การต่อแผงโซลาร์เซลล์แบบอนุกรมกับแบบขนานส่งผลต่อการผลิตพลังงานอย่างไร?

เมื่อออกแบบระบบโฟโตโวลตาอิก หนึ่งในการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดที่ช่างติดตั้งหรือวิศวกรต้องเผชิญ คือวิธีการต่อแผงเข้าด้วยกัน ทางเลือกระหว่าง การต่อแผงโซลาร์เซลล์แบบอนุกรมเทียบกับแบบขนาน การต่อนั้นไม่ใช่เพียงเรื่องของความชอบส่วนตัว — แต่ส่งผลโดยตรงต่อปริมาณพลังงานที่ใช้งานได้ที่ระบบของคุณสามารถจ่ายออกได้ วิธีที่ระบบตอบสนองต่อเงา และว่าระบบยังคงเข้ากันได้กับ อินเวอร์เตอร์ และตัวควบคุมการชาร์จ การเข้าใจความแตกต่างนี้เป็นพื้นฐานสำคัญในการออกแบบระบบที่สามารถทำงานได้ตามที่คาดหวังภายใต้สภาวะจริง

การถกเถียงเกี่ยวกับ การต่อแผงโซลาร์เซลล์แบบอนุกรมเทียบกับแบบขนาน การเดินสายไฟมีบทบาทในทุกส่วนของอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ ตั้งแต่กระท่อมขนาดเล็กแบบออฟกริด ไปจนถึงระบบติดตั้งบนหลังคาเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ แต่ละรูปแบบการต่อสายมีลักษณะทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน และผลกระทบต่อกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นมีค่าวัดได้และมีนัยสำคัญบทความนี้จะอธิบายกลไกทางไฟฟ้าของการต่อแบบแต่ละแบบ ชี้แจงว่าแต่ละรูปแบบส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้ารวมอย่างไร และช่วยให้คุณเข้าใจว่ารูปแบบการต่อใด — หรือการผสมผสานระหว่างรูปแบบ — เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะแต่ละกรณี

หลักการพื้นฐานทางไฟฟ้าของการต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน

การต่อแบบอนุกรมเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าอย่างไร

ในการต่อแบบอนุกรม (Series Configuration) แผงโซลาร์เซลล์จะถูกเชื่อมต่อกันแบบปลายต่อปลาย โดยขั้วบวกของแผงหนึ่งจะเชื่อมเข้ากับขั้วลบที่อยู่ถัดไป ผลที่ได้คือแรงดันไฟฟ้ารวมกันตามแนวสาย (string) ขณะที่กระแสไฟฟ้ายังคงเท่าเดิมและเท่ากับค่ากระแสที่ระบุไว้สำหรับแผงเดียว ตัวอย่างเช่น หากนำแผงโซลาร์เซลล์ 4 แผง ซึ่งแต่ละแผงมีค่าแรงดัน 40 โวลต์ และกระแส 10 แอมแปร์ มาต่ออนุกรมกัน สายดังกล่าวจะให้แรงดันไฟฟ้า 160 โวลต์ที่กระแส 10 แอมแปร์ ซึ่งส่งผลให้ได้กำลังไฟฟ้าเชิงทฤษฎี 1,600 วัตต์

พฤติกรรมการรวมแรงดันไฟฟ้าเช่นนี้เป็นลักษณะเฉพาะที่สำคัญของการต่อแบบอนุกรม ซึ่งเป็นประเด็นหลักในการเปรียบเทียบการต่อแบบอนุกรมกับแบบขนานในระบบแผงโซลาร์เซลล์ สายที่มีแรงดันสูงจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอินเวอร์เตอร์แบบสตริง (String Inverters) และคอนโทรลเลอร์ชาร์จแบบ MPPT ซึ่งจำเป็นต้องใช้แรงดันขาเข้าขั้นต่ำเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ แรงดันที่สูงขึ้นยังช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากความต้านทานในสายไฟระหว่างอาร์เรย์กับอินเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบเชิงปฏิบัติโดยเฉพาะในระบบขนาดใหญ่ที่ระยะทางของสายไฟยาว

