หลักการทำงานของแผ่นเพลเทียร์ หลักการทำงานของแผ่นทำความเย็นเพลเทียร์นั้น เป็นหลักการที่มีชื่อว่า เทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric) หลักการทำความเย็นแบบนี้เกิดขึ้นได้ โดยการใช้สารกึ่งตัวนำแบบ พี-เอ็น (P-N Type) ซึ่งสารกึ่งตัวนำแบบพี-เอ็น คือส่วนประกอบหลักของแผ่นทำความเย็นเพลเทียร์ โดยการทำความเย็นจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ มีการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง(Direct Current : DC) หรือไฟดีซี ให้กับแผ่นทำความเย็นเพลเทียร์ เพราะเมื่อกระแสไฟฟ้าเดินทางผ่านวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึงตัวนำแล้วก็จะเกิดการทำปฏิกิริยาขึ้น สารกึงตัวนำ แบบพี-เอ็น ซึ่งต่างชนิดกัน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ก็จะมีการดูดกลืนกันของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนจากระดับพลังงานต่ำทางด้านสารกึ่งตัวนำแบบพี ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงกว่าทางด้านสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น กระบวนการดังกล่าวส่งผลให้ที่ผิวด้านหนึ่งของแผ่นเพลเทียร์มีการดูดพลังงานความร้อน ซึ่งก็ได้จากความร้อนที่อยู่โดยรอบนั่นเอง เมื่อความร้อนในบริเวณรอบๆถูกดูดเข้ามา ก็จะทำให้ในบริเวณนั้นมีอุณหภูมิต่ำลง ซึ่งด้านนี้ก็คือด้านทำความเย็นนั่นเอง และในขณะเดียวกัน ก็จะเกิดการดูดกลืนของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานที่สูง ในสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น สู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ในสารกึ่งตัวนำแบบพี ส่งผลให้เกิดการคายความร้อนออกมาที่บริเวณผิวหน้าของอีกด้านหนึ่ง จากหลักการทำงานที่ได้อธิบายไปข้างต้นนั้น ทำให้สามารถนำแผ่นเพลเทียร์มาประยุกต์ใช้งานได้กับหลายๆสิ่ง ที่โดดเด่นสุดคงหนีไม่พ้น การนำคุณสมบัติในด้านการทำความเย็นมาประยุกต์ใช้งาน เพื่อเป็นอีกหนึ่งทางเลือกสำหรับการทำความเย็นหรือลดอุณหภูมิ แบบไม่ต้องพึ่งพาระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์ การทำงานของโซล่าเซลล์การทำงานของโซล่าเซลล์ โซล่าเซลล์ทำจากซิลิคอนที่ผ่านกระบวนการโดป(dopedคือกระบวนการทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับอิเลกตรอน โปรตรอนและนิวเครียส)จนได้เป็นเอ็นไทป์(n-type)และพีไทป์(p-type)โดยมีส่วนที่เป็นจังก์ชั้นอยู่ระหว่างกลาง ในสภาวะปกติอิเล็กตรอนจะคงสภาวะไว้ไม่เคลื่อนไหว แต่เมื่อมีแสงมาตกกระทบพลังงานจะผลักอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่ผ่านชั้นจังกชั่นซึ่งอยู่ระหว่างกลางได้ ถ้าเราต่อวงจรระหว่างเอ็นไทป์กับพีไทป์เข้าด้วยกันจะทำให้เกิดการไหลของอิเล็คตรอนเกิดขึ้นได้ การไหลของอิเล็กตรอนนี้เองที่เราเรียกว่ากระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้สามารถนำไปจ่ายให้กับโหลดโดยตรงหรือเก็บประจุอิเล็กตรอนเข้าแบตเตอรี่เพื่อสะสมพลังงานไฟฟ้าไว้ใช้ได้ รายละเอียดเชิงลึกของการทำงานสามารถหาได้จากความรู้ในโลกออนไลน์ทั่วไป ทางกายภาพ ด้านบนที่รับแสงของโซล่าเซลล์(เอ็นไทป์)จะเป็นขั้วลบ ส่วนด้านล่างของโซล่าเซลล์(พีไทป์)จะเป็นขั้วบวก โซล่าเซลล์หนึ่งหน่วยในปัจจุบัน จะมีค่าประสิทธิภาพในการแปรเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังไฟฟ้าเพียงแค่ประมาณ 15-20 เปอร์เซนต์เท่านั้น