PANEL SURYA dan APLIKASINYA
Suplai
energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya
sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun.
Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh
dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0,1% saja permukaan bumi
dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi
kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini. Perkembangan yang pesat dari
industri sel surya (solar sel) di mana pada tahun 2004 telah menyentuh level
1000 MW membuat banyak kalangan semakin melirik sumber energi masa depan yang
sangat menjanjikan ini.
Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi pancaran matahari. Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 10 joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0.1% saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini.
Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan photon. Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang λ dan frekuensi photon V dirumuskan dengan persamaan:
E = h.c/ λ
Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3.00 x 108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan sebuah divais semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang datang akan mampu dirubah menjadi energi listrik.
Pada
prinsipnya, sel surya adalah identik dengan piranti semikonduktor dioda. Hanya
saja dewasa ini strukturnya menjadi sedikit lebih rumit karena perancangannya
yang lebih cermat untuk meningkatkan efisiensinya. Untuk penggunaan secara luas
dalam bentuk arus bolak-balik, masih diperlukan peralatan tambahan seperti
inventer, baterei penyimpanan dan lain-lain. Kemajuan dari penelitian akan
material semikonduktor sebagai bahan inti sel surya, telah menjadi faktor kunci
bagi pengembangan teknologi ini. Dalam teknologi sel surya, terdapat berbagai
pilihan penggunaan material intinya. Kristal tunggal silikon sebagai pioner
dari sel surya memang masih menjadi pilihan sekarang karena teknologinya yang
sudah mapan sehingga bisa mencapai efisiensi lebih dari 20 % untuk skala riset.
Sedangkan modul/panel sel surya kristal silikon yang sudah diproduksi
berefisiensi sekitar 12 %. Namun demikian, penggunaan material ini dalam bentuk
lempengan (waver) masih digolongkan mahal dan juga volume produksi lempeng
silikon tidak dapat mencukupi kebutuhan pasar bila terjadi penggunaan sel surya
ini secara massal. Sehingga untuk penggunaan secara besar-besaran harus
dilakukan uasaha untuk mempertipis lapisan silikonnya dari ketebalan sekarang
yang mencapai ratusan mikron.
Proses konversi
Proses
pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan
karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih
tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan
jenis p.
Semikonduktor
jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron,
sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan
semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p
( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan
unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis
semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Gambar
Pada
awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan
tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas
semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor
intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan
elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari
sebuah semikoduktor.
Misal
semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p,
biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga)
atau Indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah
hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen
(N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat
diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan.
Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang
jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.
Dua
jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk
sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan
sambungan metalurgi / metallurgical junction) yang dapat digambarkan
sebagai berikut.
- Semikonduktor
jenis p dan n sebelum disambung.
- Sesaat
setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan
elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p,
dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n.
Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari
batas sambungan awal.
- Elektron
dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p
yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang.
Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan positif..
Pada saat yang sama. hole dari semikonduktor p
bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan
jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan
positif.
- Daerah negatif dan positif ini
disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan
huruf W.
- Baik elektron maupun hole yang
ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority
charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang
berbeda.
- Dikarenakan adanya perbedaan
muatan positif dan negatif di daerah deplesi, maka timbul dengan
sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi
negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan
elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan
dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah
deplesi (nomor 1 di atas).
- Adanya medan listrik
mengakibatkan sambungan pn berada pada titik setimbang,
yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p
ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah
semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan
jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p,
dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n
akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E
mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu
ke semiikonduktor yang lain.
Pada
sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik
terjadi.
Untuk
keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p
yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis
dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan
sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.
Ketika
sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat
energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n,
daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole
pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi
elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya
pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
Cahaya
matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sbgn di
gambar atas ) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn
berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula.
Spektrum
merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu
menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya
menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang
gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya,
dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron
hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan
hole yang tertarik ke arah semikonduktor p.
Apabila
rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan
mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu
tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini
timbul akibat pergerakan elektron.
Pada
umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum, ilustrasi di
bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi
energi listrik.
