ข่าวประชาสัมพันธ์สมาคมมาตรวิทยาแห่งประเทศไทย

แบตโซลิดสเตท

⭕️ ⭕️ ⭕️

สมัยนี้ วิทยาการก้าวหน้ารวดเร็ว จนคำเทคนิคบางคำต้องใช้ทับศัพท์จึงจะเข้าใจกัน

เช่นคำว่า “solid-state battery” นี้ ให้เอไอแปล จะได้คำที่แปร่งหูว่า “แบตเตอรี่สถานะแข็ง”

แต่พอพูดว่า “แบตโซลิดสเตท” หลายคนก็เข้าใจได้ทันที และเรียกทับศัพท์กันไป โดยไม่ต้องพยายามจะแปลให้สับสนอีก

เช่นเดียวกับคำว่า “computer” ที่ในอดีตพยายามหาคำไทยมาเรียก ในเมื่อ “compute” แปลว่า “คำนวณ” ดังนั้น “computer” ก็ต้องแปลว่า “เครื่องคำนวณ” แต่ถ้าลองให้เอไอหาคำแปล “เครื่องคำนวณ” เอไอแปลว่า “calculator” ทว่า ลองให้เอไอแปล “calculator” กลับเป็นไทย จะได้คำแปลว่า “เครื่องคิดเลข” สับสนดี ปัจจุบัน ราชบัณฑิตยสถาน ได้บัญญัติศัพท์ คำว่า “Computer” เป็นภาษาไทยว่า “คณิตกรณ์” หรือใช้ทับศัพท์ว่า “คอมพิวเตอร์” พวกเราจึงนิยมทับศัพท์คำว่า “computer” เป็น “คอมพิวเตอร์” อย่างที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ 

เรื่อง “แบตโซลิดสเตท” นี่ก็เหมือนกัน ที่เรียกทับศัพท์ ถ้าเรียกว่า “แบตสถานะแข็ง” หรือ “แบตแข็ง” คงจะงงกันว่า แบตอะไรกันที่ต้องบอกด้วยว่ามีสถานะแข็ง เราหยิบแบตขึ้นมาสักก้อน มันก็แข็งอยู่แล้วนี่

แบตทั่วไปมันแข็งแต่เปลือกหรือภาชนะบรรจุ กับขั้วบวกขั้วลบ ครับ ส่วนสิ่งที่คั่นกลางระหว่างขั้วบวกกับขั้วลบมักจะเป็นของเหลว บางทีก็มีลักษณะนิ่ม ๆ หยุ่น ๆ เหมือน เจล

สารคั่นกลางดังกล่าว เรียกว่า “อิเล็กโทรไลต์” (electrolyte) ซึ่งมีคุณลักษณะพิเศษที่สำคัญทำให้เกิดเป็นแบตเตอรี่ได้คือ ยอมให้ไอออนประจุบวกผ่านได้ แต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนประจุลบผ่าน

สารสามอย่าง ที่ประกอบขึ้นเป็นแบตเตอรี่ คือ ขั้วบวก-อิเล็กโทรไลต์-ขั้วลบ ที่มีส่วนผสมของธาตุลิเทียมกันเป็นส่วนใหญ่อย่างที่รู้กัน

เมื่อเวลานำแบตไปใช้งาน ทั้งอิเล็กตรอนประจุลบ และไอออนประจุบวก ต่างก็วิ่งออกจากจุดสตาร์ทที่ขั้วลบเหมือนกัน และกลับไปเจอกันที่ขั้วบวกเหมือนกัน แต่ไปคนละเส้นทาง 

อิเล็กตรอนวิ่งข้างนอกแบต ผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆที่ต้องการจะให้ทำงาน เช่นหลอดไฟ หรือมอเตอร์ ส่วนไอออนจะวิ่งผ่านอิเล็กโทรไลต์ภายในแบต

เวลาชาร์จแบตก็กลับกัน คือวิ่งจากขั้วบวกกลับมาขั้วลบ แต่เส้นทางยังเหมือนเดิม คือ อิเล็กตรอนวิ่งอยู่นอกแบต และไอออนวิ่งผ่านอิเล็กโทรไลต์ภายในแบต

อิเล็กโทรไลต์ นี่เองที่มาคิดกันว่า จะเป็น “ของแข็ง” ได้ไหม แทนที่จะเป็นของเหลวเหมือนอย่างที่ทำกันทั่วไป เพื่อแก้ปัญหาเก่า ๆ เช่น การติดไฟได้ แรงดันจำกัด รอบการชาร์จไม่มากพอ หรือความแข็งแรงทนทาน เป็นต้น

แบตโซลิดสเตทนี้เพิ่งจะเริ่มเป็นที่สนใจเมื่อไม่นานมานี้เอง เมื่อรถไฟฟ้าเริ่มมาแรง และค่ายรถยักษ์ใหญ่ของญี่ปุ่นอย่างเช่นโตโยต้าหันมาสนใจเรื่องนี้อย่างจริงจัง ทั้ง ๆ ที่ ไมเคิล ฟาราเดย์ ค้นพบ อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตท มาตั้งนานแล้ว (ปี 1834) คือ เงินซัลไฟด์ (Ag2S) และตะกั่วฟลูออไรด์ (PbF2) โดยเขาพบว่า ถ้าเขาทำให้มันร้อน ไอออนจะวิ่งผ่านได้ จึงมีการเรียกอาการนี้ว่า “Faraday transition”

