Seebeck & Peltier Effect for Future Enegy

posted on 22 Aug 2009 08:41 by thaina in Cartoon, Science

เอนทรี่นี้ได้แรงบันดาลใจมาจากการ์ตูน Sci-Fi เรื่อง Gunnm ครับ

ในการ์ตูนเรื่องนี้ มีเมืองลอยฟ้ากับเมืองอวกาศคู่กัน ชื่อ เยรู กับ ซาเลม เยรูลอยอยู่ในอวกาศ นอกชั้นบรรยากาศโลก ส่วนซาเลมลอยอยู่เหนือพื้นโลกไม่กี่สิบกิโลเมตร โดยมีสายไฟยักษ์สิบเอ็ดเส้น(จริงๆมีสิบสอง) ยึดเอาไว้ระหว่างตัวเมืองซาเลมกับพื้นโลก (การที่สองเมืองลอยอยู่ได้เกิดจากแรงเหวี่ยงจากจุดศูนย์กลาง ซึ่งขอไม่พูดถึงในที่นี้)


ที่ลอยอยู่นั่นคือเมืองซาเลม และเสาตรงกลางเมืองนั่นเชื่อมออกไปถึงเมืองเยรูที่อยู่นอกชั้นบรรยากาศ================================

 

เมืองเยรู กับเมืองซาเลม มีเสาขนาดยักษ์เชื่อมระหว่างกัน ซึ่งข้างในนั้นเป็นลิฟท์วงโคจร แต่หน้าที่สำคัญอีกอย่างคือ มันใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าจากความต่างของอุณหภูมิ ระหว่างพื้นโลก กับอวกาศ

ในเรื่องไม่ได้บอกว่าใช้ทฤษฎีอะไร แต่ผมเข้าใจว่า น่าจะเป็นทฤษฎี ซีเบ็ค เอฟเฟคต์

หลายๆคนคงจะทราบดีว่า พื้นโลกมีอุณหภูมิ 20 - 40 องศา แต่ยิ่งสูงขึ้นไปอุณหภูมิก็ยิ่งต่ำลง อย่างบนยอดเขายอดดอย อากาศจะเย็นลง

หลักการของทฤษฎี Seebeck Effect นั้นไม่ยาก นั่นคือ "เมื่อวัตถุชิ้นหนึ่ง มีอุณหภูมิสองจุดต่างกัน จะเกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าระหว่างสองจุดนั้นขึ้น" อัตราการเหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยอุณหภูมิของวัตถุแต่ละชนิด (มีชื่อว่า Seebeck Coefficient หรืออีกชื่อคือ Thermoelectric Power) จะมีค่าต่างๆกัน

มีอีกทฤษฎีนึงที่เกี่ยวข้องครับ คือ Thomson Effect มันเป็นค่าบวกลบของ Seebeck Coefficient
คือถ้ากระแสไฟฟ้าไหลจากด้านร้อน ไปด้านที่เย็นกว่า เท่ากับว่ามีค่าเป็นบวก และถ้ากลับกัน ก็คือมีค่าเป็นลบ

ลืมบอกไป ว่า ทั้ง Seebeck Peltier และ Thomson เป็นชื่อของผู้ที่ทดลอง และตั้งทฤษฎีเหล่านี้ขึ้นมาครับ
Seebeck ทดลองว่า พอจุดสองจุดในวงจรมีอุณหภูมิต่างกัน ก็เกิดแรงแม่เหล็กขึ้น เพราะเข็มทิศที่ตั้งอยู่ในวงจรกระดิกได้(ตอนแรกเขายังไม่รู้ว่านั่นคือไฟฟ้า)
Peltier ทดลองกลับกัน คือเอาวงจรของ Seebeck มาจ่ายไฟเข้าไป แล้ววัดอุณหภูมิ
ส่วน Thomson ทดลองโดยการเปลี่ยนวัสดุที่ใช้ และวัดค่า ทำให้รู้ว่ากระแสไฟฟ้า ก็มีทั้งจากร้อนไปเย็น และเย็นไปร้อน ตามแต่วัสดุที่ใช้
และ Thomson คนนี้นี่แหละครับ ชื่อจริงคือ Baron William Thomson ได้รับยศเป็น Lord Kelvin ที่ทำให้มีหน่วยวัดอุณหภูมิชื่อ Kelvin ในทุกวันนี้

