increasing performance of solar cell panels by cooling system · this research was to investigate...

(1)

การเพิ่มสมรรถนะของแผงเซลลแสงอาทิตยโดยระบบหลอเย็น Increasing Performance of Solar Cell Panels by Cooling System

นิคม ผ่ึงคํา Nikom Phuengkum

วิทยานิพนธนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญา วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาฟสิกส

มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science in Physics Prince of Songkla University

2551 ลิขสิทธิ์ของมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร

(2)

ชื่อวิทยานิพนธ การเพิ่มสมรรถนะของแผงเซลลแสงอาทติยโดยระบบหลอเย็น ผูเขียน นายนิคม ผึ่งคํา สาขาวิชา ฟสิกส

บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร อนุมัติใหนับวิทยานิพนธฉบับน้ี เปนสวนหนึ่งของการศึกษา ตามหลักสูตรปริญญาวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาฟสิกส ……………………………............………. (รองศาสตราจารย ดร.เกริกชัย ทองหนู) คณบดีบัณฑติวทิยาลัย

อาจารยที่ปรึกษาวิทยานพินธหลัก ......................................................................... (ดร.ภราดร ภักดีวานิช)

คณะกรรมการสอบ ………………………………...ประธานกรรมการ (รองศาสตราจารยบุญเหลอื พงศดารา) ………………….................................กรรมการ (รองศาสตราจารย ดร.นิคม ชูศิริ) ……………………..............................กรรมการ (ดร.ภราดร ภักดีวานิช) ………………….................................กรรมการ (ผูชวยศาสตราจารย ดร.ยุทธนา ฏิระวณิชยกุล)

อาจารยที่ปรึกษาวิทยานพินธรวม ........................................................................ (ผูชวยศาสตราจารย ดร.ยุทธนา ฏิระวณิชยกุล)

(3)

ชื่อวิทยานิพนธ การเพิ่มสมรรถนะของแผงเซลลแสงอาทติยโดยระบบหลอเย็น ผูเขียน นายนิคม ผึ่งคํา สาขาวิชา ฟสิกส ปการศึกษา 2551

บทคัดยอ

งานวิจัยน้ีไดทําการศึกษาเกี่ยวกับการเพิ่มสมรรถนะของแผงเซลลแสงอาทิตยโดยการลดความรอนแผงเซลลแสงอาทิตยดวยระบบหลอเย็น เน่ืองจากความรอนที่เกิดขึ้นบนแผงเซลลแสงอาทิตยสงผลใหสมรรถนะการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยลดลง ระบบหลอเย็นที่สรางขึ้นมี 2 แบบ คือ ระบบหลอเย็นดวยน้ําและระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ ระบบหลอเย็นดวยน้ําประกอบดวยเพลทอะลูมิเนียมและทอทองแดง สวนระบบหลอเย็นดวยแผนครีบประกอบดวยเพลทอะลูมิเนียมและแผนครีบอะลูมิเนียม ในงานวิจัยน้ีใชแผงเซลลแสงอาทิตยแบบผลึกเดี่ยวซิลิกอนรุน BP 253 จํานวน 2 แผง โดยใหแผงที่ไมมีระบบหลอเย็นเปนแผงอางอิงสําหรับควบคุมการทดลอง

ในการทําวิจัยไดติดตั้งระบบหลอเย็นเขากับดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตย และทดลองทีละเง่ือนไข โดยระบบหลอเย็นดวยแผนครีบศึกษาดวยสภาพอากาศตามธรรมชาติ สวนระบบหลอเย็นดวยน้ําศึกษาการดวยการปรับอัตราการไหลของน้ํา ซ่ึงไดปรับใหมีอัตราการไหลเชิงปริมาตรเปน 2.88 610−× , 3.60 610−× , 4.24 610−× และ 5.88 610−× /sm3

ผลจากการทดลองพบวา ที่อุณหภูมิของแผงอางอิงใกลเคียงกันของแตละเง่ือนไข ระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหล 4.24 610−× /sm3 ใหผลดีที่สุด ซ่ึงทําใหอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยลดลง 21.05 Cο สงผลใหเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพเพ่ิมขึ้น 0.51 % และสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดเพ่ิมขึ้น 9.35 % สวนระบบหลอเย็นดวยแผนครีบทําใหลดลงได 9.10 Cο ทําใหเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 0.28 % และสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดเพ่ิมขึ้น 5.02 % ประเทศไทยไดรับความเขมแสงโดยเฉลี่ยทั่วประเทศตอวันประมาณ 18.2 2MJ/m (ที่มา: สถาบันพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย) ดังนั้นในแตละปแผงเซลลแสงอาทิตยที่ใชระบบหลอเย็นดวยน้ํา ระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ และไมใชระบบหลอเย็น สามารถผลิตกําลังไฟฟาไดประมาณ 163.92 158.54 และ 151.99 MJ โดยที่ระบบผลิตพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นยังคงมีจุดคุมทุนที่ยาวนานกวาระบบผลิตพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่ไมมีระบบหลอเย็น

(4)

Thesis Title Increasing Performance of Solar Cell Panels by Cooling System

Author Mr. Nikom Phuengkum Major Program Physics Academic Year 2008

ABSTRACT

This research was to investigate enhancing performance of solar cell or Photovoltaic (PV) using two different cooling systems. Due to heat collection on the PV system on reducing of PV performance, the cooling system was designed and tested on 2 types: the photovoltaic-thermal water cooling (PV/TW) system and photovoltaic-thermal-fin cooling (PV/TF) system. For the PV/TW system, it was comprised of Aluminum plate and copper tube while the PV/TF system was made from Aluminum plate and Aluminum fins. The two single Si crystals of PV type BP 253 was used for these experiments.

The two cooling systems were contacted at the back side of 2 PV modules and the experiments were tested under various conditions. For the PV/TF system, the heat transfer media was natural air convection. For the PV/TW system, the top water was used as heat transfer media with volumetric flow rate 2.88 610−× , 3.60 610−× , 4.24 610−× and 5.88 610−× /s.m3 The experimental results showed that the PV/TW system at 4.24 610−×

/sm3 was the best condition. In addition, due to thermal reduction of 21.1 Cο , the PV efficiency could increase about 0.51 % and power production could increase about 9.35 %. On the other hand, the PV/TF system could reduce the PV temperature of 9.1 Cο , the PV efficiency and PV performance could increase about 0.28 % and 5.02 %, respectively. Due to average solar intensity of 18.2 2mMJ/day ⋅ (Solartech), the PV/TW, PV/TF and no cooling system could produce the electric power of 163.92, 158.54 and 151.99 MJ/year , respectively. For economy analysis, the rate of return for the PV/TW and PV/TF system could take long period compared to the PV system without cooling unit.

(5)

กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุณ อาจารย ดร. ภราดร ภักดีวานิช ผูชวยศาสตราจารย ดร. ยุทธนา ฏิระวณิชยกุล และผูชวยศาสตราจารยสุรพล ศรีแกว อาจารยที่ปรึกษาวิทยานิพนธ ที่ไดกรุณาใหคําแนะนํา แนวความคิดในการแกไขปญหาและเครื่องมืออันเปนประโยชนตอการทําวิจัย ซ่ึงทําใหงานวิจัยสามารถสําเร็จมาไดตามวัถุประสงค

ขอขอบคุณ รองศาสตราจารยบุญเหลือ พงศดารา และรองศาสตราจารย ดร.

นิคม ชูศิริ คณะกรรมการสอบวิทยานิพนธ ที่ไดกรุณาใหขอเสนอแนะในการแกไขเพิ่มเติมวิทยานิพนธ ทําใหวิทยานิพนธเลมน้ีมีความถูกตองและสมบูรณมากขึ้น

ขอขอบคุณอาจารยประจําภาควิชาฟสิกสทุกทาน ที่ไดกรุณาถายทอดความรู

และอบรมสั่งสอน ทําใหกระบวนการดําเนินงานและการแกไขปญหาเปนไปอยางราบรื่น ขอขอบคุณเจาหนาที่ประจําภาควิชาฟสิกสทุกทาน ที่ไดกรุณาอํานวยความ

สะดวก ใหความชวยเหลือและถายทอดความรูให ทั้งในดานงานเอกสารและเครื่องมือในการดําเนินงานวิจัย ทําใหกระบวนการของการทําวิจัยรวดเร็วมากขึ้น

ขอขอบคุณ พ่ี เพ่ือน นักศึกษาปริญญาเอกและปริญญาโท ในภาควิชา

ฟสิกสทุกคน ที่ใหความชวยเหลือและคําแนะนําอันเปนประโยชนตองานวิจัย สุดทายนี้ขาพเจาขอกราบขอบพระคุณครอบครัวผึ่งคําและพรมหาราช ทุกทาน

ที่คอยเปนหวง เปนกําลังใจ และใหการสนับสนุนในทุก ๆ ดาน ทําใหการดําเนินงานวิจัยสําเร็จไปไดตามวัตถุประสงค

นิคม ผึ่งคํา

(6)

สารบัญ

หนา รายการตาราง (8) รายการภาพประกอบ (9) บทที่ 1 บทนํา 1 1.1 ความสําคัญและที่มาของงานวิจัย 1 1.2 การตรวจสอบเอกสารงานวิจัยที่เกี่ยวของ 3 1.3 วัตถุประสงค 9 1.4 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ 9 บทที่ 2 ทฤษฎี 10 2.1 ทฤษฎีอุณหพลศาสตร 10 2.1.1 สภาพนําความรอน 10 2.1.2 การสงผานความรอนดวยการพา 12 2.1.3 การสงผานความรอนดวยการแผรังสีความรอน 13 2.1.4 การอนุรักษพลังงานสําหรับปริมาตรควบคุม 14 2.1.5 สมดุลพลังงานของการไหลภายในทอ 15 2.1.6 ระบบการนําและการพาความรอนบนแผนครีบ 17 2.1.7 การพาความรอนตามธรรมชาติและสัมประสทิธิ์การสงผานความรอน 20 2.2 ทฤษฎีเซลลแสงอาทติย 27 2.2.1 สารกึ่งตัวนํา 27 2.2.2 โครงสรางและชนิดของรอยตอภายในเซลลแสงอาทิตย 31 2.2.3 สมรรถนะการทํางานและประสทิธภิาพของเซลลแสงอาทิตย 32 2.3 การวิเคราะหคาทางเศรษฐศาสตร 34 2.3.1 แนวความคิดเกี่ยวกบัมูลคาปจจุบนัสุทธ ิ 34 บทที่ 3 วิธีการทําวิจัย 38 3.1 ขอบเขตและวธิีการดําเนินงานวิจัย 38 3.1.1 ขอบเขตงานวิจัย 38 3.1.2 วัสดุและอุปกรณ 39 3.1.3 วิธีการดําเนินงานวิจัย 39

(7)

สารบัญ (ตอ)

หนา บทที่ 4 ผลการทดลองและการวเิคราะหผลการทดลอง 49 4.1 ผลการทดลอง 49 4.1.1 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง 49

4.1.2 ผลการทดลองและผลการวิเคราะหเปรียบเทยีบของระบบหลอเย็น ดวยน้ํา (PVT) ที่อัตราการไหลตาง ๆ กับระบบอางอิง (PV) 50 4.1.3 ผลการทดลองและผลการวิเคราะหเปรียบเทยีบระหวางระบบหลอเย็น ดวยแผนครีบ (PVT) กับระบบอางอิง (PV) 54 4.2 วิเคราะหผลการทดลอง 55 4.2.1 ความสามารถในการลดอุณหภูมิแผงเซลลแสงอาทิตย ของระบบหลอเย็น 55 4.2.2 คาฟลลแฟกเตอร (FF) ของแผงเซลลแสงอาทติย ซ่ึงคํานวณดวยสมการที่ 2.2 56 4.2.3 ประสิทธิภาพและการผลิตกําลังไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทติย 59 4.2.4 จุดคุมทุนของระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มี และไมมีระบบหลอเย็น 61 บทที่ 5 สรุปผลการทดลองและขอเสนอแนะ 65 5.1 สรุปผลการทดลอง 65 5.2 ขอเสนอแนะ 66 5.2.1 การศึกษาเพิ่มเติมเพ่ือปรับปรุงระบบหลอเย็น 66 5.2.2 วิธีการใชงานระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตย เพ่ือใหไดจุดคุมทุนเร็วขึ้น 66 บรรณานุกรม 67 ภาคผนวก 70 ภาคผนวก ก สรุปผลการทดลองในวันอ่ืน ๆ ที่มีเหลืออยู 71 ภาคผนวก ข ใบประกาศนียบัตรและเอกสารตอบรับงานวิจัย 74 ประวตัิผูเขยีน 77

(8)

รายการตาราง

ตารางที ่ หนา 2.1 ตัวอยางคาคงที่สภาพนําความรอนของวัสดุ 11 2.2 แสดงคุณสมบัติการแผรังสีความรอนแสงอาทิตยของตัวกลางที่แตกตางกัน 14 2.3 แสดงธาตุบางสวนของตารางธาตทุีใ่ชทําวัสดุสารกึ่งตัวนํา 27 2.4 แสดงตวัอยางสารกึ่งตัวนําทีป่ระกอบดวยธาตุกึง่ตัวนํา 3 ชนิด 28 2.5 แสดงสารกึ่งตัวนําที่สําคัญและวัสดุกึง่ตัวนําที่ประกอบดวยสารกึ่งตัวนํา 2 ชนิด 28 2.6 แสดงตัวอยางของผลประโยชนที่ไดรับในแตละป 36 3.1 แสดงคาของตัวแปรที่ไดจากการคํานวณตามสมการที่ 1.12 และ 1.24 41 3.2 แสดงผลการคํานวณคาการสูญเสียความรอนของแผนครีบที่ความสูงตาง ๆ 41 3.3 ผลการคํานวณการสญูเสียความรอนของเพลทในระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ 42 3.4 สรุปคาการสูญเสียพลังงานความรอนจากระบบแผนครีบที่ 0.06 เมตร 42 3.5 แสดงผลการคํานวณการสูญเสียความรอนที่เพลทของระบบหลอเย็นดวยน้ํา 43 3.6 ผลการคํานวณการสญูเสียความรอนดวยการพาของน้ําจากระบบหลอเย็นดวยน้ํา 43 4.1 เปรียบเทียบผลการลดอุณหภูมิแผงเซลลแสงอาทิตยของแตละเง่ือนไข 56 4.2 เปรียบเทียบประสิทธภิาพและการผลิตกําลังไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตย 60 4.3 สรุปพลังงานไฟฟาสูงสุดที่ไดจากระบบผลติพลังงานไฟฟาแสงอาทิตย 63 4.4 พิจารณาจุดคุมทุนในกรณีของการใชไฟฟาประเภทที่ 1.1 และ 1.2 63 ก.1 สรุปผลการทดลองในแตละวันของระบบหลอเย็นดวยน้ํา

ที่อัตราการไหล /sm36102.88 −× 71 ก.2 สรุปผลการทดลองในแตละวันของระบบหลอเย็นดวยน้ํา



ที่อัตราการไหล /sm36105.88 −× 72 ก.5 สรุปผลการทดลองในแตละวันของระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ 73

(9)

รายการภาพประกอบ

ภาพที่ หนา 2.1 การสงผานความรอนดวยการนําใน 1 มิติ 10 2.2 การสงผานความรอนดวยการพาจากแผนโลหะสูอากาศ 12 2.3 การแผรังสีความรอนจากพื้นผิวสูบรรยากาศ 14 2.4 การอนุรักษพลังงานของปริมาตรควบคุม ประยุกตใชที่ชวงเวลาสั้น ๆ 15 2.5 ปริมาตรควบคุมสําหรับการไหลภายในทอ 16 2.6 การพาและการนําใน 1 มิติ ผานแผนครีบสี่เหลี่ยมมุมฉาก 17 2.7 แสดงพื้นที่ตัดขวางของแผนครีบ 18 2.8 แสดงขอบเขตชั้นการพาความรอนบนผิวของแผนโลหะที่ตั้งฉากกับพ้ืน 22 2.9 การไหลของของไหลที่ไหลผานแผนโลหะเย็น ( )∞< TTs และแผนโลหะรอน

( )∞> TTs ที่ขนานกับพ้ืน 25 2.10 แสดงภาพ 2 มิติ ของอะตอมซิลิกอนที่เกาะกลุมกันดวยพันธะโควาเลนซ

ที่อุณหภูมิเทากับ 0 เคลวนิ 29 2.11 แสดงการสลายพันธะโควาเลนซของอิเล็กตรอนในโครงสรางของอะตอม

เม่ืออิเล็กตรอนไดรับพลังงานความรอนทีเ่พียงพอ 29 2.12 แสดงลําดับการดูดกลืนโฟตอนและการเกิดคูอิเลก็ตรอน-โฮล ในวัสดุสารกึ่งตัวนํา 30 2.13 แสดงสัมประสิทธิ์การดูดโฟตอนของวัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดตาง ๆ 30 2.14 แสดงโครงสรางรอยตอแบบ 3 และ 2 ชั้น ของเซลลแสงอาทิตย 31 2.15 แสดงรูปแบบของเซลลแสงอาทิตยแบบผลึกเดี่ยว ผลึกผสม

และฟลมบางอะมอรฟส 31 2.16 แสดงลักษณะเฉพาะทางไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทิตย 32 2.17 แสดงตัวแปรคาทางไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยชนิด AlGaAs/GaAs

เปรียบเทียบกบัอุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตย ใชความเขมแสงที่ AM0 34 3.1 แสดงพื้นที่ของเซลลแสงอาทิตย 1 เซลล 39 3.2 แสดงลักษณะของโครงสรางดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตย

และการออกแบบแผนเพลทนําความรอน 44 3.3 การออกแบบทอลําเรียงน้ําและการวางทอนํ้าบนเพลทอะลูมิเนียมตามการคํานวณ 44 3.4 แสดงภาพดานหนาและดานหลังของอุปกรณหลอเย็นดวยน้ํา 45 3.5 การออกแบบระบบหลอเย็นดวยแผนครีบตามการคํานวณ

(10)

45 3.6 แสดงดานหนาและดานหลังของระบบหลอเย็นดวยแผนครบีทีส่รางตามการออกแบบ 45

รายการภาพประกอบ (ตอ)

ภาพที่ หนา 3.7 ลักษณะของถังเก็บนํ้าและทอนํ้าที่หุมดวยฉนวนกนัความรอน 46 3.8 การติดตั้งอุปกรณหลอเย็นทั้ง 2 ระบบ เขากบัแผงเซลลแสงอาทิตย 46 3.9 รูปแบบการศึกษาแผงเซลลแสงอาทิตยตามปกตเิพ่ือใชอางอิง 47 3.10 การศึกษาการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยรวมกับระบบหลอเย็นดวยน้ํา 47 3.11 วงจรวัดคาทางไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตย 48 4.1 ผลการเปรียบเทยีบกาํลังไฟฟาสูงสุดที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง กอนการนํามาปรับใชกบัระบบหลอเย็น (วันที่ 28/11/50) 49 4.2 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวัน ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ

/sm361088.2 −× (20/01/51) 50 4.3 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง

ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm361088.2 −× (20/01/51) 51 4.4 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวันที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ


ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm36103.60 −× (27/03/51) 52 4.6 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวัน ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ


ที่อัตราการไหลของน้ําเทากบั /sm361024.4 −× (01/04/51) 53 4.8 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวัน ทีอั่ตราการไหลของน้ําเทากับ


ที่อัตราการไหลของน้ําเทากบั /sm361088.5 −× (16/04/51) 54 4.10 กราฟอุณหภูมิตลอดทั้งวันของการทดลองระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ (06/06/51) 54 4.11 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง ที่ทดลอง

ดวยระบบหลอเย็นแบบแผนครีบเปรียบเทียบกับระบบอางอิง (06/06/51) 55

(11)

4.12 แสดงความสัมพันธของคาฟลลแฟกเตอรที่เปลี่ยนตามคากระแสไฟฟาวงจรปด สําหรับระบบอางอิง (แผงเซลลแสงอาทติยที่ไมมีระบบหลอเย็น : PV) 56

รายการภาพประกอบ (ตอ)

ภาพที่ หนา 4.13 แสดงความสัมพันธของคาฟลลแฟกเตอรที่เปลี่ยนตามคากระแสไฟฟาวงจรปด

สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหลเทากับ /sm361088.2 −× 57 4.14 แสดงความสัมพันธของคาฟลลแฟกเตอรที่เปลี่ยนตามคากระแสไฟฟาวงจรปด




สําหรับะบบหลอเย็นดวยดวยแผนครีบ 59 4.18 เปรียบเทียบประสิทธิภาพของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นดวยน้ํา (PVT)

ที่อัตราการไหล /sm361024.4 −× กับระบบอางอิง (PV) (01/04/51) 60 4.19 แสดงความสามารถในการผลิตกําลังไฟฟาที่เพ่ิมขึ้นของแผงเซลลแสงอาทิตย

