อุปกรณ์กักเก็บพลังงานเชิงกลชนิดใหม่ สามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าได้มากกว่า 1000 โวลต์!

          เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่บางประเภท ยกตัวอย่างเช่น เครื่องกำเนิดแสง X-ray เครื่องผลิตอนุภาค เครื่องสร้างสนามแม่เหล็ก และเครื่องสร้างสนามไฟฟ้า ต้องการแรงดันไฟฟ้ากำลังสูงมาก (มากกว่า 10 กิโลโวลต์) ในการให้เครื่องสามารถทำงานได้ ซึ่งเครื่องมือเหล่านี้จะใช้อุปกรณ์กำเนิดไฟฟ้าแรงดันสูงเป็นตัวป้อนพลังงานให้กับเครื่อง โดยปกติแล้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันสูงนั้น จะมีราคาค่อนข้างสูงและมีขนาดใหญ่ตามขนาดพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ จึงกลายเป็นข้อจำกัดในด้านต้นทุนและการใช้งานในเชิงปฏิบัติ

ภาพโครงสร้างการออกแบบของอุปกรณ์ TENG ที่นักวิจัย ^[1] ได้สร้างขึ้น และการประยุกต์ใช้งานเพื่อเป็นแหล่งพลังงานให้กับระบบผลิตเส้นใยด้วยกระบวนทางไฟฟ้าสถิต

          เมื่อไม่นานมานี้ นักวิจัยจากศูนย์แห่งชาติทางด้านนาโนศาสตร์และเทคโนโลยี ประเทศจีน ได้ออกแบบอุปกรณ์ผลิตพลังงานขนาดเล็กไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric nanogenerator, TENG) รูปแบบอิสระ (Free-standing mode) ^[1,2] ที่สามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยสูงสุดเท่ากับ 1.2 กิโลโวลต์ และ 5 มิลลิแอมป์ ตามลำดับ เพื่อการทดสอบใช้งานในเชิงปฏิบัติ อุปกรณ์ชนิดนี้ได้นำไปต่อกับวงจรเรียงกระแสแบบเพิ่มแรงดัน ทำให้ค่าแรงดันและกระแสไฟฟ้าขาออกเฉลี่ยสูงสุด เพิ่มขึ้นถึงระดับ 4 – 8 กิโลโวลต์ ในค่าตัวเก็บประจุในวงจรที่แตกต่างกัน โดยทีมนักวิจัยได้ทดลองนำอุปกรณ์ชนิดนี้ไปใช้ป้อนพลังงานให้กับระบบผลิตเส้นใยด้วยกระบวนทางไฟฟ้าสถิต (Electrospinning process) ซึ่งเป็นที่นิยมอย่างมากในการผลิตเส้นใยโพลิเมอร์ขนาดนาโนและไมโครเมตร โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าระดับมากกว่า 1 กิโลโวลต์มาสร้างสนามไฟฟ้าให้กับระบบ จากผลการทดสอบนั้น พบว่าอุปกรณ์ TENG ที่ทีมวิจัยได้สร้างขึ้น สามารถทำให้ระบบสามารถทำงานเพื่อผลิตเส้นใยโพลิเมอร์ได้หลากหลายขนาดตามที่ต้องการ งานวิจัยนี้จึงแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ TENG ที่สามารถใช้ทดแทนอุปกรณ์กำเนิดไฟฟ้าแรงดันสูงแบบดั้งเดิมได้
 

หลักการทำงานของอุปกรณ์ TENG รูปแบบอิสระ ที่ทีมนักวิจัย ^[1] ได้สร้างขึ้น 
และผลทางไฟฟ้าที่ผลิตได้จากตัวอุปกรณ์

วงจรเรียงกระแสแบบเพิ่มแรงดัน พร้อมแสดงค่าแรงดันที่ผลิตได้หลังจากนำอุปกรณ์ TENG ผ่านวงจรนี้แล้ว และรูปแบบการประยุกต์ใช้งานร่วมกับระบบผลิตเส้นใยด้วยกระบวนทางไฟฟ้าสถิต

          ทั้งนี้เป็นที่น่าสนใจได้ว่า เพราะเหตุใดอุปกรณ์กักเก็บพลังงานชนิดนี้จึงสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มากมายขนาดนี้ เหตุผลที่ทำให้อุปกรณ์ TENG สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มากนั้น เนื่องจากหลักการทำงานของอุปกรณ์นี้เป็นไปตามปรากฏการณ์ไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectricity) ที่เกิดจากพื้นฐานของปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิต ดังที่เรารู้จักกัน เมื่อวัสดุสองชนิดเกิดการเสียดสีกันจะทำให้บนพื้นผิวของวัสดุเกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้า (ประจุบวกและประจุลบ) เนื่องจากผลของแรงกระตุ้นเชิงกล ทำให้เกิดความต่างศักย์ทางไฟฟ้าระหว่างวัสดุ โดยที่วัสดุแต่ละชนิดมีความสามารถในการถ่ายเทประจุไฟฟ้าแตกต่างกัน เพราะฉะนั้นในการออกแบบโครงสร้างอุปกรณ์ ถ้าต้องการให้มีปริมาณประจุไฟฟ้าในการถ่ายเท (หรือการผลิต) จำนวนมาก ต้องเลือกคู่วัสดุให้ถูกต้อง โดยการเลือกวัสดุที่อยู่บริเวณบนสุด (มีแนวโน้มการให้ประจุลบมากสุด) หรือล่างสุด (มีแนวโน้มการให้ประจุบวกมากสุด) ของตารางไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric series)

