รถยนต์ไฟฟ้ากับระบบทำความเย็นแบบใหม่

1.คำนำ

ประสิทธิภาพ ความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและความมั่นคงทางพลังงานเป็นโจทย์หลักที่จะกำหนดทิศทางอุตสาหกรรมยานยนต์ในอนาคต รถยนต์หรือยานยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า (electric vehicle  หรือ EV) ตอบโจทย์ดังกล่าวได้เป็นอย่างดี นอกจากจะมีจุดเด่นเรื่องการไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกและเขม่าออกมาจากท่อไอเสียแล้ว รถ EV มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานจลน์ของยานยนต์ประมาณ 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 ล้านลิตรถูกคนใช้รถเผาทิ้งไปเปล่า ๆ ใน 1 วัน ซึ่งคิดเป็นการเผาเงินทิ้งเกือบ 675 ล้านบาท/วัน (ประเมินคร่าว ๆ ว่าน้ำมันมีราคา 25 บาท/ลิตร) หรือในเรือน 2 แสนล้านบาทในหนึ่งปี เงินจำนวนนี้สามารถเอาไปใช้ในโครงการพัฒนาคุณภาพชีวิตของประชาชน หรือสร้างพื้นฐานการพัฒนาประเทศหรือโครงการอื่น ๆ ที่มีประโยชน์ต่อส่วนรวมได้มากมาย  แนวโน้มของโลกอนาคตในเรื่องยานยนต์จึงไม่อาจชี้ไปในทิศอื่นใดได้นอกจากชี้ไปที่รถ EV  อาจมีข้อกังขาว่ารถ EV ช่วยแก้ปัญหาสภาวะโลกร้อนได้จริงหรือ เพราะเมื่อแห่มาใช้รถ EV กันมากขึ้น ย่อมต้องใช้ไฟฟ้ามากขึ้นโดยปริยาย ซึ่งการผลิตไฟฟ้า (จากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่นถ่านหินและน้ำมัน) ก็มักจะมีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วย เมื่อต้องผลิตไฟฟ้าหรือสร้างโรงไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ในที่สุดก็ไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาโลกร้อนแต่อย่างใด ในประเด็นนี้ผู้เขียนมีความเห็นว่า โรงไฟฟ้าเป็นสิ่งก่อสร้างที่ตั้งอยู่กับที่ การจะดัดแปลง ต่อเสริมเติมแต่งเพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิตไฟฟ้าให้สะอาดมากขึ้น ๆ ย่อมทำได้เสมอโดยไม่มีข้อจำกัดใด ๆ ขึ้นอยู่กับว่ามนุษย์มีสติปัญญาที่จะปรับปรุงเทคโนโลยีให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ๆ ได้หรือไม่ 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 หรือยานยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่สั้น ๆ ว่า “รถ BEV” ซึ่งย่อมาจากคำว่า battery-powered electric vehicle

 

2.ความจำเป็น

เคยได้ยินบางคนพูดไว้เมื่อช่วงฤดูร้อนที่เพิ่งผ่านมา (ฤดูร้อนปี พ.ศ. 2559 ที่บางจังหวัดร้อนถึง 44.3 องศาเซลเซียส) ว่า ถ้าซื้อรถใหม่ จะขอเน้นที่แอร์ดี ๆ เย็นๆ ผู้เขียนเคยมีประสบการณ์ตรง รถเก๋งที่เคยใช้มานาน พออายุมากขึ้นก็กลับกลายเป็นว่า ตอนหน้าหนาวแอร์ก็เย็นดีอยู่ แต่เมื่อตอนที่ต้องการ จริง ๆ คือในหน้าร้อน โดยเฉพาะช่วงเที่ยงตอนแดดกำลังเปรี้ยง ๆ กลับขับไป เหงื่อแตกไป ทั้ง ๆ ที่กำลังเปิดแอร์อยู่ เป็นเรื่องที่ทรมานมาก  นั่นคือมันเป็นข้อเท็จจริงว่าการขับรถในเมืองร้อนเช่นเมืองไทย นอกจากเรื่องราคาและคุณภาพเครื่องยนต์แล้ว เรื่องระบบทำความเย็นของรถก็มีความสำคัญมากด้วยเช่นกัน

