รองศาสตราจารย์อนุตร  จำลองกุล
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี
E-mail: ajumlongkul@yahoo.com

พลังงานแสงอาทิตย์พลังงานที่ยิ่งใหญ่ทรงพลังและสำคัญต่อการดำเนินชีวิตของสิ่งมีชีวิตบนโลก ทำความรู้จักกับพลังงานที่ยิ่งใหญ่และเรียนรู้เพื่อจุดประกายให้ใช้ประโยชน์จากพลังงานอันทรงคุณค่า เพื่ออนาคตแห่งพลังงานทางเลือกใหม่ ที่สะอาด ปลอดภัย และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานที่มีความสำคัญที่สุดต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลกนี้ ดวงอาทิตย์มีลักษณะเป็นกลุ่มแก๊สทรงกลม มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.39x10⁶ km อยู่ห่างจากโลกคิดเป็นระยะทางเฉลี่ย 1.496x10⁸ km และดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเองหนึ่งรอบใช้เวลาเท่ากับ 28 วัน พลังงานที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ เป็นผลที่เกิดจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวส์ชัน (Thermonuclear Fusion) และทำให้มวลของดวงอาทิตย์ลดลงประมาณ 4x10⁹ kg/s ในขณะเดียวกันก็จะปลดปล่อยพลังงานออกมาในอัตรา 3.85x10²³ kW และจากปริมาณดังกล่าวจะมีพลังงานตกกระทบลงสู่โลกในอัตรา 1.79x10¹⁴ kW ซึ่งสามารถเทียบเป็นพลังงานที่ได้รับในหนึ่งปี คือ 1.51x10¹⁸ kW–h

การปลดปล่อยพลังงานจากดวงอาทิตย์ เป็นไปอย่างสม่ำเสมอในช่วง 500 ล้านปีที่ผ่านมา และคาดว่าจะเป็นไปในอัตราดังกล่าวอย่างน้อยอีก 50 ล้านปีต่อไป การเปลี่ยนแปลงของอัตราการปลดปล่อยพลังงานจากดวงอาทิตย์จะแตกต่างกันไม่เกินหนึ่งเท่าตลอดชั่วอายุขัยของดวงอาทิตย์ นอกจากนั้นวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เกือบจะเป็นวงกลม ความแตกต่างระหว่างระยะที่ใกล้ที่สุดไม่ถึง 3% เป็นผลให้พลังงานจากดวงอาทิตย์ซึ่งตกกระทบเหนือชั้นบรรยากาศของโลกมีค่าแตกต่างกันไม่มากนักในรอบปี

การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์นอกชั้นบรรยากาศโลกจะมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 1,353 W/m2 โดยจะมีค่าการแผ่รังสีเฉลี่ยอยู่ระหว่าง 1,350-1,440 W/m2 ค่าการแผ่รังสีดังกล่าวเราเรียกว่า ค่าคงที่สุริยะ (Solar Constant) ซึ่งก็คือ ค่าอัตราการตกกระทบของพลังงานแสงอาทิตย์ต่อหน่วยพื้นที่ในทิศทางตั้งฉากกับดวงอาทิตย์นอกชั้นบรรยากาศโลกและจะมีค่าแตกต่างกันออกไปในแต่ละเดือน โดยมีค่าแปรผันไปตามช่วงความยาวคลื่นของรังสีซึ่งอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบไปด้วย รังสีช่วงคลื่นยาว ได้แก่ รังสีอินฟราเรด (Infrared) จนถึงรังสีช่วงคลื่นสั้น ได้แก่ รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet)

รังสีดวงอาทิตย์ในช่วงคลื่นต่างๆ ที่แผ่มายังโลก โดยผ่านชั้นบรรยากาศต่างๆ ของโลก จะถูกดูดซับ (Absorbed) และทำให้กระจัดกระจาย (Scattered) อยู่ในชั้นบรรยากาศของโลก การดูดกลืนพลังงานการแผ่รังสีโดยชั้นบรรยากาศของโลกจะเกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลา และมีลักษณะที่สำคัญ ดังต่อไปนี้

1. รังสีช่วงคลื่นสั้น ส่วนใหญ่จะเป็นรังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) โดยมีช่วงความยาวคลื่นต่ำกว่า 300 nm พลังงานรังสีของดวงอาทิตย์จะถูกดูดกลืนและถูกทำให้ลดลงในเขตบรรยากาศชั้น Ionosphere โดยแก๊สไนโตรเจน ออกซิเจน และแก๊สโอโซน ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอน (Electron Transition) ในอะตอมหรือในโมเลกุลของแก๊สดังกล่าว จึงทำให้รังสีดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบลงบนผิวโลก เกือบจะไม่มีพลังงานของรังสีในช่วงคลื่นนี้เหลืออยู่เลย

