รายละเอียดโครงการ

ชื่อโครงการ

โครงการการพัฒนาเซลล์ไฟฟ้าเคมีชีวภาพจากหยวกกล้วยเพื่อกักเก็บพลังงานโซลาร์เซลล์ (Development of
Banana Stem Bio-Electrochemical Cells for Solar Energy Storage)

2. หลักการและเหตุผล (Rationale
& Background)

ปัจจุบันพลังงานแสงอาทิตย์
(Solar Energy) เป็นพลังงานหมุนเวียนที่มีศักยภาพสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
อย่างไรก็ตาม
ข้อจำกัดสำคัญของระบบพลังงานแสงอาทิตย์คือความไม่ต่อเนื่องของการผลิตพลังงาน
จึงจำเป็นต้องใช้นวัตกรรมระบบกักเก็บพลังงาน (Energy Storage System: ESS) เข้ามาเสริมเสถียรภาพ แต่แบตเตอรี่เคมีเชิงพาณิชย์ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน
เช่น แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน (Lithium-ion) หรือแบตเตอรี่ชนิดตะกั่ว-กรด
(Lead-acid) กลับมีต้นทุนสูง
ตลอดจนกระบวนการสังเคราะห์และขยะแบตเตอรี่หลังหมดอายุการใช้งานส่งผลกระทบและเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมอย่างร้ายแรง

จากปัญหาดังกล่าว
จึงเกิดแนวคิดการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานเชิงชีวภาพ (Bio-energy Storage
System) โดยการประยุกต์ใช้วัสดุชีวมวลเหลือทิ้งทางการเกษตร โดยเฉพาะ
"หยวกกล้วย" (Banana Pseudostem) ซึ่งเป็นชีวมวลปริมาณมากที่มักถูกตัดทิ้งภายหลังการเก็บเกี่ยว
ในทางไฟฟ้าเคมี (Electrochemistry) น้ำเค้นหรือน้ำหมักจากหยวกกล้วยอุดมไปด้วยไอออนอิสระ
ได้แก่ โพแทสเซียมไอออน และโซเดียมไอออน ( ร่วมกับกรดอินทรีย์หลายชนิด ซึ่งทำหน้าที่เป็น สารอิเล็กโทรไลต์ธรรมชาติ
(Natural Electrolyte) ที่มีประสิทธิภาพ Ion
Mobility สูง สามารถนำไฟฟ้าและเอื้อให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox
Reaction) ระหว่างขั้วไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์

ดังนั้น
โครงการนี้จึงมุ่งศึกษาและพัฒนาระบบเซลล์ไฟฟ้าเคมีชีวภาพ (Biochemical Cell) จากสารอิเล็กโทรไลต์ธรรมชาติในน้ำหมักหยวกกล้วย
เพื่อประยุกต์ใช้ในการรับและจัดเก็บประจุไฟฟ้าจากแผงเซลล์สุริยะ (Solar
Cell) ซึ่งนอกจากจะเป็นการยกระดับเศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรตามหลักการยกระดับมูลค่า
(Upcycling) และเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy)
แล้ว ยังเป็นการสร้างนวัตกรรมกักเก็บพลังงานสะอาด ต้นทุนต่ำ
ย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืน

3. วัตถุประสงค์ (Objectives)

1.       เพื่อศึกษาสูตรและสภาวะที่เหมาะสม
(Optimization) ในการหมักสารชีวมวลจากหยวกกล้วย สำหรับสังเคราะห์เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ธรรมชาติ
(Natural Electrolyte) ที่มีค่าความนำไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของไอออนสูงสุด

2.       เพื่อออกแบบ ประดิษฐ์
และบูรณาการระบบเซลล์ไฟฟ้าเคมีชีวภาพ (Bio-electrochemical Cell Integration) ที่สามารถรองรับการอัดประจุไฟฟ้า
(Charging) จากระบบเซลล์สุริยะ และสามารถจ่ายประจุไฟฟ้า (Discharging)
เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ไฟฟ้าในสภาวะการใช้งานจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3.       เพื่อประเมินสมรรถนะทางไฟฟ้าเคมี
(Electrochemical Performance Evaluation) ของระบบ ได้แก่
ความจุไฟฟ้า (Electrical Capacity) ประสิทธิภาพการกักเก็บพลังงาน
(Energy Efficiency) และความเสถียรในการอัด-จ่ายประจุซ้ำ (Cyclic
Stability)

