โซล่าเซลล์ การทำ Optimisation

บทความนี้ผมอยากจะชี้ให้เห็นอีกประเด็นหนึ่งในงานสถาปัตยกรรมที่ควรคำนึงถึงเกี่ยวกับการหาว่าแผง โซล่าเซลล์ ควรเงยกี่องศา และหมุนกี่องศา ที่ไม่ใช่การวางแบบทั่วๆไปที่ทำมุมเงยตาม Latitude ของตำแหน่งนั้นๆ โดยผมจะไม่ได้บอกสูตรสำเร็จอะไรว่าสุดท้ายมันควรเป็นกี่องศากันแน่ แต่พยามจะบอกว่ามันมีอะไรให้คำนึงถึงมากกว่าเรื่อง Latitude ครับ

สรุปบทความนี้แบบย่อๆ

ถ้าใครไม่อยากอ่านยาว เอาแบบสั้นๆก็คือ ทั่วๆให้หันไปทิศใต้ มุมเงยก็ดูตาม Lattitude เอา เช่นอยู่กรุงเทพ ก็เงยประมาณ 14 องศา ภูเก็ตก็เงยประมาณ 8 องศา เชียงใหม่ก็เงยประมาณ 19 องศา เป็นต้น

แต่ถ้าเอาแบบเฉพาะเจาะจงมากขึ้น ควรดูการใช้พลังงานของอาคารนั้นๆ แล้วดูให้พลังงานจากโซล่าเซลล์ครอบคลุมการใช้งานในทุกๆชั่วโมง ดีกว่าคิดเฉลี่ยเป็นปี เพราะพลังงานเก็บเอาไว้ในแบตเตอรี่แล้วเอามาใช้มันเสียประสิทธิภาพ

Note 1: ผมคิดว่าเรามีคู่มือเกี่ยวกับการออกแบบโซล่าเซลล์ที่น่าจะโอเคอยู่แล้ว (ผมไม่เคยอ่าน) ซึ่งเป็นของสมาคมสถาปนิกสยาม ชื่อ  "คู่มือปฏิบัติวิชาชีพ การออกแบบระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ สำหรับอาคารในประเทศไทย" โดยสั่งซื้อได้ ที่นี่ ราคาสมาชิคเล่มละ 500 บาท 

Note 2: สมาคมสถาปนิกสยามเคยจัดอบรมหัวข้อเรื่อง "การออกแบบติดตั้งโซล่าเซลล์สำหรับอาคาร" ดูใน youtube ได้ ที่นี่ ครับ

ที่มาของเรื่อง

ถ้าจะติดโซล่าเซลล์ให้กับอาคาร ควรวางแผงโซล่าให้เอียงขึ้นมาจากระนาบพื้นไปทิศใต้กี่องศา? วันก่อนเพื่อนผมก็ถามผมแบบนี้แหละ ผมก็ตอบไปตาม Step ทั่วๆไปว่าประมาณ 13-15 องศา (ยกตัวอย่างรูปที่ 1) เพราะ Latitude ตั้งแต่ใต้สุดไปเหนือสุดของประเทศไทยทำอยู่ที่ประมาณ 5 ถึง 19 องศาเหนือ การคิดทั่วๆไปก็คือเอาองศาของ Latitude นี่แหละมาคิดเป็นมุมเงยขึ้นมา

แต่ผมก็บอกเพื่อนว่า เอ้ยๆ ที่บอกไปว่า 15 องศานี่ก็ไม่ใช่ว่าจะดีที่สุดนะ มันยังมีดีกว่านี้อีก (สำหรับข้อจำกัดในงานของเพื่อน) แต่ขอเวลาคิดหน่อย เพราะมันต้องดูหลายอย่าง

รูปที่ 1 แสดงปริมาณแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบลงบนพื้นที่ในแต่ละองศา โดยจะเห็นว่าการหันไปทางทิศใต้แล้วเงยขึ้นมา 13.5 องศา จะมี Radiation มากที่สุด

เข้าเรื่อง!

