มารู้จักแสงธรรมชาติกันเถอะ !
อ.ธวัชชัย ชยาวนิช
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

จากการที่ความต้องการใช้พลังงานของมนุษย์ในปัจจุบันยังอยู่ในเกณฑ์ที่สูงมาก ขณะที่ทรัพยากรธรรมชาติที่เป็น ”แหล่งเชื้อเพลิงหลัก” นั้นมีอยู่อย่างจำกัดและนับวันกำลังจะหมดไป ทำให้บุคลากรในสาขาต่างๆที่เกี่ยวข้อง มีความตระหนักและวิตกในสถานการณ์พลังงานในอนาคตของเรา บ้างก็กระตุ้นให้เห็นคุณค่าของพลังงาน และรณรงค์ให้ร่วมกันอนุรักษ์พลังงาน บ้างก็เตือนสติให้เริ่มนับถอยหลังกันแล้วว่า วันที่เชื้อเพลิงเริ่มจะขาดแคลนใกล้เข้ามาแล้ว ( ซึ่งคงไม่ต้องเอ่ยถึงราคาของเชื้อเพลิงกระมัง ) สำหรับในประเทศไทยเรานั้น นอกจากน้ำมันดิบที่ต้องซื้อจากต่างประเทศแล้ว เรายังมีแหล่งเชื้อเพลิงประเภทถ่านหินและแหล่งก๊าซธรรมชาติให้ใช้สอยเป็นหลักอยู่บ้าง เพียงจำนวนหนึ่ง … !

แหล่งเชื้อเพลิงในประเทศเหล่านี้ นับวันกำลังจะหมดไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ก๊าซธรรมชาติที่คาดว่าเหลือให้ใช้ได้อีกเพียงไม่กี่ล้านลูกบาศก์เมตร ( นักวิชาการบางท่านคาดว่ายังใช้ได้อีกเป็นสิบยี่สิบปีข้างหน้า ) เราจึงได้มีการซื้อก๊าซธรรมชาติจากพม่าซึ่งมีก๊าซมากกว่าไทยเราในขณะนี้มากมายนัก

การที่ความต้องการใช้พลังงานในประเทศสูงมากมายเช่นในปัจจุบันนี้ ภาครัฐจึงจำเป็นต้องหามาตรการควบคุมการใช้พลังงาน เพราะนอกจากจะทำให้เสียดุลการค้าจากค่าเชื้อเพลิงอย่างมากแล้ว ยังต้องทุ่มงบลงทุนอีกไม่น้อย ประกอบกับปัญหาต่างๆด้านการพลังงาน จึงได้นำมาสู่การออกพระราชบัญญัติการส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน พ.ศ. 2535 ที่มุ่งควบคุมการใช้พลังงานในอาคารควบคุมและโรงงานควบคุมให้มีประสิทธิภาพ ซึ่งครอบคลุมถึงโรงงานอุตสาหกรรมและอาคารธุรกิจขนาดใหญ่ โดยอาคารธุรกิจ จะหมายรวมถึงอาคารสำนักงาน โรงแรม โรงพยาบาล ศูนย์การค้า และสถาบันการศึกษา เป็นต้น ซึ่งพลังงานที่ใช้ส่วนใหญ่จึงเป็นพลังงานในรูปของพลังงานไฟฟ้านั่นเอง ( รายละเอียดเกี่ยวกับ พรบ. ค้นหาได้จากเวบไซต์ด้านพลังงานทั่วไป )

