ระบบไฟฟ้าแสงสว่างแบบไฮบริดโซลาร์
สุภัทรชัย สิงห์บาง    

  เทคโนโลยีใหม่ของระบบไฟฟ้าแสงสว่างสำหรับอาคาร ที่ให้ประสิทธิภาพสูง ต้นทุนพลังงานต่ำ ลดความร้อนสูญเสีย เพื่อความประหยัด

  เป็นที่รู้กันมานานแล้วว่าพลังงานแสงอาทิตย์สามารถนำมาแปลงเป็นความร้อน หรือแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ ซึ่งผลประโยชน์ดังกล่าวนี้ถือเป็นมูลค่าที่ให้กับเรา นอกจากนี้เรายังใช้แสงอาทิตย์สาดส่องเพื่อให้ความสว่างได้อย่างโดยตรงด้วย อย่างไรก็ตามการใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์ยังไม่เต็มรูปแบบ และยังไม่สามารถนำมาใช้ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพเหมือนที่ควรจะเป็น 
      

  ระบบที่จะนำพลังงานแสงอาทิตย์ไปใช้ประโยชน์ได้นั้น แบ่งออกได้เป็น 2 ระบบคือ ระบบแรก เป็นการใช้โซลาร์เซลล์ แปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า กระบวนการนี้จะมีประสิทธิภาพเพียง 10% จากนั้นพลังงานจะถูกส่งผ่านไปตามสายไฟฟ้าในอาคารเพื่อส่งไปยังหลอดไฟ ทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้ากลับไปเป็นพลังงานแสงสว่าง กระบวนการดังกล่าวนี้จะมีประสิทธิภาพเพียง 20%

โดยสรุปแล้วระบบแรกนี้ พลังงานแสงอาทิตย์เพียง 2% เท่านั้นที่ได้ถูกนำไปใช้เป็นพลังงานส่องสว่าง ในขณะที่ ระบบที่สอง ให้ลองจินตนาการถึงการสะท้อนแสงอาทิตย์เข้าไปส่องสว่างโดยตรงในอาคารเพื่อให้แสงสว่าง และจะมีประสิทธิภาพสูงถึง 50% หรือสูงกว่าระบบแรกถึง 25% 
    

  โอกาสนี้ผู้เขียนได้นำเอาเทคโนโลยีของระบบแสงสว่างแบบใหม่ที่เรียกว่าไฮบริด-โซลาร์ “Hybrid Solar Lighting” หรือระบบแสงสว่างพลังงานร่วม เป็นการนำเอาพลังงานจากแสงอาทิตย์จากภายนอกอาคารมาใช้ในตัวอาคารได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยีดังกล่าวนี้เป็นโครงการที่จัดทำขึ้นโดยหน่วยงานด้านพลังงานของสหรัฐฯ โดยมีจุดประสงค์ของโครงการเพื่อที่จะลดการใช้พลังงานไฟฟ้าในส่วนของระบบแสงสว่างของอาคารสำนักงานต่าง ๆ และสนับสนุนให้มีการนำเอาพลังงานธรรมชาติมาใช้ประโยชน์ให้มากขึ้นด้วย

     แรกเริ่มเดิมทีนั้นระบบแสงสว่างไฮบริดโซลาร์ ได้ถูกพัฒนาขึ้นสำหรับใช้ร่วมกับระบบแสงสว่างที่ใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์ และต่อมาจึงขยายการพัฒนาเพื่อใช้กับหลอดไส้ (Incandescent) และหลอดทรงกรวยที่มีสารอะลูมิเนียมเป็นตัวสะท้อนแสง (PAR) ซึ่งใช้การอย่างแพร่หลายในอาคารทั่วไป หลอดไฟชนิดต่าง ๆ เหล่านี้เป็นหลอดที่มีประสิทธิภาพต่ำจึงกินกำลังไฟฟ้าสูง และส่งผลให้เกิดต้นทุนพลังงานสูญเสียขึ้น ระบบแสงสว่างแบบไฮบริดโซลาร์นี้จะช่วยลดปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้า ลดพลังงานสูญเสียในขณะที่จะยังคงรักษาคุณภาพของแสงสว่างให้อยู่ในระดับเดิม หรือเพิ่มมากขึ้นได้อีกด้วย

โครงสร้างของไฮบริดโซลาร์
      ระบบไฮบริดโซลาร์ที่สมบูรณ์นั้นประกอบไปด้วย 3 ส่วนหลัก คือตัวรวมแสง (Solar Collector), ไฟเบอร์ออปติก (Fiber Optic) และชุดดวงโคม (Luminaire) ตัวรวมแสง ซึ่งทำหน้าที่รับแสงอาทิตย์ แล้วส่งผ่านแสงไปยังเส้นสายของไฟเบอร์ออปติก ที่ถูกวางเป็นเครือข่ายจากหลังคาของอาคารไปยังส่วนต่าง ๆ ที่ต้องการแสงสว่าง

