Sistem Fotovoltaik Surya
Contents in this article

Bagaimana Sistem Fotovoltaik Surya bekerja?

Besarnya energi panas Matahari menjadikannya sumber energi yang sangat menarik. Energi ini dapat langsung diubah menjadi listrik arus searah dan energi panas. Energi surya adalah sumber energi terbarukan yang bersih, melimpah dan tidak ada habisnya yang tersedia di bumi. Panel surya atau sistem surya fotovoltaik menggunakan panel (panel SPV) disusun di atas atap atau di ladang surya sedemikian rupa sehingga radiasi matahari jatuh pada panel fotovoltaik surya untuk memfasilitasi reaksi yang mengubah radiasi cahaya matahari menjadi listrik.

Energi matahari dapat digunakan untuk menyalakan satu bangunan atau dapat digunakan pada skala industri. Ketika digunakan dalam skala kecil, listrik tambahan dapat disimpan dalam baterai atau dimasukkan ke jaringan listrik. Energi matahari tidak terbatas dan satu-satunya batasan adalah kemampuan kita untuk mengubahnya menjadi listrik dengan cara yang menguntungkan. Kalkulator daya, mainan, dan kotak panggilan telepon panel surya kecil.

Definisi sistem fotovoltaik surya

Sebuah sistem fotovoltaik surya mengubah energi matahari menjadi energi listrik seperti baterai mengubah energi kimia menjadi energi listrik atau mesin mobil mengubah energi kimia menjadi energi mekanik atau motor listrik (dalam kendaraan listrik , EV) mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Sel SPV mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Sebuah sel surya tidak menghasilkan listrik dengan menggunakan panas matahari, tetapi sinar cahaya datang berinteraksi dengan bahan semikonduktor untuk menghasilkan listrik.

Listrik dapat didefinisikan sebagai aliran elektron. Bagaimana sistem fotovoltaik surya menciptakan aliran ini? Umumnya, energi harus disuplai untuk memindahkan elektron menjauh dari inti atom. Elektron valensi (yaitu yang berada di kulit terluar atom) memiliki tingkat energi tertinggi dari elektron yang masih terikat pada atom induknya, (karena jauh dari nukleus, dibandingkan dengan elektron di kulit dalam. ). Energi tambahan diperlukan untuk melepaskan elektron sepenuhnya dari atom, sehingga elektron bebas memiliki tingkat energi yang lebih tinggi daripada elektron valensi.

Fig1. Energy band diagram

Gambar di atas menggambarkan diagram pita energi, yang menunjukkan dua tingkat energi, pita valensi dan pita konduksi. Elektron valensi terletak pada pita valensi dan elektron bebas berada pada pita konduksi yang lebih tinggi. Dalam semikonduktor, ada celah antara pita valensi dan konduksi. Jadi energi harus disuplai agar elektron valensi dapat pergi ke pita konduksi. Ini berarti bahwa energi harus diberikan untuk menghilangkan elektron valensi dari atom induknya menjadi elektron bebas.

Apa itu sistem fotovoltaik surya?

Ketika silikon murni berada pada suhu 0 K (0 derajat Kelvin adalah – 273°C ), semua posisi di kulit elektron terluar ditempati, karena ikatan kovalen antara atom dan tidak ada elektron bebas. Oleh karena itu pita valensi benar-benar penuh dan pita konduksi benar-benar kosong. Meskipun elektron valensi memiliki energi tertinggi, mereka membutuhkan energi paling sedikit untuk dikeluarkan dari atom (energi ionisasi). Ini dapat diilustrasikan dengan contoh atom timbal. Di sini energi ionisasi (dari atom gas) pelepasan elektron pertama adalah 716 kJ/mol dan yang dibutuhkan untuk elektron kedua adalah 1450 kJ/mol. Nilai ekuivalen untuk Si adalah 786 dan 1577 kJ/mol.

Setiap elektron yang bergerak ke pita konduksi meninggalkan tempat kosong ( disebut hole) dalam ikatan valensi. Proses ini disebut generasi pasangan elektron-lubang . Sebuah lubang di kristal silikon dapat, seperti elektron bebas, bergerak di sekitar kristal. Cara lubang bergerak adalah sebagai berikut: Sebuah elektron dari ikatan dekat lubang dapat dengan mudah melompat ke dalam lubang, meninggalkan ikatan yang tidak lengkap, yaitu lubang baru. Ini terjadi dengan cepat dan seringkali elektron dari ikatan terdekat berubah posisi dengan lubang, mengirimkan lubang secara acak dan tidak menentu ke seluruh benda padat; semakin tinggi suhu material, elektron dan hole semakin bergejolak dan semakin banyak mereka bergerak.

