ENERGI MATAHARI

SUMBER ENERGI TERBAHARUKAN

Energi surya atau matahari telah dimanfaatkan di banyak belahan dunia dan jika dieksplotasi dengan tepat, energi ini berpotensi mampu menyediakan kebutuhan konsumsi energi dunia saat ini dalam waktu yang lebih lama. Indonesia terletak di garis katulistiwa, sehingga Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar 4.8 kWh/m² per hari di seluruh wilayah Indonesia.

Energi surya sangat berpotensi untuk dimanfaatkan secara langsung sebagai sumber energi alternatif. Pemanfaatan energi surya ini dapat dilakukan secara termal maupun melalui energi listrik. Pemanfaatan secara termal dapat dilakukan secara langsung dengan membiarkan objek pada radiasi matahari, atau menggunakan peralatan yang mencakup kolektor dan konsentrator surya. Matahari dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi listrik atau untuk memanaskan. Ada banyak cara untuk memanfaatkan energi dari matahari.

Tumbuhan mengubah sinar matahari menjadi energi kimia dengan menggunakan fotosintesis. Bagimanapun, istilah “tenaga surya” mempunyai arti mengubah sinar matahari secara langsung menjadi panas atau energi listrik untuk kegunaan kita. dua tipe dasar tenaga matahari adalah “sinar matahari” dan “photovoltaic” (photo- cahaya, voltaic = tegangan) Photovoltaic tenaga matahari: melibatkan pembangkit listrik dari cahaya. Rahasia dari proses ini adalah penggunaan bahan semi konduktor yang dapat disesuaikan untuk melepas elektron, pertikel bermuatan negative yang membentuk dasar listrik.

ENERGI MATAHARI

Energi surya atau matahari telah dimanfaatkan di banyak belahan dunia dan jika dieksplotasi dengan tepat, energi ini berpotensi mampu menyediakan kebutuhan konsumsi energi dunia saat ini dalam waktu yang lebih lama. Matahari dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi listrik atau untuk memanaskan bahkan untuk mendinginkan. Potensi masa dapat energi surya hanya dibatasi oleh keinginan kita untuk menangkap kesempatan.Ada banyak cara untuk memanfaatkan energi dari matahari. Tumbuhan mengubah sinar matahari menjadi energi kimia dengan menggunakan fotosintesis. Kita memanfaatkan energi ini dengan memakan dan membakar kayu. Bagimanapun, istilah “tenaga surya” mempunyai arti mengubah sinar matahari secara langsung menjadi panas atau energi listrik untuk kegunaan kita. dua tipe dasar tenaga matahari adalah “sinar matahari” dan “photovoltaic” (photo- cahaya, voltaic=tegangan)Photovoltaic tenaga matahari: melibatkan pembangkit listrik dari cahaya. Rahasia dari proses ini adalah penggunaan bahan semi konduktor yang dapat disesuaikan untuk melepas elektron, partikel bermuatan negatif yang membentuk dasar listrik. Bahan semi konduktor yang paling umum dipakai dalam sel photovoltaic adalah silikon, sebuah elemen yang umum ditemukan di pasir. Semua sel photovoltaic mempunyai paling tidak dua lapisan semi konduktor seperti itu, satu bermuatan positif dan satu bermuatan negatif. Ketika cahaya bersinar pada semi konduktor, lading listrik menyeberang sambungan diantara dua lapisan menyebabkan listrik mengalir, membangkitkan arus DC.  Makin kuat cahaya makin kuat aliran listrik. Sistem photovoltaic tidak membutuhkan cahaya matahari yang terang untuk beroperasi. Sistem ini juga membangkitkan listrik di saat hari mendung, dengan energi keluar yang sebanding ke berat jenis awan. Berdasarkan pantulan sinar matahari dari awan, hari-hari mendung dapat menghasilkan angka energi yang lebih tinggi dibandingkan saat langit biru sedang yang benar–benar cerah. Saat ini, sudah menjadi hal umum piranti kecil, seperti kalkulator, menggunakan solar sel yang sangat kecil. Photovoltaic juga digunakan untuk menyediakan listrik di wilayah yang tidak terdapat jaringan pembangkit tenaga listrik. Kami telah mengembangkan lemari pendingin, yang bernama Solar Chill yang dapat berfungsi dengan energi matahari. Setelah dites, lemari pendingin ini akan digunakan oleh organisasi kemanusiaan untuk membantu menyediakan vaksin di daerah tanpa listrik, dan oleh setiap orang yang tidak ingin bergantung dengan tenaga listrik  untuk mendinginkan makanan mereka. Penggunaan sel photovoltaic sebagai desain utama oleh para arsitek semakin meningkat. Sebagai contoh, atap ubin atau slites solar dapat menggantikan bahan atap konvsional. Modul film yang fleksibel bahkan dapat diintegrasikan menjadi atap vaulted, ketika modul semi transparan menyediakan percampuran yang menarik antara bayangan dengan sinar matahari. Sel photovoltaic juga dapat digunakan untuk menyediakan tenaga maksimum ke gedung pada saat hari di musim panas ketika sistem AC membutuhkan energi yang besar, hal itu membantu mengurangi beban maskimum elektik.Baik dalam skala besar maupun skala kecil photovoltaic dapat mengantarkan tenaga ke jaringan listrik, atau dapat disimpan dalam selnya.