ที่เง่ือนไขตาง ๆ ของระบบหลอเย็น 61

1

บทที่ 1

บทนํา 1.1 ความสําคัญและที่มาของงานวิจัย

พลังงานในปจจุบันมีความจําเปนตอการดํารงชีพของมนุษยชาติเปนอยางมาก ถือไดวาเปนปจจัยหน่ึงที่ขาดเสียมิได พลังงานมีอยูหลายรูปแบบ เชน พลังงานแสง พลังงานความรอน พลังงานลม พลังงานน้ํา และพลังงานจากเชื้อเพลิงธรรมชาติ เปนตน ในปจจุบันพลังงานเชื้อเพลิงจากธรรมชาติไดถูกนํามาใชมากกวาพลังงานชนิดอ่ืน ๆ และมีปริมาณที่กําลังลดลงอยางเห็นไดชัด เชน นํ้ามันและกาซธรรมชาติ จึงทําใหนักวิจัยในหลาย ๆ ประเทศไดมีการศึกษาคนควาหาแหลงพลังงานทดแทนเพื่อใหเพียงพอตอความตองการของการใชพลังงานภายในประเทศและเพื่อลดการนําเขาจากตางประเทศ ประเทศไทยเองก็มีการศึกษาคนควาแหลงพลังงานทดแทนอยางจริงจังมานานหลายป ซ่ึงผลงานที่เห็นไดเดนชัดก็จะเปน กาซโซฮอล กาซธรรมชาติ และไบโอดีเซลซ่ึงเปนพลังงานทดแทนที่ใชแทนน้ํามันสําหรับการขนสง แตพลังงานเหลานี้ยังไมใชพลังงานที่บริสุทธิ์ คือ ยังสามารถกอใหเกิดมลภาวะที่เปนพิษตอสิ่งแวดลอมในขณะที่ใชงานได (ที่มา: www.dede.go.th) แหลงพลังงานทดแทนที่กําลังศึกษาคนควากันอยางจริงจังในปจจุบัน คือ พลังงานแสงอาทิตย เพราะมีอยูมากกวาพลังงานชนิดอ่ืน ๆ และเปนพลังงานบริสุทธิ์ไมกอใหเกิดมลภาวะที่เปนพิษตอสิ่งแวดลอมในขณะที่ใชงาน

พลังงานแสงอาทิตยที่ตกกระทบพื้นผิวโลกคิดเปนรอยละของพลังงานที่โลกไดรับจากดวงอาทิตย คือ 99.98 % และอีก 0.02 % เปนพลังงานที่มาจากพลังงานความรอนใตพิภพ ปริมาณพลังงานของแสงอาทิตยที่เดินทางมาสูโลกมีมากถึง 1.77×10 14 กิโลวัตต ซ่ึงมีมากกวาพลังงานที่มนุษยตองการ คือ 3.8×10 8 กิโลวัตต สําหรับประเทศไทยมีลักษณะภูมิศาสตรที่ตั้งอยูระหวางเสนละติจูดที่ 5-21 องศาเหนือ และเสนลองจิจูดที่ 97-106 องศาตะวันออก ซ่ึงอยูใกลเสนศูนยสูตร ปริมาณพลังงานแสงอาทิตยโดยเฉลี่ยที่ไดรับในแตละวัน คือ 1 กิโลวัตตตอตารางเมตร เปนเวลานาน 4-5 ชั่วโมง ดังน้ันเราจะไดรับพลังงานแสงอาทิตยโดยเฉลี่ย 4-5 กิโลวัตต-ชั่วโมงตอตารางเมตรตอวัน ถาเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเทากับ 15 % จะไดวา เซลลแสงอาทิตยที่มีพ้ืนที่ 1 ตารางเมตร จะสามารถใหกําลังไฟฟาออกมาได 150 วัตต หรือเฉลี่ยประมาณ 600 - 750 กิโลวัตต-ชั่วโมงตอตารางเมตรตอวัน (ที่มา: บัวไข มณีวงค, การทดสอบสมบัติของแผงเซลลแสงอาทิตยและการประยุกตใช)

2

เซลลแสงอาทิตย เปนสิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสที่สรางมาจากสารกึ่งตัวนําสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงไปเปนพลังงานไฟฟาไดทันทีเม่ือมีแสงตกกระทบลงบนพื้นผิวดานหนา ซ่ึงกระแสไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทิตยน้ันจะเปนไฟฟากระแสตรง เซลลแสงอาทิตยเปนแหลงพลังงานทดแทนชนิดหนึ่ง (alternative energy) ที่ไดมีการคนพบเปนครั้งแรกในป ค.ศ. 1839 และในป ค.ศ. 1954 โดยแชปปน (Chapin) ฟูลเลอร (Fuller) และเพียรสัน (Pearson) แหงเบลลเทเลโฟน (Bell Telephone) ไดคนพบเทคโนโลยีการสรางรอยตอ พี-เอ็น แบบใหม โดยวิธีการแพรสารเขาไปในผลึกของซิลิกอน จนไดเซลลแสงอาทิตยอันแรกของโลก ซ่ึงมีประสิทธิภาพเพียง 6 % (ที่มา: http://www.swiscontrol.com) ในปจจุบันสามารถเพิ่มประสิทธิภาพไดถึง 15 % และเปนที่ยอมรับกันโดยทั่วไปวาเปนพลังงานทดแทนที่สะอาดไมกอใหเกิดมลภาวะที่เปนพิษตอสิ่งแวดลอมในขณะที่ใชงาน อายุการใชงานของเซลลแสงอาทิตยโดยทั่วไปยาวนานกวา 20 ป และเนื่องจากเปนอุปกรณที่ติดตั้งอยูกับที่ไมมีสวนใดเคลื่อนไหวเปนผลใหลดการดูแลและบํารุงรักษาระบบดังกลาว จะมีเพียงในสวนของการทําความสะอาดแผงเซลลแสงอาทิตยที่เกิดจากฝุนละอองเทานั้น แตพลังงานแสงอาทิตยในชวงอินฟราเรดจะทําใหเกิดความรอนขึ้นที่บริเวณพื้นผิวรับแสงและสะสมอยูในโลหะที่ใชทําเปนสวนประกอบของโครงสรางของแผงเซลลแสงอาทิตย ถาเซลลแสงอาทิตยมีอุณหภูมิสูงเกินกวา 25 องศาเซลเซียส จะมีผลทําใหประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยลดลง ซ่ึงสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิกอนมีคามีคาลดลง 0.5 % ตอ องศาเซลเซียส และสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดซิลิกอนฟลมบางมีคาลดลง 0.27 % ตอ องศาเซลเซียส (หมายความวาเม่ืออุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยสูงขึ้นเปน 26 องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพในการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิกอนจะลดลง 0.5 % และชนิดซิลิกอนฟลมบางจะลดลง 0.27 %, ที่มา: สํานักงานพัฒนาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีแหงชาติ)

การทําวิจัยในครั้งนี้เปนการศึกษาการทํางานของเซลลแสงอาทิตยรวมกับระบบหลอเย็นเพ่ือเปนการลดความรอนเซลลแสงอาทิตยทําใหสมรรถนะการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยดียิ่งขึ้น ระบบหลอเย็นที่ทําขึ้นมี 2 แบบ คือระบบหลอเย็นดวยน้ําและระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ โดยแบงรูปแบบการศึกษาออกเปน 3 ลักษณะ คือ 1. ศึกษาการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยที่ใชงานตามปกติและกําหนดเปนระบบอางอิง 2. ศึกษาการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยที่ มีระบบหลอเย็นดวยน้ํา 3. ศึกษาการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอดวยแผนครีบ ในการทําวิจัยน้ีใชแผงเซลลแสงอาทิตยจํานวน 2 แผง และศึกษาทีละรูปแบบ โดยกําหนดใหแผงเซลลแสงอาทิตยอันที่หน่ึงติดตั้งรวมกับระบบหลอเย็น สวนแผงเซลลแสงอาทิตยอันที่สองใชงานตามปกติ แลวศึกษาอุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตย อุณหภูมิของน้ําที่นําความรอนจากแผงเซลลแสงอาทิตยมาใชทําน้ํารอน ศึกษากําลังไฟฟาที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตย และศึกษาสมรรถนะในการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 3

3

รูปแบบ เน่ืองจากการผลิตพลังงานไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยในแตละชนิดจะแตกตางกันออกไปตามชนิดของสารกึ่งตัวนําที่ใช ดังน้ันในการศึกษาวิจัยน้ีจึงตองใชเซลลแสงอาทิตยชนิดเดียวกัน เพ่ือใชในการอางอิงขอมูลการทําวิจัยวิจัยและชวยใหขอมูลที่ไดมีความแมนยําและเที่ยงตรงมากยิ่งขึ้น

ในการศึกษาครั้งน้ีจะทําใหเกิดประโยชนตอการประยุกตใชงานแผงเซลลแสงอาทิตยใหสมบูรณแบบยิ่งขึ้น ซ่ึงมีทั้งการใชงานดานพลังงานแสงและพลังงานความรอน โดยการนําระบบหลอเย็นมาชวยในการลดความรอนบนแผงเซลลแสงอาทิตยชวยใหสมรรถนะในการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยดียิ่งขึ้น และนําเอาความรอนที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตยไปทําน้ํารอนอเนกประสงค ซ่ึงน้ํารอนที่ไดทําเปนน้ําอุนใชอาบในฤดูหนาวได เม่ือนําไปตมใหเดือดก็จะลดพลังงานในการตมใหนอยลง และเม่ือนําไปใชสําหรับซักผาหรือลางภาชนะเครื่องใชในครัวเรือนก็สามารถที่จะชวยฆาเชื้อโรคไดทําใหวัสดุเหลานี้มีความสะอาดมากยิ่งขึ้น ซ่ึงขอดีอีกประการหนึ่งก็คือชวยลดความรอนภายในอาคารหรือบานที่ติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยรวมกับระบบหลอเย็น

1.2 การตรวจสอบเอกสารงานวิจัยที่เก่ียวของ

K. SOPIAN, K. S. YIGIT, H. T. LIU, S. KAKAC และ T. N. VEZIROGLU (1996) ศึกษาการวิเคราะหสมรรถนะการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีการหลอเย็นดวยอากาศ โดยแบงกรณีการศึกษาออกเปน 2 แบบ คือ กรณีที่ 1 แผงเซลลแสงอาทิตยมีชองอากาศใหอากาศหวุนเวียนผานไปตามความยาวของแผงเพียงชองทางเดียว ชองอากาศนี้ทําไวที่ดานลางของแผงเซลลแสงอาทิตย ทํามาจากโลหะที่เปนฉนวนความรอน ดานบนของชองอากาศทาดวยสีดําและยึดติดกับพ้ืนผิวดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตย ชองอากาศมีความยาวไปตามรูปสี่เหลี่ยมผืนผาของแผงเซลลแสงอาทิตยและกวางเทากันกับแผงเซลลแสงอาทิตย ดานบนของแผงเซลลแสงอาทิตยครอบดวยกระจก ชองวางระหวางกระจกกับแผงเซลลแสงอาทิตยเปนชองวางแบบปด ซ่ึงอากาศจะไมสามารถเขาออกได กรณีที่ 2 แผงเซลลแสงอาทิตยจะมีชองอากาศใหอากาศหมุนเวียน 2 ชอง คือดานหนาและดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตย โดยทุกสวนเหมือนกันกับกรณีที่ 1 แตไดเพ่ิมชองทางการหมุนของอากาศที่ชองวางระหวางกระจกกับแผงเซลลแสงอาทิตย ทิศทางการหมุนเวีนยของอากาศจะผานดานหนาแผงเซลลแสงอาทิตยไปตามคาวมยาวของแผงและวนกลับมาที่ดานลางของแผงแลวจึงออกสูภายนอก ไดมีการศึกษาที่อัตราการไหลของมวลอากาศจาก 0 ถึง 300 กิโลกรัมตอชั่วโมง แฟกเตอรรูปราง 25 ถึง 100 % ความลึกของชองอากาศ 0.1 และ 10 เซนติเมตร ความยาวของชองอากาศ 0.5 1.0 1.5 2.0 เมตร ตามลําดับ โดยใชแสงจากดวงอาทิตยตามธรรมชาติในการศึกษา จากการทดลองพบวาที่ความยาวชองอากาศเทากับ 1 เมตร แฟกเต

4

อรรูปรางเทากับ 1 และอัตราการไหลของมวลอากาศเทากับ 100 กิโลกรัมตอชั่วโมง พบวาแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีชองอากาศแบบ 2 ชอง ไดดีกวาแผงเซลลแสงอาทิตยแบบชองอากาศเด่ียว ผลจากการเพิ่มความยาวของชองอากาศจาก 0.5 ถึง 2.0 เมตร โดยที่ อัตราการไหลของมวลอากาศเทากับ 100 กิโลกรัม ชองอากาศมีความลึกเทากับ 0.1 เซนติเมตร แฟกเตอรรูปรางเทากับ 0.25 พบวาที่ความยาวชองอากาศเทากับ 2.0 เมตร จะใหประสิทธิภาพทางไฟฟาและความรอนไดดีที่สุด โดยที่แผงเซลลแสงอาทิตยแบบ 2 ชองอากาศ จะใหผลลัพธดีกวาแบบชองเด่ียว ผลจากการทดลองที่อัตราการไหลของมวลอากาศเทากับ 100 กิโลกรัมตอชั่วโมง ชองอากาศยาว 1 เมตร และลึก 10 เซนติเมตร พบวาแผงเซลลแสงอาทิตยแบบ 2 ชองอากาศ จะใหผลลัพธดีกวาแบบชองเด่ียวทั้งประสิทธิภาพทางไฟฟาและความรอน ซ่ึงแฟกเตอรรูปรางที่ 1.0 จะใหผลลัพธดีกวาที่ 0.5 เม่ือเพ่ิมอัตราการไหลของมวลอากาศจาก 0 ถึง 300 กิโลกรัมตอชั่วโมง พบวาแผงเซลลแสงอาทิตยแบบชองอากาศเดี่ยวจะใหผลลัพธดีที่สุดที่อัตราการไหลเทากับ 200 กิโลกรัมตอชั่วโมง และแฟกเตอร รูปรางที่ 0.5 จะใหผลลัพธดีกวาที่ 1.0 สําหรับแผงเซลลแสงอาทิตยแบบที่มีชองอากาศ 2 ชอง จะใหผลลัพธดีที่สุดที่อัตราการไหลเทากับ 300 กิโลกรัมตอชั่วโมง และแฟกเตอรรูปรางที่ 1.0 ใหผลลัพธดีกวาที่ 0.5

พอพนธ สิชฌนุกฤษฏ และคณะ (2000) ไดศึกษาระบบพลังงานแสงอาทิตยคืนทุนเร็ว จากระบบผลิตพลังงานไฟฟาและน้ํารอนดวยพลังงานแสงอาทิตยโดยใชแผงเซลลแสงอาทิตยแบบอะมอรฟสซิลิกอนเปนตัวรับรังสีแสงอาทิตยซ่ึงมีการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการทํางานไดนอยเม่ืออุณหภูมิของแผงสูงขึ้น โดยเซลลแสงอาทิตยจะเปลี่ยนแสงในชวงที่ตามองเห็นเปนพลังงานไฟฟาและแผนโลหะที่อยูดานลางของแผงเซลลแสงอาทิตยจะเปลี่ยนแสงในชวงของรังสีอินฟราเรดเปนความรอน ใชพ้ืนที่ในการทําวิจัยประมาณ 48 ตารางเมตร และแผงเซลลแสงอาทิตยยอยจํานวน 24 แผง ซ่ึงสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดสูงถึง 3,072 วัตตตอวัน สามารถผลิตน้ํารอนไดอุณหภูมิสูงถึง 70 องศาเซลเซียส จํานวน 2,500 ลิตรตอวัน พบวาจุดคุมทุนของระบบนี้อยูที่ 6 ป ในขณะที่จุดคุมทุนของการใชงานแผงเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวโดยไมมีระบบทําน้ํารอนจะอยูที่ 15 ป

บัวไข มณีวงศ (2006) ไดศึกษาลักษณะสมบัติของกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตยชนิดซิลิกอนผลึกเดี่ยว และศึกษาระบบสูบนํ้าพลังงานแสงอาทิตยโดยใชพลังงานไฟฟาจากแผงเซลลแสงอาทิตยและแบบที่ใชพลังงานไฟฟาจากแบตเตอรี่โดยประจุแบตเตอรี่ดวยกําลังไฟฟาจากแผงเซลลแสงอาทิตย โดยใชแผงเซลลแสงอาทิตยจํานวน 2 แผง ตออนุกรมกันทําใหสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดสูงสุดถึง 70 วัตต ซ่ึงศึกษาอยูบนดาดฟาอาคารฟสิกสตั้งอยูที่ละติจูด 7.00 องศาเหนือและลองจิจูด 100.50 องศาตะวันออก ผลการวิจัยพบวา ที่เวลา 08:00 น. แรงดันไฟฟาวงจรเปดของแผงเซลลแสงอาทิตยมีคาเทากับ 40.0 โวลต กระแสวงจรปดเทากับ 1.3 แอมแปร ที่เวลา 13:00 น.

5

กระแสวงจรปดเพิ่มขึ้นเปน 3.8 แอมแปร และที่เวลา 17:00 น. กระแสวงจรปดลดลงมีคาเทากับ 0.6 แอมแปร ของวันที่ 11 มกราคม ถึง 3 และ 22 - 24 มีนาคม 2548 โดยผลของการสูบนํ้าดวยกําลังไฟฟาจากแผงเซลลแสงอาทิตยโดยตรงของวันที่ 12 กรกฎาคม จนถึง 22 กันยายน 2549 ตั้งแตเวลา 08:00 - 17:00 น. พบวาที่ความสูงปลายทอ 1.50 เมตร ปนเริ่มสูบนํ้าในชวงเวลา 09:00 - 16:00 น. อัตราการไหลของน้ําสูงสุดเทากับ 0.796 ลูกบาศกเมตรตอชั่วโมง ที่ความสูงปลายทอ 2.00 เมตร ปมเร่ิมสูบนํ้าในชวงเวลาเดียวกัน อัตราการไหลของน้ําสูงสุดเทากับ 0.740 ลูกบาศกเมตรตอชั่วโมง และที่ความสูงปลายทอ 2.50 เมตร ปมเร่ิมสูบนํ้าในชวงเวลาเดียวกัน อัตราการไหลของน้ําสูงสุดเทากับ 0.680 ลูกบาศกเมตรตอชั่วโมง ซ่ึงผลของการสูบนํ้าดวยแบตเตอรี่ที่ประจุไฟฟาดวยกําลังไฟฟาจากแผงเซลลแสงอาทิตย ตั้งแตเวลา 08:00 - 17:00 น. เปนเวลา 1 วัน ไดความสัมพันธอัตราการไหลของน้ําและปริมาณน้ําสะสมที่ความสูงปลายทอ 1.50, 2.00 และ 2.50 เมตร เทากับ 3.669, 2.619 และ 1.667 ลูกบาศกเมตร ตามลําดับ

J.K. Tonui และ Y. Tripanagnostopoulos (2007) ไดศึกษาวิธีการปรับปรุงอุปกรณเซลลแสงอาทิตยโดยการดึงความรอนออกจากแผงเซลลแสงอาทิตย ดวยการใหอากาศหมุนเวียนดวยแรงที่กําหนดใหหรืออากาศที่หมุนเวียนตามธรรมชาติ ซ่ึงเทคนิคของการศึกษาจะเปนการเพิ่มอุปกรณดูดกลืนความรอนที่มีชองอากาศอยูตรงกลางเขากับแผงเซลลแสงอาทิตย โดยแบงออกเปน 3 ลักษณะ คือ 1. แบบที่มีเฉพาะชองอากาศ 2. แบบที่มีแผนโลหะบางอยูกึ่งกลางชองอากาศและวางขนานกับแผงเซลลแสงอาทิตย 3. แบบที่มีแผนครีบโลหะติดตั้งฉากอยูที่พ้ืนผนังภายในชองอากาศซึ่งอยูตรงกันขามกับดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตย และกําหนดใหแบบที่ 1 เปนระบบอางอิงสําหรับระบบที่ 2 และ 3 ทั้งหมดเปนการศึกษากับแผงเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกรวมซิลิกอนที่ยาว 1 เมตร โดยเซลลแสงอาทิตยมีพ้ืนที่เทากับ 0.4 ตารางเมตร โครงสรางภายนอกของชองอากาศมีความสูงจากพื้นจนถึงดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตยเทากับ 15 เซนติเมตร ชองอากาศทําจากแผนฉนวนทางความรอนหนา 5 เซนติเมตร ที่พ้ืนผนังดานขางและดานหลังภายในชองอากาศประกอบดวยแผนอะลูมิเนียมบาง เสนผาศูนยกลางของชองอากาศเทากับ 5 เซนติเมตร วัดจากดานหลังแผงเซลลแสงอาทิตยกับพ้ืนผนังภายในชองอากาศ ผลจากการศึกษาพบวา เม่ือใหอัตราการไหลเวียนของอากาศดวยความเร็วในชวงตาง ๆ ตามกําหนด จะไดประสิทธิภาพทางความรอนของระบบที่ 1, 2 และ 3 เปน 25 % 28 % และ 30 % ตามลําดับ และเมื่อใหอัตราการไหลเวียนของอากาศตามธรรมชาติพบวาประสิทธิภาพทางความรอนของระบบทั้ง 3 เปน 16 % 18 % และ

%20 ตามลําดับ โดยอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยที่ไมมีระบบหมุนเวียนอากาศจะอยูในชวง 55 – 75 องศาเซลเซียส อุณหภูมิโดยรอบประมาณ 30 องศาเซลเซียส และอาจสูงขึ้นมากกวานี้ ระดับความเขมแสงที่แผงเซลลแสงอาทิตยไดรับอยูในชวง 700 – 800 วัตตตอตารางเมตร เม่ือติดตั้งระบบหมุนเวียนอากาศเขากับแผงเซลลแสงอาทิตย

