บทที่ 07 — โซลาร์เซลล์และกังหันลม: พลังงานจากฟ้า

07.1 โซลาร์เซลล์: แผ่นที่กินแสงแล้วคายไฟ

ตั้งแต่บทที่ 4 เป็นต้นมา ทุกโรงไฟฟ้าที่เล่ามาล้วนเดินตาม "สูตรหมุน" เดียวกัน: มีบางอย่างหมุนเพลา เพลาหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แล้วเครื่องกำเนิดก็ผลิตไฟฟ้าออกมา ไม่ว่าจะเป็นไอน้ำจากการเผาก๊าซและถ่านหินในบทที่ 5 หรือแรงน้ำจากเขื่อนในบทที่ 6 ก็ล้วนเป็นแค่ "ตัวผลัก" ให้เพลาหมุนเท่านั้น โซลาร์เซลล์ (solar cell) คือข้อยกเว้นเดียวของทั้งเล่มนี้ เพราะไม่มีอะไรหมุนเลยแม้แต่ชิ้นเดียว

หัวใจของแผงโซลาร์คือแผ่นซิลิคอน (silicon) บางๆ ที่ถูกออกแบบมาเป็นพิเศษ เมื่อแสงแดดตกกระทบแผ่นนี้ พลังงานจากแสงจะไป "เตะ" อิเล็กตรอนในเนื้อสารให้หลุดออกมาไหลเป็นกระแสไฟฟ้าทันที ไม่ต้องเผาอะไร ไม่ต้องต้มน้ำ ไม่มีชิ้นส่วนกลไกเคลื่อนที่ให้สึกหรอหรือต้องหล่อลื่น จึงทำงานเงียบสนิทและแทบไม่ต้องซ่อมบำรุงเมื่อเทียบกับโรงไฟฟ้าที่มีกังหันหมุนตลอดเวลา

ไฟฟ้าที่ไหลออกจากแผงโซลาร์เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current — DC) ทวนความจำจากบทที่ 1: DC คือไฟฟ้าที่ไหลไปทางเดียวตลอดเวลาเหมือนแบตเตอรี่ ในขณะที่ไฟบ้านและทั้งระบบไฟฟ้าของประเทศพูดภาษาไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current — AC) ที่สลับทิศการไหลตลอดเวลา ด้วยเหตุนี้แผงโซลาร์จึงขาด อินเวอร์เตอร์ (inverter) ไปไม่ได้เลย อินเวอร์เตอร์ทำหน้าที่เหมือนล่ามแปลภาษา คอยแปลงไฟ DC จากแผงให้กลายเป็นไฟ AC แรงดันประมาณ 220 โวลต์ ก่อนจะนำไปใช้ในบ้านหรือส่งเข้าสู่ระบบสายส่งได้ ถ้าไม่มีอินเวอร์เตอร์ ไฟจากแผงโซลาร์ก็เป็นได้แค่ไฟ DC ที่ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านแทบไม่ได้เลย

เพราะพลังงานมาจากแสงโดยตรง การผลิตไฟของโซลาร์จึงไวต่อสภาพฟ้าอย่างสุดขั้ว วันแดดจัดแผงผลิตไฟได้เต็มกำลัง แต่พอมีเมฆก้อนใหญ่ลอยมาบัง กำลังผลิตจะตกฮวบลงทันทีภายในไม่กี่วินาที และเมื่อพระอาทิตย์ตกดิน กำลังผลิตก็จะเหลือศูนย์สนิทโดยไม่มีข้อยกเว้น

07.2 จากหลังคาบ้านถึงโซลาร์ฟาร์มลอยน้ำ

โซลาร์เซลล์ในไทยมีอยู่สามสเกลหลักๆ เริ่มจากเล็กที่สุดคือ โซลาร์หลังคาบ้าน (rooftop solar) ขนาดหลักกิโลวัตต์ (kilowatt — kW) ที่ติดตั้งบนหลังคาบ้านแต่ละหลัง ถัดมาคือขนาดกลางที่ติดตั้งบนหลังคาโรงงานหรือห้างสรรพสินค้า และใหญ่ที่สุดคือ โซลาร์ฟาร์มภาคพื้น (ground-mounted solar farm) ที่ปูแผงเรียงเป็นแถวยาวสุดลูกหูลูกตาบนพื้นที่หลักสิบถึงหลักร้อยเมกะวัตต์ ส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในภาคอีสานและภาคกลางที่มีที่ดินโล่งกว้างและแดดแรงสม่ำเสมอตลอดปี

