TUGAS IV Pembangkit Listrik Tenaga Surya

(1)

TUGAS IV

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)

Oleh :

FEBRIANI WIJAYANTI NPM. 250120160011

Disusun untuk memenuhi mata kuliah Manajemen Energi dan Teknologi

PROGRAM STUDI MAGISTER ILMU LINGKUNGAN SEKOLAH PASCA SARJANA

(2)

1

1. Sebutkan perbedaan fungsi dari Solar Cell dengan Solar Water Heating dan Solar Furnaces.

Jawaban :

 Solar cell

adalah alat untuk mengkonversi energi dari cahaya matahari menjadi energi

listrik. Pada saat cuaca cerah kita dapat memperoleh daya yang cukup

untuk menghidupkan satu buah bola lampu 1000 W dari 1 m2 solar panel. Alat

ini pada awalnya dikembangkan dalam rangka untuk menyediakan kebutuhan

listrik untuk satelit.  Solar water heating

Alat ini menggunakan panas dari matahari untuk memanaskan air dalam gelas

panel diatas atap rumah. Ini berarti tidak lagi digunakan gas atau listrik yang

banyak untuk memanaskan air kebutuhan rumah tangga. Air dipompakan

melalui pipa pipa dalam suatu panel. Pipa di cat dengan cat hitam sehingga

dapat menyerap panas bila cahaya matahari mengenainya. Cara seperti ini

sangat membantu sekali dalam pembuatan sistem pemanasan sentral.

 Solar Furnances atau Tungku Surya menggunakan luasan yang sangat luas

dari susunan kaca untuk mengumpulkan energi cahaya matahari kedalam

ruangan yang sempit sebagai fokusnya dan menghasilkan temperatur yang

sangat tinggi.

2. Bahan apa yang digunakan untuk membuat Solar Cell dan bagaimana prinsip kerja Solar Cell tersebut ?

Jawaban :

Sel surya terdiri dari beberapa jenis bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor

sendiri merupakan bahan yang dapat mengantarkan arus listrik saat disuplai

dengan cahaya atau panas, tetapi pada suhu rendah akan beroperasi sebagai

insulator. Pada saat ini 95 persen dari sel surya di dunia dibuat dengan

menggunakan Sillikon (Si). Selain sebagai bahan terbanyak kedua di bumi, dalam

proses pengolahannya silikon tidak akan merugikan lingkungan. Dengan "hanya"

mendopingnya dengan bahan material lain (bahan bermuatan positif atau negatif),

(3)

2 telah di doping berbeda akan digabungkan dan menghasilkan p-n junction, seperti

tampak pada gambar 1.

Gambar 1 Model Sel Surya tipe crystalline

PEMILIHAN MATERIAL BAHAN

Syarat utama suatu sel surya dikatakan baik adalah mempunyai efisiensi tinggi,

murah dan dapat diandalkan. Banyak konfigurasi material bahan yang telah diajukan

dan didemonstrasikan dengan tingkat kesuksesan yang tinggi. Akan tetapi, untuk

mendapatkan hasil yang maksimum baik dari segi efisiensi; harga dan kehandalan,

masih banyak tantangan yang harus dipecahkan sampai dengan saat ini. Meskipun

demikian, ada beberapa kriteria dasar yang harus diperhatikan dalam setiap

penyusunan bahan material untuk pembuatan sel surya, sebagai berikut:

1. Stuktur permukaan didesain untuk mengurangi rugi-rugi refleksi, sebagai contohnya konstruksi permukaan sel berbentuk piramida sehingga cahaya yang

dating akan mengenai permukaan beberapa kali. Material yang dapat

digunakan dalam desain piramida ini diantaranya gallium arsenide (GaAs),

cadmium telluride (CdTe) atau copper indium selenide (CuInSe2).

2. Tandem atau Stacked Cells, dengan tujuan agar dapat digunakan pada spektrum radiasi lebar.

(4)

3 4. Gratzel cells, merupakan electrochemical liquid sel dengan titanium oxide

sebagai electrolytes dan dye untuk meningkatkan penyerapan cahaya.

Konfigurasi material yang sering digunakan dalam pembuatan sel surya adalah Solar sel Kristal-Si. Sel surya dibuat dari silikon yang berbentuk bujur sangkar pipih dengan ukuran 5 x 5 cm atau 10 x 10 cm persegi. Ketebalan silikon ini sekitar 2 mm.

Lempengan bujur sangkar pipih ini disebut dengan wafer silikon untuk sel surya.

Bentuk wafer silikon sel surya berbeda dengan wafer silikon untuk semikonduktor

lain (chip, prosesor komputer, RAM memori) yang berbentuk bundar pipih meski

memiliki ketebalan yang sama, dapat dilihat pada gambar.

