แผงโซล่าเซลล์ การทำงานและจุดเริ่มต้นการใช้งาน ทางเลือกประหยัดค่าไฟในอนาคต

แผงโซล่าเซลล์

แผงโซล่าเซลล์ และจุดเริ่มต้นการใช้งาน และทางเลือกประหยัดค่าไฟในอนาคต

หากอยากประหยัดการใช้ค่าไฟฟ้า ที่ทำให้ค่าไฟในบ้านถูกลงจะกี่สักเส้นทางด้วยกันที่สามารถช่วยคุณได้ก็คงจะหนีไม่พ้น แผงโซล่าเซลล์ บนหลังคา หรือ หลังคา Solar Rooftop แม้พลังงานทดแทนจะมีหลากหลายชนิดก็จริง แต่สิ่งที่มันง่ายต่อการเข้าถึงมากกว่ากันนั้น อย่างไรเสีย ก็คงหนีไม่พ้นกับเรื่องของ “แสงแดด” ซึ่งถือเป็นพลังงานความร้อนที่มาจากตัวแผงโซล่าเซลล์อย่างหนึ่ง ที่จะช่วยเราให้ผ่านพ้นวิกฤตทางพลังงานหดหายลงได้อย่างเข้าถึง

อันจะรวมเอา คุณสมบัติของแผ่นเซลล์แสงอาทิตย์โซล่าเซลล์บนหลังคา หรือบนดาดฟ้า ริมระเบียง ริมหน้าต่าง ข้างฝาอาคาร บ้านพักอาศัย ฯลฯ เอาไว้ ที่กล่าวมายืดยาวก็เพราะว่าโซล่าเซลล์เป็นได้ทุกอย่างบนอาคาร สถานที่อะไรก็ตาม เพียงแค่อยู่ในพื้นที่โล่งแจ้ง มีแสงแดดตลอดทั้งวันยิ่งดีเข้าไปใหญ่ คือตั้งแต่ประมาณ 6 นาฬิกา ไปจนกว่าจะ 18 นาฬิกา เป็นต้นไป..

คุณลักษณะของมันได้รับการพัฒนามาเนิ่นนานจนทุกวันนี้สามารถใช้งานได้มั่นคง เพียงพอต่อผู้อยู่อาศัย และในภาคธุรกิจส่วนหนึ่งแล้ว แต่อย่างไรแล้ว ก็ยังคงไม่ครอบคลุมจำนวนหลังคาเรือนที่มากพอจะทำให้เราสามารถผลักดันพลังงานแสงอาทิตย์ให้กลายเป็นพลังงานหลักเพื่อการผลิตไฟฟ้าโดย โซล่าเซลล์ ได้

มักเรียก โซล่าเซลล์ ว่า เซลล์ พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งเป็น แผงโซล่าเซลล์ ที่ผลิตขึ้นมาให้ใช้งานในสถานที่ต่าง ๆ แตกต่างกัน ตามแต่คุณลักษณะอันพึงประสงค์ซึ่งแผงโซล่าเซลล์ควรจะมีตามคุณสมบัติของแผงโซล่าเซลล์ แผ่นโซล่าเซลล์ ผลิตจากชั้นของผลึกคริสตัลชั้นเดียว ได้มีคนให้คำนิยามเป็นภาษาอังกฤษ ว่า a monocrystalline silicon wafer ที่มี Contact Grid ทำมาจาก Busbars แถบขนาดใหญ่ Fingers แถบขนาดเล็ก แต่ถ้าหากในเชิงความหมายของ เซลล์สุริยะ หรือเซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaic) ที่ถูกพัฒนามาเป็น แผงโซล่าเซลล์ในปัจจุบัน แต่คำ ๆ นี้ เซลล์แสงอาทิตย์ ได้เริ่มต้นใช้งานครั้งแรกในประเทศอังกฤษในปี ค.ศ.1849 ที่มีการใช้แผ่นเซลล์แสงอาทิตย์ หรือสุริยะ ซึ่งเป็นการนำมาใช้กันอย่างไม่เป็นทางการสักเท่าไหร่นัก

