Fotovolta

Pendahuluan

Setiap pagi sinaran matahari memancar menandakan bermulanya hari yang baru. Silauan dari cahaya matahari menyebabkan sakit mata memandang. Pohon-pohon yang hijau kelihatan semakin segar di bawah mandian cahaya matahari tersebut. Apakah punca kesegaran baru yang diperoleh oleh tumbuh-tumbuhan yang hijau tersebut ? Itulah proses fotosintesis. Foto bermaksud cahaya dan sintesis bermaksud menggabungkan. Pohon-pohon mengunakan cahaya matahari untuk mengabungkan air dan karbohidrat kepada tenaga bagi penumbuhan.

Filem fotografi atau gambar ialah bahan yang sensitif pada cahaya. Jika filem gambar didedahkan pada cahaya akan didapati ia berubah menjadi gelap selepas pencucian. Kalau kecerahan cahaya dapat dikawal dengan menggunakan kertas yang berbeza warna, dan filem gambar didedahkan pada tahap kecerahan yang berbeza tersebut, maka selepas pencucian boleh diperoleh beberapa tahap corak kegelapan pada filem-filem gambar.

Era teknologi maklumat ini mementingkan penggunaan sumber tenaga elektrik untuk memastikan berfungsinya alatan komunikasi moden dan canggih. Komputer, radio, televisyen, stereo dan peralatan lain bergantung pada tenaga elektrik untuk berfungsi.
Adakah mungkin bagi manusia untuk melakukan perkara yang sama sebagaimana tumbuh-tumbuhan ? Menukarkan cahaya pada bentuk tenaga yang berguna seperti tenaga elektrik.

Pada tahun 1890, seorang ahli Fizik Perancis, Jacques Becquerel, telah mendapati apabila sesetengah bahan terkena cahaya matahari, mereka akan menjana arus elektrik yang kecil. Arus kecil yang diperoleh ini ialah permulaan pada peranti yang boleh menukarkan dari cahaya kepada tenaga elektrik. Peranti yang mempunyai fungsi ini hanya mula dilihat dari sudut pembekal tenaga elektrik oleh Makmal Bell pada tahun lima puluhan semasa menjalankan kajian ke atas transistor. Peranti ini dipanggil sel suria atau sel fotovolta. Dimana foto bermaksud cahaya dan volta bermaksud keupayaan elektrik.

Transistor ialah dua diod yang disambung belakang dengan belakang iaitu sebagai pnp atau npn. Jika satu diod didedahkan pada cahaya matahari maka akan didapati arus kecil mengalir keluar dari diod tersebut tanpa memerlukan satu bekalan kuasa elektrik luar disambungkan (contoh bateri dll). Biasanya sel suria ialah diod pn yang telah dibina supaya mengoptimumkan output tenaga elektrik daripadanya. Matahari menjadi sumber pada penjanaan tenaga elektrik dari sel suria.

Kelebihan Dan Kekurangan Sel Suria

Penggunaan sel suria sebagai pembekal tenaga elektrik mempunyai beberapa kelebihan. Tenaga elektrik yang diperolehi dari matahari adalah senyap dan tidak menyebabkan pencemaran alam seperti membakar minyak, diesel, arang batu, kayu dan juga tidak menghabiskan sumber-sumber asli yang berguna. Matahari adalah percuma dan tidak mempunyai had. Satu hari harga mendapatkan minyak dan arang batu dunia akan meningkat sehingga tidak mungkin untuk diperolehi dan digunakan sebagaimana sekarang ini tetapi tidak begitu bagi matahari. Sel suria tidak mempunyai bahagian yang bergerak yang memerlukan servis atau barang ganti. Ia satu peranti pepejal.

Sel suria membekal tenaga elektrik apabila ia diperlukan. Ia baik untuk satu kedudukan yang terpencil kerana tidak memerlukan grid kuasa jarak jauh yang mahal. Sel suria biasanya diletakkan diatas bumbung oleh sebab itu tidak memerlukan kawasan tanah tambahan. Tenaga yang dijanakan tidak tertumpu pada satu tempat, maka dengan itu tidak perlu dilindungi dari peperangan atau kumpulan subersif.

