รถยนต์ไฟฟ้ากับระบบทำความเย็นแบบใหม่

14 พฤศจิกายน 2559

 

1.คำนำ

 

           ประสิทธิภาพ ความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและความมั่นคงทางพลังงานเป็นโจทย์หลักที่จะกำหนดทิศทางอุตสาหกรรมยานยนต์ในอนาคต รถยนต์หรือยานยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า (electric vehicle  หรือ EV) ตอบโจทย์ดังกล่าวได้เป็นอย่างดี นอกจากจะมีจุดเด่นเรื่องการไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกและเขม่าออกมาจากท่อไอเสียแล้ว รถ EVมีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานจลน์ของยานยนต์ประมาณ 60 - 70 % ในขณะที่รถยนต์ที่ใช้กันอยู่ในทุกวันนี้ นำพลังงานเคมีที่มีอยู่ในน้ำมันเบนซิน มาเปลี่ยนเป็นพลังงานที่ใช้งานได้เพียง 15 - 18 % เท่านั้น เพราะเป็นที่รู้กันว่าเครื่องยนต์ที่อาศัยกระบวนการการสันดาปภายใน (internal combustion engine หรือ ICE) มีประสิทธิภาพต่ำมากในการเปลี่ยนพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานกล พลังงานอีกมากกว่า 80 % กลายเป็นความสูญเปล่า เพราะเปลี่ยนเป็นพลังงานในรูปที่ใช้ประโยชน์ไม่ได้ (โดยเฉพาะกับประเทศในเขตร้อน) นั่นคือกลายเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานเสียงเป็นต้น 

 

           หนังสือพิมพ์ฐานเศรษฐกิจได้รายงานไว้เมื่อวันที่ 4 มีนาคม พ.ศ. 2559 ว่าความต้องการใช้น้ำมันกลุ่มเบนซินในเดือนมกราคม พ.ศ. 2559 ของประเทศไทยอยู่ที่ 27.40 ล้านลิตร / วัน [1]  ถ้าสมมุติว่าน้ำมันปริมาณนี้ถูกนำไปใช้เติมถังของรถยนต์เป็นส่วนใหญ่ นั่นก็แปลว่ามีน้ำมันเกือบ 27 ล้านลิตรถูกคนใช้รถเผาทิ้งไปเปล่าๆใน 1 วัน ซึ่งคิดเป็นการเผาเงินทิ้งเกือบ 675 ล้านบาท / วัน (ประเมินคร่าวๆว่าน้ำมันมีราคา 25 บาท / ลิตร) หรือในเรือน 2 แสนล้านบาทในหนึ่งปี เงินจำนวนนี้สามารถเอาไปใช้ในโครงการพัฒนาคุณภาพชีวิตของประชาชน หรือสร้างพื้นฐานการพัฒนาประเทศหรือโครงการอื่นๆที่มีประโยชน์ต่อส่วนรวมได้มากมาย  แนวโน้มของโลกอนาคตในเรื่องยานยนต์จึงไม่อาจชี้ไปในทิศอื่นใดได้นอกจากชี้ไปที่รถ EV  อาจมีข้อกังขาว่ารถ EV ช่วยแก้ปัญหาสภาวะโลกร้อนได้จริงหรือ เพราะเมื่อแห่มาใช้รถ EV กันมากขึ้น ย่อมต้องใช้ไฟฟ้ามากขึ้นโดยปริยาย ซึ่งการผลิตไฟฟ้า (จากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่นถ่านหินและน้ำมัน) ก็มักจะมีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วย เมื่อต้องผลิตไฟฟ้าหรือสร้างโรงไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ในที่สุดก็ไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาโลกร้อนแต่อย่างใด ในประเด็นนี้ผู้เขียนมีความเห็นว่า โรงไฟฟ้าเป็นสิ่งก่อสร้างที่ตั้งอยู่กับที่ การจะดัดแปลง ต่อเสริมเติมแต่งเพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิตไฟฟ้าให้สะอาดมากขึ้นๆย่อมทำได้เสมอโดยไม่มีข้อจำกัดใดๆ ขึ้นอยู่กับว่ามนุษย์มีสติปัญญาที่จะปรับปรุงเทคโนโลยีให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นๆได้หรือไม่ ซึ่งไม่น่าจะเหลือบ่ากว่าแรง ความสำคัญของการลดการสูญเปล่าน้ำมันอีกอย่างก็คือน้ำมันดิบเป็นสารตั้งต้นของผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นต่อมนุษย์ในปัจจุบันและอนาคตมากมายหลายอย่าง เช่น น้ำมันหล่อลื่น เชื้อเพลิงเครื่องบิน วัสดุกันซึม เม็ดพลาสติกและสารเคมีวัสดุสังเคราะห์อีกหลายชนิด  จึงควรใช้อย่างประหยัด เก็บไว้ให้ลูกหลานเหลนได้มีโอกาสใช้ด้วย

 

