คิดนอกกรอบสี่เหลี่ยม: เซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมของญี่ปุ่นท้าทายการออกแบบแผงแบนที่ยึดถือมากว่า 140 ปี

การออกแบบที่มีอายุเก่าแก่กว่าศตวรรษได้รับการปรับโฉมครั้งใหญ่

ตลอดเวลากว่า 140 ปี พลังงานแสงอาทิตย์มีรูปลักษณ์แทบไม่เปลี่ยนแปลง นับตั้งแต่ชาร์ลส์ ฟริตส์สร้างหนึ่งในแผงโซลาร์เซลล์ชุดแรกในปี 1883 ในรูปแบบแผ่นแข็ง เทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิกก็มีแผ่นสี่เหลี่ยมสีน้ำเงินแบน ๆ ติดตั้งบนหลังคาหรือเรียงรายเป็นทุ่งกว้างเป็นภาพจำ การออกแบบนี้แพร่หลายจนคนส่วนใหญ่ไม่เคยตั้งคำถามว่าเซลล์แสงอาทิตย์จำเป็นต้องแบนราบหรือไม่ อย่างไรก็ตาม ในญี่ปุ่น วิศวกรของบริษัทเคียวเซมิ คอร์ปอเรชัน ตัดสินใจท้าทายสมมติฐานพื้นฐานนี้ ด้วยการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมขนาดจิ๋วตระกูลใหม่ที่เรียกว่า สเฟลาร์ (Sphelar) ซึ่งอาจพลิกโฉมวิธีเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์

แผงแบนแบบทั่วไปทำงานได้ดีในสภาวะเหมาะสม เมื่อแสงแดดตกกระทบพื้นผิวโดยตรงในมุม 90 องศาพอดี แต่ในโลกความเป็นจริง สภาวะเช่นนั้นเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก ดวงอาทิตย์เคลื่อนผ่านท้องฟ้าตลอดทั้งวันและเปลี่ยนมุมไปตามฤดูกาล เมฆทำให้แสงกระจาย อาคาร ต้นไม้ และสิ่งกีดขวางอื่น ๆ ทำให้เกิดเงา แผงแบนสูญเสียประสิทธิภาพอย่างมากเมื่อแสงตกกระทบในมุมเฉียง และแทบใช้การไม่ได้เมื่อถูกบังเงา ข้อจำกัดเหล่านี้จำกัดสถานที่และวิธีการนำพลังงานแสงอาทิตย์ไปใช้ให้เกิดประสิทธิผล

ทีมวิศวกรญี่ปุ่นผู้อยู่เบื้องหลังสเฟลาร์ตระหนักว่า ธรรมชาติไม่ได้ให้แสงมาอย่างสม่ำเสมอหรือพุ่งตรงจากทิศทางเดียว แสงมาจากหลายมุมตลอดวันและเปลี่ยนไปตามฤดูกาล มีทั้งลำแสงโดยตรง แสงสะท้อนจากน้ำ กระจก และพื้นผิวอื่น ๆ ตลอดจนแสงกระจายที่เมฆและอนุภาคในบรรยากาศทำให้หักเห พวกเขาให้เหตุผลว่าเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมน่าจะรับแสงจากหลายมิติได้ดีกว่า และอาจผลิตไฟฟ้าได้สม่ำเสมอกว่าตลอดทั้งวัน รวมถึงในสภาพอากาศที่ไม่เหมาะสม

ผลจากแนวคิดนี้คือสเฟลาร์ ซึ่งเป็นเครื่องหมายการค้าจดทะเบียนของเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมรุ่นแรกของโลกที่ได้รับการพัฒนาเชิงพาณิชย์ เม็ดซิลิคอนจิ๋วเหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 ถึง 2 มิลลิเมตร และเป็นการคิดใหม่พื้นฐานเกี่ยวกับเทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิก แทนที่จะพยายามทำให้แสงตกกระทบพื้นผิวแบนในมุมที่เหมาะสม เซลล์สเฟลาร์รับแสงได้จากทุกทิศทาง จึงสร้างระบบรับแสงสามมิติที่ทำงานคล้ายสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติซึ่งเก็บเกี่ยวพลังงานจากสภาพแวดล้อม

ช่วงเวลาแห่งการค้นพบ: ทำไมเซลล์แสงอาทิตย์ต้องแบน?

เรื่องราวของสเฟลาร์เริ่มต้นจากคำถามเรียบง่ายแต่ลึกซึ้งของชูจิ นากาตะ หัวหน้าวิศวกรและผู้ก่อตั้งบริษัทเคียวเซมิ คอร์ปอเรชัน หลายปีหลังจากก่อตั้งบริษัท นากาตะครุ่นคิดถึงวิธีเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์โฟโตโวลตาอิก โดยอาศัยประสบการณ์เดิมจากการพัฒนาแผงโซลาร์เซลล์ในฐานะสมาชิกโครงการที่มิตซูบิชิ อิเล็กทริก เขาตั้งคำถามกับตัวเองว่าเหตุใดแผงโซลาร์เซลล์จึงต้องแบน ทั้งที่ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา

ในห้องปฏิบัติการ แหล่งกำเนิดแสงมักอยู่กับที่และคาดการณ์ได้ แต่ในความเป็นจริง แสงแดดมาจากมุมที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา นากาตะสังเกตว่าแสงที่เข้ามาไม่ได้มีเพียงแสงโดยตรง แต่ยังมีแสงสะท้อนและแสงโดยรอบที่กระจายตัว ซึ่งแผงแบนแบบเดิมเก็บเกี่ยวได้ไม่ดีนัก ข้อสังเกตนี้นำไปสู่คำถามสำคัญของเขา: หากพื้นผิวของเซลล์โฟโตโวลตาอิกเป็นทรงกลม จะเป็นวิธีรับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพที่สุดหรือไม่? คำถามนี้กลายเป็นแรงบันดาลใจตั้งต้นในการพัฒนาไมโครเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมของเคียวเซมิ

นายโจสุเกะ นากาตะ ผู้ก่อตั้งและประธานบริษัทสเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน กล่าวถึงพันธกิจของบริษัทไว้ในแถลงการณ์องค์กรว่า:

สเฟลาร์ ซึ่งเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลม เกิดขึ้นจากคำถามเรียบง่ายเช่นนี้ แสงไม่ได้ตกกระทบอย่างสม่ำเสมอในโลกธรรมชาติ ตำแหน่งของดวงอาทิตย์เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา แสงอาทิตย์บางส่วนกระจายออกเพราะเมฆ ขณะที่บางส่วนสะท้อนจากกระจกและน้ำ

ช่วงเวลาที่เกิดแนวคิดนี้ถือว่าเหมาะเจาะอย่างยิ่ง ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 เคียวเซมิกำลังวางแผนสร้างโรงงานแห่งใหม่ในฮอกไกโดและขยายกำลังการผลิต คามิซูนากาวะกลายเป็นตัวเลือกสุดท้ายสำหรับที่ตั้ง เมืองเหมืองถ่านหินเดิมแห่งนี้ต้องปิดเหมืองเนื่องจากการนำเข้าถ่านหินเพิ่มขึ้น และชุมชนกำลังแสวงหาอุตสาหกรรมใหม่มาทดแทนตำแหน่งงานที่สูญเสียไป ส่วนหนึ่งของการเปลี่ยนผ่านทางเศรษฐกิจนี้คือการก่อตั้ง JAMIC หรือศูนย์ไมโครกราวิตีแห่งญี่ปุ่น ซึ่งปรับปรุงอุโมงค์เหมืองร้างให้เป็นสถานที่วิจัยทางวิทยาศาสตร์ ในปี 1988 ซึ่งเป็นปีเดียวกับที่เคียวเซมิเริ่มดำเนินงานในโรงงานแห่งใหม่ที่ฮอกไกโด นายคาตะเกิดแนวคิดใหม่ว่าอาจใช้ศักยภาพเฉพาะตัวของ JAMIC เพื่อทำให้วิสัยทัศน์เรื่องเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมเป็นจริงได้

การผลิตในสภาวะไร้น้ำหนัก

การสร้างผลึกซิลิคอนทรงกลมที่สมบูรณ์แบบเป็นโจทย์วิศวกรรมที่ท้าทายอย่างมาก บนโลก แรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงทำให้ซิลิคอนหลอมเหลวมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอขณะเย็นตัวและแข็งตัว เพื่อให้ได้ทรงกลมที่เกือบสมบูรณ์แบบซึ่งจำเป็นต่อเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ เคียวเซมิจึงหันไปพึ่ง JAMIC และปล่องทดลองอันโดดเด่นของศูนย์ อุโมงค์แนวดิ่งแห่งนี้ทอดลึกลงไปใต้ดิน 710 เมตร โดยมีปล่องทิ้งวัตถุสูง 490 เมตร ซึ่งเอื้อให้ทำการทดลองในสภาวะไมโครกราวิตี

กระบวนการผลิตเริ่มจากบรรจุซิลิคอนลงในแคปซูลสุญญากาศแล้วปล่อยตกลงไปในปล่อง ระหว่างการตกอย่างอิสระ ภายในแคปซูลจะเข้าสู่สภาวะไมโครกราวิตี ทำให้ซิลิคอนหลอมเหลวก่อตัวเป็นทรงกลมสมบูรณ์ด้วยแรงตึงผิวเพียงอย่างเดียว โดยไม่มีแรงโน้มถ่วงมาทำให้เสียรูป ทีมโครงการของเคียวเซมิทำการทดลองหลายครั้ง โดยใส่ชิ้นซิลิคอนลงในแคปซูลและพยายามหลอมกับทำให้ตกผลึกในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่วัตถุตกอย่างอิสระ หลังจากลองผิดลองถูก ในที่สุดพวกเขาก็สร้างเม็ดทรงกลมตามต้องการได้สำเร็จ

รายงานของ Phys.org ระบุว่า วิธีการผลิตที่สร้างสรรค์นี้มีข้อดีสำคัญมากกว่าการทำให้ได้รูปทรงที่เหมาะสม กระบวนการผลิตเซลล์สเฟลาร์แทบไม่ก่อให้เกิดของเสียจากซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุมีค่าและค่อนข้างหายากในการผลิตสารกึ่งตัวนำ โดยทั่วไป การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบแบนต้องตัดแผ่นเวเฟอร์จากแท่งซิลิคอน ทำให้เกิดเศษวัสดุเหลือทิ้งจำนวนมากเมื่อหั่นแท่งทรงกระบอกให้เป็นแผ่นแบน กระบวนการตกผลึกทรงกลมสร้างรูปทรงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจากวัสดุหลอมเหลวได้โดยตรง จึงไม่ต้องตัดและช่วยลดการใช้ซิลิคอน

