บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ

2.1 ทฤษฎเซลลแสงอาทตย(Solar Cell) [1] เซลลแสงอาทตยคอ สงประดษฐททาจากสารกงตวนา เชน ซลคอน (Silicon), แกลเลยมอารเซไนด (Gallium Arsenide), อนเดยม ฟอสไฟด (Indium Phosphide), แคดเมยม เทลเลอไรด(Cadmium Telluride) และคอปเปอรอนเดยม ไดเซเลไนด (Copper Indium Diselenide) เปนตน ซงเมอไดรบแสงอาทตยโดยตรงกจะเปลยนเปนพาหะนาไฟฟา และจะถกแยกเปนประจไฟฟาบวกและลบเพอใหเกดแรงดนไฟฟาทข วทงสองของเซลลแสงอาทตยเมอนาขวไฟฟาของเซลลแสงอาทตยตอเขากบอปกรณไฟฟากระแสตรง กระแสไฟฟาจะไหลเขาสอปกรณเหลานน ทาใหสามารถทางานได

2.1.1 หลกการท างานเซลลแสงอาทตย การทางานของเซลลแสงอาทตย เปนขบวนการเปลยนพลงงานแสงเปนกระแสไฟฟาไดโดยตรง โดยเมอแสงซงเปนคลนแมเหลกไฟฟาและมพลงงานกระทบกบสารกงตวนาจะเกดการถายทอดพลงงานระหวางกนพลงงานจากแสงจะทาใหเกดการเคลอนทของกระแสไฟฟาขนในสารกงตวนา จงสามารถตอกระแสไฟฟาดงกลาวไปใชงานได ดงรปท 2.1 และรปท 2.4

ภาพท 2.1 หลกการทางานเซลลแสงอาทตย

5

1. สาร p-type ซลคอน คอสารกงตวนาทไดการโดปปงดวยสารโบรอน ทาใหโครงสรางของอะตอมสญเสยอเลกตรอน(โฮล )เมอรบพลงงานจากแสงอาทตยจะทาหนาทเปนตวร บอเลกตรอน เมอนาซลคอนทง 2 ชนด มาประกบตอกนดวย p-n junction จงทาใหเกดเปน เซลลแสงอาทตย ในสภาวะทยงไมมแสงแดด n-type ซลคอนซงอยดานหนาของเซลล สวนประกอบสวนใหญพรอมจะใหอเลกตรอน แตกยงมโฮลปะปนอยเลกนอยดานหนาของ n–typeจะมแถบโลหะเรยกวาFront Electrode ทาหนาทเปนตวรบอเลกตรอน สวน p-type ซลคอนซงอยดานหลงของเซลลโครงสรางสวนใหญเปนโฮลแตยงคงมอเลกตรอนปะปนบางเลกนอยดานหลงของ p-type ซลคอนจะมแถบโลหะเรยกวา Back Electrode ทาหนาทเปนตวรวบรวมโฮล ดงรปท 2.2

ภาพท 2.2 การเกดกระแสไฟฟาของ Solar cell

2. เมอมแสงอาทตยตกกระทบ แสงอาทตยจะถายเทพลงงานใหกบอเลกตรอนและโฮล ทา ใหเกดการเคลอนไหว เมอพลงสงพอทงอเลกตรอนและโฮลจะวงเขาหาเพอจบคกน อเลกตรอนจะวงไปยงชน n - type และโฮลจะวงไปยงชน p type ดงรปท 2.3

ภาพท 2.3 การเกดกระแสไฟฟาของ Solar cell

6

3. อเลกตรอนวงไปรวมกนท Front Electrode และโฮลวงไปรวมกนท Back Electrode เมอมการตอวงจรไฟฟาจาก Front Electrode และ Back Electrode ใหครบวงจร กจะเกดกระแสไฟฟาขนเนองจากทงอเลกตรอนและโฮลจะวงเพอจบคกนดงรปท 2.4

ภาพท 2.4 การเกดกระแสไฟฟาของ Solar cell

ภาพท 2.5 จาลองการเกดกระแสไฟฟาในเซลลแสงอาทตย

7

2.1.2 เซลลแสงอาทตยทนยมใชกนอยในปจจบนจะแบงออกเปน 2 กลม คอ 1. กลมเซลลแสงอาทตยททาจากสารกงตวนาประเภทซลคอน จะแบงตามลกษณะของผลกทเกดขน คอ แบบทเปน รปผลก ( Crystal ) และแบบทไมเปนรปผลก (Amorphous) แบบทเปนรปผลกจะแบงออกเปน 2 ชนด คอ ชนดผลกเดยวซลคอน ( Single Crystalline Silicon Solar Cell) และ ชนดผลกรวมซลคอน ( Poly Crystalline Silicon Solar Cell) แบบทไมเปนรปผลก คอ ชนดฟลมบางอะมอรฟสซลคอน ( Amorphous Silicon Solar Cell) 2. กลมเซลลแสงอาทตยททาจากสารประกอบทไมใชซลคอน ซงประเภทน จะเปนเซลลแสงอาทตยมประสทธภาพสงถง 25 % ขนไปแตมราคาสงมาก ไมนยมนามาใชบนพนโลก จงใชงานสาหรบดาวเทยมและระบบรวมแสงเปนสวนใหญ แตการพฒนาขบวนการผลตสมยใหมจะทาใหมราคาถกลง และนามาใชมากขนในอนาคต (ปจจบนนามาใชเพย ง 7 % ของปรมาณทมใชทงหมด)