4. สมมติฐานการวิจัย

สารอิเล็กโทรไลต์ธรรมชาติจากน้ำหมักหยวกกล้วยที่มีสภาวะการหมักและความเข้มข้นของไอออนอินทรีย์อย่างเหมาะสม
มีสมรรถนะทางไฟฟ้าเคมีที่สามารถรองรับการนำถ่ายประจุและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในเซลล์ไฟฟ้าเคมีชีวภาพ
ส่งผลให้ระบบสามารถอัดประจุพลังงานจากเซลล์สุริยะ และจ่ายพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงให้แก่อุปกรณ์ไฟฟ้าในสภาวะการใช้งานจริงได้อย่างมีเสถียรภาพ

5. ขอบเขตการดำเนินงาน

ศึกษาสภาวะและปัจจัยทางไฟฟ้าเคมีที่มีผลต่อประสิทธิภาพการกักเก็บและจ่ายพลังงานไฟฟ้า
โดยกำหนดตัวแปรในการวิจัยดังนี้     

                            ตัวแปรต้น (Independent
Variables):

o    ระยะเวลาในการหมักสารชีวมวลจากหยวกกล้วย
(Fermentation Time)

o    ชนิดและจับคู่ของวัสดุขั้วไฟฟ้า
(Electrode Pair Combinations) เช่น ขั้วทองแดง-สังกะสี (Cu-Zn)
และขั้วคาร์บอน-กราฟีน (Carbon-Graphene)

   ตัวแปรตาม (Dependent
Variables):

o    สมรรถนะทางไฟฟ้า
ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าดันเปิด (Open-Circuit Voltage) ปริมาณกระแสไฟฟ้า
 ค่าความจุไฟฟ้า (Electrical
Capacity)และระยะเวลาความเสถียรในการกักเก็บและจ่ายพลังงาน (Energy
Retention Time)

?        
ตัวแปรควบคุม (Controlled
Variables):

o    ปริมาตรและความเข้มข้นของสารอิเล็กโทรไลต์จากหยวกกล้วยในภาชนะบรรจุ
อุณหภูมิแวดล้อม และขนาดพื้นที่ผิวสัมผัสของขั้วไฟฟ้า

ขอบเขตด้านอุปกรณ์และบูรณาการระบบ (Hardware & System Integration
Scope)

       การประยุกต์ใช้แผงเซลล์สุริยะ (Solar Panel
Subsystem) เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานปฐมภูมิ

o    การใช้ชุดควบคุมการประจุไฟโซลาร์เซลล์
(Solar Charge Controller) เพื่อบริหารจัดการและปรับแรงดัน/กระแสไฟฟ้าให้เหมาะสมก่อนส่งไปอัดประจุ
(Charging) เข้าสู่โมดูลแบตเตอรี่ชีวภาพจากสารอิเล็กโทรไลต์หยวกกล้วย

o    การเลือกใช้ภาชนะบรรจุและจัดเก็บสารอิเล็กโทรไลต์ในรูปแบบเซลล์กักเก็บพลังงานชีวภาพที่มีความปลอดภัย
ไร้การรั่วซึม และย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ

ขอบเขตด้านการประยุกต์ใช้งานจริง (Application Scope)

 การทดสอบนำพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC Power) ที่จัดเก็บได้จากระบบแบตเตอรี่ชีวภาพ ไปจ่ายไฟให้กับชุดโหลดไฟฟ้าทดลอง
เช่น ระบบหลอดไฟส่องสว่าง LED พลังงานต่ำ
หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ภายในพื้นที่โรงเรียนเทศบาลอุ่มลอง
เพื่อสาธิตและประเมินความคุ้มค่าในการใช้งานจริงเชิงพื้นที่

6. แผนการดำเนินงานและขอบเขตการทดลอง (Methodology & Experimental Plan)

ระยะที่ 1: การเตรียมวัตถุดิบชีวมวลและอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน
(Biomass Preparation & Hardware Procurement)

• การคัดเลือก เกลา และย่อยขนาดส่วนโคนและลำต้นของหยวกกล้วย (Banana
  Pseudostem) เพื่อปรับสภาพพื้นผิวสัมผัสและเตรียมเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ธรรมชาติ
  (Natural Electrolyte) จำนวน 12 ถังปฏิกรณ์


• การจัดเตรียมอุปกรณ์ระบบเซลล์สุริยะ (Solar Panel Subsystem) วงจรควบคุมการประจุ และอุปกรณ์ประกอบระบบไฟฟ้าสำหรับการทดสอบ

ระยะที่ 2: การสังเคราะห์ขั้วไฟฟ้าและการประกอบเซลล์แบตเตอรี่ชีวภาพ
(Electrode Fabrication & Bio-Battery Assembly)

