Article by: Asst.Prof. Yod Sukamongkol
Faculty of Engineering, Ramkhamheang University

ปัจจุบัน สายไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นในการรับส่งพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ไฟฟ้า และบ่อยครั้งที่สายไฟฟ้านี้เป็นสาเหตุให้เกิดปัญหาในการส่งไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้าตก ไฟฟ้าลัดวงจร เป็นต้น รวมถึงมีค่าใช้จ่ายในการติดตั้งระบบสายส่งในมูลค่าที่สูง

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงได้พยายามที่จะพัฒนาวิธีการส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายขึ้น เพื่อลดปัญหาดังกล่าว อีกทั้ง ยังสามารถลดต้นทุน เพิ่มระยะทางในการรับส่งพลังงานไฟฟ้า และลดข้อจำกัดในการก่อตั้งแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อีกด้วย

ความคิดนี้ดูจะเป็นเรื่องของอนาคตอันไกลแต่ที่จริงแล้ว นิโคล่า เทสล่า นักประดิษฐ์ที่มีชื่อในวงการวิศวกรรมไฟฟ้าได้เสนอแนวคิดนี้ไว้ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 และได้ทดลองการส่งพลังงานแบบไร้สายที่ สถานีทดลอง Colorado Springs ในสหรัฐอเมริกา แต่ในสมัยนั้นยังมีข้อจำกัดทางด้านวัสดุศาสตร์ เทคโนโลยีด้านการสื่อสาร เป็นต้น จึงทำให้การทดลองนั้นยังไม่เป็นที่น่าพอใจ แต่งานของ Tesla ก็ได้ถูกนำมาใช้เป็นต้นแบบในการประยุกต์ใช้งานในการส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายในปัจจุบัน เช่น การประจุพลังงานแบบไร้สายของแปรงสีฟันไฟฟ้าและโทรศัพท์มือถือ เป็นต้น

เสาอากาศเปลี่ยนพลังงาน

อีกวัตถุประสงค์หนึ่งของการส่งพลังงานงานแบบไร้สาย คือ การส่งพลังงานในระยะทางไกลและต่อเนื่อง นักวิจัยจึงได้ศึกษาประดิษฐ์เสาอากาศเปลี่ยนพลังงาน หรือ เสาอากาศจัดเรียงกระแส (Rectenna = Rectifying Antenna) ขึ้น โดยปกติแล้วเสาอากาศ (Antenna) มีหน้าที่รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นความถี่วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์ Wifi) แล้วส่งความถี่นั้นไปให้อุปกรณ์ไฟฟ้า แปลงสัญญาณเป็น แสง สี เสียง แต่เสาอากาศเปลี่ยนพลังงานนี้จะทำหน้าที่ในการรับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าแล้วเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง หรือ ไฟฟ้า DC (Direct Current)

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน MIT และ Technical University of Madrid จากประเทศสเปน ได้ทดลองโดยใช้เสาอากาศขนาดเล็กเพื่อดักจับคลื่นความถี่วิทยุ (Wi-Fi) ซึ่งมีลักษณะเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ หรือไฟฟ้า AC (Alternating Current) โดยคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับ AC จากเสาอากาศ จะถูกนำมาปรับเปลี่ยนให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง DC ด้วยอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ จากการทดลองนี้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นมีขนาดที่เล็กเพียง 40 ไมโครวัตต์ ซึ่งก็เพียงพอสำหรับการใช้งานกับหลอดไฟ LED หรือชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่กินพลังงานต่ำ ดังนั้น เสาอากาศนี้สามารถเป็นแหล่งพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เลย โดยที่ไม่ต้องเสียบสายไฟฟ้าและไม่ต้องง้อแบตเตอรี่