1. Solar panels (Photovoltaic modules) — แผงโซลาร์เซลล์ที่กำลังติดตั้งบนหลังคา คือจุดเริ่มต้นของเส้นทางไฟฟ้าตามแผนภาพก่อนหน้า ผลิตไฟ DC เมื่อโดนแสงแดด
2. Technicians in safety gear — ช่างเทคนิคในชุดนิรภัยพร้อมสายรัดกันตก เพราะงานติดตั้งบนหลังคาที่มีความสูงต้องระวังความปลอดภัยเป็นพิเศษ
3. Roof mounting system — โครงยึดที่ติดแผงให้แนบกับความลาดของหลังคาอย่างมั่นคง ทนแรงลมได้
4. DC cabling (from panels) — สายไฟที่พาไฟ DC จากแผงบนหลังคาลงมายังอินเวอร์เตอร์ที่ผนังบ้าน
5. Solar inverter (DC to AC) — กล่องอินเวอร์เตอร์ติดผนัง ทำหน้าที่แปลง DC เป็น AC ตรงตามที่อธิบายไว้ในหัวข้อ 7.1
6. AC disconnect and protection — สวิตช์ตัดไฟ AC และอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร ติดตั้งต่อจากอินเวอร์เตอร์เพื่อความปลอดภัย
7. AC cabling (to home and grid) — สายไฟ AC ที่พาไฟจากอินเวอร์เตอร์เข้าสู่ระบบไฟบ้านและต่อออกไปยังสายไฟหน้าบ้าน
8. Second floor / Ground floor — ชั้นสองและชั้นล่างของบ้าน แสดงให้เห็นระยะทางที่สายไฟต้องเดินจากหลังคาลงมาถึงตัวบ้าน
9. Main electrical panel (inside home) — ตู้ไฟหลักภายในบ้านที่ไฟจากอินเวอร์เตอร์เชื่อมต่อเข้ากับระบบไฟฟ้าของบ้านทั้งหลัง
10. Utility grid (connection) — จุดเชื่อมต่อกับสายไฟของการไฟฟ้าหน้าบ้าน ที่ไฟส่วนเกินจากแผงโซลาร์ไหลออกไปขายเข้าระบบได้

1. Rural landscape in Thailand — บริเวณชนบทที่มีที่ดินโล่งกว้าง เหมาะกับการปูแผงโซลาร์จำนวนมาก
2. PV module arrays — แถวแผงโซลาร์เซลล์ (photovoltaic — PV คือคำเรียกทางเทคนิคของเซลล์แสงอาทิตย์) เรียงต่อกันเป็นแนวยาวหลายสิบแถว
3. Inverter stations — สถานีอินเวอร์เตอร์ขนาดใหญ่ที่กระจายอยู่ระหว่างแถวแผง รวบรวมไฟ DC จากแผงหลายพันแผงมาแปลงเป็น AC
4. Grid connection / substation — จุดเชื่อมต่อกับสถานีไฟฟ้าย่อย ที่ไฟ AC ทั้งหมดจากฟาร์มถูกส่งเข้าสู่สายส่งของประเทศ
5. Internal access road — ถนนภายในฟาร์มสำหรับรถบำรุงรักษาเข้าไปทำความสะอาดและซ่อมแซมแผง
6. High-voltage transmission line — เสาสายส่งแรงสูงที่รับไฟจากฟาร์มไปกระจายต่อ (รายละเอียดเต็มในบทที่ 9)
7. Perimeter security fence — รั้วรอบขอบชิดกันคนและสัตว์เข้าไปในพื้นที่ฟาร์ม
8. Site entrance — ทางเข้าหลักของโซลาร์ฟาร์มที่มีประตูควบคุมการเข้าออก

