นวัตกรรมพลังงานแสงอาทิตย์

สรุปประเด็นหลัก

นวัตกรรมในกลุ่มโซลาร์เซลล์กำลังมุ่งคิดค้นและพัฒนาอนุภาคนาโนไวแสง Hairy solar panels โซลาร์โมดุลแบบสองหน้า ฟิล์มบาง แผงโซลาร์อินฟราเรด เพื่อให้ได้เซลลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้ามากขึ้น ด้วยต้นทุนที่ต่ำลง
นวัตกรรมในกลุ่มประยุกต์ เช่น หน้าต่างโซลาร์ แผงโซลาร์เซลล์ล์ลอยน้ำ แผงโซลาร์แบบติดตามแสงอาทิตย์ กระเบื้องโซลาร์ หรือ Solar skin กำลังได้รับการพัฒนา เพื่อให้การผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ตอบสนองการใช้งานได้ดียิ่งขึ้น
ถนนและรถยนต์พลังงานแสงอาทิตย์ ยังเป็นแค่แนวคิดและการทดลองที่ยังไม่สามารถนำมาใช้งานได้จริงในเวลานี้ แต่การพัฒนาก็มีแนวโน้มในทางบวก

บทนำ

แม้ว่าการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์จะเริ่มแพร่หลายมากขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น ต้นทุนต่ำลง และอุปกรณ์ต่าง ๆ มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น แต่การคิดค้นและพัฒนาด้านนี้ก็ไม่หยุดนิ่ง เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานชนิดนี้ให้ได้มากที่สุด คุ้มค่าที่สุด สะดวก และมีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ต่อไปนี้เป็นนวัตกรรมบางส่วนที่กำลังมีการคิดค้นกันอยู่ในปัจจุบัน โดยที่หลายอย่างก็ยังเป็นแค่เพียงแนวคิด หรืออยู่ระหว่างการทดลองยังไม่ได้นำออกมาใช้งานได้จริง