ในช่วงปี 1970s-80s ได้ค้นพบกันว่า โครงสร้างที่เล็กจิ๋วระดับ นาโน (nanostructure) อาจมีผลต่อสภาพนำการไหลของไอออน (ionic conductivity) เลยมีการศึกษาเรื่องใหม่กันขึ้นมา เรียกว่า “nanoionics” และในปี 1973 มีรายงานว่า สภาพนำการไหลของไอออนในผลึกลิเทียมไอโอไดด์ (LiI) สามารถเพิ่มขึ้นถึง 50 เท่า ถ้าเติมผงละเอียด “alumina” เข้าไป (Ag- and Tl-halides doped with alumina nanoparticles) LiI จึงถูกนำไปใช้ในแบตเตอรี่สำหรับเครื่องกระตุ้นหัวใจเทียม (artificial pacemaker) กันอย่างแพร่หลาย

การค้นพบสารเพิ่มสถาพนำการไหลของไอออน (fast ionic conduction β -alumina) ในปี 1967 ทำให้มีบริษัทที่เข้ามาพัฒนาเรื่องนี้ในทันที คือ บริษัทฟอร์ด ในสหรัฐ และ NHK ในญี่ปุ่น

ในช่วงปี 1990s ห้องทดลอง Oak Ridge Natoonal Lab ได้พัฒนา อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตท ที่ใช้สาร lithium–phosphorus oxynitride (LiPON) ซึ่งสามารถนำไปทำแบตลิเทียมไอออนชนิดบางเฉียบได้ แต่ราคายังสูงอยู่

ปี 2012 ทั้งโตโยต้าและโฟล์คสวาเก้น ต่างก็เข้ามาพัฒนาแบตโซลิดสเตทนี้ ในเวลาไล่เลี่ยกัน

ปี 2013 นักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัย Colorado Boulder ได้พัฒนาแบตลิเทียมไอออนโซลิดสเตท โดยใช้ เหล็ก-กำมะถัน ที่ขั้วบวก เพื่อเพิ่มพลังงาน

ปี 2017 John Goodenough ผู้ร่วมประดิษฐ์แบตลิเทียมไอออน ได้เผยโฉมแบตโซลิดสเตทโดยใช้แก้วเป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ ลิเทียม โซเดียม หรือโปแตสเซียม ที่ขั้วลบ

ปลายปี 2017 นี้เองที่ โตโยต้า ได้ขยายความเป็นหุ้นส่วนสิบปี กับบริษัทพานาโซนิค เพื่อที่จะร่วมมือกันในเรื่องการทำแบตโซลิดสเตท ที่โตโยต้าถือสิทธิบัตรในเรื่องนี้ไว้มากที่สุด ตามมาด้วย บีเอ็ม ฮอนด้า ฮุนได และนิสสัน

ในปึ 2018 ซัมซุงและฮุนได ได้สนับสนุนเงินทุน $20 ล้าน ในการเริ่มต้นตั้งสายการผลิตแบตลิเทียมโซลิดสเตท กำลังผลิต 10 เมกะวัตต์ชั่วโมงต่อปี ให้กับบริษัท Solid Power ซึ่งผันตัวออกมาจากมหาวิทยาลัย Colorado Boulder

ในปีเดียวกันนี้ (2018) บริษัท ซิงเต่า (Qing Tao) ก็เป็นบริษัทแรกของจีนที่เริ่มผลิต แบตโซลิดสเตท เช่นกัน

ต่อมาในปี 2020 QuantumSpace บริษัท startup ที่ผันตัวออกมาจากมหาวิทยาลัย Stanford เตรียมผลิตแบตลิเทียมโซลิดสเตท ขนาด 5 amp-hour ให้กับรถโฟล์คสวาเก้น

ฟอร์ด และ บีเอ็ม ไม่น้อยหน้า โดยได้เพิ่มการลงทุนให้บริษัท startup “Solid Power” จาก $130 ล้าน เป็น $540 ล้าน ในปี 2022

ในเดือนกันยายน 2021 โตโยต้าประกาศแผน จะใช้แบตโซลิดสเตทสำหรับรถไฮบริดในปี 2025

เดือนมกราคม 2022 บริษัท ProLogium ได้ลงนามในความร่วมมือทางเทคนิคกับบริษัท เมอร์ซีเดส-เบนซ์ สำหรับการพัฒนาและผลิตแบตโซลิดสเตท

เดือนกันยายน 2023 พานาโซนิคเปิดตัวแบตโซลิดสเตทสำหรับโดรน สามารถชาร์จจาก 10% ถึง 80% ได้ภายในสามนาที และรอบการชาร์จ หมื่นถึงแสนรอบ ที่ 25 °C คาดว่าจะออกสู่ตลาดได้ในราวปลายทศวรรษนี้ 