การผลิตไฟฟ้าด้วยวิธี Seebeck Effect ก็ง่ายๆ คือ เมื่อนำเอาวัตถุสองชนิด ที่ชิ้นนึงมีค่า Seebeck Coefficient เป็นบวก และอีกชิ้นเป็นลบ ต่างกันมากๆ มาวางข้างๆกัน(แต่ไม่ติดกัน) แล้วติดตัวนำไฟฟ้าให้ขั้วนึงของทั้งสองฝั่ง อยู่ในที่ๆอุณหภูมิสูงพอประมาณ แล้วอีกขั้วอยู่ในที่ๆอุณหภูมิต่ำ อธิบายได้ด้วยแผนภาพนี้

N ก็คือวัตถุที่ค่า Seebeck เป็นบวกสูงๆ ส่วน P ก็คือวัตถุที่ค่า Seebeck ติดลบมากๆ
พอ ให้ความร้อนกับด้านบน ให้ความเย็นกับด้านล่าง N ก็จะปล่อยอิเล็คตรอนให้วิ่งลงมา ส่วน P จะปล่อยอิเล็คตรอนให้วิ่งขึ้น(ในรูปเป็นรูปกระแสบวกวิ่งลง นั่นแหละครับ จริงๆคืออิเล็คตรอนซึ่งเป็นลบ มันวิ่งขึ้น)
ถ้ากลับด้านร้อนเย็น การวิ่งของอิเล็คตรอนก็จะกลับทิศ เมื่อใส่ตัวนำไฟฟ้าให้เป็นวงจร(อย่างในภาพ ตัวนำไฟฟ้าคือก้อนสีเทาที่มีรูปลูกศรครับ) ไฟฟ้าก็จะวิ่งได้

ซึ่งถ้าทำแบบในการ์ตูน Gunnm ก็คือปลายข้างนึงอยู่ในอวกาศเป็นด้านเย็น แล้วแกนเสาก็มีวัตถุ N กับ P (อาจจะทำ P เป็นรูปกระบอก แล้วสอดไส้ N) ปลายอีกด้านก็เป็นความร้อนจากสิ่งต่างๆ เช่นห้องเซิร์ฟเวอร์ หรือความร้อนจากพื้นโลก ก็จะมีไฟฟ้าไหลตลอดเวลาเหมือนปั่นไดนาโมด้วยกระแสน้ำ

วัตถุ N กับ P ที่คู่กันบ่อยๆ ในการทดลอง คือทองแดง กับคอนสแตนเตน ครับ ซึ่งให้ความต่างศักย์ 41 microVolt ต่อ 1 เคลวิน หรือก็คือ เมื่อสองฝั่งมีอุณหภูมิต่างกันประมาณ 122 เซลเซียส จะได้ความต่างศักย์ 0.5 Volt แต่อัตราการผลิตไฟฟ้าก็ขึ้นอยู่กับขนาดของวงจรครับ
(ในการ์ตูนเรื่องนี้ ด้วยเสานั้นต้นเดียว ผลิตไฟฟ้าให้เมืองถึง 3 เมือง และจากที่เห็น อัตราการใช้ไฟฟ้าของทั้งสามเมืองก็สุดๆไปเลย)

================================

ส่วน Peltier Effect เป็นส่วนกลับของ Seebeck Effect ครับ ตามทฤษฎีว่าพลังงานเปลี่ยนแปลงได้ เมื่อความต่างของอุณหภูมิ สร้างการเหนี่ยวนำไฟฟ้าได้ การเหนี่ยวนำไฟฟ้า ก็สร้างความต่างของอุณหภูมิได้เช่นกัน

เมื่อเราสร้างไฟฟ้าจากความต่างอุณหภูมิได้ เราก็ใช้วงจรเดียวกัน ใส่ไฟฟ้าเข้าไป พอไฟฟ้าวิ่ง มันก็จะทำให้ฝั่งนึงร้อนขึ้น ฝั่งนึงเย็นลง ดังแผนภาพนี้