วัตถุประสงค์ของบทความ

เพื่อแสดงให้เห็นถึงนวัตกรรมที่เกิดจากพลังงานแสงอาทิตย์

นวัตกรรมจากพลังงานแสงอาทิตย์

อนุภาคนาโนไวแสง (Light sensitive nanoparticles) นวัตกรรมนี้น่าจะจัดได้ว่าเป็นการปฏิวัติวงการพลังงานแสงอาทิตย์เลยก็ว่าได้ นักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโตค้นพบว่า ควอนตัมดอทชนิดใหม่นี้มีสเถียรภาพและสามารถดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ได้มีประสิทธิภาพมากกว่า สามารถเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าเทคโนโลยีเดิมถึง 8 เปอร์เซ็นต์
Hairy solar panels นวัตกรรมชิ้นนี้เป็นนาโนเทคโนโลยีแบบหนึ่ง โดยใช้สายนาโนไวแสง ซึ่งมีคุณสมบัติในการดูดซับแสงอาทิตย์ได้ดีกว่าซิลิคอน ซึ่งหมายความว่า จะทำให้แผงโซลาร์เซลล์ชนิดนี้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ดีกว่าแผงที่ทำจากซิลิคอนทั้งหลาย
โซลาร์โมดุลแบบ 2 หน้า (Bifacial Solar Modules) เป็นการปฏิวัติแผงโซลาร์เซลล์อีกเช่นกัน กล่าวคือแผงโซลาร์เซลล์ใช้งานได้เพียงด้านเดียวเพื่อรับแสงอาทิตย์ แต่เทคโนโลยีใหม่นี้สามารถใช้ได้ทั้ง 2 ด้าน ถ้าหากติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์นี้บนพื้นที่ซึ่งมีการสะท้อนแสงได้ พื้นที่ด้านตรงข้ามแสงอาทิตย์ก็สามารถรับแสงสะท้อนนั้นแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ด้วยเช่นกัน คาดว่าจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้อีกถึง 30 เปอร์เซ็นต์ แผงโซลาร์เซลล์ชนิดนี้อาจจะออกแบบได้หลายลักษณะ บางอันอาจจะมีกรอบ บางอันอาจจะไม่มีกรอบ อาจจะสามารถใช้กระจกเงา เพื่อสะท้อนแสงให้เข้าด้านหลังของแผงโซลาร์เซลล์นี้ได้
ฟิล์มบาง (Thin film) การผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์อาจจะไม่จำเป็นต้องพึ่งพา
แผงขนาดใหญ่อีกต่อไปแล้วเมื่อมีนวัตกรรมฟิล์มบางเกิดขึ้น เราจะสามารถมีแผงโซลาร์เซลล์ชนิดที่ม้วนได้ ซึ่งไม่ใช่แค่ประหยัดต้นทุนเท่านั้น แต่ยังสามารถติดตั้งในพื้นที่ซึ่งมีรูปร่างลักษณะที่หลากหลายมากขึ้น
แผงโซลาร์เซลล์ อินฟราเรด (Infrared spectrum solar panels) ปัจจุบันการผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดมาจากสเปกตรัมของแสงที่มนุษย์มองเห็นด้วยตาเปล่าได้ แต่ในความเป็นจริงแสงอาทิตย์มีสเปกตรัมอื่น ๆ ที่ไม่ได้นำมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าอยู่ด้วย แต่มีการวิจัยที่ทดลองใช้วัสดุชนิดอื่น ๆ เช่น Vanadium และ Titanium เป็นสารกึ่งเหนี่ยวนำ (Semiconductor) เพื่อให้แผงโซลาร์เซลล์สามารถจับแสงอินฟาเรดจากดวงอาทิตย์และเปลี่ยนมาเป็นกระแสไฟฟ้าได้ด้วย ซึ่งนั่นจะทำให้การผลิตกระแสไฟฟ้าทำได้ดีมีประสิทธิภาพมากขึ้น
หน้าต่างโซลาร์ (Solar window) แผงโซลาร์ชนิดโปร่งใสคล้ายกระจก สามารถนำมาติดตั้งบริเวณหน้าต่าง เพื่อรับแสงอาทิตย์ในเวลาเช้าหรือบ่ายที่ดวงอาทิตย์อยู่ในมุมหน้าต่างได้ โดยที่คนในบ้านยังสามารถมองเห็นนอกบ้านทางหน้าได้เช่นเดิม คุณสมบัติโดดเด่นอีกประการหนึ่งของหน้าต่างโซลาร์นี้คือ เป็นเซลล์ที่มีขนาดเล็กมาก คือค่า ¼ ของเมล็ดข้าวเท่านั้นเอง และมันก็สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิห้องปกติ โดยไม่ต้องมีอุปกรณ์พิเศษเสริมเลย
แผงโซลาร์ลอยน้ำ (Floating solar panels) แม้ว่าในประเทศไทยจะเริ่มรู้จักแผงโซลาร์เซลล์ชนิดนี้
กันบ้างแล้ว แต่ก็ถือว่าเป็นนวัตกรรมใหม่ในอุตสาหกรรมนี้ เพราะว่ามีการออกแบบแผงโซลาร์เซลล์ที่เอาไปติดตั้งบนผิวน้ำได้ สำหรับโครงการผลิตกระแสไฟฟ้าที่ไม่สามารถหาพื้นที่โล่งเตียนเพื่อทำโซลาร์ฟาร์มได้
แผงโซลาร์ชนิดติดตามแสงอาทิตย์ แผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นแบบคงที่ แต่ติดตั้งในตำแหน่งและมุมที่สามารถรับแสงอาทิตย์ในช่วงเวลานานที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ก็ยังมีขีดจำกัดอยู่มาก เพราะมุมของแสงอาทิตย์ตั้งแต่เช้าถึงค่ำนั้นเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา จึงมีการคิดค้นแผงที่สามารถหมุนตามมุมของแสงอาทิตย์ได้ในรูปแบบต่าง ๆ เช่น บางที่ทำเป็นรูปดอกทานตะวัน เรียกว่า Smart flower หรือในโซลาร์ฟาร์มส่วนใหญ่ก็ทำให้แผงโซลาร์เซลล์ทั้งหมดสามารถหมุนตามมุมของแสงอาทิตย์ในแต่ละช่วงเวลาของวัน เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้ามากที่สุด
กระเบื้องหลังคาโซลาร์เซลล์ หรือบางทีเรียกว่า ผิวโซลาร์ (Solar skin) เป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับโซลาร์รูฟท็อป ซึ่งแต่เดิมคือ การนำแผงโซลาร์เซลล์สี่เหลี่ยมไปติดตั้งบนหลังคาเพื่อรับแสงอาทิตย์ แต่ก็มีปัญหาว่าทำให้หลังคาบ้านดูน่าเกลียดขาดความสวยงามและเทอะทะ จึงมีการออกแบบแผงโซลาร์เซลล์ให้มีรูปร่างเหมือนแผ่นกระเบื้องมุงหลังคาหรือทำให้เข้ากับพื้นผิวที่จะนำไปติดตั้งเพื่อความสวยงามและให้ประสิทธิภาพในการแปลงกระแสไฟฟ้าได้ดียิ่งขึ้น
