ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์

               ในยุคที่ทั่วโลกให้ความสนใจกับคำว่า “พลังงานทดแทน” มากขึ้นทุกวัน และมีความพยายามผลักดันให้มีการใช้งานกันมากขึ้นเพื่อทดแทนการใช้พลังงานที่แปรรูปมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเกิดสภาวะโลกร้อน และถ้าพูดถึงพลังงานทดแทนที่มีใช้กันอย่างพร่หลายในบ้านเราคงหนีไม่พ้นพลังงานทดแทนที่แปรรูปมาจาก “พลังงานแสงอาทิตย์” ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเราคงนึกถึงการนำมาใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเป็นอันดับแรก แต่ในแง่ของการทำความเย็นนั้นก็มีโอกาสที่จะนำ “พลังงานแสงอาทิตย์” มาใช้เป็นพลังงานในการขับเคลื่อนระบบได้เช่นกันได้เช่นกัน โดยเราจะไม่พูดถึงการนำ “พลังงานแสงอาทิตย์” มาผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าก่อนแล้วค่อยนำไปใช้กับระบบการทำความเย็น แต่เราจะพูดถึงระบบทำความเย็นที่สามารถขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ได้โดยตรง โดยที่จะพูดถึงในบทความนี้ คือ ระบบทำความเย็นแบบดูดซึม (Absorption refrigeration system)

ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ (Absorption refrigeration system driven by solar energy)

               รูปที่ 1 แสดงถึงแผนผังการทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดซึมที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์  โดยสารทำความเย็น (Refrigerant) ในระบบนี้สามารถนำน้ำบริสุทธ์มาประยุกต์ใช้ได้ (1-2-3-4)โดยสารทำความเย็นจะคายความร้อน (Q_c) ให้กับน้ำที่มาจากหอหล่อเย็น (Cooling tower) และควบแน่นที่เครื่องควบแน่น (Condenser, 1-2) จนกลายเป็นของเหลวอิ่มตัวและจะไหลผ่านวาล์วลดความดัน (2-3) จนสถานะกลายเป็นของผสมก่อนเข้าเครื่องระเหย (Evaporator) เพื่อไปสร้าง Refrigeration effect (Q_e) และออกจากเครื่องระเหยในสถานะไออิ่มตัว โดยสารทำความเย็นจะทำงานควบคู่กับสารดูดซึม (Absorbent) (Ammonia หรือ Lithium bromide) กลายเป็นสารละลาย (Solution)