อาจมีบ้างที่เซลล์บางชนิดอย่างเช่นเซลล์หลายชั้น(multi-junction cell)จะมีค่าประสิทธิภาพที่สูงกว่านี้ แต่ราคาก็สูงตามไปด้วย แผ่นเพวเทียร์ (Peltier) เป็นอุปกรณ์ทำความเย็นชิ้นเล็กๆ ที่คุณสามารถพกไว้ในกระเป๋าเสื้อหรือกระเป๋ากางเกง ข้อดีของมันคือมันสามารถทำความเย็นได้โดยไม่ส่งเสียงดังรบกวน ซึ่งต่างกับเครื่องปรับอากาศทั่วไปที่ส่งเสียงดังเวลาทำงาน แผ่นเพวเทียร์เป็นที่นิยมชมชอบของเหล่านักประดิษฐ์จากทั่วทุกมุมโลกที่พยายามจะนำเอาเจ้าแผ่นเพวเทียร์นี้ไปสร้างเป็นเครื่องปรับอากาศอย่างง่ายรวมทั้งตู้เย็นอย่างง่าย เมื่อผู้อ่านค้นคำว่า peltier cooler ในเว็บไซต์ youtube ก็จะพบกับคลิปวิดีโอจำนวนมหาศาลที่อธิบายวิธีการประดิษฐ์อุปกรณ์ทำความเย็นเหล่านี้ จากความสามารถทำความเย็นของแผ่นเพวเทียร์นี้เอง นักประดิษฐ์ DIY ชาวไทยหลายท่านจึงนิยมเรียกแผ่นเพวเทียร์นี้ว่า แผ่นทำความเย็น ตัวอย่างของแผ่นเพวเทียร์ที่มีขายในท้องตลาดในเมืองไทย
การทำความเย็นของแผ่นเพวเทียร์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอก [1]
วัสดุที่อยู่เบื้องหลังการทำความเย็นของแผ่นเพวเทียร์คือ วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric material) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด N (มีอิเล็กตรอนประจุลบเป็นพาหะนำไฟฟ้า) และชนิด P (มีโฮลประจุบวกเป็นพาหะนำไฟฟ้า) ต่อเข้าด้วยกันแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้าอยู่ภายในแผ่นเพวเทียร์ วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่นิยมใช้ทำแผ่นเพวเทียร์ในปัจจุบันคือ Bi2Te3 ชนิด N และ P เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีราคาถูกและมีประสิทธิภาพในระดับดี เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก อิเล็กตรอนภายในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด N จะถูกขับเคลื่อนให้วิ่งสวนทางกันกับกระแสไฟฟ้า แต่โฮลภายในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด P จะถูกขับเคลื่อนให้วิ่งไปในทิศทางเดียวกันกับกระแสไฟฟ้า ในขณะที่ประจุไฟฟ้าเหล่านี้เคลื่อนที่พวกมันก็จะดึงเอาพลังงานความร้อนติดตัวไปด้วย และยิ่งถ้าต่อวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิด N และชนิด P เข้าด้วยกันแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้าแล้วความร้อนที่ประจุไฟฟ้าดูดเอาไปด้วยได้ก็จะเพิ่มมากขึ้น นี่คือต้นกำเนิดทางฟิสิกส์ของการไหลของความร้อนซึ่งก่อให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลภายในแผ่นเพวเทียร์ เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าปรากฏการณ์เพวเทียร์ (Peltier effect) ดังแสดงในรูปด้านล่าง การเกิดปรากฏการณ์เพวเทียร์ [2]
การเกิดปรากฏการณ์ซีเบค
แผ่นเพวเทียร์ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าค่อนข้างมากในการทำความเย็นเมื่อเทียบกับเครื่องปรับอากาศทั่วไป ทำให้มันยังไม่เป็นที่นิยมเมื่อเทียบกับเครื่องปรับอากาศ ดังนั้นการทำให้แผ่นเพวเทียร์สามารถทำความเย็นได้โดยไม่ต้องพึ่งพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกจึงมีความสำคัญต่อการนำเอาอุปกรณ์ชิ้นนี้ไปใช้งานจริง นักวิจัยจากภาควิชาฟิสิกส์ที่ University of Zürich ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ นำโดย A. Schilling [3] ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า