การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์ เราถือว่าเป็นพลังงานสะอาดที่จัดว่าเป็นพลังงานทดแทนอีกรูปแบบหนึ่งและจัดว่าเป็นพลังงานอีกหนึ่งทางเลือกที่มีความมั่นคงในระยะยาวและใช้ได้อย่างไม่มีวันหมดและยังปราศจากปัญหาด้านมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม    และในปัจจุบันยังมีการนำพลังงานแสงอาทิตย์ไปใช้ประโยชน์ในการผลิตไฟฟ้ามีเทคโนโลยีที่ใช้กันอยู่ประเภทหลักๆ อยู่ 2 ประเภทดังนี้

ประเภทของโรงงานผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์

1.     โรงผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์    (Solar Cell)       การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์   (Sunlight)  โดยตรง     โดยการสิ่งที่ประดิษฐ์ขึ้นมาทางอิเล็กทรอนิกส์สร้างจากสารที่เป็นกึ่งตัวนำที่เรียกว่า   “เซลล์แสงอาทิตย์”   โดยแบ่งเป็นประเภทซิลิคอน  และไม่ใช่ซิลิคอน  ซึ่งในปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ที่สร้างจากสารกึ่งตัวนำซิลิคอนนั้นนำมาใช้เป็นตัวหลักในการผลิตไฟฟ้า

ในประเทศไทย  “โซลาร์เซลล์”   ได้ถูกนำมาใช้เป็นเครื่องมือในการผลิตไฟฟ้าแบ่งได้เป็น   3   ระบบ  คือ

-       On – Grid  System   หรือ  Grid  Connected     ระบบผลิตไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์ที่ทำงานโดยมีการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่ผลิตได้กับสายส่งของการไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง   โดยยังแบ่งประเภทการผลิตไฟฟ้าได้อีก  คือ  การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งบนพื้นดิน  (Solar  Farm)   และแบบที่ติดตั้งบนหลังคา   (Solar  Rooftop)

-       Off – Grid  System     คือ   การผลิตระบบไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์ที่ไม่ได้มีการเชื่อมต่อกับสายส่งเพื่อจำหน่ายกับการไฟฟ้า   แต่เป็นการผลิตไฟฟ้าเพื่อใช้งานเองโดยผู้ติดตั้งโซลาร์เซลล์จะสามารถผลิตไฟฟ้าใช้ได้เองภายในบ้านพักอาศัย  หรือสถานที่ต่าง  ๆ    ที่ระบบไฟฟ้าเข้าไปไม่ถึง  เช่น  ในป่า    เกาะ  ภูเขา  ในประเทศไทย  เช่น  เกาะตะรุเตา  อทุยานแห่งชาติภูกระดึง  อุทยานแห่งชาติห้วยขาแข้ง  เป็ฯต้น

-       แบบ   Hybrid  System     เป็นการผลิตไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์และร่วมกับแหล่งกำเนิดพลังงานอย่างอื่นอีก  เช่น  กังหันลม  กังหันน้ำ  เครื่องยนต์  เป็นต้น

2.     โรงงานความร้อนแสงอาทิตย์   (Solar  Thermal)      การผลิตไฟฟ้าที่ใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์  ซึ่งการผลิตในรูปแบบนี้ใช้อุปกรณ์รับแสง  เช่น  กระจกหรือวัสดุสะท้อนแสงและหมุนตามแสงอาทิตย์เพื่อรวบรวมความร้อนไว้ที่จุดเดียวกัน  และส่งผ่านไปยังตัวกลาง  เช่น  น้ำหรือน้ำมัน  แล้วนำไปหมุนกังหันหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในการผลิตกระแสไฟฟ้าต่อไป

                ในประเทศไทยนั้นถ้าดูจากความเหมาะสมแล้ว   การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์จะมีความหวังมากกว่าการผลิตจากความร้อนจากแสงอาทิตย์   เพราะในบ้านเราส่วนใหญ่เป็นรังสีกระจายและมีเมฆผสมมากซึ่งการผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์นั้นต้องใช้รังสีตรงในการผลิตเท่านั้น  ซึ่งส่วนใหญ่พบทางแถบทะเลทรายจึงไม่เหมาะกับบ้านเรา

