หลักการออกแบบและติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ เบื้องต้นสำหรับบ้านเรือน
(Basic of solar Cell Design and Installation for residences)
ติดตั้งโซล่าเซลล์ พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานหมุนเวียน ที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน โดยสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้หลายรูปแบบ อาทิ การใช้พลังงานความร้อน และการใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ทั้งในระดับอุตสาหกรรม ตลอดจนอาคารบ้านพักอาศัย โดยผ่านอุปกรณ์ Solar Rooftop ซึ่งมีหลักการออกแบบและติดตั้งเบื้องต้น ดังนี้...
- การประเมินพื้นที่ในการติดตั้งและศักยภาพในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์
- ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าของระบบ PVs
- การคำนวณปริมาณพลังงานที่ใช้และคำนวณจำนวนแผงแสงอาทิตย์
หลักการออกแบบและติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์เบื้องต้นสำหรับบ้านเรือนนี้ จะขอกล่าวเกี่ยวกับแนวทางในการประเมินพื้นที่ในการติดตั้งและศักยภาพในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าของระบบ PVs และการคำนวณปริมาณพลังงานที่ใช้และคำนวณจำนวนแผงแสงอาทิตย์ ก่อนเป็นอันดับแรก รายละเอียดติดตามได้ ดังนี้
1. การประเมินพื้นที่ในการติดตั้งและศักยภาพในการใช้แสงอาทิตย์
การประเมินพื้นที่เบื้องต้นสำหรับผู้ที่สนใจจะติดตั้ง Solar Cell ในบริเวณบ้านเรือน ซึ่งควรศึกษาด้านต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับพื้นที่ที่ท่านมีก่อนการติดตั้งดังนี้
- ตำแหน่งการติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์
โดยทั่วไปตำแหน่งที่เหมาะสมสำหรับติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์นี้คือบริเวณหลังคาของที่อยู่อาศัย แต่บางพื้นที่อาจจะมีการติดตั้งบริเวณพื้นที่ว่าง บริเวณผนังหรือแม้แต่บริเวณที่เป็นแผงกั้นแดด เป็นต้น
Cr.iEnergyGuru.com
- การอับแสงอาทิตย์
พื้นที่ที่เหมาะสำหรับการติดตั้งควรเป็นบริเวณที่โล่ง ปราศจากเงาของต้นไม้หรือเงาของวัตถุใด ๆ ก็ตามที่สามารถบังแสงอาทิตย์ได้ ซึ่งการบังแสงแดดจะส่งผลกระทบให้ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าของ PV ลดลง โดยคำแนะนำทั่วไปสำหรับพื้นที่ที่จะติดตั้งแผงนี้ควรเป็นบริเวณที่โล่งแจ้งสามารถรับแสงอาทิตย์ได้โดยไม่มีการบดบังแสงในช่วงเวลา 9 โมงเช้าถึงบ่าย 3 โมงในแต่ละวัน
Cr.iEnergyGuru.com
- ทิศทางในการตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์
ประเทศไทยซึ่งตั้งอยู่ซีกโลกเหนือนั้น ควรหันหน้าของแผงไปทางทิศใต้ โดยดวงอาทิตย์จะเคลื่อนที่จากทิศตะวันออกไปทางทิศตะวันตกโดยเคลื่อนที่อ้อมทิศใต้ นอกจากนี้ความลาดเอียงของแผงควรมีความลาดชันประมาณ 15- 20 องศากับพื้นดินเพื่อทำให้แสงอาทิตย์กระทบตั้งฉากกับแผงพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงเที่ยงให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้
Cr.iEnergyGuru.com
- พื้นที่สำหรับติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์
การเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้านี้มีการใช้เนื้อที่ในการติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์ค่อนข้างมาก โดยเนื้อที่ที่ต้องการติดตั้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ต้องการและประสิทธิภาพของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ สำหรับบ้านเรือนจะมีพื้นที่จำกัดนั้น ถ้าต้องการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีควรเผื่อพื้นที่ว่างไว้ในพื้นที่ที่ติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์ประมาณ 20 %ของพื้นที่ที่จะติดตั้ง ในกรณีที่มีการติดตั้งบนหลังคานั้นหากผู้อยู่อาศัยมีแผนที่จะการปรับปรุงหรือรื้อหลังคาเพื่อปรับปรุงในระยะเวลา 5 – 10 ปี ควรติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงเวลาที่มีการปรับปรุงหลังคานั้นเพื่อลดต้นทุนในการรื้อและติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์ใหม่
Cr.iEnergyGuru.com
2. ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าของระบบโซล่าเซลล์
ในการเลือกแผงพลังงานแสงอาทิตย์นั้นผู้ผลิตแผงพลังงานแสงอาทิตย์จะแสดงค่าการผลิตกำลังไฟฟ้าของแผงพลังงานแสงอาทิตย์โดยแสดงเป็นค่ามาตรฐานค่าหนึ่ง ค่าดังกล่าวคือ Standard Test Conditions (STC) ค่า STC นี้เป็นค่ากำลังการผลิตกำลังไฟฟ้าของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ที่ความเข้มแสงอาทิตย์ตกกระทบ 1,000 W/m2 และที่อุณหภูมิ 25 o C ในสภาพอากาศโปร่งและนิ่ง (Clear sky) โดยปกติจะแสดงค่าในรูปแบบดังตัวอย่างนี้ 100 Watts solar module (100 Watts of power output under STC)
แต่การติดตั้งเพื่อใช้งานจริงนั้นมีปัจจัยหลาย ๆ อย่างที่ทำให้ความสารถในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ได้จริงน้อยกว่าค่ามาตรฐานที่กำหนดให้มา ปัจจัยที่มีผลต่อการผลิตพลังงานฟ้าของระบบโซล่าเซลล์มีดังนี้
1.1 อุณหภูมิ
อุณหภูมิถือเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำหรับกับประสิทธิภาพในการผลิตกำลังไฟฟ้า อุณหภูมิของแผงยิ่งสูงจะทำให้ประสิทธิภาพในการผลิตกำลังไฟฟ้าลดลง โดยทั่วไปผลกระทบด้านความร้อนของแผงพลังงานแสงอาทิตย์นี้ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าลดลงเหลือประมาณ 89 % ของค่า STC (f temp = 0.89)
2.2 ฝุ่นและความสกปรกของแผงเซลล์แสงอาทิตย์
แผงพลังงานแสงอาทิตย์เมื่อใช้ไประยะหนึ่งจะมีฝุ่นละอองหรือคราบสกปรกมาเปื้อนบนหน้าแผงซึ่งปัจจัยนี้ส่งผลให้ความสามารถในการรับแสงอาทิตย์ลดลงทำให้ศักยภาพในการผลิตไฟฟ้าลดลงตามไปด้วย โดยทั่วไปผลกระทบที่เกิดจากสิ่งสกปรกและฝุ่นละอองนี้ทำให้ความสามารถในการผลิตไฟฟ้าลดลงเหลือประมาณ 93 % ของค่า STC (f dirt = 0.93)
2.3 การต่อของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ที่ไม่สม่ำเสมอและการสูญเสียในสายไฟ
จากการทดสอบประสิทธิภาพของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ที่ประกอบกันเป็นแถวเทียบกับแผงพลังงานแสงอาทิตย์เดี่ยว ๆ พบว่าที่จำนวนแผงที่เท่ากันประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าของแผงที่ต่อกันเป็นแถวมีค่าน้อยกว่าประสิทธิภาพของแผงเดี่ยว ๆ รวมกัน นอกจากนี้ความต้านทานในสายไฟทำให้เกิดการสูญเสียของพลังงานไฟฟ้าขึ้นได้ โดยทั่วไปการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าจากการต่อแผงที่ไม่สม่ำเสมอและสูญเสียภายในสายไฟทำให้ประสิทธิภาพของการผลิตไฟฟ้าลดลงเหลือ 95 % ของค่า STC (f mis = 0.95)
2.4 การเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าจาก DC เป็น AC
พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงพลังงานแสงอาทิตย์นั้นเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) แต่อุปกรณ์ที่ใช้ตามบ้านเรือนนั้นส่วนใหญ่พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ฉะนั้นไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงนั้นต้องผ่านตัวแปลงกระแสไฟหรือเรียกว่า Inverter เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับก่อนเสมอ การแปลงกระแสไฟฟ้านี้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานขึ้นส่วนหนึ่ง โดยทั่วไปการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการแปลงกระแสไฟฟ้านี้ทำให้ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าลดลงเหลือประมาณ 90 % ของค่า STC ( f inv = 0.90)
ตัวอย่าง การประเมินความสามารถในการผลิตกำลังไฟฟ้าได้จริงของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ของผู้ผลิตรายหนึ่งซึ่งมีค่า Power output = 100 W solar module ดังนี้
3. การคำนวณปริมาณพลังงานที่ใช้และคำนวณจำนวนแผงแสงอาทิตย์
การคำนวณปริมาณพลังงานที่ใช้และการคำนวนจำนวนแผงแสงอาทิตย์ที่ใช้ในการติดตั้งสามารถดำเนินการได้ดังนี้
3.1 ระบบ PVs ที่ผลิตไฟฟ้าแล้วจ่ายเข้าสายส่งโดยตรง (ไม่มีการติดตั้งระบบสำรองไฟ)
การคำนวณระบบนี้จะคำนวณจากพื้นที่ที่ใช้สำหรับติดตั้งเป็นหลัก โดยมีหลักการคำนวณดังนี้