การใช้พลังงานที่เกิดต่อเนื่อง ( Renewable Energy ) หรือที่นิยมเรียกกันว่าพลังงานหมุนเวียน เป็นทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่งต่อการจัดการสถานการณ์พลังงานในยุคปัจจุบัน รวมทั้งการวางแผนการใช้พลังงานระยะยาวในอนาคตอีกด้วย พลังงานที่เกิดต่อเนื่องตามธรรมชาติที่สามารถนำมาใช้ได้ไม่สิ้นสุดนี้ อาจจะอยู่ในรูปของพลังงานศักย์อันเนื่องมาจากความต่างระดับของน้ำ พลังงานลม พลังงานความร้อนใต้พิภพ พลังงานจากคลื่นในทะเล พลังงานจากปรากฎการณ์น้ำขึ้นน้ำลง และพลังงานจากแสงอาทิตย์ เป็นต้น ในการนี้ การพัฒนาความรู้ทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเพื่อนำพลังงานเหล่านี้มาใช้ประโยชน์ให้สัมฤทธิ์ผลนั้น จะมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันไป ตามธรรมชาติทางกายภาพของแหล่งพลังงานเหล่านั้น นั่นเอง อย่างไรก็ดี พลังงานแสงอาทิตย์ดูจะเป็นพลังงานที่เกิดต่อเนื่องรูปหนึ่ง ที่ได้รับความสนใจอย่างมากในการพัฒนาความรู้และวิทยาการ เพื่อที่จะนำพลังงานจากแสงอาทิตย์ที่มีอยู่ทั่วไปนี้มาใช้ประโยชน์เป็นรูปธรรมมากที่สุด ทั้งนี้ เนื่องจากการใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์นั้น มีข้อจำกัดค่อนข้างน้อย เมื่อเทียบกับพลังงานในรูปอื่น ( แต่ก็ขึ้นอยู่กับตำบลที่ตั้งว่าอยู่ที่ละติจูดใด ) อีกทั้ง ประเทศส่วนใหญ่ในโลกนี้ มักมีที่ตั้งที่สามารถรับแสงแดดได้ตลอดทั้งปี อาจมีช่วงเวลาแดดออกมากบ้างน้อยบ้างตามตำแหน่งละติจูดและฤดูกาล จึงทำให้เกิดกระบวนการเรียนรู้พฤติกรรมของแสงอาทิตย์ที่มีลักษณะเฉพาะตามตำบลที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ของท้องถิ่นต่างๆ และเกิดแนวทางพัฒนาวิธีใช้ประโยชน์จากพลังงานในแสงอาทิตย์ ซึ่งรูปแบบการนำแสงอาทิตย์มาใช้ประโยชน์ที่รู้จักกันดีคือ การแปลงรูปพลังงานด้วยเซลล์สุริยะ ( Solar Cell ) และอีกลักษณะหนึ่งที่กำลังได้รับความสนใจคือ การใช้แสงสว่างจากแสงอาทิตย์เพื่อการส่องสว่าง ( หรือที่ศัพท์วิทยาการเรียกว่า Daylighting ) นับเป็นหัวข้อหนึ่งที่กำลังได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวาง ทั้ง 2 รูปแบบที่กล่าวมานี้ดูจะใช้ได้ดีพอสมควรกับประเทศไทย เนื่องจากประเทศไทยมีที่ตั้งใกล้เส้นศูนย์สูตรที่มีความเข้มแสงอาทิตย์ค่อนข้างจัดตลอดทั้งปี



สุริยะวิถี

โลกมีลักษณะเป็นทรงกลมที่มีการหมุนรอบตัวเอง และมีการโคจรรอบดวงอาทิตย์ในระนาบที่เอียงประมาณ 23.5ฐ ( ดูภาพประกอบ ) ทำให้เกิดกลางวันกลางคืนและฤดูกาลต่างๆ การมองเห็นตำแหน่งของดวงอาทิตย์ ( หรือทิศทางของแสงอาทิตย์ ) จึงแปรเปลี่ยนไปตลอดเวลาตามที่ตั้งของแต่ละท้องถิ่นบนโลกนี้ ซึ่งทำให้ได้รับปริมาณแสงมากน้อยแตกต่างกันไป สำหรับประเทศที่อยู่ในแถบโซนร้อน ( Tropics ) คือ อยู่ระหว่างเส้น Tropic of Cancer ( ละติจูด 23 ฐ 27 ‘ เหนือ ) กับเส้น Tropic of Capricorn ( ละติจูด 23 ฐ 27 ‘ ใต้ ) รวมทั้งประเทศไทยนั้น มักจะมีแดดจ้าตลอดทั้งปี การนำพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ประโยชน์ จึงได้เปรียบกว่าประเทศในภูมิภาคอื่น



