การเก็บเกี่ยวพลังงานกลด้วยพอลิเมอร์ฉลาด (Harvesting on Ambient Mechanical Energy with Smart Polymers
บทคัดย่อ
พอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกและอิเล็กทรอสตริกทีฟ (piezoelectric and electrostrictive polymers) มีความสามารถในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า และในทางกลับกันสามารถแปลงจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล กลไกที่ใช้ในการแปลงพลังงานนี้ถูกนําไปประยุกต์เป็นอย่างกว้างขวางในลักษณะของตัวกระตุ้นและตัวรับรู้ เป้าหมายของการเก็บเกี่ยวพลังงานก็คือการดึงพลังงานจากแหล่งกําเนิดที่อยู่โดยรอบวัสดุมาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ประโยชน์ได้ เมื่อเร็วๆ นี้พอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกและอิเล็กทรอสตริกทีฟได้รับความสนใจขึ้นมาใหม่ในฐานะวัสดุฉลาดสําหรับเก็บเกี่ยวพลังงาน จากการค้นคว้าพบว่าเป็นไปได้ที่พลังงานที่เก็บเกี่ยวจากการสั่นในสิ่งแวดล้อมด้วยพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกและอิเล็กทรอสตริกทีฟนั้นเพียงพอให้สิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์เลี้ยงตัวเองได้โดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ บทความนี้จึงมุ่งหมายนําเสนอภาพรวมอันประกอบด้วยหลักการของการเก็บเกี่ยวพลังงานกลจากการสั่นในสิ่งแวดล้อมด้วยวัสดุฉลาด โดยเฉพาะพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกและอิเล็กทรอสตริกทีฟ วิธีการต่างๆ ในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าก็ได้นํามากล่าวไว้ ตลอดจนมีการอธิบายพารามิเตอร์ที่สําคัญ เช่น ค่าคุณภาพของการแปลงพลังงานซึ่งช่วยในการวิเคราะห์หรือทํานายความสามารถของการแปลงพลังงานของวัสดุ ในท้ายที่สุดแล้วถึงแม้ว่าจะมีความได้เปรียบของการเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยพอลิเมอร์ฉลาดว่าอาจช่วยให้ได้สิ่งประดิษฐ์ที่มีน้ำหนักเบาและกินไฟน้อยมาก อย่างไรก็ตามยังต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของพอลิเมอร์ต่อไป
บทนํา
ทุกวันนี้วิกฤตการณ์ด้านพลังงานมีผลกระทบต่อการเติบโตของประเทศทั้งภาคอุตสาหกรรมและเกษตรกรรม แหล่งเชื้อเพลิงหลักหรือพลังงานเชื้อเพลิงซากดึกดําบรรพ์ (fossil source) ได้แก่ น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหิน ที่กล่าวมานี้นับวันจะมีปริมาณน้อยลงทุกทีและคงหมดไปในอนาคต อีกทั้งราคาของแหล่งพลังงานเหล่านี้มีแนวโน้มสูงขึ้น นอกจากนี้แหล่งพลังงานเหล่านี้ยังก่อผลเสีย โดยเฉพาะเรื่องปรากฎการณ์เรือนกระจก (greenhouse effect) นําไปสู่สภาวะโลกร้อน การมองหาพลังงานทดแทนซึ่งนํามาใช้แทนแหล่งเชื้อเพลิงหลักและไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเป็นพลังงานสะอาดหรือพลังงานสีเขียว (green energy) มีความสําคัญและมีความต้องการอย่างต่อเนื่อง