุดในปัจจุบันกลับเป็นพลังงานลม ทั้งนี้เพราะแม้จนไม่นานมานี้ทางเลือกในการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ถูกจำกัดอยู่ที่การใช้เซลล์แสงอาทิตย์ มาในปัจจุบัน สหรัฐอเมริกา สเปนรวมทั้งออสเตรเลีย ซึ่งมีแสงแดดแรงเช่นเดียวกับประเทศไทย ได้มีการนำระบบผลิตไฟฟ้าจากการรวมแสงอาทิตย์ (Concentrating Solar Power, CSP) มาใช้ในขนาดพิกัดหลายร้อยเมกะวัตต์ ตัวอย่างเช่นในสเปนมีการผลิตไฟฟ้าด้วยแสงอาทิตย์ในปัจจุบันที่ 600 เมกะวัตต์ และมีระบบ CSP ที่อยู่ระหว่างการติดตั้งให้เสร็จสิ้นในปี ค.ศ. 2015 รวมกว่า 2 กิกะวัตต์ ระบบ CSP นี้ใช้แผงรวมแสงอาทิตย์เพื่อนำความร้อนปริมาณมากที่อุณหภูมิสูงไปขับเคลื่อนต้นกำลังเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า จากหลากหลายรูปแบบของระบบ CSP รูปแบบที่เรียกว่าจานสเตอร์ลิง (Stirling dish) มีจานพาราโบลิกเพื่อรวมแสงอาทิตย์ไปที่จุดโฟกัสของจานซึ่งจะมีเครื่องยนต์สเตอร์ลิงอยู่เพื่อรับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ไปผลิตพลังงานทางกลเพื่อขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยอาจมีอุณหภูมิที่จุดรวมแสงสูงได้ถึง 800-1000 องศาเซลเซียส ระบบจานสเตอร์ลิงนี้ให้ประสิทธิภาพรวมของการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ในอันดับสูงสุดของทุกเทคโนโลยีในปัจจุบัน โดยอยู่ที่ 29.4 %

การผลิตความเย็นโดยใช้ฮีเลียม

ในการทำความเย็นในครัวเรือนหรือในยานยนต์ในปัจจุบัน อาจดูเหมือนไม่มีทางเลือกอื่นใดนอกเหนือจากระบบอัดไอ (vapor compression) แต่ด้วยแรงผลักดันจากปัญหาสิ่งแวดล้อม ทางเลือกหนึ่งที่ถูกนำมาใช้ได้แก่ระบบทำความเย็นแบบสเตอร์ลิง ด้วยลักษณะเฉพาะของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแล้ว โดยพื้นฐาน หากถูกขับย้อนทางด้วยกำลังภายนอกที่เพลาขับ จะทำความเย็นได้ ในปัจจุบันในการใช้งานของตู้เย็นในครัวเรือนหรือระบบปรับอากาศในยานยนต์ ระบบทำความเย็นแบบสเตอร์ลิงกำลังถูกพัฒนาเพื่อเป็นทางเลือกจากระบบอัดไอ โดยสามารถมีน้ำหนักเบาและขนาดที่กะทัดรัด ทำงานโดยมีสารทำงานเป็นฮีเลียม

อาจารย์ผู้ดูแลบทความ ผศ. ดร.อังคีร์ (ไพบูลย์) ศรีภคากร อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล

ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