นวัตกรรมที่รวมพลังงานแสงอาทิตย์ ลม และคลื่นให้เป็นหนึ่งเดียว

          การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (Climate Change) เนื่องจากภาวะโลกร้อน (Global Warming) ส่งกระทบต่อหลายสิ่งหลายอย่างรอบตัวมนุษย์ สำหรับเรื่องพลังงาน เกือบทุกประเทศมีนโยบายการพัฒนาพลังงานไปในทิศทางที่คล้ายกัน คือลดการใช้พลังงานฟอสซิลจากแก๊สธรรมชาติ น้ำมัน และถ่านหิน แล้วเพิ่มสัดส่วนกับประสิทธิภาพของพลังงานหมุนเวียนที่ปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจกในปริมาณต่ำ


          ปลายเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา บริษัท SINN Power ซึ่งเป็นองค์กรสตาร์ทอัปแห่งหนึ่งในประเทศเยอรมันได้ประกาศว่ากำลังจะเปิดตัวนวัตกรรมด้านพลังงานรูปแบบใหม่ที่เมืองเฮอราคลิออน (Iraklio) ของประเทศกรีซภายในปลายปี ค.ศ.2020 นี้ โดยก่อนหน้านี้ บริษัทดังกล่าวได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพของฐานลอยน้ำที่มีลักษณะเป็นโมดูลสำหรับแปลงพลังงานคลื่นเป็นพลังงานไฟฟ้า (Wave Energy Converter Module) ซึ่งมีความยาว 12 เมตรเป็นระยะเวลาประมาณ 5 ปีเพื่อประเมินว่าฐานลอยน้ำแต่ละโมดูลสามารถผลิตไฟฟ้าจากคลื่นที่มีความสูงเท่าใดโดยไม่พลิกคว่ำ จากนั้นจึงทำการพัฒนาต่อยอดโดยการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมขนาดเล็กเข้าไปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงาน โดยฐานลอยน้ำ 1 โมดูลจะประกอบด้วยแผงโซลาร์เซลล์จำนวน 20 กิโลวัตต์ กังหันลมขนาด 6 กิโลวัตต์จำนวน 4 ตัว และอุปกรณ์แปลงพลังงานคลื่นเป็นพลังงานไฟฟ้าที่สามารถรองรับคลื่นที่มีความสูง 6.5 ฟุตจำนวน 4 ตัว ซึ่งฐานลอยน้ำนี้สามารถรับมือกับคลื่นที่มีความสูงถึง 20 ฟุตได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากความสูงของคลื่นที่ยกตัวผ่านจุดหมุน (Fulcrum) มีค่าน้อยกว่าความยาวของฐานลอยน้ำ


          ข้อได้เปรียบของนวัตกรรมนี้คือฐานลอยน้ำแต่ละโมดูลมีคุณสมบัติเหมือน “ตัวต่อ” ที่สามารถถอดประกอบอุปกรณ์แต่ละอย่างเข้าและออกได้ตามความต้องการหรือความเหมาะสมของการใช้งาน เช่น การใช้ฐานลอยน้ำเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นเพียงอย่างเดียว การใช้ฐานลอยน้ำร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์ การใช้ฐานลอยน้ำร่วมกับกังหันลม หรือการใช้ฐานลอยน้ำที่มีทั้งแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมร่วมกัน นอกจากนี้ ฐานลอยน้ำแต่ละอันยังสามารถเชื่อมต่อเข้ากับฐานลอยน้ำแบบเดียวกันอันอื่นๆ เพื่อขยายขนาดตามจำนวนและปริมาณพลังงานที่ต้องการได้อีกด้วย
            อย่างไรก็ตาม นวัตกรรมนี้อาจมีข้อจำกัดที่สำคัญอยู่ 2 ประการ คือ