           คณะรัฐมนตรีในรัฐบาลพลเอก ประยุทธ์  จันทร์โอชามีมติเมื่อวันที่ 7 พฤษภาคม พ.ศ. 2558 กำหนดแนวทางส่งเสริมให้ประเทศไทยเป็นศูนย์กลางยานยนต์ไฟฟ้า (ที่มีแบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงาน) ในอาเซียน (ASEAN BEV HUB) โดยจะส่งเสริมให้มีการลงทุนการผลิตยานยนต์ไฟฟ้ารวมถึงชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องเพื่อใช้งานในประเทศและส่งออก  รวมทั้งส่งเสริมระบบสาธารณูปโภคพื้นฐานให้รองรับการใช้งานรถยนต์ไฟฟ้า เช่นการเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าสำรองของประเทศ การสร้างสถานีประจุไฟฟ้า  การเตรียมความพร้อมของระบบสายส่ง และสร้างมาตรฐานสถานีประจุไฟฟ้า เป็นต้น [2] ต่อมาเมื่อวันที่ 3 สิงหาคม พ.ศ. 2559 คณะกรรมการกองทุนเพื่อส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงานมีมติมอบให้สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) เป็นผู้บริหารจัดการ “โครงการสนับสนุนการศึกษา วิจัย พัฒนาเทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงาน” ที่มีงบประมาณ 765 ล้านบาทสำหรับปีงบประมาณ 2559 โดยหนึ่งในเป้าหมายของโครงการคือการพัฒนาเทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงานเพื่อการใช้งานในยานยนต์

 

           แต่จะสังเกตได้ว่าไม่มีการพูดถึงองค์ประกอบสำคัญอีกหนึ่งอย่างของการใช้รถยนต์ในเมืองร้อนเลยนั่นคือเรื่องระบบทำความเย็นภายในรถ  จึงขอนำประเด็นนี้มาพูดคุยกันในครั้งนี้  โดยต่อไปนี้จะขอเรียกรถยนต์ไฟฟ้า หรือยานยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่สั้นๆว่า “รถ BEV” ซึ่งย่อมาจากคำว่า battery-powered electric vehicle

 

2.ความจำเป็น

 

           เคยได้ยินบางคนพูดไว้เมื่อช่วงฤดูร้อนที่เพิ่งผ่านมา (ฤดูร้อนปีพ.ศ. 2559 ที่บางจังหวัดร้อนถึง 44.3 องศาเซลเซียส) ว่า ถ้าซื้อรถใหม่ จะขอเน้นที่แอร์ดีๆ เย็นๆ ผู้เขียนเคยมีประสบการณ์ตรง รถเก๋งที่เคยใช้มานาน พออายุมากขึ้นก็กลับกลายเป็นว่า ตอนหน้าหนาวแอร์ก็เย็นดีอยู่ แต่เมื่อตอนที่ต้องการจริงๆคือในหน้าร้อน โดยเฉพาะช่วงเที่ยงตอนแดดกำลังเปรี้ยงๆ กลับขับไป เหงื่อแตกไป ทั้งๆที่กำลังเปิดแอร์อยู่ เป็นเรื่องที่ทรมานมาก  นั่นคือมันเป็นข้อเท็จจริงว่าการขับรถในเมืองร้อนเช่นเมืองไทย นอกจากเรื่องราคาและคุณภาพเครื่องยนต์แล้ว เรื่องระบบทำความเย็นของรถก็มีความสำคัญมากด้วยเช่นกัน

 

 

รูปที่ 1 สำหรับการขับรถในเมืองใหญ่ของประเทศเขตร้อน แอร์ติดรถยนต์ไม่ได้เป็นเรื่องของความหรูหราฟุ่มเฟือยอีกต่อไปแล้ว แต่เป็นความจำเป็นเลยทีเดียว (ที่มารูป : http://news.mthai.com/hot-news/world-news/460738.html)

 

           ในกรณีของประเทศในเขตอบอุ่นและหนาว ภายในรถต้องมีระบบปรับอากาศทั้งสองแบบคือทั้งระบบทำความเย็นและระบบทำความร้อน โดยระบบทำความเย็นมีความสำคัญน้อยกว่าเพราะช่วงที่ร้อนจริงๆจนต้องเปิดแอร์ทำความเย็นมีเป็นช่วงเวลาสั้นๆเท่านั้นในฤดูร้อน  ส่วนการทำให้ผู้โดยสารอุ่นสบายในหน้าหนาวนั้นสามารถใช้ความร้อนของเครื่องยนต์ ICE ให้เกิดประโยชน์ได้โดยการต่อท่อน้ำระบายความร้อนของเครื่องยนต์ให้วนเข้ามาให้ความร้อนกับห้องโดยสารด้วย ซึ่งเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ทั้งประหยัดพลังงานและประหยัดงบประมาณ

 

           สำหรับรถ BEV แล้วสิ่งที่ต้องการความเย็นไม่ได้มีแต่เพียงผู้โดยสารเท่านั้น ยังมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น สวิชชิ่งทรานซิสเตอร์ที่อยู่ในส่วน DC / AC Inverter ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนไฟตรง (direct current หรือ DC) ไปเป็นไฟสลับ (alternating current หรือ  AC) ที่จำเป็นต่อการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าของรถ BEV  มอเตอร์ไฟฟ้าและชุดแบตเตอรี่ (battery pack) ของรถ BEV ก็ต้องการความเย็นมาระบายความร้อนที่เกิดขึ้นด้วยเช่นกัน เพราะถ้าอุณหภูมิสูงเกินไป อุปกรณ์เหล่านี้จะมีอายุการใช้งานและประสิทธิภาพถดถอยลง [3]  การที่แบตเตอรี่มีอุณหภูมิสูงเกินไป (overheating) อาจถึงขั้นเกิดการลุกไหม้ขึ้นได้เหมือนที่เคยเกิดขึ้นหลายครั้งกับชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยม-ไอออนของเครื่องบิน Boeing 787 Dreamliner เมื่อช่วงต้นปีพ.ศ. 2556

 

 

รูปที่ 2 ชุดแบตเตอรี่ของเครื่องบิน Boeing 787 Dreamliner ของสายการบิน JAL ของประเทศญี่ปุ่นที่เกิดการลุกไหม้ขึ้นเมื่อวันที่ 7 มกราคม พ.ศ. 2556 ขณะจอดอยู่ที่สนามบินนานาชาติโลแกน เมืองบอสตัน ประเทศสหรัฐอเมริกา (ที่มารูป :http://www.bloomberg.com/news/articles/2013-01-18/why-are-the-batteries-in-boeings-787-burning)

