Sejarah Singkat – Beberapa contoh
Topic 12: Energi Surya Pendahuluan
Topik ini membahas dua teknologi yang digunakan untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik, sistem photovoltaic dan solar thermal. Photovoltaic dianggap oleh banyak orang sebagai teknologi energi terbarukan yang paling elegan. Konversi langsung sinar matahari menjadi listrik dengan biaya ekonomis menggunakan photovoltaics tetap menjadi tujuan utama bagi banyak program-program penelitian internasional. Kuliah ini mengkaji sejarah perkembangan photovoltaics dan penelitian saat ini dan tujuan pembangunannya. Hambatan teknis dan ekonomi untuk pengembangannya akan dibahas. Listrik dari solar thermal melibatkan konversi energi pada radiasi matahari di permukaan bumi menjadi panas. Energi panas yang dihasilkan kemudian dapat digunakan untuk sejumlah aplikasi. Topik ini akan membahas jenis kolektor yang digunakan untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi panas dan jenis sistem yang dikembangkan untuk memanfaatkan kolektor ini. Evaluasi terhadap prospek masa depan sistem solar thermal juga akan diberikan.
Tujuan Belajar
Di akhir topik ini anda diharapkan mampu: • Menjelaskan konstruksi dan operasi solar cell (sel surya).
- Mendiskusikan aplikasi potensial mereka, keuntungan, kerugian dan prospek masa depan.
- Menjelaskan sejarah, teori dan aplikasi solar thermal.
- Membandingkan aplikasi sistem solar thermal suhi tinggi dan suhu rendah.
Bacaan Wajib RISE Fact sheets on Photovoltaics and The Sun at http://www.rise.org.au/info/
at
RISE Fact sheets on Solar Thermal Heat and Solar Thermal Electricity http://www.rise.org.au/info/ Bacaan Direkomendasikan
PV Cells and Modules Æ download dari website mata kuliah ini
Pertanyaan Tutorial 1.
Bagaimana trend efisiensi dari teknologi fotovoltaik? 2.
- Apa keuntungan dan kerugian dari sistem solar thermal dibandingkan dengan sistem photovoltaic?
Konsep Penting
2. Dengan pengkondisian daya yang tepat dan fasilitas penyimpanan energi, listrik energi surya dapat menjadi sistem yang handal.
3. Terdapat beberapa lokasi di dunia dimana energi surya tidak sesuai.
4. Beberapa aspek produksi energi dari solar thermal sudah digunakan, sistem pemanas air tenaga surya. Yang lainnya masih dalam tahap pembangunan.
5. Energi surya adalah energi terbarukan dan gratis.
Last modified: 05 January 2011
Topik 12: Energi Surya PENDAHULUAN Sejarah Singkat – Beberapa contoh
{ Sarjana Arab abad ke-11, Ibn Al-Haitham
{ Tinggal di Kairo yang menulis tentang kekuatan pemusatan pada cermin parabola. {
Memantulkan cahaya matahari ke kapal musuh Source: K Butti and J Perlin, A Golden Thread: 2000 Years of Solar Architecture and Technology
{ Menggunakan cermin untuk membuat parfum
{ Adam Lonicier (1561), bunga jenis tertentu dimasukkan ke dalam botol kaca berisi air, pantulan cahaya sebuah cermin dipusatkan pada botol, panas yang ditimbulkan menyebabkan sari bunga bercampur dengan air.
{ Tahun 1880, Abel Pifre membuat percetakan bertenaga matahari
{ Dia mencetak 500 eksemplar Solar Journal.
Source: K Butti and J Perlin, A Golden Thread: 2000 Years of Solar Architecture and Technology {
Tahun 1901 dibuat mesin 15 hp yang bekerja dengan panas dari matahari
Source: K Butti and J Perlin, A Golden Thread: 2000 Years of Solar Architecture and Technology
Apa yang terjadi kemudian?