          1. การติดตั้งฐานลอยน้ำจำเป็นต้องอาศัยพื้นที่แหล่งน้ำขนาดใหญ่ที่มีคลื่นบนผิวน้ำตลอดเวลา เช่น อ่างเก็บน้ำ ทะเลสาบ หรือนอกชายฝั่งทะเลจึงจะมีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงานสูงที่สุด โดยคลื่นที่เกิดจากลมพัดผ่านผิวน้ำจะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดัน (Pressure Effect) และการเฉือน (Shear Effect) ตามความสัมพันธ์ของสมการแบร์นูลลี (Bernoulli’s Equation) โดยความสูงของคลื่นจะแปรผันตรงกับความเร็วลม ระยะเวลาที่ลมพัดอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวกัน และความยาวของระยะทางที่ลมพัดผ่าน (Fetch Length)

            2. ในบางช่วงเวลา กังหันลมอาจบดบังแสงอาทิตย์และทำให้เกิดเงาบนแผงโซลาร์เซลล์ (Shading Effect) จนทำให้กำลังการผลิตไฟฟ้าลดลง กล่าวโดยละเอียดก็คือแผงโซลาร์เซลล์จะทำงานอย่างเต็มประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อมีแสงอาทิตย์ที่มีความเข้ม (Irradiance) เพียงพอตกกระทบบนผิวหน้าของแผงในแนวตั้งฉาก แต่เมื่อมีเงาของวัตถุพาดผ่าน (หรือตัวเซลล์เสียหายอย่างถาวร) แผงโซลาร์เซลล์จะผลิตไฟฟ้าได้น้อยลง เกิดจุดร้อน (Hot Spot) ในบริเวณที่มีเงา และทำให้อายุการใช้งานของแผงสั้นลง แต่ปัญหาเหล่านี้สามารถบรรเทาลงได้โดยการติดตั้งบายพาสไดโอด (Bypass Diode) ภายในกล่องรวมสาย (Junction Box) เพื่อทำให้กระแสไฟฟ้ามีทางลัดในการไหลผ่านไปได้สะดวก ในกรณีที่มีแผงโซลาร์เซล์หลายแผงต่อกันเป็นสตริง (String) และอาเรย์ (Array) สตริงที่มีการผลิตไฟฟ้าน้อยกว่าจะทำตัวเสมือนโหลด (Load) ซึ่งอาจมีการไหลย้อนของกระแสไฟฟ้าจากสตริงที่ผลิตไฟฟ้ามากกว่าเข้าสู่สตริงที่ผลิตไฟฟ้าน้อยกว่า ทำให้ต้องมีการติดตั้งบล็อกกิ้งไดโอด (Blocking Diode) ที่ด้านปลายของแต่ละสตริงเพื่อป้องกันกระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับ           แม้นวัตกรรมนี้จะยังมีข้อจำกัดอยู่บางประการ แต่มันก็แสดงให้เห็นถึงความคิดสร้างสรรค์ในเชิงการออกแบบ ซึ่งเราต้องติดตามต่อไปว่าในอนาคตจะมีการออกแบบนวัตกรรมที่มีหน้าตาแบบใดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของพลังงานหมุนเวียนให้สูงขึ้นอีก

 

อ้างอิง

• ยูอาร์แอลhttps://techxplore.com/news/2020-05-german-firm-game-changing-solar-wind-wave-energy.html?fbclid=IwAR029sBE7PLv3-9KLjE3Uj6ctVCY10WI3zMW0YU2BYXYYTlwY-JO1fmaF7s
• https://www.sinnpower.com/floatingplatform?fbclid=IwAR3M1Uifwu7d91ah4ebXezWdntUPq-t2PwGzvdqXAJBRRcmHuiUCgzXBit0
• https://www.pveducation.org/pvcdrom/modules-and-arrays/bypass-diodes?fbclid=IwAR1PEUeFi7by8HTIV7eXcO7eQQUFUgXOWoXr-OcW-1vATMiz-fl4xhGxB7U
• ยูอาร์แอลhttps://www.solar-facts.com/panels/panel-diodes.php?fbclid=IwAR1Hc5xadRircb9M2vEyZyhQLMJ_AR3goinrhdYyRXUfLcMEozJRQLXxVvY
• http://homepages.cae.wisc.edu/~chinwu/CEE514_Coastal_Engineering/2003_Students_Web/Ahmed/Theories.html