 

           ในอีกแง่หนึ่งนั้นถ้าสามารถบริหารจัดการประสิทธิภาพการใช้พลังงานของรถ BEV ได้ดี ก็อาจสามารถลดจำนวนของแบตเตอรี่ลงได้ ซึ่งมีผลดีอีกหลายประการตามมาเช่น ลดอัตราการเสื่อมของแบตเตอรี่  ลดน้ำหนักของรถ ลดราคาของรถ และ รวมถึงลดความไม่สะดวกของผู้ใช้ในการที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่บ่อยๆ เพราะปัจจุบันการชาร์จแบตเตอรี่แต่ละครั้งยังสิ้นเปลืองเวลากว่าการเติมน้ำมันมากมายหลายเท่า

 

3.ระบบทำความเย็นที่ใช้กันในปัจจุบัน

 

           เทคโนโลยีการทำความเย็นของบ้าน รถยนต์ ตู้เย็น ตู้แช่ ฯลฯ ในปัจจุบัน ใช้น้ำยาแอร์ (refrigerant) เป็นตัวถ่ายโอนความร้อนออกมาจากห้องที่ต้องการทำให้เย็น และดังนั้นจึงต้องมีคอมเพรสเซอร์ (compressor) ทำหน้าที่ดูด / อัดน้ำยาแอร์เพื่อให้ทั้งกระบวนการของการทำความเย็นเกิดขึ้นได้โดยไม่ขัดแย้งกับกฎข้อที่ 2ของวิชาอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) การดูดและอัดดังกล่าวได้มาจากการทำงานของกระบอกสูบ / ลูกสูบ ซึ่งต้องมีกลไกขับเคลื่อนลูกสูบ ตรงนี้เองที่ทำให้คอมเพรสเซอร์ของแอร์บ้าน ตู้เย็นและตู้แช่แตกต่างจากแอร์รถยนต์

 

 

 

รูปที่ (ซ้าย) ลักษณะภายนอกและ (ขวา) ภายในของคอมเพรสเซอร์ระบบปิดสนิท (hermetic compressor) (ที่มารูป:http://www.vatgia.com/raovat/1640/8354111/may-nen-kulthorn-compressor.html) และ http://cool-info.co.uk/refrigeration_equipment/compressors/images/ ตามลำดับ)

 

           คอมเพรสเซอร์ของแอร์บ้าน / แอร์ตู้เย็น / ตู้แช่ เรียกว่า hermetic compressor ลูกสูบเคลื่อนเข้า - ออกจากการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง(crankshaft) ซึ่งหมุนได้ด้วยการขับเคลื่อนของมอเตอร์ ที่ได้รับพลังงานจากไฟบ้าน 220 V(AC) อุปกรณ์ทั้งหมดที่กล่าวมานี้ถูกบรรจุอยู่ในระบบปิดเดียวกัน  ดังแสดงใน รูปที่ 3  แต่สำหรับคอมเพรสเซอร์ของแอร์รถยนต์ที่นิยมใช้กันในปัจจุบันเป็นแบบ swash plate compressor  ดังแสดงใน รูปที่ 4 การเลื่อนเข้า - ออกของลูกสูบเกิดจากการกดของแผ่น swash plate ที่ติดแบบเอียงๆอยู่กับเพลา  การขับเคลื่อนให้เพลาหมุนไม่ได้ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า เพราะแบตเตอรี่ 12 V(dc) ที่ใช้กันในรถยนต์ทั่วไปไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ได้มากพอ คอมเพรสเซอร์ของแอร์รถยนต์จึงเป็นแบบ belt driven compressor คือรับพลังงานจากเครื่องยนต์ผ่านทางสายพานคอมแอร์ที่คล้องผ่านเพลาของคอมเพรสเซอร์และเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์

 

 

รูปที่ 4 (ซ้าย) ลักษณะภายนอกและ (ขวา) ภายในของคอมเพรสเซอร์แบบ swash plate ที่นิยมใช้ในรถยนต์ปัจจุบัน (ในที่นี้ wobble plate = swash plate) (ที่มารูป: http://www.enginebasics.com/Engine%20Basics%20Root%20Folder/AC%20Compressor.htm และ http://airconditioner-auto.blogspot.com/ตามลำดับ)

 

           ดังนั้น เมื่อเปิดแอร์ในรถยนต์  เครื่องยนต์ย่อมต้องมีภาระ (load) เพิ่มขึ้นอย่างแน่นอนหรือที่พูดกันว่ามันฉุดเครื่อง เพราะนอกจากเครื่องยนต์ต้องออกแรงบิด (torque) ให้ล้อหมุน โดยต้องเอาชนะแรงเสียดทานระหว่างล้อยางทั้ง 4 กับพื้นถนน (ที่แปรผันตรงกับแรงกดที่มาจากน้ำหนักรถบวกน้ำหนักบรรทุก) แรงต้านของอากาศ หรือการวิ่งขึ้นเนินแล้ว ยังต้องใช้กำลังบิดให้เพลาคอมเพรสเซอร์หมุนเพื่อให้กระบอกสูบ / ลูกสูบของคอมเพรสเซอร์ทำงานด้วย  (ดูรูปที่ 5) ซึ่งทำให้ต้องสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นอีกประมาณ 30% สำหรับรถ ICE หรือทำให้ระยะทางไกลสุดที่รถวิ่งไปได้ (driving range) หดสั้นลงประมาณ 40% ในกรณีของรถ BEV [4] (บางแหล่งข้อมูลประเมินว่า driving range หดสั้นลงประมาณ 25%-35%)

