พลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนจากการถ่ายเทความร้อน ( Electric converted by heat transfer )

นางสาวปณิสา จำปาศรี (ผู้ปฏิบัติงาน), ดร. อรรณพ เรืองวิเศษ (นักวิทยาศาสตร์พี่เลี้ยง)

โรงเรียนดาราวิทยาลัย

ปวช.

โครงการวิจัยนี้เป็นการศึกษาการทำงานของอุปกรณ์ผันไฟฟ้าจากความร้อนหรือเทอร์โมอิเล็กตริกร่วมกับฮีทไปท์ (heat pipe) เพื่อนำความร้อนเหลือใช้จากแหล่งต่างๆหมุนเวียนกลับมาใช้ใหม่ให้เกิดประโยชน์ในทางไฟฟ้า และทดลองประยุกต์ใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) โดยหลักการทำงานของเทอร์โมอิเล็กตริก คือ เมื่อเกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านร้อนและด้านเย็นของเทอร์โมอิเล็กตริกจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหล จึงทำการทดลองหาวิธีระบายความร้อนแบบต่างๆเพื่อนำมาระบายความร้อนทางด้านเย็นของเทอร์โมอิเล็กตริกให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิ โดยในการทดลองใช้เทอร์โมอิเล็กตริกขนาด 4x4 ซม.หนา 3.3 มม. ใช้แหล่งความร้อนเป็นแผ่นทองแดงอุณหภูมิ 70-90 องศาเซลเซียส ซึ่งจากการทดลองได้ผลว่าวิธีที่สามารถระบายความร้อนได้ดีที่สุดที่ได้ทดลอง คือ การใช้น้ำแข็งแห้ง โดยใส่ในภาชนะทองแดงขนาด 96 ลบ.ซม.ในปริมาณ2ใน 3 ของภาชนะจะทำให้อุณหภูมิด้านเย็นเป็น 8-35 องศาเซลเซียส และได้ค่าความต่างศักย์มากที่สุดเป็น 2.7 โวลต์ขณะที่อุณหภูมิแตกต่างระหว่างด้านร้อนและด้านเย็นเป็น 75 องศาเซลเซียส ซึ่งตรงกับค่าความแตกต่างสูงสุดของอุณหภูมิของตัวโมดูลตามข้อมูลผู้ผลิต หลังจากนั้นได้ทำการทดลองโดยการเปลี่ยนแหล่งความร้อนของเทอร์โมอิเล็กตริกเป็นฮีทไปท์ โดยใช้ฮีทไปท์ต่อเข้ากับแหล่งความร้อนอื่นแล้วถ่ายเทความร้อนมาสู่ตัวเทอร์โมอิเล็กตริก การทดลองใช้ฮีทไปท์ทำจากท่อทองแดงหน้าตัดรูปสี่เหลี่ยมขนาด 4.5x4.5 ซม. 2 แบบคือปลายท่อด้านแหล่งความร้อนสูง 20 ซม.ทำมุม 60 และ 70 องศากับแนวราบ แล้วดัดปลายอีกด้านให้อยู่ในแนวระดับยาว 20 ซม. สำหรับติดตั้งเทอร์โมอิเล็กตริก ความดันภายในท่อ 0.9 บรรยากาศ และทดลองด้วยปริมาณสารใช้งาน 3 กรณีคือ 0, 80 และ 120 ลบ.ซม. ใช้แหล่งความร้อนเป็นน้ำต้มเดือดอุณหภูมิประมาณ 70-90 องศาเซลเซียส ผลปรากฏว่าท่อที่ไม่มีสารใช้งานสามารถนำความร้อนได้ดีที่สุด คือมีความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายด้านแหล่งความร้อนกับปลายด้านตรงกันข้ามต่ำที่สุด จากนั้นได้ทดลองประยุกต์ใช้งานเทอร์โมอิเล็กตริกโดยต่อเทอร์โมอิเล็กตริกกับเซลล์เชื้อเพลิง เป็นการนำพลังงานไฟฟ้าที่ได้ไปใช้ในปฏิกิริยาการแยกน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนในเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อให้สามารถนำก๊าซที่ได้กลับมาทำปฏิกิริยาให้เกิดพลังงานไฟฟ้าใช้ได้ในภายหลัง การทดลองเซลล์เชื้อเพลิงเริ่มจากการทดสอบหาความต่างศักย์ที่น้อยที่สุดที่เซลล์เชื้อเพลิงเริ่มทำงาน ซึ่งจากการทดสอบได้ผลว่าความต่างศักย์ที่น้อยที่สุดที่เซลล์เชื้อเพลิงเริ่มทำงานได้คือ 2.5 โวลต์ สุดท้ายได้ทดลองใช้เทอร์โมอิเล็กตริก ฮีทไปท์ และเซลล์เชื้อเพลิงร่วมกัน การทดลองใช้ฮีทไปท์ถ่ายเทความร้อนจากแหล่งความร้อนซึ่งเป็นน้ำต้มเดือดไปยังเทอร์โมอิเล็กตริก 3 อันที่ต่ออนุกรมกัน และระบายความร้อนที่ด้านเย็นของเทอร์โมอิเล็กตริกด้วยน้ำแข็งแห้ง แล้วต่อเทอร์โมอิเล็กตริกไปยังเซลล์เชื้อเพลิง ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากเทอร์โมอิเล็กตริกเพียงพอต่อการใช้ในปฏิกิริยาการแยกน้ำของเซลล์เชื้อเพลิง จึงมีความเป็นไปได้ที่จะสามารถพัฒนาต่อให้ใช้งานได้ดีขึ้นต่อไป

