ระบบโซลาร์เซลล์แบบใหม่ที่สามารถผลิตน้ำจืดได้

แนวคิดการติดตั้งระบบผลิตน้ำจืดผ่านแผงโซลาร์เซลล์ ^[1]

 

          ดังที่เราทราบกันดีว่าอุปกรณ์ที่สามารถแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar energy) เป็นพลังงานไฟฟ้า (Electric energy) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั่นคือ โซลาร์เซลล์ (Solar cell) ตามหลักการนั้น เมื่อมีแสงตกกระทบบนแผงโซลาร์เซลล์ จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลตามปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิค (Photovoltaic effect) เมื่อมีแสงตกกระทบมาก ค่ากระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ก็จะมากขึ้นด้วย โดยปกติแล้วในการนำโซลาร์เซลล์ไปใช้งานจริงมักจะเชื่อมต่อกันเป็นลักษณะโมดูล (Module) เพื่อให้มีพื้นที่รับแสงมากยิ่งขึ้น จึงทำให้โซลาร์เซลล์ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพสูงเพียงพอในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่สามารถทำงานได้ ยกตัวอย่างเช่น ระบบส่องสว่าง และระบบปรับอากาศ เป็นต้น 


          เราจะพบว่าพลังงานแสงอาทิตย์นอกจากให้แสงสว่างแล้วยังให้ความร้อนได้อีกด้วยโดยแสงในย่านรังสีอินฟราเรด (Infrared ray) จึงทำให้กำเนิดอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานอีกชนิดหนึ่งซึ่งเก็บพลังงานในรูปแบบความร้อน (Thermal energy) นั่นคือ อุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Solar thermal collector) โดยปกติแล้วโครงสร้างหลักของอุปกรณ์ชนิดนี้จะมีส่วนที่ทำหน้าที่ดูดซับและกักเก็บความร้อนได้ดี จึงทำให้อุปกรณ์ชนิดนี้เหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้ผลิตความร้อนเพื่อปรับอุณหภูมิภายในอาคารหรือนำไปสร้างเป็นน้ำร้อนได้


          ในปัจจุบันได้มีการนำแนวคิดของทั้งสองอุปกรณ์ดังกล่าวข้างต้น นั่นคือ โซลาร์เซลล์และอุปกรณ์กักเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์มารวมกันเป็นโครงสร้างเดียว ให้เป็นอุปกรณ์ที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ได้ครอบคลุมมากขึ้น โดยจะมีการทำงานเป็นลักษณะผสม (Hybrid) ที่นอกจากสามารถแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้แล้ว ยังสามารถใช้ประโยชน์จากความร้อนที่สะสมได้อีกด้วย อุปกรณ์ชนิดนี้จึงเป็นต้นแบบที่สำคัญในการดึงประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามพลังงานแสงอาทิตย์ยังสามารถพัฒนาเพื่อประยุกต์ใช้ได้อีกหลายรูปแบบ ดังนั้น การพัฒนาระบบเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ให้เหมาะสมตามการประยุกต์ใช้งานจึงมีความสำคัญอย่างมากในโลกของเรา
 

แผงโซลาร์เซลล์ อุปกรณ์กักเก็บพลังงานความร้อนแสงอาทิตย์ และอุปกรณ์กักเก็บพลังงานผสมโซลาร์เซลล์-ความร้อน ^[2,3]

          สำหรับการประยุกต์หลักของระบบโซลาร์เซลล์ นอกจากนำไปใช้ผลิตไฟฟ้าและความร้อนให้กับอาคารบ้านเรือนแล้ว ยังมีการนำเทคโนโลยีโซลาร์เซลล์ไปใช้งานตามพื้นที่ที่ห่างไกลหรือในประเทศด้อยพัฒนาที่ประสบปัญหาด้านการเข้าถึงของไฟฟ้าอีกด้วย ซึ่งพบว่าได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วเนื่องจากในปัจจุบันโซลาร์เซลล์เข้าถึงได้ง่าย มีราคาถูก ดูแลรักษาไม่ยาก มีเสถียรภาพ และมีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตามในบางพื้นที่ เช่น บริเวณพื้นที่เกาะที่ห่างไกลจากเขตตัวเมืองมาก พื้นที่เหล่านี้ไม่เพียงแต่ประสบปัญหาทางด้านไฟฟ้า ยังประสบปัญหาทางด้านการจัดหาน้ำจืดที่สะอาดอีกด้วย เพราะฉะนั้น ถ้าสามารถปรับปรุงพัฒนาระบบของโซลาร์เซลล์ให้สามารถทำงานได้อย่างหลากหลายมากขึ้นกว่านี้ อย่างเช่น สามารถผลิตน้ำจืดที่สะอาดได้ ก็จะเป็นสิ่งที่เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับพื้นที่ชุมชนที่ประสบปัญหา


