Thermophotovoltaic แปลงความร้อนเป็นกำลังไฟฟ้าบนระบบสายส่ง

Thermophotovoltaic Cells | Grid Scale Energy Storage 30x Cheaper

“…..การแปลงพลังงานเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic : TPV Energy Conversion คือ กระบวนการแปลงพลังงานโดยตรงจากความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้าผ่านโฟตอน Photons ….”

เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ Solar Photovoltaic Technologies มาไกลมากแล้ว แต่ความก้าวหน้าครั้งใหม่ มักจะอยู่ใกล้แค่เอื้อมนี้เอง .. เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกส์ Thermophotovoltaics : TPVs ดักจับความร้อน และแปลงให้เป็นกำลังไฟฟ้าด้วยประสิทธิภาพที่สูงพอสำหรับการใช้งานบนระบบสายส่งได้ ..

การแปลงพลังงานเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic : TPV Energy Conversion คือ กระบวนการแปลงพลังงานโดยตรงจากความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้าผ่านโฟตอน Photons .. ระบบเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic System พื้นฐาน ประกอบด้วยวัตถุเก็บความร้อนที่ปล่อยรังสีความร้อน และเซลล์ดักจับแสง Photovoltaic Cell ที่คล้ายกับเซลล์แสงอาทิตย์ Solar Cells แต่ปรับคลื่นความถี่ให้สามารถรองรับพลังงานจากวัตถุร้อนได้ ..

เนื่องจากโดยทั่วไประบบ Thermophotovoltaics : TPVs ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ Solar Cells ประสิทธิภาพของพวกมันจึงมักจะค่อนข้างต่ำ .. การชดเชยสิ่งนี้ผ่านการใช้เซลล์แบบหลายทางแยกที่ยึดตามวัสดุที่ไม่ใช่ซิลิกอนเป็นเรื่องปกติ แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีราคาแพงมาก .. ซึ่งก่อนหน้านี้ TPVs มักจะถูกจำกัดบทบาทไว้ในงานเฉพาะเท่านั้น เช่น ระบบพลังงานบนยานอวกาศ และการเก็บความร้อนเหลือทิ้งจากระบบพลังงานขนาดใหญ่ เช่น กังหันไอน้ำ Steam Turbines เป็นต้น ..

แต่นั่นคือ เมื่อจนถึงปัจจุบันซึ่งสถานการณ์ได้เปลี่ยนไป เนื่องเพราะกลุ่มนักวิจัยจาก Massachusetts Institute of Technology : MIT ได้ข้อค้นพบวิธีการใหม่ในการผลิตกำลังไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน หรือแหล่งความร้อนใด ๆ แม้แต่ความร้อนที่สูญเสียไปจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมอื่น ๆ .. ส่วนที่ดีที่สุดของ TPVs คือ มิใช่เพียงแค่เทคโนโลยีการผลิตพลังงานเท่านั้น แต่ยังหมายถึงข้อไขในการจัดเก็บพลังงานความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยมไปพร้อมอีกด้วย .. พวกมัน เป็นได้ทั้งระบบผลิตกำลังไฟฟ้า และระบบจัดเก็บพลังงานในรูปแบบแบตเตอรี่พลังความร้อนบนระบบสายส่ง .. ทั้งนี้ เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกส์ Thermophotovoltaics : TPVs อาจกำลังกลายเป็นกุญแจสำคัญในระบบจัดเก็บพลังงานส่วนเกินอย่างปลอดภัย และราคาถูกกว่า รวมทั้งสามารถเปลี่ยนความร้อนกลับไปมาเป็นกำลังไฟฟ้า เมื่อเราต้องการได้ตลอดเวลา ..

การผนวกรวม Photovoltaic Thermal Collectors : PVT Collectors กับโซลาร์เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ Photovoltaic Solar Cells ซึ่งแปลงแสงแดดเป็นกำลังไฟฟ้า รวมทั้งตัวสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์ Solar Thermal Collectors เป็นตัวอย่างของประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในระบบผลิต และจัดเก็บกำลังไฟฟ้า .. พวกมัน ถ่ายเทความร้อนเหลือทิ้งที่ไม่ได้ใช้จากโมดูล Solar PV ไปยังของเหลวถ่ายเทความร้อน Heat Transfer Fluid ด้วยการผนวกรวมการผลิตไฟฟ้า และความร้อนไว้ในส่วนประกอบของระบบเดียวกัน .. เทคโนโลยี Photovoltaic Thermal Hybrid Solar Collector สำหรับการแปลงแสง และพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานไฟฟ้ารูปแบบนี้ สามารถบรรลุประสิทธิภาพการผลิตกำลังไฟฟ้าโดยรวมได้สูงกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ Solar PV หรือความร้อนจากแสงอาทิตย์ Solar Thermal เพียงอย่างเดียว ..

