เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนวงจรการทำความเย็น วิธีการขับเคลื่อนแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ขึ้นอยู่กับเส้นทางการแปลงพลังงาน: ไดรฟ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ (PV) ไดรฟ์ความร้อนจากแสงอาทิตย์ และไดรฟ์ไฮบริดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์-ความร้อน (PVT) แต่ละหมวดหมู่เป็นไปตามตรรกะทางเทคนิคที่แตกต่างกัน รองรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน และเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบของระบบที่เป็นเอกลักษณ์
1. เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์แบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
ขับเคลื่อนด้วย PV เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นตัวแทนของเส้นทางเทคโนโลยีที่แพร่หลายมากที่สุดในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน ระบบประกอบด้วยแผงโซลาร์เซลล์ ตัวควบคุม MPPT (Maximum Power Point Tracking) อินเวอร์เตอร์ และคอมเพรสเซอร์แบบปรับความเร็วได้ เซลล์แสงอาทิตย์แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งจะถูกควบคุมและใช้ในการขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์เพื่อระบายความร้อน
ระบบที่ขับเคลื่อนด้วย PV ได้รับการกำหนดค่าในสามโหมด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อกริด:
ระบบออฟกริด
เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์แบบนอกโครงข่ายอาศัยพื้นที่จัดเก็บแบตเตอรี่เพื่อทำงานโดยไม่ขึ้นอยู่กับโครงข่ายสาธารณูปโภคใดๆ การกำหนดค่านี้เหมาะอย่างยิ่งกับพื้นที่ห่างไกลที่ไม่มีการเข้าถึงกริด ข้อจำกัดหลักคือค่าใช้จ่ายล่วงหน้าที่สูงสำหรับแบตเตอรีแบตเตอรีและรอบการบำรุงรักษาที่ค่อนข้างสั้นสำหรับหน่วยจัดเก็บข้อมูล
ระบบผูกกริด
ระบบที่เชื่อมโยงกับโครงข่ายจะจัดลำดับความสำคัญของไฟฟ้าที่สร้างจากพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับการใช้เครื่องปรับอากาศ ส่งออกพลังงานส่วนเกินไปยังโครงข่ายสาธารณูปโภค และดึงออกจากโครงข่ายเมื่อพลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ การกำหนดค่านี้ให้ความประหยัดโดยรวมที่ดีที่สุด และเป็นตัวเลือกที่โดดเด่นสำหรับอาคารพาณิชย์และโครงการที่อยู่อาศัย
ระบบ DC Direct-Drive
ระบบขับเคลื่อนโดยตรงให้พลังงานแก่คอมเพรสเซอร์โดยตรงจากเอาท์พุตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ DC ซึ่งช่วยลดขั้นตอนของอินเวอร์เตอร์และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ 5% ถึง 10% ความสามารถในการทำความเย็นจะปรับขนาดตามธรรมชาติตามความเข้มของรังสีแสงอาทิตย์ ทำให้การกำหนดค่านี้มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานที่ที่ความต้องการการทำความเย็นกระจุกตัวในช่วงเวลากลางวัน เช่น โรงเรียนและอาคารสำนักงาน
COP ของระบบโดยรวมของเครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ที่ขับเคลื่อนด้วย PV ถูกกำหนดโดยผลรวมของประสิทธิภาพการแปลงแผง การสูญเสียของอินเวอร์เตอร์ และความแม่นยำในการควบคุมความถี่ตัวแปรของคอมเพรสเซอร์ แผงซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์กระแสหลักในปัจจุบันมีประสิทธิภาพระหว่าง 22% ถึง 24% เมื่อจับคู่กับคอมเพรสเซอร์อินเวอร์เตอร์ DC ประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพด้านพลังงานต่อปียังคงมีเสถียรภาพอย่างต่อเนื่อง
2. เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์แบบขับเคลื่อนความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์
