รู้จักกับเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์สำคัญที่ช่วยแปลงกระแสไฟฟ้า
การผลิตกไฟฟ้าด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก จากการมากกว่า 1.7 พันล้านคนทั่วโลก เชื่อว่าโซล่าเซลล์จะทำงานได้ก็ต่อเมื่อมีแสงจากดวงอาทิตย์ ซึ่งได้มีการกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ใช้ในตอนกลางคืนเป็นจำนวนมาก นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและยูซีแอลเอได้ทำการผลิตกระแสไฟฟ้าในช่วงเย็นที่จะมีความสำคัญต่อความต้องการพลังงานในอนาคต
เกือบ 200 ปีที่ผ่านมา เกิดการค้นพบเทคโนโลยี ที่เรียกว่า เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก โดยใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า และใช้หลักการ “ความต่างของอุณหภูมิยิ่งมาก พลังงานที่ได้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น”
เทอร์โมอิเล็กทริกคืออะไร
เทอร์โมอิเล็กทริก คือ วัสดุที่สามารถเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยใช้ความแตกต่างของระหว่างอุณหภูมิของจุดสองจุด โดยอิเล็กตรอนจะเดินทางจากจุดที่มีอุณหภูมิสูงไปยังจุดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าบนวัสดุ ทำให้เกิดขั้วไฟฟ้าและความต่างศักย์ ซึ่งสามารถนำพลังงานไฟฟ้าที่ได้มาใช้ประโยชน์ ปัจจุบันวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกในประเทศไทยยังต้องมีการนำเข้าจากต่างประเทศอยู่ และมีการประยุกต์ใช้อยู่ในวงแคบๆ เนื่องจากยังขาดความรู้ ความเข้าใจในหลักการทำงานของเทอร์โมอิเล็กทริก หากเราศึกษาจนสามารถปรับปรุงและพัฒนาประสิทธิภาพของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกนี้ จะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย อันนำไปสู่การเพิ่มแหล่งพลังงานทางเลือกเพิ่มขึ้นในอนาคต
การวิจัยใหม่ใช้เทคนิคในการควบคุมความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอากาศภายนอก และพื้นผิวที่หันหน้าไปทางท้องฟ้า โดยใช้เทคโนโลยีในการแปลงความร้อนจากแหล่งต่าง ๆ เช่น เครื่องจักรอุตสาหกรรม และเครื่องยนต์รถยนต์
เทอร์โมอิเล็กทริกผลิตจากวัสดุอะไร
เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถผลิตได้จากวัสดุหลากหลายชนิด โดยทั่วไปมักใช้วัสดุกึ่งตัวนำ (semiconductors) เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เหมาะสมในการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า วัสดุที่นิยมใช้ในการผลิตเทอร์โมอิเล็กทริก ได้แก่
- บิสมัทเทลลูไรด์ (Bismuth Telluride, Bi2Te3)
- ตะกั่วเทลลูไรด์ (Lead Telluride, PbTe)
- ซิลิคอน-เจอร์เมเนียม (Silicon-Germanium, SiGe)
- สกุทเทรูไดต์ (Skutterudites)
- วัสดุนาโนคอมโพสิต (Nanocomposite materials)
การเลือกใช้วัสดุขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น ช่วงอุณหภูมิที่ใช้งาน ประสิทธิภาพที่ต้องการ และต้นทุนการผลิต นักวิจัยกำลังพัฒนาวัสดุใหม่ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนของเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งจะช่วยให้เทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างแพร่หลายมากขึ้นในอนาคต
หลักการทำงานของเทอร์โมอิเล็กทริก
ทอร์โมอิเล็กทริกทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์ซีเบ็ค (Seebeck effect) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า เมื่อวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกถูกทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองด้าน อิเล็กตรอนในวัสดุจะเคลื่อนที่จากด้านร้อนไปยังด้านเย็น ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น
การทำงานของเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยขั้นตอนหลักๆ ดังนี้
- สร้างความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองด้านของวัสดุ
- อิเล็กตรอนในวัสดุเคลื่อนที่จากด้านร้อนไปด้านเย็น
- การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า
- ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นสามารถนำไปใช้งานได้
ประสิทธิภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิและคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิมากเท่าไร ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
วิธีผลิตไฟฟ้าของเทอร์โมอิเล็กทริก
วิธีการผลิตกระแสไฟฟ้าของเทอร์โมอิเล็กทริก คือ ใช้แผ่นของอุปกรณ์ 3 แผ่นซ้อนกัน โดยที่แผ่นด้านบนหันหน้าไปทางอากาศเย็นของท้องฟ้ายามค่ำคืนที่เปิดโล่ง ในขณะที่แผ่นด้านล่างถูกเก็บไว้ในอากาศอบอุ่นหันหน้าไปทางพื้นดิน ความร้อนแผ่ออกไปสู่สภาพแวดล้อมที่เย็นกว่าเสมอ และสภาพแวดล้อมที่เย็นกว่าก็จะแผ่ความร้อนได้เร็วขึ้น เนื่องจากท้องฟ้ายามค่ำคืนที่เปิดโล่งเย็นกว่าอากาศที่ปิดล้อมโดยรอบแผ่นด้านล่าง แผ่นปิดด้านบนจะสูญเสียความร้อนเร็วกว่าแผ่นด้านล่าง สิ่งนี้สร้างความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองแผ่นประมาณ 4-5 องศาเซลเซียส
