Research

เส้นใยนำแสงกับระบบส่องสว่างภายในอาคาร


รองศาสตราจารย์ ดร. อธิคม ฤกษบุตร  
คณบดีคณะวิศวกรรมศาสตร์ ​ 
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
16 กันยายน 2557  

       ปัจจุบันสังคมให้ความสำคัญกับการจัดการพลังงานเป็นอย่างมากโดยเฉพาะประเด็นในเรื่องของความประหยัด ความคุ้มค่า และประสิทธิภาพ นับวันพลังงานจากแหล่งธรรมชาติต่าง ๆ กำลังหมดไป อีกทั้งการเพิ่มขึ้นของปริมาณประชากรในสังคมก็ทำให้ปริมาณการจ่ายพลังงานที่มีอยู่เริ่มมีแนวโน้มที่จะขาดแคลนในอนาคตอันใกล้ วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์หลาคนจึงหันมาให้ความสนใจกับการจัดการพลังงานรวมไปถึงหาแหล่งพลังงานทางเลือกในรูปแบบต่าง ๆ มากมาย 
  
     เมื่อเอ่ยถึงเส้นใยนำแสงหรือ optic fiber เชื่อว่าคนส่วนใหญ่จะนึกถึงการนำเส้นใยนำแสงไปใช้ในระบบสื่อสารโทรคมนาคม เนื่องจากโครงข่ายสื่อสารโทรคมนาคมหลักทั้งภายในและภายนอกประเทศในปัจจุบัน ล้วนใช้เส้นใยนำแสงเป็นระบบสื่อสัญญาณข้อมูลความเร็วสูง (high speed communication) แทบทั้งสิ้น จากคุณสมบัติของเส้นใยนำแสงที่สามารถนำแสงได้ดีเป็นระยะทางไกล ๆ วิศวกรจึงได้คิดนำมาใช้กับระบบส่องสว่างภายในอาคารที่แสงจากแดดส่องเข้าไปไม่ถึง 

รูปที่ 1 การนำแสงอาทิตย์มาใช้ในระบบส่องสว่าง รูปบนเป็นเทคนิคที่ใช้ในปัจจุบัน ส่วนรูปล่างเป็นแนวความคิดใหม่ (ที่มา : ข้อมูลจาก Laser Focus World Magazine, e-version วันที่ 14 ตุลาคม 2556)

       แสงอาทิตย์หรือแสงแดดเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่มีไม่จำกัด ปัจจุบันได้มีการนำพลังงานแสงอาทิตย์มาเปลี่ยนแปลงให้เป็นพลังงานทางไฟฟ้าผ่านเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell) โดยใช้หลักการที่เรียกว่า โฟโตวอลตาอิก (Photovoltaic) จากนั้นก็ส่งผ่านสัญญาณไฟฟ้านี้ผ่านสายไฟ(ตัวนำ)ไปยังหลอดไฟเพื่อกำเนิดแสงสว่างสำหรับพื้นที่ภายในอาคาร ดังแสดงในรูปที่ 1 (รูปบน) เนื่องจากแสงอาทิตย์มีความสว่างมากเพียงพอที่จะจัดสรรไปยังพื้นที่อื่น ๆ ที่แสงส่งไปไม่ถึง เช่น ภายในตัวอาคาร ถ้าเราสามารถนำพาแสงสว่างเหล่านี้ไปยังพื้นที่ที่ต้องการได้โดยไม่ต้องมีการเปลี่ยนรูปพลังงาน ก็จะสามารถใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์นี้ได้ แนวความคิดนี้ได้ถูกนำเสนอดังรูปที่ 1 (รูปล่าง) โดยใช้อุปกรณ์นำแสง (light transmission) เป็นตัวสื่อสัญญาณ ซึ่งอุปกรณ์นำแสงนี้มีหลักการทำงานเช่นเดียวกับเส้นใยนำแสงที่ใช้ในระบบสื่อสารปัจจุบันนั่นเอง