 

 

รูปที่ 5 ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังที่คอมเพรสเซอร์ใช้ (แกนตั้ง) กับ อุณหภูมิภายในห้องโดยสาร (แกนนอน) สำหรับสภาพอากาศภายนอกรถที่แตกต่างกัน 4 แบบ [4]

 

4.จุดด้อยของรถBEVในปัจจุบัน

 

 

 

รูปที่ 6 รถ Tesla Model S ผลิตโดยบริษัทTesla Motor ประเทศสหรัฐอเมริกา ทำความเร็วสูงสุดได้ 249 กม. / ชม. อัตราเร่ง 0 – 97 กม./ชม.ในเวลา 3.2 วินาที มีอัตราการใช้เชื้อเพลิงเทียบเท่ากับ 40-45 กม./ลิตร (รถ Honda CRV ซึ่งเบากว่าประมาณ 593 กก. มีอัตราการใช้เชื้อเพลิงประมาณ 10.2 กม./ลิตร) ราคาเริ่มต้นของ Tesla Model S อยู่ที่ประมาณ 2.3 ล้านบาท (ขึ้นกับ version ด้วย) (ที่มารูป:http://insideevs.com/poll-employees-korean-automakers-prefer-tesla/)

 

           เพื่อให้เห็นภาพชัด จะขอยกตัวอย่างกรณีของรถที่ CEO ของบริษัทผู้ผลิตกำลังดังมากอยู่ในขณะนี้ (คุณ Elon Musk) คือรถ Tesla Model S ของบริษัท Tesla Motor ประเทศสหรัฐอเมริกา ดังแสดงในรูปที่ 6 ซึ่งเป็นรถหรู 5 ที่นั่ง มาตรฐานอเมริกัน ตัวรถยาวประมาณ 5 เมตร กว้าง 1.96 เมตร รถทั้งคันมีน้ำหนักรวม 2,108 กิโลกรัม ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟสลับ 2 ตัวสำหรับชุดล้อหน้าและชุดล้อหลัง (มอเตอร์ทั้งสองและชุด DC / AC inverter มีน้ำหนักรวมกันประมาณ 200-240 กิโลกรัม) [5] บริษัทโฆษณาว่ารถมีกำลัง 508 กิโลวัตต์ (แต่ผู้ที่เคยใช้แล้วค้านว่ามีกำลังจริงเท่ากับ 415 กิโลวัตต์เท่านั้น) แหล่งพลังงานคือชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยม-ไอออน (lithium-ion battery pack)  ที่ชาร์จไฟได้ใหม่ ซึ่งประกอบด้วยแบตเตอรี่ Panasonic จำนวน 7,104 ก้อน มีน้ำหนัก 600 กิโลกรัม (เฉพาะชุดแบตเตอรี่ที่มีพลังงานสะสม 60 kWh และ 85 kWh มีราคา 3.5 แสนบาท และ 4.2 แสนบาทตามลำดับ) ระบบทำความเย็นในห้องโดยสารใช้คอมเพรสเซอร์แบบ hermetic คล้ายๆที่ใช้กับตู้เย็น ดังกล่าวแล้วในหัวข้อที่ 3 แต่ใช้ไฟ 400 โวลต์  เมื่อชาร์จไฟเต็มที่มี driving range 374 - 427 กิโลเมตร (ขึ้นกับขนาดของแบตเตอรี่) การชาร์จเต็มที่ (สำหรับระยะทาง 427 กม.) ใช้เวลาไม่เกิน 9.5 ชั่วโมง ถ้าใช้ชุดชาร์จตัวเดียวและต่อกับไฟ 240 โวลต์ แต่ถ้าไปใช้บริการของสถานีชาร์จไฟของบริษัท ใช้เวลาประมาณ 1 ชม. จากตัวอย่างนี้จะเห็นได้ว่ารถ BEV มีจุดอ่อนที่เห็นชัดๆดังต่อไปนี้

 

  1. ชุดแบตเตอรี่หนักมาก ขุมกำลังของรถ Tesla Model S ซึ่งหมายถึงชุดมอเตอร์ไฟฟ้ารวมชุดแบตเตอรี่ของรถหนักประมาณ 780-840 กิโลกรัม ซึ่งหนักกว่า 2.5 เท่าของรถ ICE   รถรุ่นนี้จึงต้องพยายามลดน้ำหนักส่วนอื่นๆลงอย่างสุดกำลังเช่นมีโครงและตัวถังเป็นอลูมิเนียมเกือบทั้งหมด ซึ่งก็ย่อมจะแพงกว่าตัวถังเหล็กของรถทั่วไป และแม้แต่ยางอะไหล่ก็ไม่ได้แถมมาให้
  2. การชาร์จแบตเตอรี่เต็มที่แต่ละครั้งใช้เวลานานมากเมื่อเทียบกับรถ ICE ที่ใช้เวลาเติมน้ำมันเต็มถังไม่ถึง 5 นาที
  3. Driving range ต่อการชาร์จไฟ 1 ครั้ง ยังสั้นกว่าระยะทางมาตรฐาน 482 กิโลเมตรอยู่มาก กล่าวคือที่ทางบริษัทโฆษณาว่ามี driving range 427 กิโลเมตร สำหรับแบตเตอรี่ขนาด 85 kWh นั้นเป็นการทดสอบแบบที่ไม่เปิดแอร์ ดังนั้นถ้าเปิดแอร์ตลอด ระยะทางจะหดไป 25% - 40 % จึงเหลือ driving range เพียงประมาณ 256.2 – 320.3 กิโลเมตรเท่านั้น (ขับรถไป-กลับระหว่างจังหวัดเชียงใหม่ - เชียงรายในวันเดียวไม่ได้)