ก่อนหน้านี้ เสาอากาศเปลี่ยนพลังงานนั้นผลิตขึ้นมาจากสารซิลิคอนและแกลเลียมอาร์เซไนด์ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่แข็งแรง และต้นทุนการผลิตสูง แต่ในเทคโนโลยีล่าสุดนี้ Rectenna ได้สร้างมันขึ้นมาจากวัสดุโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (Molybdenum disulfide หรือ MoS2) ทำให้สามารถสร้างเสาอากาศที่มีความบางมากๆ สามารถบิดงอได้ และมีคุณสมบัติพิเศษ คือ มีความไวมากพอที่จะจับคลื่นวิทยุหรือคลื่นความถี่สูงระดับ กิกะเฮิรตซ์ ที่ใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวันของพวกเรา ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณ Wi-Fi, บลูทูธ, คลื่นความถี่ 4G และความถี่อื่นๆ อีกมากมาย จากการทดสอบพบว่าเสาอากาศเปลี่ยนพลังงานมีประสิทธิภาพสูงสุดอยู่ที่ 31% เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ 2.4 กิกะเฮิร์ท

ด้วยความที่ Rectenna นั้นสามารถบิดงอได้ทำให้สามารถติดตั้งบนพื้นที่ที่หลากหลาย เช่น บนกำแพง ถนน เสาไฟฟ้า สะพาน แม้แต่การติดตั้งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์พกพา หรือ ทุกๆ สิ่งทุกๆ อย่างรอบตัวเรา อีกทั้ง ข้อดีคืออุปกรณ์นี้ทำให้เราไม่ต้องติดตั้งแบตเตอรี่ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใดๆ เราสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อม เพื่อที่จะใช้เป็นแหล่งพลังงาน ทำให้ปลอดภัยสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องอยู่ในร่างกายมนุษย์ ทำให้ผู้ป่วยไม่ต้องเสี่ยงกับการเสียชีวิตเพราะเกิดการรั่วไหลของโลหะที่อยู่ในแบตเตอรี่

• 

• 

• 

เสาอากาศผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

โดยปกติการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์โดยโซล่าร์เซลล์นั้นจะผลิตไฟฟ้าโดยอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์ในการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล (electron-hole pair) และทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในรอยต่อ พี-เอ็น (P-N junction) แต่สำหรับเสาอากาศผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์หรือออฟติกคอลเร็กเทนน่า (Optical Rectenna) นั้นแตกต่างออกไป โดยในการสร้างออฟติกคอลเร็กเทนน่าต้องใช้วิทยาการนาโนเทคโนโลยีในการสร้างเสารับสัญญาณขนาดเล็ก (nantenna = nano antenna) และ ไฮสปีดไดโอด (ultra-high speed diode) โดยให้ทั้งสองอยู่ใกล้กัน เมื่อแสงอาทิตย์ตกลงบนเสารับสัญญาณ เสาจะเกิดการสั่นที่ความถี่สูง (ความถี่เดียวกับคลื่นแสง) ส่งผ่านไปยังไดโอดซึ่งจะแปลงความถี่ที่เป็นรูปคลื่นสลับให้เป็นรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสตรง ทำให้เสาอากาศนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจากคลื่นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้ จากการทดลองพบว่า ถ้ายิ่งนำเสาอากาศมาใกล้ไดโอดมากเท่าไหร่ก็จะทำให้ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้ากระแสตรงดีขึ้นมากเท่านั้น ในปัจจุบันการผลิตไฟฟ้าจากออฟติกคอลเร็กเทนน่านั้นมีประสิทธิภาพต่ำกว่า 1% ในขณะที่ประสิทธิภาพของโซล่าร์เซลล์อยู่ที่ประมาณ 15%

จากวัตถุประสงค์แรกที่จะรับส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายจนมาเป็นเทคโนโลยีเสาอากาศทั้งสองแบบที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ทั่วไปรอบตัวเรามาผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อย่างฟรีๆ โดยไม่มีต้นทุนค่าเชื้อเพลิง แต่ประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าของเทคโนโลยีทั้งสองนั้นยังมีค่าค่อนข้างต่ำ จึงจำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาต่อไปให้มีประสิทธิภาพดีขึ้น ราคาต่ำลง เพื่อให้สามารถใช้งานได้จริงและเป็นแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าสะอาดในอนาคตต่อไป

Article by: Asst.Prof. Yod Sukamongkol
Faculty of Engineering, Ramkhamheang University

In the power transmission system, the cable wire or grid line is generally needed to deliver the electrical power from power plants to users even used in the household appliances.  Sometimes, it results in the electrical problems such as voltage drop or short circuit. 