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

ในกรณีของประเทศในเขตอบอุ่นและหนาว ภายในรถต้องมีระบบปรับอากาศทั้งสองแบบคือทั้งระบบทำความเย็นและระบบทำความร้อน โดยระบบทำความเย็นมีความสำคัญน้อยกว่าเพราะช่วงที่ร้อนจริง ๆ จนต้องเปิดแอร์ทำความเย็นมีเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้นในฤดูร้อน  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 เมื่อช่วงต้นปี พ.ศ. 2556

รูปที่ 2 ชุดแบตเตอรี่ของเครื่องบิน Boeing 787 Dreamliner ของสายการบิน JAL ของประเทศญี่ปุ่นที่เกิดการลุกไหม้ขึ้นเมื่อวันที่ 7 มกราคม พ.ศ. 2556 ขณะจอดอยู่ที่สนามบินนานาชาติ โลแกน เมืองบอสตัน ประเทศสหรัฐอเมริกา

(ที่มารูป :http://www.bloomberg.com/news/articles/2013-01-18/why-are-the-batteries-in-boeings-787-burning)

ในอีกแง่หนึ่งนั้นถ้าสามารถบริหารจัดการประสิทธิภาพการใช้พลังงานของรถ BEV ได้ดี ก็อาจสามารถลดจำนวนของแบตเตอรี่ลงได้ ซึ่งมีผลดีอีกหลายประการตามมา เช่น ลดอัตราการเสื่อมของแบตเตอรี่  ลดน้ำหนักของรถ ลดราคาของรถ และ รวมถึงลดความไม่สะดวกของผู้ใช้ในการที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่บ่อย ๆ เพราะปัจจุบันการชาร์จแบตเตอรี่แต่ละครั้งยังสิ้นเปลืองเวลากว่าการเติมน้ำมันมากมายหลายเท่า

 

3.ระบบทำความเย็นที่ใช้กันในปัจจุบัน

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

รูปที่ 3 (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  ดังแสดงในรูปที่ 3 แต่สำหรับคอมเพรสเซอร์ของแอร์รถยนต์ที่นิยมใช้กันในปัจจุบันเป็นแบบ swash plate compressor  ดังแสดงในรูปที่ 4 การเลื่อนเข้า-ออกของลูกสูบเกิดจากการกดของแผ่น swash plate ที่ติดแบบเอียง ๆ อยู่กับเพลา  การขับเคลื่อนให้เพลาหมุนไม่ได้ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า เพราะแบตเตอรี่ 12 V (DC) ที่ใช้กันในรถยนต์ทั่วไปไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ได้มากพอ คอมเพรสเซอร์ของแอร์รถยนต์จึงเป็นแบบ belt driven compressor คือ รับพลังงานจากเครื่องยนต์ผ่านทางสายพานคอมแอร์ที่คล้องผ่านเพลาของคอมเพรสเซอร์และเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์

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)

ดังนั้นเมื่อเปิดแอร์ในรถยนต์  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.จุดด้อยของรถ BEV ในปัจจุบัน

รูปที่ 6 รถ Tesla Model S ผลิตโดยบริษัท Tesla 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 แสนบาท ตามลำดับ) ระบบทำความเย็นในห้องโดยสารใช้คอมเพรสเซอร์แบบ hermetic คล้าย ๆ ที่ใช้กับตู้เย็น 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 มีจุดอ่อนที่เห็นชัด ๆ ดังต่อไปนี้

• ชุดแบตเตอรี่หนักมาก ขุมกำลังของรถ Tesla Model S ซึ่งหมายถึงชุดมอเตอร์ไฟฟ้ารวมชุดแบตเตอรี่ของรถหนักประมาณ 780 – 840 กิโลกรัม ซึ่งหนักกว่า 5 เท่าของรถ ICE รถรุ่นนี้จึงต้องพยายามลดน้ำหนักส่วนอื่น ๆ ลงอย่างสุดกำลังเช่นมีโครงและตัวถังเป็นอลูมิเนียมเกือบทั้งหมด ซึ่งก็ย่อมจะแพงกว่าตัวถังเหล็กของรถทั่วไป และแม้แต่ยางอะไหล่ก็ไม่ได้แถมมาให้
• การชาร์จแบตเตอรี่เต็มที่แต่ละครั้งใช้เวลานานมากเมื่อเทียบกับรถ ICE ที่ใช้เวลาเติมน้ำมันเต็มถังไม่ถึง 5 นาที
• 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 2 – 320.3 กิโลเมตรเท่านั้น (ขับรถไป – กลับระหว่างจังหวัดเชียงใหม่ – เชียงรายในวันเดียวไม่ได้)

