Luminescent solar concentrators (LSC)

เซลลแสงอาทตยแบบโปรงแสง

นายสราวธ ไตรพรหม

รหสนกศกษา 58100700108

รายงานนเปนสวนหนงของ วชาพลงงานแสงอาทตย

สายวชาเทคโนโลยพลงงาน คณะพลงงานสงแวดลอมและวสด

มหาวทยาลยพระจอมเกลาธนบร

ภาคการศกษาท 1 ปการศกษา 2559

บทนำา

เซลลแสงอาทตยกำาลงไดรบนยมในปจจบน เพราะเปนการผลตไฟฟาจากแหลงพลงงานจากแสงอาทตยทไมมคาใขจาย การบรหารจดการงาย และยงไดรบเงนสนบสนนจากรฐบาลหากนำาไฟฟาทผลตไดดงกลาวมาขายในสายสงของรฐ จงทำาใหธรกจผลตไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตยแบบฟารมสรยะขนาดใหญขยายตวอยางรวดเรว จนอาจจะสงผลตอพนทสำาหรบทำาการเกษตรอนเปนพลงงานสำาหรบการดำารงชวตของมนษยในอนาคตได แตหากมองถงศกยภาพดงกลาวของเซลลแสงอาทตยแลว การขยายกำาลงผลตไฟฟาจากเซลลแสงอาทตยกยงคงเปนทางเลอกทดอย แตการจะแกปญหาเรองพนทจงควรหนกลบมามองพนททไมใชพนททางการเกษตร ทงพนผวนำา ทงพนทไมใชประโยชนในเมอง เซลลแสงอาทตยทใชงานกนอยในปจจบนไมไดออกแบบใหสามารถใชงานในพนทดงกลาวได อนเนองจาก ขนาดทใหญ ความทบแสงและคลนแสงททำาใหเซลลทำางาน จงตองมการพฒนาเซลลแสงอาทตยแบบใหม ทสามารถตอบโจทยได

Luminescent solar concentrators (LSC) เทคโนโลยการเคลอบกระจกดวยตวดดซบรงสอาทตยในยานความยาวคลนอลตราไวโอแลตและอนฟาเรด ซงเซลลแสงอาทตยปจจบนไมสามารถทำางานได ทำาให LSC เปนเซลลแสงอาทตยแบบโปรงแสง ใชงานในเมองแทนกระจกได และดวยความโปรงแสงนเองยงสามารถประยกตใชกบพนผวไดอกหลากหลายทงอปกรณอเลกทรอนกส รถยนต เครองบน เปนตน แตเนองจาก LSC ยงอยในขนตอนการพฒนาทำาใหประสทธภาพโดยรวมตำากวาเซลลแสง

อาทตยทวไปท 5% แตดวยความบางและความโปรงแสงทเปนจดเดน ทำาใหมเอกชนหลายรายใหการสนบสนนจนทำาใหเชอไดวา อนาคตอนใกล LSC จะเปนอกหนงเซลลแสงอาทตยมใชงานแพรหลายอยางแนนอน

ทมาและปญหา

จากการทภาครฐมนโยบายผลกดนใหมการใชพลงงานทดแทนเพมขนอยางตอเนอง นอกจากจะสงผลใหม การใชพลงงานทดแทนเพมขนแลว ยงสงผลใหภาคเอกชนมความสนใจทจะลงทนในอตสาหกรรมพลงงานทดแทนอกดวย โดยในป 2558 พบวา การลงทนดานพลงงานทดแทนทงจากภาครฐและเอกชน คดเปนมลคา 167,612 ลานบาท ทงน พบวา มการลงทนในแสงอาทตยมากทสด คดเปนรอยละ 51.4 ของมลคาการลงทนทงหมด รองลงมาไดแก ชวมวล ลม เชอเพลงชวภาพ กาซชวภาพ ขยะและน า คดเปนรอยละ 19.8 19.6 5.5 2.5 1.0 และ 0.2 ตามลำาดบ ดงแสดงในรปท 1

สวนกำาลงผลตไฟฟาจากพลงงานทดแทนพบวาอตราการเพมขนของไฟฟาจากเซลลแสงอาทตยเพมขนเปนอนดบสองทกวารอยละ 9 จากป

2557 ท 1,419 MW ทำาใหเซลลแสงอาทตยมสดสวน 17% ของพลงงานไฟฟาจากพลงงานดแทนของประเทศไทย จากรปท 2

การเพมขนกวา 9% ของเซลลแสงอาทตยในป 2557-2558 ยอมำาใหพนทสำาหรบตดตงเซลลแสงอาทตยเพมขนจากขอมลพบวาโดยเฉลยโซลาฟารมทผลตไฟฟา 1 เมกะวตตจะใชพนทไมนอยกวา 5 ไร แตสำาหรบแผงโซลา เซลลกลม โฟล ครสตอลลาย ใชพนทถงประมาณ 10-14 ไร ตอ 1 เมกกะวตต และสำาหรบแผงโซลาเซลลกลม ทนฟลม ใชพนทมากถง ประมาณ 26-30 ไร ตอ 1 MW

