การนำแสงอาทิตย์มาใช้งาน

พลังงานแสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์ คือ แสงสว่าง และความร้อน ที่ถูกสร้างขึ้นโดยดวงอาทิตย์ ทุกๆวันดวงอาทิตย์จะผลิตพลังงานได้เป็นจำนวนมหาศาล รวมทั้งแหล่งผลิตพลังงานแสงอาทิตย์นั้น ไม่มีวันหมดอีกด้วย นอกจากนี้ พลังงานแสงอาทิตย์ยังถือเป็นพลังงานสะอาด และเป็นพลังงานทางเลือกสำหรับมนุษย์ใช้แทนที่พลังงานจากฟอสซิล อีกด้วย 

พลังงานแสงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร

ดวงอาทิตย์คือดาวขนาดยักษ์ที่เต็มไปด้วยก๊าซซึ่งประกอบด้วย ไฮโดรเจน และ ฮีเลี่ยม ภายในแกนของดวงอาทิตย์ ปฏิบัติการที่เรียกว่า การปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ได้สร้างพลังงานจำนวนมหาศาลที่เกิดจากไฮโดรเจน ภายในแกน และผสมผสานกันกลายเป็นก๊าซฮีเลียม ปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ทำการปลดปล่อยพลังงานจากแกนของดาวออกมาสู่พื้นผิว ระหว่างที่เดินทางมาสู่พื้นผิวดวงอาทิตย์ พลังงานดังกล่าวจะใช้เวลาในการแปรสภาพเป็นพลังงานแสงสว่าง แสงสว่างนี้คือสิ่งที่พวกเราเรียกว่าแสงอาทิตย์

แสงอาทิตย์ใช้เวลาเท่าไรในการเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลก

จากบันทึกของ องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ หรือ องค์การนาซา (NASA) แสงอาทิตย์เดินทางมายังโลกด้วยความเร็วแสง หรือ ประมาณ 186,000 ไมล์ ต่อวินาที ทำให้แสงอาทิตย์ใช้เวลาเดินทางมายังโลกเพียงแค่ 8 นาทีเท่านั้น

พลังงานแสงอาทิตย์สามารถใช้ยังไง?

วิธีการง่ายๆที่นิยมใช้กัน คือใช้ระบบที่อยู่ในรูปแบบ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ และ แบตเตอร์รี่เก็บพลังงาน แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะเก็บแสงจากดวงอาทิตย์ เพื่อแปรสภาพเป็นพลังงาน และเก็บไว้ในแบตเตอร์รี่ ในขณะที่พลังดังกล่าวถูกเก็บไว้ในแบตเตอร์รี่ พลังงานนี้ก็จะถูกใช้งานได้ในรูปแบบของความร้อนและพลังงานไฟฟ้า

เมื่อพลังงานถูกแปรสภาพเป็นพลังงานความร้อน พลังงานแสงอาทิตย์สามารถนำไปใช้งานได้ดังนี้

* ทำน้ำร้อน สำหรับห้องอาบน้ำที่บ้าน หรือ สำหรับสระว่ายน้ำ

* ใช้สำหรับห้องปรับอุณหภูมิ ภายในบ้าน เรือนต้นไม้ หรือ อาคารพาณิชย์ต่างๆ

พลังงานแสงอาทิตย์ สามารถถูกแปรสภาพเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วย 2 วิธี ดังนี้

1. ใช้อุปกรณ์ผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ หรือที่เรียกกันว่า “โซล่าร์ เซลล์” เพื่อแปรสภาพแสงอาทิตย์ให้เป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรง เซลล์รับแสงอาทิตย์ถูกนำมารวมกันเป็นแผงแล้วถูกจัดให้เป็นระเบียบ ซึ่งช่วยให้รับแสงอาทิตย์ได้เป็นพื้นที่กว้าง เซลล์แสงอาทิตย์นั้นจะเก็บพลังงานได้ตามขนาดของมัน เช่น แผ่นเล็กๆเหมาะสำหรับการสร้างพลังงานให้กับเครื่องคิดเลข และ นาฬิกาข้อมือ แต่เราต้องใช้แผงที่ใหญ่ขึ้นเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าให้แก่บ้าน และต้องใช้ขนาดใหญ่และกินพื้นที่เป็นไร่ ในการสร้างโรงงานผลิตกระแสไฟฟ้า

2. โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้ความร้อนจากเครื่องมือรวบรวมความร้อน แล้วแปรสภาพเป็นของเหลว ซึ่งช่วยในการผลิตไอน้ำ เพื่อเป็นพลังงานให้กับเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้า ที่ประเทศสหรัฐฯ มีโรงไฟฟ้าพลังแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น อยู่ 11 แห่ง โดยที่มีอยู่ในรัฐ แคลิฟอร์เนีย 9 แห่ง และ ในรัฐเนวาด้า กับ อริโซน่า อีกรัฐละ 1 แห่ง

การเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงาน

พลังงานแสงอาทิตย์ถูกใช้งานอย่างมากแล้วในหลายส่วนของโลก และมีศักยภาพในการผลิตพลังงานมากกว่าการบริโภคพลังงานของโลกในปัจจุบันหลายเท่าหากใช้ประโยชน์อย่างเหมาะสม พลังงานแสงอาทิตย์สามารถใช้โดยตรงเพื่อผลิตไฟฟ้าหรือสำหรับทำความร้อน หรือแม้แต่ทำความเย็น ศักยภาพในอนาคตของพลังงานแสงอาทิตย์นั้นถูกจำกัดโดยแค่เพียงความเต็มใจของเราที่จะคว้าโอกาสนั้นไว้

มีวิธีการมากมายที่สามารถนำพลังงานจากแสงอาทิตย์มาใช้งานได้ พืชเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงานทางเคมีโดยใช้การสังเคราะห์แสง เราใช้ประโยชน์จากพลังงานนี้โดยการกินพืชและเผาฟืน อย่างไรก็ตามคำว่า 'พลังงานแสงอาทิตย์' หมายถึงการเปลี่ยนแสงอาทิตย์โดยตรงมากกว่าเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนหรือพลังงานไฟฟ้าสำหรับใช้งาน ประเภทพื้นฐานของพลังงานแสงอาทิตย์ คือ 'พลังความร้อนแสงอาทิตย์' และ 'เซลล์แสงอาทิตย์'กระบวนการของเซลล์แสงอาทิตย์คือการผลิตไฟฟ้าจากแสง ความลับของกระบวนการนี้คือการใช้สารกึ่งตัวนำที่สามารถปรับเปลี่ยนให้เหมาะสมเพื่อปล่อยประจุไฟฟ้า ซึ่งเป็นอนุภาคที่ถูกชาร์จที่ขั้วลบ สิ่งนี้เป็นพื้นฐานของไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดในเซลล์แสงอาทิตย์คือซิลิกอน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่พบโดยทั่วไปในทราย เซลล์แสงอาทิตย์ทุกชิ้นมีสารกึ่งตัวนำดังกล่าว 2 ชั้น ชั้นหนึ่งถูกชาร์จที่ขั้วบวก อีกชั้นหนึ่งถูกชาร์จที่ขั้วลบ เมื่อแสงส่องมายังสารกึ่งตัวนำ สนามไฟฟ้าที่แล่นผ่านส่วนที่ 2 ชั้นนี้ตัดกันทำให้ไฟฟ้าลื่นไหล ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าสลับ ยิ่งแสงส่องแรงมากเท่าใด ไฟฟ้าก็ลื่นไหลมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นระบบเซลล์แสงอาทิตย์จึงไม่ต้องการแสงอาทิตย์ที่สว่างในการปฏิบัติงาน นอกจากนี้ยังผลิตไฟฟ้าในวันเมฆมากได้ด้วยเนื่องจากผลิตไฟฟ้าได้สัดส่วนกับความหนาแน่นของเมฆ นอกจากนี้ วันที่มีเมฆน้อยยังผลิตพลังงานได้สูงขึ้นกว่าวันที่ท้องฟ้าแจ่มใสปราศจากเมฆ เนื่องจากแสงอาทิตย์สะท้อนมาจากเมฆ

โซล่าเซลล์ (Solar Cell)

