ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์ พลังงานแสงอาทิตย์ นวัตกรรมใหม่เพื่อลดการใช้น้ำมัน

ปัจจุบันการใช้งาน ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์ มีมากมายหลากหลายรูปแบบ ซึ่งขึ้นอยู่กับผู้ใช้แต่ละคนว่าจะมีความคิดสร้างสรรค์ และมีการนำเอาเทคโนโลยีประเภทนี้มาประยุกต์ใช้ให้เหมาะกับการใช้งานของตนเองได้อย่างไร ?? 

โดยรูปแบบของปั๊มน้ำพลังแสงอาทิตย์ที่เป็นแบบเคลื่อนที่นั้น  ก็คือเป็นการนำเอาเครื่องสูบน้ำโซล่าเซลล์มาติดตั้งไว้บนรถเข็นนั่นเอง ทั้งนี้ก็เพื่อความสะดวกในการเคลื่อนย้ายไปสูบน้ำบริเวณต่าง ๆ  เพราะบริบทของพื้นที่ทำการเกษตรของเกษตรกรแต่ละคนมีความแตกต่างกันออกไป บางคนโชคดีมีไร่มีนามีสวน อยู่ในพื้นที่บ้านพักอาศัยของตนเองรวม ซึ่งเป็นแปลงเดียวกันทำให้เครื่องสูบน้ำที่มีอยู่ไม่จำเป็นต้องทำเป็นแบบเคลื่อนที่ก็ได้  และจุดไหนที่มีการสูบน้ำเป็นประจำอยู่แล้วก็สามารถนำไปติดตั้งถาวรไว้ได้  ส่วนเกษตรกรบางคนที่มีไร่ สวน หรือนาไม่ได้อยู่ในพื้นที่แปลงเดียวกับบ้านพักอาศัย หรือมีสวนไร่นาหลายแปลงที่ตั้งอยู่ห่างจากกัน หากจะทำเครื่องสูบน้ำพลังแสงอาทิตย์ไว้ใช้ประจำแปลงละเครื่อง อาจจะดูเป็นเรื่องที่หนักหนาสาหัสเกินตัวไปสักหน่อย เพราะราคาก็ไม่ใช่น้อย ๆ 

การนำเอาเครื่องสูบน้ำพร้อมแผงโซล่าเซลล์ติดตั้งไว้กับรถเข็น หรือพาหนะอื่น ๆ จะทำให้สามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก และนำไปสูบน้ำแต่ละนา แต่ละสวนได้แบบชิล ๆ  แล้วก็กลับมาสูบต่อที่ไร่นั้นไร่นี้ก็ยังได้  เป็นการประยุกต์ใช้งานที่น่าสนใจไม่น้อยทีเดียว ซึ่งปัจจุบันสามารถพบเห็นการประยุกต์ใช้งานของเครื่องสูบน้ำพลังแสงอาทิตย์ในรูปแบบนี้ได้ค่อนข้างแพร่หลาย  เพราะนอกจากจะทำไว้ใช้เองส่วนตัวแล้ว ชุมชนไหนที่มีความเข้มแข็งหรือมีการบริหารจัดการที่ดี ก็จะทำให้สามารถทำเครื่อง ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์ ไว้เป็นของส่วนกลางซึ่งแต่ละบ้านสามารถมาเบิกไปใช้งานได้  หรืออาจจะมีการเก็บเงินค่าเช่าเพื่อเข้าเป็นกองทุนส่วนกลางเอาไว้สำหรับซ่อมบำรุงเวลาที่เครื่องเกิดเสีย หรือชำรุด หรือเกิดการขัดข้อง และคาดว่าตัวลูกบ้านหรือเกษตรกร ที่ไม่ใช้น้ำในการเกษตรมากนักก็น่าจะมีความสุขกว่า เพราะไม่ต้องลงทุนทำเครื่องสูบน้ำเอง แต่มีการเช่าซึ่งหากจะใช้ก็เช่าเป็นช่วง ๆ ไป ซึ่งน่าจะคุ้มกว่า

ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์
ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์

การใช้แบตเตอรี่เพื่อการใช้ไฟฟ้าอเนกประสงค์ แม้ว่าจะมีการสร้างเครื่อง ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์ ไว้ใช้งาน หากไม่มีความจำเป็นต้องใช้เครื่องปั๊มน้ำเวลากลางคืนก็ไม่แนะนำให้ซื้อแบตเตอรี่มาต่อพ่วง เพราะมีค่าอุปกรณ์ต่อพ่วง ค่าบำรุงรักษา รวมทั้งค่าเปลี่ยนใหม่เพิ่มเติม  ส่วนเกษตรกรหรือผู้ใช้บางคนที่มีความจำเป็นต้องใช้เครื่องปั๊มน้ำ ทำการสูบน้ำในเวลากลางคืนที่ไม่มีแสงอาทิตย์ และแผงโซล่าเซลล์เองก็ไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ ทำให้เครื่องสูบน้ำไม่สามารถทำงานได้ การซื้อแบตเตอรี่มาต่อพ่วงจึงเป็นทางออกที่จำเป็น แม้จะต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มก็ตาม ทั้งนี้ก็เพื่อใช้ในการเก็บสำรองไฟฟ้าที่แผงโซล่าเซลล์ผลิตได้ในเวลากลางวัน เอาไว้สำหรับใช้ในเวลากลางคืนนั่นเอง  และหากจะต้องใช้แบตเตอรี่สำหรับการต่อพ่วงขึ้นมาจริง ๆ  เกษตรกรหรือผู้ใช้หลายรายจึงจะต้องเลือกใช้แบตเตอรี่นั้นให้คุ้มค่า โดยไม่จำกัดอยู่แค่การใช้ไฟฟ้าในแบตเตอรี่เพื่อการสูบน้ำแต่เพียงอย่างเดียว  เพราะสามารถทำการต่อวงจรจากแบตเตอรี่แล้วทำเป็นเต้าเสียบปลั๊กไฟ เพื่อเอาไว้สำหรับเสียบใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ ได้อีกด้วย  

มีตัวอย่างที่น่าสนใจจากหลาย ๆ พื้นที่ ที่มีการทำเครื่องสูบน้ำโซล่าเซลล์ในรูปแบบของการติดตั้งบนรถเข็นออกมา ทำให้เห็นว่าสามารถเข็นปั๊มน้ำนั้นไปสูบน้ำที่ไหนก็ได้อย่างสะดวก ขณะเดียวกันก็ทำการต่อเชื่อมกับแบตเตอรี่เพื่อทำเป็นเต้าเสียบไว้ เอาไว้สำหรับใช้เสียบปลั๊กไฟให้มีแสงส่องสว่าง ซึ่งติดตั้งไว้ที่รถเข็น เอาไว้สำหรับสูบน้ำในเวลากลางคืนบริเวณที่ไม่มีแสงไฟส่อง หรือแม้แต่เวลาไปสูบน้ำที่สวนไร่นาแล้วเห็นหญ้าขึ้นรก ๆ  ก็สามารถนำเครื่องตัดหญ้าแบบใช้ไฟฟ้า มาต่อเชื่อมกับเต้าเสียบที่ต่อมาจากแบตเตอรี่ใสรถเข็นได้ ทำให้สามารถใช้ตัดหญ้าได้แบบสบาย ๆ ทำให้ไม่เปลืองแรงได้อีกด้วย ซึ่งการทำปั๊มน้ำพลังแสงอาทิตย์ในรูปแบบของการใช้แบตเตอรี่เพื่อการใช้ไฟฟ้าอเนกประสงค์ ยังสามารถดัดแปลงประยุกต์ออกไปได้อีกหลากหลายรูปแบบ แต่ทั้งนี้ก็จะขึ้นอยู่กับความคิดสร้างสรรค์ และทักษะในเชิงช่างของผู้ใช้หรือเกษตรกรแต่ละคน

ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์
ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์