สารละลายเข้มข้น (Strong solution) จะไหลมากจากเครื่องแยกไอ Generator และผ่านวาล์วลดความดัน (8-9-10) ซึ่งจะส่งผลให้ความดันและอุณหภูมิลดลงแต่ค่าความเข้มข้นยังคงคงที่ จากนั้นสารละลายเข้มข้นจะไหลเข้ามาที่เครื่องดูดซึม (Absorber) เพื่อดูดซึมไอของสารทำความเย็นที่มาจาก Evaporator ส่งผลให้ความค่าความเข้มข้นลดลงกลายเป็นสารละลายเจือจาง (Weak solution) และระหว่างกระบวนการดูดซึมนั้นจะมีความร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากปฎิกริยาเคมี ดังนั้นจึงต้องมีการระบายความร้อน (Q_a) เราอาจจะใช้น้ำที่มาจากหอหล่อเย็นมาระบายความร้อนส่วนนี้เพื่อควบคุมอุณหภูมิของสารละลายในเครื่องดูดซึมให้มีค่าคงที่ สารละลายเจือจางจาก Absorber จะถูกปั๊มไปที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อ(Heat exchanger, 5-6-7) ส่งผลให้สารละลายเจือจางมีอุณหภูมิสูงขึ้น ในขณะที่สารละลายเข้มข้น (8-9) จะมีอุณหภูมิลดลง การติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความระหว่าง Generator กับ Absorber จะส่งผลให้ระบบมีค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นที่สูงขึ้นเนื่องจาก พลังงานความร้อนที่ใช้ที่ Generator จะมีค่าน้อยกว่าระบบที่ไม่ติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยการประยุกต์ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ของระบบนี้จะเกิดขึ้นที่ Generator ซึ่งจะทำงานร่วมกับ Parabolic trough collectorโดยองค์ประกอบสำคัญของ Parabolic trough collector คือ แผ่นสะท้อนแสงอาทิตย์ (Reflector) ที่ทีลักษณะเป็นแผ่นโค้งรูปทรง Parabola และ ท่อสุญญากาศ (Evacuated tube receiver) ที่ใช้รับพลังงานความร้อนจากแผ่นสะท้อนแสงอาทิตย์ ซึ่งหลักการทำงานนั้นแสดงอยู่ในรูปที่ 2โดยภายในท่อสุญญากาศนั้นจะบรรจุสารทำงานที่มีชื่อว่า Therminol VP-1 ซึ่งเป็น Heat transfer fluid ชนิดหนึ่งซึ่งอุณหภูมิทำงานสูงสุดของ Therminol VP-1 คือ 400°C โดยเมื่อสารทำงานได้รับพลังงานความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ อุณหภูมิของสารทำงานก็จะสูงขึ้นและจะถูกนำไปใช้เพื่อสร้างไอน้ำที่ Storage tank โดยไอน้ำที่ได้จาก Storage ก็จะถูกนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อนที่เครื่องแยกไอของระบบทำความเย็นแบบดูดซึมต่อไป ซึ่งในประเทศไทยก็ได้มีอาคารพานิชณ์บางแห่งได้นำระบบทำความเย็นแบบดูดซึมที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้บ้างแล้วแต่อุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนคือ Flite plate solar collector ซึ่งประสิทธิภาพก็จะด้อยกว่าแบบ Parabolic trough collector

Article by: Pornphimol Winyuchakrit (Ph.D.)

               Nowadays, the world increasingly pays attention to “renewable energy” day by day and there are many attempts to use a renewable energy instead of the conventional energy converted from fossil fuels. To obtain the energy from fossil fuels, the transformation process can be the cause of the global warming problem. In case of Thailand, the renewable energy that is widely used is “solar energy”. Commonly, we would think about to use the solar energy to generate electricity. However, the solar energy can be used to drive the refrigeration system as well. We will not talk about to use solar energy to generate electricity first and then uses that converted electricity to drive the refrigeration system. But we will talk about refrigeration system that can be directly powered by solar energy. The refrigeration system which is mentioned in this article is “absorption refrigeration system”.

Absorption refrigeration system driven by solar energy

              Figure 1 shows a schematic diagram of a solar powered absorption refrigeration system. Water can be applied to use with this system as its refrigerant (1-2-3-4). The refrigerant will release heat (Q_c) to cool water generated by cooling tower, and it will be condensed to be saturated liquid at the condenser (1-2). Then, liquid refrigerant will flow through expansion valve (2-3) and the phase of liquid refrigerant will be changed to mixture before entering the evaporator. The refrigeration will be produced at the evaporator. The phase of refrigerant will gradually be changed to saturated vapor and then leaving out of evaporator. The refrigerant will be working with absorbent (Ammonia or Lithium bromide) and mixed together as solution.

Strong solution will be flowed from the generator and passed through expansion vale (8-9-10). This results in the reduction of pressure and temperature while the concentration of strong solution remains constant. Then, the strong solution will enter the absorber where the vapor refrigerant from the evaporator will be absorbed by strong solution. So, the concentration of strong solution will be reduced, and it becomes a weak solution. During the absorption process, some amount of heat will be generated due to the chemical reaction. To maintain the temperature of absorber, the excess heat generated by chemical reaction will be released to cool water from cooling tower. The weak solution will then be pumped to heat exchanger (5-6-7). This causes temperature of weak solution is increased while the temperature of strong solution from generator (8-9) is decreased. The installation of heat exchanger between generator and absorber will improve the coefficient of performance (COP) of the system due to the energy used at generator will be reduced, lower than the system without heat exchanger. The utilization of solar energy of this system will take place at generator. The generator will operate with parabolic trough collector which mainly consists of two parts. The first one is parabolic trough reflector (concentrator). The second one is evacuated tube receiver which is used to absorb the heat energy from parabolic trough reflector. The working principle of parabolic trough collector is shown in figure 2. The heat transfer fluid contained inside the receiver tube is Therminol VP-1 which the maximum operating temperature is 400°C. Therminol VP-1 will absorb heat energy from sunlight and the temperature of  Therminol VP-1 will be increased. Then, it will be used to generate steam at storage tank and the steam will be used as the heat energy for generator of absorption refrigeration system. Nowadays, some commercial building in Thailand has already been using the absorption refrigeration system driven by solar energy. However, the solar energy receiver used in the system is flat plate solar collector which the efficiency is lower than parabolic trough collector.