 

           จึงเห็นได้ว่านอกจากจะต้องมีการปรับปรุงหลายอย่างที่เกี่ยวกับแบตเตอรี่ของรถ BEV เช่น การเพิ่มอายุการใช้งาน การลดน้ำหนัก การเพิ่ม driving range และลดเวลาที่ใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่แล้ว การปรับปรุงเรื่องประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นเพื่อให้แบตเตอรี่ต้องสิ้นเปลืองกำลังไปในเรื่องนี้น้อยที่สุดก็มีความจำเป็นมากด้วย

 

5.แนวทางใหม่ของการทำความเย็นในรถBEV

            การทำความเย็นในรถ BEV จึงจำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาเพื่อหาวิธีการและเทคโนโลยีใหม่ที่มีประสิทธิภาพกว่าวิธีการและเทคโนโลยีเดิมนอกเหนือจากการใช้ฟิล์มกรองรังสีอินฟราเรดในแสงแดดคุณภาพสูงกับกระจกทุกด้าน

 

        ก) การทำความเย็นเฉพาะจุด

           การทำความเย็นในปัจจุบันใช้วิธีทำให้อากาศในห้องโดยสารทั้งห้องเย็นขึ้น ซึ่งไม่เป็นการประหยัดพลังงาน เพราะจากสถิติพบว่ารถยนต์ที่วิ่งกันอยู่ให้ขวักไขว่นั้น ใน 100 คัน มีถึง 70 คันที่มีผู้โดยสารคนเดียว คือคนขับ โอกาสที่มีผู้โดยสาร 2 คนมีเพียง 20 % และมีโอกาสเพียง 10 % หรือน้อยกว่าที่จะมีผู้โดยสารเกิน 3 คน ดังนั้นจึงเกิดมีความคิดเรื่องการทำความเย็นเฉพาะจุดที่ผู้โดยสารนั่ง (zonal cooling หรือ localized cooling) ตรงไหนไม่มีคนนั่งก็ปิดเสีย จากการค้นคว้าวิจัยของหลายกลุ่มพบว่า การทำความเย็นเฉพะจุดเช่นการเป่าลมเย็นใส่ที่ตัวคนโดยตรง (คล้ายที่ใช้บนเครื่องบิน หรือรถทัวร์) หรือการทำให้ที่นั่งเย็นก็สามารถทำให้คนขับ / ผู้โดยสารมีความสุขสบายได้เช่นกัน แต่ข้อดีก็คือประหยัดพลังงานกว่า ทั้งนี้เพราะไม่ต้องสูญเสียความเย็นให้กับส่วนอื่นๆภายในรถ

 

 

รูปที่ 7 ภาพวาดแสดงแนวคิดหนึ่งของเรื่องการทำความเย็นเฉพาะจุดในรถ BEV (ที่มารูป:http://www.electric-vehiclenews.com/2009/06/how-to-power-heating-and-ac-in-electric.html)

 

        ข) การใช้กระบวนการสร้างความเย็นแบบใหม่

            จากที่กล่าวมาข้างต้นทำให้สรุปได้ว่าเทคนิคการทำความเย็นแบบที่ใช้คอมเพรสเซอร์และน้ำยาแอร์มีข้อด้อยเรื่องการสิ้นเปลืองพลังงานมากเกินไปสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและการใช้น้ำยาแอร์ก็ยังมีปัญหาเรื่องการไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งสวนทางกับแนวโน้มของโลกอนาคต จึงจำเป็นต้องหาเทคโนโลยีใหม่ ในปัจจุบันเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจมากที่สุดคือเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริค (Thermoelectric technology)

 

            วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริคสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เมื่อตัววัสดุถูกทำให้มีอุณหภูมิแตกต่าง และในทางกลับกัน วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริคก็สามารถสร้างอุณหภูมิแตกต่างได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ปรากฏการณ์แรกมีชื่อเฉพาะว่า Seebeck effect ซึ่งตั้งตามชื่อของ Thomas Seebeck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้ในปีพ.ศ. 2364 ส่วนปรากฏการณ์หลังมีชื่อเฉพาะว่า Peltier effect ซึ่งตั้งตามชื่อของ Jean Peltier นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้ในปีพ.ศ. 2377 ปรากฏการณ์ทั้งสองนี้รวมเรียกว่า Thermoelectric effect หรือย่อสั้นๆว่า TE โดยปัจจุบัน Seebeck effect ถูกนำมาประยุกต์ใช้ทำแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า และ Peltier effect ถูกนำมาประยุกต์ใช้ทำเครื่องทำความร้อน หรือเครื่องทำความเย็น ซึ่งกรณีหลังเป็นเรื่องที่บทความนี้จะให้ความสำคัญเป็นพิเศษ

 