การเก็บเอาพลังงานจากแหล่งกําเนิดที่อยู่ล้อมรอบ (ambient energy) หรือพลังงานที่เหลือใช้ (waste energy) นํามาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและกักเก็บสะสมไว้เพื่อป้อนอุปกรณ์ไฟฟ้าหรืออิเล็กทรอนิกส์ เรียกว่าการเก็บเกี่ยวพลังงาน (energy harvesting หรือ energy scavenging) จัดเป็นอีกช่องทางหนึ่งสําหรับพลังงานทดแทนในอนาคต ในปัจจุบันการเก็บเกี่ยวพลังงานมีบทบาทอย่างมากสําหรับเครือข่ายเซนเซอร์หรือตัวรับรู้แบบไร้สาย (wireless sensor network) และได้รับความสนใจเพิ่มมากยิ่งขึ้นเมื่อนํามาประยุกต์ใช้เข้ากับระบบติดตามเฝ้าระวังผู้ป่วย (health care monitoring system) โดยอาศัยเครือข่ายพลังงานเลี้ยงตัวเอง (self power network) เข้ากันกับตัวตรวจจับ (sensor) โดยไม่อาศัยพลังงานจากแบตเตอรี่ซึ่งเหมาะสมสําหรับใช้ในพื้นที่หรือบริเวณที่เข้าถึงได้ยาก หลีกเลี่ยงข้อจํากัดของแบตเตอรี่ที่ต้องเติมหรืออัดไฟ (recharge) การเปลี่ยนแบตเตอรี่เมื่อหมดอายุการใช้งาน และอีกทั้งความเป็นพิษของสารองค์ประกอบในตัวแบตเตอรี่ เทคโนโลยีการเฝ้าระวังผู้ป่วยนี้กําลังเป็นที่นิยมแพร่หลายเพื่อแก้ปัญหาเรื่องจํานวนแพทย์หรือเจ้าหน้าที่ทางการแพทย์มีไม่เพียงพอต่อผู้ป่วย อีกทั้งเป็นเพิ่มความสามารถในการเฝ้าติดตามดูแลผู้ป่วยหรือผู้ที่อยู่ในสภาวะเสี่ยงต่อโรคอย่างใกล้ชิดซึ่งสามารถกระทําได้ทุกสถานที่ทุกเวลา ไม่เฉพาะแต่ในโรงพยาบาลเท่านั้น จึงจําเป็นอย่างยิ่งจะต้องมีระบบเฝ้าสังเกตและระบบเตือนเมื่อมีความผิดปกติเกิดขึ้นกับผู้ป่วย ระบบเฝ้าระวังนี้ถูกพัฒนาขึ้นโดยอาศัยชุดตรวจจับแบบเครือข่ายไร้สายซึ่งสามารถติดตัวผู้ป่วยไปได้ทุกที่ทุกเวลาแบบตามเวลาจริง (real time) และไม่ก่อให้เกิดผลข้างเคียงต่อผู้ป่วย ตัวตรวจจับจะคอยตรวจสอบความผิดปกติที่เกิดขึ้น เช่น ตรวจการเต้นของหัวใจ การเคลื่อนไหว อุณหภูมิของร่างกายผู้ป่วย และอ่านข้อมูลจากตัวตรวจจับ แล้วส่งข้อมูลไปยังศูนย์กลางของโรงพยาบาลซึ่งแพทย์หรือพยาบาลสามารถแก้ไขได้ทันท่วงทีเพื่อลดปัญหาที่อาจจะลุกลามมากยิ่งขึ้น ระบบติดตามและเฝ้าระวังยังสามารถนํามาประยุกต์ใช้กับสิ่งไม่มีชีวิต เช่น ระบบติดตามเฝ้าระวังตัวตึกหรือสะพาน (structural health monitoring system) อีกด้วย
จากข้างต้นจะเห็นได้ว่าหัวใจของระบบเฝ้าติดตามนั้นคือวัสดุฉลาด (smart material) ทําหน้าที่เป็นตัวตรวจจับ ทําหน้าที่เป็นตัวตรวจวัด และในขณะเดียวกัน วัสดุฉลาดนี้ได้ทําหน้าที่เป็นวัสดุเก็บเกี่ยวพลังงาน (harvesting energy materials) สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานไปพร้อมกันโดยแปลงพลังงานจากสิ่งแวดล้อม เช่น พลังงานทางกล (แรงดันเลือด) ไปเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อเลี้ยงตัวเองโดยไม่พึ่งพาแบตเตอรี่ ในบทความนี้จะกล่าวถึงหลักการเก็บเกี่ยวพลังงานกลหรือการสั่นด้วยวัสดุฉลาดชนิดพอลิเมอร์ (smart polymer) อธิบายปรากฎการณ์ไฟฟ้ากลของพอลิเมอร์ฉลาดเพื่อให้เข้าใจหลักการแปลงพลังงานการสั่นเป็นพลังงานไฟฟ้า อีกทั้งแสดงตัวบ่งชี้ความสามารถการเก็บเกี่ยวพลังงานซึ่งจะนําไปสู่การค้นคว้าวิจัยเพื่อเพิ่มมูลค่าและประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานให้สูงยิ่งขึ้น
