ENERGI MATAHARI
Energi matahari adalah energi yang diperoleh dengan menangkap panas dan cahaya dari Matahari. Energi dari Matahari disebut sebagai energi matahari. Teknologi telah menyediakan sejumlah cara untuk memanfaatkan sumber daya yang berlimpah ini. Ini dianggap sebagai teknologi hijau karena tidak memancarkan gas rumah kaca. Energi matahari banyak tersedia dan telah digunakan sejak lama baik sebagai listrik maupun sebagai sumber panas.
Teknologi surya dapat secara luas diklasifikasikan sebagai –
- Active Solar – Teknik surya aktif termasuk penggunaan sistem fotovoltaik, tenaga surya terkonsentrasi(tenaga matahari ditangkap oleh solar cell kemudian dirubah menjadi listrik) dan pemanas air tenaga surya untuk memanfaatkan energi. Solar aktif dikonsumsi langsung dalam kegiatan seperti mengeringkan pakaian dan menghangatkan udara.
- Pasif Solar – Teknik surya pasif termasuk mengarahkan bangunan ke Matahari, memilih bahan dengan massa termal yang menguntungkan atau sifat pendispersi cahaya, dan merancang ruang yang secara alami mengalirkan udara.
Konversi Energi Matahari
Energi matahari adalah energi yang diperoleh dengan menangkap panas dan cahaya dari Matahari. Metode mendapatkan listrik dari sinar matahari disebut sebagai metode Photovoltaic. Ini dicapai dengan menggunakan bahan semikonduktor.berikut ini adalah sistem kerja dari sel surya
Bentuk lain untuk mendapatkan energi matahari adalah melalui teknologi termal, yang memberikan dua bentuk metode penyadapan energi.
- Yang pertama adalah konsentrasi matahari, yang memfokuskan energi matahari untuk menggerakkan turbin termal.
- Metode kedua adalah sistem pemanas dan pendingin yang digunakan untuk pemanas air dan pendingin udara.
Beikut ini adalah proses perubahan energi matahari menjadi listrik yang dimanfaatkan energinya dalam kehidupan sehari-hari:
- Penyerapan energi yang membawa partikel dalam sinar matahari disebut foton.
- Konversi fotovoltaik, di dalam sel surya.
- Kombinasi arus dari beberapa sel. Langkah ini diperlukan karena sel tunggal memiliki tegangan kurang dari 0,5 V.
- Konversi DC yang dihasilkan menjadi AC.
Pada bab selanjutnya, kita akan mempelajari metode Photovoltaic untuk mengubah energi matahari menjadi listrik.
Sebelum lebih jauh mempelajari tentang photovoltaic, maka kita harus belajar dulu tentang PN Junction.dan kira-kira apa itu PN Junction.
Persimpangan PN (PN Junction)
PN Junction ditemukan oleh laboratorium Russell of Bell di AS. Ini mengacu pada persimpangan antara dua semikonduktor, yaitu, Tipe-P dan tipe-N. Russell menemukan bahwa dua semikonduktor memiliki perilaku yang menarik di persimpangan yang menyebabkan konduksi dalam satu arah saja.
Semikonduktor tipe-P memiliki lubang (tidak adanya elektron) sebagai pembawa muatan mayoritas. Sedangkan Semikonduktor tipe N memiliki elektron sebagai pembawa muatan mayoritas.
Berdasarkan gambar diatas tentang PN Junction
- Muatan tambahan berdifusi ke persimpangan yang berlawanan sehingga positif pada sisi-p mendapatkan muatan negatif dan menetralisirnya.
- Demikian pula, negatif di sisi-N mendapatkan muatan positif dan menetralisirnya.
- Ini membentuk margin (m) di kedua sisi di mana daya tambahan dihabiskan untuk membuat wilayah ini netral dan pada kondisi keseimbangan. Wilayah ini disebut sebagai lapisan penipisan dan tidak ada perubahan dari kedua sisinya.
- Lapisan penipisan menawarkan penghalang potensial dan karenanya membutuhkan tegangan eksternal untuk mengatasinya. Proses ini disebut biasing.