Thermophotovoltaics : TPVs ดักจับพลังงานที่แผ่ออกมาเป็นแสงอินฟราเรดจากวัตถุร้อน Infrared Light from Hot Objects และแปลงรังสีนั้นให้เป็นกำลังไฟฟ้าโดยตรง Converts that Radiation Directly to Electricity โดยใช้ Photovoltaic Cells ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ .. TPVs เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับขนาดให้สอดรับกับโรงไฟฟ้าทุกขนาด โดยไม่มีชิ้นส่วนใดที่ต้องเคลื่อนไหว และปัจจุบัน National Renewable Energy Laboratory: NREL กำลังศึกษาวิจัยเพื่อสร้างวัสดุ และค้นหาวิธีการมาตรฐาน ที่จะช่วยให้ Thermophotovoltaics : TPVs เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่หลากหลายในวงกว้างมากขึ้น ซึ่งรวมถึง การนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่จากความร้อนเหลือทิ้งในอุตสาหกรรม Waste Industrial Heat เช่น โรงถลุงเหล็ก, ระบบจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งกำลังไฟฟ้า ร่วมกับแหล่งไฟฟ้าทั่วไปที่จ่ายพลังงานให้กับ TPV Cells, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา Portable Electronics ที่มีการใช้กำลังไฟฟ้าจากแหล่งเชื้อเพลิงทั่วไปมาแต่เดิม และการผลิตกำลังไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ เป็นต้น ..

ทั้งนี้ National Renewable Energy Laboratory : NREL เชื่อมั่นว่า Thermophotovoltaics : TPVs จะเติบโตกลายเป็นโซลูชัน หรือข้อไขสำคัญสำหรับอุปกรณ์ และระบบต่างๆ บนโครงข่ายระบบสายส่ง Devices & Systems across the Electrical Grid เพื่อให้บรรลุศักยภาพสูงสุดของเทคโนโลยีนี้ และสามารถเข้าสู่ตลาดได้อย่างมั่นใจ รวมทั้งบรรลุมาตรฐานใหม่สำหรับประสิทธิภาพ และประสิทธิผลที่สูงขึ้นอีกสำหรับการผลิตกำลังไฟฟ้าด้วย Photovoltaic Cells จากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานทดแทน Renewable Energy ในอนาคตจากนี้ไป ..

เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic : TPV Cells มีประสิทธิภาพสูงสุดมากกว่า 40 % ..

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ Massachusetts Institute of Technology : MIT และห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติของสหรัฐฯ National Renewable Energy Laboratory : NREL ได้สร้างเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกเซลล์ Thermophotovoltaic: TPV Cells ชุดแรกที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า 40% ซึ่งสูงกว่าเครื่องยนต์ความร้อนแบบโซลิดสเตต Solid-State Heat Engine ที่มีใช้งานอยู่ปัจจุบัน และสูงกว่าประสิทธิภาพโดยเฉลี่ยของการผลิตไฟฟ้าจากกังหันใบพัด Turbine-Based Power Generation .. เซลล์ซึ่งเป็น TPV Cells อุปกรณ์แบบสองทางแยกที่ทำจาก III-V Semiconducting Materials ที่มีแถบความถี่อิเล็กทรอนิกส์ระหว่าง 1.0-1.4 eV ใช้ตัวสะท้อนพื้นผิวด้านหลัง เพื่อเปลี่ยนทิศทางการแผ่รังสีแถบความถี่ย่อยที่ใช้ไม่ได้ให้กลับไปยังแหล่งกำเนิด และได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิ 1,900-2,400°C .. ทั้งนี้ กลุ่มนักวิจัย ได้ข้อค้นพบว่า TPV Cells สามารถผนวกรวมเข้ากับระบบพลังงานหมุนเวียน สำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนต้นทุนต่ำได้เป็นอย่างดี ..

อุปกรณ์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก TPV Devices ใช้เซลล์ดักจับแสง Photovoltaic Cells เพื่อแปลงแสงอินฟราเรดที่โดดเด่นซึ่งปล่อยออกมาจากวัตถุเก็บความร้อนที่อุณหภูมิ 600°C ขึ้นไป ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า .. พวกมัน สามารถทำงานร่วมกับแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า Higher-Temperature Heat Sources ที่ใช้กันได้ด้วยกังหันใบพัด และช่วงอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดที่เป็นไปได้นั้น กว้างกว่ามาก รวมถึงการเผาไหม้ Combustion, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ Nuclear Reactions, ความร้อนเหลือทิ้งในภาคอุตสาหกรรม Waste Heat, ความร้อนที่เก็บไว้ในระบบจัดเก็บพลังงานความร้อน Heat Stored in a Thermal Energy Storage System และการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ผ่านตัวดูดซับรังสีระดับปานกลาง Solar Radiation via an Intermediate Radiation Absorber .. โดยหลักการแล้ว แหล่งที่มาของพลังงานทั้งหมดเหล่านี้ มีความน่าเชื่อถือมากกว่าพลังงานลม หรือพลังงานแสงอาทิตย์ Wind & Solar Energy ที่เกิดจากแสงแดดโดยตรง ซึ่งทั้งสองกรณีนี้ส่งจ่ายพลังงานได้ไม่ต่อเนื่องกัน ..