POTENSI PEMANFAATAN ENERGI SURYA

Terkait dengan energi surya, sebagai negara tropis, Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup besar. Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan berturut-turut sebagai berikut: untuk kawasan barat dan timur Indonesia dengan distribusi penyinaran di Kawasan Barat Indonesia (KBI) sekitar 4,5 kWh/m²/hari dengan variasi bulanan sekitar 10%; dan di Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m²/hari dengan variasi bulanan sekitar 9%. Dengan demikian, potensi angin rata-rata Indonesia sekitar 4,8 kWh/m²/hari dengan variasi bulanan sekitar 9%.

Untuk memanfaatkan potensi energi surya tersebut, ada 2 (dua) macam teknologi yang sudah diterapkan, yaitu teknologi energi surya termal dan energi surya fotovoltaik. Energi surya termal pada umumnya digunakan untuk memasak (kompor surya), mengeringkan hasil pertanian (perkebunan, perikanan, kehutanan, tanaman pangan) dan memanaskan air. Energi surya fotovoltaik digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik, pompa air, televisi, telekomunikasi, dan lemari pendingin di Puskesmas dengan kapasitas total ± 6 MW. Pemanfaatan energi surya khususnya dalam bentuk SHS (solar home systems ) sudah mencapai tahap semi komersial. Komponen utama suatu SESF adalah, Sel fotovoltaik (mengubah penyinaran matahari menjadi listrik), Balance of system (BOS), Unit penyimpan energi (baterai) dan peralatan penunjang lain seperti: inverter untuk pompa, sistem terpusat, dan sistem hibrid.

Pemanfaatan energi surya termal di Indonesia masih dilakukan secara tradisional. Para petani dan nelayan di Indonesia memanfaatkan energi surya untuk mengeringkan hasil pertanian dan perikanan secara langsung. Secara umum, teknologi surya termal yang kini dapat dimanfaatkan termasuk dalam teknologi sederhana hingga madya. Beberapa teknologi untuk aplikasi skala rendah dapat dibuat oleh bengkel pertukangan kayu/besi biasa. Untuk aplikasi skala menengah dapat dilakukan oleh industri manufaktur nasional. Untuk skala kecil dan teknologi yang sederhana, kandungan lokal mencapai 100 %, sedangkan untuk sistem dengan skala industri (menengah) dan menggunakan teknologi tinggi (seperti pemakaian Kolektor Tabung Hampa atau Heat Pipe ), kandungan lokal minimal mencapai 50%.

TEKNIK PENGKONVERSIAN ENERGI MATAHARI

Dalam hal ini akan menjelaskan mengenai pemanfaatan energi yang berasal dan pancaran sinar matahani secara langsung. Energi surya merujuk pada radiasi energi dalam bentuk panas dan cahaya yang dipancarkan oleh matahari. Dalam pelaksanaan pemanfaatannya, dapat dibedakan tiga cara. Cara pertama adalah prinsip pemanasan langsung. Dalam hal ini sinar-sinar matahari memanasi langsung benda yang akan dipanaskan, atau memanasi secara langsung medium misalnya air, yang akan dipanaskan. Cara kedua adalah, bahwa yang dipanaskan adalah juga air, akan tetapi panas yang terkandung dalam air itu, akan dikonversikan menjadi energi listrik. Sedangkan cara ketiga adalah cara fotovoltaik. Dengan cara ini maka energi sinar ma- tahari langsung dikonversikan menjadi energi listrik. Pemanasan Langsung Pemanfaatan energi surya oleh manusia secara tangsung dalam bentuk pemanasan, telah lama dikenal.