แตเมอมาพจารณาพนทอาคารหรอพนทผวอาคารทไมไดใชประโยชน พบวาจากการรวบรวมและประมวลผลขอมลการอนญาตปลกสรางอาคารในพนทกรงเทพมหานคร พ.ศ. 2558 พบวามการอนญาตปลกสรางอาคารทงหมด จำานวน 16,448 หนวย พนท 10,407,054.03 ตร.ม. แบงตามอำานาจการอนญาตปลกสรางอาคาร คอ

1. การอนญาตปลกสรางอาคารสงไมเกน 8 ชน (ขอมลจากฝายโยธา สำานกงานเขต 50 เขต) มการอนญาตปลกสรางอาคารทงหมด จำานวน

แสดงการลงทนดานพลงงานทดแทนและกำาลงผลตไฟฟา

รปท 2 แสดงการตดตงแผงโซลาฟารมของ

16,401 หนวย พนท 8,700,440.63 ตร.ม. จำาแนกตามประเภทการใชสอยอาคารพบวาการอนญาตปลกสรางอาคารประเภทพกอาศยมจำานวน 13,827 หนวย พนท 5,661,747.88 ตร.ม. คดเปนรอยละ 85.34 ของจำานวนอาคารทมการอนญาตทงหมด รองลงมาคออาคารประเภทพาณชย-พกอาศย มการอนญาตปลกสรางอาคาร จำานวน 1,140 หนวย พนท 1,230,063.87 ตร.ม. คดเปนรอยละ 7.04 และอาคารประเภทพาณชย มการอนญาตปลกสรางอาคาร จำานวน 853 หนวย พนท 646,639.85 ตร.ม. คดเปนรอยละ 5.26 ตามลำาดบ

2. การอนญาตปลกสรางอาคารสงเกน 8 ชน อำานาจการอนญาตเปนของผอำานวยการสำานกการโยธา (ขอมลจากสำานกการโยธา กทม.) มการอนญาตปลกสรางอาคารทงหมด จำานวน 47 หนวย พนท 1,706,613.40 ตร.ม. จำาแนกตามประเภทอาคารพบวามการอนญาตปลกสรางประเภทพกอาศย จำานวน 15 หนวย พนท 270,384.40 ตร.ม. คดเปนรอยละ 76.02 ของจำานวนอาคารทมการอนญาตทงหมด รองลงมาคออาคารประเภทพาณชย-พกอาศย มการอนญาตปลกสรางอาคาร จำานวน 21 หนวย พนท 620,616.00 ตร.ม.คดเปนรอยละ 16.67 และอาคารประเภทพาณชยมการอนญาตปลกสรางอาคาร จำานวน 8 หนวย พนท 804,213.00 ตร.ม.คดเปนรอยละ 4.88 ตามลำาดบ

หลกการและทฤษฏ

เซลลแสงอาทตยเปนอปกรณไฟฟาซงทำาหนาทแปลงพลงงานแสงหรอโฟตอนเปนพลงงานไฟฟา โดยตรงโดยปรากฏการณโฟโตโวลตาอก

"Photovoltaic"นนกคอ คณสมบตของสารเชน คาความตานทาน แรงดน และกระแส จะเปลยนไปเมอมแสงตกกระทบโดยไมตองอาศยแหลงจายไฟภายนอก และเมอตอโหลดให จะทำาใหเกดกระแสไหลผานโหลดนนไดโฟโตโวลตาอกเปนสาขาของเทคโนโลยและการวจยทเกยวของกบการประยกตใชเซลลแสงอาทตยในการผลตกระแสไฟฟาจากแสงสวาง แมวามนมกจะถกนำามาใชเฉพาะเพออางถงการผลตกระแสไฟฟาจากแสงแดดกตาม เซลล

นนๆสามารถถกอธบายวาเปนเซลลแสงอาทตยไดแมวาแหลงกำาเนดแสงไมจำาเปนตองเปนดวงอาทตย (เชนแสงตะเกยงหรอไฟเทยม ฯลฯ) ในกรณดงกลาว เซลลนนบางครงจะถกใชเปนตวตรวจจบแสง (องกฤษ: photodetector) (เชน ตวตรวจจบแสงอนฟราเรด) เพอตรวจจบแสงหรอรงสแมเหลกไฟฟาอนๆทอยในทศนวสย หรอใชวดความเขมของแสงการทำางานของเซลลแสงอาทตยหรอ photovoltaic (PV) cell ตองมคณสมบตพนฐาน 3 อยางดงน

