หลักการทำงานของ “โซลาร์เซลล์” รู้จักมานานแต่ไม่รู้ทำงานอย่างไร

 เราน่าจะเคยได้ยินอุปกรณ์ที่เรียกว่า “โซลาร์เซลล์” กันมานานหลายปีแล้ว หลายคนรู้ว่าอุปกรณ์นี้เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนแสงแดดให้กลายเป็นไฟฟ้า แต่อาจจะยังไม่รู้ว่าหลักการเปลี่ยนแสงแดดมาเป็นไฟฟ้านั้นทำได้อย่างไร แล้วแผงโซลาร์เซลล์นี้มีประโยชน์กับโลกมากแค่ไหน Tonkit360 จะมาอธิบายคร่าว ๆ และง่าย ๆ ให้ฟัง
 

อย่างที่เราเคยเรียนกันในวิชาวิทยาศาสตร์ตั้งแต่ชั้นประถมศึกษา ว่าแหล่งพลังงานสำคัญของโลกมีอยู่ 2 แหล่งใหญ่ ๆ คือพลังงานสิ้นเปลือง กับพลังงานหมุนเวียน

ประเภทสิ้นเปลืองนั้นคือพวกที่ใช้แล้วหมดไป หรือใช้เวลานานมากกว่าจะสร้างขึ้นมาใหม่ เช่นพลังงานที่ได้จากฟอสซิล (ซากพืชซากสัตว์ที่ตายทับถมกันนับหลายร้อยหลายพันปี) ถ่านหิน น้ำมันดิบ ก๊าซธรรมชาติ ส่วนประเภทพลังงานหมุนเวียน หรือเรียกอีกอย่างว่าพลังงานทดแทน ถูกนำมาใช้เพื่อทดแทนพลังงานสิ้นเปลือง อนาคตที่เราใช้พลังงานสิ้นเปลืองจนหมดไป ก็จะมีพลังงานเหล่านี้มาใช้ทดแทน เช่น พลังงานน้ำ พลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานชีวมวล

โซลาร์เซลล์คืออะไร

โซลาร์เซลล์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เป็นตัวผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ปรากฏการณ์การนำแสงอาทิตย์มาเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้านั้นถูกทดลองขึ้นครั้งแรกในปี 1839 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่ชื่อ A.E. Becquerel เขานี่เองที่เป็นผู้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์เป็นตัวแรกของโลก

แต่เซลล์แสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติที่นำมาใช้งานได้นั้น เป็นผลงานของ Daryl Chapin, Calvin Souther และ Gerald Pearson ได้คิดค้นเทคโนโลยีการสร้างรอยต่อ P-N ของผลึกซิลิคอนแบบกระจาย จนเกิดเป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยเซลล์แสงอาทิตย์ชุดแรกสร้างขึ้นในปี 1954 แต่เดิมการผลิตพลังงานไฟฟ้ารูปแบบนี้ถูกใช้ในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าในด้านอวกาศดาวเทียมเท่านั้น แต่หลังจากนั้นก็ค่อย ๆ พัฒนาต่อยอดให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น นำมาใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น และมีต้นทุนในการผลิตที่ต่ำลง

ประเทศไทยมีการใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์มานานแล้ว ในแง่ของการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า เพิ่งจะเริ่มในปี 2519 โดยมีหน่วยงานกระทรวงสาธารณสุข และมูลนิธิแพทย์อาสาฯ เป็นผู้ดูแล และเป็นรูปธรรมมากขึ้นเมื่อการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย เริ่มมีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้าในปี 2526 และช่วงท้ายของแผนพัฒนาฯ ฉบับที่ 6 (2530-2534) ที่ส่งเสริมอย่างจริงจัง โดยมีกรมพัฒนาและส่งเสริมพลังงาน กรมโยธาธิการ การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค และการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทยเป็นผู้ดูแลหลัก

 

หลักการทำงานของโซลาร์เซลล์

การทำงานของโซลาร์เซลล์นั้นจะเกิดขึ้นเมื่อโซลาร์เซลล์ถูกแสงแดดตกกระทบ จากนั้นจะผลิตกระแสไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ออกมา เมื่อนำโซลาร์เซลล์หลาย ๆ เซลล์มาต่อวงจรกันจนได้เป็นแผงโซลาร์เซลล์ ก็จะสามารถผลิตและจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น โดยกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ก็จะแตกต่างกันไปตามชนิด ตามประสิทธิภาพที่ระบุเป็นเปอร์เซ็นต์ไว้ รวมถึงยี่ห้อด้วย

การเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ประกอบด้วยอุปกรณ์ต่าง ๆ นำมาต่อวงจรรวมกัน คือ แผงโซลาร์เซลล์ (โซลาร์เซลล์หลาย ๆ แผ่นมาต่อรวมกัน) เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (อินเวอร์เตอร์) ตู้กระแสสลับ มิเตอร์วัดกระแสสลับ และหม้อแปลงไฟฟ้า

กระบวนการผลิตไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเมื่อ “แสงอาทิตย์” ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง มีพลังงาน มากระทบกับ “แผงโซลาร์เซลล์” ซึ่งทำขึ้นจากสารกึ่งตัวนำชนิดพิเศษ มีคุณสมบัติในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เกิดการถ่ายเทพลังงานระหว่างกัน จนได้เป็นเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งเป็นไฟฟ้าที่เราสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ทันที หรือจะเก็บไว้ในแบตเตอรี่เพื่อใช้งานภายหลังได้