Dengan cara pemanasan langsung ini suhu yang akan diperoleh tidak akan melampaui 100^oC. Efektivitas pemanfaatan energi surya dengan cara pemanfaatan langsung dapat ditingkatkan bila mempergunakan pengumpul-pengumpul panas, yang biasa disebut kolektor. Sinar-sinar matahari dikonsentrasikan dengan kolektor ini pada satu tempat, sehingga diperoleh suatu suhu yang lebih tinggi. Dalam Gambar 4.9 terlihat beberapa kolektor dan berbagai bentuk. Gambar 4.9(a) merupakan kolektor pipih, atau kotektor datar, Gambar 4.9(b) adalah kolektor parabolik silindris sedangkan Gainbar 4.9(c) merupakan kolektor parabolik bulat. Bentuk kolektor parabolik bulat melandaskan prinsip kompor surya, sebagaimana terlihat pada Gambar 4.9(d).

Sistem-sistem pemanasan secara langsung ini mempunyat efisiensi dan sekitar 30 - 40%. Konversi Surya Teknis Elektris Suatu teknologi yang tampaknya cukup mempunyai potensi adalah apa yang disebut Konversi Surya Termis Elektris (KSTE), atau yang dalam bahasa asing disebut Solar Thermal Electric Conversion (STEC). Pada prinsipnya KSTE memerlukan sebuah konsentrator optik untuk pemanfaatan radiasi surya, sebuah alat untuk menyerap energi yang dikumpulkan, suatu sistem pengangkut panas, dan sebuah mesin yang agak konvensional untuk pembangkitan tenaga listrik.

Sistem KSTE besar yang pertama dibuat adalah dalam tahun 1920, dengan kapasitas 45 kW, di Meadi, Mesir. Tungku surya yang dibangun di Odeillo, Perancis, mempunyai sebuah instalasi 1000 kW- termal. Di Amerika Serikat sedang dikembangkan suatu program KSTE untuk membuat sebuah unit 5 MW-termal di New Meksiko, sebuah unit 10 MW Listnik di Barstow, California, bahkan diharapkan dalam pertengahan tahun 1992-an dapat dibuat sebuah unit 100 MW listnik.

Dua buah perusahaan swasta, yaitu Ansaldo di Italia dan MBB di Republik Federal Jerman bekerja sama untuk membuat instalasi KSTE berlandaskan desain dan Profesor Francia, dengan unit-unit hingga 1 MW listrik, untuk dijual secara komersial. Diperkirakan, bahwa sebuah unit KSTE 100 MW listrik akan mempunyai 12.500 buah heliostat, dengan permukaan refleksi masing-masing seluas 40 m², sebuah menara penerima setinggi 250 m, yang memikul sebuah penyerap untuk membuat uap bagi sebuah turbin selama enam hingga delapan jam sehari. Desain-desain PLTS (Pusat Listrik Tenaga Surya) ini dilengkapi dengan sebuah boiler biasa agar sentral listrik bekerja siang dan malam. Harganya diperkirakan antara US$ 2000,- hingga US$ 5000,- per kW listrik.

Konversi Energi Fotovoltaik Energi radiasi surya dapat diubah menjadi arus listrik searah dengan mempergunakan lapisan-lapisan tipis dan silikon (Si) murni atau bahan semikonduktor lainnya. Pada saat ini silikon merupakan bahan yang terbanyak dipakai. Silikon merupakan pula suatu unsur yang banyak terdapat di alam. Untuk keperluan pemakaian Sebagai semikonduktor, silikon harus dimurnikan hingga suatu tingkat pemurnian yang tinggi sekali: kurang dari satu atom pengotoran per 1010 atom silikon. Gambar 4.11(a) memperlihatkan pengaturan atom dalam kristal silikon. Bentuk kristalisasi demikian akan terjadi bilamana silikon cair terjadi padat, hal mana disebabkan karena tiap atom silikon mempunyai elektron valensi. Dengan demikian terjadi suatu bentuk kristal di mana tiap atom silikon mempunyai sejumlah 4 tetangga terdekat. Tiap dua atom silikon yang bertetangga saling memiliki salah satu elektron valensinya.

