รุ้ง: ความงามที่ธรรมชาติรังสรรค์

ระบบควบคุมและทดสอบการงานของเซลล์เชื้อเพลิง

PEMFC Test Station

SciNewS: นักวิทย์ตรวจพบไอน้ำจากดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

รูปเส้นเลือด

บักกี้บอลอาจช่วยรักษาโรคภูมิแพ้ได้ในอนาคต

อนุภาคระดับนาโนกับคุณสมบัติพิเศษในการยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาภูมิแพ้
Hayley Birch เรียบเรียง



อนุภาคระดับนาโนเมตรรูปทรงกลมคล้ายลูกบอลที่เรารู้จักกันดีในชื่อ “บักกี้บอล” อาจช่วยผู้ป่วยโรคภูมิแพ้ให้พ้นจากความทุกข์ทรมาน งานวิจัยได้รับการเปิดเผยขึ้น โดยมีการดัดแปลงบักกี้บอลเพื่อนำไปใช้ยับยั้งวิถีการตอบสนองอาการภูมิแพ้ในเซลล์ระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์

บักมินสเตอร์ฟูลเลอรีน (Buckminsterfullerenes) หรือบักกี้บอล เป็นโครงสร้างรูปตาข่ายทรงกลมขนาด 1-10 นาโนเมตร สร้างจากคาร์บอน 60 อะตอม มันได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุศาสตร์เป็นเวลาหลายปีแล้วในเรื่องของความแข็งแรง การที่มีน้ำหนักเบา พร้อมทั้งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่น่าดึงดูดใจ ทำให้มันได้รับความสนใจเพื่อนำมาใช้ทางการแพทย์เช่นกัน
เป็นที่ทราบกันดีว่า บักกี้บอลมีคุณสมบัติพิเศษในการเก็บกวาดรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์ (reactive oxygen species) หรือที่รู้จักกันในชื่อ “อนุมูลอิสระ” กลุ่มหนึ่ง ซึ่งอนุมูลอิสระมักจะสร้างความเสียหายอย่างรุนแรงในระบบทางชีวภาพ “C60 (บักกี้บอล) มีความชอบพออิเล็กตรอนอย่างมาก มันจับกับอิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นมันจึงสามารถหยุดการทำงานของอนุมูลอิสระได้โดยการทำให้เกิดความเป็นกลางทางไฟฟ้า” James Cross นักเคมีผู้วิจัยฟูลเลอรีน แห่งมหาวิทยาลัยเยล ในเมือง New Haven รัฐ Connecticut ได้อธิบาย การศึกษาก่อนหน้านี้ยังสนับสนุนให้เห็นว่าบักกี้บอลมีความสามารถในการปกป้องเซลล์ประสาทจากการทำลายของรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์อีกด้วย
Chris Kepley นักภูมิคุ้มกันวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียคอมมอนเวลท์ (Virginia Commonwealth University) ในเมืองริชมอนด์ แสดงความประหลาดใจว่าเจ้าลูกบอลคาร์บอนนี้ยังสามารถนำมาเป็นประโยชน์ในระบบภูมิคุ้มกัน

การทำปฏิกิริยาที่น่าตกตะลึง
ทีมงานของ Kepley ได้ทำวิจัยร่วมกับบริษัทวัสดุศาสตร์ในรัฐเวอร์จิเนียชื่อว่า Luna Innovations โดยได้ทดสอบเจ้าอนุภาคทรงกลมขนาดนาโนเมตรในรูปแบบที่ปรับปรุงโครงสร้างใหม่ในเซลล์มนุษย์และหนูไมส์ แม้ว่าสูตรโครงสร้างที่จำเพาะของเจ้าอนุภาคนี้ยังคงถูกเก็บเป็นความลับอยู่ในขณะนี้ แต่พวกเขาก็บอกว่ามันจะเพิ่มความสามารถในการทำงานได้โดยการเติมหมู่ข้างเคียงซึ่งจะทำให้ความสามารถในการละลายเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามงายวิจัยบางเรื่องบ่งชี้ให้เห็นว่าฟูลเลอรีนอาจเป็นพิษก็ได้ แต่ฟูลเลอรีนในรูปแบบที่ปรับปรุงนี้ไม่พบว่าทำให้เกิดผลเสียใดๆ Kepley กล่าว

ทางกลุ่มวิจัยได้นำ mast cell ซึ่งเป็นเซลล์ชนิดหนึ่งในระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์มาเลี้ยงในจานเพาะเชื้อ กลุ่มหนึ่งเลี้ยงไว้พร้อมกับบักกี้บอล อีกกลุ่มไม่มี จากนั้นนำเซลล์มาสัมผัสกับสารที่มีฤทธิ์ก่อภูมิแพ้ อาทิ ละอองเกสรดอกไม้ พบว่ากลุ่มที่ให้บักกี้บอลร่วมด้วยมีการหลั่งฮิสตามีนน้อยกว่ากลุ่มควบคุมถึง 50 เท่า อิสตามีนจัดเป็นสารเคมีตัวหนึ่งในร่างกายที่ตอบสนองในกระบวนการอักเสบและการหดเกร็งของทางเดินหายใจในโรคหอบหืด นอกจากนี้บักกี้บอลยังยับยั้งสารสื่อสารระหว่างเซลล์ (mediators) ชนิดอื่นๆกว่า 30-40 ชนิดที่เกี่ยวข้องในการตอบสนองต่ออาการภูมิแพ้อีกด้วย

เมื่อทำการฉีดบักกี้บอลเข้าไปในหนูไมส์ พบว่ามีการหลั่งฮิสตามินน้อยกว่ากลุ่มที่ไม่ฉีดเมื่อกระตุ้นด้วยสารก่อภูมิแพ้ ทีมวิจัยได้รายงานเรื่องนี้ในวารสาร the Journal of Immunology หนูกลุ่มที่ไม่ได้รับบักกี้บอลจะไวต่อการลดลงของอุณหภูมิในร่างกายอันเกี่ยวเนื่องมาจากการเกิด anaphylaxis ซึ่งเป็นการตอบสนองต่ออาการแพ้ที่เกิดขึ้นแบบเฉียบพลันและรุนแรง เป็นสาเหตุทำให้เสียชีวิตภายในเวลาไม่กี่นาที

“ฮิสตามีนไม่ได้เป็นสารที่ก่อให้เกิดปฏิกิรยาภูมิแพ้ทุกประเภท” Brian Lipworth ผู้เชี่ยวชาญด้านโรคภูมิแพ้แห่ง the Perth Royal Infirmary สก็อตแลนด์ ได้ย้ำเตือนในเรื่องนี้ และเขาจะคอยเฝ้าดูผลเมื่อนำมาศึกษาทางคลินิกในมนุษย์ “มันค่อนข้างน่าสนใจทีเดียว” “แต่เราจะต้องรอดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อโมเลกุลนี้นำมาทดสอบในอาสาสมัคร”

ออกซิเจนตัวร้ายที่หายไป
ยังไม่ทราบกลไกที่แท้จริงที่บักกี้บอลทำให้ mast cell หลั่งฮิสตามินลดลง “เรายังไม่ทราบแน่นอนว่าการหลั่งฮิสตามินนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร” Kepley กล่าว “เรารู้แต่เพียงว่ารีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์จะเพิ่มขึ้นไปพร้อมๆกับการหลั่งฮิสตามิน” เขากล่าวเพิ่มเติม ดังนั้นทฤษฎีการทำงานของบักกี้บอลที่ทางทีมงานคาดการณ์ไว้คือการที่มันไปจับอนุมูลอิสระเอาไว้ ทำให้ยับยั้งการตอบสนองต่ออาการภูมิแพ้ได้

เราทราบกันดีว่าสารต้านอนุมูลอิสระมีประโยชน์ในการช่วยลดการตอบสนองต่ออาการภูมิแพ้ แต่มันก็ไม่สามารถนำมารักษาอาการเหล่านี้ได้ทั้งหมด

ความคิดที่นำอนุภาคขนาดนาโนเมตรมาใช้จัดการกับโรคภูมิแพ้นั้นจึงเป็น “แนวทางใหม่” ที่ยังไม่เคยมีมาก่อน Clifford Bassett แพทย์ผู้เชี่ยวชาญด้านภูมิคุ้มกัน แห่งวิทยาลัยโรคภูมิแพ้หอบหืดและภูมิคุ้มกันอเมริกัน ในเมืองนิวยอร์ก ให้ความเห็น “ภูมิคุ้มกันวิทยาระดับนาโนเทคโนโลยี (nanoimmunology) เพิ่งจะเกิดขึ้นเมื่อไม่กี่ปีทีผ่านมานี้เอง”
Kepley เชื่อมั่นว่างานวิจัยของเขาจะได้ประโยชน์ในการรักษาเพื่อนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวางในโรคภูมิแพ้และโรคภูมิต้านทานเนื้อเยื่อตัวเอง ได้แก่ โรคข้ออักเสบ ปัจจุบันเขากำลังดำเนินการที่จะศึกษาผลทางคลินิกในมนุษย์ เพื่อพิสูจน์ว่าบักกี้บอลอาจควบคุมโรคอย่างอื่นในระบบภูมิคุ้มกันได้ เช่น ไข้ละอองฟาง (hay fever) หอบหืด และ มัลติเปิ้ล สเคลอโรซิส (multiple sclerosis) หรือโรคปลอกหุ้มเส้นประสาทหลุดลอก

References (ในข่าว)
Dugan, L. L. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 94 , 9434-9439 (1997).
Ryan, J. J. et al. J. Immunol. 179 , 665-672 (2007).

ที่มา
http://www.nature.com/news/2007/070702/full/070702-16.html

ถ้าจะถามว่าพลังงานนิวเคลียร์ ดีหรือร้ายอย่างไร ผู้คนส่วนหนึ่งอาจบอกว่า อันตราย! มหันตภัย ! หรือไฟประลัยกัลป์ล้างโลก !!!

แต่คงมีอีกหลายๆ คน บอกว่า ไม่รู้ซี ไม่เคยรู้จัก ความจริงเป็นอย่างไรก็ไม่รู้

คนในกลุ่มหลังนี้แหละ ที่ผมเห็นว่าเป็นผู้ที่มีเหตุ มีผล เพราะในเมื่อยังไม่รู้ ไม่เข้าใจ ก็ตอบตามความจริง ในขณะนั้น

หากพูดถึงหลักทางศาสนา ก็เข้ากับหลักการของศาสนาพุทธที่พระบรมศาสดาตรัสสอนมิให้เชื่อเรื่องราวต่างๆ ๑.โดยฟังตามกันมา ๒.โดยนำสืบกันมา ๓.โดยตื่นข่าวลือ ๔.โดยอ้างตำรา ๕.โดยนึกเดาเอา ๖.โดยคาดคะเน ๗.โดยตรึกตามอาการ ๘.โดยความพอใจว่าชอบแก่ความเห็นของตน ๙.โดยเห็นว่าพอเชื่อได้ ๑๐.โดยเห็นว่าผู้พูดเป็นครูของเรา แต่ให้สอบสวนจนรู้ได้ด้วยตนเอง (กาลามสูตร)

เรื่องราวของรังสีและนิวเคลียร์นั้น เป็นเรื่องทางวิทยาศาสตร์และเป็นความจริงตามธรรมชาติ ที่ไม่ยากต่อการทำความเข้าใจ หากได้สอบสวนทวนความจนรู้ได้ชัดเจน แต่นั่นก็คงหมายความว่า เราจะต้องรับฟังข้อมูลจากผู้รู้ต่างๆ ต้องใคร่ครวญหาเหตุผล ต้องเรียนรู้ตามครูสอน จนกระทั่งสรุปรู้แจ้งด้วยตนเองในที่สุด

ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงคำว่า พลังงานนิวเคลียร์ ส่วนหนึ่งที่พึงนำมาสอบสวนให้รู้ ก็คือ ให้รู้ว่า นิวเคลียร์นั้น คืออะไร มีประโยชน์ มีโทษ อย่างไร มีความจำเป็นจะต้องใช้ประโยชน์หรือไม่ และถ้าหากคิดจะใช้งานจะทำอย่างไร ให้ปลอดภัย

เคยเห็นกลอนบทหนึ่งกล่าวถึง รังสีและพลังงานนิวเคลียร์ไว้ซึ่งเมื่ออ่านแล้ว ทำให้สนใจใคร่รู้เกี่ยวกับรังสีขึ้นมาทันที บทกลอนนั้นมีอยู่ว่า

" เหตุเพราะว่ารังสีมองไม่เห็น
จึงเกิดเป็นเรื่องถกเถียงกันมากหลาย
บ้างก็ว่ารังสีอันตราย
ก่อเกิดเหตุเลวร้ายต่อผู้คน
แท้ที่จริงรังสีมีประโยชน์
มิใช่โทษดังว่าอย่าฉงน
หากรู้จักหลักการใช้ไร้กังวล
บังเกิดผลดีตลอดและปลอดภัย "

รังสี ก็คือพลังงานรูปแบบหนึ่ง ซึ่งมีทั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือกระแสของ"จุลอนุภาค" (sub-particle)ที่วิ่งด้วยความเร็วสูงใกล้เคียงกับความเร็วของแสง

พลังงานนิวเคลียร์หรือพลังงานปรมาณู (nuclear energy/ atomic energy) มีความหมายเดียวกันคือ พลังงานไม่ว่าในลักษณะใด ซึ่งเกิดจากการปลดปล่อยออกมาเมื่อมีการแยก รวมหรือแปลงนิวเคลียสของอะตอมพลังงานเหล่านั้นอาจเป็นพลังงานรังสีและพลังงานความร้อนอันมีผลโดยตรงจากการที่มวลสารเปลี่ยนสภาพเป็นพลังงานตามทฤษฎีสัมพัทธภาพแห่งสสารและพลังงาน ( E=mc²) ของ ไอน์สไตน์การเกิดพลังงานนิวเคลียร์นั้นมีได้ ๒ กรณี คือเกิดจากการที่สารกัมมันตรังสีสลายตัว(radioactive decay) และมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์(nuclear reaction)

