พลังงานแสงอาทิตย์ — แผงโซลาร์เซลล์ทำงานอย่างไรและประสิทธิภาพคืออะไร

แผงโซลาร์เซลล์เปลี่ยนแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้าผ่านปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก แสงตกกระทบเซลล์สารกึ่งตัวนำ เซลล์จะแยกประจุออกจากกัน และวงจรที่ต่ออยู่จะทำให้ประจุนั้นสร้างงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้

ประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์บอกว่าแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบแผงถูกเปลี่ยนเป็นกำลังไฟฟ้าได้มากแค่ไหน เขียนเป็นสัญลักษณ์ได้ว่า $\eta = P_{out}/P_{in}$ แต่ค่าตัวเลขนี้จะมีความหมายก็ต่อเมื่อระบุเงื่อนไขอย่างชัดเจน

แผงโซลาร์เซลล์ผลิตไฟฟ้าได้อย่างไร

แผงโซลาร์เซลล์ประกอบด้วยเซลล์แสงอาทิตย์จำนวนมาก แต่ละเซลล์เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีรอยต่อซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าภายใน

เมื่อแสงถูกดูดกลืนในเซลล์ มันสามารถสร้างพาหะประจุที่เคลื่อนที่ได้ สนามไฟฟ้าภายในช่วยแยกประจุเหล่านั้นออกจากกันก่อนที่จะกลับมารวมตัวใหม่ จึงเกิดแรงดันไฟฟ้าคร่อมเซลล์

ถ้าเซลล์ถูกต่อเข้ากับวงจร กระแสไฟฟ้าก็สามารถไหลผ่านโหลดภายนอกได้ นั่นคือเอาต์พุตที่ใช้งานได้จริง แผงไม่ได้เก็บแสงอาทิตย์ไว้ภายในตัวมันเอง แต่กำลังเปลี่ยนกำลังของแสงขาเข้าบางส่วนให้เป็นกำลังไฟฟ้าในขณะที่มีแสงอยู่

เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าแสงมาในรูปโฟตอน แต่เซลล์แสงอาทิตย์ไม่ได้ถูกอธิบายแบบเดียวกับโจทย์ผลโฟโตอิเล็กทริกของโลหะแบบง่ายที่สุด ในแผงโซลาร์เซลล์ โครงสร้างแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำและการออกแบบรอยต่อมีความสำคัญ

ประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์หมายถึงอะไร

ประสิทธิภาพของแผงคืออัตราส่วน

$$\text{efficiency} = \frac{\text{electrical power out}}{\text{solar power in}}$$

ถ้ากำลังแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบบนผิวแผงคือ $P_{in}$ และแผงจ่ายกำลังไฟฟ้าออกมาเป็น $P_{out}$ จะได้ว่า

$$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$$

และเขียนได้เท่ากันว่า

$$P_{out} = \eta P_{in}$$

หากต้องการหาค่า $P_{in}$ จากสภาวะแสงอาทิตย์ แบบจำลองตั้งต้นที่ใช้บ่อยคือ

$$P_{in} = IA$$

โดยที่ $I$ คือความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ในหน่วย $\mathrm{W/m^2}$ และ $A$ คือพื้นที่ของแผง

ใช้แบบจำลองนี้ได้ก็ต่อเมื่อ $I$ เป็นค่าความเข้มรังสีที่ตกบนผิวแผงภายใต้เงื่อนไขที่คุณกำลังพิจารณา หากค่าของแสงอาทิตย์ถูกวัดมาสำหรับการวางตัวคนละแบบ หรือมีเงาบังและอุณหภูมิเปลี่ยนไป เอาต์พุตจริงก็จะเปลี่ยนตามด้วย

ผู้ผลิตมักรายงานค่าประสิทธิภาพภายใต้สภาวะทดสอบมาตรฐาน ประสิทธิภาพจริงกลางแจ้งมักต่ำกว่า เพราะแผงที่ร้อนขึ้นและสภาวะที่ไม่สมบูรณ์ทำให้สมรรถนะลดลง

ตัวอย่างคำนวณ: ประมาณกำลังไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์

สมมติว่าแผงมีพื้นที่ $A = 1.6\ \mathrm{m^2}$ ความเข้มรังสีบนผิวแผงคือ $I = 1000\ \mathrm{W/m^2}$ และแผงทำงานที่ประสิทธิภาพ $\eta = 0.20$ ภายใต้เงื่อนไขนั้น

ขั้นแรกหากำลังแสงอาทิตย์ขาเข้า:

$$P_{in} = IA = (1000)(1.6) = 1600\ \mathrm{W}$$

จากนั้นใช้ค่าประสิทธิภาพ:

$$P_{out} = \eta P_{in} = (0.20)(1600) = 320\ \mathrm{W}$$

ดังนั้นแผงจะจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ประมาณ $320\ \mathrm{W}$ ภายใต้เงื่อนไขที่ระบุไว้

ตัวอย่างนี้แสดงแนวคิดหลักได้ชัดเจน:

• แสงอาทิตย์ต่อหนึ่งตารางเมตรมากขึ้น ทำให้เอาต์พุตที่เป็นไปได้มากขึ้น
• พื้นที่แผงมากขึ้น ทำให้เอาต์พุตที่เป็นไปได้มากขึ้น
• ประสิทธิภาพสูงขึ้น ทำให้ได้กำลังไฟฟ้ามากขึ้นจากแสงอาทิตย์ขาเข้าเท่าเดิม