          เมื่อต้นเดือนที่ผ่านมา Wang และคณะ ^[4] ได้พัฒนาระบบอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานผสมโซลาร์เซลล์-ความร้อน (Hybrid solar-thermal energy harvesting system) โดยทีมวิจัยได้เสนอระบบที่เป็นไปได้ 2 ระบบ นั่นคือ เดดเอนท์ (Dead-end) และครอสโฟลว (Closs-flow) ในระบบแรกมีการออกแบบโครงสร้างให้น้ำสามารถเข้ามาอยู่ในถังเก็บโลหะ ซึ่งถังนี้เป็นถังแบบปิดทำให้น้ำเกิดการระเหยเนื่องจากความร้อนที่ได้จากดวงอาทิตย์ น้ำระเหยจะซึมผ่านไปเจอกับชั้นเมมเบรนไฮโดรฟอบิคที่มีรูพรุน (Porous hydrophobic membrane) อนุภาคของเกลือจะถูกกักไว้ในชั้นนี้ทำให้น้ำเปรียบเสมือนถูกกรอง และน้ำที่ผ่านออกมาได้จะกลายเป็นน้ำจืด อย่างไรก็ตามในระบบนี้ประสบปัญหาที่เกลือจะมีการจับตัวเป็นก้อนที่บริเวณชั้นกรอง และอาจต้องการการกรองซ้ำเผื่อให้น้ำสะอาดมากยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ระบบที่สองจึงถูกพัฒนาขึ้นโดยมีการต่อท่อเชื่อมต่อเพิ่มเติมให้น้ำที่กรองเกลือได้ในชั้นแรกเข้าสู่ชั้นกรองที่สองและสามโดยอัตโนมัติ ทำให้น้ำที่ได้สะอาดมากกว่าระบบแรก แต่มีข้อเสียตรงที่ปริมาณน้ำที่ผลิตได้จะค่อนข้างน้อย ทั้งสองระบบนี้มีข้อเด่นข้อด้อยแตกต่างกัน ดังนั้นเวลานำไปใช้งานจริงในเชิงปฏิบัติจึงจำเป็นต้องพิจารณาการประยุกต์ให้เหมาะสม  

 

อุปกรณ์กักเก็บพลังงานผสมโซลาร์เซลล์-ความร้อนแบบเดดเอนท์ และครอสโฟรว [4]

          เราจะพบว่าแนวคิดตามงานวิจัยนี้ค่อนข้างน่าสนใจอย่างมาก เนื่องจากสามารถนำไปใช้แก้ปัญหาได้จริง ตามพื้นที่ที่ประสบปัญหา ซึ่งงานนี้ถือว่าเป็นต้นแบบสำหรับนักวิจัยในการนำความรู้ทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์มาใช้ประโยชน์ร่วมกันจนเกิดเป็นนวัตกรรมที่มีประสิทธิภาพ

 

เรียบเรียงโดย


ดร. สายชล ศรีแป้น
คณะวิทยาศาสตร์ พลังงาน และสิ่งแวดล้อม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

อ้างอิง
^[1] Produces Energy and Cleans Water at the Same Time. https://www.sciencenews.org/article/solar-powered-device-produces-energy-cleans-water?tgt=nr (สืบค้นเมื่อ 13 กรกฎาคม พ.ศ. 2562)
^[2] Solar thermal collector. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector (สืบค้นเมื่อ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2562)
^[3] TESZEUS® Photovoltaic-Thermal Hybrid Solar Collector. http://www.tessolarwater.com/index_en.html?zeuspv-t.html&2 (สืบค้นเมื่อ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2562)
^[4] W. Wang et al., Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation, Nature Communications 10 (2019), 3012.