การใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์
ดวงอาทิตย์ให้พลังงานจำนวนมหาศาลแก่โลกเรา พลังงานจากดวงอาทิตย์จัดเป็นพลังงานทดแทนที่สำคัญที่สุด เป็นพลังงานสะอาดไม่ทำปฏิกิริยาใดๆอันจะทำให้สิ่งแวดล้อมเป็นพิษ ในส่วนของประเทศไทย ซึ่งตั้งอยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร จึงได้รับพลังงานจากแสงอาทิตย์ในเกณฑ์สูง
รังสีอาทิตย์
รังสีแสงอาทิตย์ หมายถึง พลังงานที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ ประกอบด้วย
1. รังสีตรง (Direct radiation) คือ รังสีที่ถึงพื้นผิวโลกโดยตรง
2. รังสีกระจาย (Diffuse radiation) คือ รังสีที่กระจัดกระจายที่มาถึงพื้นผิวโลก ซึ่งอาจเกิดจากการกระทบก้อนเมฆ หรือ ชั้นบรรยากาศ
3. รังสีสะท้อน (Reflect radiation) คือ รังสีที่สะท้อนจากวัตถุ
รังสีรวม = รังสีตรง + รังสีกระจาย + รังสีสะท้อน
สเปกตรัมของรังสีอาทิตย์
สเปกตรัมของรังสีอาทิตย์ จะมีระดับพลังงานและความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน แบ่งออกเป็น
1. รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ซึ่งเป็นรังสีคลื่นสั้น มีพลังงานสูงมาก สามารถทะลุทะลวงวัตถุโปร่งแสงได้ดี มีผลทำให้ผิวเป็นสีแทน
2. รังสีอินฟราเรด (Infrared) ซึ่งเป็นรังสีคลื่นยาว มีพลังงานไม่มาก ทะลุทะลวงวัตถุโปร่งแสงไม่ได้ ทำให้เรารู้สึกร้อน
3. แสงในส่วนที่มนุษย์มองเห็นได้ (Visible)
โดยพลังงานส่วนใหญ่ อยู่ในช่วงของแสงที่มนุษย์มองเห็น
รูปที่ 1 สเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ [1]
รูปที่ 2 พลังงานแสงอาทิตย์ที่แต่ละความยาวคลื่น [2]
การวัดรังสีแสงอาทิตย์
ค่าความเข้มรังสีอาทิตย์จะแปรเปลี่ยนไปตาม ตำแหน่งที่ตั้ง เดือน เวลา และมุมเอียง ดังนั้นเพื่อให้เป็นมาตรฐานเดียวกัน ความเข้มของแสงที่ใช้วัดเป็นมาตรฐานคือ ความเข้มของแสงที่วัดบนพื้นโลกในสภาพอากาศปลอดโปร่ง ปราศจากเมฆหมอกและวัดที่ระดับน้ำทะเลในสภาพที่แสงอาทิตย์ตั้งฉากกับพื้นโลก ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1,000 W/m² เรียกค่านี้ว่า Air Mass 1.5 (AM 1.5)
รูปที่ 3 ความเข้มรังสีอาทิตย์ที่แต่ละช่วงเวลา [1]
การใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์
สามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบ
1. การผลิตไฟฟ้า
2. การผลิตความร้อน
**************************************************************
การใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อการผลิตไฟฟ้า
หลักการผลิตไฟฟ้าจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar PV)
การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์เป็นขบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรง โดยเมื่อแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและมีพลังงานกระทบกับสารกึ่งตัวนำจะเกิดการถ่ายทอดพลังงานระหว่างกัน พลังงานจากแสงจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า (อิเลคตรอน) ขึ้นในสารกึ่งตัวนำจึงสามารถต่อกระแสไฟฟ้าดังกล่าวไปใช้งาน กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า “Photovoltaic Effect”
ส่วนประกอบของแผง Solar PV
1. แผ่นกระจก มีคุณสมบัติยอมให้แสงผ่านได้ดี เป็นเกราะป้องกันแผ่นเซลล์
2. กรอบวัสดุ
3. เซลล์แสงอาทิตย์ คือ เซลล์หลายๆเซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม เพื่อเพิ่มค่าแรงดันไฟฟ้าให้สูงขึ้น
4. ลวดตัวนำ เป็นเส้นสีเงิน ทำหน้าที่รวบรวมกระแสไฟฟ้า
รูปที่ 4 ส่วนประกอบของแผง Solar PV [3]
ปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าของแผง Solar PV
1. ประเภทแผง : แผง Solar PV ที่ทำจากซิลิคอนบริสุทธิ์ ย่อมมีประสิทธิภาพสูงกว่า