ประโยชน์และข้อดีของ ปั๊มน้ำโซล่าเซลล์ มีมากมาย เพราะสามารถช่วยลดต้นทุนค่าไฟฟ้าและน้ำมันสำหรับการสูบน้ำแบบเดิมได้แบบ 100%  และมีอายุการใช้งานยาวนาน โดยแผงโซล่าเซลล์หากไม่เกิดชำรุดแตกเสียหายจากอุบัติเหตุจะมีอายุการใช้งานอยู่ที่ 20-25 ปี ขณะที่ปั๊มน้ำมีอายุการใช้งานอยู่ที่ประมาณ  5  ปี แต่ต้องใช้งานตามความเหมาะสม ไม่โหมใช้งานจนหนักเกินไป การใช้ปั๊มน้ำพลังแสงอาทิตย์นั้นเป็นรูปแบบของพลังงานทดแทนที่สะอาด ไม่ปลดปล่อยมลพิษ หรือของเสียสู่สภาพแวดล้อมโดยรอบ  และสามารถประยุกต์ใช้ในรูปแบบต่างๆ ได้หลากหลาย  ไม่ว่าจะเป็นการดัดแปลงให้เป็นรถเข็นโซล่าเซลล์ ซึ่งสามารถเข็นเคลื่อนที่ไปตามแนวคันนาหรือพื้นที่ในการเกษตรได้อย่างสะดวก ทำให้สามารถสูบน้ำได้อย่างคล่องตัวมากขึ้น

โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์
โครงสร้างที่นิยมมากที่สุด ได้แก่ รอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำที่ราคาถูกที่สุดและมีมากที่สุดบนโลก คือ ซิลิคอน จึงถูกนำมาสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ โดยนำซิลิคอนมาถลุง และผ่านขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ จนกระทั่งทำให้เป็นผลึก จากนั้นนำมาผ่านกระบวนการแพร่ซึมสารเจือปนเพื่อสร้างรอยต่อพีเอ็น โดยเมื่อเติมสารเจือฟอสฟอรัส จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (เพราะนำไฟฟ้าด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ) และเมื่อเติมสารเจือโบรอน จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพี (เพราะนำไฟฟ้าด้วยโฮลซึ่งมีประจุบวก) ดังนั้น เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็นมาต่อกัน จะเกิดรอยต่อพีเอ็นขึ้น โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน อาจมีรูปร่างเป็นแผ่นวงกลมหรือสี่เหลี่ยมจัตุรัส ความหนา 200-400 ไมครอน (0.2-0.4 มม.) ผิวด้านรับแสงจะมีชั้นแพร่ซึมที่มีการนำไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าด้านหน้าที่รับแสงจะมีลักษณะคล้ายก้างปลาเพื่อให้ได้พื้นที่รับแสงมากที่สุด ส่วนขั้วไฟฟ้าด้านหลังเป็นขั้วโลหะเต็มพื้นผิว

หลักการทำงานทั่วไปของเซลล์แสงอาทิตย์

เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ จะเกิดการสร้างพาหะนำไฟฟ้าประจุลบและบวกขึ้น ได้แก่ อิเล็กตรอนและ โฮล โครงสร้างรอยต่อพีเอ็นจะทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าภายในเซลล์ เพื่อแยกพาหะนำไฟฟ้าชนิดอิเล็กตรอนไปที่ขั้วลบ และพาหะนำไฟฟ้าชนิดโฮลไปที่ขั้วบวก (ปกติที่ฐานจะใช้สารกึ่งตัวนำชนิดพี ขั้วไฟฟ้าด้านหลังจึงเป็นขั้วบวก ส่วนด้านรับแสงใช้สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น ขั้วไฟฟ้าจึงเป็นขั้วลบ) ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าแบบกระแสตรงที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เมื่อต่อให้ครบวงจรไฟฟ้าจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลขึ้น

