แผงเซลล์แสงอาทิตย์

แผงเซลล์แสงอาทิตย์

     

แสงอาทิตย์เป็นอีกหนึ่งแหล่งพลังงานที่สำคัญ ไม่ว่าแสงอาทิตย์จะตกลงบนพื้นที่ใดๆ ในโลกสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งสิ้น ขณะเดียวกันเซลล์แสงอาทิตย์ก็เข้ามามีบทบาทในการเปลี่ยนแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานอันมีประโยชน์มหาศาลและนี่คือเรื่องราวที่คุณจะสัมผัสได้ใน "เส้นทางสู่พลังงานสีเขียว" สำหรับระบบเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้า มีอุปกรณ์ที่ถือเป็นหัวใจสำคัญ ทำหน้าที่เปลี่ยนแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้าเรียกว่า แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV panels) โดยเกิดจากการนำเซลล์แสงอาทิตย์หลายเซลล์มาต่อเข้าด้วยกัน และหากหลายๆ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ต่อกันเป็นชุดหรือแถวจะเป็น ชุดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV arrays) เซลล์แสงอาทิตย์คืออะไร เซลล์แสงอาทิตย์ มีชื่อในภาษาอังกฤษหลายคำ เช่น Solar cell, Photovoltaic หรือ PV เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่สร้างจากสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน (Silicon) ซึ่งมีราคาถูกและพบมากที่สุดบนพื้นโลก นำมาผ่านขั้นตอนต่างๆ ผลิตให้เป็นแผ่นบางและมีความบริสุทธิ์ คุณสมบัติที่สำคัญคือ เมื่อเซลล์ได้รับแสงอาทิตย์โดยตรง รังสีของแสงที่มีอนุภาคของไฟฟ้าบวกคือ โฟตอน จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอน (มีอนุภาคของไฟฟ้าลบ) ที่อยู่ในสารกึ่งตัวนำ จนทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากวงโคจรของอะตอมและเคลื่อนที่อย่างอิสระ เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ครบวงโคจรจะเกิดเป็นไฟฟ้ากระแสตรงขึ้น

โครงสร้างของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ โครงสร้างที่ใช้ทั่วไปคือ รอยต่อพีเอ็น (P-N Junction) ของสารกึ่งตัวนำ โดยนำซิลิคอนที่ผ่านขั้นตอนจนกระทั่งบริสุทธิ์มาผ่านกระบวนการแพร่ซึมสารเจือปนเพื่อสร้างสารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็น แล้วนำมาต่อกัน เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ จะถ่ายเทพลังงานให้อะตอมของสารกึ่งตัวนำ ทำให้เกิดอิเล็กตรอนและโฮลอิสระที่ขั้วทั้งสองของเซลล์แสงอาทิตย์ หากมีการต่อกับวงจรภายนอก (เช่น อุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง) จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนที่ให้ไฟฟ้ากระแสตรง โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน อาจมีรูปร่างได้หลายแบบ เช่น วงกลม, สี่เหลี่ยมจตุรัส, สี่เหลี่ยมขอบมน หรือไม่มีเซลล์เลย ฯลฯ เซลล์แสงอาทิตย์ไม่ว่าขนาดใดก็ตามจะให้แรงดันไฟฟ้าประมาณ 0.5 โวลต์ กระแสไฟฟ้าที่แต่ละเซลล์ผลิตได้ขึ้นอยู่กับขนาดของเซลล์
ชนิดของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ มีทั้งที่ทำจากซิลิคอนผลึกเดี่ยว (Monocrystalline Silicon Cell) ผลึกรวม (Polycrystalline Silicon Cell) ทั้งสองชนิดมีลักษณะเป็นแผ่นแข็งและบาง และไม่เป็นผลึกหรืออะมอร์ฟัส (Amorphous Silicon Cell) มีลักษณะเป็นฟิล์มบาง สิ่งที่มีผลต่อการผลิตไฟฟ้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ พื้นที่ของแผง แผงเซลล์แสงอาทิตย์ยิ่งมีขนาดใหญ่ จะยิ่งผลิตไฟฟ้าได้มากยิ่งขึ้น ความสว่างของแสงอาทิตย์ ยิ่งแสงอาทิตย์ตกลงบนแผงมาก จะยิ่งผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้น หากมีร่มเงามาบังแผงแม้เพียง 1 เซลล์ ไฟฟ้าที่ผลิตได้อาจลดลงเหลือแค่ครึ่งหรือต่ำกว่านั้น ทิศทางการวางแผง ควรวางแผงเซลล์แสงอาทิตย์ให้หันไปทางด้านดวงอาทิตย์ เพื่อให้ผลิตไฟฟ้าได้มากที่สุด ความร้อน แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะทำงานได้ดีในสภาพเย็น หากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ร้อน จะผลิตไฟฟ้าได้น้อย
ข้อปฏิบัติเพื่อให้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้าได้มากที่สุด ต้องไม่มีร่มเงาบังแผงเซลล์แสงอาทิตย์ระหว่างเวลา 9.00 - 15.00 น. รวมถึงต้องคำนึงถึงด้วยว่าในแต่ละวันดวงอาทิตย์จะเคลื่อนที่จากทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก นอกจากนี้ยังมีการเคลื่อนที่จากทิศเหนือไปยังทิศใต้ตามฤดูกาลด้วย สำหรับพื้นที่เขตร้อน ดวงอาทิตย์จะเคลื่อนไปทางทิศเหนือมากที่สุดในเดือนมิถุนายน และจะเคลื่อนไปทางทิศใต้มากที่สุดในเดือนธันวาคม ควรหันแผงเซลล์แสงอาทิตย์ตามดวงอาทิตย์ อาจใช้อุปกรณ์ติดตามดวงอาทิตย์ (Solar tracker) หรืออาจยึดแผงไว้กับที่โดยเอียงแผงเป็นมุมเท่ากับละติจูดของสถานที่ติดตั้งและควรเอียงไม่น้อยกว่า 5 องศาจากแนวระนาบ สำหรับสถานที่ติดตั้งที่อยู่ใต้เส้นศูนย์สูตรควรหันแผงไปทางทิศเหนือ ส่วนสถานที่อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรควรหันแผงไปทางทิศใต้ ติดตั้งแผงเหนือพื้นผิวที่จะติดตั้งอย่างน้อย 10 ซม. เพื่อให้อากาศไหลเวียนใต้แผงได้สะดวกเป็นการช่วยลดความร้อนที่ด้านหลังแผงได้

