TET-133 (3 SKS) SOLAR RADIATION CONVERSION KONVERSI ENERGI RADIASI MATAHARI M. DAUD ZULNAZRI Pokok Bahasan utama MK Konversi Radiasi Matahari (Solar Radiation Conversion) : Pengantar Energi Radiasi Surya Photovoltaic Conversion dan solar sel Sistem PLTS Photovoltaic Teknologi dan Efisiensi PV Photoelectrochemical Conversion Solar Thermal Conversion Radiasi Solar Termal pada Industri Solar Thermal Electricity Generators Pemanasan Air secara Surya Solar Cooling & Other Applications Prinsip Solar Radiasi dan Efek Rumah kaca Solar Radiasi dan Efek kolektor Fuel Cells Potensi Energi Matahari di Indonesia PHOTOVOLTAIC CONVERSION At zero absolute tem-perature a semiconductor is an insulator, but because of the thermal energy spread at higher temperatures, given by equation (4.1) because electrons are Fermi particles, some electrons will be excited into the higher band (the “conduction band”). The conductance of silicon increases by a factor 106 between 250 and 450 K. Figure 14.3. Struktur pita energi di dekat energi Fermi (μ) untuk bahan semikonduktor tanpa pengotor (kolom tengah) atau dengan doping tipe-n atau p (lih. Teks). Tempat yg gelap menunjukkan hunian elektron sebagai fungsi energi untuk suhu terbatas (hunian yang sama dengan kesatuan sesuai dengan jumlah maksimum elektron pada interval energi atau energi tertentu, yang konsisten dengan prinsip pengecualian untuk partikel jenis Fermi). The bands corresponding to 1s, 2s and 2p atomic orbits are completely filled in Si, but then four electrons remain per atom. According to Fig. 14.2, the 3s and 3p bands are overlapping and allow two mixed bands to be constructed, with an intermediate gap of about 1 eV (1.6 × 10-5 J). The lower band (the “valence band”) can hold four electrons per atom, so that this band will be completely full and the other one empty at zero temperature Amorphous cells Amorphous semiconductor materials exhibit properties of interest for solar cell applications. PHOTOELECTROCHEMICAL CONVERSION Photoelectrochemistry is an area of confluence between solar cell technology and battery technoogy Organic solar cells are a special kind of photoelectrochemical (PEC) devices that try to take advantage of inexpensive organic materials as opposed to the more expensive metals and doped semiconducting materials used in the photovoltaic devices Suitable organic materials can by photosynthesis trap sunlight and convert radiation into other forms of energy. It has been attempted to copy this process to man-made devices in various ways. Calvin (1974) considered a double membrane that would separate the ionised reactants of a photo-excitation process, Sistem transport ion dalam elektroda The effective absorption surface may be increased by three orders of magnitude and provides an overall cell efficiency to about 10%. It should still be possible for the TiO2 nodules to transfer the absorbed electron to the back electrode through a series of transport processes Figure 15.1. Tata letak sel surya fotoelektrokimia dengan indikasi tingkat energi (Ef adalah tingkat Fermi dari bahan semikonduktor). Radiasi matahari diserap dalam lapisan pewarna, menciptakan keadaan elektron tereksitasi, dari mana elektron ditransfer ke semikonduktor di sebelah kiri dan diisi ulang dari elektroda counter melalui siklus redoks dalam elektrolit di sebelah kanan(Sørensen, 2003a). Fig. The structure of N3 (RuS2O8N6C26H24, kiri) and b-d(RuS3O6N6C21H22, kanan) ruthenium sensitisers synthesised by Nazeeruddin et al. (1993; 2001). Gambar atas memberikan struktur molekul ungu N3 dan pewarna ruthenium hitam Struktur molekul