- Untuk melakukan, dalam biasing maju, tegangan yang diberikan harus memompa elektron (negatif) dari n-junction ke sisi-p dari persimpangan. Aliran arus kontinu menjamin pergerakan elektron yang konstan untuk mengisi lubang, karenanya konduksi melintasi lapisan penipisan.
- Membalikkan tegangan yang diberikan, dalam proses yang disebut reverse biasing, menyebabkan lubang dan elektron terpisah, meningkatkan lapisan penipisan.
- Beban eksternal dihubungkan ke sel surya dengan terminal positif terhubung ke wafer sisi N dan terminal negatif ke wafer sisi P. Perbedaan potensial dibuat oleh efek fotovoltaik.
Arus yang diperoleh dari elektron yang dipindahkan oleh foton tidak cukup untuk memberikan perbedaan potensial yang signifikan. Karenanya arus menyebabkan tabrakan lebih lanjut dan melepaskan lebih banyak elektron.
Photovoltaic effect
Sel surya menggunakan konsep persimpangan p-n dalam menangkap energi matahari.berikut ini adalah gambar penjelasannya.
elektron harus melintasi celah energi dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron ini membutuhkan energi untuk memaksa keluar dan bergerak melintasi celah valensi. Dalam sel surya, foton yang dipancarkan dari Matahari menyediakan energi yang dibutuhkan untuk mengatasi gap itu.
Peristiwa foton di permukaan dapat diserap, dipantulkan, atau ditransmisikan. Jika dipantulkan atau ditransmisikan, itu tidak membantu mengeluarkan elektron. Oleh karena itu, foton harus diserap untuk menyediakan energi yang diperlukan untuk melepaskan dan memindahkan elektron melintasi celah valensi.
Jika Eph adalah energi foton dan EG adalah energi ambang untuk melintasi celah energi, maka kemungkinan hasilnya adalah sebagai berikut:
- Eph <EG – Dalam hal ini, foton tidak mencapai ambang batas dan hanya akan melewatinya.
- Eph = EG – Foton memiliki ambang yang tepat untuk melepaskan elektron dan membuat pasangan elektron lubang.
- Eph> EG – Energi foton melampaui ambang. Ini menciptakan pasangan lubang elektron, meskipun itu sia-sia, karena elektron bergerak kembali ke celah energi.
Pengembangan panel surya
Untuk membangun panel surya, seseorang membutuhkan beberapa sel surya yang terbuat dari silikon. Sel-sel ini dihubungkan secara seri untuk menambah arus yang dihasilkan dan dijadikan modul cluster. Modul tunggal dapat dibangun menjadi panel surya atau dikombinasikan dengan yang lain sehingga menjadi panel surya lain yang berkapsitas besar.
Panel surya terdiri dari beberapa lapisan yang mengapit sel fotovoltaik. Lapisan-lapisan ini digunakan untuk melindungi sel-sel yang rapuh.
berikut ini adalah ilustrasi dari layer solar panel tsb:
berikut ini adalah penjelasan dari gambar layer diatas
- Cover glass – Ini adalah penutup atas dan transparan untuk memungkinkan cahaya masuk. Ini mencegah sel dari kerusakan mekanis. terbuat dari kaca keras untuk mencegah goresan.
- Antireflective – Silikon dapat memantulkan sebagian besar sinar matahari. Oleh karena itu, lapisan ini digunakan untuk mengatasi dan memastikan penyerapan foton maksimum. Dengan kata lain, membantu memaksimalkan penyerapan.
- Contact Grid – Pada lapisan ini, semua kontak yang bergabung dari atas ke bawah sel terhubung bersama. Kontak meluas ke bagian luar panel seperti pengontrol muatan, kotak kombiner dan penyimpanan baterai atau sistem kisi.
- Pelat Silikon P dan N – Lapisan ini sebenarnya merupakan kombinasi dari dua lapisan – lapisan silikon Ndoped dan lapisan silikon P-doped. Lapisan ini yang membuat panel surya berwarna
- Back Plate – Ini adalah lapisan keras untuk mendukung panel fotovoltaik kristal. biasanya, serat sintetis fleksibel dapat digunakan pada panel tipe thin-film .
