ตัวอย่างบ้านประหยัดพลังงาน

โดยใช้หลังคา Shingles Roof

“บ้านนับเป็นปัจจัยสำคัญในการดำรงชีวิต ซึ่งถือว่าเป็นปัจจัย 4 ที่ทุกคนต่างให้ความสำคัญ แต่ยิ่งไปกว่านั้นพลังงานก็ถือเป็นปัจจัยที่มีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่ากัน”

เราจะขอนำท่านได้รู้จักการออกแบบบ้านประหยัดพลังงานและการใช้งานร่วมกับเซลล์แสงอาทิตย์ นอกเหนือจากประหยัดพลังงานแล้วยังสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้อีกด้วยตัวอย่างเทคโนโลยีที่นำมาใช้ในการสร้างบ้านประหยัดพลังงานได้แก่

  1. หลังคา Shingles Roof ต่างจากหลังคาทั่วไปคือป้องกันความร้อนจากแสงอาทิตย์และกันรังสี UV และกันน้ำฝนได้ 100 เปอร์เซ็นต์ มีน้ำหนักเบากว่าหลังคาโดยทั่วไป คงทน และมีความสวยงามเข้ากับธรรมชาติได้อย่างดี
  2. กระจก Heat Stop มีคุณสมบัติเป็นกระจกฉนวนภายในช่องว่างระหว่างกระจกเคลือบด้วยสารที่มีสภาพการแผ่รังสีต่ำ และช่องว่างระหว่างกระจกบรรจุด้วยแก๊สเฉื่อย โดยทำหน้าที่ป้องกัน ความร้อนความชื้นจากอากาศภายนอกเข้าตัวบ้าน แต่ยังคงให้แสงสว่างเข้าบ้านได้ดี โดยค่าการสะท้อนแสงจากภายในน้อยกว่าทำให้การมองผ่านกระจก Heat Stop สามารถมองเห็นทิวทัศน์ภายนอกได้ชัดเจน
  3. ผนัง EIFS (Extortion Insulation and finish System) มีฉนวนโฟมหนา 4 นิ้ว และระบบเคลือบกันความร้อน และความชื้นด้านภายนอกอาคารโดยตรง โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับระบบผนังก่ออิฐฉาบปูนหนา 4 นิ้วที่ใช้กันอยู่ทั่วไป พบว่าสามารถสกัดกั้นความร้อนได้มากถึง 6 เท่า

หลักการออกแบบ PASSIVE DESIGN HOUSE คือบ้านที่มีแนวความคิดในการออกแบบโดยมุ่งเน้นการประยุกต์ใช้ระบบธรรมชาติรอบบ้านอย่างเต็มที่และวัสดุก่อสร้างเพื่อสร้างสภาวะอากาศภายในบ้านให้อยู่ในเขตสบายตามธรรมชาติตามหลักวิทยาศาสตร์ เกือบตลอดเวลาโดยไม่ต้องพึ่งพาระบบปรับอากาศ (Passive Building) ใช้แสงสว่างจากท้องฟ้าแทนแสงจากหลอดไฟฟ้าซึ่งเป็นรูปแบบที่เหมาะสมกับการอยู่อาศัยนอกเมือง หรือในชนบทที่ยังมีสภาพแวดล้อมที่ดี

หลักการออกแบบ ACTIVE DESIGN HOUSE

คือบ้านที่มีแนวความคิดในการออกแบบโดยมุ่งเน้นการประยุกต์ใช้ระบบธรรมชาติผสมผสานกับการใช้ระบบเครื่องกลพลังงานเพิ่มเติม เพื่อให้ผู้อยู่อาศัยมีคุณภาพชีวิตที่ดีและมีสภาวะอากาศในบ้านอยู่ในเขตสบายตามหลักวิทยาศาสตร์(Comfort Zone) อย่างสมบูรณ์ตลอดเวลา ซึ่งจะเป็นรูปแบบของบ้านพักอยู่อาศัยที่เหมาะสมกับการอยู่อาศัยในเขตเมือง และบริเวณโดยรอบบ้านมีพื้นที่พอเพียงที่จะสร้างสภาพแวดล้อมธรรมชาติที่ดี