• การออกแบบและสร้างขั้วไฟฟ้า (Electrode Fabrication) โดยการคัดเลือกวัสดุตัวนำที่เหมาะสมสำหรับขั้วแอโนด (Anode) และขั้วแคโทด (Cathode) เพื่อให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์
  (Redox Reaction) ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด


• การบรรจุสารอิเล็กโทรไลต์จากหยวกกล้วยลงในถังปฏิกรณ์เพื่อประกอบเป็นแบตเตอรี่ชีวภาพต้นแบบ
  (Bio-battery Modules) พร้อมติดตั้งระบบเชื่อมต่อทางไฟฟ้า

ระยะที่ 3: การบูรณาการระบบและวิเคราะห์ผลการทดลอง
(System Integration & Performance Testing)

• การต่อบูรณาการระบบร่วมระหว่างแผงเซลล์สุริยะ ระบบประจุพลังงาน
  และแบตเตอรี่ชีวภาพต้นแบบ


• การทดสอบสมรรถนะทางไฟฟ้า (Electrochemical Performance
  Testing) ได้แก่ การวัดแรงดันไฟฟ้าดันเปิด (Open-Circuit
  Voltage), กระแสไฟฟ้าสูงสุด, ความจุพลังงาน
  (Capacity) และความเสถียรในการจ่ายไฟต่อเนื่องภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกัน

ระยะที่ 4: การวิเคราะห์ สรุปผล
และการประยุกต์สู่ชุมชน (Data Analysis, Evaluation & Technology
Transfer)

• การประมวลผลข้อมูลการทดลองทางสถิติ สรุปประสิทธิภาพเชิงพลังงาน
  และประเมินความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์/สิ่งแวดล้อม


• การจัดทำแนวทางการพัฒนาต่อยอดสมรรถนะของแบตเตอรี่ชีวภาพ
  และการถ่ายทอดเทคโนโลยี (Technology Transfer) เพื่อส่งเสริมการนำไปใช้งานจริงในระดับชุมชนหรือภาคการเกษตรอย่างยั่งยืน

ระยะเตรียมการและหมักสาร (Preparation &
Fermentation):

o    สับและบดหยวกกล้วย
หมักเพื่อสกัดน้ำหมักอิเล็กโทรไลต์ วัดค่า pH และค่าการนำไฟฟ้า (EC)

2.       ระยะออกแบบและประกอบเซลล์
(Cell Design & Assembly):

o    ทดสอบคัดเลือกขั้วไฟฟ้า
(Anode/Cathode) ที่เหมาะสม

o    บรรจุน้ำหมักหยวกกล้วยลงในภาชนะทดลองและต่อวงจร

3.       ระยะทดสอบการกักเก็บพลังงาน
(Testing & Integration):

o    ต่อเข้ากับแผงโซลาร์เซลล์ผ่านวงจรควบคุมการชาร์จ
(Charge Controller)

o    บันทึกเวลาชาร์จ
ค่าแรงดันสูงสุด และทดลองจ่ายไฟให้โหลด (เช่น หลอดไฟ LED)

4.       ระยะประเมินและสรุปผล
(Evaluation & Reporting):

o    วิเคราะห์ประสิทธิภาพเชิงพลังงานและต้นทุน
ต่อสรุปผลรายงาน

7. ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

1.       ด้านเทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม:

o    ได้รับนวัตกรรมแบตเตอรี่ชีวภาพต้นแบบ
(Bio-battery Prototype) ที่มีประสิทธิภาพ ไร้สารพิษ
เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีคุณสมบัติในการย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ (Biodegradable)

2.       ด้านเศรษฐกิจและการประยุกต์ใช้:

o    สามารถพัฒนาเป็นเทคโนโลยีทางเลือกเพื่อลดต้นทุนในการจัดหาและติดตั้งระบบกักเก็บพลังงาน
(Energy Storage System) สำหรับการใช้งานในภาคเกษตรกรรมและชุมชนขนาดเล็กอย่างยั่งยืน

3.       ด้านการจัดการทรัพยากรและสร้างมูลค่าเพิ่ม:

o    เป็นการส่งเสริมการหมุนเวียนทรัพยากรผ่านการยกระดับมูลค่าเศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร
(Agricultural Waste Upcycling) ตามแนวคิดเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular
Economy)

4.       ด้านการศึกษาและการพัฒนาศักยภาพ:

o    นักเรียนโรงเรียนเทศบาลอุ่มลองได้รับการพัฒนาทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์
เกิดการเรียนรู้เชิงลึก (Deep Learning) ผ่านการลงมือปฏิบัติจริง
และสามารถต่อยอดองค์ความรู้ไปสู่การแก้ปัญหาในท้องถิ่นได้