อ่า อย่าไปสับสนกับอันบนนะครับ Heat กับ Cool ของอันบนนั่นคือ พอให้ความร้อนกับความเย็นคนละด้าน จะมีไฟฟ้าไหล แต่อันนี้คือ พอใส่ไฟฟ้าให้ไหลเข้าไป จะเกิดความร้อนกับความเย็นขึ้นมา

================================

น่าเสียดายที่ตอนนี้ ผมยังไม่เห็นการประยุกต์ใช้ Seebeck Effect อย่างจริงๆจังๆ แต่หากจะมีการทำจริงๆก็นับว่าน่าสนใจมาก เพราะเป็นการใช้พลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต้องพึ่งน้ำ หรืออากาศ และยังสามารถใช้ประโยชน์จากโรงงานอุตสาหกรรม และเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่จะเกิดความร้อนส่วนเกิน

ส่วน Peltier Effect มีการประยุกต์ใช้งานจริงแล้วครับ นั่นก็คือ เทคโนโลยีทำความเย็นให้ชิป CPU แบบใหม่ ขนาดมันก็ประมาณ  CPU หน้าตามันก็ประมาณนี้

 

ซึ่งใช้งานโดยการเอาไปเสียบใต้ Heat Sinkแล้วต่อไฟเข้าไป มันก็จะทำให้ฝั่งนึงเย็นลง อีกฝั่งร้อนขึ้น เมื่อฝั่งที่เย็นลงอยู่ติดกับ CPU มันก็จะสูบความร้อนออกจาก CPU ส่วนอีกฝั่งนึงจะร้อนขึ้นมาก ก็ต้องใช้ Heat Sink ระบายอากาศให้เย็นลง แต่มันจะทำให้ CPU เย็นเหมือนเอาไปแช่แข็ง

ข้อเสียข้อนึงของมันคือ ทันทีที่ได้ไฟเข้าไป มันจะเริ่มทำงานทันทีตั้งแต่ CPU ยังไม่ร้อน นั่นคืออุณหภูมิมันจะลดเร็วมาก จนมีไอน้ำมาเกาะได้ และบางทีก็ทำให้ CPU ช็อทเพราะมีน้ำมาเกาะ จริงๆมันต้องมีวงจร Thermo ด้วย

อีกข้อคือ ฝั่งที่ร้อนมันก็จะร้อนมาก เพราะเหมือนเอาอุณหภูมิที่ลดไป ไปบวกเพิ่มกับอุณหภูมิสายไฟและวงจร ทำให้มันสร้างความร้อนมากกว่าความเย็นที่ได้ ตัวมันเองยังต้องพึ่งระบบหล่อเย็นเหมือนเดิม

ที่มันทำก็แค่ทำให้อุณหภูมิ CPU เย็นมาก และเสถียรขึ้น ซึ่งเหมาะกับการ OverClock หรือการใช้งานคอมพิวเตอร์ในพื้นที่ที่อากาศร้อนมาก

จริงๆแล้วตัว Peltier นี่ อาจจะมีการปรับไปใช้ในการทำอะไรอย่างอื่นได้อีกครับ เช่นเตาต้มกาแฟหรือเตาย่าง BarBQ ซึ่งเมืองนอกบางที่ก็เคยเอาไปใช้ทำตู้เย็นแบบ DIY ขนาดเล็กๆ ไว้แช่เบียร์กระป๋อง
จริงๆจับเอามาทำเตาผสมตู้เย็นเลยก็ได้นะ พอย่างเนื้อเสร็จ เบียร์ก็คงเย็นพอดี

================================

การสร้างเสาแบบเมืองซาเลมเพื่อผลิตไฟฟ้า จัดได้ว่าเป็นระดับ Megaproject ยิ่งกว่าลิฟท์วงโคจรมาก แต่ผมเชื่อว่าในอนาคตที่พลังงานฟอสซิลจะไม่เหลือแล้ว การทุ่มเงินลงไปเพื่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานธรรมชาติในสเกลใหญ่ น่าจะเป็นทางเลือกที่ดีกว่า อาจจะไม่ต้องตั้งเสาขึ้นอวกาศแบบนี้ แต่อาศัยทฤษฎีนี้ในการผลิตไฟฟ้า น่าจะประยุกต์ได้