2.1.3 คณสมบตและตวแปรทส าคญของเซลลแสงอาทตย

1. ความเขมของแสง กระแสไฟ (Current) จะเปนสดสวนโดยตรงกบความเขมของแสง หมายความวาเมอความเขมของแสงสง กระแสทไดจากเซลลแสงอาทตยกจะสงขน ในขณะทแรงดนไฟฟาหรอโวลตแทบจะไมแปรไปตามความเขมของแสงมากนก ความเขมของแสงทใชวดเปนมาตรฐานคอความเขมของแสงทวดบนพนโลกในสภาพอากาศปลอดโปรง ปราศจากเมฆหมอกและวดทระดบน าทะเลในสภาพทแสงอาทตยตงฉากกบพนโลก ซงความเขม ของแสงจะมคาเทากบ 100 mW ตอ ตร.ซม. หรอ 1,000 W ตอ ตร.ม.ซงมคาเทากบ AM 1.5 (Air Mass 1.5) และถาแสงอาทตยทามม 60 องศากบพนโลกความเขมของแสงจะมคาเทากบประมาณ 75 mW ตอ ตร.ซม. หรอ 750 W ตอ ตร.ม. ซงมคาเทากบ AM2 กรณของแผงเซลลแสงอาทตยนนจะใชคา AM 1.5 เปนมาตรฐานในการวดประสทธภาพของแผง 2. อณหภม กระแสไฟ (Current) จะไมแปรตามอณหภมทเปลยนแปลงไป ในขณะทแรงดนไฟฟา (โวลต )จะลดลงเมออณหภม สง ขนซงโดยเฉลยแลวทก ๆ 1 องศาทเพมขน จะทาใหแรงดนไฟฟาลดลง 0.5%และในกรณของแผงเซลลแสงอาทตยมาตรฐานทใชกาหนดประสทธภาพของแสงอาทตยคอ ณ อณหภม 25 องศา C เชน กาหนดไววาแผงแสงอาทตยม

8

แรงดนไฟฟาทวงจรเปด (Open Circuit Voltage หรอ Voc) ท 21 V ณ อณหภม 25 องศา C กจะหมายความวา แรงดนไฟฟาทจะไดจากแผงแสงอาทตย เมอยงไมไดตอกบอปกรณไฟฟา ณ อณหภม25 องศา C จะเทากบ 21 V ถาอณหภมสงกวา 25 องศา C เชนอณหภม 30 องศา C จะทาใหแรงดนไฟฟาของแผงแสงอาทตยลดลง 2.5% (0.5% x 5 องศา C) นนคอแรงดนของแผงแสงอาทตยท Voc จะลดลง 0.525 V (21 V x 2.5%) เหลอเพยง 20.475 V (21V –0.525V) สรป ไดวาเมออณหภมสงขนแรงดนไฟฟาจะลดลง ซงมผลทาใหกาลงไฟฟาสงสด ของแผงแสงอาทตยลดลงดวย

2.1.4 การใชแสงอนๆ กบแผง Solar cell สาหรบแสงทจะใชไดนน ขอใหมชวงพลงงานทเหมาะสมกบชนด ของสารกงตวนา กจะทาใหเกบ ประจบวกและลบขนได นนกคอไมจาเปนตองเปนแสงอาทตยอยางเดยว แสงจากแหลงตางๆ ในชวตประจาวนกสามารถใชได อยางไรกตาม นอกจากชวงพลงงานของแสงแลว ความเขมของแสงกเปนสงสาคญ ถาเขมไมพอจานวนประจทเกดจะไมมากพอทจะนามาใชงานจรงได แสงจนทรนนทจรงกคอ แสงสะทอนของดวงอาทตย นาจะใชงานไดแตเพราะวา ความเขมของแสงจนทรบนผวโลกออนมากจงนามาใชงานไมได หากไมมการหาเทคนคตางๆ เสรมเขามาชวย ซงกจะทาใหคาใชจายเกดตามขนมาในรปท 2.6 จะแสดงใหเหนขอมลเกยวกบความไวแสงในการเกดประจของเซลลแสงอาทตยแบบ อะมอรฟส ซลคอน และ แบบซลคอนผลกเดยว ซงจะเหนวา ขนอยกบความยาวคลน (พลงงาน ) ของแสง ในรปท 2.6 ยงแสดงใหเหนถงขอมลของแถบความยาวคลนของแสงจากแหลงตางๆ คอ ดวงอาทตย (ทผวโลก AM1.5) หลอดไฟทงสเตน และหลอดไฟนออน จากรปจะตความทางฟสกสไดวา อะมอรฟส ซลคอนนนมประสทธภาพดในชวงความยาวคลนสน (พลงงานสง ) ของแสงอาทตย สวนซลคอนผลกเดยวนนตอบสนองตอแสงในแถบความยาวคลนคอนขางกวาง โดยมประสทธภาพดในชวงความยาวคลนยาว(พลงงานตา) ของแสงอาทตย และสาหรบไฟนออน ซงมแถบความยาวคลนในชวงคลนสนของแสงอาทตยนน อะมอรฟส ซลคอนจะใหประสทธภาพทดกวาซลคอนผลกเดยว สวนในกรณของหลอดไฟทงสเตนนน ซลคอนผลกเดยวจะใชงานไดดกวา