Penggunaan sel suria sebagai pembekal tenaga elektrik ada mempunyai beberapa kelemahan. Sel suria hanya akan berfungsi pada siang hari sahaja. Pada malam hari apabila tidak ada cahaya matahari sel suria tidak akan menjana tenaga elektrik. Bagi kegunaan sebelah malam sel suria perlu digandingkan dengan penyimpan tenaga elektrik seperti bateri. Harga sel suria adalah agak mahal pada awalnya tetapi jika dikira jumlah tenaga elektrik yang dibekalkan bersama dengan masa hayat sel suria yang lebih daripada dua puluh tahun ditambah dengan tidak memerlukan bayaran penyelenggaraan seperti minyak dan lain-lain, pada jangka masa yang panjang harganya adalah lebih murah.

Penggunaan Sel Suria

Senarai yang berikut menerangkan beberapa penggunaan utama sel suria bagi bekalan kuasa elektrik.

• Lampu rumah, televisyen, pemain kaset, radio dan peralatan kecil. Lampu pada malam hari adalah penting untuk pendidikan, kerja tangan dan aktiviti sosial. Televisyen, radio dan sistem stereo pula berguna kepada penduduk luar bandar yang memerlukan maklumat dan hiburan.

• Industri kecil dan institusi. Sekolah dan perniagaan kecil di luar bandar menggunakan elektrik suria untuk menghidupkan lampu, mesin jahit, kalkulator, peralatan kecil, komputer, mesin taip dan sistem keselamatan.

• Telekomunikasi. Biasanya sistem telekomunikasi dibina di tempat terpencil tanpa kewujudan bekalan kuasa elektrik, sistem fotovolta boleh membekalkan kuasa elektrik tersebut pada radio, pengulang terpencil, dan peralatan pemantau cuaca.

• Peti ais vaksin dan lampu bagi pusat kesihatan. Sistem elektrik suria banyak digunakan bagi peti ais vaksin di pusat kesihatan terpencil. Peti ais tersebut digunakan juga bagi membekukan ketulan ais dan menyimpan plasma darah dalam keadaan sejuk. Organisasi Kesihatan Sedunia (WHO) menyokong penggunaan sistem elektrik suria ini.

• Pengepaman air. Susunatur modul sel suria disambungkan pada pam elektrik untuk mengepam air dari sungai dan telaga. Air ini boleh digunakan bagi tujuan minuman, pembasuhan, penggunaan kerja rumah lain dan projek pengairan kecil.

• Pagar elektrik dan lain-lain kegunaan. Pagar elektrik yang boleh menghindarkan binatang liar dari ladang dan taman haiwan boleh di kuasakan oleh elektrik suria. Kegunaan biasa lain seperti lampu jalan, tanda jalan, alat pembantu pengemudian kapal, sistem keselamatan dan kawalan batang paip dari kakisan.

Teori

Sel suria ialah peranti keadaan pepejal yang berasaskan bahan semikonduktor. Ia tidak mempunyai bahan bergerak untuk berfungsi dan tidak mengeluarkan asap atau pun bunyi semasa berfungsi. Yang diperlukan hanyalah cahaya. Cahaya tersebut mungkin datang dari matahari, lampu ata pun lilin.

Sel suria juga dipanggil sel fotovolta atau nama ringkasnya sel PV. Sebagai satu peranti keadaan pepejal, ia tidak memerlukan sebarang penyelenggaran sebagai contoh mengisi minyak dan sebagainya. Cahaya yang diperolehi secara percuma dari matahari dapat menggantikan minyak. Sel suria dapat berfungsi (masa hayat) selama lebih daripada dua puluh tahun.
Gabungan beberapa sel suria yang disambung secara bersiri atau selari dinamakan modul suria. Jika modul suria disambungkan pula secara bersiri atau selari, maka ia dinamakan sebagai susunatur suria.