เดือนตุลาคม 2023 โตโยต้าประกาศความร่วมมือกับ Idemitsu Kosan ในการผลิตแบตโซลิดสเดท สำหรับรถอีวีในปี 2028

เดือนพฤศจิกายน 2023 บริษัท Guangzhou Automobile Group ในจีน ประกาศที่จะใช้แบตโซลิดสเตทสำหรับรถในปี 2025 ซึ่งเป็นแบตที่เก็บพลังงานได้ถึง 400 วัตต์ชั่วโมงต่อน้ำหนักหนึ่งกิโลกรัม

เดือนธันวาคม 2023 ฮุนไดได้ประกาศสิทธิบัตรของแบตโซลิดสเตทที่ควบคุมแรงกดดันได้คงที่เสมอไม่ว่าจะเป็นการชาร์จหรือใช้ (charging and discharging) รวมทั้งอุณหภูมิที่คงที่ด้วย

เดือนมกราคม 2024 เดือนที่แล้วนี่เอง โฟล์คสวาเก้นได้ประกาศผลการทดสอบแบตโซลิดสเตทต้นแบบ (prototype) ที่สามารถรักษาความจุได้ถึง 95% แม้จะใช้งานไป 500,000 กิโลเมตรแล้วก็ตาม

เรียกว่า มีพัฒนาการเดือนต่อเดือนกันเลยทีเดียว

สรุปโดยรวมแล้ว รถอีวีที่จะใช้แบตโซลิดสเตทนั้น ค่ายญี่ปุ่นน่าจะมาก่อนใคร โดยฮอนด้าจะเริ่มในปี 2024 โตโยต้า ปี 2027 และนิสสัน ปี 2028

แบตเตอรี่ มีพัฒนาการไปเรื่อยๆ ถ้าใครคิดจะรอให้แบตพัฒนาไปจนถึงจุดสูงสุดก่อนแล้วค่อยใช้รถไฟฟ้า คงจะรอกันอีกนาน ดังนั้น ถ้าต้องการใช้รถที่มีเทคโนโลยีใหม่ตลอดเวลา … เช่าขับ น่าจะเป็นทางเลือกอีกทางหนึ่งที่ดี !

วัชระ นูมหันต์

2024-02-18

ไฟฟ้าสถิต

⭕️ ⭕️ ⭕️

ไฟฟ้าสถิตคือ ความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าภายในหรือบนผิวของวัสดุ ประจุนี้จะยังคงอยู่จนกว่ามันจะออกไปได้โดยกระแสไฟฟ้าหรือการคายประจุ เราใช้คำว่า “ไฟฟ้าสถิต” (static electricity) ให้แตกต่างไปจาก “ไฟฟ้ากระแส” (current electricity) ที่ประจุไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำไฟฟ้า

ไฟฟ้าสถิตเกิดได้จากวัสดุสองสิ่งเสียดสีกันแล้วแยกออก ผู้คนส่วนมากจะคุ้นเคยกับผลของไฟฟ้าสถิตจากความรู้สึก หรือได้ยินเสียง บางครั้งอาจเห็นแสงได้ด้วยเมื่อเกิดการคายประจุ

วัตถุทั้งหลายประกอบไปด้วยอะตอมซึ่งปกติจะมีประจุเป็นกลางเพราะจำนวนประจุบวก (โปรตอน ที่ใจกลางอะตอม) และประจุลบ (อิเล็กตรอน ที่หุ้มอยู่โดยรอบ) มีจำนวนเท่ากัน เมื่อวัตถุสองอย่างสัมผัสกัน อิเล็กตรอนอาจจะเคลื่อนจากวัตถุหนึ่งไปอยู่กับอีกวัตถุหนึ่ง ทำให้วัตถุแรกมีประจุบวกและวัตถุหลังมีประจุลบในจำนวนที่เท่ากัน

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “triboelectric effect” (tribo- เป็นภาษากรีก แปลว่า rub หรือถู)

ในสมัยโบราณ ก่อนหน้าที่มีคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ว่าเป็นประจุไฟฟ้าบวกและลบ มีคำเรียกชื่อแตกต่างกันไปมากมาย เนื่องจากไม่รู้ว่า มันคืออะไร บางครั้งมีการเข้าใจว่าเป็นเรื่องเร้นลับไปเสียด้วยซ้ำเมื่อสวมเสื้อคลุมบางตัวแล้วเกิดประกายไฟขึ้นมา

ผู้ที่เริ่มใช้คำอธิบายในเรื่องประจุบวกลบก็คือ เบนจามิน แฟรงคลิน ในราวปี 1747

ผลของไฟฟ้าจากการขัดถูนี้คาดการณ์ยาก เพราะไม่ได้ควบคุมรายละเอียดอีกหลายอย่าง นานหลายปีที่มีปรากฏการณ์ที่ไม่มีคำอธิบายให้เข้าใจได้ง่าย อย่างเช่นในปี 1910 Jaimeson สังเกตเห็นแท่งเซลลูโลสที่เอามาถูนั้นจะมีประจุบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับว่ามันถูกงอเข้า หรืองอออก ขณะที่ถู 

