เซลล์แสงอาทิตย์

หนว่ ยท่ี 1 ความรพู้ นื้ ฐานระบบโซลา่ เซลล์ 1 เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell) [http://guru.sanook.com] เป็นสิ่งประดิษฐ์กรรมทางอิเลคทรอนิกส์ ท่สี ร้างข้นึ เพอ่ื เป็นอุปกรณ์สาหรบั เปล่ียนพลังงานแสงอาทิตย์ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยการนาสารกึ่งตัวนา เช่น ซลิ ิกอน ซ่ึงมีราคาถูกที่สุดและมมี ากท่ีสุดบนพน้ื โลกมาผ่าน กระบวนการทางวทิ ยาศาสตรเ์ พื่อผลิตให้เป็นแผ่นบางบรสิ ุทธ์ิ และทันทีทแ่ี สงตกกระทบบนแผ่นเซลล์ รังสีของ แสงที่มีอนุภาคของพลังงานประกอบที่เรียกว่า โฟตอน (Proton) จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอน (Electron) ในสารก่ึงตัวนาจนมีพลังงานมากพอท่ีจะกระโดดออกมาจากแรงดึงดูดของอะตอม (atom) และ เคล่ือนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนท่ีครบวงจรจะทาให้เกิดไฟฟ้ากระแสตรงข้ึน เม่ือพิจารณา ลักษณะการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์พบว่า เซลล์แสงอาทิตย์จะมีประสิทธิภาพการผลติ ไฟฟ้าสูงที่สุดใน ช่วงเวลากลางวัน ซ่ึงสอดคล้องและเหมาะสมในการนาเซลล์แสงอาทิตย์มาใช้ผลิตไฟฟ้า เพื่อแก้ไขปัญหาการ ขาดแคลนพลังงานไฟฟา้ ในชว่ งเวลากลางวัน การผลติ ไฟฟ้าจากเซลลแ์ สงอาทติ ยม์ ีจุดเด่นทส่ี าคญั แตกต่างจากวธิ ีอ่นื หลายประการ ดงั ต่อไปนี้ 1. ไมม่ ชี ้ินส่วนทเ่ี คลอื่ นไหวในขณะใช้งาน จงึ ทาใหไ้ มม่ ีมลภาวะทางเสียง 2. ไมก่ อ่ ให้เกดิ มลภาวะเป็นพิษจากขบวนการผลติ ไฟฟ้า 3. มกี ารบารุงรักษาน้อยมากและใชง้ านแบบอตั โนมัตไิ ด้งา่ ย 4. ประสิทธิภาพคงท่ีไม่ข้นึ กับขนาด 5. สามารถผลติ เป็นแผงขนาดต่างๆ ได้งา่ ย ทาให้สามารถผลติ ได้ปรมิ าณมาก 6. ผลิตไฟฟ้าได้แมม้ ีแสงแดดออ่ นหรือมีเมฆ 7. เป็นการใชพ้ ลังงานแสงอาทิตย์ทีไ่ ด้มาฟรีและมีไมส่ นิ้ สดุ 8. ผลิตไฟฟา้ ไดท้ กุ มุมโลกแม้บนเกาะเล็กๆ กลางทะเล บนยอดเขาสูง และในอวกาศ 9. ได้พลงั งานไฟฟา้ โดยตรงซ่ึงเป็นพลังงานทีน่ ามาใช้ไดส้ ะดวกท่ีสดุ

