โรงไฟฟ้าที่ลอยอยู่กลางอากาศ

          เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมมีการพัฒนาอย่างไม่หยุดยั้ง ไม่กี่ปีมานี้โลกได้รู้จักกับแผงโซลาร์เซลล์จากวัสดุเพอร์รอฟสไกต์ (Perovskite) ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าวัสดุซิลิกอน และกังหันลมแบบหมุนสวนทิศทาง (Counter Rotating Wind Turbine) ที่ผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าเดิมสองเท่าตัวแต่มีขนาดของกังหันเท่าเดิม อย่างไรก็ตาม พลังงานทั้งสองยังมีข้อจำกัดบางประการ เช่น แผงโซลาร์เซลล์ที่ได้รับแสงอาทิตย์แบบผลุบๆ โผล่ๆ จะไม่สามารถทำงานได้เต็มที่ และแบบจำลองการเคลื่อนที่ของกลุ่มเมฆ (Cloud Forecast Model) ก็ยังไม่สามารถคาดการณ์พฤติกรรมของเมฆบนท้องฟ้าได้ 100 เปอร์เซ็นต์ กังหันลมก็เผชิญปัญหาคล้ายกัน นั่นคือความเร็วของลมที่ไม่แน่ไม่นอน เสาของกังหันที่บดบังทัศนียภาพ เสียงดังรบกวนจากการหมุนของใบพัดที่เป็นมลภาวะทางเสียง (Noise Pollution) รวมถึงผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความดันของอากาศหลังใบพัดที่เป็นผลเสียต่อสัตว์บางชนิด แต่ปัญหาเหล่านี้จะหมดไป ถ้าเรายกแผงโซลาร์เซลล์กับกังหันลมไปไว้บนฟ้า!


          เราจะมาดูโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ลอยฟ้ากันก่อน อย่างที่กล่าวไปแล้วว่าการบดบังของเมฆมีผลให้แผงโซลาร์เซลล์ทำงานได้น้อยลง เมฆเหล่านี้จะมีมากในชั้นโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) แต่เมื่อเข้าสู่ชั้นสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) ที่ระดับความสูงราว 12 กิโลเมตร เมฆจะหายไปจนเกือบหมดเหลือเพียงท้องฟ้าใสๆ ในทางทฤษฎี โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ลอยฟ้าจะต้องลอยอยู่บนฟ้าและส่งพลังงานกลับมายังพื้นโลกได้ด้วยตนเอง ดังนั้นกลุ่มวิจัย NextPV ซึ่งเกิดจากการร่วมมือกันของ French National Center for Scientific Research กับ University of Tokyo จึงออกแบบโรงไฟฟ้าดังกล่าวให้มีรูปลักษณ์เหมือนบอลลูนที่มีแผงโซลาร์เซลล์แบบผิวโค้งติดอยู่ เรียกว่า Solar Power Balloon และยังสามารถผลิตไฟฟ้าได้ทั้งกลางวันและกลางคืนอีกด้วย!


          ในเวลากลางวัน Solar Power Balloon จะเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จะถูกส่งลงมาที่พื้นผิวโลก แต่จะมีพลังงานไฟฟ้าส่วนหนึ่งถูกแบ่งไปยังเซลล์เชื้อเพลิงบนบอลลูนที่มีภาชนะใส่น้ำติดอยู่ เซลล์เชื้อเพลิงนี้จะทำหน้าที่แยกน้ำให้กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจนด้วยปฏิกิริยาอิเล็กโทรลิซิส (Electrolysis) จากนั้นแก๊สไฮโดรเจนจะถูกแยกไปเก็บเอาไว้ในบอลลูน ส่วนแก๊สออกซิเจนจะถูกปล่อยทิ้งไป เมื่อถึงเวลากลางคืน แก๊สไฮโดรเจนจะถูกทำให้เคลื่อนที่ลงจากบอลลูนมายังเซลล์เชื้อเพลิง พร้อมดูดแก๊สออกซิเจนจากภายนอกเข้ามาทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งจะได้ผลผลิตเป็นน้ำและพลังงานไฟฟ้า จากนั้นพลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งลงมายังพื้นผิวโลก อย่างไรก็ตาม Solar Power Balloon ยังเป็นเพียงการออกแบบที่ชาญฉลาดในจินตนาการ แต่ยังไม่มีการสร้างเพื่อใช้งานจริง           คราวนี้ เราจะมาดูโรงไฟฟ้าพลังงานลมลอยฟ้ากันบ้าง กระแสลมที่พัดอยู่เหนือพื้นผิวโลกที่ระดับความสูงหลายร้อยเมตรมีความเร็วสูงกว่ากระแสลมที่พัดใกล้พื้นดิน เนื่องจากบนพื้นดินมีสิ่งก่อสร้าง ต้นไม้ และภูเขา ทำให้มีแรงเสียดทานกระทำต่อลมผิวพื้น ด้วยเหตุนี้นักวิจัยจากหลายประเทศจึงมีแนวคิดที่จะเก็บเกี่ยวพลังงานของลมที่ระดับความสูงหลายร้อยเมตร เรียกว่า Airborne Wind Energy Systems (AWES) โดยระบบนี้จะเป็นการนำปลายด้านหนึ่งของสายเคเบิลน้ำหนักเบามาติดไว้ที่แกนหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ส่วนปลายสายเคเบิลอีกด้านหนึ่งผูกติดกับว่าว จังหวะที่ว่าวถูกลมฉุดให้ลอยขึ้น สายเคเบิลก็จะหมุนทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงาน และเมื่อสายเคเบิลถูกดึงจนตึง ว่าวก็จะถูกดึงกลับลงมาด้วยรอก ในขณะที่ว่าวตัวอื่นจะถูกปล่อยออกไปแทน วนซ้ำแบบนี้ไปเรื่อยๆ