การออกแบบบ้านประหยัดพลังงานที่ดี จึงต้องอาศัยแนวความคิดตามหลักธรรมชาติมาใชร้ ว่ มกับสถาปตั ยกรรม อีกทั้งยังเปน็ การใชวิ้ธีทั้งเชิงรับเชิงรุกในการป้องกันทั้งความร้อน ความชื้น และมลภาวะจากภายนอก ไม่ให้เข้ามาภายในบ้าน รวมทั้งการสร้างและรักษาสภาวะภายในบ้านให้อยู่ในสภาวะน่าสบายได้ตลอดเวลา โดยใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเศรษฐกิจและสังคมปัจจุบัน

เทคโนโลยีการติดตั้งระบบ Solar Cell ร่วมกับบ้านประหยัดพลังงาน

เทคโนโลยีการติดตั้งระบบเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสามารถแบ่งเทคโนโลยีการติดตั้งได้ 2 แบบ คือ ระบบพลังงานเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดติดตั้งอิสระ (Stand- alone Solar system) และแบบเชื่อมต่อระบบสายส่งการไฟฟ้า (Grid connected Solar system)

  1. ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดติดตั้งอิสระ (Stand-alone Solar System) ออกแบบให้สามารถนำไปใช้งานแบบติดตั้งอิสระ เหมาะสำหรับทุกพื้นที่ซึ่งระบบสายส่งการไฟฟ้าเข้าไม่ถึง โดยมีเครื่องควบคุมการประจุกระแสไฟฟ้า (Charge Controller) ทำหน้าที่ประจุกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์เก็บไว้ในแบตเตอรี่ เพื่อนำไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง หรือ ใช้เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อใช้งานกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เป็นระบบไฟฟ้ากระแสสลับได้
  2. ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดต่อเชื่อมระบบสายส่งหรือระบบจำหน่าย (Grid connected Solar System) ออกแบบเพื่อใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ แล้วผ่านเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า ที่เชื่อมต่อกับสายส่ง (Grid connected Inverter) จากนั้นจ่ายกระแสไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำการขายคืนกระแสไฟฟ้าที่เกินความต้องการให้กับการไฟฟ้า โดยต้องทำสัญญาการขายไฟฟ้าให้กับการไฟฟ้าได้

อุปกรณ์ที่ใช้ในการติดตั้งระบบ Solar Cell สำหรับบ้านประหยัดพลังงาน

  1. แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (solar module) ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าซึ่งเป็นไฟฟ้ากระแสตรงโดยสามารถนำแผงเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆ เซลล์มาต่อกันเป็นแถว เพื่อให้ได้พลังงานไฟฟ้าใช้งานตามต้องการ
    1. เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีจำหน่ายในตลาด
      1. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอน ชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline Silicon Solar Cell) หรือที่รู้จักกันในชื่อ Mono-crystalline Silicon Solar Cell และชนิดผลึกรวม (Polycrystalline Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็นแผ่นซิลิคอนแข็งและบางมาก มีประสิทธิภาพประมาณ 10-15%
      2. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากอะมอร์ฟัสซิลิคอน (Amorphous Silicon Solar Cell) ลักษณะเปน็ ฟลิ ม์ บางเพียง 0.5 ไมครอน (0.0005 มม.) นํ้าหนักเบามากและประสิทธิภาพประมาณ 5-10%
      3. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่น แกลเลี่ยม อาร์เซไนด์, แคดเมียม เทลเลอไรด์ และคอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ เป็นต้น จะให้ประสิทธิภาพประมาณ 9-11% การเปรียบเทียบพื้นที่ในการติดตั้งระบบขนาด 1 kWp โดยเลือกใช้เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดต่างๆ ดังจะเห็นได้ในข้อมูลนี้
    2. เซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องได้แก่เซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลม (Spherical Micro Solar Cells) เซลล์แสงอาทิตย์ประเภทดายเซนซิไทซ์ (Dye-sensitized Solar Cells)โดยมีหลักการออกแบบเซลล์จากกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช มีประสิทธิภาพอยู่ที่ 3-5%และเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทควอนตัมดอต (Quantum Dot Solar Cells) ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนผลทางเทอร์โมไดนามิกส์ของโฟตอนให้มีค่ามากที่สุด นับเป็นการพัฒนาจากข้อจำกัดของเซลล์ชนิดผลึก โดยเพิ่มประสิทธิภาพทางเทอร์โมไดนามิกส์เป็น 66 เปอร์เซ็นต์ (จากเดิมของวัสดุสารกึ่งตัวนำทั่วไปอยู่ที่ 31-33 เปอร์เซ็นต์) ยังไม่มีการผลิตเชิงพาณิชย์แต่ก็ประกอบด้วยหลายหน่วยงานทั้งในและต่างประเทศที่ให้ความสนใจและดำเนินการศึกษาในเรื่องดังกล่าวซึ่งในประเทศไทยโดย Semiconductor Device Research Laboratory จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยได้ทำการวิจัยพัฒนา Multi-Stacked HighDensity InAs Quantum Dot Molecule Solar Cells.
  2. เครื่องควบคุมการประจุ (charge controller)ทำหน้าที่ประจุกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์เข้าสู่แบตเตอรี่และการจ่ายกระแสไฟฟ้าออกจากแบตเตอรี่

    ระบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ ตามปกติจะมีแรงดันไฟฟ้า 12, 24 หรือ 48 โวลต์ซึ่งอุปกรณ์ ในระบบต้องมีแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน โดยแรงดันไฟฟ้าในการอัดประจุของเครื่องควบคุม การประจุจะต้องสูงกว่าของแบตเตอรี่เสมอ ส่วนแรงดันไฟฟ้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ต้องสูงพอที่จะสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ขณะที่อุณหภูมิสูง (โดยปกติหากอุณหภูมิสูงขึ้นแรงดันไฟฟ้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะต่ำลง) อีกทั้งยังต้องพิจารณาแรงดันตกคร่อมในสายไฟที่ต้องเสียไปอีก 2-3 เปอร์เซนต์ ส่วนในกรณีอุณหภูมิต่ำแรงดันไฟฟ้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะสูงซึ่งเครื่องควบคุมการประจุแบตเตอรี่จะต้องควบคุมแรงดันในการอัดประจุไม่ให้สูงเกินไปจนทำให้แบตเตอรี่เสียหายทั้งนี้การป้องกันการอัดประจุเกินพิกัดของเครื่องควบคุมการประจุทำได้หลายวิธี ยกตัวอย่างเช่น
    • ตัดวงจรแผงเซลล์แสงอาทิตย์ออกจากระบบเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงเกินกว่า charge cut-out voltage วิธีนี้ใช้สำหรับเครื่องควบคุมการประจุที่ต่อแบบอนุกรม
    • ทำการลัดวงจร (short-circuit) แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งใช้สำหรับเครื่องควบคุมการประจุที่ต่อแบบขนาน
    • ปรับระดับแรงดันไฟฟ้า โดยใช้ MPPT charge controller
    ในกรณีแสงแดดมีน้อย แรงดันแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะต่ำกว่าของแบตเตอรี่ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับได้จึงต้องมีการป้องกันโดยเพิ่มไดโอดป้องกันการกลับทิศของกระแส ซึ่งส่วนใหญ่จะประกอบอยู่ภายในเครื่องควบคุมการประจุอยู่แล้ว จากวัตถุประสงค์ที่ต้องการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ดังนั้นเครื่องควบคุมการประจุแบตเตอรี่จำเป็นต้องทำงานที่หลากหลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากแรงดัน charge cut-out และ discharge cut-off จะขึ้นอยู่กับสภาวะการอัดประจุของแบตเตอรี่ อีกทั้งคุณสมบัติของแบตเตอรี่แต่ละชนิดก็แตกต่างกัน และการทำงานที่อุณหภูมิแตกต่างกันนั่นคือเครื่องควบคุมการประจุที่ดีจึงต้องสามารถทำงานที่เงื่อนไขแตกต่างกันเหล่านี้ได้

    หน้าที่ของเครื่องควบคุมการประจุโดยทั่วไปดังต่อไปนี้

    • ควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมกับแบตเตอรี่ชนิดต่างๆ กัน
    • สามารถป้องกันการอัดและการคายประจุไฟฟ้าเกินพิกัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
    • มีการตรวจสอบสภาวะการอัดประจุของแบตเตอรี่เสมอ
  3. แบตเตอรี่ (Battery)ทำหน้าที่เก็บพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไว้ใช้เวลาที่ต้องการเช่นเวลาที่ไม่มีแสงอาทิตย์หรือเวลากลางคืน