6

B. Zebentout Z. Benamara และ T. Mohammed-Brahim (2007) ศึกษาตัวแปรคาของเซลลแสงอาทิตยจากขนาดของเกรนและความหนาแนนของสถานะสําหรับอิเล็กตรอนและโฮล บนเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิกอนที่มีโครงสรางเปน +−+ −− pnn และ

+−+ −− npp โดยชนิดที่มีเครื่องหมายบวกจะมีการเจือปนสารมากกวาชนิดที่เปนเครื่องหมายลบ การโดบอะตอมและการเติมไอออนจะทําที่อุณหภูมิหอง Boltzmann statistics สําหรับการโดบอะตอมที่ระดับต่ําสุดและ Fermi-Dirac statistics สําหรับการโดบอะตอมที่ระดับสูงสุดเทากับ 1710 3cm− การทดลองใชความเขมแสง 2mW/cm100 โดยในกรณีที่ 1 ศึกษาจากความสัมพันธระหวางขนาดของเกรนกับความหนาของชั้น i ที่เปน −n หรือ −p ขนาดของเกรนเริ่มจาก 0.1 ถึง 1000 µm ความหนาของชั้น i กําหนดเปน 3 10 50 µm ตามลําดับ ในกรณีที่ 2 ศึกษาจากความสัมพันธเดียวกันกับกรณีที่ 1 แตเปลี่ยนคาตัวแปรใหม โดยกําหนดใหความหนาของชั้น i เร่ิมจาก 1 ถึง 100 µm และขนาดของเกรนกําหนดให็เปน 1 5 และ 10 µm ตามลําดับ สําหรับกรณีที่ 3 ศึกษาจากผลกระทบจากความหนาแนนของสถานะ ดวยความสัมพันธระวางความหนาแนนของ Dangling bond กับขนาดของเกรนและความหนาของชั้น i โดย Dangling bond เริ่มจาก 21411 cm1010 −− ขนาดของเกรนกําหนดใหเปน 10 5 1 µm และความหนาของชั้น i กําหนดใหเปน 50 10 3 µm ตามลําดับ สําหรับทั้ง 2 โครงสราง ผลจากการทดลองทั้ง 3 กรณี สรุปไดวา ในกรณีที่ 1 เซลลแสงอาทิตยจะมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 11 % และ 12.5 % ที่ความหนาของชั้น i และขนาดของเกรนเทากับ 50 และ 100 µm สําหรับโครงสรางแบบ

+−+ −− pnn และ +−+ −− npp ตามลําดับ ในกรณีที่ 2 เซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 7 % และ 8.5 % ที่ความหนาของชั้น i และขนาดของเกรนเทากับ 10 µm สํ าหรับแบบ +−+ −− pnn และ เท ากับ 30 µm และ 10 µm สํ าหรับแบบ

+−+ −− npp ตามลําดับ และสําหรับในกนณีที่ 3 เซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 10 % และ 12 % ที่ความหนาของชั้น i ขนาดของเกรนและความหนาแนนของ Dangling bond เทากับ 50 µm 10 µm และ 211 cm10 − สําหรับโครงสรางแบบ

+−+ −− pnn และ +−+ −− npp ตามลําดับ J.K. Tonui และ Y. Tripanagnostopoulos (2007) ศึกษาการปรับปรุง

สมรรถนะของอุปกรณหลอเซลลแสงอาทิตยดวยราคาตนทุนต่ํา เซลลแสงอาทิตยมีคุณสมบัติในการเปลี่ยนความเขมแสงที่ไดรับจากดวงอาทิตยไปเปนพลังงานทางไฟฟาไดเพียงเล็กนอย เม่ือเทียบกับปริมาณของความเขมแสงจากดวงอาทิตยที่ตกกระทบพื้นที่รับแสงของเซลลแสงอาทิตย และเม่ืออุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยเพ่ิมสูงมากขึ้นจะทําใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยลดลง การลดอุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยดวยระบบหลอเย็นโดยการใชนํ้าหรืออากาศจะทําใหไดประสิทธิภาพบางสวนที่สูญเสียเนื่องจากความรอนกลับคืนมา ดังน้ันระบบหลอเย็น (PV/T) จะชวยปองกันการสูญเสียประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยไวได ในการศึกษานี้

7

เปนการตรวจสอบสมรรถนะของการประยุกตใชการดึงความรอนที่ใชตนทุนต่ํา โดยใชฉนวนความรอนติดไวดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตยและมีชองอากาศอยูระหวางฉนวนดึงความรอนกับแผงเซลลแสงอาทิตย ภายในชองใชระบบที่หมุนเวียนดวยอากาศ (PV/T air system) และมีแผนโลหะบาง ๆ ลอยตัวไวตรงกลางชองอากาศ (TMS system) หรือติดดวยแผนคีบระบายความรอน (FIN system) ไวที่แผนฉนวนดึงความรอนที่อยูตรงกันขามกับดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตย โดยมีรูปแบบการศึกษา 2 รูปแบบ คือแบบที่มีกระจกใสครอบ (GL system) ไวดานบนของแผงเซลลแสงอาทิตยมีอัตราการสงผานของแสงเทากับ 0.84 และแบบที่ไมมีกระจกใสครอบ (UNGL system) ไวดานบนของแผงเซลลแสงอาทิตยมีอัตราการสงผานของแสงเทากับ 0.92 โดยคาการดูดกลืนแสงของเซลลแสงอาทิตยทั้งสองแบบมีคาเทากับ 0.90 จากผลการศึกษาทําใหทราบวา ระบบที่สามารถดึงความรอนออกจากแผงเซลลแสงอาทิตยไดมากที่สุดคือระบบที่มีกระจกใสครอบไวดานบนแผงเซลลแสงอาทิตยและติดแผนคีบระบายความรอนไวที่พ้ืนผิวของฉนวนความรอน (PVT/AIR-FIN+GL system) ซ่ึงมีประสิทธิภาพในการระบายความรอนไดสูงถึง 52 % โดยระบบที่ไมมีกระจกใสครอบมีประสิทธิภาพในการผลิตกําลังไฟฟาไดดีกวาระบบที่มีกระจกใสครอบ สําหรับระบบที่ไมมีกระจกใสครอบ เม่ือเปรียบเทียบประสิทธิภาพในการผลิตกําลังไฟฟากับระบบอางอิง (PVT/AIR-REF+UNGL system) ระบบที่ใชแผนคีบมีประสิทธิภาพในการผลิตกําลังไฟฟาที่ดีที่สุด คือสามารถทําใหประสิทธิภาพในการผลิตกําลังไฟฟาเพิ่มขึ้นประมาณ 6 % และ 1 % สําหรับระบบที่ใชแผนโลหะบาง ๆ ลอยตัวไวตรงกลางระหวางชองอากาศกับแผงเซลลแสงอาทิตย

สํานักงานพัฒนาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีแหงชาติ (1997) ไดเร่ิมศึกษาทําการวิจัยและพัฒนาเซลลแสงอาทิตยที่เหมาะสมกับสภาพภูมิอากาศเขตรอนชื้นของประเทศไทย ดวยการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเซลลแสงอาทิตยแบบผสมผสานระหวางอะมอรฟสซิลิกอนกับผลึกซิลิกอนแบบฟลมบางซึ่งมีประสิทธิภาพสูงและมีการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการทํางานเพียงเล็กนอยที่อุณหภูมิใชงานสูง ซ่ึงในปจจุบัน (2000) สามารถพัฒนาเซลลแสงอาทิตยใหมีประสิทธิภาพที่สูงเกินกวา 15 % โดยเซลลมีพ้ืนที่ 3 ตารางเซนติเมตร

W.G.J.H.M. van Sark และคณะ (2005) ไดศึกษาการเพิ่มประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยโดยใชอุปกรณปรับเปลี่ยนความยาวคลื่นแสง ซ่ึงศึกษาในเซลลแสงอาทิตยชนิดซิลิกอนผลึกรวม (multi-crystalline) และเซลลแสงอาทิตยชนิดซิลิกอนผลึกอะมอรฟส (amorphous) ภายใตเง่ือนไข AM 1.5 G (air mass 1.5 global คือ ที่บริเวณพ้ืนที่น้ันมีระดับความเขมแสงตอพ้ืนที่เปน 1,000 วัตตตอตารางเมตร) โดยใชแผนพลาสติกใสที่เรียกวา planar converter ซ่ึงคัดจากวัสดุที่ใสที่สุดและสามารถที่จะยอมใหแสงผานไดมากที่สุดเปนตัวเปลี่ยนความยาวคลื่น ซ่ึงภายในชั้นของพลาสติกประกอบดวยจุดทรงกลมควอนตัม (Quantum Dots) อยูเปนจํานวนมากโดยคัดเลือกจากชวงที่มีการปลอยสเปกตรัมในแถบสีแดงมากที่สุด จุดทรงกลมควอนตัมจะดูดกลืนสเปกตรัมในแถบสีนํ้าเงินและสีเขียวแลวจึงปลอย

8

สเปกตรัมออกมาในแถบสีแดงใหกับเซลลแสงอาทิตย จากผลการทดลองพบวาจุดควอนตัมที่ปลอยความยาวคลื่นออกมาในชวง 603 นาโนเมตร สามารถเพิ่มกระแสไฟฟาวงจรปดของเซลลแสงอาทิตยชนิดซิลิกอนผลึกรวมเพิ่มขึ้น 10 % และประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยเพ่ิมขึ้น 30 % - 40 % แตกระแสไฟฟาวงจรปดเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกอะมอรฟสไมเปลี่ยนแปลง

Stefan Krauter และคณะ (1999) ไดศึกษาการทํางานของเซลลแสงอาทิตยรวมกับระบบความรอนแสงอาทิตยสําหรับทําเปนโครงสรางภายนอกและสรางเปนฉนวน ซ่ึงระบบความรอนแสงอาทิตยจะมีทออากาศอยูภายใน ชั้นฉนวนที่รวมเขากับแผงเซลลแสงอาทิตยใชทําหนาที่ในการลดความรอนเซลลแสงอาทิตยดวยอากาศหรือใชการไหลของน้ํา จากผลการทดลองดวยการใชอากาศสําหรับลดความรอนเซลลแสงอาทิตยซ่ึงสามารถลดอุณหภูมิของเซลลในขณะที่ทํางานลงได 18 องศาเคลวิล ทําใหสามารถผลิตพลังงานไฟฟาไดเพ่ิมขึ้น 9 % โดยอากาศมีความเร็วเทากับ 2 เมตรตอวินาที ถาเซลลไมมีการหลอเย็นจะทําใหอุณหภูมิของเซลลเพ่ิมขึ้น 20.7 องศาเคลวิล จะทําใหพลังงานไฟฟาหายไป 9.3 % แตถาติดตั้งอุปกรณหลอเย็นจะทําใหคาใชจายลดลงได 20 % การผสมผสานระหวางฉนวนกันความรอนของเซลลแสงอาทิตยรวมกับระบบหลอเย็นดวยน้ํา ซ่ึงสามารถทําใหนํ้ามีความรอนเพ่ิมขึ้นและทําใหอุณหภูมิขณะที่เซลลทํางานลดลง 20 องศาเคลวิล ทําใหสามารถผลิตพลังงานไฟฟาไดเพ่ิมขึ้นถึง 9 %

Stefan Krauter (1999) ไดศึกษาการเพิ่มกําลังในการผลิตไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยโดยการปลอยใหนํ้าไหลผานผิวดานหนาของแผงเซลลแสงอาทิตย โดยเลือกใชแผงเซลลแสงอาทิตย (โมเดล M 55) จํานวน 2 แผง ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟาวงจรปด ความตางศักยวงจรเปด และกําลังไฟฟาไดเทากัน วางเอียงทํามุมตามละติจูดของพื้นที่ (23 องศาเหนือ) และวัดคาความเขมแสงในระนาบเดียวกันกับแผงเซลลแสงอาทิตย ลักษณะของการปลอยนํ้าใหไหลผานผิวหนาของแผงเซลลแสงอาทิตยจะทําโดยการใชปมนํ้าดูดน้ําจากถังเก็บนํ้าขนาดใหญที่อยูดานลางของแผงเซลลแสงอาทิตยไปใสถังเก็บนํ้าขนาดเล็กที่อยูเหนือแผงเซลลแสงอาทิตยดวยอัตราเร็ว 2 ลิตรตอนาที ใชหัวฉีดจํานวน 12 หัว โดยติดตั้งไวตําแหนงที่สูงที่สุดของแผงเซลลแสงอาทิตยสําหรับฉีดน้ําใหกระจายเปนแผนนํ้าบาง ๆ ประมาณ 1 มิลลิเมตร ไปทั่วบริเวณผิวหนาของแผงเซลลแสงอาทิตย โดยที่นํ้าอัตราการระเหยเปนไอในอัตรา 0.016 ลิตรตอนาทีตอตารางเมตร หรือ 1 ลิตรตอชั่วโมงตอตารางเมตร เม่ือเปรียบเทียบอุณหภูมิในขณะทํางานของเซลลแสงอาทิตยกับเซลลแสงอาทิตยใชงานโดยทั่วไปในเวลาเดียวกัน ปรากฏวาสามารถลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยในขณะทํางานไดมากถึง 22 องศาเซลเซียส และสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดมากขึ้น 10.3 % ตอวัน

9

1.3 วัตถุประสงค

เพ่ือศึกษาผลของการลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยดวยระบบหลอเย็น ที่มีตอสมรรถนะในการทํางานของเซลลแสงอาทิตย และเพื่อพัฒนาการทํางานแบบผสมผสานระหวางแผงเซลลแสงอาทิตยกับระบบหลอเย็นที่พัฒนาขึ้น 1.4 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ

1.4.1 ไดแนวทางการพัฒนาอุปกรณเพ่ือชวยลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตย สําหรับขยายสเกลในระดับการใชงานจริงตอไป

1.4.2 ลดการสูญเสียประสิทธิภาพการทําการของเซลลแสงอาทิตย 1.4.3 เซลลแสงอาทิตยสามารถใหกําลังไฟฟาไดเพ่ิมขึ้น 1.4.4 ไดนํ้ารอนจากระบบหลอเย็น 1.4.5 ระยะเวลาคืนทุนของระบบสั้นลง

10

บทที่ 2

ทฤษฎี

2.1 ทฤษฎีอุณหพลศาสตร

เน่ืองจากงานวิจัยน้ีเปนการศึกษาผลของการเพิ่มสมรรถนะการทํางานของเซลลแสงอาทิตย ดวยการลดอุณหภูมิแผงเซลลแสงอาทิตยในขณะใชงาน โดยใชระบบการหลอเย็นดวยน้ําและแผนครีบ ดังน้ันทฤษฎีทางอุณหพลศาสตรที่เกี่ยวของคือ การนํา การพา และการแผรังสีความรอนบนระบบหลอเย็นทั้งสองแบบ ซ่ึงมีเน้ือหาดังจะกลาวตอไปน้ี 2.1.1 สภาพนําความรอน

การนําความรอน คือการเคลื่อนยายพลังงานจากขอบเขตที่มีอุณหภูมิสูงไปสูขอบเขตที่มีอุณหภูมิต่ํา ดังนั้นเราสามารถกลาวไดวา พลังงานคือการนําและอัตราสวนการเคลื่อนยายความรอนตอหนวยพ้ืนที่ซ่ึงเปนสัดสวนกับผลตางของอุณหภูมิ จากภาพที่ 2.1 และ Fourier’s law จะไดวา

xTkq x ∂∂

−=′′

เม่ือ xq ′′ แทน ฟลักซความรอน )W/m 2(

xT∂∂ แทน สัดสวนผลตางอุณหภูมิกับระยะทางการไหลของความรอน

k แทน คาคงที่สภาพนําความรอนของสสาร

11

ภาพที่ 2.1 การสงผานความรอนดวยการนําใน 1 มิต ิ ที่มา: Frank P. Incropera and David P. De Witt, 1990 เม่ืออุณหภูมิสามารถอธิบายเปนแบบเชิงเสนได จะสามารถเขียนผลตางอุณหภูมิไดวา

LTT

xT 12 −=∂∂

โดยที่ฟลักซของความรอนคือ

L

TTkq 12x

−−=′′

และสามารถจดัรูปสมการใหมไดวา

L∆Tk

LTTkq 21

x =−

=′′

เม่ือฟลักซความรอนไหลผานพื้นที่หนาตัดเทากับ A และหนาเทากับ L สมการของอัตราการสงผานความรอนสามารถเขียนไดวา

L∆TkAAqq xcond =⋅′′= (1.1)

โดยที่ condq แทนปริมาณความรอนที่ไดจากการนํามีหนวยเปนวตัต ( )W ตัวอยางคาสภาพนําความรอนของวัสดุตาง ๆ ที่มีโครงสรางแตกตางกนั ดูไดจากตารางที่ 2.1 ตารางที่ 2.1 ตัวอยางคาคงที่สภาพนําความรอนของวัสดุ

คาคงที่สภาพนําความรอน K)W/m( ⋅ อุณหภูมิ (K) ชนิดของวัสดุ 100 200 300 400

ρ )(kg/m3

PC

K)(J/kg ⋅ เงิน 444 430 429 425 10500 235

ทองแดง 482 413 401 393 8933 385 อลูมิเนียม 302 237 237 240 2702 903

ที่มา: Frank P. Incropera and David P. De Witt, 1990

12

2.1.2 การสงผานความรอนดวยการพา

การพาความรอนดวยของไหลจากจุดหนึ่งออกไปสูอีกจุดหนึ่ง เราเรียกวา กระบวนการสงผานความรอนดวยการพา ความเร็วของอากาศที่พัดผานแผนโลหะรอนมีผลตออัตราการถายโอนความรอน พิจารณาแผนโลหะรอนจากภาพที่ 2.2 เม่ือ wT แทนอุณหภูมิของแผนโลหะ และ ∞T แทนอุณหภูมิของของไหล จากภาพไดแสดงใหเห็นความเร็วในการไหลของของไหล ที่มีคาลดลงและเทากับศูนยที่พ้ืนแผนโลหะซ่ึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของของไหลที่ติดแนนกับพ้ืนผิวแผนโลหะ ดังน้ันความรอนจึงถูกสงผานดวยการนําที่จุดนี้เพียงอยางเดียว ซ่ึงสามารถคํานวณการสงผานความรอนไดจากสมการที่ 1.1 จากสภาพการนําความรอนของของไหลและผลตางของอุณหภูมิของของไหลที่พ้ืนผิวโลหะ

ภาพที่ 2.2 การสงผานความรอนดวยการพาจากแผนโลหะสูอากาศ

ที่มา: J.P. Holman, 2001

เม่ือความรอนไหลดวยการนําในชั้นที่ความเร็วของของไหลเทากับศูนย เราจะกลาวไดวาเปนการสงผานความรอนดวยการพา ซ่ึงผลตางของอุณหภูมิที่ชั้นนี้จะขึ้นอยูกับความเร็วของของไหล ยิ่งความเร็วของของไหลมีคามากขึ้นก็จะทําใหเกิดผลตางของอุณหภูมิมากยิ่งขึ้น ผลเนื่องจากการพาทั้งหมดพิจารณาโดยใชกฎการเย็นตัวของนิวตัน (Newton’s law of cooling) ( )mss TThq −=′′ (1.2) และ sconv qAq ′′= จะได )ThA(Tq wconv ∞−= (1.3)

13

เม่ือ convq แทนปริมาณความรอนที่ไดจากการพามีหนวยเปนวัตต โดยที่อัตราการสงผานความรอนเปนความสัมพันธระหวางพื้นที่ผิว A และผลตางของอุณหภูมิที่พ้ืนผิวกับของไหล เม่ือ h แทนสัมประสิทธิ์การพาความรอน

2.1.3 การสงผานความรอนดวยการแผรังสีความรอน

รังสีความรอนคือการปลดปลอยพลังงานของวัตถุที่มีขอบเขตของอุณหภูมิในชวงหนึ่งๆ พลังงานของการแผรังสีเปนการสงดวยคลื่นแมเหล็กไฟฟา ในความเปนจริงการสงผานพลังงานดวยการแผรังสีในสุญญากาศจะมีประสิทธิภาพมาก โดยที่ฟลักซสูงสุดของการแผรังสีจากพื้นผิวหาไดดวยสมการของ Stefan-Boltzmann คือ

4sTσq =′′

เม่ือ sT แทนอุณหภูมิที่พ้ืนผิวของวัตถุมีหนวยเปนเคลวิน ( K ) และ σ แทนคาคงที่ของ Stefan-Boltzmann มีคาเทากับ 428 KW/m1067.5 ⋅× − โดยที่พ้ืนผิวน้ีถูกเรียกวา ตัวแผรังสีจินตภาพหรือวัตถุดํา ดังน้ันฟลักซความรอนที่ปลดปลอยออกมาจากพื้นผิวจริงจะมีคานอยกวาตัวแผรังสีจินตภาพเสมอและจะไดวา 4

ss Tσεq =′′ เม่ือ sε แทนคุณสมบัติการแผรังสีที่พ้ืนผิวของวัตถุ เรียกวา ความสามารถในการปลดปลอยพลังงาน คุณสมบัติน้ีจะมีคาอยูในชวง 1ε0 s ≥≤ จากภาพที่ 2.3 พ้ืนผิวของวัตถุและอากาศโดยรอบถูกแยกออกจากกันดวยกาซ ดังน้ันอัตราการแลกเปลี่ยนความรอนระหวางพื้นผิวของวัตถุกับบรรยากาศโดยรอบพื้นผิว จะแสดงใหเห็นไดในรูปแบบตอหนวยพ้ืนที่ของพื้นผิววัตถุ น่ันคือ

