จีนประสบความสำเร็จในการพัฒนาเครื่องยนต์ Thermoacoustic Stirling engine ที่ให้กำลังถึง 140 แรงม้า
ด้วยประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานจากแหล่งความร้อนหลากหลายประเภทให้กลายเป็นไฟฟ้าด้วยประสิทธิภาพที่สูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปที่มีอยู่ในปัจจุบันมาก เครื่องยนต์ชนิดนี้ยังมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้งานในหลาย ๆ ด้านที่มีลักษณะจำเพาะ อาทิเช่น เครื่องยนต์เรือดำน้ำไร้เสียง หรือใช้งานในอวกาศสำหรับเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง
โดยความสำเร็จในครั้งนี้เป็นการพัฒนาโดยทีมวิจัยจาก Technical Institute of Physics and Chemistry (TIPC) ของ Chinese Academy of Sciences (CAS)
หน้าตาของเครื่องยนต์ Thermoacoustic Stirling ขนาด 140 แรงม้า
โดยเครื่องยนต์หน้าตาคล้ายดัมเบลยักษ์ขนาดยาว 2 เมตรที่ทีมวิจัยเรียกว่า linear motor นี้สามารถทำลายข้อจำกัดเดิมในด้านกำลังที่ได้จากเครื่องยนต์ โดยสามารถให้กำลังได้ถึง 140 แรงม้า(102 กิโลวัตต์) จากแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิ 530 องศาเซลเซียส ทำลายสถิติสูงสุดเดิมที่ 134 แรงม้า
linear motor นี้ทำงานได้ด้วยต้นกำลังจากแหล่งความร้อน ประกอบขึ้นจากชุดกระบอกสูบ แม่เหล็กถาวรและชุดขดลวด สำหรับสารทำงาน(working medium) ของเครื่องยนต์คือก๊าซฮีเลียมความดันสูง(150 เท่าของความดันบรรยากาศ)
สำหรับการพัฒนาขั้นถัดไปทางทีมตั้งใจจะทำการทดสอบกับแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 600 องศาเซลเซียส ซึ่งคาดว่าจะสามารถทำให้เครื่องมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเพิ่มไปได้ถึง 34% (ตัวที่เพิ่งทดสอบสำเร็จนี้มีประสิทธิภาพอยู่ที่ 28%) ซึ่งตามทฤษฎียิ่งวัฏจักรความร้อนทำงานด้วยอุณหภูมิของแหล่งความร้อนยิ่งสูงตัววัฏจักรก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้นด้วย
เทคโนโลยีนี้ NASA เองก็ได้มีการศึกษาพัฒนาและจดสิทธิบัตรเอาไว้แล้ว
Stirling Thermoacoustic Power Converter and Magnetostrictive Alternator
ซึ่งแม้ว่าปัจจุบันจะยังไม่ได้มีการสร้างเครื่องยนต์ประเภทนี้ไว้ใช้งาน แต่เทคโนโลยีนี้ก็ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในระบบทำความเย็นให้กับชุดอุปกรณ์ Mid-Infrared Instrument หรือ MIRI ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์
ชุดอุปกรณ์ Cryocooler Compressor ที่คอยทำความเย็นให้กับ MIRI
ทั้งนี้ MIRI นี้ต้องการอุณหภูมิทำงานที่เหมาะสมต่ำกว่าชุดอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ติดตั้งอยู่ในกล้องเจมส์ เวบบ์ จึงต้องมีระบบหล่อเย็นชนิดพิเศษที่ต้องสร้างการสั่นทะเทือนต่ำ และมีความทนทาน