{ “Namun waktu tidak berpihak pada energi mathari di Perancis. Berkembangnya teknik penambangan batubara dan perbaikan rel kereta api telah meningkatkan produksi batubara dan penurunan biaya bahan bakar. Tahun 1881 pemerintah Perancis melakukan studi terakhir penggunaan energi matahari komersial, mengamati dua buah motor bertenaga surya selama satu tahun penuh, yang dirancang oleh Mouchot dan Pifre. Laporan ini menyimpulkan: Dalam iklim sedang di Perancis, matahari tidak bersinar terus-menerus untuk dapat menggunakan perangkat ini secara praktis. Dalam iklim yang sangat panas dan kering, kemungkinan penggunaannya tergantung pada kesulitan mendapatkan bahan bakar dan biaya, dan kemudahan transportasi perangkat surya tersebut.”
Sumber Energi Matahari
{ Beberapa karakteristik energi matahari perlu dipertimbangkan untuk perancangan sistem energi surya.
{ Sumber energi tersebar
{ Intensitas maksimum sekitar 1.000 W/m 2
{ Intermiten: o
Siang/malam o Berawan /cerah o Musim dingin/musim panas (negara 4 musim, variasi rendah di kawasan tropis).
{ Terdiri dari berbagai panjang gelombang (dan frekuensi) Å penting untuk aplikadi PV. { Kandungan energi merupakan fungsi dari panjang gelombang. { Memiliki sifat yang cukup kompleks bergantung pada keadaan atmosfer. { Aplikasi solar thermal dapat memanfaatkan semua spektrum.
Kurva distribusi spektrum untuk radiasi matahari ekstra-terestrial dan laut
Apa yang terjadi saat radiasi matahari mencapai permukaan?
{ Sebagian dipantulkan
{ Sebagian diserap Å penting untuk sistem energi surya. {
Sebagian (mungkin) dipancarkan
PART A: PHOTOVOLTAIC What is a Solar Cell?
{ Sel surya mengubah sinar matahari langsung menjadi energi listrik dengan menggunakan efek fotovoltaik (PV), tanpa ada bagian yang bergerak.
{ Sel surya menghasilkan tegangan rendah, output DC
{ DC harus diubah menjadi AC (menggunakan inverter) dan diubah menjadi tegangan yang lebih tinggi untuk mengoperasikan peralatan modern.
Design Sel Surya
{ Sel surya adalah divais dua-lapis - sambungan silicon
{ Salah satu lapisan di-dop dengan Boron (menghasilan lapisan tipe p), dan lapisan lain di-dop dengan Phosphor (menghasilan lapisan tipe n), juga menghasilkan barrier internal.
{ Saat sinar matahari jatuh pada sambungan, dihasilkan elektron dan lubang. {
Medan internal memisahkan elektron (-) dan hole (+) dan menghasilkan photovoltage (beda potensial). {
Elektron mengalir dari lapisan tipe n melalui rangkaian eksternal (termasuk beban), kemudian bergabung dengan hole pada lapisan tipe p.
Basic PV Solar Cell Design The PV Effect in a Solar Cell Bagaimana Sel Surya Dibuat?
{ Kebanyakan sel surya dibuat dari kristal silikon murni. { Diproduksi dengan mengurangi batuan kuarsa dengan karbon dalam tungku listrik. {
Silikon murni dibuat menjadi besar, kristal tunggal kemudian diiris dan di-dop kemudian dibuat menjadi dua lapisan sel surya. {
Beberapa sel surya dihubungkan secara seri untuk membentuk sebuah modul surya. Modul ini
Proses Pembuatan Sel Surya PV Array
{ Beberapa modul sel PV dapat dikombinasikan untuk membentuk sebuah panel. { Panel dapat dikombinasikan untuk membentuk array. {
Daya keluaran array harus dikondisikan menggunakan inverter yang mengkonversi DC ke AC dan sebuah transformator yang mengubah tegangan rendah ke tegangan alat standard.
Penamaan dalam PV Berbagai Tipe Modul PV Sel Surya Film Tipis
{ Bahan-bahan ini dapat ditanam dalam film tipis kontinyu, bukan pada kristal yang besar. { Hal ini akan mengurangi biaya produksi, namun modul memiliki efisiensi yang lebih rendah.