ในปี 1920 Richards ได้ชี้อีกประเด็นหนึ่งว่า ไม่ใช่เพียงแค่ใช้วัสดุอะไรในการนำมาถู แต่ความเร็วและมวลก็มีผล

มันดูว่าจะง่าย แต่มีความไม่แน่นอนสูงมาก สมมุติว่ามีวัตถุสามอย่าง เอ บี และซี เอามาถูกันแบบสามเส้าคือ เอเกิดประจุบวกเมื่อถูกับบี, บีเกิดประจุบวกเมื่อถูกับซี และแล้วซีก็เกิดประจุบวกเมื่อกลับมาถูกับเอ อธิบายกันไม่ถูก ใช้อนุกรมเชิงเส้น ((linear series) หรืออนุกรมวิธาน (cyclic series) ก็อธิบายไม่ได้

แถมบางครั้งบางกรณี ไม่ได้มีวัสดุต่างชนิดมาเสียดสีกันเลย แต่เป็นวัสดุอย่างเดียวกันมาแตะกันก็เกิดประจุได้ อันเป็นผลจากการหักงอในตัว บางคนจึงเรียกสนามไฟฟ้าชื่อประหลาดนี้ว่า ไฟฟ้าหักงอ (flexoelectricity)

วัสดุทุกอย่างมีประจุบวกที่แกนอะตอม มีการถ่วงดุลบางส่วนด้วยประจุลบจากกลุ่มก้อนของอิเล็กตรอนที่ห่อหุ้มอยู่ บางคนเรียกว่า “ทะเลอิเล็กตรอน” (sea of electrons) ดังนั้น วัสดุจึงมีประจุเฉลี่ยเหลือกลายเป็นบวกนิดหน่อย เรียกชื่อเป็นทางการว่า “mean inner potential” (MIP)

วัสดุแต่ละชนิดจะมีค่า MIP แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอม และขึ้นอยู่กับว่ามันอยู่ชิดหรือห่างกันแค่ไหน และที่ผิวนอกสุด อิเล็กตรอนก็อาจจะกระเด็นหลุดออกไปอีกบ้าง ทำให้ผิวสัมผัสของวัตถุกลายเป็นสารที่มีคุณสมบัติสองขั้ว (dipole) การเกิดภาวะสองขั้วและค่าเฉลี่ยที่เป็นบวกนี่เอง ที่เป็นรั้วกั้น (potential barrier) รักษาอิเล็กตรอนไว้ เรียกว่า “work function”

Work function นี้ก็มีมากน้อยไม่เท่ากัน หลักการของไฟฟ้าสถิตก็คือ อิเล็กตรอนจะออกไปจากวัตถุที่ work function น้อยกว่า ไปอยู่ที่ work function ที่มากกว่า และค่าความต่างศักย์ของสองวัตถุนี้ เรียกว่า “Volta potential”

คุณ Alicki และคุณ Jenkins ได้อธิบายอีกอย่างหนึ่งว่า อิเล็กตรอนในวัสดุสองชิ้นที่ขัดสีกัน จะมีความเร็วต่างกัน และกลศาสตร์ควันตัมทำให้อิเล็กตรอนจากวัตถุหนึ่งไปสู่อีกวัตถุหนึ่ง

ความชื้นก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ลดการชาร์จของประจุลงเป็นสิบเท่าทีเดียวแม้ความชื้นจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยก็ตาม เพราะความชื้นอาจทำให้เกิด “สะพานน้ำ” (water bridge) ระหว่างวัสดุทั้งสอง ทำให้ไอออนมีการถ่ายเทได้

กรณีของเหลวและก๊าซ จะเกิดต่างจากของแข็งไปบ้าง เช่นกรณีที่เกิดฟ้าแลบฟ้าผ่า จะเกิดการแยกไฮโดรเจนไอออนที่เป็นประจุบวก กับไฮดรอกไซด์ไอออนที่เป็นประจุลบ ออกจากโมเลกุลน้ำ กล่าวคือ จะเป็นการถ่ายประจุไอออน แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอน และความต่างศักย์ของประจุอาจจะสูงถึงหนึ่งหมื่นโวลต์ต่อเซนติเมตร (10 kV/cm)

การเสียดสีของวัตถุเกิดขึ้นทุกหนทุกแห่ง แม้แต่ในชีวิตประจำวันหากมีการเสียดสีกันของวัตถุสองอย่าง เช่นการเสียดสีกันระหว่างรองเท้ากับพื้นพรม และไม่ได้จำเพาะเจาะจงว่าจะต้องเป็นของแข็งกับของแข็งเท่านั้น แม้แต่ของเหลวหรือก๊าซก็เกิดได้ เช่นของเหลวที่ไหลในท่อ หรือเครื่องบินที่บินในอากาศ

