หลักการพื้นฐานของเทคโนโลยีและหลักการทำงาน

  เซลล์ แสงอาทิตย์ หรือโซลาร์ เซลล์ (Solar Cell) เป็นสิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงาน ไฟฟ้าได้โดยตรง เซลล์แสงอาทิตย์ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ ซึ่งดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยไฟฟ้าที่ได้จะเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

หลักการทำงาน " เซลล์แสงอาทิตย์ "

     การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นขบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง โดยเมื่อแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและมีพลังงานกระทบกับสารกึ่งตัวนำ จะเกิดการถ่ายทอดพลังงานระหว่างกัน พลังงานจากแสงจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า (อิเลคตรอน) ขึ้นในสารกึ่งตัวนำ จึงสามารถต่อกระแสไฟฟ้าดังกล่าวไปใช้งานได้

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

     วัสดุสำคัญที่ใช้ทำโซล่าเซลล์ ได้แก่ สารซิลิคอน (Si) ซึ่งเป็นสารชนิดเดียวกับที่ใช้ทำชิพในคอมพิวเตอร์ และเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนเป็นสารซึ่งไม่เป็นพิษ มีการนำมาผลิตโซล่าเซลล์ใช้กันอย่างแพร่หลายเพราะมีราคาถูก คงทน และเชื่อถือได้ นอกจากนี้ยังมีวัสดุชนิดอื่นที่สามารถนำมาผลิตโซล่าเซลล์ได้ เช่น แกลเลียมอาเซไนด์ CIS และ แคดเมียมเทลเลอไรด์ แต่ยังมีราคาสูง และบางชนิดยังไม่มีการพิสูจน์เรื่องอายุการใช้งานว่าสามารถใช้งานได้นานการทำงานของโซล่าเซลล์ 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 แต่solar structureก็ยังมีโฮลปะปนอยู่บ้างเล็กน้อย ด้านหน้าของ n - type จะมีแถบโลหะเรียกว่า Front Electrode ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน ส่วน p - type ซิลิคอนซึ่งอยู่ด้านหลังของเซลล ์ โครงสร้างส่วนใหญ่เป็นโฮล แต่ยังคงมีอิเล็กตรอนปะปนบ้างเล็กน้อย ด้านหลังของ p - type ซิลิคอนจะมีแถบโลหะเรียกว่า Back Electrode ทำหน้าที่เป็นตัวรวบรวมโฮล  เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบ แสงอาทิตย์จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว เมื่อพลังสูงพอทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งเข้าหาเพื่อจับคู่กัน อิเล็กตรอนจะวิ่งไปยังชั้น n - type และโฮลจะวิ่งไปยังชั้น p type เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบ 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 และอุณหภูมิ

     กระแสไฟ (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

ระบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Photovoltaic)

        ระบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาบ้าน ประกอบด้วย แผงเซลล์แสงอาทิตย์ติดตั้งบนหลังคา ภายในจะมีชุดแปรงกระแสไฟฟ้า (อินเวอร์เตอร์) โดยมีหลัการทำงานของระบบดังนี้

1.เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตั้งบนหลังคาเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหมดจะผลิตกระแสไฟฟ้าตรงผ่านระบบควบคุมเข้าอินเวอร์เตอร์

2.อินเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับจ่ายเข้าระบบไฟฟ้าภายในบ้าน

3.ในช่วงที่ความเข้มของแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอหรือมีการใช้อุปกรณ์ที่ใช้กำลังไฟฟ้าสูงกว่ากำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเซลล์แสงอาทิตย์แล้ว      ระบบก็จะนำกำลังไฟฟ้าส่วนขาดจากระบบจำหน่ายไฟฟ้าแบบปกติของไฟฟ้าฯ มาใช้เพื่อให้อุปกรณ์ไฟฟ้าสามารถทำงานได้

ระบบผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ โดยทั่วไปแบ่งเป็น 3 ระบบ

1. ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ (Stand Alone System) หรือ ระบบออฟกริด (Off-Grid System) คือระบบที่ไม่เชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้า เหมาะสำหรับพื้นที่ที่ไม่มีไฟฟ้าจากภาครัฐเข้าถึง เช่น ไร่นา บนภูเขา ระบบนี้จะมีอุปกรณ์ประกอบมากกว่าระบบออนกริด (On-Grid System) และมีราคาสูงกว่า อีกทั้งมีเสถียรภาพต่ำกว่า แต่ดีที่ขณะไฟฟ้าดับก็มีไฟฟ้าจากแบตเตอรี่มาใช้ประโยชน์ได้ แต่ต้องติดตั้งขนาดแบตเตอรี่ให้เหมาะสมกับการใช้งาน และระบบนี้ไม่ต้องรออนุญาตจากการไฟฟ้าเพราะไม่ได้ซื้อไฟฟ้าจากการไฟฟ้า โดยมีส่วนประกอบหลักดังนี้