)TTσ(εAqq 4

sur4

sss

rad −==′′ (1.4)

โดยที่ radq แทนอัตราการแผรังสีความรอนของพื้นผิวของวัตถุมีหนวยเปนวัตต sA แทนพ้ืนที่ผิวของวัตถุมีหนวยเปนตารางเมตร ( 2m ) และ surT แทนอุณภูมิของบรรยากาศโดยรอบมีหนวยเปนเคลวิน พ้ืนที่ของบรรยากาศโดยรอบไมมีผลตออัตราการแลกเปลี่ยนความรอน จากสมการที่ 1.4 สามารถจัดรูปของสมการใหมไดเปน )TT(Aσεq 4

sur4

sssrad −= (1.5)

14

โดยที่คุณสมบัติการแผรังสีความรองแสงอาทิตยของตัวกลางแตละชนิด จะมีคาแตกตางกันตามตัวอยางที่แสดงในตรารงที่ 2.2

ภาพที่ 2.3 การแผรังสีความรอนจากพื้นผิวสูบรรยากาศ


ตารางที่ 2.2 แสดงคุณสมบัติการแผรังสคีวามรอนแสงอาทิตยของตวักลางที่แตกตางกัน

คุณสมบัติของตัวกลางที่อุณหภูมิ 300 K ชนิดของตัวกลาง

การดูดกลืน ( )α การแผรังสี ( )ε α/ε

- อะลูมิเนียมขัดเงา 0.09

0.03

3.00

- อะลูมิเนียมชุบ 0.14 0.84 0.17

- อะลูมอเนียมฟอลย (Foil) 0.15 0.05 3.00

* - อะลูมิเนียมอัลลอย - 0.2 - 0.11 -

ที่มา: Frank P. Incropera and David P. De Witt, 1990 *ที่มา: http//www. engineeringtoolbox.com 2.1.4 การอนุรักษพลังงานสําหรับปริมาตรควบคุม

พิจารณาการประยุกตใชการอนุรักษพลังงานกับปริมาตรควบคุมที่แสดงในภาพที่ 2.4 ในขั้นตอนแรกเปนการสรางเอกลักษณของพ้ืนผิวควบคุมดวยการเขียนเสนประ ขั้นตอนตอมาสรางเอกลักษณของเทอมพลังงานที่ชวงเวลาสั้น ๆ องคประกอบเหลานี้เปนอัตราสวนที่มีอยูทางความรอนและพลังงานเชิงกลที่เขาไปและออกจากพื้นผิวควบคุมคือ inE& และ outE& อยางไรก็ตาม พลังงานทางความรอนที่เขาไปในปริมาตรควบคุมอาจจะเปลี่ยนแปลงมาจากพลังงานในรูปแบบอ่ืน ๆ เรียกวา gE& โดยอัตราสวนการเปลี่ยนแปลงของพลังงานที่

15

เก็บสะสมไวภายในปริมาตรควบคุมคือ /dtdEst เรียกวา stE& ดังนั้นรูปแบบทั่วไปของการอนุรักษพลังงานที่ตองการคือ

stst

outgin Edt

dEEEE &&&& ≡=−+ (1.6)

สมการที่ 1.6 เปนการประยุกตใชกับชวงเวลาสั้น ๆ ( )t และสามารถประยุกตใชกับชวงระหวางเวลา ( )∆t ไดดวยการอินทิเกรตสมการนี้ดวยเวลา

ภาพที่ 2.4 การอนุรักษพลังงานของปริมาตรควบคุม ประยุกตใชทีช่วงเวลาสั้น ๆ


2.1.5 สมดุลพลังงานของการไหลภายในทอ

การไหลในทอเปนการปดพื้นที่อยางสมบูรณ สมดุลพลังงานอาจจะประยุกตใชเพ่ือกําหนดการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิเฉลี่ย ( )( )xTm กับตําแหนงความยาวของทอและการสงผานความรอนดวยการพา ( )convq ซ่ึงมีความสัมพันธกันกับผลตางของอุณหภูมิที่ทางเขาและทางออกของทอ พิจารณาการไหลในทอจากภาพที่ 2.5 ของไหลเคลื่อนที่ดวยอัตราการไหล ( )m& คงที่ โดยที่การสงผานความรอนดวยการพาจะเกิดขึ้นที่พ้ืนผิวทางเขา ผลจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานความรอนและงานของการไหลเทานั้นที่สําคัญ งานของการไหลอยูในรูปแบบการเคลื่อนที่ของของไหลผานพื้นผิวควบคุมและตอหนวยมวลของของไหล แสดงไดดวยผลของความดัน ( )p และคาเฉพาะของของไหล ( )1/ρvv, = การประยุกตใชกฎการอนุรักษจากสมการที่ 1.6 กับผลตางของปริมาตรควบคุมในภาพที่ 2.5 และจากคํานิยามของอุณหภูมิเฉลี่ยคือ

mvt TcmE && = (1.7)

เราจะไดวา ( ) ( ) ( )0dx

dxpvTcd

mpvTcmpvTcmdq mvmvmvconv =

+

++−++ &&&

16

หรือ ( )pvTcdmdq mvconv += & (1.8)

ดังน้ันปริมาณของการสงผานความรอนดวยการพาของของไหลจะเทากับปริมาณของพลังงานความรอนของของไหลที่เพ่ิมขึ้น ดวยการเพิ่มงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของของไหลผานปริมาตรควบคุม สมมุติวาของไหลที่อางถึงเปนกาซจะไดวา

mRTpv = และ Rcc vp +=

และสมมุตวิา pc เปนคาคงที่ ดังน้ันจากสมการที่ 9 จะไดวา

mpconv dTcmdq &= (1.9)

ภาพที่ 2.5 ปริมาตรควบคุมสําหรับการไหลภายในทอ


สมการที่ 1.9 อาจใชประมาณคาไดดีสําหรับของเหลวที่กดไมได ในกรณีน้ี pv cc = และ v มีคานอยมาก ๆ โดยทั่วไปแลว ( )pvd จะตองนอยกวา ( )mvTcd สมการที่ 1.9 จึงจะสามารถแปลงไดจากสมการที่ 1.8 ถาสมการที่ 1.9 สัมพันธกับเง่ือนไขของทอทั้งหมด โดยเฉพาะผลตางอุณหภูมิจากทางเขาของทอ ( )im,T กับทางออกของทอ ( )om,T สามารถเขียนไดวา

( )im,om,pconv TTcmq −= & (1.10) เม่ือ convq แทนอัตราการสงผานความรอนสูงสุดของทอ สมดุลพลังงานทั้งหมดนี้มีความสัมพันธกันกับตัวแปรคาทางความรอนที่สําคัญทั้งสามคือ convq om,T และ

im,T เปนการแสดงโดยทั่วไปที่ประยุกตใชโดยไมคํานึงถึงความรอนของพ้ืนผิวธรรมชาติหรือเง่ือนไขของการไหล

17

2.1.6 ระบบการนําและการพาความรอนบนแผนครีบ

พิจารณาแผนครีบใน 1 มิติ ที่วางตัวอยูกับของไหลของสิ่งแวดลอมที่มีอุณหภูมิเทากับ ∞T และอุณหภูมิที่ฐานของแผนครีบเทากับ 0T ดังนั้นสัมประสิทธิ์การสงผานความรอนดวยการพาสามารถหาไดจากสมการที่ 1.3 เม่ือพ้ืนที่ในสมการนี้คือพ้ืนที่ผิวสําหรับการพา กําหนดใหพ้ืนที่ตัดขวางของแผนครีบเทากับ A และเสนรอบวงเทากับ P ดังน้ันจากภาพที่ 2.6 จะไดปริมาณของพลังงานเปนดังน้ี

พลังงานที่เขาพื้นผิวทางดานซาย dxdTkAq x −=

พลังงานที่ออกจากพื้นผิวทางดานขวา

+−=

−=+

+ dxdx

TddxdTkA

dxdTkAq 2

2

dxxdxx

พลังงานที่สูญเสียเนื่องจากการพา ( )∞−= TThPdxdqconv

ภาพที่ 2.6 การพาและการนําใน 1 มิติ ผานแผนครีบสี่เหลี่ยมมุมฉาก

ที่มา: J.P. Holman, 2001

ในการปรับปรุงพัฒนา เราสมมุติใหผลตางอุณหภูมิจํานวนมากเกิดขึ้นในแนวแกน x เทานั้น สมมุติฐานนี้จะมีความแมนยําก็ตอเม่ือแผนครีบมีความบางมาก ปริมาตรที่จํากัดของสัมประสิทธิ์การพา ( )h ซ่ึงมีประโยชนสําหรับรูปแบบของสัมประสิทธิ์การพาที่หายากบนพื้นผิวทั้งหมด จากภาพที่ 2.7 พิจารณาแผนครีบแบบสี่เหลี่ยมมุมฉาก แผนครีบมี 2 ดาน คือ ดานฐานและดานปลาย โดยมีอุณหภูมิที่ฐานเปน 0T กําหนดใหอุณหภูมิ

w

18

สภาพแวดลอมเปน ∞T เม่ือแผนคีบมีความยาวเทากับ L กวางเทากับ w และหนาเทากับ t ดังน้ันการสงผานความรอนสูงสุดจากแผนคีบไปสูอากาศสามารถหาไดจากสมการ )T(ThηNAq 0fff ∞−= (1.11) เม่ือ N แทน จํานวนของแผนคีบ fA แทน พ้ืนที่ผิวของแผนคีบ ( )2m

h แทน สัมประสิทธิ์การพาความรอนของอากาศ ( )21mKW −−⋅ fη แทน ประสิทธิภาพของแผนคีบ โดยที่พ้ืนที่ของแผนครีบแบบสี่เหลี่ยมมุมฉากเทากับ 2wL และพ้ืนที่แผนครีบแบบเข็มหมุดเทากับ πDL และประสิทธิภาพของแผนคีบสามารถหาไดจาก

mL

mLtanhhPLθ

mLtanhθhPkAη

0

0ff == (1.12)

โดยที่ mLmL

mLmL

eeee

mLcoshmLsinhmLtanh −

−

+−

==

(a) (b) ภาพที่ 2.7 แสดงพื้นที่ตัดขวางของแผนครีบ (a) แบบสี่เหลี่ยมมุมฉาก (b) แบบเข็มหมุด

ที่มา: Frank P. Incropera and David P. De Witt, 1990 โดยสมมุติวาการไหลของความรอนในแผนครีบอยูใน 1 มิติ ดังน้ันสามารถเขียนไดวา

19

( ) L

kwt2t2whL

kAhPmL

f

+==

เม่ือทําการเปรียบเทียบระหวางเทอมของ 2w กับ 2t ในกรณีที่แผนครีบมีความกวางที่เพียงพอและมีความหนานอยมาก จะเห็นวาเทอมของ 2t มีคานอยมากและไมมีผลตอเทอมของ 2w ดังน้ันจะไดวา

Lkt2hL

ktw2hwmL ==

จากนั้นคูณเทอมดานหลังดวยเศษสวนของ 1/2L จะไดวา

3/2

m

3/2 LkA2hL

kLt2hmL == (1.13)

เม่ือ tLA m ⋅= แทนพื้นที่ภายนอกของแผนครีบ

เม่ือแผนครีบแสดงความหนาเปนครึ่งหน่ึงของความหนาของแผนครีบและความยาวที่แทจริงของแผนครีบ ( )cL ที่ใชกับสมการทั้งหมดอาจประยุกตไดกับกรณีที่แผนครีบที่มีปลายอีกดานติดกับฉนวน ดังน้ันสามารถเขียนสมการความสูงที่แทจริงของแผนครีบไดเปน

2tLLc += (1.14)

คาความผิดพลาดที่ไดจะมีคานอยกวา 8 % เม่ือ 21

2kht

≤ ถาแผนครีบมีรูปรางเปนเข็ม

หมุดยื่นออกจากผนัง ความยาวที่แทจริงของแผนครีบคือ

4DL

Dπ/4DπLL

2

c +=+=

ถาแผนคีบมีความบางมากจะทําใหเทอมหลัง ( )t/2 จากสมการที่ 1.14 มีคานอยมากจึงสามารถตัดเทอมนี้ทิ้งไดเลย ดังน้ันสําหรับแผนคีบที่บางมาก ๆ จึงใชเฉพาะคาของ L ได

20

2.1.7 การพาความรอนตามธรรมชาติและสัมประสทิธิ์การสงผานความรอน 1) การพาความรอนบนแผนโลหะบางทีต่ั้งฉากกับพ้ืน

จากภาพที่ 2.9 เปนการแสดงเงื่อนไขการพาความรอนแบบอิสระของแผนโลหะ ความเร็วของของไหลที่ตรงกลางชั้นจะมีคาสูงและลดลงเทากับศูนยที่ขอบเขตของชั้นตามเง่ือนไขของกระแสอิสระที่หยุดนิ่งในระบบการพาแบบอิสระ แตบางชวงของขอบเขตการพาจะขึ้นอยูกับคุณสมบัติของของไหลและผลตางอุณหภูมิของพ้ืนผิวโลหะกับสิ่งแวดลอม การแกปญหาการสงผานความรอน อันดับแรกเราตองมีสมการอนุพันธของการเคลื่อนที่สําหรับขอบเขตของชั้น ในกรณีน้ีเราเลือกใหแกน x ยาวตามแผนโลหะและแกน y ตั้งฉากกับแผนโลหะในการวิเคราะห กอนอ่ืนผลรวมของแรงภายนอกตามแนวแกน x จะตองเทากับการเปลี่ยนแปลง ฟลักซโมเมนตัมที่ผานปริมาตรควบคุม dx และ dy ดังน้ันจะได

2

2

yuµρg

xp

yuv

xuuρ

∂∂

+−∂∂

−=

∂∂

+∂∂ (1.15)

โดยที่เทอมของ ρg− เปนการนําเสนอในสวนของการออกแรงจากน้ําหนักตามธรรมชาติของของไหล เกรเดียนของความดันในแกน x เปนผลลัพธที่ไดจากการเปลี่ยนแปลงในสวนที่สูงขึ้นไปของแผนโลหะคือ

gρxp

∞−=∂∂ (1.16)

ในกรณีอ่ืน ๆ การเปลี่ยนแปลงความดันที่ความสูงมากกวา dx จะเทากับนํ้าหนักตอหนวยพ้ืนที่ของของไหล แทนคาจากสมการที่ 1.16 ลงในสมการที่ 1.15 จะไดวา

( ) 2

2

yuµρρg

yuv

xuuρ

∂∂

+−=

∂∂

+∂∂

∞ (1.17)

ผลตางความหนาแนนของ ρρ −∞ อาจแสดงไดในเทอมของสัมประสิทธิ์ปริมาตรของ β สามารถเขียนไดวา

( )( )∞

∞

∞

∞

∞ −−

=

−−

=

∂∂

=TTρρρ

TTVV

V1

TV

V1β

p

21

ดังน้ันจากสมการที่ 1.17 จะไดวา

( ) 2

2

yuµβTTgρ

yuv

xuuρ

∂∂

+−=

∂∂

+∂∂

∞ (1.18)

สมการที่ 1.18 คือสมการการเคลื่อนที่สําหรับการพาแบบอิสระของชั้นที่มีขอบเขต โดยที่รูปแบบโครงรางของความเร็วจะทราบไดจากการแจกแจงอุณหภูมิ และสมการพลังงานสําหรับระบบการพาแบบอิสระคือ

2

2

p yTk

yTv

xTucρ

∂∂

=

∂∂

+∂∂

สัมประสิทธิ์ของปริมาตรสามารถคํานวณไดจากตารางคุณสมบัติตามชนิดของของไหล และสําหรับกาซอุดมคติสามารถคํานวณไดจาก

T1β = โดยที่

2TT

T w ∞+=

เม่ือ T แทนอุณหภูมิสัมบูรณของกาซ สําหรับสมการอินทิกรัลของโมเมนตัมในระบบการพาแบบอิสระคือ

( )

( )dyTTρgβyuµ

dyTTρgβτdyρudxd

δ

00y

δ

0w

δ

0

2

∞=

∞

−+

∂∂

−=

−+−=

∫

∫∫

22

ภาพที่ 2.8 แสดงขอบเขตชั้นการพาความรอนบนผวิของแผนโลหะที่ตั้งฉากกบัพ้ืน ที่มา: Frank P. Incropera and David P. De Witt, 1990 และเราสังเกตพบวา รูปแบบฟงกชันของความเร็วและการกระจายอุณหภูมิจะทราบไดในลําดับของการแกสมการ การประยุกตเง่ือนไขสําหรับการกระจายอุณหภูมิคือ wTT = ที่ 0y = ∞= TT ที่ δy =

0yT=

∂∂ ที่ δy =

ดังน้ันจะไดผลลัพธของการกระจายอุณหภูมิเปน

2

w δy1

TTTT

−=

−−

∞

∞ (1.19)

เง่ือนไขสําหรับรูปแบบโฟรไฟลความเร็วคือ 0u = ที่ 0y = 0u = ที่ δy =

23

0yu=

∂∂ ที่ δy =

การเพิ่มเง่ือนไขอาจจะจากสมการที่ 1.44 โดย

−

−=∂∂ ∞

vTT

gβyu w2

2

ที่ 0y =

ในการวิเคราะหอินทิกรัลสําหรับแกปญหาการพาดวยแรง เราสมมติใหรูปรางความเร็วมีลักษณะเปนเรขาคณิตที่เปลี่ยนคาระยะ x ไปตามความยาวของแผนโลหะ สําหรับการแกปญหาการพาแบบอิสระ สมมติวาความเร็วเปนฟงกชันที่ประกอบดวยจํานวนหลายจํานวนของ y คูณดวยฟงกชันของ x น่ันคือ

32

x

dycybyauu

+++=

เม่ือ xu แทนความเร็วสมมติที่เปนฟงกชันของ x ประยุกตใชเง่ือนไขทั้ง 4 กับรูปแบบความเร็วขางบนดังกลาวเราจะไดวา

( ) 2

x

w2

x δy1

δy

v4uTTβgδ

uu

−

−= ∞

การรวมเทอมการกระจายอุณหภูมิ 2δ และ xu อาจรวมเขาเปนฟงกชันของ xu ดังน้ันอาจสมมติความสัมพันธสุดทายของรูปแบบโครงรางของความเร็วเปน

2

x δy1

δy

uu

−=

ความหนาของขอบเขตชั้นจากการทดลองคือ

( ) 1/4x

1/41/2 GrPr0.9523.93Prxδ −− +=

24

เม่ือจํานวน Prandtl v/aPr = รวมกับกลุมเสนผาศูนยกลางใหม เราเรียกจํานวนนี้วา Grashof ( )xGr คือ

( )2

3w

x vxTTgβ

Gr ∞−= (1.20)

สัมประสิทธิ์การพาความรอนประมาณไดจาก

( )∞=

−=

−= TThA

dydtkAq w

0yw (1.21)

และเม่ือแทนสมการที่ 1.19 ลงในสมการที่ 1.21 จะใหผลลัพธเปน

δ

2kh = หรือ xNukhx

δ2x

== (1.22)

สมการเสนผาศูนยกลางสําหรับสัมประสทิธิ์การสงผานความรอนจาการทดลองคือ ( ) 1/4

x1/41/2

x GrPr0.9520.508PrNu −+= (1.23) จากสมการที่ 1.23 การเปลี่ยนแปลงของสัมประสิทธิ์การสงผานความรอนจําเพาะที่จะเปลี่ยนไปตามความยาวของแผนโลหะ ( )Lx → ที่ตั้งฉากกับพ้ืน คาเฉลี่ยของสัมประสิทธิ์การสงผานความรอนอาจหาไดดวยการอินทิเกรต

∫=L

0 xdxhL1h

และสําหรับการเปลี่ยนแปลงตามสมการที่ 1.23 คาเฉลีย่ของสัมประสิทธิ์การสงผานความรอนคือ

Lxh34h == (1.24)

2) การพาความรอนบนแผนโลหะบางทีข่นานกับพ้ืน

25

จากภาพที่ 2.9 ในภาพ (a) แสดงความนาจะเปนที่ของไหลจะไหลลงและถูกกั้นโดยแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานบนเย็น ในภาพ (d) แสดงความนาจะเปนที่ของไหลจะไหลขึ้นและถูกกั้นโดยแผนโลหะที่พ้ืนผิวดานลางมีความรอน โดยที่การไหลจะตองเคลื่อนที่ไปตามพื้นขนานกอนที่จะไหลลงหรือไหลขึ้นจากขอบดานขางของแผนโลหะ ซ่ึงเปนการพาความรอนที่คอนขางจะไมไดผลดีนัก ในทางตรงกันขามสําหรับแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานลางเย็นตามภาพ (b) และแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานบนรอนตามภาพ (c) การไหลจะเคลื่อนที่โดยการไหลลงและไหลขึ้นของกลุมของของไหลตามลําดับ การพาโดยมวลของของไหลที่รอนซ่ึงจะไหลขึ้นจากพ้ืนผิวและจะถูกแทนที่โดยการไหลลงของของไหลที่เย็นจากสิ่งแวดลอม เปนการสงผานความรอนที่คอนขางไดผลดีมาก อยางไรก็ตามความสัมพันธที่ไดนําเสนอโดย McAdams คือการใชความกวางสําหรับแผนโลหะที่ขนานกับพ้ืนระนาบ ที่สามารถเตรียมไดอยางแมนยําดวยการดัดแปลงรูปแบบจากคุณสมบัติเฉพาะของความยาว สามารถแสดงความสัมพันธในรูปแบบของสมการดังน้ี

