พ.ไฟฟ้าจาก solar cell และการออกแบบ

Solar Energy Application

ผชวยศาสตราจารยบรรจบ สขประภาภรณ คณะเทคโนโลยอตสาหกรรม มหาวทยาลยราชภฏเชยงราย

พลงงานไฟฟาจากแสงอาทตยและการออกแบบระบบโซลาเซลล


พลงงานแสงอาทตย (Solar Energy) เปนพลงงานทเกดจากปฏกรยานวเคลยของดวงอาทตย แลวสง

กระจายพลงงานมายงโลกในรปคลนรงส (Solar Radiation) ซงมคาพลงงานประมาณ 1368 วตตตอตารางเมตร เมอเขามาสชนบรรยากาศของโลกจะลดลงเหลอประมาณ 70 % หรอ เหลอคาพลงงานประมาณ 958-1000 วตตตอตารางเมตรเทานน พลงงานทโลกไดรบจะอยในรปของความรอนและแสง พลงงานท ไดเปนพลงงานปฐมภม ทสามารถเปลยนเปนพลงงานชนดอนๆ ตอไป อกหลายชนดไดแก การเกดพลงงานนา พลงงานลม พลงงานจากมหาสมทร รวมถงการเกดพลงงานจากฟอสซล (Fossil) เชน ถานหน นามน กาชชวภาพ ชวมวลตางๆ ซงพลงงานเหลานกเกดมาจากสตว และพช ซงเมอพช สตว ไดรบพลงงานจากดวงอาทตยแลว กทาการสรางเซลล สรางเนอเยอโดยผานกระบวนการสงเคราะหแสง (Photo synthesis) แลวทบถมเปนระยะเวลานานหลายลานป การนาพลงงานจากฟอสซลมาใชงาน ในระยะเวลานาน กจะกอใหเกดผลเสยตอสงแวดลอมของโลกมากมาย เ นองจากมการปลดปลอยกาซ คารบอนไดออกไซด กลบคนสบรรยากาศของโลก พลงงานจากดวงอาทตยทมนษยใชงานนนเปนไปแบบทคอยไมรสกตววามการใชพลงงานอยตลอดเวลา เชน แสงสวาง พลงงานความรอน ซงหากปราศจากพลงงานจากดวงอาทตยแลว มนษยสตว และพช ก จะดารงชพอยไมได ดงนนการนาพลงงานทไดจากดวงอาทตยมาใชงานโดยตรงไดแก พลงงานลม พลงงานนา และแสงอาทตย จงเปนวธ การทมผลกระทบตอสงแวดลอมนอยทสด สามารถ ใชงานไดทกๆท สะดวก รวดเรว ไมมมลพษตอสงแวดลอม มนษยมการนามาใชตงแตโบราณกาลนานมาแลว เมอโลกมการพฒนาทางดานวทยาศาสตรและเทคโนโลยมากขน กมการคนพบพลงงานใหมๆ อก มากมายหลายชนด พลงงานไฟฟากเปนพลงงานชนดหนงทมประโยชนมากมาย สามารถ ทาการควบคม การสงกระจายไปในระยะไกลๆได สามารถปรบเปลยนรปแบบของพลงงาน จากรปแบบหนงเปนอกรปแบบหนงไดงาย เชน การเปลยนจากพลงงานความรอนเปนพลงงานไฟฟา หรอจากพลงงานไฟฟาเปนพลงงานความรอน และการ เปลยนจากพลงงานกลเปนพลงงานไฟฟา หรอ จากพลงงานไฟฟาเปนพลงงานกล เปนตน

การผลตพลงงานไฟฟาจากแสงอาทตยโดยตรงในปจจบนมการใชงาน 2 รปแบบ ใหญๆไดแก การผลตดวยพลงงานความรอนจากดวงอาทตย และการการผลตจากแสงอาทตยโดยตรง สวนการนาพลงงานแสงอาทตยมาใชงานเพอผลตกระแสไฟฟาโดยตรงในปจจบน กมการนามาใชงานในสองรปแบบไดแก การผลตไฟฟาจากพลงงานความรอน (Solar Thermal) และการผลตไฟฟาจากพลงงานแสง (Solar Radiation)

1. การผลตไฟฟาจากพลงงานความรอนแสงอาทตย (Solar Thermal) การใชพลงงานความรอนจากแสงอาทตยมาทาการผลตกระแสไฟฟา ทมการใชงานในปจจบน ใชทง

วธการสะทอนแสงดวงอาทตยมาใชงานโดยตรง และการใชโดยออมโดยการใชไอนา หรอการใชลมรอนเพอหมน เจเนอเรเตอร (Generator) ดงมลกษณะตางๆกนดงน 1.1 Solar Concentration เปนระบบรวมแสงอาทตยเพอใหไดความรอนทมากเพยงพอสาหรบการผลตพลงงานไฟฟาจากแสงอาทตยได จงทาการเพมพลงงานความรอนใหกบจดศนยรวมของแสงโดยการใชแผน



สะทอนแสงดวยจานสะทอนแสงรปพาราโบลก ตามรป เรยกวาระบบ Solar Concentration ซงจะไดคาพลงงานความรอนทสงมากตรงบรเวณจดโฟกสของแสง แตเนองจากแผนจานสะทอนแสงจะตองหมนรบแสงตามดวงอาทตยตลอดเวลา การนาความรอนมาใชงาน วธการทสะดวก และนยมใชคอ การใชเครองยนตความรอน (Sterling Engine) หมนเจเนอเรเตอร เพอผลตกระแสไฟฟาโดยตรง แตกยงมขอจากดของพลงงานแสงอาทตยทไมคงท การใชพลงงานสาหรบขบเคลอนจานสง ระบบการผลตจงมความไมเสถยร ทาใหการผลตพลงงานไฟฟาวธการไมตอเนอง จงไมเปนทนยมมากนก แตกแกไขไดโดยการใชเปนระบบผสมผสาน (Hybrid) กบระบบอนๆ