 ข้อดี  ข้อจำกัดของโรงผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

ข้อดี

1.     เป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่ไม่ต้องซื้อได้จากธรรมชาติที่ใหญ่ที่สุด  ใช้ได้ไม่มีวันหมด  ไม่มีค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิง

2.     ในขณะที่ใช้งานไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อไหวทำให้ไม่เกิดมลภาวะทางเสียง

3.     ในการผลิตไฟฟ้าไม่ก่อให้เกิดมลภาวะที่เป็นพิษ

4.     ใช้งานแบบอัตโนมัติได้ง่ายและมีการบำรุงรักษาน้อย

5.     การผลิตไฟฟ้าแบบนี้ผลิตได้ทั่วทุกพื้นที่  แม้แต่บนเกาะเล็ก  ๆ  บนยอดเขา  เป็นต้น

6.     ได้พลังงานไฟฟ้าโดยตรงและมีการแปลงกระแสไฟฟ้าที่นำมาใช้ได้สะดวกที่สุด

7.     สามารถนำไปใช้ในแหล่งที่ไม่มีไฟฟ้า  และอยู่ห่างไกลจากระบบสายส่งและสายจำหน่ายไฟฟ้า 

ข้อจำกัด

1.     พื้นที่ที่ใช้ต้องเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่  ในการติดตั้งแผงรับแสงอาทิตย์เพื่อนำไปผลิตไฟฟ้า

2.     แหล่งกำเนิดพลังงานแสงอาทิตย์มีเวลาจำกัดไม่สามารถผลิตได้ตลอด  24  ชั่วโมง

3.     ระบบต้องมีแหล่งเก็บสะสมพลังงานหากต้องการใช้ไฟฟ้าในเวลากลางคืน  เช่น  แบตเตอรี่  เป็นต้น

4.     เทคโนโลยีต่าง  ๆ  ยังต้องมีการนำเข้า  ยังไม่มีความคุ้มค้าในการเป็นผู้ผลิตต้นน้ำ

5.     การผลิตไฟฟ้าขึ้นกับสภาพภูมิอากาศ  และไม่มีเสถียรภาพขึ้นอยู่กับแสงอาทิตย์ในเวลานั้น  ๆ

กระบวนการผลิตไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์

1.     แสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  และมีพลังงานตกกระทบมาที่แผ่นโซลาร์เซลล์

2.     แผ่นโซลาร์เซลล์จะรับพลังงานโฟตอนจากแสงอาทิตย์เกิดเป็นอนุภาคประจุไฟฟ้าลบ  และเสมือนบวก  ขึ้นมา

3.     อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบและเสมือนบวกที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงข้ามกัน

4.     ซึ่งการเคลื่อนที่ของอนุภาคทั้งสองนี้  จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น  ซึ่งไฟฟ้าที่เกิดจากเซลล์แสงอาทิตย์จะเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

ชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีการใช้งานในปัจจุบันแบ่งได้เป็น  3  กลุ่ม  ดังนี้

1.     แบบผลึก   (Crystalline   Silicon)  

-       เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน    เป็นชนิดที่ได้รับการพัฒนามาเป็นเวลานาน  ผลิตจากแผ่นเวเฟอร์ชนิดผลึกเดี่ยว  มีความหนาประมาณ  150 – 200  ไมครอน  มีประสิทธิภาพในการพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า  ข้อเสียคือมีราคาสูง

-       เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกรวมซิลิคอน     เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดที่มีการใช้งานมากที่สุดในปัจจุบัน    ผลิตจากแผ่นเวเฟอร์ชนิดรวมผลึก  มีความหนาเท่าชนิดผลึกเดี่ยว  มีราคาปานกลาง

2.     เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง   (Thin Film  solar  Cell)

-       เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิคอน      มีลักษณะเป็นฟิล์มบางไม่เกิน  3.0  ไมครอน  สามารถพบเห็นได้รอบ ๆ  ตัวเรา  เช่น   ใช้เป็นแหล่งพลังงานในเครื่องคิดเลข  หรือนาฬิกา  มีความบางเบา  และราคาถูก