อย่างไรก็ตาม การต่อแบบอนุกรมจะก่อให้เกิดจุดอ่อนที่สำคัญ: หากแผงใดแผงหนึ่งในสาย (string) ทำงานผิดปกติ — ไม่ว่าจะเนื่องจากเงาบดบัง สิ่งสกปรกสะสม หรือข้อบกพร่องจากการผลิต — กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านทั้งสายจะถูกจำกัดให้เท่ากับค่าเอาต์พุตของแผงที่มีประสิทธิภาพต่ำที่สุด ปรากฏการณ์นี้บางครั้งเรียกว่า 'เอฟเฟกต์แสงคริสต์มาส' และอาจทำให้สูญเสียพลังงานอย่างมากเกินสัดส่วนเมื่อเทียบกับขนาดของสิ่งกีดขวาง

วิธีที่การต่อแบบขนานเปลี่ยนแรงดันและกระแส

ในการต่อแบบขนาน ขั้วบวกทั้งหมดจะเชื่อมต่อกัน และขั้วลบก็เชื่อมต่อกันทั้งหมดเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมอาร์เรย์จะคงที่เท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแผงเดี่ยว ในขณะที่กระแสไฟฟ้าจากแต่ละแผงจะรวมกัน ด้วยการใช้แผงเดียวกันสี่แผงที่มีค่ากำหนดไว้ที่ 40 โวลต์และ 10 แอมแปร์ การต่อแบบขนานจะให้ผลลัพธ์เป็น 40 โวลต์ที่ 40 แอมแปร์ — ซึ่งยังคงให้กำลังไฟฟ้าทฤษฎีเท่ากับ 1,600 วัตต์ แต่มีลักษณะทางไฟฟ้าที่แตกต่างออกไปอย่างมาก

แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าของระบบการต่อแบบขนานในแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งเปรียบเทียบกับการต่อแบบอนุกรม มีผลสำคัญต่อการออกแบบระบบ ชุดแผงที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำโดยทั่วไปจะปลอดภัยกว่าในการจัดการ และอาจถูกกำหนดไว้โดยข้อบังคับด้านไฟฟ้าสำหรับการใช้งานบางประเภท เช่น งานติดตั้งในที่พักอาศัยหรือระบบที่ใช้แรงดันต่ำ นอกจากนี้ยังมีความเข้ากันได้ดีกว่ากับตัวควบคุมการชาร์จแบบ PWM ซึ่งมักใช้ในระบบที่ไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าหลัก (off-grid) ขนาดเล็ก

ข้อได้เปรียบหลักของการต่อแบบขนานคือความทนทานต่อการบังแสงบางส่วน เนื่องจากแต่ละแผงทำงานอย่างอิสระบนเส้นทางกระแสไฟฟ้าของตนเอง ดังนั้นแผงที่ถูกบังแสงหรือให้ประสิทธิภาพต่ำกว่ามาตรฐานจึงไม่ส่งผลกระทบต่อผลผลิตของแผงอื่นๆ ที่อยู่ข้างเคียง กระแสไฟฟ้ารวมของชุดแผงจะลดลงเพียงเท่ากับส่วนที่แผงที่ได้รับผลกระทบสามารถจ่ายได้เท่านั้น แทนที่จะทำให้ผลผลิตของทั้งสาย (string) ลดลงอย่างรุนแรง

ผลกระทบของแต่ละรูปแบบการต่อต่อผลผลิตกำลังไฟฟ้าจริงในโลกแห่งความเป็นจริง

ผลผลิตกำลังไฟฟ้าภายใต้สภาวะอุดมคติ

ภายใต้สภาวะการทดสอบมาตรฐานโดยไม่มีเงาบดบังและมีความเข้มของรังสีแสงสม่ำเสมอ ทั้งการต่อแบบอนุกรม (series) และแบบขนาน (parallel) ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเดียวกันจะให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดเชิงทฤษฎีเท่ากัน กำลังรวมทั้งหมด (วัตต์) คือผลรวมของค่ากำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้สำหรับแต่ละแผงอย่างง่าย ๆ โดยไม่ขึ้นกับวิธีการต่อสายไฟ ดังนั้น ในแง่นี้ การเลือกต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบอนุกรมหรือแบบขนานจึงไม่ส่งผลต่อปริมาณกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถผลิตได้ เมื่อสภาวะการใช้งานสมบูรณ์แบบ