Generasi elektron dan lubang oleh cahaya adalah proses sentral dalam keseluruhan efek Fotovoltaik, tetapi itu sendiri tidak menghasilkan arus. Jika tidak ada mekanisme lain yang terlibat dalam sel surya, elektron dan lubang yang dihasilkan cahaya akan berkeliaran di sekitar kristal secara acak untuk sementara waktu dan kemudian kehilangan energinya secara termal saat mereka kembali ke posisi valensi. Untuk memanfaatkan elektron dan lubang untuk menghasilkan gaya dan arus listrik, diperlukan mekanisme lain – penghalang “potensial” bawaan.* Sebuah sel fotovoltaik memiliki dua wafer tipis silikon yang diapit bersama dan dilekatkan pada kabel logam.

Selama pembuatan ingot, silikon didoping terlebih dahulu sebelum diiris dan dikirim. Doping tidak lain adalah menambahkan kotoran ke dalam wafer silikon kristal untuk membuatnya konduktif secara elektrik. Silikon memiliki 4 elektron di kulit terluarnya. Bahan doping positif (tipe-p) ini selalu Boron, yang memiliki 3 elektron (trivalen) disebut pembawa positif (Akseptor) Dopan. Dopan negatif (tipe-n) adalah fosfor , yang memiliki 5 elektron (pentavalen) disebut sebagai pembawa negatif (Donor) Dopan

Sel fotovoltaik mengandung lapisan penghalang yang dibentuk oleh muatan listrik yang berlawanan yang saling berhadapan di kedua sisi garis pemisah. Penghalang potensial ini secara selektif memisahkan elektron dan lubang yang dihasilkan cahaya, mengirimkan lebih banyak elektron ke satu sisi sel, dan lebih banyak lubang ke sisi lainnya. Dengan demikian, elektron dan lubang kecil kemungkinannya untuk bergabung kembali satu sama lain dan kehilangan energi listriknya. Pemisahan muatan ini mengatur perbedaan tegangan antara kedua ujung sel, yang dapat digunakan untuk menggerakkan arus listrik di sirkuit eksternal.

Ketika sel fotovoltaik terkena sinar matahari, kumpulan energi cahaya yang dikenal sebagai foton dapat melumpuhkan beberapa elektron dari lapisan-P bawah dari orbitnya melalui medan listrik yang dipasang di persimpangan PN dan masuk ke lapisan-N. Lapisan-N, dengan kelebihan elektronnya, mengembangkan aliran elektron berlebih, yang menghasilkan gaya listrik untuk mendorong elektron tambahan menjauh. Kelebihan elektron ini, pada gilirannya, didorong ke dalam kawat logam kembali ke lapisan-P bawah, yang telah kehilangan sebagian elektronnya. Dengan demikian arus listrik akan terus mengalir sampai sinar matahari mengenai panel.

Sistem Solar Photovoltaic hanya sedikit hemat energi

Sel sistem fotovoltaik surya saat ini hanya mengubah sekitar 10 hingga 14 persen energi radiasi menjadi energi listrik. Pabrik bahan bakar fosil, di sisi lain, mengubah dari 30-40 persen energi kimia bahan bakar mereka menjadi energi listrik. Efisiensi konversi sumber daya elektrokimia jauh lebih tinggi hingga 90 hingga 95 %.

Apa itu Efisiensi Konversi Sistem Fotovoltaik Surya?

Efisiensi perangkat = Keluaran energi yang berguna / Masukan energi

Dalam kasus sistem fotovoltaik surya, efisiensinya sekitar 15%, yang berarti bahwa jika kita memiliki permukaan sel 1 m 2 untuk setiap 100 W/ m 2 radiasi datang, hanya 15 W yang akan dikirimkan ke rangkaian.

Efisiensi sel SPV = 15 W/ m 2 / 100 W/ m 2 = 15 %.