9

ภาพท 2.6 สเปคตรมของแสงอาทตยบนผวโลกและความไวตอแสงของเซลลแสงอาทตย

2.2 ทฤษฎแบตเตอร (Battery) [2] เมอกลาวถงเซลล แบบสงกะส -ถาน แบบอลคาล แมงกานส แบบปรอท แบบซลเวอรแบบสงกะส อากาศ และแบบลเธยม ซงเซลลตางๆ ทกลาวมาน ถกจดอยในเซลลแบบปฐมภมเมอพลงงานเคมในตวมนเปลยนเปนพลงงานไฟฟาหมดแลวกหมดสภาพการเปนแหลงจายไฟอกตอไป แตยงมเซลลอกแบบหนง เรยกวา เซลลแบบทตยภม (Secondary Cell) สามารถทจะประจไฟกลบใหมไดโดยทปฎกรยาเคมซง จายเปนพลงงานไฟฟา ออกมานนเปนปฎกรยาทผนกลบได การใชเซลลแบบทตยภมนทาใหเหมาะสมทจะใชเปนแหลงจายไฟมาก เนองจากถาเซลลถกใชไปจนหมดแลว สามารถทจะประจกลบใหมเพอจะไดใชตอไปได เซลลแบบทตยภมจะมราคาแพงกวาเซลลแบบปฐมภมในการลากลงทนมาตอนแรก เนองจากจาเปนทจะตองซอเครองประจไฟมาดวยแตเมอคดในระยะยาวแลว เซลลแบบทตยภมนจะมคาใชจายถกกวาซงกขนอยกบผใชวาจะเลอกใชเซลลชนดใด

10

2.2.1 ประเภทปฐมภม(Primary Battery)

โดยทวไปเรยกวาแบตเตอรแหง (Dry Cell) มคณสมบตในการใหกาเนดพลงงานไฟฟาชนดกระแสตรงทไดจากการแปรผนพลงงานโดยกระบวนการทางเคมแบตเตอรประเภทใชงานครงเดยวเมอจายหมดแลวตองทง ไมสามารถอดไฟกลบเขาไปใชงานใหมไดอก สวนมากทาขนจากสงกะส - คารบอน ปรอทและลเทยม ใชงานกบเครองไฟฟาขนาดเลกประเภทกระเปาหว มราคาไมแพง อายการใชงานสน เชน ถานไฟฉาย ถานนาฬกา เปนตน วตถดบทใชในการผสมเปนสารขวบวก ไดแก

- แมงกานส ไดออกไซด (Manganese Dioxide) ทาหนาทใหเกดกระแสไฟฟาขน - แอมโมเนยม คลอไรด (Ammonium Chloride) ทาใหกระแสไฟฟาทเกดขนมควา ม

สวาง - เมอรควรค คลอไรด (Mercuric Chloride) ทาหนาทปองกนไมใหแผนสงกะสเกดการ

กดกรอนเรวเกนไป - อะเซททลน แบลค (Acetylene Black) ทาหนาทเพมความดนและความเขมของ

กระแสไฟฟา - แทงคารบอน (Carbon Rod) มลกษณะเปนแทงกลม ทาหนาทเปนขวบวก - ซงคคลอไรด (Zinc Chloride) - ซงคออกไซด (Zinc Oxide) - คารบอน แบลค (Carbon Black) - กราไฟท (Graphite) วตถดบทใชเปนขวลบ คอ กระบอกสงกะสใชสงกะสกอนมาทาการหลอมละลาย ผาน

เครองรดใหเปนสงกะสแผนนาไปผานเครองตดใหได สงกะสตามขนาดทตองการ และนาไปปมใหขนรปเปนกระบอกสงกะสใชเปนขวลบ วตถดบทใชในการประกอบเขาเปนกอนถานไฟฉาย ขนอยกบการเลอกใช

- ยางมะตอย (Asphalt) ทาหนาทปองกนการรวของกระแสไฟฟา - แปงสาลหรอ แปงมน ผสมแลวมลกษณะคลายกาว ทาหนาทเปนตวยดใหกอนขวบวก

ตดแนนอยกบกระบอกสงกะส - กระดาษ มหลายประเภท เชน กระดาษเคลอบน ายาใชแทนแปง หรอกระดาษบาง

กระดาษหนาใชรองกอน หรอปดฝา

11

2.2.2 ประเภททตยภม(Secondary Battery) หรอโดยทวไปเรยกวาแบตเตอรน า (Storage Battery) ประกอบดวยเซลล 6เซลล ตอกนแบบอนกรม ซงแตละเซลลจะมแรงดน 2 โวลต จงจายแรงดนได 12 โวลต มคณสมบตในการเปลยนพลงงานเคมแลวจายเปนพลงงานไฟฟาชนดกระแสตรง แบตเตอรประเภทนใชงานจนไฟหมดหรอเลกใชงานแลว สามารถนาไปประจไฟเพมเตมปรบสภาพทางเคม ใหกลบสสภาพพรอมใชงานเหมอนเดม ได คอ สามารถใชหมนเวยน ไดจนกวาแบตเตอรรนนจะเสอมสภาพ แบตเตอรชนดนสวนมากทาจากตะกว - กรด ใชในรถยนต และในการใชพลงงานไฟฟาสารองในระบบตางๆ