โซล่าเซลล์: การทำ Optimisation แบบรายวัน

ถ้าเราทำโซล่าฟาร์ม แบบใช้โซล่าเซลล์เพื่อผลิตพลังงานเพื่อขายเอาเงิน หรือขายให้กับใครๆก็ตาม แล้วผลิตเท่าไหร่ก็ขายได้เงินเท่านั้น เช่น ผลิตได้ 100 ก็ขายออก 100 ไม่ว่าจะเป็นช่วงเวลาใดก็ตาม แบบนี้เราก็คงอยากผลิตไฟฟ้าให้ได้มากที่สุด โดยทั่วไปแล้วก็เงยขึ้นมาตาม Latitude แบบทั่วๆไป เช่น ถ้า Site อยู่ที่กรุงเทพ ก็เงยมาทางทิศใต้สักประมาณ 13-15 องศา เป็นต้น

แต่สำหรับงานสถาปัตยกรรม บางคนอาจจะติดโซล่าเซลล์ โดยคิดว่าจะขายให้การไฟฟ้า ไม่ได้ผลิตเพื่อมาใช้เองในอาคาร (กรณีนี้ควรศึกษาข้อกำหนดเพิ่มเติม ผมเข้าใจว่ามันไม่ใช่ว่าใครคิดจะทำก็ทำได้เลย มันต้องซื้อใบอนุญาต) ซึ่งอันนี้คงเข้าข่ายคล้ายๆกับก่อนหน้านี้

แต่จะมีอีกแบบ ก็คือติดเพื่อเอาพลังงานมาใช้ในอาคาร โดยทั่วๆไปคือถ้าโซล่าเซลล์ผลิตพลังงานเกินว่าที่ใช้ในช่วงเวลานั้นๆ ก็จะมีแบตเตอรี่เก็บไฟเอาไว้ แล้วถ้าโซล่าเซลล์ผลิตได้น้อยกว่าที่ใช้ก็ให้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่เก็บเอาไว้ ถ้าแบตเตอรี่เต็มแล้วแต่ผลิตได้เกินอยู่ก็ค่อยขายออกข้างนอกเป็นต้น

แต่การเก็บพลังงานไว้ในแบตเตอรี่ ทำให้ประสิทธิภาพลดลง ฉะนั้น มันจะดีกว่าถ้าเราสามารถใช้พลังงานที่ได้จากโซล่าเซลล์ทันทีเลย โดยพลังงานที่เกินมาแล้วจะเก็บไว้ในแบตเตอรี่ไม่สำคัญเท่าการที่มีพลังงานจากโซล่าเซลเพียงพอตลอดเวลา

งงไหมครับ? เดี๋ยวผมจะอธิบายตรงนี้อีกรอบ ก็คือว่า สมมุติว่าเราผลิตได้ 100 ในวันเดียว แล้วใช้ไปอีก 100 วัน วันละ 1 กับผลิตได้วันละ 1 ไป 100 วัน และใช้วันละ 1 เหมือนกัน แบบหลังดีกว่า

โดยย่อ แปลว่า ถ้าอาคารใช้พลังงานตอนบ่ายมาก มันจะดีกว่าถ้าโซล่าเซลล์ผลิตพลังงานในตอนบ่ายได้มากพอที่จะครอบคลุมการใช้พลังงานในช่วงบ่าย ดีกว่าผลิตเยอะรวมทั้งวัน แต่ปล่อยให้ตอนบ่ายต้องดึงพลังงานจากข้างนอกเข้ามามากนั่นเอง

เพื่อช่วยให้เห็นภาพคร่าวๆ รูปที่ 2 คือการใช้พลังงานของอาคารสำนักงานตัวอย่าง ส่วนรูปที่ 3 คือปริมาณพลังงานที่โซล่าเซลล์ผลิตได้ จะเห็นว่าการใช้พลังงานเกิดขึ้นมากในตอนประมาณบ่าย 3 แต่โซล่าเซลล์ผลิตได้มากช่วงประมาณบ่ายโมง ซึ่งมันน่าจะดีกว่า ถ้าเราสามารถทำให้พลังงานที่ได้จากโซลล่าเซลล์มันเกลี่ยมาทางบ่ายๆเพิ่มขึ้น เป็นต้น

รูปที่ 2 แสดงการใช้พลังงานรายชั่วโมงจากอาคารตัวอย่างประเภทสำนักงาน

รูปที่ 3 แสดงปริมาณพลังงานที่ผลิตได้รายชั่วโมงจากโซล่าเซลล์พื้นที่ 100 ตารางเมตรโดยหันไปทางทิศใต้และทำมุมเงย 13.5 องศา

วิธีคิด

เอาละ เมื่อทราบแนวคิดพื้นฐานกันแล้ว ผมจะแสดงวิธีคิดแบบที่ซับซ้อนน้อยเพื่อเป็นตัวอย่าง