ความสัมพันธ์เหล่านี้ใช้ได้ก็ต่อเมื่อเงื่อนไขการทำงานอื่น ๆ เทียบเคียงกันได้

ทำไมประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์จึงน้อยกว่า 100%

ไม่ใช่แสงอาทิตย์ขาเข้าทั้งหมดจะกลายเป็นเอาต์พุตไฟฟ้าที่ใช้งานได้ แสงบางส่วนสะท้อนออกไป บางส่วนอาจไม่ถูกดูดกลืนอย่างมีประสิทธิภาพ และพลังงานที่ถูกดูดกลืนบางส่วนก็กลายเป็นความร้อนแทนที่จะเป็นงานไฟฟ้าที่มีประโยชน์ เซลล์และวงจรจริงยังมีการสูญเสียจากความต้านทานและการสูญเสียเชิงปฏิบัติอื่น ๆ ด้วย

รายละเอียดขึ้นอยู่กับวัสดุและการออกแบบ แต่แนวคิดใหญ่เรียบง่ายมาก: แผงโซลาร์เซลล์เป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานที่มีการสูญเสียหลีกเลี่ยงไม่ได้ ไม่ใช่ตัวรับพลังงานที่สมบูรณ์แบบ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์และประสิทธิภาพ

บอกว่าแผงเก็บแสงอาทิตย์ไว้

ไม่ใช่ แผงโฟโตโวลตาอิกมาตรฐานทำหน้าที่แปลงพลังงานในขณะที่มีแสงอยู่ หากต้องการใช้พลังงานตอนกลางคืน มักต้องมีระบบกักเก็บที่อื่น เช่น แบตเตอรี่

มองว่าประสิทธิภาพของแผงเป็นค่าคงที่ในทุกสถานการณ์

ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับเงื่อนไข ค่าที่ระบุไว้โดยทั่วไปมักผูกกับสภาวะทดสอบเฉพาะ และสมรรถนะจริงกลางแจ้งอาจแตกต่างออกไป

ใช้ $P_{in} = IA$ โดยไม่ตรวจสอบว่า $I$ หมายถึงอะไร

สูตรนี้ใช้ได้เมื่อ $I$ เป็นค่าความเข้มรังสีที่ตกบนผิวแผง หากค่าของแสงอาทิตย์ที่ให้มาหมายถึงการวางตัวแบบอื่นหรือเป็นค่าเฉลี่ยในอีกเงื่อนไขหนึ่ง คุณไม่ควรแทนลงในสูตรทันทีโดยไม่คิดเรื่องเรขาคณิตและการจัดวาง

คิดว่าแสงอาทิตย์ที่แรงขึ้นรับประกันว่าประสิทธิภาพเชิงเปอร์เซ็นต์จะเท่าเดิม

กำลังไฟฟ้าขาออกมักเพิ่มขึ้นเมื่อมีแสงอาทิตย์ตกถึงแผงมากขึ้น แต่ประสิทธิภาพก็ยังอาจเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิและสภาวะการทำงาน

สับสนระหว่างพลังงานแสงอาทิตย์กับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์

แผงโฟโตโวลตาอิกผลิตไฟฟ้าโดยตรงจากแสงในอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ส่วนระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ใช้แสงอาทิตย์เพื่อให้ความร้อนกับของไหลหรือพื้นผิวเป็นหลัก

คิดว่าแผงโซลาร์เซลล์ทำงานเหมือนสมการผลโฟโตอิเล็กทริกแบบง่ายที่สุด

แนวคิดมีความเกี่ยวข้องกันผ่านแสงและพลังงานของอิเล็กตรอน แต่เซลล์แสงอาทิตย์มักอธิบายด้วยแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำ การแยกประจุ และพฤติกรรมของรอยต่อ มากกว่าจะอาศัยเพียงสมการฟังก์ชันงานของโลหะแบบพื้นฐาน

พลังงานแสงอาทิตย์ถูกใช้งานที่ไหนบ้าง

แผงโซลาร์เซลล์ถูกใช้บนหลังคา ดาวเทียม เครื่องคิดเลข เซนเซอร์ระยะไกล โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ และระบบไฟฟ้านอกโครงข่าย มันมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อการผลิตไฟฟ้าแบบแยกส่วนมีความสำคัญและมีแสงอาทิตย์เพียงพอ

ในวิชาฟิสิกส์ พลังงานแสงอาทิตย์เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการแปลงพลังงาน ในทางวิศวกรรม มันยังกลายเป็นปัญหาระดับระบบที่เกี่ยวข้องกับการวางทิศทาง สภาพอากาศ การกักเก็บพลังงาน อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และโครงข่ายไฟฟ้า

ลองทำกรณีคล้ายกัน

ลองสร้างโจทย์แบบของคุณเองโดยเปลี่ยนทีละหนึ่งเงื่อนไข คงพื้นที่ไว้ที่ $1.6\ \mathrm{m^2}$ แล้วเปลี่ยนความเข้มรังสีเป็น $800\ \mathrm{W/m^2}$ หรือคงค่าแสงอาทิตย์ไว้แล้วเปลี่ยนประสิทธิภาพเป็น $0.18$ หากคุณต้องการตรวจสอบการตั้งโจทย์กับอีกกรณีหนึ่ง ลองทำโจทย์กำลังไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่คล้ายกันใน GPAI Solver