แผ่นเพวเทียร์สามารถลดอุณหภูมิของวัตถุลงจนมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าจากภายนอก กลเม็ดที่นักวิจัยใช้คือการต่อแผ่นเพวเทียร์เข้ากับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า (electrical inductor) ที่เหมาะสมแบบอนุกรมเชิงไฟฟ้า นักวิจัยเรียกวงจรไฟฟ้านี้ว่าตัวเหนี่ยวนำความร้อน (thermal inductor) เพราะมันสามารถทำให้ทิศทางของความร้อนเกิดการแกว่งกวัดสลับไปมาระหว่างด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์ ซึ่งคล้ายกับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่สามารรถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีทิศทางสลับไปมาได้ (ไฟฟ้ากระแสสลับ) วงจรการทำงานของตัวเหนี่ยวนำความร้อน โดยสัญลักษณ์ k และ π แทนแผ่นเพวเทียร์ สัษลักษณ์ L แทนตัวเหนี่ยวนำ สัญลักษณ์ R แค่ค่าความต้านทานภายในวงจร สัญลักษณ์ Tb แทนอุณหภูมิของวัตถุที่ต้องการทำความเย็นซึ่งมีค่าความจุความร้อนเท่ากับ C และสัญลักษณ์ Tr แทนอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อน ขั้นตอนการทำความเย็นของตัวเหนี่ยวนำความร้อนที่ไม่ต้องพึ่งพาพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกมีดังต่อไปนี้ 1. วัตถุที่ต้องการทำความเย็นจะถูกนำไปแตะเข้ากับด้านหนึ่งของแผ่นเพวเทียร์ ส่วนอีกด้านของแผ่นเพวเทียร์จะแตะอยู่กับแหล่งสะสมพลังงานความร้อน (thermal reservoir) ที่มีอุณหภูมิคงที่ สิ่งที่สำคัญคือวัตถุที่ต้องการทำความเย็นจะต้องมีอุณหภูมิเริ่มต้นสูงกว่าอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อน (Tb>Tr) มิเช่นนั้นอุปกรณ์จะไม่สามารถทำงานได้ การเริ่มทำความเย็นของตัวเหนี่ยวนำความร้อน Tb>Tr
กระแสไฟฟ้าจากปรากฏการณ์ซีเบคและตัวเหนี่ยวนำทำให้ความร้อนไหลจากวัตถุไปยังแหล่งสะสมพลังงานความร้อน
เมื่อ Tb=Tr จะมีเฉพาะกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ทำให้ความร้อนไหลจากวัตถุไปยังแหล่งสะสมพลังงานความร้อน
Tb < Tr และ Tb มีค่าต่ำสุดเมื่อกระแสไฟฟ้าลัพธ์ภายในวงจรมีค่าใกล้เคียงศูนย์ 5. เราสามารถดึงวัตถุให้แยกออกจากแผ่นเพวเทียร์เมื่ออุณหภูมิของมันลดลงถึงจุดต่ำสุด วัตถุจะคงสภาพความเย็นเอาไว้ได้ถ้าวัตถุถูกหุ้มด้วยฉนวนความร้อน อุณหภูมิของวัตถุจะลดลงเยอะ (นั่นคือประสิทธิภาพการทำความเย็นสูง) ถ้ากระแสไฟฟ้าที่ไหลภายในวงจรมีค่าสูง ดังนั้นพารามิเตอร์ที่กำหนดประสิทธิภาพการทำความเย็นคือประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์และค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำ ประสิทธิภาพการทำความเย็นจะดีถ้าประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์สูงและค่าการเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำสูง แต่อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์ที่มีขายในท้องตลาดยังมีค่าต่ำ และปัญหาที่สร้างความปวดหัวให้กับนักวิจัยเป็นอย่างมากคือตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าความเหนี่ยวนำสูงก็จะมีค่าความต้านทานภายในสูงตามไปด้วย นั่นหมายความว่าจะมีพลังงานบางส่วนหายไปในรูปของพลังงานความร้อนภายในตัวเหนี่ยวนำมากขึ้น ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลภายในวงจรลดลงและทำให้ประสิทธิภาพในการทำความเย็นลดลง ดังนั้นในการทดลองสาธิตให้เห็นการทำความเย็น นักวิจัยจึงต้องใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวด (superconducting coil) ที่มีค่าความต้านทานน้อยมากเพื่อใช้ทำเป็นตัวเหนี่ยวนำ ส่วนแผ่นเพวเทียร์นั้นยังคงเป็นแผ่นเพวเทียร์ที่มีขายในท้องตลาด ด้านทั้งสองของแผ่นเพวเทียร์จะถูกประกบด้วยแหล่งสะสมพลังงานความร้อนและวัตถุที่ต้องการทำความเย็น นักวิจัยใช้แท่งทองแดงขนาดใหญ่ที่มีอุณหภูมิคงที่เท่ากับ 22°C เป็นแหล่งสะสมพลังงานความร้อน และใช้แท่งทองแดงปริมาตร 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากับ 104°C เป็นวัตถุที่ต้องการทำความเย็น รูปด้านล่างแสดงชุดการทดลองของนักวิจัย (ไม่รวมขดลวดตัวนำยิ่งยวด) ชุดการทดลอง (ไม่รวมขดลวดตัวนำยิ่งยวด) A แทนวัตถุที่ต้องการทำความเย็น, D1 แทนแผ่นเพวเทียร์, และ C แทนแหล่งสะสมพลังงานความร้อน
จากการทดลองพบว่า ชุดการทดลองของนักวิจัยสามารถลดอุณหภูมิวัตถุลงได้ถึง 20.3°C ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิของแหล่งสะสมพลังงานความร้อนอยู่ 1.7°C ภายในระยะเวลา 410 วินาที จากผลการทดลองนี้ นักวิจัยได้ชี้ให้เห็นว่าความร้อนสามารถไหลจากบริเวณที่เย็นไปสู่บริเวณที่ร้อนได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอกซึ่งมันควรจะเป็นไปไม่ได้เลยตามกฎพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่เย็นไปสู่บริเวณที่ร้อนได้ต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าจากภายนอกเท่านั้น แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อนักวิจัยทำการวิเคราะห์เอนโทรปี (เอนโทรปีคือความร้อนหารด้วยอุณหภูมิ) แล้วพบว่าเอนโทรปีรวมของระบบจะเพิ่มขึ้นเสมอซึ่งสอดคล้องกับกฏพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์ การวิเคราะห์นี้เป็นหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่าจริงๆ แล้วระบบการทดลองนี้ไม่ได้ขัดกับกฎพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกส์แต่อย่างใด อุณหภูมิของวัตถุจะลดลงมากขึ้นถ้าแผ่นเพวเทียร์ที่ใช้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ประสิทธิภาพของแผ่นเพวเทียร์จะถูกกำหนดโดยค่า ZT ของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก โดยวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีค่า ZT สูงจะทำให้แผ่นเพวเทียร์มีประสิทธิภาพสูง นักฟิสิกส์และนักวัสดุศาสตร์ยังคงค้นคว้าหาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดใหม่ที่มีค่า ZT สูงขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่ราคาการผลิตมีค่าถูกลง [4] แต่อย่างไรก็ตาม วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีค่า ZT สูงเป็นอนันต์ก็ใช่ว่าจะทำให้อุณหภูมิของวัตถุลดลงจนเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (หรือ 0 K) เพราะอุณหภูมิต่ำสุดของวัตถุที่เป็นไปได้จะถูกจำกัดโดยประสิทธิภาพคาร์โนต์ (Carnot efficiency) เช่น ถ้าอุณหภูมิของแหล่งสะสมความร้อนเท่ากับ 30°C และอุณหภูมิเริ่มต้นของวัตถุเท่ากับ 100°C แล้ว อุณหภูมิต่ำสุดของวัตถุที่เป็นไปได้จะเท่ากับ 4.1°C [3] ดังนั้นไม่ว่าวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกจะมีค่า ZT สูงมากเพียงใดก็ตาม อุณหภูมิของวัตถุจะไม่มีทางลดลงต่ำกว่า 4.1°C ไปได้เลย ข้อจำกัดนี้บ่งบอกถึงความสามารถสูงสุดของระบบนี้ในการทำความเย็นโดยไม่ใช้แหล่งพลังงานจากภายนอก เรียบเรียงโดย ดร.
ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
|