จากรูปจะสังเกตได้ว่า

1. ในช่วงวันที่ 21 มิถุนายน ซีกโลกเหนือได้รับแสงสว่าง บริเวณขั้วโลกเหนือจะสว่างตลอดเวลา และบริเวณขั้วโลกใต้จะไม่ได้รับแสงสว่างเลย ประเทศที่มีที่ตั้งตำบลที่ตั้งอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร จะมองเห็นดวงอาทิตย์ตอนกลางวันค่อนมาทางทิศเหนือ

2. ในช่วงวันที่ 22 ธันวาคม ซีกโลกใต้ได้รับแสงสว่าง บริเวณขั้วโลกใต้จะสว่างตลอดเวลา และบริเวณขั้วโลกเหนือจะไม่ได้รับแสงสว่างเลย ประเทศที่มีที่ตั้งตำบลที่ตั้งอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร จะมองเห็นดวงอาทิตย์ตอนกลางวันค่อนมาทางทิศใต้

3. วันที่ 21 มีนาคม และวันที่ 23 กันยายน ประเทศที่มีที่ตั้งตำบลที่ตั้งอยู่ “บน” เส้นศูนย์สูตร จะมีกลางวันและกลางคืนเท่ากัน

ขณะที่โลกกำลังหมุนรอบตัวเอง ดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางระบบสุริยะ ผู้สังเกตจะเห็นดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออกในตอนเช้า และเห็นดวงอาทิตย์ตกในตอนเย็น การที่มองเห็นดวงอาทิตย์ค่อนไปทางทิศเหนือหรือทิศใต้นั้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโลก ณ วันที่ นั้นๆ ว่าโลกอยู่ในตำแหน่งใดของวงโคจร ละติจูดของตำบลที่ตั้งของผู้สังเกตอยู่ในตำแหน่งที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าระนาบของดวงอาทิตย์ และแนวเส้นโคจรของดวงอาทิตย์ที่สังเกตเห็นก็คือ สุริยะวิถีนั่นเอง



ดังนั้น การที่ประเทศไทยตั้งอยู่ทางซีกโลกเหนือ มีละติจูดเหนือแนวเส้นศูนย์สูตร จึงถือว่ามีที่ตั้งอยู่ในเขตร้อน ( และชื้น ) มีความเข้มของรังสีอาทิตย์ค่อนข้างมาก ทำให้อุณหภูมิเฉลี่ยของประเทศไทยสูงตามไปด้วย ภาพข้างล่างนี้แสดงอุณหภูมิ “เฉลี่ย” ในเดือนมกราคม และกรกฎาคม ของประเทศไทย ( ข้อมูลอุณหภูมิปรับปรุงถึงปี 2542 ) ซึ่งจะเห็นว่ามีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิในสภาวะน่าสบาย ( Comfort ) จึงทำให้มีความต้องการใช้เครื่องปรับอากาศสูงขึ้นอย่างมากในรอบ 10 ปีที่ผ่านมา และมีการใช้พลังที่สูงมากในอาคารที่มีการปรับอากาศ