ภาพที่ 2.9 การไหลของของไหลที่ไหลผานแผนโลหะเย็น ( )∞< TTs และแผนโลหะรอน ( )∞> TTs ที่ขนานกับพ้ืน


P

AL s= (1.25)

เม่ือ sA และ P แทนพื้นที่ผิวและเสนรอบวงของแผนโลหะตามลําดับที่วางขนานกับระนาบ

26

สําหรับความสัมพันธคาเฉลี่ยของจํานวน Nusselt จะเปนไปตามเงื่อนไขของพื้นผิวแผนโลหะซ่ึงจะสามารถคํานวณหาไดตามสมการตอไปน้ี สําหรับแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานลางรอนหรือแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานบนเย็น (ภาพที่ 2.9a และ ภาพที่ 2.9d)

( )10L

51/4LL 10Ra100.27RaNu ≤≤= (1.26)

และสําหรับแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานบนรอนหรือแผนโลหะที่มีพ้ืนผิวดานลางเย็น (ภาพที่ 2.9b และภาพที่ 2.9c) ( )7

L41/4

LL 10Ra100.54RaNu ≤≤= (1.27) หรือ ( )11

L71/4

LL 10Ra100.15RaNu ≤≤= (1.28)

เม่ือ ( )Pr

vLTTgβ

PrGrRa 2

3s

LL∞−

== (1.29)

ในกรณีที่แผนโลหะวางเอียงทํามุมกับระนาบ คา g ในสมการที่ 1.29 จะถูกแทนดวย gcosθ โดยที่มุมเอียงจะอยูในชวง ο60θ0 ≤≤ และ L แทนคุณสมบัติเฉพาะของความยาว จะไดวา

( )[ ]

2

8/279/16

1/6L

L0.492/Pr1

0.387Ra0.825Nu

++= (1.30)

และจากสมการคุณสมบัติตาง ๆ ของแผนโลหะบางดังแสดงขางบนนี้เราจะสามารถคํานวณหาสัมประสิทธิ์การพาความรอนโดยเฉลี่ยของแผนโลหะบางไดจาก

airL k

LNu

h ⋅= (1.31)

27

2.2 ทฤษฎีเซลลแสงอาทิตย

สําหรับการกลาวถึงทฤษฎีที่เกี่ยวของกับเซลลแสงอาทิตยในเบื้องตนน้ี จะกลาวถึงคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนําชนิดตาง ๆ โดยยอ ที่นิยมนํามาใชทําเปนองคประกอบที่สําคัญของเซลลแสงอาทิตยสําหรับการผลิตพลังงานไฟฟาจากความเขมแสงที่ตกกระทบกับหนาสัมผัสของแผงเซลลแสงอาทิตย จากนั้นจึงจะกลาวถึงโครงสราง รอยตอชนิดตาง ๆ และทฤษฎีสําหรับการวิเคราะหคาตัวแปรตาง ๆ ของเซลลแสงอาทิตยตามลําดับตอไป

2.2.1 สารกึ่งตัวนํา

สารกึ่งตัวนําทางไฟฟาคือกลุมของอโลหะที่มีคุณสมบัติการนําไฟฟาอยูระหวางโลหะและฉนวน โดยทั่วไปจะแบงแยกสวนประกอบของสารกึ่งตัวนําออกเปน 2 สวน คือ สวนประกอบพื้นฐานและสวนประกอบยอย สวนประกอบพื้นฐานสามารถที่จะพบไดจากธาตุในกลุมที่ 4 ของตารางธาตุ เชน ซิลิกอน เจอมาเนียม และดีบุก เปนตน ดังแสดงตัวอยางในตารางที่ 2.3 ในขณะที่สวนประกอบยอยจะสามารถพบไดจากรูปแบบการรวมกันแบบพิเศษของธาตุกลุมที่ 3 และ 5 ของตารางธาตุ ดังแสดงตัวอยางในตารางที่ 2.5 (ในอีกกรณีหน่ึงสารกึ่งตัวนําอาจมีรูปแบบมาจากการรวมตัวกันของธาตุกลุมที่ 2 และ 6) ตารางที่ 2.3 แสดงธาตุบางสวนของตารางธาตุที่ใชทําวัสดุสารกึ่งตัวนํา

ที่มา: Donald A. Neamen, 2006 แกลเลียมอารเซไนดหรือแกลเลียมฟอสไฟดเปนรูปแบบของสารกึ่งตัวนําสวนประกอบยอยที่ไดจากการรวมกันของธาตุในกลุม 3 และ 5 ซ่ึงนิยมนําไปใชทําเปนไดโอดเปลงแสงและไดโอดเลเซอร โดยที่เราสามารถที่จะทําใหสารกึ่งตัวนํามีรูปแบบที่ประกอบดวยธาตุ 3 ชนิด

28

ไดดังตัวอยางในตารางที่ 2.4 เชน สารกึ่งตัวนําที่ประกอบดวย อะลูมิเนียม แกลเลียม และอารเซไนด เปนตน ตัวแปร x และ y บงบอกถึงเศษสวนของเลขอะตอมต่ําสุด ตารางที่ 2.4 แสดงตัวอยางสารกึ่งตัวนําที่ประกอบดวยธาตุกึ่งตัวนํา 3 ชนิด

ที่มา: Donald A. Neamen, 2006 ตารางที่ 2.5 แสดงสารกึ่งตัวนําที่สําคัญและวัสดุกึ่งตัวนําที่ประกอบดวยสารกึ่งตัวนํา 2 ชนิด

ที่มา: Donald A. Neamen, 2006 1) แถบพลังงานของสารกึ่งตัวนํา

สารกึ่งตัวนําประกอบดวยชั้นพลังงาน 3 ชั้น คือ แถบนํา (conduction band) แถบชองวางพลังงาน (bandgap energy: gE ) และแถบวาเลนซ (valence band) แถบนําและแถบวาเลนซจะถูกกั้นดวยแถบชองวางพลังงาน โดยที่แถบนําเปนชั้นที่มีพลังงานสูงสุด แถบวาเลนซเปนแถบที่มีอิเล็กตรอนพลังงานต่ําถูกครอบครองอยู ดวยพันธะโควาเลนซ จากภาพที่ 2.10 แสดงโครงสรางแบบ 2 มิติ ที่อุณหภูมิเทากับ 0 เคลวิน ของอะตอมซิลิกอนที่ เกาะกลุมกันดวยพันธะโควาเลนซ ในกรณีที่ อุณหภูมิสูงมากกวา 0 เคลวิน อิเล็กตรอนจํานวนหนึ่งในแถบวาเลนซอาจจะไดรับพลังงานความรอนที่เพียงพอสําหรับการสลายพันธะโควาเลนว และเคลื่อนที่ไปสูแถบนํา สามารถสังเกตไดจากภาพที่ 2.11 ซ่ึงไดแสดงใหเห็นถึงการแตกสลายของพันธะโควาเลนซ เม่ืออิเล็กตรอนไดรับพลังงานความรอนที่เพียงพอ

29

และสามารถเคลื่อนที่ไปสูแถบนําได เรียกวาอิเล็กตรอนนําหรืออิเล็กตรอนอิสระ (free electron) ซ่ึงจะสามารถเลื่อนที่ผานผลึกได กลุมของประจุที่ไหลผานผลึก เรียกวา กระแส

ภาพที่ 2.10 แสดงภาพ 2 มิติ ของอะตอมซิลิกอนที่เกาะกลุมกนัดวยพันธะโควาเลนซ ที่อุณหภูมิเทากับ 0 เคลวนิ ที่มา: Donald A. Neamen, 2006

ภาพที่ 2.11 (a) แสดงการสลายพันธะโควาเลนซของอิเล็กตรอนในโครงสรางของอะตอม

เม่ืออิเล็กตรอนไดรับพลังงานความรอนทีเ่พียงพอ (b) แสดงแถบพลังงาน และการเกิดประจุไฟฟาจากการสลายพันธะโควาเลนซจากภาพ (a) ที่มา: Donald A. Neamen, 2006 2) คุณสมบัติทางแสงของสารกึ่งตัวนํา

เม่ือวัสดุสารกึ่งตัวนําไดรับแสงสวาง โฟตอนอาจจะถูกดูดกลืนหรืออาจจะแพรผานวัสดุสารกึ่งตัวนํา ซ่ึงจะขึ้นอยูกับพลังงานของโฟตอนและพลังงานในชองวางพลังงาน ( gE ) จากภาพที่ 2.12 แสดงลําดับการดูดกลืนโฟตอนของวัสดุสารกึ่งตัวนํา ถาโฟตอนมีพลังงานนอยกวา gE โฟตอนจะไมถูกดูดกลืนโดยทันที ซ่ึงจะทําใหโฟตอนบางสวนแทรกสอดผานวัสดุไปได แตถาโฟตอนมีพลังงานมากกวา gE โฟตอนจะทําปฏิกิริยากับโครงสรางผลึกของวัสดุสารกึ่งตัวนํา เม่ือโฟตอนชนกับอิเล็กตรอนในวาเลนซ จะทําใหอิเล็กตรอดหลุดจากพันธะโควาเลนซ และเปลี่ยนสถานะไปอยูที่แถบนํา ผลลัพธจากปฏิกิริยานี้จะทําใหอิเล็กตรอนเกิดขึ้นในแถบนําและโฮลในแถบวาเลนซ ทําใหเกิดคูของอิเล็กตรอน-โฮล ซ่ึงคูอิเล็กตรอน-โฮล

(a) (b)

30

ที่เกิดขึ้นและพลังงานสวนเกินจะทําใหอิเล็กตรอนและโฮลมีพลังงานจลนเพ่ิมมากขึ้น และจะทําใหเกิดการแพรกระจายความรอนภายในวัสดุสารกึ่งตัวนํา ความสามารถในการดูดกลืนโฟตอนของสารกึ่งตัวนําแตละชนิดจะแตกตางกันไปตามโครงสรางของโครงผลึกในระดับอะตอม ตามที่ไดแสดงดังภาพที่ 2.13 สัมประสิทธิ์การดูดกลืนจะเพ่ิมขึ้นมากอยางรวดเร็ว เม่ือพลังงานโฟตอนมากกวา gE หรือในชวงที่มีความยาวคลื่นนอยกวา 1.24/ gE แตถาพลังงานของโฟตอนนอยกวา gE จะทําใหสัมประสิทธิ์การดูดกลืนโฟตอนของสารกึ่งตัวนํามีคานอยมาก

ภาพที่ 2.12 แสดงลําดับการดูดกลืนโฟตอนและการเกิดคูอิเล็กตรอน-โฮล ในวัสดุสารกึ่งตัวนํา ที่มา: Donald A. Neamen, 2006

ภาพที่ 2.13 แสดงสัมประสิทธิ์การดูดโฟตอนของวัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดตาง ๆ

ที่มา: Donald A. Neamen, 2006 2.2.2 โครงสรางและชนิดของรอยตอภายในเซลลแสงอาทิตย 1) โครงสรางของเซลลแสงอาทิตย

31

เซลลแสงอาทิตยทําจากโลหะที่เปนสารกึ่งตัวนําทางไฟฟา 2 ชนิด คือชนิด n และชนิด p ประกอบกันขึ้นเปนชั้นที่มีโครงสรางเปนแบบ np − pn − +−+ −− pnn และ

+−+ −− npp ชนิด n เกิดจากการเจือสารแลวทําใหเกิดอิเลกตรอนอิสระหรือทําใหเกิดโฮลเพ่ิมขึ้นสําหรับชนิด p ซ่ึงชนิดที่มีเครื่องหมายบวกแสดงถึงการเจือปนสารที่มากกวาชนิดที่มีเครื่องหมายลบ

(a) (b)

ภาพที่ 2.14 (a) และ (b) แสดงโครงสรางรอยตอแบบ 3 และ 2 ชั้น ของเซลลแสงอาทิตย ที่มา: http://www.specmat.com และ http://www1.eere.energy.gov

เซลลแสงอาทิตยมีคุณสมบัติในการเปลี่ยนความเขมแสงที่ไดรับไปเปนพลังงาน

ไฟฟา และเปนแหลงพลังงานสะอาดที่ไมกอใหเกิดมลภาวะที่เปนพิษตอคนและสิ่งแวดลอม จากภาพที่ 2.14 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตย ในภาพที่ 2.14(a) ชั้น i คือชั้นที่เปน

−n หรื −p เซลลแสงอาทิตยแบงตามโครงสรางผลึกได 3 แบบ คือแบบที่เปนผลึกเดี่ยว ผลึกผสม และฟลมบางอะมอรฟส ตามที่แสดงในภาพที่ 2.15

(a) (b) (c)

ภาพที่ 2.15 (a) (b) และ (c) แสดงรูปแบบของเซลลแสงอาทิตยแบบผลึกเดีย่ว ผลึกผสม และฟลมบางอะมอรฟส ตามลําดับ ที่มา: http://www.egat.co.th 2) รอยตอชนิดตาง ๆ ภายในเซลลแสงอาทิตย

32

ชนิดของรอยตอภายในเซลลแสงอาทิตยจะถูกแบงแยกไปตามรูปแบบของการใชสารกึ่งตัวนําและโลหะ ซ่ึงโดยทั่วไปจะแบงออกเปน 3 ชนิด คือ (1) วัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดรอยตอแบบเอกพันธุ (homojuction) เปนรอยตอระหวางสารกึ่งตัวนําชนิด n และ p ในวัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดเดียวกัน เชน เซลลแสงอาทิตยที่มีรอยระหวางสารกึ่งตัวนําชนิด n และ p ภายในผลึกซิลิกอน (Si) หรือผลึกของแกลเลียมอาเซไนด (As) ชนิดใดชนิดหนึ่ง เปนตน (2) วัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดรอยตอแบบวิวิธพันธุ (heterojuction) เปนรอยระหวางสารกึ่งตัวนํา 2 ชนิด ที่มีชองวางพลังงานและสัมประสิทธิ์การดูดกลืนโฟตอนแตกตางกัน เชน เซลลแสงอาทิตยที่มีรอยตอระหวางแกลเลียมอะลูมิเนียมอารเซไนดกับแกลเลียมอารเซไนด ( )As/GaAsAlGa xx1− รอยตอแบบวิวิธพันธุสามารถตอบสนองตอสเปคตรัมของแสงไดดีกวาชนิดรอยตอแบบเอกพันธุ (3) วัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดรอยตอแบบซอตกี้แบเรีย (schottky barrier) เปนรอยตอระหวางวัสดุสารกึ่งตัวนํากับโลหะ หรือระหวางโลหะกับวัสดุสารกึ่งตัวนําที่เปนฉนวน เปนการประยุกตใชกับเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกรวมและชนิดฟลมบาง รอยตอแบบซอตกี้ ใชตนทุนในกระบวนการผลิตต่ํากวารอยตอแบบอ่ืน ๆ เน่ืองจากไมตองใชวิธีการแพรอุณหภูมิสูง แตมีความสามารถในการตอบสนองตอสเปคตรัมของแสงต่ํากวารอยตอแบบอ่ืน ๆ 2.2.3 สมรรถนะการทํางานและประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

ภาพที่ 2.16 แสดงลักษณะเฉพาะทางไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทติย

ที่มา: David L. Pulfrey, 1978

จากภาพที่ 2.16 แสดงคุณสมบัติทางไฟฟาที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตยและวิธีการวัดคาทางไฟฟา เม่ือ mI และ mV แทนคากระแสไฟฟาสูงสุดและความตางศักยไฟฟา

33

สูงสุด ที่ทําใหกําลังไฟฟาที่เอาทพุทมีคาสูงสุด จากภาพที่ 2.16 จุดที่มีคากระแสไฟฟาและความตางศักยไฟฟาสูงสุดคือ จุดที่ใหกําลังไฟฟาสูงสุด สวน scI แทนกระแสไฟฟาลัดวงจร เปนการวัดกระแสไฟฟาโดยตรงที่จุดเอาทพุทของแผงเซลลแสงอาทิตยโดยไมใชตัวทานหรือวงจรทางไฟฟา และ ocV แทนความตางศักยไฟฟาวงจรเปด วิธีการวัดคาใชวิธีเดียวกันกับการวัดกระแสไฟฟาวงจรปด ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานหรือประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยหาไดจาก

AP

Pηi

mPV ⋅

= (2.1)

และ mmm VIP ⋅= เม่ือ mP แทน กําลังไฟฟาสูงสุดที่ไดจากเซลลแสงอาทิตย ( )W

iP แทน ความเขมแสงอาทิตย ( )2W/m A แทน พ้ืนที่รับแสงของเซลลแสงอาทิตย ( )2m

โดยที่อัตราสวนระหวาง mm VI ⋅ กับ ocsc VI ⋅ เรียกวา ฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตย ซ่ึงจะเขียนสมการฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยไดวา

ocsc

mm

VIVIFF⋅⋅

= (2.2)

และ ( )ocscmmm VIFFVIP ⋅⋅=⋅= เม่ือแทนคาลงในสมการที่ 2.1 จะไดวา

( )AP

VIFFη

i

ocscPV ⋅

⋅⋅= (2.3)

จากภาพที่ 2.17 แสดงกราฟความสัมพันธระหวางตัวแปรคาตาง ๆ ทางไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยชนิด AlGaAs/GaAs กับอุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตย ไดแสดงใหเห็นวาเม่ืออุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยสูงขึ้นจะสงผลใหตัวแปรคาตาง ๆ ทางไฟฟาบนเซลลแสงอาทิตยลดลงอยางมีนัยสําคัญ

34

ภาพที่ 2.17 แสดงตัวแปรคาทางไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยชนิด AlGaAs/GaAs

เปรียบเทียบกบัอุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตย ใชความเขมแสงที่ AM0 ที่มา: Alan L. Fahrenbruch and Richard H. Bube, 1983 2.3 การวิเคราะหคาทางเศรษฐศาสตร

วิธีการสําหรับการประเมินคาทางเศรษฐศาสตรในการเริ่มตนลงทุนสรางระบบพลังงานแสงอาทิตยที่จะไปแทนที่ตนทุนคาใชจายเชื้อเพลิงในแตละปในชวงเวลาอายุการใชงานของระบบ ซ่ึงจะมีตัวแปรพื้นฐานอยู 2 ตัว คือรายไดและระยะเวลาคืนทุน รายไดคือปริมาณที่ไดจากการคืนทุนหมดในชวงเวลาอายุการทํางานของระบบ และระยะเวลาคืนทุนคือจํานวนปของการประหยัดพลังงาน 2.3.1 แนวความคิดเกี่ยวกบัมูลคาปจจุบนัสุทธิ (Net Present Value concept)

การติดตั้งพลังงานแสงอาทิตยเปนการลงทุนที่สําคัญมาก เพราะวาการลงทุนเร่ิมแรกจะใชตนทุนมากในการสรางระบบ โดยที่อุปกรณมีอายุการทํางานในชวงเวลาที่จํากัด ราคาตนทุนประกอบดวยจํานวนเงินที่จัดซื้อสิ่งของทั้งหมดในการจัดสรางระบบ การลงทุนดวยเงินสวนตัวและระยะเวลาคืนทุนจะอธิบายไดดังน้ี 1) การลงทุนดวยเงินสวนตัว เปนการลงทุนเริ่มแรกสําหรับเทคโนโลยีพลังงานใหมที่จะชวยประหยัดการใชพลังงานตอป ในชวงเวลาอายุการทํางานของระบบจํานวน L ป

35

รายไดสุทธิของตนทุนคือมูลคาที่ไดเพ่ิมขึ้นจากการประหยัดพลังงานในชวง L ป ตัวแปรคาตางๆ ที่จะใชในการคํานวณสามารถแสดงไดดังตอไปน้ี

I แทนเงินทุนเริ่มตน (ดอลลารหรือบาท) L แทนอายุการทํางานของระบบพลังงานแสงอาทิตย (ป) E แทนคาเฉลี่ยการประหยัดพลังงานตอป (Btu หรือ J)

Nt แทนการฝากเงินทุนในปที่ N จนถึงปที่ L Nr แทนอัตราการเติบโตในปที่ N Ne แทนอัตราการเพิ่มขึ้นของราคาเชื้อเพลิงในปที่ N

LW แทนมูลคาของทุนแรกเริ่มหลังจากผานปที่ L (ดอลลารหรือบาท) LV แทนมูลคาของ LW ที่แกไขสําหรับการเติบโตในปแรกเริ่ม (ดอลลารหรือบาท)

NF แทนมูลคาของเชื้อเพลิงในปที่ N (ดอลลาร/Btu หรือ บาท/J) NG แทน NF ที่แกไขสําหรับการเติบโตในปแรกเริ่ม (ดอลลาร/Btu หรือ บาท/J)

X แทนผลรวมมูลคาของ NG ตั้งแตปที่ 1 จนถึงปที่ L P แทนมูลคาปจจุบันสุทธิของระบบพลังงานแสงอาทิตย

Np แทนอัตราการเพิ่มขึ้นของผลผลิตในปที่ N Nq แทนอัตราการใชพลังงานที่เพ่ิมขึ้นในปที่ N