รปท 1. Solar Concentration Dish ทมา: http:// www.integralsystems.org และ http://solar-wind-nature-energy.com 1.2. Parabolic Trough เปนวธการรวมแสงรปแบบคลายจานพาราโบลค เชนกน แตจะออกแบบจะให จานสะทอนแสงวางยาวเปนราง การควบคมการหมนรางตามแสงอาทตยทาไดสะดวกขน มการใชพลงงานในการขบเคลอนรางสะทอนแสงตา สามารถวางบนพนดนทระดบตาๆได และยงสามารถทจะวางรางสะทอนแสงไดเปนจานวนมากๆได การนาพลงงานความรอนออกมาใชกสะดวก โดยการวางทอนารอนไปตามแนวจดโฟกสของจาน ความรอนทไดมคาความรอนสงมากจนนารอนกลายเปนไอนา (Stream) และมความดนทสงมาก สามารถนาไปหมนสตรมเทอรไบน และหมนเจอเนอเรเตอรเพอผลตกระแสไฟฟาได ไอนาทผานเทอรไบน แลว อณหภมกจะลดลงกลนตวเปนนารอน ทสามารถปมหมนวนไปรบพลงงานความรอนทจานไดอก ทาใหไดประสทธภาพสงยงขน พลงงานทไดจากระบบนจงนยมใชงานมากขน

รปท 2. Parabolic trough ทมา: http://www.hkengineer.org.hk และ http:// www.trec-uk.org.u



1.3. Solar Thermal Tower เปนวธการผลตพลงงานไฟฟาโดยใชวธรวมความรอนทไดจากการสะทอนของแผนสะทอนแสงหลายๆแผนมารวมกนทหอสง (Tower) แผนสะทอนแสงแตละแผน กจะถกควบคมใหเคลอนททามมกบดวงอาทตย โดยใหมการสะทอนแสงมาตกกระทบกบหอสงตลอดเวลา ซงภายในหอสงจะมทอนารอน ซงเมอนาไดรบความรอนกจะเดอดกลายเปนไอ (Stream) ทมความดนสงมาก เพอไปหมนสตรมเทอรไบน และเจนเนอเรเตอรทาการผลตกระแสไฟฟาออกมาได วธนตองมการสรางเปนโครงการขนาดใหญๆ มปรมาณรงสแสงอาทตยทมากๆ

รปท 3. Solar Tower ทมา: http://www.engineeringnews.co.za 1.4. Solar Chimney Tower เปนวธการผลตพลงงานไฟฟาจากการหมนของเทอรไบนทตดตงอยในปลองทอทมลมรอนไหลผานตามหลกการเทอรโมไดนามกสของอากาศ เมออากาศไดรบความรอนจากแผงรบความรอน (Solar Collector) ทอยรอบๆของฐานปลองลม อากาศจะไหลสงขน เมอมพนทรบแสงมาก ปรมาณอากาศทไหลเวยนกจะมากขน กจะเกดแรงดดอากาศทเยนกวาเขามาทฐาน อากาศทรอนกจะไหลรวมกนเขาไปในปลอง ภายในจะมการออกแบบใหกระแสลมเรงความเรวสงขนโดยใชจมกรดลม (Nuzzle)ทาไหไดพลงงานมากขนหมนใบพดกงหนลมภายในทอ ซงตดตงเจเนอเรเตอรเพอทาการผลตไฟฟาออกมาได วธการผลตไฟฟาวธน เพอใหไดพลงงานมากๆ จงตองสรางเปนโครงการทมขนาดใหญมากๆ จงมการลงทนสง และมการใชพนทๆในบรเวณทกวางมาก จงเหมาะสมกบประเทศทมแสงแดดมาก มพนทกวางขวาง เชน ออสเตรเลย สหรฐอเมรกา หรอประเทศแถวตะวนออกกลาง เปนตน

รปท 4. Solar Chimney ทมา: http://infranetlab.org และ http:// www.naturalnews.com



2. ระบบการผลตไฟฟาโดยใชเซลลแสงอาทตย (Photovoltaic Cell: PV) การผลตไฟฟาโดยใชเซลลแสงอาทตย หรอ โซลาเซลล (Solar Cell) เพอผลตพลงงานไฟฟาจากดวง

อาทตยโดยตรง ระบบการผลตไฟฟาพลงงานแสงอาทตยจะประกอบดวยอปกรณตางๆไดแก แผง โซลาเซลล เครองควบคมการชารจประจแบตเตอร เครองปรบระบบไฟฟา และแบตเตอร เปนอยางนอยซงพลงงานไฟฟาทไดจะจากแผงโซลาเซลลตองมการคานวณคา เพอใหพอเพยงตออปกรณเครองใชไฟฟา อปกรณตางๆดงทกลาวยงมขนาด รปลกษณะ และการทางานทหลากหลาย ตามความตอ งการของผใช ในการออกแบบระบบจงตองมความรความเขาใจ ในอปกรณตางๆเพอสามารถใชงานไดอยางถกตอง และมประสทธภาพ