ไมโครอินเวอร์เตอร์ (Microinverter) ปกติแล้วไฟฟ้าที่ได้จากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นกระแสตรง จำเป็นจะต้องมีตัวแปลงให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อให้ใช้กับระบบไฟฟ้าที่ใช้กันอยู่ทั่วไปตามบ้านพักอาศัยและโรงงานอุตสาหกรรม แต่ปัญหาคือ ตัวแปลงกระแสนี้มีราคาค่อนข้างแพงและประสิทธิภาพต่ำ แต่นวัตกรรมตัวนี้จะช่วยให้ตัวแปลงกระแสไฟทำได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยราคาที่ถูกลง ต้นทุนการผลิตกระแสไฟฟ้าจากรูฟท็อปก็จะลดต่ำลง
ถนนพลังแสงอาทิตย์ ทุกวันนี้เราอาจจะเห็นแผงโซลาร์เซลล์ในหลาย ๆ ที่ เช่น หลังคาบ้าน โคมไฟรอบบ้านหรือริมถนน หรือในโซลาร์ฟาร์ม แต่กำลังมีความคิดใหม่ว่า สามารถเอาแผงโซลาร์เซลล์ปูไปตามขอบทางหรือแม้แต่บนผิวถนนเพื่อให้มันรับแสงอาทิตย์ผลิตกระแสไฟฟ้าได้หรือไม่ ในทางทฤษฎีมีความเป็นไปได้ว่า ผิวถนนโซลาร์เซลล์นั้นจะต้องมี 3 ชั้น คือ ชั้นบนสุดเป็นวัสดุที่แข็งแรงมาก ชั้นที่สองเป็นกระจกหรือวัสดุโปร่งใส ชั้นที่สามเป็นแผงวงจรสำหรับเก็บและเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถเอาไปใช้เพื่อส่องสว่างให้กับถนนและให้เป็นสัญญาณไฟจราจร แม้ว่าหลายบริษัทกำลังทดลองอยู่ แต่ก็มีปัญหาหลายประการ เช่น เงา (ของยานพาหนะ) ที่ตกลงบนถนน ฝุ่น ขยะ หรือการระบายอากาศที่ไม่เหมาะสมอาจจะทำให้ประสิทธิภาพของการผลิตกระแสไฟฟ้าลดลงได้ การทดลองที่นอมังดีของฝรั่งเศสเมื่อปี พ.ศ. 2559 พบว่า ถนนพลังโซลาร์ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพมากนักและหลังจากทดลองอยู่ 3 ปีก็ได้ข้อสรุปว่า โครงการนี้ล้มเหลว เพราะถนนนี้ไม่เพียงแต่ผลิตไฟฟ้าไม่ได้ตามที่ต้องการ หากแต่ยังเสียหายในเวลาอันรวดเร็วอีกต่างหาก อย่างไรก็ตาม ความล้มเหลวของโครงการในฝรั่งเศสไม่ได้ทำให้มนุษย์หมดหวัง เพราะในห้องทดลองในแอตแลนตา รัฐจอร์เจียของสหรัฐอเมริกายังคงมีการทดลอง
แบบเดียวกันนี้อยู่ จนถึงเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2562 ถนนพลังงานแสงอาทิตย์ความยาว 18 ไมล์ ยังคงทดลองใช้งานอยู่ และนักวิจัยคาดว่าจะสามารถพัฒนามันต่อไปได้ในอนาคต
รถยนต์พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นสิ่งที่มนุษย์จำนวนไม่น้อยฝันอยากจะเห็นและได้ใช้งาน นับแต่มีความพยายามที่จะประดิษฐ์รถยนต์พลังงานแสงอาทิตย์มาตั้งแต่ทศวรรษ 1970s เป็นต้นมา บริษัทรถยนต์ขนาดใหญ่ ตั้งแต่ โตโยต้า ฟอร์ด มาสดา ฯลฯ มี Concept car หรือรถต้นแบบออกมาแล้วทั้งนั้น แต่จนถึงปัจจุบันยังไม่มีบริษัทใดบรรจุรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เข้าสู่สายพานการผลิตเลย ที่เห็นเป็นรถไฟฟ้าใช้งานกันบ้างในปัจจุบันเป็นประเภทลูกผสม (Hybrid) หรือไม่ก็เป็นแบบ Plug-in แต่ประเภทที่ฝันกันว่าจะเห็นรถยนต์ ที่มีแผงโซลาร์เซลล์ล์บนหลังคาวิ่งไปตามที่ต่าง ๆ นั้น นักวิจัยส่วนใหญ่ลงความเห็นแล้วว่าเป็นไปได้ยาก เพราะพื้นที่บนหลังคารถยนต์นั้นเล็กเกินกว่าจะติดตั้งโซลาร์เซลล์ที่มากพอจะผลิตกระแสไฟฟ้าให้รถยนต์วิ่งไปได้ไกล ๆหรือมีสมรรถนะสูงแบบเดียวกันที่ใช้น้ำมันหรือแก๊ส ปัจจุบันนี้ทำได้แค่ผลิตกระแสไฟฟ้าเก็บใส่แบตเตอร์รี่ได้มากที่สุดก็พอจะวิ่งไปได้ 40 กิโลเมตรเท่านั้น ที่พอจะทำได้เพื่อความโก้เก๋คือ ใช้ไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับเครื่องเสียงและอุปกรณ์เล็ก ๆ น้อย ๆ ภายในรถเท่านั้น แต่ไม่มากพอจะใช้ขับเคลื่อนรถยนต์ได้ อย่างไรก็ตาม บริษัทรถยนต์ต่าง ๆ ยังไม่ละความพยายาม Sono Motor ของเยอรมนี กำลังทดลองติดตั้งโซลาร์เซลล์รอบคันรถ เมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2563 บริษัทนี้ประกาศว่า กำลังจะผลิตรถยนต์ต้นแบบนี้ออกมาในเร็ววันนี้ โตโยต้าทดลองติดตั้งโซลาร์เซลล์บนหลังคาและพื้นที่กระจกหลังบนรถพีอุส แต่ยังเป็นแค่โครงการทดลองซึ่งพบว่า ใช้วิธีชาร์จไฟเก็บไว้ในแบตเตอรี่จะสะดวกและมีประสิทธิภาพกว่า ฮุนไดของเกาหลีใต้ประกาศว่า รถยนต์รุ่นโซนาตา ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานในการชาร์จแบตเตอร์รี่แล้วแต่ยังไม่มีประสิทธิภาพนัก เพราะชาร์จไฟทั้งวันขับเคลื่อนรถยนต์คันนั้นไปได้แค่ 3 กิโลเมตรเศษ ๆ เท่านั้นเอง แม้ อีลอน มัสก์ แห่งเทสลา จะประกาศว่า พลังงานแสงอาทิตย์ใช้กับรถยนต์ได้ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพนักก็ตาม แต่บริษัทนี้ก็ประกาศว่าในปี พ.ศ. 2564 จะเปิดตัว Tesla Cybertruck เพื่อเป็นทางเลือกให้กับรถยนต์พลังงานแสงอาทิตย์

