บทที่ 5 พลังงานแสงอาท ิตย · 2007-07-08 · 5.1.4.1 ชั้นโฟโตสเฟ ยร (photosphere) เป นชั้นบาง

บทที่ 5 พลังงานแสงอาทิตย

แสงอาทิตยเปนแหลงพลังงานธรรมชาติที่สะอาดและมมีากมายมหาศาลจนไมมีวนัใชไดหมดเพราะตราบใดที่ยังมดีวงอาทิตยอยูในระบบสุริยจักรวาลนี้ ตราบนั้นจะยังคงมีพลังงานจากดวงอาทิตยสงมายังโลกเราทกุเวลาวัน อยางไรก็ตามถึงแมวาสิ่งมีชีวิตทุกสิ่งบนโลกไดใชประโยชนโดยตรงจากแสงอาทิตย แตปริมาณที่ใชกันอยูนั้นนอยเสียเหลือเกนิเมื่อเทียบกับปริมาณพลังงานที่ไดมา มนษุยรูจักการประยุกตใชพลังงานแสงอาทติยเพื่อกิจกรรมตางๆ ที่เปนประโยชนตอการพัฒนามานานนับรอยๆ ป ถึงกระนั้นก็ตามในปจจุบันนีม้นุษยก็ยังคงคดิคนพัฒนาเทคโนโลยีตางๆ เพื่อที่จะนําเอาพลังงานแสงอาทิตยมาใชใหเกิดประโยชนใหมากที่สุด ทั้งในรูปของพลังงานความรอนโดยตรงหรือการเปลี่ยนรูปใหเปนพลังงานไฟฟา ซ่ึงในอนาคตเทคโนโลยีที่เกี่ยวของกับการใชพลังงานแสงอาทิตยจะเปนเทคโนโลยีที่มีการใชกันอยางแพรหลายกนัมากขึ้น เพราะนอกจากจะไมตองเสียคาใชจายของตนทุนแหลงพลังงานแลว ยังจะเปนการชวยลดมลพิษของโลกอีกดวย

5.1 ดวงอาทิตย

ดวงอาทิตยเปนศูนยกลางของระบบสุริยจักรวาล เปนดาวฤกษที่อยูใกลโลกมากที่สุด และเปนแหลงพลังงานที่สําคัญที่สุดของโลก โดยเฉพาะสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกตองอาศัยพลังงานจากดวงอาทิตยไมทางตรงกท็างออม 5.1.1 ลักษณะทั่วไปของดวงอาทิตย ดวงอาทิตยในทางดาราศาสตรถือวาเปนดาวฤกษสีเหลืองขนาดเล็ก เมื่อเทียบกับดาวฤกษอ่ืนทีม่ีอยูในจักรวาล มีอายุประมาณ 5,000 ลานป และคาดวาจะมีอายุคงอยูตอไปอีกราว 5,000 ลานป นั่นคือตลอดชวีิตของดวงอาทิตยจะมีอายยุนืยาวราว 10,000 ลานป ซ่ึงเปนอายุเฉลี่ยของดาวฤกษทัว่ไป ดวงอาทติยอยูหางจากโลก 150 ลานกิโลเมตร มีขนาดเสนผานศูนยกลาง 1.4 ลานกิโลเมตร และมีอุณหภมูิที่พื้นผิวประมาณ 6,000 องศาเคลวิน ดวงอาทิตยมีเนื้อสารมากและ มีแรงโนมถวงสูงจึงสามารถดึงดูดสิ่งตางๆ ทั้งบรรดาดาวเคราะหบริวารทั้ง 9 ดวง ซ่ึงหมายถึงโลก

114

รวมทั้งดวงจันทรตางๆ ที่เปนบริวารของดาวเคราะหทั้ง 9 ดวงซึ่งมีอยูรวมกนักวา 60 ดวง ดาวเคราะหนอยอีกหลายหมื่นดวงและดาวหางอีกเปนจาํนวนมาก ส่ิงตางๆ เหลานี้จะถูกดวงอาทิตยดึงดูดใหเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตยตลอดเวลา ดวงอาทิตยประกอบดวยไฮโดรเจนประมาณรอยละ 71 ฮีเลียมรอยละ 27.1 และธาตุชนิดอื่นๆรอยละ 1.9 โดยน้าํหนัก (Astronomy Education. 2004. On-line) 5.1.2 โครงสรางของดวงอาทิตย นักวิทยาศาสตรไดแบงโครงสรางของดวงอาทิตยออกเปน 3 สวน ดังแสดงในภาพที่ 5.1 โดยแตละสวนมีลักษณะดังตอไปนี ้ 5.1.2.1 แกนปฏิกรณนิวเคลียร (nuclear burning core) สวนนี้จะมีรัศมีประมาณรอยละ 25 ของรัศมีดวงอาทติย เปนสวนที่เกิดปฏิกริิยานิวเคลียรแบบฟวชันตอเนื่องตลอดเวลาทําใหไฮโดรเจนที่มีอยูกลายเปนฮีเลียม ในสวนนี้มีอุณหภูมิสูงประมาณ 15 ลานเคลวิน 5.1.2.2 โซนการแผความรอน (radiative zone) สวนนี้จะอยูถัดออกมาจากแกนปฏิกรณที่ระยะประมาณรอยละ 25-70 ของรัศมีดวงอาทติย พลังงานจากแกนปฏิกรณนิวเคลียรจะถูกนําขึ้นมาสูช้ันนี้โดยการแผรังสีดวยอนภุาคโฟตอน 5.1.2.3 โซนการพาความรอน (convection zone) เปนบริเวณสวนนอกของ ดวงอาทิตยที่อยูถัดจากโซนการพาความรอนที่ระยะประมาณรอยละ 70 ไปจนถึงขอบนอกสุดของดวงอาทิตย พลังงานจากโซนแผรังสีสามารถขึ้นมาสูบริเวณนี้โดยอาศยัการหมนุวนของกาซรอน

ภาพที่ 5.1 แสดงโครงสรางของดวงอาทิตย ที่มา (The LESA Project. 2003. On-line)

115

5.1.3 ปฏิกิริยานิวเคลียรในใจกลางของดวงอาทิตย ปฏิกิริยานิวเคลียรที่เกิดขึ้นในใจกลางของดวงอาทิตย เปนปฏิกิริยาลูกโซแบบโปรตอน-โปรตอน โดยโปรตอนของไฮโดรเจนจํานวน 6 ตัว มีการรวมตัวกันแลวไดเปนนิวเคลียสของฮีเลียม 1 ตัวและโปรตอนของไฮโดรเจนอีก 2 ตวั ดังแสดงในภาพที่ 5.2 ซ่ึงจะมีมวลสาร สวนหนึ่งเกิดการเปลี่ยนรูปไปเปนพลังงานตามทฤษฎีของ แอลเบิรต ไอนสไตน คือ 2mcE = (5.1) เมื่อ E คือ พลังงานที่เปลี่ยนรูปมาจากมวลสาร มีหนวยเปนจูล (J) m คือ มวลสาร มีหนวยเปนกิโลกรัม (kg) c คือ ความเร็วแสง มีคาเทากับ 3x108 เมตรตอวินาที

ภาพที่ 5.2 แสดงการเกดิปฏิกิริยาแบบลูกโซโปรตอน-โปรตอน ที่มา (The LESA Project. 2003. On-line) 5.1.4 ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย ช้ันบรรยากาศที่หอหุมดวงอาทิตยอยูรอบนอกสามารถแบงออกเปน 3 ช้ัน ดังแสดงในภาพที่ 5.3 ซ่ึงแตละชั้นจะมีอุณหภูมิที่แตกตางกัน ความสัมพันธระหวางอณุหภูมกิับ

116

ความหนาของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตยดังแสดงไวในภาพที่ 5.4 ช้ันบรรยากาศของดวงอาทิตยมีดังตอไปนี ้ 5.1.4.1 ช้ันโฟโตสเฟยร (photosphere) เปนชั้นบาง ๆ อยูถัดออกมาจากตวั ดวงอาทิตย มคีวามสวางจามากจนไมสามารถมองผานลึกไปถึงตัวดวงอาทิตยได มีอุณหภูม ิ 5,800 องศาเคลวิน และมีความหนาแนนประมาณ 2 x 10-4 กิโลกรัมตอลูกบาศกเมตร 5.1.4.2 ช้ันโครโมสเฟยร (chromosphere) เปนชั้นบรรยากาศบาง ๆ สูงขึ้นมาจากช้ันโฟโตสเฟยร มีอุณหภูมิประมาณ 4,500 องศาเคลวิน มีความหนาแนนประมาณ 5 x 10-6 กิโลกรัมตอลูกบาศกเมตร เปนชั้นที่มกัเกิดปรากฏการณรุนแรงเชน การระเบิด การพุงของพวยกาซ หรือการเกิดเสนสายยาวของลํากาซ 5.1.4.3 ช้ันคอโรนา (corona) เปนบรรยากาศชั้นนอกสดุของดวงอาทติย อุณหภมูิสูงประมาณ 1 ลานองศาเคลวิน มีความหนาแนนประมาณ 10-12 กิโลกรัมตอลูกบาศกเมตร มีรูปรางเปลี่ยนแปลงไมแนนอนโดยจะเปลี่ยนไปตามปรากฏการณที่เกดิขึ้นภายในดวงอาทิตย สามารถมองเห็นไดขณะที่เกิดสุริยปุราคาเต็มดวง เมื่อดวงจันทรเคลื่อนที่ไปบังชั้นโฟโตสเฟยรเทานัน้ ช้ันคอโรนานี้มีลักษณะเปนแสงสวางเรืองสีขาวนวลแผออกโดยรอบ ลักษณะเปนเสนคลายเสนแรง สนามแมเหล็กของดวงอาทิตย

ภาพที่ 5.3 แสดงชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย ที่มา (Physics UC. 2005. On-line)

117

ภาพที่ 5.4 แผนภูมิความสัมพันธระหวางอณุหภูมิกับความหนาของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย ที่มา (Physics UC. 2005. On-line) 5.1.5 พลังงานแสงอาทติยท่ีตกกระทบพื้นโลก แสงเคลื่อนที่จากดวงอาทิตยมายังโลก ในรูปของการแผคล่ืนแมเหล็กไฟฟา ซ่ึงมีอยูดวยกนัหลายชวงความยาวคลื่นหรือเรียกวาสเปกตรัมของแสงอาทิตย ลักษณะของสเปกตรัมของแสงอาทิตยทั้งภายนอกและภายในชัน้บรรยากาศดังแสดงในภาพที่ 5.5 ทั้งในชวงความยาวคลื่นของแสงที่สามารถมองเห็นดวยตาเปลา (visible light) และที่ไมสามารถมองเห็นดวยตาเปลา เพราะมีความยาวคลื่นนอยกวาหรือมากกวาความยาวคลื่นของแสงไดแก อินฟราเรด อัลตราไวโอเลต รังสีแกมมา รังสีเอกซ และคลื่นวิทยุ เปนตน เมื่อแสงเคลื่อนที่เขาสูช้ันบรรยากาศของโลก ในชั้นบรรยากาศของโลกประกอบดวยอะตอมของกาซ ไอน้ํา เมฆ และฝุนละอองตางๆ ดังนั้นเมื่อแสงเคลื่อนที่เขามา บางสวนจะเกดิการชนกับอะตอมของสิ่งตางๆ เหลานี้ ทําใหเกิดการกระจัดกระจายของแสงซึ่งจะมีทั้งการสะทอนลงสูพื้นโลกและสะทอนกลับสูอวกาศ และจะมบีางสวนที่ถูกชั้นบรรยากาศและกอนเมฆดูดซับเอาไว ทําใหมีปริมาณแสงที่เคลื่อนที่ลงสูพื้นโลกประมาณรอยละ 51 สะทอนกลับสูอวกาศประมาณรอยละ 30 และถูกดดูซับเอาไวในชั้นบรรยากาศโลกประมาณรอยละ 19 (NASA. 2002. On-line) อันตรกิริยาและปริมาณของแสงอาทิตยในชั้นบรรยากาศโลก ดังแสดงในภาพที่ 5.6