1.1. ประวัติความเปน็ มาของเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์ถกู สรา้ งขึ้นมาครง้ั แรกในปี ค.ศ. 1954 (พ.ศ. 2497) โดย แชปปิน (Chapin) ฟูลเลอร์ (Fuller) และเพียสัน (Pearson) แห่งเบลล์เทลเลโฟน (Bell Telephon) โดยทั้ง 3 ท่านนี้ได้ค้นพบเทคโนโลยี การสร้างรอยต่อ พี-เอ็น (P-N) แบบใหม่ โดยวิธีการแพร่สารเข้าไปในผลึกของซิลิกอน จนได้เซลล์แสงอาทิตย์ อนั แรกของโลก ซึ่งมปี ระสทิ ธิภาพเพียง 6% ซ่ึงปัจจุบันนีเ้ ซลลแ์ สงอาทติ ย์ได้ถูกพัฒนาข้ึนจนมีประสิทธิภาพสูง กว่า 15% แล้ว ในระยะแรกเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่จะใช้สาหรับโครงการด้านอวกาศ ดาวเทียมหรือยาน อวกาศทีส่ ง่ จากพ้ืนโลกไปโคจรในอวกาศ กใ็ ชแ้ ผงเซลลแ์ สงอาทิตยเ์ ป็นแหลง่ กาเนิดพลงั ไฟฟา้ ตอ่ มาจงึ ได้มีการ นาเอาแผงเซลล์แสงอาทิตย์มาใช้บนพื้นโลกเช่นในปัจจุบันน้ี เซลล์แสงอาทิตย์ในยุคแรกๆ ส่วนใหญ่จะมีสีเทา ดา แตใ่ นปัจจุบันน้ีได้มีการพัฒนาให้เซลล์แสงอาทติ ย์มีสตี ่างๆ กันไป เชน่ แดง นา้ เงิน เขียว ทอง เป็นต้น เพื่อ ความสวยงาม แชปปนิ (Chapin) ฟูลเลอร์ (Fuller) และเพียสัน (Pearson) แหง่ เบลล์เทลเลโฟน (Bell Telephon) [http://โซล่าเซลลไ์ ทยแลนด.์ com] 1.1. ประเภทของ \" เซลล์แสงอาทิตย์ \" เซลล์แสงอาทิตย์ท่นี ยิ มใชก้ ันอยใู่ นปัจจบุ ันจะแบ่งออกเปน็ 2 กลมุ่ ใหญๆ่ คือ 1) กลุ่ม เซลล์แสงอาทติ ย์ท่ีทาจากสารกึ่งตัวนาประเภทซิลิคอน จะแบ่งตามลักษณะของผลึกทีเ่ กิดข้ึน คือ แบบที่เป็น รูปผลึก ( Crystal ) และแบบที่ไม่เป็นรูปผลึก (Amorphous) แบบท่ีเป็นรูปผลึก จะแบ่ง ออกเป็น2 ชนิด คือ ชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ( Single Crystalline Silicon Solar Cell) และ ชนิดผลึกรวม ซิลิคอน ( Poly Crystalline Silicon Solar Cell) แบบที่ไม่เป็นรูปผลึก คือ ชนิดฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิคอน ( Amorphous Silicon Solar Cell) 2) กลุ่มเซลล์แสงอาทิตยท์ ่ีทาจากสารประกอบท่ีไมใ่ ช่ซิลิคอน ซึ่งประเภทน้ี จะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ท่ี มีประสิทธิภาพสูงถึง 25% ข้ึนไป แต่มีราคาสูงมาก ไม่นิยมนามาใช้บนพื้นโลก จึงใช้งานสาหรับดาวเทียมและ ระบบรวมแสงเปน็ ส่วนใหญ่ แต่การพัฒนาขบวนการผลติ สมัยใหมจ่ ะทาให้มีราคาถูกลง และนามาใช้มากข้ึนใน อนาคต ( ปัจจุบันนามาใชเ้ พียง 7 % ของปรมิ าณทีม่ ีใช้ทั้งหมด)

ชนดิ ของเซลลแ์ สงอาทิตย์ [http://www3.egat.co.th] แบบผลกึ เด่ียว แบบผลึกรวม แบบอะมอร์ฟัส ( Single Crystal ) ( Poly Crystal ) ( Amorphous ) ผลกึ ซิลคิ อนชนดิ โมโนคริสตอลไลน์ ผลกึ ซลิ คิ อนชนดิ โพลีคริสตอลไลน์ การเรยี กชน้ิ สว่ นของแผงโซล่ารเ์ ซลล์

1. สว่ นทเี่ ล็กท่สี ุด จะเรยี กว่า Solar Cell โซลา่ ร์ เซลล์ CELL 2. ส่วนหลายๆเซลล์เม่ือนามาประกอบกนั จะเรียกว่า Solar Module โซลา่ ร์ โมดูล 3. เม่ือนาโมดลุ มาประกอบเปน็ แผง จะเรยี กว่า Solar Panel โซล่าร์ พาเนล 4. เม่ือนาโซลา่ ร์พาเนล มาประกอบกนั หลายๆอนั จะเรยี กว่า Solar Array โซล่าร์ อะเรย์ การเรียกชนิ้ สว่ นของแผงโซลา่ รเ์ ซลล์ 1.3 การผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ แบ่งออกเป็น 3 ระบบ 1.การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ (PV Stand Alone System) เป็นระบบ ผลิตไฟฟ้าท่ีได้รับการออกแบบสาหรับใช้งานในพื้นท่ีชนบทท่ีไม่มีระบบสายส่งไฟฟ้า อุปกรณ์ระบบที่สาคัญ ประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์ควบคุมการประจุแบตเตอร่ี แบตเตอรี่ และอุปกรณ์เปล่ียนระบบ ไฟฟา้ กระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับแบบอสิ ระ การผลิตกระแสไฟฟ้าดว้ ยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอสิ ระ [http://www.leonics.com] 2. การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบต่อกับระบบจาหน่าย (PV Grid Connected System) เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่ถูกออกแบบสาหรับผลิตไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์เปลี่ยนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็น ไฟฟ้ากระแสสลับ เข้าสู่ระบบสายส่งไฟฟ้าโดยตรง ใชผ้ ลิตไฟฟ้าในเขตเมือง หรอื พ้ืนที่ที่มีระบบจาหน่ายไฟฟ้า