Sel Surya Film Tipis Terintegrasi Pasar Sel Surya
{ Crystalline Silicon 80%
{ Polycrystalline silicon 10%
{ Amorphous silicon 7%
{ Lain-lain 3%
Concentrating Collectors
{ Cara lain untuk mengurangi biaya adalah dengan menggunakan kolektor terkonsentrasi untuk memfokuskan lebih banyak cahaya pada sel-sel. Hal ini akan mengurangi luas sel surya dibutuhkan.
{ Pendekatan ini memerlukan sistem tracking yang mengikuti matahari, sistem kontrol yang kompleks dibutuhkan.
Desain PV Concentrator
Sistem Concentrating PV Ssitem CS500 50kW PV milik Concentrator Solar Systems Pty Ltd Aplikasi Sel Surya
{ Sel surya saat ini mampu menghasilkan listrik dengan biaya sekitar 40 sen per kWh. { Ini adalah sekitar 5 kali biaya listrik dari bahan bakar fosil. {
Sel surya biasanya digunakan untuk aplikasi daerah terpencil (RAPS, remote area power supply), PLTS di atas atap rumah, dan solar array tersambung jaringan.
Aplikasi Traditional Energi Surya (RAPS)
{ Satelit angkasa
{ Fasilitas navigasi (pelampung dan mercusuar)
{ Stasiun repeater terpencil
{ Listrik desa
{ Produk – mainan, jam, kalkulator.
Sistem Telekomunikasi Terpencil
Lampu Surya Terpencil
Sistem Desalinasi Tenaga Surya
Remote Area Power SupplyDesain Sistem RAPS
Kalbarri 25 kW Tracking PV Array
Large Scale PV Farm Large PV System – Singleton NSW Perkiraan Biaya PV
{ Harga sel surya turun dengan cepat dan listrik tenaga surya diharapkan bersaing dengan listrik dari bahan bakar fosil pada tahun 2020.
{ Biaya sistem PV mencakup penyangga, penyesuai daya, instalasi serta biaya panel. {
Biaya sistem pada tahun 2005 adalah sekitar $US 4 per watt peak dan diharapkan turun menjadi $ US 3 per watt peak pada 2010.
Trend Biaya Listrik PV Pertumbuhan Pasar PV 1970 – 2004 Faktor yang Mendorong Pasar PV
{ Program pengembangan industri
{ Skema Green Power
{ Program pembangunan internasional
{ Kepedulian pada pemanasan global
Keuntungan Sel Surya
{ Konversi langsung dari cahaya menjadi listrik - tidak ada bagian yang bergerak
{ Panel surya memiliki daya tahan lama > 20 tahun dan memerlukan sedikit pemeliharaan. {
Panel surya cocok untuk aplikasi kawasan terpencil karena bersifat modular dan dapat diandalkan {
Memiliki sedikit efek lingkungan atau sosial yang merugikan
Kekurangan Sel Surya
{ Energi matahari adalah memiliki kerapatan rendah sehingga diperlukan kawasan yang cukup luas dan biaya tinggi untuk aplikasi besar
{ Untuk banyak aplikasi, biaya sel surya saat ini masih terlalu tinggi.
Masa Depan Listrik PV
{ Investasi besar-besaran
{ Biaya turun secara pasti
{ Permintaan bertambah 2 kali lipat setiap tiga tahun. {
Teknologi ini mapan dalam waktu dekat {
Pasar PV baru terbuka: PV di atas atap dan PV tersambung jaringan
PART B: SOLAR THERMAL What is Solar Thermal?
{ Dalam aplikasi solar thermal, radiasi matahari diserap oleh suatu permukaan atau benda dan diubah menjadi energi panas
{ Ketika suatu benda menyerap radiasi matahari, suhunya naik. Saat suhu naik di atas suhu sekitar, ia akan mulai melepaskan energi ke lingkungan sekitar melalui konduksi, konveksi dan radiasi.