118

ภาพที่ 5.5 แสดงสเปกตรัมของแสงอาทิตยทั้งภายนอกและภายในชัน้บรรยากาศ

ที่มา (Shepherd & Shepherd. 1998 : 279)

ภาพที่ 5.6 แสดงอันตรกิริยาและปริมาณของแสงอาทิตยในชั้นบรรยากาศโลก ที่มา (NASA. 2002. On-line)

119

พลังงานแสงอาทิตยที่เคลื่อนที่ผานชั้นบรรยากาศมาสูพื้นโลกนั้น ประกอบดวยพลังงานจากรังสีของแสงที่ทะลุผานชั้นบรรยากาศลงสูพื้นโลกโดยตรง และพลังงานจากรงัสีของแสงที่เกิดจากการกระจายและการสะทอนภายในชัน้บรรยากาศ นัน้คือสามารถแบงองคประกอบของพลังงานแสงอาทิตยบนพื้นโลกไดเปน 2 ประเภทคือ 5.1.5.1 รังสีตรง (direct radiation หรือ beam radiation) เปนรังสีของพลังงานแสงอาทิตยทีท่ะลุผานชั้นบรรยากาศลงสูพื้นโลก โดยไมเกิดอนัตรกริิยากับอะตอมของธาตุใดๆในช้ันบรรยากาศทําใหมีคาความเขมของแสงสูงเมื่อมาถึงพื้นโลก รังสีของแสงในลักษณะนี้เหมาะสําหรับการใชกับอุปกรณประเภทที่ตองรวมแสง (concentrator) ชนิดตางๆ ที่ตองการคาความเขมของรังสีดวงอาทิตยสูงๆ 5.1.5.2 รังสีกระจาย (diffuse radiation หรือ scattered radiation) เปนรังสีของพลังงานแสงอาทิตยที่เกดิการชนกับอะตอมของธาตุตางๆ ในชั้นบรรยากาศ ทําใหเกิดการกระจายของแสงและบางสวนสะทอนลงสูพื้นโลก คาความเขมของแสงจากรังสีประเภทนีจ้ะนอยกวารังสีตรงมาก รังสีของแสงในลักษณะนี้เหมาะกับการใชกับอปุกรณที่ไมตองการความเขมแสงสูงนักเชน ระบบเซลลแสงอาทิตย เปนตน สัดสวนของรังสีตรงกับรังสีกระจายในแตละวันในแตละพื้นที่ จะมีความไมแนนอนขึ้นอยูกับสภาพของภูมิอากาศในแตละวนัและแตละพื้นที่ ผลรวมของรังสีทั้งสองประเภทเรยีกวา รังสีรวม (total radiation หรือ global radiation) สําหรับคาพลังงานแสงอาทิตยที่ตกกระทบในแนวตั้งฉากบนพื้นที่ 1 หนวย นอกชั้นบรรยากาศโลกเรียกวา คาคงที่สุริยะ (solar constant) มคีาเทากบั 1,353 วัตตตอตารางเมตร ซ่ึงคาคงที่นี้แททีจ่ริงแลวอาจมกีารผันแปรไดในชวงประมาณ

%4.3± ตอป แตอยางไรก็ตามโดยทั่วไปกย็ังนยิมใชเปนคาคงที่ดังกลาวอยู คาพลังงานแสงอาทิตยที่ลงสูพื้นโลกทั้งหมดตอปสามารถคํานวณไดดังนี้ กําหนด 1 ปเทากับ 365.25 วัน (Shepherd & Shepherd. 1998 : 28)

2135336002425.365 rE π×××=

171073.136002425.365 ××××=

241046.5 ×=E J (5.2)

คาพลังงานแสงอาทิตยที่ไดตอปนี้เมื่อเทียบกับ ปริมาณพลังงานที่มนุษยทั่วโลกใชตลอดป เชน สมมุติวาโลกมีการใชพลังงานทุกชนดิในป พ.ศ. 2547 เทากับ 10,000 ลานตันเทียบเทา

120

น้ํามันดิบ (1 ลานตันเทียบเทาน้ํามันดิบ มีคาเทากับ 91012× kWh) แสดงวามีการใชพลังงานในหนวยจูล เปน

9101210000 ××=E kWh

69 106.3101210000 ××××= J

201032.4 ×=E J (5.3) จากสมการ (5.2) และ (5.3) แสดงใหเหน็วาคาพลังงานจากแสงอาทิตยที่ตกมาสูพื้นโลกภายใน 1 ป เทียบไดเทากับพลังงานที่มนุษยทั่วโลกสามารถใชไดประมาณ 12,639 ป

5.2 การจําแนกเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย การนําพลังงานแสงอาทิตยมาใชประโยชน อาจแบงไดเปน 2 กลุมใหญๆ คือ การใชประโยชนในรปูของพลังงานความรอน (solar thermal) และการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตยเปนพลังงานไฟฟา (photovaltaic) โดยแตละกลุมมีการพัฒนาเทคโนโลยี เพื่อใหมีการใชประโยชนจากพลังงานแสงอาทิตยใหไดมากที่สุด ซ่ึงจะเปนการชวยลดการใชพลังงานจากซากดึกดาํบรรพและไมทําใหเกิดปญหาตอสภาวะแวดลอม เทคโนโลยีที่ใชพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย มีทั้งประเภทที่ตองใชพลังงานความรอนไมสูงมากนักไปจนถึงประเภทที่ตองใชพลังงานความรอนสงู ประเภทที่ใชพลังงานความรอนไมสูงมากไดแก เครื่องอบแหง เครื่องทําน้ํารอน เครื่องกล่ันน้ํา เครื่องปรับอากาศ เปนตน เทคโนโลยีเหลานี้โดยทั่วไปใชพลังงานความรอนที่ไมเกนิ 100 องศาเซลเซียส เรียกเทคโนโลยีกลุมนี้วาเทคโนโลยีความรอนอณุหภูมิต่ํา (low temperature technology) สวนประเภทที่ตองใชพลังงานความรอนสูง มักเปนเทคโนโลยีที่มีการนําเอาพลังงานความรอนไปใชประโยชนในการผลิตไฟฟาโดยการนําเอาพลังงานความรอนไปตมน้ําและใชแรงดันของไอน้ําไปหมุนเครื่องกําเนิดไฟฟาเพื่อผลิตกระแสไฟฟา เทคโนโลยีเหลานี้ตองใชความรอนสูงซึ่งอาจสูงไดตั้งแตหลักรอยถึงหลายรอยหรือพันองศาเซลเซียส เรียกเทคโนโลยีกลุมนี้วาเทคโนโลยีความรอนอณุหภูมิสูง (high temperature technology) ไดแก ระบบรางพาราโบลา ระบบหอคอยพลังงาน เปนตน สวนเทคโนโลยีที่ใชในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตยเปนพลังงานไฟฟาโดยตรง คือ เซลลแสงอาทิตย (solar cell) ซ่ึงในปจจบุันเปนที่นยิมใชกันมากขึ้น เพราะการติดตั้งและการดแูล

121

รักษาคอนขางสะดวก อีกทั้งอายุการใชงานคอนขางยาวนานคือประมาณ 20 ป ระบบเซลล แสงอาทิตยมีอยูดวยกนัหลักๆ 2 แบบ คือ ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระ (standalone) กับระบบเซลลแสงอาทิตยแบบเชื่อมตอกับสายสง (grid connected) ซ่ึงแตละแบบก็จะมีชุดอปุกรณประกอบเปนระบบเชน เครื่องแปลงสัญญาณไฟ (inverter) เครื่องควบคุมประจุ (charge controller) แบตเตอรี่ (battery) เปนตน ในปจจุบนัการประยกุตใชพลังงานแสงอาทิตยดวยเทคโนโลยตีางๆ มีอยูมากมาย ดังนั้นในที่นีจ้ะขอกลาวถึงเทคโนโลยีที่ใชพลังงานแสงอาทิตยเฉพาะบางอยางที่เปนที่นิยมใชและกําลังไดรับการพัฒนาทั้งในรูปแบบของงานวิจยัและเชิงพาณิชย

5.3 การอบแหงดวยพลังงานแสงอาทิตย การใชพลังงานแสงอาทิตยเพื่อถนอมอาหารหรือการเกบ็รักษาพืชผลทางการเกษตร ไดมีการใชกันมานานนับพันป โดยการนําวัสดตุางๆ เหลานี้มาวางกลางแจงใหไดรับแสงอาทิตยโดยตรง ซ่ึงตอมาไดมีการพัฒนาเปนเทคโนโลยีที่เรียกวา เครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทิตย (solar dryer) สําหรับการอบแหงวัสดุตางๆ จนมีประสิทธิภาพสูงถึงขั้นที่ใชกันในเชิงพาณิชย 5.3.1 หลักการในการอบแหง การอบแหง (drying) หลักการของการอบแหงโดยใชพลังงานแสงอาทิตย คือการใชความรอนจากแสงอาทิตยมาทําใหวัสดุมอุีณหภูมิสูงขึ้น ซ่ึงจะทําใหความชืน้ในวัสดุนัน้ระเหยออกไปสูบรรยากาศรอบขาง ทําใหสามารถเก็บรักษาวัสดุไดยาวนานขึ้น การลดลงของความชื้นภายในวัสดุอบแหงถูกแบงออกเปน 3 ระยะ (อนุตร จําลองกุล. 2545 : 60) คือ 5.3.1.1 ระยะเริ่มตนของการอบแหง (setting down period) เปนระยะเริ่มตนของการอบ ดังนั้นเมื่อมีการใหความรอนเขาไปแกวัสดุ ผิวนอกของวัสดอุบแหงจะเปนสวนแรกทีไ่ดรับพลังงานความรอนนี้ และทําใหโมเลกุลของวัสดุมีการคายน้ําในรูปของความชื้นออกมา 5.3.1.2 ระยะอัตราการระเหยของไอน้ําคงที่ (constant rate period) ชวงนี้บริเวณพื้นผิวของวัสดุจะมีอุณหภูมคิงที่ และความชื้นจะมเีหลือในปริมาณทีน่อยและกระจายตัวสม่ําเสมอ ทั่วพื้นผิว อัตราการเคลื่อนที่ของความชื้นจากภายในวสัดุที่ถูกสงผานออกมายังบรเิวณพื้นผิวนี้ จะมีคาเทากับอัตราการระเหยของความชื้นที่พืน้ผิวระเหยออกสูบรรยากาศ 5.3.1.3 ระยะอัตราการระเหยของไอน้ําลดลง (falling rate period) ชวงนี้อัตรา การเคลื่อนที่ของความชื้นจากภายในวัสดุออกมายังบริเวณพื้นผิวจะมีคานอยกวาอัตราการระเหย

122

ของความชื้นที่พื้นผิวระเหยออกสูบรรยากาศ จุดที่เร่ิมมีการเปลี่ยนแปลงจากระยะอัตราการระเหยของไอน้ําคงที่มาเขาสูระยะนี้ เรียกวา จดุวกิฤตความชื้น (critical moisture content) 5.3.2 ความชืน้ของวัสดุอบแหง ในการอบแหงวัสดุ หรือผลผลิตตางๆ ปริมาณที่สําคัญที่สุดที่จะตองคํานึงถึง คือความชื้นของวสัดุหลังผานการอบแหงแลว ความชื้นของวัสดุอบแหงเปนตัวบอกถึงปริมาณของน้าํที่มีอยูในวัสดุเมื่อเทียบกับมวลของวัสดุช้ืนหรือวัสดแุหง การบอกคาความชื้นโดยทั่วไปมีอยู 2 แบบ (สมชาติ โสภณรณฤทธิ์. 2537 : 3) คือ 5.3.2.1 ความชื้นมาตรฐานเปยก เปนคาความชื้นเทยีบกับมวลของวัสดุช้ืน