ก่อนหน้านี้ TPV Cell ตัวแรกทำขึ้นมาจากแผ่นสะท้อนแสงด้านหลังแบบบูรณาการ และแหล่งความร้อนจากทังสเตน Tungsten ซึ่งปล่อยคายความร้อนที่ 2,000°C .. อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพเพียง 29% และแม้จะมีความก้าวหน้าในภายหลัง TPV ก็ยังพยายามดิ้นรนเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพผ่าน 32% และทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1,300°C .. อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีของ TPV Cells คาดการณ์ไว้ว่า ประสิทธิภาพของพวกมันสามารถเกิน 50% ได้ ดังนั้น นักวิจัยจึงปรับปรุงประสิทธิภาพพวกมันอย่างมุ่งมั่น ..

จนเมื่อ TPV Cells ใหม่ล่าสุด ซึ่งพัฒนาโดยทีมที่นำโดย Asegun Henry และ Alina LaPotin จากภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลของ Massachusetts Institute of Technology : MIT ให้ประสิทธิภาพได้สูงสุด อยู่ที่ 41.1% และทำงานที่ความหนาแน่นพลังงาน 2.39 W/cm² โดยใช้แหล่งความร้อนที่ปล่อยออกมาที่ 2,400^oC .. อุปกรณ์เหล่านี้ ประดิษฐ์ขึ้นโดยนักวิจัยจาก National Renewable Energy Lab : NREL โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า Organometallic Vapor Phase Epitaxy ..

การออกแบบเซลล์แรกจากสองเซลล์ของทีมวิจัยใช้ทางแยกด้านบน และด้านล่างที่ทำจากผลึก Aluminium Indium Gallium Arsenide or AlGaInAs : Al_x In_1-x Ga_x As และ Indium Gallium Arsenide or GaInAs : In_1-x Ga_x As ซึ่งปลูกบนสารตั้งต้นของแกลเลียมอาร์เซไนด์ Gallium arsenide : GaAs ในการออกแบบนี้ AlGaInAs มี Bandgap ที่ 1.2 eV และ GaInAs มี Bandgap อยู่ที่ 1.0 eV .. ทั้งนี้ โครงข่ายของ AlGaInAs ไม่ตรงกันในแง่ของค่าคงที่ของผลึก Crystallographic Lattice Constant of the Substrate .. การออกแบบในครั้งที่ 2 รวมเซลล์บนสุด 1.4 eV GaAs ที่จับคู่ตาข่ายเข้ากับเซลล์ด้านล่าง 1.2 eV GaInAs ที่ไม่ตรงกัน ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นได้จนเป็นที่น่าพอใจ ซึ่งหมายถึง ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ..

ประสิทธิภาพสูงของเซลล์ที่มาจากหลายปัจจัยร่วมกัน ชี้ให้เห็นว่า ประการแรก คือ การใช้เซลล์ TPV Cells แบบ Multi-Junction ช่วยให้เราสามารถแปลงแถบพลังงานต่างๆ ของสเปกตรัมของแสง และความร้อนได้ง่าย และมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยการลดการสูญเปล่าจากความร้อนส่วนเกินเหลือทิ้ง และประการที่สอง คือ การใช้วัสดุที่มี Bandgap ที่สูงกว่าวัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ TPV Cells พร้อมกับอุณหภูมิของแหล่งความร้อนที่สูงขึ้น ..

นาง LaPontin นักวิจัยจาก MIT และเป็นหนึ่งในทีมงานของ National Renewable Energy Lab: NREL อธิบายเพิ่มเติมว่า “โดยปกติ TPV ตั้งเป้า Bandgaps ที่ประมาณ 0.7 eV โดยมีอุณหภูมิแหล่งกำเนิดต่ำกว่า 1,300°C” LaPontin ชี้ให้เห็นข้อค้นพบว่า “การย้ายไปใช้แถบความถี่ที่สูงกว่า 1.0-1.4 eV ถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญยิ่ง ซึ่งเมื่อย้ายไปยังแถบความถี่ที่สูงกว่า ก็จะทำให้ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งนำไปสู่ประสิทธิภาพโดยรวมที่สูงขึ้นเป็นอย่างมากนั่นเอง” ..

