Pembangkit listrik fotovoltaik adalah teknologi yang secara langsung mengubah energi cahaya menjadi energi listrik dengan memanfaatkan efek fotovoltaik dari antarmuka semikonduktor. Elemen kunci dari teknologi ini adalah sel surya. Setelah sel surya dihubungkan secara seri, mereka dapat dikemas dan dilindungi untuk membentuk modul sel surya yang luas, dan kemudian digabungkan dengan pengontrol daya dan komponen lain untuk membentuk perangkat pembangkit listrik fotovoltaik.
1 Efek fotovoltaik
Jika cahaya mengenai sel surya dan cahaya diserap pada lapisan antarmuka, foton dengan energi yang cukup dapat mengeksitasi elektron dari ikatan kovalen pada silikon tipe-P dan tipe-N, menghasilkan pasangan lubang elektron. Elektron dan lubang di dekat lapisan antarmuka akan dipisahkan satu sama lain oleh efek medan listrik muatan ruang sebelum rekombinasi. Elektron bergerak menuju daerah N yang bermuatan positif dan hole menuju daerah P yang bermuatan negatif. Pemisahan muatan melalui lapisan antarmuka akan menghasilkan tegangan terukur luar antara daerah P dan N. Pada saat ini, elektroda dapat ditambahkan ke kedua sisi wafer silikon dan dihubungkan ke voltmeter. Untuk sel surya silikon kristal, nilai khas dari tegangan rangkaian terbuka adalah 0.5 hingga 0.6V. Semakin banyak pasangan elektron-hole yang dihasilkan oleh cahaya pada lapisan antarmuka, semakin besar arus yang mengalir. Semakin banyak energi cahaya yang diserap oleh lapisan antarmuka, semakin besar lapisan antarmuka, yaitu luas sel, dan semakin besar arus yang terbentuk dalam sel surya.
2. Prinsip
Sinar matahari menyinari persimpangan pn semikonduktor untuk membentuk pasangan lubang-elektron baru. Di bawah aksi medan listrik sambungan pn, lubang mengalir dari daerah n ke daerah p, dan elektron mengalir dari daerah p ke daerah n. Setelah rangkaian dihidupkan, arus terbentuk. Beginilah cara kerja sel surya efek fotolistrik.
Ada dua cara pembangkitan tenaga surya, satu adalah konversi cahaya-panas-listrik, dan yang lainnya adalah konversi langsung cahaya-listrik.
(1) Metode konversi cahaya-panas-listrik menghasilkan listrik dengan menggunakan energi panas yang dihasilkan oleh radiasi matahari. Umumnya, kolektor surya mengubah energi panas yang diserap menjadi uap media kerja, dan kemudian menggerakkan turbin uap untuk menghasilkan listrik. Proses sebelumnya adalah proses konversi cahaya ke panas; proses terakhir adalah proses konversi panas ke listrik, yang sama dengan pembangkit listrik termal biasa. Kerugian dari pembangkit listrik tenaga panas matahari adalah efisiensinya sangat rendah dan biayanya tinggi. Diperkirakan investasinya setidaknya lebih tinggi dari pembangkit listrik termal biasa. Pembangkit listrik 5 sampai 10 kali lebih mahal.
(2) Metode konversi langsung cahaya-ke-listrik Metode ini menggunakan efek fotolistrik untuk secara langsung mengubah energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Perangkat dasar untuk konversi cahaya ke listrik adalah sel surya. Sel surya adalah perangkat yang secara langsung mengubah energi sinar matahari menjadi energi listrik karena efek fotovoltaik. Ini adalah fotodioda semikonduktor. Saat matahari menyinari fotodioda, fotodioda akan mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik dan menghasilkan listrik. saat ini. Ketika banyak sel dihubungkan secara seri atau paralel, itu bisa menjadi susunan sel surya dengan daya keluaran yang relatif besar. Sel surya adalah jenis sumber daya baru yang menjanjikan dengan tiga keunggulan utama: permanen, bersih, dan fleksibel. Sel surya memiliki masa pakai yang lama. Selama matahari ada, sel surya dapat digunakan untuk waktu yang lama dengan satu investasi; dan tenaga panas, pembangkit tenaga nuklir. Sebaliknya, sel surya tidak menyebabkan pencemaran lingkungan.