การดดซมของแสงเพอสรางคอเลกตรอน-โฮล หรอ เอกซตอน อยางใดอยางหนง

การแยกตางหากของตวขนสงประจทตางชนดกน การสกดการแยกออกจากกนของตวขนสงเหลานนออกไปยงวงจร

ภายนอก

ในทางตรงกนขาม ตวสะสมความรอนจากแสงอาทตยจะจายความรอนโดยการดดซบแสงแดด เพอวตถประสงคในการใหความรอนโดยตรงหรอใชในการผลตไฟฟาโดยออมอยางใดอยางหนงในทางตรงกนขาม "Photoelectrolytic cell" (photoelectrochemical cell) หมายถง อยางใดอยางหนงวาเปนชนดหนงของเซลลสรยะ (เชนท พฒนาโดย AE Becquerel และ modern dye-sensitized solar cells) หรอเปนอปกรณอยางหนงทแยกนำาโดยตรงใหเปนไฮโดรเจนและออกซเจนโดยการใชพลงงานสองสวางจากดวงอาทตยเทานน

เซลลแสงอาทตยหลายๆชดถกประกอบเขาดวยกนเพอทำาเปนแผงเซลลแสงอาทตยในการผลตพลงงานไฟฟาจากแสงแดด หลายๆเซลลรวมเขามาเปนกลมๆ ทกกลมวางตวเปนหนงแผง เรยกวาแผงโซลารเซลลหนงแผงหรอหนง "โมดลของเซลลแสง อาทตย" ซงจะแตกตาง จาก"โมดล ความรอนแสง อาทตย"

หรอ "แผงนำารอนแสงอาทตย . " พลงงานไฟฟาทถกสรางขนจากโมดลเซลลแสงอาทตยซงถกเรยกขานวาพลงงานแสงอาทตยเปนตวอยางของการนำาพลงงานจากดวงอาทตยมาใช กลมของแผงเซลลแสงอาทตยหลายๆแผงทเชอมตอกนเรยกวา "อาเรย"

เทคโนโลย Luminescent solar concentrators (LSC)

เปนการเคลอบสารพเศษของ SolarWindow นนจะทำาการเคลอบสารซงอยในสถานะของเหลวภายใตอณหภมหองปกต กอนจะทำาใหสารเคลอบแหงในหองอณหภมตำา ซงนคอขนตอนสำาคญททำาใหชนฟลมของสารทเคลอบไวมสภาพโปรงใส โดยวธการเคลอบนสามรถทำาไดทงบนพนผวกระจก และพลาสตกใส Organic Solar Concentrators ประกอบดวยแผนพลาสตกทถกเคลอบดวยสารสำาหรบดดซบรงสอาทตยในแตละชวงความยาวคลนโดยจะมลกษณะเหมอนสยอม และขอบของแผน OSC จะถกลอมรอบดวยแผงโซลาเซลล เพอเปนการเกบพลงงานทออกมาจากขอบของ OSC ซงจะมแสงทมความเขมสง การทำางานของแผน OSC เมอโฟตอนของแสงกระทบมายงแผน OSC ทมสยอมไวสำาหรบดดซบชวงความความยาวคลนนนไวเกดการสะทอนของทำาใหอเลกตรอนในสารเคลอบบนแผนเหลานนมพลงงานสงขน และเมออเลกตรอนมพลงงานสงขนจะทำาใหอเลกตรอนในชนเหลานวงไปรวมกนทขอบของแผนพลาสตก เกดเปนแสงทมความเขม

รปท 3 การเกดกระแสไฟฟาโดยการเคลอนของ

รปท 4 แสดงเรองแสง

ขนสงเปนพลงงานใหกบ PV ตอไป โดยประมาณ 80% ของโฟตอนจะถกเกบไวแผนพลาสตกทถกพนส

หลกการทำางานโดยสารเคลอบออแกนกสทอยบนผวกระจกหรอพลาสตกจะทำาหนาทดดซบคลนแมเหลกไฟฟาจากสเปกตมของแสง ทำาใหรงสชวงคลนอนทไมไดถก OSC ดดซบจะสามารถทะลผานไปได

เมอแสงถกดดซบในชน Dyes จะเกดการสะทอนระหวางชน dyes และชนแกวทอยถดไปลกษณะการสะทอนจะใชหลกการเดยวกบการสงผานแสงดวย Fiber optic สงตอคลนแสงไปยงบรเวณขอบของแผนแกว เกด

เปนคลนแสงทมความเขมขนสงทบรเวณขอบ โดยขอบจะมโซลาเซลลตดตงไวเพอเปลยนพลงงานจากแสงทเขมขนดงกลาวเปนพลงงานไฟฟาตอไป