ดังนั้น pulse tube cryocooler ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ประยุกต์มาจาก thermoacoustics cooling ที่แทบจะไร้ซึ่งอุปกรณ์ส่วนเคลื่อนไหวจึงไร้การสั่นสะเทือนและมีความทนทานตามที่ต้องการ
** ทำความรู้จัก Thermoacoustic Stirling engine **
Thermoacoustic Stirling engine นี้เป็นการประยุกต์รวม thermoacoustic engines เข้ากับ Stirling engine
หน้าตาและหลักการทำงาน Stirling engine
เครื่องยนต์สเตอร์ลิง(Stirling engine) เป็นเครื่องยนต์ที่แปลงพลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานกล ประกอบไปด้วยลูกสูบ 2 กระบอก ซึ่งแต่ละกระบอกจะมีอากาศหรือก๊าซถูกขังอยู่ภายในไม่สามารถออกมาภายนอกกระบอกสูบได้
โดยกระบอกที่หนึ่งจะรับความร้อนทำให้มีอุณหภูมิสูง ซึ่งภายในจะมีลูกสูบไล่หรือ ดิสเพลสเซอร์(Displacer piston) ตัวลูกสูบนี้จะมีขนาดเล็กกว่าตัวกระบอกสูบเล็กน้อยเพื่อให้ลูกสูบสามารถไล่อากาศในกระบอกสูบให้เคลื่อนที่อยู่ระหว่างด้านร้อนกับด้านเย็น แต่ลูกสูบไล่นี้ไม่ใช่ส่วนสำคัญในการสร้างกำลังให้กับเครื่องยนต์
ส่วนกระบอกที่สองเป็นส่วนที่ไม่ได้รับความร้อน โดยภายในจะมีลูกสูบขนาดเล็กที่เรียกว่าลูกสูบกำลัง (Power piston) เป็นส่วนที่สำคัญที่นำกำลังออกจากเครื่องยนต์ โดยพลังงานที่ได้จากเครื่องยนต์จะดันให้ล้อตุนกำลังหมุนและส่วนต่าง 90 องศาของจุดต่อบนจานหมุนของทั้ง 2 ลูกสูบจะทำให้เครื่องยนต์เคลื่อนที่สลับไปมาเป็นวัฏจักรตราบใดที่ยังมีความร้อนจ่ายให้กับกระบอกที่หนึ่ง
ส่วน thermoacoustic engines เป็นเครื่องยนต์ความร้อนชนิดหนึ่ง ซึ่งทำงานโดยใช้ปรากฏการณ์ thermoacoustic โดยเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก(คลื่นเสียง) แล้วใช้ลูกสูบเปลี่ยนพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกลไปขับดันลูกสูบให้ทำงาน
แผนภาพ thermoacoustic engines อย่างง่าย
ซึ่งเป็นเวลากว่าร้อยปีแล้วที่มนุษย์เรารู้ว่าพลังงานความร้อนสามารถมีผลในการทำให้เกิดคลื่นอะคูสติก(acoustic wave) หรือคลื่นเสียงได้ ซึ่งเป็นการแปลงรูปพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ
จากวีดีโอข้างบนซึ่งอธิบายได้ดีมาก ๆ ว่าความร้อนทำให้เกิดเสียงได้อย่างไร แล้วเรามาประยุกต์ใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนออกมาเป็นพลังงานรูปแบบอื่นได้อย่างไรบ้าง ยังไงอยากให้ลองไปดูกันครับ (เปิด Sub ช่วยได้เวลาฟังไม่ทัน แต่เขาพูดช้าและชัดมากอยู่แล้ว)
จากรูปถ้าเราให้ความร้อนไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมในท่อเปิด ก็จะทำให้เกิดเสียงได้อันเกิดจากกระแสการไหลของอากาศผ่านท่อเหมือนกับการที่เราเป่าขลุ่ย ทั้งนี้เพราะขดลวดร้อนนั้นทำให้อากาศร้อนและลอยตัวขึ้นด้านบนพร้อมดึงอากาศเย็นจากด้านล่างเข้ามา
แต่พอพลิกท่อมาเป็นแนวนอนเสียงก็จะเงียบลง เพราะไม่มีกระแสอากาศไหลในท่อแล้วนั่นเอง
ทีนี้ถ้าเป็นท่อปลายปิดละ มันจะยังให้เสียงออกมาได้เหมือนท่อปลายเปิดหรือเปล่า?