Instalasi listrik tenaga surya
Untuk
instalasi listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik, diperlukan komponen
sebagai berikut:
- Panel surya/ solar cells/ solar
panel
- Charge controller
- Inverter
- Battery
Panel
surya/ solar cells/ solar panel: panel surya menghasilkan energi listrik tanpa
biaya, dengan mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik. Sel silikon
(disebut juga solar cells) yang disinari matahari/ surya, membuat photon yang
menghasilkan arus listrik. Sebuah solar cells menghasilkan kurang lebih
tegangan 0.5 Volt. Jadi sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36
sel (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimun).
Charge
controller, digunakan untuk mengatur pengaturan pengisian baterai. Tegangan
maksimun yang dihasilkan panel surya pada hari yang terik akan menghasilkan
tegangan tinggi yang dapat merusak baterai.
Inverter,
adalah perangkat elektrik yang mengkonversikan tegangan searah (DC - direct
current) menjadi tegangan bolak balik (AC - alternating current).
Baterai,
adalah perangkat kimia untuk menyimpan tenaga listrik dari tenaga surya. Tanpa
baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari.
Diagram
instalasi pembangkit listrik tenaga surya ini terdiri dari panel surya, charge
controller, inverter, baterai.
Dari
diagram pembangkit listrik tenaga surya diatas: beberapa panel surya di paralel
untuk menghasilkan arus yang lebih besar. Combiner pada gambar diatas
menghubungkan kaki positif panel surya satu dengan panel surya lainnya. Kaki/
kutub negatif panel satu dan lainnya juga dihubungkan. Ujung kaki positif panel
surya dihubungkan ke kaki positif charge controller, dan kaki negatif panel
surya dihubungkan ke kaki negatif charge controller. Tegangan panel surya yang
dihasilkan akan digunakan oleh charge controller untuk mengisi baterai. Untuk
menghidupkan beban perangkat AC (alternating current) seperti Televisi, Radio,
komputer, dll, arus baterai disupply oleh inverter.
Instalasi
pembangkit listrik dengan tenaga surya membutuhkan perencanaan mengenai
kebutuhan daya:
- Jumlah pemakaian
- Jumlah panel surya
- Jumlah baterai
Contoh perhitungan keperluan daya:
- Penerangan rumah: 10 lampu CFL
@ 15 Watt x 4 jam sehari = 600 Watt hour.
- Televisi 21": @ 100 Watt x
5 jam sehari = 500 Watt hour
- Kulkas 360 liter : @ 135 Watt x
24 jam x 1/3 (karena compressor kulkas tidak selalu hidup, umumnya mereka
bekerja lebih sering apabila kulkas lebih sering dibuka pintu) = 1080 Watt
hour
- Komputer : @ 150 Watt x 6 jam =
900 Watt hour
- Perangkat lainnya = 400 Watt
hour
- Total kebutuhan daya =
3480 Watt hour
Jumlah
panel surya yang dibutuhkan, satu panel kita hitung 100 Watt (perhitungan
adalah 5 jam maksimun tenaga surya):
- Kebutuhan panel surya : (3480 /
100 x 5) = 7 panel surya.
Jumlah
kebutuhan batere 12 Volt dengan masing-masing 100 Ah:
- Kebutuhan batere minimun
(batere hanya digunakan 50% untuk pemenuhan kebutuhan listrik), dengan
demikian kebutuhan daya kita kalikan 2 x lipat : 3480 x 2 = 6960 Watt hour
= 6960 / 12 Volt / 100 Amp = 6 batere 100 Ah.
Kebutuhan
batere (dengan pertimbangan dapat melayani kebutuhan 3 hari tanpa sinar
matahari) : 3480 x 3 x 2 = 20880 Watt hour =20880 / 12 Volt / 100 Amp = 17
batere 100 Ah.
Perhitungan Teknis
Daya yang dihasilkan oleh panel surya maksimum diukur dengan
besaran Wattpeak (Wp), yang konversinya terhadap Watthour (Wh)
tergantung intensitas cahaya matahari yang mengenai permukaan panel.
Selanjutnya daya yang dikeluarkan oleh panel surya adalah daya panel dikalikan
lama penyinaran.
Misalnya sebuah panel surya berkapasitas 50 Wp disinari matahari
dengan intensitas maksimum selama 8 jam maka daya yang dihasilkan adalah 50
kali 8 Wh atau 400 Wh. Daya sebanyak ini dapat digunakan untuk menyalakan 4
buah lampu 25 Watt selama 4 jam atau sebuah televisi hitam putih 40 Watt selama
10 jam.