ภาพท 2.7 โครงสรางของแบตเตอร

- แผนธาต (Plates) ในแบตเตอรม 2 ชนด คอ แผนธาตบวก และแผนธาตลบ แผนธาต

บวกทาจากตะกวเปอรออกไซด (PbO2) และแผนธาตลบทาจากตะกว (Pb) วางเรยงสลบกน จนเตมพอดในแตละเซลล แลวกนไมใหแตะกนดวยแผนกน

- แผนกน (Separates) ทาหนาทปองกนไมใหแผนธาตบวก และแผนธาตลบแตะกนซงจะทาใหเกดการลดวงจรขน ซงแผนกนนทาจากไฟเบอรกลาส หรอยางแขงเจาะรพรนเพอใหน ากรดสามารถไหลถายเทไปมาไดและมขนาดความกวางยาวเทากบแผนธาตบวกและแผนธาตลบ

- น ากรดหรอน ายาอเลกโตรไลต (Electrolyte) น ากรดในแบตเตอรรถยนตเปนน ากรดกามะถนเจอจางคอจะมกรดกามะถน (H2SO4) ประมาณ 38 เปอรเซนต ความถวงจาเพาะของน ากรด 1.260 - 1.280 ทอณหภม 20 องศาเซลเซยส น ากรดในแบตเตอรเปนตวททาใหแผนธาตลบเกดปฏกรยาทางเคมจนเกดกระแสไฟฟาและแรงเคลอนไฟฟาขนมาได

12

- เซลล (Cell) คอชองทบรรจแผนธาตบวกแผนธาตลบทวางสลบกน กนดวยแผนกนแลวจมในน ากรด ในชองหนงจะมแรงเคลอนไฟฟา 2.1 โวลต กจะมเซลล 6 เซลล และในแตละเซลลกจะมสวนบนเปนทเตมน ากรดและมฝาปดปองกนน ากรดกระเดนออกมา และทฝาปดกจะมรระบายกาซไฮโดรเจนทเกดจากปฏกรยาทางเคมใหระบายออกไปได

- ฝาปดเซลล (Battery Cell Plug) หรอฝาปดชองเตมน ากรด ฝานจะมรระบายกาซไฮโดรเจนทเกดจากปฏกรยาทางเคมภายในแบตเตอรใหสามารถระบายออกไปได ถาไมมฝาระบายน เมอเกดปฏกรยาเคมกาซไฮโดรเจนจะไมสามารถระบายออกไปได ทาใหเกดแรงดนจนแบตเตอรเกดระเบดขนไดแบตเตอรใหมๆ ทยงไมมน ากรดทฝาปดจะมกระดาษกาวปดไวเพอปองกนความชนเขาไปในแบตเตอร ซงจะทาใหแบตเตอรเสอมสภาพ เมอเตมน ากรดเขาไปแลวทาการประจไฟนามาใชงาน กระดาษกาวทปดนจะตองแกะออกใหหมด เพอไมใหแบตเตอรเกดระเบดขนไดแบตเตอรในระบบเซลลแสงอาทตยในระบบเซลลแสงอาทตย แบตเตอรมหนาทสะสมพลงงานทผลตจากแผงเซลลแสงอาทตยและจดเกบไวใชในเวลาทแผงเซลลแสงอาทตยไมผลตไฟฟาหรอเวลาทไมมแสงอาทตย หรอเวลากลางคนหากเปรยบเทยบกบระบบกกเกบน าฝนกคอถงเกบน านนเองระบบเซลลแสงอาทตยแบบตดตงอสระ (Stand-alone solar system) ตองใชแบตเตอรทงสน

2.2.3 ชนดของแบตเตอรในระบบเซลลแสงอาทตย ในทางปฏบตแลวแบตเตอรทกชนดสามารถนามาใชในระบบเซลลแสงอาทตยได แตทนยมใชมากทสดเปนแบตเตอรชนดตะกว -กรด (Lead-acid battery) ดวยเหตผลนานาประการไมวาจะเปนราคาทถกกวาและหาซอไดงายในทกๆทแบตเตอรชนดตะกว -กรดมสวนประกอบสาคญเปนแผนตะกวทเปนขวบวกและลบจมอยในสารละลายกรดซลฟรกหรอเรยกวาสารละลายอเลกโตรไลตเมอเซลลมการจายประจ โมเลกลของซลเฟอรจากสารละลายอเลกโตรไลตจะตดอยกบแผนตะกวและปลอยอเลกตรอนออกมามากมาย เมอเซลลมการประจไฟฟาเขาไปใหมอเลกตรอนจานวนมากจะกลบเขาไปในสารละลายอเลกโตรไลต แบตเตอรจงเกดแรงดนไดจากปฏกรยาเคมนเอง และไฟฟาเกดขนไดจากการเคลอนทของอเลกตรอนภายในแตละเซลลของแบตเตอรใหแรงดน 2 โวลต แบตเตอร12 โวลตจงม 6 เซลลตอกนแบบอนกรม เซลลทงหมดอาจบรรจอยภายในกลองเดยวหรอแยกกลองกได รปท 2.8-2.10 แสดงการตอแบตเตอรในแบบตางๆ