ย้อนกลับไปตอนเรียนฟิสิกส์ ม.ปลาย จำกันได้ไหมครับ ท่อปลายเปิด กับท่อปลายปิด ความยาวท่อปลายปิดครึ่งหนึ่งก็คือ Node กลางของท่อปลายเปิดนั่นเอง
และด้วยการแบ่งโซนร้อนและโซนเย็นในท่อปลายปิด และให้ความร้อนไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมเหมือนในท่อปลายเปิด ก็จะทำให้เกิดเสียงขึ้นได้เช่นกัน และเมื่อเราปิดปลายท่อด้วยแผ่นยางที่ถ่วงน้ำหน้กด้วยแม่เหล็กตรงกลาง คลื่นเสียงที่เกิดขึ้นก็จะทำให้เกิดการสั่นของตุ้มถ่วงแม่เหล็กตรงกลางแผ่นยางนี้ได้
แต่ Thermoacoustic engine แตกต่างจาก Stirling engine ตรงที่เราไม่ขังอากาศไว้ในท่อปลายปิด ต้องมีช่องว่าให้อากาศไหลผ่านในช่วงการขยายตัวและหดตัวของอากาศในท่อได้
และเมื่อเราเอาชุดขดลวดมาใส่ไว้รอบตุ้มแม่เหล็กที่กำลังสั่นอยู่นี้ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในขดลวดได้ นี่ก็คือตัวอย่างหนึ่งของการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า ถ้าอยากได้เป็นพลังงานกลก็เพียงเปลี่ยนชุดตุ้มแม่เหล็กเป็นกระบอกสูบและต่อไปยังจานหมุนเราก็จะได้เครื่องยนต์ Thermoacoustic นั่นเอง
ทีนี้ถ้าเรากลับกระบวนการของ Thermoacoustic engines ละ?
เราก็จะได้เครื่องทำความเย็นจากเสียงหรือความร้อน โดยไร้ซึ่งชิ้นส่วนเคลื่อนไหวอย่างสมบูรณ์นั่นเอง
แผนภาพหลักการทำงานของ thermoacoustic refrigeration และรูปของเครื่องทำความเย็นด้วยเสียง
ซึ่งก็คือรูปแบบการทำความเย็นที่ถูกพัฒนาไปเป็น Pulse tube cryocooler อย่างที่กล่าวมาข้างต้น
จากที่เล่ามา เครื่องยนต์ Thermoacoustic Stirling engine นั้นจะรวมข้อดีของเครื่องยนต์ทั้ง 2 รูปแบบไว้ อันได้แก่
- 1.ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง
- 2.มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว(Moving part)น้อย ลดการบำรุงรักษา ลดระบบและสารหล่อลื่นเครื่องยนต์
- 3.ราคาถูก เพราะชิ้นส่วนน้อยและไม่ต้องมีระบบหล่อลื่นชิ้นส่วนเคลื่อนไหวประกอบ
- 4.ทนทาน ไว้ใจได้ เพราะมีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อย
- 5.มีขนาดเล็ก (แต่ข้อจำกัดคือ ถ้าต้องการกำลังสูงการขยายขนาดเครื่องทำให้เสียข้อได้เปรียบนี้ไป)
- 6.ประยุกต์ใช้กับแหล่งความร้อนได้หลากหลาย ตั้งแต่ตะเกียงแอลกอฮอล์ ความร้อนจากแสงอาทิตย์ ไปยังความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการอุตสาหกรรม
แต่ก็ยังมีข้อจำกัดเรื่องของกำลังที่ได้จากเครื่องยนต์ประเภทนี้ ซึ่งนับว่าการทำลายกำแพง 132 แรงม้าได้ในครั้งนี้จึงนับว่าน่าสนใจมากเลยทีเดียวว่าเครื่องยนต์ชนิดนี้จะสามารถมาเป็นตัวเปลี่ยนเกมส์ในหลาย ๆ วงการ หรือจะเอามาใช้ช่วยสู้โลกร้อนได้หรือไม่
อ้างอิง:
- 3
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