2. มุมเอียง และ ทิศทางติดตั้ง : การติดตั้งในประเทศไทยให้หันหน้าไปทางทิศใต้ เนื่องจากดวงอาทิตย์เยื้องมาทางทิศใต้ค่อนข้างนาน โดยให้มีความเอียงประมาณ 13.5 องศา (ตามละติจูดของประเทศไทย)
3. ความเข้มรังสีอาทิตย์ : เมื่อความเข้มแสงสูง กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จะสูงขึ้น กำลังไฟฟ้าที่ได้จะสูงขึ้นตาม เมื่อความเข้มแสงลดลง กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จะต่ำลง กำลังไฟฟ้าที่ได้จะต่ำลงตาม อย่างไรก็ตามความเข้มแสงไม่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตได้
รูปที่ 5 ผลกระทบต่อแผง Solar PV เมื่อความเข้มรังสีอาทิตย์เปลี่ยนไป [4]
4. อุณหภูมิ : เมื่ออุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าที่ผลิตได้จะต่ำลง กำลังไฟฟ้าที่ได้จะต่ำลงตาม เมื่ออุณหภูมิลดลง แรงดันไฟฟ้าที่ผลิตได้จะสูงขึ้น กำลังไฟฟ้าที่ได้จะสูงขึ้นตาม โดยทั่วไปอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส จะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงประมาณ 0.5% อย่างไรก็ตามอุณหภูมิไม่มีผลต่อกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้
รูปที่ 6 ผลกระทบต่อแผง Solar PV เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป [4]
5. วัสดุประกอบแผง : กระจกต้องไม่สะท้อนแสง เพื่อให้แสงผ่านไปถึงเซลล์ด้านในได้
6. อายุการใช้งาน : ประสิทธิภาพแผงนั้นจะค่อยๆลดลงตามอายุการใช้งาน โดยทั่วไปแล้วแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะผลิตไฟฟ้าลดลง 0.5% ต่อปี
7. เงาบดบังแสง (Shade) : เมื่อมีเงาบางส่วนบดบังแสงของแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพียงแค่เซลล์เดียว ก็สามารถทำให้กระแสไฟฟ้าในแผงนั้นๆ หยุดไหลได้ ดังนั้นจึงควรมั่นใจว่าการติดตั้งแผงต้องไม่มีร่มเงามาบดบัง
การต่อแผง Solar PV
เมื่อเชื่อมต่อแผง Solar PV เพื่อสร้างอาร์เรย์ พลังงานทั้งหมดคือผลรวมพลังงานของแต่ละแผง การเชื่อมต่อมีหลายแบบได้แก่
1. การต่อแผงแบบอนุกรม เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกของแผง
2. การต่อแผงแบบขนาน เพื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้าขาออกของแผง
3. การต่อแบบผสม เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าขาออกของแผง
รูปที่ 7 การต่อแผง Solar PV แบบอนุกรม [5]
รูปที่ 8 การต่อแผง Solar PV แบบขนาน [5]
รูปที่ 9 การต่อแผง Solar PV แบบผสม [5]
******************************************************************
การใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อการผลิตความร้อน
การผลิตพลังงานความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นทั่วโลก เนื่องจากหลายๆประเทศให้ความสนใจในการใช้พลังงานทดแทนเพื่ออนุรักษ์พลังงานและสิ่งแวดล้อม ประกอบกับราคาพลังงานมีแนวโน้มสูงขึ้นเรื่อยๆ หลายประเทศในยุโรปออกกฎหมายควบคุมอาคารที่สร้างใหม่ ต้องมีการติดตั้งระบบผลิตน้ำร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ (Water Solar Collector)
ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ (Solar Collector) คือ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้กลายเป็นพลังงานความร้อน และถ่ายเทให้กับของไหลที่ไหลภายในตัวเก็บรังสีอาทิตย์ ทำให้ของไหลดังกล่าวมีอุณหภูมิสูงขึ้น
ประเภทของ Solar Collector
1. Liquid Solar Collector
1.1 Flat Plate Solar Collector (ตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบ)