   แสงจากตัวรวมแสงจะเดินทางไปตามเส้นใยไฟเบอร์ออปติกไปยังชุดดวงโคมแบบพิเศษซึ่งติดตั้งอยู่ตามจุดต่าง ๆ ภายในอาคาร โดยชุดดวงโคมนี้จะประกอบไปด้วยตัวหลอดแก้วส่องสว่างซึ่งรับแสงจากไฟเบอร์ออปติกโดยตรง และหลอดไฟฟ้า ติดตั้งอยู่ด้วยกัน โครงสร้างระบบดังในรูปที่ 1

 รูปที่ 1 โครงสร้างของระบบไฮบริดโซลาร์

        ตัวรวมแสง ซึ่งมีลักษณะคล้ายจานรับสัญญาณดาวเทียม และถูกติดตั้งเอาไว้บนดาดฟ้าหรือหลังคาของอาคารเพื่อรับแสงจากดวงอาทิตย์ และทำหน้าที่กรอง และรวมแสงซึ่งมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า (Visible Light) ส่งผ่านแส้นใยไฟเบอร์ออปติกชนิดพลาสติกเพื่อนำแสงไปยังชุดส่องสว่างแบบไฮบริด “Hybrid Luminaire” (ดังแสดงในรูปที่ 2) ที่ได้ติดตั้งกระจายอยู่ตามส่วน และห้องต่าง ๆ ภายในอาคารเพื่อการส่องสว่างตามความต้องการ

อย่างไรก็ตามไม่ใช่แค่แสงจากดวงอาทิตย์เท่านั้น โดยอุปกรณ์ชุดส่องสว่างจะทำหน้าที่ผสมผสานแสงจากธรรมชาติ กับแสงจากหลอดไฟฟ้าซึ่งสามารถหรี่แสงปรับความสว่างได้ เพื่อคอยปรับความสว่างภายในห้องให้อยู่ในระดับคงที่ โดยตัวรวมแสง 1 ตัวจะสามารถให้ความสว่างได้เท่ากับหลอดฟลูออเรสเซนต์จำนวน 8-12 หลอด หรือเท่ากับดวงโคมหลอดไส้ 30-40 หลอด ซึ่งสามารถส่องสว่างได้ในบริเวณพื้นที่ 1,000 ตารางฟุต

 รูปที่ 2 ลักษณะของการจัดวางตัวรวมแสง และสายไฟเบอร์ออปติก

รูปที่ 3 ไฟเบอร์ออปติก ซึ่งในปัจจุบันใช้เป็นชนิดพลาสติก เป็นชุดไฟเบอร์ออปติกหลายเส้น เรียกว่า Bundle Optical Fibers มีจำนวนเส้นใยขนาดเล็กมากถึง 127 เส้น โดยสาเหตุที่ใช้เป็นชนิดพลาสติกก็เพื่อให้สามารถดัดโค้งงอได้โดยไม่แตกหัก และราคายังถูกกว่าด้วย

     ตัวรวมแสงบนหลังคาจะมีชุดควบคุมการหมุน (Tracking) ด้วยความละเอียด 0.1 องศา เพื่อหันหน้ายังตำแหน่ง และทิศที่มีแสงสว่างจ้าที่สุด โดยอาศัยการคำนวณตำแหน่งของดวงอาทิตย์ด้วยค่าละติจูด-ลองติจูด และการแปรเปลี่ยนตามการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ในแต่ละช่วงเวลาของวัน โดยในขณะที่แสงอาทิตย์สว่างจ้า ไฟเบอร์ออปติกจะนำแสงความเข้มสูงส่องกระจายเต็มบริเวณพื้นที่

 ช่วงเวลานี้วงจรควบคุมจะหรี่ไฟจากหลอดไฟฟ้าให้น้อยลง ในทางกลับกันแต่ในขณะที่แสงอาทิตย์น้อยลง เซนเซอร์ตรวจจับ (โฟโต้-เซนเซอร์) จะทำหน้าที่ส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์ควบคุมเพื่อปรับความสว่างของแสงจากหลอดไฟฟ้า ชดเชยให้พื้นที่นั้นมีความสว่างคงเดิม 
     

     ชุดดวงโคม (Luminaire) ที่ใช้ในระบบไฮบริดโซลาร์ มีลักษณะคล้ายกันกับชุดดวงโคมทั่วไป เพียงแต่จะมีการใส่ชุดส่องแสงจากไฟเบอร์ออปติกเข้าไว้ด้วย โดยตัวส่องแสงธรรมชาติที่อยุ่ในชุดดวงโคมถูกเรียกว่า Sunlight Diffusing Rod ดังแสดงในรูปที่ 4 ชุดดวงโคมรูปแบบต่าง ๆ ของระบบไฮบริดโซลาร์