จึงเห็นได้ว่านอกจากจะต้องมีการปรับปรุงหลายอย่างที่เกี่ยวกับแบตเตอรี่ของรถ BEV เช่น การเพิ่มอายุการใช้งาน การลดน้ำหนัก การเพิ่ม driving range และลดเวลาที่ใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่แล้ว การปรับปรุงเรื่องประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นเพื่อให้แบตเตอรี่ต้องสิ้นเปลืองกำลังไปในเรื่องนี้น้อยที่สุดก็มีความจำเป็นมากด้วย

 

5.แนวทางใหม่ของการทำความเย็นในรถ BEV

การทำความเย็นในรถ BEV จึงจำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาเพื่อหาวิธีการและเทคโนโลยีใหม่ที่มีประสิทธิภาพกว่าวิธีการและเทคโนโลยีเดิมนอกเหนือจากการใช้ฟิล์มกรองรังสีอินฟราเรดในแสงแดดคุณภาพสูงกับกระจกทุกด้าน

การทำความเย็นเฉพาะจุด

การทำความเย็นในปัจจุบันใช้วิธีทำให้อากาศในห้องโดยสารทั้งห้องเย็นขึ้น ซึ่งไม่เป็นการประหยัดพลังงาน เพราะจากสถิติพบว่ารถยนต์ที่วิ่งกันอยู่ให้ขวักไขว่นั้น ใน 100 คัน มีถึง 70 คันที่มีผู้โดยสารคนเดียว คือ คนขับ โอกาสที่มีผู้โดยสาร 2 คน มีเพียง 20% และมีโอกาสเพียง 10% หรือน้อยกว่าที่จะมีผู้โดยสารเกิน 3 คน ดังนั้นจึงเกิดมีความคิดเรื่องการทำความเย็นเฉพาะจุดที่ผู้โดยสารนั่ง (zonal cooling หรือ localized cooling) ตรงไหนไม่มีคนนั่งก็ปิดเสีย จากการค้นคว้าวิจัยของหลายกลุ่มพบว่า การทำความเย็นเฉพะจุด เช่น การเป่าลมเย็นใส่ที่ตัวคนโดยตรง (คล้ายที่ใช้บนเครื่องบิน หรือรถทัวร์) หรือการทำให้ที่นั่งเย็นก็สามารถทำให้คนขับ/ผู้โดยสารมีความสุขสบายได้เช่นกัน แต่ข้อดีก็คือประหยัดพลังงานกว่า ทั้งนี้เพราะไม่ต้องสูญเสียความเย็นให้กับส่วนอื่น ๆ ภายในรถ

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

การใช้กระบวนการสร้างความเย็นแบบใหม่

จากที่กล่าวมาข้างต้นทำให้สรุปได้ว่าเทคนิคการทำความเย็นแบบที่ใช้คอมเพรสเซอร์และน้ำยาแอร์มีข้อด้อยเรื่องการสิ้นเปลืองพลังงานมากเกินไปสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและการใช้น้ำยาแอร์ก็ยังมีปัญหาเรื่องการไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งสวนทางกับแนวโน้มของโลกอนาคต จึงจำเป็นต้องหาเทคโนโลยีใหม่ ในปัจจุบันเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจมากที่สุดคือเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริค (Thermoelectric technology)

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริคสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เมื่อตัววัสดุถูกทำให้มีอุณหภูมิแตกต่าง และในทางกลับกัน วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริคก็สามารถสร้างอุณหภูมิแตกต่างได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ปรากฏการณ์แรกมีชื่อเฉพาะว่า Seebeck Effect ซึ่งตั้งตามชื่อของ Thomas Seebeck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้ในปี พ.ศ. 2364 ส่วนปรากฏการณ์หลังมีชื่อเฉพาะว่า Peltier Effect ซึ่งตั้งตามชื่อของ Jean Peltier นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้ในปี พ.ศ. 2377 ปรากฏการณ์ทั้งสองนี้รวมเรียกว่า Thermoelectric Effect หรือย่อสั้น ๆ ว่า 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 เมื่อนำแหล่งจ่ายไฟตรงมาต่อให้ครบวงจรในทิศทางดังรูปที่ 8(ก) 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 โดยพวกสารกึ่งตัวนำจะถูกขนาบอยู่ด้วย แผ่นอลูมินาเซรามิคบางแต่แข็ง 2 แผ่น ซึ่งเป็นตัวนำความร้อนและเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี  จากรูปที่ 8(ค)จะเห็นได้ว่า Peltier module มีขนาดกะทัดรัดมาก สามารถทำความเย็นได้โดยไม่ต้องอาศัยของเหลวใด ๆ 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 1 คู่
(ดัดแปลงจาก: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 module ที่มีขายในท้องตลาดของผู้ผลิตรายหนึ่ง 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