รปท 5. Solar Home System ทมา: http://www.sikaienergy.com ในการใชงานของระบบการผลตพลงงานไฟฟาจากเซลลแสงอาทตยจะตองมอปกรณในระบบทจาเปนหลายชนด ซงในการเลอกใชงานตองมความเหมาะสม และสมดลกนจงจะเกดประสทธภาพสงสด ในการออกแบบระบบไฟฟาพลงงานแสงอาทตยจากโซลาเซลล จะตองใชสวนประกอบทสาคญดงนคอ 2.1 แผงโซลาเซลล (Photovoltaic Cell: PV) เปนสงประดษฐทสรางขนใหเปนอปกรณทสามารถเปลยนพลงงานจากแสงอาทตยเปนพลงงานไฟฟาได ถกสรางขนครงแรกโดย แซปปน(Chapin) ฟลเลอร (Fuller) และเพยสน (Pearson) ในป ค.ศ. 1954 ซงทางานทบรษท เบลเทโลโฟน (Bell Telephone) ซงไดคนพบเทคโนโลยการสรางรอยตอ P-N ของผลกซลคอน จนไดเซลลแสงอาทตยขนมาเปนครงแรกในโลก ซงมประสทธภาพเพยง 6 % โดยในระยะเวลาตอมามการพฒนามาขนมากกวา 15 % ในระยะแรกเรมมการนาไปใชงานในการผลตพลงงานไฟฟาทางดานอวกาศ ดาวเทยม ระบบสอสารตางๆ จนในปจจบนมการผลตใชงานอยางแพรหลาย มราคาถกลง และประสทธภาพสงขน

รปท 6. Solar Cell ทมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics



เซลลแสงอาทตยทาจากซลคอนทใชวสดเชนเดยวกน Transistors และวงจรรวม (Integrated Circuit :IC) โดยผลกซลคอนจะถกทาใหไมบรสทธ (Dope) โดยการเตมธาตทมอเลกทรอนวงนอกสดในกลม 3 และ 5 ซงจะไดผลกซลคอนทมคณสมบตทางไฟฟาตางกน (P-Type และ N-type) เมอนามาตอเชอมกนดวยกรรมวธการแพรสารระหวางผลกทาใหระหวางรอยตอมสภาวะทเปนกลาง (Depletion Region) ผลกซลคอนจะวางซอนกนเปนชนบาง (Layer) เมอมอนภาคโฟตอน (Photon) มาตกกระทบแผนชนซลคอน อเลกตรอนทไดรบจะทาใหแผนธาตซลคอนมอเลกตรอนทมอยไมสมดลกนระหวางชนเซลล เมอมการตอเชอมขวไฟฟาออกไปกจะเกดการความตางศกยไฟฟาขนทขวไฟฟานน เมอนามาตอเชอมกนเปนวงจรไฟฟากจะเกดการถายเทอเลกตรอนระหวางขว เกดมกระแสไฟฟาไหลผานวงจรทาใหเกดพลงงานไฟฟาขนมาได

รปท 7. โครงสราง Solar Cell ทมา: http://www.pv.unsw.edu.au

การผลตเซลลแสงอาทตยทใชงานกนอยในปจจบนจะแบงออกเปน 2 ประเภทใหญๆ คอ การผลต เซลลแสงอาทตยจากสารกงตวนาประเภทซลคอน กบการผลตจากสารประกอบชนดอน ๆ เชน แกลเลยมอาเซไน แคดเมยมเทลไลด เปนตน กลม เซลลแสงอาทตยททาจากสารกงตวนาประเภทซลคอน จะแบงตามลกษณะของผลกทเกดขนเปน 2 แบบ ไดแก แบบทอยในรปของผลก (Crystal) และแบบทไมเปนรปผลก (Amorphous) แบบทเปนรปผลก ยงสามารถแบงออกไดอกเปน 2 ชนดคอ ชนดเปนกอนผลก (Bulk) และแบบฟลมบาง (Thin film) โซลาเซลลชนดผลกทงสองชนดยงแบงออกเปนชนดเดยวซลคอน (Mono Crystalline Silicon Solar Cell) และ ชนดผลกรวมซลคอน (Poly Crystalline Silicon Solar Cell) สวนแบบทไมเปนรปผลก คอ เปนชนดฟลมบางอะมอรฟสซลคอน (Amorphous Silicon Solar Cell)

รปท 8. ผงชนดโซลาเซลล

ทมา: http://www.egat.co.th



สวนกลมเซลลแสงอาทตยททาจากสารประกอบอนๆทไมใชทามาจากซลคอน เปนเซลลแสงอาทตยทมประสทธภาพสงถง 25 เปอรเซนต ขนไป ซงมราคาแพง จงไมนยมนามาใชทวไปบนพนโลก จงเหมาะสาหรบใชงานบนดาวเทยม หรออวกาศ สามารถรวมกบระบบรวมแสงทมความเขมของแสงสงๆ ปจจบนมการพฒนาดวยกระบวนการผลตททนสมยใหม ทาใหมราคาถกลง และคาดวาจะมการนามาใชงานมากขนในอนาคต (ปจจบนมใชเพยง 7 เปอรเซนตของปรมาณทมใชทงหมด)

เซลลแสงอาทตยจะถกผลตใหเปนแผนเลกๆกอน แลวจงนาเซลลมาตอเชอมเปนวงจรสาเรจรปทเรยกวา โมดล (Module) หรอ พาแนล (Panel) ซงจะทาใหสามารถกาหนดคากาลงวตต ท มการกาหนดคาแรงดนไฟฟา และคากระแสไฟฟาทเหมาะสม สามารถ ตอเชอมออกไปใชงานไดทนท แตเมอหากตองการผลตพลงงานไฟฟาทมกาลงวตตสงๆ กสามารถทาไดโดยนาแผงโซลาเซลลมาตอเชอมกนเปนวงจรขนาดใหญ (Array) การตอเชอมกนนอาจจะตอเปนวงจรแบบขนาน หรอแบบอนกรมกได โดยสามารถกาหนดคาแรงเคลอนไฟฟา หรอกระแสไฟฟาไดเชนเดยวกนกบการตอเซลลแบตเตอร