3. Komposisi sistem
Sistem pembangkit listrik fotovoltaik terdiri dari susunan sel surya, paket baterai, pengontrol pengisian dan pengosongan, inverter, lemari distribusi daya AC, sistem kontrol pelacakan matahari, dan peralatan lainnya. Beberapa fungsi peralatannya adalah:
susunan baterai
Ketika ada cahaya (apakah itu sinar matahari atau cahaya yang dihasilkan oleh iluminan lain), baterai menyerap energi cahaya, dan akumulasi muatan sinyal yang berlawanan terjadi di kedua ujung baterai, yaitu, "tegangan fotogenerasi" dihasilkan, yang merupakan "efek fotovoltaik". Di bawah aksi efek fotovoltaik, kedua ujung sel surya menghasilkan gaya gerak listrik, yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, yang merupakan perangkat konversi energi. Sel surya umumnya sel silikon, yang dibagi menjadi tiga jenis: sel surya silikon monokristalin, sel surya silikon polikristalin, dan sel surya silikon amorf.
Baterai
Fungsinya untuk menyimpan energi listrik yang dipancarkan oleh susunan sel surya ketika disinari dan untuk memasok daya ke beban setiap saat. Persyaratan dasar untuk paket baterai yang digunakan dalam pembangkit listrik tenaga surya adalah: a. tingkat self-discharge rendah; b. umur panjang; c. kemampuan debit dalam yang kuat; d. efisiensi pengisian tinggi; e. kurang perawatan atau bebas perawatan; f. suhu kerja Kisaran luas; g. Harga rendah.
Pengontrol
Ini adalah perangkat yang secara otomatis dapat mencegah baterai dari pengisian yang berlebihan dan pengisian yang berlebihan. Karena jumlah siklus pengisian dan pengosongan dan kedalaman pengosongan baterai merupakan faktor penting dalam menentukan masa pakai baterai, pengontrol pengisian dan pengosongan yang dapat mengontrol pengisian berlebih atau pengosongan baterai yang berlebihan merupakan perangkat penting.
Inverter
Alat yang mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik. Karena sel surya dan baterai adalah sumber daya DC,
Ketika beban adalah beban AC, inverter sangat penting. Menurut mode operasi, inverter dapat dibagi menjadi inverter operasi independen dan inverter yang terhubung ke jaringan. Inverter yang berdiri sendiri digunakan dalam sistem tenaga sel surya yang berdiri sendiri untuk memberi daya pada beban yang berdiri sendiri. Inverter yang terhubung ke jaringan digunakan untuk sistem pembangkit listrik sel surya yang terhubung ke jaringan. Inverter dapat dibagi menjadi inverter gelombang persegi dan inverter gelombang sinus sesuai dengan bentuk gelombang keluaran. Inverter gelombang persegi memiliki rangkaian sederhana dan biaya rendah, tetapi memiliki komponen harmonik yang besar. Hal ini umumnya digunakan dalam sistem di bawah beberapa ratus watt dan dengan persyaratan harmonik rendah. Inverter gelombang sinus mahal, tetapi dapat diterapkan pada berbagai beban.
4. Klasifikasi sistem
Sistem pembangkit listrik fotovoltaik dibagi menjadi sistem pembangkit listrik fotovoltaik independen, sistem pembangkit listrik fotovoltaik yang terhubung ke jaringan dan sistem pembangkit listrik fotovoltaik terdistribusi.