            ปัจจุบันเครื่องทำความเย็นที่ใช้หลักการนี้ ซึ่งเรียกว่า Peltier thermoelectric cooler หรือ Peltier cooler มีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 8(ก) คือเมื่อเอาสารกึ่งตัวนำเช่นบิสมัธเทลลูรายด์ (bismuth telluride หรือ Bi2Te3 ) ชนิด n (n-type) กับชนิด p (p-type) มาเข้าคู่กันโดยเชื่อมถึงกันด้วยแถบทองแดง เมื่อนำแหล่งจ่ายไฟตรงมาต่อให้ครบวงจรในทิศทางดังรูป ภายในเวลาไม่นาน จุดเชื่อม (junction) ด้านบนจะเย็นขึ้น ส่วนจุดเชื่อมด้านล่างจะร้อนขึ้น ดังนั้นโดยหลักการแล้วถ้าให้ด้านเย็น (cold side) สัมผัสกับวัตถุที่ต้องการทำให้เย็น และด้านร้อน (hot side) ติดอยู่กับแผงระบายความร้อน (heat sink) ที่มีพัดลมช่วยเป่าไม่ให้เกิดความร้อนสะสม ด้านเย็นก็จะทำหน้าที่ดูดความร้อนจากวัตถุอยู่อย่างนั้น ตราบเท่าที่ยังจ่ายไฟเลี้ยงให้ ในทางปฏิบัตินั้นใช้วิธีเพิ่มความสามารถในการทำความเย็น (cooling capacity) โดยการใช้คู่สารกึ่งตัวนำ p-n  ดังแสดงในรูปที่ 8(ก) หลายคู่มาต่อกันแบบอนุกรม (ทางไฟฟ้า) ดังแสดงในรูปที่ 8(ข) เรียกว่า Peltier module โดยพวกสารกึ่งตัวนำจะถูกขนาบอยู่ด้วยแผ่นอลูมินาเซรามิคบางแต่แข็ง 2 แผ่น ซึ่งเป็นตัวนำความร้อนและเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี  จากรูปที่ 8(ค)จะเห็นได้ว่า Peltier module มีขนาดกะทัดรัดมาก สามารถทำความเย็นได้โดยไม่ต้องอาศัยของเหลวใดๆ และไม่มีส่วนใดเลยที่เคลื่อนไหว จึงสามารถติดตั้งที่เบาะนั่งได้โดยสะดวก  ข้อดีอีกประการก็คือวัสดุที่ใช้ทำเบาะนั่ง (อย่างเช่นวัสดุจำพวกหนังสัตว์) มีสภาพการนำความร้อน (thermal conductivity) ดีกว่าอากาศถึงประมาณ 6 เท่า จึงเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนที่ดีกว่าอากาศมากเมื่อเกิดการสัมผัสโดยตรงกับตัวผู้โดยสาร

 

            มีการรายงานผลการทดลองของคณะนักวิจัยกลุ่มหนึ่งว่า การใช้ zonal cooling ร่วมกับ Peltier cooler ช่วยประหยัดพลังงานที่ต้องใช้ทำความเย็นให้ผู้โดยสารรู้สึกสบายได้ถึง 36.7 % และเชื่อมั่นว่ายังจะสามารถพัฒนาให้มีค่าเปอร์เซ็นต์สูงกว่านี้ได้อีก [6]

 

 

รูปที่ 8 (ก) ภาพวาดแสดงหลักการทำงานของ Peltier coolerที่ใช้สารกึ่งตัวนำชนิด p และชนิด n เพียง 1คู่:http://journal.frontiersin.org/article/10.3389 /fmats.2015.00058/full)

 

 

รูปที่ 8(ข) ภาพวาดแสดงการจัดวางแท่งสารกึ่งตัวนำชนิด p และชนิด n ใน Peltier module และการป้อนความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้ด้านบนเป็นด้านเย็น แต่ถ้าสลับขั้วไฟฟ้าให้เป็นตรงข้ามกับในรูป ด้านบนจะกลายเป็นด้านร้อน ส่วนด้านล่างจะกลายเป็นด้านเย็นแทน ซึ่งทำให้สะดวกมากต่อการนำมาใช้ทำเครื่องปรับอากาศในรถยนต์ในประเทศตะวันตก เพราะเป็นได้ทั้งเครื่องทำความร้อนในหน้าหนาว และเครื่องทำความเย็นในหน้าร้อน โดยเพียงแต่สลับขั้วไฟฟ้า (ที่มารูป:http://peltiermodules.com/)

 

 

 

รูปที่ 8(ค) ภาพถ่าย Peltier moduleที่ มีขายในท้องตลาดของผู้ผลิตรายหนึ่ง มีขนาด กว้าง x ยาว = 5.5 x 5.5 เซนติเมตร หนา 4.16 มิลลิเมตร หนักในเรือน 50 กรัม (ไม่รวม heat sink และพัดลมระบายความร้อน) ภายในมีคู่สารกึ่งตัวนำ p-n รวม 127 คู่ สำหรับกำลังไฟฟ้า 108 วัตต์ ใช้ความต่างศักย์ 33.1 โวลต์ กระแสไฟฟ้า 6.0 แอมแปร์ สามารถทำอุณหภูมิแตกต่างระหว่างด้านร้อนกับด้านเย็นได้ถึง 72 องศาเซลเซียส (ที่มารูป:https://thermal.ferrotec.com/products/peltier-thermoelectric-cooler-modules/high-power/)

 

