Ep.26 : Concentrated Solar Power (CSP) พลังแห่งการโฟกัส
เมื่อวิศวกรใช้แว่นขยายขนาดยักษ์ รวมเปลวเพลิงสุริยะไปไว้ที่จุดเดียว
ตั้งแต่ยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม มนุษยชาติขับเคลื่อนโลกไปข้างหน้าด้วยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล แต่บิลค่าใช้จ่ายที่ธรรมชาติตีกลับมาในรูปแบบของ "ภาวะโลกร้อน" และ "มลพิษทางอากาศ" ก็มีราคาแพงลิบลิ่ว จนเราต้องเร่งหาทางออกด้วยพลังงานหมุนเวียน ไม่ว่าจะเป็น พลังงานลม พลังงานน้ำ พลังงานความร้อนใต้พิภพ และรวมถึงพลังงานที่เข้าถึงได้ง่ายที่สุดอย่าง "พลังงานแสงอาทิตย์"
กำเนิด Solar PV : จากห้องทดลองสู่ทุ่งโซลาร์ฟาร์ม
เทคโนโลยีการเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าที่เราคุ้นเคยกันดีอย่าง Solar PV (Photovoltaic) มีรากฐานมาตั้งแต่ปี 1839 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Edmond Becquerel ค้นพบปรากฏการณ์ที่วัสดุบางชนิดสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้เมื่อโดนแสง
แต่กว่าเทคโนโลยีนี้จะใช้งานได้จริงก็ต้องรอถึงปี 1954 ที่ Bell Labs สามารถสร้างโซลาร์เซลล์ซิลิคอนแผงแรกขึ้นมาได้ จากแผงเล็กๆ บนหลังคา ปัจจุบันเทคโนโลยีนี้ถูกสเกลอัปกลายเป็นโซลาร์ฟาร์ม (Solar Farm) ขนาดใหญ่สุดลูกหูลูกตาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าหล่อเลี้ยงเมืองทั้งเมือง
"Solar Farm" - Gansu Dunhuang Solar Park
หลายคนอาจจะสะดุดกับชื่อ Becquerel (แบ็กเกอแรล) ซึ่งแบ็กเกอแรล หรือ Bq เป็นหน่วยที่ใช้วัดอัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (Radioactivity) เช่น การแผ่รังสีของแร่ยูเรเนียม
จริงๆแล้วชื่อหน่วย Bq ไม่ได้มาจากคุณ Edmond โดยตรง แต่มาจากลูกชายของเขาชื่อ Antoine Henri Becquerel ซึ่งเป็นคนที่ค้นพบ "กัมมันตภาพรังสี" จนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกับสองสามีภรรยาตระกูลกูรี (Marie และ Pierre Curie) และถูกนำชื่อมาตั้งเป็นหน่วยวัด Bq นั่นเองครับ
เรียกได้ว่าตระกูล Becquerel ถือเป็นหนึ่งในตระกูลนักวิทยาศาสตร์ที่ทรงอิทธิพลที่สุดของฝรั่งเศส เพราะผลิตนักฟิสิกส์ระดับโลกที่สร้างผลงานขับเคลื่อนวงการวิทยาศาสตร์สืบทอดกันมาถึง 4 รุ่นติดเลยทีเดียว
Kobayashi Maru ของพลังงานแสงอาทิตย์
แต่ทว่า การพึ่งพา Solar PV เพียงอย่างเดียว กลับกลายเป็นสถานการณ์แบบ Kobayashi Maru หรือแบบทดสอบที่แทบจะไม่มีวันเอาชนะได้ในเชิงวิศวกรรมพลังงาน
ปัญหาแรกคือ "ประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้า" แผงโซลาร์เซลล์ตามท้องตลาดทั่วไปแปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้าได้เพียงราวๆ 15-22% เท่านั้น (นี่ยังไม่นับรวมการสูญเสียในสายส่งไฟฟ้าและการเก็บประจุอีก)
และปัญหาที่สองที่เป็นจุดตายสำคัญก็คือ "มันทำงานได้เฉพาะตอนที่มีแสง"เมื่อดวงอาทิตย์ตกดิน หรือวันที่มีพายุฝนเข้า การผลิตกระแสไฟฟ้าจะร่วงหล่นลงเป็นศูนย์ทันที
ในขณะที่ความต้องการใช้ไฟของมนุษย์กลับพุ่งสูงสุดในช่วงหัวค่ำ หากเราดันทุรังจะใช้ Solar PV จ่ายไฟตลอด 24 ชั่วโมง เราต้องสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) ขนาดมหึมาเพื่อเก็บประจุไฟไว้ใช้ตอนกลางคืน
ซึ่งต้องแลกมาด้วยงบประมาณการลงทุนที่สูงลิบลิ่วจนแทบจะเป็นไปไม่ได้ในสเกลระดับประเทศ เพราะอย่างที่เราทราบกันดีว่าแร่ลิเทียม (Lithium) ในปัจจุบันราคาสูงทะยานฟ้าและหายากมากขึ้นทุกที
เปลี่ยนกฎของเกม : พลังแห่งแว่นขยาย
ถ้าใครเป็นแฟนซีรี่ส์ภาพยนตร์ Star Wars ย่อมรู้จักการรวมแสง Super Laser ของอาวุธมหาประลัยนาม "Death Star" อย่างแน่นอน จักรวรรดิกาแลกติก (Galactic Empire) ใช้ Kyber Crystals หลายๆอันช่วยกันดึงและรวมพลังงานมหาศาล จากนั้นก็หักเหและบีบอัดลำพลังงานทั้งหมดให้พุ่งตรงไปที่ "จุดโฟกัส" จุดเดียวกัน
จนเกิดเป็นความหนาแน่นของพลังงานขั้นสุดยอดที่รุนแรงเกินจินตนาการ สามารถเป่าดาวเคราะห์ทั้งดวงให้ระเบิดเป็นจุลได้ด้วยการยิงเพียงครั้งเดียว
"Death Star" ในภาพยนตร์ Star Wars
หรือลองนึกย้อนไปสมัยเด็กๆที่เราเคยทดลองเอา "แว่นขยาย" ไปส่องรวมแสงอาทิตย์ให้เป็นจุดเล็กๆลงบนใบไม้แห้งจนลุกไหม้ได้ในไม่กี่วินาที ขนาดเลนส์แว่นขยายวงเล็กๆที่เด็กเล่นกัน ยังสามารถบีบอัดแสงจนเกิดความร้อนมหาศาลจนทำให้ใบไม้ลุกไหม้ได้
แล้วถ้าเราขยายสเกล เปลี่ยนจากเลนส์อันเล็ก เป็นกระจกบานใหญ่จำนวนนับหมื่นนับแสนบานล่ะ ? พลังงานความร้อนที่ได้จะมหาศาลขนาดไหน ?
