โดย ดร. นิกร แก้วแพรก
ปัจจุบันการนำพลังงานทางเลือกมาใช้ อาทิ พลังงานความร้อน (thermal energy) พลังงานลม (wind energy) และพลังงานแสงอาทิตย์ (solar energy) ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในหลายประเทศทั่วโลก เนื่องจากเป็นพลังงานสะอาด มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อย และไม่มีต้นทุนด้านพลังงาน และจากภาวะขาดแคลนพลังงานที่จะเกิดขึ้นในอนาคตหลายประเทศได้ให้ความสนใจในการลงทุนด้านพลังงานทางเลือกเพื่อลดต้นทุนการใช้พลังงานหลักจากน้ำมันและก๊าซธรรมชาติ อย่างประเทศไทยได้เริ่มมีการใช้พลังงานทดแทนอย่างเช่น แก๊สโซฮอล์ และ ไบโอดีเชล ที่เห็นเป็นรูปประจักษ์ เมื่อไม่นานมานี้พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ได้เป็นที่รู้จักกันมากขึ้นจากโครงการชั่งหัวมันตามพระราชดำริ อำเภอท่ายาง จังหวัดเพชรบุรี โดยการติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานลมเพื่อใช้ประโยชน์ภายในโครงการและติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อสูบน้ำขึ้นไปเก็บไว้ยังอ่างเก็บน้ำหนองเสือแล้วปล่อยน้ำลงมาเพื่อใช้ในด้านเกษตรกรรมของโครงการชั่งหัวมัน และยังมีงานที่เกี่ยวข้องกับระบบสูบน้ำบาดาลด้วยโซลาเซลล์อีกมากมาย อาทิ โครงการส่งเสริมและสนับสนุนเทคโนโลยีการผลิตพลังงานทดแทนเพื่อลดต้นทุนการผลิตระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 3 กิโลวัตต์ ของกลุ่มเกษตรบ้านหางแขยง ตำบลหางน้ำสาคร อำเภอมโนรมย์ จังหวัดชัยนาท เป็นต้น
ในรอบปีที่ผ่านมา ประเทศไทยได้ประสบปัญหาภัยแล้งจากภาวะการขาดแคลนน้ำใช้ในภาคเกษตรกรรมอย่างมาก ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ได้มีส่วนช่วยเหลืออย่างมากมายในการเป็นแหล่งพลังงานทดแทนด้านกำลังไฟฟ้าที่ใช้ในการสูบน้ำบาดาลขึ้นมาเพื่อช่วยเหลือพี่น้องเกษตรกรในพื้นที่ห่างไกลและประสบปัญหาภัยแล้ง แต่อาจยังไม่คลอบคลุมในหลายๆจังหวัดของประเทศไทย มีการคาดการณ์อีกว่าในปี 2560 อาจจะเกิดภัยแล้งขึ้นอีกครั้ง ระบบสูบน้ำบาดาลด้วยพลังงานแสงอาทิตย์จึงอาจจะเป็นทางเลือกที่ดีของกลุ่มเกษตรกร เนื่องจากปัจจัยด้านราคาของวัสดุและอุปกรณ์มีราคาถูกลงอย่างมากเมื่อเทียบกับอดีตที่ผ่านมา และจากการนำระบบผลิตไฟฟ้ามาใช้กับการสูบน้ำบาดาล บทความนี้จะกล่าวถึงการประยุกต์เทคโนโลยีการผลิตพลังงานทดแทนสำหรับระบบประปาบาดาลเพื่อใช้อุปโภคและบริโภคสำหรับหมู่บ้านและลดต้นทุนด้านกำลังไฟฟ้าด้วยระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (solar cell) พร้อมระบบสำรองพลังงาน (battery backup)
รูปที่ 1 ระบบประปาบาดาลด้วยระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์
หลักการทำงานของระบบ
เทคโนโลยีระบบสูบน้ำประปาบาดาลด้วยระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (The Photovoltaic Systems) พร้อมระบบสำรองพลังงาน มีหลักการทำงานดังต่อไปนี้
- ขณะสูบน้ำขึ้นหอถัง
- ในกรณีพลังงานแสงอาทิตย์มีเพียงพอ พลังงานไฟฟ้าจะถูกจ่ายไปยังเครื่องสูบน้ำผ่านเครื่องควบคุมหรืออินเวอร์เตอร์ และประจุสะสมเข้าแบตเตอรีสำรองไฟฟ้า
- ในกรณีพลังงานแสงอาทิตย์มีไม่พอสำหรับเครื่องสูบน้ำ พลังงานไฟฟ้าที่ถูกสะสมไว้ในแบตเตอรีจะถูกนำมาเสริมกับพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแสงอาทิตย์เพื่อให้ระบบเกิดการทำงานสมดุลแบบอัตโนมัติ
- และในกรณีฉุกเฉิน เช่นพลังงานไฟฟ้าทั้งจากแสงอาทิตย์และไฟฟ้าจากแบตเตอรีสำรองมีไม่เพียงพอ หากมีไฟฟ้าจากการไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมเข้ากับเครื่องควบคุม ไฟฟ้าจากการไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะจ่ายพลังงานให้กับเครื่องสูบน้ำและสามารถประจุแบตเตอรีในเวลาเดียวกัน (เช่น ในช่วงเวลาที่มีฝนตกต่อเนื่อง)
- พลังงานที่ถูกสะสมในแบตเตอรี ยังสามารถนำไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ ได้ ในขณะเครื่องสูบน้ำทำงาน เช่น ระบบแสงสว่าง กล้องวงจรปิด หรืออื่นๆ ขึ้นอยู่กับการออกแบบเพิ่มเติมตามความต้องการ
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีพลังงานทดแทนด้วยระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ข้างต้นให้เข้ากับระบบสูบน้ำประปาบาดาลในปัจจุบัน
ระบบสูบน้ำบาดาลสามารถพิจารณาได้จากเครื่องสูบน้ำในแต่ละรุ่นประกอบไปด้วยประสิทธิภาพโดยเฉลี่ยของมอเตอร์อยู่ที่ประมาณ 55% ของประสิทธิภาพโดยรวมและเมื่อชดเชยกับค่าการสูญเสียทางไฟฟ้า 5% ดังนั้นกำลังไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการขับมอเตอร์แต่ละรุ่นจึงมีขนาดดังแสดงในตารางที่ 1
ตารางที่ 1 กำลังไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการขับมอเตอร์
การนำพลังงานไฟฟ้าแสงอาทิตย์มาใช้ในระบบสูบน้ำประปาบาดาลจะต้องมีความสัมพันธ์กับอัตราการสูบที่กำหนดไว้นั้น เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างต่อเนื่อง หากคำนวณเฉพาะแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ที่จะนำมาประยุกต์ใช้ สามารถสรุปได้ดังแสดงในตารางที่ 2
ตารางที่ 2 การเปรียบเทียบอัตราการสูบกับกำลังไฟฟ้าที่ต้องการ
จากข้อมูลเชิงพฤติกรรมของกลุ่มผู้ใช้น้ำบาดาล ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในพื้นที่ชนบทพบว่า ระบบมีความต้องการใช้น้ำสูงสุด (peak demand) 2 ช่วงเวลา คือ ช่วงเช้า 06.00-08.00 น. และช่วงเย็น 16.00-18.00 น. ทั้งในกรณีประปาเพื่อการเกษตรและประปาหมู่บ้าน (ทั้งนี้เวลาอาจแตกต่างกันขึ้นกับปัจจัยที่แตกต่างกันในแต่ละภูมิภาค) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่แหล่งพลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการ (peak demand) ได้
ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบขนาดเครื่องสูบน้ำกับกำลังไฟฟ้าที่ต้องการจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์
อย่างไรก็ตาม ระยะเวลานอกเหนือจากที่กล่าวมาข้างต้น นั่นคือเวลา 08.00-16.00 น. จะเป็นระยะเวลาที่พลังงานแสงอาทิตย์ที่ความเข้มของแสงเหมาะสมที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้สูงสุด และยังเป็นช่วงเวลาที่ระบบประปาบาดาลสามารถสูบน้ำเข้าหอถังพักน้ำจนเต็ม จนกระทั่งระบบหยุดการทำงานโดยอัตโนมัติในท้ายที่สุด หากนำปัจจัยด้านเวลามาพิจารณาจะพบว่า ระบบสูบน้ำจำเป็นจะต้องมีพลังงานส่วนเกิน (06.00-08.00 น. และ 16.00-18.00 น. รวม 4 ชั่วโมง) ที่สามารถชดเชยและนำมาประจุสะสมเข้าแบตเตอรีเพื่อนำไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ ที่จำเป็น
การประยุกต์เทคโนโลยีด้านพลังงานทดแทนอย่างระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับระบบประปาบาดาลทำให้เราสามารถลดต้นทุนด้านพลังงานไฟฟ้าลงไปได้อย่างมากมาย มีอายุการใช้งานไม่น้อยกว่า 10 ปี และเป็นประโยชน์สำหรับกลุ่มเกษตรกรที่ต้องการใช้ทรัพยากรน้ำยามขาดแคลนในช่วงหน้าแล้ง