13

ภาพท 2.8 ตอแบบขนานเพอใหกระแสมากขน

ภาพท 2.9 ตอแบบอนกรมเพอตองการแรงดนมากขน

ภาพท 2.10 ตอแบบอนกรมผสมกบแบบขนานตองการแรงดนและกระแสมากขน

แบตเตอรชนดตะกว -กรดมอยหลายแบบดวยกน แตทเหมาะสาหรบใชงานกบระบบเซลลแสงอาทตยมากทสดคอแบตเตอรแบบจายประจสง (Deep discharge battery) เพราะถกออกแบบใหสามารถจายพลงงานปรมาณเลกนอยไดอยางตอเนองเปนเวลานานๆ โดยไมเกดความเสยหายคณจะสามารถใชไฟฟาทเกบอยในแบตเตอรนไดอยางตอเนองถง 80% โดยแบตเตอรไมไดรบความเสยหาย (แบตเตอรทวไปทใชในการตดเครองยนตถก ออกแบบใหจายพลงงานสงในชวงเวลาสน ๆ ถาใชไฟฟามากกวา 20-30% ของพลงงานทเกบอย จะทาใหอายการใชงานสนลงได สวนมากแบตเตอรทใชในระบบเซลลแสงอาทตยจะมลกษณะทฝาครอบดานบนเปดออกได เพอใหสามารถตรวจสอบเซลลและเตมน าในเวลาทจาเปนได เรยกวาแบตเตอรแบบเซลลเปด (Open cell หรอ Unsealed หรอ Flooded cell battery) มบางชนดทถกปดแนนและไมตองการการซอมบารง เรยกวาแบตเตอรแบบไมตองดแลรกษา ( Maintenancefree หรอ Sealed battery )

14

2.2.4 ความสามารถในการจดเกบพลงงาน

ความจของแบตเตอรในการบรรจพลงงานมหนวยเปน แอมแปร -ชวโมง (Ampere-Hour/Ah) พลงงานในแบตเตอร 12 V 100 Ah เทากบ 12V x 100Ah หรอ 12V x 100A x 3600s จะไดเทากบ 4.32 MJ ถาแบตเตอร 100 Ah เทากบวาแบตเตอรจะจายกระแส 1 แอมแปรอยางตอเนองเปนเวลา 100 ชวโมง หรอแบตเตอรจายกระแส 10 แอมแปรอยางตอเนองเปนเวลา 10 ชวโมง เชนเดยวกบแบตเตอรจายกระแส 5 แอมแปรอยางตอเนองเปนเวลา 20 ชวโมง ซงทงหมดนจายกระแสเทากบ 100 Ah ทงสน จะเหนไดวา แบตเตอรทมความจเทากนอาจมความเรวในการจายกระแสตางกนไดดงนน การจะทราบความจของแบตเตอรตองทราบถงอตราการจายกระแสดวย มกกาหนดเปนจานวนชวโมงของการจายกระแสเตมท

การกาหนดขนาดของแบตเตอรสาหรบระบบเซลลแสงอาทตยนนขนอยกบความจของแบตเตอรในการจดเกบพลงงาน , อตราการจายประจสงสด , อตราการประจสงสดและอณหภมต าสดทจะนาแบตเตอรไปใชงานโดยจะใชเครองคว บคมประจไฟฟาดงรปท 2.11 (อณหภมทไดผลดทสดของแบตเตอรตะกว-กรด คอ 77 F หรอประมาณ 60-80 F)

ภาพท 2.11 แสดงเครองควบคมประจไฟฟา

2.2.5 เครองควบคมประจไฟฟา ควบคมการทางานดวยไมโครโปรเซสเซอร

- มระบบ MPPT เพอประสทธภาพสงสดในการประจแบตเตอร - ระบบการประจแบตเตอรแบบ 3 ระดบเพอยดอายการใชงานของแบตเตอร

15

- มระบบปองกนการตอแผงโซลาเซลล แบตเตอร กลบขว - มระบบปองกนการ overcharge ,overtemperature,low battery disconnect - มระบบจายกระแสตรงไปสกระแสตรง (DC TO DC)

ตารางท 2.1 ขนาดรนของเครองควบคมประจไฟฟา

Model ขนาดความจ

12-06 12V 6amp 12-12 12V 12amp 12-20 12V 20amp 12-30 12V 30amp 24-20 24V 20amp 24-30 24V 30amp 48-10 48V 10amp

2.3 ทฤษฎมอเตอรไฟฟากระแสตรง [3] ตามประวตไมเคลฟาราเดย (Michael Faraday) เปนผประดษฐมอเตอรเปนคนแรก เมอ พ.ศ. 2263 และมอเตอรทประดษฐเปนมอเตอรกระแสตรง

2.3.1 ขอดของมอเตอรกระแสตรง

1. มคณสมบตเหมาะสมในการควบคม อตราเรวของการขบเคลอน โดยมพสยของ ความเรวกวางมาก ซงเราสามารถเพมอตราเรวใหสงขนหรอใหต ากวาอตราเรวกวาปกต

2. มแรงหมนขณะสตารทสงมากซงเหมาะกบงานยกของ และขบเคลอน

16

3. วธการหมนของมอเตอรดซงายกวา เรยบรอยกวา นมนวลกวามอเตอรเอซททางาน คลายกน

2.3.2 ขอเสยของมอเตอรกระแสตรง

1. ตองจดหาแหลงจายไฟฟาดซไวใชงานเปนพเศษ 2. สาหรบขนาดของแรงมาเทากน มอเตอรดซมขนาดใหญและราคาสงกวามอเตอร เหนยวนา