สมมติว่า หลังคาบ้านมีพื้นที่ที่เหมาะสมสำหรับติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์ 60 ตารางเมตร ต้องการติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์จากผู้ขายรายหนึ่งซึ่งมีข้อมูลการผลิตดังนี้ มีค่า STC เท่ากับ 275 วัตต์ต่อแผงพลังงานแสงอาทิตย์ โดยพื้นที่ของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ 1 แผงอยู่ที่ 1.65 ตารางเมตรแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสดที่ 12 V จะสามารถติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าจ่ายเข้าสายส่งที่ได้เท่าไร
สรุปได้ว่า หลังคาบ้านแห่งนี้สามารถติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์จำนวน 36 แผงเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้าที่คาดว่าผลิตได้จริง 8.07 kWและ สามารถผลิตไฟฟ้าได้ให้แก่ระบบสายส่งประมาณ 52 หน่วยต่อวัน
3.2 ระบบ PVs ที่ผลิตไฟฟ้าแล้วใช้ภายในบ้าน (มีการติดตั้งระบบสำรองไฟ)
การคำนวณระบบแบบนี้จะคำนวณจากคำนวณการใช้พลังงานไฟฟ้าภายในบ้านเป็นหลัก โดยมีหลักการคำนวณดังนี้
สมมติว่า หลังคาบ้านมีพื้นที่ที่เหมาะสมสำหรับติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์ 60 ตารางเมตร ต้องการติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์จากผู้ขายรายหนึ่งซึ่งมีข้อมูลการผลิตดังนี้ มีค่า STC เท่ากับ 275 วัตต์ต่อแผงพลังงานแสงอาทิตย์ โดยพื้นที่ของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ 1 แผงอยู่ที่ 1.65 ตารางเมตรแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสดที่ 12 V จะสามารถติดตั้งแผงพลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่จำนวนเท่าไรเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าใช้ภายในบ้านอย่างเหมาะสม
รายละเอียดอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านหลังนี้มีดังต่อไปนี้
วิธีคำนวณ
ฉะนั้นสามารถหาพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในแต่ละวันได้ ซึ่งสรุปได้ดังนี้
เมื่อคำนวณพลังงานที่ใช้ได้ในแต่ละวันแล้วนำค่าที่ได้มาคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าที่แผงพลังงานแสงอาทิตย์สามารถผลิตได้จริง โดยการออกแบบที่เหมาะสมควรให้แผงพลังงานแสงอาทิตย์ทำงานในช่วง 9 เช้าถึงบ่าย 3 โมงในแต่ละวัน (6 ชั่วโมงต่อวัน) ฉะนั้นสามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าจริงที่แผงพลังงานแสงอาทิตย์ทำได้จาก
ต่อไปนี้เป็นการคำนวณแบตเตอรี่เพื่อใช้สำรองพลังงานไฟฟ้าในยามฉุกเฉินหรือวันที่ฟ้าปิด โดยทั่วไปจะมีการเก็บไฟสำรองไว้ใช้ในเวลาฉุกเฉินประมาณ 1 – 3 วัน ซึ่งจะคำนวณการเก็บพลังงานไฟฟ้าสำรองไว้ใช้ได้นานถึง 3 วัน ซึ่งแบตเตอรี่ที่ใช้เก็บพลังงานไฟฟ้าหนึ่งลูกมีขนาด 12 V 100 Ah
ขนาดแบตเตอรี่ (Ah) = พลังงานที่ต้องการใช้ 3 วัน/แรงดันไฟฟ้าในแบตเตอรี่ X 0.8 (ค่ากรใช้งานของแบตเตอรี่)
= (1,010 X 3 )/12 V
เรียบเรียงโดย นายสุรเชษฐ ย่านวารี
อ้างอิง
Extension Energy Program. 2009. Solar Electric System Design, Operation and Installation an Overview for Builders in the Pacific Northwest, Washington State University. USA
Endecon Engineering. 2001. A GUIDE TO PHOTOVOLTAIC (PV) SYSTEM DESIGN AND INSTALLATION, California Energy Commission Energy Technology Development Division. USA
Jayakumar P., 2009, Solar Energy Resource Assessment Handbook, Asian and Pacific Centre for Transfer of Technology. India
Phoonsap W., 2014, INSTALLATION AND PERFORMANCE OF PARABOLIC TROUGH SOLAR COLLECTOR, Asian Institute of Technology, Pathumthani
USAID. 2013. SOLAR PV SYSTEM MAINTENANCE GUIDE, United States Agency for International Development. USA
วรรณคนาพล พ., สุวรรณชัยกุล อ., ศรีสุวรรณ์. ป. และ ตันตสวัสดิ์ ฉ., (N/A), ประโยชน์ของการใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบติดตั้งบนหลังคา: กรณีศึกษาอาคารที่พักอาศัยต้นทุนต่ำ, คณะสถาปัตยกรรมศาสตร์และการผังเมือง มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, ปทุมธานี
บริษัท บางจากปิโตรเลียม จำกัด (มหาชน). N/A. โครงการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ อำเภอบางปะอิน จังหวัดพระนครศรีอยุธยา, บริษัท บางจากปิโตรเลียม จำกัด (มหาชน), กรุงเทพมหานคร