อากาศที่เสียดสีเครื่องบินอาจทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบนลำตัวที่อาจรบกวนระบบสื่อสารได้ บางทีจึงมีอุปกรณ์ถ่ายประจุทิ้งที่ปลายปีก (Static wicks, บางทีก็เรียก static dischargers หรือ static discharge wicks) เช่นเดียวกับใบพัดของเครื่องเฮลิคอปเตอร์ที่อาจมีไฟฟ้าสถิตสูงถึง 200 กิโลโวลต์

ของแข็งที่เล็กจนเป็นฝุ่น (powder) และไม่เป็นตัวนำไฟฟ้าก็อาจสร้างประจุไฟฟ้าขึ้นอย่างมากมายได้หากมีการเลื่อนไหลผ่านท่อ ถ้าไม่ควบคุมให้ดีอาจเกิดอุบัติเหตุได้จากการคายประจุทันที อย่างเช่นการระเบิดในโรงงานในประเทศฝรั่งเศส แคนาดา สหรัฐอเมริกา รวมทั้งโรงงานที่ผลิตสีในเมืองไทยเราด้วย

น้ำมันเป็นของเหลวที่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ต่ำ เมื่อไหลผ่านท่ออย่างรวดเร็วอาจเกิดประจุขึ้นได้เช่นกัน ในการถ่ายเปลี่ยนน้ำมันหม้อแปลงตามโรงไฟฟ้าจึงต้องทำอย่างระมัดระวัง ไม่ให้เร็วเกินไป

สิ่งที่สำคัญอย่างหนึ่งเกี่ยวกับของไหลที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้าคือ “static relaxation time” จึงต้องพยายามรักษาอัตราการไหลให้ช้าลง

มาตรฐานอังกฤษในการควบคุมความเร็วการไหลภายในท่อของสารไฮโดรคาร์บอนเช่นน้ำมันเชื้อเพลิงเพื่อป้องกันไฟฟ้าสถิต (The British standard BS PD CLC/TR 50404:2003 Code of Practice for Control of Undesirable Static Electricity prescribes pipe flow velocity limits) คือ ความเร็วในการไหลไม่ควรเกิน 1 เมตรต่อวินาที

แน่นอนว่า การเติมน้ำมันตามปั๊มก็ย่อมจะมีการเกิดไฟฟ้าสถิตขึ้นบ้างเช่นกัน

ปกติบ้านเราอากาศชื้น จะไม่ค่อยเกิด แต่ในห้องแอร์อย่างตามห้าง หรือแม้แต่ในรถ ย่อมมีโอกาสที่ร่างกายจะสะสมประจุไฟฟ้า เพราะเสื้อผ้าที่เป็นใยสังเคราะห์เสียดสีอยู่กับเบาะเป็นเวลานาน บางคนถึงกับสะดุ้งเมื่อจะเปิดประตูรถ

ในด้านความปลอดภัย กรณีที่รุนแรงมากบ้านเรายังไม่เคยได้ยิน แต่เคยเห็นคลิป ที่ต่างประเทศ ที่อากาศแห้งมากจนเกิด spark และไฟลุกขณะเติมน้ำมันจึงมีคำเตือนตอนเติมน้ำมันว่า เมื่อออกมาจากรถแล้ว ร่างกายคายประจุแล้ว ไม่ควรกลับเข้าไปนั่งในรถอีกขณะที่ยังเติมน้ำมันไม่เสร็จ เพราะจะเป็นการเข้าไปรับประจุใหม่ เมื่อออกมาจับหัวจ่ายจึงเกิดการ spark … ถึงจะไม่เคยเกิดในบ้านเรา แต่ระวังไว้หน่อยก็ดีครับ

วัชระ นูมหันต์

2024-02-25

ไฟฟ้าจากแสงแดด

⭕️ ⭕️ ⭕️

กำลังเป็นที่ฮือฮาในเรื่อง ไฟฟ้าจากแสงแดด ที่หลายคนเริ่มติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาบ้านเพื่อผลิตไฟฟ้าใช้เองแบบไม่ง้อการไฟฟ้าฯ

คนที่ติดตั้ง คงรู้ว่า ผู้ร่วมแนวคิดเดียวกันมีไม่ใช่น้อย จากสถิติพลังงานทดแทนที่ติดตั้งในปี 2020 เพิ่มขึ้น 1.3% ต่อปี คือ 12,005 MW เป็นพลังแสงอาทิตย์ ถึงหนึ่งในสี่ คือ 2,979.4 MW

แต่เรายังห่างไกล 5 ประเทศใหญ่ที่ติดตั้งโซลาร์เซลล์มากที่สุด นั่นคือ …

อันดับห้า อินเดีย 39,211 MW

อันดับสี่ เยอรมนี 53,783 MW

อันดับสาม ญี่ปุ่น 67,000 MW

อันดับสอง สหรัฐฯ 75,572 MW

อันดับ หนึ่ง จีน 254,355 MW

รวมทั่วโลกมีการติดตั้งโซลาร์เซลล์ประมาณ 714,000 MW เมื่อสิ้นปี 2020

ไทยเราอยู่ในช่วงเพิ่งเริ่มต้นใช้โซลาร์เซลล์ ประกอบกับแผงโซลาร์เซลล์มีอายุการใช้งานเฉลี่ยนานถึงประมาณ 20 ปี กฎหมายบางอย่างจึงยังไม่ครอบคลุมถึง เช่น ร่างพระราชบัญญัติ (พ.ร.บ.) การจัดการซากผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ของกรมควบคุมมลพิษ กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างมาตรา เช่น …

- มาตรา 29 ห้ามมิให้ผู้ใดทิ้งหรือทำลายซากผลิตภัณฑ์ในที่สาธารณะที่รกร้างว่างเปล่าหรือทิ้งปนอยู่กับสิ่งปฏิกูลและมูลฝอยโดยต้องนำไปคืนที่ศูนย์รับคืนซากผลิตภัณฑ์

- มาตรา 32 การจัดตั้งศูนย์รับคืนซากผลิตภัณฑ์ให้ดำเนินการโดยราชการส่วนท้องถิ่น เอกชน ผู้ผลิต หรือผู้ผลิตร่วมกับผู้ผลิตรายอื่น หรือผู้จัดจำหน่ายผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ร่างกฎหมายดังกล่าวจะครอบคลุมแค่ผลิตภัณฑ์ 5 ประเภท ได้แก่ คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์/โทรศัพท์มือถือ เครื่องปรับอากาศ โทรทัศน์ และตู้เย็น แต่ในอนาคตอาจครอบคลุมถึงผลิตภัณฑ์แผงโซลาร์เซลล์ด้วย ซึ่งจะทำให้เกิดการจัดการแผงโซลาร์เซลล์ที่หมดอายุการใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพ

ต่อไป ไทยเราคงจะเอาจริงเรื่อง ไฟฟ้าจากแสงแดด

เมื่อพูดถึงไฟฟ้าจากแสงแดด ส่วนใหญ่เราจะนึกถึงแค่แผงโซลาร์เซลล์ ความจริง พลังงานในแสงแดดที่เราคุ้นมาแต่เล็กแต่น้อย คือความร้อน โดยในสมัยโบราณ ใช้แผงรับความร้อนจากแสงแดดบนหลังคา เพื่อทำน้ำอุ่นใช้อาบ

ลำพังความร้อนใช้แค่อาบน้ำนั้น ไม่เท่าไหร่ แต่ถ้าจะเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าเหมือนอย่างโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทั่วไปนั้น ต้องมากพอที่จะต้มน้ำให้เดือดเป็นไอได้ แล้วค่อยเอาไอน้ำนั้นมาปั่นกังหันไอน้ำอีกทีหนึ่ง

แสงแดดที่ส่องมาตามธรรมดา ได้แค่ทำให้น้ำอุ่น ไม่พอต้มน้ำให้เดือดได้แน่ ต้องใช้วิธีรวมแสง จากแผ่นสะท้อนแสงเต็มลานกว้าง ให้เข้ามาอยู่ในจุดเดียว ซึ่งบางทีจะทำเป็นหอสูง บางทีก็ทำเป็นรางพาราโบล่ายาวๆในแนวราบ โดยให้ท่อรับความร้อนอยู่ตรงจุด focal point พอดี อย่างนี้จะได้ความร้อนมากพอต้มน้ำปั่นไฟได้

และเนื่องจากแสงแดดไม่มีในตอนกลางคืน ต้องใช้สารรับความร้อนอย่างอื่นที่เก็บความร้อนได้สูงกว่าน้ำ แล้วค่อยมาถ่ายความร้อนต้มน้ำให้เดือดอีกที โรงไฟฟ้าประเภทนี้จึงจะสามารถผลิตไฟฟ้าได้ตลอดทั้งวันทั้งคืนโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงอะไรเลย

โรงไฟฟ้าประเภทนี้เรียกว่า concentrated solar power ซึ่งยังมีอยู่ไม่มากนัก เนื่องจากต้องลงทุนสูง (นับถึงปี 2019 โรงไฟฟ้าพลังแสงแดด 97% ใช้แต่แผงโซลาร์เซลล์)

ไฟฟ้า เป็นเรื่องของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ถ้ามันวิ่งสะเปะสะปะ ไร้ทิศทาง เหมือนตอนเกิด ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า อันนั้นใช้ทำประโยชน์อะไรไม่ได้ แต่ถ้าให้มันวิ่งเป็นที่เป็นทางในลวดตัวนำ ก็จะใช้ประโยชน์ได้ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องแสงสว่าง หรือมอเตอร์ขับเคลื่อนสิ่งต่างๆ

และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้น มีอย่างเดียวที่จะขับเคลื่อนมันได้ คือ แม่เหล็ก

แม่เหล็ก กับ ไฟฟ้า จึงเป็นของคู่กัน

เราใช้ไฟฟ้าสร้างแม่เหล็กได้ ขณะเดียวกันเราก็ใช้แม่เหล็กสร้างไฟฟ้าได้

เราเคยเรียนกันมาว่า อิเล็กตรอนที่อยู่ในลวดตัวนำ เมื่อเคลื่อนที่ตัดเส้นแรงแม่เหล็ก อิเล็กตรอนในตัวนำนั้นจะถูกดันไปข้างๆ กลายเป็นกระแสไหลในตัวนำนั้น อันเป็นหลักการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไป

แล้วโซลาร์เซลล์ มันสร้างไฟฟ้าได้อย่างไร ไม่เห็นสนามแม่เหล็กที่ไหนเลย

แสงแดดไงครับ ที่หลายคนคงทราบแล้วว่า มันคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) ที่มีความถี่หลากหลายผสมกันมา ความถี่ยิ่งสูงยิ่งมีพลังงานสูง ทำให้อิเล็กตรอนวงรอบนอกได้รับพลังงานสูงขึ้นจนกระเด็นหลุดออกไป กลายเป็นไฟฟ้า

ลงทุนหน่อย แต่ใช้ได้นาน ผู้คนจึงเริ่มหันมาสนใจ จนทำให้การติดตั้งไฟฟ้าพลังแสงแดดมากขึ้นเป็นทวีคูณ (exponential) ประมาณการว่าเพิ่มเท่าตัวทุกๆสามปีเลยทีเดียว

ในปี 2022 ที่ผ่านมา การใช้ไฟฟ้าทั่วโลก เป็นไฟฟ้าจากแสงแดดมากถึง 4.5% เทียบกับ 1% ในปี 2015 ที่มีการลงนามสนธิสัญญากรุงปารีสเพื่อสะกัดภาวะโลกร้อน

ครึ่งหนึ่งของการติดตั้งไฟฟ้าจากแสงแดดในปี 2022 ดังกล่าว เป็นการติดตั้งบนหลังคา (rooftop) เนื่องจากไฟฟ้าจากแสงแดดต้องการใช้พื้นที่มาก ดังนั้นหลังคาจะเหมาะที่สุด

พื้นที่กว้างใหญ่ ที่ไม่ได้ใช้ทำอะไร เหมาะที่จะทำไฟฟ้าจากแสงแดดอีกอย่าง คือ พื้นที่อ่างเก็บน้ำ 

การไฟฟ้าฝ่ายผลิตฯ (กฟผ.) ก็ได้นำรูปแบบนี้มาใช้ในการผลิตไฟฟ้าจากแสงแดดบนทุ่นลอยน้ำ เป็นการผสมผสานการผลิตไฟฟ้าพลังสะอาดระหว่างพลังแสงอาทิตย์กับพลังน้ำ (Hydro-floating Solar Hybrid) จำนวน 16 โครงการทั่วประเทศ รวม 2,725 MW นำร่องโดยเขื่อนสิรินธร จังหวัดอุบลราชธานี ที่กลายเป็นโซลาร์เซลล์ลอยน้ำไฮบริดพลังน้ำที่ใหญ่ที่สุดในโลก เมื่อวันที่ 31 ตุลาคม 2564

นับถึงปีที่แล้ว (2565) กว่า 90% ของโซลาร์เซลล์ที่ขายกันอยู่ในท้องตลาด เป็นชนิดผลึกซิลิคอน (crystalline silicon) แต่นั่นเป็นเพียงหนึ่งในเทคโนโลยีหลากหลายราว 25 เทคโนโลยีของเซลล์แสงอาทิตย์ที่พยายามคิดค้นกันอยู่ในปัจจุบัน (เช่น Cadmium telluride, Copper indium gallium selenide, Gallium arsenide germanium, และ Perovskite เป็นต้น)

กำลังไฟฟ้าที่ได้จากแผงโซลาร์เซลล์จะขึ้นลงแปรปรวนไปตามความแรงของแสงอาทิตย์ และเป็นไฟกระแสตรง (DC) เพื่อความสะดวกในการใช้งานตามปกติจึงมักมีการแปลงไฟเป็นกระแสสลับ (AC) โดยใช้ inverter เพื่อปรับให้ได้แรงดัน ความถี่ และเฟส ตามต้องการ และทำให้สามารถต่อกับระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้าฯตามปกติได้ด้วย ในการใช้งานพิเศษบางอย่างที่จำเป็นต้องใช้งานแม้เมื่อแสงแดดหมดไปแล้วก็มักจะใช้แบตเตอรี่ต่อพ่วงเพิ่มเข้ามา เช่น ดาวเทียม ประภาคาร หรือบริเวณที่ไม่มีไฟฟ้าใช้

แบตเตอรี่ที่ต่อพ่วงเข้ามา ปัจจุบันมีทั้งที่เป็น นิเกิล-แคดเมียม, ตะกั่วกรด, นิเกิลเมทัลไฮไดรด์ และ ลิเทียมไอออน ซึ่งคุ้นเคยกันดี คาดเดากันว่า แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนคงจะเข้ามาแทนที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดในเวลาอีกไม่นานเนื่องจากราคาถูกลงเรื่อยๆ อันเนื่องมาจากการผลิตในปริมาณมากๆ (economy of scale) อย่างเช่น Gigafactory ในรัฐเนวาดา ที่ผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสำหรับรถไฟฟ้าเทสลาของ อีลอน มัสก์