            การผลิตไฟฟ้าด้วยว่าว (Kite Power Generator) เป็นแนวคิดที่มีมานานกว่า 10 ปีแล้ว ระบบดังกล่าวจึงถูกพัฒนามาเรื่อยๆ จนถึงปัจจุบันโดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัยและบริษัทเอกชนหลายแห่ง ยกตัวอย่างเช่นว่าวที่มีการติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมชนิดพิเศษ ทำให้สามารถกาง หุบ และปรับเปลี่ยนทิศทางให้สอดคล้องกับแรงลม มีการนำโดรนหรือเครื่องบินขนาดเล็กมาใช้แทนว่าว รวมถึงการออกแบบว่าวรูปวงกลมที่มีครีบคล้ายใบพัดของกังหันลม ทำให้ว่าวสามารถหมุนไปพร้อมๆ กับแกนหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยไม่จำเป็นต้องดึงว่าวกลับลงมา เป็นต้น
            การผลิตไฟฟ้ารูปแบบนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ เพราะนักนวัตกรรมบางกลุ่มมีความคิดที่จะนำกังหันลมที่ไม่มีต้นเสาไปรับพลังงานจากลมกรด (Jet Stream Wind Turbine) ที่ระดับความสูง 7 ถึง 16 กิโลเมตรซึ่งมีความเร็วลมอยู่ระหว่าง 200 ถึง 400 กิโลเมตรต่อชั่วโมงมานานหลายสิบปีแล้ว โดยผลการศึกษาในระยะแรกบ่งบอกว่าแม้เราเก็บเกี่ยวพลังงานจากกระแสลมกรดมาเพียงเศษเสี้ยว แต่พลังงานนั้นจะมากถึง 1,700 เทระวัตต์ซึ่งเพียงพอที่จะหล่อเลี้ยงโลกทั้งใบ แต่ผลการศึกษาในเวลาต่อมาโดยคณะวิจัยของ Axel Kleidon แห่ง Max Planck Research Group Biospheric Theory and Modelling กลับพบว่าพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้จากกระแสลมกรดมีประมาณ 7.5 เทระวัตต์เท่านั้น (น้อยกว่าผลการศึกษาเดิมราว 200 เท่า) และยังทำให้ความหนาแน่นของกระแสลมกรดที่ด้านหลังกังหันเปลี่ยนแปลงไปซึ่งอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลกครั้งใหญ่ได้


          แม้ Solar Power Balloon และ Jet Stream Wind Turbine จะเป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์ในจินตนาการ แต่อย่างน้อย Kite Power Generator ก็เป็นสิ่งที่ทำได้จริงและถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ไม่แน่ว่าในอนาคตเราอาจจะเห็นว่าวนับร้อยนับพันตัวลอยเต็มท้องฟ้าเพื่อผลิตไฟฟ้าให้เราใช้ก็ได้

 

อ้างอิง

• http://large.stanford.edu/courses/2018/ph240/chang1/?fbclid=IwAR3Hg9tEILrn0ONu76HHDlcyoQBi4ZotVTVL2-f5FPjSLGxAvuHaWOdWxG8
• https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/renewables/alphabets-makani-tests-wind-energy-kites-in-the-north-sea?fbclid=IwAR2Wd1U0kyBl1l5GkITDJfnu53IkR6sPDGRlNynHyyIEInL-bHPqW3_BXr0
• https://www.engineeringforchange.org/news/way-forward-wind-energy/amp/?fbclid=IwAR3B32VxQKCd6G-XRnkQ068YPw-4glbA-HIU8JYlUVX3RPJAxTyU8wGmlXY
• https://m.phys.org/news/2011-12-high-upper-atmosphere-renewable-energy.html?fbclid=IwAR0eCEhWDIxMR-NP_qI6PE7TYcIvKdi5-taNGMYSwHCp6euLb2wrJz46NkA
• https://news.cnrs.fr/opinions/solar-energy-aims-for-the-sky-0