    ลักษณะของแบตเตอรี่

    แบตเตอรี่ใช้งานในระบบเซลล์แสงอาทิตย์เป็นแบตเตอรี่ซึ่งถูกออกแบบเพื่อให้การจ่ายประจุของแบตเตอรี่มีค่าแรงดันไฟฟ้าคงที่ตลอด ซึ่งจะแตกต่างจากแบตเตอรี่สำหรับการสตาร์ทเครื่องยนต์ เช่นในรถยนต์ทั่วไป โดยได้รับการออกแบบให้เกิดการจ่ายกระแสไฟฟ้ามากๆ ในชั่วระยะเวลาหนึ่งๆ ตัวอย่างยานพาหนะที่ใช้แบตเตอรี่ชนิดนี้ เช่น รถกอลฟ์ รถฟอร์คลิฟท์ และรถกวาดพื้นเป็นต้น ความแตกต่างของโครงสร้างที่สำคัญระหว่างแบตเตอรี่แบบ Deep cycle lead-acid ซึ่งเหมาะสมในการใช้งานกับระบบเซลล์แสงอาทิตย์ เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดทั่วไปคือ แผ่นตะกั่วของแบตเตอรี่แบบแรกเป็นของแข็งทึบแต่ในแบตเตอรี่อีกแบบหนึ่งเป็นแบบของแข็งมีรูพรุนเหมือนฟองน้ำ ทั้งนี้อาจพบแบตเตอรี่แสดงไว้ที่ฉลากเป็น Deep cycle lead-acid แต่ภายในไม่ใช้แผ่นตะกั่วแบบของแข็งทึบอย่างไรก็ตามจะเรียกแบตเตอรี่นี้เป็นแบบผสมผสาน(hybrid battery) แบตเตอรี่แบบ Deep cycle lead-acid ถูกออกแบบให้สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ของค่าความจุรวมถึงสามารถทำการประจุได้หลายพันรอบ ทั้งนี้หลายๆ บริษัทได้แนะนำว่า แบตเตอรี่แบบผสมผสานจะไม่สามารถจ่าย ประจุได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ของค่าความจุ
  4. เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (Inverter) ทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าจากกระแสตรง (DC) ที่ผลิตได้จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ(AC)เพื่อให้สามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ได้โดยอินเวอร์เตอร์ในระบบเซลล์แสงอาทิตย์สามารถแบ่งออกได้เป็น 2ประเภท คือ อินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อระบบจำหน่าย (Grid-connected or Grid tied inverter) และ อินเวอร์เตอร์แบบอิสระ (Stand-alone inverter) ในช่วงระยะเวลาประมาณ 20 ปี ที่ผ่านมามีงานวิจัยเกี่ยวกับอินเวอร์เตอร์สำหรับการผลิตไฟฟ้า ด้วยโซล่าเซลล์แบบมีการเชื่อมต่อสายส่ง (Grid-connected PV inverters)งานวิจัยเหล่านี้ส่วนหนึ่งเน้นไปที่วงจรหรือเทคนิคการควบคุมใหม่ๆ ซึ่งเมื่ออาศัยความก้าวหน้าด้านโซลิทสเตททำให้มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างเอซีโมดูลที่กะทัดรัดมีประสิทธิภาพสูง มีความไว้วางใจได้ และมีราคาถูกกว่าเดิม

    จากข้อมูลในบทความเบื้องต้นนี้เพื่อให้ผู้ใช้งานสามารถใช้เป็นแนวทางการออกแบบ และติดตั้งระบบ Solar Cell สำหรับบ้านประหยัดพลังงาน ซึ่งจะสามารถทำให้ผู้ใช้สามารถเลือกเทคโนโลยีที่แหมะสมกับพื้นที่ ตรงตามความต้องการ และการเลือกใช้อุปกรณ์ที่ดีมีประสิทธิภาพสูงได้ ท่านสามารถเยี่ยมชมบ้านประหยัดพลังงานและเทคโนโลยี Solar cell ได้ที่อาคารอนุรักษ์พลังงานเฉลิมพระเกียรติ บริเวณเทคโนธานี คลอง 5 ปทุมธานี

ภาพประกอบ
บทความโดย © : www.EnergySavingMedia.com