รปท 5 แสดงสวนประกอบของ

เมอรงสอาทตยตกกระทบกบชนสยอม Dyes จะดดซบเฉพาะรงสอาทตยชวงความยาวคลน

การประยกตใชงาน

1. เนองจาก LSC เปนการดดซบเฉพาะรงสชวงความยาวคลนอลตราไวโอแลตและอนฟาเรดไวเทานน สวนรงสชวงการมองเหน (Visible light) จะสมารถทะลผานไปได จงทำาใหสามารถมองผานทะลดานหลงแผน LSC เหมอนกระจกโปรงแสงทวไปได

รงสทถดดดซบถกสะทอนไปยงชนของแกวซงมลกษณะเหมอนกระจกทางเดยว ไมใหรงสสะทอนออก

รงสทตกกระทบชนกระจกจะถกทำาใหสะทอนออกไปยงขอบโดยหลกการเดยวกบ Fiber optic

รงสทสะทอนไปยงขอบทำาใหเกดรงสเขมขนจนเกดแสงเขมขนสง ถายทอดพลงงานไปยง solar cell ทตดไวทขอบเพอเปลยนเปนพลงงานไฟฟาตอไป

รปท 6 แสดงกระบวนการและหลกทำางานของ LSC

2. เนองจาก LSC ทำางานดวยการเคลอบสารอนทรยทดดซบรงสอาทตยไวการเคลอบทำาใหสามารถประยกตใชกบพนผวอนนอกจากกระจกหรอพลาสตกได ดงนนการพฒนาในอนาคต LSC สามารถใชงานทำาทงสผนงอาคาร หรอรถยนตได

3. LSC เปนเซลลแสงอาทตยแบบโปรงแสง จงสามารถใชงานแทนกระจกอาคารได ซงการใชงานแทนกระจกอาคารสงนอกจากจะชวยลดพนทตดตง Solar farm ทตองใชพนทเดยวกบพนททางการ

เกษตรแลว ยงสามารถลดความรอนจากรงสอาทตยทจะเขามาในอาคารไดอกดวย

สรปผลและวจารณ

รปท 7 แสดงการใช

รปท 8 แสดงศกยภาพของพนททสามารถตดตง LSC ได

□ LSC ใชหลกการสารดดซบรงสสวนใหญเปน UV และ IR รวบรวมรงสโดยการสะทอนรงสเขมขนไปยงขอบของแผน

□ เทคโนโลย luminescent solar concentrators (LSC) ประสทธภาพประมาณ 10% นบวาเปนเทคโนโลยใหมยงคงตองพฒนาประสทธภาพ

□ แนวทางการประยกตใช ของทมวจย สวนใหญจะเนนใชกบอปกรณอเลกทรอนกส

□ สารอนทรยทเคลอบผวเสอมประสทธภาพเรว ยงหากทำาปฏกรยากบความชนสง

□ เนองจากสเคลอบผวอนทรย ตองทำาในหองทดลองทเปนสญญากาศ หากใชงานเชงพาณชยหรอตดผวกระจก ควรจะออกแบบในลกษณะฟลมตดรถยนตทลอกออกและตดตงใหมไดงาย

อางอง

1. กรมพฒนาพลงงานทดแทน และอนรกษพลงงาน กระทรวงพลงงาน, 2558, แผนพฒนาพลงงาน ทดแทน 15 ป. กระทรวงพลงงาน. [Online], Available: http://www.eppo.go.th/ccep/download/REDP_15_yrs.pdf , [22 กนยายน 2558].

2.  ”A window on the future of solar glazing “Gavin D. J. Harper g.harper@glyndwr.ac.uk [Online], Available: www.gavindjharper.com http://orcid.org/0000-0002-4691-6642 Welsh Energy Sector Training (WEST) Conference, Liberty Stadium, Swansea, Wales, 16th September 2014

3. “Improvement of Luminescent Solar Concentrators using Liquid Crystal Polymer” Melissa N Ricketts, Andrea Rodarte, Lun Jiang, Roland Winston, Linda S. Hirst School of Natural Sciences and School of Engineering, University of California Merced

4. http :// www.slideshare.net/gavindjharper/a-window- on-the-future-of-solar-glazing

5. http :// www.dede.go.th/download/state_59/Thailand %20alternative%20energy%202015.pdf

6. http :// www.catdumb.com/first-transparent-solar- cell-290/

7. http :// cast.ucmerced.edu/files/public/documents/ Poster-11.pdf

8. https :// www.beartai.com/news/59185 9. http :// solarwindow.com/2015/02/new-energys-

electricity-generating-solarwindow-trumps-competition-with-industrys-fastest-ever-payback/

10. http :// www.computerworld.com/article/ 2980236/sustainable-it/solar-windows-poised-to-change-the-way-we-power-buildings.html

11. http :// www.cssckmutt.in.th/cssc/ cssc_training/doc/Designer_CH1toCH5.pdf