ของเด่นที่สุดของไทยในวงการนี้คือ โซลาร์ลอยน้ำไฮบริดเขื่อนสิรินธร จังหวัดอุบลราชธานี ที่นำแผงโซลาร์ไปลอยบนผิวน้ำเหนืออ่างเก็บน้ำของเขื่อนแทนที่จะใช้ที่ดินบนบก เป็นการใช้พื้นที่ผิวน้ำที่ว่างเปล่าให้เกิดประโยชน์ และยังจับคู่ทำงานร่วมกับพลังน้ำได้อย่างลงตัว กล่าวคือกลางวันที่แดดจัดก็ใช้ไฟจากแผงโซลาร์เป็นหลัก ส่วนกลางคืนหรือวันที่เมฆมากก็ให้เขื่อนปล่อยน้ำผลิตไฟฟ้าเสริมแทน โครงการนี้ถือเป็นหนึ่งในโซลาร์ลอยน้ำแบบไฮบริดที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของโลก

1. Reservoir — อ่างเก็บน้ำของเขื่อนที่ผืนโซลาร์ลอยอยู่ด้านบน คือแหล่งน้ำเดียวกับที่เล่าไว้ในบทที่ 6
2. Dam — ตัวเขื่อนที่เห็นอยู่ไกลออกไปด้านหลัง เป็นแหล่งพลังน้ำที่จับคู่ทำงานร่วมกับโซลาร์ลอยน้ำ
3. Floating Solar Panel Arrays — แผงโซลาร์ที่ติดตั้งอยู่บนทุ่นลอยน้ำ (pontoon) จัดเรียงเป็นบล็อกใหญ่บนผิวน้ำ
4. Inverter Stations — แท่นลอยน้ำที่ติดตั้งอินเวอร์เตอร์ แปลงไฟ DC เป็น AC เช่นเดียวกับที่อธิบายในหัวข้อ 7.1 เพียงแต่ลอยอยู่บนน้ำแทนที่จะตั้งบนพื้นดิน
5. Mooring System — ระบบสายเคเบิลและสมอที่ยึดผืนแผงให้อยู่กับที่ ไม่ให้ลอยเคว้งไปตามกระแสน้ำหรือลม
6. Maintenance Access — ทางเดินลอยน้ำสำหรับเจ้าหน้าที่เดินเข้าไปตรวจและทำความสะอาดแผงกลางอ่าง
7. Cable Corridor — เส้นทางสายเคเบิลใต้น้ำที่ส่งไฟฟ้าจากกลางอ่างเข้าฝั่ง ก่อนต่อเข้าระบบสายส่งต่อไป

07.3 กังหันลม: กลับสู่สูตรหมุน

ต่างจากโซลาร์เซลล์ กังหันลม (wind turbine) กลับมาเดินตาม "สูตรหมุน" เดิมของบทที่ 4 อย่างเต็มตัว ลมที่พัดมาปะทะใบพัดจะผลักให้ใบพัดหมุน ใบพัดหมุนเพลาที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งซ่อนอยู่ในกระเปาะด้านบนเสา หลักการเดียวกันเป๊ะกับที่เล่าไว้ในบทที่ 4 เพียงแค่ตัวผลักคราวนี้เป็นลมแทนไอน้ำหรือน้ำ กังหันลมยุคใหม่มีขนาดใหญ่โตมาก เสาสูงกว่าตึกประมาณ 30-40 ชั้น และใบพัดแต่ละใบยาวเกินครึ่งสนามฟุตบอล เวลายืนอยู่ใต้ต้นจึงรู้สึกได้ถึงความมหึมาอย่างชัดเจน

ลมในประเทศไทยโดยเฉลี่ยไม่แรงเท่าแถบยุโรปที่มีลมทะเลพัดแรงสม่ำเสมอตลอดปี แหล่งลมที่ดีพอจะปั่นไฟได้คุ้มค่าจึงมีจำกัดเฉพาะบางจุด ส่วนใหญ่อยู่บนสันเขาภาคอีสานตอนใต้ ตัวอย่างเด่นคือทุ่งกังหันลมห้วยบง จังหวัดนครราชสีมา ซึ่งเป็นทุ่งกังหันลมใหญ่ที่สุดของไทย และยังมีบางจุดตามแนวชายฝั่งทะเลที่ลมพัดสม่ำเสมอพอเช่นกัน