พลังงานในแสงอาทิตย์


แสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่มีคุณสมบัติทางกายภาพเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีสเปคตรัม ( Spectrum ) หรือแถบความถี่ของพลังงาน ครอบคลุมทั้งย่านที่ตาสามารถมองเห็นได้ ( Visible Range ) และย่านที่ตาไม่สามารถมองเห็น โดยมีความยาวคลื่นโดยประมาณอยู่ในช่วง 0.3 ถึง 25 mm ( mm คือ 1 เมตรหารด้วย 1 ล้าน ) ซึ่งครอบคลุมบางส่วนของย่านความถี่อุลตร้าไวโอเลต ( Ultraviolet ) , ความถี่ย่านการมองเห็นทั้งหมด และบางส่วนของย่านความถี่อินฟราเรด ( Infrared ) โดยย่านความถี่ของแสงที่ทำให้เกิดการมองเห็นจะอยู่ในช่วง 380 ถึง 760 nm ( nm คือ 1 เมตรหารด้วย 1 พันล้าน ) และมีสัดส่วนของพลังงานคิดเป็น 44% ของพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดที่ได้จากการแผ่รังสี ( Radiation ) สำหรับความถี่ของพลังงานแสงอาทิตย์ในบางย่าน เช่น อินฟราเรดจะทำให้เกิดความร้อน มีสัดส่วนพลังงานประมาณ 53 % ทำให้รู้สึกว่าแสงอาทิตย์นั้นร้อนมาก และมีพลังงานของคลื่นในย่านรังสีอุลตร้าไวโอเลต ประมาณ 3 % อุลตร้าไวโอเลตนี้ มีคูณสมบัติทำให้สีตกและอาจก่อให้เกิดมะเร็งผิวหนังได้
เนื่องจากแสงแดดจัดเป็นรังสีที่ให้ความสว่างมาก และเป็นแสงธรรมชาติที่สามารถนำมาใช้ได้ไม่มีวันหมด แสงสว่างธรรมชาติจึงถูกนำมาใช้เพื่อการมองเห็นอย่างมีนัยสำคัญมากขึ้น ดังที่ปรากฎในงานสถาปัตยกรรมทางอาคารในลักษณะต่างๆที่พบเห็นได้อยู่เนืองๆ นอกเหนือจากพลังงานความร้อนในแสงแดดแล้ว หากมีการนำมาใช้ให้เหมาะสมก็จะทำให้สามารถลดการใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อแสงสว่างลงไปได้ และสำหรับอาคารที่มีการปรับอากาศ ( Air-Conditioned Building ) ด้วยนั้น หากมีการควบคุมปริมาณแสงอาทิตย์ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม ( ความร้อนจากแสงอาทิตย์ไม่มากนัก ) นอกจากจะได้ความสว่างจากแสงอาทิตย์แล้ว ยังช่วยลดภาระความร้อน ( Heat Load ) จากการใช้หลอดไฟฟ้าและบัลลาสต์ในอาคารลงได้เช่นกัน นอกจากนี้ แสงสว่างจากธรรมชาติยังช่วยให้เราสามารถมองเห็นวัตถุด้วยสีสันที่ถูกต้อง ( True Color Rendering ) อีกด้วย จึงได้มีการทำวิจัยถึงศักยภาพการอนุรักษ์พลังงานด้วยแสงธรรมชาติในหลายๆประเทศ ซึ่งก็พบว่าได้คำตอบที่น่าพอใจ โดยมีเอกสารงานวิจัยบางรายการ ได้แสดงให้เห็นถึงมาตรการอนุรักษ์พลังงานโดยใช้แสงธรรมชาติให้ความสว่างกับพื้นที่ใช้งาน โดยในกรณีที่แสงธรรมชาติลดลงในบางขณะ จะมีระบบควบคุมอัตโนมัติทำการควบคุมแสงสว่างจากหลอดไฟฟ้า เพื่อเสริมความสว่างให้ได้ระดับความส่องสว่างตามมาตรฐาน ซึ่งผลการวิจัยนี้ชี้ให้เห็นว่า สามารถลดการใช้พลังงานของวงจรหลอดไฟฟ้าได้ถึงครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับการเปิดหลอดไฟฟ้าทั้งหมดตามปกติ ทั้งนี้เนื่องจากแสงแดดมีให้ใช้ตลอดช่วงเวลาทำงานตั้งแต่เช้ายันเย็น ตลอดทั้งปีนั่นเอง …
อนึ่ง เพื่อไม่ให้อาคารได้รับแสงแดดที่ร้อนจัดจนเกินไป อาคารที่มีการตระหนักเรื่องการอนุรักษ์พลังงาน มักจะนิยมหันด้านข้างของอาคารตามแนวทิศตะวันออก – ตะวันตก เพราะพื้นที่ผิวด้านข้างทั้ง 2 ด้านของอาคาร มักจะมีพื้นที่ผิวน้อยกว่าด้านหน้าและด้านหลังอาคาร ทำให้มีการรับความร้อนจากแสงแดดโดยตรง ซึ่งมีความเข้มของรังสีความร้อนสูงมาก ในปริมาณที่น้อยกว่าการหันด้านหน้าและด้านหลังอาคารตามแนวทิศตะวันออก – ตะวันตก นั่นเอง