เทคโนโลยีโซลาร์เซลล์จากพื้นโลกสู่อวกาศ


Dyson Sphere โครงสร้างสำหรับเก็บเกี่ยวพลังงานแสงระดับดวงดาวจากจินตนาการของนักฟิสิกส์ชื่อ Freeman Dyson

(ภาพจาก https://earthsky.org/space/what-is-a-dyson-sphere)

ผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศส่งผลให้เกือบทุกประเทศลดการใช้พลังงานฟอสซิลลงและเพิ่มปริมาณของพลังงานหมุนเวียนมากขึ้น สำนักงานพลังงานสากล (International Energy Agency หรือ IEA) ได้เปิดเผยข้อมูลว่าตั้งแต่ปี ค.ศ.2017 จนถึง 2040 พลังงานจากถ่านหินจะมีแนวโน้มลดลงอย่างฮวบฮาบ ในขณะที่พลังงานหมุนเวียนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นี่คือสาเหตุที่เกือบ 10 ปีมานี้ พลังงานแสงอาทิตย์เติบโตอย่างก้าวกระโดดและมีเทคโนโลยีใหม่ ๆ เข้ามาช่วยเสริมประสิทธิภาพอยู่ตลอดเวลา
โซลาร์เซลล์ประกอบขึ้นจากสารกึ่งตัวนำชนิดพีและชนิดเอ็น เมื่อมีแสงสว่างตกกระทบตัวเซลล์ อิเล็กตรอนและโฮลซึ่งเป็นพาหะภายในเซลล์ก็จะเกิดการเคลื่อนที่แล้วจ่ายกระแสไฟฟ้าออกมา แผงโซลาร์เซล์ที่ขายทั่วไปตามท้องตลาดมีอยู่ 2 กลุ่ม คือ Crystalline Silicon Cells กับ Thin Layer Cells โดยกลุ่มแรกจะมีค่า Power Conversion Efficiency ประมาณ 13 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ และกลุ่มหลังมีค่า 6 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์


แผนภาพคาดการณ์ประสิทธิภาพของโซลาร์เซลล์แต่ละกลุ่ม
(ภาพจาก https://bit.ly/2W4AwD7)

กำลังไฟฟ้ามาตรฐานที่แผงโซลาร์เซลล์สามารถผลิตได้จะอยู่ภายใต้เงื่อนไขที่แผงมีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียสและมีความเข้มแสง 1,000 วัตต์ต่อตารางเมตร เราเรียกการทดสอบภายใต้เงื่อนไขนี้ว่า Standard Test Condition แต่ในการใช้งานจริงจะพบว่าเมื่อแผงรับแสงแดดเป็นเวลานาน ๆ อุณหภูมิของแผงจะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ สำหรับประเทศไทย อุณหภูมิของแผงอาจสูงถึง 70 องศาเซลเซียสเลยทีเดียว อุณหภูมิที่สูงเกินค่ามาตรฐานเป็นปัญหาหนึ่งที่ทำให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานและกำลังไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์ลดลง โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์บางแห่งจึงติดตั้งระบบหล่อเย็นให้กับแผง โดยทำการพ่นละอองน้ำหรือหยดน้ำลงบนหน้าแผงเมื่อเซนเซอร์ตรวจพบว่าหน้าแผงมีอุณหภูมิสูงเกินไป

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์กับกระแสของโซลาร์เซลล์ แสดงให้เห็นว่าที่ความเข้มแสงเดียวกัน แต่อุณหภูมิต่างกัน ความต่างศักย์และกระแสจะเกิดการเปลี่ยนแปลง หากอุณหภูมิของเซลล์เพิ่มสูงขึ้น ความต่างศักย์จะลดลง ในขณะที่กระแสเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย ส่งผลให้กำลังไฟฟ้ามีค่าลดลง
(ภาพจาก https://www.itacanet.org/a-guide-to-photovoltaic-panels/photovoltaic-pv-cells/)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดวงอาทิตย์ส่งออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ประกอบด้วยรังสีอินฟราเรด แสงสว่าง และรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นส่วนใหญ่ ในทางวิชาการเรียกว่า รังสีดวงอาทิตย์ (Solar Radiation) แต่ในบทความนี้ผู้เขียนจะขอเรียกรวม ๆ ว่าแสงอาทิตย์เพื่อให้ง่ายต่อการสื่อสาร

