พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar cell)

เซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์สุริยะ photovoltaic หรือที่เรียกกันว่า Solar cell คือ สิ่งประดิษฐ์ที่ทำมาจาก สารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน(Silicon) , แกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ (Gallium Arsenide),อินเดียม ฟอสไฟด์ (Indium Phospide), แคดเมียม เทลเลอไรด์ (Cadmium Telluride)และ คอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ (Copper Indium Diselenide) ฯลฯ

สร้างขึ้นเพื่อเป็นอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำเหล่านี้มีคุณสมบัติเหมือนกันคือ เมื่อตัวมันได้รับแสงอาทิตย์โดยตรง ก็จะเปลี่ยนตัวเองเป็นตัวนำไฟฟ้า โดยจะแยกเป็นประจุไฟฟ้าบวกและลบ เพื่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วทั้งสองของเซลล์แสงอาทิตย์ และถ้าเรานำขั้วไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ต่อเข้ากับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง(DC) กระแสไฟฟ้าก็จะไหลเข้าสู่อุปกรณ์เหล่านั้น ทำให้อุปกรณ์เหล่านั้นทำงาน

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (อังกฤษ: photoelectric effect) เป็นปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากสสาร (เรียกสสารเหล่านี้ว่า โฟโตอีมิสสีฟ) เมื่อสสารนั้นสัมผัสกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง (ความยาวคลื่นต่ำ พลังงานสูง เช่น รังสีอัลตราไวโอเล็ต) และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาว่า โฟโตอิเล็กตรอน ปรากฏการดังกล่าวค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชื่อไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ ในปี พ.ศ. 2430

ชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์

1. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอน ชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline Silicon Solar Cell) หรือ Monocrystalline Silicon Solar Cell ลักษณะเป็นแผ่นซิลิคอนแข็งและบางมาก ซิลิคอนเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในโลกชนิดหนึ่ง สามารถถลุงได้จากหินและทราย มักนิยมใช้ในงานอุสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เช่นใช้ทำทรานซิสเตอร์และไอซี

2. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอน ชนิดผลึกรวม (Polycrystalline Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็นแผ่นซิลิคอนแข็งและบางมาก ถูกผลิตขึ้น เพื่อแก้ปัญหาต้นทุนสูงของแบบผลึกเดี่ยว

3. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากอะมอร์ฟัสซิลิคอน (Amorphous Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็นฟิล์มบางเพียง 0.5 ไมครอน (0.0005 มม.) น้ำหนักเบามาก และประสิทธิภาพเพียง 5–10%

4. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่น แกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ (GaAs) , แคดเมียม เทลเลอไรด์ (CdTe) และ คอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ (CuInSe2) ฯลฯ มีทั้งชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline) และผลึกรวม (Polycrystalline)

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากแกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ จะให้ประสิทธิภาพสูงถึง 20–25%

ปล. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอน ชนิดผลึกเดี่ยว และผลึกรวม ทำจากวัตถุดิบเดียวกัน แต่รูปร่าง Gain ต่างกันโดยโดยแบบผลึกรวมนั้นจะมีขอบเกรนของผลึก (Grain boundaries) เป็นจำนวนมากทำให้ผลึกเรียงตัวกันไม่ดี แต่แบบ Mono Crystalline จะไม่มีขอบเกรน ทำให้การเรียงตัวของผลึกดีกว่าแบบ Poly Crystalline และนำกระแสดีกว่าครับ

โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์

โครงสร้างที่นิยมมากสุด ได้แก่ รอยต่อ PN ของสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำที่ราคาถูกและมีมากที่สุดบนโลก คือ Silicon จึงถูกนำมาใช้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ โดยนำซิลิคอนมาถลุง และผ่านขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ และทำให้เป็นผลึก จากนั้นนำมาผ่านกระบวนการแพร่ซึมสารเจือปนเพื่อสร้างรอยต่อ PN โดยจะเติมสารเจือฟอสฟอรัส ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น เพราะฟอสฟอรัสมีสมบัตินำไฟฟ้าด้วยอิเล็กตรอนจึงมีประจุลบ และเมื่อเติมสารเจือโบรอน ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพี เพราะโบรอนนำไฟฟ้าด้วยโฮลจึงมีประจุบวก เพราะฉะนั้น เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N มาต่อกัน จะเกิดรอยต่อ PN ขึ้น

