พลังงานแสงอาทิตย์

     ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานทั้งทางตรงและทางอ้อม พลังงานที่ดวงอาทิตย์ให้กับโลกทางตรงคือ แสงสว่าง ซึ่งมีผลทำให้เกิดความร้อน สร้างความอบอุ่นให้กับโลก พลังงานทางอ้อมคือดวงอาทิตย์ทำให้สิ่งมีชีวิตดำรงชีพอยู่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพืชเจริญเติบโตโดยอาศัยการสังเคราะห์แสงจากแสงอาทิตย์ และมนุษย์ได้อาศัยพลังงานจากต้นไม้ ที่สำคัญ ๆ คือ ฟืน ถ่าน และเมื่อพืชและสัตว์ตายทับถมกันเป็นเวลานาน ๆ จะกลายเป็นถ่านหิน ปิโตรเลียม รวมทั้งการนำหลักการย่อยสลายของพืชมาทำเป็นก๊าซชีวภาพ สำหรับตอนนี้จะกล่าวถึงเฉพาะพลังงานในทางตรงคือ ความร้อนและแสงสว่างที่มนุษย์นำมาใช้ประโยชน์ ดังรายละเอียดต่อไปนี้คือ ดวงอาทิตย์ให้พลังงานแสงสว่างแก่โลกโดยการแผ่รังสี เมื่อวัตถุต่าง ๆ บนผิวโลกได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและกระจายความร้อนออกมา ซึ่งอยู่ในรูปของรังสีอินฟราเรด เราจึงรู้สึกร้อน ขณะที่แสงอาทิตย์เดินทางมาถึงเรา ส่วนหนึ่งของแสงอาทิตย์จะเดินทางผ่านบรรยากาศที่หุ้มห่อโลกและมาสู่ดิน ทั้งอากาศและน้ำ จะเป็นกับดักพลังงานความร้อน ต่อมา ดินและน้ำจะคายความร้อนให้อากาศ เราจึงรู้สึกร้อน อากาศจึงเป็นที่ดักความร้อนครั้งสุดท้ายของโลก วัตถุต่าง ๆ บนผิวโลกจะมีคุณสมบัติในการรับความร้อนและคายความร้อนไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับระยะใกล้ไกลจากดวงอาทิตย์ คือที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ ได้แก่เขตหนาว เขตร้อน เขตอบอุ่น ระยะเวลา คือ เวลากลางวัน กลางคืน เนื้อของวัตถุ เช่น ดิน หิน น้ำ ฯลฯ จะรับความร้อนและคายความร้อนไม่เท่ากันทำให้เกิดลมบก ลมทะเล เป็นต้น นอกจากนั้น สีของวัตถุจะมีคุณสมบัติในการรับและคายความร้อนต่างกันอีกด้วย

เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์

     เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ผลิตกระแสไฟฟ้า สามารถจำแนกเป็น 2 แบบ คือ เทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ และเทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าด้วยระบบรวมแสงอาทิตย์

     1.1 เทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell) แบ่งออกเป็น 3 แบบ คือ ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ (PV Stand alone system) ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบต่อกับระบบจำหน่าย (PV Grid connected system) ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบผสมผสาน (PV Hybrid system)

 เซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ (PV Stand alone system)

     เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่ได้รับการออกแบบสำหรับใช้งานในพื้นที่ชนบทที่ไม่มีระบบสายส่งไฟฟ้า อุปกรณ์ระบบที่สำคัญประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์ควบคุมการประจุแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ และอุปกรณ์เปลี่ยนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับแบบอิสระ 

 ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ

 เซลล์แสงอาทิตย์แบบต่อกับระบบจำหน่าย (PV Grid connected system)

     เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่ถูกออกแบบสำหรับผลิตไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์เปลี่ยนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเข้าสู่ระบบสายส่งไฟฟ้าโดยตรง ใช้ผลิตไฟฟ้าในเขตเมือง หรือพื้นที่ที่มีระบบจำหน่ายไฟฟ้าเข้าถึง อุปกรณ์ระบบที่สำคัญประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์เปลี่ยนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับชนิดต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้า 

 ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบต่อกับระบบจำหน่าย

 เซลล์แสงอาทิตย์แบบผสมผสาน (PV Hybrid system)

     เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่ถูกออกแบบสำหรับทำงานร่วมกับอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าอื่นๆ เช่น ระบบเซลล์แสงอาทิตย์กับพลังงานลม และเครื่องยนต์ดีเซล ระบบเซลล์แสงอาทิตย์กับพลังงานลม และไฟฟ้าพลังน้ำ เป็นต้น โดยรูปแบบระบบจะขึ้นอยู่กับการออกแบบตามวัตถุประสงค์โครงการเป็นกรณีเฉพาะ 

ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบผสมผสาน

     1.2 เทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าด้วยระบบรวมแสงอาทิตย์ (Concentrating Solar Power) แบ่งออกเป็น 3 แบบ คือแบบParabolic Troughs แบบCentral Receivers และแบบParabolic Dishes  เทคโนโลยีทั้ง 3 แบบนี้จะทำการรวมแสงไว้ที่วัตถุรับแสงโดยใช้กระจกหรือวัสดุสะท้อนแสงและหมุนตามดวงอาทิตย์เพื่อสะท้อนแสงและส่งไปยังตัวรับแสงซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานที่มีอุณหภูมิสูง

     - แบบ Parabolic Troughs ประกอบด้วยตัวรับแสงที่มีลักษณะเป็นรางยาวโค้งแบบมิติเดียวที่ติดตั้งไว้บนระบบหมุนตามดวงอาทิตย์แกนเดียว (single-axis tracking system) ทำหน้าที่รวมพลังงานแสงอาทิตย์สะท้อนไปยังท่อที่ตั้งขนานกับแนวรางรวมแสงเพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับของเหลวที่ไหลหมุนเวียนผ่านท่อโดยการแลกเปลี่ยนความร้อน ความร้อนเมื่อถูกถ่ายเทให้ของเหลวทำงาน (โดยปกติจะเป็นน้ำ) จะกลายเป็นไอน้ำไปขับเคลื่อนกังหันไอน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า 

           Parabolic Troughs                                                                                                                                 หลักการทำงานของ Parabolic Trough

     - แบบ Central Receivers หรือ Power Tower ประกอบด้วยตัวรับความร้อนที่ติดตั้งอยู่กับที่ตั้งอยู่บนหอคอยที่ล้อมรอบด้วยแผงกระจกขนาดใหญ่เป็นจำนวนมากที่เรียกกันว่าเฮลิโอสแตท เฮลิโอสแตทจะหมุนตามดวงอาทิตย์และสะท้อนรังสีไปยังตัวรับความร้อน ซึ่งภายในบรรจุของเหลวทำงานทำหน้าที่ดูดซับพลังงานความร้อนไว้ ของเหลวที่ดูดซับพลังงานความร้อนที่รับมาจากตัวรับความร้อนจะส่งต่อไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันหรือนำที่ไปเก็บไว้ในถังเก็บกักเพื่อนำมาใช้งานต่อไป 

 

                  หลักการทำงานของ Central Receivers หรือ Power Tower                      Central Receivers หรือ Power Tower

     - แบบ Parabolic Dishesประกอบด้วยตัวรวมแสงลักษณะเป็นจานรูปทรง parabolic ที่มีจุดศูนย์รวมแสงเพื่อสะท้อนพลังงานแสงอาทิตย์ไปยังตัวรับความร้อนที่ตั้งอยู่บนจุดศูนย์รวม Parabolic Dishesจะใช้แผงสะท้อนที่มีลักษณะโค้งเป็นจำนวนมากซึ่งทำด้วยกระจกหรือฟิล์มบาง (laminated  film) ตัวรวมแสงเหล่านี้จะตั้งอยู่บนโครงสร้างซึ่งใช้ระบบหมุนตามดวงอาทิตย์สองแกน (two-axis tracking system) เพื่อรวมแสงให้เป็นจุดเดียวไปรวมอยู่บนตัวรับความร้อน ความร้อนที่ได้สามารถใช้ประโยชน์ได้โดยตรงกับ cycle heat engine ซึ่งติดตั้งอยู่บนตัวรับความร้อน หรือนำความร้อนที่ได้ไปทำให้ของเหลวร้อนก่อนแล้วนำไปใช้กับ central engine ระบบตัวรวมความร้อนแบบเน้นเป็นจุดศูนย์กลาง (parabolic  dishes) มีประสิทธิภาพการแปลงเป็นความร้อนได้สูงกว่าชนิดตัวรวมแบบราง (parabolic troughs) เนื่องจากสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิที่สูงกว่า

 

                                                       Parabolic Dishes

      2) เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตความร้อนเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตความร้อน ปัจจุบันมีการยอมรับใช้งาน 2 ลักษณะคือ เทคโนโลยีอบแห้งด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ และเทคโนโลยีการผลิตน้ำร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ 

      2.1 เทคโนโลยีการผลิตน้ำร้อนด้วยแผงรับแสงอาทิตย์ (Solar Collector) การผลิตน้ำร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ แบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ

      - ระบบผลิตน้ำร้อนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์จากแผงรับแสงอาทิตย์ (Solar Collector) ระบบจะประกอบด้วยสองส่วนหลักๆคือ ถังเก็บน้ำร้อน และแผงรับความร้อนแสงอาทิตย์ซึ่งปัจจุบันมีจำหน่ายในท้องตลาด 2 ชนิดคือ ชนิดแผ่นเรียบ(Flat Plate Collector) และ ชนิดหลอดแก้วสุญญากาศ (Evaccuum Tube Collector) 

 

        

                       Flat Plate Collector                                                                                               Evaccuum Tube Collector

      - ระบบผลิตน้ำร้อนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบผสมผสาน เป็นการนำเทคโนโลยีการผลิตน้ำร้อนจากแสงอาทิตย์มาผสมผสานกับความร้อนเหลือทิ้ง เช่น จากการระบายความร้อนของเครื่องทำ ความเย็นหรือเครื่องปรับอากาศ จากหม้อต้มไอน้ำ จากปล่องไอเสีย เป็นต้น โดยผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger)  เพื่อลดขนาดพื้นที่แผงรับรังสีความร้อน และใช้ทรัพยากรที่มีอยู่อย่างคุ้มค่า 

                                                                          ระบบผลิตน้ำร้อนด้วยแสงอาทิตย์แบบผสมผสาน

     2.2 เทคโนโลยีอบแห้งด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ แบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ

     - การอบแห้งโดยใช้พลังงานเฉพาะจากดวงอาทิตย์ คือระบบที่เครื่องอบแห้งทำงานโดยอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์ วัสดุที่อบจะอยู่ในเครื่องอบแห้งที่ประกอบด้วยวัสดุที่โปร่งใส ความร้อนที่ใช้อบแห้งได้มาจากการดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์ และ หรือเป็นเครื่องอบแห้งชนิดที่วัสดุที่อยู่ภายในได้รับความร้อน 2 ทาง  

      เครื่องอบแห้งแบบเรือนกระจก

     - การอบแห้งระบบ Hybrid คือระบบอบแห้งที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์และยังต้องอาศัยพลังงานในรูปแบบอื่นๆ ช่วยในเวลาที่มีแสงอาทิตย์ไม่สม่ำเสมอหรือต้องการให้ผลิตผลทางการเกษตรแห้งเร็วขึ้น เช่น ใช้ร่วมกับพลังงานเชื้อเพลิงจากชีวมวล พลังงานไฟฟ้า วัสดุอบแห้งจะได้รับความร้อนจากอากาศร้อนที่ผ่านเข้าแผงรับแสงอาทิตย์ และการหมุนเวียนของอากาศจะอาศัยพัดลมหรือเครื่องดูดอากาศช่วย 

                                                                                           เครื่องอบแห้งระบบ Hybrid

     3)  เทคโนโลยีระบบทำความเย็นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์

     ระบบทำความเย็นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในปัจจุบันมีหลายเทคโนโลยีดังรูปที่ 2.12 ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีมีทั้งจุดเด่นจุดด้อยแตกต่างกัน หากพิจารณาถึงความเหมาะสมของเทคโนโลยีระบบทำความเย็นด้วยพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ ระบบที่ใช้ความร้อนขับเคลื่อนระบบ (Thermal driven system) และเป็นเทคโนโลยีที่อาศัยการถ่ายเปลี่ยนรูปของพลังงานความร้อน (Heat transformation) มีทั้งที่เป็นระบบเปิด (Open cycle) กับระบบปิด (Closed cycle) เป็นเทคโนโลยีที่น่าสนใจมากกว่าหลายเทคโนโลยีทำความเย็นชนิดอื่นๆ 

 

                                                                              เทคโนโลยีระบบทำความเย็นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์

     เทคโนโลยีระบบทำความเย็นดัวยพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่เป็นระบบเปิด (Open cycle) ได้แก่Desiccant cooling system และระบบทำความเย็นด้วยพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่เป็นระบบปิด (Closed  cycle) ได้แก่ ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนความร้อน มีทั้งแบบ Absorption ที่ใช้ของไหลดูดกลืนความร้อน และแบบที่ใช้ของแข็งดูดกลืนความร้อน Adsorption ซึ่งระบบทำความเย็นที่ผลิตในเชิงพาณิชย์หรือเป็นที่นิยมส่วนมากในตลาดอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะเป็นระบบทำความเย็นพลังงานแสงอาทิตย์ที่เป็นวัฏจักรปิด ได้แก่ ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืน (Absorption Chiller) และระบบทำความเย็นแบบดูดซับ (Adsorption Chiller)