100×−

=w

dwM w (5.4)

เมื่อ wM คือ เปอรเซนตความชื้นมาตรฐานเปยก w คือ มวลของวสัดุช้ืน (kg) d คือ มวลของวสัดุแหง (kg) 5.3.2.2 ความชื้นมาตรฐานแหง เปนคาความชื้นเทยีบกับมวลของวัสดุแหง

100×−

=d

dwM d (5.5)

5.3.3 เคร่ืองอบแหงพลังงานแสงอาทติย เครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทิตยเปนอุปกรณที่ใชสําหรับการอบแหง มีดวยกนัหลายรูปแบบแตอาศัยหลักการเดียวกนัทัง้หมดคือ ทําใหมีความรอนจากแสงอาทิตยเขาสูเครื่องอบแหง และผานเขาไปในวัสดุที่ตองการอบแหงเพื่อพาความชื้นในวสัดุนั้นออกไป เครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทิตยจะมีรูปแบบพื้นฐานหลักๆ ไดแก 5.3.3.1 เครื่องอบแหงแบบธรรมดา (drying) เครื่องอบแหงแบบนี้จะมีรูปแบบที่ไมคอยซับซอนนัก วัสดทุี่นํามาอบแหงดวยเครื่องอบแหงแบบนี้จะถูกวางใหไดรับความรอนจาก

123

แสงอาทิตยโดยตรง ซ่ึงแสงจะผานฝาปดทีอ่าจทําดวยกระจกหรือแผนพลาสติกใสเรียบเขาไปสูวัสดุที่ถูกวางเรียงไวบนแผนตะแกรงดานใน พื้นดานลางจากตะแกรงจะถูกทาดวยสีดําเพื่อชวยดดูซับความรอนไวไมใหไหลออกเร็วเกินไป โดยปกตดิานทีอ่ยูใกลพืน้จะมีชองใหอากาศเขาเพื่อใหเกดิการหมุนเวียนของอากาศ ซ่ึงอากาศที่เขาไปจากชองนี้จะไปพาไอน้ําที่ระเหยออกมาจากวัสดแุละออกสูบรรยากาศทางชองดานที่อยูสูง รูปแบบของเครื่องอบแหงนีด้ังแสดงในภาพที่ 5.7

ภาพที่ 5.7 แสดงตัวอยางเครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทติยแบบธรรมดา ที่มา (Solar Engineering Services. 2005. On-line) 5.3.3.2 เครื่องอบแหงแบบขจัดน้ํา (dehydration) รูปแบบของเครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทิตยแบบนี้จะมีความซับซอนมากกวาแบบแรก โดยจะมีการแยกสวนระหวางสวนรับแสงอาทิตยกับสวนสําหรับวางวัสดุที่ตองการอบแหง ดังแสดงในภาพที่ 5.8 ซ่ึงจะทําใหวัสดทุี่นํามาอบแหงนั้นไมตองถูกแสงอาทิตยโดยตรง แตจะไดรับอากาศรอนจากสวนรับแสงอาทิตยมานําเอาความชืน้และไอน้ําออกไปจากวัสดทุี่ถูกนํามาอบ การอบแหงดวยเครื่องอบแหงแบบนี้จะไดคุณภาพของวสัดุที่นํามาอบแหงดกีวาการอบแหงดวยเครื่องอบแหงแบบแรก

ภาพที่ 5.8 แสดงตัวอยางเครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทติยแบบขจดัน้าํ

ที่มา (เครื่องอบแหงพลังงานแสงอาทิตยแบบขจัดน้ํา. ภาพนิ่ง. 2548)

124

5.4 เครื่องทาํน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตย การทําน้ําใหรอนดวยพลังงานแสงอาทิตยนับวาเปนการเลียนแบบธรรมชาติอยางหนึง่ เพราะน้ําที่อยูในแหลงน้ําในที่โลงแจงตามธรรมชาติ ยอมไดรับพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยตลอดเวลา โดยน้ําในสวนที่อยูบริเวณผิวบนเมื่อไดรับพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย โมเลกุลของน้ําจะดดูซบัเอาพลังงานความรอนไวทาํใหอุณหภูมิสูงขึ้น ในขณะที่ระดับลึกลงไปอุณหภูมิของน้ําจะลดลงตามความลึกของระดับน้ํา แบบอยางจากธรรมชาตินี้แมกระทั่งในปจจุบนัตามแหลงทีอ่ยูในเขตอากาศหนาวยังมีคนเอาน้ํามาตากแดดไวสําหรับอาบชําระรางกายหรือใชประโยชนอยางอืน่ จากการเลียนแบบธรรมชาตินี้ ทําใหเกิดการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องทําน้ํารอนดวยพลังงานแสง อาทิตยมานานแลวโดยในปจจุบันถือวาเปนสินคาเชิงพาณชิยแลว หลักการของเครื่องทําน้ํารอนดวยพลังงานแสงอาทิตยและวิธีผลิตไมยุงยากมากนัก จึงเปนเทคโนโลยีทีน่าสงเสริมใหมีการใชกันใหแพรหลายมากขึ้นซึ่งจะชวยใหประหยัดพลังงานไฟฟาไดมากทีเดยีว 5.4.1 หลักการทั่วไป หลักการที่ทําใหระบบการหมุนเวยีนของน้าํที่อุณหภูมิปกติรอนขึ้นในเครื่องทําน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตยและเกิดการหมุนเวียนได อาศัยหลักความแตกตางของอุณหภูมิ ซ่ึงจะทําใหเกิดการแทนทีข่องมวลของของไหลได น้ําที่มีอุณหภมูิสูงกวาจะดันตัวเองขึ้นสูที่สูง สวนน้ําทีม่ีอุณหภูมิต่ํากวาจะไหลลงสูสวนลางที่ต่ํากวา 5.4.2 สวนประกอบของเครื่องทําน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตย เครื่องทําน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตย ประกอบดวยสวนสาํคัญ 2 สวน คือ 5.4.2.1 แผงรับพลังงานแสงอาทิตย (solar flat plate collector) มีลักษณะเปนกลองสี่เหล่ียมแบนเปนสวนที่รับพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย และถายเทความรอนใหกับน้าํที่ไหลอยูในทอทองแดงภายในแผงรับพลังงานแสงอาทิตยมีสวนประกอบสําคัญ คือ (1) แผนกระจก ใชสําหรับปดดานบนของกลอง โดยทั่วไปจะใชกระจกนิรภัย ซ่ึงมีความทนทานตอแรงกระแทกและความรอนจากแสงอาทิตย แผนกระจกนีจ้ะชวยกกัเก็บความรอนใหอยูภายในกลองซึ่งจะเปนการปองกันการสญูเสียความรอนใหกับบรรยากาศ

125

(2) แผนดูดรังส ี ซ่ึงทําหนาที่ดูดซับพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย และถายเทความรอนผานทอทองแดงใหกบัน้ําที่ไหลอยูภายในทอทองแดง แผนดดูรังสีสวนใหญทาํมาจากอะลูมิเนียมและถูกเคลือบดวยสารที่มีคุณสมบัติในการดูดรังสีสูง (3) ทอลําเลียงน้ํา เปนทอสําหรับใหน้ําไหลผานภายในของสวนที่รับแสงอาทิตย ทอนี้จะถูกอดัติดกับแผนดูดรังสี สวนใหญจะใชทอทองแดงเพราะมคีุณสมบัติในการถายเทความรอนใหน้ําที่อยูภายในไดดี ทนตอการกัดกรอนไมเปนสนิม และรับแรงดนัไดสูง (4) ฉนวนความรอน ใชสําหรับปองกันการสูญเสียความรอน วัสดุที่ใชทําฉนวนสวนใหญจะใชไมโครไฟเบอรและหอทับไวดวยอะลูมิเนียมฟอยลอีกชั้นหนึ่ง โดยจะวางไวดานลางของแผนดูดรังสีและทอลําเลียงน้าํ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการปองกันการสญูเสียความรอนทางดานลาง (5) กรอบแผงรับแสงอาทิตย สวนใหญใชอะลูมิเนียมซึ่งมีความทนทาน และน้ําหนักไมมากนัก เพือ่เปนโครงยึดใหแผงรับแสงอาทิตยมีความมั่นคงแข็งแรงและสะดวกในการขนยาย 5.4.2.2 ถังเก็บน้ํารอน (thermal storage tank) เปนถังสองชั้น ช้ันในสําหรับเก็บน้ํารอนที่ไหลมาจากแผงรับแสงอาทิตย ทําดวยโลหะที่ไมเปนสนิมและสามารถทนความดันไดสูง เชน สแตนเลส เปนตน สวนถังชั้นนอกมักทาํดวยแผนอะลูมิเนียม โดยภายในหุมดวยฉนวนไมโครไฟเบอรแบบถงุอะลูมิเนียมฟอยลชนิดทนความรอนซึ่งจะชวยใหสามารถกักเก็บความรอนไดดีขึ้น สวนประกอบตางๆ ที่สําคัญของเครื่องทําน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตย ดังแสดงในภาพที ่5.9 ซ่ึงการไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทยไดออกแบบและสรางขึ้นเปนตัวอยาง พรอมทั้งไดทําการเผยแพรเพื่อเปนการสงเสริมใหมีการใชเครื่องทําน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตย แทนการใชเครื่องทําน้ํารอนที่ใชไฟฟาทั่วไปซึ่งถือวาเปนอุปกรณที่ใชไฟฟาสิ้นเปลืองมากชนิดหนึ่ง

126

ภาพที่ 5.9 แสดงสวนประกอบของเครื่องทําน้ํารอนดวยพลังงานแสงอาทิตย

ที่มา (การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย. 2547ค. ออน-ไลน)

5.5 การผลิตไฟฟาดวยพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย แนวความคิดในการใชพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยเพื่อการเผาไหม เร่ิมมีมาตั้งแต 212 ปกอนคริสตศักราช เมื่ออารคิมีดีสใชแสงสะทอนจากดวงอาทิตยสองไปทําใหเกิดไฟลกุไหมบนเรือใบของทหารโรมัน สวนแนวความคิดในการใชพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยมาผลิตกระแสไฟฟาก็เกิดขึน้เมื่อกวา 100 ปมาแลว แตเนื่องจากในสมัยนัน้น้ํามันยังเปนแหลงพลังงาน ที่เกือบไมมีราคา จึงทําใหการพัฒนาการผลิตกระแสไฟฟาดวยพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย ไมมีความกาวหนานกั อยางไรก็ตามในปจจุบันดวยปญหาจากราคาของเชื้อเพลิงซากดึกดําบรรพ ปริมาณสํารอง และผลกระทบตอสภาพแวดลอมอันเกิดจากการใชพลังงานจากซากดึกดําบรรพ ทําใหมีการพฒันาเทคโนโลยีเพื่อผลิตกระแสไฟฟาดวยพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยมากขึ้น จนกระทั่งเกิดเปนโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย (solar thermal power plant) ที่มีกําลังการผลิตขนาดใหญในหลายแหงทั่วโลก