การทำงานของ Solarcell

โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอน มีรูปร่างหลายแบบ มีทั้งแบบแผ่นวงกลม หรือสี่เหลี่ยมจัตุรัส มีความหนา 200 -400 ไมครอน (0.2–0.4 มม.) ด้านผิวฝั่งที่รับแสงอาทิตย์จะมีชั้นแพร่ซึมที่มีการนำไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าด้านหน้าที่รับแสงจะมีรูปลักษณะคล้ายก้างปลาเพื่อให้ได้พื้นที่รับแสงมากที่สุด ส่วนขั้วไฟฟ้าด้านหลังเป็นขั้วโลหะเต็มพื้นผิว

หลักการทำงาน

เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ จะเกิดการสร้างพาหะนำไฟฟ้าประจุลบและบวกขึ้น ได้แก่ อิเล็กตรอนและโฮล โครงสร้างรอยต่อพีเอ็น จะทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าภายในเซลล์ เพื่อแยกพาหะนำไฟฟ้าชนิดอิเล็กตรอนไปที่ขั้วลบ และพาหะนำไฟฟ้าชนิดโฮลไปที่ขั้วบวก ปกติที่ฐานจะใช้สารกึ่งตัวนำชนิด P ขั้วไฟฟ้าด้านหลังจึงเป็นขั้วบวก ส่วนด้านรับแสงใช้สารกึ่งตัวนำชนิด N ขั้วไฟฟ้าจึงเป็นขั้วลบ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าแบบกระแสตรงที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เมื่อต่อครบวงจร ไฟฟ้าจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลขึ้น

การนำไปใช้

การนำไปใช้งานจะต้องนำเซลล์หลายๆ เซลล์ มาต่อกันแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าให้สูงขึ้น เซลล์ที่นำมาต่อกันในจำนวนและขนาดที่เหมาะสมเรียกว่า แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Module หรือ Solar Panel) ลักษณะการต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นอยู่ว่าต้องการกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า

● การต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์ แบบขนาน จะทำให้ได้กระแสไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น

● การต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์ แบบอนุกรม จะทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น

ตย. เซลล์แสงอาทิตย์ ชนิดซิลิคอนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 นิ้ว จะให้กระแสไฟฟ้าประมาณ 2–3 แอมเเปร์ และให้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดปีะมาณ 0.6 โวลล์ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ไม่มากนัก ดังนั้นเพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้ามากเพียงพอสำหรับใช้งาน จึงมีการนำเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆเซลล์มาต่อกัน

มารู้จักระบบพลังงานแสงอาทิตย์ หรือ ระบบโซลาร์เซลล์ให้มากขึ้นกันดีกว่า

ระบบโซลาร์เซลล์ มี 3 ระบบ คือ

  1. ระบบ Grid-tie Connection หรือ Solar Roof Top (On Grid)
Off Grid

2. ระบบ Stand Alone (Off Grid)

Hybrid System

3. ระบบ Grid Interactive หรือ Hybrid System

มาดูรายละเอียดกันเลยดีกว่า

ระบบ Grid-tie Connection หรือ Solar Roof Top (On Grid)

ระบบนี้ ได้ไฟจากแผงโซลาร์ แล้วต่อตรงเข้าระบบอินเวอเตอร์แบบพิเศษ (Grid Tie Inverter) แล้วได้ไฟกระแสสลับเข้าระบบไฟฟ้าภายในบ้าน ทำให้ประหยัดค่าไฟได้มาก เพราะมีประสิทธิภาพสูงที่สุดในการแปลงไฟ เพระาไม่ต้องใช้วิธีแปลงลงเเบตเตอรี่แล้วต้องแปลงขึ้นเป็นไฟฟ้าใช้ในบ้านอีก และระบบนี้ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ทำให้ประหยัดลดต้นทุนไปได้มาก ข้อเสียของระบบนี้คือ มีไฟใช้เฉพาะในเวลากลางวันเมื่อมีแสงเเดดเท่านั้น เมื่อไฟดับ ระบบจะทำการปิดตัวเอง

ระบบ Stand Alone (Off Grid)

เป็นระบบปิดที่ทำงานด้วยตัวเอง มีการใช้แบตเตอรี่มาสำรองไฟ คือ เมื่อแผงโซลาร์เซลล์รับพลังงานจากแสงอาทิตย์แล้วจะส่งไปที่ตัว เครื่องควบคุม (Solar Charge Controller) เพื่อจำกัดกระแสชาร์ต จนเต็มระบบนี้ มีทั้ง กระแสตรง DC และกระแสสลับ AC ต้องผ่าน Inverter อีกที เหมาะกับ สถานที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ เช่น ในชนบท สวน ไร่นา หรือใช้เป็นระบบไฟฟ้าสำรองเมื่อไฟดับ