แว่นขยายรวมแสงจนใบไม้แห้งเกิดการลุกไหม้
ในเมื่อแผงรับแสงแบบเดิมผลิตไฟได้น้อยและมีข้อจำกัดเรื่องการกักเก็บไฟฟ้า
แล้วทำไมเราไม่นำกระจกหลายๆ บาน มาช่วยกัน "รวมแสง" พุ่งเป้าไปที่จุดๆ เดียว เพื่อสร้างความร้อนมหาศาลแทนซะเลยล่ะ ?
กลไกการทำงานของหอรวมแสง (CSP Tower)
แก่นแท้ของเทคโนโลยี Concentrated Solar Power (CSP) รูปแบบหอคอยรวมแสง หลักการออกแบบของมันถอดแบบมาจาก "จานรับสัญญาณดาวเทียม" ที่มีรูปทรงโค้งแบบพาราโบลาเป๊ะๆเลย
ซึ่งการทำงานของจานดาวเทียมจะสะท้อนสัญญาณที่ตกกระทบทุกทิศทางบนพื้นผิวจานให้ไปรวมกันที่ "จุดโฟกัส" ตรงกลางจุดเดียวเพื่อความเข้มข้นสูงสุดของสัญญาณ
การรวมแสงไปที่จุดโฟกัสของกระจกโค้งพาราโบลา
จานรับสัญญาณแบบพาราโบลาหรือกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกคือ FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) ตั้งอยู่ที่อำเภอผิงถัง มณฑลกุ้ยโจว ประเทศจีน โดยตัวจานมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวถึง 500 เมตร ซึ่งมีขนาดใหญ่เทียบเท่าสนามฟุตบอลรวมกันประมาณ 30 สนาม เปิดใช้งานอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 25 กันยายน 2559 เพื่อใช้สำรวจและรับสัญญาณคลื่นวิทยุจากห้วงอวกาศลึก
FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) ในมณฑลกุ้ยโจว ประเทศจีน
โรงไฟฟ้า CSP จะประกอบไปด้วยกระจกสะท้อนแสงนับหมื่นบาน โดยกระจกแต่ละบานที่เห็นรายล้อมหอคอยไม่ได้วางอยู่นิ่งๆ แต่คือ Heliostat*
ที่มีมอเตอร์ปรับระดับ 2 แกน (Dual-axis Tracking) คอยคำนวณตำแหน่งดวงอาทิตย์ในแต่ละนาทีของวันและปรับองศาหันตามดวงอาทิตย์แบบอัตโนมัติ
*ดูคำอธิบาย Heliostat ได้ในอภิธานศัพท์ท้ายบท
Heliostat
เมื่อปรับมุมพร้อมกันหมื่นบาน ทั้งสนามกระจกจะทำหน้าที่เสมือนเป็น จานสะท้อนพาราโบลาขนาดยักษ์ (Giant Parabolic Dish) ที่มีจุดโฟกัสร่วมกันจุดเดียว นั่นคือ ตัวรับความร้อน (Central Receiver) บนยอดหอคอย
การรวมแสงจากพื้นที่กว้างหลายร้อยไร่เข้ามาปะทะพื้นที่ตัวรับเพียงจุดเดียว ทำให้มีความเข้มแสงสูงกว่าปกติหลายร้อยหลายพันเท่า (High Concentration ratio)
อุณหภูมิที่จุดโฟกัสจึงพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็วเกิน 500–600 °C (900 °F+) ซึ่งความร้อนระดับนี้สูงพอที่จะเปลี่ยนสถานะของสารรับความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
Crescent Dunes Project - Nevada US
Commercial CSP Overview
การเดินทางของเปลวเพลิงสุริยะ และพระเอกที่ชื่อว่า "เกลือ"
คอนเซปต์การรวมแสงนี้มีตำนานเล่าขานมาตั้งแต่ยุคกรีกโบราณ ที่อาร์คิมิดีส (Archimedes) ใช้กระจกเงารวมแสงเผาทำลายเรือรบโรมัน แต่สำหรับวิศวกรรมยุคใหม่ หอคอยรวมแสงต้นแบบแห่งแรกถูกสร้างขึ้นโดยศาสตราจารย์ Giovanni Francia ในอิตาลีเมื่อปี 1968 ก่อนจะถูกนำไปพัฒนาต่อยอดเป็นโรงไฟฟ้า Solar One ในสหรัฐอเมริกาช่วงยุค 80s
อุปสรรคสำคัญในการออกแบบระบบนี้ในช่วงแรก คือการเขียนโปรแกรมควบคุมมอเตอร์ของกระจกนับหมื่นบานให้สะท้อนแสงเข้าเป้าหมายได้อย่างแม่นยำระดับมิลลิเมตร
และอีกหนึ่งอุปสรรคสำคัญคือ
"จะทำอย่างไรที่จะกักเก็บความร้อนมหาศาลนั้นไว้ให้ได้นานที่สุด"
แนวคิดพื้นฐานคือต้องการสารที่รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ได้สูง กักเก็บไว้ได้นาน และไม่เสื่อมสภาพง่ายเพื่อเอาความร้อนนั้นไปต้มน้ำปั่นกังหันผลิตไฟฟ้าได้ตลอด 24 ชั่วโมง ซึ่งตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา ได้มีการทดลองและใช้งาน "สารกัมมันตภาพความร้อน" (Thermal Storage Mediums) หลากหลายชนิด โดยแต่ละชนิดมีข้อดี ข้อเสีย และผลลัพธ์จากการใช้งานจริงที่แตกต่างกันไป เช่น
------------------------
1. น้ำและไอน้ำ (Water and Steam)
นี่คือเทคโนโลยีที่เก่าแก่และเรียบง่ายที่สุดครับ โดยใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์ต้มน้ำให้ร้อนโดยตรงแล้วเก็บไว้ในถังขนาดใหญ่ที่หุ้มฉนวน หรือทำให้กลายเป็นไอน้ำแล้วเก็บไว้ในถังความดัน (Accumulator)
● วิธีใช้งาน : ความร้อนจากแสงอาทิตย์จะถูกส่งผ่านตัวรับความร้อนเพื่อทำให้น้ำร้อนขึ้นหรือกลายเป็นไอน้ำ สารนี้จะถูกเก็บไว้ในถังเพื่อนำไปใช้งานเมื่อต้องการ
● ข้อดี : เป็นสารที่หาได้ง่ายที่สุด ราคาถูกที่สุด ไม่เป็นพิษ และวิศวกรมีความคุ้นเคยในการจัดการดีเยี่ยม
● ข้อเสีย : ข้อจำกัดที่ร้ายแรงที่สุดคือ "ช่วงอุณหภูมิที่แคบ" น้ำจะกลายเป็นไอน้ำที่ 100°C หากต้องการทำให้อุณหภูมิสูงกว่านี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการปั่นไฟ จำเป็นต้องใช้ถังเก็บที่ทนความดันสูงมาก ซึ่งทำให้ระบบมีความซับซ้อนและราคาแพงมหาศาล ระบบควมดันสูงยังมาพร้อมกับความอันตรายหากมีการรั่วเกิดขึ้น อีกทั้งประสิทธิภาพในการกักเก็บความร้อนเมื่อเทียบกับปริมาตรยังต่ำ
------------------------
2. น้ำมันสังเคราะห์และน้ำมันแร่ (Synthetic and Mineral Oils)
ในยุคแรกของโรงไฟฟ้า CSP เชิงพาณิชย์ (ช่วงทศวรรษที่ 1980-1990) น้ำมันคือสารกักเก็บและส่งผ่านความร้อนที่ได้รับความนิยมมากที่สุด
● วิธีใช้งาน : โรงไฟฟ้าแบบรางพาราโบลา (Parabolic Trough) ในยุคแรก (เช่น โครงการ SEGS I ในสหรัฐฯ) จะใช้น้ำมันแร่ไหลผ่านท่อรับความร้อนตรงกลางรางเพื่อรับความร้อน และนำน้ำมันร้อนนั้นไปเก็บไว้ในถัง หรือใช้ทำความร้อนให้กับสารอื่นเพื่อกักเก็บ
● ข้อดี : น้ำมันมีจุดเดือดสูงกว่าน้ำมาก จึงทำงานที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 300-400°C) ได้ที่ความดันปกติ ทำให้ระบบไม่ซับซ้อนและปลอดภัยกว่าน้ำความดันสูง
● ข้อเสีย :
・จำกัดอุณหภูมิสูงสุด : น้ำมันสังเคราะห์ส่วนใหญ่จะเริ่มเสื่อมสภาพหรือสลายตัวทางเคมีหากอุณหภูมิสูงเกิน 400°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำเกินไปสำหรับการเดินเครื่องกังหันไอน้ำให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด
・ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย : น้ำมันเป็นสารที่ติดไฟได้และเป็นพิษหากรั่วไหลสู่สิ่งแวดล้อม
・ราคาแพง : น้ำมันสังเคราะห์ที่มีคุณภาพสูงมีราคาค่อนข้างแพงและจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนใหม่ตามอายุการใช้งาน
------------------------
3. หินและคอนกรีต (Rocks and Concrete)
นี่คือความพยายามในการใช้สารเก็บความร้อนที่เป็นของแข็งเพื่อลดต้นทุนของเหลวราคาแพงอย่างน้ำมัน
● วิธีใช้งาน: มักใช้ในระบบ "ถังเดียวแบบแบ่งชั้นความร้อน" (Single-tank Thermocline) โดยในถังขนาดใหญ่จะบรรจุหินแกรนิตหรือหินบดไว้จนเต็ม แล้วใช้ของเหลว (เช่น น้ำมันหรือเกลือหลอมเหลว) ไหลผ่านช่องว่างระหว่างหินเพื่อส่งผ่านความร้อน
โครงการตัวอย่าง : Solar One โรงไฟฟ้าหอคอยรวบแสงแห่งแรกในอเมริกาก็เคยใช้ระบบถังเดียวแบบนี้โดยใช้ "น้ำมันผสมหิน" เป็นสารเก็บความร้อน
● ข้อดี : หินและคอนกรีตมีราคาถูกมากและหาได้ง่าย สามารถทนอุณหภูมิได้สูงกว่าน้ำมัน
● ข้อเสีย :
・การนำความร้อนต่ำ: ของแข็งมีการนำความร้อนที่ช้า ทำให้การชาร์จและดิสชาร์จความร้อนทำได้ไม่ทันใจ จำเป็นต้องออกแบบระบบแลกเปลี่ยนความร้อนที่ซับซ้อน
・ความล้าทางกล (Mechanical Fatigue): การขยายตัวและหดตัวของหินและผนังถังเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ อาจทำให้เกิดความเสียหายทางโครงสร้าง (เรียกว่า Thermal Ratcheting)
จนกระทั่งวิศวกรได้พบกับพระเอกของเรา นั่นคือ "เกลือหลอมเหลว" (Molten Salt)
ซึ่งเป็นเกลือผสม เช่น Sodium Nitrate + Potassium Nitrate สามารถหลอมเหลวเป็นของเหลวเมื่อได้รับความร้อนสูง
ทำไม "เกลือหลอมเหลว" ถึงกลายเป็นมาตรฐานสำหรับโรงไฟฟ้า CSP ?
