ไฟถนนโซล่าเซลล์ หลักคิดในการออกแบบ

ไฟถนนโซล่าเซลล์หลักคิดในการออกแบบ
(Solar Street Light Design Concept)

   

จากการบริโภคทรัพยากรอย่างเต็มที่ของโลกของเราในปัจจุบัน ทรัพยากรที่ใช้แล้วหมดไป อย่างแหล่งพลังงานจากฟอสซิล เช่น น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ เริ่มเหลือน้อยลงไปทุกวัน ทำให้ต้นทุนด้านพลังงานของกิจการต่างๆต้องเพิ่มสูงขึ้นทุกวันๆ เช่นกัน อย่างไม่มีทางเลี่ยงได้และยังมีการปล่อยมลภาวะโดยเฉพาะการปล่อยก๊าซคาร์บอนสู่ชั้นบรรยากาศโลกจากกระบวนการผลิตไฟฟ้าด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นจำนวนมากมายมหาศาลต่อวัน จนเป็นสาเหตุหนึ่งของการเกิดภาวะเรือนกระจกหรือภาวะโลกร้อน น้ำแข็งขั้วโลกละลาย หมีขั้วโลกไม่มีที่อยู่ การเกิดมะเร็งผิวหนังที่เพิ่มมากขึ้น การเกิดของเชื้อโรคสายพันธุ์ใหม่ๆ การเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศที่ไม่สมดุล และอื่นๆอีกเยอะแยะมากมายตามมา

การหาแหล่งพลังงานทางเลือก แหล่งพลังงานทดแทน พลังงานสะอาด ไม่ปล่อยมลภาวะ การลดการใช้พลังงาน จึงเป็นเรื่องสำคัญเร่งด่วนสำหรับการบริหารจัดการพลังงานและทรัพยากรของทุกๆประเทศทั่วโลก และเป็นหน้าที่ของเราทุกๆคนที่จะต้องช่วยกันเพื่ออนาคตของโลกและลูกหลานของเรา...

         

โซล่าเซลล์หรือเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ สามารถผลิตไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ได้อย่างไม่จำกัดและเป็นพลังงานสะอาดไม่มีมลภาวะ จึงเป็นทางเลือกใหม่ของแหล่งพลังงานที่อยู่ในความสนใจและถูกกล่าวถึงมากที่สุดในปัจจุบัน

   

ไฟถนน ที่มีความจำเป็นต่อความปลอดภัยในการเดินทาง และการใช้ชีวิตของผู้คนยามค่ำคืนมีความต้องการพลังงานไฟฟ้าสูง อยู่ในที่กลางแจ้ง จึงมีความเหมาะสมที่สุดในการนำเอาพลังงานพลังงานสะอาดและไม่มีวันหมดอย่างจากดวงอาทิตย์มาใช้งาน โดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพาระบบสายส่งไฟฟ้าอีกต่อไป
การออกแบบระบบ ไฟถนนโซล่าเซลล์ให้เหมาะสมจึงมีความจำเป็นที่ต้องเข้าใจถึงหลักคิดในการออกแบบ และส่วนประกอบต่างๆ เพื่อก่อให้เกิดประโยชน์สูงสุดและใช้ทรัพยากรให้คุ้มค่าที่สุด

         

ส่วนประกอบของไฟถนนโซล่าเซลล์ หรือ ไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์

ไฟถนนโซล่าเซลล์ (Solar Street Light) ประกอบไปด้วย แผงโซล่าเซลล์, เครื่องควบคุมการชาร์จ, แบตเตอรี่, โคมไฟและหลอดไฟ, เสาไฟและตู้ไฟสำหรับใส่อุปกรณ์ (กรณีเป็นหลอดไฟ 220Vac ก็ต้องมีตัวแปลงไฟขึ้น หรือ Voltage Inverter ด้วย)          

1.แผงโซล่าเซลล์ หรือ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Panel/Photovoltaics/PV)