ในทางกลับกัน รถไฟฟ้าที่ใช้ไฟบ้านในการชาร์จนี้ อาจจะเป็นแหล่งแบตเตอรี่ให้กับบ้านก็ได้ (vehicle-to-grid)

ดังนั้น บ้านที่มีแผงโซลาร์เซลล์ มีรถไฟฟ้าใช้ และยังไม่ได้ขับรถไปไหน กลางวันใช้ไฟฟ้าพลังแสงแดดเข้ามาในบ้านและชาร์จรถไฟฟ้า กลางคืนหากใช้ไฟจากรถไฟฟ้าเข้ามาในบ้าน ก็จะใช้ประโยชน์จากแผงโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่ในรถไฟฟ้าได้เต็มที่

ว่ากันตามจริง ดูเหมือนว่า เราได้พลังงานไฟฟ้ามาจากดวงอาทิตย์ทั้งนั้น ไม่ทางตรงก็ทางอ้อม ไล่เรียงดูจะเห็นว่า …

โดยตรงก็คือ โซลาร์เซลล์ใช้พลังงานจากแสงแดด และโรงไฟฟ้าพลังความร้อนแสงอาทิตย์ ใช้แสงอาทิตย์จากแผ่นสะท้อนแสงหลายๆแผ่นส่องรวมกันมาที่จุดๆเดียวเกิดเป็นความร้อนไปต้มน้ำกลายเป็นไอน้ำมาปั่นกังหันไอน้ำ

โดยอ้อมก็คือ ต้นไม้กลายเป็นเชื้อเพลิงโดยการที่แสงอาทิตย์ส่องมาโดนคลอโรฟิลล์ในใบไม้ รวมกับไฮโดรเจนจากน้ำในดินและคาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศกลายเป็นสารไฮโดรคาร์บอนซึ่งก็คือกิ่งก้านสาขาของต้นไม้ที่เจริญเติบโตขึ้น รวมกันมากๆเข้าเป็น เป็นเชื้อเพลิงให้โรงไฟฟ้าไบโอแมส ถ้าอ้อมไกลหน่อย ก็คือสัตว์มากินพืช แล้วทั้งซากพืชซากสัตว์ตายลง เมื่อทับถมกันนาน กลายเป็นฟอสซิล ทำให้เกิดถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติใต้ดินให้คนขุดขึ้นมาเผาเป็นเชื้อเพลิงโรงไฟฟ้าพลังความร้อน

แม้แต่โรงไฟฟ้าพลังน้ำและพลังลม (renewable) ที่เป็นพลังงานที่ใช้กันไม่หมดตราบใดที่ยังมีแสงอาทิตย์ ก็เป็นพลังงานทางอ้อมจากดวงอาทิตย์เหมือนกัน เพราะถ้าปราศจากดวงอาทิตย์ ฝนก็คงไม่ตก ลมก็คงไม่พัด

แต่มีพลังงานไฟฟ้าอยู่สองอย่าง ที่ไม่ได้มาจากดวงอาทิตย์ เพราะเป็นของโลกเราเอง เนื่องจากโลกเราไม่ใช่ชิ้นส่วนที่หลุดกระเด็นมาจากดวงอาทิตย์ แต่เป็นซากดาวจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาในอดีต พกพาเอาความร้อนและโลหะหนักติดมาด้วย จนมาเจอดวงอาทิตย์ ที่เป็นดาวฤกษ์เกิดใหม่ โลกจึงกลายมาเป็นดาวบริวารของดวงอาทิตย์

โรงไฟฟ้าที่ไม่ได้อาศัยพลังงานจากดวงอาทิตย์ สองอย่างนั้นก็คือ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพ (geothermal) และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ที่ใช้แร่ยูเรเนียมภายในโลกของเรา นั่นเอง

วัชระ นูมหันต์

2023-12-17

สมาคมมาตรวิทยาแห่งประเทศไทย ขอเชิญเข้าร่วมสัมมนาวิชาการในงาน METALEX 2023

สมาคมมาตรวิทยาแห่งประเทศไทย(สมท.) ขอเชิญทุกท่านเข้าร่วมสัมมนาวิชาการในวันที่ 8 กันยายน 2566 นี้ โดยลงทะเบียนสแกน QR Code โบรชั่วร์ตามด้านล่างนี้

 สมาคมมาตรวิทยาแห่งประเทศไทย (สมท.) ขอเรียนเชิญท่านสมาชิกสมาคมฯทุกท่าน เข้าร่วมประชุมใหญ่สามัญประจำปี 2565 และร่วมการสัมมนาวิชาการในวันที่ 8 กันยายน 2566 ลงทะเบียนสแกน QR Code ได้เลยค่ะตามด้านล่างนี้

 ทำเนียบคณะกรรมการสมาคมมาตรวิทยาแห่งประเทศไทยชุดปัจจุบัน ปี 2566 - 2568

 ดาวโหลดได้ที่นี้ ใบสมัครและใบต่ออายุสมาชิก สมท_.pdf