3. ในการสตารทมอเตอรดซตองมวธพเศษ และยงยากกวามอเตอรเอซยกเวนสาหรบ มอเตอรขนาดจวเทา นนทไมตองการสตารทแบบพเศษ

4. ตองการการซอมบารงมากกวามอเตอรเอซ ทงน เนองจากคอมมวเตเตอร (Commutator)

มการสกหรอทเกดจาก อารค ประกายไฟและการขดสระหวางแปรถานกบคอมมวเตเตอร 5. ระหวางซกเมนต(Segment) ของคอมมวเตเตอรมแรงดนสงสดไดประมาน 20 โวลต

จงจะใหคอมมวเตชนเปน ผลด เพราะฉะนนจง ไมสามารถสรางมอเตอรดซทมขนาดอตราแรงดนสงกวา 60 โวลต และขนาดใหญหลายพนแรงมาไดถง แมวามอเตอรดซมขอไดเปรยบเพยงสองสามขอแตกเปนขอไดเปรยบทสาคญมาก เราจงมการใชงานมอเตอรดซจนถงทกวนน ในปจจบนมมอเตอรดซแบบขนาน (Shunt) แบบอนกรม (Series) และแบบผสม (Compound) แลวยงมแบบแมเหลกถาวร (PM Motor หรอPermanent Magnet Motor) ในสมยนยงมการประดษฐแมเหลกใหแรงขน และมราคาถกลงมาก เชน อลนโค -หา (Alnico V) และแมเหลกเซรามก (Ceramic Magnet) เปนตนซงมการนยมนาไปประดษฐมอเตอรขนาดเลกทแรงมาเปนเศษสวน (FractionahorsePower) โดยนยมนาไปใชควบคม ตางๆ เชน นาไปใชในรถยนตเปนเครองปดน าฝนเครองยก หรอ เลอนทนง เปนตน

2.3.3 โครงสรางของมอเตอรกระแสตรง 1. สเตเตอร (Stator) ประกอบดวยขวแมเหลก (Pole) และ (Yoke) สเตเตอรเปนสวนทอยกบทโดยมขวแมเหลกจานวน 2,4,6,8 หรอ กขวกไดตามทออกแบบไวสาหรบวางอยบนสเตเตอรเพอใชสาหรบปรบความเขมของสนามแมเหลก โดยการปรบแรงดนไฟฟากระแสตรงทปอนเขาขดลวดสรางสนามทพนอยทข วแมเหลก (Field Winding)

17

2. โรเตอร (Rotor) เปนสวนทหมนทาดวยแผนเหลกบางๆ มาประกอบเขาดวยกนและเซาะรองสลอตไวสาหรบพนขดลวดเมอนาขดลวดมาพนทโรเตอรโดยจะเรยกขดลวดนนวาขดลวดอามาเจอร (Armature Winding) ทปลายดานหนงของโรเตอรจะมชดของซคอมมวเตเตอรทกดดวยแรงกดของสปรงซงเปนทางใหกบกระแสไหลเขาไหลออกจากขดลวดอามาเจอรทกาลงหมน อยตาแหนงของแปรงถานจะวางอยทกงกลางระหวางขวแมเหลกคอมมวเตเตอร และแปรงถานมหนาทกลบทศทางการไหลของกระแสในขดลวด

2.3.4 มอเตอรไฟฟากระแสตรงชนดแมเหลกถาวร เปนมอเตอรทมลกษณะของการประยกตการใชอานาจแมเหลกวธการหนงคอจะไมใชขดลวดฟลดมาสรางสนามแมเหลกใหเกดขนในมอเตอร แตใชวสดทมลกษณะเปนแมเหลกถาวรมาตดตงแทนขดลวดฟลด ซงแมเหลก ถาวรนกจะสรางสนามแมเหลกขนมาไดในตวมอเตอรเองจงไมจาเปนตองมกระแสกระตนดวยแรงดนไฟฟาจากภายนอกใหแกขดลวดฟลดในการสรางใหเกดสนามแมเหลกภายในมอเตอร

2.3.5 หลกการของมอเตอรไฟฟา มอเตอรไฟฟา คอ อปกรณททาหนาทเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานกล โดยอาศย

หลกการทกลาววา เมอมกระแสไฟฟาไหลในขดลวดตวนาซงอยตดผานสนามแมเหลกจะทาให

เกดแรงกล

2.4 แรงตานการเคลอนท [4] แรงตานการเคลอนท เปนแรงทออกแรงตรงขามกบแรงทสงกาลงมา ซงกาลงจากมอเตอรทนามาขบเคลอนอาจนามาใชประโยชนไดไมเตมททงหมด เนองจากเกดการสญเสยในการสงกาลง และกาลงสวนทเหลอจะนามาใชประโยชนเพอเอาชนะแรงตานการเคลอนทเพอทจะสามารถเคลอนทรถจกรยานไฟฟาได แรงตานการเคลอนทสามารถแบงออกไดเปน ดงน 1.) แรงตานการหมนของลอ 2.) แรงตานอากาศ