วิธีก็คือ ผมเอาการใช้พลังงานเพื่อทำความเย็น (เปิดแอร์นั่นเอง) ของอาคารสำนักงานตัวอย่าง ขนาด 100 ตารางเมตร ในทุกๆวัน กับการผลิตพลังงานของแผงโซล่าเซลล์พื้นที่ 100 ตางเมตร ในแต่ละวันมาเทียบกัน แล้วดูว่า โซล่าเซลหันไปมุมไหนจะทำให้มี ปริมาณความต้องการพลังงานที่เกินว่าที่ผลิตได้ต่อวันน้อยที่สุด

โดยถ้าวันที่ผลิตได้มากกว่าใช้ พลังงานจะไม่ถูกทดเอาไว้สำหรับวันต่อไป

เคสทั่วไป คือแผงโซล่าเซลล์หันไปทิศใต้ ทำมุมเงยขึ้นมา 13.5 องศา (รูปที่ 4)

รูปที่ 4 แสดงเคสทั่วไป

จะเห็นว่าถ้าดูทั้งปีแล้ว โซล่าเซลล์ผลิตพลังงานได้มากกว่าที่ใช้ไปถึง 211.14 kWh เลยทีเดียว (โดยมันจะเกิดขึ้นได้ถ้าหากเราสามารถเก็บพลังงานที่ได้จากโซล่าเซลล์ไว้ใช้เฉลี่ยทั้งปีโดยประสิทธิภาพไม่ลดลงเลย ซึ่งเป็นไปไม่ได้เลย) และมีจำนวนวันที่โซล่าเซลล์ผลิตได้น้อยกว่าที่ใช้ในชั่วโมงนั้นๆอยู่ถึง 202 วัน และแต่ละวันเฉลี่ยแล้วใช้พลังงานเกินกว่าผลิตได้อยู่ประมาณ 5.51 kWh

เคสที่ปริมาณพลังงานที่ต้องการเกินกว่าที่ผลิตได้ต่อวันน้อยที่สุด (รูปที่ 5)

รูปที่ 5 แสดงเคสที่ปริมาณพลังงานที่ต้องการเกินกว่าที่ผลิตได้ต่อวันน้อยที่สุด

เคสนี้แผงโซล่าเซลล์เงยขึ้นมาทางทิศใต้ประมาณ 7.9 องศา โดยจะเห็นว่าความต้องการพลังงานที่เกินมาลดลงจาก 1,112 kWh ไปเป็น 1,085 kWh หรือประมาณ 2.4% และพลังงานที่เกินมาเฉลี่ยแล้วตกวันละ 5.37 kWh ซึ่งลดลงจาก 5.51 kWh

ในขณะที่ถ้าดูทั้งปีแล้ว โซล่าเซลล์ผลิตพลังงานได้น้อยลง แต่อย่างที่บอกไว้ตอนต้น ว่า 1) เราไม่สามารถเก็บพลังงานที่ผลิตได้เอาไว้เฉลี่ยใช้ทั้งปีได้ 2) การขายออกไปให้กับรัฐอาจจะไม่ได้ทำได้อย่างที่คิด

สรุป

สรุปแล้ว ถ้าต้องการจะผลิตให้ได้มากที่สุด ก็วางแผงโซล่าเซลล์แบบนึง แต่ถ้าเน้นการเอาพลังงานมาใช้ในอาคาร ก็ควรจะมีวิธีคิดอีกแบบหนึ่ง

ที่ผมบอกเอาไว้ว่าตัวอย่างนี้มีซับซ้อนน้อย เพราะอย่างหนึ่งที่สำคัญที่ผมตัดออกไปคือเรื่องของประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ เพราะผมทำการเทียบเป็นวัน และปริมาณพลังงานที่โซล่าเซลล์ผลิตเกินมาของวันก่อนหน้าจะไม่ถูกนับในวันต่อไป ซึ่งตรงนี้ควรเปลี่ยนไปตามสภาพของแบตเตอรี่ เช่นถ้าพลังงานเก็บได้ 2 อาทิตย์ ก็ให้มัน ทบเอาไว้สองอาทิตย์ เป็นต้น

สุดท้ายที่สำคัญที่สุด ก็คือว่าอยากให้สนใจในรายละเอียดเรื่องของการใช้พลังงานของอาคารด้วย ซึ่งมีมากกว่านี้แน่นอน เพราะอาจจะทำให้เห็นจุดสำคัญที่เป็นความเฉพาะของโครงการนั้นๆครับ

จบ