1. Rotor blades — ใบพัดกังหันลม ส่วนที่รับแรงลมโดยตรงแล้วหมุนให้พลังงานลมกลายเป็นพลังงานกล
2. Nacelle — กระเปาะด้านบนเสาที่ซ่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เกียร์ทดรอบ และอุปกรณ์ควบคุมทั้งหมดไว้ข้างใน เทียบได้กับ "ห้องเครื่อง" ของกังหันลม
3. Tower — เสาสูงที่ยกกระเปาะและใบพัดขึ้นไปรับลมแรงบนที่สูง ยิ่งสูงยิ่งรับลมได้แรงและสม่ำเสมอกว่า
4. Turbine foundation — ฐานรากคอนกรีตหนาที่ฝังอยู่ใต้ดิน รับน้ำหนักและแรงบิดมหาศาลจากเสาและใบพัดด้านบน
5. Access road — ถนนที่ตัดขึ้นไปตามสันเขาให้รถขนส่งชิ้นส่วนและเจ้าหน้าที่บำรุงรักษาเข้าถึงกังหันแต่ละต้นได้
6. Wind farm — กลุ่มกังหันลมทั้งหมดที่ตั้งเรียงรายตามแนวสันเขา รวมกันเป็นโครงการทุ่งกังหันลม
7. Northeastern Thailand — ภาคอีสาน พื้นที่ที่มีแหล่งลมดีที่สุดของประเทศตามที่อธิบายไว้ในย่อหน้าข้างต้น
8. Cassava fields — ทุ่งมันสำปะหลังเบื้องล่าง แสดงให้เห็นว่าพื้นที่เกษตรกับทุ่งกังหันลมอยู่ร่วมกันได้ เพราะฐานกังหันใช้พื้นที่ดินจริงเพียงเล็กน้อย

กังหันลมเริ่มหมุนผลิตไฟได้ตั้งแต่ลมยังอ่อนๆ แต่ถ้าลมแรงเกินระดับที่ปลอดภัย เช่นช่วงพายุ ระบบควบคุมจะสั่งหยุดกังหันโดยอัตโนมัติเพื่อป้องกันความเสียหายต่อใบพัดและเพลา ดังนั้นกังหันลมจึงมีนิสัยคล้ายโซลาร์เซลล์ตรงที่ผลิตไฟตามธรรมชาติเป็นหลัก ไม่ใช่ตามคำสั่งของศูนย์ควบคุมเช่นกัน

07.4 นิสัยที่ระบบต้องปรับตัว: ผลิตตามฟ้า ไม่ใช่ตามสั่ง

ทั้งโซลาร์และกังหันลมถูกจัดอยู่ในกลุ่มเดียวกันที่เรียกอย่างเป็นทางการว่า พลังงานหมุนเวียนแบบผันแปร (Variable Renewable Energy — VRE) หรือเรียกสั้นๆ ว่าเป็นพลังงานที่ "ผันแปรตามธรรมชาติ" (intermittent) ซึ่งต่างจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนในบทที่ 5 หรือเขื่อนในบทที่ 6 ที่ศูนย์ควบคุมสั่งเดินเครื่องหรือหยุดเครื่องได้ตามต้องการ โซลาร์และลมสั่งเดินเครื่องไม่ได้เลย จะผลิตไฟก็ต่อเมื่อฟ้าเปิดโอกาสให้เท่านั้น

นิสัยแบบนี้สร้างปัญหาสองชั้นให้ระบบไฟฟ้า ชั้นแรกคือการพยากรณ์ที่ยากขึ้นมาก เพราะเมฆก้อนเดียวที่ลอยผ่านก็ทำให้กำลังผลิตของโซลาร์ทั้งนิคมอุตสาหกรรมหายวูบลงได้ในพริบตาโดยแทบไม่มีสัญญาณเตือนล่วงหน้า ชั้นที่สองคือเวลาที่ผลิตได้กับเวลาที่คนต้องการใช้ไม่ตรงกัน โซลาร์ผลิตไฟได้สูงสุดตอนเที่ยงวันที่แดดแรงที่สุด แต่คนส่วนใหญ่กลับใช้ไฟพีคช่วงหัวค่ำ ตอนกลับถึงบ้าน เปิดแอร์ หุงข้าว เปิดไฟ ตามกราฟการใช้ไฟที่เล่าไว้ในบทที่ 3