ปัจจัยอื่น ๆ ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพสูงของอุปกรณ์ ได้แก่ การใช้ตัวสะท้อนแสงพื้นผิวด้านหลังที่มีการสะท้อนแสงสูงเพื่อส่งรังสี Sub-Bandgap กลับไปยังแหล่งความร้อนตลอดจนเทคนิคการประดิษฐ์คุณภาพสูงที่พัฒนาขึ้นโดย National Renewable Energy Lab : NREL ซึ่งหมายถึง เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic : TPV Cells มีประสิทธิภาพที่สูงสุดมากกว่า 40% ..

การผสมผสานระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ และระบบพลังงานความร้อนสำหรับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น ..

เซลล์แสงอาทิตย์ Solar PV และระบบความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ Solar Thermal Systems ใช้แหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ Solar Energy เพื่อผลิตกำลังไฟฟ้า และความร้อนตามลำดับ แต่ใช้รังสีดวงอาทิตย์น้อยกว่า 25% เพื่อเพิ่มเอาต์พุตทางไฟฟ้า Electrical Output .. เซลล์ Photovoltaic แบบสามจุด Triple-Junction : 3J PV Cells แปลงรังสีดวงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานผ่านทางแยกเซมิคอนดักเตอร์แบบเรียงซ้อนสามจุดแยกกันที่ดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นต่างกัน .. เซลล์ไฟฟ้าเหล่านี้ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสะสม และประสิทธิภาพที่มากกว่าที่เป็นไปได้จากเซลล์แบบจุดต่อทางเดียว อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ 3J มีราคาแพง และมีปริมาณวัสดุไม่เพียงพอสำหรับใช้บนแผ่นจอรับแสง แม้แต่ในระบบ Concentrated PV ซึ่งใช้เซลล์จำนวนน้อยกว่า ..

เซลล์ 3J PV Cells จะเพิ่มต้นทุนโดยรวม ทั้งนี้ การผสมผสานเทคนิค Solar PV และความร้อนจากแสงอาทิตย์ในระบบ High-Concentration PV Thermal : HCPVT เพื่อให้ได้ Output กำลังไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้จำนวนเซลล์เพิ่มเติมนั้น ยอดเยี่ยมมาก .. แนวทางดำเนินการลักษณะนี้ ยังใช้ความร้อนเหลือทิ้ง สำหรับระบายความร้อน และการแยกเกลือออกจากน้ำ ส่งผลทำให้ระบบผสมผสานระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ และระบบพลังงานความร้อนรูปแบบนี้ มีประสิทธิภาพสูงขึ้นมาก ..

Hot-Water-Cooled Multichip Receiver: MCR ซึ่งติดตั้งอยู่ในจุดโฟกัสของหัวพาราโบลา Parabolic Concentrator สร้างทั้งความร้อน และกำลังไฟฟ้าไปพร้อมด้วย .. PV Thermal Concentrators จะผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า 25% ความร้อนที่เหลือประมาณ 50% สามารถใช้สำหรับการทำความร้อน การแยกเกลือออกจากน้ำทะเล หรือการระบายความร้อนด้วยการดูดซับ .. ดังนั้นประสิทธิภาพโดยรวมจึงมากกว่า 75% .. การใช้รังสีแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น 2,000 เท่าช่วยลดจำนวนเซลล์ 3J PV Cells ที่จำเป็นลงได้มาก ..

ความเข้มข้นสูงจะสร้างความหนาแน่นของพลังงานที่มากกว่า 150 W/cm² ซึ่งคล้ายกับโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูง High-Performance Processor และจำเป็นต้องใช้โซลูชันการระบายความร้อนด้วยน้ำแบบ Active Water-Based Cooling solutions ซึ่งจะช่วยให้เครื่องรับขนาดใหญ่ขึ้น และความเข้มข้นของแสงอาทิตย์ที่สูงขึ้น ซึ่งหมายความว่า ต้นทุนการผลิตพลังงานที่ลดลง และประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้อย่างมาก ..

ทั้งนี้ Solar Thermophotovoltaics : STPV เป็นเทคโนโลยีการผลิตกำลังไฟฟ้าที่ใช้การแผ่รังสีความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าใน Photovoltaic Cells .. ระบบ STPV ประกอบด้วยตัวปล่อยความร้อนที่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิสูง ใกล้ หรือเกินกว่า 1,000^oC และเซลล์ไดโอดโซลาร์เซลล์ Photovoltaic Diode Cells ที่สามารถดูดซับโฟตอน Photon ที่มาจากแหล่งความร้อน .. เทคโนโลยีเหล่านี้ ได้รับความสนใจอย่างมากในหมู่นักวิทยาศาสตร์ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เนื่องจากสามารถดักจับแสงอาทิตย์ได้ทั่วทั้งสเปกตรัมของรังสีจากดวงอาทิตย์ และมีศักยภาพทางเทคนิคที่จะเอาชนะขีดจำกัดของ Shockley-Queisser ของเซลล์แสงอาทิตย์รูปแบบเดิมTraditional Photovoltaics ได้ .. อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพที่รายงานจนถึงตอนนี้ ยังคงต่ำเกินไปที่จะพัฒนาในเชิงพาณิชย์ได้ เนื่องจากอุปกรณ์ STPV ยังคงประสบปัญหาการสูญเสียทางแสง และความร้อนอยู่ในหลายจุด ..

