เมื่อกล่าวถึงโซลาร์เซลล์ ภาพจำของคนส่วนใหญ่มักจะเป็นแผงสี่เหลี่ยมสีเข้มที่ติดตั้งอย่างเป็นระเบียบบนหลังคา แต่ในความเป็นจริง แผงโซลาร์เซลล์เป็นเพียงส่วนประกอบด่านหน้าของ ระบบโซลาร์เซลล์ ที่มีความซับซ้อนและทำงานร่วมกันอย่างเป็นองคาพยพเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ การทำความเข้าใจว่า ระบบโซลาร์เซลล์ ที่สมบูรณ์นั้นประกอบด้วยอะไรบ้าง และแต่ละส่วนมีหน้าที่สำคัญอย่างไร คือปัจจัยพื้นฐานที่จะช่วยให้การติดตั้งและใช้งานเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ปลอดภัย และคุ้มค่ากับการลงทุนในระยะยาว

หลักการทำงานของระบบโซลาร์เซลล์

ก่อนจะเจาะลึกถึงส่วนประกอบแต่ละชิ้น เรามาดูภาพรวมการเดินทางของพลังงานกันก่อนว่า ระบบโซลาร์เซลล์ เปลี่ยนแสงแดดที่เราได้รับฟรีๆ ทุกวันให้กลายเป็นไฟฟ้าสำหรับเปิดแอร์เย็นฉ่ำได้อย่างไร กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและเงียบเชียบผ่าน 5 ขั้นตอนหลัก

1. การรับพลังงานแสงอาทิตย์ เมื่อแสงแดด (ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคพลังงานที่เรียกว่า โฟตอน) ตกกระทบลงบนแผงโซลาร์เซลล์ พลังงานจากโฟตอนจะไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนในเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งทำจากสารกึ่งตัวนำซิลิคอนเกิดการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาลนี้เองที่ก่อให้เกิดเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ขึ้นมา
2. การแปลงกระแสไฟฟ้า ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่ผลิตได้จากแผงยังไม่สามารถนำไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านได้ มันจะถูกส่งผ่านมาตามสายไฟ PV Cable มายัง “อินเวอร์เตอร์” (Inverter) ซึ่งทำหน้าที่เป็นหัวใจและสมองของระบบ อินเวอร์เตอร์จะทำการแปลงไฟฟ้า DC ให้กลายเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่มีแรงดันและความถี่ตรงกับระบบไฟฟ้าในบ้านของเรา (220V 50Hz)
3. การส่งต่อไปยังตู้ควบคุม ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่แปลงเรียบร้อยแล้ว จะถูกส่งต่อไปยัง “ตู้ควบคุมระบบไฟฟ้า” (Breaker Panel) ซึ่งทำหน้าที่เป็นชุมสายในการกระจายไฟฟ้าไปยังส่วนต่างๆ ของบ้าน และยังเป็นที่อยู่ของอุปกรณ์ป้องกันความปลอดภัยต่างๆ ด้วย
4. การใช้งานไฟฟ้าภายในบ้าน กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งจากตู้ควบคุมไปตามสายไฟภายในบ้าน ทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิด ตั้งแต่หลอดไฟ ตู้เย็น คอมพิวเตอร์ ไปจนถึงเครื่องปรับอากาศ สามารถดึงพลังงานสะอาดนี้ไปใช้งานได้ทันที
5. การจัดการไฟฟ้าส่วนเกิน ในช่วงกลางวันที่แดดจัด ระบบโซลาร์เซลล์ มักจะผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าที่บ้านต้องการใช้งาน ไฟฟ้าส่วนเกินที่เกิดขึ้นจะถูกจัดการแตกต่างกันไปตามประเภทของระบบ หากเป็นระบบออนกริด (On-Grid) ไฟฟ้าส่วนเกินจะไหลย้อนกลับเข้าสู่สายส่งของการไฟฟ้า (ซึ่งอาจขายคืนได้) แต่ถ้าเป็นระบบไฮบริด (Hybrid) ไฟฟ้าส่วนเกินจะถูกส่งไปเก็บไว้ในแบตเตอรี่ก่อน เพื่อสำรองไว้ใช้ในตอนกลางคืน

แผงโซลาร์เซลล์ (Solar Panel / PV Module)

เป็นส่วนประกอบหลักที่ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของ ระบบโซลาร์เซลล์ ทั้งหมด โดยจะเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) กระบวนการนี้อาศัยปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic Effect) เมื่ออนุภาคของแสง (โฟตอน) เดินทางจากดวงอาทิตย์มาตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งทำจากสารกึ่งตัวนำประเภทซิลิคอน มันจะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนในอะตอมของซิลิคอน ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านั้นมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดออกจากวงโคจรและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี่เองที่ก่อให้เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้นมา