-       เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางแคดเนียมเทลลูไรด์    ทำจากแคดเนียมเทลลูไรด์เป็นชั้นของสารกึ่งตัวนำเพื่อดูดกลืนและแปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้า    มีลักษณะเป็นฟิล์มบางขนาดไม่เกิน  3.0  ไมครอน   ข้อเสียของเซลล์ชนิดนี้คือมีสารประกอบซึ่งเป็นสารพิษและเป็นโลหะที่หายากมากทำให้ยังไม่เป็นที่ยอมรับกับการใช้งานของเซลล์ชนิดนี้

-       เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางคอปเปอร์อินเดียแกลเลียมเซเลไนด์     เป็นชั้นของสารกึ่งตัวนำเพื่อดูดกลืนและแปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้า  มีลักษณะเป็นฟิล์มบางไม่เกิน  3.0  ไมครอน

3.     แบบแกลเลียมอาเซไนด์   (Gallium  Arsenide  Solar  Cell)      เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึก   มีประสิทธิภาพสูงประมาณ  30%   แต่มีราคาสูงมากเมื่อเทียบกับประเภทซิลิคอน  จึงไม่นิยมนำมาใช้งานทั่วไป  แต่นิยมใช้ในงานที่ต้องการประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงในพื้นที่จำกัด  เช่น  ในยานอวกาศหรือดาวเทียม

ส่วนประกอบของแผงโซลาร์เซลล์

      การผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์     อุปกรณ์ที่มีความสำคัญรองลงมาจากเซลล์แสงอาทิตย์ก็คือ  “แผงโซลาร์เซลล์”    เพราะแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นจากเซลล์แสงอาทิตย์เพียงเซลล์เดียวนั้นต่ำมาก   ต้องนำมาต่อกันแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าให้สูงขึ้นและการทำเซลล์แสงอาทิตย์ให้เป็นแผงก็เพื่อความสะดวกในการนำไปใช้งาน   

     ในการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ยังต้องพึ่งพาอุปกรณ์อื่น  ๆ ที่ทำให้การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์มีความสมบูรณ์ในกระบวนการทำงาน  เราเรียกว่า  “ Solar  System ”  โดยอุปกรณ์ที่ใช้นี้แบ่งเป็นระบบ  On – Grid และ  Off – Grid   ประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก  ดังนี้

ระบบ  On – Grid  System

-       แผงโซลาร์เซลล์    ทำหน้าที่หลักในการรับแสงจากดวงอาทิตย์มาผลิตกระแสไฟฟ้า   เมื่อแสงกระทบกับแผงแล้วจะเกิดการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า  ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ได้เป็นกระแสตรง

-       อินเวอร์เตอร์      มีหน้าที่แปลงกระแสไฟฟ้าจากไฟฟ้ากระแสตรง  เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ  เนื่องจากระบบไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่ใช้ตามบ้านเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ    ซึ่งไม่สามารถนำมาใช้งานได้โดยตรง

-       หม้อแปลงไฟฟ้า      หลังจากที่มีการแปลงไฟฟ้าจากกระแสตรงเป็นกระแสสลับแล้วจากเครื่องอินเวอร์เตอร์  กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งเข้าหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นระบบไฟฟ้าแรงสูง  และจำหน่ายเข้าระบบของการไฟฟ้าต่อไป

ระบบ  Off – Grid  System

             โดยส่วนประกอบหลักจะเหมือนกับ  On – Grid  คือมีแผงโซลาร์เซลล์และอินเวอร์เตอร์  ที่มีความจำเป็นในการแปลงกระแสไฟฟ้า  และมีส่วนประกอบอื่น  ๆ  อีกที่จำเป็นดังนี้

-       อุปกรณ์ควบคุมการประจุแบตเตอรี่  (Baterry  Charge  Controller)     ทำหน้าที่ประจุกระแสไฟฟ้าที่ได้จากแผงโซลาร์เซลล์เข้าสู่แบตเตอรี่และควบคุมให้มีปริมาณที่เหมาะสมกับแบตเตอรี่   เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่  รวมถึงควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้าออกจากแบตเตอรี่ด้วย  เมื่อประจุกระแสไฟฟ้าเข้าสู่แบตเตอรี่เต็มแล้ว ก็จะหยุดหรือลดการประจุกระแสไฟฟ้า    ระบบพลังงานแสงอาทิตย์จะใช้เครื่องควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้าในกรณีที่มีการเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในแบตเตอรี่เท่านั้น