ตรงข้ามกัน ‘เซลล์แสงอาทิตย์’ สร้างขึ้นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ.1954 (พ.ศ.2497) จากนาย แชปปิน (Chapin) ฟูลเลอร์ (Fuller) เพียสัน (Pearson) แห่ง เบลล์เทลเลโฟน Bell Telephon ผู้ก่อตั้ง 3 คนดังกล่าว ได้ทำการค้นคว้าและวิจัยแสงอาทิตย์ จนค้นพบเทคโนโลยีการสร้างรอยต่อ พี-เอ็น มีการทำงานด้วยวิธีการแพร่สารบางชนิดเข้าไปในผลึกซิลิคอน ออกมาเป็น โซล่าเซลล์ เครื่องแรกของโลก แต่เทียบได้กับประสิทธิภาพการทำงานของ แผงโซล่าเซลล์ ทุกวันนี้ มันถือเป็นเพียงแผ่นเซลล์ แสงอาทิตย์ศักยภาพต่ำ ร้อยละ 6

แต่ถ้าตามความหมายในภาษากรีกนั้น หมายถึง แสงสว่าง โดยที่ φῶς (Phos) คือ แสง และ โวลต์ หรือหน่วยแรง ของแรงเหนี่ยวนำ โดยคำว่า ‘โวลต์’ มาจากนามสกุลนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน ที่เป็นผู้คนกลุ่มเริ่มแรกที่มีการนำ โซล่าเซลล์มาใช้งาน นามว่า อเลสซานโดร โวลต์ ทั้งกระนั้นยังเป็นนักประดิษฐ์แบตเตอรี่ หรือเซลล์ไฟฟ้าเคมี (แบตเตอรี่ โซล่าเซลล์)

คุณสมบัติโดยเนื้อแท้ของ Solar Cell หมายถึง เซลล์แสงอาทิตย์ หรือเซลล์สุริยะ Photovoltaic

คุณสมบัติโดยเนื้อแท้ของ Solar Cell หมายถึง เซลล์แสงอาทิตย์ หรือเซลล์สุริยะ Photovoltaic แผ่นโปร่งที่ประดิษฐ์ขึ้นมาจากการคิดค้นแผ่นรวมแสงเพื่อนำความร้อนมาใช้ โซล่าเซลล์มาจากสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ ซิลิคอน, แกลเลี่ยม, อาร์เซไนด์, อินเดียมฟอสไฟด์, แคดเมียมเทลเลอไรด์ เป็นต้น ซึ่งเป็นหนึ่งในบรรดาแผ่นเซลล์ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการเปลี่ยนพลังงานความร้อนของดวงอาทิตย์ให้เป็นความดันไฟฟ้า ก่อนการแปลงกระแสไฟฟ้าให้เข้าได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งปวง

โซล่าเซลล์ ที่ถือเป็นสารกึ่งตัวนำล้วนมีระบบการรับแสงอาทิตย์แบบเดียวกัน คือ เมื่อสารกึ่งตัวนำได้รับแสงอาทิตย์แล้ว สารกึ่งตัวนำจะแปรสภาพเป็นตัวนำไฟฟ้าในรูปประจุไฟฟ้าขั้ว + และขั้ว – เพื่อที่จะทำให้ทั้งขั้วบวก ขั้วลบในเซลล์สุริยะเกิดแรงดันไฟฟ้า ก่อนที่จะให้ขั้วทั้งสองของกระแสไฟฟ้าที่ได้เชื่อมต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า ผ่านกระบวนการแปลงไฟฟ้าให้เข้ากับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรงที่มีส่วนน้อยนัก เมื่อเทียบกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนผ่านไฟฟ้ากระแสสลับ

เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ ทำจากแผ่นโซล่าเซลล์ซิลิคอน ทั้งชนิดแบบผลึกเดี่ยวและผลึกรวม ซึ่งความแตกต่างของแผงโซล่าเซลล์ จะขึ้นอยู่กับแผ่นเซลล์ที่มีรูปร่างไม่เหมือนกัน คุณสมบัติการทำงานเองก็แตกต่างกันด้วย

