ติดโซล่าเซลล์
มาทำความเข้าใจพื้นกันว่า โซล่าเซลล์ คืออะไร เอาไปใช้ทำอะไรได้บ้าง
ในวันที่เรากำลังหาวิธีลดภาวะโลกร้อน ผู้คนหันมาให้ความสนใจเกี่ยวกับพลังงานทดแทนมากขึ้น โดยเฉพาะพลังงานจากแสงอาทิตย์โดยใช้โซล่าเซลล์เป็นอุปกรณ์ในการแปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ทำให้หลายคนอาจจะอดสงสัยไม่ได้ว่า โซล่าเซลล์ คืออะไร
ในบทความนี้จะอธิบายถึง หลักการทำงานเบื้องหลังของโซล่าเซลล์ ประเภทของโซล่าเซลล์ การใช้งานโซล่าเซลล์ อนาคตของโซล่าเซลล์
โซล่าเซลล์ คืออะไร
โซล่าเซลล์เป็นอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนแสงให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งกระบวนการดังกล่าวสามารถเปลี่ยนได้โดยวัสดุที่เรียกว่า สารกึ่งตัวนำ (semiconductors) ที่เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติระหว่าง สารตัวนำ (conductor) และฉนวนไฟฟ้า (insulators)
โดยปกติแล้วโซล่าเซลล์จะประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำหลายชั้นประกอบเข้าด้วยกันทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า p-n junction ซึ่งเกิดได้จากการประกบกันระหว่างสารกึ่งตัวนำด้าน n-type ที่มีอิเล็กตรอนส่วนเกิน ประกอบเข้ากับสารกึ่งตัวนำด้าน p-type ที่ขาดอิเล็กตรอน เมื่อนำมาประกบกันจะเกิดสนามไฟฟ้า (electric field) ซึ่งเป็นกลไกสำคัญในการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น
เมื่อแสงตกกระทบสารกึ่งตัวนำ จะเกิดฟรีอิเล็กตรอน (free-electron) ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเกิดสิ่งที่เรียกว่า electron hole pair ซึ่ง เป็นเหมือนกับอิเล็กตรอน และรูสำหรับประกบกับอิเล็กตรน ซึ่งโดยปกติแล้ว หากปล่อยไว้เฉยๆ อิเล็กตรอน และรูนี้จะรวมเข้าหากันและไม่สามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้
แต่เนื่องจาก electric field ที่กล่าวไว้ข้างต้น เป็นตัวที่ทำให้ electron hole pair ไม่กลับมารวมกัน และสามารถทำให้อิเล็กตรอน หรือกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรที่เราต้องการแทนได้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้นั่นเอง (รูปประกอบ asrmeta.com)
ประเภทของโซล่าเซลล์ mono-crystalline poly-crystalline และ thin-film
โซล่าเซลล์จะถูกแบ่งออกเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆคือ แบบผลึกเดี่ยว (mono-crystalline) แบบหลายผลึก (poly-crystalline) และแบบฟีล์มบาง (thin-film) เรามาเริ่มดูโซล่าเซลล์แต่ละประเภทกันก่อนนะครับ (รูปประกอบ solarreviews.com)
แบบแรก mono-crystalline เป็นแผงโซล่าเซลล์ที่เรียกว่ามีประสิทธิภาพสูงสุด แต่ก็เป็นชนิดของโซล่าเซลล์ที่ราคาสูงที่สุดเช่นกัน เนื่องจากต้องใช้กระบวนการผลิตค่อนข้างมาก แต่หากมองข้ามเรื่องของราคาแล้วถือเป็นชนิดของโซล่าเซลล์ที่ใช้พื้นที่ได้คุ้มค่าที่สุด และเนื่องจากเป็นผลึกเดี่ยวทำให้เรามองเห็นเป็นสีๆเดียว เกิดความสวยงาม ทำให้เป็นชนิดของแผงโซล่าเซลล์ที่ได้รับความนิยมสำหรับติดบ้านมากที่สุด