เมื่อแสงอาทิตย์เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศโลก แสงอาทิตย์จะถูกดูดกลืนและทำให้กระเจิงโดยโมเลกุลของอากาศ โมเลกุลของแก๊สอื่น ฝุ่นละออง ไอน้ำ และเมฆ จนส่งผลให้แสงอาทิตย์มีปริมาณลดลง โดยองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศแต่ละชนิดจะมีสัมประสิทธิ์การลดทอน (Extinction Coefficient) และค่าการส่งผ่าน (Transmittance) แตกต่างกัน ซึ่งนักฟิสิกส์สามารถใช้กฎของบูเกอร์ (Bouguer’s Law) คำนวณว่าแสงอาทิตย์ถูกดูดกลืนและกระเจิงไปเท่าใดเมื่อมาถึงพื้นผิวโลก
การผลิตไฟฟ้าด้วยแผงโซลาร์เซลล์ยังมีปัญหาใหญ่อีกอย่างหนึ่ง นั่นคือความเข้มแสงที่เดี๋ยวเพิ่มเดี๋ยวลดจากหมู่มวลเมฆที่ลอยเข้ามาบดบังดวงอาทิตย์ ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ นักวิจัยและบริษัทด้านพลังงานแสงอาทิตย์จึงพยายามสร้างแบบจำลองทางอุตุนิยมวิทยาเพื่อทำนายการเคลื่อนตัวของเมฆและผลกระทบของเมฆต่อการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์
นอกจากปัญหาแดดผลุบ ๆ โผล่ ๆ แล้ว เมื่อเข้าสู่ฤดูฝน เมฆสีเทาดำก้อนใหญ่ซึ่งกระเจิงแสงได้ไม่ดีและดูดกลืนแสงได้มากอาจทำให้กำลังไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์ลดลงเหลือไม่ถึง 10 เปอร์เซ็นต์ แม้แผงโซลาร์เซลล์จะดูด้อยค่าท่ามกลางเมฆฝน แต่เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากประเทศจีนก็ผุดนวัตกรรมใหม่ นั่นคือโซลาร์เซลล์ที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ทั้งในวันที่แดดออกและฝนตก!
การเปลี่ยนพลังงานจลน์ของเม็ดฝนเป็นพลังงานไฟฟ้า อาจเป็นความหวังใหม่ของเทคโลยีโซลาร์เซลล์


(ภาพจาก https://bit.ly/2DhWJnf)

เดือนเมษายน ค.ศ.2016 ทีมนักวิจัยจาก Ocean University of China ได้ทดลองเคลือบกราฟีน (Graphene) ลงบนผิวหน้าของโซลาร์เซลล์ เมื่อเม็ดฝนตกกระทบพื้นผิวของเซลล์ อิออนบวกของเม็ดฝนจะทำปฏิกิริยากับกราฟีนและจ่ายพลังงานไฟฟ้าออกมา ผลการทดลองขั้นต้นพบว่าวิธีนี้มีประสิทธิภาพประมาณ 6.5 เปอร์เซ็นต์ และเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ.2018 ทีมนักวิจัยจาก Soochow University ได้ตีพิมพ์งานวิจัยลงในวารสาร ACS Nano งานวิจัยดังกล่าวเป็นการผสานเทคโนโลยี Triboelectric Nanogenerator เข้ากับโซลาร์เซลล์ ทำให้สามารถเปลี่ยนพลังงานกลของเม็ดฝนที่ตกกระทบหน้าแผงให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าได้เช่นเดียวกัน
จากที่กล่าวมาทั้งหมดคงเห็นได้ชัดว่าลมฟ้าอากาศเป็นปัญหาหลักที่ทำให้พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ วิธีแก้ปัญหาจึงต้องนำแผงโซลาร์เซลล์ขึ้นไปติดตั้งในสถานที่ที่ไม่มีเมฆ ไม่มีฝน และรับแสงได้เต็มเม็ดเต็มหน่วยตลอดเวลา สถานที่นั้นคืออวกาศ!