Solar Thermal
{ Suatu benda akan berusaha mencapai keseimbangan temperatur di mana energi yang dihasilkan dengan menyerap radiasi matahari diseimbangkan oleh kehilangan panas. yaitu Energi diserap = Energi yang hilang
{ Jika energi dihasilkan dari sistem maka keseimbangan energi menjadi:
Energi yang diserap = Energi dihasilkan + Energ yang hilang Kinerja Kolektor Plat Datar
{ Perhatikan sebuah pelat metal datar yang diwarnai hitam yang memiliki saluran air yang ditempelkan di bagian belakangnya
{ Gunakan hukum konservasi energi pada sistem ini
Energi in = Energi out Energi out = Panas Yang Berguna + panas yang hilang Panas yang berguna = Energi in – panas yang hilang Energi in = Radiasi matahari yang diserap oleh pelat penyerap
Panas berguna yang dihasilkan oleh kolektor, Qu = Radiasi matahari yang diserap – panas yang hilang Oleh karena itu untuk memaksimalkan energi yang dihasilkan kita harus: Memaksimalkan energi yang diserap Meminimalkan energi yang hilang
Kolektor Pelat Datar
{ Kolektor di atas adalah kolektor termal matahari yang paling sederhana – tidak menggunakan kaca
¾ Sebuah pelat berwarna gelap dengan tabung terpasang (bisa logam, karet, plastik)
¾ Sinar matahari langsung mengenai permukaan yang menyerap
¾ Pendinginan angin bisa meniup langsung ke permukaan yang panas - rugi panas tinggi
¾ Akibatnya - kolektor suhu rendah
¾ Contoh – kolektor kolam renang (mengapa?)
{ Jika kita menginginkan suhu yang lebih tinggi kita perlu mengurangi panas yang hilang
{ Bagaimana?
Panas yang hilang = U L
Penutup kaca mengurangi radiasi matahari yang diserap oleh pelat penyerap karena susut transmisi pada kaca - tetapi ini lebih dari yang dikompensasikan dengan penurunan koefisien kehilangan panas, U L
U G T T τα
{ Ini juga berarti bahwa kolektor dapat menghasilkan energi berguna pada suhu lebih tinggi sebelum suhu stagnasi ini dicapai. L T a stag p
{ Ketika kita memperkenalkan langkah-langkah untuk mengurangi panas yang hilang (yaitu mengurangi U L ), suhi stagnasi ini bertambah.
τα τα
L T a stag p L T a stag p U G T T U G T T
Ini adalah temperatur stagnasi dan terjadi ketika energi yang diserap adalah seimbang dengan kehilangan energi.
Dalam persamaan untuk panas berguna, akan ada temperatur pelat yang mana panas keluar berguna adalah nol. {
= τα G T A - U L (T p - T a ) A {
{ Panas berguna, Q u
¾ Kaca dengan kandungan besi rendah dapat digunakan untuk mengurangi penyerapan energi dalam kaca - dan dengan demikian meningkatkan τ
¾ Permukaan yang dipilih khusus dapat digunakan - permukaan yang memiliki daya serap tinggi dalam spektrum matahari dan daya pancar rendah (daya radiasi) untuk radiasi termal
Meningkatkan kinerha kolektor pelat datar ¾
9 Kurangi kehilangan panas dari bagian belakang dan samping
= τα G T A - U L (T p - T a ) A {
{ Panas berguna, Q u
A (T p - T a ) di mana: U L adalah koefisien panas hilang untuk kolektor A adalah luas kolektor T p adalah suhu pelat penyerap T a adalah temperature ambient
A adalah luas kolektor {
α adalah daya serap permukaan penyerap G T adalah radiasi yang mengenai bidang kolektor
{ Radiasi matahari yang diserao = ταGT A di mana: τ adalah transmitansi penutup (s)
Panas berguna yang dihasilkan kolektor, Q u = Radiasi matahari yang diserap – Panas yang hilang
9 Cegah kehilangan panas langsung radiasi langsung dari pelat ke langit yang dingin (kaca diburamkan untuk radiasi termal) {
9 Buat sebuah lapisan dari udara murni antara pelat dan penutup (udara murni adalah insulator yang baik)
9 Cegah angin mencapai permukaan
9 Kaca penutup
- = = −
- =
{ Juga, lebih banyak radiasi matahari yang diserap, semakin tinggi suhu yang dapat dicapai dengan kolektor itu.