127

5.5.1 สวนประกอบของโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย โดยพื้นฐานของการผลิตกระแสไฟฟาของโรงไฟฟาแบบความดันไอน้ํา คือการใชแรงดันของไอน้ําที่ไดจากการตมน้ําไปขับใหกังหัน (turbine) ของเครื่องกําเนิดไฟฟา (generator) เกิดการหมุนซึง่จะผลิตกระแสไฟฟาออกมา โรงไฟฟาแบบนี้โดยทัว่ไปจะใชแหลงพลังงานจากซากดึกดําบรรพเปนเชื้อเพลิงในการตมน้ํา ดังนั้นแนวคิดในการผลิตกระแสไฟฟาดวยพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยจึงเปนแนวคิดทีจ่ะเอาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยมาแทนเชื้อเพลิงจากซากดึกดําบรรพนั่นเอง สําหรับโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยโดยทัว่ไปมีอยู 3 แบบคือ แบบหอคอยพลังงาน (power tower plant) แบบรางพาราโบลา (parabolic trough power plant) และแบบจานพาราโบลา (parabolic dish concentrator system) ซ่ึงทั้ง 3 แบบจะมหีลักการทํางานที่คลายกันโดยอาจแตกตางกันบางในสวนของรายละเอียดและรูปแบบของสวนประกอบ ซ่ึงสวน ประกอบหลักที่สําคัญของโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยที่ควรรูจักไดแก 5.5.1.1 ตัวรับรังสีแสงอาทิตย (collector) เปนอุปกรณที่ทําหนาที่รับและสะทอนรังสีแสงอาทิตย ทําใหมีการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตยไปเปนพลังงานความรอนหรือพลังงานรูปอ่ืนเพื่อนําไปใชงานตอไป (ทนงเกยีรติ เกยีรติศิริโรจน. 2531 : 4-1) สําหรับตัวรับรังสีแสงอาทิตย ที่ใชในระบบผลิตไฟฟานั้น จะมีลักษณะเปนตวัรับรังสีแสงอาทิตยแบบรวมแสง (concentrating collector) ซ่ึงการที่จะทําใหไดปริมาณความรอนจากรังสีแสงอาทิตยมากๆ ส่ิงที่ตองพิจารณาคือการเลือกใชวัสดุทีม่ีคุณสมบัติในรับและการสะทอนแสงไดด ี เชน กระจกเงา อะลูมิไนซเทฟลอน หรืออะลูมิเนียมขดัมัน เปนตน นอกจากนี้ส่ิงสําคัญที่สุดคือการออกแบบและคํานวณในเรือ่งของทิศทาง การติดตั้งตวัรับและสะทอนแสงอาทิตย เพื่อใหมีการรับรังสีจากแสงอาทิตยใหไดมากที่สุดและใหมีการรวมรังสีของแสงที่สะทอนใหอยูในตําแหนงที่ตองการโดยทั่วไปจะมีระบบติดตามการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย (solar tracker) ติดตั้งอยูดวย เพื่อชวยใหตวัรับรังสีแสงอาทิตยสามารถรับรังสีใหไดมากที่สุดตลอดเวลาที่มีแสงอาทิตย ทําใหสามารถรับพลังงานความรอนไดยาวนานและมากพอ ที่จะทําใหกระบวนการผลิตกระแสไฟฟาเกิดขึ้นอยางตอเนื่องได ตัวรับรังสีแสงอาทิตยของโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยโดยทัว่ไปมอียู 3 แบบ ซ่ึงจะเรียกชื่อแตกตางกันตามลักษณะโรงไฟฟา คือ (1) ตัวรับรังสีอาทิตยของโรงไฟฟาแบบหอคอยพลังงาน ซ่ึงเรียกวา เฮลิโอสเตท (heliostat) (Ristinen & Kraushaar. 1999 : 108) มีลักษณะเปนแผนกระจกเงาเรียบหรือโคงแลวแตการออกแบบโดยทั่วไปทีใ่ชกนัอยูมักเปนแบบกระจกเงาเรียบ เฮลิโอสเตททกุตัวจะถูกออกแบบใหรับและสะทอนแสงไปรวมตวักันที่ตัวรับแสงสะทอน (receiver) ซ่ึงถูกติดตั้งอยูบน

128

หอคอยสูง ลักษณะการรวมแสงแบบนี้เรียกวาการรวมแสงแบบจุด (point concentrating) ดังแสดงในภาพที่ 5.10

ภาพที่ 5.10 แสดงการรับและสะทอนแสงของเฮลิโอสเตท ที่มา (Walker. 2004. On-line) (2) ตัวรับรังสีแสงอาทิตยของโรงไฟฟาแบบรางพาราโบลา เรียกวาตัวรับรังสีแบบรางพาราโบลา (parabolic trough) มีลักษณะเปนรางโคงยาว ผิวดานในของรางโคงทําดวยวัสดุทีม่ีคุณสมบัติในการสะทอนแสงไดดี แสงสะทอนที่เกดิจากรางพาราโบลาทุกตําแหนงตามความยาวของรางจะไปรวมกันที่ทอรับแสงสะทอน ลักษณะการรวมแสงแบบนี้เรียกวาการรวมแสงแบบเสน (line concentrating) ดังแสดงในภาพที่ 5.11

ภาพที่ 5.11 แสดงการรับและสะทอนแสงของรางพาราโบลา ที่มา (Walker. 2004. On-line)

129

3. ตัวรับรังสีแสงอาทิตยของระบบจานพาราโบลา ซ่ึงเรียกวาตัวรับรังสีแบบจานพาราโบลา (dish concentrator) ผิวภายในทําดวยวัสดุที่มีคณุสมบัติในการสะทอนแสงไดดี แสงสะทอนทีเ่กิดจากผิวในของจานพาราโบลาทุกตําแหนงจะไปรวมกันที่ตวัรับแสงสะทอน ซ่ึงมีการรวมแสงเปนแบบจดุเหมือนกับกรณีของหอคอยพลงังาน ดังแสดงในภาพที่ 5.12

ภาพที่ 5.12 แสดงการรับและสะทอนแสงของจานพาราโบลา ที่มา (Walker. 2004. On-line) 5.5.1.2 ตวัรับแสงสะทอน (receiver) แสงสะทอนที่มาจากตวัรับรังสีแสงอาทิตยทั้ง 3 แบบทีก่ลาวมาแลวนัน้ จะมีลักษณะของแสงสะทอนที่มาถึงตัวรับแสงสะทอนอยู 2 แบบคือ แบบรวมแสงที่จุดเดยีว (point focus) สําหรับระบบของโรงไฟฟาแบบหอคอยพลงังานและระบบจานพาราโบลา ดังแสดงในภาพที่ 5.10 และ 5.12 กับแบบรวมแสงตามเสน (line focus) สําหรับระบบของรางพาราโบลา ดังแสดงในภาพที่ 5.11 ในกรณีของระบบจานพาราโบลาภายในตวัรับแสงสะทอนจะมีความแตกตางออกไป ซ่ึงจะไดกลาวตอไปในหวัขอ 5.5.2.3 ตัวรับแสงสะทอนของโรงไฟฟาแบบหอคอยพลังงานและระบบรางพาราโบลา ภายในจะมีทอสําหรับการไหลวนของสารทํางาน (working fluid) เพื่อเขาไปรับพลังงานความรอนที่สวนรับแสงนี้ ทอที่ใชในระบบทั้ง 2 อาจแตกตางกันเลก็นอยกลาวคือ ในกรณีของระบบรางพาราโบลา สวนใหญจะใชเปนทอ 2 ช้ัน โดยช้ันในเปนทอสําหรับการนําความรอนใหแกสารทํางานที่อยูภายใน ซ่ึงสารทํางานจะไหลผานเขามาเพื่อรับเอาพลังงานความรอน สวนชัน้นอกมักทําเปนทอสุญญากาศหรือใสพวกกาซเฉื่อยไวเพื่อชวยลดการสูญเสียความรอนจากการคายความรอนของสารทํางานในทอช้ันใน สารทํางานที่ใชในระบบอาจจะมีรูปแบบทีแ่ตกตางกันเชน ในบางระบบจะใชน้ําเปนสารทํางานซึ่งเมื่อใหน้ําไหลเขาไปในทอและผานเขาไปในสวนรับแสงสะทอน จะทําใหน้ําเดือดและ

130

กลายเปนไอน้าํที่มีความดันสูง ไอน้ํานี้จะถูกสงไปหมนุกังหนัของเครื่องผลิตกระแสไฟฟาเพื่อผลิตไฟฟา หรือในบางระบบอาจสารทํางานอยางอื่น เชน เกลือมอลเทน (molten rock salt) หรือน้ํามันสังเคราะห (synthetic oil) เปนตน สารเหลานี้เมื่อไดรับความรอนจากบริเวณสวนรับแสงสะทอนแลวจะทําหนาที่เปนตัวกลางในการนําความรอนไปถายเทใหกับน้ํา ซ่ึงเมื่อน้ําไดรับความรอนจะทาํใหเดือดและระเหยกลายเปนไอที่สามารถหมุนกังหนัของเครื่องผลิตกระแสไฟฟาได สารทํางานที่ดีควรมีคุณสมบตัิคือ มีคาความจุความรอนและคาการนําความรอนสูง 5.5.1.3 ระบบเก็บสะสมพลังงาน (energy storage system) เปนแหลงเก็บสะสมพลังงานสํารองของระบบเพือ่ไวใชในกรณีที่ไมมีแสงอาทิตย เชน ในตอนกลางคนื หรือในชวงที่มีแสงอาทิตยแตมีไมมากพอ เชน ในตอนเชา ตอนเยน็ ชวงมีเมฆหรือฝนตก เปนตน การเก็บสะสมพลังงานที่ใชในระบบเหลานีม้ักเก็บในวัสดทุี่มีคุณสมบัติในการเก็บความรอนไดดี เชน น้ํามันสังเคราะห เกลือมอลเทน หินน้ํามัน เปนตน โดยวัสดุเหลานี้จะถูกบรรจุไวในถังเก็บสะสมพลังงาน (storage tank) ซ่ึงมีการออกแบบเฉพาะใหสามารถเก็บรักษาความรอนไดเปนอยางดี 5.5.2 โรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย โรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยแบบหอคอย และแบบรางพาราโบลา จะมีหลักการทํางานและสวนประกอบอื่นคลายคลึงกัน ยกเวนรูปแบบของตัวรับและสะทอนแสง อาทิตยและความแตกตางในดานความสามารถในการทําอุณหภูม ิ สวนแบบจานพาราโบลานั้น ถึงแมจะมหีลักการในการรวมแสงเหมือนกัน แตวิธีการประยุกตใชจะแตกตางไปจากแบบอื่นๆ 5.5.2.1 โรงไฟฟาแบบหอคอยพลังงาน หรืออาจเรียกวาแบบรับแสงที่ศูนยรวม (central receiver) โรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยแบบนี ้ ไดมีการออกแบบสรางและทําการทดลองผลิตกระแสไฟฟาครั้งแรก เมื่อตนป ค.ศ. 1980 (Boyle. 1996 : 76) ที่เมืองบารสโทว รัฐแคลิฟอรเนยี สหรัฐอเมรกิา ซ่ึงถือวาเปนแหงแรกทีม่ีการสรางขนาดใหญและผลิตกระแสไฟฟาออกมาใชงานจริง โดยมกีาํลังการผลิตขนาด 10 เมกะวัตต มีตัวสะทอนแสงหรือเฮลิโอสเตท จํานวน 1,900 ตัว แตละตัวมีขนาด 20x20 ตารางฟุต ถูกติดตั้งบนขาตั้งพรอมตัวตดิตามแสงอาทติย ซ่ึงคอยควบคุมใหตวัสะทอนแสงหมุนตดิตามการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย และควบคุมใหแสงสะทอนจากตวัสะทอนนีไ้ปตกที่ตัวรับแสงสะทอนซึ่งอยูบนยอดหอคอย ตัวสะทอนแสงแตละตัวจะถูกยึดติดกบัพื้นและวางไวรอบหอคอย สวนตัวรับแสงสะทอนถูกติดตั้งบนหอคอยสูง 295 ฟุต ดังแสดงในภาพที่ 5.13 สวนผังการทํางานของโรงไฟฟาแบบนี้ดังแสดงในภาพที่ 5.14