ความเป็นมาและความสำคัญของโครงงาน เนื่องจากในปัจจุปันมีพลังงานความร้อนในปริมาณมหาศาลที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์และเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ เช่น แอร์ หม้อน้ำรถยนต์ ฯลฯ พลังงานความร้อนเหล่านี้ถูกปลดปล่อยออกสู่บรรยากาศในทุกๆวันในปริมาณที่มาก และเป็นพลังงานที่สูญเสียไปโดยเปล่าประโยชน์ และยังส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมทำให้อุณหภูมิของบรรยากาศสูงขึ้น ฉะนั้นการที่เราสามารถที่จะนำพลังงานความร้อนเหล่านั้นมาใช้ให้เกิดประโยชน์ได้โดยการ “เปลี่ยนรูป” ไปเป็นพลังงานไฟฟ้าซึ่งเป็นพลังงานที่สะดวกต่อการนำไปใช้ได้ในหลายๆด้านก็จะเป็นการนำพลังงานมาใช้โดยไม่เปล่าประโยชน์ อีกทั้งกระบวนการเปลี่ยนแปลงความร้อนจากเครื่องกล และเครื่องใช้ไฟฟ้านี้อาจสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับพลังงานความร้อนจากแหล่งอื่นได้ เช่น พลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ ที่มีปริมาณมากมหาศาล ถ้าเราสามารถนำความร้อนจากดวงอาทิตย์มาใช้ประโยชน์ได้มากที่สุด โดยการแปลงเป็นไฟฟ้าได้ในปริมาณที่มาก ก็จะเป็นพลังงานที่บริสุทธ์ สะอาดไม่ก่อให้เกิดมลพิษ อีกด้วยแต่ในที่นี้การทำเครื่องแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าเพื่อการประยุกต์ใช้จะใช้แหล่งความร้อนจากเครื่องกลและเครื่องใช้ไฟฟ้าเท่านั้น เพื่อให้ประยุกต์ได้จริง และเกิดประโยชน์สูงสุดในชีวิตประจำวัน วัตถุประสงค์ 1. เพื่อศึกษา วิจัยเกี่ยวกับการนำความร้อนจากแหล่งต่างๆมาใช้ให้เกิดประโยชน์ทางไฟฟ้า 2. เพื่อศึกษาเพิ่มพูนความรู้เกี่ยวกับวัสดุผันไฟฟ้าจากความร้อน (เทอร์โมอิเล็กตริก) ระบบการระบายความร้อน การถ่ายเทความร้อนผ่านท่อนำความร้อน (Heat Pipe) และการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) 3. เพื่อศึกษาวิจัยการประยุกต์ใช้พลังงานไฟฟ้าที่ได้มาจากการผันความร้อนว่าจะใช้ประโยชน์ทางด้านใดได้บ้าง อาทิ การประยุกต์ใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ และจะมีประสิทธิภาพมากน้อยเพียงใด ผลที่คาดว่าจะได้รับ 1. ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับการผันไฟฟ้าจากความร้อน การทำงานของวัสดุผันไฟฟ้าจากความร้อนหรือเทอร์โมอิเล็กตริก การทำงานของฮีทไปป์และเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) 2. วิธีการใช้งานเทอร์โมอิเล็กตริกที่เหมาะสมเพื่อให้ได้พลังงานไฟฟ้าสูงสุด 3. แนวทางการออกแบบฮีทไปท์ที่เหมาะสมกับการติดตั้งเทอร์โมอิเล็กตริก 4. อุปกรณ์สร้างพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนจากการถ่ายเทความร้อนที่ใช้ฮีทไปท์ร่วมกับเทอร์โมอิเล็กตริก และเก็บสะสมพลังงานด้วยเซลล์เชื้อเพลิงในรูปของก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจน

สรุปผลการปฏิบัติงาน 1 .เทอร์โมอิเล็กตริกเป็นอุปกรณ์ผันไฟฟ้าจากความร้อนที่จะต้องมีการทำให้เกิดผลต่างของอุณหภูมิทั้งสองฝั่งให้มาก จึงจะให้พลังงานไฟฟ้าได้มาก ซึ่งการทำให้เกิดผลต่างอุณหภูมิทำได้โดยการระบายความร้อนออกทางด้านเย็น ซึ่งพบว่าวิธีระบายความร้อนออกที่ดีที่สุดที่ได้ทดลองคือ การใช้น้ำแข็งแห้ง ซึ่งสามารถทำให้เกิดผลต่างของอุณหภูมิได้ถึง 75 องศาเซลเซียส ซึ่งตรงกับค่าความแตกต่างสูงสุดของอุณหภูมิของตัวโมดูลตามข้อมูลผู้ผลิต และได้ค่าความต่างศักย์สูงสุดถึง 2.7 โวลต์ อย่างไรก็ตามน้ำแข็งแห้งอาจทำให้เกิดผลต่างของอุณหภูมิที่มากกว่า 75 องศาเซลเซียสซึ่งไม่ได้ทำให้ค่าความต่างศักย์เพิ่มขึ้น และยังอาจทำให้ตัวโมดูลเสียหายได้ นอกจากนั้นการต่อเทอร์โมอิเล็กตริกหลายๆอันเข้าด้วยกันในแบบอนุกรมกันทางไฟฟ้าโดยต่อเรียงเป็นแถวในแนวนอนก็จะทำให้ได้กำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 2. ฮีทไปป์ เป็นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนที่มีอัตราการนำความร้อนสูง โดยความร้อนจะถูกถ่ายเทไปทั้งกับตัวท่อทองแดงและสารใช้งานที่อยู่ภายในในรูปของพลังงานความร้อนที่คายออกมาจากการควบแน่น จากการทดลองได้ผลว่า ภายใน 30 นาทีท่อทองแดงที่ไม่มีสารใช้งานสามารถทำให้เกิดผลต่างของอุณหภูมิระหว่างปลาย 2 ด้านน้อยที่สุด คือมีประสิทธิภาพดีที่สุด และท่อที่มีมุมเอียง 70 องศาจะมีประสิทธิภาพดีกว่าท่อที่มีมุมเอียง 60 องศาสาเหตุที่ท่อที่มีสารใช้งานมีประสิทธิภาพด้อยกว่าอาจเนื่องมาจาก มีการใช้งานในช่วงอุณหภูมิที่ต่ำเกินไป ความดันในท่อยังสูงเกินไป และปริมาณสารใช้งานยังไม่มีความเหมาะสม จึงได้ว่าจากการทดลองครั้งนี้ ท่อที่ไม่มีสารใช้งานเหมาะจะเป็นแหล่งความร้อนให้กับเทอร์โมอิเล็กตริกมากที่สุด 3. Fuel cell หรือเซลล์เชื้อเพลิง เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานรูปแบบใหม่ ทำงานโดยใช้ปฏิกิริยาไฟฟ้า-เคมีโดยอาศัยelectrolyzer เป็นตัวแยกน้ำออกเป็น H2 และ O2 จากนั้นจะเกิดการแลกเปลี่ยนโปรตอนผ่าน Proton exchange membrane ซึงยอมให้โปรตอนผ่านแต่ไม่ยอมให้ประจุลบหรืออิเล็กตรอนผ่าน อิเล็กตรอนจึงไหลออกสู่วงจรภายนอก เกิดเป็นกระแสไฟฟ้า ซึ่งหากเพิ่มความต่างศักย์ของ electrolyzer ก็จะทำให้อัตราการแยกน้ำเร็วยิ่งขึ้น ทำให้ได้กระแสไฟฟ้ามากขึ้น เอทร์โมอิเล็กตริกที่มีท่อทองแดงเป็นแหล่งความร้อนและมีการระบายความร้อนออกทางด้านเย็นโดยใช้น้ำแข็งแห้ง สามารถใช้เป็น electrolyzer ได้ ความต่างศักย์ที่ได้จากเทอร์โมอิเล็กตริกสามารถทำให้ Fuel cell ทำงานอย่างสม่ำเสมอ