มีกระจกแผ่นเรียบปิดคลุม ทำหน้าที่รับรังสีอาทิตย์ จากนั้นรังสีอาทิตย์ไปตกกระทบแผ่นดูดกลืนความร้อนที่ทำจากวัสดุที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดี เช่น แผ่นโลหะเคลือบสีดำ เป็นต้น เมื่อรังสีอาทิตย์ตกกระทบแผ่นดูดกลืนความร้อน ทำให้แผ่นดูดกลืนความร้อนมีอุณหภูมิสูงขึ้น และถ่ายเทความร้อนให้แก่ท่อทองแดงที่ติดตั้งด้านบนของแผ่นโลหะ
รูปที่ 10 Flat Plate Solar Collector [4]
1.2 Evacuated Tube Solar Collector (ตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบท่อสุญญากาศ)
ตัวเก็บรังสีแบบท่อสุญญากาศ จะมีการนำ Heat Pipe ซึ่งเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนมาประยุกต์ใช้ในการผลิตน้ำร้อน โดย Heat Pipe จะบรรจุสารทำงานที่มีจุดเดือดต่ำไว้ภายใน เพื่อใช้ในการถ่ายเทความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ไปยังน้ำร้อน (อย่างไรก็ตามสามารถใช้น้ำวิ่งเข้า Tube ได้โดยตรงได้เช่นกัน) เนื่องจากไม่มีอากาศเป็นตัวกลางในการพาความร้อน ตัวเก็บรังสีอาทิตย์ชนิดนี้จึงมีการสูญเสียความร้อนภายในอุปกรณ์น้อยกว่าตัวเก็บรังสีแบบแผ่นเรียบ
รูปที่ 11 Evacuated Tube Solar Collector [4]
2. Air Solar Collector
เป็นอุปกรณ์สำหรับเพิ่มอุณหภูมิอากาศก่อนเข้าอาคาร หรือ เข้าห้องเผาไหม้ อุปกรณ์ชนิดนี้มักนำมาประกอบที่หน้างานทำให้ต้นทุนในการติดตั้งถูกลง อย่างไรก็ตามตัวเก็บรังสีชนิดนี้มีโอกาสรั่วจึงต้องทำการตรวจสอบให้ดี
รูปที่ 12 Air Solar Collector [4]
Solar Collector Efficiency
จากรูปที่ 13-14 พบว่า แผง Solar Collector มีศักยภาพการผลิตน้ำร้อนสูงขึ้น เมื่อ อุณหภูมิเฉลี่ยของไหลต่ำลง, อุณหภูมิอากาศต่ำลง และ ความเข้มรังสีอาทิตย์สูงขึ้น
รูปที่ 13 ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพของแผง Solar Collector กับ อุณหภูมิเฉลี่ยของไหล [6]
รูปที่ 14 ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพของแผง Solar Collector กับ ผลต่างอุณหภูมิของไหล-อุณหภูมิอากาศ ที่แต่ละความเข้มรังสีอาทิตย์ [7]
การใช้งานน้ำร้อนแบบ Direct / In-direct
การใช้น้ำร้อนแบบ Direct เป็นการนำน้ำร้อนที่ผลิตได้จาก Solar Collector ไปใช้โดยตรง
ข้อดี : ระบบติดตั้งง่าย และได้ใช้น้ำร้อนอุณหภูมิเท่ากับที่ผลิต
ข้อเสีย : ไม่มีการควบคุมคุณภาพน้ำ Solar Collector tube มีโอกาสอุดตันได้
การใช้น้ำร้อนแบบ In-direct เป็นการนำน้ำร้อนที่ผลิตได้จาก Solar Collector ไปผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนอีกครั้ง ซึ่งน้ำที่อยู่ใน Solar Collector ไม่สัมผัสกับน้ำที่ต้องการนำไปใช้
ข้อดี : สามารถควบคุมคุณภาพน้ำใน Solar Collector ได้ง่าย ไม่มีการปนเปื้อน
ข้อเสีย : อุณหภูมิน้ำร้อนที่นำไปใช้ต่ำกว่าอุณหภูมิน้ำร้อนจาก Solar Collector
ZERO ENERGY มีเปิดสอนหลักสูตร “การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เพื่ออนุรักษ์พลังงาน” สามารถอ่านรายละเอียดหลักสูตรได้ที่ “อบรมอนุรักษ์พลังงาน”
เรียบเรียงข้อมูลโดย: ชลทศ ประเทืองสุขพงษ์
อ้างอิง
1. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, การผลิตความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์
2. ASHRAE Handbook, HVAC Application Chapter 35 ; Solar Energy Use, 2015
3. https://www.solarquotes.com
4. ASHRAE Handbook, Handbook-HVAC Systems and Equipment Chapter 37 ; Solar Energy Equipment, 2016
5. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์
6. https://solarthermalworld.org
7. https://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4
8. กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, พลังงานแสงอาทิตย์, 2559
9. ENERGIES, Solar Air Collectors for Space Heating and Ventilation Application, 2014