            อย่างไรก็ตามสารกึ่งตัวนำดังกล่าวยังมีราคาแพง และ Peltier cooler ก็ยังมีประสิทธิภาพต่ำอยู่มากคือมีเพียง 5-10 % (เทียบกับระบบปัจจุบันที่ใช้คอมเพรสเซอร์ ซึ่งมีประสิทธิภาพ 40-60 % ) จึงต้องพึ่งพาการวิจัยและพัฒนาอีกสักระยะหนึ่ง  ปัจจุบันมีหลายทีมวิจัยกำลังค้นคว้าเรื่องนี้อยู่อย่างขะมักเขม้น เช่น ทีมนักวิจัยของ Technische Universität München (TUM) ประเทศเยอรมนี ที่ร่วมกับภาคเอกชนอีกหลายแห่ง เช่นบริษัท BMW AG, Daimler AG, Continental Automotive GmbH, InnoZ GmbH, Siemens AG เป็นต้น ดำเนินการโครงการวิจัย Visio.M ที่มีเป้าหมายคิดค้นวิธีทำความเย็น / ความอุ่นภายในห้องโดยสารยานยนต์ไฟฟ้าที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่สุด โดยการสนับสนุนทุนวิจัย  7.1 ล้านยูโร (ประมาณ 228.6 ล้านบาท) จาก Federal Ministry for Education and Research (BMBF) โครงการวิจัยนี้อยู่ภายใต้โปรแกรมวิจัยชื่อ “Key Technologies for Electric Mobility – STROM” ของ BMBF ที่มีงบประมาณรวม 10.1 ล้านยูโร (ประมาณ 325.2 ล้านบาท) และมีระยะเวลาสองปีครึ่ง [7]

 

6.สรุป

            อุตสาหกรรมยานยนต์สมัยใหม่ (Next-generation Automotive) เป็น 1 ใน 10 อุตสาหกรรมเป้าหมายที่รัฐบาลมุ่งหวังให้เป็นกลไกหนึ่งในการช่วยขับเคลื่อนเศรษฐกิจเพื่ออนาคต - เศรษฐกิจที่ขับเคลื่อนด้วยนวัตกรรม (Innovation Driven Economy) รัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม ดร. อรรชกา  สีบุญเรือง เคยกล่าวไว้ว่ารัฐบาลมีนโยบายอย่างชัดเจนที่จะส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าในประเทศ เพื่อรองรับไทยสู่การเป็นศูนย์กลางในการผลิตยานยนต์ไฟฟ้า ดำรงรักษาและต่อยอดสถานะภาพศูนย์กลางการผลิตยานยนต์ที่สำคัญแห่งหนึ่งของโลกที่ไทยครองอยู่ในปัจจุบัน

 

            อนึ่ง อุตสาหกรรมเครื่องปรับอากาศ เครื่องทำความเย็นและชิ้นส่วนประกอบก็เป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมสำคัญของประเทศที่มีฐานการผลิตที่เข้มแข็งเพราะมีพัฒนาการมากว่า 80 ปี จนปัจจุบันเป็นสินค้าส่งออกสำคัญ 10 อันดับแรกของประเทศไทย (มูลค่าการส่งออกของช่วงเดือนมกราคม – สิงหาคม พ.ศ. 2559 คือ 123,765.5 ล้านบาท[8])  และเป็นผู้เล่นหลักในเวทีโลกด้วย กล่าวคือมีส่วนแบ่งตลาดประมาณร้อยละ 9 ของตลาดโลก จัดเป็นผู้ส่งออกอันดับ 2 ของโลกรองจากจีน (ในปีพ.ศ. 2550) โดยมีประเทศคู่แข่งเช่นเม็กซิโกวิ่งไล่กวดมาแบบหายใจรดต้นคอ และเมื่อรวมกับความโน้มเอียงของโลกอนาคตในเรื่องของการประหยัดพลังงานและการเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมที่ทวีความเข้มข้นยิ่งขึ้นๆ  การต่อยอดอุตสาหกรรมนี้เพื่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ใหม่ๆด้วยการวิจัยและพัฒนา (R&D) ด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และนวัตกรรม (STI) เพื่อสร้างฐานการผลิตใหม่เพื่อสร้างโอกาสและความแข็งแกร่งในอนาคต จึงเป็นเรื่องที่มีความจำเป็นมากด้วยเช่นกัน

 

 

รูปที่ 9 ดร. อรรชกา  สีบุญเรือง  รัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรมกับ ดร. พิเชษฐ ดุรงคเวโรจน์ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ในงานแถลงข่าวร่วมการจัดทำมาตรฐานเต้ารับเต้าเสียบสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า เมื่อเดือนเมษายน พ.ศ. 2559 (ที่มารูป: http://www.manager.co.th/iBizchannel/ViewNews.aspx?NewsID=9590000035273)

 

            ภาครัฐประกอบด้วยหลายหน่วยงานเช่นกระทรวงอุตสาหกรรม กระทรวงพลังงาน และกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้ร่วมมือกันผลักดันหลายโครงการนำร่องแล้ว เช่น การจัดทำมาตรฐานเต้ารับเต้าเสียบสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า การทำวิจัยและพัฒนาต้นแบบระบบหรือชิ้นส่วนยานยนต์ไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ โครงสร้างน้ำหนักเบา และระบบกักเก็บพลังงานตามที่ได้กล่าวถึงแล้วตอนต้น ในส่วนของกระทรวงศึกษาธิการซึ่งเป็นขุมกำลังนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญอีกแห่งหนึ่งของชาติ ก็ได้ให้ความสำคัญกับยุทธศาสตร์นี้เช่นกัน ตัวอย่างหนึ่งก็คือโปรแกรมวิจัยเรื่อง “นวัตกรรมทางฟิสิกส์เพื่อการพัฒนาเทคโนโลยีระบบทำความเย็นและแหล่งพลังงานสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า” และ โปรแกรมวิจัยเรื่อง “นวัตกรรมทางฟิสิกส์เพื่อการพัฒนากระบวนการและผลิตภัณฑ์ทางอุตสาหกรรมใหม่” ของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์  หน่วยงานในกำกับของสำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.) ก็ประกอบด้วยโครงการวิจัยหลายเรื่องที่มีเป้าหมายร่วมกันในการช่วยพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆที่เกี่ยวกับยานยนต์ไฟฟ้า เช่น การพัฒนาเทคโนโลยี Thermoelectric และเทคโนโลยีอื่นๆที่มีความเป็นไปได้ เช่น Electrocaloric และ Magnetocaloric  เพื่อใช้ทำระบบทำความเย็นและแหล่งพลังงานแบบใหม่ของยานยนต์ไฟฟ้า รวมถึงการพัฒนาชิ้นส่วนสำคัญหนึ่งที่จะขาดไปไม่ได้ของยานยนต์ไฟฟ้าคือมอเตอร์ไฟฟ้า  โครงการวิจัยเหล่านี้จะทยอยเริ่มดำเนินการตั้งแต่ปีงบประมาณ 2560 เป็นต้นไป