Dalam kasus baterai timbal-asam, kita dapat membedakan dua jenis efisiensi, efisiensi coulombik (atau Ah atau ampere-jam) dan efisiensi energi (atau Wh atau watt jam). Selama proses pengisian yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia, efisiensi Ah sekitar 90% dan efisiensi energi sekitar 75%

Prinsip kerja sistem fotovoltaik surya

Pembuatan sel sistem Solar Photovoltaic

Bahan bakunya adalah kuarsa (pasir) yang paling melimpah kedua. Kuarsa adalah mineral yang tersebar luas. Ini memiliki banyak varietas yang terutama terdiri dari silika atau silikon dioksida (SiO2) dengan fraksi kecil pengotor seperti lithium, natrium, kalium dan titanium.
Proses pembuatan sel surya dari wafer silikon melibatkan tiga jenis industri:
a.) Industri yang memproduksi sel surya dari kuarsa
b.) Industri yang memproduksi wafer silikon dari kuarsa dan
c.) Industri yang memproduksi sel surya dari wafer silikon

Bagaimana wafer silikon dibuat dalam sistem Solar Photovoltaic?

Sebagai langkah pertama, silikon murni diproduksi dengan reduksi dan pemurnian silikon dioksida tidak murni dalam kuarsa. Proses Czochralski (Cz) : Industri PV saat ini menggunakan dua rute utama untuk mengubah bahan baku polisilikon mentah menjadi wafer jadi: rute monokristalin menggunakan proses Czochralski (Cz), dan rute multi-kristal menggunakan proses directional solidification (DS) . Perbedaan utama antara kedua pendekatan ini adalah bagaimana polisilikon dilebur, bagaimana dibentuk menjadi ingot, ukuran ingot, dan bagaimana ingot dibentuk menjadi batu bata untuk pengirisan wafer.

  • Proses Czochralski (Cz) : Metode Cz membuat ingot silinder, dan ini diikuti oleh beberapa langkah penggergajian pita dan kawat untuk menghasilkan wafer. Untuk krusibel berdiameter 24-inci yang dimuat dengan berat muatan awal sekitar 180 kg, diperlukan sekitar 35 jam untuk melelehkan polisilikon dalam krus Cz, mencelupkan kristal benih ke dalam lelehan, dan mengeluarkan leher, bahu, badan , dan ujung kerucut. Hasilnya adalah ingot Cz berbentuk silinder dengan massa 150–200 kg. Untuk meninggalkan logam dan kontaminan lainnya, Anda perlu meninggalkan 2–4 kg sisa pot di dalam wadah.
  • Proses Directional Solidification (DS) : Wafer DS multi-kristal dibuat dari batangan yang lebih pendek tetapi lebih lebar dan lebih berat— sekitar 800 kg—yang berbentuk kubus ketika polisilikon dilebur dalam wadah kuarsa. Setelah polisilikon dilebur, proses DS diinduksi dengan menciptakan gradien suhu dimana permukaan bawah wadah didinginkan pada tingkat tertentu. Serupa dengan ingot Cz, bagian dari ingot DS yang dihasilkan selama tanam dan kuadrat dapat dicairkan kembali untuk generasi ingot selanjutnya. Dalam kasus ingot DS, bagaimanapun, bagian paling atas biasanya tidak didaur ulang karena konsentrasi pengotor yang tinggi.

Karena prosesnya dimulai dengan wadah peleburan berbentuk kubus, ingot dan wafer DS secara alami berbentuk persegi, sehingga mudah untuk membuat sel berbasis multi-kristal yang pada dasarnya dapat menempati seluruh area dalam modul lengkap. Diperlukan sekitar 76 jam untuk menghasilkan ingot silikon DS biasa, yang digergaji menjadi 36 bata dari potongan 6 x 6. Batu bata jadi yang khas memiliki penampang persegi penuh 156,75 mm x 156,75 mm (246 cm2 luas permukaan) dan tinggi 286 mm, yang menghasilkan 1.040 wafer per batu bata ketika ketebalan wafer 180 m dan ada 95 m kerugian garitan per wafer. Dengan demikian, 35.000–40.000 wafer diproduksi per ingot DS.

Bibliografi
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Prinsip dan Metode Dasar PV NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Rumah Kayu, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas, dan Robert Margolis. 2019. Biaya Pembuatan Modul Fotovoltaik Silikon Kristal dan Harga Berkelanjutan: Tolok Ukur 1H 2018 dan Peta Jalan Pengurangan Biaya. Golden, CO: Laboratorium Energi Terbarukan Nasional. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. hlm. 15 dan seterusnya

Berbagai jenis sistem fotovoltaik surya

Karena harga bahan bakar fosil terus meningkat dan standar emisi terus semakin ketat di seluruh dunia, permintaan akan energi terbarukan seperti tenaga surya dan pembangkit angin serta solusi penyimpanan energi akan terus meningkat.