เช่นว่า ลากท่อครึ่งรอบโลก จากแคนาดาลงไปอเมริกาใต้ และใช้ความต่างของอุณหภูมิของฤดูร้อนกับฤดูหนาว

หรือลากท่อขึ้นไปบนหิมาลัย แล้วให้ความร้อนด้วยศูนย์เซิร์ฟเวอร์กลางในอินเดีย

หรือตั้งเสาลงไปในทะเล และใช้อุณหภูมิก้นทะเล(ต่ำกว่า 5 องศา)กับอุณหภูมิแสงแดด(ซึ่งอาจจะใช้กระจกรวมแสง)

================================

วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ ทำให้เราสามารถควบคุมสิ่งอื่นเพื่อสนองความต้องการของเรา ในทรัพยากรที่จำกัด ซึ่งเราสามารถที่จะใช้ศาสตร์ทั้งสองแขนง ดึงเอาประโยชน์จากธรรมชาติอย่างพอดีและประนีประนอมได้

ผมเชื่อว่า ด้วยพลังของวิทยาศาสตร์ เราแก้ปัญหาของเรา ไปพร้อมๆกับธรรมชาติได้
เพียงแต่ที่ผ่านมาเราไม่ได้ทำ

ขอขอบคุณภาพ และข้อมูลความรู้ จาก En.Wikipedia
และไอเดียจากการ์ตูนเรื่อง Gunnm โดย ยูกิโตะ คิชิฮิโร่

Comment

Comment:

Tweet

วิทยาศาสตร์ เรียนไม่รุ้เรื่องเล้ยย
หนักใจsad smile (เกี่ยวมั๊ยนิ?)

#6 By Sugar on 2009-10-03 15:21

พิพม์ตก

มาเพื่อตอบคำถาม เพราะอะไรผมจึงไม่ขอบทุนนิยมแบบไทยๆ

#3 By โลกมืด on 2009-08-25 14:23

มาเพื่อตอบคำถาม เพราะผมไม่ชอบ

อย่างที่บอกไป ว่าเราเดินทางเลยข้อดีของทุนนิยมไปแล้ว เราเลยไปไกล ไกลจนเกือบไปถึงที่อมริกาเป็นแล้ว ผมไม่ชอบการวิ่งที่เร็ว

คุณเข้าใจทุนนิยม ผมเข้าใจทุนนิยม แต่คนจำนวนมากไม่เข้าใจทุนนิยม และทุนนิยมที่ลงไปสู่รากหญ้า สู่พื้นที่คือการทำลายพื้นที่

ทำไมมันเป็นการทำลาย

เพราะทุนนิยมที่ว่านี้ ถูกกำหนดโดยคนที่ต้องการเงินมากกว่าอย่างอื่น คนพวกนี้เป็นคนจำพวกมอนซานโต้ แล้วผมจะไม่ต่อต้านมันได้อย่างไร

แต่ละพื้นที่มีปัญหาเชิงลึกที่ซับซ้อนทีเดียว

แล้วทำไมผมสังคมนิยม

ผมสังคมนิยมโดยโดดเดี่ยวโดยการพาชีวิตไปกับทุนนิยม ผมสังคมนิยมคนเดียว คนอื่นก็สังคมนิยมเพียงคนเดียว แต่กลไกยังเป็นทุนนิยมอยู่

ทุกอย่างมันขึ้นอยู่กับตัวเองว่าจะใช้อะไร ทำอะไร

อย่างหนึ่งที่ต้องเข้าใจ ประเทศไทย คือ ประเทศด้อยพัฒนา โดยเฉพาะพัฒนาการในการรู้จักเดินตามกระแสทุนนิยม

และคนไทยก็ชอบตีความทุนนิยมโดยเอาหลักความโลภเข้ามาเป็นแก่น

นั่นล่ะ เจ็บสุดๆ และคงต้องต้านกันบ้าง sad smile tongue

#2 By โลกมืด on 2009-08-25 14:23

การ์ตูน Original ที่ผมเขียนมี Set-up คล้ายๆอย่างงี้เลย ขอข้อมูลไปเสริมหน่อยละกันนะครับ เมี๊ยว~

(ก็เมือง Space Elevator + Anchor Cities นั่นแหละนะ)

#1 By Adventwings on 2009-08-22 11:06