อนึ่งอุตสาหกรรมเครื่องปรับอากาศ เครื่องทำความเย็น และชิ้นส่วนประกอบ ก็เป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมสำคัญของประเทศที่มีฐานการผลิตที่เข้มแข็งเพราะมีพัฒนาการมากว่า 80 ปี จนปัจจุบันเป็นสินค้าส่งออกสำคัญ 10 อันดับแรกของประเทศไทย (มูลค่าการส่งออกของช่วงเดือนมกราคม –สิงหาคม พ.ศ. 2559 คือ 123,765.5 ล้านบาท [8])  และเป็นผู้เล่นหลักในเวทีโลกด้วย กล่าวคือมีส่วนแบ่งตลาดประมาณร้อยละ 9 ของตลาดโลก จัดเป็นผู้ส่งออกอันดับ 2 ของโลกรองจากจีน (ในปี พ.ศ. 2550) โดยมีประเทศคู่แข่ง เช่น เม็กซิโกวิ่งไล่กวดมาแบบหายใจรดต้นคอ และเมื่อรวมกับความโน้มเอียงของโลกอนาคตในเรื่องของการประหยัดพลังงานและการเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมที่ทวีความเข้มข้นยิ่งขึ้น ๆ  การต่อยอดอุตสาหกรรมนี้เพื่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ด้วยการวิจัยและพัฒนา (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)

ภาครัฐประกอบด้วยหลายหน่วยงาน เช่น กระทรวงอุตสาหกรรม กระทรวงพลังงาน และกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้ร่วมมือกันผลักดันหลายโครงการนำร่องแล้ว เช่น การจัดทำมาตรฐานเต้ารับเต้าเสียบสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า การทำวิจัยและพัฒนาต้นแบบระบบหรือชิ้นส่วนยานยนต์ไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ โครงสร้างน้ำหนักเบา และระบบกักเก็บพลังงานตามที่ได้กล่าวถึงแล้วตอนต้น ในส่วนของกระทรวงศึกษาธิการซึ่งเป็นขุมกำลังนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญอีกแห่งหนึ่งของชาติ ก็ได้ให้ความสำคัญกับยุทธศาสตร์นี้เช่นกัน ตัวอย่างหนึ่งก็คือโปรแกรมวิจัยเรื่อง “นวัตกรรมทางฟิสิกส์เพื่อการพัฒนาเทคโนโลยีระบบทำความเย็นและแหล่งพลังงานสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า” และ โปรแกรมวิจัยเรื่อง “นวัตกรรมทางฟิสิกส์เพื่อการพัฒนากระบวนการและผลิตภัณฑ์ทางอุตสาหกรรมใหม่” ของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์  หน่วยงานในกำกับของสำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.) ก็ประกอบด้วยโครงการวิจัยหลายเรื่องที่มีเป้าหมายร่วมกันในการช่วยพัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับยานยนต์ไฟฟ้า เช่น การพัฒนาเทคโนโลยี Thermoelectric และเทคโนโลยีอื่น ๆ ที่มีความเป็นไปได้ เช่น Electrocaloric และ Magnetocaloric เพื่อใช้ทำระบบทำความเย็นและแหล่งพลังงานแบบใหม่ของยานยนต์ไฟฟ้า รวมถึงการพัฒนาชิ้นส่วนสำคัญหนึ่งที่จะขาดไปไม่ได้ของยานยนต์ไฟฟ้าคือมอเตอร์ไฟฟ้า  โครงการวิจัยเหล่านี้จะทยอยเริ่มดำเนินการตั้งแต่ปีงบประมาณ 2560 เป็นต้นไป

โครงการยานยนต์ไฟฟ้าของรัฐบาลพลเอกประยุทธ์ 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.M ของประเทศเยอรมนี  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.