แหล่งพลังงานเก็บเกี่ยว
การเก็บเกี่ยวพลังงานนั้นจะแตกต่างกันไปตามแหล่งกําเนิดพลังงานและวัสดุอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานทดแทนสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามแหล่งที่มา คือ พลังงานทดแทนชนิดสิ้นเปลือง ได้แก่ ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน เป็นต้น และพลังงานทดแทนชนิดหมุนเวียนซึ่งสามารถหมุนเวียนใช้ได้อีก แหล่งพลังงานทดแทนชนิดหลังนี้จัดเป็นพลังงานสะอาดสามารถแบ่งออกเป็น 2 ระดับตามขนาดของพลังงานที่ได้รับคือ ระดับมหภาค ได้แก่ พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ เป็นต้น และระดับจุลภาค ได้แก่ พลังงานที่เหลือใช้ เช่น พลังงานความร้อน หรือพลังงานการสั่นจากร่างกายของคน เครื่องยนต์ เครื่องจักร เป็นต้น แหล่งพลังงานทดแทนระดับมหภาคที่ได้รับความสนใจคือพลังงานแสงอาทิตย์โดยอาศัยเซลล์สุริยะ (solar cell) แปลงพลังงานจากแสงแดดเป็นพลังงานไฟฟ้า จัดเป็นแหล่งพลังงานที่ให้ค่าความหนาแน่นพลังงานมากสุด (ในกรณีรับแสงโดยตรง) มีค่า 15,000 ไมโครวัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (μW/cm3 ) แต่เนื่องจากพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อจํากัดในเรื่องความสม่ำเสมอของความเข้มแสงที่ได้รับ อีกทั้งยังขึ้นกับสภาพภูมิอากาศอีกด้วย จะเห็นได้ว่าพลังงานแสงอาทิตย์ในกรณีมีเมฆให้ค่าความหนาแน่นเท่ากับ 150 ไมโครวัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งลดลงถึง 100 เท่า ดังนั้นการมองหาแหล่งพลังงานที่ให้ความสม่ำเสมอและหลีกเลี่ยงข้อจํากัดด้านสภาพภูมิอากาศนั้นถูกมองมายังทางพลังงานทดแทนระดับจุลภาค เช่น พลังงานจากการเคลื่อนที่หรือการสั่นไหวโดยอาศัยวัสดุฉลาด
หากนิยามวัสดุฉลาดคือวัสดุที่มีกระบวนการรับรู้หรือตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก สามารถปรับตัวได้ และซ่อมแซมตัวเองได้ รวมถึงวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงสมบัติของวัสดุ เช่น สมบัติทางกล สมบัติทางความร้อน สมบัติทางไฟฟ้าและทางแม่เหล็ก หรือมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างองค์ประกอบภายในวัสดุเมื่ออยู่ภายใต้สิ่งเร้าภายนอก เช่น ความร้อน ความเค้น เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงสมบัติหนึ่งไปเป็นอีกสมบัติหนึ่งอาจเป็นได้ทั้งในทิศทางเดียวหรือสามารถกลับทิศไปมาได้ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุฉลาด การเก็บเกี่ยวพลังงานกลหรือการสั่นด้วยอาศัยวัสดุฉลาดทําหน้าที่เป็นการแปลงพลังงานทางกลเป็นพลังงานไฟฟ้า