 

รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างรูปแบบของชุดดวงโคมของระบบไฮบริดโซลาร์

      ความแตกต่างระหว่างแสงธรรมชาติกับแสงจากหลอดไฟฟ้าทั่วไปก็คือ แสงจากหลอดไฟฟ้าทั่วไปนั้นก่อให้เกิดความร้อน และขณะใช้งานตัวหลอดก็มีความร้อนสูงจนสัมผัสตัวหลอดไม่ได้ ไม่เหมือนกับแสงสว่างจากธรรมชาติของระบบนี้ที่ไม่ก่อให้เกิดความร้อนสูญเสีย แต่สามารถให้ความสว่างถึง 200 ลูเมนส์ต่อวัตต์ เป็นชุดแสงสว่างที่เย็นสัมผัสด้วยมือเปล่าได้

ที่กล่าวว่าแสงจากธรรมชาติของระบบนี้ไม่ก่อให้เกิดความร้อนก็เป็นเพราะตัวรวมแสงได้ทำหน้าที่แยกแสงอินฟราเรด (Infra-Red) ซึ่งเป็นแสงในความยาวคลื่นช่วงหนึ่งซึ่งก่อให้เกิดความร้อนออกจากแสงอาทิตย์ไปแล้ว
    

   การพัฒนาระบบไฮบริดโซลาร์ ให้สามารถทำงานได้ด้วยประสิทธิภาพสูง จำเป็นต้องควบคุมให้ตัวรับแสงทำงานได้เต็มที่ นั่นคือให้สามารถรับแสงได้มากที่สุดในแต่ละช่วงเวลาที่เปลี่ยนไป ซึ่งวิธีการทำนั้นจะใช้ชุดควบคุมอัตโนมัติคำนวณตำแหน่งดวงอาทิตย์ที่แม่นยำ และรวดเร็วเพื่อที่ตัวรวมแสงจะได้หมุนตามได้ทัน อย่างไรก็ตามแสงที่ส่งผ่านไปตามเส้นไฟเบอร์ออปติกที่มีความยาวมากนั้นอาจจะมีค่าการสูญหายไปบ้าง จากการทดสอบพบว่าความยาวของเส้นไฟเบอร์ออปติกที่เหมาะสมนั้นในปัจจุบันอยู่ที่ระยะไม่เกิน 50 ฟุต


ข้อดีของระบบไฮบริดโซลาร์
       การใช้พลังงานไฟฟ้าในอาคารต่าง ๆ ในส่วนของระบบไฟฟ้าแสงสว่าง เป็นสัดส่วนที่สูงเมื่อเทียบกับการใช้ในระบบอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็นระบบปรับอากาศ/ระบายอากาศ, เครื่องใช้ไฟฟ้าสำนักงาน หรือคอมพิวเตอร์ เป็นต้น พลังงานไฟฟ้าที่ใช้สำหรับระบบแสงสว่างจะมากกว่าระบบอื่น ๆ ดังนั้นเองระบบไฮบริดโซลาร์ จึงเป็นโอกาสหนึ่งที่จะลดความสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าได้อย่างเห็นได้ชัด

 นอกจากนี้การติดตั้งระบบไฮบริดโซลาร์ ยังมีข้อดีอื่น ๆ อีกเช่น เนื่องจากแสงอินฟราเรด และแสง UV นั้นถูกแยกออกไปแล้ว ดังนั้นแสงสว่างที่นำไปใช้ในตัวอาคารจึงไม่ก่อให้เกิดความร้อน ซึ่งเป็นผลดีต่อระบบปรับอากาศ ช่วยลดภาระระบบปรับอากาศได้ 5-10 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับอาคารที่ติดตั้งระบบแสงสว่างจากหลอดไฟฟ้าทั่วไป นอกจากนี้ระบบไฮบริดโซลาร์ ยังสามารถใช้งานได้ในอาคารที่มีหลายชั้น
 

ข้อมูลในตาราง แสดงประสิทธิภาพของระบบไฮบริดโซลาร์ เพื่อเทียบกับระบบแสงสว่างจากหลอดไฟ

       จากข้อมูลในตารางข้างต้นนี้ ระบบแสงสว่างที่ใช้ดวงโคมหลอดไส้ (Incandescent)  เมื่อเปลี่ยนมาใช้ระบบไฮบริดโซลาร์ จะช่วยประหยัดได้มากถึง 6,000 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (ยูนิต) ต่อปี ในขณะเดียวกันเนื่องจากแสงสว่างของระบบไฮบริดโซลาร์ไม่สร้างความร้อนสูงจึงช่วยลดภาระการทำความเย็นของระบบปรับอากาศได้มากถึง 2,000 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (ยูนิต) ต่อปี