Therefore, the wireless power transmission system has been studied, researched and developed to solve those problems. Moreover, it can reduce cost, increase the transmission range and apply for varieties power plant locations.

This concept idea seems to be the future innovation but, in fact, it was already proposed and discovered since the early of 19th century by Nicolas Tesla who is best known for his contributions to the design of the modern electrical engineering.  His wireless power transmission experiments were established in the Colorado Springs, USA.  Due to the limitation of material science and communication technology, although the unsatisfied results were exposed, this made pronouncements on the possibility of wireless communication with his devices.  However, these ideas are presently used as the fundamental of the practical wireless charging in the modern electrical appliances such as electric toothbrush, mobile phone, etc. 

Rectenna

Normally, antenna is a transducer designed to transmit or receive electromagnetic waves (e.g., TV, radio or Wifi) through the electrical devices that transform the signal into light and sound.  The rectenna, which stands for rectifying antenna, is used for converting electromagnetic energy into electrical energy actually direct current (DC) electricity.  

The researcher from MIT and the Technical University of Madrid experimentally uses an antenna to capture electromagnetic waves (Wi-Fi) as alternating current (AC) waveforms which are sent to a two-dimensional semiconductor that converts them into DC.  The results show that this device can produce about 40 microwatts which is enough to serve an LED or to drive a very small IC silicon chip.  Thus, the rectenna not only just harvest energy from the abandon electromagnetic waves, but also can convert it into electrical energy that could be used as a power supply for electrical devices without wire and battery support.

Previously, rectennas had been made from silicon or gallium arsenide, which is rigid and expensive.  Then, the research team used molybdenum disulfide (MoS2) to craft the flexible rectennas.  The structure is also known as a Schottky diode resulting in higher speed operation.  This means it can capture higher frequencies (gigahertz frequencies level) and fast enough to cover most of the radio-frequency bands used by our daily electronics, including Wi-Fi, Bluetooth, cellular LTE, and many others.  The experimental result shows that the maximum conversion efficiency is 31% when the frequency of electromagnetic wave is 2.4 GHz.

According to the alternative flexible rectenna, it can be deployed over large areas such as wall, roof, road, bridge even through on portable devices such as flexible smartphones.  It is relatively low cost at larger scales, so it could be used for much bigger applications.  Then, the electrical energy can be generated everywhere that has the electromagnetic wave.  In addition, as this rectenna can generate electricity by harvesting the electromagnetic wave with no batteries needed, this device could even be used in medical implants and swallowable sensors which can decrease the risk that the patient dies from the leak of toxic metal from batteries.

• 

• 

• 

Optical Rectenna

Generally, solar energy can be converted to electrical energy by using solar cell, which absorbs photons and generate electron-hole pairs within P-N junction to provide electrical power.  The optical rectenna, the first announce in 2015, relies on a classical electromagnetic wave view of sunlight.  This device consists of a combination of a carbon nanotube antenna and diode rectifier.  Optical rectennas operate by capturing the sunlight and electromagnetic wave to its antenna whose ends have been opened.  The electromagnetic field creates an oscillation in the antenna, producing an alternating flow of electrons.  When the electron flow reaches a peak at one end of the antenna, the diode closes, trapping the electrons, then re-opens to capture the next oscillation, creating a current flow, then the electrical energy is generated.  This switching must occur at terahertz frequencies to synchronize those of the sunlight.  To increase the conversion efficiency, the junction between the antenna and diode must provide minimal resistance to electrons flowing through it while open, yet prevent leakage while closed.  Nowadays, the conversion efficiency of optical rectenna in the laboratory is below 1% while those of commercial solar cell is about 15%.