วัสดุฉลาดในช่วงแรกที่รู้จักกันคือวัสดุไพอิโซอิเล็กทริก (piezoelectric materials) ซึ่งมีสมบัติในการเปลี่ยนแปลงพลังงานทางกลไปเป็นพลังงานทางไฟฟ้าและในทางกลับกัน แสดงค่าความหนาแน่นพลังงานขณะให้แรงกดเท่ากับ 330 ไมโครวัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งกําลังไฟฟ้าที่ได้สามาถนําไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แรงดันไฟฟ้าต่ำ เช่น นาฬิกาแบบตัวเลขและเครื่องอ่านฉลากอิเล็กทรอนิกส์ (RFID reader, RFID = radio frequency identification) ใช้กําลังไฟฟ้าประมาณ 10 ไมโครวัตต์ เครื่องช่วยฟัง (hearing aid) ใช้กําลังไฟฟ้า 100 ไมโครวัตต์ การพัฒนาความสามารถการเก็บเกี่ยวพลังงานสูงยิ่งขึ้นก็สามารถนํามาใช้เป็นแหล่งพลังงานให้เครื่องเล่นวิทยุ FM แบบพกพา ตัวรีโมทของโทรทัศน์ซึ่งใช้กําลังไฟฟ้าในหน่วยมิลลิวัตต์ เป็นต้น
การแปลงพลังงานกลเป็นไฟฟ้าด้วยพอลิเมอร์ฉลาด
การเก็บเกี่ยวพลังงานจากแหล่งพลังงานกลหรือการสั่นนั้นสามารถจําแนกออกเป็นสองจําพวก พวกแรกคือการเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยวัสดุฉลาดและไม่อาศัยวัสดุฉลาด การเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยวัสดุฉลาดเป็นที่นิยม ได้แก่ วิธีพิไซอิโซอิเล็กทริก (piezoelectric harvesting energy) และวิธีอิเล็กทรอสตริกทีฟ (electrostrictive harvesting energy) เนื่องจากสามารถแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรงจากวัสดุไม่พึ่งพาอุปกรณ์เสริม เช่น ขดลวด แท่งแม่เหล็ก ซึ่งเหมาะสําหรับประยุกต์เข้ากับระบบกลไกขนาดเล็กประกอบด้วยโครงสร้างทางกลและวงจรอิเล็กทรอนิกส์เข้าด้วยกัน (micro electromechanical systems: MEMS) หรืออุปกรณ์ที่มีขนาดกระทัดรัด พกพาและเคลื่อนย้ายได้ง่าย วัสดุฉลาดที่สามารถแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าที่รู้จักกันอย่างกว้างขวาง ได้แก่ เซรามิกไพอิโซอิเล็กทริก (piezoelectric ceramics) แม้ว่ามีสมบัติไฟฟ้ากลที่ดี แต่จากคุณลักษณะเฉพาะตัวของเซรามิกที่มีข้อเสีย คือเป็นวัสดุเปราะ ง่ายต่อการแตกหัก และมีขั้นตอนการเตรียมขึ้นรูปที่ยุ่งยาก ดังนั้นปัจจุบันวัสดุชนิดเซรามิกถูกแทนที่ด้วยพอลิเมอร์ ซึ่งคุณลักษณะของวัสดุพอลิเมอร์มีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่น โค้งงอ สามารถเตรียมขึ้นรูปได้ง่าย ราคาไม่แพง และสามารถเตรียมบนพื้นที่ใหญ่ๆ หรือบนรูปทรงต่างๆ ได้ง่าย อีกทั้งสามารถปรับเปลี่ยนวิธีการสังเคราะห์เพื่อให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการได้ง่าย
พอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริก
พอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกเป็นที่นิยม ได้แก่ พอลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (polyvinylidene fluoride: PVDF) และโคพอลิเมอร์พอลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์-ไตรฟลูออโรเอธีลีน (polyvinylidene fluoride with trifluoroethylene: PVDF-TrFE) ซึ่งแสดงปรากฎการณ์ไพอิโซอิเล็กทริก พอลิเมอร์ชนิดนี้สามารถให้กระแสไฟฟ้าเมื่อได้รับแรงกด บีบ หรือดึง เนื่องจากเกิดความเค้นภายในวัสดุ ทําให้วัสดุมีการกระจัดทางไฟฟ้า (electrical displacement) สามารถก่อให้เกิดประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าบวก (positive charge) อยู่ที่ผิวด้านหนึ่งและประจุลบ (negative charge) อยู่ที่ผิวอีกด้านหนึ่งของวัสดุ ปริมาณของการกระจัดทางไฟฟ้านี้จะแปรผันตามความเค้น เรียกว่าปรากฏการณ์ไพอิโซอิเล็กทริกแบบตรง (direct piezoelectric effect) ซึ่งปรากฎการณ์นี้ถูกนําใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนปรากฏการณ์ไพอิโซอิเล็กทริกแบบอ้อม (converse piezoelectric effect) แสดงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างวัสดุในลักษณะยืดออก (extension) หรือหดเข้า (contraction) สัมพันธ์กับทิศทางการกระจัดของไดโพลภายในวัสดุ วัสดุเกิดความเครียด (strain) อันเป็นผลจากการกระจัดในสนามไฟฟ้า และความเครียดมีค่าเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นกับขนาดและทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ป้อนให้ ซึ่งปรากฏการณ์ไพอิโซอิเล็กทริกแบบอ้อมนี้ถูกนํามาประยุกต์ใช้เป็นตัวกระตุ้น การเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกนั้นอาศัยปรากฏการณ์ไพอิโซอิเล็กทริกแบบตรง เมื่อวัสดุได้รับการเปลี่ยนแปลงแรงกลซ้ำๆ ต่อเนื่องกันเท่ากับทําให้เกิดกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น
พอลิเมอร์อิเล็กทรอสตริกทีฟ
พอลิเมอร์อิเล็กโทรสตริกทีฟจัดเป็นพอลิเมอร์ทางไฟฟ้า (electroactive polymers: EAPs) ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือขนาดตอบสนองกับสนามไฟฟ้า การประยุกต์ใช้วัสดุ EAPs ส่วนใหญ่ถูกนํามาประยุกต์ใช้เป็นตัวกระตุ้น พอลิเมอร์อิเล็กโทรสตริกทีฟยังสามารถนํามาใช้แปลงพลังงาน (energy conversion) อาศัยปรากฎการณ์อิเล็กโทรสทิกทีฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดและการกระจัดทางไฟฟ้าเป็นแบบกําลังสอง (quadratic effect) เมื่อพอลิเมอร์ได้รับความเค้น พอลิเมอร์จะให้กระแสไฟฟ้าไหลในวงจรโดยอาศัยความสัมพันธ์กับค่าการกระจัดทางไฟฟ้าเช่นเดียวกันกับพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริก การเกิดกระแสไฟฟ้าของพอลิเมอร์อิเล็กทรอสตริกทีฟจําเป็นต้องให้สนามไฟฟ้าภายนอกด้วยเพื่อเหนี่ยวนําโพลาไรเซชั่นให้พอลิเมอร์เสมือนเป็นพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกเทียม (pseudo piezoelectric) หากต้องการพอลิเมอร์ให้กระแสไฟฟ้าออกมามากๆ จําเป็นต้องใช้พอลิเมอร์ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงๆ จากความสัมพันธ์นี้ถูกนําไปใช้ในการพัฒนาค่ากระแสหรือกําลังจากพอลิเมอร์อิเล็กทรอสตริคทีฟโดยเพิ่มค่าไดอิเล็กทริกให้สูงยิ่งขึ้น
การเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยพอลิเมอร์ฉลาด
การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยอาศัยพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริก โดยพอลิเมอร์ถูกติดบนคาน จากนั้นให้แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจากขดลวดทําให้คานสั่น สําหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกนั้นสามารถแปลงพลังงานกลจากการสั่นไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง อาศัยปรากฎการณ์ไพอิโซอิเล็กทริกแบบตรงตามที่กล่าวมาแล้ว กระแสที่ให้ออกมาจากพอลิเมอร์เมื่อพอลิเมอร์มีความเค้นถูกแปลงด้วยวงจรแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (rectifier) ตัวเก็บประจุ และชุดวงจรรักษาแรงดัน ก่อนจ่ายไฟฟ้าให้กับโหลดหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งกําลังไฟฟ้าที่เกิดจากวัสดุไพอิโซอิเล็กทริกสามารถคํานวณได้จากศักย์ตกคร่อมบนโหลดหรือตัวต้านทาน ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ได้นั้นสัมพันธ์กับแอมปลิจูดของการสั่นของคาน หากมีการเชื่อมต่อกับตัวต้านทานที่เหมาะสม (optimal load) ก็จะได้กําลังงานไฟฟ้าสูง ซึ่งตัวต้านทานที่เหมาะสมมีความสัมพันธ์กับค่าความจุของวัสดุ ซึ่งกําลังที่ได้เป็นสัดส่วนสัมพันธ์กับความถี่และความเค้น โดยกําลังไฟฟ้ามีค่าพลังงานมากสุดภายใต้การสั่นที่ความถี่กำทอน
การเลือกใช้วัสดุไพอิโซอิเล็ทริกและวงจรเก็บเกี่ยวพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงมีผลให้เพิ่มความสามารถในการเก็บเกี่ยวพลังงานได้มากยิ่งขึ้น ดังนั้นค่าประสิทธิภาพของการเก็บเกี่ยวพลังงานพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริก (η) เป็นอัตราส่วนของพลังงานไฟฟ้าที่ออกมาต่อพลังงานกลที่ให้พอลิเมอร์ ค่า η เท่ากับผลคูณของสัมประสิทธิ์ d.g. ซึ่งแสดงถึงความหนาแน่นพลังงาน (energy density) นอกจากนี้ค่า η ยังสามารถบ่งบอกจากค่าสัมประสิทธิ์คัปปลิง (coupling coefficient: k) ซึ่งเป็นอันตรกิริยาคู่ควบระหว่างตัวแปรทางกลกับตัวแปรทางไฟฟ้าและมีความสัมพันธ์กับค่าสัมประสิทธิ์ไพอิโซอิเล็กทริก ค่าพารามิเตอร์เหล่านี้สามารถใช้เป็นแนวทางในการเลือกวัสดุในการเก็บเกี่ยวพลังงาน พอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกมีค่า d.g สูงกว่ากลุ่มเซรามิก จึงทําให้กลุ่มพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น
สำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานการสั่นด้วยพอลิเมอร์อิเล็กทรอสติกทีฟ พอลิเมอร์จะถูกติดบนคานเหล็ก คานถูกสั่นด้วยสนามแม่เหล็กจากขดลวดเหนี่ยวนำ ขณะเดียวกัน ป้อนสนามไฟฟ้ากระแสตรงให้กับพอลิเมอร์ เมื่อคานสั่นเกิดความเค้นบนพอลิเมอร์ เกิดกระแสไฟฟ้าหรือค่าความต่างศักย์กระแสสลับบนตัวต้านทานตกคร่อม จากการทดลองของพอลิเมอร์พอลิยูรีเทนทีความถี่ของการสั่น 100 เฮิรตซ์ และสนามไฟฟ้ากระแสตรง 10 โวลต์ต่อไมครอน พบว่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดมีค่าเข้าใกล้ 7 ไมโครวัตต์ ที่ความต้านทานเหมาะสม 2.5 เมกะโอห์ม แม้ว่าการเก็บเกี่ยวพลังงานของพอลิเมอร์อิเล็กทรอสตริกทีฟจําเป็นต้องอาศัยพลังงานภายนอก แต่สามารถปรับปรุงโดยให้พอลิเมอร์มีความเครียดบนพอลิเมอร์สูงขึ้น เพื่อให้กําลังไฟฟ้าที่ได้จากพอลิเมอร์มากกว่าสนามไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายภายนอก และขณะเดียวกันสามารถพัฒนาค่าสัมประสิทธิ์การแปลงพลังงานของพอลิเมอร์โดยการเพิ่มค่าคงที่ไดอิเล็กทริกให้สูงยิ่งขึ้นเป็นอีกทางหนึ่งในเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานจากพอลิเมอร์ชนิดนี้ให้มากยิ่งขึ้น
บทสรุป
จากภาพรวมที่นําเสนอในบทความนี้จะเห็นว่าการเก็บเกี่ยวพลังงานกลจากการสั่นในสิ่งแวดล้อมมาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้านั้นจัดเป็นอีกทางเลือกหนึ่งของพลังงานทดแทนซึ่งน่าจะได้รับความสนใจมากขึ้นๆ ในอนาคต ทั้งนี้เพราะพลังงานที่ได้จัดเป็นพลังงานสะอาด แม้ว่ากําลังไฟฟ้าที่เก็บเกี่ยวได้จะอยู่ในระดับไมโครวัตต์ แต่ก็อาจพอเพียงสําหรับป้อนสิ่งประดิษฐ์หรืออุปกรณ์พกพาซึ่งกินไฟต่ำมาก เช่น นาฬิกาข้อมือแบบตัวเลข เครื่องอ่านฉลากอิเล็กทรอนิกส์ เซนเซอร์จิ๋วสําหรับตรวจสุขภาพ อุปกรณ์สื่อสารไร้สายชนิดต่างๆ ฯลฯ นอกจากนั้นเทคโนโลยีต่างๆ ในปัจจุบันต่างมุ่งเน้นพัฒนาอุปกรณ์พกพาและอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ให้มีน้ำหนักเบาและขนาดเล็กลง ซึ่งจะทําให้สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าน้อยลงไปเรื่อยๆ พอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกและพอลิเมอร์อิเล็กทรอสตริกทีฟจึงคาดว่าจะเข้ามามีบทบาทเป็นอย่างมากต่อการพัฒนาการเก็บเกี่ยวพลังงาน ทั้งนี้เพราะมีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่นดี เตรียมง่าย ราคาไม่แพง ในการพิจารณาความสามารถในการแปลงพลังงานของพอลิเมอร์ไพอิโซอิเล็กทริกนั้นจะขึ้นกับค่าสัมประสิทธิ์ไพอิโซอิเล็กทริกและค่าสัมประสิทธิ์คู่ควบ ในขณะที่การแปลงพลังงานของพอลิเมอร์อิเล็กทรอสตริกทีฟต้องการพอลิเมอร์ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง สัมประสิทธิ์และค่าคงที่เหล่านี้คือพารามิเตอร์ที่ถูกนํามาใช้เป็นแนวทางให้นักวิจัยคิดค้นพัฒนาวัสดุไพอิโซอิเล็กทริกและวัสดุอิเล็กทรอสตริกทีฟชนิดใหม่ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานให้มากขึ้นต่อไป
บทความวิชาการโดยชัชชัย พุทซ้อน ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 17 ฉบับที่ 2 กรกฎาคม-ธันวาคม 2555 หน้า 182-188 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com