ระบบ Grid Interactive หรือ Hybrid System

ระบบนี้ รวมข้อดีของทั้งสองระบบเข้าด้วยกัน ทำให้เป็นระบบที่สมบูรณ์แบบที่สุด คือสามารถลดค่าไฟฟ้ารายเดือนไปได้มาก และยังมีไฟฟ้าสำรองใช้เมื่อไฟดับด้วย ระบบ Hybrid นี้ ต้องใช้แบตเตอรี่สำรองไฟด้วย

วิธีการคำนวณระบบโซล่าเซลล์ และ คำนวณแบตเตอรี่ ให้เหมาะต่อการใช้งาน

สิ่งแรกที่ต้องรู้

● กำหนดพลังงานไฟฟ้าที่ต้องการใช้ในแต่ละวัน

● วางแผนสำรอง ในกรณีที่ไม่มีแดด

ความหมายของหน่วยทางไฟฟ้า ที่ใช้ในการคำนวณ

● V (Volt)

โวลต์ คือ หน่วยที่ใช้เรียกขนาดของแรงดันไฟฟ้า แบ่งออกเป็น 2 แบบ

1. กระแสสลับ(AC)เช่น ระบบไฟฟ้าภายในบ้าน 220V หมายถึง ขนาดถึงของแรงดันไฟฟ้า 220V

2. กระแสตรง(DC)เช่น ในแบตเตอรี่ต่างๆ 12 V หมายถึงขนาดของแรงดันไฟฟ้า 12 V

● Ah (Ampere-Hour)

แอมแปร์-ชั่วโมง คือ ความจุของแบตเตอรี่ในการบรรจุพลังงาน พลังงานในแบตเตอรี่ 12V 100 Ah เท่ากับ 12V x 100Ah หรือ 12V x 100A x 3600s จะเท่ากับ 4.32 MJ

ถ้าแบตเตอรี่ 100 Ah เท่ากับว่าแบตเตอรี่จะจ่ายกระแส 1 แอมแปร์อย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 100 ชั่วโมง หรือ แบตเตอรี่จ่าย กระแส 10 แอมแปร์อย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 10 ชั่วโมง

● W (Watt)

วัตต์ คือ หน่วยที่ใช้เรียกขนาดของกำลังไฟฟ้า เช่น หลอดไฟขนาด 20W หมายถึง หลอดไฟใช้กำลังไฟฟ้า 20 วัตต์

อุปกรณ์ที่ใช้ในระบบโซล่าเซลล์

1. แผงโซล่าเซลล์ (Solar Cell Panel) ทำหน้าที่ เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นไฟฟ้ากระแสตรง

2. แบตเตอรี่ (Battery) ทำหน้าที่ เก็บกระแสไฟฟ้าที่โซล่าเซลล์ผลิตได้ไว้

3. เครื่องควบคุม (Solar Charge Controller) ทำหน้าที่ ควบคุมการชาร์จไฟจากแผงโซล่าเซลล์ลงแบตเตอรี่และควบคุมการจ่ายไฟจากแบตเตอรี่ไปเครื่องใช้ไฟฟ้า

4.เครื่องแปลงไฟ (Power Inverter) ทำหน้าที่ เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรง 12 V (ไฟจากแบตเตอรี่ DC) เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ 220 V (ไฟบ้าน AC)

สูตรการคำนวณหาขนาดของระบบ

ต.ย. บ้านหลังหนึ่งต้องใช้ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ไปใช้กับหลอดไฟ ฟลูออเรสเซยต์ชนิดมีบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ในตัว จำนวน 2 ดวง (18W x 2) เป็นเวลา 6 ชั่วโมงต่อวัน และ โทรทัศน์สี 21 นิ้ว (120 W) ประมาณ 3 ชั่วโมงต่อวัน

เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter)

ควรมีขนาดกำลังเพียงพอที่จะจ่ายไฟฟ้าให้แก่อุปกรณ์ จะได้

ขนาด ของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า = [(18 W x 2 ดวง) + (120 W) ]x Safety factor

= 156 W x 1.25

= 195 W

ปล. ควรมีค่า Safety factor ประมาณ 1.25

ดังนั้น ขนาดของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า ควรมีขนาด 195 W แต่ควรมีขนาดสูงกว่า

สำหรับขนาดที่เหมาะควรใช้ ขนาด 200 W ซึ่งใช้กับ แบตเตอรี่ขนาด 12 V

แบตเตอรี่ (Battery)