 
      การติดตั้งระบบไฮบริดโซลาร์เพื่อใช้งานจริง มีความสะดวก เนื่องจากรูปแบบดวงโคมนั้นคล้ายกับแบบเดิม นั่นคือขนาดดวงโคมเท่ากัน จึงสามารถนำไปติดตั้งทดแทนได้เลย และเนื่องจากเป็นแสงสว่างจากธรรมชาติ สีของแสงจึงทำให้ผู้อยู่อาศัยรู้สึกสบายตา ให้ความรู้สึกเป็นธรรมชาติ และทำให้สายตาเราตอบสนองต่อสีต่าง ๆ บนวัตถุได้ถูกต้องมากขึ้นด้วย

รูปที่ 5 ตัวอย่างการติดตั้งระบบในห้องทำงานภายในอาคาร

     การใช้งานระบบไฮบริดโซลาร์ นอกจากจะใช้ในส่วนของแสงสว่างแล้ว คลื่นแสงอินฟราเรด ซึ่งอยู่ในแสงอาทิตย์ยังสามารถนำไปใช้เพื่อสร้างความร้อนโดยตรงกับระบบผลิตน้ำร้อนอาคาร หรือนำไปใช้งานด้านอื่น ๆ ได้อีกด้วย

ข้อพิจารณาด้านต้นทุนระบบ
      เริ่มแรกที่มีการสร้างแนวคิดของระบบไฮบริดโซลาร์ นั้นเกิดขึ้นตั้งแต่ปี ค.ศ. 1970 แต่ก็ยังไม่ได้เริ่มสร้างระบบขึ้นจริงเนื่องจากเทคโนโลยีของวัสดุในช่วงเวลานั้นไม่สามารถตอบสนองได้ ผ่านมาช่วงหนึ่งก็เริ่มมีนักวิจัยชาวญี่ปุ่นได้คิดค้นตัวรวมแสงที่เป็นไฟเบอร์ออปติกแบบแก้วซึ่งต้านทานความร้อนได้ดีกว่า แต่ราคาแพง และติดตั้งยาก

 โดยระบบที่ใช้ไฟเบอร์ออปติกแบบแก้วนั้นมีต้นทุน 40,000 ดอลลาร์สหรัฐ ต่อพื้นที่ส่องสว่าง 1,000 ตารางฟุต จนถึงทุกวันนี้มีได้มีความพยายามพัฒนาใช้ไฟเบอร์ออปติกแบบพลาสติกเพื่อต้องการทำให้ต้นทุนลดลงเหลือเพียง 3,000 ต่อพื้นที่ส่องสว่าง 1,000 ตารางฟุตเท่านั้น 
 
      ในช่วงปี ค.ศ. 2002-2003 ต้นทุนของตัวรวมแสง อยู่ที่ US$ 50,000 ตัวเครื่องมีนำหนักถึง 400 ปอนด์ และใช้เวลาติดตั้งถึง 12 วัน, ต่อในช่วงปี คศ. 2004-2005 ต้นทุนของตัวรวมแสง ลดลงเหลือ US$ 20,000 จนล่าสุดในปี 2006-2007 ต้นทุนลดลงเหลือ US$ 15,000 น้ำหนักตัวเครื่องลดลงเหลือ 100 ปอนด์ และใช้เวลาติดตั้งเพียง 2 วัน 
     
       หากมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องแต่ไปเคาดว่าราก็จะเห็นการใช้งานในอาคารอย่างแพร่หลาย อย่างเช่น โครงการใช้งานในเมืองซึ่งมีแสงแดดมากมาก อย่างเช่นฮาวาย สหรัฐฯ มีการจัดทำโครงการพัฒนาระบบไฮบริดโซลาร์ ที่คาดการณ์ว่าภายในปี ค.ศ. 2012 จะช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 50 เมกะวัตต์ชั่วโมง/ปี นอกจากนี้แล้วยังมีการประเมินว่าในช่วงปีนี้จะเริ่มมีการติดตั้งระบบในอาคารพาณิชย์ และโรงงานอุตสาหกรรม มากกว่า 5,000 แห่งในขอบเขตของสหรัฐฯ

 

ข้อมูลอ้างอิง
1. David L. Beshears, Project Manager and Senior Research & Development Scientist       
Engineering Science & Technology Division; Hybrid Solar Lighting; February 21, 2007
2. ORNL Hybrid Solar Lighting R&D Program: www.ornl.gov/solar

1. David L. Beshears, Project Manager and Senior Research & Development Scientist        Engineering Science & Technology Division; Hybrid Solar Lighting; February 21, 20072. ORNL Hybrid Solar Lighting R&D Program: