เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine)
“30 ยังแจ๋ว” ไม่แปลกถ้าจะชมสาว ๆ วัยล่วงเข้าสามสิบที่ยังสวยอยู่ด้วยวลีข้างต้น ก็อย่างที่เค้าว่าไว้ว่าอายุเป็นเพียงตัวเลข แต่ถ้า 30 กลายเป็นราคาน้ำมันต่อลิตรเมื่อไหร่ล่ะก็ “จอด” ครับจอด ไม่แจ๋วแล้ว ไม่ต้องข่งไม่ต้องขับมันแล้วรถยนต์น่ะ เผลอ ๆ ในอนาคตอันใกล้อาจจะได้เห็นป้ายโฆษณาหน้าปั๊มว่า “สามลิตรร้อย !” ก็ได้ น่าขนลุกจริง ๆ
ถ้าไม่ใช้น้ำมันแล้วจะใช้อะไรกันดีล่ะ คิดว่าคุณผู้อ่านคงได้ยินเรื่องพลังงานทางเลือกมาเป็นระยะเวลานานพอสมควรแล้ว ซึ่งมันก็คือพลังงานจากแหล่งอื่น ๆ ที่ไม่ใช่ฟอสซิล หรือน้ำมันนั่นเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม อย่างเช่นพลังงานลม คลื่น มวลชีวภาพ หรือ พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น
ที่มลรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา เค้ากำลังมีการทดลองโครงการผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ ทั้งนี้เนื่องมาจากการขาดแคลนพลังงานในช่วงไม่กี่ปีมานี้ กอปรกับพื้นที่โดยส่วนใหญ่ของแคลิฟอร์เนียนั้นเป็นพื้นที่แห้งแล้งและทะเลทราย น้ำจึงเป็นสิ่งมีค่าเกินกว่าที่จะนำมาใช้ในการผลิตพลังงาน
โครงการดังกล่าวเป็นของบริษัทเอกชนที่ชื่อว่า Southern California Edison ซึ่งโครงการนี้ก็ไม่ใช่การทดลองกับเซลล์แสงอาทิตย์เหมือนทั่ว ๆ ไป แต่เป็นการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ ด้วยระบบเครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine) เรียกระบบโดยรวมว่า Stirling Energy System ด้วยเทคโนโลยี Stirling’s Dish Technology
ขอเท้าความนิดนึงว่าเครื่องยนต์สเตอร์ลิง ก็คือเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนในการทำให้ก๊าซที่ถูกบรรจุอยู่ในกระบอกสูบหดตัวและขยายตัว สอดคล้องกับกฎของก๊าซอุดมคติ (ไม่ขออธิบายเดี๋ยวจะงงเกินไป) ซึ่งถ้าเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์ธรรมดาแล้ว ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นลงได้จากการจุดระเบิดของน้ำมัน แต่สำหรับเครื่องยนต์สเตอร์ลิงนั้น การเคลื่อนที่ขึ้นลงจะเกิดจากการขยายตัวและหดตัวของก๊าซอันเนื่องมาจากความเย็นและความร้อนเป็นหลัก (สังเกตรูปภาพ)
องค์ประกอบที่สำคัญของ Stirling Energy System ก็คือการใช้จานกระจกรวมแสง (เลยเป็นที่มาของคำว่า Dish นั่นเอง) จากดวงอาทิตย์ให้ตกลงบนจุด ๆ หนึ่งของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง ซึ่งก็เป็นแหล่งความร้อนที่ทำให้ก๊าซ ไฮโดรเจนขยายตัวและทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปหมุนไดนาโมให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้า
แสงอาทิตย์ที่ถูกโฟกัสให้เป็นจุด ๆ เดียวจากจานกระจกที่มีเส้นผ่าสูนย์กลางประมาณ 11 เมตรจะทำให้อุณหภูมิของจุดโฟกัสเพิ่มขึ้นได้ถึง 720 องศาเซลเซียสเลยทีเดียว และถ้าจะวัดกันถึงประสิทธิภาพ (Efficiency) ที่ได้ของระบบ ก็ได้ราว 29 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งนับว่าสูงทีเดียวสำหรับพลังงานจากแสงอาทิตย์ เมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากเซลล์ สุริยะซึ่งอยู่ที่ประมาณ 10 กว่าเปอร์เซ็นต์เท่านั้นเอง
โครงการทดสอบที่มีขึ้นเป็นการนำร่องด้วยการใช้ระบบ ที่ประกอบไปด้วยจานกระจกจำนวน 40 ชิ้นเพื่อที่จะผลิตกระแสไฟฟ้า 1 เมกะวัตต์ตลอดระยะเวลา หลายเดือนข้างหน้านี้ ซึ่งถ้าการทดสอบเป็นไปได้สวย ก็จะเริ่มโครงการสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าจริง ๆ โดยต้องใช้จานกระจกประมาณ 20,000 ชิ้น เพื่อที่จะผลิตกระแส ไฟฟ้าให้ได้ 500 เมกะวัตต์ สำหรับ 278,000 หลัง คาเรือน
