ภาพรวมเทคโนโลยีแผงโซลาร์เซลล์และการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ (QUENENG)

1. ประวัติการพัฒนาและสถานะปัจจุบันของการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ (PV) ในทางปฏิบัติเซลล์แรกในปี 1954 เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ก็มีความก้าวหน้าอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์ยังคงช้ากว่าเมื่อเทียบกับความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในสาขาต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์หรือไฟเบอร์ออปติก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะความต้องการข้อมูลมีมากเป็นพิเศษ และแหล่งพลังงานแบบเดิมก็เพียงพอต่อความต้องการของมนุษย์ วิกฤติน้ำมันในปี 1973 และปัญหามลพิษทางสิ่งแวดล้อมในช่วงทศวรรษ 1990 ทำให้การพัฒนาพลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์เร่งตัวขึ้นอย่างมาก ด้านล่างนี้คือเหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์:

• 1893:นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส เบ็กเกอเรล ค้นพบ “ปรากฏการณ์โฟโตวอลตาอิก”
• 1876:Adams และคนอื่นๆ ค้นพบผลกระทบของโฟโตวอลตาอิกแบบสถานะของแข็งต่อโลหะและซีลีเนียม
• 1883:มีการสร้าง “เซลล์แสงอาทิตย์ซีลีเนียม” ตัวแรกขึ้นมา โดยนำมาใช้เป็นอุปกรณ์เซ็นเซอร์
• 1930:Schottky เสนอทฤษฎี "ปรากฏการณ์โฟโตวอลตาอิค" ในสิ่งกั้น Cu2O
• 1954:Bell Labs ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวแบบใช้งานได้จริงตัวแรกที่มีประสิทธิภาพ 6%
• 1962:ประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ของเซลล์แสงอาทิตย์แกเลียมอาร์เซไนด์สูงถึง 13%
• 1978:สหรัฐอเมริกาได้สร้างสถานีไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบโฟโตวอลตาอิคขนาด 100 กิโลวัตต์บนพื้นดิน
• 1990:เยอรมนีเปิดตัว “โครงการโซลาร์บนหลังคาปี 2000”
• 1995:เซลล์แสงอาทิตย์แกเลียมอาร์เซไนด์เข้มข้นประสิทธิภาพสูงบรรลุประสิทธิภาพ 32%
• 1997:สหรัฐอเมริกาเสนอโครงการ “หลังคาโซล่าเซลล์ล้านหลังคา” ตั้งเป้าติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ในบ้านจำนวน 1 ล้านหลัง

2. บทนำเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ หรือที่รู้จักกันในชื่อ ชิปโซลาร์เซลล์ หรือ เซลล์โฟโตโวลตาอิก เป็นฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำที่แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าโดยตรงโดยใช้ปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก เซลล์แสงอาทิตย์เพียงเซลล์เดียวไม่สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานได้ เซลล์หลายเซลล์จำเป็นต้องเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือขนานและปิดผนึกเข้าด้วยกันเพื่อสร้างแผงโซลาร์เซลล์ แผงโซลาร์เซลล์เป็นส่วนประกอบหลักของระบบผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ และเป็นส่วนที่สำคัญที่สุด

ประเภทของพลังงานแสงอาทิตย์

• การใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์:รังสีดวงอาทิตย์จะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนซึ่งสามารถนำไปใช้ผลิตพลังงานความร้อนได้
• การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์:รังสีดวงอาทิตย์จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์แปลงพลังงานแสงอาทิตย์ โดยอาศัยหลักการของผลแสงอาทิตย์เป็นหลัก

3. หลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานบนหลักการของปรากฏการณ์โฟโตวอลตาอิก เมื่อแสงอาทิตย์กระทบวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โฟตอนที่มีพลังงานมากกว่าแบนด์แก็ปจะกระตุ้นอิเล็กตรอนและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล พาหะที่ไม่สมดุลเหล่านี้จะถูกแยกออกจากกันด้วยสนามไฟฟ้าในตัวที่รอยต่อ PN โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนตัวไปทางบริเวณประเภท N และโฮลจะเคลื่อนตัวไปทางบริเวณประเภท P ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าข้ามรอยต่อ PN เมื่อสายโลหะถูกต่อเข้ากับชั้นประเภท P และประเภท N และเชื่อมต่อกับโหลดภายนอก กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้า

4. คุณสมบัติของเซลล์แสงอาทิตย์

ลักษณะเด่นหลักของเซลล์แสงอาทิตย์มีดังนี้:

• แรงดันไฟฟ้าขาออกที่กำหนดภายใต้สภาวะแสงมาตรฐาน (ความเข้มแสง 1000 W/m² อุณหภูมิ 25°C) แรงดันไฟฟ้าขาออกจะอยู่ที่ประมาณ 0.48V
• ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ:สำหรับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุก 1°C แรงดันไฟฟ้าจะลดลงประมาณ 2mV
• กำลังขับ:กำลังไฟฟ้าขาออกของเซลล์แสงอาทิตย์จะแตกต่างกันไปตามความเข้มของแสงแดด สภาพภูมิอากาศ เวลา และสถานที่ ในวันที่แดดออกประมาณเที่ยง กำลังไฟฟ้าขาออกจะใกล้เคียงกับค่าที่กำหนด

5. การเลือกใช้เซลล์แสงอาทิตย์

เมื่อเลือกเซลล์แสงอาทิตย์ กำลังไฟฟ้าขาออกถือเป็นปัจจัยสำคัญ เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐานมีดังนี้:

• ความเข้มของแสง: 1000 วัตต์/ตรม.
• มวลอากาศ: เอเอ็ม1.5
• อุณหภูมิเซลล์: 25°C

เงื่อนไขเหล่านี้จำลองแสงแดดในตอนเที่ยงของวันฟ้าใสได้คร่าวๆ ในความเป็นจริงแล้ว กำลังไฟฟ้าขาออกของเซลล์แสงอาทิตย์จะผันผวนเนื่องมาจากสภาพแสงและปัจจัยแวดล้อมที่แตกต่างกัน

6. ผลของโฟโตวอลตาอิก

ปรากฏการณ์โฟโตวอลตาอิกหมายถึงปรากฏการณ์ที่แสงทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ ของสารกึ่งตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำผสมโลหะ ในเซลล์แสงอาทิตย์ ปรากฏการณ์นี้ใช้เพื่อแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า หลักการสำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์อาศัยจุดต่อ PN ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าที่แยกอิเล็กตรอนและโฮลออกจากกัน ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า

7. ระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์

ระบบพลังงานแสงอาทิตย์สามารถแบ่งได้เป็นนอกระบบและเชื่อมต่อกับกริดระบบ ส่วนประกอบของระบบเหล่านี้จะแตกต่างกันเล็กน้อย:

ระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบออฟกริด

ระบบเหล่านี้ใช้ในพื้นที่ที่ไม่มีการเข้าถึงระบบไฟฟ้าและโดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้:

• โซล่าเซลล์อาร์เรย์:แผงโซล่าเซลล์หลายแผงถูกจัดเรียงและเชื่อมต่อตามรูปแบบเฉพาะ
• แบตเตอรี่สำรองพลังงาน: ใช้เพื่อเก็บกักไฟฟ้าไว้ใช้ในช่วงที่ไม่มีแสงแดด
• ผู้ควบคุม:ควบคุมกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่เก็บพลังงาน และรวมถึงฟังก์ชันการป้องกันต่างๆ เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัยและเสถียร
• อินเวอร์เตอร์:แปลงกระแสไฟฟ้า DC ที่เก็บไว้ให้เป็นกระแสไฟฟ้า AC
• กล่องจ่ายไฟและสายเชื่อมต่อ: ใช้สำหรับเชื่อมต่อและจัดการส่วนประกอบระบบและเอาต์พุตไฟฟ้า

ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อกับกริด

ระบบเหล่านี้ใช้ในพื้นที่ที่มีการเข้าถึงโครงข่ายไฟฟ้า และสามารถป้อนไฟฟ้าส่วนเกินกลับเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าได้ ส่วนประกอบหลัก ได้แก่:

• โซล่าเซลล์อาร์เรย์:แผงโซล่าเซลล์หลายแผงเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน
• แบตเตอรี่สำรองพลังงาน: ใช้เพื่อกักเก็บพลังงานไฟฟ้า
• อินเวอร์เตอร์แบบต่อกับระบบสายส่งไฟฟ้า:แปลงกระแสไฟฟ้า DC จากระบบกักเก็บเป็นกระแสไฟฟ้า AC ที่เหมาะกับระบบไฟฟ้า
• กล่องจ่ายไฟและสายเชื่อมต่อ: ใช้สำหรับเชื่อมต่อและจัดการส่วนประกอบระบบและเอาต์พุตไฟฟ้า