131

ภาพที่ 5.13 โรงไฟฟาแบบหอคอยพลังงาน ที่เมืองบารสโทว ในรัฐแคลิฟอรเนีย สหรัฐอเมริกา ที่มา (NREL’s Photographic Information Exchange. 2005. On-line) ในปจจุบนัโรงไฟฟาแบบนี้ไดรับการพัฒนาขึ้นในหลายพื้นที่ของหลายประเทศ บางแหงเปนโรงไฟฟาเชิงพาณิชยเรียบรอยแลวและบางแหงกําลังทําการวิจยัและพัฒนา โดยในปจจุบนัโรงไฟฟาแบบนี้สามารถทําอุณหภูมิไดสูงกวา 1,500 องศาเซลเซียส และสามารถสรางใหมีขนาดกําลังการผลิตสูงกวา 200 เมกะวัตต (นิพนธ เกตุจอย. 2545 : 102)

ภาพที่ 5.14 แสดงลักษณะการทํางานของโรงไฟฟาแบบหอคอยพลังงาน ที่มา (Ristinen & Kraushaar. 1999 : 110)

132

5.5.2.2 โรงไฟฟาแบบรางพาราโบลา โรงไฟฟาพลังงานความรอนแบบนี้ไดรับการพัฒนาขึ้นเปนชุดแรกในป ค.ศ. 1983 ในบริเวณทะเลทรายโมจาวี ซ่ึงอยูทางใตของรฐัแคลิฟอรเนีย โดยบริษัทลุซ อินเตอรเนชนัแนล (Luz International) ดังแสดงในภาพที่ 5.15 โดยมีขนาดกําลังการผลิต 13.8 เมกะวัตต และหลังจากนัน้ไดมีการพัฒนาสรางโรงไฟฟาในรูปแบบเดยีว กันอีก 8 ชุด ซ่ึงมีขนาดกําลังการผลิตแตกตางกัน โรงไฟฟาที่ใหญทีสุ่ดใน 9 โรงนี้คือโรงสดุทายมีขนาดกําลังการผลิตถึง 80 เมกะวัตต มีพืน้ที่ของรางพาราโบลาทั้งสิ้น 464,000 ตารางเมตร (Boyle. 1996 : 78) ทั้งหมดถูกสรางแลวเสร็จเมือ่ป ค.ศ. 1990 เปนผลใหตนทุนการกอสรางโรงไฟฟาตอกิโลวัตตลดลงจากชุดแรกถึงรอยละ 50 รวมกําลังการผลิตในชวงเวลาดังกลาวทั้งสิ้น 354 เมกะวัตต ในปจจุบนัตวัรับรังสีแสงอาทิตยของโรงไฟฟาแบบนี้ ไดรับการพัฒนาจนสามารถทําอุณหภูมิสูงถึง 400 องศาเซลเซียส และสามารถสรางใหมขีนาดกําลังการผลิตสูงกวา 100 เมกะวัตต

ภาพที่ 5.15 โรงไฟฟาแบบรางพาราโบลา ที่ทะเลทรายโมจาวี ในรัฐแคลิฟอรเนีย สหรัฐอเมริกา ที่มา (Czisch. 2001. On-line) 5.5.2.3 โรงไฟฟาแบบจานพาราโบลา การผลิตกระแสไฟฟาจากระบบจานพารา โบลา มีการประยุกตใชอยู 2 ระบบ คือ ใชกับเครื่องยนตสันดาปภายนอก (stirling engine) กับเครื่องยนตไอน้ําขนาดเล็ก (small stream engine) แตทีน่ิยมกนัมากคอืการใชกับเครื่องยนตสันดาปภายนอกเพราะสามารถทําอุณหภูมิใหสูงไดถึง 1,000 องศาเซลเซียส และมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานถึงรอยละ 30 (Boyle. 1996 : 79) สวนการประยุกตใชกบัเครื่องยนตไอน้ําขนาดเล็กนั้นจะมีความยุงยากเมื่ออุณหภูมิสูงเกนิ 700 องศาเซลเซียสขึ้นไป หลักการทํางานของระบบจาน

133

พาราโบลาที่ใชกับเครื่องยนตสันดาปภายนอกคือ เมื่อแสงสะทอนมารวมกันที่สวนรับแสงสะทอน สารทํางานซึ่งเปนของเหลวที่บรรจุอยูในสวนรับแสงสะทอนไดรับพลังงานความรอนจะมีอุณหภมูิสูงขึ้น พลังงานความรอนจากสารทํางานจะถายเทใหกับอากาศหรือกาซที่อยูภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต เมื่อกาซไดรับความรอนจะเกิดการขยายตวัไปดนัใหลูกสูบเคลื่อนที่ และเมื่ออุณหภูมิของกาซลดลงลูกสูบก็จะเคลือ่นที่กลับ การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของลูกสูบนี้เมื่อนําไปตอเขากบัชุดเครื่องกําเนดิไฟฟาจะสามารถผลิตไฟฟาออกมาได ขนาดกําลังการผลิตไฟฟาของระบบจานพาราโบลาแบบชุดเดียวที่เหมาะสมจะอยูในชวง 7-25 กิโลวัตต แตสามารถทําใหไดขนาดกําลัง การผลิตที่มากขึ้นโดยการประกอบตอกนัหลายๆ ชุด ดังแสดงในภาพที่ 5.16

ภาพที่ 5.16 แสดงลักษณะของโรงไฟฟาแบบจานพาราโบลา ที่มา (GoldenSun. 2005. On-line)

5.6 การผลิตไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตย การผลิตไฟฟาจากพลังงานแสงอาทิตยจากระบบตางๆ ที่ไดกลาวมาในหัวขอ 5.5 นั้น เปนการนําเอาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยมาผลิตกระแสไฟฟา แตในกรณีของเซลลแสง อาทิตยจะมีขอแตกตางออกไปคือ เซลลแสงอาทิตยสามารถผลิตกระแสไฟฟาออกมาไดโดยตรงเมื่อมีแสงอาทิตยซ่ึงไมวาจะมีแสงมากหรือนอยก็สามารถผลิตกระแสไฟฟาได โดยปริมาณของกระแส ไฟฟาที่ไดจะแตกตางกันไปตามคาพลังงานแสงอาทิตย ขนาด และคณุภาพของเซลลแสงอาทิตยแตละชนิด

134

5.6.1 เซลลแสงอาทิตย เซลลแสงอาทิตย เปนอุปกรณที่ใชสําหรับการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตยใหเปนพลังงานไฟฟา การสรางเซลลแสงอาทิตยโดยการนําสารกึ่งตัวนาํ เชน ซิลิคอน มาผานกระบวนการทางวิทยาศาสตรแลวทําใหเปนแผนบางบริสุทธิ์ เมื่อมีแสงมาตกกระทบลงบนแผนเซลลนี้ รังสีของแสงซึ่งอยูในรปูของกอนพลังงานหรือโฟตอน (photon) จะเกิดการชนและถายเทพลังงานใหกบั อิเล็กตรอน (electron) ซ่ึงอยูในอะตอมของสารกึ่งตัวนาํ ถาพลังงานที่ไดรับมากพอ อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากแรงดึงดูดของอะตอมและสามารถเคลื่อนที่ไดอยางอิสระ ทําใหเกดิไฟฟากระแสตรงขึ้น เซลลแสงอาทิตยมีอยูมากมายหลายชนดิสามารถจําแนกตามวัสดุทีใ่ชผลิตเปน 2 ประเภท ไดแก 5.6.1.1 เซลลแสงอาทิตยที่ทํามาจากซิลิคอน เปนเซลลแสงอาทิตยที่นยิมใชกัน มากที่สุด ซิลิคอนเปนธาตทุี่มีอยูมากมายในโลก เชน ในทรายที่มีอยูทั่วไปตามชายหาด หรือในหินประเภทควอตซ (quartz) วัตถุดิบเหลานี้จะมีปริมาณซิลิคอนประกอบอยูเปนจํานวนมาก โดยเฉพาะควอตซจะมีซิลิคอนประกอบอยูกวารอยละ 80-90 เซลลแสงอาทิตยทีท่ํามาจากซิลิคอนสามารถแบงตามลักษณะของโครงสรางผลึกออกเปน 3 ชนิด ไดแก (1) เซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบผลึกเดีย่ว (single crystalline silicon) เซลลแสงอาทิตยแบบนี้ไดจากการนําเอาซลิิคอนที่ผานการทําใหเปนกอน และมีความบริสุทธิ์สูงถึงรอยละ 99.9999 ไปหลอมละลายที่อุณหภมูิประมาณ 1,500 องศาเซลเซียส เพื่อทําการปลูกเปนแทงผลึกเดี่ยวขนาดใหญดวยเทคโนโลยีการดึงผลึก โดยมีเสนผานศูนยกลาง 6-8 นิ้ว จากนั้นก็จะนําแทงผลึกเดี่ยวนี้ไปตัดเปนแผนบางๆ เรียกวา เวเฟอร ซ่ึงอาจจะมีลักษณะเปนแผนสี่เหล่ียมหรือวงกลมหนาประมาณ 300 ไมโครเมตร แลวนําไปเจือสารฟอสฟอรัสเพื่อสรางเปนรอยตอทีเ่รียกวา รอยตอพีเอ็น (p-n junction) โดยวิธีการที่เรียกวาการแพร (diffusion) ที่อุณหภมูิประมาณ 1,000 องศาเซลเซียส หลังจากนั้นทาํเปนขั้วไฟฟาเพื่อนาํกระแสไฟออกไปใช ตัวอยางเซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบผลึกเดี่ยวดังแสดงในภาพที่ 5.17

ภาพที่ 5.17 แสดงเซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบผลึกเดีย่ว

135

2. เซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบผลึกโพลี (poly crystalline silicon)เซลลแสงอาทิตยแบบผลึกโพลีถูกพัฒนาขึน้ เพื่อแกปญหาเรื่องตนทนุในการผลิตเซลลแสงอาทิตยแบบผลึกเดี่ยว โพลีซิลิคอนคือกอนซิลิคอนที่เกิดจากการรวมตัวกนัของชิ้นเล็กๆ ของผลึกเดี่ยวของซิลิคอน การสรางเซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบผลึกโพลีมีขั้นตอนที่ส้ันและงายกวาแบบผลึกเดี่ยว จึงทําใหตนทนุการผลิตถูกลงและมีประสิทธิภาพต่ํากวาแบบผลึกเดีย่วเล็กนอย ตัวอยางเซลลแสง อาทิตยซิลิคอนแบบผลึกโพลี ดังแสดงในภาพที่ 5.18

ภาพที่ 5.18 แสดงเซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบผลึกโพลี 3. เซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบไมมีรูปผลึก (amorphous silicon) หรือเรียกวา เซลลแสงอาทิตยแบบฟลมบาง (thin film) เซลลแสงอาทิตยแบบฟลมบางมีวิธีการผลิตที่แตกตางไปจากเซลลแสงอาทิตยแบบผลึกโดยสิ้นเชิง วธีิการผลิตโดยการใชกาซไซเรน (SiH4) ผานเขาไปในทอสุญญากาศซึ่งเปนบริเวณที่มีการวางแผนฐานรองไว และทําการกระตุนใหซิลิคอนแยก ตัวออกจากกาซ ซิลิคอนที่แยกตวัออกจากกาซแลวจะเขาไปจับตัวกันอกีทีบนแผนฐานรอง ซิลิคอนจะเกิดการทับถมและสะสมอยูบนแผนฐานรองเกิดเปนแผนฟลมซิลิคอน ในขณะเดยีวกันกจ็ะมกีารแพรกาซโบรอน (B2H6) เขาไปเพื่อใหมีการเคลือบเปนรอยตอชนิด พ ี และแพรกาซที่เปนสารประกอบพวกฟอสเฟตเพื่อทําเปนรอยตอชนิด เอ็น หลังจากไดรอยตอพีเอ็นแลว ก็จะสรางสวนของขั้วไฟฟาตอไป