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (Radioactive Decay) ได้แก่ สารรังสีหรือสารกัมมันตรังสีที่มีองค์ประกอบส่วนหนึ่งที่มีลักษณะเป็นไอโซโทปที่มีโครงสร้างปรมาณูไม่คงตัว จะสลายตัวโดยการปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปแบบของ รังสีแอลฟา บีตา และรังสีแกมมา รูปแบบใดรูปแบบหนึ่งมากกว่าหนึ่งรูปพร้อมๆ กัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์จำแนกได้ ๓ ลักษณะ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชัน (Nuclear Fission Reaction) จากการแตกตัวของนิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เช่น ยูเรเนียม, พลูโตเนียม เมื่อถูกชนด้วยนิวตรอนแล้วแตกออกเป็นสองเสี่ยง พร้อมกับมีอนุภาครังสีและพลังงานจำนวนมหาศาลถูกปลดปล่อยออกมาด้วย ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion Reaction) คือการหลอมตัวของนิวเคลียส ของอะตอมธาตุเบาๆ เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม รวมตัวกันกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุที่หนักขึ้น พร้อมกันนั้นก็มีอนุภาครังสีและพลังงานมหาศาลออกมาด้วย
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion Reaction) คือการหลอมตัวของนิวเคลียส ของอะตอมธาตุเบาๆ เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม รวมตัวกันกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุที่หนักขึ้น พร้อมกันนั้นก็มีอนุภาครังสีและพลังงานมหาศาลออกมาด้วย ปฏิกิริยาฟิวชันคือปฏิกิริยาที่เกิดในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ทั้งหลายซึ่งทำให้มีพลังงานมหาศาลกระจายออกมาสู่ห้วงจักรวาลนั่นเอง
ที่น่าสนใจก็คือว่า พลังงานนิวเคลียร์และรังสีนั้นสามารถนำไปใช้งานอะไรได้บ้าง
เหตุที่มีการนำรังสีไปใช้ในรังสีที่ใช้ในกิจการต่างๆ ก็เพราะรังสีมีคุณสมบัติพิเศษที่ทำให้มนุษย์นำไปใช้ประโยชน์ได้ เช่น ความสามารถในการแทรกซึมไปยังที่ต่างๆ ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยากับสิ่งมีชีวิต ความสามารถในการทำให้สสารเกิดเป็นไอออน และจากการที่รังสีมีพลังงานในตัวเอง

ซึ่งถ้าจะยกเฉพาะหัวข้อการใช้ประโยชน์จากรังสีและสารกัมมันตรังสีแยกเป็นกลุ่มๆ ก็สามารถจำแนกได้ดังนี้

การใช้สารรังสีในลักษณะของสารติดตาม (Radiation Tracer Material) ซึ่งมีการใช้งานอาทิเช่น

- การใช้สารกัมมันตรังสีเป็นสารติดตามในอุตสาหกรรม เช่น การวัดอัตราการไหลของของไหลในท่อ, การหารอยรั่ว, การหาอัตราส่วนการผสมสารและการศึกษาเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อม การที่สสารมีผลทำให้รังสีเปลี่ยนแปลง (Material affect Radiation) มีการใช้ประโยชน์อาทิ - การวัดความหนา และความหนาแน่นของวัสดุ
- การตรวจวัดระดับของเหลวในภาชนะปิด
- การหาความชื้นในดิน
- การถ่ายภาพทางรังสี
การที่รังสีไปทำให้สสารเกิดการเปลี่ยนแปลง (Radiation affect Material) ใช้ในงาน
- การใช้สารกัมมันตรังสีในการรักษาโรค เช่นการฉายรังสีรักษามะเร็งจากระยะไกล, การฝังสารกัมมันตรังสี, การฉีดเข้าเส้นเลือดหรือการดื่ม
- การวิเคราะห์ธาตุด้วยวิธีนิวตรอนแอคติเวชัน
- การวิเคราะห์ธาตุโดยเทคนิคเอกซเรย์ฟลูออเรสเซนซ์
- การฉายรังสีเพื่อถนอมอาหาร
- การฉายรังสีเพื่อปรับปรุงพันธุ์พืช
- การฉายรังสีเพื่อเพื่อฆ่าเชื้อในเครื่องมือการแพทย์
- การฉายรังสีเพื่อปรับปรุงคุณภาพวัสดุ เช่นยางธรรมชาติ และไม้เนื้ออ่อนเป็นต้น
การใช้สารกัมมันตรังสีเป็นแหล่งพลังงาน (Energy resources)
- เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งทำจากสารรังสี (Nuclear Batteries)
- โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (Nuclear Power Plant)

เมื่อรู้จักคุณของรังสีและสารกัมมันตรังสี ก็ควรจะเข้าใจถึงภัยหรือโทษของรังสีบ้าง เมื่อรังสีวิ่งเข้าชนสสารใดๆ ก็จะส่งถ่ายพลังงานเข้าสู่สสารนั้น หากสสารเป็นของแข็ง เช่น อิฐ หิน ดิน ทราย ก็จะมีการดูดซึมพลังงาน โดยไม่เห็นผลกระทบใดๆ ออกมา แต่ถ้ารังสีเข้าไปสู่เนื้อเยื่อของสิ่งที่มีชีวิต ซึ่งมีน้ำเป็นองค์ประกอบ พลังงานรังสีอาจมีผลกระทบได้ โดยอาจมีการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของเซลล์ที่มีชีวิตนั้นๆ ได้ อาทิเช่นรังสีในระดับความแรงรังสีต่ำๆ จัดเป็นเชื้อก่อมะเร็งในระดับอ่อนๆ แต่ก็ไม่มีข้อยืนยันที่ชัดเจนว่าความแรงรังสีเท่าใด จึงก่อมะเร็งได้

ส่วนรังสีระดับรังสีสูงเมื่อตกกระทบถึงเนื้อเยื่อที่มีชีวิต อาจทำให้เซลล์ชำรุด ไม่สามารถกลับคืนดีได้ ซึ่งจะทำให้เนื้อเยื่อของร่างกายผิดปกติ เช่น อาจเกิดอาการ ผิวหนังแดง ช้ำหรือไหม้ เซลล์เม็ดโลหิตลดน้อยลง เป็นต้น

เรื่องรังสีและพลังงานนิวเคลียร์นั้นเป็นเรื่องที่ "รังสี" เชื่อว่าประชาชนโดยทั่วไป ไม่ว่าชาวชนชาติไหนๆ ก็ตามยังมีความเข้าใจน้อยมาก ไม่ว่าจะเป็นประเทศที่มีความก้าวหน้าเพียงไรก็ตาม ทางการประเทศที่มีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ต่างๆ จึงจำเป็นต้องมีการประชาสัมพันธ์และพยายามที่จะสื่อสารความรู้ด้านนิวเคลียร์ต่อประชาชนอยู่เสมอ ประเทศที่ไม่ได้มีความมุ่งมั่นที่จะนำพลังงานนิวเคลียร์มาเป็นต้นกำเนิดพลังงานอย่างประเทศไทยเท่านั้นที่ไม่ได้เอาจริงเอาจังกับการสร้างความเข้าใจต่อประชาชน

ในปัจจุบันคนไทยมักจะได้รับรู้เรื่องรังสีและพลังงานนิวเคลียร์จากสื่อสารมวลชน โดยเฉพาะสื่อสิ่งพิมพ์ ในแง่มุมด้านลบ เช่นเรื่องราวน่าหวาดกลัวจากกากกัมมันตรังสี เรื่องราวอุบัติเหตุด้านนิวเคลียร์ ฯลฯ

เป็นเรื่องที่ไม่น่าประหลาดใจเลยที่ประชาชนกลัวรังสี เพราะ มนุษย์ปุถุชน ไม่สามารถมองเห็น ได้กลิ่น สัมผัสแตะต้อง และแม้แต่รู้สึกถึงได้

ผลจากรังสีนั้นไม่ได้เห็นผลในทันทีทันใด และกล่าวกันว่าอาจส่งผลให้เป็นหมัน หรือมีผลทางกรรมพันธุ์ได้

ประชาชนนั้นยังขาดความเข้าใจในเรื่องรังสีตามธรรมชาติขาดความเข้าใจด้านความเสี่ยงจากรังสี และแม้กระทั่งเรื่องการใช้ประโยชน์จากพลังงานและเทคโนโลยีนิวเคลียร์

ดังนั้นประชาชนควรจะได้รับการศึกษา ให้รู้ว่ารังสีนั้นคืออะไร มีอันตรายมากน้อยเพียงใด มีความเสี่ยงภัยอย่างไรบ้างและถ้านำมาใช้งานให้ปลอดภัยแล้วจะเป็นประโยชน์ต่อมนุษยชาติและมนุษยชนเพียงไร

เรื่องราวของรังสีและพลังงานนิวเคลียร์แท้จริงก็คือเรื่องธรรมชาติ เหมือนวิทยาศาสตร์อื่นๆ มนุษยชนในปัจจุบันมิได้เป็น "พระเจ้า" ที่สร้างโลก สร้างสสารหรือวัสดุพิเศษใหม่ๆ ขึ้นมา มนุษยชาติในปัจจุบัน นำ ดิน น้ำ ลม ไฟ มาศึกษาและปรุงแต่งเสียใหม่ ให้เห็นภาพโลกที่ใหม่ และทันสมัยมากยิ่งขึ้นๆเท่านั้นเอง

ที่มา: หนังสือนิวเคลียร์กับสังคมไทย โดย ปฐม แหยมเกตุ รองเลขาธิการ สำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ

ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับ UPS

ความหมายของ UPS UPS เป็นคำย่อมาจากคำว่า Uninterruptible Power Supply หรือ "เครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ" ถ้าแปลตรงตัว หมายถึง แหล่งจ่ายพลังงานต่อเนื่อง อาจกล่าวได้ว่า UPS ก็คือ อุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถทำการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ได้อย่างต่อเนื่องแม้ในเวลาที่เกิดไฟดับหรือเกิดปัญหาแรงดันไฟฟ้าผันผวนผิดปกติ โดย UPS จะทำการปรับระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่อยู่ในระดับที่ปลอดภัยต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ UPS มีหน้าที่หลัก คือ ป้องกันความเสียหายที่สามารถเกิดขึ้นกับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ (โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์เชื่อมต่อ) อันมีสาเหตุจากความผิดปกติของพลังงานไฟฟ้า เช่น ไฟตก, ไฟดับ, ไฟกระชากและไฟเกิน เป็นต้น รวมถึงมีหน้าที่ในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าสำรองจากแบตเตอรี่ให้แก่อุปกรณ์ไฟฟ้าหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์เมื่อเกิดปัญหาทางไฟฟ้า
หลักการทำงานทั่วไปของ UPS โดยทั่วไปแล้ว เมื่อ UPS รับพลังงานไฟฟ้าเข้ามา ไม่ว่าคุณภาพไฟฟ้าจะเป็นอย่างไรก็จะสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าได้เป็นปกติ รวมถึงทำการจ่ายพลังงานไฟฟ้าสำรองที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่ให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งหลักการของ UPS ก็คือ ใช้วิธีการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) แล้วเก็บสำรองไว้ในแบตเตอรี่ส่วนหนึ่ง และในกรณีที่เกิดปัญหาทางไฟฟ้า (เช่น ไฟดับ หรือคุณภาพไฟฟ้าผิดปกติ เป็นต้น) อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าที่รับมาได้ UPS ก็จะเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จากแบตเตอรี่ ให้กลายเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แล้วจึงจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าตามปกติ ส่วนประกอบสำคัญของ UPS UPS ประกอบไปด้วย เครื่องประจุแบตเตอรี่ (Charger) หรือ เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า AC เป็น DC (Rectifier) ทำหน้าที่รับกระแสไฟฟ้า AC จากระบบจ่ายไฟ แปลงเป็นกระแสไฟฟ้า DC จากนั้นประจุเก็บไว้ในแบตเตอรี่ เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter) ทำหน้าที่รับกระแสไฟฟ้า DC จากเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า AC เป็น DC หรือแบตเตอรี่ และแปลงเป็นกระแสไฟฟ้า AC สำหรับใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ แบตเตอรี่ (Battery) ทำหน้าที่เก็บพลังงานไฟฟ้าสำรองไว้ใช้ในกรณีเกิดปัญหาทางไฟฟ้า โดยจะจ่ายกระแสไฟฟ้า DC ให้กับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าในกรณีที่ไม่สามารถรับกระแสไฟฟ้า AC จากระบบจ่ายไฟได้ ระบบปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ (Stabilizer) ทำหน้าที่ปรับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่และสม่ำเสมออยู่ในระดับที่ปลอดภัยต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า
	ประโยชน์ของ UPS UPS สามารถช่วยป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ (โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ) อันเนื่องมาจากกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติได้ (เช่น จากความบกพร่องของระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าเอง หรือปรากฏการณ์ธรรมชาติ - ฝนตกฟ้าคะนอง พายุฝน หรือจากการรบกวนของอุปกรณ์ไฟฟ้าในอาคารที่ใช้กระแสไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ ฯลฯ) ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติในแต่ละประเภท อาจก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ ได้ โดย UPS จะทำหน้าที่ป้องกัน ดังนี้ จ่ายพลังงานไฟฟ้าสำรองให้แก่อุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ เมื่อเกิดไฟดับหรือไฟตก เพื่อให้มีเวลาสำหรับการ Save ข้อมูล และไม่ทำให้ floppy disk และ hard disk เสีย ปรับแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ไม่เป็นอันตรายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ เมื่อเกิดปัญหาทางไฟฟ้า เช่น ไฟตก, ไฟดับ, ไฟกระชาก และไฟเกิน เป็นต้น ป้องกันสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่สามารถสร้างความเสียหายต่อข้อมูลและอุปกรณ์ไฟฟ้าได้
ชนิดของ UPS UPS แบ่งออกเป็น 3 ชนิด ดังนี้ Offline UPS หรือ Standby UPS สภาวะไฟฟ้าปกติ อุปกรณ์ไฟฟ้า (Load) จะได้รับพลังงานไฟฟ้าจากระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้า (Main) จากการไฟฟ้าโดยตรง ในขณะเดียวกัน เครื่องประจุกระแสไฟฟ้า (Charger) จะทำการประจุกระแสไฟฟ้าให้กับแบตเตอรี่ไปด้วย แต่เวลาที่ไฟฟ้าดับ แบตเตอรี่จะจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter) เพื่อแปลงกระแสไฟฟ้าและจ่ายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยใช้ตัวสับเปลี่ยน (Transfer Switch) สำหรับเลือกแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าระหว่างระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าหรือเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า กรณีที่สภาวะไฟฟ้าปกติหรือกระแสไฟฟ้าผิดปกติเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่สั้นมากจนตัวสับเปลี่ยน (Transfer Switch) สลับแหล่งจ่ายไฟฟ้าไม่ทัน พลังงานไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าจะมาจากระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ดังนั้น ถ้าคุณภาพไฟฟ้าจากระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าไม่ดี (เช่น ไฟตก, ไฟดับ, ไฟกระชาก หรือมีสัญญาณรบกวน ฯลฯ) อุปกรณ์ไฟฟ้าก็จะได้รับพลังงานไฟฟ้าคุณภาพไม่ดีเช่นเดียวกัน เนื่องจาก UPS ชนิดนี้ถูกออกแบบให้ป้องกันกรณีเกิดไฟดับเพียงอย่างเดียวเท่านั้น ไม่สามารถป้องกันปัญหาแรงดันไฟฟ้าที่ผันผวนและสัญญาณรบกวนได้ จึงทำให้มีราคาถูกกว่า UPS ชนิดอื่นๆ และไม่เหมาะกับการใช้งานในบางพื้นที่ เช่น สถานที่ใกล้แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า อาทิ เขื่อน, สถานีไฟฟ้า และสถานีไฟฟ้าย่อย เป็นต้น รวมถึงไม่เหมาะกับการใช้งานในประเทศไทยด้วย เนื่องจากเกิดไฟตกบ่อยครั้ง คุณสมบัติของ Offline UPS หรือ Standby UPS ราคาถูก ป้องกันปัญหาไฟดับได้เพียงอย่างเดียว ไม่เหมาะสำหรับใช้งานในพื้นที่ที่อยู่ใกล้แหล่งกำเนิดไฟฟ้า, สถานีไฟฟ้า และโรงงานอุตสาหกรรม ฯลฯ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่และ UPS สั้น   Online Protection UPS หรือ Line Interactive UPS with Stabilizer จากผังแสดงการทำงาน จะพบว่า มีความคล้ายคลึงกับ Offline UPS มาก แต่จะมีส่วนที่เพิ่มขึ้นมา คือ ระบบปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ (Stabilizer) ในขณะที่สภาวะไฟฟ้าปกติ อุปกรณ์ไฟฟ้า (Load) จะได้รับพลังงานไฟฟ้าจากระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้า (Main) จากการไฟฟ้า โดยผ่านระบบปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัตินี้ ซึ่งจะมีหน้าที่รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ ป้องกันปัญหาไฟตก, ไฟเกิน และไฟกระชาก เป็นต้น พร้อมกันนี้ เครื่องประจุกระแสไฟฟ้า (Charger) ก็จะทำการประจุกระแสไฟฟ้าเก็บไว้ในแบตเตอรี่ เมื่อไฟฟ้าดับจะจ่ายพลังงานให้กับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter) ทำการแปลงกระแสไฟฟ้า และจ่ายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยใช้ตัวสับเปลี่ยน (Transfer Switch) สำหรับเลือกแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าระหว่างระบบปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติหรือเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า UPS ชนิดนี้ถูกพัฒนามาจาก Offline UPS โดยเพิ่มระบบป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงหรือต่ำอัตโนมัติ (Stabilizer) เพื่อป้องกันปัญหาทางไฟฟ้า ช่วยให้ UPS ไม่จำเป็นต้องจ่ายพลังงานไฟฟ้าสำรองจากแบตเตอรี่ทุกครั้งที่ไฟตกหรือไฟเกินไม่มากนัก Online Protection UPS หรือ Line Interactive UPS with Stabilizer จัดได้ว่าเป็น UPS ที่นิยมมากที่สุดในประเทศไทยขณะนี้ ราคาไม่แพงและคุณภาพไฟฟ้าที่ได้อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ คุณสมบัติของ Online Protection UPS หรือ Line Interactive UPS with Stabilizer ราคาไม่แตกต่างจาก Offline UPS หรือ Standby UPS เหมาะสำหรับใช้งานในพื้นที่ที่มีความผันผวนของแรงดันไฟฟ้ามากๆ เช่น ประเทศไทย, พม่า, ฟิลิปปินส์ และอินโดนีเซีย ฯลฯ ไม่เหมาะสำหรับนำไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีความไวต่อคุณภาพของกระแสไฟฟ้ามากๆ เช่น เครื่องมือแพทย์และเครื่องจักรในโรงงาน ฯลฯ มีระบบปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ (Stabilizer) เพื่อป้องกันปัญหาไฟเกินและไฟตก สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าบางอย่างที่ไม่เป็นอันตรายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้ายังสามารถผ่านเข้าไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่และ UPS ยาวนาน True Online UPS จากผังแสดงการทำงาน จะพบว่า True Online UPS เป็น UPS ที่มีศักยภาพสูงสุด กล่าวคือ เครื่องประจุกระแสไฟฟ้า (Charger) และเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter) จะทำงานตลอดเวลา ไม่ว่าคุณภาพไฟฟ้าจะเป็นอย่างไร ก็สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า (Load) ได้ตามปกติ ยกเว้นกรณีเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าเสีย จึงจะจ่ายพลังงานไฟฟ้าจากระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้า (Main) จากการไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้า (แต่ไม่ควรใช้งานต่อไปหากเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าเสีย) True Online UPS เป็น UPS ที่มีศักยภาพสูงที่สุดในจำนวน UPS ที่มีใช้งานอยู่ สามารถป้องกันปัญหาทางไฟฟ้าได้ทุกกรณี ไม่ว่าจะเป็น ไฟดับ, ไฟตก, ไฟเกิน หรือสัญญาณรบกวนใดๆ และให้คุณภาพไฟฟ้าที่ดี ด้วยเหตุนี้ จึงทำให้ UPS ชนิดนี้มีราคาสูงกว่า UPS ชนิดอื่นๆ คุณสมบัติของ True Online UPS ราคาค่อนข้างสูง มีศักยภาพสูงสุด สามารถป้องกันปัญหาทางไฟฟ้าได้ทุกกรณี ไฟฟ้ากระแสสลับที่อุปกรณ์ไฟฟ้าจะได้รับจาก UPS ชนิดนี้ จะเป็นไฟฟ้าที่มีคุณภาพสูง มีความเที่ยงตรงของระดับแรงดันไฟฟ้า และปราศจากสัญญาณรบกวนใดๆ กรณีไฟฟ้าดับหรือขาดช่วง UPS จะนำพลังงานสำรองในแบตเตอรี่มาแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อจ่ายให้แก่อุปกรณ์ไฟฟ้าได้ในทันที การนำ UPS ไปใช้งานด้านต่างๆ หากการใช้งานใดที่มีจุดประสงค์เพื่อสำรองพลังงานไฟฟ้าสำหรับจ่ายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคอมพิวเตอร์ ในเวลาที่เกิดไฟดับหรือไฟตก หรือเพื่อปรับแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ไม่เป็นอันตรายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า เมื่อเกิดปัญหาทางไฟฟ้า หรือเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่อาจสร้างความเสียหายต่อข้อมูลและอุปกรณ์ไฟฟ้า สามารถนำ UPS ไปใช้งานได้ เช่น ระบบงานคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ เช่น เครื่องพิมพ์, จอ, ลำโพง และโมเด็ม ฯลฯ สำนักงาน ระบบสื่อสาร, ระบบคอมพิวเตอร์, เครื่องจักร, อุปกรณ์สำนักงาน และอุปกรณ์ไฟฟ้า ฯลฯ โรงงานอุตสาหกรรม ระบบสื่อสาร, ระบบคอมพิวเตอร์, เครื่องจักร, เครื่องมือ-เครื่องใช้, เครื่องมือตรวจวัด และอุปกรณ์ไฟฟ้า ฯลฯ การแพทย์ เครื่องมือทางการแพทย์, เครื่องมือและอุปกรณ์ภายในห้องผ่าตัด ฯลฯ สื่อสารและโทรคมนาคม อุปกรณ์สื่อสาร และห้องควบคุมระบบโทรคมนาคม ฯลฯ การจัดการและประมวลผลข้อมูล ระบบประมวลผลและรายงานข้อมูลของธนาคารและตลาดหุ้น ฯลฯ บ้านพักอาศัย อุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิด เช่น โทรทัศน์, เครื่องเสียง, เครื่องรับวิทยุ และพัดลม ฯลฯ รวมถึงคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ หมายเหตุ: อุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ ที่จะนำมาใช้กับ UPS จะต้องใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่าหรือเท่ากับความสามารถในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าของ UPS ที่ต่ออยู่

ความรู้เกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์

ความหมายของ Solar Cell หรือ PV Solar Cell หรือ PV มีชื่อเรียกกันไปหลายอย่าง เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์สุริยะ หรือเซลล์ photovoltaic ซึ่งต่างก็มีที่มาจากคำว่า Photovoltaic โดยแยกออกเป็น photo หมายถึง แสง และ volt หมายถึง แรงดันไฟฟ้า เมื่อรวมคำแล้วหมายถึง กระบวนการผลิตไฟฟ้าจากการตกกระทบของแสงบนวัตถุที่มีความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง แนวความคิดนี้ได้ถูกค้นพบมาตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1839 แต่เซลล์แสงอาทิตย์ก็ยังไม่ถูกสร้างขึ้นมา จนกระทั่งใน ปี ค.ศ. 1954 จึงมีการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ และได้ถูกนำไปใช้เป็นแหล่งจ่ายพลังงานให้กับดาวเทียมในอวกาศ เมื่อ ปี ค.ศ. 1959 ดังนั้น สรุปได้ว่า เซลล์แสงอาทิตย์ คือ สิ่งประดิษฐ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน (Silicon), แกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ (Gallium Arsenide), อินเดียม ฟอสไฟด์ (Indium Phosphide), แคดเมียม เทลเลอไรด์ (Cadmium Telluride) และคอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ (Copper Indium Diselenide) เป็นต้น ซึ่งเมื่อได้รับแสงอาทิตย์โดยตรงก็จะเปลี่ยนเป็นพาหะนำไฟฟ้า และจะถูกแยกเป็นประจุไฟฟ้าบวกและลบเพื่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วทั้งสองของเซลล์แสงอาทิตย์ เมื่อนำขั้วไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ต่อเข้ากับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง กระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าสู่อุปกรณ์เหล่านั้น ทำให้สามารถทำงานได้

ชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์ แบ่งตามวัสดุที่ใช้เป็น 3 ชนิดหลักๆ คือ Single Crystalline Silicon Solar Cell Polycrystalline Silicon Solar Cell Amorphous Silicon Solar Cell เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอน ชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline Silicon Solar Cell) หรือที่รู้จักกันในชื่อ Monocrystalline Silicon Solar Cell และชนิดผลึกรวม (Polycrystalline Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็นแผ่นซิลิคอนแข็งและบางมาก เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากอะมอร์ฟัสซิลิคอน (Amorphous Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็นฟิล์มบางเพียง 0.5 ไมครอน (0.0005 มม.) น้ำหนักเบามาก และประสิทธิภาพเพียง 5-10% เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่น แกลเลี่ยม อาร์เซไนด์, แคดเมียม เทลเลอไรด์ และคอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ เป็นต้น มีทั้งชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline) และผลึกรวม (Polycrystalline) เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากแกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ จะให้ประสิทธิภาพสูงถึง 20-25% โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ โครงสร้างที่นิยมมากที่สุด ได้แก่ รอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำที่ราคาถูกที่สุดและมีมากที่สุดบนโลก คือ ซิลิคอน จึงถูกนำมาสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ โดยนำซิลิคอนมาถลุง และผ่านขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ จนกระทั่งทำให้เป็นผลึก จากนั้นนำมาผ่านกระบวนการแพร่ซึมสารเจือปนเพื่อสร้างรอยต่อพีเอ็น โดยเมื่อเติมสารเจือฟอสฟอรัส จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (เพราะนำไฟฟ้าด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ) และเมื่อเติมสารเจือโบรอน จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพี (เพราะนำไฟฟ้าด้วยโฮลซึ่งมีประจุบวก) ดังนั้น เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็นมาต่อกัน จะเกิดรอยต่อพีเอ็นขึ้น โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน อาจมีรูปร่างเป็นแผ่นวงกลมหรือสี่เหลี่ยมจัตุรัส ความหนา 200-400 ไมครอน (0.2-0.4 มม.) ผิวด้านรับแสงจะมีชั้นแพร่ซึมที่มีการนำไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าด้านหน้าที่รับแสงจะมีลักษณะคล้ายก้างปลาเพื่อให้ได้พื้นที่รับแสงมากที่สุด ส่วนขั้วไฟฟ้าด้านหลังเป็นขั้วโลหะเต็มพื้นผิว หลักการทำงานทั่วไปของเซลล์แสงอาทิตย์ เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ จะเกิดการสร้างพาหะนำไฟฟ้าประจุลบและบวกขึ้น ได้แก่ อิเล็กตรอนและ โฮล โครงสร้างรอยต่อพีเอ็นจะทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าภายในเซลล์ เพื่อแยกพาหะนำไฟฟ้าชนิดอิเล็กตรอนไปที่ขั้วลบ และพาหะนำไฟฟ้าชนิดโฮลไปที่ขั้วบวก (ปกติที่ฐานจะใช้สารกึ่งตัวนำชนิดพี ขั้วไฟฟ้าด้านหลังจึงเป็นขั้วบวก ส่วนด้านรับแสงใช้สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น ขั้วไฟฟ้าจึงเป็นขั้วลบ) ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าแบบกระแสตรงที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เมื่อต่อให้ครบวงจรไฟฟ้าจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลขึ้น ตัวอย่าง เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 นิ้ว จะให้กระแสไฟฟ้าประมาณ 2-3 แอมแปร์ และให้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดประมาณ 0.6 โวลต์ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ไม่มากนัก ดังนั้นเพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้ามากเพียงพอสำหรับใช้งาน จึงมีการนำเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆ เซลล์มาต่อกันเป็น เรียกว่า แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Modules) ลักษณะการต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นอยู่ว่าต้องการกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า การต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบขนาน จะทำให้ได้กระแสไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น การต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบอนุกรม จะทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ขั้นตอนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystal) หรือ Monocrystalline มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้ นำซิลิคอนที่ถลุงได้มาหลอมเป็นของเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 1400 °C แล้วดึงผลึกออกจากของเหลว โดยลดอุณหภูมิลงอย่างช้าๆ จนได้แท่งผลึกซิลิคอนเป็นของแข็ง แล้วนำมาตัดเป็นแว่นๆ นำผลึกซิลิคอนที่เป็นแว่น มาแพร่ซึมด้วยสารเจือปนต่างๆ เพื่อสร้างรอยต่อพีเอ็นภายในเตาแพร่ซึมที่มีอุณหภูมิประมาณ 900-1000 °C แล้วนำไปทำชั้นต้านการสะท้อนแสงด้วยเตาออกซิเดชั่นที่มีอุณหภูมิสูง ทำขั้วไฟฟ้าสองด้านด้วยการฉาบไอโลหะภายใต้สุญญากาศ เมื่อเสร็จเรียบร้อยแล้วจะต้องนำไปทดสอบประสิทธิภาพด้วยแสงอาทิตย์เทียม และวัดหาคุณสมบัติทางไฟฟ้า   เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนชนิดผลึกรวม (Polycrystalline) มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้ นำซิลิคอนที่ถลุงและหลอมละลายเป็นของเหลวแล้วมาเทลงในแบบพิมพ์ เมื่อซิลิคอนแข็งตัว จะได้เป็นแท่งซิลิคอนเป็นแบบผลึกรวม แล้วนำมาตัดเป็นแว่นๆ จากนั้นนำมาแพร่ซึมด้วยสารเจือปนต่างๆ และทำขั้วไฟฟ้าสองด้านด้วยวิธีการเช่นเดียวกับที่สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนชนิดผลึกเดี่ยว   เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากที่ทำจากอะมอร์ฟัสซิลิคอน มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้ ทำการแยกสลายก๊าซไซเลน (Silane Gas) ให้เป็นอะมอร์ฟัสซิลิคอน โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่อง Plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) เป็นการผ่านก๊าซไซเลนเข้าไปในครอบแก้วที่มีขั้วไฟฟ้าความถี่สูง จะทำให้ก๊าซแยกสลายเกิดเป็นพลาสมา และอะตอมของซิลิคอนจะตกลงบนฐานหรือสแตนเลสสตีลที่วางอยู่ในครอบแก้ว เกิดเป็นฟิล์มบางขนาดไม่เกิน 1 ไมครอน (0.001 มม.) ขณะที่แยกสลายก๊าซไซเลน จะผสมก๊าซฟอสฟีนและไดโบเรนเข้าไปเป็นสารเจือปน เพื่อสร้างรอยต่อพีเอ็นสำหรับใช้เป็นโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ การทำขั้วไฟฟ้า มักใช้ขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงที่ทำจาก ITO (Indium Tin Oxide)   เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากแกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้ ขั้นตอนการปลูกชั้นผลึก ใช้เครื่องมือ คือ เตาปลูกชั้นผลึกจากสถานะของเหลว (LPE; Liquid Phase Epitaxy) ขั้นตอนการปลูกชั้นผลึกที่เป็นรอยต่อเอ็นพี ใช้เครื่องมือ คือ เครื่องปลูกชั้นผลึกด้วยลำโมเลกุล (MBE; Molecular Beam Epitaxy) ลักษณะเด่นของเซลล์แสงอาทิตย์ ใช้พลังงานจากธรรมชาติ คือ แสงอาทิตย์ ซึ่งสะอาดและบริสุทธิ์ ไม่ก่อปฏิกิริยาที่จะทำให้สิ่งแวดล้อมเป็นพิษ เป็นการนำพลังงานจากแหล่งธรรมชาติมาใช้อย่างคุ้มค่าและไม่มีวันหมดไปจากโลกนี้ สามารถนำไปใช้เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ทุกพื้นที่บนโลก และได้พลังงานไฟฟ้าใช้โดยตรง ไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงอื่นใดนอกจากแสงอาทิตย์ รวมถึงไม่มีการเผาไหม้ จึงไม่ก่อให้เกิดมลภาวะด้านอากาศและน้ำ ไม่เกิดของเสียขณะใช้งาน จึงไม่มีการปล่อยมลพิษทำลายสิ่งแวดล้อม ไม่เกิดเสียงและไม่มีการเคลื่อนไหวขณะใช้งาน จึงไม่เกิดมลภาวะด้านเสียง เป็นอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่กับที่ และไม่มีชิ้นส่วนใดที่มีการเคลื่อนไหวขณะทำงาน จึงไม่เกิดการสึกหรอ ต้องการการบำรุงรักษาน้อยมาก อายุการใช้งานยืนยาวและประสิทธิภาพคงที่ มีน้ำหนักเบา ติดตั้งง่าย เคลื่อนย้ายสะดวกและรวดเร็ว เนื่องจากมีลักษณะเป็นโมดูล จึงสามารถประกอบได้ตามขนาดที่ต้องการ ช่วยลดปัญหาการสะสมของก๊าซต่างๆ ในบรรยากาศ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์, ซัลเฟอร์ไดออกไซด์, ไฮโดรคาร์บอน และก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ ฯลฯ ซึ่งเป็นผลจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงจำพวกน้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ ล้วนแล้วแต่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เกิดปฏิกิริยาเรือนกระจก ทำให้โลกร้อนขึ้น เกิดฝนกรด และอากาศเป็นพิษ ฯลฯ อุปกรณ์สำคัญของระบบการผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้ากระแสตรง จึงนำกระแสไฟฟ้าไปใช้ได้เฉพาะกับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรงเท่านั้น หากต้องการนำไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับหรือเก็บสะสมพลังงานไว้ใช้ต่อไป จะต้องใช้ร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ อีก โดยรวมเข้าเป็นระบบที่ผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์สำคัญๆ มีดังนี้ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Module) ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเป็นไฟฟ้ากระแสตรงและมีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt) มีการนำแผงเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆ เซลล์มาต่อกันเป็นแถวหรือเป็นชุด (Solar Array) เพื่อให้ได้พลังงานไฟฟ้าใช้งานตามที่ต้องการ โดยการต่อกันแบบอนุกรม จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า และการต่อกันแบบขนาน จะเพิ่มพลังงานไฟฟ้า หากสถานที่ตั้งทางภูมิศาสตร์แตกต่างกัน ก็จะมีผลให้ปริมาณของค่าเฉลี่ยพลังงานสูงสุดในหนึ่งวันไม่เท่ากันด้วย รวมถึงอุณหภูมิก็มีผลต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้า หากอุณหภูมิสูงขึ้น การผลิตพลังงานไฟฟ้าจะลดลง   เครื่องควบคุมการประจุ (Charge Controller) ทำหน้าที่ประจุกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์เข้าสู่แบตเตอรี่ และควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้าให้มีปริมาณเหมาะสมกับแบตเตอรี่ เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ รวมถึงการจ่ายกระแสไฟฟ้าออกจากแบตเตอรี่ด้วย ดังนั้น การทำงานของเครื่องควบคุมการประจุ คือ เมื่อประจุกระแสไฟฟ้าเข้าสู่แบตเตอรี่จนเต็มแล้ว จะหยุดหรือลดการประจุกระแสไฟฟ้า (และมักจะมีคุณสมบัติในการตัดการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า กรณีแรงดันของแบตเตอรี่ลดลงด้วย) ระบบพลังงานแสงอาทิตย์จะใช้เครื่องควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้าในกรณีที่มีการเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในแบตเตอรี่เท่านั้น   แบตเตอรี่ (Battery) ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไว้ใช้เวลาที่ต้องการ เช่น เวลาที่ไม่มีแสงอาทิตย์ เวลากลางคืน หรือนำไปประยุกต์ใช้งานอื่นๆ แบตเตอรี่มีหลายชนิดและหลายขนาดให้เลือกใช้งานตามความเหมาะสม   เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter) ทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าจากกระแสตรง (DC) ที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เพื่อให้สามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ แบ่งเป็น 2 ชนิด คือ Sine Wave Inverter ใช้ได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับทุกชนิด และ Modified Sine Wave Inverter ใช้ได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่มีส่วนประกอบของมอเตอร์และหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่เป็น Electronic ballast   ระบบป้องกันฟ้าผ่า (Lightning Protection) ทำหน้าที่ป้องกันความเสียหายที่เกิดกับอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อฟ้าผ่า หรือเกิดการเหนี่ยวนำทำให้ความต่างศักย์สูง ในระบบทั่วไปมักไม่ใช้อุปกรณ์นี้ จะใช้สำหรับระบบขนาดใหญ่และมีความสำคัญเท่านั้น รวมถึงต้องมีระบบสายดินที่มีประสิทธิภาพด้วย การประยุกต์ใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ในด้านต่างๆ การนำพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นพลังงานจากธรรมชาติมาทดแทนพลังงานรูปแบบอื่นๆ ได้รับความสนใจและเป็นที่นิยมมากขึ้น สามารถนำมาใช้ให้เกิดประโยชน์อย่างมากมายในการดำรงชีวิต รวมถึงไม่เป็นการทำลายสิ่งแวดล้อม เช่น บ้านพักอาศัย ระบบแสงสว่างภายในบ้าน, ระบบแสงสว่างนอกบ้าน (ไฟสนาม, ไฟโรงจอดรถ และโคมไฟรั้วบ้าน ฯลฯ), อุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดต่างๆ , ระบบเปิด-ปิดประตูบ้าน, ระบบรักษาความปลอดภัย, ระบบระบายอากาศ, เครื่องสูบน้ำ, เครื่องกรองน้ำ และไฟสำรองยามฉุกเฉิน ฯลฯ ระบบสูบน้ำ อุปโภค, สาธารณูปโภค, ฟาร์มเลี้ยงสัตว์, เพาะปลูก, ทำสวน-ไร่, เหมืองแร่ และชลประทาน ฯลฯ ระบบแสงสว่าง โคมไฟป้ายรถเมล์, ตู้โทรศัพท์, ป้ายประกาศ, สถานที่จอดรถ, แสงสว่างภายนอกอาคาร และไฟถนนสาธารณะ ฯลฯ ระบบประจุแบตเตอรี่ ไฟสำรองไว้ใช้ยามฉุกเฉิน, ศูนย์ประจุแบตเตอรี่ประจำหมู่บ้านในชนบทที่ไม่มีไฟฟ้าใช้, แหล่งจ่ายไฟสำหรับใช้ในครัวเรือนและระบบแสงสว่างในพื้นที่ห่างไกล ฯลฯ ทำการเกษตร ระบบสูบน้ำ, พัดลมอบผลผลิตทางการเกษตร และเครื่องนวดข้าว ฯลฯ เลี้ยงสัตว์ ระบบสูบน้ำ, ระบบเติมออกซิเจนในบ่อน้ำ (บ่อกุ้งและบ่อปลา) และแสงไฟดักจับแมลง ฯลฯ อนามัย ตู้เย็น/กล่องทำความเย็นเพื่อเก็บยาและวัคซีน, อุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์ สำหรับหน่วยอนามัย, หน่วยแพทย์เคลื่อนที่ และสถานีอนามัย ฯลฯ คมนาคม สัญญาณเตือนทางอากาศ, ไฟนำร่องทางขึ้น-ลงเครื่องบิน, ไฟประภาคาร, ไฟนำร่องเดินเรือ, ไฟสัญญาณข้ามถนน, สัญญาณจราจร, โคมไฟถนน และโทรศัพท์ฉุกเฉิน ฯลฯ สื่อสาร สถานีทวนสัญญาณไมโครเวฟ, อุปกรณ์โทรคมนาคม, อุปกรณ์สื่อสารแบบพกพา (เช่น วิทยุสนามของหน่วยงานบริการและทหาร) และสถานีตรวจสอบอากาศ ฯลฯ บันเทิงและพักผ่อนหย่อนใจ แหล่งจ่ายไฟฟ้าสำหรับบ้านพักตากอากาศในพื้นที่ห่างไกล, ระบบประจุแบตเตอรี่แบบพกพาติดตัวไปได้ และอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ให้ความบันเทิง ฯลฯ พื้นที่ห่างไกล ภูเขา, เกาะ, ป่าลึก และพื้นที่สายส่งการไฟฟ้าเข้าไม่ถึง ฯลฯ อวกาศ ดาวเทียม

ไฟฟ้าคืออะไร อุปกรณ์ไฟฟ้าที่อยู่รอบๆ ตัวเรา ไม่ว่าจะเป็น อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ภายในบ้าน อุปกรณ์สำนักงาน ตลอดจนเครื่องมือ เครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรม ล้วนแต่ต้องอาศัยพลังงานจากไฟฟ้าทั้งสิ้น ดังนั้น เราควรมาทำความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้าให้มากยิ่งขึ้น คำถามแรกที่ต้องค้นหาคำตอบก็คือ "ไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร"

ความรู้เกี่ยวกับกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC)

แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสตรง คือ แหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ไม่มีการเปลี่ยนทิศทางการไหลของกระแสในช่วงการจ่าย ตัวอย่าง เช่น แบตเตอรี่และแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ฯลฯ แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ คือ แหล่งพลังงานไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนทิศทางการไหลของกระแสในช่วงการจ่ายเป็นระยะๆ กระแสสลับที่แท้จริงมีลักษณะเป็นรูปคลื่นที่ความถี่ 50 Hz หรือ 60 Hz ตัวอย่าง เช่น ไฟฟ้าจากระบบสายส่งการไฟฟ้า กำลังไฟฟ้าที่อุปกรณ์ไฟฟ้าต้องการใช้ กำลังไฟฟ้าที่อุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรงใช้ คำนวณได้จาก ความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ใช้ไป กำลังไฟฟ้าที่อุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับจะมีความซับซ้อนมากกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง เพราะทิศทางการไหลของกระแสจะเปลี่ยนไปเมื่อเวลาเปลี่ยนแปลงไป ด้งนั้น การหาค่าความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าและค่ากระแส จึงต้องคิดในรูปของรากของกำลังสองเฉลี่ย (RMS) เพื่อกำจัดการเปลี่ยนทิศทางการไหลของกระแส อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้กำลังไฟฟ้ากระแสสลับแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ Linear load ตัวอย่างเช่น หลอดไส้ (Incandescent lamp) Non-linear load ตัวอย่างเช่น หลอดฟลูออเรสเซนต์, อิเล็กทรอนิกส์บัลลาสต์, คอมพิวเตอร์, จอคอมพิวเตอร์ และโทรทัศน์ เป็นต้น อุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละประเภทจะมีลักษณะของการใช้กระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ภาพต่อไปนี้แสดงคุณสมบัติของการใช้กระแสไฟฟ้าของ Linear load และ Non-linear load   ลักษณะการใช้กระแสไฟฟ้าของหลอดไส้ (Incandescent lamp) Power factor = 1 ลักษณะการใช้กระแสไฟฟ้าของชุดคอมพิวเตอร์ Power factor = 0.52 วัตต์ และวีเอ คืออะไร วัตต์ (Watt)  คือ หน่วยของกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ วีเอ (VA) คือ หน่วยของกำลังไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับ Non-linear load ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ เป็น Non-linear load หน่วยในการวัดค่ากำลังไฟฟ้าจึงเป็น วีเอ (VA) UPS เป็นอุปกรณ์ที่จ่ายไฟฟ้าให้กับคอมพิวเตอร์ในขณะที่ไฟฟ้ามีปัญหา ดังนั้น จึงควรใช้หน่วยในการวัดค่ากำลังไฟฟ้าจึงควรใช้หน่วยเดียวกัน คือ วีเอ (VA) การวัดค่ากำลังไฟฟ้ากระแสสลับหน่วยเป็นวัตต์ ในการวัดค่ากำลังไฟฟ้ากระแสสลับของอุปกรณ์ไฟฟ้า จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Power meter ซึ่งจะวัดแรงดันและกระแสในเวลาเดียวกัน และคำนวณกำลังไฟฟ้าเป็นหน่วยวัตต์ ภาพต่อไปนี้แสดงการวัดค่ากำลังไฟฟ้าของคอมพิวเตอร์ จอ 17" โดยใช้ Power meter การวัดค่ากำลังไฟฟ้ากระแสสลับหน่วยเป็นวีเอ สามารถวัดค่ากำลังไฟฟ้ากระแสสลับของคอมพิวเตอร์ จอ 17" ได้โดยวัดค่าแรงดัน (RMS) และค่ากระแส (RMS) แล้วนำมาคูณกัน และคำนวณกำลังไฟฟ้าเป็นหน่วยวีเอ ความสัมพันธ์ระหว่างค่ากำลังไฟฟ้ากระแสสลับหน่วยเป็นวัตต์และวีเอ Power factor คือ ตัวเลขที่บ่งบอกถึงความเบี่ยงเบนระหว่างกระแสไฟฟ้าและแรงดันของอุปกรณ์ไฟฟ้า มีค่าระหว่าง 0 ถึง 1 Power factor ของ Linear load           = 1 Power factor ของ Non-linear load     < 1 ตัวอย่างการคำนวณค่า Power factor ของคอมพิวเตอร์จอ 17" เป็นดังนี้ วัตต์ = วีเอ X Power factor 132 = 252.23 X Power factor Power factor   = 132 / 252.23 Power factor = 0.523

ปัญหาทางไฟฟ้า

ปัจจุบันอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์มีบทบาทสำคัญมาก มีการนำมาใช้อย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ส่วนใหญ่จะมีความไวต่อความผิดปกติของกระแสไฟฟ้าที่ได้รับสูงมาก ดังนั้น สิ่งที่มักจะเกิดขึ้นอยู่เสมอและยากที่จะหลีกเลี่ยงได้ก็คือ ผลกระทบต่างๆ ที่เกิดขึ้นจากปัญหาทางไฟฟ้า เช่น การชำรุดและเสียหายของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ หรือการสูญหายของข้อมูลที่สำคัญ รวมถึงการสูญเสียเวลา ตลอดจนโอกาสทางธุรกิจ จากที่กล่าวมาจะเห็นได้ชัดเจนว่า ผลกระทบที่เกิดจากปัญหาทางไฟฟ้านี้ก่อให้เกิดความเสียหายได้อย่างมากมายมหาศาลเลยทีเดียว
การได้เข้าใจถึงสาเหตุและผลกระทบของการเกิดปัญหาทางไฟฟ้าชนิดต่างๆ จะช่วยให้สามารถเตรียมความพร้อมเพื่อรับมือกับปัญหาทางไฟฟ้าและป้องกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นได้

ไฟฟ้าตก (Sag หรือ Brownout)

ไฟฟ้าตก คือ สภาวะที่แรงดันไฟฟ้าลดต่ำลงจากปกติในช่วงเวลาสั้นๆ นับว่าเป็นปัญหาทางไฟฟ้าที่พบบ่อยที่สุด
สาเหตุ เกิดจากการเปิดสวิตช์อุปกรณ์บางชนิดที่ต้องการใช้กระแสไฟฟ้ามาก เช่น มอเตอร์, ปั๊มน้ำ, เครื่องปรับอากาศ, ลิฟต์ และเครื่องมือเครื่องจักร เป็นต้น อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการกระแสไฟฟ้ามากในการติดเครื่องเมื่อเทียบกับการทำงานในภาวะปกติ ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าในสายส่งการไฟฟ้าฯ ลดต่ำลง
ผลกระทบ ทำให้เกิดการหยุดชะงักของระบบการทำงานของคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์บางส่วนชำรุดเสียหายได้ จะส่งผลให้ข้อมูลสูญหาย นอกจากนี้ยังลดประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า และอายุการใช้งานก็ลดต่ำลงด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งมอเตอร์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า

หมายเหตุ:

สัญญาณคลื่นซายน์ (Sine Wave) คือ รูปแสดงสภาวะของแหล่งจ่าย ถ้าแหล่งจ่ายทำการจ่ายกระแสไฟฟ้าอย่างปกติ แรงดันไฟฟ้าและความถี่จะแสดงเป็นสัญญาณดังรูปข้างล่าง

ไฟฟ้าดับ (Blackout)

ไฟฟ้าดับ คือ สภาวะที่กระแสไฟฟ้าหยุดไหล
สาเหตุ เกิดจากความต้องการกระแสไฟฟ้าจากสายส่งการไฟฟ้าฯ ที่มากเกินไป, เกิดไฟฟ้าลัดวงจรในสายส่ง, พายุฟ้าคะนอง, แผ่นดินไหว และปัญหาที่เกิดกับสายส่งการไฟฟ้าฯ เช่น เสาไฟฟ้าล้ม หรือหม้อแปลงระเบิด ฯลฯ ซึ่งส่งผลให้ไม่สามารถจ่ายไฟจากการไฟฟ้าให้ได้
ผลกระทบ การทำงานของ RAM หยุดชะงักทันที ทำให้ข้อมูลปัจจุบันสูญหายได้ รวมถึงการบันทึกข้อมูลของตารางการจัดการแฟ้ม (FAT) สูญหายได้ มีผลให้ข้อมูลที่เก็บไว้ทั้งหมดสูญหายได้

ไฟฟ้ากระชาก (Spike)

ไฟฟ้ากระชาก คือ สภาวะที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างกะทันหัน โดยสามารถเข้าไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ทั้งจากสายส่งการไฟฟ้าฯ เครือข่ายสื่อสาร และสายโทรศัพท์
สาเหตุ เกิดจากฟ้าผ่าในบริเวณใกล้เคียง หรืออาจเกิดจากสายส่งการไฟฟ้าฯ ที่หยุดการทำงานไปและกลับมาทำงานใหม่อย่างกะทันหัน
ผลกระทบ สร้างความเสียหายหรือทำลายชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ รวมถึงข้อมูลเกิดการสูญหาย

ไฟฟ้าเกิน (Surge)

ไฟฟ้าเกิน คือ สภาวะที่มีแรงดันไฟฟ้าไหลมามากเกินในช่วงเวลาสั้นๆ (1/120 วินาที)
สาเหตุ เกิดจากการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์กินไฟมาก เช่น เครื่องปรับอากาศ หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าภายในบ้านอื่นๆ ที่ลักษณะใกล้เคียงกัน ฯลฯ เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้เมื่อหยุดทำงาน แรงดันไฟฟ้าส่วนหนึ่งที่เหลืออยู่ในมอเตอร์ จะไหลกลับเข้าไปในสายส่งการไฟฟ้าฯ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงเกิน
ผลกระทบ ทำให้ชิ้นส่วนอุปกรณ์ภายในเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติหรือเสียหายได้ รวมถึงหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์สูญหายและคลาดเคลื่อน, Power supply เสียหาย และการทำงานของระบบสื่อสารผิดพลาด

สัญญาณรบกวน (Noise)

สัญญาณรบกวน คือ สัญญาณรบกวนที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) ซึ่ง 2 สัญญาณเหล่านี้จะไปรบกวนสัญญาณคลื่นซานย์ (Sine Wave) ของสายส่งการไฟฟ้าฯ
สาเหตุ เกิดขึ้นได้จากปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ (เช่น ฟ้าผ่า), การเปิด-ปิดสวิตช์อุปกรณ์ไฟฟ้า, เครื่องส่งวิทยุ และอุปกรณ์ต่างๆ ในโรงงานอุตสาหกรรม โดยสัญญาณรบกวนอาจเกิดขึ้นเป็นระยะๆ หรืออาจเกิดอย่างสม่ำเสมอก็ได้
ผลกระทบ ทำให้การประมวลผลของโปรแกรมและแฟ้มข้อมูลทำงานผิดพลาดและเกิดข้อบกพร่อง