2. รังสีช่วงคลื่นที่มองเห็นได้ (Visible) จะถูกดูดกลืนด้วยโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สโอโซน แก๊สออกซิเจน และไอน้ำ

3. รังสีช่วงคลื่นยาว รังสีในช่วงคลื่นนี้ส่วนใหญ่จะเป็นรังสีอินฟราเรด (Infrared) มีการดูดกลืนรังสีอันเนื่องมาจากการหมุนและการสั่นสะเทือนของ Polyatomic Molecule ซึ่งได้แก่ น้ำ ที่ความยาวคลื่นประมาณ 700, 800, 900, 1,400, 1,900, 2,700, 3,200 nm และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ความยาวคลื่นประมาณ 1,600, 2,000, 2,700, 4,300 nm

การดูดกลืนรังสีดังกล่าวจะเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศด้านล่างซึ่งมีความหนาประมาณ 50 กิโลเมตร และพลังงานที่ถูกดูดกลืนจะทำให้เกิดความร้อนขึ้นในชั้นของบรรยากาศ ที่ระยะความยาวคลื่นระหว่าง 8,000–12,000 nm บรรยากาศจะโปร่งใส รังสีในช่วงคลื่นนี้เรียกว่า Atmosphere Window ที่ความยาวคลื่นสูงกว่านี้ รังสีดวงอาทิตย์จะถูกดูดกลืนเกือบหมดด้วยน้ำในรูปของไอน้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  

รูปที่ 1 แสดงรังสีดวงอาทิตย์ในช่วงคลื่นต่างๆ ในเขตชั้นบรรยากาศโลก 

รูปที่ 2 แสดงเขตบรรยากาศโลก และนอกชั้นบรรยากาศโลก 

ในการศึกษาถึงผลของชั้นบรรยากาศที่มีต่อการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์นั้น จะต้องพิจารณาถึงความหนาของบรรยากาศที่ขวางกั้นทางเดินของรังสีด้วย ซึ่งเราเรียกว่า Air Mass (AM) คือทางเดินของรังสีอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศ โดยพิจารณาว่าถ้าแสงมาในแนวดิ่งที่ระดับน้ำทะเลจะมีค่าเป็น 1 เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ตรงศีรษะเราพอดี 

นั่นคือ มีทิศตั้งฉากกับแนวระดับหรือมุมซีนิทซ์ (Zenith Angle, _Z) เท่ากับศูนย์ และ AM มีค่าเท่ากับ 2 เมื่อ _Z = 60^o และ AM มากกว่า 3 เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ในระดับขอบฟ้า และเท่ากับศูนย์เมื่ออยู่นอกเขตบรรยากาศโลก ดวงอาทิตย์จะมีอัตราการแผ่รังสีค่อนข้างจะคงที่ตลอดเวลาแต่รังสีดวงอาทิตย์นอกชั้นบรรยากาศโลกจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบในรอบปีเนื่องมาจาก

โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรีในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา ขณะเดียวกันก็จะหมุนรอบตัวเองในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาด้วย  ในวันที่ 3 มกราคมของทุกปี โลกจะอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นระยะทางที่น้อยที่สุดประมาณ 147.1x10⁶ km และในวันที่ 4 กรกฎาคมของทุกปี โลกจะอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นระยะทางที่มากที่สุดประมาณ 152x10⁶ km

ดังนั้นความเข้มของรังสีดวงอาทิตย์นอกชั้นบรรยากาศโลกจึงมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์จะมีระยะทางเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา โดยมีค่าเปลี่ยนแปลงไป  3% เราสามารถคำนวณหาค่าการแผ่รังสีนอกชั้นบรรยากาศโลกได้จากสมการที่ 1

4. ผลกระทบจากมุมเดคลิเนชัน (Declination Angel Effect) หรือมุมบ่ายเบน เป็นมุมที่เกิดจากแกนหมุนของโลก โดยเทียบกับแกนตั้งฉากของระนาบสุริยะวิถี (Ecliptic Plane) จะมีค่าเปลี่ยนแปลงอยู่ระหว่าง +23.45? ถึง 23.45? ในช่วงระยะเวลาหนึ่งรอบปี ระนาบสุริยะวิถีก็คือ ระนาบซึ่งดวงอาทิตย์ปรากฏเคลื่อนที่ไปรอบโลกนั่นเอง หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ ระนาบทางโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์

รูปที่ 3 แสดงวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ และระนาบต่างๆ 