Phys.org ยังรายงานด้วยว่า เคียวเซมิ คอร์ป. ประเมินว่าต้นทุนการผลิตเซลล์สเฟลาร์อาจลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับการผลิตแผงโซลาร์เซลล์แบนแบบทั่วไป ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนนี้มาจากการลดของเสียจากวัสดุและความเป็นไปได้ที่จะใช้กระบวนการผลิตที่เรียบง่ายกว่า ประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมไม่ได้จำกัดอยู่แค่การใช้วัสดุอย่างมีประสิทธิภาพ เพราะมีการระบุว่ากระบวนการผลิตเองเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมกว่าการผลิตโฟโตโวลตาอิกแบบดั้งเดิม

เซลล์ทรงกลมรับแสงได้อย่างไร

ข้อได้เปรียบพื้นฐานของเซลล์สเฟลาร์อยู่ที่รูปทรงเรขาคณิต ทรงกลมมีพื้นที่ผิวรับแสงเท่ากันไม่ว่าแสงจะมาจากทิศทางใด ต่างจากแผงแบนที่ต้องหันทำมุมเข้าหาดวงอาทิตย์และสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อแสงตกกระทบในมุมเฉียง เซลล์สเฟลาร์ยังคงรับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพไม่ว่ามุมตกกระทบจะเป็นเท่าใด จึงรับแสงอาทิตย์โดยตรงได้ตลอดวันที่ดวงอาทิตย์เคลื่อนผ่านท้องฟ้า โดยไม่ต้องใช้ระบบติดตามดวงอาทิตย์แบบกลไก

ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น การออกแบบทรงกลมช่วยให้รับแสงทางอ้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แสงสะท้อนจากอาคาร น้ำ หรือพื้นผิวอื่น ๆ ตกกระทบเซลล์สเฟลาร์ได้หลายมุม แต่ก็ยังพบพื้นผิวที่เหมาะสมต่อการดูดซับ แสงกระจายในวันที่มีเมฆมาก ซึ่งมักทำให้ประสิทธิภาพแผงแบนลดฮวบ ก็รับได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นกัน เพราะรูปทรงทรงกลมรับแสงจากทุกทิศทาง คุณสมบัตินี้อาจทำให้เซลล์สเฟลาร์ทำงานได้เชื่อถือกว่าในสภาพอากาศแปรปรวนและพื้นที่ที่มีเมฆปกคลุมบ่อย

เทคโนโลยีนี้ทำงานโดยสร้างรอยต่อพีเอ็น (P-N junction) ภายในซิลิคอนทรงกลมแต่ละเม็ด คล้ายกับหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิม แต่ประยุกต์ใช้กับพื้นผิวโค้ง ทีมเคียวเซมิประยุกต์ความรู้ด้านการผลิตที่ได้จากการผลิตชิปออปโตเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างรอยต่อเหล่านี้บนพื้นผิวทรงกลม ซึ่งเป็นโจทย์ทางเทคนิคที่ต้องอาศัยนวัตกรรมอย่างมากในช่วงแรก เมื่อต่อวงจรเข้าด้วยกัน ทรงกลมขนาดจิ๋วเหล่านี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าที่นำไปใช้จ่ายพลังงานให้อุปกรณ์หรือป้อนเข้าสู่ระบบไฟฟ้าได้

สำหรับผู้ใช้งาน หมายความว่าอุปกรณ์หรือโครงสร้างที่ใช้เซลล์สเฟลาร์ไม่จำเป็นต้องจัดวางอย่างระมัดระวังให้หันเข้าหาดวงอาทิตย์ อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากสเฟลาร์วางบนพื้นผิวแนวนอน พื้นผิวเอียง หรือแม้แต่เคลื่อนย้ายไปมาได้ โดยยังรับแสงที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ต้องใช้ชุดติดตั้งเพื่อปรับมุมแผงให้หันเข้าหาดวงอาทิตย์ และช่วยลดข้อจำกัดด้านสถานที่ติดตั้งหรือใช้งานอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์

จากแนวคิดสู่ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์

การเปลี่ยนแนวคิดให้เป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ต้องใช้เวลาพัฒนาหลายปี หลังจากสร้างเซลล์สี่เซลล์แรกที่ต่ออนุกรมและผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อสัมผัสแสงได้สำเร็จ ทีมวิจัยก็เร่งพัฒนาต่อ ในปี 1998 เคียวเซมิก่อตั้งห้องปฏิบัติการไมโครกราวิตีของตนเองเพื่อดำเนินงานพัฒนาต่อไป ภายในปี 2004 บริษัทมีความคืบหน้ามากพอที่จะยื่นจดทะเบียนเครื่องหมายการค้าในชื่อ "Sphelar" ซึ่งย่อมาจาก "Spherical Solar" และเริ่มส่งตัวอย่างให้พันธมิตรที่มีศักยภาพ