● ทนความร้อนสูงจัด : สามารถทำงานได้สูงถึง 565°C ในความดันปกติ ซึ่งเป็นระดับที่ปั่นกังหันไอน้ำได้ประสิทธิภาพสูงสุด
● เป็นของเหลว : ทำให้ปั๊มและขนส่งความร้อนได้ง่ายเหมือนน้ำมัน แต่ไม่ติดไฟ
● ความดันต่ำ : ไม่ต้องใช้ถังทนความดันสูงเหมือนน้ำ
● กักเก็บความร้อนดีเยี่ยม : สามารถเก็บความร้อนได้นานหลายชั่วโมงจนถึงข้ามคืน ทำให้โรงไฟฟ้าจ่ายไฟได้เสถียรตลอด 24 ชั่วโมงตามเป้าหมาย
ความเจ๋งของระบบเกลือนี้คือ เกลือหลอมเหลวนี้มีความจุความร้อนเชิงปริมาตรสูงมาก (High Volumetric Heat Capacity) และทำหน้าที่เหมือน "แบตเตอรี่ความร้อน" ที่สามารถเก็บกักความร้อนไว้ได้นานข้ามคืนยาวนานถึง 10–15 ชั่วโมงหลังพระอาทิตย์ตกดิน (คล้ายๆกระเป๋าน้ำร้อนหรือกระติกน้ำร้อนขนาดมหึมา)
เกลือชนิดพิเศษนี้จะถูกสูบขึ้นไปรับความร้อนบนยอดหอคอยจนหลอมละลายเป็นของเหลวที่ร้อนจัด และจะถูกสูบไปเก็บไว้ในถังฉนวนกันความร้อน (Hot Tank) เมื่อต้องการกระแสไฟฟ้า ก็แค่เอาความร้อนจากเกลือไปต้มน้ำให้เดือด แล้วเอาไอน้ำแรงดันสูงไปหมุนกังหันผลิตกระแสไฟฟ้า (Steam Turbine Generator) ช่วยให้สามารถจ่ายไฟฟ้าได้ต่อเนื่องยาวนาน
ผลลัพธ์ที่ได้คือ โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้เสถียรตลอด 24 ชั่วโมง แม้ในเวลาที่ดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าไปแล้ว ซึ่งให้ประสิทธิภาพและตอบโจทย์การใช้งานจริงได้ดีกว่า Solar PV แบบดั้งเดิมอย่างเทียบไม่ติด
Molten Salt System (source : Siemens AG)
Solar PV v.s. CSP
เทคโนโลยีนี้จึงไม่ได้เป็นแค่การเก็บพลังงานแสงอาทิตย์แบบเดิมๆ แต่เป็นการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้กลายเป็น "โรงไฟฟ้าความร้อน" (Thermal Power Plant) ที่ไร้มลพิษโดยสิ้นเชิง ซึ่งตอบโจทย์การรักษาความเสถียรของระบบสายส่งไฟฟ้า (Grid Stability) ในยุคพลังงานสะอาดได้อย่างยอดเยี่ยม
*ดูคำอธิบาย "รังสีดวงอาทิตย์ตรง (DNI)" ได้ในอภิธานศัพท์ท้ายบท
มุ่งสู่อนาคตแห่งพลังงานสุริยะอันสว่างไสวไร้มลพิษ
ปัจจุบัน หอคอยรวมแสง CSP ไม่ใช่แค่โปรเจกต์ในห้องทดลอง แต่มีการติดตั้งใช้งานจริงแล้วในหลายพื้นที่ทั่วโลกที่มีความเข้มของแสงแดดสูง เช่น
1) โรงไฟฟ้า Gemasolar ในสเปน (ปี2011) : มีกระจกเพียง 2,650 บาน เนื่องจากเป็นโครงการเชิงพาณิชย์ระบบหอคอยยุคแรกๆ จึงสร้างด้วยสเกลขนาดกลางเพื่อทดสอบระบบและควบคุมความเสถียร
2) Ivanpah ในสหรัฐอเมริกา (ปี2013) : มีกระจกมโหฬารมากถึง 173,500 บาน (หรือคิดเป็นแผ่นกระจกย่อยรวมกันถึง 347,000 บาน)
3) คอมเพล็กซ์ Noor Ouarzazate ในโมร็อกโก (ปี2016) : เป็นคอมเพล็กซ์พลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ยักษ์ ทั้งโครงการมีกระจกรวมกันหลายแสนถึงหลักล้านบาน
โดยในส่วนของหอคอยเดี่ยวอย่างเฟส Noor III มีกระจก 7,400 บาน ส่วนเฟสอื่นๆ ที่ใช้เทคโนโลยีรางโค้ง (Parabolic Trough) มีกระจกรวมกันอีกกว่าครึ่งล้านบาน
4) โรงไฟฟ้ากระจกหมื่นบานในเมืองตุนหวง ในประเทศจีน (ปี2018) : มีกระจกสะท้อนแสงจำนวนประมาณ 12,000 บาน
และข้อมูลล่าสุดปี2026 จากสภาการไฟฟ้าแห่งประเทศจีน ระบุว่า จนถึงสิ้นเดือนมิถุนายน 2026 จีนมีกำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสง CSP
ที่เดินเครื่องเชิงพาณิชย์แล้วรวม 2.1 กิกะวัตต์ ซึ่งมากเป็นอันดับ 2 ของโลก รองจากประเทศสเปน โดยจีนมีโครงการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงที่เดินเครื่องแล้วจำนวน 24 โครงการ ขณะเดียวกันยังมีอีก 26 โครงการ ซึ่งมีกำลังการผลิตรวม 3.2 กิกะวัตต์ ที่อยู่ระหว่างการก่อสร้าง
จะเห็นได้ว่าตัวเลขของจำนวนกระจกจึงมีตั้งแต่หลักพัน (เช่น Gemasolar) ไปจนถึงหลักแสนและหลักล้านบาน (เช่น Ivanpah และ Noor) ขึ้นอยู่กับพื้นที่และปริมาณพลังงานที่ต้องการผลิตนั่นเอง
แม้ความท้าทายในปัจจุบันของ CSP คือต้นทุนการก่อสร้างที่สูงและต้องการพื้นที่ราบขนาดใหญ่ แต่ด้วยความสามารถในการเป็นโรงไฟฟ้าฐาน (Baseload) ที่จ่ายไฟได้อย่างต่อเนื่องและไร้มลพิษ
เทคโนโลยีนี้จึงเป็นหนึ่งในจิ๊กซอว์ชิ้นสำคัญ ที่จะช่วยให้มนุษยชาติก้าวข้ามขีดจำกัดทางธรรมชาติ และพลิกโฉมวงการพลังงานสะอาดในอนาคตได้อย่างแท้จริง
ส่งท้าย Ep.26
ผู้อ่านหลายท่านอาจจะสงสัยเหมือนผมว่า กระจกตั้งเป็นหมื่นเป็นแสนบานช่วยกันรวมแสง แต่ทำความร้อนได้แค่ 500-600 °C เองเหรอ ?