1.1 แผงเซลล์แสงอาทิตย์ หรือ แผง PV

1.2 อุปกรณ์ควบคุมการประจุ (Charge Controller)

1.3 แบตเตอรี่ (Berrety)

1.4 อินเวอเตอร์ (Inverter) ถ้าใช้กระแสตรงก็ไม่ต้องมี อินเวอร์เตอร์

 2. ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าของรัฐ (Grid Connected System) หรือระบบออนกริด (On-Grid System) คือระบบที่เชื่อขนาดกับระบบไฟฟ้าภารัฐ ซึ่งต่างจากระบบ (Off-Grid) ที่ไม่มีแบตเตอรี่เพื่อเก็บไฟฟ้าส่วนเกิน ทำให้ราคาถูกกว่าระบบ (Off-Grid System) มีการใช้และบำรุงรักษาง่ายกว่า และมีเสถียรภาพดีเนื่องจากมีการใช้ไฟฟ้าจากการไฟฟ้าร่วมด้วย แต่เมื่อไฟฟ้าของการไฟฟ้าดับผู้ใช้ก็จะดับไปด้วยเพราะว่าไม่มีแบตเตอรีสำรองไฟฟ้า เหมาะกับการใช้ไฟฟ้าในช่วงกลางวัน โดยมีส่วนประกอบหลักดังนี้

2.1 แผงเซลล์แสงอาทิตย์ หรือแผง PV

2.2 อินเวอเตอร์ (Inverter) ต้องได้รับการรับรองจากการไฟฟ้าเท่านั้น

 3. ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบผสมผสาน หรือระบบแบบไฮบริด (Hybrid System) คือเป็นการผสมกันระหว่าง On-Grid และ Off-Grid โดยระบบนี้มีการเชื่อมต่อกับการไฟฟ้าสำหรับช่วงที่ไม่มีแดดและมีการใช้แบตเตอรี่เพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าส่วนที่ผลิตเหลือในตอนกลางวันไปใช้งานตอนกลางคืน ทำให้มีส่วนประกอบมาก ราคาสูง ระยะเวลาคืนทุนนาน แต่เสถียรภาพในการใช้ได้ดี ถ้ามีการใช้ไฟฟ้าในช่วงกลางวันน้อยกว่ากลางคืน เหมาะกับการใช้ไฟฟ้าทั้งกลางวันและกลางคืน โดยจะต้องออกแบบขนาดให้มีไฟฟ้าเหลือเก็บไว้ในแบตเตอรี่ให้เพียงพอกับการใช้ไฟฟ้าในช่วงกลางคืน ถ้าไม่มีไฟฟ้าเหลือในแบตเตอรี่ก็ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบนี้ นอกจากนั้นถ้าไม่ใช้แบตเตอรี่ก็สามารถต่อร่วมกับระบบผลิตไฟฟ้าจากลมหรือน้ำก็ได้ 

ส่วนประกอบเซลล์แสงอาทิตย์

  ส่วนประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์ คือแรงเคลื่อนที่ไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นจากเซลล์แสงอาทิตย์เพียงเซลล์เดียว จะมีค่าต่ำมาก การนำมาใช้งานจะต้องนำเซลล์หลายๆ เซลล์มาต่อกันแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มค่าแรงเคลื่อนที่ของไฟฟ้าให้สูงขึ้น เซลล์ที่นำมาต่อกันในจำนวนและขนาดที่เหมาะสมเรียกว่า แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Module หรือ Solar Panel) แรงเคลื่อนที่ไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นจากเซลล์แสงอาทิตย์เพียงเซลล์เดียว จะมีค่าต่ำมาก การนำมาใช้งานจะต้องนำเซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม เพื่อเพิ่มค่าแรงเคลื่อนที่ไฟฟ้าให้สูงขึ้น การนำเซลล์แสงอาทิตย์ให้เป็นแผง เพื่อสะดวกในการนำไปใช้งาน

  ด้านหน้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ประกอบด้วยแผ่นกระจกที่มีส่วนผสมของเหล็กต่ำ ซึ่งมีคุณสมบัติในการยอมให้แสงผ่านได้ดี และยังเป็นเกราะป้องกันแผ่นเซลล์อีกด้วย แผงเซลล์จะต้องมีการ ป้องกันความชื้นที่ดีมาก เพราะจะต้องอยู่กลางแดดกลางฝนเป็นเวลายาวนาน ในการประกอบจะต้องใช้วัสดุที่มีความคงทนและป้องกันความชื้นที่ดี เช่น ซิลิโคน และ อีวีเอ (Ethelele Vinyl Acetate) เป็นต้น เพื่อปกป้อง ป้องกันแผ่นกระจกด้านบนของแผงเซลล์จึงต้องมีการทำกรอบด้วยวัสดุที่มีความแข็งแรง แต่บางครั้งก็ไม่มีความจำเป็น ถ้ามีการเสรมความแข็งแรงของแผ่นกระจกให้เพียงพอ ซึ่งก็สามารถทดแทนการทำกรอบได้เช่นกัน ดังนั้นแผงเซลล์จึงมีลักษณะเป็นแผ่นเรียบ (Iaminate) ซึ่งสะดวกในการติดตั้ง