จะเก็บสำรองไฟฟ้า ในเวลาที่แผงโซล่าเซลล์ไม่สามารถรับแสงได้ (เวลากลางคืน) แบตเตอรี่ที่เหมาะสมกับการใช้งานในระบบโซล่าเซลล์ ควรใช้แบตเตอรี่ชนิด Deep Cycle แต่จะมีราคาสูง แต่เราสามารถเลือกใช้กับแบตเตอรี่ชนิดอื่นได้ เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ หรือ แบตเตอรี่แห้ง (Sealed Lead Acid Battery) ได้ ซึ่งจะมีราคาถูกกว่า

[ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ = 0.6 (สำหรับแบตเตอรี่ธรรมดา), = 0.80 (สำหรับแบตเตอรี่ Deep Cycle)

โดยทั่วไปประสิทธิภาพของ Inverter = 0.85 ]

ขนาดกระแส / ชั่วโมง ของแบตเตอรี่ สามารถคำนวณได้จาก

Ah = ค่าพลังงานรวม /[แรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ x 0.6(ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่)] x 0.85 (ประสิทธิภาพของInverter)

คิดแบบธรรมดา

= [( 18 W x 2 ดวง ) x 6 ชั่วโมง] + [120 W x 3 ชั่วโมง] / [12 V x 0.6 x 0.85]

= 94.117 Ah

เผื่อวันที่ฝนตก

= [(18 W x 2 ดวง) x 6 ชั่วโมง x day of autonomy] + [120 W x 3 ชั่วโมง x day of autonomy] / [12 V x 0.6 x 0.85]

= [(18 W x 2 ดวง) x 6 ชั่วโมง x 2] + [120 W x 3 ชั่วโมง x 2] / [12 V x 0.6 x 0.85]

= 188.23 Ah

ดังนั้น ขนาดของแบตเตอรี่ที่จะใช้เป็นขนาด 12 V 94.117 Ah หรือมากกว่า ฉะนั้นควรใช้ขนาด 12 V 105 Ah หรือ 125 Ah
 แต่ถ้าเผื่อวันที่ฝนตกก็จะใช้แบตเตอรี่ขนาด 12 V ฉะนั้นควรใช้ขนาด 12 V 200 Ah

กำลังไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชนิด

เครื่องควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้า (Charge Controller)

จะทำหน้าที่ ควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้าลงในแบตเตอรี่ จะทำให้ยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ ซึ่งต้องมีขนาดเท่ากับหรือมากกว่า กระแสไฟฟ้า (Amp) ที่ไหลผ่านจากแผงโซล่าเซลล์สู้แบตเตอรี่ ดังนั้น ขนาดของเครื่องควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้า ควรมีขนาดเกินกระแสไฟฟ้าของแผงโซล่าเซลล์

เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar cell)

ขนาดของแผง = ค่าการใช้พลังงานรวม / 5 ชั่วโมง [5 คือ PSH(Peak Sun Hour) ของไทย]

= [(18 W x 2ดวง) x 6 ชั่วโมง] + [120 W x 3 ชั่วโมง] /5 ชั่วโมง

= 115.2 W

ดังนั้น ขนาดของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ต้องใช้ คือ ขนาด 12 V 115.2 W หรือมากกว่า

*** ควรมีพลังงานสำรองไว้ใช้ในกรณีที่แผงโซล่าเซลล์ไม่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ เช่น เวลาที่ฝนตกหรือไม่มีแสงอาทิตย์ ก็ควรจะเพิ่มขนาดของแผงโซล่าเซลล์และแบตเตอรี่เพื่อใช้ในการเก็บพลังงานสำรอง ***

หากไม่ถนัดคำนวณมีเว็บไซต์ออกแบบระบบโซล่าเซลล์ฟรี!!!

http://www.solarcle.com/

ระยะเวลาที่สามารถใช้งานโหลดได้ (hr)

hr = ขนาดความจุของแบตเตอรี่(Ah) x แรงดันไฟฟ้าของแบตฯ(V) x ประสิทธิภาพของแบต x ประสิทธิภาพของ Inverter / กำลังไฟฟ้าของโหลด (W)

ศึกษาเพิ่มเติมได้ที่ คู่มือการออกแบบระบบไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

อ้างอิง

https://sites.google.com/site/chaichanarungroung/solar-cell_calculator

http://www.easypowers.com/store/index.php?route=information%2Finformation&information_id=3

http://www3.egat.co.th/re/solarcell/solarcell.htm

If you have any question?

please contact us.

Facebook : https://www.facebook.com/ThaiEmbedded

YouTube Channel : http://www.youtube.com/tesrchannel

Blog : http://tesrteam.blogspot.com/

Email : pongpiphat.tach@gmail.com

line id : pongpiphat

Tel. 083–1858526

Show your support

Clapping shows how much you appreciated Pongpiphat Tachapan’s story.