ในช่วงแรก แม้แต่ผู้พัฒนาเองก็ยังนึกภาพการใช้งานที่เป็นไปได้ทั้งหมดของเทคโนโลยีใหม่นี้ได้ยาก แต่เมื่อแนวคิดสร้างสรรค์ออกสู่ตลาด ก็จุดประกายแนวคิดใหม่ ๆ จากพันธมิตรและลูกค้า แนวทางการพัฒนาแบบร่วมมือกันนี้ช่วยค้นหาการใช้งานจริงที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลม

ในปี 2012 บริษัทสเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน ก่อตั้งขึ้นในฐานะบริษัทแยกตัวจากเคียวเซมิ คอร์ปอเรชัน โดยมุ่งพัฒนาและทำธุรกิจเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมโดยเฉพาะ อิคุโอะ อินากาวะ กรรมการผู้แทนและประธานบริษัทสเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน กล่าวถึงวิสัยทัศน์ของบริษัทว่า:

สเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน นำเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมขนาดเล็กเส้นผ่านศูนย์กลางรุ่นแรกของโลกอย่างสเฟลาร์ออกสู่ตลาด พร้อมนำเสนอผลิตภัณฑ์ประยุกต์ใช้ เราส่งเสริมการใช้สเฟลาร์ในฐานะเซลล์แสงอาทิตย์ใกล้ตัว เพื่อช่วยลดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ของสิ่งแวดล้อมโลกและสนับสนุนเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (SDGs) พร้อมผลักดันการใช้ผลิตภัณฑ์ประยุกต์ใช้ของเราภายใต้สโลแกน 'สเฟลาร์ อยู่เคียงข้างคุณเสมอ!'

ปัจจุบัน บริษัทนำเสนอผลิตภัณฑ์หลายกลุ่มที่แสดงให้เห็นถึงความอเนกประสงค์ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลม ผลิตภัณฑ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการก้าวข้ามแผงแบนเปิดทางให้เกิดแนวทางใหม่ทั้งหมดในการผสานพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มนุษย์สร้างขึ้นและชีวิตประจำวัน

การผสานเข้ากับอาคารและพื้นผิวโปร่งใส

หนึ่งในขอบเขตการใช้งานเทคโนโลยีสเฟลาร์ที่มีศักยภาพมากที่สุดคือระบบผลิตไฟฟ้าโฟโตโวลตาอิกที่ผสานเข้ากับอาคาร (BIPV) โดยทั่วไป แผงโซลาร์เซลล์แบบเดิมจะติดตั้งแยกบนหลังคา มองเห็นได้ชัดและบางครั้งถูกมองว่าขัดกับความสวยงามของอาคาร แต่เซลล์สเฟลาร์สามารถฝังลงในวัสดุก่อสร้างได้โดยตรง ทำให้พื้นผิวผลิตไฟฟ้าได้โดยยังคงทำหน้าที่อื่น เช่น การให้แสงผ่านหรือเสริมการออกแบบสถาปัตยกรรม

ผลิตภัณฑ์ BIPV ของสเฟลาร์ประกอบด้วยบล็อกแก้วที่บรรจุโมดูลสเฟลาร์ องค์ประกอบอาคารโปร่งใสเหล่านี้ใช้กับผนัง หน้าต่าง และส่วนประกอบทางสถาปัตยกรรมอื่น ๆ ได้ โดยให้แสงผ่านพร้อมกับผลิตไฟฟ้าไปด้วย ระดับความโปร่งใสของงานติดตั้งสเฟลาร์อยู่ที่ 50% ถึง 80% ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นในการจัดวางเซลล์และข้อกำหนดของการใช้งานแต่ละประเภท

ความสามารถนี้ช่วยแก้ข้อจำกัดสำคัญของแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไปในเขตเมือง เมืองที่มีประชากรหนาแน่นมักมีพื้นที่หลังคาจำกัดหรือถูกอาคารโดยรอบบังเงา แผงแบบดั้งเดิมอาจบดบังทัศนียภาพหรือขัดกับข้อกำหนดในการอนุรักษ์อาคารเก่า แต่เซลล์สเฟลาร์ผสานเข้ากับผนังด้านหน้า หน้าต่าง และพื้นผิวแนวตั้งอื่น ๆ ซึ่งรับแสงทางอ้อมได้ตลอดวัน นอกจากนี้ยังติดตั้งเข้ากับพื้นผิวโค้งและรูปทรงสถาปัตยกรรมซับซ้อน ซึ่งทำไม่ได้หรือไม่คุ้มค่าหากใช้แผงแบนแข็ง

บริษัทยังพัฒนา Sphelar Glass Blocks ซึ่งเป็นโมดูลพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็กกะทัดรัดที่หุ้มด้วยแก้วใส ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ทำหน้าที่ได้ทั้งเป็นวัสดุก่อสร้างและเครื่องผลิตไฟฟ้า โดยอาจเปลี่ยนหน้าต่าง ช่องรับแสงบนหลังคา หรือองค์ประกอบตกแต่งทั่วไปให้เป็นพื้นผิวผลิตพลังงาน ความสามารถในการรักษาความโปร่งใสพร้อมกับผลิตไฟฟ้าเปิดโอกาสให้สร้างอาคารที่ผลิตพลังงานได้มากพอกับที่ใช้ โดยไม่ลดทอนความสวยงามทางสถาปัตยกรรม

การเก็บเกี่ยวพลังงานสำหรับอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง

เมื่อโลกเชื่อมต่อกันมากขึ้นผ่านอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) การจ่ายพลังงานให้เครือข่ายเซ็นเซอร์และอุปกรณ์ขนาดเล็กจำนวนมหาศาลจึงเป็นความท้าทายสำคัญ การเปลี่ยนแบตเตอรี่ในเครือข่ายเซ็นเซอร์แบบกระจายทำได้ไม่สะดวก ขณะที่การเดินสายไฟอาจมีต้นทุนสูง เซลล์สเฟลาร์เป็นทางเลือกผ่านการเก็บเกี่ยวพลังงาน หรือที่เรียกว่าการดักเก็บพลังงาน โดยอุปกรณ์จะรวบรวมพลังงานปริมาณเล็กน้อยที่มีอยู่รอบตัว

Sphelar EIPV Series เป็นโมดูลโซลาร์เซลล์ขนาดกะทัดรัดที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ต้องการพลังงานต่ำโดยเฉพาะ โมดูลเหล่านี้เก็บเกี่ยวพลังงานจากแสงที่มีอยู่เพื่อจ่ายไฟให้เซ็นเซอร์ แอปพลิเคชันไร้สายอัจฉริยะ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กอื่น ๆ เนื่องจากเซลล์สเฟลาร์รับแสงได้จากทุกทิศทางและทำงานได้ดีกับแสงกระจาย จึงเหมาะอย่างยิ่งกับสภาพแวดล้อมภายในอาคารหรือในเมืองที่เซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมอาจทำงานได้ไม่ดี

การใช้งานโมดูลเก็บเกี่ยวพลังงานเหล่านี้ครอบคลุมเซ็นเซอร์ตรวจวัดสภาพแวดล้อม ระบบอาคารอัจฉริยะ การติดตามตรวจสอบภาคเกษตร และการใช้งานใด ๆ ที่อุปกรณ์ขนาดเล็กซึ่งติดตั้งกระจายตัวต้องการพลังงานโดยไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่หรือเดินสายไฟ การทำงานได้โดยไม่ต้องจัดแนวให้ตรงกับดวงอาทิตย์อย่างแม่นยำทำให้เซลล์เหล่านี้เหมาะกับอุปกรณ์ที่อาจติดตั้งในหลายตำแหน่งหรือเคลื่อนย้ายระหว่างใช้งาน

เซลล์สเฟลาร์มีขนาดกะทัดรัด โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 ถึง 2 มิลลิเมตร จึงติดตั้งในอุปกรณ์ขนาดเล็กมากที่ไม่สามารถใช้เซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมได้ ความสามารถในการย่อขนาดนี้อาจทำให้เกิดอุปกรณ์อัจฉริยะพลังงานในตัวประเภทใหม่ ตั้งแต่อุปกรณ์สวมใส่ไปจนถึงเครื่องตรวจวัดสิ่งแวดล้อมที่ฝังอยู่ในโครงสร้างพื้นฐาน

เทคโนโลยีสวมใส่และผ้าผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์

บางทีการใช้งานเทคโนโลยีสเฟลาร์ที่ล้ำอนาคตที่สุดอาจอยู่ในแวดวงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่และสิ่งทออัจฉริยะ บริษัทพัฒนาเส้นด้ายผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์รูปทรงเส้นใย ซึ่งผลิตไฟฟ้าจากแสงแดดได้พร้อมคงความยืดหยุ่นสูง เส้นด้ายโฟโตโวลตาอิกนี้ช่วยให้ผลิตสิ่งทอที่สร้างไฟฟ้าได้ ทำให้เสื้อผ้า กระเป๋า หรือสิ่งของที่ทำจากผ้ากลายเป็นเครื่องผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ได้

การพัฒนาเส้นด้ายผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ดำเนินการผ่านโครงการวิจัยร่วมระหว่างภาคอุตสาหกรรม สถาบันการศึกษา และภาครัฐ โดยมีส่วนร่วมจากกระทรวงเศรษฐกิจ การค้าและอุตสาหกรรม บริษัทสเฟลาร์ พาวเวอร์ จำกัด และศูนย์เทคโนโลยีอุตสาหกรรมจังหวัดฟุกุอิ ผลิตภัณฑ์ Sphelar TEXTILE ที่ได้มีคุณสมบัติน้ำหนักเบา บาง ยืดหยุ่น และยืดขยายได้ จึงเหมาะกับการจ่ายพลังงานให้สิ่งทออิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่

เทคโนโลยีนี้ช่วยแก้ปัญหาพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ นั่นคือพลังงาน แบตเตอรี่เพิ่มน้ำหนักและขนาดให้กับอุปกรณ์ และการชาร์จบ่อยครั้งก็ลดความสะดวกในการใช้งาน ผ้าที่ผสานเซลล์แสงอาทิตย์สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากแสงโดยรอบได้ตลอดวัน เพื่อจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องให้เซ็นเซอร์ อุปกรณ์สื่อสาร หรือเครื่องติดตามสุขภาพที่ฝังอยู่ในผ้า โดยไม่ต้องให้ผู้ใช้ดำเนินการและไม่เพิ่มน้ำหนักมากนัก

