ทิศที่ดีที่สุดของแผงโซลาร์เซลล์ (อาจไม่มีอยู่จริง)

ทิศที่ดีที่สุดของแผงโซลาร์เซลล์
อาจไม่มีอยู่จริง
การออกแบบระบบโซลาร์เซลล์สำหรับบ้านเรือนมักให้ความสำคัญกับทิศและมุมเอียงที่ทำให้ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มากที่สุดตลอดปี แต่ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้สูงสุดอาจไม่ใช่ตัวชี้วัดความเหมาะสมสูงสุดสำหรับบ้านทุกหลัง เพราะแต่ละบ้านมีช่วงเวลาใช้ไฟฟ้าแตกต่างกัน อีกทั้งความต้องการพลังงานยังเปลี่ยนแปลงตามสภาพอากาศและฤดูกาล
บทความนี้เสนอแนวคิดการเลือกทิศติดตั้งแผงโดยพิจารณาร่วมกันระหว่างตำแหน่งดวงอาทิตย์ ความเข้มรังสี อุณหภูมิเซลล์ พฤติกรรมโหลด และความสามารถในการเก็บพลังงานของแบตเตอรี่ เพื่อมุ่งลดพลังงานที่ต้องซื้อจากการไฟฟ้า มากกว่ามุ่งเพิ่มผลผลิตจากแผงเพียงอย่างเดียว
คำแนะนำทั่วไปในประเทศไทยมักเริ่มจากการหันแผงไปทางทิศใต้ เนื่องจากสามารถรับรังสีแสงอาทิตย์ได้เหมาะสมในภาพรวมหลายช่วงของปี แต่แนวทางนี้ตั้งอยู่บนเป้าหมายด้านผลผลิตเป็นหลัก หากบ้านมีการใช้ไฟสูงในช่วงเช้า ช่วงบ่าย หรือกลางคืน การเลือกทิศควรพิจารณาเวลาที่พลังงานถูกใช้จริงด้วย
แนวคิดนี้ไม่ได้กล่าวว่าทิศใต้ไม่ดี หรือทิศเหนือดีกว่าเสมอไป แต่เสนอให้เปลี่ยนคำถามจาก “แผงหันทิศใดผลิตไฟได้มากที่สุด” เป็น “ระบบแบบใดช่วยลดการซื้อไฟจากการไฟฟ้าได้มากที่สุด”

ในประเทศไทย ดวงอาทิตย์ตอนเที่ยงสุริยะไม่ได้อยู่ทางใต้ตลอดทั้งปี ในบางช่วงของปีดวงอาทิตย์จะปรากฏทางเหนือของจุดเหนือศีรษะ โดยขึ้นอยู่กับละติจูดและวันที่ ทำให้แผงหันเหนือสามารถมีมุมรับแสงตรงตอนเที่ยงที่ดีในบางฤดูกาลได้
อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งดวงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะสรุปผลผลิตรายปี เพราะต้องพิจารณารังสีกระจาย เมฆ เงาบัง และสภาพอากาศร่วมด้วย


แผงซิลิคอนโดยทั่วไปมีกำลังผลิตลดลงเมื่ออุณหภูมิเซลล์สูงขึ้น แม้ได้รับความเข้มแสงเท่ากัน เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าลดลงตามอุณหภูมิ อุณหภูมิอากาศและอุณหภูมิเซลล์ไม่ใช่ค่าเดียวกัน แผงที่ติดชิดหลังคาอาจมีอุณหภูมิเซลล์สูงกว่าอากาศภายนอกมาก
หากใช้ค่าสัมประสิทธิ์กำลังผลิตสมมติ −0.30% ต่อองศาเซลเซียส เมื่ออุณหภูมิเซลล์สูงขึ้นจาก 25°C เป็น 65°C กำลังผลิตที่ความเข้มแสงเท่าเดิมจะลดลงประมาณ 12% เมื่อเทียบกับกำลังที่อุณหภูมิอ้างอิง

ความร้อนยังมีผลต่อความต้องการไฟฟ้าของบ้าน โดยเฉพาะเครื่องปรับอากาศและเครื่องทำความเย็น ซึ่งอาจใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเมื่ออากาศร้อนขึ้น ทั้งจากภาระความร้อนที่สูงขึ้นและระยะเวลาใช้งานที่ยาวนานขึ้น แต่ไม่สามารถเหมารวมว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิดกินไฟเพิ่มตามอุณหภูมิ

แผงโซลาร์เซลล์อาจผลิตไฟได้สูงสุดช่วงใกล้เที่ยง ขณะที่อาคารยังคงสะสมความร้อนจากหลังคาและผนังต่อเนื่อง ทำให้เครื่องปรับอากาศทำงานหนักในช่วงบ่าย การจัดแผงบางส่วนไปทางทิศตะวันตกจึงอาจช่วยเพิ่มกำลังผลิตในเวลาที่ตรงกับโหลดได้ดีกว่าในบางกรณี
อย่างไรก็ตาม แผงหันตะวันตกอาจมีอุณหภูมิสูงในช่วงบ่ายเช่นกัน จึงต้องใช้แบบจำลองผลผลิตรายชั่วโมงและข้อมูลโหลดจริงประกอบการตัดสินใจ

บ้านที่ใช้ไฟช่วงเช้าเป็นหลักอาจได้รับประโยชน์จากแผงหันตะวันออก ส่วนบ้านที่ใช้ไฟมากช่วงบ่ายอาจพิจารณาทิศตะวันตก บ้านที่ใช้ไฟกลางคืนมากจำเป็นต้องประเมินการจัดเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ และบ้านที่ใช้ไฟต่อเนื่องตลอดวันอาจเหมาะกับการกระจายแผงหลายทิศ
การเลือกทิศจึงควรเริ่มจากการวิเคราะห์กราฟโหลด 24 ชั่วโมง แยกวันทำงาน วันหยุด และฤดูกาล ก่อนเปรียบเทียบทางเลือกของระบบ