แผงโซล่าเซลล์ หรือ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ ถือเป็นส่วนประกอบหลัก เพราะเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์
อย่างที่ทราบกันดี แผงโซล่าเซลล์คือตัวเปลี่ยนพลังงานจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า ทำมาจากเซลล์แสงอาทิตย์ (Sloar Cell) หลายๆเซลล์มาต่อรวมกัน เซลล์แสงอาทิตย์มีหลายชนิดด้วยกัน และในบรรดาเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหลายนี้ การเลือกใช้งานโดยทั่วไปแล้ว ในพื้นที่ที่มีแสงแดดดี แดดจ้ามากๆ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกซิลิคอนหลายผลึก (polycrystalline silicon) จะมีการนำมาใช้มากกว่า เพราะราคาด้วยที่ต่ำกว่า แต่ในพื้นที่ที่มีฝนตกชุกหรือแดดน้อย เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกซิลิคอนเดี่ยว (mono crystalline silicon/single crystalline silicon) จะใช้งานได้ดีกว่า เพราะมีประสิทธิภาพและเสถียรภาพดี แต่ถ้าต้องการลดต้นทุนหรือมีปัญหาเรื่องสภาพอากาศที่ร้อนจัดอย่างพื้นที่ทะเลทราย แผงโซล่าเซลล์ชนิด ฟิล์มบาง (Thin film) ก็เป็นทางเลือกที่เหมาะสมกว่า

   

2.ตัวควบคุมการชาร์จและการจ่ายไฟ (Solar Charger Controller)

ไม่ว่าโคมไฟจะมีขนาดใหญ่หรือเล็ก กำลังวัตต์มากหรือน้อย การควบคุมการชาร์จและการจ่ายไฟที่ดีเป็นสิ่งจำเป็นเสมอ เพราะมันมีผลอย่างมากต่อการรักษาอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ และการบริหารแบตเตอรี่ให้เหมาะสม
ในเครื่องควบคุมฯที่ดีควรจะต้องมีระบบเพิ่มประสิทธิภาพในการชาร์จ หรือ Mppt (อ่านเพิ่มเติม ระบบ Mppt คืออะไร ) มีอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้า,มีระบบบริหารแบตเตอรี่, มีความสามารถในการตั้งค่าความสว่างของหลอดไฟ, มีการตั้งเวลาการปิดเปิดได้ และฟังก์ชั่นอำนวยความสะดวกอื่นๆ
ทั้งนี้ ก็เพื่อให้คงความสว่างได้ตลอดทั้งคืน ในขณะเดียวกันก็เพื่อรักษาอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ด้วย (เป็นสิ่งสำคัญที่สุด) ตลอดจนบริหารจัดการประจุไฟในแบตเตอรี่ให้สามารถเหลือพอที่จะจ่ายในช่วงวันที่ฝนตกหนักได้อีกด้วย

   

3.แบตเตอรี่ (Battery)

ในเมื่อแสงแดดไม่ได้มีตลอดทั้งวัน การนำเอาแบตเตอรี่มาใช้เพื่อเก็บสะสมและจัดการกับพลังงานจึงเป็นสิ่งจำเป็น สำหรับระบบโซล่าเซลล์ โดยทั่วไปแล้วชนิดของแบตเตอรี่ที่นำมาใช้ในระบบไฟถนนโซล่าเซลล์ควรต้องเป็นแบบ deep cycle เพราะมีอายุการใช้งานที่นานกว่าและจ่ายไฟได้สม่ำเสมอกว่า
โดยทั่วไปแบตเตอรี่ชนิดตะกั่ว-กรด แบ่งเป็น 3 ชนิดหลักๆได้แก่

• แบตเตอรี่น้ำ (Flooded Acid Battery/Wet Battery)