โซล่าเซลล์ แบบผลึกเดี่ยวและผลึกรวมจะมี ขอบเกรน (Grain boundaries) เยอะเป็นพิเศษ มีการเรียงตัวของผลึกติดกันไม่ค่อยสม่ำเสมอ ไม่ค่อยดีเท่าไหร่

โซล่าเซลล์แบบ Mono Crystalline ไม่มีขอบเกรนเลย ผลึกจึงเรียงตัวได้เป็นอย่างดีทีเดียว

โซล่าเซลล์ Poly Crystalline โดยรวมการเรียงตัวของแผ่นเซลล์แบบโมโนจะดีกว่าแบบโพลี แล้วยังเป็นตัวนำกระแสไฟได้ดีกว่าเซลล์สุริยะ หรือโซล่าเซลล์ สำหรับผลิตไฟฟ้าจ่ายเข้ากับอุปกรณ์โซล่าเซลล์

แบบผลึกเดี่ยวและผลึกรวม

ในเรื่องการต่อแผ่นเซลล์แสงอาทิตย์เข้าด้วยกันจะมีวิธีการเฉพาะอยู่ เพื่อที่จะได้จัดวางแผงโซล่าเซลล์แต่ละแผ่นเซลล์เข้าด้วยกัน ให้การทำงานออกมามีศักยภาพสูงสุด ตามความสามารถตั้งแต่เริ่มต้นของแผ่นโซล่าเซลล์แต่ละชนิด ตามแต่ละคุณสมบัติของวัตถุดิบที่นำมาประดิษฐ์เป็นแผ่นกักเก็บพลังงานความร้อน

(ยังไม่จบ)

เมื่อมีแผ่นโซล่าเซลล์หลาย ๆ แผ่นจำเป็นต้องต่อให้ถูกหลักการต่อแผงโซล่าเซลล์แต่ละรูปแบบ และเมื่อต่อเซลล์แต่ละเซลล์เข้ากันเรียบร้อยแล้วก็จะ เรียกว่า แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Module) หรือโซล่าเซลล์ (Solar Cell, Solar Panel)

การต่อแบบขนานในการใช้งานแผงโซล่าเซลล์

ต่อแบบขนานจะได้กระแสไฟฟ้าหรือจำนวนหน่วยไฟฟ้ามากกว่า

การต่อแบบอนุกรมในการใช้งานแผงโซล่าเซลล์

ต่อแบบอนุกรมจะช่วยทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นกว่าเก่า ก็คือสามารถเพิ่มค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้าได้ดีขึ้น

แผ่น โซล่าเซลล์ ที่ทำมาจาก แร่ซิลิคอน ซึ่งจะมีลักษณะ รูปร่างผลึกหลากหลายรูปลักษณ์ ลักษณะด้วยกัน เป็นเหตุให้คุณสมบัติการทำงานของแผงโซล่าเซลล์มีหลายแบบ ทั้งผลึกแบบวงกลม สามเหลี่ยม สี่เหลี่ยมจัตุรัส ฯลฯ หนา 200-400 ไมครอน (0.2-0.4 มม.) ทางฝั่งของแผ่นซิลิคอนรับแสงอาทิตย์จะมีชั้นแพร่ซึมนำไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้า หน้ารับแสงมีรูปลักษณ์เหมือนก้างปลาเพราะจะทำให้มีพื้นที่รับแสงได้มากกว่า ส่วนแผงด้านหลังจะเป็นขั้วโลหะเต็ม ๆ พื้นผิวเพราะไม่มีผลอะไรต่อการรับแสงแดด เวลาที่แผงโซล่าเซลล์รับแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบลงมาใส่เซลล์แสงอาทิตย์ จะมีกระบวนการในการสร้างพาหะนำไฟฟ้าประจุลบ และประจุบวก ผ่านอิเล็กตรอน โฮล ในโครงสร้างรอยต่อ พีเอ็นที่ทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าในแผ่นโซล่าเซลล์ และแยกพาหะนำไฟฟ้าอิเล็กตรอนไปขั้ว – และพาหะนำไฟฟ้าโฮลขั้ว +

