ຫຼັກການ Photovoltaic Effect

 

ຫຼັກການ Photovoltaic Effect

ຄວາມໝາຍ ແລະ ປະຫວັດຄວາມເປັນມາ

ປະກົດການໂຟໂຕໂວລເທອິກ (Photovoltaic Effect) ຄື ປະກົດການທາງຟີຊິກ ທີ່ວັດຖຸບາງຊະນິດ (ໂດຍສະເພາະສານເຄິ່ງໂຕນຳ – Semiconductor) ສາມາດປ່ຽນພະລັງງານແສງ (Photon) ໃຫ້ກາຍເປັນພະລັງງານໄຟຟ້າໂດຍກົງ ໂດຍບໍ່ຕ້ອງຜ່ານຂະບວນການທາງກົນຈັກ ຫຼື ຄວາມຮ້ອນຄືກັບລະບົບຜະລິດໄຟຟ້າແບບອື່ນໆ.

ປະກົດການນີ້ ຖືກຄົ້ນພົບຄັ້ງທຳອິດໂດຍນັກຟີຊິກຊາວຝຣັ່ງ Alexandre-Edmond Becquerel ໃນປີ 1839, ແຕ່ໄດ້ຮັບການພັດທະນາເປັນເຊລແສງອາທິດຕົວທຳອິດທີ່ໃຊ້ງານໄດ້ຈິງ ໂດຍນັກວິທະຍາສາດຫ້ອງທົດລອງ Bell Labs (ອາເມຣິກາ) ໃນປີ 1954 ຊຶ່ງມີປະສິດທິພາບປະມານ 6% ເທົ່ານັ້ນ. ຈາກນັ້ນມາ ເຕັກໂນໂລຢີໄດ້ຖືກພັດທະນາຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງ ຈົນປັດຈຸບັນ ແຜງໂຊລາເຊລລະດັບອຸດສາຫະກຳ ມີປະສິດທິພາບສູງເຖິງ 20-23%.

ຫຼັກການເຮັດວຽກຂອງເຊລແສງອາທິດ

ເຊລແສງອາທິດ (Solar Cell) ຖືກສ້າງຂຶ້ນຈາກສານເຄິ່ງໂຕນຳ ສ່ວນຫຼາຍແມ່ນ ຊິລິກອນ (Silicon) ເຊິ່ງຖືກເຮັດໃຫ້ມີໂຄງສ້າງແບບຮອຍຕໍ່ P-N (P-N Junction) ໂດຍປະກອບດ້ວຍຊັ້ນ 2 ຊັ້ນ:

• ຊັ້ນ N-type — ຊິລິກອນທີ່ຖືກເຕີມສານເຄມີ (Doping) ດ້ວຍທາດຟອສຟໍຣັດ (Phosphorus) ເຮັດໃຫ້ມີອິເລັກຕຣອນສ່ວນເກີນ (ປະຈຸລົບ);
• ຊັ້ນ P-type — ຊິລິກອນທີ່ຖືກເຕີມສານເຄມີດ້ວຍໂບຣອນ (Boron) ເຮັດໃຫ້ມີບ່ອນຫວ່າງອິເລັກຕຣອນ (Hole, ປະຈຸບວກ) ຫຼາຍກວ່າ.

ຂັ້ນຕອນການເກີດກະແສໄຟຟ້າ ມີດັ່ງນີ້:

(1) ເມື່ອແສງອາທິດ (ໂຟຕອນ) ຕົກກະທົບໃສ່ເຊລແສງອາທິດ, ພະລັງງານຈາກໂຟຕອນຈະຖືກດູດຊຶມໂດຍອາຕອມຊິລິກອນ ແລະ ເຮັດໃຫ້ອິເລັກຕຣອນຫຼຸດອອກຈາກອາຕອມ (ຖ້າພະລັງງານໂຟຕອນສູງກວ່າຄ່າຊ່ອງວ່າງພະລັງງານ – Band Gap ຂອງວັດຖຸ);

(2) ອິເລັກຕຣອນທີ່ຫຼຸດອອກມາ ຈະຖືກສະໜາມໄຟຟ້າພາຍໃນ (Built-in Electric Field) ທີ່ຮອຍຕໍ່ P-N ຜັກດັນໃຫ້ເຄື່ອນທີ່ໄປທາງດຽວ (ຈາກຊັ້ນ P ໄປຊັ້ນ N), ສ້າງໃຫ້ເກີດການໄຫຼຂອງກະແສໄຟຟ້າ;

(3) ເມື່ອຕໍ່ວົງຈອນພາຍນອກ (External Circuit) ເຂົ້າກັບຂົ້ວທັງສອງຂອງເຊລ, ອິເລັກຕຣອນຈະໄຫຼຜ່ານວົງຈອນພາຍນອກນັ້ນ ສ້າງເປັນກະແສໄຟຟ້າກະແສກົງ (DC – Direct Current) ທີ່ສາມາດນຳໄປໃຊ້ງານໄດ້.