sensitiser yang dimodifikasi sering diberikan secara kasar oleh komponen-komponen yang diketahui ditambah beberapa aturan umum. Pengukuran spektrum seperti spektrum resonansi magnetik nuklir (NMR) akan membantu menentukan posisi atom tertentu (mis. Atom hidrogen), tetapi tidak selalu dengan cara yang unik. Penambahan fitur-fitur baru pada molekul pewarna inorder untuk meningkatkan penyerapan matahari atau membantu transfer elektron dari molekul dapat menimbulkan struktur yang tidak sesuai dengan dugaan sederhana, mis. karena isomerisme atau karena alasan lain seperti permukaan energi dalam ruang konfigurasi dengan lebih dari satu minimum SOLAR THERMAL CONVERSION INTRUDUCTION Heat generation Konversi energi surya menjadi panas membutuhkan bahan penyerap cahaya, sebuah kolektor, yang mampu mendistribusikan energi radiasi yang diserap melalui derajat kebebasan internal yang terkait dengan energi gerak kinetik pada tingkat molekuler (mis. Getaran kisi dalam kasus padatan). Penyerapan energi matahari akan menaikkan suhu kolektor atau mentransfer energi ke reservoir, jika kolektor terhubung dengan resevoir. Kolektor juga akan memancarkan radiasi, dan memungkin kehilangan energi panas oleh proses konduksi dan konveksi. Spektrum frekuensi dari radiasi yang dipancarkan akan sesuai dengan spektrum Planck, Distribusi ini dapat digunakan untuk menggambarkan radiasi ulang panas dari permukaan kolektor dengan T sama dengan kolektor suhu Tc, asalkan kolektor dalam keadaan yang memungkinkan definisi dari suhu termodinamika Lanjutan Kolektor dapat dirancang sedemikian rupa sehingga mencapai penyerapan bersih yang besar dengan meminimalkan refleksi dan transmisi dan mencoba menghindari kerugian, mis. dengan mengoperasikan kolektor pada suhu tidak jauh di atas suhu udara sekitar atau, jika suhu beban lebih tinggi diperlukan, dengan mengurangi tingkat kehilangan panas, mis. dengan penutup transparan dan isolasi yang cocok. Kita dapat membedakan antara sistem "pasif" dan "aktif", berdasarkan apakah energi ditambahkan secara khusus (dari pompa, dll.) Untuk membawa panas kolektor ke area muatan. Sistem pasif tidak dicirikan dengan tidak adanya aliran panas antara kolektor dan area muatan, tetapi aliran tersebut harus “alami”, yaitu tidak boleh bergantung pada input energi lain yang disediakan. Mungkin ada energi "sirkulasi alami" yang sulit untuk didefinisikan. Lanjutan Jenis dinding surya/solar wall (mirip soalr sel dari sistem pemanas dengan pendingin pasif. Potongan melintang atas menunjukkan aliran udara selama (a) musim dingin dan (b) musim panas. Kurva di samping menunjukkan, periode operasi yang dipilih : beberapa hari, aliran udara dan suhu di lokasi X di (a), suhu sekitar luar rumah, dan radiasi matahari. Suhu dinding bagian dalam tetap di atas 20ºC selama periode yang dibuat. Rumah yang dianggap terletak di 43 ° LU lintang. Day of february Lanjut Jenis lain dari sistem solar termal pasif menggunakan kapasitas panas (Cp) dari dinding yang menghadap matahari pada siang hari. Dinding menyerap radiasi dan terjadi akumulasi (kapasitas panas menyebabkan bahan bangunan meningkat kira-kira sebanding dengan massa), dan pada malam hari akan kehilangan panas ke lingkungan yang lebih dingin, termasuk area bagian dalam, yang disebabkan oleh penyerapan panas. Kapasitas panas pada dinding juga berfungsi untuk mendinginkan bangunan setidaknya selama bagian pertama siang hari, jika suhu dinding setelah pendinginan malam lebih rendah dari pada suhu sekitar. Versi yang lebih rumit dari sistem dinding surya/solar wall, mengarahkan konveksi alami sesuai dengan kondisi (malam / hari, musim panas / musim dingin Konveksi ~ perpindahan kalor (udara panas) ke luar, masuk udara dingin Flat-plate collectors Istilah "flat-plate collector" digunakan untuk peredam dengan tampilan yang umumnya datar, meskipun permukaan pengumpul tidak harus rata secara detail (mungkin memiliki ukiran berbentuk V atau bahkan substruktur pemfokusan). Sisi kolektor yang menghadap matahari mungkin memiliki sistem penutup (misalnya satu atau lebih lapisan kaca), dan aliran massa/mass flow Jmc dari beberapa cairan (misalnya air atau udara) melewati penyerap dan seharusnya membawa panas, yang dipindahkan dari plat absorber ke aliran massa, ke area muatan (yaitu tempat penggunaan aktual) atau ke beberapa penyimpanan energi sementara. Contoh kolektor surya plat datar. Kinerja tidak dapat diberikan hanya dengan fluks radiasi insiden bersih Es,γ (s adalah sudut kemiringan dan γ adalah sudut azimuth), karena produk transmisi−penyerapan pd sistem berpenutup mungkin berbeda untuk komponen yang berbeda dari system radiasi. Penyerap ditandai dengan absorptance, αλ (Ω), yang mungkin tergantung pada panjang gelombang dan arah cahaya yang datang. Dalam banyak situasi, dapat diasumsikan dalam perkiraan pertama bahwa absorptance tidak tergantung pada arah dan panjang gelombang ("permukaan abu-abu"). Untuk permukaan yang dicat hitam, α ini mungkin sekitar 0,95, tetapi, jika permukaannya tidak berstruktur, asumsi bahwa α tidak tergantung pada arah akan rusak ketika sudut antara normal ke permukaan dan arah kejadian melebihi sekitar 60 °. Menuju 90 °, αλ (Ω) sebenarnya mendekati nol (Duffie dan Beckman, 1974). fisika dasar (Sørensen, 2004), emittance ε sama dengan absorptance (keduanya adalah sifat permukaan dalam pendekatan grey-surface), dan absorptance tinggi dengan demikian mengimplikasikan emitansi tinggi untuk semua panjang gelombang, termasuk yang mengkarakterisasi emisi termal dari absorber dari suhu Tc. Untuk mengurangi kehilangan ini, digunakan perawatan permukaan yang menyebabkan emitansi mengasumsikan dua nilai yang berbeda - nilai tinggi untuk panjang gelombang pendek dari spektrum surya (menyiratkan absorptansi matahari tinggi αsw) dan yang rendah (αlw) untuk panjang gelombang yang lebih panjang mengkarakterisasi emisi dari suhu penyerap yang khas, diasumsikan memiliki spektrum yang kira-kira sama dengan spektrum benda hitam untuk suhu itu. Permukaan seperti itu disebut permukaan selektif, dan absorptans / pancarannya yang bergantung pada panjang gelombang dapat menyerupai yang ditunjukkan pada Gambar. Di bawah ini, menunjukkan daerah yang dapat dikarakterisasi dengan αsw ≈ 0,95 dan αlw ≈ 0,1. Diskusi lebih lanjut tentang teknologi permukaan selektif dapat ditemukan di Meinel dan Meinel (1976). Figure 16.5. Spectral absorptance (or emittance) of a commercial “black-chrome” type of selective surface (based on Masterson and Seraphin). Seperti ditunjukkan pada Gambar, penyerap dapat ditutupi oleh bahan itu utk mengurangi kehilangan panas dan pada saat yang sama mentransmisikan sebagian besar radiasi yang masuk . Penutup dapat terdiri dari satu atau lebih lapisan kaca. Transmitansi kaca tergantung pada jenis kaca dan khususnya pada konstituen minoritas seperti Fe2O3. Gambar 16.6 dibawah memberi contoh ketergantungan panjang gelombang dari transmitansi, τλ, melalui jendela biasa kaca, yg didefinisikan sebagai fraksi cahaya yang tidak terpantul atau tidak terserap, Gambar 16.6 dibawah memberi contoh ketergantungan panjang gelombang dari transmitansi, τλ, melalui jendela biasa kaca, yg didefinisikan sebagai fraksi cahaya yang tidak terpantul atau tidak terserap,