โซล่าเซลล์ชนิดถัดมาคือ poly-crystalline เราสามารถสังเกตุความแตกต่างได้ง่ายๆคือจะเป็นแผงโซล่าเซลล์สีน้ำเงิน และจะมีลักษณะเป็นผลึก เนื่องจากกระบวนการผลิต ถึงแม้ว่าโซล่าเซลล์ประเภทนี้จะมีประสิทธิภาพทีต่ำกว่า mono-crystalline แต่ราคาก็ถูกกว่าเช่นกัน ทำให้ค่อนข้างเป้นที่นิยมในโซล่าฟาร์มขนาดใหญ่ (ภาพประกอบ ases.org)
โซล่าเซลล์ประเภทถัดมาที่ค่อนข้างมีความแตกต่างจากทั้ง mono-crystalline และ poly-crystalline คือ thin-film ซึ่งเป็นโซล่าเซลล์ชนิดที่ไม่ได้มีโครงสร้างแบบ crystalline เหมือนในแบบสองแบบแรกข้างต้น แต่จะเป็นการติดสารกึ่งตัวนำ (semi-conductor) ลงบนแผ่นพลาสติคบางๆ หรือแก้วได้ ทำให้เป็นที่นิยมในการใช้โซล่าเซลล์บนพื้นที่ๆต้องการความสวยงามหรือต้องการความยืดหยุ่น เช่น อาคารต่างๆ โดยสามารถนำโซล่าเซลล์ชนิดนี้ไปใช้ที่กระจก หรือแผ่นพลาสติคได้นั่นเอง
ประเภทของระบบ และการใช้งานโซล่าเซลล์
ในโลกของความเป็นจริง โซล่าเซลล์สามารถใช้งานได้หลากหลาย แต่โดยหลักๆแล้ว 3 ระบบที่มีความสำคัญคือ ออนกริด (ongrid) ออฟกริด (offgrid) และระบบไฮบริด (hybrid)
ระบบ ออนกริด (on-grid)
ระบบออนกริดเป็นระบบที่ได้รับความนิยมมากที่สุด โดยเป็นการใช้ไฟจากการไฟฟ้าผสมเข้ากับไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์ที่เราผลิตได้ เราเรียกกระบวนการนี้ว่าการขนานไฟ ทำให้เราไม่ต้องกังวลว่าไฟจากโซล่าเซลล์ของเราจะพอใช้หรือไม่ แต่ข้อเสียคือหากไฟฟ้าดับ ไม่มีไฟฟ้าจากการไฟฟ้า ระบบจะตัดการทำงานทันที ทำให้เราไม่สามารถใช้ไฟฟ้าเมื่อไฟฟ้าจากการไฟฟ้าดับได้
หลายคนจึงแอบสงสัยไม่ได้ว่า แบบนี้จะมีโซล่าเซลล์ไว้ทำไม เพราะตามความเข้าใจของหลายคนจะเข้าใจว่า โซล่าเซลล์ติดไว้เพื่อใช้ในยามที่ไม่มีไฟฟ้า ซึ่งในความเป็นจริงนั้นสำหรับระบบออนกริด เป็นเพียงการช่วยลดค่าไฟฟ้าเท่านั้น
ระบบ ออฟกริด (off-grid)
ระบบถัดมาคือระบบออฟกริด ส่วนใหญ่เป็นการใช้งานบนพื้นที่ๆไฟฟ้าเข้าไม่ถึง เช่นในท้องไร่ท้องนา ที่การขอไฟฟ้าจากภาครัฐอาจใช้เวลาหลายปี หรือระยะทางการเข้าถึงไฟฟ้าค่อนข้างมีระยะทางที่ไกล หรือลักษณะของการใช้งานของเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก ที่ใช้ไฟฟ้าไม่มาก และไม่คุ้มที่จะเดินสายไฟ เช่น ไฟส่องทางเดินทางซอกซอยต่างๆ
ระบบ ไฮบริด (hybrid)
ระบบสุดท้ายคือระบบไฮบริด เป็นการนำระบบออนกริด และระบบออฟกริดเข้ามาผสมเข้าด้วยกัน ซึ่งระบบไฮบริดเป็นระบบที่คอนข้างซับซ้อน และมีรูปแบบย่อยหลายรูปแบบลงไปอีก โดยในที่นี้จะไม่ขอพูดถึงนะครับ
แต่หลายคนอาจจะสงสัยว่าถ้าระบบไฮบริดมันเป็นการรวมกันระหว่างระบบออนกริดและระบบออฟกริด แล้วทำไมเราไม่ใช้ระบบนี้ไปเลย เราจะได้ใช้ไฟจากการไฟฟ้าแบบไม่ต้องกังวล รวมถึงสามารถใช้ไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์ตอนที่ไฟฟ้าดับได้อีกด้วย