ผมไปลองหาข้อมูลเพิ่มมา พบว่าหากเราแบ่งระดับความร้อนตาม "รูปแบบการใช้งาน" จะมีตัวเลขที่แตกต่างกันไปตามข้อจำกัดทางวิศวกรรม
1) ระดับโรงไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ (Commercial CSP Power Tower)
ในปัจจุบันส่วนใหญ่จะจำกัดอุณหภูมิทำงานสูงสุดไว้ที่ประมาณ 565 °C
เนื่องจากเป็นขีดจำกัดที่ "เกลือหลอมเหลว (Molten Salt)" ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกักเก็บความร้อนจะสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่สุดโดยไม่เสื่อมสภาพ จุดสำคัญคือ "พระเอก"ของเรา อย่างเกลือหลอมเหลว (มักจะเป็นส่วนผสมของ Sodium Nitrate และ Potassium Nitrate) มีขีดจำกัดทางเคมีอยู่
ถ้าอุณหภูมิสูงทะลุ 600 °C เมื่อไหร่ โครงสร้างทางเคมีของเกลือจะเริ่มพังทลาย (Decompose) และกลายสภาพเป็นสารที่กัดกร่อนท่อโลหะและปั๊มจนพังเละเทะทั้งระบบ วิศวกรเลยต้องออกแบบระบบควบคุมและล็อกเป้าอุณหภูมิไว้ไม่ให้เกิน 565 °C เพื่อให้ระบบทำงานได้เสถียรที่สุดนั่นเอง
2) ระดับโรงไฟฟ้ายุคใหม่ (Next-Gen Receivers)
ปัจจุบันมีการพัฒนาเทคโนโลยีตัวรับความร้อนแบบใหม่ๆ ที่ใช้ก๊าซ (เช่น ของบริษัท Synhelion) หรืออนุภาคของแข็งแทนเกลือ ซึ่งช่วยปลดล็อกข้อจำกัดเดิมและดันอุณหภูมิให้สูงขึ้นไปถึงระดับ 1,000 - 1,500 °C ได้แล้ว
---------------------
และแล้วก็มาถึงแชมเปี้ยนของเรา...แถ่นแทนแท๊นนน !!!
3) ระดับงานวิจัยและทดสอบวัสดุ (Solar Furnace)
สถิติความร้อนสูงสุดจากการรวมแสงสามารถทำอุณหภูมิได้สูงสุดถึง 3,500 °C !!!
สถานที่ที่สร้างสถิตินี้คือ "Odeillo Solar Furnace" (เตาเผาพลังงานแสงอาทิตย์โอแดลโย) ซึ่งตั้งอยู่บนเทือกเขาพิเรนีส (Pyrénées-Orientales) ประเทศฝรั่งเศส เปิดใช้งานมาตั้งแต่ปี 1970 และยังคงเป็นเตาเผาพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก โดยทำงานผ่านการใช้กระจกบานเรียบ (Heliostats) จำนวน 63 บานรับแสงแดด แล้วสะท้อนไปรวมกันที่กระจกโค้งบานยักษ์เพื่อบีบอัดแสงทั้งหมดไปที่จุดโฟกัสเพียงจุดเดียว
เป็นระบบCSPแบบเข้มข้นที่เรียกว่า "เตาเผาพลังงานแสงอาทิตย์" (Solar Furnace) ใช้สำหรับละลายเหล็ก, สร้างเชื้อเพลิงไฮโดรเจน, ผลิตวัสดุนาโน หรือใช้สำหรับการทดสอบวัสดุที่ต้องทนความร้อนสูงมากๆ อย่างเช่นชิ้นส่วนของยานอวกาศที่จะต้องทนต่อการเสียดสีตอนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ
ความร้อนระดับ 3,500°C จากจุดโฟกัสนั้นรุนแรงมากพอที่จะหลอมละลายโลหะแข็งๆ อย่างเหล็กกล้าหรือไทเทเนียมให้กลายเป็นน้ำได้ภายในเวลาไม่กี่วินาทีเลยล่ะครับ
เพิ่มเติม : จุดหลอมเหลวของเหล็กกล้า (Steel) อยู่ที่ 1,370-1,540°C
และไทเทเนียม (Titanium) อยู่ที่ 1,660–1,670 °C)
(ถามต่อ) อ้าว แล้วทำไมกระจกแค่ 63 บานของ Odeillo ถึงได้ร้อนกว่ากระจกหมื่นบานของ Commercial CSP ล่ะ ?