สิ่งที่แตกต่างกันคือวิธีการส่งกำลังไฟฟ้านั้นไปยังโหลดหรืออินเวอร์เตอร์ โดยการต่อแบบอนุกรมจะให้แรงดันไฟฟ้าสูงแต่กระแสไฟฟ้าต่ำ ในขณะที่การต่อแบบขนานจะให้แรงดันไฟฟ้าต่ำแต่กระแสไฟฟ้าสูง อินเวอร์เตอร์หรือคอนโทรลเลอร์ชาร์จจำเป็นต้องสอดคล้องกับลักษณะเฉพาะของการส่งกำลังไฟฟ้าที่อาร์เรย์สร้างขึ้น การเลือกการต่ออาร์เรย์ที่ไม่สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านอินพุตของอินเวอร์เตอร์ ถือเป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของประสิทธิภาพการทำงานต่ำกว่าที่คาดไว้ในระบบใหม่ที่เพิ่งติดตั้งเสร็จ

ช่างติดตั้งที่ทำงานกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบโมโนคริสตัลไลน์ประสิทธิภาพสูง — เช่น แผงในช่วงกำลังไฟฟ้า 545 วัตต์ ถึง 565 วัตต์ — จำเป็นต้องระมัดระวังเป็นพิเศษเกี่ยวกับขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า โดยการต่ออนุกรมแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีแรงดันสูงเป็นระยะทางยาวอาจทำให้เกินแรงดันขาเข้าสูงสุดของอินเวอร์เตอร์แบบสตริงมาตรฐานได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้ระบบเปิดใช้งานการปิดการทำงานเพื่อความปลอดภัยโดยอัตโนมัติ และลดปริมาณพลังงานที่สามารถเก็บเกี่ยวได้จริง

กำลังไฟฟ้าขาออกภายใต้สภาวะที่มีการบังแสงบางส่วนและสภาวะไม่สม่ำเสมอ

ความแตกต่างที่แท้จริงในการเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างการต่อแบบอนุกรมกับแบบขนานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะปรากฏชัดเจนขึ้นเมื่อสภาวะไม่เหมาะสม การบังแสงบางส่วนเป็นปัญหาที่พบบ่อยที่สุดในโลกแห่งความเป็นจริง และยังเผยให้เห็นถึงความแตกต่างพื้นฐานระหว่างกลยุทธ์การเดินสายทั้งสองแบบ กล่าวคือ ในระบบการต่ออนุกรม แม้เงาเพียงเล็กน้อยที่ปกคลุมส่วนหนึ่งของแผงเพียงแผงเดียว ก็อาจทำให้กำลังไฟฟ้าขาออกของสตริงทั้งหมดลดลงจนใกล้ศูนย์ได้ หากไดโอดเบี่ยงเบน (bypass diodes) ไม่ทำงานอย่างถูกต้อง

ในอาร์เรย์แบบขนาน เงาเดียวกันจะส่งผลเฉพาะต่อแผงที่มันบังเท่านั้น แผงอื่นๆ ยังคงผลิตพลังงานได้เต็มกำลัง และการสูญเสียพลังงานรวมจะสัมพันธ์กับส่วนแบ่งของแผงที่ถูกบัง ไม่ใช่ผลผลิตทั้งหมดของสาย (string) ทั้งหมด สำหรับการติดตั้งบนหลังคาที่มีปล่องไฟ ช่องระบายอากาศ หรือต้นไม้ใกล้เคียง ความทนทานนี้สามารถส่งผลให้ได้รับพลังงานรายปีเพิ่มขึ้นอย่างมีน้ำหนัก

ข้อมูลภาคสนามจากโครงการเชิงพาณิชย์แสดงอย่างสม่ำเสมอว่า อาร์เรย์ที่ต่อแบบขนาน หรือการจัดวางแบบผสมระหว่างอนุกรมและขนาน จะให้ประสิทธิภาพดีกว่าอาร์เรย์ที่ต่อแบบอนุกรมล้วนในสภาพแวดล้อมที่มีการบังแสงแปรผัน ความแตกต่างของผลผลิตพลังงานรายปีอาจอยู่ที่ไม่กี่เปอร์เซ็นต์ ไปจนถึงมากกว่า 20 เปอร์เซ็นต์ ขึ้นอยู่กับความรุนแรงและความถี่ของการบังแสง