เป็นสิ่งประดิษฐ์กรรมทาง electronic ที่สร้างขึ้นเพื่อเป็นอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงาน ไฟฟ้า โดยการนำสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน ซึ่งมีราคาถูกที่สุดและมีมากที่สุดบนพื้นโลกมาผ่านกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อผลิตให้เป็นแผ่นบางบริสุทธิ์ และทันทีที่แสงตกกระทบบนแผ่นเซลล์ รังสีของแสงที่มีอนุภาคของพลังงานประกอบที่เรียกว่า โฟตอน (Proton) จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอน (Electron) ในสารกึ่งตัวนำจนมีพลังงานมากพอที่จะกระโดดออกมาจากแรงดึงดูดของอะตอม (atom) และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ครบวงจรจะทำให้เกิดไฟฟ้ากระแสตรงขึ้น

วัสดุสำคัญที่ใช้ทำโซล่าเซลล์ได้แก่ สารซิลิคอน (Si) ซึ่งเป็นสารชนิดเดียวกับที่ใช้ทำชิพในคอมพิวเตอร์ และเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนเป็นสารซึ่งไม่เป็นพิษ มีการนำมาผลิตโซล่าเซลล์ใช้กันอย่างแพร่หลายเพราะมีราคาถูก คงทน และเชื่อถือได้ นอกจากนี้ยังมีวัสดุชนิดอื่นที่สามารถนำมาผลิตโซล่าเซลล์ได้ เช่น แกลเลียมอาเซไนด์ CIS และ แคดเมียมเทลเลอไรด์ แต่ยังมีราคาสูง และบางชนิดยังไม่มีการพิสูจน์เรื่องอายุการใช้งานว่าสามารถใช้งานได้นาน

ข้อเสียของ Si : การทำให้บริสุทธิ์และอยู่ในรูปสารที่พร้อมจะทำเซลล์ฯ มีราคาแพง และ แตกหักง่ายในขบวนการผลิต

การทำงานของโซล่าเซลล์ เป็นขบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง โดยเมื่อแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและมีพลังงานกระทบกับสารกึ่งตัวนำ จะเกิดการถ่ายทอดพลังงานระหว่างกัน พลังงานจากแสงจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า (อิเลคตรอน) ขึ้นในสารกึ่งตัวนำ จึงสามารถต่อกระแสไฟฟ้าดังกล่าวไปใช้งานได้ n – type ซิลิคอน ซึ่งอยู่ด้านหน้าของเซลล์ คือ สารกึ่งตัวนำที่ได้การโดปปิ้งด้วยสารฟอสฟอรัส มีคุณสมบัติเป็นตัวให้อิเล็กตรอนเมื่อรับพลังงานจากแสงอาทิตย์ p – type ซิลิคอน คือสารกึ่งตัวนำที่ได้การโดปปิ้งด้วยสารโบรอน ทำให้โครงสร้างของอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอน (โฮล) เมื่อรับพลังงาน จากแสงอาทิตย์จะทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เมื่อนำซิลิคอนทั้ง 2 ชนิด มาประกบต่อกันด้วย p – n junction จึงทำให้เกิดเป็น ” โซล่าเซลล์ ” ในสภาวะที่ยังไม่มีแสงแดด n – type ซิลิคอนซึ่งอยู่ด้านหน้าของเซลล์ ส่วนประกอบส่วนใหญ่พร้อมจะให้อิเล็กตรอน แต่ก็ยังมีโฮลปะปนอยู่บ้างเล็กน้อย ด้านหน้าของ n – type จะมีแถบโลหะเรียกว่า Front Electrode ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน ส่วน p – type ซิลิคอนซึ่งอยู่ด้านหลังของเซลล ์ โครงสร้างส่วนใหญ่เป็นโฮล แต่ยังคงมีอิเล็กตรอนปะปนบ้างเล็กน้อย ด้านหลังขอpe ซิลิคอนจะมีแถบโลหะเรียกว่า Back Electrode ทำหน้าที่เป็นตัวรวบรวมโฮล

 

 

 

 

 

เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบ แสงอาทิตย์จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว เมื่อพลังสูงพอทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งเข้าหาเพื่อจับคู่กัน อิเล็กตรอนจะวิ่งไปยังชั้น n – type และโฮลจะวิ่งไปยังชั้น p typeเมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบ แสงอาทิตย์จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว เมื่อพลังสูงพอทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งเข้าหาเพื่อจับคู่กัน อิเล็กตรอนจะวิ่งไปยังชั้น n – type และโฮลจะวิ่งไปยังชั้น

 p type อิเล็กตรอนวิ่งไปรวมกันที่ Front Electrode และโฮลวิ่งไปรวมกันที่ Back Electrode เมื่อมีการต่อวงจรไฟฟ้าจาก Front Electrode และ Back Elec trode ให้ครบวงจร ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เนื่องจากทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งเพื่อจับคู่กันตัวแปรที่สำคัญที่มีส่วนทำให้โซล่าเซลล์มีประสิทธิภาพการทำงานในแต่ละ พื้นที่ต่างกัน และมีความสำคัญในการพิจารณานำไปใช้ในแต่ละพื้นที่ ตลอดจนการนำไปคำนวณระบบหรือคำนวณจำนวนแผงแสงอาทิตย์ที่ต้องใช้ในแต่ละ พื้นที่ คือความเข้มของแสง และอุณหภูมิกระแสไฟ (Current) จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสง หมายความว่าเมื่อความเข้มของแสงสูง กระแสที่ได้จากโซล่าเซลล์ก็จะสูงขึ้น ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าหรือโวลต์แทบจะไม่แปรไปตามความเข้มของแสงมากนัก ความเข้มของแสงที่ใช้วัดเป็นมาตรฐานคือ ความเข้มของแสงที่วัดบนพื้นโลกในสภาพอากาศปลอดโปร่ง ปราศจากเมฆหมอกและวัดที่ระดับน้ำทะเลในสภาพที่แสงอาทิตย์ตั้งฉากกับพื้นโลก ซึ่งความเข้ม ของแสงจะมีค่าเท่ากับ 100 mW ต่อ ตร.ซม. หรือ 1,000 W ต่อ ตร.เมตร ซึ่งมีค่าเท่ากับ AM 1.5 (Air Mass 1.5) และถ้าแสงอาทิตย์ทำมุม 60 องศากับพื้นโลกความเข้มของแสง จะมีค่าเท่ากับประมาณ 75 mW ต่อ ตร.ซม. หรือ 750 W ต่อ ตร.เมตร ซึ่งมีค่าเท่ากับ AM2 กรณีของแผงโซล่าเซลล์นั้นจะใช้ค่า AM 1.5 เป็นมาตรฐานในการวัดประสิทธิภาพของแผง กระแสไฟ (Current) จะไม่แปรตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป ในขณะที่แรงดันไฟฟ้า (โวลท์) จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วทุกๆ 1 องศาที่เพิ่มขึ้น จะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง 0.5% และในกรณีของแผงโซล่าเซลล์มาตรฐานที่ใช้กำหนดประสิทธิภาพของแผงแสง อาทิตย์คือ ณ อุณหภูมิ 25 องศา C เช่น กำหนดไว้ว่าแผงแสงอาทิตย์มีแรงดันไฟฟ้าที่วงจรเปิด (Open Circuit Voltage หรือ V oc) ที่ 21 V ณ อุณหภูมิ 25 องศา C ก็จะหมายความว่า แรงดันไฟฟ้าที่จะได้จากแผงแสงอาทิตย์ เมื่อยังไม่ได้ต่อกับอุปกรณ์ไฟฟ้า ณ อุณหภูมิ 25 องศา C จะเท่ากับ 21 V ถ้าอุณหภูมิสูงกว่า 25 องศา C เช่น อุณหภูมิ 30 องศา C จะทำให้แรงดันไฟฟ้าของแผงแสงอาทิตย์ลดลง 2.5% (0.5% x 5 องศา C) นั่นคือ แรงดันของแผงแสงอาทิตย์ที่ V oc จะลดลง 0.525 V (21 V x 2.5%) เหลือเพียง 20.475 V (21V ? 0.525V) สรุปได้ว่า เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงดันไฟฟ้าก็จะลดลง ซึ่งมีผลทำให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดของแผงแสงอาทิตย์ลดลงด้วย

 

 

 

รูปภาพที่เกี่ยวข้อง

ติชม


ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ?

สร้างโดย :


prayuth

สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป
ช่างยนต์