Odeillo Solar Furnace (เตาเผาพลังงานแสงอาทิตย์โอแดลโย)
1. ความลับของกระจก 63 บาน
ที่ Odeillo ไม่ได้ใช้กระจกแค่ 63 บานฉายตรงไปที่จุดรับความร้อน แต่มันเป็นระบบ "สะท้อนแสง 2 จังหวะ" (Two-stage Optical System)
● จังหวะแรก : กระจก 63 บานที่เห็น คือ Heliostat ขนาดยักษ์ (บานละ 45 ตารางเมตร) ที่ตั้งอยู่บนเนินเขา ทำหน้าที่แค่รับแสงแดดแล้วสะท้อนเป็นเส้นตรงไปกระแทกตึกด้านหลัง
● จังหวะที่สอง (ของจริง) : ตึกด้านหลังนั้นคือ "กระจกโค้งพาราโบลาขนาดยักษ์" (สูง 54 เมตร กว้าง 48 เมตร) ซึ่งประกอบขึ้นจากกระจกบานเล็กๆ อีกกว่า 9,000 บาน กระจกโค้งยักษ์ตัวนี้แหละครับที่เป็นตัวบีบอัดแสงทั้งหมดให้ไปตกที่จุดโฟกัส
------------------------
2. ขนาดของจุดโฟกัส (Concentration Ratio)
ความร้อนจะสูงแค่ไหน ไม่ได้อยู่ที่จำนวนกระจกอย่างเดียว แต่อยู่ที่ "อัตราการรวมแสง" (Concentration Ratio) ร่วมด้วย คิดง่ายๆว่าถ้าปริมาณแสงเท่ากันไปตกที่พื้นที่เล็กๆกับพื้นที่กว้างๆ พื้นที่เล็กย่อมมีอัตราการรวมแสงสูงกว่า (ความเข้มแสงสูงกว่า)
● Odeillo : บีบอัดแสงจากพื้นที่กระจกยักษ์ทั้งหมด ให้ไปตกที่จุดโฟกัสขนาดจิ๋วเส้นผ่าศูนย์กลางแค่ประมาณ 80 เซนติเมตร (ขนาดพอๆกับหม้อต้มซุป) แสงที่อัดแน่นในพื้นที่แคบมากๆ จึงทำให้อุณหภูมิพุ่งทะลุ 3,500 °C ได้ (เปรียบเหมือนการเอาแว่นขยายจุดไฟบนใบไม้)
● Commercial CSP : ตัวรับความร้อน (Receiver) บนยอดหอคอย ไม่ได้มีขนาดเล็กจิ๋วแบบของ Odeillo แต่มันใหญ่โตมโหฬารขนาดพอๆกับตึกหลายชั้น
เพราะมันต้องเปิดพื้นที่รับแสงเพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับเกลือหลอมเหลวปริมาณหลายพันตันที่ไหลเวียนอยู่ข้างใน เมื่อแสงกระจายตัวบนพื้นที่ที่กว้างกว่า อุณหภูมิจึงลดลงมาอยู่ในจุดที่ควบคุมได้
------------------------
3. ปริมาณพลังงานรวม (Total Heat Energy)
ในมุมมองของการออกแบบระบบส่งกำลังและการจัดการพลังงาน
● Odeillo : ต้องการ "อุณหภูมิสูงสุดๆ" (Peak Temperature) ในจุดเล็กๆ เพื่อใช้ทดลองละลายโลหะหรือทดสอบวัสดุเกราะกระสวยอวกาศ
● Commercial CSP : ไม่ได้ต้องการอุณหภูมิสูงบ้าคลั่งขนาด 3,500 °C (เพราะถ้าเกิน600 °C เกลือจะเสียสภาพ) แต่ต้องการ "มวลความร้อนมหาศาล (Massive Thermal Energy)" เพื่อหลอมเกลือปริมาณมหาศาลให้ส่งความร้อนไปต้มน้ำปั่นกังหันผลิตไฟฟ้า
สรุปให้เห็นภาพง่ายๆก็คือ
Odeillo คือการเอาหัวแก็สพ่นไฟความร้อนสูงจัดจี้ไปที่หัวนอตเล็กๆตัวเดียวให้ละลายเป็นน้ำ แต่ Commercial CSP คือการเอาเตาแก๊สขนาดใหญ่ยักษ์ มาต้มเกลือหลายพันตันในแทงก์ขนาดเท่าตึก 10 ชั้นให้เกลือเดือดปุดๆเป็นของเหลว ตลอดเวลา
ดังนั้น กระจกนับหมื่นบานในโรงไฟฟ้า ไม่ได้มีไว้เพื่อทำให้อุณหภูมิสูงที่สุด แต่มีไว้เพื่อกวาดต้อนรวบรวม "ปริมาณความร้อนรวม" ให้ได้มากที่สุด เพื่อให้คุ้มค่ากับการปั่นไฟนั่นเอง
อภิธานศัพท์ท้าย Ep.26 | Kobayashi Maru Glossary
● Heliostat (เฮลิโอสแตท) คืออะไร ?