Di Indonesia, daya (Wh) yang dihasilkan perhari biasanya sekitar
3-5 kali daya panel maksimum (Wp), 3 kali untuk cuaca mendung, dan 5 kali untuk
kondisi panas terik. Misalnya untuk sebuah panel surya berdaya maksimum 50 Wp,
daya yang dihasilkan pada cuaca mendung perhari adalah 3 kali 50 Wp atau 150
Wp, dan pada cuaca cerah adalah 5 kali 50 Wp atau 250 Wp. Panel-panel surya
dapat disusun secara seri atau paralel. Rangkaian paralel digunakan pada
panelpanel dengan tegangan output yang sama untuk memperoleh penjumlahan arus
keluaran. Tegangan yang lebih tinggi diperoleh dengan merangkai panel-panel
dengan arus keluaran yang sama secara seri.
Misalnya untuk memperoleh keluaran sebesar 12 Volt dan arus 12 A,
kita dapat merangkai 4 buah panel masing-masing dengan keluaran 12 Volt dan 3 A
secara paralel. Sementara kalau keempat panel tersebut dirangkai secara seri
akan diperoleh keluaran tegangan sebesar 48 Volt dan arus 3 A.
Perhitungan Ekonomis
Harga energi per-kWh dari panel surya masih tergolong mahal.
Sebuah panel surya berkapasitas 50 Wp lengkap dengan battere penyimpan, controller,
3 titik lampu dan satu titik untuk kulkas atau televisi hitam putih dijual
dengan harga ratarata satu seperempat juta rupiah. Panel ini didesain untuk
beroperasi selama 20 tahun.
Baterai panel biasanya harus diganti setiap 5 tahun. Biasanya
perusahaan penjual memberikan garansi selama 10 tahun untuk panel dan 1 tahun untuk
battere.
Daya yang dihasilkan panel tersebut, dalam pemakaian di Indonesia,
berkisar 150 - 250 Wh per hari. Bila panel tersebut digunakan dalam kondisi normal
dan bertahan selama 20 tahun maka daya total yang dihasilkan selama 20 tahun
adalah 20 tahun dikalikan 365 hari/tahun dikalikan antara 150 - 250 kWh, yaitu
antara 1095000 Wh (1.095 kWh) sampai 1825000 Wh (1825 kWh). Jadi investasi yang
dikeluarkan untuk per kWh listrik yang dihasilkan adalah antara Rp. 685,-
sampai Rp.1142,-(nilai ini belum termasuk penggantian battere setiap lima tahun
serta biaya perawatan).
Dengan memasukkan faktor-faktor tersebut harga per-kWh energi
surya mencapai sekitar Rp. 1800,-.
Bandingkan harga listrik PLN untuk skala rumah tangga 450 Watt
sebesar Rp. 125,- per kWh. Perlu dicatat bahwa ada subsidi pemerintah di dalam
harga listrik PLN untuk rumah tangga. Subsidi ini tidak ada dalam penggunaan
listrik energi surya yang dihitung di atas. Harga di atas juga merupakan harga
satuan panel sampai di tempat konsumen (asal tempatnya tidak terlalu jauh) di
Indonesia. Mungkin ada potongan harga untuk pemakaian panel yang lebih banyak
dan skala yang lebih besar. Sekarang, panel-panel surya masih diimpor. Artinya
harga yang harus dibayar konsumen juga sudah termasuk pajak bea masuk dan pajak
pertambahan nilai.
Suatu saat ketika ditemukan teknologi yang lebih efisien dan
Indonesia dapat membuat panel suryanya sendiri harga panel surya sangat mungkin
bisa turun. Sekedar gambaran adalah harga panel surya di Jerman pernah turun
sekitar 40% dalam dua bulan.
TUGAS
DASAR KONVERSI ENERGI (TUGAS 2)
BLOK
TIMUR
FIRMANSYAH
09102010
BAMBANG
SETYAWAN 09102002
NOVIANDRI 091020
NOVALIANA 091020
NOLAIVANI 091020
Referensi
1. Wikipedia
2. Toko ……
3. HowStuffWork
Komentar
Posting Komentar