Tenaga Surya Fotovoltaik: Energi Bersih dan Terpercaya untuk Masa Depan Berkelanjutan

Tenaga Surya Fotovoltaik

Tenaga surya fotovoltaik (PV) adalah metode pembangkitan daya listrik dengan mengubah radiasi energi surya menjadi daya listrik arus sama menggunakan semikonduktor yang menunjukkan efek fotovoltaik. Tenaga surya PV adalah sumber energi terbarukan dan berkelanjutan. Tenaga surya PV kini adalah sumber energi terbarukan ketiga yang penting setelah air dan angin berdasarkan kapasitas terpasang secara global. Sel surya, juga disebut sel fotovoltaik oleh ilmuwan, mengubah energi matahari secara langsung menjadi listrik. PV mendapat namanya dari proses mengubah cahaya (foton) menjadi listrik (tegangan), yang disebut 'efek fotovoltaik (PV)'. Efek PV merujuk pada foton cahaya yang menggerakkan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi, memungkinkan mereka bertindak sebagai pembawa muatan untuk arus listrik. Efek PV pertama kali diamati oleh Alexandre-Edmond Bequerel pada tahun 1839. Istilah fotovoltaik menunjukkan mode operasi non-bias dari photodaida di mana arus melalui perangkat sepenuhnya disebabkan oleh energi cahaya yang ditransduksi. Hampir semua perangkat fotovoltaik adalah beberapa jenis photodaida. Efek PV dari silikon (elemen yang ditemukan di pasir) ditemukan pada tahun 1954, ketika ilmuwan di Bell Telephone menemukan bahwa silikon menciptakan muatan listrik ketika terpapar sinar matahari.

Energi surya adalah sumber energi yang melimpah di bumi. Konversi langsung energi matahari menjadi daya listrik di sel PV adalah salah satu dari tiga teknologi surya aktif. Dua teknologi lainnya adalah 'tenaga surya konsentrasi (CSP)' dan 'kolektor surya termal untuk pemanasan dan pendinginan (HSC)'. Saat ini PV menyediakan lebih dari 0,1 % dari total pembangkitan energi global. Ini juga memiliki masa depan yang menjanjikan. Kapasitas PV global meningkat dengan laju pertumbuhan tahunan rata-rata lebih dari 40 % sejak tahun 2000 dan memiliki potensi signifikan untuk pertumbuhan jangka panjang dalam beberapa tahun mendatang. Tenaga surya PV adalah teknologi yang tersedia secara komersial dan andal untuk pembangkitan daya. Tenaga surya PV tidak hanya berkontribusi pada pengurangan emisi gas rumah kaca yang signifikan, tetapi juga memberikan manfaat dalam hal keamanan pasokan energi dan pembangunan sosial-ekonomi. Karena permintaan akan sumber energi terbarukan yang meningkat, pembuatan sel surya dan fotovoltaik telah berkembang secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir.

Sel surya menghasilkan listrik arus sama dari cahaya matahari yang dapat digunakan untuk memberi daya pada peralatan atau mengisi ulang baterai. Aplikasi praktis pertama dari fotovoltaik adalah untuk memberi daya pada satelit berorbit dan pesawat luar angkasa lainnya, tetapi saat ini mayoritas modul fotovoltaik digunakan untuk pembangkitan daya terhubung jaringan. Dalam kasus ini, inverter digunakan untuk mengubah arus sama (DC) menjadi arus bolak-balik (AC).

Panel surya yang digunakan untuk pembangkitan daya biasanya terbuat dari sel surya yang digabungkan ke dalam modul yang menampung sekitar 40 sel. Banyak panel surya yang digabungkan untuk menciptakan sistem yang disebut array surya. Kabel tembaga surya menghubungkan modul (kabel modul), array (kabel array), dan sub-lapangan. Sebuah bangunan tipis akan menggunakan sekitar 10 hingga 20 panel surya untuk memenuhi kebutuhan dayanya. Untuk aplikasi utilitas listrik besar atau industri, ratusan array surya saling terhubung untuk membentuk sistem PV skala utilitas besar.

Untuk kinerja terbaik, panel surya PV bertujuan untuk memaksimalkan waktu mereka menghadap matahari untuk pembangkitan daya yang lebih tinggi. Pelacak surya mencapai ini dengan memindahkan panel PV untuk mengikuti matahari. Ini memungkinkan mereka untuk menangkap sebagian besar sinar matahari. Peningkatan bisa mencapai 20 % pada musim dingin dan hingga 50 % pada musim panas. Sistem pemasang statis dapat dioptimalkan dengan analisis lintasan matahari. Panel sering diatur ke kemiringan lintang, sudut sama dengan lintang, tetapi kinerja dapat ditingkatkan dengan menyesuaikan sudut untuk musim panas dan musim dingin. Secara umum, seperti perangkat semikonduktor lainnya, suhu di atas suhu kamar mengurangi kinerja sel fotovoltaik.

Sel surya terdiri dari lapisan bahan semikonduktor. ketika cahaya menyinari sel, menciptakan medan listrik di seluruh lapisan, menyebabkan arus listrik mengalir. Semakin besar intensitas cahaya, semakin besar aliran listrik. Namun, sistem PV juga dapat menghasilkan listrik pada hari berawan. Ini tidak memerlukan sinar matahari terang untuk beroperasi. Kinerja sel surya diukur berdasarkan efisiensi dalam mengubah sinar matahari menjadi listrik. Modul surya PV yang memiliki efisiensi 12,5 % berarti mengubah satu delapan dari sinar matahari yang memantul modul menjadi listrik.