 

ตารางความสามารถในการถ่ายเทประจุของวัสดุแต่ละชนิด ตามปรากฏการณ์ไทรโบอิเล็กทริก ^[3]

          ปรากฏการณ์ไทรโบอิเล็กทริกสามารถสร้างเป็นอุปกรณ์ TENG ตามการค้นพบของทีมวิจัยของศาสตราจารย์ Zhong Lin Wang จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจีย ประเทศสหรัฐอเมริกา ^[4] โดยลักษณะการทำงานของโครงสร้าง TENG พื้นฐานนั้น ถ้าวัสดุสองชนิดเกิดการเสียดสีหรือสัมผัสกันอย่างต่อเนื่อง ด้วยแรงเชิงกล และมีการสร้างอิเล็กโทรดบริเวณพื้นผิวของวัสดุที่ไม่ถูกสัมผัส จะสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งปกติแล้วจะอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ 
 

 
หลักการทำงานเบื้องต้นของ TENG ^[4]

          ตามงานวิจัยที่ยกมาข้างต้นนั้น เป็นหลักการทำงานของ TENG รูปแบบหนึ่งที่มีความซับซ้อนขึ้น ซึ่งอาศัยการเสียดสีกันของวัสดุสองชนิดเช่นกัน แต่มีลักษณะการต่อขั้วไฟฟ้าออกจากอิเล็กโทรดที่วัสดุชนิดเดียว โดยที่อิเล็กโทรดจะมีการออกแบบให้มีลักษณะไม่เชื่อมต่อกัน ทำให้ประจุไฟฟ้าสามารถถ่ายเทระหว่างกันได้
 

 
หลักการทำงานของอุปกรณ์ TENG รูปแบบอิสระ ที่ทีมนักวิจัย ^[1] ได้สร้างขึ้น

          ตามโครงสร้างและหลักการทำงานของ TENG ดังที่อธิบายมานั้น อุปกรณ์ชนิดนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้เยอะมากกว่าอุปกรณ์ผลิตพลังงานเชิงกลรูปแบบดั้งเดิม นั่นคือ อุปกรณ์ผลิตพลังงานเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric generator) เนื่องจากผลของปรากฏการณ์ไทรโบอิเล็กทริกเป็นผลการถ่ายเทประจุโดยตรงจากผิวสัมผัส ซึ่งแตกต่างกับปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกที่ต้องอาศัยการรับแรงเชิงกล ทำให้เซลล์หน่วยเกิดความไม่สมมาตรในเชิงโครงสร้างวัสดุ ประจุไฟฟ้าจะถือกำเนิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำภายในวัสดุ ซึ่งประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้นมีจำนวนไม่มากนัก ทำให้อุปกรณ์ผลิตพลังงานเชิงกลเพียโซอิเล็กทริก มักถูกนำไปใช้งานแค่ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กเท่านั้น


          จึงสรุปได้ว่าอุปกรณ์ TENG เป็นอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง มีขนาดเล็ก และใช้ต้นทุนการผลิตต่ำ จึงทำให้เป็นอุปกรณ์ที่น่าสนใจอย่างมากในการออกแบบเพื่อให้มีโครงสร้างที่ซับซ้อนมากกว่านี้ และนำไปประยุกต์ใช้งานเพื่อทดแทน (หรือใช้ร่วม) กับอุปกรณ์ผลิตพลังงานรูปแบบอื่น ๆ และนอกจากนั้นยังสามารถประยุกต์ใช้เพื่อสร้างเป็นระบบอัจฉริยะ (Smart system) ตามบ้านเรือน และโรงงานอุตสาหกรรมได้อีกด้วย


 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] C. Li et al., Self-powered electrospinning system driven by a triboelectric nanogenerator, ACS Nano 11 (2017), 10439 – 10445.
• [2] S. Niu, and Z. L. Wang, Theoretical systems of triboelectric nanogenerators, Nano Energy 14 (2015), 161 – 192.
• [3] Insulating Yourself from the Effects of Static Electricity. http://www.screenweb.com/content/insulating-yourself-effects-static-electricity#.XKHcvCgzYdV (สืบค้นเมื่อ 23 มีนาคม พ.ศ. 2562)
• [4] F. -R. Fan, Z. -Q. Tian, and Z. L. Wang, Flexible triboelectric generator!, Nano Energy 1 (2012), 328 – 334.