BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fotovoltaik ( Photovoltaic /PV)
Energi Surya merupakan energi yang berasal dari Matahari, yang dipancarkan dalam bentuk sinar dan panas. Karena permintaan akan energi bersih yang terus meningkat, maka energi ini memiliki potensi yang besar kedepannya untuk terus dikembangkan karena merupakan energi yang dapat diperbaharui. Panas dan sinar yang diterima bumi dari Matahari dapat radiasi surya sekitar 174 petawatt (PW). Sekitar 30 % dipantulkan kembali ke luar angkasa, sedangkan sisanya diserap oleh awan, lautan, dan daratan. Energi ini dapat dimanfaatkan dengan menggunakan serangkaian teknologi seperti pemanas surya, fotovoltaik surya, listrik panas surya, arsitektur surya, dan fotosintesis buatan. Pemanfaatan energi matahari yang paling sering digunakan adalah fotovoltaik surya.
Di Indonesia khususnya di Kota Medan, cahaya Matahari melimpah karena wilayah Indonesia dilewati garis Khatulistiwa, sehingga fotovoltaik digunakan/diterapkan sebagai sumber energi dalam pengujian kotak pendingin. Selain karena kebutuhan daya yang relatif rendah dari kotak pendingin, pengunaan fotovoltaik dalam pengujian ini juga tidak menghasilkan polusi udara maupun polusi suara.
Efek Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)
Sistem fotovoltaik adalah suatu sistem mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. (Papadopoulou, 2011:31) Konversi ini didasarkan pada fenomena efek fotovoltaik. Efek ini ditemukan oleh fisikawan asal Perancis bernama Antoine – Cesar Becquerel pada tahun 1839. Fenomena efek fotovoltaik adalah suatu fenomena dimana timbulnya tegangan listrik akibat
adanya loncatan elektron antara dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan/cairan ketika sinar matahari menyinari permukaan bahan PV.
Radiasi cahaya matahari terdiri dari biasan foton dengan tingkat energi yang berbeda – beda sesuai dengan panjang gelombang dari spektrum cahaya. Ketika sinar matahari menyinari permukaan bahan fotovoltaik, foton –foton dari cahaya matahari akan dibiaskan, diserap, ataupun diteruskan menembus sel fotovoltaik. Foton yang terserap oleh sel PV akan menyebabkan electron menyembur keluar yang memicu timbulnya energi listrik.
Sel Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)
Sel fotovoltaik adalah suatu perangkat yang mengonversi energi radiasi cahaya umumnya Matahari ke dalam bentuk energi listrik. Sistem sel PV terdiri dari ikatan antara sisi positif dan negatif (p-n junction) di dalam sebuah sistem semikonduktor. Sel fotovoltaik pertama kali dibangun oleh Charles Fritts di sekitar 1883 menggunakan sambungan yang dibentuk oleh lapisan selenium (semikonduktor) dengan lapisan sangat tipis emas dan memiliki efisiensi dibawah 1 %.
Sel PV terbuat dari suatu jenis silikon yang mampu menghasilkan muatan listrik kecil bila terkena sinar matahari. Dalam penggunaannya, sel PV disusun saling berhubungan untuk menghasilkan energi yang lebih banyak dan daya yang besar yang dikenal dengan istilah panel atau modul PV. Arus yang dihasilkan dari sel PV pada umumnya adalah arus searah (Direct Current/DC),
tetapi dengan menggunakan inverter, arus ini dapat dibuat menjadi arus bolak-balik (Alternating Current/AC).
Ada tiga jenis sel fotovoltaik, yaitu :
1. Sel Monocystalline, adalah sel – sel fotovoltaik yang paling efisien tetapi juga yang paling mahal. Sel –sel ini terdiri dari satuan kristal hasil potongan dari silikon ingot.
2. Sel Polycrystalline, adalah sel - sel fotovoltaik yang terdiri dari sejumlah kristal kecil sehingga memiliki efisiensi yang sedikit lebih rendah dari sel Monocrystalline.
3. Sel Amorphous, adalah sel yang memiliki efisien yang paling rendah dan murah. Sel ini dibuat dengan menyebarkan silikon di atas material alternatif seperti baja tahan karat (stainless steel).
Mekanisme Konversi Energi
Konsep dasar konversi energi dari energi cahaya menjadi energi listrik terjadi akibat adanya perpindahan elektron bebas di dalam suatu atom. Banyaknya elektron bebas yang berpindah tergantung pada konduktivitas elektron / kemampuan transfer elektron dari suatu material.
Sel PV pada umumnya menggunakan material semikonduktor sebagai penghasil elektron bebas. Material semikonduktor adalah suatu material berbentuk padat (solid) yang memiliki konduktivitas elektrik yang cukup tinggi dan akan meningkat secara signifikan ketika temperaturnya bertambah tinggi. Konduktivitas elektrik suatu material bergantung pada elektron valensi atau elektron pada kulit terluar dari suatu atom. Hal ini yang menyebabkan penggunaan material semikonduktor sebagai bahan dasar dari sel PV. Contoh material semikonduktor yang umum digunakan pada sel PV adalah Silikon (Si) dan Germanium (Ge). Silikon yang digunakan biasanya dalam bentuk kristal, dan Germanium berada dalam bentuk padatan.
