ปฏิวัติ ‘เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก’ แรงขึ้น 15 เท่า พลิกโฉม ‘พลังงานแสงอาทิตย์’

ในโลกที่ความต้องการพลังงานหมุนเวียนเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง “เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกพลังงานแสงอาทิตย์” หรือ STEGs (Solar Thermoelectric Generators) ถูกยกย่องว่าเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพในการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ แตกต่างจากแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไป ที่เปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าโดยตรง แต่อุปกรณ์ STEG สามารถใช้แหล่งความร้อนที่หลากหลาย นอกเหนือจากแสงอาทิตย์โดยตรง 

STEG ใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านร้อนและด้านเย็น เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าผ่าน “ปรากฏการณ์ซีเบค” (Seebeck effect) โดยมีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์คั่นกลาง แต่เทคโนโลยีนี้มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ต่ำมาก โดยส่วนใหญ่แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าได้น้อยกว่า 1% ซึ่งต่ำกว่าประสิทธิภาพของระบบโซลาร์เซลล์ที่อยู่อาศัยทั่วไปที่อยู่ประมาณ 20% อยู่มาก นี่จึงเป็นข้อจำกัดสำคัญที่ไม่สามารถนำ STEG ไปใช้อย่างแพร่หลาย 

จนกระทั่ง ทีมนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ ได้พัฒนาการออกแบบใหม่ที่ช่วยเพิ่มกำลังผลิตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกพลังงานแสงอาทิตย์ (STEGs) ให้สูงขึ้นถึง 15 เท่า การค้นพบนี้นับเป็นก้าวกระโดดที่อาจปิดช่องว่างด้านประสิทธิภาพกับแผงโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิม และเปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ใหม่สำหรับพลังงานหมุนเวียน

ความสำเร็จอันน่าทึ่งนี้ไม่ได้มาจากการเปลี่ยนแปลงวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อน แต่มาจากการนำวิธีการทางวิศวกรรมสเปกตรัมและการจัดการความร้อนมาใช้ โดยศ.เกา ชุนหลี ศาสตราจารย์ด้านทัศนศาสตร์และฟิสิกส์ และนักวิชาการอาวุโสที่ห้องปฏิบัติการเลเซอร์พลังงานของ ม.โรเชสเตอร์ ได้ชี้ให้เห็นถึงความล้มเหลวของแนวทางเดิมที่มุ่งเน้นการปรับปรุงวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นหลัก

STEG แบบใหม่
เครดิตภาพ: University of Rochester / J. Adam Fenster

“เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ใน STEG แต่กลับทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นได้เพียงเล็กน้อย แต่งานวิจัยของเรามุ่งเน้นไปที่การจัดการด้านร้อนและเย็นของอุปกรณ์แทน ด้วยการรวมการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ดีขึ้นและการดักจับความร้อนที่ด้านร้อน เข้ากับการกระจายความร้อนที่ดีขึ้นที่ด้านเย็น ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างน่าประหลาดใจ” 

วิธีการของทีมวิจัยนี้ขึ้นอยู่กับนวัตกรรมหลัก 3 ประการ อย่างแรกคือ “เสริมพลังให้กับด้านร้อน” โดยใช้เทคนิคโลหะสีดำที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติ พวกเขาใช้พัลส์เลเซอร์เฟมโตความเร็วสูงในการแกะสลักโครงสร้างระดับนาโนลงบนทังสเตน 

กระบวนการนี้ทำให้พื้นผิวทังสเตนเปลี่ยนเป็นสีดำเกือบทั้งหมดและทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับแสงอาทิตย์แบบเลือกสรร  มันสามารถดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นของแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ลดการสูญเสียความร้อนในช่วงความยาวคลื่นอื่น ๆ เช่น อินฟราเรด การจัดการพื้นผิวด้วยเลเซอร์ในลักษณะที่มีการควบคุมนี้ทำให้ทังสเตนที่ผ่านการบำบัดสามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้ภายใต้แสงอาทิตย์เดียวกันเมื่อเทียบกับแผ่นที่ไม่ผ่านการบำบัด

ประการที่สอง ซึ่งยังคงเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการด้านร้อน ทีมงานได้จำลอง “ปรากฏการณ์เรือนกระจกขนาดเล็ก” โดยการคลุมโลหะสีดำด้วยแผ่นพลาสติกใส ชั้นพลาสติกนี้ทำหน้าที่จำกัดการพาความร้อนและการนำความร้อน ทำให้ความร้อนสามารถถูกกักเก็บไว้ได้มากขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิที่ด้านร้อนเพิ่มสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ 

ภาพระยะใกล้ของโครงสร้างนาโนที่แกะสลักด้วยเลเซอร์บนพื้นผิวของเครื่องกําเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกพลังงานแสงอาทิตย์
เครดิตภาพ: University of Rochester / J. Adam Fenster