Article by: Pornphimol Winyuchakrit (Ph.D.)

               今日の世界は日に日に「再生可能エネルギー」に注目しており化石燃料から変換された従来のエネルギーの代わりに再生可能エネルギーを使用する試みが数多行なわれている。化石燃料からエネルギーを得るための変換プロセスは地球温暖化問題の原因となっている可能性がある。タイの場合広く使われている再生可能エネルギーは「太陽エネルギー」だ。一般的には我々は太陽エネルギーを使って発電する事を考るが太陽エネルギーは冷凍システムの駆動にも使用可能なので有る。これは太陽エネルギーを利用して発電し、そしてその変換された電力を使用して冷凍システムを駆動するような話ではない。これは太陽エネルギーによって直接電力を供給できる冷凍システムについての話である。この記事で言及されている冷凍システムは「吸収冷凍システム」だ。

太陽エネルギーで駆動する吸収冷凍システム

               図1は太陽光発電の吸収式冷凍システムの概略図である。冷媒として水を使用する（1-2-3-4）。冷媒は冷却塔で発生した冷却水に熱（Qc）を放出し、凝縮器（1-2）で凝縮して飽和液となる。液体冷媒は膨張弁（2-3）を通って流れ液体冷媒の段階で蒸発器に入る前に混合物に変わる。冷凍は蒸発器で行われる。冷媒の段階で徐々に飽和蒸気に変わり蒸発器から出て行く。冷媒は吸収剤（アンモニアまたは臭化リチウム）と連動し、溶液として混合される。

強力な溶液が発電機から流れ出て膨張槽（8-9-10）を通過。これにより強い溶液の濃度を一定に保ちながら圧力と温度を下げる事が可能。次に強い溶液が吸収器に入りそこで蒸発器からの蒸気冷媒が強力な溶液によって吸収される。これにより協力な溶液の濃度が下がり弱体化した溶液になる。吸収過程では化学反応である程度の熱が発生。吸収体の温度を維持するために化学反応によって生成された過剰な熱は冷却塔から冷却水に放出される。そして弱体化された溶液が熱交換器（5-6-7）にポンプで送られる。これによりジェネレーター（8-9）からの強力な溶液の温度が低下する一方弱体かされた溶液の温度は上昇。発電機と吸収器の間に熱交換器を設置すると発電機で使用されるエネルギーが減少するためシステムの性能係数（COP）が向上して熱交換器のないシステムよりも低くなる。このシステムの太陽エネルギーの利用は発電機で行われる。発電機は主に二つの部分で構成される放物面トラフコレクターで動作する。一つ目は放物面トラフ反射鏡（コンセントレーター）だ。二つ目は放物面トラフ反射鏡から熱エネルギーを吸収するために使用される真空管レシーバー。放物面トラフコレクターの動作原理を図2に示す。レシーバーチューブ内に含まれる伝熱流体は最高動作温度が400°CのテルミノールVP-1。テルミノールVP-1は太陽光から熱エネルギーを吸収してテルミノールVP-1の温度が上昇。その後貯蔵タンクで蒸気を生成するために使用され、その蒸気は吸収式冷凍システムの発電機の熱エネルギーとして使用。今日タイの幾つかの商業ビルは既に太陽エネルギーによって駆動される吸収冷凍システムを使用している。但しシステムで使用される太陽エネルギーレシーバーは放物面トラフコレクターよりも効率が低い平板ソーラーコレクターだ。

Article by: Pornphimol Winyuchakrit (Ph.D.)