18

โดยแรงตานเหลานจะมมากหรอนอย ขนอยกบลกษณะการเคลอนทของจกรยานไฟฟาซงการ

เคลอนทของจกรยานไฟฟามการเคลอนท 3 แบบ คอ การเคลอนทในแนวราบ การเคลอนทขน

ทางชน และ การเคลอนทลงทางลาด

2.4.1 แรงตานการหมนของลอ

แรงตานการหมนของลอเปนแรงทมความจาเปนมากทสดซงจาเปนกบการสงกาลง เนองจากทาใหรถสามารถเคลอนทออกไปได โดยอาศยแรงเสยดทานทลอกระทากบพนเพอทาใหรถสามารถเคลอนทไปขางหนาไดดงรปท โดยปจจยทมผลตอแรงตานการหมนของลอ ไดแก 1. สภาพของยางลอจกรยาน ซงหมายถงวสดทนามาทายาง รปทรงของยาง ความกวางและขนาดของยาง ความดนของลมยาง รวมถงดอกยางอกดวย ซงยางทมขนาดวงลอทมเสนผานศนยกลางโต จะมแรงตานการหมนของลอทนอยกวายางทมเสนผานศนยกลางเลก 2. สภาพของผวทขบข ซงบรเวณผวทขรขระจะทาใหแรงตานการหมนของลอมาก และบรเวณทมผวเรยบจะทาใหแรงตานการหมนมคานอย 3. น าหนกของรถจกรยานไฟฟา และผขบขซงเปนปจจยทมผลมาก ในการขบเคลอนของรถจกรยานไฟฟา ซงถาจกรยานไฟฟาและผขบขมน าหนกมาก จะสงผลใหแรงตานจากการหมนมากตามไปดวย 4. อตราเรวของจกรยานไฟฟา แรงตานการหมนของจกรยานจะมากทสดในชวงเรมเคลอนท เนองจากจาเปนตองเอาชนะแรงตานความเฉอยดวย และจะมแรงตานการหมนนอยลงเมออตราเรวของจกรยานไฟฟาเพมขน

ภาพท 2.12 แรงตานการหมนของลอ

19

แรงตานการหมนของลอสามารถคานวณไดตามสตรตอไปน NKR rr (2.1)

ซง rR = แรงตานการเคลอนท ,N

rK = สมประสทธแรงตานการหมนของลอ

N = แรงปฏกรยาทพนกระทากบลอจกรยาน ,N ( mgN ถารถจกรยานเคลอนท

ในพนราบดงรปท 2.13)

-การเคลอนทในแนวราบ

ภาพท 2.13 แรงตานทเกดขนในการเคลอนทในแนวราบ

-การเคลอนทขนทางชน

โดยท คา cosmgN ถารถจกรยานเคลอนทในพนเอยง ดงรปท 2.14 และ 2.15

ภาพท 2.14 แรงตานทเกดขนในการเคลอนทขนทางชน

20

-การเคลอนทลงทางลาด

ภาพท 2.15 แรงตานทเกดขนในการเคลอนทลงทางลาด

คา rK เปนคาคงทซงขนอยกบสภาพของผวถนนทขบข ดงน

ตารางท 2.2 คาสมประสทธแรงเสยดทานในสภาพผวตางๆ

ชนด และ สภาพถนน Kr (เฉลย) ถนนลาดยางและถนนคอนกรตสภาพดเยยม 0.014 - 0.018 ถนนลาดยางและถนนคอนกรตสภาพดพอใช 0.018 - 0.020

ถนนปพน 0.023 - 0.030 ถนนลกรง 0.020 - 0.025

ถนนดนอดแนน 0.025 - 0.035 ถนนดนเปยกหลงฝนตก 0.050 - 0.150

ถนนทราย 0.1 - 0.3

ซงการคานวณโดยทวไปนนการนามาวเคราะหนน เราจะนาคา rK มาคดทคาเฉลย

โดยทวไป และเนองจากอตราเรวเองกมผลกบแรงตานของการหมนของลอ เราจงสามารถนามา

คานวณหาคา rK ดงสมการ(2.2)

00016.0015.0 rK (V) (2.2)

21

ซง rK = สมประสทธแรงตานการหมนของลอ

V = อตราเรวของรถจกรยานไฟฟา hrkm/

2.4.2 แรงตานอากาศ

แรงตานอากาศ เปนแรงทเกดจากการทวตถเคลอนทผานเขาไปในอากาศดวยความเรวทา

ใหเมอเคลอนทไปจะมอตราเรวสมพทธของอากาศมากระทากบวตถทเคลอนทนน ซงคาแรงตาน

อากาศจะมากหรอนอย ขนอยกบพนทหนาตด และรปทรงของพาหนะ ดงรปท 2.15

ภาพท 2.16 ลกษณะของรปทรงทมผลตอแรงตานอากาศ

ในปจจบนการออกแบบรปทรงตามหลก อากาศพลศาสตร จะสงผลใหแรงตานอากาศลดลงได ซงเปนผลใหเกดขอดหลายประการ คอ ทาใหอตราเรวสงสดของพาหนะเพมขน และยงทาใหประหยดพลงงานมากขนอกดวย โดยปจจยทมผลตอแรงตานอากาศ คอ 1. ความเรวลม ถาความเรวลมมทศทางสวนทางกบการเคลอนทจะทาใหเกดแรงตาน และในทางกลบกน ถาทศทางของลมเปนทศทางเดยวกบการเคลอนทจะทาใหเกดแรงเสรม

