พลังงานแสงอาทิตย์เหมาะสำหรับใช้ในพื้นที่หนาวเย็นหรือไม่

อุณหภูมิต่ำช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์อย่างไร

หลักการทางวิทยาศาสตร์ของสัมประสิทธิ์อุณหภูมิและสมรรถนะของแผงโซลาร์เซลล์

เมื่ออุณหภูมิภายนอกลดต่ำลง แผงโซลาร์เซลล์จะทำงานได้ดีขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า สัมประสิทธิ์อุณหภูมิลบ (negative temperature coefficient) ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ต่อการลดลงหนึ่งองศาเซลเซียส โดยปกติแล้วแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไปจะมีค่าสัมประสิทธิ์อยู่ที่ประมาณ -0.3% ถึง -0.5% ต่อองศาเซลเซียส ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดมาตรฐานในการทดสอบที่ 25°C (หรือประมาณ 77°F) หลักการทางวิทยาศาสตร์เบื้องหลังนี้ก็น่าสนใจเช่นกัน เนื่องจากที่อุณหภูมิต่ำกว่า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านวัสดุกึ่งตัวนำภายในแผงจะพบกับความต้านทานน้อยลง หมายความว่า เซลล์โฟโตโวลเทอิกสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยสูญเสียพลังงานในระหว่างกระบวนการน้อยลง

ทำไมภูมิอากาศเย็นจึงเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในระบบโฟโตโวลเทอิก

แผงโซลาร์เซลล์ทำงานได้ดีขึ้นในสภาพอากาศเย็น เนื่องจากวัสดุภายในไม่ร้อนมากเกินไป ซึ่งหมายความว่าจะผลิตแรงดันไฟฟ้าได้มากกว่า สายไฟที่ส่งกระแสไฟฟ้ายังมีความต้านทานต่ำลงเมื่ออุณหภูมิลดต่ำ ทุกครั้งที่อุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 25 องศาเซลเซียส แต่ละองศาที่ลดลงจะช่วยให้แผงโซลาร์เซลล์ฟื้นประสิทธิภาพที่สูญเสียไปบางส่วนกลับคืนมา ตามที่เรียกว่า อุณหภูมิสัมประสิทธิ์ (temperature coefficient) สิ่งนี้ทำให้เกิดความแตกต่างอย่างชัดเจนในพื้นที่ที่ฤดูหนาวมีอุณหภูมิลดลงถึงลบ 20 องศาเซลเซียสหรือต่ำกว่า การศึกษาประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์ในสภาพอากาศเย็นจัดบ่งชี้ว่า ปัจจัยทั้งหมดนี้รวมกันสามารถเพิ่มผลผลิตพลังงานได้มากขึ้นระหว่าง 12 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการติดตั้งในพื้นที่อบอุ่นที่ได้รับแสงแดดในปริมาณเท่ากัน

ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของแผงโซลาร์เซลล์ชนิด N-Type ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ

เมื่อพูดถึงประสิทธิภาพในสภาพอากาศหนาว แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบโมโนคริสตัลไลน์ชนิด N จะเหนือกว่าแผงทั่วไป เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ดีกว่า แผงมาตรฐานจะสูญเสียประสิทธิภาพประมาณ 0.35% ต่อองศาเซลเซียส ขณะที่แผงขั้นสูงเหล่านี้สูญเสียเพียงประมาณ 0.25% เท่านั้น ความลับอยู่ที่การออกแบบขั้วไฟฟ้าด้านหลัง ซึ่งช่วยลดการรวมตัวของอิเล็กตรอนที่ไม่พึงประสงค์ สิ่งนี้หมายความว่าในทางปฏิบัติอย่างไร? แผงเหล่านี้ยังคงทำงานได้ดีกว่า 8 ถึง 10% แม้อุณหภูมิจะลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง นี่จึงเป็นเหตุผลที่ผู้ติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์จำนวนมากเลือกใช้แผงประเภทนี้ในเขตอาร์กติก แผงสามารถรักษาผลผลิตได้แม้ในอุณหภูมิที่ต่ำ ซึ่งถือเป็นข้อได้เปรียบสำคัญ เนื่องจากในฤดูหนาววันสั้นและมีแสงแดดจำกัดอยู่แล้ว สำหรับชุมชนในเขตภูมิอากาศขั้วโลก ความเสถียรนี้อาจทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างการมีไฟฟ้าใช้อย่างต่อเนื่อง กับการเกิดไฟฟ้าดับบ่อยครั้ง

ผลกระทบจากการปกคลุมของหิมะต่อการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์: ข้อมูลเชิงลึกจากยุโรปตอนเหนือ

เมื่อมีหิมะสะสมบนแผงโซลาร์เซลล์ จะส่งผลให้ความสามารถในการผลิตพลังงานลดลงอย่างมาก หิมะจะบังแสงแดดโดยตรง และเปลี่ยนวิธีการสะท้อนของแสงจากพื้นผิว เนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอลเบโดอีเฟกต์ การศึกษาที่สถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ในสแกนดิเนเวีย แสดงให้เห็นว่า แม้เพียงหิมะปกคลุมเพียงเล็กน้อย ก็สามารถทำให้การผลิตพลังงานลดลงได้ถึงประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ในช่วงฤดูหนาวที่มีความต้องการใช้พลังงานสูง และหากมีชั้นหิมะหนาทับอยู่ บางครั้งอาจบังแสงแดดได้มากกว่า 90% อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ เนื่องจากหิมะมีคุณสมบัติสะท้อนแสงได้ดี มันจึงทำให้แสงแดดกระเด้งออกไปแทนที่จะตกกระทบเซลล์ของแผงซึ่งจำเป็นต้องใช้ในการผลิตไฟฟ้า นั่นหมายความว่า ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์จำเป็นต้องได้รับการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอเพื่อขจัดหิมะ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่อากาศหนาวเย็นซึ่งปัญหานี้เกิดขึ้นบ่อยครั้งตลอดฤดูหนาว

การวัดปริมาณการสูญเสียพลังงานจากการสะสมของหิมะในช่วงเดือนที่อากาศหนาว

รูปแบบการผลิตพลังงานในพื้นที่ที่มีหิมะตก แสดงให้เห็นถึงการสูญเสียพลังงานที่สามารถคาดการณ์ได้ตามความลึกของหิมะ:

• การที่ฝุ่นบางๆ ตกลงมา (<1") ทำให้พลังงานลดลง 15–25% ต่อวัน
• การสะสมปานกลาง (1–3") ทำให้ผลผลิตลดลง 45–60%
• หิมะตกหนักสะสม (>6") สามารถหยุดการผลิตไฟฟ้าได้ทั้งหมดเป็นเวลาหลายวัน

ระบบติดตั้งในพื้นที่ภูเขาประสบกับการสูญเสียการผลิตในช่วงฤดูหนาวมากกว่าระบบในพื้นที่ราบ 35% เนื่องจากหิมะตกบ่อยและสะสมเป็นเวลานาน

กลยุทธ์แบบพาสซีฟและแอคทีฟเพื่อป้องกันการสะสมของหิมะบนแผงโซลาร์เซลล์

เทคโนโลยีละลายน้ำแข็งและการกำจัดหิมะอัตโนมัติเพื่อประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในช่วงฤดูหนาว

ในปัจจุบัน การดำเนินงานในฤดูหนาวสามารถทำงานได้อย่างราบรื่นด้วยการผสมผสานเทคนิคการให้ความร้อนและกลไกต่างๆ องค์ประกอบการให้ความร้อนที่ปรับตามอุณหภูมิจะป้องกันไม่ให้หิมะเกาะติด โดยการรักษาอุณหภูมิของแผงให้อุ่นพอที่หิมะจะไม่จับตัวเป็นน้ำแข็ง นอกจากนี้ สารเคลือบที่พัฒนาขึ้นที่มหาวิทยาลัยมิชิแกนยังช่วยให้หิมะใหม่หลุดลอกออกจากพื้นผิวส่วนใหญ่ได้อย่างง่ายดาย โดยประมาณ 9 ใน 10 ครั้ง หิมะใหม่จะหายไปภายในสองชั่วโมงหลังจากแสงแดดส่องถึง การทดสอบจริงในแถบสแกนดิเนเวียก็ให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจเช่นกัน เมื่อวิธีการต่างๆ เหล่านี้ทำงานร่วมกัน ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากหิมะจะลดลงต่ำกว่า 5% ต่อปี ซึ่งส่งผลอย่างมากต่อการดำเนินงานในสภาพอากาศหนาวเย็น

มุมเอียง พิกัด และการออกแบบแผงโซลาร์เซลล์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเขตอากาศหนาว

การเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับแสงแดดผ่านมุมเอียงและการจัดวางอย่างมีกลยุทธ์ในพื้นที่ละติจูดสูง

แผงโซลาร์เซลล์ในพื้นที่ทางตอนเหนือที่มีอากาศหนาวเย็น ซึ่งอยู่เหนือระดับละติจูดประมาณ 45 องศา จะทำงานได้ดีที่สุดในช่วงฤดูหนาว เมื่อปรับมุมเอียงให้ชันขึ้นอีกประมาณ 15 ถึง 25 องศาเมื่อเทียบกับค่าละติจูดจริงของพื้นที่นั้น ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงการตั้งมุมเอียงไว้ที่ประมาณ 60 ถึง 75 องศา การปรับเช่นนี้สามารถเพิ่มปริมาณการผลิตไฟฟ้าในช่วงฤดูหนาวได้มากขึ้นระหว่าง 18 ถึง 23 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการติดตั้งแบบทั่วไป การหันแผงไปทางทิศใต้ยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากสามารถรับแสงแดดได้เกือบทั้งหมดในซีกโลกเหนือ กล่าวคือสามารถดูดซับแสงสว่างในช่วงเวลากลางวันได้ถึงเกือบ 97% งานวิจัยล่าสุดจาก Moserbaer Solar ในปี 2023 สนับสนุนข้อมูลนี้อย่างมั่นคง โดยแสดงให้เห็นว่าการปรับแต่งดังกล่าวส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอย่างแท้จริง

การเอียงที่ชันขึ้นยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสะท้อนหิมะออกโดยธรรมชาติ ลดการสูญเสียจากหิมะสะสมได้สูงสุดถึง 11% เมื่อเทียบกับระบบทั่วไป

การปรับปรุงทางวิศวกรรมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในสภาพแวดล้อมที่หนาวเย็น

ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ที่ออกแบบสำหรับสภาพอากาศหนาว มีการปรับปรุงด้านการออกแบบ 3 ประการหลัก ได้แก่

1. การเสริมโครงสร้าง : กรอบอลูมิเนียมที่สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิ -40°C ทนต่อการหดตัวจากความร้อนได้ดีในสภาวะสุดขั้ว
2. เซลล์แสงอาทิตย์สำหรับอุณหภูมิต่ำ : แผงชนิด N-type TOPCon ยังคงประสิทธิภาพได้ 94% ที่อุณหภูมิ -25°C (-13°F) สูงกว่าโมดูล PERC มาตรฐาน (88%)
3. โครงสร้างแบบสองด้าน (Bifacial) : แผงสองด้านสามารถรับแสงสะท้อนจากพื้นหิมะ ทำให้ผลผลิตพลังงานในฤดูหนาวเพิ่มขึ้น 19–27%

ระบบติดตั้งขั้นสูงอนุญาตให้ปรับมุมเอียงตามฤดูกาลจากระยะไกล ในขณะที่เคลือบผิวกระจกแบบไฮโดรโฟบิกช่วยลดการเกาะติดของน้ำแข็งได้ 53% ทำให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือระหว่างรอบการแช่แข็งและละลาย รวมกันแล้ว การปรับปรุงเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นจากสภาพอากาศหนาว พร้อมทั้งลดข้อเสียจากสิ่งแวดล้อมให้น้อยที่สุด

การจัดการกับปริมาณแสงแดดที่ลดลงในช่วงฤดูหนาว

ความแปรปรวนตามฤดูกาลของชั่วโมงแสงแดดและความเข้มของแสงอาทิตย์ในพื้นที่หนาวเย็น

ฤดูหนาวที่หนาวจัดหมายถึงวันที่สั้นลงมากและแสงแดดอ่อนลง โดยเฉพาะในพื้นที่ทางตอนเหนือ ซึ่งผู้คนอาจได้รับแสงแดดอ่อนเพียงประมาณ 4 ถึง 5 ชั่วโมงต่อวัน การได้รับแสงแดดน้อยลงหมายถึงมีโฟตอนกระทบแผงโซลาร์เซลล์น้อยลง ส่งผลให้ผลิตพลังงานลดลงระหว่าง 40% ถึง 60% เมื่อเทียบกับที่ผลิตได้ในช่วงฤดูร้อน แม้ว่าแผงโซลาร์เซลล์ในปัจจุบันจะทำงานได้ดีพอสมควรเมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ระดับเยือกแข็ง แต่ก็ยังไม่มีแสงเพียงพอตลอดระยะเวลาหนึ่งวันเพื่อสร้างไฟฟ้าในปริมาณที่มีนัยสำคัญ ปัญหาที่แท้จริงไม่ใช่อุณหภูมิเอง แต่เป็นปริมาณแสงแดดที่ตกกระทบแผงในแต่ละวันที่มีน้อยเกินไป

ความท้าทายด้านผลผลิตพลังงานในช่วงวันสั้นของฤดูหนาว และแนวทางการบรรเทา

กลยุทธ์ที่พิสูจน์แล้วสามประการที่ช่วยลดข้อจำกัดด้านพลังงานในฤดูหนาว

• แผงโมโนคริสตัลไลน์ประสิทธิภาพสูง ที่ทำงานได้ดีขึ้นภายใต้สภาวะแสงกระจาย
• ระบบติดตามสองแกน (Dual-axis tracking systems) ที่เพิ่มพื้นที่รับแสงให้มากที่สุดในช่วงเวลาที่มีแสงแดดจำกัด
• ธนาคารแบตเตอรี่ที่มีฉนวนกันความร้อน ที่เก็บพลังงานส่วนเกินจากช่วงพีคกลางวัน

เมื่อใช้ร่วมกับโซลูชันการจัดเก็บพลังงานอัจฉริยะ แนวทางเหล่านี้สามารถชดเชยการสูญเสียการผลิตในแต่ละฤดูได้สูงถึง 80% การรวมเข้ากับมุมเอียงที่เหมาะสมกับฤดูหนาวโดยเฉพาะมุมประมาณ 60° ในพื้นที่ละติจูดสูง จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับแสงแดดและช่วยให้หิมะหลุดออกตามธรรมชาติได้ดียิ่งขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

อุณหภูมิต่ำช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์ได้อย่างไร

อุณหภูมิต่ำจะลดความต้านทานภายในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ของแผงโซลาร์เซลล์ ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมากขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพ

การที่หิมะสะสมอยู่บนแผงโซลาร์เซลล์ส่งผลกระทบในทางลบหรือไม่

ใช่ หิมะสามารถบังแสงแดดและลดการผลิตพลังงานอย่างมาก บางครั้งอาจลดลงได้ถึง 90% หากไม่ทำการกำจัดออก

กลยุทธ์ใดบ้างที่สามารถช่วยป้องกันการสะสมของหิมะบนแผงโซลาร์เซลล์

ทั้งวิธีแบบพาสซีฟ เช่น การปรับมุมเอียงของแผง และวิธีแบบแอคทีฟ เช่น ระบบทำความสะอาดอัตโนมัติด้วยหุ่นยนต์ สามารถช่วยลดการสะสมของหิมะได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แผงโซลาร์เซลล์สามารถชดเชยแสงแดดที่ลดลงในช่วงฤดูหนาวได้อย่างไร

การใช้แผงประสิทธิภาพสูง ระบบติดตามตำแหน่งดวงอาทิตย์สองแกน และแบตเตอรี่แบบมีตัวสำรองความร้อน สามารถช่วยบรรเทาผลกระทบจากชั่วโมงของแสงแดดที่สั้นลงได้