ด้วยเหตุนี้ กลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกน University of Michigan และห้องปฏิบัติการวิจัยของกองทัพบกสหรัฐฯ U.S. Army Research Laboratory จึงได้เสนอแนวทางใหม่สำหรับ STPV ซึ่งประกอบด้วยการลดการแยกตัวระหว่าง Emitters และเซลล์ดักจับแสง Photovoltaic Cells ให้เป็นระดับนาโน Nanoscale .. นักวิจัยเรียกแนวทางของพวกเขาว่า ‘Near-Field Thermophotovoltaics’ และอ้างว่า สามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานสูง และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงกว่า ..

นักวิทยาศาสตร์ ได้สร้างอุปกรณ์ STPV ด้วยตัวปล่อย Emitters ที่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิสูงถึง 1,270^oK และเซลล์สุริยะแบบฟิล์มบาง Thin-Film Photovoltaic Cells ที่มีพื้นฐานจากอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ Indium Gallium Arsenide or InGaAs : In_1-x Ga_x As ซึ่งกล่าวกันว่าสามารถดูดซับช่องว่างเหนือแถบความถี่ Above-Band-Gap : ABG ได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวมทั้งความสามารถในการนำความร้อนส่วนเหลือกลับมาผลิตเป็นกำลังไฟฟ้าได้ไปพร้อมด้วย คือ ประเด็นสำคัญที่ทำให้ Solar Thermophotovoltaics : STPV เหนือชั้นกว่า Solar PV Cells ทั่วไปอย่างมาก และพวกมัน กำลังจะกลายเป็นอนาคตระบบที่น่าสนใจอย่างยิ่ง ซึ่ง Stephen Forrest ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า และคอมพิวเตอร์ที่ มหาวิทยาลัยมิชิแกน University of Michigan ได้อธิบายไว้อย่างชัดเจน ..

เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic Cells ใหม่ เปลี่ยนความร้อนเป็นกำลังไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันไอน้ำ Steam Turbine ..

กว่า 90% ของพลังงานไฟฟ้าทั่วโลกมาจากโรงไฟฟ้าที่สร้างความร้อนโดยใช้ถ่านหิน Coal, ก๊าซธรรมชาติ Natural Gas, พลังงานนิวเคลียร์ Nuclear และพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น Concentrated Solar Power : CSP .. กังหันไอน้ำ Steam Turbines เป็นมาตรฐานสำหรับการแปลงความร้อนนั้นให้เป็นกำลังไฟฟ้ามาโดยตลอด โดยเฉลี่ยแล้วมีประสิทธิภาพเพียง 35% ด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้มากมาย ซึ่งไม่สามารถรับมือกับอุณหภูมิที่สูงกว่า 2,000^oC ได้ ..

Jennifer Chu จาก Massachusetts Institute of Technology : MIT อธิบายงานวิจัยใหม่โดยความร่วมมือกับ National Renewable Energy Lab: NREL ซึ่งนำไปสู่ระบบเครื่องยนต์พลังงานความร้อนแบบโซลิดสเตตต้นแบบ Prototype Solid-State Heat Engines ที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 2,400^oC .. การเปลี่ยนจากกังหันไอน้ำ Steam Turbines ไปใช้เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic Cells ซึ่งคล้ายกับเซลล์แสงอาทิตย์ Solar PV Cells แทนนั้น สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า 40% โดยไม่มีชิ้นส่วนใดที่เคลื่อนไหว ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาลดลง รวมทั้งสามารถขจัดคาร์บอนออกจากระบบผลิตกำลังไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ ..

ความร้อนจากเชื้อเพลิงฟอสซิล Fossil Fuels จะถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่พลังงานความร้อน Thermal Batteries ซึ่งชาร์จด้วยพลังงานส่วนเกินจากแหล่งหลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ Solar Energy .. ทั้งนี้ แบตเตอรี่พลังงานความร้อน Thermal Batteries เหล่านี้จะปล่อยคายความร้อนเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้าผ่านเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic Cells ได้ทุกเมื่อที่โครงข่ายระบบสายส่งกริดไฟฟ้าต้องการ ..

เครื่องยนต์พลังงานความร้อน Heat Engine ที่กล่าวถึงเหล่านี้ คือ เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic : TPV Cells ซึ่งคล้ายกับ Photovoltaic Cells บนแผงโซลาร์เซลล์ Solar PV Cell Panels ซึ่งจะดักจับโฟตอน Photon พลังงานสูงจากแหล่งความร้อนที่ร้อนจัด และแปลงความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้า .. การออกแบบของทีมวิจัย สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าจากแหล่งความร้อนระหว่าง 1,900-2,400^oC หรือสูงถึง 4,300^oF ..