 

            โครงการยานยนต์ไฟฟ้าของรัฐบาลพล อ. ประยุทธ์ จันทร์โอชา เป็นกลยุทธ์สำคัญหนึ่งของนโยบาย Thailand 4.0 ที่เน้นการขับเคลื่อนประเทศด้วยนวัตกรรม ปัญญา เทคโนโลยี และความคิดสร้างสรรค์ เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างการหารายได้ของประเทศ ของธุรกิจ และของประชาชน จากการทำงานมากได้เงินน้อย มาเป็นการทำงานน้อยแต่ได้เงินมาก [9]  ซึ่งภาคผู้ประกอบการมีส่วนอย่างสำคัญในความสำเร็จของโครงการยานยนต์ไฟฟ้าและนโยบาย Thailand 4.0 ไม่ใช่ขึ้นอยู่กับภาครัฐแต่ฝ่ายเดียว แต่ต้องเป็นผู้ประกอบการที่เน้นการขับเคลื่อนธุรกิจที่เน้นนวัตกรรม (Innovation Driven Enterprise) ที่ยอมลงทุนลงแรงที่จะพัฒนานวัตกรรมของตนขึ้นเอง  ดังที่ยกตัวอย่างกรณีโครงการ Visio.Mของประเทศเยอรมนี  ไม่ใช่คอยแต่จะซื้อนวัตกรรมหรือเทคโนโลยีจากต่างประเทศ แล้วมาผลิตในประเทศเท่านั้น

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] จากเว็บไซต์ :http://www.thansettakij.com/2016/03/04/35009

[2] “แผนมุ่งเป้าด้านการวิจัยและพัฒนาเพื่อสนับสนุนอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าของประเทศไทย”, สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, มีนาคม 2559.

[3] Anya Breitenbach, “Not Too Hot, Not To Cold”, Continuum, NREL, 2013, จากเว็บไซต์ : http://www.nrel.gov/continuum/sustainable_transportation/thermal_tech.html

http://www.tempronics.com/p_graphics/FY14%20NREL%20VSST%20Vehicle%20Test%20%26%20%20Evaluation-EDVCC%20-%20FNL.pdf

[4] A. Subiantoro, K. T. Ooi and U. Stimming, “Energy Saving Measures for Automotive Air Conditioning (AC) System in the Tropics”, Int. Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2014, Purdue e-Pubs, จากเว็บไซต์ : http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2360&context=iracc

 [5] “Tesla Model S Weight Distribution”, จากเว็บไซต์ : http://www.teslarati.com/tesla-model-s-weight/

 [6] Kuo-Huey Chen, et al., “Energy Efficiency Impact of Localized Cooling / Heating for Electric Vehicle”, SAE International, 2015,จากเว็บไซต์ : http://www.delphi.com/docs/default-source/2015-sae-technical-papers/energy-efficiency-impact-of-localized-cooling-heating-for-electric-vehicle.pdf?sfvrsn=2

 [7] “German Team Presents Efficient Air Conditioning for Electric Cars”, 13 April  2015, จากเว็บไซต์ : http://phys.org/news/2015-04-german-team-efficient-air-conditioning.html

[8] สถิติการค้าระหว่างประเทศของไทย-กระทรวงพาณิชย์, จากเว็บไซต์ : http://www2.ops3.moc.go.th/

 [9] ธนวรรธน์ พลวิชัย, แผนฯ 12 VS Thailand 4.0 (5)”, หนังสือพิมพ์ไทยโพสต์,คอลัมน์ เกาะติดเศรษฐกิจ,หน้า 6,วันที่ 19 กันยายน 2559.

บทความย้อนหลัง

การเป็นผู้นำตลาดของกระจกกอริลลา


เนเธอร์แลนด์กับเทคโนโลยีระดับโมเลกุลและนาโน


เบื้องหลังรางวัลจากการ R&D ผลึกเหลว


รถยนต์ไฟฟ้ากับระบบทำความเย็นแบบใหม่


เทคโนโลยีไมโครเวฟเพื่อชุมชนและ SME


ไมโครฟลูอิดิกส์...จากฟิสิกส์ของของไหลในท่อขนาดเล็กจิ๋วสู่นวัตกรรมการวินิจฉัยโรค


รางวัลนวัตกรรมยอดเยี่ยมประจำปี 2015 ของ IOP


บทเรียนจากการปฏิวัติอุตสาหกรรมการให้แสงสว่าง


รางวัลการประยุกต์ด้านฟิสิกส์เพื่ออุตสาหกรรม ประจำปี 2015


การทำงานด้านฟิสิกส์ : ทำไมไม่เลือกทั้งคู่


นักฟิสิกส์ที่ภาคอุตสาหกรรมต้องการ


รางวัล การประยุกต์ด้านฟิสิกส์เพื่ออุตสาหกรรม ประจำปี 2012 (Price for Industrial Applications of Physics)


รางวัล การประยุกต์ด้านฟิสิกส์เพื่ออุตสาหกรรม ประจำปี 2010 (Price for Industrial Applications of Physics)


บทความทั้งหมด