การต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์เข้าด้วยกัน เพื่อเป็นการเพิ่มกำลังการผลิตของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ จึงมีการนำหลายแผงมาต่อกัน ซึ่งมี 2 วิธีดังนี้ การต่อแบบอนุกรม ใช้ในกรณีที่ต้องการแรงดันไฟฟ้ามากกว่าที่ได้จากแผงเดียว แต่กระแสจะยังคงเท่ากับที่ได้จากแผงเดียว การต่อแบบขนาน ใช้ในกรณีที่ต้องการกระแสที่มากขึ้น แต่แรงดันไฟฟ้าจะยังคงเท่ากับที่ได้จากแผงเดียว ซ้าย: การต่อแบบอนุกรม ขั้วบวกของแผงหนึ่งต่อกับขั้วลบของอีกแผงหนึ่ง ขวา: การต่อแบบขนาน ขั้วที่เหมือนกันของทั้งสองแผงต่อเข้าด้วยกัน หมายเหตุ: นอกจาก 2 วิธีข้างต้นแล้ว ยังสามารถต่อแผงแบบอนุกรมผสมขนานได้ด้วย (หรือการต่อแบบขนานแล้วจึงต่อแบบอนุกรมก็จะให้ผลเหมือนกัน) หากต้องการทั้งแรงดันไฟฟ้าและกระแสที่เพิ่มขึ้น เช่น ใช้เป็นแหล่งพลังงานให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ต้องใช้กระแสมากและใช้แบตเตอรี่มากกว่า 12 โวลต์ แผงที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าต่างกัน (แผงที่มีแรงดันไฟฟ้าและกระแสต่างกัน) เมื่อนำมาต่อกันแบบต่างๆ จะมีผลดังนี้ การต่อแบบอนุกรม จะให้แรงดันไฟฟ้าเท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าแต่ละแผง แต่กระแสที่ได้จะถูกจำกัดลงจนเกือบเท่ากับกระแสจากแผงที่มีปริมาณน้อยที่สุด การต่อแผงแบบขนาน จะให้กระแสเท่ากับผลรวมของกระแสแต่ละแผง แต่แรงดันไฟฟ้าที่ได้จะถูกจำกัดลงจนเกือบเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากแผงต่ำที่สุด หัวใจสำคัญของระบบเซลล์แสงอาทิตย์ คุณก็ได้รู้จักแล้ว หลังจากนั้นต้องติดตามกันต่อไป เพื่อให้ได้พบกับอุปกรณ์อื่นๆ อันเป็นองค์ประกอบของระบบเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีความสำคัญไม่น้อยเช่นกัน ที่มาของข้อมูล: PV Solar Photovoltaic Technical Training Manual, Mr. Herbert Wade ที่มาของภาพ: Leonics, NREL