  ด้านหลังของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ประกอบด้วยกล่องต่อสายไฟซึ่งทำจากวัสดุที่ทนทานต่อสภาพสิ่งแวดล้อมชนิด IP65 มี 3 Bypass diodes เพื่อช่วยให้เกิดการไหลของกระแสไฟในกรณีเกิดเงาบังทับเซลล์ไดเซลล์หนึ่ง (Hot Spot) กรอบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ทำจากอลูมิเนียมน้ำหนักเบา ทนทานและไม่เป็นสนิม

 ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานแสงอาทิตย์บนหลังคาบ้าน เหมาะสมกับผู้ที่ต้องการใช้พลังงานไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนเพื่อจ่ายพลังงานไฟฟ้าเสริมกับระบบไฟฟ้าปกติภายในบ้าน

ระบบออนกริด (On Grid System)	ระบบออฟกริด (Off Grid System)

ประโยชน์ด้านต่าง ๆ ของการติดตั้งระบบเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาบ้าน

ประโยชน์โดยตรงต่อเจ้าของอาคาร

          ♦  ลดภาระค่าไฟฟ้า

          ♦  ในกรณีที่ขายไฟฟ้าให้การไฟฟ้าในราคาพิเศษ เป็นกานสร้างรายได้พิเศษให้แก่เจ้าของอาคาร อย่าง เช่น คุ้มค่า (ในกรณีการติดตั้งและขายในปี 2556 ขะขายได้ในราคา 6.96 บาท/หน่วย ขนาดไม่เกิน 10 กิโลวัตต์ บนหลังคาบ้านที่อยู่อาศัย)

          ♦  ช่ายลดความร้อนหลังคาเนื่องจากแผงรับแสงอาทิตย์บดบังไม่ให้แสงตกกระทบหลังคาขึงทำให้ลดการทำงานของเครื่องปรับอากาศ ประหยัดค่าไฟฟ้า

          ♦  ปลูกฝังทัศนคติที่ดีในด้านการประหยัดพลังงานในครอบครัวและสังคม

ประโยชน์ต่อสังคม ประเทศ

          ♦  เป็นการผลิตไฟฟ้า โดยใช้ด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อลดการใช้เชื่้อเพลิงฟอสซิล

          ♦  เป็นการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นพลังงานสะอาด และช่วยลดภาวะโลกร้อน

          ♦  เป็นการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายไปในภูมิภาคต่างๆ ช่วยลดการก่อสร้างระบบสายส่งไฟฟ้า ลดการสูญเสียไฟฟ้าในระบบสายส่ง

          ♦  เป็นการผลิตไฟฟ้าด้วยแสงอาทิตย์ซึ่งได้มาฟรี

          ♦  สร้างความมั่นคงด้านพลังงานให้แก่ประเทศ

          ♦  ส่งเสริมการอนุรักษ์งานและการใช้พลังงานทดแทนให้เป็นไปตามนโยบายของประเทศไทย

          ♦  ช่วย Cut Peak ในเวลากลางวัน

ประโยชน์ของเทคโนโลยี

          ♦  ประหยัดค่าไฟฟ้าที่ต้องจ่ายให้กับการไฟฟ้าฯ โดยจะประหยัดไฟฟ้าในส่วนที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ทดแทน

          ♦  ลดผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมอันเกิดมาจากการผลิตไฟฟ้าที่ทำให้เกิดมลภาวะเช่น การผลิตไฟฟ้าจากน้ำมัน หรือถ่านหิน ซึ่งเชื้อเพลิงเหล่านี้มีส่วนทำลายสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ

          ♦  ส่งเสริม ปลูกจิตสำนึกให้เข้าใจและรู้ถึงเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้า รู้คุณค่าของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จริงเพื่อจะได้ช่วยกันประหยัดพลังงาน

**ข้อพิจรณาในการที่จะติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์

1. ลักษณะของบ้าน หลังคาบ้านที่ติดตั้งจะต้องมีความแข็งแรงเพียงพอที่จะสามารถรองรับน้ำหนักของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้

2. แหล่งพลังงาน ต้องไม่มีร่มเงามาบดบังทิศทางของแสงอาทิตย์ที่ส่องลงไปแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตั้งบนหลังคาบ้าน เพราะเซลล์แสงอาทิตย์ต้องใช้พลังงาจากแสงอาทิตย์ในการผลิตไฟฟ้า