แผงโซลาร์เซลล์ที่ใช้สำหรับบ้านพักอาศัยโดยทั่วไปมี 2 ชนิดหลัก ซึ่งมีคุณสมบัติและประสิทธิภาพแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

• โมโนคริสตัลไลน์ (Monocrystalline) ผลิตจากผลึกซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า Czochralski process ทำให้ได้ผลึกซิลิคอนขนาดใหญ่เป็นแท่งเดียว จากนั้นจึงนำมาตัดเป็นแผ่นบางๆ (Wafers) ทำให้เซลล์แต่ละเซลล์มีสีดำเข้มสม่ำเสมอและมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานสูงที่สุดในบรรดาแผงซิลิคอนด้วยกัน เหมาะสำหรับพื้นที่ติดตั้งที่มีจำกัดแต่ต้องการกำลังการผลิตไฟฟ้าสูง การเลือกใช้แผงชนิดนี้ใน ระบบโซลาร์เซลล์ จะทำให้ได้กำลังผลิตสูงในพื้นที่ที่น้อยกว่า
• โพลีคริสตัลไลน์ (Polycrystalline) ผลิตจากเศษซิลิคอนที่เหลือจากกระบวนการผลิตแบบโมโนฯ มาหลอมรวมกันแล้วเทลงในแม่พิมพ์สี่เหลี่ยม ทำให้เกิดเป็นผลึกซิลิคอนขนาดเล็กจำนวนมากที่ไม่สม่ำเสมอ เซลล์จึงมีสีน้ำเงินเข้มและเห็นลายผลึกชัดเจน มีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนน้อยกว่า ส่งผลให้มีราคาต่ำกว่า แต่ก็มีประสิทธิภาพโดยรวมต่ำกว่าชนิดโมโนคริสตัลไลน์ เหมาะสำหรับโครงการหรือพื้นที่ติดตั้งขนาดใหญ่ที่ไม่จำกัดเรื่องพื้นที่และให้ความสำคัญกับต้นทุนเริ่มต้น

อินเวอร์เตอร์ (Inverter)

เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง ทำหน้าที่เป็นสมองและหัวใจของ ระบบโซลาร์เซลล์ โดยจะแปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่มีแรงดันและความถี่ไม่คงที่ซึ่งผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์ ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่มีแรงดันและความถี่คงที่ (ในประเทศไทยคือ 220V 50Hz) ซึ่งเป็นไฟฟ้าชนิดเดียวกับที่ใช้ในระบบสายส่งของการไฟฟ้าและสามารถใช้งานกับเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านได้ทุกชนิด

อินเวอร์เตอร์สำหรับที่อยู่อาศัยมีหลายประเภทตามลักษณะการทำงานและการออกแบบ

• สตริงอินเวอร์เตอร์ (String Inverter) เป็นประเภทที่นิยมใช้มากที่สุดใน ระบบโซลาร์เซลล์ สำหรับบ้านพักอาศัย โดยจะรับไฟฟ้า DC ที่รวบรวมมาจากแผงโซลาร์เซลล์ที่ต่ออนุกรมกันเป็นชุด (เรียกว่า สตริง) แล้วแปลงเป็นไฟ AC ที่อินเวอร์เตอร์เพียงจุดเดียว มีข้อดีด้านราคาที่ไม่สูง ติดตั้งและบำรุงรักษาง่าย แต่มีข้อจำกัดคือหากมีแผงใดแผงหนึ่งในสตริงมีประสิทธิภาพลดลง (เช่น ถูกเงาบังหรือสกปรก) จะส่งผลให้ประสิทธิภาพของแผงทั้งหมดในสตริงนั้นลดลงตามไปด้วย
• ไมโครอินเวอร์เตอร์ (Microinverter) เป็นอินเวอร์เตอร์ขนาดเล็กที่ถูกออกแบบมาให้ติดตั้งไว้ใต้แผงโซลาร์เซลล์แต่ละแผง ทำหน้าที่แปลงไฟ DC เป็น AC ตั้งแต่บนหลังคา ทำให้แผงแต่ละแผงทำงานเป็นอิสระต่อกันอย่างสมบูรณ์ ปัญหาสิ่งบดบังที่แผงใดแผงหนึ่งจะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของแผงอื่นในระบบ ทำให้ได้ผลผลิตพลังงานโดยรวมสูงกว่า แต่ก็มีราคาระบบเริ่มต้นที่สูงกว่าเช่นกัน
• ไฮบริดอินเวอร์เตอร์ (Hybrid Inverter) เป็นอินเวอร์เตอร์อัจฉริยะที่สามารถทำงานได้หลากหลายรูปแบบ มันสามารถทำงานเชื่อมต่อกับสายส่งของการไฟฟ้า (On-Grid) และในขณะเดียวกันก็สามารถทำงานร่วมกับระบบกักเก็บพลังงาน (แบตเตอรี่) ได้ในตัวเดียวกัน ทำให้สามารถสำรองไฟฟ้าส่วนเกินที่ผลิตได้ในตอนกลางวันไว้ใช้ในเวลากลางคืนหรือช่วงที่ไฟฟ้าดับได้ เป็นหัวใจสำคัญของ ระบบโซลาร์เซลล์ แบบไฮบริด