ภาพที่ 5.19 แสดงเซลลแสงอาทิตยซิลิคอนแบบฟลมบาง

136

5.6.1.2 เซลลแสงอาทิตยที่ทํามาจากสารประกอบ เชน สารประกอบ แกลเลี่ยมอาเซไนด (GaAs) แคดเมยีมเทลเลอไรด (CdTe) คอปเปอรอินเดียมไดอาเซไนด (CIS) เปนตน เซลลแสงอาทิตยประเภทนี้มีทั้งแบบผลึกเดี่ยวและผลึกโพลี สวนใหญมีประสิทธิภาพสูง แตมีขอเสียคือราคาแพงจึงทาํใหไมคอยเปนที่นิยมนํามาใช นอกจากนี้เซลลแสงอาทิตยประเภทนี้บางชนิดทํามาจากสารที่กอใหเกิดมลพษิ และมักมีปญหาเรื่องอายุการใชงาน เซลลแสงอาทิตยแตละชนิดมีประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟาแตกตางกันดังแสดงในตารางที่ 5.1 ตารางที่ 5.1 เปรียบเทียบประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย และประสิทธิภาพของแผงที่ประกอบ จากเซลลแสงอาทิตยแตละชนิด

ประเภทของเซลลแสงอาทิตย ประสิทธิภาพของเซลล(%) ประสิทธิภาพของแผง(%) ซิลิคอนแบบผลึกเดี่ยว 15-24 10-14 ซิลิคอนแบบผลึกโพลี 10-17 9-12 ซิลิคอนแบบฟลมบาง 8-13 6-9 แบบสารประกอบ GaAs/InP CdS/CdTe CuInSe2

18-30 10-15 10-15

NA

ที่มา (การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย. 2547ง. ออน-ไลน) 5.6.2 คุณลักษณะของเซลลแสงอาทิตย โดยปกติเซลลแสงอาทิตยแตละเซลล จะสามารถใหกระแสไฟฟาลัดวงจร (short circuit current, Isc) ประมาณ 3 แอมแปร และใหแรงดนัไฟฟาวงจรเปดประมาณ 0.5 โวลต (open circuit voltage, Voc) ภายใตเงื่อนไขมาตรฐานการทดสอบ (standard test condition, STC) ซ่ึงเปนการทดสอบเซลลแสงอาทิตยในสภาวะที่มคีารังสีดวงอาทิตย 1 กิโลวัตตตอตารางเมตร คามวลอากาศ (air mass) 1.5 และอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส สําหรับปจจยัหลักที่มีผลตอการผลิตไฟฟาของเซลลแสงอาทิตย ไดแก

137

5.6.2.1 คารังสีดวงอาทิตย (irradiance, G) ในการนําเอาเซลลแสงอาทิตยไป ใชงานจริงนัน้ สภาวะตางๆ จะไมเปนไปตามเงื่อนไขมาตรฐานการทดสอบดังที่ไดกลาวมาแลว ซ่ึงคารังสีดวงอาทิตยที่สองลงมายังพื้นโลกจะเปลี่ยนไปตลอดเวลา เปนผลทําใหปริมาณกระแสไฟฟาที่ผลิตจากเซลลแสงอาทิตยจะเปลี่ยนไปตามคารังสีดวงอาทิตย กลาวคือ ถาคารังสีดวงอาทิตยสูง เซลลแสงอาทิตยก็จะผลิตกระแสไฟฟาออกมาไดมาก ในขณะเดยีวกันถาถาคารังสีดวงอาทิตยต่ําเซลลแสงอาทิตยก็จะผลิตกระแสไฟฟาออกมาไดนอย ซ่ึงความสัมพันธของคารังสีดวงอาทิตยกับ คากระแสและแรงดันไฟฟาแสดงไวในภาพที่ 5.20 และสามารถคํานวณคากระแสที่เกดิขึ้นไดจาก GSTCII scsc ×= )( (5.6) เมื่อ scI คือ คากระแสไฟฟาทีส่ภาวะปกต ิ )(STCIsc คือ คากระแสไฟฟาภายใตเงื่อนไขมาตรฐาน G คือ คารังสีดวงอาทิตยทีส่ภาวะใดๆ มหีนวยเปน วัตต/ตารางเมตร (W/m2)

ภาพที่ 5.20 แผนภูมิแสดงความสัมพันธของคารังสีดวงอาทิตยกับคากระแสและแรงดันไฟฟา

ที่มา (Markvart. 2000 : 44)

138

5.6.2.2 อุณหภูมิ (temperature, T) อุณหภูมิเปนอีกปจจัยหนึ่งที่สงผลกระทบตอการผลิตพลังงานไฟฟาของเซลลแสงอาทิตย กลาวคือเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะทําใหแรงดันไฟฟาของ เซลลแสงอาทิตยต่ําลง โดยแรงดันไฟฟา (V) จะลดต่ําลง 2.3 มิลลิโวลต เมื่ออุณหภมูิเพิ่มขึ้นทุกๆ 1 องศาเซลเซียส ความสัมพันธของอุณหภูมกิับคากระแสและแรงดันไฟฟาดังแสดงไวในภาพที่ 5.21 และสามารถเขียนเปนสูตรไดวา

3.2−=dTdV (mV/ 0C) (5.7)

สวนคากําลังไฟฟา (P) ในหนวยวัตต (W) ที่ไดจากเซลลแสงอาทิตย หาคาไดจาก IVP = (5.8) และคาพลังงานไฟฟา (E) ซ่ึงหมายถึงปริมาณกําลังไฟฟาที่ไดในชวงเวลาหนึ่ง (t) สามารถหาคาไดจาก PtE = (5.9)

ภาพที่ 5.21 แผนภูมิแสดงความสัมพันธของอุณหภูมิกับคากระแสและแรงดันไฟฟา

ที่มา (Markvart. 2000 : 44)

139

5.6.3 สวนประกอบของระบบผลิตกระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตย เนื่องจากเซลลแสงอาทิตยจะผลิตไฟฟากระแสตรงออกมา และปริมาณของกระแสที่ออกมานั้นไมสม่ําเสมอเพราะการเปลี่ยนแปลงของรังสีดวงอาทิตย ดังนั้นในการประยุกตใชในงานจริงนั้น จะตองมีสวนประกอบหรืออุปกรณอ่ืนๆ เขามาชวย เพือ่ทําใหการใชไฟฟาจากระบบเซลลแสงอาทิตยมีความมัน่คงและมีความเหมาะสม 5.6.3.1 แผงเซลลแสงอาทิตย (photovoltaic module) เปนการนําเซลลแสงอาทิตยหลายๆ เซลลมาตอกันเพื่อใหไดปริมาณกาํลังไฟฟาตามที่ตองการ ในการตอเซลลแสงอาทิตยจะมีหลักการงายๆ คือ ถาตองการใหไดกระแสไฟฟามากๆ ใชวิธีนําเซลลแสงอาทิตยมาตอขนานกันและถาตองการใหไดแรงดนัไฟฟาสูงๆ ใหตอเซลลแสงอาทิตยแบบอนกุรมกัน สําหรับแผงเซลลแสง อาทิตยปกติโดยทัว่ไปเกดิจากการตอเซลลแสงอาทิตยแบบอนุกรมกันประมาณ 32-36 เซลล ทั้งนี้ตองใหเหมาะสมกับแรงดันของแบตเตอรี่ที่จะใชดวย และถามีการนาํแผงเซลลแสงอาทิตยหลายๆ แผงมาตอเชื่อมกันเปนแถว 1 แถว จะเรียกวา พาเนล (panel) และถาในระบบที่มีการตอแผงกันหลายๆ แถว จะเรียกวา เออรเรย (array) ดังแสดงในภาพที่ 5.22 โดยทัว่ไปคุณลักษณะของแผงเซลลแสงอาทิตยและจํานวนแผงเซลลแสงอาทิตยที่ตองใชในระบบขึ้นอยูกบัปริมาณของภาระทางไฟฟา (load) และคาเฉลี่ยรายวันของแสงอาทิตยในพื้นที่นัน้ๆ วามีมากนอยเพยีงใด ในการตดิตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยนัน้จะตดิตั้งในลักษณะเอียงเพื่อรับแสงอาทิตยใหไดแนวตั้งฉากมากทีสุ่ด โดยมุมเอียงในการติดตั้งจะมีคาเทากับละติจูดของพืน้ที่นั้นๆ เชน ประเทศไทยตั้งอยูที่ละติจดู 15-16 องศา ควรติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยใหเอียงเปนมุมประมาณ 15-16 องศากับแนวราบเชนเดียวกัน

ภาพที่ 5.22 แสดงลักษณะการเชื่อมตอเซลลแสงอาทิตยในรูปแบบตางๆ

140

5.6.3.2 เครื่องแปลงกระแสไฟฟา เปนอุปกรณทีใ่ชสําหรับแปลงไฟฟากระแสตรง ใหเปนไฟฟากระแสสลับ ระบบเซลลแสงอาทิตยที่ตองใชเครื่องแปลงกระแสไฟฟาคือระบบที่ตองมีการจายไฟใหกับแหลงที่ใชอุปกรณไฟฟากระแสสลับ เชน หมอหงุขาวไฟฟา ตูเย็น โทรทัศน พัดลม เปนตน การใชเครือ่งแปลงกระแสไฟฟาชวยในการแปลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสสลับจะเกิดการสูญเสียอยูเสมอ อยางไรก็ตามในปจจบุันเครื่องแปลงกระแสไฟฟาไดถูกพัฒนาใหมีประสิทธิภาพคอนขางสูง คือจะอยูที่ประมาณรอยละ 90-95 ซ่ึงหมายความวา ในการแปลงไฟฟาอาจมีการสูญเสียเกิดขึ้นเพียงรอยละ 5-10 เทานั้น ในการนําเครื่องแปลงกระแสไฟฟาไปใชงานควรติดตั้งเครื่องแปลงกระแสไฟฟาในที่รมทีม่ีอุณหภูมิไมเกิน 40 องศาเซลเซียส ความชื้นไมเกนิรอยละ 60 มีการระบายอากาศไดดแีละไมมีสัตวจําพวก หนู หรืองู มาทําใหเกิดความเสยีหาย ตัวอยางของเครื่องแปลงกระแสไฟฟาดังแสดงในภาพที่ 5.23

ภาพที่ 5.23 แสดงตัวอยางเครื่องแปลงกระแสไฟฟา 5.6.3.3 เครื่องควบคุมการประจุไฟฟา เปนอุปกรณที่ใชสําหรับควบคุมการประจุไฟฟาลงในแบตเตอรี่ เพื่อปองกันไมใหมีการประจไุฟฟาลงในแบตเตอรี่เกินความสามารถของแบตเตอรี่ (overcharging) นอกจากนี้ยงัทําหนาที่เปนตัวตัดสินใจเลอืกวาจะสงกระแสไฟฟาไปยังเครื่องแปลงกระแสไฟฟาหรือสงไปยังแบตเตอรี่ หรือตัดเซลลแสงอาทิตยออกจากระบบและตอแบตเตอรี่ไปยงัเครื่องแปลงกระแสไฟฟา ปจจุบันวงจรสําหรับการควบคุมการประจุไฟฟามักถูกสรางรวมไวในกลองเดียวกบัวงจรการแปลงกระแสไฟฟา ทั้งนี้เพือ่ความสะดวกในการติดตั้งและงายตอการดแูลรักษา ตัวอยางของเครื่องควบคุมการประจไุฟฟาดังแสดงในภาพที่ 5.24