แต่ถ้าจะนำมาใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจะเคลื่อนที่ไปยังเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า เพื่อทำให้กระแสไฟฟ้ากระแสตรงกลายเป็นกระแสสลับ (AC) ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าที่ใช้กันในครัวเรือน จากนั้นจะถูกส่งต่อไปสู่มิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้า เพื่อเพิ่มแรงดันและส่งเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อใช้งานต่อไป

โซลาร์เซลล์มีทั้งข้อดีและข้อด้อย

เป็นธรรมดาของทุกสิ่งทุกอย่างที่มีข้อดีและข้อด้อย แต่หากคำนึงถึงประโยชน์แล้ว โซลาร์เซลล์จะมีข้อดีมากกว่าข้อด้อย ซึ่งข้อด้อยนั้นจะเป็นเรื่องของการนำมาใช้งานมากกว่า

ข้อดี

  • พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นพลังงานที่ไม่มีวันหมดไป และเป็นแหล่งพลังงานที่ให้พลังงานไม่จำกัด ตราบใดที่ยังมีแสงอาทิตย์ส่องมายังโลก โซลาร์เซลล์ก็ยังคงทำงานและผลิตกระแสไฟฟ้าได้
  • พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานสะอาด กล่าวคือการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ไม่มีกระบวนการที่ปล่อยมลพิษ ต่างจากกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินของโรงงานผลิตไฟฟ้า เพราะโซลาร์เซลล์จะเปลี่ยนแสงอาทิตย์มาเป็นไฟฟ้าโดยตรง
  • ผลิตไฟฟ้าได้หลายขนาด เราอาจคุ้นเคยกับแผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กที่อยู่บนเครื่องคิดเลข หรือแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่มหึมาระดับโรงงาน ก็สามารถผลิตกระแสไฟฟ้ามาใช้ได้ ขึ้นอยู่กับจำนวนโซลาร์เซลล์ที่นำมาต่อวงจร
  • ไม่พึ่งระบบขนส่ง เนื่องจากกระบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานแสงไฟฟ้านั้นเปลี่ยนได้บริเวณที่ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ได้เลย จากนั้นก็ส่งตามวงจรเข้ามาใช้งาน โดยไม่พึ่งกระบวนการขนส่ง อย่างพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากโรงงานไฟฟ้านั้นจำเป็นต้องขนส่งผ่านสายไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง เพราะแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้ากับอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้านั้นอยู่คนละที่กัน
  • อายุการใช้งานนาน โดยทั่วไปมีอายุการใช้งานอยู่ราว ๆ 20-25 ปี ซึ่งหากลงทุนในครั้งแรกแล้ว ก็คุ้มค่าในระยะยาว

ข้อด้อย

  • เป็นอุปกรณ์ที่มีต้นทุนค่อนข้างสูงในการเริ่มต้นติดตั้ง ทั้งค่าวัสดุอุปกรณ์ ค่าติดตั้ง ค่าบำรุงรักษาตามอายุการใช้งาน และการกำจัดเมื่อสิ้นอายุการใช้งาน แต่หากมีการใช้งานจะช่วยลดค่าไฟฟ้าลงได้มาก
  • เป็นพลังงานที่ให้ปริมาณไม่แน่นอน เนื่องจากใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์มาเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า จึงขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงอาทิตย์ (ภาษาชาวบ้านก็คือความแรงของแดด) และสภาพอากาศ ในวันที่อากาศไม่ดี ไม่มีแดด ฝนตก หมอกลง ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้ก็จะน้อยลง
  • ได้พลังงานค่อนข้างต่ำ เพราะความเข้มของพลังงานดวงอาทิตย์ไม่สูงนัก อีกทั้งปริมาณไม่สม่ำเสมอ หากต้องการปริมาณไฟฟ้ามาก ก็ต้องใช้จำนวนโซลาร์เซลล์และพื้นที่ในการติดตั้งเพิ่มมากขึ้นเพื่อให้ได้พลังงานที่มากพอ ซึ่งมีผลต่อเรื่องต้นทุน
  • สะสมพลังงานได้ไม่นาน เพราะกระบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเมื่อมีแสงเท่านั้น ฉะนั้นจึงต้องมีอุปกรณ์รองรับเพื่อสลับไปใช้ระบบไฟฟ้าปกติ หรือมีแบตเตอรี่เพื่อเก็บไว้สำรองใช้ด้วย

โซลาร์เซลล์ หรือเซลล์แสงอาทิตย์ จึงเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ (แสงแดด) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้ โดยประโยชน์หลัก ๆ ที่โซลาร์เซลล์มีต่อโลก คือ เป็นการใช้พลังงานจากแหล่งที่ไม่มีวันหมด อีกทั้งยังเป็นพลังงานสะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ ใช้งานได้หลากหลาย เพราะผลิตไฟฟ้าได้ทุกขนาดตั้งแต่เล็กจนถึงใหญ่ โดยเฉพาะการผลิตไฟฟ้าในพื้นที่ห่างไกล ที่ระบบขนส่งไฟฟ้ายังเข้าไม่ถึง