1. Pembangkit listrik fotovoltaik independen juga disebut pembangkit listrik fotovoltaik off-grid. Ini terutama terdiri dari komponen sel surya, pengontrol, dan baterai. Untuk memasok daya ke beban AC, inverter AC perlu dikonfigurasi. Pembangkit listrik fotovoltaik independen meliputi sistem catu daya desa di daerah terpencil, sistem catu daya rumah tangga surya, catu daya sinyal komunikasi, proteksi katodik, lampu jalan surya dan sistem pembangkit listrik fotovoltaik lainnya dengan baterai yang dapat beroperasi secara mandiri.
2. Pembangkit listrik fotovoltaik yang terhubung ke jaringan berarti bahwa arus searah yang dihasilkan oleh modul surya diubah menjadi arus bolak-balik yang memenuhi persyaratan jaringan listrik melalui inverter yang terhubung ke jaringan dan kemudian langsung terhubung ke jaringan umum.
Ini dapat dibagi menjadi sistem pembangkit listrik yang terhubung ke jaringan dengan dan tanpa baterai. Sistem pembangkit listrik yang terhubung ke jaringan dengan baterai dapat dijadwalkan dan dapat diintegrasikan ke dalam atau ditarik dari jaringan listrik sesuai dengan kebutuhan. Ini juga memiliki fungsi catu daya cadangan, yang dapat menyediakan catu daya darurat ketika jaringan listrik terputus karena alasan tertentu. Sistem pembangkit listrik yang terhubung ke jaringan fotovoltaik dengan baterai sering dipasang di bangunan tempat tinggal; sistem pembangkit listrik yang terhubung ke jaringan tanpa baterai tidak memiliki fungsi kemampuan pengiriman dan daya cadangan, dan umumnya dipasang pada sistem yang lebih besar. Pembangkit listrik fotovoltaik yang terhubung ke jaringan memiliki pembangkit listrik fotovoltaik skala besar yang terhubung ke jaringan, yang umumnya merupakan pembangkit listrik tingkat nasional. Namun, pembangkit listrik semacam ini belum banyak berkembang karena investasinya yang besar, masa konstruksi yang lama, dan area yang luas. Fotovoltaik terhubung jaringan skala kecil terdistribusi, terutama pembangkit listrik fotovoltaik terintegrasi bangunan fotovoltaik, adalah arus utama pembangkit listrik fotovoltaik terhubung jaringan karena keuntungan dari investasi kecil, konstruksi cepat, tapak kecil, dan dukungan kebijakan yang kuat.
3. Sistem pembangkit listrik fotovoltaik terdistribusi, juga dikenal sebagai pembangkit listrik terdistribusi atau pasokan energi terdistribusi, mengacu pada konfigurasi sistem catu daya fotovoltaik yang lebih kecil di lokasi pengguna atau di dekat lokasi daya untuk memenuhi kebutuhan pengguna tertentu dan mendukung yang ada operasi ekonomi jaringan distribusi, atau memenuhi persyaratan dari kedua aspek pada waktu yang sama.
4. Peralatan dasar sistem pembangkit listrik fotovoltaik terdistribusi meliputi komponen sel fotovoltaik, braket array persegi fotovoltaik, kotak penggabung DC, lemari distribusi daya DC, inverter yang terhubung ke jaringan, lemari distribusi daya AC dan peralatan lainnya, serta sistem catu daya perangkat pemantauan dan perangkat pemantauan Lingkungan. Mode operasinya adalah bahwa di bawah kondisi radiasi matahari, susunan modul sel surya dari sistem pembangkit listrik fotovoltaik mengubah energi listrik keluaran dari energi matahari, dan mengirimkannya ke kabinet distribusi daya DC melalui kotak penggabung DC, dan jaringan Inverter yang terhubung mengubahnya menjadi catu daya AC. Bangunan itu sendiri dimuat, dan kelebihan atau kekurangan listrik diatur dengan menghubungkan ke jaringan.