เข้าถึง อุปกรณ์ระบบท่ีสาคัญประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์เปล่ียนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็น ไฟฟ้ากระแสสลับชนดิ ตอ่ กับระบบจาหน่ายไฟฟ้า การผลติ กระแสไฟฟา้ ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบตอ่ กบั ระบบจาหนา่ ย [http://www.wind-solarcell.com] 3. การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบผสมผสาน (PV Hybrid System) เป็นระบบผลิต ไฟฟ้าที่ถูกออกแบบสาหรับทางานร่วมกับอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าอ่ืนๆ เช่น ระบบเซลล์แสงอาทิตย์กับพลังงานลม และเคร่ืองยนต์ดีเซล ระบบเซลล์แสงอาทิตย์กับพลังงานลม และไฟฟ้าพลังน้า เป็นต้น โดยรูปแบบระบบจะ ขึน้ อยู่กับการออกแบบตามวตั ถปุ ระสงค์โครงการเปน็ กรณีเฉพาะ การผลติ กระแสไฟฟา้ ด้วยเซลล์แสงอาทติ ย์แบบผสมผสาน [http://www.leonics.co.th]

1.4 คณุ สมบตั แิ ละตวั แปรท่สี าคัญของเซลลแ์ สงอาทิตย์ ตัวแปรท่ีสาคัญท่ีมีส่วนทาให้เซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพการทางานในแต่ละพื้นที่ต่างกัน และมี ความสาคัญในการพิจารณานาไปใช้ในแต่ละพื้นท่ี ตลอดจนการนาไปคานวณระบบหรือคานวณจานวนแผง แสงอาทติ ยท์ ่ีตอ้ งใช้ในแต่ละพ้นื ท่ี มดี ังน้ี 1. ความเข้มของแสง กระแสไฟ (Current) จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสง หมายความ ว่าเมอื่ ความเข้มของแสงสงู กระแสท่ไี ด้จากเซลล์แสงอาทิตย์ก็จะสงู ขึ้น ในขณะท่ีแรงดนั ไฟฟา้ หรือโวลต์แทบจะ ไม่แปรไปตามความเข้มของแสงมากนัก ความเข้มของแสงที่ใช้วัดเป็นมาตรฐานคือ ความเข้มของแสงท่ีวัดบน พน้ื โลกในสภาพอากาศปลอดโปรง่ ปราศจากเมฆหมอกและวัดท่ีระดบั นา้ ทะเลในสภาพท่ีแสงอาทติ ยต์ ้ังฉากกับ พ้นื โลก ซึ่งความเข้ม ของแสงจะมีค่าเท่ากับ 100 mW ต่อ ตร.ซม. หรือ 1,000 W ต่อ ตร.เมตร ซ่ึงมคี ่าเทา่ กับ AM 1.5 (Air Mass 1.5) และถ้าแสงอาทิตย์ทามุม 60 องศากับพื้นโลกความเข้มของแสง จะมีค่าเท่ากับ ประมาณ 75 mW ต่อ ตร.ซม. หรือ 750 W ต่อ ตร.เมตร ซ่ึงมีค่าเท่ากับ AM2 กรณีของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ นน้ั จะใชค้ ่า AM 1.5 เปน็ มาตรฐานในการวดั ประสิทธิภาพของแผง 2. อุณหภูมิ กระแสไฟ (Current) จะไม่แปรตามอุณหภูมิที่เปล่ียนแปลงไป ในขณะที่แรงดันไฟฟ้า (โวลท์) จะลดลงเม่ืออุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วทุกๆ 1 องศาท่ีเพ่ิมข้ึน จะทาให้แรงดันไฟฟ้าลดลง 0.5% และในกรณีของแผงเซลล์แสงอาทิตย์มาตรฐานท่ีใช้กาหนดประสิทธิภาพของแผงแสงอาทิตย์คือ ณ อุณหภูมิ 25 องศา C เช่น กาหนดไวว้ ่าแผงแสงอาทิตย์มีแรงดันไฟฟ้าท่ีวงจรเปิด (Open Circuit Voltage หรือ Voc) ท่ี 21 V ณ อุณหภูมิ 25 องศา C ก็จะหมายความว่า แรงดันไฟฟ้าที่จะได้จากแผงแสงอาทิตย์ เมื่อยังไม่ได้ต่อกับ อปุ กรณ์ไฟฟ้า ณ อณุ หภูมิ 25 องศา C จะเท่ากบั 21 V ถ้าอณุ หภมู สิ ูงกว่า 25 องศา C เชน่ อุณหภูมิ 30 องศา C จะทาให้แรงดันไฟฟ้าของแผงแสงอาทิตย์ลดลง 2.5% (0.5% x 5 องศา C) น่ันคือ แรงดันของแผง แสงอาทิตย์ท่ี Voc จะลดลง 0.525 V (21 V x 2.5%) เหลือเพยี ง 20.475 V (21V)