บทสรุป

นอกจากพลังงานแสงอาทิตย์จะสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้แล้ว หลายภาคส่วนยังพยายามคิดค้นนวัตกรรมอื่น ๆ จากพลังงานแสงอาทิตย์ โดยหวังว่าจะสามารถนำพลังงานชนิดนี้มาใช้ประโยชน์ให้ได้มากที่สุด

อ้างอิง

กรมพัฒนาพลังงานทดแทน และอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (ม.ป.ป.). นวัตกรรมบ้านประหยัดพลังงานแสงอาทิตย์. จาก https://www.dede.go.th/download/jum_60/25_12dec60.pdf

Aaron Larson. (2020). Future of solar energy brighter than sun: Rapid innovations pave the way. From https://www.powermag.com/blog/future-of-solar-energy-brighter-than-sun-rapid-innovations-pave-the-way/

Cristen Conger and Cherise Threewitt. (2020). Solar panels are slowly making their ways on cars. From https://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/vehicles/solar-cars.htm

Direk Markham. (n.d.). Top 6 innovations in solar power. From https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/6-innovations-solar-power.htm

Emiliano Bellini. (2019). New transparent solar cell for window applications. From https://www.pv-magazine.com/2019/12/12/new-transparent-solar-cell-for-window-applications/

HelioSCSP. (2019). Innovations and technologies disrupting the solar power industry. From http://helioscsp.com/six-innovations-and-technologies-disrupting-the-concentrated-solar-power-industry/#:~:text=In%20the%20past%20few%20years,concentrated%20solar%20power%20(CSP)

Patrick E George and Charise Threewitt. (2019). How solar panel highways work. From https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar-panel-highway.htm

Energy Sage. (n.d.). Solar panel technology: Learn about the latest advances in solar technology. From https://news.energysage.com/solar-panel-technology-advances-solar-energy/