141

ภาพที่ 5.24 แสดงตัวอยางของเครื่องควบคุมประจ ุ

5.6.3.4 แบตเตอรี่ เปนอุปกรณสําหรับเก็บพลังงานไฟฟาสํารองซึ่งอยูในรูปของพลังงานเคมี แบตเตอรี่มีความจําเปนมากในระบบที่ตองใชไฟฟาในเวลากลางคืนเนื่องจากไมมีแสงอาทิตย หรือในบางระบบอาจใชแบตเตอรี่เปนแหลงพลังงานไฟฟาสํารองในกรณทีี่แสงอาทิตยเกิดการเปลีย่นแปลงอันเนื่องมาจากสภาพภมูิอากาศ แบตเตอรี่มีอยูมากมายหลายชนิด แตที่นิยมใชกันโดยทัว่ไปคือ แบตเตอรีช่นิดตะกั่วกรด (lead acid) การติดตั้งแบตเตอรี่ควรใหอยูในที่รมไมถูกแสงอาทิตย ไมอยูใกลแหลงความรอนใดๆ และควรเปนที่ที่มีการระบายอากาศไดดี เพราะอาจมีกาซที่เกิดจากปฏิกริิยาเคมีภายในแบตเตอรี ่ ตัวอยางของแบตเตอรี่ที่ใชในระบบเซลลแสงอาทิตยดังแสดงในภาพที่ 5.25

ภาพที ่5.25 แสดงตัวอยางของแบตเตอรี ่

142

5.6.4 การประยุกตใชระบบเซลลแสงอาทิตย ดังที่ไดกลาวมาแลววา เซลลแสงอาทิตยเปนอุปกรณทีเ่ปลี่ยนแสงอาทิตยใหเปนกระแสไฟฟาไดโดยตรงดังนัน้จึงนยิมนํามาประยุกตใชในหลากหลายรูปแบบ อยางไรก็ตามหากจําแนกตามลักษณะการประยุกตใชประโยชนจากระบบเซลลแสงอาทิตยแลว จะสามารถจําแนกออกเปน 2 ระบบ คือ 5.6.4.1 ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระ (standalone system) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบนี้ เหมาะสําหรับเปนแหลงจายพลังงานไฟฟาใหกับผูใชที่อยูในพื้นที่หางไกล หรือในถ่ินทุรกันดารซึ่งเปนพื้นทีท่ี่ระบบสายสงไฟฟาเขาไปไมถึง ระบบเซลลแสงอาทิตยที่เปนระบบอิสระ มีรูปแบบยอยๆ อีกหลายแบบดวยกนัดังตอไปนี ้ (1) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบตอตรงเขากับภาระทางไฟฟา ระบบนี้เปนแบบที่งายที่สุดไมมีความซับซอน ดังแสดงในภาพที่ 5.26 ระบบนี้ใชไดเฉพาะตอนมีแสงอาทิตยและใชเฉพาะกับอุปกรณไฟฟาแบบกระแสตรงเทานั้น ซ่ึงสวนใหญจะเปนระบบเล็กๆ เชน ระบบสูบน้ํา หรือใชกับหลอดไฟ หรือพัดลมเครื่องเล็กๆ เปนตน

ภาพที่ 5.26 แสดงผังระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบตอตรงเขากับภาระทางไฟฟา (2) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบใชแบตเตอรี่ ระบบนี้สามารถเก็บพลังงานไฟฟาไวใชในตอนกลางคืนได รูปแบบของระบบนี้ดังแสดงในภาพที ่ 5.27 อยางไรก็ตามในปจจุบนัระบบแบบนีไ้ดเลิกใชไปแลวเนื่องจากไมมีอุปกรณที่คอยควบคุมการประจุไฟฟาลงแบตเตอรี่ ทําใหแบตเตอรี่เสือ่ม สภาพเร็ว

ภาพที่ 5.27 แสดงผังระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบใชแบตเตอรี่

PV Array DC Load

PV Array DC Load

Battery

143

(3) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบมีอุปกรณควบคุมการประจุไฟฟา เปนระบบที่ถูกพัฒนาโดยมีอุปกรณสําหรับการควบคุมการประจุไฟฟาลงในแบตเตอรี่เพื่อใหเปนไปตามขนาดหรือความสามารถในการรับการประจุไฟฟาของแบตเตอรี่ ซ่ึงชวยทาํใหอายกุารใชของแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น ระบบนี้ปจจุบนัยังพอมใีชอยูบาง เชน สถานีประจุไฟฟาดวยแบตเตอรี ่(battery charging station) เปนตน รูปแบบของระบบนี้ดงัแสดงในภาพที่ 5.28

ภาพที่ 5.28 แสดงผังระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบมีอุปกรณควบคมุการประจุไฟฟา

(4) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบใชกับภาระไฟฟาที่เปนกระแส สลับ ระบบนี้จะมีความซับซอนมากขึ้นเพราะตองใชอุปกรณในการแปลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสสลับเพือ่นําไปใชกับภาระทางไฟฟาที่เปนแบบกระแสสลับ ในขณะเดียวกนักย็ังสามารถใชกับภาระทางไฟฟาที่เปนแบบกระแสตรงไดดวย ดังแสดงในภาพที่ 5.29 ระบบนีน้ิยมใชในพืน้ที่หางไกลที่ไมมรีะบบสายสงไฟฟาและเปนระบบที่ไมใหญมากนัก เชน ระบบบานพลังงานแสง อาทติย (solar home system) เปนตน

ภาพที่ 5.29 แสดงผังระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบใชกับภาระทางไฟฟากระแสสลับ (5) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระ แบบมีแหลงผลิตไฟฟาหลายแหลง หรือเรียกวา แบบผสมผสาน (hybrid system) ระบบนี้นอกจากใชเซลลแสงอาทิตยเปนแหลงผลิตไฟฟาแลวยังมแีหลงผลิตไฟฟาอื่นๆ มาชวยเสริมความมั่นคงใหกับระบบ เชน การใชเครื่องยนต

PV Array DC Load

Battery

Controller

PV Array DC Load

Battery

Controller

Inverter AC Load

144

ดีเซล การใชกงัหันลม เปนตน จึงทําใหระบบนี้คอนขางเปนที่นิยมใชกนัอยางแพรหลาย อยางไรก็ตามระบบนี้จะมีความซับซอนเชิงเทคนิคมากกวาระบบอื่น รูปแบบของระบบนี้แสดงในภาพที่ 5.30

ภาพที่ 5.30 แสดงผังระบบเซลลแสงอาทิตยแบบอิสระแบบมีแหลงผลิตไฟฟาหลายแหลง 5.6.4.2 ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบเชื่อมตอกับสายสง (grid connected system) ระบบเซลลแสงอาทิตยแบบนี้ เหมาะสาํหรับเปนแหลงจายไฟฟาใหกับผูใชที่ตองการความมั่นคงของระบบมากๆ ซ่ึงหากแสงอาทิตยมีการเปลี่ยนแปลงจะสามารถใชไฟฟาจากระบบสายสงไดทนัที หรือสําหรับผูใชระบบที่ตองการขายไฟฟาคืนสูระบบสายสงในกรณทีี่มีไฟฟาเหลือใชหรือไมไดใชในตอนกลางวนั ระบบนีก้ําลังเปนที่ไดรับความนิยมเพราะในตอนกลางวันหากตองไปทํางานที่อ่ืน ไฟฟาที่ผลิตไดจะถูกสงเขาไปขายในระบบสายสง สวนในตอนกลางคืนก็สามารถใชไฟฟาจากระบบสายสงได ซ่ึงปริมาณการผลิตและการใชไฟฟาดังกลาวจะถูกนํามาหักลบกัน แลวคิดเปนคาไฟฟาออกมา รูปแบบของระบบแบบนีแ้สดงในภาพที่ 5.31

ภาพที่ 5.31 แสดงผังระบบเซลลแสงอาทิตยแบบเชื่อมตอกับสายสง

PV Array

Power

Condition

Diesel

Generator

DC

BUS AC

BUS AC Wind

Generator

DC Wind

Generator

Battery

DC Load AC Load

PV Array Load Grid

Inverter

Utility Grid

145

5.7 ประเทศไทยกับการใชพลังงานแสงอาทิตย การใชประโยชนจากพลังงานแสงอาทิตยในรูปแบบตางๆ ตามที่ไดกลาวมาแลวนั้น จะมีประเด็นหลักที่ควรไดรับการพิจารณากลาวถึงคือ การใชพลังงานแสงอาทิตยในการผลิตไฟฟาเพราะการใชในรูปแบบอื่นๆนั้นเปนการใชความรอนจากแสงอาทิตยโดยตรงซึ่งถือเปนสภาพปกติทั่วไป แตการใชพลังงานแสงอาทิตยเพือ่ผลิตไฟฟานัน้กําลังไดรับความนยิมจากทัว่โลกเนื่องจากตองการใชพลังงานแสงอาทติยเปนแหลงพลังงานเพื่อทดแทนแหลงพลังงานจากซากดึกดําบรรพ ดงันั้นในหวัขอนี้จึงขอกลาวถึงเฉพาะการใชพลังงานแสงอาทิตยเพื่อผลิตไฟฟาเทานัน้ จากการศึกษาศักยภาพพลังงานแสงอาทิตยของประเทศไทย พบวาประเทศไทยมีคาเฉลี่ยรายปของพลังงานจากแสงอาทิตยประมาณ 18.2 เมกะจลูตอตารางเมตรตอวัน โดยมีคาสูงสุดเทากับ 25 เมกะจูลตอตารางเมตรตอวัน ในชวงเดอืนเมษายน ในบริเวณพื้นทีภ่าคกลางตอนบนเชื่อมตอกบัภาคตะวันออกเฉียงเหนือบางจังหวดั (กรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน. 2542 : 95-96) และจากการศึกษาขอมลูจากสถานีตรวจอากาศพบวา การแผรังสีของดวงอาทิตยในประเทศไทยนัน้มีศักยภาพสําหรับการผลิตไฟฟาเฉลี่ยไดที่ 4.6 ถึง 5.3 หนวย (kWh) ตอตารางเมตรตอวัน โดยมีจํานวนชั่วโมงการสองสวางของดวงอาทิตย 2,200 ถึง 2,900 ช่ัวโมงตอป หรือ 6 ถึง 8 ช่ัวโมงตอวนั (กรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน. 2542 : 36) ซ่ึงแสดงใหเห็นวาประเทศไทยมีศกัยภาพพลังงานแสงอาทิตยคอนขางสูง เหมาะสําหรับการใชทั้งในรปูของพลังงานความรอนและการผลิตไฟฟา แผนที่ศักยภาพพลังงานแสงอาทิตยของประเทศไทยดังแสดงในภาพที่ 5.32 การใชพลังงานแสงอาทิตยผลิตไฟฟาในประเทศไทย มีมากวา 30 ป แตปริมาณการใชถือวานอยมากและอยูในแวดวงที่จํากัด อยางไรก็ตามหลังจากเกิดวิกฤตน้าํมันครั้งแรกกเ็ร่ิมมีการสนใจอยางจริงจังมากขึ้นโดยเฉพาะหนวยงานภาครัฐที่มีสวนเกีย่วของ เชน กรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน ซ่ึงปจจุบันเปลี่ยนชื่อเปน กรมพฒันาพลังงานทดแทนและอนุรักษพลังงาน การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย และหนวยงานทางการศึกษา เชน มหาวิทยาลยัตางๆ เร่ิมมีการตื่นตัวที่จะใชและทําการวิจยัในดานนี้มากขึ้น นอกจากนีก้ารใชพลังงานแสงอาทิตยมีความแพรหลายมากขึน้เพราะไดรับการสนับสนุนจากรัฐบาลอยางจริงจัง ซ่ึงจะเห็นไดการที่คณะรัฐมนตรีไดมีมติเมื่อวนัที่ 3 มิถุนายน พ.ศ. 2546 อนุมัติโครงการเรงรัดขยายบริการไฟฟาโดยระบบผลิตกระแสไฟฟาดวยพลังงานแสงอาทิตย หรือโครงการบานพลังงานแสงอาทติย (solar home system) ใหกบัครอบครัวที่ไมมีไฟฟาใช โดยมุงเนนไปที่ครอบครัวที่อยูในเขตชนบทที่ระบบสายสงของการไฟฟายังไปไมถึงรวมทั้งสิ้น 290,716 ครอบครัว ในวงเงินงบประมาณจํานวน 7,631,295,000 บาท มีระยะเวลาของ