Far from the first objective to develop the wireless power transmission, in the present, the alternative antenna technologies are discovered to generate the electrical energy by harvesting energy from electromagnetic waves which is free, abundant and all around us.  However, these technologies need more study and develop to improve its conversion efficiency to achieve commercial market and become one of the potential green energy resources in the future.

Article by: Asst.Prof. Yod Sukamongkol
Faculty of Engineering, Ramkhamheang University

　　　　現在、発電所から電力を供給するために電線は欠かすことができませんが、この電線が電圧低下やショート、電線設置費用が高額であるといった電力供給問題の原因となっています。これらの問題を解決し、コスト削減、電力供給距離の延長、発電所設置制限の低減を実現するため、研究者たちはケーブルを使用せずに電力を供給する方法を開発しています。

　　　　これらの考えは近未来のことのようですが、実は19世紀初頭に電気工学の分野で有名な発明家ニコラス・テスラーが提言しており、アメリカのColorado Springs試験場で無線送電の実験も行いました。しかし、その時代には材料科学や通信手段の面で制限があり、その実験は満足の行く結果とはなりませんでした。それでも、テスラーの業績は、電動歯ブラシや携帯電話など現代の無線送電の原型として応用されています。

変電アンテナ

　　　　無線送電のもう一つの目的は、送電距離を伸ばし、継続させることです。研究者たちは変電アンテナ又はレクテナの開発に取り組んでいます。通常、アンテナは電磁波（ラジオ、テレビ、Wi-Fi）を受信し、その電磁波を光、色、音などにコーデックし電子機器に送信します。しかし、この変電アンテナは電磁波を受信後、直流（DC）に変換します。

　　　　MIT研究所やスペインのマドリード技術大学の研究者たちは、半導体装置によって交流電波を直流に変換することにより小さなアンテナで交流（AC）のWi-Fiを受信する実験を行いました。この実験によって、LED照明や電子チップなど省エネ装置に必要な40マイクロワットほどの微小電力を生み出すことができました。このアンテナは電源に繋いだり、バッテリーを消費することなく、電気機器や電子機器のための動力を生み出すことができます。

　　　　これまで変電アンテナはシリコンやガリウム砒素といった、強度が低く高コストの原料で作られてきました。しかし、最新技術によりレクテナを二硫化モリブデン（MoS2）で製造することで、極薄、曲げ加工が可能となりました。また日常的に使用するWi-Fi、ブルートゥース、4Gなど電子機器に使用される電波や高周波ギガヘルツの電波を受信することができます。実験により2.4ギガヘルツの電磁波の場合、変電アンテナの効率が31%高まることが分かりました。

　　　　レクテナは曲げることが可能なため、壁、道路、電柱、橋脚、身の周りの電子機器や小型端末などあらゆる場所で使用することができます。もう一つの利点は、バッテリー無しで電子機器を使用できることです。周囲の電磁波から電力を生み出すことができるため、バッテリーから金属が溶け出し生命の危険にさらされるというリスクを負うことなく、身体に埋め込む必要のある医療機器を安全に使用することができます。

• 

• 

• 

太陽光発電アンテナ

　　　　通常のソーラーパネルを使用した太陽光発電は、電子と正孔により内蔵電位が発生し、PN接合に移動することにより発電しています。太陽光発電アンテナ又は光レクテナはそれとは異なり、光レクテナを生み出すためにナノテナと超高速ダイオードにおいてナノテクノロジーを用いなければなりません。これら2つを密着させることで、太陽光がアンテナに到達すると高周波の振動がアンテナ内に生じ、交流を直流に変換するダイオードに送られます。これによりアンテナは、太陽光から直流電流を発電することができます。実験により、アンテナとダイオードを近づければ近づけるほど直流電流の発電効率が高くなることが分かりました。現状、ソーラーパネル発電の効率が15%であるのに対して、ナノテナの発電効率は1%に留まっています。

　　　　無線送電の当初の目的から始まり、身近な電磁波から燃料費をかけずに電力を生み出すこれら2つのアンテナに到達しました。しかしながら両者とも発電効率が悪く、将来クリーンエネルギーを実用化するためには効率を高め、低コストな発電を行う研究や開発が必要です。