ซึ่งแน่นอนว่าทุกอย่างมีข้อดีข้อเสียของมัน ข้อเสียของระบบไฮบริดอย่างแรกคือ มีความยุ่งยากกว่าเนื่องจากว่าหากเราต้องการใช้ไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์ในช่วงที่ไฟฟ้าดับ ไฟจากโซล่าเซลล์จะต้องผ่านตัวอินเวอร์เตอร์ทั้งหมด ทำให้เราจะต้องทำการแยกไลน์ หรือเส้นทางของเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นกลุ่มๆ ว่ากลุ่มไหนที่ต้องการใช้เมื่อไฟฟ้าดับบ้าง และกลุ่มไหนที่ไม่ต้องการ เพื่อให้ไฟฟ้าเพียงพอ และเพื่อไม่ให้อันตรายต่อตัวอินเวอร์เตอร์เอง
อนาคตของโซล่าเซลล์
ในปัจจุบันอุตสาหกรรมโซล่าเซลล์ก้าวหน้าไปอย่างมาก แต่ก็ยังมีเรื่องที่กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เช่น การปรับปรุงประสิทธิภาพ ความทนทาง ราคา โดยในปัจจุบันมีงานวิจัยมากมายพยายามศึกษาเรื่องของการดีไซน์โซล่าเซลล์ และการปรับปรุงกระบวนการผลิต โดยเทคโนโลยีที่มีความน่าสนใจตัวอย่างเช่น perovskite โซล่าเซลล์ ที่มีแนวโน้มที่จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ รวมถึงลดต้นทุนได้อยู่มาก
แต่อย่างไรก็ดี ปัญหาหลักของโซล่าเซลล์ หรือแม้กระทั่งพลังงานทดแทนอื่นๆ มักไม่ใช่แค่เรื่องของประสิทธิภาพ แต่เป็นเรื่องของการกักเก็บพลังงานเนื่องจากพลังงานทดแทนเหล่านี้ไม่สามารถผลิตได้ตามต้องการ จึงต้องการวิธีการกักเก็บพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบตเตอรี่ ที่ปัจจุบันยังมีปัญหาเรื่องราคาเป็นหลักอยู่ และเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้ภาครัฐส่วนใหญ่ไม่สามารถสนับสนุนได้อย่างเต็มที่ มีความจำเป็นต้องรอการถูกลงของราคาเทคโนโลยีในอนาคต
ประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อม
อย่างที่เราเข้าใจดีว่า โซล่าเซลล์นั้นเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากโซล่าเซลล์สามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าโดยไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกออกมาสู่ชั้นบรรยากาศ โดยจากงานวิจัยวงจรชีวิตของโซล่าเซลล์ ตั้งแต่กระบวนการผลิต ใช้ และทำลายพบว่า พลังงานที่ใส่เข้าไปในการผลิตโซล่าเซลล์ชิ้นหนึ่ง สามารถได้คืนกลับมาภายในระยะเวลาไม่กี่ปี ทำให้โดยภาพรวมแล้วเป็นผลดีต่อสิ่งแวดล้อมตลอดอายุการใช้งาน
สรุป
เทคโนโลยีโซล่าเซลล์เป็นเทคโนโลยีที่ก้าวไปสู่การสร้างพลังงานไฟฟ้าที่สะอาดยิ่งขึ้น และเป็นทางเลือกทดแทนพลังงานฟอสซิลที่มีอยู่อย่างจำกัด
ด้วยประเภทและการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การใช้งานขนาดใหญ่เช่น โรงไฟฟ้า การติดตามบ้านเรือน หรือแม้กระทั่งการใช้งานสำหรับอุปกรณ์พกพา โซล่าเซลล์สร้างแนวคิดใหม่ในด้านของพลังงาน
อย่างไรก็ดีในขณะที่เทคโนโลยีนี้ยังต้องการๆพัฒนาอีกมากมาย แต่งานวิจัยมากมายได้ทำให้อุตสาหกรรมโซล่าเซลล์เข้าใกล้ประสิทธิภาพสูงสุดอยู่ตลอดมาเพื่อให้โซล่าเซลล์เป็นส่วนหนึ่งของสมการพลังงานที่เราใช้อยู่ในปัจจุบัน