Nf แทนเศษสวนของ GNP สําหรับรวบรวมการผลิตและกระจายพลังงานปที่ N

ถาเปนการลงทุนในระดับสูงที่เติบโตในปที่ L อัตราสวนของผลประโยชนจะผูกมัดกับ 1t และผลประโยชนที่ไดรับในแตละปคือ It1 สําหรับ L ป ดังน้ันผลประโยชนในปที่หน่ึงคือ It1 และเปนการลงทุนในปที่สองที่ไดรับผลประโยชนที่เปนอัตราสวนของ 2t สําหรับ 1L − ป ผลประโยชนในปที่สองประกอบดวยผลรวมของ It1 และ Itt 21 ซ่ึงเปนการลงทุนในปที่สามและไดรับผลประโยชนเปน [ ]IttItt 2113 + สําหรับ 2L − ป สามารถพิจารณาไดจากตารางที่ 3.1 มูลคาสูงสุดหลังจากที่ผานปที่ L ไปแลวอาจจะคํานวณไดจาก

( ) ( )( )( )( ) ...]tttttttttttt3L

ttttt2Ltt1LLtI[1W

432143142141

32131211L

++++−++−+−++=

เน่ืองจากวาโดยทั่วไปเราไมสามารถรูคาตอไปของ 2t , 3t , ... Lt ได ดังน้ันเราอาจจะสมมุติไดวา t""...tttt 1321 =≅≅≅ ในกรณีน้ี การลดรูปของ LW จะเปนดังน้ี ( )L

L t1IW +≅ (3.1)

36

การคํานวณมูลคาในเทอมของปแรกเริ่ม จะตองแกไขใหอยูในรูปของ L ป คือ

( )( ) ( )L21

LL r1...r1r1

WV+++

= (3.2)

ดังน้ันถาสมมุติใหผลประโยชนและอัตรากการเติบโตคงทีไมขึ้นกับเวลาจะไดวา

( )( )L

L

L r1t1IV

++

≅ (3.3)

ตารางที่ 2.6 แสดงตัวอยางของผลประโยชนที่ไดรับในแตละป

ที่มา: Donald Rapp, 1981

จากตารางที่ 2.6 แสดงการเพิ่มขึ้นของผลประโยชนที่ไดรับตามจํานวนป นักเศรษฐศาสตรบางคนไดนําเสนอในเทอมของอัตราสวนจริงของผลประโยชน ซ่ึง t มีคาสวนเกินมากกวา r และเนื่องการเติบโตมีมากกวาผลประโยชนที่ไดรับ ดังน้ันในเทอมของอัตราสวนจริงของผลประโยชน ( )rt − จากสมการที่ 3.3 จะประมาณไดวา ( )[ ]LL rt1IV −+≅ มูลคาของเชื้อเพลิง (ดอลลาร/Btu) ในปที่ N อาจแสดงไดดวย NF ดังนั้นเราสามารถคํานวณไดดวยการพิจารณาผลเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของราคาเชื้อเพลิงในปที่ N ไดดังน้ี

( )∏=

++=N

1JJJ1N re1FF

37

มูลคาของการประหยัดพลังงานในปที่ N คือ NEF ในเทอมของปแรกเริ่มจะมีมูลคาเปน

( )( )∏

= +++

=N

1J J

JJ1N r1

re1EFG

ดังน้ันมูลคาสูงสุดของการประหยัดพลังงานในระหวางอายุการทํางานของระบบคือ

( )( )∑∏

= = +++

=L

1N

N

1J J

JJ1 r1

re1EFX

ในกรณีที่ Je และ Jr คงที่ เราจะลดรูปสมการไดเปน

NL

1N1 r1

re1EFX ∑=

+++

= (3.4)

จาก LVXP −= แทนดวยสมการที่ 3.4, 3.1 และ 3.2 จะได LL1 ISREFP −= (3.5)

โดยที่ ( )( )∑∏

= = +++

=L

1N

N

1J J

JJL r1

re1R และ ( )

( )∏= +

+=

L

1J JL r1

t1S

ตัวแปร LR แทนมูลคาของการประหยัดพลังงานในปที่ 1 ถึงปที่ L ของระบบ สวนตัวแปร LS แทนการเพิ่มขึ้นของตนทุนที่ประกอบดวยผลประโยชนที่ไดรับในปที่ L และถาไมมีการขยาย ( )0rJ = จะทําให LS ลดรูปเปน ( )Lt1+ และถาไมมีทั้งการขยายตัวและการการเพิ่มขึ้นของราคาเชื้อเพลิง ( )0re JJ == จะทําให LR ลดรูปไดเทากับ L 2) ระยะเวลาคืนทุน คือจํานวนปที่ตองการสําหรับผลรวมของการประหยัดเชื้อเพลิงเพ่ือใหไดตนทุนของการลงทุนคืนมา การคํานวณระยะเวลาคืนทุนจะตองหาจํานวณป ( )N ที่ทําใหเกิดการสะสมผลประโยชน ( )N1REF ที่สมดุลตอตนทุนของการลงทุนสูงสุดในชวงอายุการทํางาน L ป เม่ือการลงทุนใชตนทุนจากเงินสดสวนตัว คาของ N สามารถคํานวณไดดังน้ี 0ISREF LL1 =− (3.6)

38

บทที่ 3

วิธีการทําวิจัย

3.1 ขอบเขตและวิธีการดําเนินงานวิจยั 3.1.1 ขอบเขตงานวิจัย

1) ออกแบบระบบหลอเย็นและสรางระบบหลอเย็น โดยใชโลหะอะลูมิเนียมและทองแดงเปนวัสดุในการทําระบบหลอเย็น

2) ออกแบบและสรางถังนํ้าสําหรับกักเก็บนํ้าเย็นและน้ํารอน โดยใชถังพลาสติกขนาด 200 ลิตร หุมตัวถังนํ้าดวยฉนวนกันความรอน

3) ออกแบบและสรางฐานตั้งสําหรับรองรับถังเก็บนํ้าและแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็น โดยใชเหล็กฉากเจาะรูทําเปนโครงสราง

4) ติดตั้งระบบหลอเย็นเขากับแผงเซลลแสงอาทิตย นําระบบทั้งหมดติดตั้งบนฐานตั้งระบบ สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําทดสอบการทํางานของระบบ ดวยการปลอยใหนํ้าไหลจากถังกักเก็บนํ้าเย็นใหไหลผานระบบหลอเย็นที่ติดตั้งไวกับแผงเซลลแสงอาทิตยลงไปสูถังกักเก็บนํ้ารอน

5) ทําการวิจัยและบันทึกผลการวิจัย การบันทึกผลจะเปนการบันทึกกระแสไฟฟาและความตางศักยไฟฟาที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตย ความเขมแสง อุณหภูมิของนํ้าที่เขาสูระบบและน้ําที่ออกจากระบบ อุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตย และอุณหภูมิของบรรยากาศในบริเวณของพื้นที่วิจัย

6) วิเคราะหผลและปรับปรุงสําหรับการนําไปใชงานจริง การวิเคราะหผลจะเปนการวิเคราะหถึงประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยในการผลิตกําลังไฟฟา ประสิทธิภาพในการลดความรอนแผงเซลลแสงอาทิตยของระบบหลอเย็น สมรรถนะการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยและระบบหลอเย็น จุดคุมทุนของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นและที่ไมมีระบบหลอเย็น

7) สรุปผลและเขียนรายงานผลการวิจัย เกี่ยวกับขอดีและขอดอยของระบบหลอเย็นที่ทําขึ้นเพ่ือลดความรอนแผงเซลลแสงอาทิตย และผลที่ไดจากการลดอุณหภูมิ

39

3.1.2 วัสดุและอุปกรณ

1) แผงเซลลแสงอาทิตยแบบ Single Crystalline Silicon จํานวน 2 แผง โดยที่เซลลแสงอาทิตย 1 เซลล มีพ้ืนที่เทากับ 97.68 ตารางเซนติเมตร ซ่ึงแผงเซลลแสงอาทิตย 1 แผง จะมี 36 เซลล ดังน้ันจะมีพ้ืนที่เทากับ 3,516.48 ตารางเซนติเมตร

ภาพที่ 3.1 แสดงพื้นที่ของเซลลแสงอาทิตย 1 เซลล

2) แอมมิเตอรและโวลตมิเตอรสําหรับใชวัดกระแสและแรงดันไฟฟา 3) ลักซมิเตอรยี่หอ TENMARS รุน DL-204 ใชวัดคาความเขมแสงอาทิตย 4) Data logger ยี่หอ WISCO รุน DL 2100 ใชวัดคาและบันทึกอุณหภูมิ 5) สายเทอรโมคับเปล ชนิด K 6) สายไฟสําหรับตอวงจรไฟฟา 7) ตัวตานทานปรับคาได 8) แผนอะลูมิเนียมหนา 2 มิลลิเมตร 9) สายยางน้ําและทอนํ้าพลาสติก 10) เทปฟอยล 11) รีเวท 12) กาวปะเหล็กและกาวปะทอนํ้าพลาสติก 13) สารเคมี Thermal compound 14) แผนฉนวนกันความรอน 15) ถังเก็บนํ้าขนาด 30 แกลลอน 16) วาลวนํ้า 17) มิเตอรวัดอัตราการไหลของน้ํา 18) เหล็กฉากเจาะรู 19) น็อต 20) ทอนํ้าทองแดงหนา 1 มิลลิเมตร เสนผาศูนยกลาง 1.5 เซนติเมตร 3.1.3 วิธีการดําเนินงานวิจัย 1) ศึกษาลักษณะเฉพาะของเซลลแสงอาทิตยและโครงสรางของแผงเซลลแสงอาทิตย โดยศึกษาลักษณะเฉพาะในการผลิตกําลังไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2

12.4 cm

8.2 cm

6.2 cm

8.4 cm

40

แผง พรอมกันในวันและเวลาเดียวกัน โดยแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง ใชสารกึ่งตัวนําชนิดเดียวกัน คือเปนแบบซิลิกอนผลึกเดี่ยวทั้ง 2 แผง ศึกษาโครงสรางและขนาดพื้นที่ของแผงเซลลแสงอาทิตยสําหรับใชเปนขอมูลในการออกแบบและสรางระบบหลอเย็น เพ่ือที่จะนําไปติดตั้งเขากับแผงเซลลแสงอาทิตยไดอยางสมบูรณและแนบชิดติดกันใหแนนมากที่สุด 2) ศึกษาลักษณะเฉพาะของวัสดุที่เหมาะสมในการทําระบบหลอเย็น เชนสมบัติในการดูดกลืน การนํา และการแพรความรอนของโลหะ ซ่ึงจะแตกตางกันออกไปตามลักษณะของโครงสรางภายในของโลหะ ดังน้ันการศึกษาสมบัติเฉพาะของวัสดุจะชวยใหเกิดการนําวัสดุดังกลาว มาใชงานแบบผสมผสานกันไดอยางลงตัว ซ่ึงสามารถที่จะชวยใหระบบหลอเย็นมีประสิทธิภาพในการทํางานที่ดียิ่งขึ้น โดยในงานวิจัยน้ีเลือกใชอะลูมิเนียมเปนแผนโลหะในการดูดกลืนความรอนจากแผงเซลลแสงอาทิตยเพราะมีสมบัติในการกระจายความรอนไดดีกวาโลหะทองแดง และใชโลหะทองแดงเปนทอลําเลียงน้ําเพราะมีสมบัติในการนําความรอนไดดีกวาโลหะอะลูมิเนียม โดยสภาพนําความรอนของโลหะอะลูมิเนียม ทองแดงและน้ําที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส มีคาเปน 250 401 และ 0.58 วัตตตอเมตรตอเคลวิล ตามลําดับ (ที่มา: http://www.engineeringtoolbox.com) 3) การคํานวณระบบหลอเย็นดวยแผนครีบและระบบหลอเย็นดวยน้ํา (1) การคํานวณเพื่อออกแบบระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ ในงานวิจัยน้ีเลือกใชโลหะอะลูมิเนียมอัลลอยสําหรับทําเปนเพลทและแผนครีบ เน่ืองจากมีนํ้าหนักเบา ราคาถูกและสามารถกระจายความรอนไดดี การออกแบบระบบจะเลือกจาก ประสิทธิภาพของแผนครีบ พ้ืนที่สําหรับการพาความรอนของแผนครีบและปริมาณการสูญเสียความรอนจากแผนครีบที่เหมาะสม ประสิทธิภาพของแผนครีบ ( )fη คํานวณไดจากสมการที่ 1.12 และคํานวณหาสัมประสิทธิ์การพาความรอนเฉลี่ย ( )fh ของแผนครีบไดจาก 1.24 คาคงที่ของอากาศและแผนครีบอะลูมิเนียมอัลลอยที่อุณหภูมิของสิ่งแวดลอมเทากับ 300 เคลวิน (Frank P. Incropera and David P. De Witt, 1990 และ *www.engineeringtoolbox.com) สําหรับแผนครีบอะลูมิเนียมอัลลอย * 0.09ε f = และสําหรับอากาศ KW/m0.026k air ⋅= ,

707.0Pr = และ /s2m61015.890v −×= ในตารางที่ 3.1 แสดงคาที่ไดจากการคํานวณตามสมการดังกลาว โดยสมมติ

ใหอุณหภูมิของแผนครีบ ( )fT เทากับอุณหภูมิที่พ้ืนผิวของเพลท ( )wT มีคาต่ําสุดเปน K307Tw = และมีคาสูงสุดเปน K320Tw = และอุณหภูมิบรรยากาศโดยเฉลี่ยคือ K306T =∞ เลือกพิจารณาที่แผนครีบสูง ( )x 0.04 0.06 และ 0.08 เมตร โดยที่มีความ

หนา ( )∆x เทากับ 0.002 เมตร

41

ตารางที่ 3.1 แสดงคาของตัวแปรที่ไดจากการคํานวณตามสมการที่ 1.12 และ 1.24

wT x cL mA xGr xNu fh fη 0.040 0.041 0 410820. −× 8.104 310× 3.571 3.095 0.993 0.060 0.061 1 410220. −× 27.353 310× 4.840 2.796 0.986 307 0.080 0.081 1 410620. −× 64.836 310× 6.006 2.602 0.977 0.040 0.041 0 410820. −× 111.107 310× 6.871 5.955 0.986 0.060 0.061 1 410220. −× 374.987 310× 9.314 5.381 0.973 320 0.080 0.081 1 410620. −× 888.857 310× 11.556 5.008 0.956

การสูญเสียความรอนของแผนครีบเนื่องจากการพา ( )fconv,q การแผรังสีความ

รอน ( )frad,q การสูญเสียความรอนที่พ้ืนผิวเพลทเนื่องจากการพา ( )wconv,q และการแผรังสีความรอนของเพลท ( )wrad,q สามารถคํานวณไดจากสมการที่ 1.3 และ 1.5 สําหรับการพาและการแผรังสีตามลําดับ ในตารางที่ 3.2 และ 3.3 แสดงคาการคํานวณการสูญเสียความรอนของแผนครีบและเพลทตามลําดับ โดยที่เพลทมีพ้ืนที่ผิวชองวางระหวางแผนครีบเทากับ

2m497.002.0 × จํานวน 30 ชอง และ 2m195.002.0 × จํานวน 10 ชอง เพลททํามุมกับระนาบ 7 องศา

ตารางที่ 3.2 แสดงผลการคํานวณคาการสูญเสียความรอนของแผนครีบที่ความสูงตาง ๆ

wT x fA fh fη fconv,q frad,q

0.040 1.331 3.095 0.993 4.089 0.782 0.060 1.997 2.796 0.986 5.504 1.174 307 0.080 2.662 2.602 0.977 6.766 1.564 0.040 1.331 5.955 0.986 109.434 11.669 0.060 1.997 5.381 0.973 146.348 17.508 320 0.080 2.662 5.008 0.956 178.457 23.338

42

ตารางที่ 3.3 ผลการคํานวณการสูญเสียความรอนของเพลทในระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ wT L wA LRa LNu wh wconv,q wrad,q

0.0096 0.2982 78.616 2.239 6.063 307

0.0888 0.0390 62.221 310× 8.217 2.406 1.902 0.198

0.0096 0.2982 1077.769 3.472 9.405 320

0.0888 0.0390 853.004 310× 15.867 4.646 41.799 2.956

การเลือกใชแผนครีบจะดูจากประสิทธิภาพ และปริมาณของวัสดุหรือพ้ืนที่

เปนสําคัญ จากตารางที่ 3.2 จะชวยใหเราตัดสินใจเลือกใชแผนครีบใหเหมาะสมกับงานไดมากยิ่งขึ้น จะเห็นไดวาแผนครีบที่สูง 0.06 เมตร เปนคาที่ เหมาะสมที่สุด เ น่ืองจากมีประสิทธิภาพการสงผานพลังงานความรอนไดดีไมตางจากกรณีของแผนครีบที่สูง 0.04 เมตร มากนัก รวมทั้งไมใชวัสดุหรือพ้ืนที่มากเกินไป การใชวัสดุหรือพ้ืนที่มากเกินไปจะทําใหระบบมีนํ้าหนักมาก ซ่ึงจะกอใหเกิดความยุงยากและการเคลื่อนยายที่ลําบากสําหรับการนําไปใชงาน ตารางที่ 3.4 สรุปการสูญเสียพลังงานความรอนจากพ้ืนผิวของเพลท ( )wloss,q และแผนครีบ ( )floss,q ที่สูง 0.06 เมตร ตารางที่ 3.4 สรุปคาการสูญเสียพลังงานความรอนจากระบบแผนครีบที่ 0.06 เมตร

wT PVT floss,q wloss,q totalloss,q 307 308 10.767 1.909 12.676 320 325 163.850 41.901 205.751

(2) การคํานวณเพ่ือออกแบบระบบหลอเย็นดวยน้ํา การออกแบบระบบหลอเย็นดวยน้ําจะใชแผนอะลูมิเนียมอัลลอยเปนเพลทสําหรับดึงความรอนจากแผงเซลลแสงอาทิตยและรองรับทอนํ้าที่ทําจากทอทองแดง การสูญเสียความรอนของแผงเซลลแสงอาทิตยเน่ืองจากระบบหลอเย็นดวยน้ําเกิดจากการพาของน้ํา การพาของอากาศและการแผรังสีความรอน สําหรับการสูญเสียความรอนของเพลทดวยการพาและการแผรังสี สามารถคํานวณไดในรูปแบบเดียวกันกับระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ โดยใชเง่ือนไขการคํานวณเดียวกันและสามารถแสดงผลการคํานวณไดดังตารางที่ 3.5 พ้ืนที่ของเพลทเทากับ 2m795.0497.0 ×

43

ตารางที่ 3.5 แสดงผลการคํานวณการสูญเสียความรอนที่เพลทของระบบหลอเย็นดวยน้ํา wT L wA LRa LNu wh wconv,q wrad,q

307 0.153 0.395 318.253 310× 12.283 33.268 13.141 0.232

320 0.153 0.395 4363.010 310× 24.708 66.918 370.357 3.463 ตารางที่ 3.6 ผลการคํานวณการสูญเสียความรอนดวยการพาของน้ําจากระบบหลอเย็นดวยน้ํา

∆T m& tubeconv,q 1 1 310−× 4.197 5 5 310−× 104.925

การสูญเสียความรอนเน่ืองจากการพาดวยน้ําภายในทอทองแดง ( )tubeconv,q สามารถคํานวณไดจากสมการที่ 1.12 ตารางที่ 3.6 แสดงผลของการคํานวณตามสมการนี้ โดยที่คาความจุความรอนของน้ํา ( )pc ที่อุณหภูมิของน้ําเทากับ K313300 − มีคาเทากับ

Kkg/kJ4.179 ⋅ (www.engineeringtoolbox.com) สมมุติใหผลตางอุณหภูมิ ( )∆T ของน้ําที่ไหลเขาสูระบบ ( )inT และนํ้าที่ไหลออกจากระบบ ( )outT ต่ําสุด K1∆T = ที่อัตราการไหล kg/s101m 3−×=& และสูงสุด K5∆T = ที่อัตราการไหล kg/s105m 3−×=&

อยางไรก็ตาม ในการออกแบบระบบหลอเย็นดวยนํ้าเพื่อที่จะทําใหระบบ

สามารถดึงความรอนออกจากแผงเซลลแสงอาทิตยไดมาก ควรจัดวางทอนํ้าที่ทําจากทองแดงลงบนพ้ืนผิวของเพลทใหไดมากที่สุด เพ่ือทําใหเกิดการพาความรอนไดอยางทั่วถึงบนพ้ืนผิวของเพลท

4) ออกแบบและสรางระบบหลอเย็น ในการออกแบบระบบหลอเย็นจะทําตามการคํานวณของระบบ สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําจะใชทอทองแดงที่ มีความหนาและเสนผาศูนยกลางนอย ๆ เพ่ือทําใหเกิดแรงเสียดทานภายในระหวางผิวนํ้ากับผนังทอทองแดงใหมากและชวยใหมีพ้ืนที่ผิวสัมผัสของทอทองแดงมากขึ้นดวย จากภาพที่ 3.2 ถึง 3.6 เปนการออกแบบระบบหลอเย็นดวยน้ําและระบบหลอเย็นดวยแผนครีบตามลําดับ

44

ภาพที่ 3.2 แสดงลักษณะของโครงสรางดานหลังของแผงเซลลแสงอาทิตยและการออกแบบแผนเพลทนําความรอน

สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําเราเลือกใชทอทองแดงหนา 1 มิลลิเมตร

เสนผาศูนยกลาง 1.5 เซนติเมตร เปนทอลําเรียงน้ํา ตัดใหความยาว ยาว 42 เซนติเมตร จํานวน 7 ทอ และยาว 64 เซนติเมตร จํานวน 2 ทอ และยาว 4 เซนติเมตร จํานวน 2 ทอ สวนระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ เลือกใชแผนอะลูมิเนียม หนา 2 เซนติเมตร มาใชทําเปนแผนครีบ แผนครีบมีความยาว 46.9 เซนติเมตร จํานวน 30 แผน และยาว 19.5 เซนติเมตร จํานวน 10 แผน โดยทั้งหมดความสูง 6 เซนติเมตร

ภาพที่ 3.3 การออกแบบทอลําเรียงน้ําและการวางทอนํ้าบนเพลทอะลูมิเนียมตามการคํานวณ

2 ซม.