นักวิจัยวางแผนที่จะผนวกรวม TPV Cells เข้ากับแบตเตอรี่ความร้อนขนาดใหญ่ Grid-Scale Thermal Battery บนโครงข่ายระบบสายส่ง .. ระบบจะดูดซับพลังงานส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ดวงอาทิตย์ และเก็บพลังงานนั้นไว้ในกราไฟต์ร้อน Banks of Hot Graphite ที่หุ้มฉนวนไว้อย่างแน่นหนา เมื่อจำเป็นต้องใช้พลังงาน เช่น ในวันที่มีเมฆมาก หรือเวลากลางคืน TPV Cells จะแปลงความร้อนให้เป็นไฟฟ้า และส่งพลังงานไปยังโครงข่ายระบบสายส่งกำลังไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี ..

ด้วยเซลล์ TPV Cells รูปแบบใหม่ ทีมงานได้สาธิตส่วนหลักของระบบเรียบร้อยแล้วในการทดลองขนาดเล็ก Small-Scale Experiments ที่แยกจากกัน พวกเขากำลังทำงานด้วยการรวมชิ้นส่วนต่าง ๆ เพื่อสาธิตระบบการทำงานที่สมบูรณ์ จากที่นั่น พวกเขาคาดหวังว่า การขยายขนาดของระบบให้ใหญ่ขึ้นเพื่อแทนที่โรงไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิล Fossil-Fuel-Driven Power Plants นั้น เป็นไปได้ ซึ่งจะส่งผลให้เราสามารถเปิดใช้งานโครงข่ายระบบสายส่งกำลังไฟฟ้าไร้คาร์บอนอย่างสมบูรณ์ Fully Decarbonised Power Grid ด้วยแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy Sources ทั้งหมดให้สำเร็จได้ในที่สุด ..

คาดการณ์ตลาดเทอร์โมโฟโตโวลตาอิกส์ทั่วโลก The Global Thermophotovoltaic Cells Market ..

ขนาดธุรกิจเฉพาะในตลาดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ Global Photovoltaic Market ทั่วโลก มีมูลค่า 87.2 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2562 และคาดหมายว่าจะมีมูลค่า 251.4 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายในปี 2573 เติบโตที่ CAGR 10.1% ในช่วงเวลาที่คาดการณ์ ปี 2563-2573 ..

อย่างไรก็ตาม สำหรับตลาดเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกทั่วโลก Thermophotovoltaic Cells Global Market คาดว่าจะเติบโตจาก 7.5 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2561 เป็น 37.4 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายในปี 2573 .. ทั้งนี้ อัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี Compound Annual Growth Rate: CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาดตลาดเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกทั่วโลก Global Thermophotovoltaic Cells Market ที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR 49.9% ในช่วงเวลาที่คาดการณ์ ปี 2561-2573 .. การเติบโตของตลาดเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกทั่วโลก Global Thermophotovoltaic Cells Market นั้น เป็นผลมาจากความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพ และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมที่กำลังกลายเป็นแนวโน้มที่น่าสนใจยิ่งจากนี้ไป ..

ทั้งนี้ ในประเด็นขนาดกำลังผลิตพลังงานไฟฟ้าในตลาดความร้อนจากแสงอาทิตย์ทั่วโลก Global Solar Thermal Market อยู่ที่ 496.15 GW ในปี 2561 และคาดว่าจะสูงถึง 767.73 GW ภายในปี 2569 ด้วยอัตราเติบโตที่ค่า CAGR 5.6% ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ 2561-2569 ..

ระบบโฟโตโวลตาอิก ที่ผนวกรวมตัวสะสมความร้อนด้วยระบบ Photovoltaic Thermal Collectors : PVT Collectors นั้น .. ตลาดสำหรับตัวสะสม และระบบ PVT ทั่วโลก เติบโตอย่างมีนัยสำคัญที่ 13% ในปี 2564 .. ตัวอย่างการเติบโตในตลาดของระบบ Photovoltaic Thermal : PVT ใหม่อย่างน้อย 6,036 ระบบได้รับติดตั้งเพิ่มเติมเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงในปี 2564 และพบว่า จำนวนระบบ PVT รวมทั้งหมดที่เปิดใช้งานแล้วจนถึงช่วงท้ายปี 2564 มีมากกว่า 34,000 แห่งทั่วโลก คิดเป็นพื้นที่สะสมรวม 1.4 ล้าน m² ด้วยกำลังผลิตไฟฟ้ารวมมากกว่า 751 MWth, 254 MWpeak เป็นต้น ..

สรุปส่งท้าย ..

การแปลงพลังงานเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic : TPV Energy Conversion คือ กระบวนการแปลงพลังงานโดยตรงจากความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้าผ่านโฟตอน Photons .. ระบบเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic System พื้นฐาน ประกอบด้วยวัตถุเก็บความร้อนที่ปล่อยรังสีความร้อน และเซลล์ดักจับแสง Photovoltaic Cell ที่คล้ายกับเซลล์แสงอาทิตย์ Solar Cells แต่ปรับคลื่นความถี่ให้สามารถรองรับพลังงานจากวัตถุร้อนได้ ..

ส่วนที่ดีที่สุดของ Thermophotovoltaics : TPVs คือ มิใช่เพียงแค่เทคโนโลยีการผลิตพลังงานเท่านั้น แต่ยังหมายถึงข้อไขในการจัดเก็บพลังงานความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยมไปพร้อมอีกด้วย .. พวกมัน เป็นได้ทั้งระบบผลิตกำลังไฟฟ้า และระบบจัดเก็บพลังงานในรูปแบบแบตเตอรี่พลังความร้อน ..

การผนวกรวม Photovoltaic Thermal Collectors : PVT Collectors กับโซลาร์เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ Photovoltaic Solar Cells ซึ่งแปลงแสงแดดเป็นกำลังไฟฟ้า รวมทั้งตัวสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์ Solar Thermal Collectors เป็นตัวอย่างของประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในระบบผลิต และจัดเก็บกำลังไฟฟ้า .. พวกมัน ถ่ายเทความร้อนเหลือทิ้งที่ไม่ได้ใช้จากโมดูล Solar PV ไปยังของเหลวถ่ายเทความร้อน Heat Transfer Fluid ด้วยการผนวกรวมการผลิตไฟฟ้า และความร้อนไว้ในส่วนประกอบของระบบเดียวกัน .. เทคโนโลยี Photovoltaic Thermal Hybrid Solar Collector สำหรับการแปลงแสง และพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานไฟฟ้ารูปแบบนี้ สามารถบรรลุประสิทธิภาพการผลิตกำลังไฟฟ้าโดยรวมได้สูงกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ Solar PV หรือความร้อนจากแสงอาทิตย์ Solar Thermal เพียงอย่างเดียว ..

ทั้งนี้ ระบบเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic System พื้นฐานนั้น ไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaics : TPVs ที่สามารถใช้สำหรับระบบการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Grid Storage: TEGS .. เทคโนโลยีเหล่านี้ เหมาะสมอย่างยิ่ง หากเราต้องการแบตเตอรี่แบบย้อนกลับที่ดูดซับกำลังไฟฟ้า และเปลี่ยนให้เป็นความร้อนอุณหภูมิสูง และจัดเก็บไว้เช่นนั้นแล้วแปลงกลับมาเป็นกำลังไฟฟ้าเมื่อมีความจำเป็นในการใช้งาน ..

เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaics : TPVs อาจหมายถึง กระดูกสันหลังของระบบจัดเก็บความร้อน Thermal Energy Grid Storage : TEGS ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งที่มีต้นทุนต่ำ .. อย่างไรก็ตาม ราคาถูกแค่ไหนนั้น นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า พวกมัน อาจมีราคาเพียง 10 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ KWh เมื่อใช้สื่อจัดเก็บความร้อนเป็นกราไฟท์ Graphite Storage Medium สำหรับการจัดเก็บพลังงานในระยะยาว Long-Duration Energy Storage ทำให้พวกมันกลายเป็นคู่แข่งสำคัญสำหรับการเข้ามาแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิล Fossil Fuels ได้อย่างยอดเยี่ยม ..

เทอร์โมโฟโตโวลตาอิกส์ Thermophotovoltaics ยังคงถือเป็นเรื่องใหม่ที่จะต้องมีการวิจัย และพัฒนาให้ได้ประสิทธิภาพการแปลงความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้นอีก Higher Efficiencies ด้วยต้นทุนที่ลดลง เพื่อประยุกต์ใช้งานในระบบผลิตกำลังไฟฟ้า และระบบจัดเก็บพลังงานความร้อนขนาดใหญ่บนโครงข่ายระบบสายส่งกริดไฟฟ้า ..