ระบบขับเคลื่อนความร้อนจากแสงอาทิตย์ใช้ความร้อนที่รวบรวมโดยตัวสะสมพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับวงจรทำความเย็นแบบเทอร์โมไดนามิกส์โดยตรง โดยข้ามขั้นตอนการแปลงเซลล์แสงอาทิตย์โดยสิ้นเชิง วิธีการนี้กำจัดการสูญเสียการแปลงโฟโตอิเล็กทริกและให้ค่าการใช้พลังงานที่แข็งแกร่งในพื้นที่ที่มีการฉายรังสีสูงและมีภาระความเย็นสูง
ระบบขับเคลื่อนด้วยความร้อนทำงานผ่านวงจรการทำความเย็นหลักสองสาขา:
เครื่องทำความเย็นแบบดูดซึม
ระบบดูดซับใช้คู่ของของไหลทำงาน ซึ่งโดยทั่วไปคือลิเธียมโบรไมด์-น้ำ (H₂O/LiBr) หรือน้ำแอมโมเนีย (NH₃/H₂O) และถูกขับเคลื่อนด้วยน้ำร้อนที่อุณหภูมิ 80°C ถึง 180°C ที่สร้างโดยตัวสะสมพลังงานแสงอาทิตย์ ความร้อนจะขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่แยกสารทำความเย็นออกจากตัวดูดซับ จากนั้นสารทำความเย็นจะผ่านการควบแน่น การขยายตัว การระเหย และการดูดซึมซ้ำเพื่อให้วงจรการทำความเย็นสมบูรณ์
เครื่องทำความเย็นแบบดูดซับลิเธียมโบรไมด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงการเครื่องปรับอากาศส่วนกลางขนาดใหญ่ ยูนิตเอฟเฟกต์เดี่ยวต้องการอุณหภูมิในการขับขี่ประมาณ 80°C ถึง 100°C ในขณะที่ยูนิตเอฟเฟกต์สองเท่าต้องการอุณหภูมิ 150°C ขึ้นไป โดยทั่วไปจะจับคู่กับตัวสะสมท่ออพยพหรือตัวสะสมแผ่นเรียบ ระบบน้ำแอมโมเนียสามารถทำความเย็นได้ต่ำกว่าศูนย์ และเหมาะสมกับการใช้งานโซ่เย็นทางอุตสาหกรรมมากกว่า
การทำความเย็นแบบดูดซับ
ระบบการดูดซับใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการดูดซับทางกายภาพและการคายการดูดซึมของตัวดูดซับที่เป็นของแข็ง เช่น ซิลิกาเจล ซีโอไลต์ หรือถ่านกัมมันต์ เพื่อขับเคลื่อนวงจรการทำความเย็น โดยทั่วไปอุณหภูมิในการขับขี่ที่ต้องการจะอยู่ระหว่าง 60°C ถึง 120°C ซึ่งสามารถจ่ายได้โดยตรงจากเครื่องรวบรวมแผ่นเรียบอุณหภูมิปานกลางถึงต่ำ ระบบไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว มีโครงสร้างที่เรียบง่าย และมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ
คู่การทำงานของซิลิกาเจล-น้ำทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิการขับขี่ระหว่าง 60°C ถึง 85°C โดยได้ COP ประมาณ 0.4 ถึง 0.6 การรวมกันนี้เข้ากันได้ดีกับการใช้งานเครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ในอาคารขนาดเล็กและขนาดกลาง วัสดุกรอบโลหะ-อินทรีย์ (MOF) กำลังเข้าสู่การวิจัยประยุกต์ในฐานะตัวดูดซับยุคใหม่ โดยมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงเป็นพิเศษและโครงสร้างรูพรุนที่ปรับได้ทำให้ความสามารถในการดูดซับเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
สารดูดความชื้นระบายความร้อน
ระบบทำความเย็นด้วยสารดูดความชื้นใช้สารดูดความชื้นที่เป็นของแข็งหรือของเหลวในการลดความชื้นและทำให้อากาศที่เข้ามาเย็นลงล่วงหน้า ด้วยพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่สร้างสารดูดความชื้นที่ใช้แล้วขึ้นมาใหม่ เมื่อรวมกับการทำความเย็นแบบระเหย วิธีการนี้จึงสามารถลดอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในสภาพอากาศร้อนแห้งแล้ง เช่น ตะวันออกกลางและจีนตะวันตกเฉียงเหนือ การทำความเย็นด้วยสารดูดความชื้นจะดำเนินการอย่างมีประสิทธิภาพสูงและให้การควบคุมความชื้นไปพร้อมๆ กัน เทคโนโลยีนี้มีแนวโน้มการใช้งานที่แข็งแกร่งในระบบปรับอากาศแบบควบคุมอุณหภูมิ-ความชื้นอิสระ (THIC)
3. เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์แบบไฮบริดแบบใช้พลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ (PVT)
ระบบ PVT รวมแผงเซลล์แสงอาทิตย์และตัวสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์ไว้ในหน่วยเดียว ซึ่งผลิตไฟฟ้าและความร้อนไปพร้อมๆ กัน ในระหว่างการทำงาน เซลล์ PV จะสร้างความร้อนเป็นผลพลอยได้ ซึ่งจะลดประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้า ระบบ PVT นำความร้อนทิ้งนี้กลับมาใช้ใหม่ผ่านช่องการไหลของแผงด้านหลัง เพิ่มประสิทธิภาพการรวบรวมความร้อนในขณะที่รักษาอุณหภูมิการทำงานของเซลล์ให้ต่ำลง ส่งผลให้เอาท์พุตไฟฟ้าอยู่ในระดับที่สูงกว่าโมดูล PV ทั่วไปเพียงอย่างเดียว