รปท 9. ขนาดของ Solar Cell ทมา: http://science.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells.htm

2.2 Charge controller เปนอปกรณททาหนาทชารจประจไฟฟาทไดรบจากแผงโซลาเซลล มาประจ ใหกบแบตเตอร ซงการประจนจะตองไมใหมการประจมากเกนไป (Over charge) ซงจะมผลทาใหแบตเตอรรอนจด ทาใหเสอมสภาพเรว และเมอ แบตเตอร มประจเตมแลวกจะตองตดการชารจทนท กระแสไฟฟาทชารจแบตเตอรเปนไฟฟากระแสตรงทมรปสญญาณเปนพลล (Pulse) และมแรงเคลอนไฟฟาสงกวาแบตเตอรประมาณ 15-20% เนองจากมคาตวแปรทมาเกยวของในกระบวนการชารจแบตอรไดแก อณหภมของแบตเตอร ความไมคงทของกระแส ไฟฟาจากแหลงจายทปอนใหโดยเฉพาะจากแหลงพลงงานทดแทนอนๆ เชน แผงโซลาเซลล จากกงหนลม หรออนๆ จงตองใชอปกรณประมวลผล (Microcontroller) มาทาการประมวลผล และควบคมการทางานวงจรชารจประจ และใชวงจร PWM (Pulse Width Modulation) มาสรางรปสญญาณไฟฟา เพอใหการประจแบตเตอรไดอยางมประสทธภาพสงสด



รปท 10. Charge controller ทมา: http://www.ecvv.com และ http://www.true-solar.com

2.3 Battery เปนอปกรณทใชจดเกบประจไฟฟาทสามารถผลตไฟฟาออกไปใชงานไดทนท ประดษฐครงแรกในป ค.ศ.1859 โดยนกฟสกสชาวฝรงเศส แกสตน พลองค (Gaston Plante’) ทเรยกวาแบตเตอรแบบเปยก (Flooded Type หรอ Wet Type) ตอมากพฒนาเปนแบตเตอรชนดตะกวกรด ในป ค .ศ.1957 ออตโต จาเช (Otto Jache) ไดประดษฐแบตเตอรทสามารถใชงานไดงาย ไมตองคอยเตมนากลน และจดวางไดทกแบบ ไมจากดวธวางแบบตงเพยงอยางเดยว ในหลกการจะใชวสดดดซบนากรดไว และผนกไมใหกรดไหลออกมา ทาใหไมตองคอยเตมนากลน หรอเรยกไดวาเปน เซลลแบบแหง หรอแบตเตอรแบบแหง ตอมาไดมการพฒนาวสดทใชดดซบกรดไดเปน 2 แบบ คอ แบบทใชแผนซลกาไฟเบอรเปนตวดดซบเรยกวา แบบ AGM (Absorbed Glass Mats) และแบบทใชเจลเปนตวดดซบกรดเรยกวา แบบเจล (Gel Battery หรอ Gel cell) ซงเปนหลกการตนแบบของแบตเตอรทพฒนาตอๆมาในปจจบน

รปท 11. แบตเตอรแบบตางๆ ทมา: http://www.igetweb.com, http://www.storageimage.com และ http://sst.tarad.com

แบตเตอรทใชในระบบพลงงานแสงอาทตย เพอใชจดเกบพลงงานไฟฟา กสามารถชงานไดทงสองแบบ

แตจะมการพฒนาใหมความเหมาะสมในการใชงานมากขนโดยทจะออกแบบใหสามารถจดเกบประจไดมากๆและ จายกระแส ไฟฟาไดนานๆยงขนทเรยกวาเปนแบบ Deep cycle โดยการออกแบบใหแผนธาตตะกวมความหนาเปนพเศษ เปนผลทาใหคาความตานทานภายในสง สามารถจดเกไดสง แตจะ จายกระแสออกมาไดไมสงมากนก ซงไมเหมาะกบการใชงานทตองการกระแสไฟฟาสงๆ ในระยะเวลาสนๆ เชนการใชกบรถยนต ซงมความ



ตองการกระแสทสงมากในเวลาการสตารทเครองยนต จงไมเหมาะในการนาใชงาน จงตองเลอกใชงานใหถกตอง สวนแบตเตอรแบบ Deep cycle จะเหมาะสาหรบรถไฟฟา รถยกของ (Flock lift) เครองสารองไฟ (Uninterruptible Power Supply: UPS) หรอการเกบพลงงานสารองจากแหลงพลงงานทดแทนตางๆรวมทงพลงงานจากแสงอาทตย ดวย แบตเตอรทงสองแบบนจะมราคา ขนาดและนาหนกทตางกน มาก ถงแมวากาลงวตตตอชงโมง (Watt Hour :WH) หรอความจของกระแสไฟฟาจะเทากนกตาม

ในการใชงานแบตเตอรตางๆใหทนทาน จะตองทราบ ขอจากดทางดานอณหภม และระดบความลกในการคายประจ (Depth of Discharge: DOD) ในระหวางการทางานดวย ซงจะมผลตอประสทธภาพ และอายการใชงานของแบตเตอร การใชงานจนพลงงานไฟฟาหมด จะเปนผลทาใหอายการใชงานของแบตเตอรสนลงอยางมากๆ ดงนนการใชงานจงไมควรใชประจไฟฟาทตากวาระดบ 60 เปอรเซนต และแบตเตอรควรเกบไวในทๆอากาศเยน ในสวนการประจไฟฟาจะตองไมประจกระแสไฟฟาทสงเกนไปจะทาใหแบตเตอรรอนจด ทาใหเสอมสภาพเรวยงขน