Bagaimana Sel Suria Berfungsi

Unsur silikon ialah bahan semikonduktor yang banyak digunakan untuk mengfabrikasikan sel suria. Bahan semikonduktor lain yang juga digunakan ialah selenium, kadmium sulfit, galium arsenida dan kadmium telurida. Sel suria bergantung pada sifat elektrik khas bahan semikonduktor, iaitu membolehkan bahan ini bertindak sebagai penebat dan pengkonduksi. Semikonduktor ialah bahan yang mempunyai dua pembawa cas iaitu pembawa cas negatif yang dipanggil elektron dan pembawa cas positif yang dipanggil lohong. Kepingan-kepingan silikon yang telah didopkan dengan bendasing menyebabkannya mempunyai satu jenis pembawa melebihi daripada yang lagi satu. Jika pembawa majoriti ialah elektron, semikonduktor ini adalah jenis n, manakala jika lohong ialah pembawa majoriti, semikonduktor ialah jenis p. Apabila kedua-dua jenis semikonduktor ini digabungkan membentuk simpangan pn, satu medan elektrik akan terbina di simpangan tersebut, maka ia membolehkan tenaga suria "kumpul" dan "tolak" elektron yang tercabut dalam sel untuk mengeluarkan arus elektrik.

Sinaran suria adalah terdiri daripada berjuta-juta zarah bertenaga tinggi yang dipanggil foton. Setiap foton membawa satu kuantiti tenaga (mengikut jarakgelombang); setengah foton mempunyai tenaga lebih tinggi daripada yang lain. Apabila satu foton yang mempunyai tenaga yang mencukupi melanggar atom silikon di dalam sel suria, ia akan melanggar elektron paling luar silikon dan elektron tersebut tercabut daripada orbitnya mengelilingi nukleus, membebaskannya untuk bergerak menyeberangi medan elektrik sel. Apabila elektron-elekton telah menyeberangi medan, elektron ini tidak boleh kembali balik. Semakin banyak elektron menyeberangi medan sel, maka bahagian belakang sel akan membentuk cas negatif.

Jika satu beban di sambungkan di antara terminal negatif dengan positif sel, maka elektron-elektron akan mengalir sebagai arus. Dengan itu, tenaga suria (dalam bentuk foton) secara berterusan mencabut elektron-elektron silikon daripada orbit dan "menolak" elektron-elektron melalui dawai. Lagi kuat keamatan cahaya matahari, lagi kuat arus mengalir. Jika cahaya berhenti daripada melanggar sel, aliran arus berhenti serta merta.

Teknologi Sel Suria

Ada beberapa jenis sel suria yang dapat diperolehi iaitu sel yang diperbuat daripada silikon monohablur, polihablur dan amorfus. Monohablur merujuk sel yang dipotong daripada satu hablur tunggal silikon (hablur adalah keadaan yang diambil oleh unsur-unsur pada keadaan tertentu; hablur silikon diwujudkan bagi industri komputer). Polihablur merujuk sel daripada hablur yang banyak. Sel jenis amorfus diperbuat daripada silikon yang bukan dalam bentuk hablur.

Sel suria mono dan polihablur ialah wafer silikon yang dipotong daripada silinder hablur silikon mengunakan gergaji tepat. Semasa proses pemotongan, jumlah hablur hilang sebagai habuk hampir sama dengan yang dipotong pada sel. Wafer ini kemudiannya mengalami tindak balas kimia di dalam relau untuk meningkatkan sifat-sifat elektriknya dan seterusnya salutan antipantulan dikenakan diatas permukaannya, keadaan ini bertujuan menggalakkan penyerapan sinaran dengan lebih berkesan. Dawai nipis logam di metrikan dimuka hadapan sel dan ini membentuk sentuhan positif, manakala lapisan logam yang memenuhi belakang sel sebagai sentuhan negatif.

Sel monohablur mempunyai kecekapan 11-16% (iaitu jika sinaran suria melanggar sel pada sudut tegak dengan keamatan 1000 W/m2, maka 110 ke 160 Watt setiap m2 sel suria ditukarkan ke elektrik). Sel monohablur adalah stabil secara kimia, maka ia dapat bertahan lama. Sel monohablur adalah yang pertama dibangunkan secara komersial.