ศ.เกา อธิบายหลักการนี้โดยเปรียบเทียบกับการสร้างเรือนกระจกในฟาร์ม “คุณสามารถลดการพาความร้อนและการนำความร้อนเพื่อดักจับความร้อนได้มากขึ้น ทำให้เพิ่มอุณหภูมิที่ด้านร้อน การรวมกันของโลหะสีดำที่ดูดซับได้ดีเยี่ยมกับห้องเรือนกระจกขนาดเล็กนี้ เป็นการยกระดับด้านร้อนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยไม่ต้องเพิ่มชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวหรืออุปกรณ์ทางแสงขนาดใหญ่”

นอกจากนี้ ยังมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดให้กับด้านเย็น ทีมงานใช้พัลส์เลเซอร์เฟมโตซ้ำอีกครั้ง แต่คราวนี้ใช้กับอะลูมิเนียมธรรมดา เพื่อสร้างแผงระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง กระบวนการแกะสลักด้วยเลเซอร์นี้สร้างโครงสร้างขนาดเล็กจิ๋วบนพื้นผิว ซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวอย่างมากและช่วยเพิ่มการกระจายความร้อนผ่านทั้งการแผ่รังสีและการพาความร้อน 

แผงระบายความร้อนที่ได้รับการปรับปรุงใหม่นี้ เพิ่มประสิทธิภาพการทำความเย็นเป็นสองเท่า เมื่อเทียบกับตัวกระจายความร้อนอะลูมิเนียมมาตรฐาน การดึงความร้อนออกจากโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกได้เร็วขึ้นนี้ ทำให้ด้านเย็นยังคงรักษาอุณหภูมิที่ต่ำไว้ได้ ในขณะที่ด้านร้อนมีอุณหภูมิสูง

แม้การเปลี่ยนแปลงทางการออกแบบที่เรียบง่ายแต่ชาญฉลาดเหล่านี้ จะไม่ได้เปลี่ยนวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลัก แต่กลับส่งผลให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นถึง 15 เท่า ในการทดสอบ อุปกรณ์ STEG ที่ได้รับการอัปเกรดนี้สามารถจ่ายพลังงานให้กับหลอด LED ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์รุ่นก่อน ๆ 

ศ.เกาคาดว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการขับเคลื่อนเซนเซอร์ไร้สายสำหรับอินเทอร์เน็ตออฟธิงส์ อุปกรณ์สวมใส่ หรือเป็นระบบพลังงานหมุนเวียนแบบนอกโครงข่ายในพื้นที่ชนบท โดยสามารถนำเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานความร้อนขนาดเล็กที่ใช้กรรมวิธีนี้ไปไว้บนท่อร้อน ผนัง หรือตัวเครื่องยนต์ เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์บันทึกข้อมูลหรือโมดูลสื่อสารโดยไม่ต้องใช้สายไฟเพิ่มเติม

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าผลลัพธ์ในห้องปฏิบัติการจะน่าประทับใจ แต่เทคโนโลยีนี้ยังคงเป็นเชิงทดลอง การเปลี่ยนพื้นผิวโลหะให้เป็นโครงสร้างทางแสงที่แม่นยำด้วยเลเซอร์ยังคงเป็นงานที่ละเอียดอ่อน ความท้าทายที่สำคัญในลำดับถัดไปคือการขยายขนาดพื้นผิวเหล่านี้ให้ครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้นหรือชิ้นส่วนอุตสาหกรรมที่มีความโค้ง 

นอกจากนี้ การทดสอบในสภาพแวดล้อมภายนอกอาคารที่หลากหลายยังมีความจำเป็น เพื่อยืนยันว่าทังสเตนสีดำ ฟิล์มพลาสติก และอะลูมิเนียมที่มีโครงสร้าง จะสามารถทนต่อฝน ฝุ่น และวัฏจักรความร้อนในสภาพอากาศจริงได้ในระยะยาว 

หากความท้าทายเหล่านี้ได้รับการแก้ไข เทคโนโลยี STEG อาจก้าวจากการเป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครื่องมือวัดขนาดเล็ก ไปสู่การสนับสนุนการใช้งานพลังงานที่การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมเป็นเรื่องยาก ในอนาคต วิศวกรอาจจับคู่ STEG กับเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไปเพื่อสร้างระบบไฮบริดที่สามารถบีบพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์และความร้อนเหลือทิ้งได้มากขึ้น

นวัตกรรมนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า การจัดการแสงและความร้อนที่พื้นผิวอย่างชาญฉลาด สามารถมอบทางเลือกใหม่ให้กับเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่นอกเหนือไปจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบเดิม

ที่มา: Earth, Interesting Engineering, Scitech Daily

ศ.เกา ทดลอง STEG แบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 15 เท่า
เครดิตภาพ: University of Rochester / J. Adam Fenster