  แบตเตอรี่น้ำมีใช้งานมากที่สุดในระบบโซล่าเซลล์ เพราะมีราคามีที่ต่ำกว่า เมื่อเทียบเป็น Ah ต่อ Ah
  แต่การแบตเตอรี่น้ำมีข้อเสียคือต้องมีการการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ เช่น ดูระดับน้ำกลั่น ดูความสะอาดของขั้วแบตฯ เป็นต้น นอกจากนั้่นก็ต้องติดตั้งในที่มีอากาศถ่ายเทได้ เพราะมีไอระเหยของน้ำกรด และต้องติดตั้งในแนวตั้งเท่านั้นไม่ให้เอียง ตะแคงหรือล้มโดยเด็ดขาด

• แบตเตอรี่เจล (Gel battery)

  เกิดจากการนำเอาผงซิลิกาเติมลงไปในสารละลายในแบตเตอรี่ ทำให้สารละลายกลายเป็นเจลจึงเรียกว่า แบตฯเจล เป็นหนึ่งในแบตเตอรี่ชนิดแบตฯแห้ง ระบบปิด (Sealed) ไม่ต้องการการบำรุงรักษา ติดตั้งในพื้นที่ปิดได้ สามารถวางตะแคงได้ และมีอายุการใช้งานที่ยาวกว่า
  ส่วนข้อเสียคือ ราคาสูง ระบายความร้อนได้ต่ำถ้าจ่ายประจุมากเกินไปอาจจะร้อนและระเบิดได้(ไม่เหมาะสำหรับรถไฟฟ้า) และอาจจะมีภาวะเกิดก๊าซภายในในบางครั้งซึ่งจะทำให้ชาร์จไม่เข้าจนกว่าก๊าซจะลอยขึ้นเป็นต้น

• แบตเตอรี่ AGM (Absorbed Glass Mat)

  แบตเตอรี่ AGM หรือแบตฯตาข่ายไฟเบอร์กลาส เป็นแบตเตอรี่ที่มีการนำตาข่ายไฟเบอร์กลาสใส่เข้าไปไปกั้นเซลล์แต่ละเซลล์ทำให้สามารถวางแผ่นตะกั่วได้ใกล้กันมากขึ้น ทำให้ขนาดเล็กลงแต่เก็บไฟได้มากขึ้น เป็นหนึ่งในแบตเตอรี่ชนิดแบตฯแห้ง ระบบปิด (Sealed) ไม่ต้องการการบำรุงรักษา ติดตั้งในพื้นที่ปิดได้ สามารถวางตะแคงได้ ระบายความร้อนได้ดีกว่าชนิดเจล แต่มีข้อเสียคือราคาสูงกว่าแบตฯชนิดอื่น

• แบตเตอรี่ลิเธี่ยม (Lithium Battery)

  แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไม่ใช่แบตเตอรี่ชนิดตะกั่ว-กรด แต่เกิดจากการนำเอาโลหะ ลิเธี่ยม(Li) มาเป็นขั้วอาโนด แทนโลหะตะกั่ว(Pb) ส่วนคาร์โธดนั้น มีโลหะได้หลายชนิดด้วยกันขึ้นอยู่กับแต่ละเทคโนโลยี แต่ส่วนมากจะเป็น แมงกานิสไดอ๊อกไซด์ (MnO2 ), ไอออนไดซัลไฟด์ (FeS2) และอื่นๆอีกหลายชนิด
  สำหรับสารละลายภายในก็เป็นสารหลายชนิดผสมกัน(compound) มีหลากหลายชนิดเช่นกัน อ่านเพิ่มเติมได้ที่ วิกิพิเดียLithium battery บางชนิดก็สามารถนำกลับมาชาร์จไฟใหม่ได้ บางชนิดก็ไม่สามารถชาร์จได้
  ข้อดีของแบตฯลิเธี่ยมคือ จ่ายประจุได้มาก ทำให้มีขนาดเล็ก ประหยัดพื้นที่ เหมาะสำหรับอุปกรณ์ไฮเทคทั้งหลาย
  ข้อเสียคือ ราคาแพง ระเบิดได้ นำกลับมาใช้ใหม่ไม่ได้

   

การเลือกขนาดความจุของแบตเตอรี่ ใช้หลักสำคัญในการเลือกคือ

1. ต้องสามารถเก็บไฟเพียงพอให้แสงสว่างได้ทั้งคืน สำหรับการชาร์จไฟในช่วงเวลากลางวัน และยังต้องมีไฟเพียงพอเผื่อไว้สำหรับ วันที่มีฝนตกมาก หรือแดดน้อย 2-3 วัน
2. แบตเตอรี่ที่ขนาดความจุน้อยเกินไปไม่สามารถให้แสงสว่างได้ตลอดทั้งคืน แบตเตอรี่ที่ขนาดความจุมากเกินความจำเป็นสูญเสียอย่างเปล่าประโยชน์และทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่สั้นลง
   
   

   

4.หลอดไฟ หรือ โคมไฟ

ชนิดของโคมฟถนนที่นำมาใช้กับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ หรือโซล่าเซลล์นั้นส่วนใหญ่แล้วจะต้องเป็นหลอดไฟชนิดที่กินไฟน้อยหรือหรือเป็นหลอดประหยัดพลังงาน เพราะจะช่วยลดขนาดแบตเตอรี่แผลขนาดแผงโซล่าเซลล์ได้ ได้แก่ หลอดประหยัดไฟ หลอดไอโซเดียมแรงดันต่ำ หลอดชนิดคายประจุ และ หลอดled    

• หลอดประหยัดไฟ

  มีกำลังไฟน้อย ประสิทธิภาพสูง แต่มีอายุการใช้งานค่อนข้างสั้นเพียง 2000 ชั่วโมง โดยปกติแล้วมีใช้เฉพาะตามไฟสนามหญ้า หรือไฟสวนหย่อม
ปัจจุบันเลิกนิยมไปแล้ว

• หลอดโซเดียมแรงดันต่ำ

  หลอดโซเดียมแรงดันต่ำบางชนิดอาจมีประสิทธิภาพสูงมากถึง 200 lm/w (ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของ inverter) แต่ก็มีราคาค่อนข้างแพง การเปิดต้องมีการอุ่นไส้ และให้แสงไฟคุณภาพต่ำ สีเพี้ยน ไม่เป็นที่นิยมในระบบไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

• หลอดชนิดคายประจุ discharge lamp

  กำลังต่ำ ประสิทธิภาพสูง ต้องการ inverter ไม่เป็นที่นิยมในระบบไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

• หลอดled

  เป็นหลอดไฟชนิดใหม่ ที่กำลังจะมาแทนที่ในระบบไฟฟ้าแสงสว่างทั้งหมด เพราะมีข้อดีคือมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า,ทนทาน,ใช้งานง่าย,น้ำหนัีกเบา,ใช้กับไฟ DC ได้ จึงไม่ต้องการ inverter, ประหยัดไฟเพราะมีประสิทธิภาพสูง (100-130 lm/w) และมีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นอีก เป็นที่แน่นอนว่าในอนาคต หลอดled จะเป็นหลอดไฟ ที่ได้รับความนิยมสูงสุดในการนำมาใช้กับระบบไฟพลังงานแสงอาทิตย์ (รวมไปถึงไฟแสงสว่างโดยทั่วไป) อ่านเพิ่มเติม ข้อดีของหลอดไฟLED

   

5.เสาไฟและตู้ใส่อุปกรณ์

ความสูงของเสาไฟควรขึ้นอยู่กับความกว้างของถนน ระยะห่างระหว่างเสา และมาตรฐานของถนนแต่ละประเภท

 

โดยสรุป หลักการออกแบบระบบไฟถนนโซล่าเซลล์นั้น ต้องคำนึงถึงสิ่งเหล่านี้

• แสงสว่างให้เพียงพอ
• ระบบมีสเถียรภาพ
• การรักษาอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
• การประหยัดงบประมาณ

นอกเหนือจากสิ่งเหล่านี้ที่เกี่ยวข้องด้านข้อมูลเทคนิคตามหลักวิศวกรรมแล้ว ยังต้องคำนึงถึงความสวยงามของภูมิทัศน์อีกด้วยเช่นกัน