13.5

ซม. 2.3 ซม.

1.5 ซม.

64 ซม.

42 ซม.

4 ซม.

10 ซม.

45

ภาพที่ 3.4 แสดงภาพดานหนาและดานหลังของอุปกรณหลอเย็นดวยน้ํา

ภาพที่ 3.5 การออกแบบระบบหลอเยน็ดวยแผนครบีตามการคํานวณ

ภาพที่ 3.6 แสดงดานหนาและดานหลังของระบบหลอเย็นดวยแผนครีบที่สรางตามการ

ออกแบบ 5) การสรางฐานสําหรับวางถังเก็บนํ้าและวางแผงเซลลแสงอาทิตย ถังเก็บนํ้าสําหรับใชหลอเย็นและการหุมฉนวนกันความรอนใหกับถังเก็บนํ้าและทอทางเดินน้ํา การทําใหระบบการไหลของน้ําที่ใชหลอเย็นเปนไปตามธรรมชาติจะสามารถชวยใหประหยัดพลังงานที่ใชได ดังน้ันถังเก็บนํ้าเย็นจะตองอยูสูงกวาแผงเซลลแสงอาทิตย และแผงเซลลแสงอาทิตยก็ตองอยูสูงกวาถังเก็บนํ้ารอน ภาพที่ 5.14 แสดงการหุมฉนวนกันความรอนใหกับถังเก็บนํ้าและทอทางเดินน้ําเปนการชวยปองกันความรอนจากภายนอกในพื้นที่ทําการวิจัย ซ่ึงจะทําใหอุณหภูมิของน้ํามีการเปลี่ยนแปลงนอยลง

เพลทอะลูมิเนียม แผนครีบ

49.7 ซม. 2 ซม.

79.5 ซม.

46

ภาพที่ 3.7 ลักษณะของถังเก็บนํ้าและทอนํ้าที่หุมดวยฉนวนกันความรอน

6) ติดตั้งและทดสอบการทํางานของระบบหลอเย็น หลังจากที่สรางระบบหลอเย็นเสร็จแลวจึงนํามาติดตั้งเขากับแผงเซลลแสงอาทิตย โดยวางแผงเซลลแสงอาทิตยเอียงทํามุมกับพ้ืนระนาบตามละติจูดของพื้นที่ คือประมาณ 7.00 องศาเหนือ (สถานีอุตุนิยมวิทยาสงขลา ต.คอหงส อ.หาดใหญ จ.สงขลา) เพ่ือใหไดความเขมแสงโดยเฉลี่ยตลอดทั้งวันมากที่สุด แลวจึงทําการทดสอบการทํางานของระบบเพื่อตรวจสอบและแกไขจุดบกพรองในการทํางานของระบบ เพ่ือใหระบบมีความพรอมสําหรับการทําวิ จัยและชวยใหระบบทํางานไดอยางมีประสิทธิภาพ

ภาพที่ 3.8 การติดตั้งอุปกรณหลอเย็นทั้ง 2 ระบบ เขากับแผงเซลลแสงอาทติย

47

ภาพที่ 3.9 รูปแบบการศกึษาแผงเซลลแสงอาทิตยตามปกติเพ่ือใชอางอิง

ภาพที่ 3.10 การศึกษาการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยรวมกับระบบหลอเยน็ดวยน้ํา

7) วิธีการทดลองและบันทึกผลการทดลอง กอนที่จะทําการทดลองเพื่อเก็บขอมูลงานวิจัยตองตรวจสอบสเกลเครื่องมือวัดที่ใชวามีความเที่ยงตรงเทากันหรือไม เพ่ือที่จะไดปรับระดับสเกลวัดใหตรงกันซึ่งจะชวยใหขอมูลที่ไดมีความเทียงตรงมากยิ่งขึ้น ซ่ึงลักษณะของการทําวิจัยจะเปนไปตามแบบที่เขียนเอาไวในภาพที่ 5.16 สําหรับระบบอางอิง ภาพที่ 5.17 สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําและสําหรับระบบหลอเย็นดวยแผนครีบซ่ึงจะคลายกับระบบหลอเย็นดวยน้ําเพียงแตตัดสวนที่เกี่ยวกับระบบไหลเวียนของน้ําออก โดยจะบันทึกผลการทดลอง

A 1

V 1 R

T 1

ตัวตานทานปรับคาได

วาลวปรับอัตราการไหล

A 2

V 2 R

T 5

T 2

T 4

T 3

ถังเก็บน้ําเย็น

มิเตอรวัดอัตราการไหลของน้ํา

วาลวปด-เปดน้ํา

ถังเก็บน้ํารอน

ตัวตานทานปรับคาได

L

T 6

48

ทุก ๆ 10 นาที เร่ิมตั้งแตเวลา 08.00 น. จนถึงเวลา 17.00 น. ของวันที่ทําการทดลอง และเนื่องจากระบบที่จะศึกษามีทั้งหมด 3 ลักษณะ ดังนั้นการทดสอบจะถูกแบงออกเปน 3 กรณี ซ่ึงแตละกรณีจะทําการทดสอบในวันที่ตาง ๆ กัน เปนเวลา 7 วันตอหน่ึงเง่ือนของไขการศึกษา โดยขอมูลที่จะบันทึกไดแก

a) บันทึกคาของกระแสไฟฟา (A 1 และ A 2 ) และคาความตางศักยไฟฟา (V 1 และ V 2 ) b) บันทึกคาของอุณหภูมิ ( 61 TT − ) c) บันทึกอัตราการไหลของน้ํา d) บันทึกคาความเขมแสง (L)

โดยกําหนดให 1T แทน อุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยที่ไมมีระบบหลอเย็น 2T แทน อุณหภูมิของน้ําที่ทางเขาสูระบบหลอเย็น 3T แทน อุณหภูมิของน้ําที่ออกจากระบบหลอเย็น 4T แทน อุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็น 5T แทน อุณหภูมิของบรรยากาศใตแผงเซลลแสงอาทิตย 6T แทน อุณหภูมิของพื้นผิวฉนวนดึงความรอนของระบบหลอเย็น

ภาพที่ 3.11 วงจรวัดคาทางไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตย

8) สถานที่ทําการวิจัย ดาดฟาอาคารฟสิกส มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร ตําบลคอหงส อําเภอหาดใหญ จังหวัดสงขลา ซ่ึงอยูที่ตําแหนงละติจูด 7.00 องศาเหนือและลองจิจูดที่ 100.00 องศาตะวันออก 5.00 ลิปดา ซ่ึงมีความยาวนานของแสงที่ไดรับในแตละวันของป 2549 เฉลี่ยได 5.9 ชั่วโมงตอวัน โดยเดือนที่ไดรับแสงยาวนานที่สุดคือเดือนกุมภาพันธและเดือนมีนาคม ซ่ึงมีคาเฉลี่ยอยูที่ 7.9 และ 7.8 ชั่วโมงตอวัน ตามลําดับ (สถานีอุตุนิยมวิทยาสงขลา ต.คอหงส อ.หาดใหญ จ.สงขลา 90110)

49

บทที่ 4

ผลการทดลองและการวิเคราะหผลการทดลอง 4.1 ผลการทดลอง

สําหรับการแสดงผลการทดลองในที่น้ี จะเลือกแสดงแตละเง่ือนไขละเพียง 1 วัน เพ่ือเนนใหเห็นความแตกตางที่เกิดขึ้น สวนวันอ่ืนๆ ที่เหลือสามารถพิจารณาเพิ่มเติมไดในภาคผนวก 4.1.1 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง

0

5

10

15

20

25

30

35

40

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PV1PV2I-10

Time

Power (W)

ภาพที่ 4.1 ผลการเปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผงกอน

การนํามาปรับใชกับระบบหลอเย็น (วันที่ 28/11/50)

10I ×

50

จากภาพที่ 4.1 แสดงการเปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดที่ไดจากแผงเซลล

แสงอาทิตยทั้ง 2 แผง (PV1 และ PV2) กอนนํามาใชในการทําการวิจัย โดยไดทําการทดลองใชแผงเซลลแสงอาทิตย 2 วัน ในแตละวันทําการทดลองโดยการวางแผงเซลลแสงอาทิตยสลับตําแหนงกัน ผลการทดลอง พบวาผลที่ไดมีคาความแตกตางทางไฟฟานอยมาก ดังแสดงในภาพที่ 4.1 ซ่ึงจะสังเกตไดวาเสนกราฟของ PV1 และ PV2 น้ันซอนทับกันอยู ซ่ึงไดแสดงใหเห็นวาผลที่ไดมีคาใกลเคียงกันมาก โดยที่ 10I× คือคาความเขมแสงที่ตองคูณเพ่ิมดวยสิบมีหนวยเปนวัตตตอตารางเมตร และกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยสามารถคํานวณหาไดจากสมการที่ 2.2 โดยกําหนดใหแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นติดรวมอยูดวยคือ PVT 4.1.2 ผลการทดลองและผลการวิเคราะหเปรียบเทียบของระบบหลอเย็นดวยน้ํา (PVT) ที่อัตราการไหลตาง ๆ กับระบบอางอิง (PV)

24

29

34

39

44

49

54

59

64

69

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVPVTWater outWater in

Time

Temperature

ภาพที่ 4.2 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวัน ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm361088.2 −× (20/01/51)

( Cο )

51

0

5

10

15

20

25

30

35

40

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVT

PV

I-10

Time

Power (W)

ภาพที่ 4.3 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm361088.2 −× (20/01/51)

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00


Time

Temperatur

ภาพที่ 4.4 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวันที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm36103.60 −×

(27/03/51)

( Cο )

10I ×

52

0

5

10

15

20

25

30

35

40

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVTPVI-10

Time

Power (W)

ภาพที่ 4.5 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง ที่อัตราการ

ไหลของน้ําเทากับ /sm36103.60 −× (27/03/51)

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00


Time

Temperature

ภาพที่ 4.6 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวัน ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm361024.4 −×

(01/04/51)

( Cο )

10I×

53

0

5

10

15

20

25

30

35

40

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVTPVI-10

Time

Power (W)


ไหลของน้ําเทากับ /sm361024.4 −× (01/04/51)

27

32

37

42

47

52

57

62

67

72

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00


Time

Temperature

ภาพที่ 4.8 กราฟของอุณหภูมิตลอดทั้งวัน ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm361088.5 −×

(16/04/51)

10I×

( Cο )

54

0

5

10

15

20

25

30

35

40

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVTPVI-10

Time

Power (W)


ไหลของน้ําเทากับ /sm361088.5 −× (16/04/51) 4.1.3 ผลการทดลองและผลการวิเคราะหเปรียบเทียบระหวางระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ (PVT) กับระบบอางอิง (PV)

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVPVTAir

Time

Temperature

ภาพที่ 4.10 กราฟอุณหภูมิตลอดทั้งวันของการทดลองระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ (06/06/51)

( Cο )

10I ×

55

0

5

10

15

20

25

30

35

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVTPVI-10

Time

Power (W)

ภาพที่ 4.11 เปรียบเทียบกําลังไฟฟาสูงสุดของแผงเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 แผง ที่ทดลองดวย

ระบบหลอเย็นแบบแผนครีบเปรียบเทียบกับระบบอางอิง (06/06/51)

จากภาพที่ 4.2 ถึง 4.11 ไดแสดงใหเห็นอยางชัดเจนวาแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดมากกวาแผงเซลลแสงอาทิตยที่ไมมีระบบหลอเย็น และจากกราฟผลการทดลองของระบบหลอเย็นดวยน้ํา ไดแสดงใหเห็นวาเม่ืออัตราการไหลของนํ้าเพิ่มขึ้น ระบบสามารถลดความรอนของแผงเซลลแสงอาทิตยไดดีขึ้น ซ่ึงจุดที่สามารถลดความรอนไดสูงสุดคือ /sm361024.4 −× อัตราการไหลที่สูงกวานี้จุดนี้ไมไดชวยใหระบบสามารถลดความรอนไดมากขึ้น แตจะเปนการสิ้นเปลืองน้ําในการใชงานกับระบบหลอเย็นที่มากเกินความจําเปน จากผลการทดลองไดแสดงใหเห็นวามีบางชวงที่พลังงานไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตยและความเขมแสงลดลงอยางฉับพลัน เกิดจากการที่แสงดวงอาทิตยถูกบดบังดวยกอนเมฆ จึงทําใหความเขมแสงลดลงและทําใหแผงเซลลแสงอาทิตยสามารถผลิตพังงานไฟฟาไดนอยลง 4.2 วิเคราะหผลการทดลอง 4.2.1 ความสามารถในการลดอุณหภูมิแผงเซลลแสงอาทิตยของระบบหลอเย็น

โดยเปรียบเทียบดวยอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยระบบอางอิงที่ใกลเคียงกันมากที่สุดของแตละเง่ือนไข จากกราฟผลการทดลองดังกลาวสามารถสรุปไดดังน้ี

10I×

56

ตารางที่ 4.1 เปรียบเทียบผลการลดอุณหภูมิแผงเซลลแสงอาทิตยของแตละเง่ือนไข อุณหภูมิ (องศาเซลเซยีส) อัตราการไหล

ของน้ํา ( /sm3 ) PV PVT Water in Water out PV - PVT

2.88 610−× 66.20 45.90 27.30 36.90 20.30 3.60 610−× 66.20 46.55 28.00 35.30 19.65 4.24 610−× 66.00 44.95 29.20 37.50 21.05 5.88 610−× 66.20 47.25 29.40 35.10 18.95

ระบบแผนครบี 66.10 57.00 อุณหภูมิอากาศ = 37.20 9.10

จากตารางที่ 4.1 พบวาระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหล 61024.4 −× ลูกบากศเมตรตอวินาที สามารถลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยไดมากกวาเงื่อนไขอ่ืน ๆ แสดงวาที่เง่ือนไขดังกลาวนี้ สามารถชวยใหแผงเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพในการทํางานไดดีที่สุด 4.2.2 คาฟลลแฟกเตอร (FF) ของแผงเซลลแสงอาทติย ซ่ึงคํานวณดวยสมการที่ 2.2

y = 0.702e-0.10x

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0 1 2 3 4I (A)

FF

ภาพที่ 4.12 แสดงความสัมพันธของคาฟลลแฟกเตอรที่เปลี่ยนตามคากระแสไฟฟาวงจรปด

สําหรับระบบอางอิง (แผงเซลลแสงอาทิตยที่ไมมีระบบหลอเย็น : PV)

( )AIsc

57

y = 0.717e-0.10x

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0 1 2 3 4

FF

ภาพที่ 4.13 แสดงความสัมพันธของคาฟลลแฟกเตอรที่เปลี่ยนตามคากระแสไฟฟาวงจรปด สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหลเทากับ /sm361088.2 −×

y = 0.745e-0.11x

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0 1 2 3 4

FF


สําหรับระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหลเทากับ /sm36103.60 −×

( )AIsc

( )AIsc

58

y = 0.758e-0.11x

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0 1 2 3 4

FF



y = 0.751e-0.11x

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

FF



( )AIsc

( )AIsc

59

y = 0.714e-0.090x

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

FF


สําหรับะบบหลอเย็นดวยดวยแผนครีบ

จากภาพที่ 4.12 ถึง 4.17 ไดแสดงใหเห็นวากระแสไฟฟาวงจรปดของแผงเซลลแสงอาทิตยที่เพ่ิมขึ้น สงผลใหคาฟลลแฟกเตอรของแผงเซลลแสงอาทิตยมีคาลดลง และในแตละเงื่อนไขก็จะไดคาความสัมพันธระหวางฟลลแฟกเตอรกับกระแสไฟฟาวงจรปดแตกตางกัน สวนความตางศักยไฟฟาวงจรเปดไมมีความสัมพันธกันกับคาฟลลแฟกเตอรของแผงเซลลแสงอาทิตย คาฟลลแฟกเตอร คืออัตราสวนของการแปลงคาผลคูณระหวางความตางศักยไฟฟาวงจรเปดกับกระแสไฟฟาวงจรปดไปเปนพลังงานไฟฟาสูงสุดที่ไดจากแผงเซลลแสงอาทิตย ซ่ึงทําใหงายตอการคํานวณคากําลังไฟฟาสูงสุดและประสิทธิภาพการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตย 4.2.3 ประสิทธิภาพและการผลิตกําลังไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตย

สําหรับการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทํางานและการผลิตกําลังไฟฟาที่เพ่ิมขึ้นของแผงเซลลแสงอาทิตย เราจะเลือกใชความเขมแสงที่มีคาใกลเคียงกันเปนเกณฑ และความเขมแสงที่สูงจะใหผลตางของผลการวิเคราะหมีความชัดเจนมากยิ่งขึ้น โดยที่เราสามารถคํานวณประสิทธิภาพของแผงเซลลแสงอาทิตยไดตามสมการที่ 2.3 และสามารถแสดงผลการวิเคราะหไดตามตารางที่ 4.2 สวนในภาพที่ 4.12 แสดงการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นและแผงเซลลแสงอาทิตยที่ไมมีระบบหลอเย็น

( )AIsc

60

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

PVTPV

Efficiency (%)

Time ภาพที่ 4.18 เปรียบเทียบประสิทธิภาพของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นดวยน้ํา

(PVT) ที่อัตราการไหล /sm361024.4 −× กับระบบอางอิง (PV) (01/04/51)

ความแตกตางของประสิทธิภาพการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีและไมมีระบบหลอเย็นสามารถสังเกตไดจากภาพที่ 4.18 ซ่ึงไดแสดงใหเห็นอยางชัดเจนวาระบบหลอเย็นสามารถชวยรักษาประสิทธิภาพการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยไมใหสูญเสียไปกับความรอนที่เกิดขึ้นบนแผงเซลลแสงอาทิตย จากงานวิจัยของ J.K. Tonui และ Y. Tripanagnostopoulos ที่ศึกษาการลดความรอนของแผงเซลลแสงอาทิตยดวยระบบหลอเย็นที่หมุนเวียนดวยอัตราการไหลของอากาศ สามารถเพิ่มกําลังการผลิตพลังงานไฟฟาไดสูงสุด

%6 แตในงานวิจัยน้ีสามารถเพิ่มไดสูงสุด 9.35 % โดยระบบหลอเย็นดวยน้ํา ตารางที่ 4.2 เปรียบเทียบประสิทธิภาพและการผลิตกําลังไฟฟาของแผงเซลลแสงอาทิตย ระบบหลอเยน็ดวยน้ํา

( )/sm10 36−× ความเขมแสง ( )2W/m

ประสิทธิภาพที่เพ่ิมขึ้น (%)

ผลิตกําลังไฟฟาไดเพ่ิมขึ้น (%)

2.88 202.36 0.23 3.80

3.60 202.21 0.31 5.51

4.24 202.50 0.51 9.35

5.88 202.79 0.39 7.00

ระบบแผนครบี 200.00 0.28 5.02

61

0123456789

10

1 2 3 4 5

Electrical yiel (%)

ภาพที่ 4.19 แสดงความสามารถในการผลิตกําลังไฟฟาที่เพ่ิมขึ้นของแผงเซลลแสงอาทิตยที่

เง่ือนไขตาง ๆ ของระบบหลอเย็น

จากตารางที่ 4.2 และภาพที่ 4.19 เปนการสรุปและเปรียบเทียบผลการทดลองการเพิ่มประสิทธิภาพการทํางานของแผงเซลลแสงอาทิตยดวยเง่ือนไขตาง ๆ ของระบบหลอเย็น จะเห็นวา ที่อัตราการไหลของน้ําเทากับ /sm361024.4 −× ทําใหเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพการทํางานดีที่สุด และสงผลใหแผงเซลลแสงอาทิตยสามารถผลิตกําลังไฟฟาไดมากกวาเงื่อไขอ่ืน ๆ

4.2.4 จุดคุมทุนของระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มีและไมมีระบบหลอเย็น

เราสามารถคํานวณหาจุดคุมทุนของระบบไดจากสมการที่ 3.6

( )( )

( )

++

−

+++

=−= ∏∑∏== =

L

1J J

L

1N

N

1J J

JJ1LL1 r1

t1Ir1

re1EFISREF0

โดยที่อัตราการเพิ่มขึ้นของตนทุนของระบบผลิตพลังงานมีคาเปนศูนย ( )0rt0,S JL === และอัตราการเพิ่มขึ้นของราคาเชื้อเพลิง ( )Je มีอัตราการเปลี่ยนแปลงนอยมาก จึงกําหนดให