Kapasitas tenaga fotovoltaik diukur sebagai output daya maksimum dalam kondisi uji terstandarisasi (STC) dalam 'Wp' (Watt puncak). Output daya aktual pada titik waktu tertentu mungkin kurang atau lebih dari nilai terstandarisasi, atau 'rated', ini, tergantung pada lokasi geografis, waktu dalam hari, kondisi cuaca, dan faktor lainnya. Faktor beban pembangkit (PLF) array surya fotovoltaik biasanya kurang dari 25 %, yang lebih rendah dari banyak sumber listrik industri lainnya.

Sel surya PV

Sel surya tradisional terbuat dari silikon. Biasanya berupa plat datar dan umumnya yang paling efisien. Sel memerlukan perlindungan dari lingkungan dan biasanya dikemas rapat di balik lembar kaca. Teknologi fotovoltaik menggunakan jenis sel surya berikut.

• Sel silikon kristal – Ini adalah sel surya yang paling efisien dan terbuat dari 'silikon grade surya'. Teknologi ini dikembangkan pertama kali dan saat ini mewakili mayoritas aplikasi di panel surya. Sel terbuat dari irisan tipis (wafer) yang dipotong dari satu kristal silikon (silikon kristal tunggal c-Si) atau dari blok kristal silikon (silikon kristal banyak poly-Si atau mc-Si). Sel wafer kristal tunggal cenderung mahal karena dipotong dari ingot silinder. Mereka tidak sepenuhnya menutup modul sel surya persegi tanpa pemborosan silikon terolah yang besar. Biasanya terdapat celah yang tidak tertutup di empat sudut sel yang terbuat dari kristal tunggal. Sel silikon kristal banyak atau multi terbuat dari ingot persegi cor yang merupakan blok besar silikon cair yang didinginkan dan mengeras dengan hati-hati. Sel poly-Si lebih murah untuk diproduksi daripada sel silikon kristal tunggal, tetapi kurang efisien.
• Sel tipis – Ini adalah sel surya generasi kedua dan dibuat dengan menaburkan lapisan sangat tipis dari bahan sensitif cahaya pada backing berbiaya rendah seperti kaca, stainless steel atau plastik. Bahan sensitif cahaya yang digunakan adalah silikon amorfa dan bahan non silikon seperti kadmium tellurida (Cd-Te), tembaga indium galium selenida/sulfida (CIGS). Sel tipis menggunakan lapisan bahan semikonduktor yang hanya beberapa mikrometer tebal. Biaya produksi yang lebih rendah mengimbangi efisiensi yang lebih rendah dari teknologi ini. Mereka telah menjadi populer dibandingkan wafer silikon karena biaya lebih rendah dan keuntungan termasuk fleksibilitas, bobot lebih ringan, dan kemudahan integrasi. Proses manufaktur tipis tipis tipikal meliputi (i) lapisan substrat dengan lapisan konduktif transparan, (ii) penaburan lapisan aktif dengan berbagai teknik seperti depoersi uap kimia/fisik, (iii) metalisasi sisi belakang (kontak) menggunakan skrabit laser atau cetak layar tradisional, dan (iv) enkapsulasi dalam casing polimer kaca. Teknik gulir ke gulir sering digunakan dengan substrat fleksibel untuk mengurangi waktu produksi dan biaya.

• Jenis sel lainnya – Beberapa jenis teknologi PV lainnya sedang dikembangkan saat ini atau mulai dikomersialkan. Ini adalah sel surya generasi ketiga yang dibuat dari berbagai bahan baru termasuk tinta surya menggunakan teknologi mesin cetak konvensional, pewarna surya, dan plastik konduktif. Beberapa sel surya baru menggunakan lensa plastik atau cermin untuk memfokuskan sinar matahari ke potongan bahan PV yang sangat kecil. Bahan PV lebih mahal, tetapi karena sangat sedikit yang dibutuhkan, sistem ini menjadi efektif biaya untuk digunakan oleh utilitas dan industri. Namun, karena lensa harus diarahkan ke matahari, penggunaan kolektor konsentrator terbatas pada bagian-bagian yang paling terik matahari.

Efisiensi konversi dari berbagai teknologi diberikan dalam Tabel 1. Umur sel surya PV adalah 25 tahun. Namun, efisiensi dan akibatnya pembangkit daya menurun seiring waktu. Penurunan adalah 10 % dalam sepuluh tahun pertama dan 10 % lagi dalam 15 tahun berikutnya.

Aplikasi Tenaga Surya Fotovoltaik

Sistem surya PV dapat dipasang di atap atau dipasang di tanah. Ini dapat menjadi pembangkit listrik terhubung jaringan atau sistem off-grid. Koneksi ke jaringan memungkinkan daya berlebih yang dihasilkan ditransfer ke jaringan dan impor daya ketika daya tidak dihasilkan karena tidak ada matahari. Sistem off-grid membawa listrik ke area terpencil. Sistem off-grid juga dapat digunakan untuk elektrifikasi pedesaan. Tenaga surya PV juga dapat digunakan untuk barang konsumen. Skematik pembangkit surya PV ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Skematik pembangkit surya PV

Keuntungan Tenaga Surya PV

• Cahaya matahari yang mencapai permukaan bumi melimpah dan memiliki potensi menjadi sumber energi primer dunia.
• Tenaga surya bebas polusi saat digunakan.
• Instalasi PV memiliki umur panjang dengan perawatan yang sangat sedikit.
• Biaya operasional instalasi PV sangat rendah.
• Listrik surya terhubung jaringan dapat digunakan secara lokal sehingga mengurangi kehilangan transmisi/distribusi.

Kerugian Tenaga Surya PV

• Investasi awal tinggi.
• Memerlukan lahan yang luas
Tidak ada pembangkit daya ketika sinar matahari tidak tersedia
• Ukuran pembangkit maksimum untuk pembangkit listrik terhubung jaringan terbatas hingga 10 MW.