Bingkai aluminium digunakan untuk membingkai panel dan membuatnya tahan cuaca. Manfaatnya adalah :
- melindungi pada saat memasang panel
- Rangkanya cukup kencang untuk melindungi panel dari kondisi cuaca ekstrem seperti badai.
Panel surya juga harus dipelihara secara teratur untuk mencegah partikel debu menempel di atasnya. Selama proses instalasi, panel harus dipasang pada sudut yang tepat supaya bisa mendapatkan cahaya yg maksimum. Baterai proporsional harus dipasang jika tidak ada penggunaan langsung,karena bisa untuk menghindari pemborosan.
Efisiensi cell surya
Efisiensi mengacu pada rasio input daya ke output daya. Dalam hal fotovoltaik, efisiensi adalah rasio output daya listrik dengan energi surya pada sel.
Sekarang, Output power, pm = Voltage (v) * current (I) di sirkuit (nilai maks).
Dan, daya input Pi = Energi insiden G (Wm-2) * Luas permukaan sel, A (m2).
Faktor-faktor yang mempengaruhi keluaran sel fotovoltaik meliputi :
- Panjang gelombang cahaya insiden
- Rekombinasi elektron dan lubang
- Hambatan listrik
- Suhu
- Faktor pengisi
- Faktor refleksi dari bahan
Oleh karena itu, untuk memaksimalkan daya, sel harus dikonstruksi agar memiliki permukaan yang lebih besar. Posisi sel surya juga menentukan output, karena dua alasan.
- Pertama, sudut menentukan tingkat refleksi pada sel, dan
- kedua penentuan posisi mempengaruhi jumlah sinar matahari yang ditangkap dari jam 9 pagi sampai jam 3 sore. supaya hasilnya maksimum, menghindari bayangan pada sel.
Tipe dari Photovoltaics
Teknologi Photovoltaic menggunakan dua teknologi; bentuk kristal dan silikon amorf. Amorf masih merupakan eksplorasi baru dan mungkin membutuhkan waktu lebih lama untuk mencapai kinerja yang optimal.
Sel kristal
Teknologi silikon kristal memberikan dua jenis sel fotovoltaik :
- Sel mono-kristal – Sel surya mono-kristal dibangun dari satu silinder kristal yang dipotong-potong menjadi sangat tipis. potongan tipis ini berbentuk bundar, meskipun kadang-kadang dapat dipotong menjadi variasi bentuk lain untuk keperluan lainya. kharakteristiknya ditandai dengan warna biru yang seragam. dan fitur lainya adalah :
- efisiensi yang relatif tinggi, di antara semua teknologi PV, tersedia saat ini.
- Sel paling mahal karena dikembangkan dari kristal yang sama murni.
- Sel-selnya kaku dan harus diposisikan dengan baik dan dipasang pada dukungan yang kaku.
- Sel poli-kristal – Ini juga dikenal sebagai sel malty-kristal dan dibuat dengan menuang silikon ke dalam cetakan persegi. hasilnya kemudian dipotong menjadi sejumlah persegi yang tipis. Blok persegi terdiri dari beberapa kristal yang terdiri dari susunan variasi biru. Ini adalah teknologi di balik permukaan panel surya yang gemerlap seperti batu permata yang ada dipasaran saat ini. Sel poli-kristal memiliki fitur berikut ini:
- Sedikit kurang efisien dibandingkan dengan sel mono-kristal.
- Lebih murah daripada mono-kristal.
- Limbah dari material sedikit (silikon murni).
- Mengingat panel surya dengan spesifikasi yang sama, panel poli-kristal sedikit lebih lebar daripada pasangan mono-kristal.
Sel Amorf
Thin-Film PVs – Penggunaan bentuk silikon amorf untuk membuat sel fotovoltaik adalah teknik baru sedangkan para ahli masih meneliti mengenai bentuk kristal ini. Karakteristik dari teknologi ini meliputi :
- sel amorf jauh lebih murah daripada kedua bentuk kristal diatas.
- Sangat fleksibel
- rentan terhadap kehilangan daya, tetapi lebih kuat ketika cahaya tidak maksimal
- Kurang tahan lama
- Paling tidak efisien dalam produksi daya
- Teknologi baru ini memungkinkan panel dipasang di jendela atau permukaan melengkung.