Ketika sebuah foton dari suatu sumber cahaya menumbuk suatu lempengan material semikonduktor, ada tiga proses yang terjadi yaitu :
1. Foton dapat melewati lempengan semikonduktor, biasanya terjadi pada foton dengan energi rendah.
2. Foton terpantul dari permukaan.
3. Foton diserap oleh lempengan semikonduktor yang menghasilkan panas atau menghasilkan pasangan elekron-lubang (hole).
Untuk memisahkan elektron valensi dari atom semikonduktor, dibutuhkan energi foton yang cukup besar yaitu lebih besar dari celah pita lempengan semikonduktor. Terlepasnya elektron ditentukan oleh energi yang diserap dari cahaya dan ikatan antara elektron terluar dengan atom inti. Ketika elektron terlepas, elektron akan bergerak bebas di dalam bidang kristal dan elektron tersebut akan bermuatan negatif yang akan bergerak ke daerah pita konduksi dari material semikonduktor. Struktur kristal yang kehilangan elektronnya akan terbentuk suatu “lubang (hole)” yang bermuatan positif.
Daerah semikonduktor yang bermuatan negatif (dengan elektron bebas) akan bertindak sebagai pendonor elektron yang disebut tipe negatif
(n-type). Untuk daerah semikonduktor yang bermuatan positif (dengan lubang) akan bertindak sebagai penerima elektron disebut tipe positif (p-type). Ikatan dari kedua sisi positif dan negatif (p-n junction) menghasilkan energi listrik internal yang akan mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak kearah yang berlawanan. Elektron akan bergerak ke sisi positif dan lubang (hole)
akan bergerak ke sisi negatif. Ketika kedua sisi positif dan negatif dihubungkan dengan sebuah beban (tahanan), maka akan tercipta sebuah arus listrik.
Efisiensi Energi Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)
Berdasarkan definisinya, efisiensi energi dari sistem fotovoltaik surya
(Solar Photovoltaic System/SPS) dinyatakan sebagai rasio dari daya keluar
(output) maksimal dari panel surya dengan daya intensitas matahari / radiasi matahari yang sampai di permukaan PV. Efisiensi energi PV dapat dihitung dengan persamaan [12][15]:
x 100% ... (2.1)
dimana : = Daya keluar (output) maksimal dari PV (W)
ST = Radiasi global Matahari jam-an (W/m2), dapat dianggap sama dengan radiasi Matahari STC (Standart Test Conditions) yang digunakan oleh pabrik yaitu 1000W/m2 dengan temperatur sel 25°C dan massa udara 1,5.
Daya keluar (output) dapat dinyatakan sebagai daya listrik maksimal yang dapat dihasilkan oleh SPS, dapat dihitung dengan persamaan [19]:
... (2.2)
dimana :
= Tegangan maksimum saat rangkaian terbuka (open-circuit) (Volt) = Arus maksimum saat rangkaian tertutup (close-circuit) (Ampere)
= Fill Factor
Persamaan Fill Factor (FF) menggunakan parameter tegangan rangkaian terbuka ( ) dari hasil pengukuran secara langsung pada panel surya pada karakteristik V-I suatu panel surya. Nilai fill factor umumnya terletak antara 0,7 – 0,85. Semakin besar nilai FF suatu panel surya, maka
kinerja panel surya tersebut semakin baik, dan akan memiliki efisiensi panel surya yang semakin tinggi. Nilai dari Fill Factor dapat dihitung dengan persamaan [19]:
... (2.3)
dimana nilai 0,72 merupakan konstanta untuk mendapatkan hasil yang akurat.
Estimasi Biaya yang dibutuhkan dalam sistem fotovoltaik
Untuk mengetahui jumlah biaya yang dikeluarkan dalam sistem panel surya ini, terlebih dahulu harus diketahui daya yang dibutuhkan / digunakan perharinya. Daya yang digunakan dapat diketahui dengan menghitung daya rata – rata perbulannya, dengan persamaan [9]:
. (2.4) Setelah diketahui penggunaan listrik perhari, maka dapat ditentukan output daya dari PV yang dibutuhkan perharinya dengan persamaan [9] :
... (2.5) Kapasitas daya modul fotovoltaik dapat diperhitungkan dengan memperhatikan beberapa faktor, yaitu kebutuhan energi sistem yang diinginkan, insolasi matahari, dan faktor penyesuaian (adjustment factor). Faktor penyesuaian untuk instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah 1,1[21].
Kapasitas daya modul dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut [21]:
... (2.6) Jumlah jam kerja matahari yang optimum berkisar antara 4 – 6 jam perharinya. Faktor penyesuaian adalah efisiensi dari suatu sistem yang digunakan sehingga bila efisiensi semakin besar maka harga yang dikeluarkan untuk sistem PV akan berkurang.
Jumlah modul yang digunakan yaitu [21]:
... (2.7) Estimasi biaya yang dikeluarkan untuk suatu sistem PV adalah [9]:
2.2 Elemen Peltier / Pendingin Termoelektrik (Thermo - Electric