(ภาพจาก https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/mankins_sps_alpha.html)

เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ.2019 ที่ผ่านมา China’s state-backed Science and Technology Daily รายงานว่านักวิจัยจากประเทศจีนวางแผนสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์นอกโลกที่ระดับความสูง 36,000 กิโลเมตร ในปี ค.ศ.2021 ถึง 2025 โดยในระยะแรกจะเริ่มสร้างจากสถานีผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กที่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าให้อยู่ในรูปคลื่นไมโครเวฟหรือแสงเลเซอร์แล้วส่งกลับมายังพื้นโลก โดยสถานีดังกล่าวจะเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าให้มากขึ้นจนถึงระดับเมกกะวัตต์และกิกะวัตต์ภายในปี ค.ศ.2030 และ 2050 ตามลำดับ

สถานีไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์นอกโลก (Space Base Solar Power) ไม่ใช่แนวคิดใหม่ เพราะมันถูกจินตนาการเอาไว้ในเรื่องสั้นชื่อ Reason ของไอแซก อาซิมอฟ ตั้งแต่ปี ค.ศ.1941 รวมถึงเคยถูกพิจารณาการก่อสร้างในเชิงเทคนิคมาแล้วโดยองค์การ NASA ในขณะที่สถานีอวกาศ ดาวเทียม และยานอวกาศก็ใช้ระบบผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ประสิทธิภาพสูงชนิดแกลเลียมอาเซนายด์ (Gallium Arsenide) ร่วมกับระบบผลิตไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีแหล่งกำเนิดความร้อนจากรังสีไอโซโทป (Radioisotope Thermoelectric Generators) มานานแล้ว แต่สาเหตุสำคัญที่ทำให้สถานีไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์นอกโลกยังไม่เคยเกิดขึ้นจริงมีอย่างน้อย 2 ประการ คือ ระบบส่งพลังงานแบบไร้สายผ่านอวกาศ และงบประมาณในการขนส่งวัสดุขึ้นไปก่อสร้างในอวกาศ

หลักการส่งพลังงานแบบไร้สาย (Wireless Energy Transfer) เคยถูกนำเสนอโดย Nicola Tesla ตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ.1900 แต่กว่าแนวคิดของเขาจะได้รับความสนใจอย่างจริงจัง เวลาก็ล่วงเลยไปแล้วกว่า 80 ปี การนำหลักการนี้มาใช้ร่วมกับสถานีไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์นอกโลกสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงที่ผลิตได้จากโซลาร์เซลล์ไปเป็นคลื่นไมโครเวฟ แล้วส่งคลื่นไมโครเวฟดังกล่าวมายังสถานีรับบนโลก จากนั้นสถานีบนโลกจะเปลี่ยนคลื่นไมโครเวฟกลับไปเป็นไฟฟ้ากระแสตรงอีกครั้งหนึ่ง แล้วจึงแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อจ่ายเข้าระบบไฟฟ้าปกติ ซึ่งผลการทดลองพบว่าคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ 2.45 กิกะเฮิรตซ์จะให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน 85 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์เลยทีเดียว แต่ประเด็นสำคัญคือสถานีในอวกาศจำเป็นต้องได้รับการดูแลรักษาอย่างใกล้ชิดตลอดเวลา (ระบบนี้สามารถประยุกต์ใช้กับแสงเลเซอร์ได้เช่นกัน แต่จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่า)
อย่างไรก็ตาม หากทำการเปรียบเทียบประสิทธิภาพโดยรวม (Total end-to-end efficiency) ระหว่างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์นอกโลกกับโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Concentrating Solar Power หรือ CSP) ที่ขนาด 1 กิกะวัตต์เท่ากัน จะพบว่ามีประสิทธิภาพ 14.79 กับ 4.83 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ แต่ในด้านงบประมาณนั้น โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์นอกโลกอาจมีต้นทุนรวมสูงถึงหลักแสนล้านดอลลาร์สหรัฐ (ตัวเลขนี้มีความผันผวนสูงมาก ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการขนส่ง) ในขณะที่โรงไฟฟ้า CSP อยู่ในหลักพันล้านเท่านั้น!

 

credit : http://www.thaiphysoc.org/article/87/