-       แบตเตอรี่     ทำหน้าที่เก็บพลังงานที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์และนำพลังงานนั้นมาใช้ในบางช่วงเวลาที่ต้องการ  เช่น   ในเวลากลางคืนหรือในช่วงเวลาที่พลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ   แบตเตอรี่ที่ใช้ควรเป็นแบบชนิดดีฟไซเคิล  หรือแบบสเตชั่นเนอรี่  ที่ถูกออกแบบให้มีความเหมาะสมและทนทานต่อการใช้งานมากกว่าแบตเตอรี่แบบทั่วไป

ตัวแปรสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อการผลิตไฟฟ้าของโซลาร์เซลล์

-       ความเข้มของแสง      ที่ตกกระทบแผงโซลาร์เซลล์จะมีผลต่อกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้  เช่น  ถ้าความเข้มของแสงอาทิตย์สูงในตอนกลางวันก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ได้จากโซลาร์เซลล์ก็จะสูงขึ้นและในขณะที่แรงดันไฟฟ้าก็เพิ่มขึ้นด้วย   ซึ่งถ้าเป็นเวลาในช่วงเย็นหรือในช่วงที่มีเมฆมากความเข้มของแสงก็ลดลงส่งผลให้กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากโซลาร์เซลล์ก็จะลดน้อยลงไปด้วย

-       อุณหภูมิ       มีผลต่อกำลังไฟฟ้าที่ผลิตเช่นกัน  ทั่วไปค่ามาตรฐานอุณหภูมิของแผงโซลาร์เซลล์ คือ  25  องศาเซลเซียส  แต่ในความเป็นจริงเมื่อแผงมีการใช้งานอุณหภูมิจะสูงขึ้น  ซึ่งจะส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าที่ได้ลดลงอย่างมาก  แม้ว่าค่ากระแสไฟฟ้าที่ได้จากแผงนั้นจะเพิ่มขึ้น  แต่การลดลงของแรงดันไฟฟ้าจะมีอิทธิพลมากกว่า  ซึ่งการลดลงของแรงดันไฟฟ้าเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นเป็นคุณสมบัติทั่วไปของสารกึ่งตัวนำทำให้เมื่อมีการใช้งานของแผงจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเทศไทยที่มีสภาพอากาศที่ร้อน   ค่ากำลังไฟฟ้าของแผงที่ได้จะลดลง   สรุปได้ว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น  แรงดันไฟฟ้าก็จะลดลง  ซึ่งมีผลทำให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดของแผงโซลาร์เซลล์ลดลงด้วย

  รู้จัก Solar   Thermal

                      โรงผลิตไฟฟ้าความร้อนแสงอาทิตย์ด้วยระบบการผลิตไฟฟ้าโดยใช้ความร้อนจากดวงอาทิตย์       โดยมีการทำงานแบบลักษณะคล้ายแว่นขยาย  จะรวมแสงอาทิตย์ไปที่จุดเดียวเพื่อให้เกิดความร้อนสูงเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า  ที่มีการใช้งานในปัจจุบัน  จะมีหลักการทำงานทั้งวิธีการสะท้อนแสงมาใช้งานโดยตรง  และการใช้โดยอ้อมคือการใช้ไอน้ำ  หรือ  การใช้ลมร้อนเพื่อหมุนเจเนอเรเตอร์  โดยมีลักษณะการทำงานแต่ละประเภทดังนี้

ระบบรางพาราโบลิค  (Parabolic  Trough)

                 ตัวรับรังสีดวงอาทิตย์ทำงานโดยหลักการรวมรังสีด้วยการสะท้อนจากผิวโค้งรูปพาราโบลาที่เป็นรางยาว  ตัวรับรังสีประกอบด้วยตัวสะท้อนรังสีและท่อรับรังสี   โดยช่องว่างระหว่างท่อเป็นสูญญากาศเพื่อลดการสูญเสียความร้อน  ภายในมีของเหลวในท่อโลหะเพื่อพาความร้อนไปถ่ายเทให้กับหม้อไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนเครื่องยนต์กังหันไอน้ำ  สำหรับในช่วงที่ไม่มีแสงอาทิตย์  จะใช้พลังงานจากก๊าซช่วยในการกำเนิดไอน้ำ