ความเข้ากันได้ของระบบและบทบาทของการออกแบบอินเวอร์เตอร์

อินเวอร์เตอร์แบบสตริงและเหตุผลในการเลือกการต่อแบบอนุกรม

อินเวอร์เตอร์แบบสตริงเป็นอินเวอร์เตอร์ประเภทที่ติดตั้งใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดในระบบพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับที่พักอาศัยและเชิงพาณิชย์ โดยได้รับการออกแบบให้สอดคล้องกับลักษณะทางไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์ที่ต่อแบบอนุกรม (series-wired strings) อินเวอร์เตอร์ชนิดนี้ต้องการแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ขาเข้าขั้นต่ำ — มักอยู่ระหว่าง 150 ถึง 200 โวลต์ — เพื่อเริ่มต้นกระบวนการแปลงพลังงาน และจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดภายในช่วงแรงดันที่กำหนดซึ่งเรียกว่าช่วง MPPT (Maximum Power Point Tracking) การต่อแบบอนุกรมของแผงโซลาร์เซลล์ (เมื่อเปรียบเทียบกับการต่อแบบขนาน) จึงเป็นการจับคู่ที่เหมาะสมโดยธรรมชาติกับสถาปัตยกรรมของอินเวอร์เตอร์แบบสตริง

ในการออกแบบสตริงแบบอนุกรมสำหรับอินเวอร์เตอร์แบบสตริง ผู้ติดตั้งจำเป็นต้องคำนวณแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสูงสุด (maximum open-circuit voltage) ของสตริงที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น เนื่องจากแรงดันของแผงโซลาร์เซลล์จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง การที่แรงดันขาเข้าเกินค่าสูงสุดที่อินเวอร์เตอร์รับได้อาจทำให้เกิดความเสียหายถาวรต่อส่วนขาเข้าของอินเวอร์เตอร์ ดังนั้น การคำนวณนี้จึงเป็นขั้นตอนบังคับหนึ่งในกระบวนการออกแบบระบบที่ดำเนินการโดยผู้เชี่ยวชาญ

อินเวอร์เตอร์แบบสตริงยังได้รับประโยชน์จากกระแสไฟฟ้าที่ต่ำลงซึ่งเกิดจากการเดินสายแบบอนุกรม กระแสไฟฟ้าที่ต่ำลงหมายความว่าสามารถใช้สายไฟ DC ที่มีขนาดเล็กลงและราคาถูกกว่าระหว่างแผงโซลาร์เซลล์กับอินเวอร์เตอร์ ซึ่งช่วยลดต้นทุนวัสดุและแรงงานในการติดตั้งลงด้วย สำหรับระบบเชิงพาณิชย์บนหลังคาขนาดใหญ่ที่ระยะทางการเดินสายอาจยาวหลายร้อยเมตร ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนนี้จึงมีน้ำหนักค่อนข้างมาก

ไมโครอินเวอร์เตอร์ ตัวปรับแต่งกำลังไฟฟ้า DC และสถาปัตยกรรมที่รองรับการต่อแบบขนาน

ไมโครอินเวอร์เตอร์และตัวปรับแต่งกำลังไฟฟ้า DC แสดงถึงแนวทางที่แตกต่างกันในการพิจารณาคำถามเรื่องการต่อแผงโซลาร์เซลล์แบบอนุกรมเทียบกับแบบขนาน ไมโครอินเวอร์เตอร์ทำหน้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่ระดับของแต่ละแผง ทำให้แต่ละแผงกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานอย่างอิสระ วิธีนี้จึงขจัดจุดอ่อนของการบังแสงในระดับสตริงออกไปโดยสิ้นเชิง และยังช่วยให้สามารถติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ในทิศทางที่ต่างกันได้โดยไม่เกิดผลกระทบต่อกัน