ปัญหาและอุปสรรค • เทอร์โมอิเล็กตริกที่ใช้ในการทดลองเป็นเทอร์โมอิเล็กตริกแบบ Cooler module ซึ่งมีความสามารถในการทำความเย็นได้ดีกว่าผลิตไฟฟ้าจากความร้อน ดังนั้นประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ได้จึงมีค่าน้อย หากเทียบกับเทอร์โมอิเล็กตริกแบบ Power module ที่มีความสารถในการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนได้ดี ซึ่งหาซื้อได้ยากและมีราคาแพง • ฮีทไปป์ที่ทำขึ้น เมื่อนำมาทดสอบพบว่ามีรอยรั่ว ซึ่งทำให้อากาศเข้าไปในท่อ และทำให้ท่อมีความดันสูง และมีปริมาณสารใช้งานไม่แน่นอน ดังนั้นผลที่ได้จึงไม่สามารถบอกประสิทธิภาพของฮีทไปป์ได้อย่างชัดเจน ข้อเสนอแนะและแนวทางการดำเนินการต่อเนื่อง • เทอร์โมอิเล็กตริกในปัจจุบันมีประสิทธิภาพการผันไฟฟ้าจากความร้อนค่อนข้างน้อย จึงมีความคิดเห็นว่า การดำเนินการครั้งต่อไปจะพัฒนา ออกแบบ สร้าง เทอร์โมอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพเชิงไฟฟ้ามากกว่าเดิม โดยการศึกษา ถึงหลักการทำงาน โครงสร้าง วัสดุที่ใช้ทำเทอร์โมอิเล็กตริก และศึกษาระบบระบายความร้อนอย่างละเอียด เพื่อนำไปสู่การที่จะสามารถนำพลังงานความร้อนเหลือใช้มาใช้ประโยชน์ให้ได้มากที่สุด • ศึกษาแนวทางการผันไฟฟ้าจากความร้อนโดยวิธีอื่นนอกเหนือจากการใช้เทอร์โมอิเล็กตริก เพื่อหาแนวทางอื่นที่สามารถนำเหลือใช้ไปใช้ประโยชน์ในทางไฟฟ้าและวิเคราะห์ความคุ้มค่าของวิธีการนั้นๆ เทียบกับการใช้เทอร์โมอิเล็กตริก • ศึกษาแนวทางการเปลี่ยนรูปพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานรูปอื่นนอกเหนือจากพลังงานไฟฟ้า วิเคราะห์ถึงประโยชน์ และความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของพลังงานที่ได้ เทียบกับการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า

• ศ.ดร.วิวัฒน์ ตัณฑะพาณิชกุล และคณะ, 2532 รายงานการวิจัย การพัฒนา สร้าง ประยุกต์
• ฮีทไปป์ในระดับอุตสาหกรรม Development, Construction and Application of heatpipe
• Devices on an Industrial Scale. กรุงเทพฯ : คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ร่วมกับ บริษัท ยูนิแฟ้บ อิควิปเมนต์ จำกัด
• นายอนันต์ เจริญถาวรสุข และคณะ ,2532 การศึกษาอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบฮีทไปป์
• ( A study of a heat pipe Exchanger ). กรุงเทพฯ : ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะ วิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
• วิทยา อมรกิจบำรุง และคณะ ,2547 โครงการผลิตเซลล์ผันไฟฟ้าจากความร้อน ขอนแก่น : ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
• www.coolermaster.com
• www.fuelcells.org
• http://physics.science.cmu.ac.th/ps/ps7/ps7n1.htm

• http://electronickits.com/kit/complete/solar/fuelcell.htm