Gambar 2 Wafer Silikon untuk Keperluan elektronika (bundar pipih) dan sel surya (persegi)

Wafer silikon ini dibuat melalui proses pembuatan wafer silikon dengan

memanfaatkan silikon berkadar kemurnian tinggi sebelumnya (semiconductor grade

silicon). Secara ringkas, penulis paparkan beberapa cara membuat wafer silikon

untuk keperluan sel surya.

a. Wafer silikon jenis monokristal.

Mono kristal di sini berarti silikon tersebut tersusun atas satu kristal saja. Sedangkan

jenis lain ialah wafer silikon polikristal yang terdiri atas banyak krstal. Wafer silikon

monokristal dibuat melalui proses Czochralski (Cz) yang merupakan jantung dari

proses pembuatan wafer silikon untuk semikonduktor pula. Prosesnya melibatkan

peleburan silikon semiconductor grade, diikuti dengan pemasukan batang umpan

silikon ke dalam leburan silikon. Ketika batang umpan ini ditarik perlahan dari

(5)

4 umpan dan membeku sebagai satu kristal besar silikon. Suhu proses berkisar antara

1000-1200 derajat Celsius, yakni suhu di mana silikon dapat

melebur/meleleh/mencair. Silikon yang telah membeku ini akhirnya

dipotong-potong menghasilkan wafer dengan ketebalan sekitar 2 milimeter.

Gambar 3 Reaktor tempat Pembuatan Wafer Silikon

(6)

5

Gambar 5 Wafer Silikon yang dihasilkan

Gambar 6 Sel Surya yang menggunakan bahan dasar silikon monokristal

b. Wafer silikon jenis polikristal.

Wafer silikon monokristal relatif jauh lebih sulit dibuat dan lebih mahal. Silikon

monokristal inilah yang digunakan untuk bahan dasar semikonduktor pada

mikrochip, prosesor, transistor, memori dan sebagainya. Keadaannya yang

monokristal (mengandung hanya satu kristal tunggal) membuat silikon monokristal

nyaris tanpa cacat dan sangat baik tingkat hantar listrik dan panasnya. Sel surya akan

bekerja dengan sangat baik dengan tingkat efisiensi yang tinggi jika menggunakan

(7)

6 Namun demikian, perlu diingat bahwa isu besar sel surya ialah bagaimana

menurunkan harga yang masih jauh dari jangkauan masyarakat. Penggunaan silikon

monokristal jelas akan melonjakkan harga sel surya yang akhirnya justru

kontraproduktif. Komunitas industri dan peneliti sel surya akhirnya berpaling ke

jenis silikon yang lain yang lebih murah, lebih mudah dibuat, meski agak sedikit

mengorbankan tingkat efisiensinya. Saat ini, baik silikon monokristal maupun

polikristal sama-sama banyak digunakan oleh masyarakat.

Gambar 7 Contoh aktifitas Peleburan Material

Gambar 8 Sel Surya Berbahan Baku Silikon Polikristal

Pembuatan silikon polikristal pada intinya sama dengan mengecor logam (lihat

(8)

7 tungku atau tanur bersuhu tinggi hingga melebur/meleleh. Leburan silikon ini

akhirnya dimasukkan ke dalam cetakan cor dan selanjutnya dibiarkan membeku.

Persis seperti pengecoran besi, aluminium, tembaga maupun logam lainnya. Silikon

yang beku kemudian dipotong-potong menjadi berukuran 5 x 5 atau 10 x 10 cm

persegi dengan ketebalan kira-kira 2 mm untuk digunakan sebagai sel surya. Proses

pembuatan silikon polikristal dengan cara ini merupakan proses yang paling banyak

dilakukan karena sangat efektif baik dari segi ekonomis maupun teknis.

Prinsip Kerja Sel Surya Konvensional Silikon

Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktir p-n junction.

Selterdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang membentuk p-n

junction,lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus

dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole).

Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan

V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain

semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga electron

valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut

mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p.

Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan

bermuatan negatif.Medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron

(9)

8 junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah

terbentuk dioda.

Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari

lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita

valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan

hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan

elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari

area-n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus

akan mengalir.

3. Apa yang dimaksud dengan efek photovoltaic ? Jawaban :

Efek photovoltaik yaitu efek yang terjadi akibat foton dengan panjang gelombang

tertentu yang jika energinya lebih besar daripada energi ambang semikonduktor,

maka akan diserap oleh elektron sehingga elektron berpindah dari pita

valensi menuju pita konduksi dan meninggalkan hole pada pita valensi, selanjutnya

dua buah muatan, yaitu pasangan elektron hole dibangkitkan.