รปท 12.กราฟแสดงจานวนครงการประจกบคา DOD ทมา: http://www.mpoweruk.com

2.4 อนเวอรเตอร (Inverter) เปนอปกรณทใชปรบเปลยนพลงงานไฟฟากระแสตรงจากแบตเตอร เปนไฟฟากระแสสลบ 220 V สาหรบใชงานกบอปกรณไฟฟาทอยในบานโดยทวไป อนเวอรเตอร จะออกแบบวงจรภายในโดยใชวงจร Switching แปลงระบบไฟฟากระแสตรงเปนกระแสสลบโดยมสญญาณความถไฟฟา 50 Hz ในระบบทมขนาดเลกๆผผลตอาจจะรวมวงจรอนเวอรเตอร เขาเปนชดเดยวกบวงจรควบคมการประจไฟฟาแบตเตอร (Battery Charger and Controller) ในการใชงานตองมคากาลงงานทสงกวากาลงวตตทใชงาน 15-20 % ทงนเนองจากอนเวอรเตอรจะมประสทธภาพประมาณ 80-85 % เชน กาลงวตตทตองการใชงาน 800 วตตตองใชอนเวอรเตอรขนาด 1 กโลวตต เปนตน

รปท 13. เครองอนเวอรเตอร ทมา: http://www.serve.kipoint.com.tw



3. การออกแบบระบบพลงงานไฟฟาแสงอาทตย ในการออกแบบเซลลแสงอาทตยขนาดเลกตองทาการเลอกระบบตามวตถประสงคการใชงานกอนจากนนจงทาการหาคาตวแปรทเกยวของแลวจงเลอกสวนประกอบทเหมาะสมซงมลาดบขนตอนดงนคอ 3.1 ขนตอนแรกตองทาการหาคากาลงวตตสงสดทใชงานในการออกแบบระบบพลงงานแสงอาทตย ใน ตองทาการหาคาพลงงานสงสดทตองการใชงานกอน โดยประมาณการคานวณมาจากภาระงานกาลงไฟฟาของอปกรณทกๆชนดรวมกน เพอใหไดคาเปนกาลงวตตตอชวโมงใชงาน (W/h) หาคาเปนกาลงวตตตอวน (W/d) เพอนาคาทไดไปเปนโจทยในการหาคาอนๆตอไป เชน อนเวอรเตอร แบตเตอร ตลอดจนแผงโซลาเซลล หรอ หาคากาลงวตตตอเดอน (W/m) ในกรณตองการหาคาใชจายคาพลงงานตอเดอนเพอเปรยบเทยบราคาคาหนวยกบระบบไฟฟาจากสายสงของการไฟฟา ในการหาคากาลงวตตสงสดนตองเปนระบบไฟฟาชนดเดยวกน การออกแบบระบบไฟฟาใชงานสามารถเลอกระบบได 2 แบบ คอ 3.1.1 การเลอกใชไฟฟากระแสตรง ซงปจจบนนยมใชแรงเคลอนไฟฟา 12 V ซงมอปกรณใช งานไดมาก แตกอาจจะออกแบบใหใชระดบแรงเคลอนไฟฟาตามทตองการไดเชน ขนาด 24V หรอ 48V กได 3.1.2 การใชไฟฟากระแสสลบ ประเทศไทยใชระดบแรงเคลอนไฟฟามาตรฐาน 220 V 50 Hz ซงมความเหมาะสมและสะดวกสามารถหาอปกรณสนบสนนไดงาย หรอสามารถใชกบอปกรณไฟฟาทวๆไปได 3.2 ขนตอนท2 การเลอกใชอปกรณอนเวอรเตอร (Inverter) ในกรณทผใชตองการใชแรงเคลอนไฟฟาชนดกระแสสลบกบอปกรณไฟฟาภายในบาน จะตองใหคากาลงวตตของอนเวอรเตอร สงกวาคากาลงวตตทใชงานจรงเสมอ รวมทงตองเผอคาสาหรบการสญเสยกาลงภายในอนเวอรเตอร ดวย ซงจะมคาประมาณ 15 -20 เปอรเซนต ตวอยางเชน มหลอดฟามกาลงไฟฟารวม 80 วตต จะตองใชอนเวอรเตอรขนาดไมนอยกวา 100 วตตจายไฟฟาให

ในปจจบนมการใชอปกรณไฟฟาทใชไฟฟากระแสตรงจากแบตเตอรโดยตรงมากขน เพอ ทาใหลดการสญเสยกาลงไฟฟาในอนเวอรเตอรลงไดมาก ถา หากมความจาเปนตองใชกอาจจะเลอกใชอนเวอรเตอรขนาดเลกๆใชงานเฉพาะจดทตองการ ทาใหประหยดคาใชจาย และลดความสญเสยกาลงงานไดมาก สงทตองคานงสงหนงคอ วงจรอนเวอรเตอรทดตองมการปองกนการใชกาลงงานของ แบตเตอรทมากเกนไป หรอ DOD (Dept of Discharge) ซงจะเปนผลทาใหอายแบตเตอรสนลง โดยปกตจะใชแบตเตอรทคา DOD ไมตากวา 60 %