ข้อดีและข้อเสียของพลังงานแสงอาทิตย์

     ข้อดีของพลังงานแสงอาทิตย์ ในอดีตการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์มีราคาแพงมาก แต่เนื่องจากปัจจุบันราคาของเซลล์แสงอาทิตย์ได้ลดลงมาอย่างมาก และมีแนวโน้มว่าจะลดลงอีกเรื่อย ๆ เพราะประชาชนโดยทั่วไปได้ตระหนักถึงสภาวะแวดล้อมเป็นพิษเนื่องจากการใช้เชื้อเพลิงบรรพชีวินในการผลิตพลังงานจึงหันมาใช้เซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์มีจุดเด่นที่สำคัญแตกต่าง จากวิธีอื่นหลายประการดังต่อไปนี้

     1. ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในขณะที่ใช้งานจึงทำให้ไม่มี มลภาวะทางเสียง

     2. ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะเป็นพิษจากขบวนการผลิตไฟฟ้า                                                   

     3. มีการบำรุงรักษาน้อยมากและใช้งานแบบอัตโนมัติได้ง่าย                                                   

     4. ประสิทธิภาพคงที่ไม่ขึ้นกับขนาดจากเซลล์แสงอาทิตย์ ขนาด 33 เมกะวัตต์ หรือ 165,000 กิโลวัตต์ชั่วโมงถ้าต้องการผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดจำเป็นต้องใช้                                         

     5. ผลิตไฟฟ้าได้ทุกมุมโลกแม้บนเกาะเล็ก ๆ กลางทะเลบนยอดเขาสูงและในอวกาศ                    

     6. ได้พลังงานไฟฟ้าโดยตรงซึ่งเป็นพลังงานที่นำมาใช้ได้สะดวกที่สุด เพราะการส่งและการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า                                                                                                             

     ข้อเสียของพลังงานแสงอาทิตย์                                                                                           

     1. ค่าใช้จ่ายในการติดตั้ง และอุปกรณ์ในการติดตั้ง ราคาค่อนข้างแพง                                        

     2. ขึ้นอยู่กับสภาวะภูมิอากาศ 

การใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์

     คุณประโยชน์ที่ได้จากการผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยแสงอาทิตย์นั้นมีมากมาย เช่น แสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ เป็นพลังงานที่ได้มาฟรีและมีปริมาณมากเพียงพอต่อความต้องการ ทั้งยังสะอาดบริสุทธิ์ ไม่ก่อปฏิกิริยาใดๆ อันจะทำให้สิ่งแวดล้อมเป็นพิษ ไม่มีการเคลื่อนไหวหรือเกิดการเสียดสีขณะทำงาน จึงไม่มีเสียงดังรบกวนและไม่มีการสึกหรอ การดูแลรักษาก็น้อยมากแล้วยังใช้งานได้ง่าย นอกเหนือจากนี้ ยังสามารถนำไปใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ทุกหนทุกแห่งที่มีแสงอาทิตย์ ไม่ว่าจะอยู่บนยอดเขาสูง บนเกาะแก่งต่างๆ กลางทะเล แม้ในอวกาศก็สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ได้                              

     ปัจจุบันมีการนำเซลล์แสงอาทิตย์มาใช้งานด้านต่างๆ อย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็น เครื่องคิดเลข นาฬิกา สถานีถ่ายทอดวิทยุ ประภาคาร สัญญาณจราจร โคมไฟถนน เรือมอเตอร์ เครื่องบิน ระบบสูบน้ำเพื่อการชลประทาน และดาวเทียม เป็นต้น สำหรับในต่างประเทศมีโรงผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์เกิดขึ้นหลายแห่ง ซึ่งได้มีการทดลองและใช้งานอย่างกว้างขวาง ส่วนในประเทศไทยก็ได้มีการสร้างโรงไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์ให้กับหมู่บ้านชนบทที่อยู่ห่างไกล เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้งานในประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเป็นการนำเข้าจากต่างประเทศ มีทั้งนำเข้าเฉพาะแผ่นเซลล์แสงอาทิตย์ แล้วนำมาประกอบเป็นแผง มีหลายขนาดเล็กให้เลือกใช้งาน และมีการนำเข้าเซลล์แสงอาทิตย์สำเร็จรูปด้วย แต่ในขณะเดียวกัน หลายหน่วยงานที่เกี่ยวข้องในด้านนี้ได้มีการประสานงานและเผยแพร่ข้อมูลการใช้เซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้าให้กว้างขวางขึ้น รวมถึงมีการศึกษาและวิจัยพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ด้วย และอีกไม่นานเชื่อว่า ประเทศไทยของเราจะสามารถผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ได้เอง                                                                    

อ้างอิง  :  http://www.energy-techno.com/1293751/บทความ
           :  http://apem-thermo2.blogspot.com/2009/12/blog-post_549.html
           :  http://www.leonics.co.th/html/th/aboutpower/solar_benefit.php