คำว่า Heliostat (เฮลิโอสแตท) มีรากศัพท์มาจากภาษากรีก คือ Helios (ดวงอาทิตย์) และ Stat (หยุดนิ่ง) เมื่อรวมกันจึงมีความหมายว่า "อุปกรณ์ที่ทำให้แสงอาทิตย์หยุดนิ่ง" ซึ่งก็คือการสะท้อนแสงอาทิตย์ที่เคลื่อนที่ตลอดเวลา ให้ไปตกกระทบที่เป้าหมายเดิมแบบไม่คลาดสายตานั่นเอง
1. พื้นฐานการออกแบบ (Basic Design)
ในมุมมองของการออกแบบ Heliostat 1 ชุด จะประกอบไปด้วยระบบย่อย (Sub-systems) 4 ส่วนหลักที่ทำงานร่วมกัน
1.1) ชิ้นส่วนสะท้อนแสง (Reflector): โดยทั่วไปใช้กระจกเงาแบน (Flat Mirror) หรือกระจกที่มีความโค้งเล็กน้อย (Slightly Concave)
วัสดุมักเป็นกระจกความใสพิเศษ (Low-iron Glass) เคลือบด้วยเงินหรืออะลูมิเนียม เพื่อให้มีอัตราการสะท้อนแสง (Reflectivity) สูงที่สุดระดับ 90-95%
1.2) โครงสร้างและจุดหมุน (Structure & Pedestal): เสาและโครงถักที่รองรับแผงกระจก นี่คือส่วนที่ท้าทายมากทางวิศวกรรมโครงสร้าง เพราะต้องออกแบบให้รับ "แรงลม" (Wind Load) ได้สูงมาก หากโครงสร้างบิดตัวเพียงเสี้ยวของมิลลิเมตร จุดสะท้อนบนเป้าหมายที่อยู่ห่างออกไปหลายร้อยเมตรจะเพี้ยนไปทันที
1.3) กลไกขับเคลื่อน (Drive Mechanism): จำเป็นต้องมีกลไกที่หมุนได้ 2 แกน (Dual-axis Tracking) คือ
・Azimuth (แกนแนวราบ): หมุนซ้าย-ขวา เพื่อกวาดตามทิศตะวันออกไปตะวันตก
・Elevation (แกนแนวดิ่ง): เงยหน้า-ก้มหน้า เพื่อปรับตามความสูงของดวงอาทิตย์ในแต่ละฤดูกาลและช่วงเวลาของวัน
・มักใช้มอเตอร์ความละเอียดสูงร่วมกับชุดเกียร์ทด (Slew Drive หรือ Linear Actuator) เพื่อให้ขยับได้ระดับจุดทศนิยมขององศา
1.4) ระบบควบคุม (Control System): สมองกลที่สั่งการมอเตอร์ ปัจจุบันมักใช้การคำนวณทางดาราศาสตร์ (Astronomical Algorithm)
โดยอ้างอิงจากพิกัด GPS, วัน, และเวลา เพื่อคำนวณตำแหน่งเป๊ะๆ ของดวงอาทิตย์ แล้วสั่งให้มอเตอร์ขยับกระจกไปดักรอสะท้อนแสงเข้าเป้าหมาย
2. หลักการทำงาน (Working Principles)
หลักการทำงานของ Heliostat อาศัยกฎการสะท้อนของแสงขั้นพื้นฐานทางฟิสิกส์ นั่นคือ "มุมตกกระทบ เท่ากับ มุมสะท้อน"
เนื่องจากเป้าหมาย (เช่น หอคอยรับความร้อน) อยู่นิ่งกับที่ แต่ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ไปบนท้องฟ้าตลอดเวลา ระบบคอมพิวเตอร์จะต้องคำนวณหา "เส้นแบ่งครึ่งมุม"(Bisector) ระหว่างตำแหน่งของดวงอาทิตย์และตำแหน่งของเป้าหมาย
จากนั้นระบบจะสั่งให้มอเตอร์หันหน้ากระจกตั้งฉากกับเส้นแบ่งครึ่งมุมนี้เสมอ เมื่อดวงอาทิตย์ขยับ กระจกก็จะค่อยๆ ปรับองศาตามไปเรื่อยๆ เพื่อรักษามุมสะท้อนให้ตรึงอยู่ที่เป้าหมายเดิมตลอดทั้งวัน
3. การนำไปใช้งานในวงการอื่นๆ (Applications Outside CSP)
เทคโนโลยีการสะท้อนแสงให้ตรงเป้านี้ ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ในโรงไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างสร้างสรรค์ในหลายวงการเลย
3.1 สถาปัตยกรรมและการให้แสงสว่าง (Daylighting)
・กระจายแสงลงพื้นที่ปิดทึบ : ในอาคารขนาดใหญ่หรือสถานีรถไฟใต้ดิน มีการใช้ Heliostat รับแสงแดดจากดาดฟ้า แล้วสะท้อนผ่านช่องแสง (Light Pipe) หรือกระจกบานอื่นๆ เพื่อนำแสงธรรมชาติลงไปให้ความสว่างในชั้นใต้ดิน ช่วยประหยัดค่าไฟและทำให้พืชในอาคารเติบโตได้ (ตัวอย่างเช่น อาคาร Genzyme Center ในสหรัฐอเมริกา หรือสถานีรถไฟใต้ดินบางแห่งในนิวยอร์ก)
・หมู่บ้านไร้แสงตะวัน : เมือง Rjukan ในประเทศนอร์เวย์ และเมือง Viganella ในอิตาลี เป็นเมืองที่ตั้งอยู่ในหุบเขาลึก ทำให้ในช่วงฤดูหนาวเมืองทั้งเมืองจะตกอยู่ในเงามืดของภูเขานานหลายเดือน วิศวกรจึงไปติดตั้ง Heliostat ไว้บนยอดเขา เพื่อสะท้อนแสงอาทิตย์ลงมาที่จัตุรัสกลางเมือง ให้ชาวเมืองได้รับแสงแดดและคลายความหนาวเย็น
Heliostat in Rjukan, Norway
หรือหากใครเคยดูหนังเรื่อง The Mummy น่าจะพอคุ้นๆกับฉากกระจกสะท้อนแสงให้ความสว่างในสุสาน ซึ่งมันคือคอนเซปเดียวกันเป๊ะเลยแหละ เพียงแต่สมัยนั้นเป็นระบบmanualปรับองศาด้วยมือ