Sel polihablur (multihablur) mempunyai kecekapan yang lebih rendah (iaitu 9-13%). Sebagaimana sel monohablur, sel polihablur juga mempunyai masa hayat yang panjang, dan tidak merosot dengan masa. Sel ini dipotong daripada acuan jongkong silikon polihablur. Sel monohablur mempunyai satu corak warna, manakala permukaan polihablur mempunyai warna corak berganda.

Sel amorfus (filem nipis) tidak menggunakan silikon dalam bentuk hablur. Sebaliknya, bahan silikon dimendapkan k eatas gelas atau permukaan plastik sebagai satu filem nipis. Permukaan itu kemudiannya dibahagi-bahagikan kepada beberapa sel dan ditambahkan sambungan elektrik. Modul amorfus boleh dikeluarkan pada harga yang lebih murah daripada sel poli dan monohablur. Sel suria yang digunakan pada permainan kanak-kanak, kalkulator dan jam biasanya diperbuat daripada bahan silikon amorfus. Kecekapan sel amorfus adalah di antara 3 dengan 6%. Silikon amorfus merosot dengan masa iaitu apabila ia menjadi lebih tua sel amorfus akan mengeluarkan kuasa yang berkurangan. Ia merosot lebih kurang 20 % daripada kuasa asal sebelum menjadi stabil.

Sistem Bekalan Elektrik Suria

Sistem bekalan elektrik suria terdiri dari beberapa komponen iaitu matahari sebagai sumber tenaga, sel suria atau modul suria sebagai penjana kuasa elektrik, pensyaratan kuasa bagi kawalan sistem dan bateri sebagai simpanan kuasa elektrik jika diperlukan.

Setiap komponen ini adalah penting bagi memastikan bekalan kuasa elektrik tidak terputus atau tidak mencukupi. Kuasa elektrik suria dibekalkan dalam bentuk arus terus, tetapi kebanyakkan alatan elektrik menggunakan arus ulang-alik. Bagi membolehkan sistem bekalan elektrik suria menghidupkan peralatan arus ulang-alik satu peranti yand dinamakan penyongsang perlu digunakan.

Kedapatan sinaran suria

Kedapatan sinaran suria setempat dapat diperoleh dari Jabatan Kajicuaca. Banyak data sinaran yang dapat diperoleh di sini. Data yang boleh diperolehi sebagai contohnya ialah jumlah jam nilai keamatan puncak iaitu jangka waktu sinaran suria mempunyai nilai sama dengan 1000 Wm-2. Nilai ini digunakan untuk menganggarkan sistem bekalan elektrik suria yang sesuai. Data yang lebih tepat adalah min bulanan insolasi harian dalam unit kWm-2.

Pengsyaratan kuasa

Pengsyaratan kuasa adalah terdiri daripada sistem elektronik ynag digunakan untuk mengawal keselamatan sel suria atau modul suria dan bateri daripada rosak yang berpunca dari penggunaan beban berlebihan atau lindungan awan. Biasanya sistem elektronik ini terdiri daripada fius, suis, diod penghalang, penanda LED, nyahsambung voltan rendah dan pengatur cas.

Bateri

Bateri diperlukan jika bekalan kuasa elektrik digunakan pada waktu malam iaitu pada ketika tidak ada cahaya matahari. Sel suria tidak menyimpan tenaga. Bateri berfungsi sebagai penyimpan tenaga elektrik dalam bentuk tenaga kimia. Bateri akan dicaskan pada siang hari menggunakan sel suria dan dinyahcaskan pada malam hari bagi membekalkan kuasa elektrik seperti lampu, televisyen dan lain-lain alatan elektronik yang lain.

Penyongsang

Penyongsang ialah peranti elektronik yang boleh menukar arus terus kepada arus ulang-alik.

Sumber – CETREE (Buku Sumber Guru)