รปท 14. ไดอะแกรมของวงจรระบบเซลลแสงอาทตย



3.3 ขนตอนท 3 การเลอกใช Charge controller เนองจากพลงงานไฟฟาทไดจากเซลลแสงอาทตยจะเปนไฟฟากระแสตรง ในการออกแบบวงจรการจดเกบประจแบตเตอร ตองใชอปกรณสาหรบควบคมการประจไฟฟาลงแบตเตอรซงมการออกแบบใหทาการชารจประจทมลกษณะเปนลกพลล ทสามารถปรบเปลยนคาบเวลาและขนาดของแรงเคลอนไฟฟาไดยานกวางเพอใหการชารจประจไดประสทธภาพสงสด ตามปรมาณการเปลยนแปลงพลงงานไฟฟาทไดจากแสงอาทตย จงมการใชวงจรควบคมอตโนมตโดยใชไมโครโปรเซสเซอรในการควบคม ขอทควรพจารณาการเลอกใชงานไดแก เครองทมประสทธภาพสงมการสญเสยตา และคาพลงงานทกาหนดตองมคากาลงวตต ทไมตากวาคาของแผงโซลาเซลล แตโดยสวนมากการบอกคาของโซลาเซลลจะบอกคาเปนกาลงวตต แตการบอกขนาดของเครองชารจจะบอกพกดกาลงโวลต และคากระแส จากตวอยางเชน ถาเครองชารจประจแรงเคลอนขนาด 12 โวลต กระแส 10 แอมแปร กจะสามารถใชกบแผงโซลาเซลลขนาดไมเกน 120 วตต แตหากแผงโซลาเซลล มกาลงไฟฟาตาเกนไปกจะเกดการสญเสยภายใน และมราคาแพงกวา ในการเลอกใชงานตองเลอกใหมความเหมาะสม

3.4 ขนตอนท4 การเลอกใชแบตเตอรสาหรบจดเกบคาพลงงานไฟฟา แบตเตอรทใชกบระบบโซลาเซลลเปนแบบ Deep Cycle ซงจะมลกษณะทตางจากแบตเตอรรถยนต แบตเตอรสาหรบรถยนตจะมแผนตะกว ทบางกวาทาใหคาความตานทานภายในตาจงสามารถจายกระแสไฟฟาไดสงในระยะสนๆ ใชสาหรบสตารทเครองยนต แตแบตเตอรสาหรบใชงานกบพลงงานแสงอาทตย แผนตะกวภายในจะมขนาดทหนาทาใหความตานทานภายในสง จายกระสะไฟฟาไดไมสงแตจะจายไดในระยะเวลาทนานกวา จงเปนผลทาใหราคาสงกวาแบตเตอรรถยนต 3-4 เทาในขนาดเดยวกน และเนองจากการใชระบบไฟฟาพลงงานแสงอาทตยจะใชในลกษณะจดเกบประจไฟฟาดวยแบตเตอรในตอนกลางวน แลวนามาใชงานในตอนกลางคน การเลอกใชขนาดแบตเตอรตองมความเหมาะสมกบขนาดแผงโซลาเซลล ซงขนาดทเหมาะสม คอ ประมาณ 6-8 เทาขนาดเซลลแสงอาทตย ตามชวโมงการรบแสง ดงตวอยางเชน แผงโซลาเซลลขนาด 120 วตต จะใชแบตเตอรขนาด 72 -96 แอมแปร/ชวโมง แตแบตเตอรทจาหนายจะมคาทคงทตายตว จงควรเลอกใชขนาดทสงกวา คอ 100 แอมแปร/ชวโมง การใชขนาดแบตเตอรทมขนาดเลกเกนไป นอกจากทาใหเกบประจไดนอยแลว ยงทาใหเกดการสญเสยพลงงานทไมสามารถประจไฟฟาเกบไวไชได 3.5 การเลอกใชแผงโซลาเซลล แผงโซลาเซลลมหลายชนดแตทมการนามาใชงานจรงแบงออกได เปน 3 แบบไดแก 3.5.1 แบบ Amorphous เปนแผงโซลาเซลลทไวแสงมากทสด สามารถรบแสงทออนๆได รวมทงแสงจากหลอดไฟฟาตางๆ จงทางานไดในพนทท มเมฆหมอก ฝนละออง มฝนตกชก ตน แตกมผลเสยคอ พลงงานไฟฟาไมสงมากนกจงทาใหตองใชพนทมาก แผงมนาหนกมาก แตกหกไดงาย และยงหาอปกรณประกอบเพอตอเชอมระบบไดยาก จงนยมนาไปใชกบอปกรณไฟฟาตางๆ เชน เครองคดเลข นาฬกา หรออปกรณไฟฟาขนาดเลกๆ เปนตน

รปท 15. แผงโซลาเซลลแบบ Amorphous ทมา: http:// www2.egat.co.th/re/solarcell/solarcell.htm



3.5.2 แบบ Crystalline เปนแผงโซลาเซลลทอยในรปของผลกททาใหเปนแผนฟลมชนบางๆซง

สามารถแบงออกไดเปน 2 แบบคอ แบบ Mono crystalline หรอแผงชนดผลกเดยว และ แบบ Poly crystalline

หรอ ผลกผสม หรออาจมชอเปนอยางอนเชน Single Crystalline และ Multi Crystalline เปนแผงโซลาเซลลทใชงานมากทสด แผงแบบ Mono crystalline จะมประสทธภาพดกวาและราคาแพงกวา แบบPoly crystalline เลกนอย

รปท 16. แผงโซลาเซลลแบบ Mono crystalline ทมา: http:// www.directindustry.com

รปท 17. แผงโซลาเซลลแบบ Poly crystalline

ทมา: http://www.homesolarwindpower.com

ทงสองชนดมขอดคอ หาอปกรณตอพวงไดงาย มราคาถก อายการใชงานยาวนานกวา 20ป ทนทาน ใชพนทนอยกวา มนาหนกเบา แตมขอจากดคอ ทางานประสทธภาพตาในสภาพอากาศทมแสงนอย

