พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานอย่างไร

อ่านประมาณ 9 นาที

พลังงานแสงอาทิตย์คือการนำแสงและความร้อนจากดวงอาทิตย์มาเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าหรือความร้อนที่เราสามารถนำมาใช้งานได้ ซึ่งมีสองวิธีหลักคือ แผงโซลาร์เซลล์ (โฟโตโวลเทอิก) และโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนแสงอาทิตย์ [1]

แผงโซลาร์เซลล์ (โฟโตโวลเทอิก)

แผงเหล่านี้สร้างขึ้นจากเซลล์พิเศษซึ่งโดยปกติจะทำจากซิลิคอน [2] แต่ละเซลล์แสงอาทิตย์ประกอบด้วยชั้นซิลิคอนสองชั้นที่ผ่านการปรับปรุงทางเคมีหรือ "โดป" ด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน: ชั้นบนถูกโดปด้วยฟอสฟอรัสทำให้เกิดอิเล็กตรอนจำนวนมาก (ชนิด N) ในขณะที่ชั้นล่างถูกโดปด้วยโบรอนทำให้เกิดการขาดแคลนอิเล็กตรอนหรือ "โฮล" (ชนิด P) [3]

เมื่อโฟตอนจากแสงอาทิตย์กระทบกับเซลล์แสงอาทิตย์ จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากพันธะอะตอมและสร้างกระแสไฟฟ้า สนามไฟฟ้าที่รอยต่อ PN จะบังคับให้อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ไหลไปในทิศทางเดียว และสร้างกระแสไฟฟ้าตรง (DC) ขึ้น [3] กระบวนการนี้เรียกว่า "ปรากฏการณ์โฟโตโวลเทอิก" ซึ่งถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alexandre-Edmond Becquerel ในปี 1839 [3]

โดยปกติเซลล์แสงอาทิตย์เดี่ยวจะผลิตแรงดันไฟฟ้าได้ 0.5 ถึง 0.6 โวลต์ ดังนั้นจึงมีการเชื่อมต่อหลายเซลล์แบบอนุกรมในแต่ละแผงเพื่อให้ได้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ ซึ่งโดยปกติจะอยู่ที่ 30 ถึง 40 โวลต์ต่อแผง [3] ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงเป็นกระแสตรง (DC) ซึ่งต้องถูกแปลงเป็นกระแสสลับ (AC) โดยอุปกรณ์ที่เรียกว่า "อินเวอร์เตอร์" เพื่อให้สามารถใช้งานกับบ้านเรือนและเครื่องใช้ไฟฟ้าได้ [3]

เซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ในปัจจุบันมักเปลี่ยนแสงอาทิตย์ที่ส่องลงมาให้เป็นไฟฟ้าได้ 18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ และในตัวอย่างห้องปฏิบัติการสามารถทำประสิทธิภาพได้สูงกว่า 26 เปอร์เซ็นต์ [3]

โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนแสงอาทิตย์

ในวิธีนี้ จะใช้กระจกบานใหญ่เพื่อรวมแสงอาทิตย์ให้ไปรวมอยู่ที่จุดเดียว ซึ่งจะทำให้ของเหลว (เช่น น้ำมันหรือเกลือหลอมเหลว) ร้อนจัด ของเหลวที่ร้อนนี้จะทำให้น้ำกลายเป็นไอ และไอน้ำจะไปหมุนกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า [1]

ข้อดีและข้อจำกัด

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่สะอาดและไม่มีมลพิษ ถือเป็นพลังงานที่ไม่มีวันหมด (ตราบเท่าที่ยังมีดวงอาทิตย์) และมีค่าบำรุงรักษาต่ำหลังจากติดตั้ง [1] อย่างไรก็ตาม การผลิตไฟฟ้าจะลดลงในเวลากลางคืนหรือวันที่เมฆมาก จำเป็นต้องมีแบตเตอรี่เพื่อกักเก็บไฟฟ้า และการติดตั้งในช่วงแรกมีค่าใช้จ่าย [1]

ส่วนประกอบของระบบไฟฟ้าแสงอาทิตย์

ระบบไฟฟ้าแสงอาทิตย์ประกอบด้วยส่วนประกอบทางไฟฟ้าที่ซับซ้อนซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อให้พลังงานที่สะอาดและเชื่อถือได้ ตั้งแต่ขณะที่แสงอาทิตย์กระทบแผงจนถึงขณะที่ไฟฟ้าส่งถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน มีส่วนประกอบและกระบวนการหลายอย่างที่เกี่ยวข้อง [3]

ส่วนประกอบทางไฟฟ้ากระแสตรง (DC) มีบทบาทสำคัญในระบบ ซึ่งต่างจากไฟฟ้า AC ที่เปลี่ยนทิศทางโดยธรรมชาติ ไฟฟ้า DC จะไหลในทิศทางเดียวอย่างต่อเนื่องและสร้างอาร์กที่เสถียรซึ่งตัดวงจรได้ยาก การติดตั้งระบบโซลาร์สมัยใหม่มักทำงานด้วยแรงดัน DC มากกว่า 600 โวลต์ และบางระบบขนาดใหญ่อาจสูงถึง 1500 โวลต์หรือมากกว่า [3]

อินเวอร์เตอร์สมัยใหม่ทำหน้าที่มากกว่าการแปลง DC เป็น AC แบบธรรมดา โดยมีการใช้อัลกอริทึมการติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) ซึ่งจะปรับโหลดไฟฟ้าบนแผงอย่างต่อเนื่องเพื่อดึงกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่มีอยู่ การเพิ่มประสิทธิภาพแบบไดนามิกนี้สามารถเพิ่มการเก็บเกี่ยวพลังงานได้ 10 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ อินเวอร์เตอร์สมัยใหม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงได้มากกว่า 95% [3]

ประสิทธิภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพ

การสูญเสียพลังงานเกิดขึ้นในทุกขั้นตอน ตั้งแต่การดูดซับโฟตอนไปจนถึงการส่งมอบไฟฟ้า AC ในขั้นตอนสุดท้าย การสูญเสีย DC ประกอบด้วยการสูญเสียจากความต้านทานในสายไฟ, การสูญเสียจากการไม่เข้ากันระหว่างแผงที่มีคุณสมบัติต่างกัน และการสูญเสียที่เกิดจากฝุ่นบนพื้นผิวแผง ระบบตรวจสอบอัจฉริยะจะติดตามการผลิต การบริโภค และการปฏิสัมพันธ์กับโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบ [3]

เซลล์แสงอาทิตย์สมัยใหม่ประกอบด้วยชั้นสารกึ่งตัวนำสองชั้น ซึ่งเมื่อแสงอาทิตย์ส่องลงมา อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานและเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่นี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าขึ้น [4]

พลังงานแสงอาทิตย์ได้เปลี่ยนจากแนวคิดแห่งอนาคตมาเป็นโซลูชันพลังงานที่แพร่หลาย ซึ่งหล่อเลี้ยงบ้านเรือนและธุรกิจหลายล้านแห่งทั่วโลก [3] กำลังการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์เติบโตด้วยความเร็วที่น่าทึ่ง และระบบโซลาร์เซลล์ (Photovoltaic) ถูกนำมาใช้งานได้รวดเร็วกว่าแหล่งพลังงานอื่นใดในประวัติศาสตร์ [5]