เพื่อให้เกิดความเข้าใจในเรื่องของ UPS มากยิ่งขึ้น ผู้อ่านควรมีความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ UPS เช่น คำศัพท์ต่างๆ ตลอดจนเทคโนโลยีของ UPS ดังนี้ VA (วีเอ) เป็นหน่วยวัดกำลังไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีการใช้กระแสไฟฟ้าแบบไม่เป็นเชิงเส้น (Non-Linear Load) ตัวอย่างเช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ และจอสี 17 นิ้ว จะใช้งานที่แรงดันไฟฟ้า 220 V และใช้กระแสไฟฟ้า 1.5 A ดังนั้น จะมีขนาดกำลังเป็น 220 x 1.5 = 330 VA   โหลด (Load) หมายถึง อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่อพ่วงอยู่กับ UPS    Power Watcher เป็นระบบตรวจสอบระดับการใช้พลังงานของโหลดตลอดเวลา เพื่อให้มั่นใจว่า เมื่อใดที่เกิดปัญหาทางไฟฟ้าขึ้น UPS จะสามารถทำการสำรองพลังงานไฟฟ้าให้กับโหลดทั้งหมดที่ต่ออยู่ในขณะนั้นได้อย่างเพียงพอ และจะทำให้ผู้ใช้งานสามารถต่อโหลดเพิ่มได้มากเท่าที่ต้องการ จนกว่าเครื่องจะเตือนว่าถูกใช้งานจนเกินกำลัง (Overload)    Battery Watcher (Battery Replacement Indicator) เป็นระบบตรวจสอบสภาพของแบตเตอรี่ ซึ่งจะทำการเตือนให้ผู้ใช้งานทราบเมื่อถึงเวลาที่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่    Digital/Microprocessor Control (Digital UPS) เป็น UPS ซึ่งใช้ Microprocessor ในการควบคุมการทำงานจึงมีข้อดี คือสามารถป้องกันปัญหาทางไฟฟ้าต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำกว่า UPS ทั่วไป แต่หากเทคโนโลยีของการออกแบบไม่ดีพอ หรือใช้ Microprocessor คุณภาพต่ำ จะทำให้การทำงานของ UPS ประเภทนี้ขาดเสถียรภาพ (Unstable) และเครื่องหยุดทำงาน (Hang) ได้บ่อย   หมายเหตุ: LEONICS ULTRA Series, ULTRA SINE Series และ Ultimate-X ใช้ Advance LEONICS's Microprocessor ซึ่งผลิตออกมาเป็นพิเศษเพื่อลีโอนิคส์โดยเฉพาะ ในการควบคุมการทำงานจึงทำให้สามารถป้องกันปัญหาทางไฟฟ้าต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ และมีเสถียรภาพสูง    Fast Charging เป็นระบบการประจุไฟฟ้า (Charge) ลงในแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้สามารถประจุแบตเตอรี่เต็มได้เร็วขึ้น ซึ่งในกรณีนี้ผู้ออกแบบ UPS จะต้องมีความเชี่ยวชาญและใช้เทคโนโลยีชั้นสูงในการควบคุมการทำงานของระบบประจุไฟฟ้าเท่านั้น จึงจะทำให้แบตเตอรี่ไม่เกิดความบอบช้ำหรือเสียหาย   หมายเหตุ: LEONICS ULTRA Series และ ULTRA SINE Series ได้รับการออกแบบมาเป็นอย่างดี โดยวิศวกรผู้เชี่ยวชาญพิเศษ และใช้ระบบ 3 Stage Charger (Bulk - Boost - Float) จึงสามารถทำการประจุแบตเตอรี่เต็มได้เร็วขึ้น โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่เสียหาย และยังสามารถป้องกันการจ่ายกระแสไฟฟ้า (Discharge) ออกจากแบตเตอรี่ด้วยระบบการประจุแบตเตอรี่ให้เต็มอยู่ตลอดเวลาอีกด้วย จึงสามารถมั่นใจได้ว่าพลังงานไฟฟ้าสำรองของ UPS จะอยู่ในภาวะที่พร้อมและเพียงพอที่จะถูกนำมาใช้งานได้อยู่ตลอดเวลา    Intelligent Battery Management: IBM เป็นระบบที่ทำหน้าที่ในการบริหารแบตเตอรี่ทั้งในภาวะประจุและจ่ายกระแสไฟฟ้า (Charge and Discharge) ทำให้สามารถสำรองพลังงานไฟฟ้าได้นานขึ้น และยังช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่อีกด้วย   หมายเหตุ: LEONICS ULTRA Series และ ULTRA SINE Series มีระบบนี้   Backup Time/Runtime เป็นระยะเวลาที่ UPS สามารถทำการจ่ายกระแสไฟฟ้าทดแทนให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าในกรณีที่ไม่สามารถรับกระแสไฟฟ้าจากระบบจ่ายไฟฟ้า ได้ เช่น ไฟบ้านดับ โดยมีหน่วยเป็นนาที ซึ่งการคำนวณ Backup Time จะนับจากเวลาที่ไฟดับจนถึงเวลาที่ UPS ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่จนหมด   LAN I/F หรือ Communication Port เป็นอุปกรณ์สำหรับส่งสัญญาณหรือข้อมูลระหว่าง UPS และคอมพิวเตอร์    Schedule Shutdown, Restart and Self-Testing เป็นคุณสมบัติของ UPS ชนิดที่มีพอร์ตสัญญาณเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ และจำเป็นต้องใช้งานร่วมกับซอฟต์แวร์ที่สนับสนุนการทำงานของ UPS หรือ UPS Monitoring and Managing Software เท่านั้น (ซอฟต์แวร์ที่ใช้งานร่วมกับ LEONICS UPS คือ Easy-Mon X) ซึ่งคุณสมบัติโดยทั่วไปของ UPS เมื่อใช้งานร่วมกับซอฟต์แวร์ เหล่านี้ คือ สามารถตั้งเวลาที่จะทำการ Shutdown หรือ Restart คอมพิวเตอร์ และ UPS ได้ สำหรับคุณสมบัติของ LEONICS UPS เมื่อใช้งานร่วมกับซอฟต์แวร์ Easy-Mon มีดังนี้ แสดงสถานะการทำงานของ UPS และสถานะของไฟฟ้าที่จ่ายจากระบบจ่ายไฟฟ้าของการไฟฟ้าได้ทางหน้าจอคอมพิวเตอร์ ตั้งเวลา Shutdown หรือ Restart คอมพิวเตอร์ และ UPS (Option) ตั้งเวลาทดสอบ UPS (Option) บันทึกข้อมูลผลของ Self Testing และปัญหาทางไฟฟ้าต่างๆ ที่เกิดขึ้น (Option) ส่งข้อมูลผลของ Self Testing และปัญหาทางไฟฟ้าต่างๆ ที่เกิดขึ้นไปยังเครื่องแฟกซ์ (Option) บันทึกไฟล์งานข้อมูลอัตโนมัติก่อน Shutdown คอมพิวเตอร์ คุณสมบัติเมื่อใช้งานร่วมกับ Plug-In ของซอฟต์แวร์ Easy-Mon X มีดังนี้ รายงานสถานะทางไฟฟ้าและข้อมูลทางไฟฟ้า สามารถตรวจสอบสถานะทางไฟฟ้าต่างๆ ทั้งแบบกราฟิกและตัวเลข ตั้งเวลาเปิด-ปิดคอมพิวเตอร์และ UPS ล่วงหน้า (Schedule Shutdown and Restart) ตั้งตารางเวลาการทดสอบ UPS ล่วงหน้า (Schedule Self-Test) เก็บบันทึกรายละเอียดเหตุการณ์ทางไฟฟ้าต่างๆ ที่เกิดขึ้น และยังสามารถตรวจสอบข้อมูลย้อนหลังได้ (Event Log and Data Log) สามารถเลือกสั่งให้ทำการบันทึกไฟล์ข้อมูลโดยอัตโนมัติ และยังสามารถเลือกวิธีปิดคอมพิวเตอร์ได้ถึง 3 แบบ คือ Normal Shutdown, Force Shutdown และ Hibernate Shutdown สามารถทำงานบนระบบเครือข่ายที่ใช้ระบบปฏิบัติการต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ (Windows 95/98/ME, Windows NT/2000/XP, Linux (Redhat 7.0, 7.1, 7.2/ Mandrake 8.0, 8.1, 8.2) และ UNIX (HP, Sun Solaris))   AC Start System เป็นระบบ UPS ที่จะสามารถเปิดเครื่องให้ทำงานได้โดยต้องเสียบปลั๊ก Input ของ UPS เข้ากับไฟบ้านเสียก่อน โดยเครื่องจะ Start ได้ก็ต่อเมื่อมีแรงดันไฟฟ้า 220 Volt จ่ายเข้าสู่ตัวเครื่องเท่านั้น   DC Start System เป็นระบบ UPS ที่จะสามารถเปิดเครื่องให้ทำงานได้โดยไม่ต้องต่อเข้ากับไฟบ้านก่อน เพราะ UPS จะทำการดึงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จากแบตเตอรี่มาใช้ในการทำงานได้โดยทันที   No Load Shut Down เป็นคุณสมบัติหนึ่งของ UPS ซึ่งจะหยุดทำงานเองเมื่อพบว่าไฟดับ ในขณะที่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่ไม่ได้ถูกใช้งาน ซึ่งจะเป็นการประหยัดพลังงานไฟฟ้าของแบตเตอรี่ เพื่อสำรองไว้ใช้ในเวลาจำเป็นจริงๆ เท่านั้น แต่มีข้อเสีย คือ กรณีที่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่ใช้กระแสไฟน้อยมาก UPS ก็จะหยุดการทำงานไปเลย ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่ขาดกระแสไฟฟ้ากะทันหัน และอาจเกิดความเสียหายได้ (ใน LEONICS Line Interactive UPS with stabilizer ทุกรุ่นมีคุณสมบัตินี้อยู่ และที่ดีกว่านั้นก็คือ ผู้ใช้งานสามารถเลือกได้ว่าต้องการให้คุณสมบัตินี้ทำงานหรือไม่ โดยเลือกจากสวิตช์ด้านหลังเครื่องเท่านั้น)   Low Battery Shut Down (Automatic Shut Down) เป็นอีกคุณสมบัติหนึ่งของ UPS โดยทั่วไปมักจะมีอยู่ในทุกเครื่อง โดย UPS จะหยุดทำงานเมื่อตรวจสอบได้ว่ามีการใช้งานจนแบตเตอรี่มีแรงดันต่ำจนอาจเป็นอันตรายต่อแบตเตอรี่เอง ซึ่งระบบนี้จะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ (LEONICS UPS มีคุณสมบัตินี้อยู่ทุกรุ่น)   Auto - Charging System เป็นระบบการประจุ (Charge) แบตเตอรี่อัตโนมัติ โดยเสียบสาย Input แต่ไม่ต้องเปิดสวิตช์ ซึ่ง UPS ระบบนี้จะทำงานอยู่ตลอดเวลาที่มีการเสียบปลั๊กต่อกับไฟบ้าน ไม่ว่าจะเปิดสวิตช์หรือไม่ก็ตาม ดังนั้นหากเทคโนโลยีที่ใช้ในการควบคุมระบบประจุแบตเตอรี่ไม่ดีพอ หรือใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ที่ไม่ได้มาตรฐาน อาจทำให้เกิดอุบัติเหตุไฟไหม้ได้ เช่น กรณีผู้ใช้งานลืมถอดปลั๊กไฟหลังจากเลิกใช้งาน เนื่องจาก UPS ไม่มีการเตือนใดๆ ว่า กำลังทำงานอยู่ (LEONICS ULTRA Series UPS มีระบบ Auto - Charging ที่ควบคุมการทำงานโดย IBM : Intelligent Battery Management ซึ่งเป็นระบบบริหารแบตเตอรี่ที่ชาญฉลาดที่สุดในปัจจุบัน ดังนั้น ผู้ใช้งานจึงสามารถไว้วางใจได้ในเรื่องความปลอดภัยของการใช้งาน)   Magnetic Breaker เป็นอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟฟ้าเกินกำลัง หรือกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเช่นเดียวกับฟิวส์ แต่สามารถใช้งานได้หลายครั้ง เพราะตั้งค่าการทำงานใหม่ได้ (Reset) ข้อดี คือ ไม่ต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ฯ เหมือนฟิวส์ แต่ในขณะเดียวกัน Magnetic Breaker ที่ใช้ต้องมีคุณภาพที่ดี มีมาตรฐานสูง ไม่เช่นนั้นอาจเป็นสาเหตุของเพลิงไหม้ได้   Automatic Voltage Regulator (AVR หรือ Stabilizer) เป็นอุปกรณ์ปรับแรงดันไฟฟ้าให้มีค่าคงที่ในระดับหนึ่ง ซึ่งโดยปกติ AVR ใน UPS จะปรับแรงดันไฟฟ้าของไฟบ้านให้อยู่ในระดับประมาณ 220 Volt    Surge Protection for Telephone Line เป็นระบบป้องกันแรงดันสูงชั่วขณะหรือ Surge Protection ซึ่งจะทำหน้าที่ป้องกันอันตรายที่เข้ามาสู่แฟกซ์หรือโมเด็มทางสายโทรศัพท์ และเป็นการช่วยยืดอายุการใช้งานของแฟกซ์หรือโมเด็มอีกด้วย    Surge LAN Line เป็นระบบป้องกันแรงดันสูงชั่วขณะหรือ Surge Protection ซึ่งจะทำหน้าที่ป้องกันอันตรายที่เข้ามาสู่ระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ (LAN)   Restart Voltage Checking System (RVCS) เป็นระบบป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ (เช่น คอมพิวเตอร์) จากการเข้าสู่ภาวะปกติหลังจากเกิดเหตุการณ์ไฟดับ โดยหลังจาก UPS ได้ทำการจ่ายพลังงานสำรองจากแบตเตอรี่จนหมด และปิดตัวเองแล้ว เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลเข้ามาใหม่ UPS จะทำการตรวจสอบสภาพไฟฟ้าว่า มีคุณภาพดีเพียงพอต่อการใช้งานและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ (เช่น คอมพิวเตอร์) หรือไม่ ก่อนที่จะเริ่มงานและจ่ายไฟฟ้าอีกครั้ง    Hot Swappable Battery (Hot Swap) เป็นการออกแบบ UPS ที่ทำให้ผู้ใช้งานสามารถทำการเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้เองโดยไม่ต้องหยุดการใช้งานของคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์ไฟฟ้า และ UPS ซึ่ง UPS ที่มีคุณสมบัตินี้ จำเป็นต้องได้รับการออกแบบอย่างถูกต้องและตรงตามมาตรฐานความปลอดภัยเท่านั้น จึงจะสามารถแน่ใจได้ว่า ผู้ใช้งานจะมีความปลอดภัยในการเปลี่ยนแบตเตอรี่    Advance Load Outlet Management (ALOM) ระบบการบริหารและจัดการการจ่ายพลังงานสำรองอัจฉริยะ ออกแบบมาเพื่อให้ผู้ใช้งานสามารถบริหารการจ่ายพลังงานสำรองให้เหมาะสมตามความสำคัญของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่กับ UPS โดยจะแบ่งการจ่ายไฟเป็น Main Channel สำหรับอุปกรณ์ที่มีความสำคัญในการเชื่อมต่อหรือบันทึกข้อมูล เช่น Computer, Server และ Intelligent Channel สำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆ ที่ใช้งาน เช่น Printer และ Scanner (โดยผู้ใช้สามารถเลือกโหมดการทำงานผ่าน Easy Mon Software)    High Rate Battery เป็นการออกแบบ UPS ที่ทำให้เพิ่มเวลา Backup Time/Runtime ออกไปได้ถึง 25% ทำให้สามารถสำรองพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้น ทั้งนี้เพื่อให้ผู้ใช้มีเวลามากขึ้นในการบันทึกข้อมูลและปิดเครื่องคอมพิวเตอร์ได้ตามขั้นตอนอย่างปลอดภัย

ประโยชน์มหาศาล พลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์

การดำเนินชีวิตประจำวันของคนเราทุกวันนี้ หลีกหนีไม่ได้กับการอาศัยสิ่งอำนวยความสะดวกทั้งหลาย เพื่อทำให้ชีวิตความเป็นอยู่สะดวกสบายขึ้น และหนึ่งในสิ่งเอื้อประโยชน์นั้นก็คือ อุปกรณ์ไฟฟ้า อันเป็นเครื่องมือ-เครื่องใช้ที่ต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเราๆ ท่านๆ ก็สรรหามาใช้กันอย่างถ้วนหน้า ไม่ว่าจะใช้สำหรับอำนวยความสะดวกภายในบ้านพักอาศัย สถานที่ทำงาน โรงงานอุตสาหกรรม รวมถึงอาคารสถานที่ต่างๆ เมื่อเราเห็นว่า อุปกรณ์ไฟฟ้าเหล่านี้มีความสำคัญ ดังนั้น พลังงานไฟฟ้าย่อมมีความสำคัญยิ่งกว่า ด้วยเหตุผลที่ว่า อุปกรณ์ไฟฟ้าจะสามารถทำงานได้ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น