ระนาบเส้นศูนย์สูตร (Equatorial Plane) ของโลกจะเอียงทำมุม 23.45^o กับระนาบสุริยะวิถีในวันที่ 21 มีนาคม และวันที่ 23 กันยายนของทุกปี แกนของโลกจะอยู่ในระนาบซึ่งตั้งฉากกับเส้นตรงที่ลากจากดวงอาทิตย์ เมื่อโลกหมุนรอบตัวเองดวงอาทิตย์จะปรากฏอยู่เหนือขอบฟ้า 12 ชั่วโมง และใต้ขอบฟ้า 12 ชั่วโมง นั่นคือเวลากลางวันจะเท่ากับเวลากลางคืน เราเรียกตำแหน่งทั้งสองว่า Equinoxes หลังจากวันที่ 21 มิถุนายน โลกจะหันขั้วเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์มากที่สุด

ทำให้ซีกโลกด้านเหนือได้รับแสงอาทิตย์มากและยาวนาน เป็นผลทำให้เวลากลางวันยาวกว่าเวลากลางคืน เฉพาะตั้งแต่เส้นรุ้งที่ 66.5 องศาเหนือ ถึงขั้วโลกเหนือเป็นเวลากลางวัน 24 ชั่วโมง ขณะเดียวกันตั้งแต่เส้นรุ้งที่ 66.5 องศาใต้ ถึงขั้วโลกใต้จะเป็นเวลากลางคืน 24 ชั่วโมง และในวันที่ 21 ธันวาคม โลกจะหันขั้วเหนือออกจากดวงอาทิตย์มากที่สุด ดังนั้นซีกโลกเหนือจึงมีเวลากลางวันสั้นกว่าเวลากลางคืน

รูปที่ 4 แสดงการเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสีนอกชั้นบรรยากาศโลกในเดือนต่างๆ 

1. รังสีตรง (Beam หรือ Direct Radiation) คือรังสีที่ได้รับจากดวงอาทิตย์โดยไม่มีการกระจาย (Scattering) โดยชั้นของบรรยากาศ มีทิศทางแน่นอนที่เวลาใดเวลาหนึ่ง นั่นคืออยู่ในแนวของลำแสงของดวงอาทิตย์

2. รังสีกระจาย (Diffuse Radiation) คือรังสีของดวงอาทิตย์ส่วนที่ถูกสะท้อนและกระจัดกระจายเมื่อรังสีอาทิตย์กระทบกับบรรยากาศโลก โดยแก๊ส ฝุ่นละออง และสิ่งต่างๆ ที่อยู่ในทางเดินของลำแสงก่อนตกกระทบบนพื้นผิวรับแสง รังสีกระจายจะมาจากทุกทิศทุกทางในท้องฟ้า

3. รังสีรวม (Total หรือ Global Radiation) เป็นผลรวมของรังสีตรงและรังสีกระจาย ซึ่งจำกัดเฉพาะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดคลื่นสั้น (ไม่เกิน 3 µm) ไม่รวมพลังงานคลื่นยาวที่ได้จากการแผ่รังสีของโลกและบรรยากาศ

ในกรณีที่ผิวรับแสงเป็นพื้นระนาบในแนวนอน รังสีรวมจะประกอบด้วย รังสีตรงจากท้องฟ้าและรังสีกระจายจากท้องฟ้าเท่านั้น คือ ครึ่งวงกลมของท้องฟ้านั่นเอง รังสีรวมในกรณีนี้เราเรียกว่า Global Radiation

เมื่อผิวรับแสงเป็นพื้นระนาบเอียง รังสีรวมจะประกอบด้วย รังสีตรงจากท้องฟ้า รังสีกระจายจากท้องฟ้า และรังสีกระจาย (ส่วนใหญ่เป็นการสะท้อน) จากผิวโลก รังสีรวมนี้เรียกว่า Total Radiation

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของการสะท้อนรังสีจากผิววัตถุแบบต่างๆ 

การแผ่รังสีดวงอาทิตย์มายังโลกจะต้องผ่านบรรยากาศชั้นต่างๆ ซึ่งประกอบไปด้วยแก๊สต่างๆ, ไอน้ำ, โอโซน เป็นต้น ทำให้รังสีดวงอาทิตย์มายังโลกมีค่าแตกต่างกันออกไป และระยะทางการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์มายังโลก มีค่าเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาตามวันและเวลาที่เปลี่ยนไป จึงทำให้การแผ่รังสีดวงอาทิตย์ในชั้นบรรยากาศโลกเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เราจึงกำหนดค่าแฟกเตอร์ที่มีผลต่อการแผ่รังสีดวงอาทิตย์ในชั้นบรรยากาศโลกว่าแฟกเตอร์ความขุ่นมัว ซึ่งแสดงในตารางที่ 2