อุปกรณ์เพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน (Power optimizers) ติดตั้งอยู่ระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์กับอินเวอร์เตอร์แบบสตริงกลาง โดยดำเนินการติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) ที่ระดับแต่ละแผง ก่อนส่งกระแสตรง (DC) ที่ผ่านการปรับสภาพแล้วเข้าสู่สายสตริง การออกแบบแบบไฮบริดนี้สามารถรับประโยชน์จากความทนทานต่อเงาของระบบสายไฟแบบขนานได้เป็นส่วนใหญ่ ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาประสิทธิภาพด้านต้นทุนของอินเวอร์เตอร์แบบกลางไว้ ซึ่งวิธีนี้ได้รับความนิยมอย่างมากในระบบติดตั้งสำหรับที่พักอาศัย โดยเฉพาะเมื่อรูปทรงหลังคาทำให้เกิดปัญหาเงาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

สำหรับระบบที่ไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (off-grid) ซึ่งใช้ควบคุมการชาร์จแบบ MPPT การตัดสินใจว่าจะต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบอนุกรมหรือแบบขนาน มักขึ้นอยู่กับขีดจำกัดแรงดันและกระแสขาเข้าของตัวควบคุม ตัวควบคุม MPPT หลายรุ่นรองรับช่วงแรงดันกว้าง และสามารถทำงานได้ทั้งสองรูปแบบ อย่างไรก็ตาม ผู้ติดตั้งจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันวงจรเปิด (open-circuit voltage) ของอาร์เรย์จะไม่เกินค่าสูงสุดที่ระบุไว้สำหรับตัวควบคุมภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ

รูปแบบการต่อแบบไฮบริดอนุกรม-ขนาน และผลกระทบต่อกำลังไฟฟ้า

เมื่อใดที่การต่อแบบไฮบริดเหมาะสม

ในทางปฏิบัติ ระบบติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์จำนวนมากใช้การเดินสายแบบผสมผสานระหว่างแบบอนุกรม (series) และแบบขนาน (parallel) ซึ่งมักเรียกว่า การจัดวางแบบอนุกรม-ขนาน หรือแบบไฮบริดอนุกรม-ขนาน (series-parallel or series-parallel hybrid configuration) ในการจัดวางแบบนี้ จะมีการเดินสายหลายสตริงที่เชื่อมต่ออนุกรม (series strings) แบบขนานกัน วิธีนี้ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถบรรลุระดับแรงดันไฟฟ้าเป้าหมายผ่านการเชื่อมต่อแบบอนุกรม ในขณะที่เพิ่มกำลังไฟฟ้ารวมและกระแสไฟฟ้ารวมผ่านการเชื่อมต่อแบบขนาน

แนวทางแบบไฮบริดอนุกรม-ขนานของแผงโซลาร์เซลล์เป็นมาตรฐานสำหรับระบบที่มีขนาดใหญ่ระดับสาธารณูปโภค (utility-scale) และระบบที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ ซึ่งจำเป็นต้องเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์จำนวนร้อยหรือพันแผงเข้ากับอินเวอร์เตอร์ตัวเดียวหรือกล่องรวมสัญญาณ (combiner box) หนึ่งตัว สตริงแต่ละสตริงที่เชื่อมต่ออนุกรมจะถูกออกแบบให้สอดคล้องกับช่วงแรงดันไฟฟ้า MPPT ของอินเวอร์เตอร์ และมีการนำสตริงหลายสตริงมาต่อกันแบบขนานที่กล่องรวมสัญญาณก่อนส่งเข้าสู่อินเวอร์เตอร์ สถาปัตยกรรมนี้ช่วยสมดุลระหว่างความเข้ากันได้ของแรงดันไฟฟ้า ความทนทานต่อเงาบัง (shading resilience) และความสามารถในการขยายระบบ (system scalability)

สำหรับระบบที่มีขนาดเล็กกว่า สามารถใช้การเดินสายแบบไฮบริดได้เช่นกันเพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดของอุปกรณ์ที่มีอยู่ หากตัวควบคุมการชาร์จมีกระแสขาเข้าสูงสุดที่ 60 แอมแปร์ แต่ผู้ออกแบบต้องการใช้แผงโซลาร์เซลล์ 8 แผง โดยแต่ละแผงผลิตกระแสได้ 10 แอมแปร์ การต่อสายแผงเหล่านี้เป็นสองสายอนุกรม (series strings) ซึ่งแต่ละสายประกอบด้วยแผง 4 แผง จากนั้นนำสองสายอนุกรมนี้มาต่อขนานกัน (paralleling) จะทำให้กระแสยังคงอยู่ภายในขีดจำกัดของตัวควบคุมการชาร์จ ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งอยู่ในระดับที่ยอมรับได้