22

2. ลกษณะรปทรงของพาหนะ แรงตานทเกดขนจะขนอยกบรปทรงทอากาศมากระทบ

แรงตานอากาศทเกดขนนน เกดจากการทเกดความดนระหวางดานหนา และดานหลงของรถ

แตกตางกน ทาใหเกดแรงกระทาจากบรเวณทมความดนทสงกวา ผลกตานการเคลอนทของรถ

เอาไว

สาหรบการขบเคลอนของจกรยานไฟฟานน รปทรงทเกดขนไมสามารถออกแบบได

และพนทหนาตดกไมไดเปนรปสเหลยม แตเราสามารถคานวณคาแรงตานทานจากอากาศได

โดยประมาณ จากสมการ

2

2

1AVCR Da (2.3)

ซง aR = แรงตานอากาศ , N

= ความหนาแนนอากาศ 3/ mkg3/2.1 mkgair

DC = สมประสทธแรงตานอากาศ (Drag Coefficient)

V = ความเรวของจกรยานไฟฟา , sm /

A = พนทหนาตดของรถจกรยานไฟฟา , 2m

ภาพท 2.17 วธการหาพนทหนาตดของพาหนะโดยประมาณ

โดยท พนทหนาตดสามารถคานวณหาไดจาก

lwA 8.0 (2.4)

23

ซง A = พนทหนาตดของรถจกรยานไฟฟา , 2m

w = ความกวางของรถจกรยานไฟฟา , m

l = ความยาวของรถจกรยานไฟฟา , m

และเมอแทนคา Da CK

2

1 จะไดสมการของแรงตานอากาศ ดงน

2AVKR aa (2.5)

arT RRR (2.6)

2.5 การหาแรงในการขบเคลอน ในการขบเคลอนของจกรยานปกตแลวเราจะตองใชเทาปนเพอสงกาลงไปยงลอ เพอทาใหลอหมน แตสาหรบจกรยานไฟฟานนเราสามารถขบเคลอนไดทงการปนดวยเทา หรออาจขบเคลอนดวยมอเตอร ซงการคานวณหาภาระแรงทตองใชเพอทาใหจกรยานเคลอนทไปขางหนาไดนน มการคานวณทคลายกน แรงขบเคลอนทตองการนนจาเปนตองคานวณหากาลงทตองใสเขาไปอาจจะเปนการปนดวยเทา หรอขบเคลอนดวยมอเตอร เพอใหไดความเรวทตองการ สมการความสมพนธระหวางกาลงของมอเตอรกบแรงบดของมอเตอร จะไดความสมพนธดงน

NTPm 2 (2.7)

ซง mP = กาลงของมอเตอร , W

N = อตราเรวรอบของมอเตอร , rps

mT = แรงบดของมอเตอร , N.m

สมการความสมพนธระหวางแรงบดของลอกบแรงบดของมอเตอร

mfgAd TiiT (2.8)

24

ซง adT = แรงบดทลอหลงจกรยาน , N.m

= ประสทธภาพการสงกาลง

gi = อตราการทดระหวางเฟองขบมอเตอรและเฟองทายจกรยาน fi = อตราการทดระหวางเสนผานศนยกลางเฟองทายกบเสนผานศนยกลางของลอหลง mT = แรงบดของมอเตอร , N.m

สมการความสมพนธแรงขบเคลอนกบแรงบดของลอ

r

TF w (2.9)

ซง F = แรงขบเคลอนทตองการเอาชนะแรงตาน ,N

mT = แรงบดของลอหลงจกรยาน , N.m

r = รศมของลอจกรยาน , m จากสมการท (2.8) และสมการท (2.9) สามารถสรปไดวา

r

TiitF

mfg

(2.10)

หรอ r

TtiF mo (2.11)

ซง fgo iii คอ อตราทดของระบบสงกาลง

2.6 การหาความเรวรอบทตองการ ในการเคลอนทของรถจกรยานไฟฟานน อตราความเรวของจกรยานจะมความสมพนธกบคาอตราความเรวรอบ โดยขนอยกบอตราการทดเฟอง ซงสามารถวเคราะหหาอตรา ความเรวของจกรยานไดโดย

25

ถาอตราเรวรอบของมอเตอร = N

จะไดวาอตราเรวของลอ = 0i

N

เสนรอบวงของยางลอ 1 รอบ = r2

อตราเรวรถจกรยาน =

oi

Nr2

หรอ =

1000

36002

0i

Nr

ดงนนจะไดวาสมการการหาอตราความเรวของจกรยานไฟฟาไดเปน

0

26.3

i

NrV

(2.12)

หลงจากทเราสามารถคานวณแรงตานการเคลอนท และอตราเรวของรถจกรยานไฟฟาไดแลวนน เราจะสามารถหากาลงขบเคลอนของลอจากสมการ การหากาลงขบเคลอน

6.3

FVPw

(2.13)

แตเนองจากในการสงกาลงโดยทวไปนน เราไมสามารถสงกาลงไปสชนสวนอนๆไดถง 100% ดงนนเราจะมาวเคราะหหากาลงของมอเตอรทตองใชโดยการใชคาประสทธภาพในการสงกาลง เพอใชการออกแบบ จะไดประสทธภาพการสงกาลงไดเปน

w

m

tP

P (2.14)

เมอแทนคากาลงการขบเคลอนของลอแลวเราไดสมการ(2.15)

t

m

FVP

6.3 (2.15)