ฐานของแผ่นโซล่าเซลล์จะมีสารกึ่งตัวนำชนิด P ขั้วไฟฟ้าที่ด้านหลังแผงจึงเป็นขั้วบวก แต่ด้านรับแสงจะใช้สารกึ่งตัวนำชนิด N เป็นขั้วลบ เมื่อสารกึ่งตัวนำ P และ N จะเกิดเป็นรอยต่อ PN และก่อเกิดแรงดันไฟฟ้า ‘กระแสตรง’ ตรงขั้วไฟฟ้าทั้งบวกและลบขณะที่ต่อวงจรไฟฟ้า และเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นมาจนมีการไหลไปที่อุปกรณ์จัดการเปลี่ยนแปลงไฟฟ้าแต่ละชนิดในชุดอุปกรณ์โซล่าเซลล์

รอยต่อ PN คือ รอยต่อสารกึ่งตัวนำที่นิยมใช้ในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์มากที่สุด เพราะมีราคาถูกที่สุดเป็นที่นิยมและมีอยู่บนโลกมากที่สุด จึงทำให้ silicon อยู่ในระบบการผลิตและนำมาใช้ผลิตโซล่าเซลล์และผลิตภัณฑ์แผงเซลล์ กระเบื้องหลังคาโซล่าเซลล์ และแผงหลังคาโซล่าเซลล์ ซึ่งซิลิคอนจะต้องผ่านการถลุง หรืออาจจะต้องมีกระบวนการทำให้ผลึกซิลิคอนมีความบริสุทธิ์สูง แล้วจึงได้นำผลึกมาผ่านกระบวนการแพร่ซึมสารเจือปน และสร้างรอยต่อ PN ด้วยการเติมสารกึ่งตัวนำ ชนิด N หรือสารเจือฟอสฟอรัสที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าอิเล็กตรอนประจุลบ แล้วตามด้วยสารกึ่งตัวนำ ชนิด P หรือสารเจือโบรอนซึ่งมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าในลักษณะโฮลประจุบวก จนเกิดรอยต่อลักษณะ PN

ที่สุดแล้ว ปัจจุบันนี้ถึงแม้จะมีผู้ที่ทำงานรองรับการติดตั้งแผงโซล่าเซลล๋อย่างเป็นระบบ ซันเนอร์ยี่ เทคโนโลยี ให้บริการติดตั้งโซล่าเซลล์ทั่วทุกจังหวัด ครบสูตร ครบวงจร เกี่ยวกับ ชุดอุปกรณ์โซล่าเซลล์ แสงอาทิตย์ แต่อย่างไรแล้ว เมื่อคุณตัดสินใจที่จะสร้างบ้านใหม่ขึ้นมาสักหลังหนึ่ง อย่างไรก็ต้องคำนึงถึง ระบบการทำงานของ โซล่าเซลล์ เป็นหลัก

เนื่องจาก แผงโซล่าเซลล์บนหลังคาบ้าน แผงหลังคาโซล่าเซลล์ กระเบื้องหลังคาโซล่าเซลล์ ที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้นั้น แม้จะมีรูปลักษณะต่างกันและคุณสมบัติจะสอดคล้องกันกับวัตถุดิบของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้สร้างแผงเซลล์ แต่ก่อนจะติดตั้งก็ต้องศึกษาข้อมูลกันมาเป็นอย่างดีเสียก่อน ที่จะจัดตั้งวางชิ้นอุปกรณ์โซล่าเซลล์แต่ละชนิดขึ้นมาเป็น ระบบการผลิตไฟฟ้าผ่านแผงโซล่าเซลล์ หรือผ่านเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งระบบการทำงานของโซล่าเซลล์แต่ละชนิดจะประกอบไปด้วย 3 ลักษณะหลัก ซึ่งถูกพัฒนาต่อกันมาเรื่อย ๆ จนถึงในปัจจุบัน