การปรับสมดุลแรงดัน กระแส และกำลังไฟฟ้าในอาร์เรย์แบบไฮบริด

การออกแบบอาร์เรย์แบบไฮบริดจำเป็นต้องให้ความใส่ใจอย่างรอบคอบต่อการปรับสมดุล โดยสายอนุกรมทั้งหมดภายในกลุ่มที่ต่อขนานกันควรประกอบด้วยจำนวนแผงเท่ากันและมีคุณลักษณะทางไฟฟ้าเหมือนกัน การผสมแผงที่มีค่าพารามิเตอร์ต่างกันไว้ในสายอนุกรมเดียวกันจะก่อให้เกิดการสูญเสียจากความไม่สอดคล้องกัน (mismatch losses) และการต่อสายอนุกรมที่มีแรงดันต่างกันเข้าด้วยกันแบบขนานอาจทำให้เกิดกระแสไหลย้อนกลับ (reverse current flow) ซึ่งอาจส่งผลให้แผงหรือสายไฟเสียหายได้

การออกแบบแบบไฮบริดของแผงโซลาร์เซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานพร้อมกันยังกำหนดให้สตริงทั้งหมดในกลุ่มแบบขนานใช้รุ่นแผงเดียวกันและมีทิศทางการติดตั้งเหมือนกันเท่าที่จะเป็นไปได้ แม้แต่ความแตกต่างเล็กน้อยของอุณหภูมิแผง — ซึ่งอาจเกิดจากมุมการติดตั้งที่ต่างกัน หรือเงาบางส่วนที่ตกกระทบสตริงหนึ่งสตริง — ก็สามารถก่อให้เกิดความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า ซึ่งส่งผลให้อัลกอริธึม MPPT มีประสิทธิภาพลดลง และทำให้กำลังไฟฟ้ารวมที่ผลิตได้ลดลง

ผู้ออกแบบระบบระดับมืออาชีพใช้ซอฟต์แวร์จำลองเพื่อสร้างแบบจำลองผลลัพธ์ที่คาดว่าจะได้รับจากอาร์เรย์แบบไฮบริดภายใต้สถานการณ์ต่าง ๆ เช่น การบังแสงและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ก่อนที่จะสรุปข้อกำหนดการเดินสายสุดท้าย ขั้นตอนการจำลองนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแผงพลังงานสูงในช่วง 545W ถึง 565W ซึ่งผลกระทบจากการตั้งค่าที่ไม่เหมาะสมจะรุนแรงขึ้นเนื่องจากกำลังไฟฟ้าต่อแผงที่สูงกว่า

เกณฑ์การตัดสินใจเชิงปฏิบัติสำหรับการเลือกระหว่างการต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน

ปัจจัยที่เอื้อต่อการต่อแบบอนุกรม

การต่อแบบอนุกรมเป็นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดเมื่อการติดตั้งใช้อินเวอร์เตอร์แบบสตริง (string inverter) ซึ่งมีช่วงแรงดัน MPPT ที่กำหนดไว้ ขณะที่หลังคาหรือพื้นผิวที่ใช้ยึดติดไม่มีสิ่งกีดขวางและรับรังสีแสงอาทิตย์อย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งวัน และเมื่อการลดต้นทุนสายเคเบิลกระแสตรง (DC) เป็นปัจจัยสำคัญ การตัดสินใจเลือกระหว่างการต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนานของแผงโซลาร์เซลล์จะเอียงไปทางแบบอนุกรมในงานติดตั้งเชิงพาณิชย์บนหลังคาแบน ซึ่งสามารถจัดเรียงแผงให้อยู่ในแนวยาวโดยไม่มีเงาบดบัง