โครงสร้างยึดแผง (Mounting System)

เป็นโครงสร้างทางวิศวกรรมที่ทำหน้าที่ยึดแผงโซลาร์เซลล์ให้ติดแน่นกับโครงสร้างหลังคา มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความปลอดภัยและความมั่นคงของ ระบบโซลาร์เซลล์ ตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า 25 ปี โครงสร้างต้องได้รับการออกแบบให้สามารถทนทานต่อแรงลมพายุและสภาพอากาศที่รุนแรงได้ตามมาตรฐานวิศวกรรม

วัสดุที่ใช้ทำโครงสร้างยึดแผงควรเป็นโลหะที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น อลูมิเนียม หรือเหล็กชุบ Hot-dip Galvanized คุณภาพสูง การติดตั้งต้องดำเนินการโดยทีมช่างผู้ชำนาญการ มีการคำนวณการรับน้ำหนักของโครงสร้างหลังคาเดิมและใช้เทคนิคการเจาะยึดที่ป้องกันการรั่วซึมของน้ำได้อย่างสมบูรณ์ การเลือกใช้วัสดุและการติดตั้งที่ได้มาตรฐานคือการรับประกันความปลอดภัยของ ระบบโซลาร์เซลล์ ในระยะยาว

ระบบสายไฟและอุปกรณ์ป้องกัน (Electrical System and Safety Devices)

ระบบโซลาร์เซลล์ ถือเป็นระบบผลิตไฟฟ้าประเภทหนึ่ง จึงจำเป็นต้องมีระบบสายไฟและอุปกรณ์ป้องกันที่ได้มาตรฐานความปลอดภัยสูงสุดตามข้อกำหนดของการไฟฟ้าฯ ซึ่งประกอบไปด้วย

• สายไฟสำหรับโซลาร์เซลล์ (PV Cable) เป็นสายไฟที่ออกแบบมาโดยเฉพาะให้มีฉนวนสองชั้น ทนทานต่อรังสี UV และสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลงบนหลังคาได้ดีกว่าสายไฟทั่วไป
• ตู้ควบคุมระบบไฟฟ้า (Combiner Box / Breaker Panel) เป็นศูนย์รวมของอุปกรณ์ป้องกันต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับ ระบบโซลาร์เซลล์
  • DC Breaker สวิตช์ตัดตอนไฟฟ้าฝั่งกระแสตรง (DC) ที่มาจากแผงโซลาร์เซลล์
  • AC Breaker สวิตช์ตัดตอนไฟฟ้าฝั่งกระแสสลับ (AC) ก่อนเชื่อมต่อเข้ากับระบบไฟฟ้าภายในบ้าน
  • อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (Surge Protection Device – SPD) ทำหน้าที่ป้องกันอินเวอร์เตอร์และเครื่องใช้ไฟฟ้าจากความเสียหายที่อาจเกิดจากแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วขณะ เช่น กรณีฟ้าผ่าในบริเวณใกล้เคียง
  • ระบบสายดิน (Grounding System) การต่อสายดินที่โครงสร้างยึดแผงและอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดอย่างถูกต้อง เป็นสิ่งจำเป็นพื้นฐานเพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้งาน

ประเภทของระบบโซลาร์เซลล์

เมื่อนำส่วนประกอบทั้งหมดมาเชื่อมต่อกัน สามารถจำแนกประเภทของ ระบบโซลาร์เซลล์ ได้ 3 รูปแบบหลักตามลักษณะการเชื่อมต่อและการใช้งาน

1. ระบบออนกริด (On-Grid System)

เป็นระบบที่ได้รับความนิยมสูงสุดสำหรับบ้านพักอาศัยและอาคารในเขตเมือง โดยจะทำงานเชื่อมต่อขนานไปกับระบบสายส่งของการไฟฟ้า (Grid)