0eJ = ดังน้ันจากสมการขางบนนี้ จะไดวา

0ILEF1 =− หรือ 1EF

IL =

Flow rate ( )/sm10 36−× 2.88 Fin 3.60 4.24 5.88

62

จากการที่อัตราการเพิ่มขึ้นของตนทุนของระบบผลิตพลังงานไมมี เน่ืองจากระบบใชพลังงานภายนอกในรูปแบบแรงธรรมชาติ กรณีของระบบหลอเย็นดวยแผนครีบถูกออกแบบมาเพื่อใหเหมาะสมกับการใชงานในพื้นที่ที่ไมตองการใชนํ้า การถายเทความรอนของระบบเปนการอาศัยการพัดผานของกระแสลมตามธรรมชาติ สวนกรณีของระบบหลอเย็นดวยน้ําถูกออกแบบมาเพื่อใหเหมาะสมกับสถานที่ ซ่ึงมีการใชนํ้าเปนประจําทุกวัน เชน อาคารสํานักงานตาง ๆ ซ่ึงโดยทั่วไปแลวบนดาดฟาของอาคารเหลานี้มักจะมีทอสงนํ้าขึ้นมาและมีถังสําหรับกักเก็บนํ้าอยูดวย ดังน้ันในระบบนี้จึงไมจําเปนตองใชปมนํ้ามาชวย เราสามารถใชนํ้าจากถังกักเก็บนํ้านี้ไดเลยและการไหลของน้ําในระบบหลอเย็นก็อาศัยแรงการไหลตามธรรมชาติ จากที่สูงลงที่ต่ํากวา จึงทําใหระบบผลิตพลังงานดังกลาวนี้ไมมีอัตราการเพิ่มขึ้นของตนทุนของระบบผลิตพลังงาน

อัตราคาไฟฟาในปจจุบันประกอบไปดวย คาไฟฟาฐาน คาไฟฟาผันแปร คาบริการ และภาษีมูลคาเพิ่ม ในการคํานวณหาจุดคุมทุนจะเลือกพิจารณาคาไฟฟาที่อยูในกรณีของการใชไฟฟา 2 ประเภท คือ ประเภทที่ 1.1 ใชไฟฟาไมเกิน 150 หนวยตอเดือน คาบริการรายตอป 98.28 บาท และประเภทที่ 1.2 ใชไฟฟามากกวา 150 หนวยตอเดือน คาบริการรายตอป 490.80 บาท โดยที่พลังงานไฟฟา 1 หนวยจะมีคาเทากับ 1 กิโลวัตตชั่วโมง หรือ 3.6 เมกะจูล (ที่มา: http://www.egat.co.th/th/) ความเขมแสงโดยเฉลี่ยตอปทั่วประเทศไทยมีคาประมาณ 18.2 เมกะจูลตอตารางเมตรตอวัน หรือประมาณ 421.30 วัตตตอตารางเมตรตอวัน (ที่มา: http://www.thaisolarenergy.net)

แผงเซลลแสงอาทิตยที่ใชในการวิจัยเปนชนิดผลึกเดี่ยวซิลิกอนขนาด 40 วัตต ราคาแผงละ 10,165 บาท ชุดควบคุมการชารจไฟขนาด 120 วัตต 1 ชุด ราคา 1,926 บาท แบตเตอรี่แหงขนาด 12V/21Ah จํานวน 2 ตัว ราคา 3,830 บาท ชุดแปลงไฟกระแสตรงเปนกระแสสลับขนาด 500 วัตต 1 ชุด ราคา 1,808 บาท รวมทั้งสิ้น 17,729 บาท (Eastern Energy Company Limited) ซ่ึงในการทําวิจัยในครั้งน้ีใชตนทุนในการลงทุนทําระบบหลอเย็นดวยน้ํา 3,470 บาท และสําหรับระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ 1,408 บาท

63

ตารางที่ 4.3 สรุปพลังงานไฟฟาสูงสุดที่ไดจากระบบผลิตพลังงานไฟฟาแสงอาทิตย ระบบพลังงานไฟฟา

แสงอาทิตย ไมมีระบบหลอ

เย็น ระบบหลอเยน็

ดวยน้ํา ระบบหลอเยน็ดวยแผนครีบ

ตนทุน (บาท) 17,729 21,199 19,137 ประสิทธิภาพการ

ทํางานโดยเฉลี่ยของเซลลแสงอาทติย (%)

6.50 7.01 6.78

พลังงานที่ผลติได ใน 1 ป (เมกะจูล) 152.0 163.9 158.5

ตารางที่ 4.4 พิจารณาจุดคุมทุนในกรณีของการใชไฟฟาประเภทที่ 1.1 และ 1.2

จุดคุมทุนของระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตย (ป) ประเภทการใชไฟฟา

หนวยที ่ราคาหนวยละ (บาท)

ไมมีระบบหลอเย็น

ระบบหลอเยน็ดวยน้ํา

ระบบหลอเยน็ดวยแผนครีบ

1-5 0 - - - 6-15 1.358 54.4 61.7 57.0 16-25 1.544 49.8 56.4 52.1 26-35 1.797 44.6 50.4 46.7 36-100 2.180 38.6 43.5 40.3 101-150 2.273 37.3 42.1 39.0 151-400 2.778 31.8 35.8 33.2

1.1

400 ขึ้นไป 2.978 30.1 33.8 31.4 1-150 1.805 21.6 25.2 23.0

151-400 2.778 18.1 20.9 19.2 1.2 400 ขึ้นไป 2.978 17.6 20.2 18.6

64

จากตารางที่ 4.3 สรุปลักษณะเฉพาะของระบบผลิตพลังงานไฟฟาแสงอาทิตย ซ่ึงประกอบดวย ตนทุนการสรางระบบ ประสิทธิภาพของแผงเซลลแสงอาทิตย พลังงานที่ไดตอปจากระบบ จากการคํานวณพบวาระบบผลิตพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นดวยน้ํา สามารถผลิตพลังงานตอปไดมากที่สุด

โดยที่เราสามารถแสดงจุดคุมทุนของแตละระบบไดตามตารางที่ 4.4 ซ่ึงไดแสดงใหเห็นวาระบบหลอเย็นที่ใชรวมกับแผงเซลลแสงอาทิตยยังคงมีประสิทธิภาพการทํางานต่ํา จึงทําใหจุดคุมทุนของระผลิตพลังงานไฟฟาแสงที่มีระบบหลอเย็นยาวกวาระบบที่ไมมีระบบหลอเย็น เน่ืองจากระบบหลอเย็นที่สรางขึ้นนี้สามารถชวยใหประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยเพ่ิมขึ้นนอยมาก คือ 0.51 % เทานั้น ซ่ึงอาจเกิดจากแผงเซลลแสงอาทิตยที่ใชในงานวิจัยน้ี เปนแผงที่มีประสิทธิ์ภาพการทํางานที่ต่ํามาก (7 - 8 %) และมีอายุการถูกใชงานมานานมากกวา 5 ปแลว ปจจัยเหลานี้อาจจะสงผลใหการเพิ่มประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยเปนไปไดยากมากขึ้น

65

บทที่ 5

สรุปผลการทดลองและขอเสนอแนะ

5.1 สรุปผลการทดลอง จากผลการทดลองและผลการวิเคราะห ตามภาพที่ 4.18 ไดแสดงใหอยาง

ชัดเจนวาระบบหลอเย็นสามารถชวยรักษาประสิทธิการทํางานของเซลลแสงอาทิตยไดเม่ืออุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยมีคาสูงขึ้น ระบบหลอเย็นดวยน้ําสามารถลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยได 21.05 องศาเซลเซียส ทําใหสามารถรักษาประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยไวได 0.51 % และสําหรับระบบหลอเย็นแบบแผนครีบสามารถลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยได 9.10 องศาเซลเซียส ทําใหสามารถรักษาประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยไวได 0.28 % ถายิ่งสามารถปองกันการสูญเสียประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยไดมาก ก็จะชวยใหเซลลแสงอาทิตยมีความสามารถในการผลิตกําลังไฟฟาไดสูงมากขึ้น จากตารางที่ 4.3 และ 4.4 แสดงพลังงานไฟฟาที่ไดจากระบบและจุดคุมทุนของระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตย ระบบสามารถผลิตกําลังไฟฟาได 163.92 158.54 และ 151.99 เมกะจูลตอป สําหรับระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่ใชระบบหลอเย็นดวยน้ํา ที่ใชระบบหลอเย็นดวยแผนครีบและไมใชระบบหลอเย็นตามาลําดับ

จากการแสดงผลการคํานวณจุดคุมทุนของแตละระบบในตารางที่ 4.4 เน่ืองจากแผงเซลลแสงอาทิตยที่ใชในการศึกษาวิจัยผานการใชงานมานานหลายปแลวและมีประสิทธิภาพในการทํางานต่ํา จึงทําใหไมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทํางานโดยการลดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยไดอยางเต็มที่นัก ซ่ึงมีผลทําใหจุดคุมทุนของระบบลดลงไดนอย แตอยางไรก็ตาม เม่ือพิจารณาในรูปแบบของการสะสมพลังงานระยะยาวและในหนวยงานที่จะตองจายคาไฟฟาตอหนวยในราคาแพง ระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นเหมาะสมตอการนํามาใชงานมากกวาระบบที่ไมมีระบบหลอเย็น เพราะระบบที่มีระบบหลอเย็นสามารถสะสมพลังงานไดมากกวา เชื่อวาการลงทุนในระดับขนาดใหญจะชวยใหระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นมีจุดคุมทุนที่สั้นกวาระบบที่ไมมีระบบหลอเย็น

66

5.2 ขอเสนอแนะ 5.2.1 การศึกษาเพิ่มเติมเพ่ือปรับปรุงระบบหลอเย็น 1) กรณีศึกษาระบบหลอเย็นดวยน้ํา ควรศึกษาการไหลของน้ําและการวางทอนํ้าลงบนเพลทในรูปแบบอ่ืน ๆ ซ่ึงในงานวิจัยน้ีไดศึกษาในรูปแบบการวางทอนํ้าแบบขั้นบันได เพราะสามารถวางทอนํ้าไดมาก ภาพที่ 5.1 แสดงตัวอยางของรูปแบบระบบหลอเย็นดวยน้ําที่นาจะมีความเปนไปไดตอการนํามาศึกษา

ภาพที่ 5.1 (a) แสดงตัวอยางรูปแบบอุปกรณหลอเย็นดวยน้ําแบบชองทางการไหลเดี่ยว และ (b) แสดงรูปแบบอุปกรณหลอเย็นดวยน้ําแบบกลองโลหะ 2) กรณีศึกษาระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ ควรศึกษาดวยการเปลี่ยนรูปแบบแผนครีบเปนรูปทรงอ่ืน ๆ ซ่ึงในงานวิจัยน้ีเลือกศึกษารูปทรงแบบสี่เหลี่ยมผืนผา เพราะทําไดงายและประกอบลงบนเพลทไดงายดวย รูปทรงอ่ืน ๆ ที่ควรจะศึกษา เชน รูปทรงแทงทรงกลม สี่เหลี่ยม และสามเหลี่ยม เปนตน การทําเปนแทงจะมีสวนทําใหมีพ้ืนที่นําความรอนมากขึ้น 5.2.2 วิธีการใชงานระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยเพ่ือใหไดจุดคุมทุนเร็วขึ้น

เราสามารถที่จะทําใหระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยไดจุดคุมทุนเร็วขึ้นไดดวยการนําเอาน้ําอุนที่ไดจากระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยที่มีระบบหลอเย็นดวยน้ํามาเปนตนทุนในการทํารอน ซ่ึงนํ้าอุนที่ไดจากระบบนี้จะมีอุณหภูมิอยูในชวง 30 - 40 องศาเซลเซียส ในการนําเอาน้ําอุนมาเปนตนทุนสําหรับการทําน้ํารอนจะชวยประหยัดพลังงานในการตมนํ้าไดมาก

67

ขึ้น และการเลือกใชแผงเซลลแสงอาทิตยที่มีประสิทธิภาพในการทํางานสูงมา

ใชในระบบพลังงานไฟฟาแสงอาทิตยจะชวยใหไดจุดคุมทุนของระบบเร็วมากขึ้น

68

บรรณานุกรม กระทรวงพลังงาน กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษพลังงาน 2006 [ออนไลน] เขาถึง

ไดจาก: http://www.dede.go.th/dede/index.php?id=98 (วันที่สืบคน 15 ตุลาคม 2006)

การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย 2550 เทคโนโลยีเซลลแสงอาทิตย [ออนไลน] เขาถึงได

จาก: http://www.egat.co.th/re/solarcell/solarcell.htm (วันที่สืบคน 25 มีนาคม 2551)

บัวไข มณีวงศ. 2549. การทดสอบสมบัติของแผงเซลลแสงอาทิตยและการประยุกตใช.

วิทยานิพนธวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร สงขลา.

ยุทธ อัครมาส, 2530. ฟสิกสของโซลาเซลล. พิมพครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ สถาบันเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย 2551 [ออนไลน] เขาถึงไดจาก:

http://www.thaisolarenergy.net/main.php สํานักงานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีแหงชาติ 2549 [ออนไลน ] เข าถึงไดจาก :

http://www.nstda.or.th/entec/Frames/Research_Development/Tropical_menu/tropical_index.html (วันที่สืบคน 20 ธันวาคม 2549)

A.L. Faherbruch and R.H. Bube. 1983. Fundamentals of Solar Cells. New York:

ACADEMIC PRESS.

69

B. Zebentout, Z. Benamar and T. Mohammed-Brahim. 2007. Dependence of photovoltaic parameters on grain size and density of states in ++ −− pin and

++ −− nip polycrystalline silicon solar cells. Thin solid films. 516: 84-90. C.E. Backus. 1976. Solar Cell. New York: The Institute of Electrical and Electronics

Engineer, Inc. D.A. Neamen. 2006. An Introduction to Semiconductor Devices. Boston Burr Ridge:

McGraw-Hill. D.L. Pulfrey. 1978. Photovoltaic Power Generation. New York: Van Nontrand Reinhold

Company. Donald Rapp. 1981. Solar Energy. London: Prentice-Hall International, Inc. F.L. Pedrotti and L.S. Pedrotti, 1993. Introduction to optics. th2 Edition. London:

Prentice-Hall International (UK) Limited. F.P. Incropera and D.P. Dewitt. 1990. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. th3

Edited. New York: John Wiley & Sons. J.F. Kreider and Ari Rabl. 1994. Heating and Cooling of Buildings Design for Efficiency.

New York: McGraw-Hill Book Company. J.F. Kreider and Frank Kreith. 1982. Solar Heating and Cooling. th2 edited. Washington:

Hemispere Publishing Corporation. J.K. Tonui and Y. Tripanagnostopoulos. 2007. Air-cooled PV/T solar collectors with low

cost performance improvement. Solar Energy. 81: 498-511. J.K. Tonui and Y. Tripanagnostopoulos. 2007. Improved PV/T solar collectors with heat

extraction by forced or natural air circulation. Renewable Energy. 32: 623-637. J.P. Holman. 2001. Heat Transfer. New York: McGraw-Hill Book Company.

70

Krauter S., Araujo R.G., Schroer S., Hanitsh R., Salhi M.J., Triebel C. and Lemoine R.,

1999. Combined photovoltaic and solar thermal systems for facade integration and building insulation. Solar Energy. 67: 239-248.

K. Sopian, K. S. Yigit, H. T. Liu, S. Kakac and T. N. Veziroglu, 1996. Performance

Analysis of Photovoltaic Thermal Air Heaters. Energy Convers. 37(11): 1657-1670.

K.W. Bo&&er. 1976. Photovoltaics and materials. Volume 6. Florida: American Section of

The International Solar Energy Society Office. M.W. Zemansky. 1986. Heat and Thermodynamics. th5 edited, New York: McGraw-Hill

Book Company. Richard TurTon. 2000. The Physiscs of Solid. Oxford: Oxford University Press. R. Van Overstracten and W. Palz. 1979. Photovoltaic Solar Energy Conference. Boston:

D.Reidel Publishing Company. Special Materials Research and Technology. 2007.

http://www.specmat.com/Overview%2 0 of%2 0 Solar%2 0 Cells.htm (accessed 09/25/07)

Stefan Krauter. 2004. Increased electrical yield via water flow over the front of

photovoltaic panels. Solar Energy Materials & Solar Cells. 82: 131-137. The Engineering ToolBox, Thermal Conductivity of Some Common Material. 2006.

http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html (accessed 10/01/06)

U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy. 2006.

71

http://www.swiscontrol.com/SWISCONTROL/Mapas%20de%20Bocas%20del%20Toro/PAGINAS%20HTML/HYSTORIA%20PV.html (accessed 10/10/06)

W.G.J.H.M. van Sarka, A. Meijerinkb, R.E.I. Schroppc, J.A.M. van Roosmalend and E.H.

Lysen. 2005. Enhancing solar cell efficiency by using spectral converters. Solar Energy Materials & Solar Cells 87, 395-409.

72

ภาคผนวก

73

ภาคผนวก ก

สวนผลการทดลองในวันอ่ืน ๆ สําหรับแตละเง่ือนไขของการทดลองที่ไมไดแสดงไวในสวนของการวิเคราะหผล สามารถสรุปผลไดดังตารางที่ ก.1 ถึง ก.5 ตารางที่ ก.1 สรุปผลการทดลองในแตละวันของระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหล

/sm36102.88 −× อุณหภูมิที่ระบบหลอเย็นลดได ( )Cο

กําลังไฟฟาทีแ่ผงเซลลแสงอาทิตยเพ่ิมได ( )W

ความเขมแสงใน แตละวัน ( )W ว/ด/ป

ต่ําสุด สูงสุด ต่ําสุด สูงสุด ต่ําสุด สูงสุด 23/12/50 1.85 20.20 0.27 1.63 38.98 216.66 24/12/50 1.15 19.60 0.09 1.57 21.46 204.69 16/01/51 - - 0.12 1.22 24.82 187.32 20/01/51 3.00 20.50 0.14 1.74 37.08 240.75 21/01/51 3.20 19.25 0.14 1.52 26.13 215.79 23/01/51 2.30 17.50 0.12 1.60 17.52 197.10 26/01/51 2.20 19.95 0.25 1.39 39.71 229.95

ตารางที่ ก.2 สรุปผลการทดลองในแตละวันของระบบหลอเย็นดวยน้ําที่อัตราการไหล




ต่ําสุด สูงสุด ต่ําสุด สูงสุด ต่ําสุด สูงสุด 21/03/51 4.05 16.95 0.51 1.76 37.67 218.12 22/03/51 2.35 15.73 0.29 1.78 23.07 225.57 23/03/51 3.75 17.65 0.34 1.78 26.72 240.90 25/03/51 0.95 19.05 0.19 1.89 16.21 228.64 26/03/51 3.30 21.05 0.52 1.92 47.74 248.93

74

27/03/51 1.85 19.65 0.13 1.84 9.56 240.32 28/03/51 2.00 21.05 0.37 1.98 33.29 230.97





ต่ําสุด สูงสุด ต่ําสุด สูงสุด ต่ําสุด สูงสุด 30/03/51 2.30 19.90 0.12 2.42 6.72 206.30 01/04/51 4.20 22.40 0.55 2.99 29.78 222.80 02/04/51 3.75 20.60 0.59 2.58 41.17 240.32 04/04/51 2.70 18.20 0.60 2.29 49.93 217.54 06/04/51 4.50 20.00 0.78 2.54 50.22 234.48 08/04/51 4.20 18.80 0.72 2.89 46.28 210.24 09/04/51 1.25 23.15 1.00 2.66 12.26 225.28






75

ตารางที่ ก.5 สรุปผลการทดลองในแตละวันของระบบหลอเย็นดวยแผนครีบ

อุณหภูมิที่ระบบหลอเย็นลดได ( )Cο


ความเขมแสงในแตละวัน ( )W ว/ด/ป


76

ภาคผนวก ข

ใบประกาศนียบัตรและเอกสารตอบรับงานวิจัย

80

ประวัติผูเขียน

ชื่อ สกุล นายนิคม ผึ่งคํา รหัสประจําตวันักศึกษา 4910220044 วุฒิการศึกษา วุฒิ ชื่อสถาบัน ปที่สําเร็จการศึกษา วท.บ. (ฟสิกส) มหาวิทยาลัยราชภัฏเลย 2548 ทุนการศึกษา (ที่ไดรับในระหวางการศกึษา) ทุนผูชวยสอน คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร การตีพิมพเผยแพรผลงาน Nikom Phuengkum, Paradorn Pakdeevanich and Yutthana Tirawanichakul. 2008.

Increasing Performance of Solar Cell Panels by Cooling System. Journal of Thaksin University. 11, 2(July-December 2008).

Nikom Phuengkum, Paradorn Pakdeevanich and Yutthana Tirawanichakul. 2008.

“Increasing Performance of Solar Cell Panels by Cooling System”. In The 2nd UBU Research Conference (UBRC II). 28-29 July 2008: 161. Graduate School: Ubon Ratchathani University.

Nikom Phuengkum, Paradorn Pakdeevanich and Yutthana Tirawanichakul. 2008. “The

modeling design of cooling collectors for the photovoltaic cells“. In The 2nd Graduate Conference. 19 September 2008. Graduate School: Silpakorn University.

Nikom Phuengkum, Paradorn Pakdeevanich and Yutthana Tirawanichakul. 2008.

“Study Effect of Photovoltaic/Thermal Fin System”. In IE Network Conference 2008. 20-22 October 2008. Industrial Engineering Network: Prince of Songkhla University.

increasing performance of solar cell panels by cooling system · this research was to investigate...

Documents