พลังงานแสงอาทิตย์ เทรนด์ใหม่มาแรง

ที่ขอบทะเลทรายซาฮาราทางด้านตะวันตก มีเงาร่างจำนวนมากมายปรากฏกระจายไปทั่วทะเลทรายร้อนจัด ในพื้นที่กว่า 450 เฮกตาร์ของเมืองควาร์ซาซาเตในโมร็อกโก ได้ติดตั้งกระจกโค้ง 5 แสนชิ้นหันไปหาดวงอาทิตย์ กระจกจับแสงไว้แล้วแปลงเป็นพลังงานส่งไปให้บ้านชาวโมร็อกโกหลายพันครัวเรือนใช้แทนที่จะทิ้งสูญเปล่า

แสงอาทิตย์มีพลังงานมากมายจนสามารถรองรับความต้องการพลังงานของโลกทั้งใบได้มากถึงแปดเท่า ดังนั้นวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์จึงกระหายจะหาหนทางที่มีประสิทธิภาพเพื่อใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานทรงศักยภาพนี้

ในเวลาเดียวกัน การเผาถ่านหินและน้ำมันปริมาณมหาศาลก็ทำให้บรรยากาศของโลกเต็มไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ประเทศต่างๆ ในโลกเห็นพ้องกันว่าต้องลดก๊าซเรือนกระจกวิกฤตโลกร้อนกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาและทุกอย่างก็บ่งชี้ตรงกันว่ากำลังจะเกิดความก้าวหน้าใหญ่ในเรื่องพลังงานแสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์ในโมร็อกโกกำลังร้อนแรง

ทุกวันนี้ พลังงานแสงอาทิตย์ผลิตขึ้นได้สองวิธี วิธีแรกคือการใช้เซลล์สุริยะที่ใช้ประโยชน์จากความต่างทางพลังงานของแสงความยาวคลื่นต่างๆ เพื่อไปผลักอิเล็กตรอนและเปลี่ยนแสงเป็นพลังงานโดยตรง อีกวิธีคือโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้วิธีแบบกระจก แสงอาทิตย์จะถูกรวมให้เข้มข้นจนมีอุณหภูมิสูง แล้วนำความร้อนไปทำให้น้ำระเหยเป็นไอ เพื่อหมุนเครื่องยนต์กังหันและเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้า

ในซีกโลกเหนือ เช่น สแกนดิเนเวีย โดยเฉลี่ยแล้วจะมีแสงอาทิตย์เพียงปีละ 1,500-1,700 ชั่วโมง (ชม.) แต่ในปัจจุบันนี้เซลล์สุริยะแข่งกับกังหันลมได้แล้ว เพราะแผงสุริยะนั้นมีประสิทธิภาพมากขึ้นในช่วงหลัง และมีราคาถูกลงมาก

ในประเทศที่มีแสงแดดมากๆ อย่าง โมร็อกโก โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์รุ่นที่สองก็กำลังเดินหน้าสู่ความก้าวหน้าครั้งใหญ่ เพราะเวลาที่มีแสงแดดจ้านั้นมากเป็นสองเท่าของแถบสแกนดิเนเวีย

ดังนั้น ตอนนี้ประเทศในแอฟริกาเหนือจึงเริ่มสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกขึ้นบริเวณขอบทะเลทรายซาฮารา ซึ่งมีแสงแดดจากฟ้าที่ไร้เมฆราวปีละ 3,600 ชม.ในบางพื้นที่ โรงไฟฟ้าแรกในจำนวนทั้งหมดสี่โรงเปิดแล้วในเดือน ก.พ. 2016 เมื่อสร้างเสร็จสิ้นทั้งหมด โรงไฟฟ้านี้จะเป็นโรงไฟฟ้าที่มีกำลัง 500 เมกะวัตต์ เท่ากับโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็ก และสามารถจ่ายไฟให้คนได้หนึ่งล้านคน

เกลือหลอมเหลวเก็บกักความร้อน

โรงไฟฟ้าแรกในเมืองควาร์ซาซาเต ประกอบด้วยกระจกโค้งยืดหยุ่นได้ที่จะหมุนไปตามดวงอาทิตย์ บริเวณตรงกลางของแผ่นกระจกโค้งนั้นมีท่อใส่น้ำมัน ความร้อนจากดวงอาทิตย์จะโฟกัสให้ความร้อนแก่น้ำมันตรงกลาง นอกจากผลิตพลังงานแล้ว โรงไฟฟ้านี้ยังจัดเก็บพลังงานได้ด้วย โดยมีเพียงความร้อนบางส่วนเท่านั้นที่จะนำไปผลิต พลังงานความร้อนส่วนที่เหลือจะนำไปละลายเกลือ ซึ่งเป็นตัวรักษาความร้อนเอาไว้ใช้หลังพระอาทิตย์ตก เมื่อมืดแล้วจะนำพลังงานที่เก็บไว้ในเกลือหลอมเหลว (Molten Salt) ออกมาใช้ ทำให้ผลิตพลังงานต่อได้อีกสามชั่วโมง ในปี 2018 เมืองควาร์ซาซาเตจะสร้างโรงไฟฟ้าเพิ่มอีกหนึ่งโรง โดยใช้หลักการผลิตพลังงานอีกแบบ คือแทนที่จะให้ความร้อนแก่น้ำมันในแต่ละท่อ กระจกของโรงไฟฟ้าจะสะท้อนแสงแดดไปยังหอโซลาร์กลาง ในนั้นจะมีถังเก็บน้ำมันที่ถูกทำให้ร้อนแล้วให้พลังงานกับเครื่องปั่นไฟ ส่วนความร้อนที่เหลือจะเก็บไว้ในเกลือหลอมเหลว เมื่อมีหอคอยนั้น เมืองควาร์ซาซาเตจะผลิตพลังงานได้นานถึงห้าชั่วโมงหลังพระอาทิตย์ตก