สำหรับพื้นที่ละติจูดประมาณ 14° เหนือ หากแผงหันเหนือและหันใต้มีมุมเอียงเท่ากัน 15° แผงหันเหนือจะรับแสงตรงตอนเที่ยงได้ดีกว่าในบางช่วงของฤดูร้อน ขณะที่แผงหันใต้ได้เปรียบอย่างชัดเจนในช่วงปลายปี
นี่เป็นเหตุผลที่ทิศเหนือไม่ควรถูกตัดออกจากการพิจารณาโดยอัตโนมัติ แต่การรับแสงตรง ณ เที่ยงสุริยะไม่สามารถใช้ตัดสินว่าทิศใดผลิตพลังงานรายวันหรือรายปีได้มากกว่า ต้องจำลองรังสีตลอดวันและสภาพอากาศจริง

เมื่อบ้านมีแบตเตอรี่ พลังงานที่ผลิตได้ไม่ได้ถูกใช้เฉพาะเวลาที่แผงผลิต แต่สามารถเก็บไว้ใช้ในช่วงกลางคืนได้ ทิศที่ช่วยเพิ่มพลังงานสำหรับชาร์จแบตในช่วงเวลาที่เหมาะสมจึงอาจช่วยลดการซื้อไฟได้มากกว่า แม้จะไม่ได้มีผลผลิตรวมสูงสุด
อย่างไรก็ตาม ต้องพิจารณาความจุแบตเตอรี่ กำลังชาร์จและคายประจุ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน และค่า SOC ขั้นต่ำ หากแบตเตอรี่เต็มอยู่แล้ว ผลผลิตส่วนเกินอาจไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งหมด


มุมเอียงที่เหมาะสมช่วยให้น้ำฝนไหลลงจากหน้าแผง ลดโอกาสสะสมคราบและฝุ่นบางส่วน อีกทั้งการเว้นช่องว่างใต้แผงช่วยให้อากาศไหลผ่านและพาความร้อนออกได้ โดยเฉพาะเมื่อมีลมและไม่มีสิ่งกีดขวาง
เม็ดน้ำบนกระจกสามารถสะท้อน หักเห และกระจายแสง ทำให้รูปแบบการกระจายรังสีบนเซลล์เปลี่ยนไปได้ แต่ไม่ใช่ว่าน้ำทุกหยดทำให้กำลังผลิตลดลงเสมอ ผลกระทบขึ้นอยู่กับลักษณะหยดน้ำ ความเข้มแสง และคราบสกปรกที่หลงเหลืออยู่ โดยคราบและการบังแสงที่ไม่สม่ำเสมออาจส่งผลต่อเซลล์ที่เชื่อมต่อกันในแผงได้

ตัวชี้วัดที่ควรพิจารณาคือปริมาณไฟฟ้าที่ต้องซื้อจากการไฟฟ้าในแต่ละช่วงเวลา สำหรับระบบที่ไม่มีแบตเตอรี่ สามารถเริ่มจากสมการกำลังไฟฟ้าที่ต้องซื้อ ณ เวลา t ดังนี้
เมื่อนำกำลังไฟฟ้าที่ซื้อในแต่ละช่วงเวลามาคำนวณรวมเป็นพลังงานตลอดวัน เดือน หรือปี จะสามารถเปรียบเทียบการติดตั้งแผงแต่ละทิศได้โดยใช้ชุดข้อมูลโหลดและสภาพอากาศเดียวกัน
สำหรับระบบที่มีแบตเตอรี่ ต้องเพิ่มข้อจำกัดด้าน SOC กำลังชาร์จ กำลังคายประจุ ประสิทธิภาพของระบบ และรูปแบบการควบคุมการใช้ไฟเข้าไปในแบบจำลองด้วย

เริ่มจากเก็บข้อมูลการใช้ไฟฟ้ารายชั่วโมงของบ้าน แยกตามฤดูกาลและรูปแบบการอยู่อาศัย จากนั้นจำลองผลผลิตของแผงตามทิศและมุมเอียงต่าง ๆ โดยรวมผลของอุณหภูมิ เมฆ เงาบัง และการสูญเสียจริง แล้วจึงประเมินขนาดแบตเตอรี่ที่เหมาะสม
ควรเปรียบเทียบทั้งพลังงานผลิตรวม พลังงานที่ใช้ได้ทันที พลังงานที่เก็บเข้าแบตเตอรี่ พลังงานที่สูญเสียหรือใช้ประโยชน์ไม่ได้ และพลังงานที่ต้องซื้อจากการไฟฟ้า รวมถึงพิจารณาต้นทุน ความปลอดภัยของโครงสร้างหลังคา และข้อกำหนดทางไฟฟ้า

การหันทิศใต้ยังเป็นแนวทางที่มีเหตุผลสำหรับการเพิ่มผลผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในหลายพื้นที่และหลายรูปแบบการติดตั้ง แต่ไม่ได้หมายความว่าจะเป็นทางเลือกที่ช่วยลดค่าไฟได้มากที่สุดสำหรับบ้านทุกหลัง
เมื่อพฤติกรรมการใช้ไฟฟ้าเปลี่ยนไปตามเวลา ฤดูกาล และอุณหภูมิ รวมทั้งมีแบตเตอรี่เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของระบบ เป้าหมายการออกแบบจึงควรเปลี่ยนจากการผลิตไฟให้ได้มากที่สุด ไปสู่การผลิตและจัดเก็บพลังงานให้สอดคล้องกับความต้องการใช้ไฟมากที่สุด