จากนั้น ความร้อนก็เริ่มเดินทางจากแผ่นด้านล่างที่ร้อนกว่าไปยังแผ่นด้านบนที่เย็นกว่า ผ่านอุปกรณ์ควบคุมการไหลของความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งความแตกต่างของอุณหภูมิขนาดเล็กจึงทำให้พลังงานถูกจำกัด และผลิตได้เพียง 25 มิลลิวัตต์ต่อตารางเมตร เพียงพอที่จะให้พลังงานในการอ่านหนังสือ หรือ จอ LED ขนาดเล็ก ในทางตรงกันข้ามแผงโซลาร์เซลล์ที่มีขนาดเท่ากันนั้นก็เพียงพอที่จะรองรับทีวี LED ขนาด 32 นิ้ว ได้ถึงสามเครื่อง ซึ่งมีกำลังมากกว่า 4,000 เท่า
ในสภาพอากาศที่แห้งอุปกรณ์จะทำงานได้ดีกว่าสภาพอากาศที่ชื้น เพราะความชื้นในอากาศจะควบแน่นบนแผ่นด้านล่างที่หันไปทางพื้นดินทำให้เย็นลง และลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแผ่นเปลือกโลก ยกตัวอย่างเช่น ในทะเลเมดิเตอร์เรเนียนที่แห้งแล้ง อุปกรณ์สามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าที่เคยทำในสหรัฐอเมริกาถึง 20 เท่า
เทอร์โมอิเล็กทริกมีบทบาทต่อชีวิตประจำวันอย่างไร
เทอร์โมอิเล็กทริกมีบทบาทสำคัญในสังคม ที่จะเชื่อมต่ออุปกรณ์ในครัวเรือนกับอินเทอร์เน็ตและสิ่งอื่น ๆ ที่เรียกว่า Internet of Things – ที่ระดับพลังงานเพียง 1.5 เมกะวัตต์ต่อตารางเมตร ซึ่งเป็นระดับพลังงานที่แน่นหนา สามารถลดภาระพลังงานของบ้านได้ อีกทั้งยังผลิตได้ง่าย และขายในราคาถูก ซึ่งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีที่เก็บแบตเตอรี่ตอบสนองความต้องการพลังงานในประเทศ และอุตสาหกรรมขนาดเล็ก
เทอร์โมอิเล็กทริกสำคัญอย่างไรต่อระบบโซล่าเซลล์
เทอร์โมอิเล็กทริกมีความสำคัญต่อระบบโซล่าเซลล์ในหลายด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นของระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์
- เสริมการผลิตไฟฟ้าในเวลากลางคืน เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถผลิตไฟฟ้าจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวโซล่าเซลล์กับอากาศในเวลากลางคืน ช่วยให้ระบบสามารถผลิตไฟฟ้าได้แม้ไม่มีแสงอาทิตย์
- เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานความร้อน โซล่าเซลล์มักสูญเสียประสิทธิภาพการทำงานเมื่ออุณหภูมิสูงเกินกำหนด เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถนำความร้อนส่วนเกินนี้มาผลิตไฟฟ้าเพิ่มเติมได้
- ระบบกักเก็บพลังงานแบบไฮบริด เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถทำงานร่วมกับระบบกักเก็บพลังงานของโซล่าเซลล์ เพื่อให้มีพลังงานใช้ได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง
- ลดการพึ่งพาแบตเตอรี่ การใช้เทอร์โมอิเล็กทริกร่วมกับโซล่าเซลล์ช่วยลดขนาดของแบตเตอรี่สำรองพลังงานได้ จึงทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้แบตลูกใหญ่ ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
- เพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งาน เทอร์โมอิเล็กทริกช่วยให้ระบบโซล่าเซลล์สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลายมากขึ้น รวมถึงพื้นที่ที่มีแสงแดดไม่สม่ำเสมอ
การผสมผสานเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกเข้ากับระบบโซล่าเซลล์ถือเป็นอีกแนวทางสำคัญในการพัฒนาระบบพลังงานทางเลือกที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้น
เทอร์โมอิเล็กทริกสำคัญอย่างไรต่อระบบโซล่าเซลล์
เทอร์โมอิเล็กทริกเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสามารถเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า โดยไม่ต้องอาศัยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวหรือสารทำความเย็นใดๆ จึงทำให้มีความทนทานและบำรุงรักษาง่าย แม้ว่าปัจจุบันประสิทธิภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกยังไม่สูงมากนัก แต่การก็ยังคงมีการคิดค้นและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เทอร์โมอิเล็กทริกมีเสถียรภาพในการใช้งานมากขึ้น อีกทั้งยังเป็นทางเลือกที่ช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก และสนับสนุนการเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบพลังงานที่ยั่งยืนมากขึ้นในอนาคต
สำหรับใครที่กำลังมองหาโซลูชันพลังงานทางเลือกอย่างระบบโซล่าเซลล์ KG SOLAR ผู้นำด้านระบบไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ชั้นนำของไทย พร้อมให้บริการแบบครบวงจริง ตั้งแต่ติดตั้งไปจนถึงดูแลหลังการขาย สนใจดูแพ็กเกจโซลาร์เซลล์ ราคาพิเศษ คลิกเลย! หรือ โทร. 095-947-9000