Fenomena ini pertama kali diamati oleh Fisikawan Perancis AE Becquerel pada

tahun 1839 ketika ia mencoba untuk menghasilkan arus antara dua pelat platinum

dan emas, direndam dalam larutan dan terkena cahaya. Apa yang terjadi di sini

adalah bahwa, elektron pada pita valensi logam menyerap energi dari cahaya dan

setelah eksitasi melompat ke pita konduksi dan dengan demikian menjadi bebas

(10)

9 langsung berpindah dari satu bahan ke bahan lainnya yang berbeda dengan melintasi

ruang vakum seperti dalam kasus efek fotolistrik, yang lebih sulit. Sel surya

beroperasi pada konsep ini.

Gambar 3.1 Efek Photovoltaic

4. Hal apa yang merupakan kendala operasi dari PLTS, dan hal apa yang menentukan tingkat kehandalan dari suatu pembangkit ?

Jawaban :

Kendala operasi dari PLTS adalah sebagai berikut :

- Pembangkit tenaga listrik bersifat tidak tetap, menghasilkan listrik dengan daya

yang naik turun seiring dengan intensitas matahari, dan akan tidak beroperasi saat

malam hari. Hal ini menyebabkan total daya yang dihasilkan tidak sama dengan

daya yang tertera atau secara teoritis dapat dibangkitkan oleh sel tersebut

- Pembangkit listrik tenaga surya dalam skala besar tidak dapat memberikan daya

untuk sebuah daerah/pemakaian tanpa dibantu oleh sistem pembagkit listik tenaga

lainnya atau sistem penyimpanan karena sifatnya yang tidak tetap itu.

- Jika tidak didisain secara cermat, dapat terjadi ketidakseimbangan daya pada

saat sebagian dari sel surya tidak mendapat cahaya matahari

- Untuk mencapai tingkat efektivitas tertinggi dalam menghasilkan energi listrik,

panel sel surya harus ditempatkan pada tempat yang dapat bergerak mengikuti

arah matahari. Jika menggunakan penempatan yang tetap, maka sistem tidak

(11)

10 - Pembangkit listrik tenaga surya memerlukan tempat yang cukup luas, sehingga

biaya lokasi/tanah dapat menjadi mahal.

- Sistem pembangkit listrik tenaga surya berskala besar tidak efisien jika dibuat

untuk tempat-tempat yang mendapatkan sedikit sinar matahari

- Badai dapat merusak atau menghancurkan sel surya

Kehandalan merupakan suatu indikator tingkat kemampuan, kelancaran,

ketahanan maupun keamanan suatu pembangkit dalam operasinya untuk

memproduksi tenaga listrik sesuai keperluan / target yang telah direncanakan.

Hal-hal yang Menentukan Tingkat Kehandalan Dari Suatu Pembangkit Listrik

Tenaga Surya, adalah :

a. Daya mampu yang tersedia;

b. Fluktuasi dan kondisi beban;

c. Alat pengaman (proteksi);

d. Mutu pemeliharaan

Untuk mendukung kehandalan yang optimal maka perlu melaksanakan

pemeliharaan terhadap pembangkit. Semakin tinggi tingkat pemeliharaan dan

perhatian terhadap pembangkit tersebut, semakin tinggi pula kehandalannya.

Kendala operasi dari solar power supply sangat terpengaruh oleh keadaan

cuaca, karena besarnya arus dan tegangan output berbanding lurus dengan

penyinaran cahaya pada cell serta rendahnya effisiensi dari cell. Solar power

supply harus ditempatkan pada tempat-tempat yang dapat menampung sinar

matahari secara maksimum sejak matahari terbit sampai tenggelam (pada area

terbuka).

5. Usaha apa yang dapat dilakukan untuk memperbesar tegangan dan meningkatkan kemampuan arus yang dihasilkan oleh sejumlah Solar Cell ? Jawaban :

Untuk memperbesar tegangan yang dihasilkan maka beberapa solar cell

dihubungkan secara seri, dan untuk meningkatkan kemampuan arus maka

masing-masing rangkaian seri tersebut diparalelkan. Susunan dari beberapa solar cell

(12)

11 Untuk mendapatkan arus listrik yang lebih besar dari pada keluaran arus listrik

dari setiap modul surya, maka modul surya dihubungkan secara parallel, dengan

cara menghubungkan kutub-kutub yang sama (kutub negatif saling dihubungkan

dan kutub positif juga saling dihubungkan). Apabila masing-masing modul surya

mempunyai tegangan kerja 15 Volt dan menghasilkan arus listrik sebesar

masing-masing 3Ampere, kemudian ketiganya dihubungkan secara parallel maka akan

didapatkan arus listrik total sebesar 9 Ampere sedangkan tegangan total akan

sama dengan tegangan masing-masing modul surya yaitu 15 Volt.