146

โครงการ 2 ป คือถึงป พ.ศ. 2548 นอกจากนี้ยังมีโครงการสรางโรงไฟฟาเซลลแสงอาทิตยขนาด 500 กิโลวัตต ที่จังหวัดแมฮองสอน เพื่อผลิตไฟฟาเสริมใหกบัระบบไฟฟาของจังหวดั โดยไดดําเนนิการกอสรางมาตั้งแตป พ.ศ. 2545 และเริ่มเปดใชมาเมื่อตนป พ.ศ. 2547 นับวาการผลิตไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยในประเทศไทยนัน้มีอัตราการเติบโตคอนขางรวดเร็วเมื่อเทียบกับชวงเวลาที่ผานมา และถือวามีอัตราการเจริญสูงสุดเมื่อเทียบกับการใชพลังงานหมุนเวยีนอยางอื่นในการผลิตไฟฟา

ภาพที่ 5.32 แสดงแผนที่ศักยภาพพลังงานแสงอาทิตยเฉลี่ยตลอดปของประเทศไทย ที่มา (กรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน. 2542 : 82)

147

5.8 บทสรุป

ดวงอาทิตยนบัเปนแหลงพลังงานที่ยิ่งใหญที่สุด เพราะเปนตนกําเนิดของพลังงานทั้งปวงยกเวนเพียงความรอนใตพิภพกับพลังงานน้ําขึ้นน้ําลงเทานั้น พลังงานที่เกิดขึน้ภายในดวงอาทิตยเกิดจากปฏิกิริยานวิเคลียรแบบลูกโซโปรตอน-โปรตอน แลวปลอยพลังงานออกมาในรูปของพลังงานแสงอาทิตย เมื่อเดินทางมายังโลกนั้นจะตกถึงพืน้โลกเพียง 51% ถูกสะทอนกลับ 30% และถูกดูดซับโดยชั้นบรรยายกาศ 19% ลักษณะของแสงทีม่านั้นจะมีทั้งรังสีตรง และรังสีกระจาย ซ่ึงมนุษยสามารถประยุกตใชไดทั้งสองกรณีตามความเหมาะสม เชน รังสีตรงจะเหมาะกับเทคโนโลยีที่ใชพลังงานความรอนโดยตรง เชน การอบแหง เครื่องทําน้ํารอน เครือ่งกล่ันน้ํา หรือเทคโนโลยีที่ใชพลังงานความรอนไปผลิตไฟฟา เชน โรงไฟฟาแบบหอคอยพลังงาน แบบรางพาราโบลา และแบบจานพาราโบลา สวนรังสีกระจายจะเหมาะกับระบบเซลลแสงอาทิตย ซ่ึงไมตองการอุณหภูมสูิง ประเทศไทยเปนประเทศทีม่ีศักยภาพทางดานพลังงานแสงอาทิตยคอนขางดี จึงควรมีการศึกษาวจิัย เพื่อพัฒนาองคความรูดานเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทติย ซ่ึงจะเปนการลดการพึ่งพาแหลงพลังงานจากภายนอกประเทศไดอีกทางหนึ่ง

5.9 คําถามทบทวน 1. จงบอกถึงลักษณะทั่วไปของดวงอาทิตยมาพอสังเขป 2. จงอธิบายถึงปฏิกิริยาที่เกดิขึ้นภายในดวงอาทิตย 3. จงอธิบายถึงอันตรกิริยาตางๆ ของแสงอาทิตยในชัน้บรรยากาศขณะที่เดินทางมายงัโลก 4. จงอธิบายถึงลักษณะรังสีของแสงอาทิตย 5. จงอธิบายถึงภาพรวมของการประยกุตใชพลังงานแสงอาทิตย 6. จงบอกถึงหลักการทั่วไปในการอบแหงและลักษณะทั่วไปของเครื่องอบแหง 7. จงบอกถึงหลักการทั่วไปของเครื่องทําน้ํารอนพลังงานแสงอาทิตย 8. จงบอกถึงประเภทและอธิบายลักษณะทั่วไปของโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย 9. จงอธิบายถึงหลักการทํางานของเซลลแสงอาทิตยและประเภทของเซลลแสงอาทิตย 10. จงกลาวถึงความเปนไปไดในการใชพลังงานแสงอาทติยแทนพลังงานจากซากดึกดาํบรรพให มากขึ้น

148

เอกสารอางอิง

กรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน. กระทรวงวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีและมหาวิทยาลัยศิลปากร.

(2542). แผนทีศั่กยภาพพลงังานแสงอาทิตยจากขอมูลดาวเทียมสําหรับประเทศไทย. กรุงเทพ : จิรังรัชต.

การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย. (2547ค). เคร่ืองทําน้ํารอนพลงังานแสงอาทติย. [ออน-ไลน]. แหลงที่มา: http://www.egat.co.th/ rdo/energy/web-heater/index_heater.htm.

______. (2547ง). ไฟฟาจากพลังงานแสงอาทิตย. [ออน-ไลน]. แหลงที่มา: http://www.egat.co.th/ rdo/energy/web-pv/index_pv.htm.

เคร่ืองอบแหงพลังงานแสงอาทิตยแบบขจัดน้ํา. [ภาพนิ่ง]. (2548). พิษณุโลก : วิทยาลัยพลังงานทดแทน มหาวิทยาลัยนเรศวร.

ทนงเกยีรติ เกยีรติศิริโรจน. (2531). อนุกรมพลังงานนอกแบบและการใชพลังงานอยางมีประสิทธิภาพ (เลมท่ี 1 การแผรังสดีวงอาทติยและตัวรับรงัสี). กรุงเทพฯ : สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี.

นิพนธ เกตจุอย. (2545, กรกฎาคม-ธันวาคม). “เทคโนโลยีโรงไฟฟาพลังงานความรอนจากแสงอาทิตย,” วารสารมหาวิทยาลัยนเรศวร. 10(2) . 93-109.

สมชาติ โสภณรณฤทธิ์. (2537). การอบแหงเมล็ดพชื. กรุงเทพฯ : คณะพลังงานและวัสดุ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาธนบุรี.

อนุตร จําลองกุล. (2545). พลังงานหมุนเวียน. กรุงเทพฯ : คณะวิศวกรรมและเทคโนโลยี การเกษตร สถาบันเทคโนโลยีราชมงคล.

Astronomy Education. (2004). Sun’s Structure. [On-line]. Available: http://astronomy.nju.edu.cn/astron/AT3/AT31603.HTM.

Boyle, G. (1996). Renewable Energy Power for a Sustainable Future. New York : Oxford University Press.

Czisch, G. (2001). Parabolic Trough. [On-line]. Available: http://www.iset.uni-kassel.de/abt/w3-w/folien/magdeb030901/folie_8.html.

GoldenSun. (2005). Parabolic Dish Concentrator System. [On-line]. Available: http://www.goldensun.sk/GS%20-%20ENG%20-%20CSP_files/image002.jpg.

Markvart, T. (2000). Solar Electricity. 2nd ed. Chichester : John Wiley & Sons.

149

NASA. (2002). Earth’s Energy Budget. [On-line]. Available: http://asd-www.larc.nasa.gov/ erbe/components2.gif.

NREL’s Photographic Information Exchange. (2005). Power Tower. [On-line]. Available: http://www.nrel.gov/data/pix/searchpix.html.

Physics UC. (2005). Sun’s Layers. [On-line]. Available: http://www.physics.uc.edu/~hanson/ ASTRO/LECTURENOTES/W03/Lec3/SunOutLayers.GIF.

Ristinen, Robert A. & Kraushaar, Jack J. (1999). Energy and the Environment. New York : John Wiley & Sons.

Shepherd, W. & Shepherd, D.W. (1998). Energy Studies. Singapore : World Scientific. Solar Engineering Services. (2005). Solar Crop Dryers. [On-line]. Available:

http://www.solarengineering.co.za/Update%20-%20Dec%2012,03/solardriers_htm1.htm. The LESA Project . Sun Energy. [On-line]. (2003). Available: http://www.lesaproject.com/ lesa/energy/solar_energy/solar_energy/energy.htm. Walker, Elaine. (2004). Concentrating Collector. [On-line]. Available:

http://reslab.com.au/resfiles/hightemp/text.html.

หนังสืออิเล็กทรอนิกส

ฟสิกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสิกส 1 (ความรอน)

ฟสิกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวิทยาฟสิกส เอกสารคําสอนฟสิกส 1ฟสิกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสิกสดวยภาษา c ฟสิกสพิศวง สอนฟสิกสผานทางอินเตอรเน็ต

ทดสอบออนไลน วีดีโอการเรียนการสอน หนาแรกในอดีต แผนใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร

แบบฝกหัดออนไลน สุดยอดสิ่งประดิษฐ

การทดลองเสมือน

บทความพิเศษ ตารางธาตุ)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานุกรมฟสิกส ลับสมองกับปญหาฟสิกส

ธรรมชาติมหัศจรรย สูตรพื้นฐานฟสิกส

การทดลองมหัศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหัดกลาง

แบบฝกหัดโลหะวิทยา แบบทดสอบ

ความรูรอบตัวท่ัวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐี( คดีปริศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คําศัพทประจําสัปดาห ความรูรอบตัว

การประดิษฐแของโลก ผูไดรับโนเบลสาขาฟสิกส

นักวิทยาศาสตรเทศ นักวิทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพิศวง การทํางานของอุปกรณทางฟสิกส

การทํางานของอุปกรณตางๆ

การเรียนการสอนฟสิกส 1 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร3. การเคลื่อนท่ีแบบหนึ่งมิต ิ 4. การเคลื่อนท่ีบนระนาบ5. กฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน 6. การประยุกตกฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน7. งานและพลังงาน 8. การดลและโมเมนตัม9. การหมุน 10. สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง11. การเคลื่อนท่ีแบบคาบ 12. ความยืดหยุน13. กลศาสตรของไหล 14. ปริมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอท่ีหน่ึงและสองของเทอรโมไดนามิก 16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17. คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง การเรียนการสอนฟสิกส 2 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. ไฟฟาสถิต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตัวเก็บประจุและการตอตัวตานทาน 5. ศักยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหล็ก 8.การเหนี่ยวนํา9. ไฟฟากระแสสลับ 10. ทรานซิสเตอร 11. สนามแมเหล็กไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเห็น13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตัม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นิวเคลียร

การเรียนการสอนฟสิกสท่ัวไป ผานทางอินเตอรเน็ต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปลฮารโมนิก คลื่น และเสียง

5. ของไหลกับความรอน 6.ไฟฟาสถิตกับกระแสไฟฟา 7. แมเหล็กไฟฟา 8. คลื่นแมเหล็กไฟฟากับแสง9. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร

ฟสิกสราชมงคล