• หลักการทำงาน ในเวลากลางวัน หาก ระบบโซลาร์เซลล์ ผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าปริมาณที่ใช้งาน ไฟฟ้าส่วนเกินจะถูกส่งย้อนกลับเข้าสู่สายส่งของการไฟฟ้า (ซึ่งอาจขายคืนได้ตามนโยบายภาครัฐ) ในทางกลับกัน หากผลิตไฟฟ้าได้ไม่เพียงพอหรือในเวลากลางคืน ระบบจะดึงไฟฟ้าจากการไฟฟ้ามาใช้งานตามปกติ
• ข้อดี มีต้นทุนการติดตั้งต่ำที่สุดและมีระยะเวลาคืนทุนสั้นที่สุด เนื่องจากไม่ต้องลงทุนในระบบแบตเตอรี่ที่มีราคาสูง
• ข้อเสีย เมื่อระบบสายส่งของการไฟฟ้าขัดข้อง (ไฟดับ) ระบบโซลาร์เซลล์ จะต้องหยุดทำงานไปด้วยโดยอัตโนมัติตามข้อกำหนดความปลอดภัยเพื่อป้องกันไฟฟ้าไหลย้อนกลับไปทำอันตรายต่อเจ้าหน้าที่ที่กำลังซ่อมบำรุงสายส่ง

2. ระบบออฟกริด (Off-Grid System)

เป็นระบบผลิตไฟฟ้าแบบอิสระ เหมาะสำหรับพื้นที่ห่างไกลที่ระบบสายส่งของการไฟฟ้าเข้าไม่ถึง เช่น พื้นที่การเกษตร หรือบ้านสวน

• หลักการทำงาน ไฟฟ้าที่ผลิตได้ในตอนกลางวันจะถูกนำไปชาร์จเก็บไว้ในระบบกักเก็บพลังงาน (แบตเตอรี่) ผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่า Charge Controller เพื่อสำรองไว้ใช้ในเวลากลางคืนหรือในวันที่ไม่มีแสงแดด
• ข้อดี สามารถสร้างความมั่นคงทางพลังงานและมีไฟฟ้าใช้ได้ในทุกพื้นที่โดยไม่ต้องพึ่งพาสายส่ง
• ข้อเสีย มีต้นทุนการลงทุนสูงที่สุด เนื่องจากต้องใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ซึ่งมีราคาสูงและมีอายุการใช้งานที่จำกัด ต้องมีการคำนวณขนาดของ ระบบโซลาร์เซลล์ และแบตเตอรี่ให้เพียงพอต่อการใช้งานอย่างรอบคอบ

3. ระบบไฮบริด (Hybrid System)

เป็นระบบที่ผสมผสานคุณสมบัติของระบบ On-Grid และ Off-Grid เข้าไว้ด้วยกัน เป็น ระบบโซลาร์เซลล์ ที่กำลังได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ

• หลักการทำงาน ระบบจะเชื่อมต่อกับการไฟฟ้าเป็นหลัก แต่จะมีแบตเตอรี่ติดตั้งอยู่ด้วยเพื่อสำรองพลังงาน ไฟฟ้าส่วนเกินที่ผลิตได้ในตอนกลางวันจะถูกส่งไปชาร์จแบตเตอรี่ก่อนเพื่อเก็บไว้ใช้เอง เมื่อแบตเตอรี่เต็มแล้วจึงจะส่งไฟฟ้าส่วนเกินขายคืนให้การไฟฟ้า ในเวลากลางคืน ระบบจะดึงไฟฟ้าจากแบตเตอรี่มาใช้งานก่อน เมื่อไฟฟ้าในแบตเตอรี่หมดจึงจะสลับไปใช้ไฟฟ้าจากการไฟฟ้า
• ข้อดี ช่วยลดการพึ่งพาไฟฟ้าจากสายส่งได้มากที่สุด ทำให้ประหยัดค่าไฟได้สูงสุด และสามารถทำงานเป็นระบบไฟฟ้าสำรองในกรณีที่เกิดไฟฟ้าดับได้
• ข้อเสีย มีต้นทุนการติดตั้งสูงกว่าระบบ On-Grid อย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่และไฮบริดอินเวอร์เตอร์เพิ่มเข้ามา

การทำความเข้าใจส่วนประกอบและประเภทของระบบทั้งหมดนี้ จะทำให้คุณเห็นภาพรวมและสามารถเลือก ระบบโซลาร์เซลล์ ที่เหมาะสมกับบ้านและไลฟ์สไตล์ของคุณได้อย่างแท้จริง แต่อย่างไรก็ตาม ก่อนตัดสินใจลงทุน อย่าลืมเลือกบริษัทรับติดตั้งระบบโซลาร์เซลล์ที่มีความเชี่ยวชาญและน่าเชื่อถือ เพื่อให้มั่นใจว่าโรงไฟฟ้าบนหลังคาของคุณจะทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพและปลอดภัยไปอีกนานหลายสิบปี