ระบบ Solar Cell (On Grid) หรือ Grid-Tie Connection

ถือเป็นระบบที่ใช้ไฟฟ้าจากแผงโซล่าเซลล์ต่อเชื่อมเข้ากับอินเวอร์เตอร์ชนิด Grid-Tie Connection เมื่อใช้ระบบนี้จะช่วยให้ประหยัดใช้ไฟฟ้าได้มากกว่าปกติ แต่จะไม่สามารถนำไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นได้มากใช้ในเวลาที่ไม่มีการเกิดแสงอาทิตย์ในตอนกลางคืนได้ ซึ่งอินเวอร์เตอร์ระบบนี้ยังถือได้ว่ามีประสิทธิภาพสูงทีเดียวในการแปลงไฟฟ้า เนื่องด้วยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการชาร์จเจอร์คอนโทรลเข้าสู่แบตเตอรี่ ก่อนจะแปลงไฟเข้าไปภายในบ้านอีกที แต่เพราะไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ จึงตัดค่าใช้จ่ายที่มีราคาค่อนข้างสูงของแบตเตอรี่ Deep Cycle สำหรับโซล่าเซลล์

ระบบ Solar Cell (Off Grid) หรือแผงโซล่าเซลล์รูปแบบ Stand Alone

ระบบแบบตัดขาดเช่นนี้สามารถทำงานได้โดยตัวมันเอง เพราะจะต้องมีแบตเตอรี่โซล่าเซลล์มาไว้สำรองไฟฟ้า เวลาที่ไฟฟ้าไม่มีแสงอาทิตย์เกิดขึ้นในตอนกลางวัน ขณะที่แผงโซล่าเซลล์รับพลังงานแสงอาทิตย์มาไว้บนแผ่นเซลล์แสงอาทิตย์ แล้วจึงจะส่งต่อไปที่เครื่องควบคุม หรือชาร์จเจอร์โซลาร์ (Solar Charge Controller) ประเด็นสำคัญคือการทำงานเพื่อจำกัดกระแสชาร์จไฟฟ้า โดยระบบแบบนี้จะเหมาะสมสำหรับสถานที่โดดเดี่ยว ซึ่งไม่มีระบบไฟฟ้าดั้งเดิมอยู่ก่อนแล้วที่พักเหล่านี้จึงเลือกที่จะใช้โซล่าเซลล์ออฟกริดแทนที่จะทำการเดินสายไฟฟ้าครั้งใหม่ซึ่งจำเป็นต้องใช้ค่าใช้จ่ายเป็นจำนวนมาก

ระบบ Hybrid System หรือ Grid Interactive ทำงานผ่านเครื่องแปลงไฟฟ้า

ถือเป็นระบบที่พัฒนามาหลังสุด ที่ได้นำเอาทุกรูปแบบการทำงานของทั้ง 2 ระบบโซล่าเซลล์ดังกล่าว เอามาจับเอาไว้รวมกับ ออกมาเป็นระบบการทำงานของแผงโซล่าเซลล์ที่มีเทคโนโลยีนำสมัยที่สุด และรองรับระบบไฟฟ้าทุกรูปแบบได้อย่างสมบูรณ์แบบสูงสุด คือ สามารถทดแทนไฟฟ้าใช้ตอนกลางคืนด้วยระบบแบตเตอรี่ และช่วยลดรายจ่ายค่าไฟฟ้าได้ด้วยการส่งคืนไฟฟ้าที่แผงโซลาร์เป็นผู้กักเก็บและได้ผ่านการแปลงรูปกระแสไฟฟ้าแล้ว คืนสู่ระบบไฟฟ้าปกติทำให้หารายได้พิเศษได้จากตรงนี้ได้เช่นเดียวกันด้วยการส่งส่วนเกินไฟฟ้าที่เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในที่พักอาศัยต้องการ