3.5.3 แบบ Super amorphous หรออาจเรยกวาเปนแบบ Amorphous Triple Junction แผงโซลาเซลลชนดนจะรวมเอาขอดของทง Amorphous และ Crystalline มาไวดวยกน โดยมประสทธภาพสงกวาแบบ Amorphous สามารถใชอปกรณตอพวงรวมกบแบบ Crystalline ไดทงยงมคณสมบตพเศษทสามารถบดตว มวนได มนาหนกเบา การขนสงสะดวก สามารถตดตงตามพนผวของวสดตางๆไดหลากหลายชนด มความทนทานสงตอสภาวะอากาศ สงแวดลอม มอายการใชนานเกน 20 ป แตมขอเสยคอมราคาแพงกวาชนดอนๆ 30-40 % ในอนาคตเมอมราคาถกลงกจะไดรบความนยมนามาใชงานอยางแพรหลายตอไป

รปท 18. แผงโซลาเซลลแบบ Super amorphous

ทมา: http://www.solarnavigator.net



รปท 19. แผงโซลาเซลลแบบ super amorphous

ทมา: http://nsthai.com

3.6 ตวอยางการออกแบบระบบโซลาเซลลเลก เมอมอปกรณมาตอเชอมเปนระบบแลว จงตองทาการหาคาในแตละสวนตามลาดบกอนหลงดงนคอ

3.6.1 การหาคากาลงวตตทใชงานจรง โดยกาหนดใหมอปกรณไฟฟา จานวน 3 ชนดปดเปดในเวลาตางกนโดยมรายละเอยดตามตารางดงน

ท อปกรณไฟฟา ก าลงวตต จ านวน ชวโมงใชงาน Watt-Hour/Day 1 หลอดไฟฟา 20 2 4 160

2 โทรทศน 40 1 3 120

3 พดลม 40 1 2 80

รวม 120 9 360

3.6.2 การหาคาอนเวอรเตอร อปกรณทใชงานตองไมตากวาคากาลงวตตรวมของอปกรณไฟฟาทงหมดซงจากทคานวณไดเทากบ 120 วตต ดงนน อนเวอรเตอรทเลอกใชมขนาดทเหมาะสม = 150 วตต 3.6.3 การหาคาความจของแบตเตอร ซงจะคานวณไดจากสตร

Batt

InverterBatt

LoadBatt T

EDODV

PQ

)(%.

.

เมอ .BattQ ความจแบตเตอร (Ah)

LoadP กาลงวตตรวม (Watt)

.BattV โวลตแบตเตอร (Volt)

DOD% คาระดบความลกการคายประจ (40-60%)

InverterE คาประสทธภาพอนเวอรเตอร (0.8-0.9)

.BattT ระยะเวลาการประจในแตละวน (ช.ม.)

ดงนน .BattQ (120/12x0.6x0.85)x6 =117.6 Ah คาความจแบตเตอรทเหมาะสมใชงาน = 12 Volt 120 Ah

3.6.4 การหาคาขนาดของแผงโซลาเซลล สามารถทาการหาไดจากสตร

S

IHCQ

PPV Load



เมอ PV= กาลงวตตของโซลาเซลล (Watt)

Q = คาพลงงานแสงทไดรบ/วน (ประมาณ 4 kW-Hour/ Sq m)

C = คาความสญเสยของเซลล (ประมาณ 0.8)

H = คาความสญเสยเชงความรอน (ประมาณ 0.85)

I = คาประสทธภาพอนเวอรเตอร (ประมาณ 0.8-0.9)

D = คาความเขมของแสงบนโลก (ประมาณ 1 kW/Sq m)

ดงนน PV = 360/ (4000x0.8x0.85x0.85/1000) = 155 วตต

ขนาดของแผงโซลาเซลลทเหมาะใชงาน = 160 วตต

3.6.5 การหาคาเครองชารจประจแบตเตอร เครองควบคมการชารจตองมขนาดกาลงวตตทไมนอยกวาแผงโซลาเซลล ซงสามารถทาการคานวณไดจากสตร

.Batt

BattV

PVC

เมอ BattC ขนาดกระแสประจ (Ampere)

PV= กาลงวตตของโซลาเซลล (Watt) .BattV โวลตแบตเตอร (Volt)

ดงนน BattC 160/12 BattC 13.33 A เครองชารจประจแบตเตอรทเหมาะสม = 12 Volt 15 Ampere

4. การเลอกใชอปกรณประยดพลงงานไฟฟา การใชพลงงานไฟฟาทไดจากแสงอาทตย มขอจากดการใชงาน เนองจากระบบการผลตจะไดรบพลงงานในตอนกลางวนเทานน จงตองมอปกรณการจดเกบพลงงานไฟฟาไวใชงานในตอนกลางคน หรออยางตอเนองโดยใชแบตเตอร ระบบพลงงานไฟฟาแสงอาทตยยงมระบบซบซอนหรอมอปกรณตอพวงมากขนตอนกจะทาใหมการสญเสยคาพลงงานไฟฟาเพมขน เชนหากตองการใชไฟฟาแรงเคลอน 220 โวลตกจะตองใชอปกรณอนเวอรเตอรแปลงระบบไฟฟาเสยกอน จงจะใชงานไดและอปกรณกจะมคาสญเสยภายใน 10-15% ซงถอไดวามคามากสาหรบระบบการผลตขนาดเลกๆน วธการทดและประหยดคอการเลอกใชระบบไฟฟากระแสตรง และการใชอปกรณประหยดไฟไดแก หลอดไฟฟาประหยดไฟแบบ LED บลลาสอเลกทรอนกส มอเตอรไฟฟากระแสตรง เปนตน