ลองนึกภาพกราฟการผลิตไฟกับการใช้ไฟตลอดวันซ้อนกันดู จะเห็นภาพที่เรียกได้ว่า "เที่ยงล้น หัวค่ำหาย" ยิ่งประเทศมีโซลาร์ติดตั้งมากขึ้นเท่าไหร่ โรงไฟฟ้าปกติก็ยิ่งต้องหรี่กำลังผลิตลงตอนเที่ยงเพื่อไม่ให้ไฟล้นระบบ แล้วต้องรีบพรวดกำลังขึ้นอย่างรวดเร็วตอนหัวค่ำเพื่อรับช่วงต่อจากโซลาร์ที่หายไปพร้อมพระอาทิตย์ตก ต่างประเทศเรียกกราฟรูปทรงแบบนี้ว่า duck curve เพราะเมื่อวาดเส้นกำลังผลิตที่โรงไฟฟ้าอื่นต้องแบกรับตลอดวัน จะได้รูปทรงโค้งเว้าคล้ายหลังเป็ดพอดี

ระบบไฟฟ้าไทยมีตัวช่วยรับมือกับปัญหานี้อยู่หลายทาง เช่น เขื่อนสูบกลับที่เล่าไว้ในบทที่ 6 ซึ่งเก็บพลังงานไว้ในรูปน้ำแล้วปล่อยออกมาช่วงหัวค่ำได้ทันที ตัวเก็บพลังงานแบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่กำลังเริ่มมีบทบาทมากขึ้นเรื่อยๆ (จะเล่าละเอียดในบทที่ 16) และการพยากรณ์อากาศที่แม่นยำของศูนย์ควบคุมระบบกำลังไฟฟ้าแห่งชาติ (NCC) ที่เล่าไว้ในบทที่ 3 ซึ่งช่วยให้เตรียมโรงไฟฟ้าสำรองไว้ล่วงหน้าได้ทันเวลาก่อนที่โซลาร์จะหายไปจริง

07.5 แล้วทำไมโลกยังเทใจให้: ข้อดีที่ชนะขาด

แม้จะมีข้อจำกัดเรื่องผลิตตามธรรมชาติสั่งไม่ได้ แต่โซลาร์และลมก็ยังคงเป็นพลังงานที่โตเร็วที่สุดในโลกอย่างต่อเนื่อง เพราะมีข้อดีที่ชนะขาดโรงไฟฟ้าแบบอื่นในหลายด้าน เชื้อเพลิงของมันคือแดดและลมซึ่งฟรีตลอดชีพ ไม่มีค่าเชื้อเพลิงรายวันเหมือนก๊าซหรือถ่านหิน ไม่มีควันและไม่ปล่อยคาร์บอนขณะผลิตไฟฟ้าเลย ราคาแผงโซลาร์เองก็ถูกลงมหาศาลในช่วงสิบกว่าปีที่ผ่านมา ลดลงมาแล้วประมาณหลายสิบเปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับอดีต และยังสร้างได้ไวกว่าโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่มาก อาจใช้เวลาเพียงไม่กี่เดือนสำหรับโซลาร์ฟาร์มขนาดกลาง เทียบกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ต้องใช้เวลาสร้างหลายปี และยังติดตั้งได้แทบทุกที่ ตั้งแต่หลังคาบ้านหลังเล็กไปจนถึงผิวน้ำเหนือเขื่อน

บทสรุปที่แฟร์ที่สุดคือ โซลาร์และลมไม่ใช่พระเอกเดี่ยวที่จะแบกทั้งระบบไฟฟ้าไว้คนเดียวได้ แต่เป็นเหมือนกองหน้าตัวใหม่ในทีมฟุตบอลที่ยิงประตูได้เก่งมากตอนกลางวัน ทว่าทีมยังต้องมีกองหลังที่พึ่งพาได้ทุกเวลา ไม่ว่าจะเป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อน เขื่อน หรือแบตเตอรี่ คอยประกบตลอด 24 ชั่วโมง การจัดสรรสัดส่วนของผู้เล่นแต่ละตำแหน่งในทีมพลังงานของประเทศให้สมดุลกันคือหน้าที่ของแผนพัฒนากำลังผลิตไฟฟ้า หรือ PDP ซึ่งจะพาไปทำความรู้จักกันในบทที่ 14

สรุปท้ายบท

คำศัพท์ในบทนี้

ทบทวนความเข้าใจ