Istilah matahari mengacu pada matahari. Baterai surya adalah baterai yang digunakan untuk menyimpan energi yang diubah dari penyinaran matahari atau energi cahaya menjadi listrik menggunakan sel surya (juga disebut sel fotovoltaik surya, atau sel PV) melalui efek fotovoltaik. Mereka tidak melibatkan reaksi kimia seperti pada baterai. Sel PV terdiri dari bahan semikonduktor, yang menggabungkan beberapa sifat logam dan beberapa sifat isolator, yang membuatnya mampu mengubah cahaya menjadi listrik.

Ketika cahaya diserap oleh semikonduktor, foton cahaya dapat mentransfer energinya ke elektron, menghasilkan aliran elektron. Apa itu arus listrik? Ini adalah aliran elektron. Arus ini mengalir keluar dari semikonduktor ke lead keluaran. Kabel ini terhubung ke baterai atau jaringan melalui beberapa sirkuit elektronik dan inverter untuk mengontrol dan menghasilkan arus bolak-balik.

Metode penggunaan daya sistem fotovoltaik surya

Sistem SPV yang berdiri sendiri (atau Off-Grid):

Di sini tenaga surya digunakan untuk satu rumah atau unit industri atau komunitas kecil. Daya yang dihasilkan oleh panel surya dikirim ke baterai melalui pengontrol elektronik dan baterai menyimpan energi. DC dari baterai dibalikkan ke AC; beban listrik menarik listrik mereka dari baterai ini. Biasanya, tata surya atap 1 kW membutuhkan 10 sq. meter area bebas bayangan. Ukuran sebenarnya, bagaimanapun, tergantung pada faktor lokal radiasi matahari dan kondisi cuaca, efisiensi modul surya, bentuk atap dll.

Gambar 2. Tata surya off-grid sederhana
Gambar 2. Tata surya off-grid sederhana

Sistem Solar Photovoltaic terikat grid lurus (atau sistem Grid-tied)

Pada sistem straight grid-tied (atau sistem Grid-tied), panel SPV akan dihubungkan ke jalur distribusi daya publik melalui pengontrol dan meteran energi. Di sini tidak ada baterai yang digunakan. Listrik digunakan terlebih dahulu untuk memberi daya pada kebutuhan listrik rumah yang mendesak. Ketika kebutuhan tersebut terpenuhi, listrik tambahan dikirim ke jaringan melalui meteran energi. Dengan sistem tenaga surya terhubung jaringan ketika rumah membutuhkan daya lebih dari apa yang dihasilkan panel surya maka keseimbangan listrik yang dibutuhkan dipasok oleh jaringan utilitas.

Jadi, misalnya, jika beban listrik di rumah mengkonsumsi arus 20 ampere dan tenaga surya hanya dapat menghasilkan 12 ampere, maka 8 ampere akan diambil dari jaringan. Jelas, pada malam hari semua kebutuhan listrik dipasok oleh grid karena dengan sistem grid connect Anda tidak menyimpan daya yang Anda hasilkan di siang hari.

Salah satu kelemahan dari sistem jenis ini adalah ketika listrik padam, begitu pula sistemnya. Ini untuk alasan keamanan karena petugas yang bekerja di saluran listrik perlu mengetahui bahwa tidak ada sumber yang memasok jaringan. Inverter yang diikat dengan jaringan harus secara otomatis memutuskan sambungan ketika mereka tidak merasakan adanya jaringan. Ini berarti bahwa Anda tidak dapat menyediakan daya selama pemadaman atau keadaan darurat dan Anda tidak dapat menyimpan energi untuk digunakan nanti. Anda juga tidak dapat mengontrol kapan Anda menggunakan daya dari sistem Anda, seperti selama waktu permintaan puncak.

Sistem Fotovoltaik Surya Interaktif Grid atau Grid-tied (hybrid)

Masih ada sistem lain di mana kami dapat memasok ke sistem grid. Kita bisa mendapatkan uang atau mendapatkan kembali energi yang dipasok oleh kita kapanpun dibutuhkan.