แต่นั่นยังไม่พอ ถ้าเราจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์แทนพลังงานฟอสซิลได้ โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ต้องผลิตพลังงานได้นานกว่านั้นอีกหลายชั่วโมง

การผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ตลอด 24 ชั่วโมง

กระจกโค้งรูปพาราโบลาได้รับการทดสอบอย่างละเอียดที่สุดเพื่อเก็บพลังงานไว้ใช้ตอนกลางคืน โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่มีวิธีทำงานแบบเดียวกับโรงไฟฟ้าที่เมืองควาร์ซาซาเต โดยถ่ายเทความร้อนส่วนเกินจากน้ำมันไปยังถังใส่เกลือหลอมเหลวขนาดใหญ่

วิธีนี้ถือว่าไว้วางใจได้ แต่ยังไม่ดีที่สุด เพราะการถ่ายเทความร้อนกลับไปกลับมาระหว่างน้ำมันและเกลือทำให้สูญเสียพลังงาน ถ้าเกลือเหลวแทนที่น้ำมันในท่อ ระบบจะมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นมาก ต้นแบบนี้มีการใช้งานในโรงงานแอนดาซอล (Andasol) ในสเปน โดยจะเก็บพลังงานไว้ใช้ผลิตไฟฟ้าได้นานถึง 7.5 ชม.หลังหมดแสง

แต่วิธีนี้จุกจิกมาก เนื่องจากเกลือจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 290 องศาเซลเซียส จึงต้องรักษาอุณหภูมิของท่อให้มีความร้อนพอในตอนกลางคืนด้วยเครื่องให้ความร้อนไฟฟ้าเพื่อป้องกันไม่ให้ระบบท่ออุดตัน จึงไปลดข้อได้เปรียบเรื่องพลังงาน นักวิทยาศาสตร์ห้องปฏิบัติการแซนเดียในสหรัฐอเมริกากำลังพยายามแก้ปัญหาด้วยการผสมเกลือห้าชนิด ซึ่งจะคงสถานะของเหลวอยู่แม้ที่อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียส

โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีหอกลางนั้นเหมาะสมกับการใช้เกลือ ทั้งเพื่อเก็บสะสมและจัดเก็บความร้อน ข้อได้เปรียบก็คือ ระบบท่อระหว่างถังกังหันปั่นไฟและถังเก็บไม่ยาวมาก ดังนั้นจึงให้ความร้อนกับท่อได้ตลอด เวลาโดยใช้พลังงานไม่มากนัก

ปัจจุบันวิธีนี้ใช้อยู่ในโรงไฟฟ้าเกมาโซลาร์ (Gemasolar plant) ของสเปน ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แห่งเดียวในโลกที่ให้พลังงานได้ตลอด 24 ชม. คุณสมบัตินี้เป็นสิ่งสำคัญมาก หากจะนำมาทดแทนโรงงานไฟฟ้าแบบเก่าที่ใช้ถ่านหิน

เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ถูกลง

แม้โมร็อกโกจะมีจำนวนชั่วโมงของแสงอาทิตย์เป็นเวลามาก แต่พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ยังแพงกว่าพลังงานที่ได้จากเซลล์สุริยะโดยตรง ปัจจุบัน มีโรงไฟฟ้าเซลล์สุริยะทุกขนาดตั้งแต่เป็นแผ่นเล็กๆ ติดตั้งบนหลังคา จนถึงโรงไฟฟ้าโซลาร์สตาร์ (Solar Star) ในรัฐแคลิฟอร์เนียที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าขนาด 597 เมกะวัตต์ ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก

เซลล์สุริยะได้รับความนิยมสูงมาก เพราะราคาของแผงพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงอย่างมาก ในปี 1977 แผงมีราคา 76.67 เหรียญสหรัฐ/วัตต์ ที่ผลิตได้เหลือแค่ 0.49 เหรียญสหรัฐเท่านั้น (ข้อมูลปี 2016) ตอนนี้เซลล์สุริยะผลิตพลังงานร้อยละ 1 ของพลังงานรวมของโลก ทุกวันนี้พลังงานจากเซลล์สุริยะแพงกว่าพลังงานจากโรงงานถ่านหินเพียง 2-3 เท่า วัสดุใหม่ที่เรียกว่าเพรอฟสไคต์ (Perovskite) อาจทำให้เซลล์สุริยะเป็นหนึ่งในพลังงานที่ราคาถูกที่สุดในโลก

พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ

สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น จีน และรัสเซีย ได้ริเริ่มแข่งกันสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศแล้ว เป็นวิธีกำจัดจุดอ่อนของพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดได้พร้อมกัน เมื่อแสงแดดกระทบบรรยากาศของโลก จะเกิดการกระเจิง ดูดซับ และสะท้อนออกไป แสงมาไม่ถึงพื้นผิวโลกถึงร้อยละ 80 นอกเหนือจากพลังงานที่สูญเสียไปแล้วดวงอาทิตย์ยังส่องสว่างเฉพาะกลางวัน และในวันเมฆมากเซลล์สุริยะก็ผลิตพลังงานได้น้อยลงด้วย ในวงโคจรแบบคงที่เหนือโลกขึ้นไป 3.6 หมื่นกิโลเมตร ทุกตารางเมตรของแผงพลังงานแสงอาทิตย์จะอยู่ในเงาแค่วันละ 72 นาทีเท่านั้น ทำให้รับแสงแดดได้มากเป็น 5 เท่าเมื่ออยู่บนโลก ดังนั้น โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศจึงให้กระแสไฟในราคาที่แข่งขันกับโรงไฟฟ้าจากถ่านหินและน้ำมันได้