Bentuk kisi kristal menurut Gambar 4.11(a) sering juga dinamakan kisi intan. Struktur tiga dimensi menurut Gambar 4.11(a) diperlihatkan dalam Gambar 4.11(b) secara skematis dengan bentuk dua dimensi. Dalam gambar ini terlihat pula bahwa tiap atom mempunyai empat tetangga terdekat. Kedua garis antara tiap atom merupakan dua elektron valensi, satu buah dari masing-masing atom. Tiap pasangan elektron valensi adalah suatu ikatan kovalensi, yang pada asasnya merupakan hubungan yang mengikat atom-atom kristal. Pada suhu nol absolut (00 K) semua ikatan kovalensi berada dalam keadaan utuh dan lengkap. Bilamana suhu naik, atom-atom akan mengalami keadaan getaran termal. Getaran-getaran ini yang meningkat dengan suhu, pada suatu saat dapat nengganggu beberapa ikatan kovalensi. Terganggunya ikatan valensi dalam kristal semikonduktor pada suhu lingkungan biasa mempunyai beberapa akibat besar terhadap sifat-sifat listrik kristal itu dan penting dalam penjelasan efek fotovoltaik. Dan Gambar 4.11(b) terlihat bahwa terputusnya ikatan valensi melepaskan sebuah elektron, yang dapat bergerak bebas dalam kristal dan dapat berperan serta dalam proses hantaran. Cara bantaran listrik dapat terjadi bila sebuah “lubang” yang terjadi karena pelepasan elektron, diisi oleh elektron lain dan tetangganya, dan seterusnya.

Jika kristal itu diletakkan dalam suatu medan listrik, maka elektron-elektron bebas itu condong mengalir ke arah melawan medan sedangkan “lubang-lubang” yang terjadi akan memiliki arah yang berlawanan. Lubang-lubang itu berperan sebagai partikel dengan muatan positif. Dengan demikian seolah-olah dalam sebuah semikonduktor terjadi dua arus dengan arah saling berlawanan: suatu arus elektron dan suatu arus lubang. Jumlah elektron yang mengalir dalam semikonduktor jauh lebih kecil daripada yang merupakan konduktor. Sebagai perbandingan, dalam bahan silikon murni, pada suhu ruangan biasa, terdapat kira-kira satu pasangan elektron dan lubang per 1010 atom.

Untuk kebanyakan kristal logam angka itu adalah satu per satu. Dapat juga terjadi bahwa ikatan valensi terganggu disebabkan pengaruh radiasi elektromagnetik yang datang dari luar. Jika foton dan radiasi yang masuk itu memiliki banyak energi, maka di tempat resapan akan dapat terjelma suatu pasangan elektron dan lubang. Jumlah energi yang diperlukan untuk terjadinya hal itu adalah 1,1 eV bagi siikon pada suhu ruangan biasa. Dengan demikian maka setiap foton yang memiliki jumlah energi yang lebih besar dan 1,1 eV atau panjang gelombang kurang dan 1.100 nm, yang terletak di wilayah inframerah spektrum yang dapat mengakibatkan terjadinya pasangan elektron dan lubang di silikon.

Khususnya besar dan spektrum radiasi surya mempunyai kemampuan tersebut bila diresap silikon. Dengan demikian maka akan terdapat suatu muatan listnik yang melampaui keseimbangan hal mana dapat mengakibatkan terjadinya suatu gaya gerak listrik. Gambar 4.12 memperlihatkan sebuab knistal silikon yang dimasukkan satu atom arsenikum (As), yang diperoleh misalnya dan suatu peleburan yang diberi sedikit arsenikum sebagai “pengotoran”. Atom arsenikum memiliki lima elektron valensi. Bilaimana sebuah atom arsenikum menempati suatu posisi “struktural” dalam kristal silikon, ia mempunyai kelebihan satu buah elektron. Pada suhu lingkungan biasa daya ikat elektron kelima terhadap induk atom arsenikum adalah relatif kecil. Dengan demikian terjadi suatu sirnasi di mana terdapat sebuah elektron bebas dalam kristal silikon. Atom arsenikum yang terikat dalam kristal mendapat muatan positif sedangkan elektron bebas itu dapat bergerak dalam seluruh kristal dan mengikuti proses konduksi bila terdapat suatu medan listrik. Arsenikum dengan semikian merupakan suatu pengotoran yang merupakan pemberi, atau donor elektron.