Sistem Solar Photovoltaic tanpa penyimpanan baterai - Grid interaktif atau Grid-tied (hybrid)

Sistem SPV ini menghasilkan listrik tenaga surya dan memasok beban internal dan ke sistem distribusi lokal. Jenis komponen sistem SPV ini adalah (a) panel SPV dan (b) Pembalik. Sistem yang terhubung ke jaringan mirip dengan sistem bertenaga listrik biasa kecuali bahwa sebagian atau seluruh listrik berasal dari matahari. Kelemahan dari sistem ini tanpa penyimpanan baterai adalah bahwa mereka tidak memiliki catu daya selama pemadaman listrik.

Keuntungan sistem grid-tied (hybrid) Solar Photovoltaic tanpa penyimpanan baterai

Ini adalah sistem yang paling murah dengan perawatan yang dapat diabaikan
Jika sistem menghasilkan lebih banyak daya daripada kebutuhan internal, maka energi ekstra ditukar dengan jaringan utilitas
Sistem grid-direct memiliki efisiensi yang lebih tinggi karena tidak melibatkan baterai.
Tegangan yang lebih tinggi berarti ukuran kawat yang lebih kecil.
Perkiraan biaya tata surya atap yang terhubung ke jaringan untuk TA 2018-19 bervariasi dari Rs. 53 per watt – Rp. 60 per watt.

Diagram Sistem Fotovoltaik Surya Gambar 3. Grid diikat surya tanpa baterai
Gambar 3. Grid diikat surya tanpa baterai
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Sistem Solar Photovoltaic Interaktif Grid atau Grid-tied (hybrid) dengan penyimpanan baterai

Jenis sistem Solar Photovoltaic ini terhubung ke jaringan dan dapat memenuhi syarat untuk insentif negara, sekaligus menurunkan tagihan utilitas Anda. Pada saat yang sama, jika terjadi pemadaman listrik, sistem ini memiliki daya cadangan. Sistem grid-tied berbasis baterai menyediakan daya selama pemadaman dan energi dapat disimpan untuk digunakan dalam keadaan darurat. Beban penting seperti penerangan dan peralatan juga memiliki daya cadangan saat listrik padam. Seseorang juga dapat menggunakan energi selama waktu permintaan puncak karena energi telah disimpan di bank baterai untuk digunakan nanti.

Kelemahan utama dari sistem Solar Photovoltaic ini adalah bahwa biayanya lebih tinggi daripada sistem grid-tied dasar dan kurang efisien. Ada juga komponen tambahan. Penambahan baterai juga membutuhkan pengontrol muatan untuk melindunginya. Juga harus ada sub panel yang berisi beban-beban penting yang ingin dibackup. Tidak semua beban yang digunakan rumah di grid didukung oleh sistem. Beban penting yang dibutuhkan saat terjadi pemadaman listrik. Mereka diisolasi ke dalam sub-panel cadangan.

Please share if you liked this article!

Did you like this article? Any errors? Can you help us improve this article & add some points we missed?

Please email us at webmaster @ microtexindia. com

On Key

Hand picked articles for you!

Energi matahari

Energi matahari

Energi Surya – penggunaan deskripsi dan fakta Energi datang dalam berbagai bentuk. Dalam fisika, itu didefinisikan sebagai potensi atau kapasitas untuk melakukan pekerjaan. Sebelum memahami

Ukuran Baterai

Ukuran Baterai baterai asam timbal

Bagaimana ukuran baterai dilakukan untuk aplikasi tertentu? Penggunaan pasokan energi surya off-grid menjadi semakin populer untuk aplikasi domestik, industri dan kota. Karena sifat variabel sumber

Baterai nikel metal hidrida FB

Baterai Nickel Metal Hydride (Baterai NiMH)

Teknologi Baterai Nickel Metal Hydride (baterai NiMh bentuk penuh) Pekerjaan perintis pada Baterai Nickel Metal Hydride dilakukan di Battelle Geneva Research Center dimulai setelah penemuannya

Peralatan penambangan bawah tanah bertenaga baterai Microtex

Menambang baterai lokomotif

Baterai Microtex untuk peralatan pertambangan bawah tanah bertenaga baterai Di blog ini, kami memeriksa persyaratan untuk tugas baterai bawah tanah yang sangat sulit untuk peralatan

Bergabunglah dengan Buletin kami!

Bergabunglah dengan milis kami yang terdiri dari 8890 orang luar biasa yang mengikuti pembaruan terbaru kami tentang teknologi baterai

Baca Kebijakan Privasi kami di sini – Kami berjanji tidak akan membagikan email Anda kepada siapa pun & kami tidak akan mengirim spam kepada Anda. Anda dapat berhenti berlangganan kapan saja.