การกำเนิดแหล่งพลังงานไฟฟ้า มีได้มากมายหลายวิธี เช่น การหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือเครื่องปั่นไฟ โดยทำให้ใบพัดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุน จะสามารถผลิตไฟฟ้าได้ และการทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนนั้น อาจใช้แรงน้ำโดยตรง แรงลม หรือแรงดันไอน้ำจากการต้มน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงจำพวกถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน หรือความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ณ เวลาปัจจุบัน ความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้ามีอย่างต่อเนื่องและเพิ่มมากขึ้น ซึ่งสวนทางกับปริมาณเชื้อเพลิงที่กำลังจะประสบภาวะขาดแคลนในอนาคต เชื้อเพลิงจากซากดึกดำบรรพ์ เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน อาจหมดไปจากโลกภายในระยะเวลาไม่กี่ปี หากยังไม่มีการหาแหล่งพลังงานเพิ่มเติม ไม่เพียงเท่านั้น เชื้อเพลิงดังกล่าวก็สามารถสร้างปัญหาให้กับโลกของเราได้ เพราะการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง หากไม่มีการควบคุมที่ดี จะก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ ทำให้เกิดก๊าซพิษต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนอกออกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และไฮโดรคาร์บอน ฯลฯ ซึ่งล้วนแต่สร้างผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เช่น อากาศเป็นพิษ ฝนกรด และทำให้โลกร้อนขึ้น นอกจากนี้ นิวเคลียร์ก็ยังไม่ปลอดภัยหากนำมาใช้งาน ดังนั้น ตราบใดที่เรายังมีความต้องการใช้พลังงานกันอยู่ ก็จำเป็นต้องแสวงหาแหล่งพลังงานทดแทนเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะต้องเป็นพลังงานที่สะอาด ไม่สร้างมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และ "พลังงานจากแสงอาทิตย์" กำลังได้รับความสนใจ มีหลายหน่วยงานทำการศึกษาค้นคว้าด้านนี้อย่างจริงจังและต่อเนื่อง   อุปกรณ์สำคัญที่จะทำให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้ คือ "เซลล์แสงอาทิตย์" หรือ Solar Cell หรืออาจเรียกว่า PV ก็ได้ (ซึ่งย่อมาจาก Photovoltaic หมายถึง แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากแสง) เซลล์แสงอาทิตย์ผลิตขึ้นโดยการนำแผ่นผลึกซิลิคอนมาประกบกัน โดยแผ่นด้านรับแสงจะชุบสารเจือฟอสฟอรัสเพื่อให้ซิลิกอนมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าด้วยอิเล็กตรอน เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบที่ซิลิกอนแผ่นนอก อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังซิลิกอนแผ่นใน ซึ่งชุบสารเจือโบรอนที่ทำให้ซิลิกอนนำไฟฟ้าด้วยโฮล จึงเกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นระหว่างแผ่นซิลิกอนทั้งสอง การผลิตพลังงานไฟฟ้าให้พอเพียงกับความต้องการใช้ จะต้องนำเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆ เซลล์มาต่อเข้าด้วยกันเป็นแผงหรือชุด หลักการทำงาน คือ แสงอาทิตย์จะถูกเปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้าและประจุเก็บไว้ในแบตเตอรี่ สำหรับนำมาใช้กับอุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ หรือการใช้งานอื่นๆ ต่อไป คุณประโยชน์ที่ได้จากการผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยแสงอาทิตย์นั้นมีมากมาย เช่น แสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ เป็นพลังงานที่ได้มาฟรีและมีปริมาณมากเพียงพอต่อความต้องการ ทั้งยังสะอาดบริสุทธิ์ ไม่ก่อปฏิกิริยาใดๆ อันจะทำให้สิ่งแวดล้อมเป็นพิษ ไม่มีการเคลื่อนไหวหรือเกิดการเสียดสีขณะทำงาน จึงไม่มีเสียงดังรบกวนและไม่มีการสึกหรอ การดูแลรักษาก็น้อยมาก แล้วยังใช้งานได้ง่าย นอกเหนือจากนี้ ยังสามารถนำไปใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ทุกหนทุกแห่งที่มีแสงอาทิตย์ ไม่ว่าจะอยู่บนยอดเขาสูง บนเกาะแก่งต่างๆ กลางทะเล แม้ในอวกาศก็สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ได้ ปัจจุบันมีการนำเซลล์แสงอาทิตย์มาใช้งานด้านต่างๆ อย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็น เครื่องคิดเลข นาฬิกา สถานีถ่ายทอดวิทยุ ประภาคาร สัญญาณจราจร โคมไฟถนน เรือมอเตอร์ เครื่องบิน ระบบสูบน้ำเพื่อการชลประทาน และดาวเทียม เป็นต้น สำหรับในต่างประเทศมีโรงผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์เกิดขึ้นหลายแห่ง ซึ่งได้มีการทดลองและใช้งานอย่างกว้างขวาง ส่วนในประเทศไทยก็ได้มีการสร้างโรงไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์ให้กับหมู่บ้านชนบทที่อยู่ห่างไกล เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้งานในประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเป็นการนำเข้าจากต่างประเทศ มีทั้งนำเข้าเฉพาะแผ่นเซลล์แสงอาทิตย์ แล้วนำมาประกอบเป็นแผง มีหลายขนาดเล็กให้เลือกใช้งาน และมีการนำเข้าเซลล์แสงอาทิตย์สำเร็จรูปด้วย แต่ในขณะเดียวกัน หลายหน่วยงานที่เกี่ยวข้องในด้านนี้ได้มีการประสานงานและเผยแพร่ข้อมูลการใช้เซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้าให้กว้างขวางขึ้น รวมถึงมีการศึกษาและวิจัยพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ด้วย และอีกไม่นานเชื่อว่า ประเทศไทยของเราจะสามารถผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ได้เอง     ถึงแม้ในวันนี้ เราจะมีพลังงานไฟฟ้าที่สามารถผลิตได้จากแสงอาทิตย์-แหล่งพลังงานที่ไม่มีวันหมดไปจากโลก การคิดค้น วิจัยและพัฒนาจะยังคงดำเนินต่อไปอย่างไม่หยุดยั้ง เพื่อเป็นการนำพลังงานที่มีอยู่ในธรรมชาติมาใช้อย่างคุ้มค่าและให้เกิดประโยชน์สูงสุด

พลังงานมาจากไหน การที่จะไปค้นหาคำตอบให้ได้นั้น ต้องมาทำความเข้าใจในคำว่า "พลังงาน" เสียก่อน เพื่อจะได้ไม่สับสนในที่มาที่ไปของพลังงาน ซึ่งในตอนต่อๆ ไปจะได้รู้ว่า มีพลังงานอีกมากมายหลายประเภทด้วยกัน ให้คุณลองสังเกตสิ่งต่างๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัว เช่น รถยนต์ที่ขับเคลื่อนบนท้องถนน สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน อาหารที่รับประทานทุกวันก็เป็นแหล่งพลังงาน โดยเมื่อรับประทานเข้าไปร่างกายจะแปลงเป็นพลังงานให้เรานำไปใช้ยามทำกิจกรรมต่างๆ จากตัวอย่างเหล่านี้ พอจะนิยามได้ว่า พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงาน (the ability or capacity to do work)1 นั่นเอง   พลังงาน มีหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็น พลังงานความร้อน, พลังงานแสง, พลังงานไฟฟ้า และพลังงานเคมี เป็นต้น โดยสามารถจัดได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ พลังงานศักย์2และพลังงานจลน์3 พลังงานไม่มีการสูญหายไปไหน แต่มีการเปลี่ยนรูปได้ โดยจะเปลี่ยนรูปจากพลังงานรูปแบบหนึ่งไปเป็นรูปแบบอื่น ตัวอย่างของการเปลี่ยนรูปพลังงาน เช่น รถยนต์ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่อยู่ในรูปของพลังงานเคมี จากนั้นเครื่องยนต์จะเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานจลน์ เพื่อให้พลังงานแก่รถยนต์ อาหารสะสมพลังงานไว้ในรูปของพลังงานเคมีซึ่งเป็นพลังงานศักย์ เมื่อรับประทานเข้าไปจะเก็บสะสมพลังงานไว้จนกระทั่งมีการทำกิจกรรม พลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ในที่สุด	บน: เครื่องยนต์เปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานความร้อนและพลังงานจลน์ ล่าง: ร่างกายเปลี่ยนพลังงานเคมีในอาหารให้เป็นพลังงานที่ร่างกายต้องการ
พลังงานก็มีหน่วยวัดเช่นเดียวกัน พลังงานชนิดต่างๆ มีหน่วยวัดที่แตกต่างกันออกไป เช่น บาร์เรล (barrels) หรือแกลลอน (gallons) เป็นหน่วยของน้ำมันเชื้อเพลิง, พลังงานไฟฟ้ามีหน่วยเป็น กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kilowatt-hours) และหน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน ได้แก่ บีทียู4 (Btu) เป็นระบบอังกฤษ, จูล5 (Joules;J) เป็นระบบเอสไอ และแคลอรี่6 (Cal) เป็นระบบเมตริก ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน เป็นดังนี้ 1 Btu = 252 Cal และ 1 Cal = 4.2 J
ความสำคัญของดวงอาทิตย์ ไม่เพียงแต่เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยจักรวาล ดวงอาทิตย์ยังเป็นแหล่งพลังงานสำคัญของโลกอีกด้วย เป็นต้นกำเนิดพลังอันมหาศาล ดวงอาทิตย์ที่มีลักษณะคล้ายลูกบอลกลมๆ ใหญ่ๆ เกิดพลังงานได้อย่างไร? ภายในดวงอาทิตย์ประกอบด้วยก๊าซ 2 ชั้น คือ ก๊าซไฮโดรเจนอยู่ชั้นในแกนกลาง มีถึง 71% และชั้นนอกเป็นก๊าซฮีเลียม 27% เป็นเวลานานหลายล้านปีมาแล้วที่แกนกลางซึ่งมีก๊าซไฮโดรเจนเกิดการเคลื่อนตัวอย่างรวดเร็วของอะตอม วิ่งชนกันบ้าง รวมตัวกันบ้างจนเกิดเป็นก๊าซฮีเลียมอยู่ชั้นนอก กระบวนการนี้เรียกว่า Nuclear fusion ในขณะที่มีการรวมตัวเข้าด้วยกัน จะมีมวลบางส่วนหายไป และได้เปลี่ยนเป็นพลังงานอันมหาศาล
ดวงอาทิตย์สามารถผลิตพลังงานได้ถึง 3.8 x 1023 กิโลวัตต์ แพร่กระจายออกมายังอวกาศในทุกทิศทางในรูปของรังสีดวงอาทิตย์ (Solar radiation) ระยะห่างของโลกกับดวงอาทิตย์มากถึง 1.5 x 108 กิโลเมตร แต่พลังงานเดินทางมาด้วยเวลาเพียง 8 นาทีเท่านั้น พลังงานจากดวงอาทิตย์ส่งมายังโลกประมาณ 1.8 x 1014 กิโลวัตต์ (1.4 กิโลวัตต์/ตารางเมตร) และดูดซับโดยพื้นผิวโลกประมาณ 0.85 x 1014 กิโลวัตต์หรือ 47% พื้นที่ต่างๆ ทั่วโลกจะได้รับรังสีดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองศาจากเส้นศูนย์สูตร, ระดับความสูง และฤดูกาลของพื้นที่นั้นๆ เป็นที่เชื่อกันว่า ดวงอาทิตย์ได้ทำการผลิตพลังงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาถึง 5 ล้านล้านปีแล้ว แต่ทว่าปริมาณพลังงานที่ผลิตได้นั้นไม่คงที่เสมอไปเนื่องด้วยปัจจัยต่างๆ

พลังงานจากดวงอาทิตย์มายังโลก 100%, ดูดซับโดยพื้นผิวโลก 47%, สะท้อนกลับชั้นบรรยากาศ 30% และ 23% ดูดซับเกิดเป็นวัฏจักรน้ำ, ทะเล และลม

พลังงานความร้อนและแสงสว่างถูกปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์มายังพื้นผิวโลกในรูปของคลื่นต่างๆ7 เมื่อโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ จะแผ่รังสีสะท้อนกลับสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งเรียกว่า รังสีโลก (Terrestrial radiation) แบ่งออกเป็น ขณะอยู่ในชั้นบรรยากาศของโลก จะสะท้อนกลับไปโดยกลุ่มเมฆและไอน้ำ และขณะตกกระทบพื้นผิวโลกที่มีหลายลักษณะ (เช่น หิน ดิน ทรายและแม่น้ำ ฯลฯ) จึงมีผลให้ความสามารถในการดูดซับและสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์แตกต่างกันด้วย นอกจากนี้ ผลกระทบจากพลังงานจากดวงอาทิตย์และชั้นบรรยากาศของโลกก็เป็นตัวกำหนดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น สภาพอากาศ, อุณหภูมิ, วัฏจักรของน้ำ (Water cycle) เมื่อน้ำดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ จะระเหยกลายเป็นไอ และตกลงมาเป็นฝนและหิมะ, ลม ซึ่งเกิดจากรังสีดวงอาทิตย์ที่ทำให้พื้นผิวโลกร้อนขึ้นและแผ่ปกคลุมอากาศโดยรอบ กระแสลมร้อนจะลอยตัวขึ้นไปด้านบน และอากาศเย็นจะเคลื่อนต่ำลงเข้ามาแทนที่ ทำให้เกิดลม, พืชสีเขียวและสัตว์เซลล์เดียวบางชนิด อาศัยแสงอาทิตย์ในกระบวนการสังเคราะห์แสง (Photosynthesis) รวมถึงการเอียงของโลกเข้าหาดวงอาทิตย์ด้วยองศาที่ต่างกัน ส่งผลให้เกิดฤดูกาลที่แตกต่างกันไป พลังงานจากดวงอาทิตย์ถือเป็นรากฐานของพลังงานทั้งมวลในโลก ซึ่งมีความจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก อาจกล่าวได้ว่า "ดวงอาทิตย์เป็นบ่อเกิดของทุกการเคลื่อนไหวของสิ่งมีชีวิตบนโลก" ตอนหน้ามาติดตามกันต่อไป... พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไร? จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการ Nuclear fusion หรือไม่?