ขั้นตอนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์

  • เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystal) หรือ Monocrystalline มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้
    1. นำซิลิคอนที่ถลุงได้มาหลอมเป็นของเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 1400 °C แล้วดึงผลึกออกจากของเหลว โดยลดอุณหภูมิลงอย่างช้าๆ จนได้แท่งผลึกซิลิคอนเป็นของแข็ง แล้วนำมาตัดเป็นแว่นๆ
    2. นำผลึกซิลิคอนที่เป็นแว่น มาแพร่ซึมด้วยสารเจือปนต่างๆ เพื่อสร้างรอยต่อพีเอ็นภายในเตาแพร่ซึมที่มีอุณหภูมิประมาณ 900-1000 °C แล้วนำไปทำชั้นต้านการสะท้อนแสงด้วยเตาออกซิเดชั่นที่มีอุณหภูมิสูง
    3. ทำขั้วไฟฟ้าสองด้านด้วยการฉาบไอโลหะภายใต้สุญญากาศ เมื่อเสร็จเรียบร้อยแล้วจะต้องนำไปทดสอบประสิทธิภาพด้วยแสงอาทิตย์เทียม และวัดหาคุณสมบัติทางไฟฟ้า
  • เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนชนิดผลึกรวม (Polycrystalline) มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้
    1. นำซิลิคอนที่ถลุงและหลอมละลายเป็นของเหลวแล้วมาเทลงในแบบพิมพ์ เมื่อซิลิคอนแข็งตัว จะได้เป็นแท่งซิลิคอนเป็นแบบผลึกรวม แล้วนำมาตัดเป็นแว่นๆ
    2. จากนั้นนำมาแพร่ซึมด้วยสารเจือปนต่างๆ และทำขั้วไฟฟ้าสองด้านด้วยวิธีการเช่นเดียวกับที่สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนชนิดผลึกเดี่ยว
  • เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากที่ทำจากอะมอร์ฟัสซิลิคอน มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้
    1. ทำการแยกสลายก๊าซไซเลน (Silane Gas) ให้เป็นอะมอร์ฟัสซิลิคอน โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่อง Plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) เป็นการผ่านก๊าซไซเลนเข้าไปในครอบแก้วที่มีขั้วไฟฟ้าความถี่สูง จะทำให้ก๊าซแยกสลายเกิดเป็นพลาสมา และอะตอมของซิลิคอนจะตกลงบนฐานหรือสแตนเลสสตีลที่วางอยู่ในครอบแก้ว เกิดเป็นฟิล์มบางขนาดไม่เกิน 1 ไมครอน (0.001 มม.)
    2. ขณะที่แยกสลายก๊าซไซเลน จะผสมก๊าซฟอสฟีนและไดโบเรนเข้าไปเป็นสารเจือปน เพื่อสร้างรอยต่อพีเอ็นสำหรับใช้เป็นโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์
    3. การทำขั้วไฟฟ้า มักใช้ขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงที่ทำจาก ITO (Indium Tin Oxide)
  • เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากแกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ มีขั้นตอนการผลิต ดังนี้
    1. ขั้นตอนการปลูกชั้นผลึก ใช้เครื่องมือ คือ เตาปลูกชั้นผลึกจากสถานะของเหลว (LPE; Liquid Phase Epitaxy)
    2. ขั้นตอนการปลูกชั้นผลึกที่เป็นรอยต่อเอ็นพี ใช้เครื่องมือ คือ เครื่องปลูกชั้นผลึกด้วยลำโมเลกุล (MBE; Molecular Beam Epitaxy)

ลักษณะเด่นของเซลล์แสงอาทิตย์

ช่วยลดปัญหาการสะสมของก๊าซต่างๆ ในบรรยากาศ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์, ซัลเฟอร์ไดออกไซด์, ไฮโดรคาร์บอน และก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ ฯลฯ ซึ่งเป็นผลจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงจำพวกน้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ ล้วนแล้วแต่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เกิดปฏิกิริยาเรือนกระจก ทำให้โลกร้อนขึ้น เกิดฝนกรด และอากาศเป็นพิษ ฯลฯ