การต่อแบบอนุกรมยังช่วยทำให้ออกแบบกล่องรวม (combiner box) สำหรับระบบขนาดใหญ่ง่ายขึ้น เนื่องจากจำนวนการต่อแบบขนานที่ลดลงหมายถึงจำนวนฟิวส์ สวิตช์แยกวงจร (disconnects) และจุดที่อาจเกิดความผิดพลาดลดลงด้วย สำหรับระบบที่ติดตั้งในภูมิภาคที่มีท้องฟ้าแจ่มใสอย่างสม่ำเสมอและมีเงาบดบังน้อยมาก ความเสี่ยงจากการบดบังที่ส่งผลต่อการต่อแบบอนุกรมแทบไม่เกิดขึ้นเลย ดังนั้นข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและความเรียบง่ายจึงมีน้ำหนักมากกว่าในการตัดสินใจ

แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบโมโนคริสตัลไลน์ที่มีประสิทธิภาพสูงพร้อมแรงดันไฟฟ้าเปิดวงจร (open-circuit voltage) ที่สูงขึ้นนั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการต่อแบบอนุกรม เนื่องจากแรงดันต่อแผงที่สูงขึ้นหมายความว่าจำเป็นต้องใช้จำนวนแผงน้อยลงเพื่อให้ถึงแรงดัน MPPT ต่ำสุดของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งจะช่วยลดจำนวนการต่อแบบอนุกรมที่จำเป็นและทำให้ออกแบบสายโซลาร์ (string) ได้ง่ายขึ้น

ปัจจัยที่เอื้อต่อการต่อแบบขนาน

การต่อแบบขนานเป็นทางเลือกที่ดีกว่าเมื่อสภาพแวดล้อมในการติดตั้งมีการบังแสงบ่อยครั้งหรือหลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่อระบบใช้ควบคุมการชาร์จแบบ PWM ซึ่งมีข้อกำหนดแรงดันคงที่ หรือเมื่อผู้ออกแบบต้องการรักษาระดับแรงดันของระบบให้ต่ำกว่าเกณฑ์ที่หน่วยงานกำกับดูแลกำหนด การตัดสินใจเลือกระหว่างการต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนานในระบบพลังงานแสงอาทิตย์จะเอื้อต่อการต่อแบบขนานมากกว่าในระบบที่ไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (off-grid) ขนาดเล็ก แอปพลิเคชันสำหรับเรือ และการติดตั้งบนหลังคาที่มีความซับซ้อนซึ่งมีสิ่งกีดขวางหลายจุด

การเดินสายแบบขนานยังให้ข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยในระบบที่ใช้แรงดันต่ำอีกด้วย ชุดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำงานที่แรงดันต่ำกว่า 50 โวลต์แบบกระแสตรง (DC) มักจัดอยู่ในประเภทแรงดันต่ำพิเศษ (Extra-Low Voltage) ตามมาตรฐานทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ ซึ่งช่วยลดข้อกำหนดด้านกฎระเบียบเกี่ยวกับท่อร้อยสาย (conduit), อุปกรณ์ตัดวงจร (disconnects) และใบรับรองความเชี่ยวชาญของผู้ติดตั้งที่ผ่านการรับรอง สำหรับผู้สร้างระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบออฟกริดด้วยตนเอง (DIY) สิ่งนี้สามารถทำให้กระบวนการขออนุญาตและติดตั้งง่ายขึ้นอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ระดับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นในชุดแผงแบบขนานจำเป็นต้องใช้สายไฟที่มีขนาดหนาขึ้น (heavier gauge wiring) และขั้วต่อที่แข็งแรงยิ่งขึ้น ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนวัสดุเพิ่มขึ้น แต่สำหรับระยะการเดินสายสั้นๆ ซึ่งพบได้ทั่วไปในระบบออฟกริดขนาดเล็ก ความแตกต่างของต้นทุนนี้มักไม่มากนัก และโดยรวมแล้วคุ้มค่าเมื่อพิจารณาจากข้อได้เปรียบด้านความทนทานต่อเงาและการติดตั้งที่เรียบง่ายของระบบแบบขนาน

คำถามที่พบบ่อย

การต่อแผงโซลาร์เซลล์แบบอนุกรมหรือแบบขนานมีผลต่อปริมาณกำลังไฟฟ้ารวมที่ผลิตได้ภายใต้สภาวะที่สมบูรณ์แบบหรือไม่?

