องค์ประกอบและหลักการการทำงานของระบบผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานแสงอาทิตย์

องค์ประกอบและหลักการทำงานของระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ (PV)

ระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมดูล PV, ตัวควบคุม, อินเวอร์เตอร์, แบตเตอรี่ และอุปกรณ์เสริมอื่น ๆ (ระบบเชื่อมต่อกริดไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่) ตามว่าระบบพึ่งพาการจ่ายไฟจากกริดสาธารณะหรือไม่ ระบบ PV สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ ระบบออฟ-กริดและระบบเชื่อมต่อกริด ระบบออฟ-กริดทำงานอย่างอิสระโดยไม่พึ่งพากริดสาธารณูปโภค มีแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงานเพื่อให้ระบบจ่ายไฟได้อย่างเสถียร สามารถจ่ายไฟให้กับโหลดในช่วงกลางคืนหรือช่วงที่มีเมฆปกคลุมหรือฝนตกนานๆ ซึ่งทำให้การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ

ไม่ว่าจะเป็นระบบประเภทใด หลักการทำงานก็เหมือนกัน: โมดูล PV แปลงแสงแดดเป็นกระแสไฟฟ้าตรง (DC) แล้วอินเวอร์เตอร์จะแปลงกระแสไฟฟ้าตรงเป็นกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) เพื่อใช้งานหรือเชื่อมต่อกับกริด

1. โมดูล PV

โมดูล PV เป็นส่วนสำคัญของระบบผลิตไฟฟ้าทั้งหมด ทำขึ้นโดยรวมเซลล์ PV แต่ละเซลล์ที่ถูกตัดเป็นขนาดต่าง ๆ ด้วยเลเซอร์หรือเครื่องตัดด้วยสาย เนื่องจากแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่ออกมาจากเซลล์แสงอาทิตย์เพียงเซลล์เดียวมีค่าน้อยมาก จึงต้องเชื่อมต่อเซลล์หลายเซลล์เรียงต่อกันเพื่อให้ได้แรงดันสูงขึ้น จากนั้นเชื่อมต่อขนานเพื่อเพิ่มกระแส ชุดประกอบมีไดโอดบล็อก (เพื่อป้องกันการไหลกลับของกระแส) และถูกหุ้มด้วยกรอบที่ทำจากสเตนเลส สเตนอล หรือวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ หน้าปัดด้านหน้าถูกปิดผนึกด้วยกระจกนิรภัย ด้านหลังมีแผ่นรองหลัง ภายในบรรจุด้วยแก๊สไนโตรเจนและปิดผนึกอย่างแน่นหนา โมดูล PV หลายโมดูลที่เชื่อมต่อเรียงต่อกันและขนานกันจะสร้างเป็นอาร์เรย์ PV (หรือเรียกว่าอาร์เรย์แสงอาทิตย์)

หลักการทำงาน: เมื่อแสงแดดกระทบกับจุด p-n ของเซลล์แสงอาทิตย์ จะเกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่จุด p-n โฮลจะเคลื่อนที่ไปยังพื้นที่ p และอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังพื้นที่ n เมื่อวงจรป้อนครบวงจร กระแสไฟฟ้าจะไหล หน้าที่หลักของโมดูล PV คือการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า ไม่ว่าจะเก็บไว้ในแบตเตอรี่หรือใช้จ่ายให้กับโหลดไฟฟ้าโดยตรง

ประเภทของโมดูล PV:

• ซิลิกอนชนิดโมโนคริสตาล: ประสิทธิภาพ ≈ 18% ถึง 24% — สูงสุดในประเภท PV ทั้งหมด โดยทั่วไปจะถูกหุ้มด้วยกระจกนิรภัยและเรซินกันน้ำ ทำให้มีความทนทานและอายุการใช้งานยาวนาน (อายุการใช้งานสูงสุด 25 ปี)

• ซิลิกอนชนิดโพลีคริสตาล: ประสิทธิภาพ ≈ 14% กระบวนการผลิตคล้ายกับซิลิกอนชนิดโมโนคริสตาล แต่มีประสิทธิภาพต่ำลง ราคาต่ำลง และอายุการใช้งานสั้นลง อย่างไรก็ตาม การผลิตง่ายกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า และมีต้นทุนการผลิตต่ำ ทำให้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง

• ซิลิกอนชนิดอะมอร์ฟัส (ฟิล์มบาง): ประสิทธิภาพ ≈ 10% ผลิตโดยใช้กระบวนการฟิล์มบางที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง ต้องการซิลิกอนและพลังงานน้อย ข้อดีหลักคือประสิทธิภาพที่ดีในสภาพแสงน้อย

2. ตัวควบคุม (ใช้ในระบบออฟ-กริด)

ตัวควบคุมการชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์อัตโนมัติที่ป้องกันการชาร์จเกินและการปล่อยประจุเกินของแบตเตอรี่ มี CPU ไมโครโปรเซสเซอร์ความเร็วสูงและ A/D คอนเวอร์เตอร์ความแม่นยำสูง ทำหน้าที่เป็นระบบรวบรวมข้อมูลและการควบคุมตรวจสอบแบบไมโครคอมพิวเตอร์ สามารถรวบรวมข้อมูลการทำงานแบบเรียลไทม์ได้อย่างรวดเร็ว ตรวจสอบสถานะระบบ และจัดเก็บข้อมูลประวัติ ให้ข้อมูลที่ถูกต้องและเพียงพอในการประเมินการออกแบบระบบและความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบ นอกจากนี้ยังสนับสนุนการสื่อสารแบบอนุกรมสำหรับการจัดการแบบรวมศูนย์และการควบคุมระยะไกลของสถานีย่อย PV หลายแห่ง

3. อินเวอร์เตอร์

อินเวอร์เตอร์แปลงกระแสไฟฟ้าตรง (DC) ที่ผลิตจากแผงโซลาร์เซลล์เป็นกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) ทำให้สามารถใช้งานกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ AC ได้ อินเวอร์เตอร์ PV เป็นส่วนประกอบหลักของระบบ BOS (Balance of System) และมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น Maximum Power Point Tracking (MPPT) และการป้องกันเกาะติด (islanding protection)

ประเภทของอินเวอร์เตอร์โซลาร์:

• อินเวอร์เตอร์แบบสแตนด์อะโลน: ใช้ในระบบออฟ-กริด อาร์เรย์ PV ชาร์จแบตเตอรี่ และอินเวอร์เตอร์ดึงกระแสไฟฟ้า DC จากแบตเตอรี่เพื่อจ่ายโหลด AC หลายอินเวอร์เตอร์แบบสแตนด์อะโลนมีชาร์เจอร์แบตเตอรี่ในตัวที่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ด้วยไฟ AC ได้ อินเวอร์เตอร์เหล่านี้ไม่ได้เชื่อมต่อกับกริดและไม่จำเป็นต้องมีการป้องกันเกาะติด

• อินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกริด: ป้อนกระแสไฟฟ้า AC กลับเข้าสู่กริดสาธารณะ คลื่นรูปแบบเอาต์พุตต้องตรงกับเฟส ความถี่ และแรงดันของกริด หากกริดถูกตัดการเชื่อมต่อ อินเวอร์เตอร์จะหยุดทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัย ไม่ให้พลังงานสำรองในระหว่างการตัดการเชื่อมต่อกริด

• อินเวอร์เตอร์แบบแบตเตอรี่สำรอง: อินเวอร์เตอร์พิเศษที่ใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานหลักและมีชาร์เจอร์เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ พลังงานส่วนเกินสามารถป้อนกลับเข้าสู่กริดได้ ในระหว่างการตัดการเชื่อมต่อกริด อินเวอร์เตอร์สามารถจ่ายไฟ AC ให้กับวงจรที่ระบุ และดังนั้นจึงมีการป้องกันเกาะติด

4. แบตเตอรี่ (ไม่จำเป็นในระบบเชื่อมต่อกริด)

แบตเตอรี่เป็นหน่วยเก็บพลังงานในระบบ PV ประเภทที่พบบ่อยได้แก่ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบปิดสนิท แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบเปิด แบตเตอรี่เจล และแบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบปิดสนิทและแบตเตอรี่เจลเป็นที่นิยมใช้มากที่สุด

หลักการทำงาน: ในช่วงกลางวัน แสงแดดกระทบกับโมดูล PV สร้างแรงดันไฟฟ้า DC และแปลงแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า กำลังไฟฟ้านี้ถูกส่งไปยังตัวควบคุม ซึ่งป้องกันการชาร์จเกิน แล้วจึงเก็บไว้ในแบตเตอรี่เพื่อใช้งานในภายหลังเมื่อจำเป็น