ສົມຜົນພື້ນຖານທີ່ກ່ຽວຂ້ອງ

(1) ກຳລັງໄຟຟ້າຂອງເຊລແສງອາທິດ

$$P = V \times I$$P=V×I

ໂດຍທີ່ P ຄື ກຳລັງໄຟຟ້າ (W), V ຄື ແຮງດັນໄຟຟ້າ (V), I ຄື ກະແສໄຟຟ້າ (A)

(2) ປະສິດທິພາບຂອງເຊລແສງອາທິດ (Efficiency, η)

$$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100\%$$η=Pin​Pout​​×100%

ໂດຍທີ່ Pout ຄື ກຳລັງໄຟຟ້າທີ່ຜະລິດອອກ, ແລະ Pin ຄື ພະລັງງານແສງອາທິດທັງໝົດທີ່ຕົກກະທົບໃສ່ພື້ນທີ່ຂອງເຊລ (ໂດຍທົ່ວໄປໃຊ້ຄ່າມາດຕະຖານ 1,000 W/m² ພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂການທົດສອບມາດຕະຖານ STC – Standard Test Conditions)

(3) ຈຸດກຳລັງສູງສຸດ (Maximum Power Point, Pmax)

ໃນເສັ້ນສະແດງກະແສ-ແຮງດັນ (I-V Curve) ຂອງເຊລແສງອາທິດ, ຈະມີຈຸດໜຶ່ງທີ່ໃຫ້ຄ່າກຳລັງໄຟຟ້າສູງສຸດ ເອີ້ນວ່າ Maximum Power Point (MPP), ຄິດໄລ່ຈາກ:

$$P_{max} = V_{mp} \times I_{mp}$$Pmax​=Vmp​×Imp​

ໂດຍທີ່ Vmp ແລະ Imp ຄື ແຮງດັນ ແລະ ກະແສໄຟຟ້າ ທີ່ຈຸດກຳລັງສູງສຸດ. ຄ່ານີ້ ແຕກຕ່າງຈາກແຮງດັນວົງຈອນເປີດ (Voc – Open Circuit Voltage) ແລະ ກະແສວົງຈອນຂາດ (Isc – Short Circuit Current) ເຊິ່ງເປັນຄ່າສູງສຸດ ແຕ່ບໍ່ແມ່ນຈຸດທີ່ໃຫ້ກຳລັງໄຟຟ້າສູງສຸດ. ໃນລະບົບໂຊລາຟາມຈິງ, ອຸປະກອນ Inverter ຈະໃຊ້ເຕັກນິກ MPPT (Maximum Power Point Tracking) ເພື່ອຄົ້ນຫາ ແລະ ຮັກສາຈຸດເຮັດວຽກຂອງລະບົບ ໃຫ້ຢູ່ທີ່ Pmax ຕະຫຼອດເວລາ ເຖິງແມ່ນວ່າຄວາມເຂັ້ມແສງ ຫຼື ອຸນຫະພູມຈະປ່ຽນແປງ.

ປັດໄຈທີ່ມີຜົນຕໍ່ປະສິດທິພາບການເຮັດວຽກ

• ອຸນຫະພູມ (Temperature) — ປະສິດທິພາບຂອງເຊລແສງອາທິດ ຈະຫຼຸດລົງເມື່ອອຸນຫະພູມສູງຂຶ້ນ (ອະທິບາຍລະອຽດໃນຫົວຂໍ້ 2.4 ກ່ຽວກັບ Temperature Coefficient) ຊຶ່ງເປັນຂໍ້ຄວນພິຈາລະນາສຳຄັນ ສຳລັບ ສປປ ລາວ ທີ່ມີອາກາດຮ້ອນ;
• ຄວາມເຂັ້ມແສງ (Irradiance) — ກະແສໄຟຟ້າ (I) ຈະປ່ຽນແປງເປັນເສັ້ນຊື່ຕາມຄວາມເຂັ້ມແສງ, ໃນຂະນະທີ່ແຮງດັນ (V) ປ່ຽນແປງໜ້ອຍກວ່າ;
• ຄຸນນະພາບຂອງວັດຖຸດິບ ແລະ ຂະບວນການຜະລິດ — ຄວາມບໍລິສຸດຂອງຊິລິກອນ ແລະ ຂະບວນການຜະລິດ ມີຜົນໂດຍກົງຕໍ່ປະສິດທິພາບຂອງເຊລ.

---

photovoltaic effect ຄືຫຍັງ, ຫຼັກການເຮັດວຽກ ໂຊລາເຊລ, how solar cell works, P-N junction solar cell, ສູດຄິດໄລ່ ປະສິດທິພາບ ໂຊລາເຊລ, solar cell efficiency formula, MPPT ຄືຫຍັງ, maximum power point tracking explained, I-V curve solar panel