เอาท์พุตไฟฟ้าจากระบบ PVT จะขับเคลื่อนเครื่องปรับอากาศแบบอัดไอ ในขณะที่เอาท์พุตความร้อนจะขับเคลื่อนเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับหรือแบบดูดซับไปพร้อมๆ กัน หรือเสริมแหล่งความร้อนในวงจรปั๊มความร้อน การจ่ายไฟฟ้าและความร้อนที่ประสานกันนี้ช่วยให้อัตราการใช้พลังงานแสงอาทิตย์โดยรวมของเครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ PVT สูงถึง 60% ถึง 75% ซึ่งสูงกว่าระบบ PV แบบสแตนด์อโลนอย่างมากที่ประมาณ 20% หรือตัวสะสมความร้อนแบบสแตนด์อโลนที่ประมาณ 45%
ความท้าทายทางวิศวกรรมเบื้องต้นในระบบ PVT อยู่ที่การจับคู่แบบไดนามิกของเอาท์พุตไฟฟ้าและความร้อน และการออกแบบกลยุทธ์การควบคุมที่มีประสิทธิภาพ การประสานการควบคุมคอมเพรสเซอร์ความถี่ตัวแปรกับพารามิเตอร์การทำงานของวงจรอุณหพลศาสตร์ โดยเฉพาะภายใต้สภาวะโหลดชิ้นส่วน ถือเป็นประเด็นสำคัญในการดำเนินโครงการในโลกแห่งความเป็นจริง
4. ภาพรวมเปรียบเทียบของไดรฟ์ทั้งสามประเภท
| มิติการเปรียบเทียบ | ไดรฟ์ไฟฟ้า PV | ไดรฟ์ความร้อนจากแสงอาทิตย์ | PVT ไฮบริดไดรฟ์ |
|---|---|---|---|
| แบบฟอร์มป้อนข้อมูลพลังงาน | พลังงานไฟฟ้า | พลังงานความร้อน | ไฟฟ้า พลังงานความร้อน |
| ความซับซ้อนของระบบ | ต่ำ | ปานกลางถึงสูง | สูง |
| ความสามารถในการทำความเย็นที่ใช้งานได้ | เล็กไปใหญ่ | ปานกลางถึงใหญ่ | ปานกลางถึงใหญ่ |
| เขตภูมิอากาศที่เหมาะสม | กว้างๆ | สูง-irradiance regions | สูง-irradiance regions |
| ระดับการลงทุนเริ่มต้น | ปานกลาง | ค่อนข้างสูง | สูง |
| อัตราการใช้พลังงานแสงอาทิตย์โดยรวม | ~18%–22% | ~35%–50% | ~60%–75% |
5. ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับการเลือกประเภทไดรฟ์
ในขั้นตอนการวางแผนโครงการ การเลือกประเภทไดรฟ์เครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์จำเป็นต้องมีการประเมินที่ครอบคลุมเกี่ยวกับทรัพยากรการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ในท้องถิ่น ซึ่งรวมถึงปริมาณรังสีแนวนอนทั่วโลกประจำปีและชั่วโมงที่มีดวงอาทิตย์สูงสุด - ควบคู่ไปกับโปรไฟล์ภาระการทำความเย็นและความร้อนในอาคาร สภาพโครงสร้างพื้นฐานของกริด และเศรษฐศาสตร์วงจรชีวิตเต็มรูปแบบ
ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า PV เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการที่มีการเข้าถึงโครงข่ายที่เชื่อถือได้ ซึ่งความต้องการการทำความเย็นสอดคล้องกับช่วงที่มีแสงสว่างสูงสุดอย่างใกล้ชิด ระบบขับเคลื่อนความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อได้เปรียบที่ไม่สามารถทดแทนได้ในอาคารขนาดใหญ่ การใช้งานระบายความร้อนทางอุตสาหกรรม และตำแหน่งนอกกริดที่มีการฉายรังสีสูง ไดรฟ์ไฮบริด PVT แสดงถึงทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีการบูรณาการในระดับสูง และเหมาะสมที่สุดสำหรับโครงการอาคารสีเขียวและการพัฒนาคาร์บอนเป็นศูนย์ ซึ่งการใช้พลังงานแสงอาทิตย์สูงสุดเป็นข้อกำหนดหลัก
เนื่องจากต้นทุนของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ลดลงอย่างต่อเนื่องและประสิทธิภาพของวัสดุดูดซับมีความก้าวหน้า เส้นทางเทคโนโลยีการขับเคลื่อนเครื่องปรับอากาศพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งสามเส้นทางจึงอยู่ระหว่างการเร่งทำซ้ำ เศรษฐศาสตร์ระดับระบบและความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานกำลังเข้าใกล้เกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่