ระบบจานพาราโบลิค   (Parabolic  Dish)

                 ระบบผลิตไฟฟ้าแบบนี้จะใช้หลักแปลงพลังงานจากรังสีดวงอาทิตย์ให้เป็นความร้อน  แล้วแปลงพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานกลเพื่อนำไปผลิตไฟฟ้า   ประกอบด้วยจานรวมแสงแบบพาราโบลิคและเครื่องยนต์สเตอร์ลิงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า   โดยตัวรวมแสงอาจมีผิวสะท้อนเป็นผิวต่อเนื่องหรือประกอบด้วยแผ่นสะท้อนแสงหลายชิ้นประกอบกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าวางอยู่ที่จุดโฟกัสของจานพาราโบลิคและจานต้องมีระบบขับเคลื่อนแบบ  2  แกน ตามดวงอาทิตย์ตลอดทั้งวัน  แต่ละชุดสามารถทำงานโดยอิสระถ้าต้องการกำลังไฟฟ้ามากก็ติดตั้งจำนวนหลายชุดคล้ายกับระบบผลิตไฟฟ้าด้วยโซลาร์เซลล์

ระบบหอคอยแบบ   Solar  Thermal  Tower

                 การผลิตไฟฟ้าโดยใช้วิธีรวมความร้อนที่ได้จากการสะท้อนของแผ่นสะท้อนแสงหลายแผ่นมารวมกันที่หอสูง  จะประกอบด้วย  หอคอย  และระบบกระจกสะท้อนแสงแผ่นราบ   กระจกแต่ละแผ่นจะสะท้อนแสงไปรวมกันที่หอคอย  ภายในหอจะมีท่อน้ำร้อนเมื่อร้อนจนเดือดและเป็นไอที่มีความดันเพื่อไปหมุนสตรีมเทอร์ไบน์และเจนเนอเรเตอร์ ทำการผลิตกระแสไฟฟ้าออกมาได้  แต่วิธีนี้ต้องเป็นโครงการขนาดใหญ่มีปริมาณรังสีแสงอาทิตย์ที่มากพอ

ระบบหอคอยแบบ  Solar  Chimney  Tower

                  การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากการหมุนของเทอร์ไบน์ที่ติดตั้งอยู่ในปล่องท่อที่มีลมร้อนไหลผ่านตามหลักของเทอร์โมไดนามิกส์ของอากาศ  เมื่อมีพื้นที่รับแสงมากปริมาณอากาศที่ไหลเวียนจะมากขึ้น   อากาศที่ร้อนก็จะไหลรวมกันเข้าไปในกล่อง   ภายในจะมีการออกแบบให้กระแสลมเร่งความเร็วสูงขึ้นทำให้ได้พลังงานมากขึ้นไปหมุนใบพัดกังหันลมภายในท่อเพื่อทำการผลิตไฟฟ้าออกมาได้   วิธีการผลิตไฟฟ้าแบบนี้   เพื่อให้ได้พลังงานสูงจึงต้องสร้างเป็นโครงการขนาดใหญ่มีการลงทุนสูงและมีการใช้พื้นที่ในบริเวณที่ขนาดใหญ่มาก  เหมาะกับประเทศที่มีแสงแดดมากบวกกับพื้นที่กว้างขวาง

ระบบความร้อนร่วม   (Combine  Cycle)

               หลักการทำงานของการผลิตไฟฟ้า  โดยใช้ความร้อนจากดวงอาทิตย์  หรือใช้ระบบการผลิตไฟฟ้า  โดยใช้ความร้อนจากดวงอาทิตย์ที่เน้นการสะท้อนแสงอาทิตย์ไปรวมยังจุดรวมศูนย์เพื่อให้ความร้อนแก่ตัวกลางที่ประกอบอยู่   โดยมีการเพิ่มเติมการใช้ความร้อนจากพลังงานอื่น  ๆ   ในการให้ความร้อนกับตัวกลางควบคู่พร้อมไปในเวลาเดียวกันด้วย

ทั้งหมดนี้เราสามารถปรับเอามาใช้กับงานกล้องวงจรปิด ในกรณีของการไม่มีไฟฟ้าใช้งานได้เหมือนกัน