ภายใต้สภาวะที่สมบูรณ์แบบโดยไม่มีเงาบดบังและมีความเข้มของรังสีแสงสม่ำเสมอ ทั้งการต่อแบบอนุกรม (series) และแบบขนาน (parallel) จะให้กำลังไฟฟ้าเชิงทฤษฎีรวมเท่ากัน ความแตกต่างอยู่ที่วิธีการจ่ายกำลังนั้น — การต่อแบบอนุกรมจะให้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นแต่กระแสไฟฟ้าต่ำลง ในขณะที่การต่อแบบขนานจะให้แรงดันไฟฟ้าต่ำลงแต่กระแสไฟฟ้าสูงขึ้น ทางเลือกของการต่อวงจรส่งผลต่อความเข้ากันได้ของระบบและประสิทธิภาพในการใช้งานจริงมากกว่าผลลัพธ์สูงสุดเชิงทฤษฎี

วิธีการเดินสายแบบใดเหมาะสมกว่าสำหรับการติดตั้งในพื้นที่ที่มีเงาบดบัง?

การต่อแบบขนานโดยทั่วไปมีความทนทานต่อการบดบังบางส่วนได้ดีกว่า เนื่องจากแผงแต่ละแผงทำงานอย่างอิสระ ในกรณีการต่อแบบอนุกรม แผงที่ถูกบดบังอาจลดกำลังไฟฟ้าของทั้งสายอนุกรมลง ในขณะที่การต่อแบบขนานจะสูญเสียเฉพาะส่วนที่มาจากแผงที่ถูกบดบังเท่านั้น ดังนั้น สำหรับการติดตั้งที่หลีกเลี่ยงการบดบังจากต้นไม้ ปล่องไฟ หรือโครงสร้างใกล้เคียงไม่ได้ จึงแนะนำให้ใช้การต่อแบบขนาน หรือแบบผสมระหว่างอนุกรม-ขนาน (series-parallel hybrid) ร่วมกับอุปกรณ์เพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน (power optimizers) หรืออินเวอร์เตอร์แบบไมโคร (microinverters) อย่างยิ่ง

ฉันสามารถต่อสายแบบอนุกรมและแบบขนานร่วมกันในอาร์เรย์พลังงานแสงอาทิตย์ชุดเดียวกันได้หรือไม่

ใช่ รูปแบบการต่อสายแบบผสมผสานระหว่างอนุกรมและขนานเป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานในการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดกลางและขนาดใหญ่ โดยจะนำสตริงแบบอนุกรมหลายสตริงมาต่อแบบขนานกัน เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าตามเป้าหมาย พร้อมทั้งเพิ่มความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้ารวม อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างถูกต้อง สตริงแบบอนุกรมทั้งหมดที่เชื่อมต่อแบบขนานกันนี้จะต้องประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่เหมือนกันทุกแผง และมีจำนวนเท่ากันทุกสตริง เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานจากความไม่ตรงกัน (mismatch losses) และปัญหากระแสไฟฟ้าย้อนกลับที่อาจเกิดขึ้น

การเลือกต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบอนุกรมหรือแบบขนานส่งผลต่อการเลือกอินเวอร์เตอร์อย่างไร

การจัดเรียงสายไฟโดยตรงจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ส่งออกของอาร์เรย์ ซึ่งต้องอยู่ภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ระบุไว้สำหรับอินเวอร์เตอร์หรือคอนโทรลเลอร์ชาร์จ อินเวอร์เตอร์แบบสตริง (String inverters) ต้องการแรงดันไฟฟ้า MPPT ขั้นต่ำ ซึ่งมักเหมาะกับการต่อแบบอนุกรมมากกว่า ในขณะที่คอนโทรลเลอร์ชาร์จแบบ PWM ที่ใช้ในระบบออฟกริดขนาดเล็ก มักทำงานได้ดีกว่าเมื่อใช้อาร์เรย์แบบขนาน โปรดตรวจสอบเสมอว่าแรงดันไฟฟ้าเปิดวงจร (open-circuit voltage) ของอาร์เรย์ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำไม่เกินค่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดที่อินเวอร์เตอร์ระบุไว้