ตอน พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไร

หากคุณผู้อ่านที่ได้ติดตาม "เส้นทางสู่พลังงานสีเขียว" ตอนที่ผ่านมา คงจะได้ทราบคำตอบแล้วว่า "พลังงานมาจากไหน" พลังงานมาจากดวงอาทิตย์นั่นเอง เราได้มีการกล่าวถึงกันไปบ้างเล็กน้อยแล้วว่า ดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานขึ้นมาอย่างไร แต่จะด้วยวิธีไหน มีขั้นตอนใดบ้าง ต้องติดตามกันต่อไปในฉบับนี้... ทำไมดวงอาทิตย์ขนาดมหึมา จึงสามารถผลิตพลังงานได้มากมายมหาศาล แล้วใช้กระบวนการอะไรในการผลิตพลังงาน

พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไร ดวงอาทิตย์ทรงกลมขนาดใหญ่นี้ เกิดขึ้นเมื่อราว 5 ล้านล้านปีที่ผ่านมา เริ่มต้นก่อกำเนิดจากองค์ประกอบสำคัญ คือ ไฮโดรเจน 71% และฮีเลียม 27% ส่วนอีก 2% เป็นธาตุอื่นๆ เช่น ออกซิเจน, คาร์บอน, ไนโตรเจน, ซิลิคอนและแมกนีเซียม เป็นต้น ดวงอาทิตย์มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับ 1.392 x 106 กิโลเมตร ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าโลกของเราถึง 109 เท่า และมีปริมาตรเป็น 1.41 x 1018 ลูกบาศก์กิโลเมตร ใหญ่กว่าโลกของเรามากมายหลายเท่าทีเดียว (1.3 ล้านเท่า) ดวงอาทิตย์อยู่ห่างไกลจากโลกมาก ประมาณ 1.496 x 108 กิโลเมตร เราทบทวนถึงความรู้เกี่ยวกับดวงอาทิตย์กันพอสังเขปแล้ว เพื่อให้มองเห็นภาพได้ชัดเจนยิ่งขึ้น เราจะขออธิบายถึง "โครงสร้างของดวงอาทิตย์" ต่อไป

หากนับจากด้านในสุดของดวงอาทิตย์ออกมา จะสามารถแบ่งโครงสร้างของดวงอาทิตย์ออกเป็นชั้นต่างๆ ได้ดังนี้ ใจกลางดวงอาทิตย์ (Solar core) บริเวณนี้มีขนาดประมาณ 25% ของรัศมีดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิสูงถึง 10,000,000-20,000,0001 เคลวิน2 ชั้นถัดออกมา คือ โฟโตสเฟียร์ (Photosphere) เป็นส่วนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่เราสามารถมองเห็นเป็นแสงสว่างจ้าของดวงอาทิตย์ ที่ชั้นนี้มีอุณหภูมิเกือบ 6,00011 เคลวิน ลำดับต่อไปเป็นชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ซึ่งแบ่งเป็น โครโมสเฟียร์ (Chromosphere) เป็นบรรยากาศชั้นกลางของดวงอาทิตย์ ที่เราเห็นเป็นแสงสีแดงตามขอบของดวงอาทิตย์เมื่อเวลาเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง อุณหภูมิที่ชั้นนี้อยู่ระหว่าง 6,000-1,800,0001 เคลวิน และคอโรนา (Corona) เป็นบรรยากาศชั้นบนสุดของดวงอาทิตย์ สามารถมองเห็นได้เป็นแสงสีขาว โดยจะเห็นได้เมื่อเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงเท่านั้น ชั้นนี้มีอุณหภูมิสูงกว่า 1,000,0001 เคลวิน

กุญแจสำคัญของการเกิดพลังงานมากมายเหลือคณาของดวงอาทิตย์มาจากอุณหภูมิที่สูงมากภายในดวงอาทิตย์ นั่นหมายถึง พลังงานได้เกิดขึ้นบริเวณใจกลางดวงอาทิตย์ และกระบวนการที่ทำให้เกิดพลังงานปล่อยออกมาสู่ภายนอกให้สิ่งมีชีวิตบนโลกได้ใช้อย่างเพียงพอ เรียกว่า Nuclear fusion reaction3 หรือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ไฮโดรเจนได้รับความร้อนที่อุณหภูมิสูงมากๆ จนเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจนที่ร้อนจัด ทำให้อิเล็กตรอน (ประจุลบ) แยกออกจากนิวคลิไอ (อิออนมีประจุบวก) โดยทั่วไป การรวมตัวของนิวคลิไอจะเกิดขึ้นไม่ได้ เพราะนิวคลิไอ 2 ตัว มีประจุเหมือนกันจะเกิดการผลักกัน แต่ด้วยอุณหภูมิสูงมาก ทำให้นิวคลิไอเคลื่อนที่เร็วขึ้นและชนกันที่ความเร็วสูงพอที่จะหักล้างแรงผลักได้ นิวคลิไอจึงสามารถหลอมรวมเข้ากันได้ และปล่อยพลังงานออกมา

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นภายในดวงอาทิตย์ประกอบไปด้วย อะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งมี 2 ชนิด คือ ดิวเทียเรียม (2H) และทริเทียม (3H) รวมตัวกันเกิดเป็นฮีเลียม (4He) 4 อะตอม, นิวตรอน (n) 1 อะตอม และพลังงานจำนวนหนึ่ง [2H + 3H g 4He + n + Energy] ซึ่งพลังงานที่ปล่อยออกมามีความสัมพันธ์กับสมการมวล-พลังงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Einstein's mass-energy equation) E = mc2 โดย E หมายถึง จำนวนพลังงานซึ่งเปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร (หน่วยเป็น จูล), m หมายถึง มวลสาร (หน่วยเป็น กิโลกรัม) และ c หมายถึง ความเร็วแสง ซึ่งมีค่าเท่ากับ 3 x 108 เมตรต่อวินาที

พลังงานภายในดวงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ประมาณ 386 ล้านล้านเมกะวัตต์ เท่ากับว่า ทุกๆ วินาทีที่ส่วนลึกที่สุดของดวงอาทิตย์ ไฮโดรเจน 700 ล้านตันถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม 695 ล้านตัน ผลต่างของมวลทั้งสองทำให้ทราบได้ว่า มีมวลหายไปในกระบวนการถึง 5 ล้านตัน ซึ่งก็คือพลังงาน พลังงานเกิดขึ้นที่ใจกลางดวงอาทิตย์ ถ่ายทอดโดยการแผ่รังสีออกสู่ภายนอกผ่านชั้นแผ่รังสี (Radiation zone) และเปลี่ยนเป็นถ่ายเทความร้อนเมื่อเข้าใกล้พื้นผิวดวงอาทิตย์ที่บริเวณชั้นพาพลังงาน (Convection zone) แต่กว่าพลังงานที่เกิด ณ ใจกลางดวงอาทิตย์จะเดินทางออกสู่พื้นผิวดวงอาทิตย์ได้ ต้องใช้เวลาถึง 1 ล้านปี หลังจากนั้นกลายเป็นพลังงานความร้อน แสงสว่าง และรังสีอื่นๆ พุ่งออกมา และส่งมาถึงโลกของเราในเวลา 8 นาทีต่อมา นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณจากอัตราการเผาไหม้กับปริมาณไฮโดรเจนและฮีเลียมที่มีอยู่ในดวงอาทิตย์พบว่า ดวงอาทิตย์มีอายุถึง 4.6 ล้านล้านปี และใช้ไฮโดรเจนไปแล้วประมาณครึ่งหนึ่ง ดังนั้น ไฮโดรเจนที่เหลืออยู่จะสามารถเผาไหม้และเกิดเป็นพลังงานได้อีกนานถึง 5 ล้านล้านปีทีเดียว หรือจนกว่าไฮโดรเจนจะหมดไปจากดวงอาทิตย์ จะเห็นได้ว่า พลังงานถูกปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องจากดวงอาทิตย์ และจะยังคงดำเนินต่อไปอีกหลายชั่วอายุคน... แม้จะเป็นพลังงานเพียงส่วนเล็กน้อยจากดวงอาทิตย์ที่ส่งมายังโลก แต่ทว่ากลับกลายเป็นค่ามหาศาล แหล่งพลังงานทั้งหลายที่สิ่งมีชีวิตบนโลกนำมาใช้ ล้วนมาจากดวงอาทิตย์เกือบทั้งสิ้น สิ่งที่น่าสนใจที่จะนำเสนอในตอนต่อไป คือ พลังงานจากดวงอาทิตย์มายังโลกได้อย่างไร และเกิดเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานอะไรบ้าง

พลังงานเดินทางอย่างไร พลังงานที่เกิดขึ้นภายในใจกลางดวงอาทิตย์นั้นมีจำนวนมหาศาล เกิดการแผ่รังสีและถ่ายเทความร้อนออกสู่พื้นผิวดวงอาทิตย์ จากนั้นกลายเป็นพลังงานความร้อน แสงสว่าง และรังสีชนิดต่างๆ1 แพร่กระจายในทุกทิศทาง ผ่านอวกาศตกกระทบดาวเคราะห์ต่างๆ รวมถึงโลกของเรา พลังงานเหล่านี้เรียกว่า รังสีดวงอาทิตย์ (Solar radiation)

พลังงานจากดวงอาทิตย์ถูกปล่อยออกมาในเป็นอนุภาคเล็กๆ เรียกว่า โฟตอน (photon) การเดินทางจะเป็นลักษณะคลื่นที่มีโฟตอนรวมอยู่ด้วย โดยมีความยาวคลื่นระหว่าง 160-1,500 นาโนเมตร2 คลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นมากๆ จะพาโฟตอนไปได้ปริมาณมาก ส่วนคลื่นที่มีความยาวคลื่นยาวจะนำพาโฟตอนไปได้ปริมาณต่ำกว่า โดยทั่วไป รังสีดวงอาทิตย์ที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้มีความยาวคลื่นระหว่าง 400-780 นาโนเมตร รังสีดวงอาทิตย์ที่เดินทางมายังโลกต้องผ่านชั้นบรรยากาศโลกและตกบนพื้นผิวโลกที่มีหลายลักษณะในเวลาที่แตกต่างกันไปแต่ละปี อาจกล่าวได้ว่า ชั้นบรรยากาศโลกเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้พื้นที่ต่างๆ บนโลกได้รับรังสีดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน ส่วนปัจจัยอื่นที่มีผล เช่น ฤดูกาล, องศาจากเส้นศูนย์สูตรและระยะจากพื้นผิวโลกกับชั้นบรรยากาศ ฯลฯ นอกจากนี้ ยังมีรังสีดวงอาทิตย์บางส่วนสะท้อนกลับสู่ชั้นบรรยากาศ จากการปะทะกับกลุ่มเมฆ ไอน้ำ อนุภาคฝุ่นและโมเลกุลก๊าซ แต่สุดท้าย รังสีดวงอาทิตย์ก็ตกบนพื้นผิวโลกโดยตรงและมีผลกระทบต่อโลกในทันที คือ พลังงานความร้อน, แสงสว่าง รวมถึงคลื่นวิทยุ สำหรับรังสีดวงอาทิตย์ที่ถูกทำให้หักเหก่อนที่จะตกกระทบพื้นผิวโลก จะมีผลกระทบต่อโลกในเวลาต่อมา ได้แก่ รังสีคอสมิก (Cosmic ray)

"ทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้า..." อธิบายอย่างนี้แล้วกันว่า แสงจากดวงอาทิตย์ (แสงสีม่วงและสีน้ำเงิน) เกิดการสะท้อนกลับสู่บรรยากาศเมื่อปะทะกับโมเลกุลก๊าซและอนุภาคฝุ่น ยิ่งมีก๊าซและฝุ่นใกล้พื้นผิวโลกมาก จะทำให้ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าอ่อนมากขึ้น ขอขยายความต่อ ดังนี้ คลื่นที่ความยาวต่างๆ ที่ตามนุษย์มองเห็นและแยกออกได้ 7 สี ตั้งแต่ แดงที่มีความยาวคลื่นยาวที่สุด จากนั้นเป็นแสด เหลือง เขียว น้ำเงิน ครามและม่วงที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุด (รุ้งกินน้ำ เป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้เราได้เห็นแสงครบถ้วนทั้งเจ็ดสี) แล้วยังมีคลื่นที่ตามนุษย์ไม่สามารถเห็นได้ คือ รังสีอัลตราไวโอเล็ต ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้น และรังสีอินฟราเรด ที่มีความยาวคลื่นยาว

เกิดอะไรขึ้นเมื่อพลังงานจากดวงอาทิตย์มาถึงโลก เป็นเวลานานกว่าหลายล้านปีแล้ว พลังงานและแสงสว่างที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ทำให้สิ่งมีชีวิตดำรงชีวิตอยู่ได้ และเกิดเป็นวัฎจักรต่างๆ นับตั้งแต่ พืชสีเขียว ใช้กระบวนการสังเคราะห์แสงในการสร้างอาหาร ซึ่งอาศัยแสงจากดวงอาทิตย์, กระบวนการทางเคมีและกายภาพสามารถทำการเปลี่ยนพืชและสัตว์ที่ตายแล้วเป็นถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และน้ำมันเชื้อเพลิง, วัฎจักรน้ำ เกิดจากน้ำที่ดูดซับรังสีดวงอาทิตย์ ระเหยกลายเป็นไอและตกมาเป็นฝนหรือหิมะ นอกจากนี้ การเคลื่อนตัวของอากาศประกอบกับพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ยังสามารถทำให้เกิดลม โลกมีสภาพอากาศหลายรูปแบบ ทั้งนี้ เป็นเหตุจากปัจจัยมากมาย ที่สำคัญคือ ความสัมพันธ์ระหว่างชั้นบรรยากาศโลกและพลังงานจากดวงอาทิตย์ รวมถึงอุณหภูมิบนโลกก็ขึ้นอยู่กับพลังงานจากดวงอาทิตย์เช่นเดียวกัน ซึ่งพลังงานนี้ไม่ได้กระจายไปทั่วทุกพื้นที่ แต่จะแตกต่างกันไปตามละติจูด ดังนั้น พื้นที่ต่างๆ บนโลกมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน พลังงานที่เราใช้อยู่บนโลกนี้ ส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์ทั้งสิ้น มีการนำพลังงานจากดวงอาทิตย์ไปใช้อย่างแพร่หลาย รวมถึงมีการคิดค้นเทคโนโลยีเพื่อนำมาซึ่งประโยชน์จากพลังงานเหล่านั้น พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar energy) และพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Solar thermal) ถือเป็นพลังงานจากดวงอาทิตย์โดยตรง ส่วนพลังงานลม (Wind power), พลังงานน้ำ (Hydropower), พลังงานชีวมวล (Biomass energy), พลังงานคลื่นในทะเล (Wave energy), พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง (Tidal energy), ถ่านหิน, น้ำมันและก๊าซธรรมชาติ จัดเป็นพลังงานที่มาจากดวงอาทิตย์ทางอ้อม

จะเห็นได้ว่า พลังงานมีมากมายหลายรูปแบบ แต่ทว่า พลังงานทั้งหมดไม่ได้มาจากดวงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวเท่านั้น ในโลกของเราก็มีพลังงานที่สามารถนำมาใช้ได้ เช่น พลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal) และพลังงานไฮโดรเจน (Hydrogen energy) แม้พลังงานจากภายในโลกจะมีน้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ แต่นี่คืออีกทางเลือกหนึ่ง ซึ่งเมื่อมีการพัฒนาต่อไป จะกลายเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญในอนาคตได้ ความเข้มข้นของเนื้อหาสาระใน "เส้นทางสู่พลังงานสีเขียว" กำลังเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ในตอนต่อไป เราจะให้คุณได้รู้จักกับพลังงานทั้งหลายทั้งปวงที่มีอยู่บนโลก และนั่นจะทำให้คุณเกิดความรู้และเข้าใจเรื่องพลังงานอย่างแท้จริง

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานต่างๆ 1 ถ่านหิน, 2 พลังงานนิวเคลียร์, 3 พลังงานชีวมวล,4 พลังงานแสงอาทิตย์, 5 พลังงานลม, 6 พลังงานความร้อนใต้พิภพ, 7 พลังงานน้ำในเขื่อน, 8 พลังงานน้ำขึ้นน้ำลง และ 9 พลังงานคลื่น