Hal demikian juga akan terjadi dengan atom-atom lain yang mempunyai ikatan valensi lima. Dan penambahan suatu kristal dengan pengotoran donor, akan mengubah sifat-sifat listrik bahan tersebut dengan dua cara. Pertama, jika pengotoran donor itu diperbesar melampaui 1 bagian per 1012, yang dianggap suatu taraf pengotoran yang rendah. maka daya hantar akan meningkat.

Kedua, bila baik elektron maupun lubang akan memiliki peran serta kurang lebih sama dalam sifat daya hantan materi silikon, hantarannya akan praktis seluruhnya dilakukan oleh gerakan dan elektron dalam kristal yang mengandung donor. Muatan yang positif terikat tempat dalam struktur kristal. Karena elektron memiliki muatan negatif, kristal demikian dinamakan tipe-N, yaitu n dan negatif. Dengan sendirinya akan terjadi suatu efek serupa bila pengotoran dilakukan dengan bahan yang memiliki valensi tiga seperti boron dan galium. Dalam keadaan demikian tiap pengotoran “menerima” satu elektron dan ikatan valensi yang mengakibatkan terdapatnya satu lubang yang berperan serta dalam proses konduksi, dan satu ion pengotoran dengan muatan negatif yang tidak bergerak. Karena lubang mempunyai muatan positif kristal yang mempunyai akseptor dinamakan tipe-P, yaitu p dan positif. Karena pengotoran relatif menyangkut jumlah-jumlah yang kecil sekali sehingga mungkin untuk sebuah kristal tunggal silikon merupakan tipe-P pada satu ujung dan tipe-N pada ujung yang lain. Kristal demikian dinamakan sambungan P-N dan terlihat pada Gambar 4.13(a). Misalkan sambungan P-N itu terkena radiasi matahari. Telah diketahui bahwa tiap foton radiasi yang memiliki energi yang melebihi 1,1 eV dapat menghasilkan satu pasangan elektron-lubang dalam silikon. Dalam situasi menurut Gambar 4.13(a) akan jelas bahwa pasangan-pasangan elektron-lubang agak terpisah-pisah letaknya, sedemikian hingga daerah P akan memiliki muatan positif terhadap daerah N, dan terdapat suatu perbedaan potensial antara kedua apitan. Jika antara kedua apitan dipasang sebuah beban, sebagaimana terlihat pada Gambar 4.13(b), akan mengalir arus I. Dengan demikian terdapat secara langsung suatu konversi elektronika antara radiasi surya yang masuk dan energi listrik yang dihasilkan antara kedua apitan A dan B.

Pada dasarnya prinsip kerja PLTS adalah:

1. Pada siang hari modul surya menerima cahaya matahari dan cahaya tersebut kemudian diubah menjadi energi listrik oleh sel-sel kristal melalui proses fotovoltaik.
2. Listrik yang dihasilkan oleh modul adalah listrik arus searah (DC), yang dapat langsung disalurkan ke beban atau pun disimpan dalam baterai sebelum dikeluarkan ke beban, lampu, radio, dan lain-lain.
3. Tegangan yang dikeluarkan oleh modul surya bervariasi; 6VDC, 12 VDC, 24 VDC, 36 VDC dan 48 VDC per modul. Daya yang dihasilkan juga bervariasi mulai dari 10 Wattpeak (Wp) sampai 100 Wp per modul dengan dimensi modul yang berbeda sesuai dengan kapasitasnya.
4. Untuk melindungi sistem PLTS dari pengisian dan pemakaian yang berlebihan, digunakan alat pengatur (controller), dimana seluruh energi listrik yang dihasilkan dan dipakai oleh sistem PLTS harus melalui alat pengatur ini.
5. Untuk peralatan yang membutuhkan listrik arus AC, digunakan inverter yaitu alat pengubah arus DC-AC yang tersedia dalam berbagai kapasitas.
6. Listrik yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk mencatu beban, seperti lampu penerangan, berbagai alat elektronik dan alat mekanik yang digerakkan oleh listrik.

Kesimpulan

Matahari dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi listrik atau untuk memanaskan. Energi surya sangat berpotensi untuk dimanfaatkan secara langsung sebagai sumber energi alternatif. Pemanfaatan energi surya ini dapat dilakukan secara termal maupun melalui energi listrik. Terkait dengan energi surya, sebagai negara tropis, Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup besar. Energi surya merujuk pada radiasi energi dalam bentuk panas dan cahaya yang dipancarkan oleh matahari.