Mendapatkan Suhu Lebih Tinggi
{ Menurunkan koefisien panas hilang
¾ Double-glazing (kaca berlapis)
9 Penutup kaca tambahan menyediakan penyangga lain dari udara murni antara pelat penyerap dan lingkungan ¾
Kolektor tabung kosong
9 Kosongkan ruang antara pelat kolektor dan kaca penutup - karena alasan struktural, biasanya dilakukan dengan silinder
9 Umumnya menggunakan permukaan tertentu untuk mengurangi kerugian radiasi panas dari permukaan penyerap Kolektor energi surya tabung kosong: (a) pelat datar; (b) concentric tubular; (c ) concentrating; (d) botol vakum dengan heat exchanger
Sumber: F Kreith and J F Kreider, Principles of Solar Engineering, p235
Kolektor matahari tabung kosong yang dibuat oleh Owens-Illinois, Inc Sumber: F Kreith and J F Kreider, Principles of Solar Engineering, p238
{ Meningkatkan radiasi matahari yang diserap
¾ Kolektor pemusatan
¾ Mengumpulkan radiasi matahari pada area yang luas dan mengarahkannya ke permukaan penyerap
¾ Banyak metode berbeda
Konfigurasi kolektor pemusatan yang mungkin: (a) tubular absorbers with diffuse back collector; (b) tabung penyerap dengan reflektor cusp specular, (c) bidang penerima dengan reflektor bidang; (d) konsentrator parabolik; (e) reflektor Fresnel, (f) array heliostats dengan penerima pusat
Sumber: J A Duffie and W A Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, p332
Sistem Solar Thermal
{ Sistem yang menyediakan panas untuk aplikasi menggunakan kolektor panas matahari
{ Tidak baru - ingat foto awal
{ Bahkan sistem pemanas air matahari tidak baru (generasi modern mulai berkembang tahun 1950- an)
{ Sistem pemanas air Pasif / thermosyphon
Tangki Penyimpanan diperlukan untuk menyimpan air panas yang dihasilkan oleh kolektor Air bersirkulasi dari tangki ke kolektor dan kembali ke tangki sepanjang hari
Sistem pemanas air surya Close-coupled Diperlukan ukuran berbeda untuk jumlah air panas yang berbeda
{ Sistem Pemanas Air Aktif
9 Array kolektor
9 Unit penyimpanan panas
9 Pompa
9 Sistem kontrol
9 Sistem pemanas tambahan
9 Beban
9 Penukar panas (jika cairan dalam kolektor tidak sama dengan yang di tangki penyimpanan, atau dengan yang digunakan oleh beban - misalnya menggunakan larutan anti-beku dalam lintasan kolektor)
Heat Exchangers Sistem pemanas air aktif dengan penukar panas
¾ Aplikasi:
9 Pemanasan kolam renang
9 Air panas rumah tangga
9 Panas pada proses industri
9 Pembangkit listrik
Sistem Pembangkit Listrik Solar Thermal– The Luz systems di California
Kolam matahari –temperature rendah (sekitar 90°C)
Solar Thermal - Dampak
{ Dampak visual (?)
{ Pembangkit listrik Solar Thermal – dibutuhkan area yang luas
Solar Thermal – Status Sekarang
{ Aplikasi suhu rendah
¾ Very strong competition from natural gas (history repeating)
¾ Subsidies in some parts of Australia
¾ Bersaing dengan sangat kuat dengan gas alam
¾ Subsidi di beberapa negara
{ Pembangkit Listrik Solar Thermal
¾ Perbahauan aktivitas komersial di Australia - Big Dish di ANU, Linear Fresnel konsentrator
¾ Masalah selalu di bidang ekonomi
¾ Saat ini banyak sistem pembangkit listrik panas matahari sedang dibangun
9 Spnyol – 10MW dan 20MW
9 USA – 64 MW di Nevada Nevada Solar One: 64-megawatt Nevada Solar One konsentrator selesai April, 2007. 300 hektar
Sumber: http://www.solartoday.org/2007/mar_apr07/nevada_solar_one.htm Accessed: 26/4/07