Thermophotovoltaics : TPVs ได้กลายเป็นเครื่องยนต์พลังงานความร้อน Heat Engines ที่มีแนวโน้มยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เนื่องจากสามารถตอบสนองความต้องการกำลังไฟฟ้าอย่างฉับพลันในระดับต่าง ๆ ได้อย่างรวดเร็ว และมีประสิทธิภาพ .. Thermophotovoltaic ที่มีประสิทธิภาพสูง High-Efficiency TPVs สามารถกระตุ้นการเติบโตของแหล่งพลังงานหมุนเวียน Renewable Sources เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ และลม ผ่านการพัฒนาระบบจัดเก็บไฟฟ้าพลังงานความร้อน Thermal-Energy Electrical Storage : TEES รวมทั้งการกระจายความร้อน และพลังงานรวม Distributed Combined Heat & Power : CHP .. ทั้งนี้ เพื่อทดแทนชุดแบตเตอรี่รูปแบบเดิมนั้น ระบบจัดเก็บไฟฟ้าพลังงานความร้อน Thermal-Energy Electrical Storage : TEES อาจเป็นหนึ่งในทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการจัดเก็บไฟฟ้าบนโครงข่ายระบบสายส่งระดับกริดไฟฟ้า ..

ในทางกลับกัน CHP แบบกระจาย ก็เป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับโรงไฟฟ้าแบบรวมศูนย์ Centralized Power Plants ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานหลักประมาณ 2 ใน 3 และมีความสามารถในการจัดส่งกำลังไฟฟ้าที่จำกัด .. ความคืบหน้าล่าสุดในวัสดุเกี่ยวกับแสง และเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น Carbon Nanotubes เป็นต้นนั้น ได้ทำให้ Thermophotovoltaics : TPVs ก้าวหน้าไปสู่การปฏิบัติจริง อย่างไรก็ตาม การระบุโอกาสในการบุกตลาดเชิงพาณิชย์เพิ่มเติม จำเป็นต้องมีความเข้าใจที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นเกี่ยวกับข้อจำกัดทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ท้าทายสำหรับ TPVs เนื่องจากพื้นที่ใช้งานที่กว้างขวาง และช่วงของสภาพการทำงานที่แตกต่างกันไปตามภูมิสังคม

แม้ว่าประสิทธิภาพการแปลงพลังงานความร้อนเป็นกำลังไฟฟ้าสูงสุดจะอยู่ที่มากกว่า 40% รวมทั้งในทางปฏิบัติแล้ว เซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก Thermophotovoltaic Cells ล่าสุด สามารถเปลี่ยนความร้อนให้เป็นกำลังไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากังหันไอน้ำ Steam Turbine .. อย่างไรก็ตาม กลุ่มนักวิจัย พบว่ายังมีช่องว่างที่สำคัญสำหรับการปรับปรุงทั้งในแง่ของวัสดุใช้งาน และการจัดการรังสีความร้อนในวงกว้าง เพื่อให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นได้อีก .. ดังนั้น คาดหมายได้ว่า ในอนาคตอันใกล้นี้ ระบบ High-Efficiency TPVs และระบบจัดเก็บไฟฟ้าพลังงานความร้อน Thermal – Energy Electrical Storage : TEES กำลังกลายเป็นกุญแจสำคัญในระบบผลิตพลังงาน และระบบจัดเก็บพลังงานส่วนเกินได้อย่างปลอดภัยด้วยราคาต้นทุนที่ถูกกว่า สำหรับระบบกริดไฟฟ้าขนาดใหญ่ รวมทั้งสามารถเปลี่ยนความร้อนกลับไปมาเป็นกำลังไฟฟ้าบนโครงข่ายระบบสายส่ง เมื่อเราต้องการได้ตลอดเวลา ..

………………………..

คอลัมน์ : Energy Key

By โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Novel Approach for Thermophotovoltaics Promises Higher Efficiencies | PV – Magazine :-

Novel approach for thermophotovoltaics promises higher efficiencies

The Right Resources to Develop Thermophotovoltaic Technologies | NREL :-

https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/79821.pdf

Enhancing Energy Storage with Thermophotovoltaics | Compound Semiconductor :-

https://compoundsemiconductor.net/article/114330/Enhancing_Energy_Storage_With

Milestone Thermophotovoltaic Cell Converts 40% of Heat Energy to Electricity | Design Boom :-

milestone thermophotovoltaic cell converts 40% of heat energy to electricity

Thermophotovoltaic Cells Top 40 per cent Efficiency | Physics World :-

Thermophotovoltaic cells top 40 per cent efficiency

New Thermophotovoltaic Cells Turn Heat into Electricity More Efficiently than a Steam Turbine | Energy Post :-

New thermophotovoltaic cells turn heat into electricity more efficiently than a steam turbine

Key Findings from Solar Heat Worldwide 2022 | IEA :-

https://www.iea-shc.org/solar-heat-worldwide

The Solar Heat Worldwide report | IEA :-

https://www.iea-shc.org/Data/Sites/1/publications/Solar-Heat-Worldwide-2022.pdf

Solar Thermal Market Size, Trends (2022 – 27) | Industry Report :-

https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/solar-thermal-market

Thermophotovoltaics – an Overview | ScienceDirect Topics :-

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/thermophotovoltaics

Thermophotovoltaic Cells: Grid Scale Energy Storage 30x Cheaper :-

https://photos.app.goo.gl/xVZzZ22jkZUbRKwaA