การใช้งานที่เป็นไปได้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่เสื้อผ้า แต่ยังรวมถึงเต็นท์ กันสาด ผ้าใบเรือ ผ้าคลุมรถ และพื้นผิวผ้าอื่น ๆ ที่สัมผัสแสง การใช้งานทางทหารอาจรวมถึงเครื่องแบบที่จ่ายไฟให้อุปกรณ์สื่อสารหรืออุปกรณ์นำทาง ส่วนการใช้งานทั่วไป อุปกรณ์กลางแจ้งอาจผลิตไฟฟ้าให้เครื่อง GPS สัญญาณขอความช่วยเหลือฉุกเฉิน หรือโทรศัพท์มือถือ วัสดุที่ยืดหยุ่นช่วยให้ผสานเข้ากับเสื้อผ้าได้โดยไม่กระทบต่อความสบายหรือการเคลื่อนไหว ต่างจากแผงโซลาร์เซลล์แข็งที่ไม่เหมาะกับการใช้งานแบบสวมใส่

ผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคและระบบไฟส่องสว่าง

นอกเหนือจากการใช้งานเฉพาะทางในภาคอุตสาหกรรม สเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน ยังพัฒนาผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคที่แสดงให้เห็นประโยชน์ในชีวิตประจำวันของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ทรงกลม ผลิตภัณฑ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติเฉพาะของเซลล์สเฟลาร์ช่วยให้เกิดการออกแบบที่ทำได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้ด้วยแผงโซลาร์เซลล์แบนแบบดั้งเดิม

Sphelar Garden Light มีดีไซน์ทันสมัย โดยติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมสเฟลาร์ไว้ด้านบนพร้อมชุดไฟ LED ในช่วงกลางวันจะเก็บพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ และในเวลากลางคืน พลังงานที่เก็บไว้จะจ่ายให้ไฟ LED เพื่อส่องสว่างสวนสาธารณะ สวน และทางเดิน การออกแบบให้ความสำคัญกับความสวยงาม โดยมุ่งให้แสงสว่างโดยไม่รบกวนภูมิทัศน์ ติดตั้งง่าย ไม่ต้องเสียค่าไฟหรือเดินสาย จึงเหมาะกับพื้นที่ห่างไกลหรือบริเวณที่ไม่มีโครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้า

ส่วนผลิตภัณฑ์ Sphelar Illumination ประกอบด้วยโมดูลสเฟลาร์ที่แขวนบนต้นไม้ได้ โมดูลเหล่านี้เก็บไฟฟ้าในช่วงกลางวันและเปิดไฟ LED ในเวลากลางคืน โดยตัวโมดูลสเฟลาร์เองจะเรืองแสงอย่างนุ่มนวล ผลิตภัณฑ์ออกแบบมาเพื่อให้แสงสว่างที่ปลอดภัยและสวยงาม โดยไม่ทำลายต้นไม้ระหว่างติดตั้งหรือทำให้รูปลักษณ์ตามธรรมชาติเสียไป เช่นเดียวกับโคมไฟสวน ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไม่ต้องต่อไฟฟ้าหรือเสียค่าใช้จ่ายด้านพลังงานต่อเนื่อง

ผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคเหล่านี้แสดงให้เห็นประโยชน์ที่ใช้ได้จริงของเทคโนโลยีสเฟลาร์ ซึ่งเกิดจากความสามารถในการรับแสงได้รอบทิศทาง ของตกแต่งสวนและไฟประดับต้นไม้จัดวางได้หลายทิศทางโดยไม่ต้องกังวลเรื่องการรับแสงอาทิตย์ให้เหมาะสม อีกทั้งติดตั้งในบริเวณที่มีร่มเงาบางส่วนได้ ซึ่งแผงแบนอาจรับแสงโดยตรงไม่เพียงพอ ดีไซน์กะทัดรัดและไม่สะดุดตาของเซลล์ทรงกลมยังช่วยเสริมความสวยงาม โดยผสานเข้ากับของตกแต่งได้โดยไม่ดูเหมือนอุปกรณ์เทคนิคที่นำมาติดเพิ่ม

ข้อควรพิจารณาด้านประสิทธิภาพและสมรรถนะ

ประสิทธิภาพยังคงเป็นตัวชี้วัดสำคัญในการประเมินเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ รายงานจาก TheFutureOfThings ระบุว่า เคียวเซมิพัฒนาแผงโซลาร์เซลล์แบบยืดหยุ่นที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเซลล์โฟโตโวลตาอิกเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเกือบ 20% การปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญนี้เกิดจากความสามารถในการรับแสงจากทุกมุมและใช้ประโยชน์จากทั้งแสงโดยตรงและแสงทางอ้อม

อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบเซลล์สเฟลาร์กับแผงแบนแบบดั้งเดิมโดยตรงต้องพิจารณาตัวชี้วัดสมรรถนะที่แตกต่างกันอย่างรอบคอบ โดยทั่วไป แผงแบนจะวัดค่าจากประสิทธิภาพสูงสุดภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการที่เหมาะสม โดยมีแสงส่องตรงตั้งฉาก ส่วนเซลล์สเฟลาร์รักษาสมรรถนะได้สม่ำเสมอกว่าในสภาวะแสงและมุมที่หลากหลาย แม้ในการทดสอบประสิทธิภาพสูงสุดภายใต้สภาวะสมบูรณ์แบบ เซลล์สเฟลาร์อาจไม่ได้เหนือกว่าแผงแบน แต่ผลผลิตพลังงานโดยรวมตลอดทั้งวันในสภาพการใช้งานจริงอาจดีกว่า

การไม่ต้องใช้ระบบติดตามดวงอาทิตย์เป็นข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพอีกประการหนึ่ง ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่มักใช้มอเตอร์และระบบติดตามเพื่อปรับให้แผงแบนหันเข้าหาดวงอาทิตย์ตลอดทั้งวัน ระบบเหล่านี้ใช้พลังงาน ต้องบำรุงรักษา และเพิ่มความซับซ้อนในการติดตั้ง เซลล์สเฟลาร์ให้ประโยชน์ใกล้เคียงกันด้วยรูปทรงของตัวมันเอง โดยรับแสงได้เหมาะสมตั้งแต่เช้าจรดค่ำโดยไม่ต้องพึ่งกลไก การทำงานแบบไม่ต้องใช้พลังงานช่วยเพิ่มความเชื่อถือได้ของระบบและลดความจำเป็นในการบำรุงรักษา

สมรรถนะในสภาวะแสงน้อยเป็นอีกปัจจัยที่ทำให้เทคโนโลยีนี้แตกต่าง ในวันที่มีเมฆหรือช่วงเช้าตรู่และบ่ายแก่ ๆ ซึ่งความเข้มแสงต่ำ กำลังผลิตของแผงแบนจะลดลงอย่างมาก เซลล์สเฟลาร์ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรับแสงกระจายและแสงที่หักเห จึงรักษาสมรรถนะได้ดีกว่าในสภาวะท้าทายเหล่านี้ คุณสมบัตินี้ทำให้เหมาะเป็นพิเศษกับพื้นที่ที่มีเมฆปกคลุมบ่อย หรือการใช้งานที่ต้องการให้ทำงานสม่ำเสมอในสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลง

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและความยั่งยืน

การพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อมมีบทบาทเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในการเลือกเทคโนโลยีพลังงาน และเซลล์สเฟลาร์มีข้อได้เปรียบที่อาจเป็นประโยชน์ต่อความยั่งยืนหลายประการ การลดของเสียจากซิลิคอนในกระบวนการผลิตถือเป็นประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมอย่างสำคัญ การผลิตซิลิคอนใช้พลังงานสูงและเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การใช้วัสดุมีค่านี้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยรวมจากการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์

ต้นทุนการผลิตที่อาจลดลง โดย Phys.org ประเมินว่าเหลือครึ่งหนึ่งของแผงแบบทั่วไป อาจช่วยให้ผู้คนเข้าถึงพลังงานแสงอาทิตย์ได้ในราคาที่คุ้มค่ามากขึ้น ต้นทุนที่ต่ำลงเร่งการนำไปใช้ ซึ่งช่วยทดแทนการผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงฟอสซิลได้มากขึ้นและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ความสามารถในการผสานเซลล์แสงอาทิตย์เข้ากับโครงสร้างและผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ โดยไม่ต้องใช้วัสดุหรือดัดแปลงเพิ่มเติม ยังช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการติดตั้ง

ความทนทานและอายุการใช้งานยาวนานของเทคโนโลยีสเฟลาร์มีส่วนช่วยด้านสิ่งแวดล้อมด้วย เซลล์ทรงกลมอาจเสียหายจากปัจจัยแวดล้อมอย่างลม ลูกเห็บ หรือเศษวัสดุได้น้อยกว่าแผงแบนขนาดใหญ่ที่เปราะบาง ขนาดกะทัดรัดและความสามารถในการฝังไว้ในวัสดุป้องกันอาจช่วยยืดอายุการใช้งาน ลดความจำเป็นในการเปลี่ยนใหม่ ตลอดจนต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมจากการผลิตและกำจัด

สเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน เชื่อมโยงเทคโนโลยีของบริษัทเข้ากับเป้าหมายด้านสิ่งแวดล้อมในวงกว้างอย่างชัดเจน รวมถึงการสนับสนุนเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (SDGs) พันธกิจของบริษัทมีทั้งการช่วยป้องกันการร่อยหรอของทรัพยากรเชื้อเพลิงฟอสซิลและต่อสู้กับภาวะโลกร้อนผ่านการขยายการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ การทำให้สามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในพื้นที่และการใช้งานที่ก่อนหน้านี้ไม่เหมาะสม อาจช่วยเพิ่มสัดส่วนพลังงานแสงอาทิตย์ในระบบพลังงานโลกได้อย่างมีนัยสำคัญ

อนาคตของพลังงานแสงอาทิตย์

แม้ในอนาคตอันใกล้ แผงโซลาร์เซลล์แบบแบนมีแนวโน้มจะยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ แต่เซลล์สเฟลาร์ถือเป็นการขยายทางเลือกสำคัญของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ แทนที่จะแข่งขันโดยตรงกับแผงแบบดั้งเดิม เซลล์ทรงกลมเปิดพื้นที่การใช้งานใหม่ทั้งหมดที่แผงแบนตอบโจทย์ไม่ได้ การขยายขอบเขตสถานที่และวิธีเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์เช่นนี้อาจเร่งการนำพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้โดยรวม และทำให้เทคโนโลยีนี้ผสานเข้ากับสภาพแวดล้อมในชีวิตประจำวันได้แพร่หลายยิ่งขึ้น

แนวคิดเรื่อง "พลังงานทุกหนแห่ง" เป็นจริงได้มากขึ้นด้วยเทคโนโลยีอย่างสเฟลาร์ แทนที่จะมองว่าพลังงานแสงอาทิตย์ผลิตจากโรงไฟฟ้าห่างไกลแล้วส่งผ่านระยะทางไกล เราอาจจินตนาการถึงโลกที่พื้นผิวทุกแห่งซึ่งสัมผัสแสงกลายเป็นแหล่งพลังงานได้ หน้าต่างผลิตไฟฟ้าพร้อมเปิดรับแสง เสื้อผ้าจ่ายไฟให้อุปกรณ์สวมใส่ อาคารสร้างพลังงานจากผนังได้เช่นเดียวกับหลังคา รูปแบบการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายตัวนี้ช่วยลดการสูญเสียระหว่างส่งไฟฟ้าและเพิ่มความยืดหยุ่นของระบบพลังงาน

เมื่ออินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่งขยายตัวและเมืองอัจฉริยะกลายเป็นจริง ความต้องการแหล่งพลังงานแบบกระจายตัวก็จะเพิ่มขึ้น เซลล์สเฟลาร์เหมาะกับการเก็บเกี่ยวพลังงานและผสานเข้ากับวัสดุและรูปแบบที่หลากหลาย จึงอาจเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่เอื้อให้อนาคตเชื่อมต่อถึงกันได้ ความสามารถในการจ่ายไฟให้เซ็นเซอร์และอุปกรณ์โดยใช้แสงโดยรอบช่วยลดต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานและอุปสรรคในการติดตั้งระบบเมืองอัจฉริยะ

การพัฒนาเทคโนโลยีสเฟลาร์ยังแสดงให้เห็นว่า การท้าทายสมมติฐานพื้นฐานอาจนำไปสู่นวัตกรรมก้าวกระโดด ตลอดเวลากว่าหนึ่งศตวรรษ การออกแบบแผงโซลาร์เซลล์แบบแบนแทบไม่เคยถูกตั้งคำถาม การถามว่าเหตุใดเซลล์แสงอาทิตย์จึงต้องแบนทำให้วิศวกรญี่ปุ่นเปิดทางสู่แนวทางใหม่ทั้งหมดในการรับแสงและผลิตพลังงาน การตั้งคำถามกับความเชื่อเดิมเช่นนี้มีแนวโน้มจะขับเคลื่อนนวัตกรรมเพิ่มเติมในเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานหมุนเวียนในวงกว้าง

ขณะที่สเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน พัฒนาผลิตภัณฑ์และการใช้งานรูปแบบใหม่ร่วมกับพันธมิตรทั่วโลกอย่างต่อเนื่อง ผลกระทบของเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมก็ขยายตัว ตั้งแต่การใช้งานเฉพาะทางในภาคอุตสาหกรรมไปจนถึงผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค ตั้งแต่วัสดุก่อสร้างไปจนถึงเทคโนโลยีสวมใส่ ทรงกลมขนาดจิ๋วเหล่านี้พิสูจน์ให้เห็นว่า บางครั้งหนทางที่ดีที่สุดในการก้าวไปข้างหน้าคือการคิดเป็นวงกลมแทนที่จะเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า

สรุปประเด็นสำคัญ

• เซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมสเฟลาร์ที่พัฒนาโดยบริษัทเคียวเซมิ คอร์ปอเรชันในญี่ปุ่น มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 ถึง 2 มิลลิเมตร และรับแสงได้จากทุกทิศทาง
• เทคโนโลยีนี้มีต้นกำเนิดจากคำถามของชูจิ นากาตะ ผู้ก่อตั้งบริษัท ว่าเหตุใดแผงโซลาร์เซลล์ต้องแบนทั้งที่ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ตลอดเวลา
• การผลิตใช้ปล่องทิ้งวัตถุสูง 710 เมตรของศูนย์ไมโครกราวิตีแห่งญี่ปุ่น เพื่อสร้างทรงกลมซิลิคอนที่สมบูรณ์แบบในสภาวะไมโครกราวิตี
• กระบวนการผลิตก่อให้เกิดของเสียจากซิลิคอนเพียงเล็กน้อย และมีต้นทุนประมาณครึ่งหนึ่งของการผลิตแผงโซลาร์เซลล์แบนทั่วไป
• เซลล์ทรงกลมรักษาประสิทธิภาพได้ในมุมแสงที่หลากหลาย รับทั้งแสงโดยตรงและแสงทางอ้อม และทำงานได้ดีกว่าในสภาวะมีเมฆ
• การใช้งานครอบคลุมวัสดุก่อสร้างโปร่งใส การเก็บเกี่ยวพลังงานให้อุปกรณ์ IoT สิ่งทอผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ และผลิตภัณฑ์ไฟส่องสว่างสำหรับผู้บริโภค
• สเฟลาร์ พาวเวอร์ คอร์ปอเรชัน แยกตัวออกจากเคียวเซมิในปี 2012 เพื่อมุ่งพัฒนาการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ทรงกลมโดยเฉพาะ
• เทคโนโลยีนี้ช่วยผสานพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับพื้นผิวโค้ง สิ่งของสวมใส่ และองค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมที่ไม่สามารถใช้แผงแบนแบบเดิมได้