5. Keuntungan dan kerugian
Dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik yang umum digunakan, keunggulan pembangkit listrik fotovoltaik surya terutama tercermin dalam:
Tenaga surya disebut sebagai energi baru yang paling ideal. Tidak ada bahaya penipisan; Aman dan dapat diandalkan, tidak ada suara, tidak ada pembuangan polusi, benar-benar bersih (tidak ada polusi); Tidak dibatasi oleh distribusi geografis sumber daya, dan kelebihan atap bangunan dapat digunakan; Tidak perlu mengkonsumsi bahan bakar dan memasang saluran transmisi Pembangkit listrik lokal dan catu daya; Kualitas energi tinggi; Pengguna mudah diterima secara emosional; Periode konstruksi pendek, dan waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan energi pendek.
kekurangan:
Kepadatan distribusi energi dari iradiasi kecil, yaitu membutuhkan area yang sangat besar; Energi yang diperoleh terkait dengan empat musim, siang dan malam, mendung dan cerah dan kondisi meteorologi lainnya. Penggunaan energi matahari untuk menghasilkan listrik memerlukan biaya peralatan yang tinggi, namun tingkat pemanfaatan energi matahari rendah, sehingga tidak dapat digunakan secara luas. Hal ini terutama digunakan di beberapa lingkungan khusus, seperti satelit.
6. Area aplikasi
1. Catu daya surya pengguna: (1) Catu daya kecil mulai dari 10-100W, digunakan di daerah terpencil tanpa listrik seperti dataran tinggi, pulau, daerah penggembalaan, pos perbatasan, dan listrik kehidupan militer dan sipil lainnya, seperti penerangan , TV, tape recorder, dll.; (2) 3 -5Sistem pembangkit listrik yang terhubung ke jaringan atap rumah KW; (3) Pompa air fotovoltaik: memecahkan masalah minum dan mengairi sumur dalam di daerah tanpa listrik.
2. Bidang lalu lintas seperti lampu navigasi, lampu sinyal lalu lintas/kereta api, lampu peringatan/sinyal lalu lintas, lampu jalan Yuxiang, lampu penghalang ketinggian tinggi, bilik telepon nirkabel jalan raya/kereta api, catu daya pergeseran jalan tanpa pengawasan, dll.
3. Bidang komunikasi/komunikasi: stasiun relai gelombang mikro surya tanpa pengawasan, stasiun pemeliharaan kabel optik, sistem catu daya penyiaran/komunikasi/paging; sistem fotovoltaik telepon operator pedesaan, mesin komunikasi kecil, catu daya GPS untuk tentara, dll.
4. Bidang perminyakan, kelautan dan meteorologi: sistem tenaga surya perlindungan katodik untuk saluran pipa minyak dan gerbang reservoir, catu daya hidup dan darurat untuk platform pengeboran minyak, peralatan deteksi kelautan, peralatan pengamatan meteorologi/hidrologi, dll.
5. Catu daya untuk lampu rumah tangga: seperti lampu taman, lampu jalan, lampu portable, lampu camping, lampu gunung, lampu mancing, lampu black light, lampu sadap, lampu hemat energi, dll.
6. Pembangkit listrik fotovoltaik: Pembangkit listrik fotovoltaik independen 10KW-50MW, pembangkit listrik pelengkap angin-solar (solar), berbagai stasiun pengisian pabrik parkir besar, dll.
7. Bangunan tenaga surya menggabungkan pembangkit listrik tenaga surya dengan bahan bangunan untuk memungkinkan bangunan besar di masa depan mencapai swasembada listrik, yang merupakan arah pembangunan utama di masa depan.
8. Bidang lainnya meliputi: (1) Pencocokan dengan mobil: kendaraan surya/kendaraan listrik, peralatan pengisian baterai, AC mobil, kipas ventilasi, kotak minuman dingin, dll.; (2) sistem pembangkit listrik regeneratif untuk produksi hidrogen surya dan sel bahan bakar; (3) catu daya peralatan Desalinasi air laut; (4) Satelit, pesawat ruang angkasa, pembangkit listrik tenaga surya luar angkasa, dll.