เท่าที่ทราบมาในบ้านเราก็มีการทำวิจัยที่คล้าย ๆ กันนี้เหมือนกัน (เสร็จแล้วด้วย) แต่ไม่ทราบว่าผลงานวิจัยชิ้นนั้นถูกดองอยู่ที่หิ้งไหน และไม่แน่ใจว่าประสิทธิภาพที่ได้จะมากถึง 29 เปอร์เซ็นต์เหมือนของเค้าหรือเปล่า แต่ถ้าใกล้เคียงกันก็นับว่าเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ภาครัฐต้องให้ความสนใจเลยทีเดียว
การประหยัดพลังงานเป็นสิ่งที่ควรส่งเสริม แต่มาตรการต่าง ๆ ที่ไม่ใช่สาระสำคัญ (แต่เป็นข่าว) ก็ควรเพลา ๆ ลง แล้วไปให้ความสำคัญกับการแก้ปัญหา ที่มันยั่งยืนดีกว่า ไม่ใช่เอะอะอะไรก็ปิดปั๊ม ปิดปั๊ม คือยังไม่อยากไปเติมน้ำมันให้ทันก่อนเที่ยงน่ะครับ…
stering engine
เดิมใช้ working fluid คือ อากาศ แต่ต่อมาได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยใช้ก๊าซที่นำความร้อนได้ดี
เช่น Hydrogen, Helium, etc. ที่ความดันสูงมาใช้เป็น working fluids
โดยทำงานในระบบปิด ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาบภายในที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน (Otto Cycle, Diesel Cycle, etc.)
ซึ่งมีการถ่ายเท working fluid ระหว่างตัวเครื่องยนต์และสิ่งแวดล้อม ดังนั้นการสันดาบจึงอยู่
ภายนอกตัวเครื่องยนต์เช่นเดียวกันกับเครื่องจักรไอน้ำ (Rankine Cycle)
เครื่องยนต์ Stirling มีข้อดีดังนี้
1. ใช้เชื้อเพลิงได้หลายประเภท รวมถึงความร้อนจากแสงอาทิตย์ geothermal ฯลฯ
2. ส่งผลกระทบต่อส่งแวดล้อมน้อยกว่าเครื่องยนต์สันดาบภายใน (เช่น ไม่ก่อให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ เนื่องจากการเผาไหม้มีลักษณะต่อเนื่องและเกิดขึ้นที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐานเสียงดังน้อยกว่า ฯลฯ)
3. ประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงกว่าปัจจุบันมีราคาแพงมากเนื่องจากต้อง amortise ต้นทุนทางด้าน R&D คาดว่าจะใช้งานกันอย่างแพร่หลายในอนาคตเนื่องจากปัญหาการขาดแคลน
เชื้อเพลิงฟอสซิลและปัญหาสภาวะโลกร้อนครับ
The following diagrams do not show internal heat exchangers in the compression and expansion spaces, which are needed to produce power. A regenerator would be placed in the pipe connecting the two cylinders. The crankshaft has also been omitted.
1. Most of the working gas is in contact with the hot cylinder walls, it has been heated and expansion has pushed the hot piston to the bottom of its travel in the cylinder. The expansion continues in the cold cylinder, which is 90° behind the hot piston in its cycle, extracting more work from the hot gas.
2. The gas is now at its maximum volume. The hot cylinder piston begins to move most of the gas into the cold cylinder, where it cools and the pressure drops.
3. Almost all the gas is now in the cold cylinder and cooling continues. The cold piston, powered by flywheel momentum (or other piston pairs on the same shaft) compresses the remaining part of the gas.
4. The gas reaches its minimum volume, and it will now expand in the hot cylinder where it will be heated once more, driving the hot piston in its power stroke.