รปท 20. หลอดไฟฟา LED ทมา: http://www.ledinside.com และ http://lifekills.wordpress.com



รปท 21. ปมไฟฟากระแสตรง ทมา: http://www.piusiusa.com และ www.tsautoserv.com 5 บทสรป การใชพลงงานจากแสงอาทตยโดยการใชแผงโซลาเซลล หากมการนามาใชเปนแหลงพลงงานหลก จะมขอจากดทางดานพลงงานทไดรบอาจไมคงท หรอมความเสถยรตา การรบแสงอาทตยจะไมคงทแนนอน ในวนทมฝนตก มเมฆหมอกมาก ซงจะทาใหไดพลงงานไฟฟานอยกวาปกต นอกจากนการรบแสงอาทตยกรบไดเพยงตอนกลางวนเทานน หากตองการความเสถยรของระบบกจะตองตอเชอมกบระบบอนๆ เปนระบบไฮบรดจ (Hydride System)โดยใชเปนผลตพลงงานรวมกบระบบอนๆ เชนพลงงานนา พลงงานลม หรอกบเครองยนตตางๆเปนตน ในสวนตนทนการผลตของระบบเซลลแสงอาทตยถงแมวาพลงงานทไดรบจะเปนพลงงานทฟรจากดวงอาทตย แตกมปจจยทมาเกยวของไดแก การลงทนทางดาน อปกรณเซลลแสงอาทตยซงมราคาแพงถงกวาวตตละ 150 บาท อปกรณการตดตงตางๆ รวมทงอปกรณควบคมระบบการทางาน ชารจคอนโทรล และ อนเวอรเตอรตางๆ นอกจากนอปกรณทสาคญไดแก แบตเตอร ซงอปกรณทกๆชนดดงทกลาวแลว ลวนมอายการใชงาน ทตองมการซอมบารงรกษาทงสน จงเปนภาระคาใชจายทตองนามาคานวณเปนตนทนของระบบ ในการวเคราะหความคมคา ความคมทนตางๆ

รปท 22. การประยกตใชงานไฟจราจร

ทมา: http://www.be2hand.com และ http://www.duckol.com ดงนนการใชงานพลงงานไฟฟาจากแสงอาทตยโดยการใชแผงโซลาเซลล จงเหมาะสาหรบการใชงานในสถานท ทมความจาเปน หรอ การแกปญหาการขาดแคลนพลงงานไฟฟาเฉพาะจดเทานน ตามจดตางๆทตองการการใชไฟฟาทไมใชพลงงานไฟฟาทมากนก หรอเปนการลดการใชสายสงระบบไฟฟา หรออปกรณตางๆจงนยมนาไปใชงานในทตางๆ เชน ไฟฟาระบบจราจร ไฟประดบสวน ไฟประภาคาร หรอทนลอยนาตางๆ เปนตน ซงเมอทาการคานวณตนทนการผลตทคมคาแลว จงจะเหมาะสมในการใชงาน



รปท 23. การประยกตใชงานไฟถนนไฟฟาประดบสวน ทมา: http://www.thaitechno.net และ http://www.tarad.com/night-light/

การผลตไฟฟาจากแผงโซลาเซลกเปนพลงงานทจะมบทบาทสงมากยงขนในอนาคต และเมอมการพฒนาอปกรณตางๆใหมประสทธภาพสงขนและราคาถกลง และมการพฒนาอปกรณไฟฟาทใชพลงงานนอย ประหยดพลงงานซงจะทาใหมการนามาใชงานอยางๆแพรหลายในอนาคต

5. เอกสารอางอง สอสารสนเทศออนไลน: http://www.integralsystems.org สอสารสนเทศออนไลน: http://solar-wind-nature-energy.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.hkengineer.org.hk สอสารสนเทศออนไลน: http://www.trec-uk.org.uk สอสารสนเทศออนไลน: http://www.engineeringnews.co.za สอสารสนเทศออนไลน: http://infranetlab.org สอสารสนเทศออนไลน: http://www.naturalnews.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.sikaienergy.com สอสารสนเทศออนไลน: http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics สอสารสนเทศออนไลน: http://nsthai.com/howtobuy_solar.htm สอสารสนเทศออนไลน: http://www.pv.unsw.edu.au สอสารสนเทศออนไลน: http://http://www.egat.co.th สอสารสนเทศออนไลน: http://science.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells.htm สอสารสนเทศออนไลน: http://www.ecvv.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.true-solar.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.ecvv.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.true-solar.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.igetweb.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.storageimage.com สอสารสนเทศออนไลน: http://sst.tarad.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.mpoweruk.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.serve.kipoint.com.tw สอสารสนเทศออนไลน: http://www2.egat.co.th/re/solarcell/solarcell.htm สอสารสนเทศออนไลน: http://www.directindustry.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.homesolarwindpower.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.solarnavigator.net สอสารสนเทศออนไลน: http://www.ledinside.com สอสารสนเทศออนไลน: http://lifekills.wordpress.com



สอสารสนเทศออนไลน: http://www.piusiusa.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.tsautoserv.com

สอสารสนเทศออนไลน: http://www.be2hand.com สอสารสนเทศออนไลน: http://www.duckol.com

สอสารสนเทศออนไลน: http://www.thaitechno.net สอสารสนเทศออนไลน: http://www.tarad.com/night-light/

Documents

พ.ไฟฟ้าจาก solar cell และการออกแบบ