สิ่งที่เกิดขึ้นในสุสานของอิมโฮเทปก็คือการวางระบบ Multi-stage Optical System หรือระบบสะท้อนแสงแบบหลายจังหวะนั่นเอง กระจกตามเสาและทางเดิน ที่ติดอยู่ตามเสาหินและถูกวางมุมดักรอเอาไว้แล้ว ทำหน้าที่เหมือน Light Pipe (ท่อนำแสง) ที่คอยรับช่วงต่อ สะท้อนแสงเป็นทอดๆ (Relay) เลี้ยวไปตามซอกหลืบเพื่อกระจายความสว่างไปทั่วทั้งโถงใต้ดิน
The Mummy (1999)
3.2 วัสดุศาสตร์และการวิจัย (Solar Furnaces)
อย่างที่เราคุยกันเรื่องเตาเผาแสงอาทิตย์ Odeillo ที่ฝรั่งเศส ศูนย์วิจัยเหล่านี้ใช้ Heliostat สะท้อนแสงเพื่อสร้างความร้อนระดับ 3,000 - 3,500 องศาเซลเซียส
สำหรับทดสอบความทนทานของวัสดุที่จะนำไปสร้างชิ้นส่วนกระสวยอวกาศ เครื่องยนต์เจ็ท หรือเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นความร้อนที่บริสุทธิ์และไม่มีการปนเปื้อนของก๊าซจากการเผาไหม้
3.3 การเกษตรกรรม (Agriculture)
ในโรงเรือนเพาะปลูกขนาดใหญ่ (Greenhouse) หรือพื้นที่เกษตรที่ถูกภูเขาหรือตึกสูงบังแดด มีการใช้ Heliostat ขนาดเล็กสะท้อนแสงอาทิตย์เข้าไปยังพื้นที่ร่มเงา เพื่อให้พืชได้รับแสงสังเคราะห์แสงอย่างเพียงพอ หรือช่วยเพิ่มผลผลิตในฤดูหนาว
3.4 เทคโนโลยีอวกาศ (Space Technology)
บนอวกาศไม่มีเมฆบังและไม่มีชั้นบรรยากาศกรองแสง มีแนวคิดทางวิศวกรรมอวกาศที่เสนอให้ส่งแผงกระจก Heliostat ขนาดใหญ่ขึ้นสู่วงโคจร
เพื่อสะท้อนแสงอาทิตย์ไปให้สถานีอวกาศ, ดาวเทียมที่อยู่ในมุมอับแสง, หรือแม้กระทั่งสะท้อนแสงกลับลงมายังแผงโซลาร์เซลล์บนพื้นโลกในเวลากลางคืน (Space Solar Power Concept)
● รังสีดวงอาทิตย์ตรง (DNI) คืออะไร ?
เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนที่สุดในมุมมองของวิศวกรรมและการออกแบบระบบรับแสง ผมขอแบ่งการอธิบายออกเป็น 2 ส่วน ละกันครับ
1. ความหมายของคำว่า DNI
DNI ย่อมาจาก Direct Normal Irradiance (ความเข้มรังสีดวงอาทิตย์แบบตรงและตั้งฉาก)
● Direct (ตรง) : หมายถึง รังสีจากดวงอาทิตย์ที่เดินทางพุ่งตรงทะลุชั้นบรรยากาศลงมาถึงพื้นโลก โดย "ไม่ถูกชนให้กระเจิง" (Scattered) ด้วยเมฆ หมอก ฝุ่นควัน หรือความชื้นในอากาศ พูดง่ายๆ คือ "แสงแดดจัดๆ ที่ส่องลงมาแล้วทำให้เกิดเงาดำคมชัด"
● Normal (ตั้งฉาก) : หมายถึง การวัดค่าพลังงานที่ตกลงบนพื้นผิวสมมติที่หันหน้า "ตั้งฉาก 90 องศา" กับทิศทางของรังสีดวงอาทิตย์เสมอ (ซึ่งก็คือลักษณะการทำงานของกระจก Heliostat ที่ต้องมีมอเตอร์คอยหันหน้าตั้งฉากรับแสงอาทิตย์ตลอดทั้งวันนั่นเอง)
● Irradiance (ความเข้มรังสี) : พลังงานที่ตกกระทบต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ (มีหน่วยเป็น วัตต์ต่อตารางเมตร หรือ W/m²)
2. ทำไม DNI ถึงเป็นปัจจัย "ชี้เป็นชี้ตาย" สำหรับโรงไฟฟ้า CSP ?
พลังงานแสงอาทิตย์ที่ตกลงมาบนโลกเรามี 2 แบบหลักๆ คือ แสงตรง (Direct) และ แสงกระเจิง (Diffuse) (แสงกระเจิงคือแสงที่ทำให้ท้องฟ้าสว่างในวันที่มีเมฆบังแดดมิด หรือแสงที่ลอดผ่านหมอกลงมา)
● Solar PV (แผงโซลาร์เซลล์ทั่วไป) : สามารถรับแสงได้ทั้ง 2 แบบ วันที่แดดจัดก็ผลิตไฟได้เยอะ วันที่เมฆครึ้ม (มีแต่แสงกระเจิง) ก็ยังพอผลิตไฟฟ้าได้บ้าง
● CSP (กระจกรวมแสง) : รวมได้เฉพาะแสงตรง (DNI) เท่านั้น ถ้าเป็นแสงกระเจิงจะรวมแสงไม่ได้เลย
ตามหลักทัศนศาสตร์ (Optics) กระจกจะไม่สามารถโฟกัส "แสงกระเจิง" ให้ไปตกที่จุดเดียวกันได้เลย ถ้าวันไหนมีเมฆมาบังดวงอาทิตย์มิด แม้ท้องฟ้าจะยังสว่างอยู่ แต่รังสี Direct หายไป ระบบ CSP จะหยุดทำงาน (ความร้อนตก) ทันที
นี่คือเหตุผลสำคัญทางภูมิศาสตร์ว่า ทำไมโรงไฟฟ้า CSP อย่างในประเทศจีน สเปน หรือโมร็อกโก ถึงต้องไปสร้างอยู่กลาง "ทะเลทราย" เพราะเป็นพื้นที่ที่มีท้องฟ้าโปร่งใส ไม่มีเมฆ ไม่มีฝนตลอดทั้งปี ทำให้มีค่า DNI สูงปรี๊ดแบบคงที่ ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมเดียวที่โรงไฟฟ้าหอคอยรวมแสงจะทำงานได้เต็มประสิทธิภาพและคุ้มค่าการลงทุนที่สุดนั่นเอง
DNI (Direct Normal Irradiance)
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