รูปที่ 2 แนวความคิดในการประยุกต์ใช้งานระบบส่องสว่างด้วยเส้นใยนำแสง

       แนวความคิดการประยุกต์ใช้งานระบบส่องสว่างด้วยเส้นใยนำแสงแสดงดังรูปที่ 2 เริ่มจากอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่รวบรวมแสงสว่างจากแสงอาทิตย์ (solar concentrator) ที่ติดตั้งบนหลังคาอาคาร จะรวมแสงให้เดินทางเข้าสู่เส้นใยนำแสง ซึ่งอาจเชื่อมต่อให้มีเส้นทางเดินได้หลายเส้นทางเข้าไปภายในอาคารตามพื้นที่ที่ต้องการ โดยผ่านสวิชต์แยกแสงชนิด optofluidic switch เพื่อควบคุมให้ความสว่างของแสงแยกเดินทางไปยังพื้นที่ต่าง ๆ เนื่องจากแสงแดดเป็นแสงที่มีหลายความยาวคลื่นทั้งในส่วนที่ตามองเห็น (visible light) และที่ตามองไม่เห็น เช่น อินฟราเรด (IR) หรือ อุลตร้าไวโอเลต (UV) สวิชต์แสงชนิด optofluidic switch จะทำหน้าที่แยกแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการไปยังเส้นทางที่กำหนดได้ เช่น อาจแยกแสงอินฟราเรด (IR) ไปยังเส้นทางที่ให้แสงตกกระทบโซลาร์เซลล์ (solar cell) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า หรือ อาจแยกแสง UV ออกไปใช้ในการฆ่าเชื้อโลกหรือฟอกอากาศ (Air purification) ในขณะที่แสงในย่านที่ตามองเห็นอาจแยกไปใช้สำหรับการส่องสว่างภายในอาคารแทนหลอดไฟ รวมถึงส่องกระทบต้นไม้ภายในอาคาร เพื่อให้ต้นไม้ใช้แสงแดดในการเจริญเติบโตได้แม้จะอยู่ในที่อับแสงภายในอาคาร   


รูปที่ 3 หลักการทำงานของสวิตซ์แสงชนิด optofluidic switch

       อุปกรณ์สำคัญที่เรียกว่า optofluidic switch มีหลักการทำงานแสดงดังรูปที่ 3 โดยรูป 3 (a) และ (b) เป็นโครงสร้างพื้นฐานที่เป็นท่อนำแสงแบบระนาบ (planar optical waveguide) (พื้นที่สีเทา) ใช้เป็นเส้นใยนำแสง ที่ขอบด้านบนของท่อนำแสงแบบระนาบจะมีอิเล็กโครดทางไฟฟ้า ซึ่งจะถูกเคลือบด้วยวัสดุที่มีคุณสมบัติคล้ายของเหลวบนพื้นผิว (ชั้นที่ที่สีเหลือง) เมื่อไม่มีการป้อนไฟให้กับอิเล็กโตรดดังรูป 3 (a) แสงจะเดินทางสะท้อนไปมาในท่อนำแสงตามแนวลูกศรสีแดง ทำให้แสงเดินทางไปตามเส้นทางของท่อนำแสงนี้ได้โดยไม่รั่วไหลออกไปภายนอก เมื่อมีการป้อนไฟให้กับอิเล็กโตรดดังรูป 3 (b) ส่วนของเหลวที่เป็นชั้นบาง ๆ บนพื้นผิวท่อนำแสง จะมีการเปลี่ยนคุณสมบัติบางประการ ทำให้แสงภายในท่อทำแสงสามารถเปล่งออกไปภายนอกได้จามหลักการกระเจิงของแสง (scattering light) หากนำท่อนำแสงมาต่อเชื่อมตรงจุดนี้ ก็สามารถแยกแสงจากเส้นทางเดิมไปสู่เส้นทางใหม่ได้ด้วยการป้อนไฟให้กับ optofluidic switch นี้ รูปที่ 3 (c) แสดงสภาวะของอุปกรณ์จริงที่เป็นท่อนำแสงเมื่อไม่มีการป้อนไฟให้กับสวิตซ์ แสงจะเดินทางภายในท่อนำแสง แต่เมื่อมีการป้อนไฟให้กับสวิตซ์ จะเห็นพื้นที่ที่มีความสว่างของแสงเปล่งออกมาตามรูปที่ 3 (d) ในทำนองเดียวกัน เทคโนโลยีที่ใช้กับ optofluidic switch สามารถประยุกต์ใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงคล้ายกับหลอดไฟได้อีกด้วย 
       จากระบบส่องสว่างที่ใช้เส้นใยนำแสงนี้ จะเห็นว่าเป็นระบบส่องสว่างที่ประหยัดพลังงานมาก เพราะแหล่งกำเนิดแสง ก็คือแสงแดดที่หาได้ฟรีจากธรรมชาตินั่นเอง เพียงแต่การใช้เทคโนโลยีช่วยให้สามารถนำแสงสว่างนี้ไปยังที่อับแสงภายในอาคารที่ต้องการได้ จะว่าไปแล้ว โลกเรามีการเปลี่ยนแปลงเร็วมาก การศึกษาเทคโนโลยีถ้าหยุดนิ่ง ก็จะตามไม่ทัน และความรู้ที่มีก็จะกลายเป็นประวัติศาสตร์ไปอย่างรวดเร็ว

<< ย้อนกลับ