ENERGI SURYA DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA. TUGAS ke 5. Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Managemen Energi dan Teknologi

Transkripsi

1 ENERGI SURYA DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA TUGAS ke 5 Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Managemen Energi dan Teknologi Oleh : ZUMRODI NPM. : MAGISTER ILMU LINGKUNGAN UNIVERSITAS PADJADJARAN 2015

2 Tugas ke 5 Mata Kuliah Manangemen Energi dan Teknologi PSMIL Unpad 2015 Kelas Bappenas A. Bagian 1 1. Sebutkan perbedaan fungsi dari Solar Cell dengan Solar Water Heating dan Solar Furnaces. 2. Bahan apa yang digunakan untuk membuat Solar Cell dan bagaiman prinsip kerja Solar Cell tersebut? 3. Apa yang dimaksud dengan efek photovoltaic? 4. Hal apa yang merupakan kendala operasi dari PLTS, dan hal apa yang menentukan tingkat kehandalan dari suatu pembangkit? 5. Usaha apa yang dapat dilakukan untuk memperbesar tegangan dan meningkatkan kemampuan arus yang dihasilkan oleh sejumlah Solar Cell? B. Bagian 2 Untuk keperluan suatu rumah tangga pada suatu daerah rural diperlukan Pembangkit Listrik Tenaga Surya dengan uraian sebagai berikut: NO JENIS BEBAN WAKTU OPERASI SIANG buah TL 10 Watt, 220 V 3 buah TL 40 Watt, 220 V 1 buah TV 35 Watt, 220 V 1 buah pompa air 300 Waat, 220 V 1 buah radio tape 30 Watt, 220 V 3 Jam 4 Jam 4 Jam MALAM 12 Jam 6 Jam 6 Jam 2 Jam 3 Jam Kebutuhan tersebut akan disuplai dari dengan menggunakan Modul Solar Cell Photovoltaic (PLTS) dengan data sebagai berikut : Luas efektif modul (Acm) 0,3376 m2 Daya maksimum modul (Pm) 18,7 W Efisiensi modul (ηm) 10 % Intensitas Cahaya rata rata (Iav) W/m2 Tegangan kerja arus searah (VDC) 24 volt Tegangan kerja arus bolak balik (VAC) 220 volt Untuk kontinuitas pelayanan beban, cadangan energi disediakan (ditambahkan) dalam baterai 25 % kebutuhan energi keseluruhan. Hitunglah : a. Kebutuhan energi keseluruhan... b. Luas panel sel surya... c. Jumlah modul untuk panel surya... d. Daya yang dibangkitkan oleh PLTS... dalam Wh (m2) (buah) (W) Jawab A. Bagian 1 1. Perbedaan fungsi dari Solar Cell dengan Solar Water Heating dan Solar Furnaces 2

3 o Solar Cell Sel surya (solar cell) merupakan suatu alat yang digunakan untuk merubah cahaya langsung menjadi 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. Sekarang kebanyakan kalkulator sudah menggunakan Solar Cell sebagai sumber dayanya. Gambar 1.1 Kalkulator dengan sumber energi dari sel surya o Solar Water Heating Surya termal adalah teknologi yang mengubah radiasi matahari menjadi energi panas dengan menggunakan alat pengumpul panas atau yang biasa disebut Kolektor surya. Kolektor surya merupakan piranti utama dalam system surya termal yang berfungsi mengumpulkan dan menyerap radiasi sinar matahari dan mengkonversinya menjadi energi panas. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan pada berbagai aplikasi yang membutuhkan panas. Kolektor surya pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : (1) Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan; (2) Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari; (3) Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja. (4) Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan; dan (5) Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor. 3

4 Gambar 1. Solar Water Heater. Alat ini menggunakan panas dari matahari untuk memanaskan air dalam gelas panel diatas atap rumah. 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. o Solar Furnaces Prinsip kerja kompor parabola ini mirip dengan kolektor parabola/konsentrator. Kompor parabola terdiri atas sekumpulan cermin pemantul yang disusun berbentuk para bola dan dilengkapi dengan tempat panci di titik focus parabola yang berfungsi sebagai receiver. Cermin parabola akan memfokuskan sinar radiasi surya ke arah panci untuk memasak makanan yang ada di dalam panci 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. Di Odellio, Perancis terdapat satu Solar Tungku ini sebagai tempat eksperimen ilmiah yang dapat mencapai temperatur C Gambar 1.3 Contoh solar furnace/tungku surya 2. Bahan apa yang digunakan untuk membuat Solar Cell dan bagaiman prinsip kerja Solar Cell tersebut? Energi radiasi surya dapat dirubah menjadi arus listrik searah dengan menggunakan lapisan2 tipis dari silikon (Si) murni atau bahan semikondutor lainnya, seperti pada 4

5 gambar dibawah ini. Solar Cell atau Sel Surya Photovoltaic merupakan suatu alat yang dapat merubah energi sinar matahari secara langsung menjadi energi listrik. Gambar 2.1 Sel surya Menurut azasnya sel tersebut merupakan suatu dioda semi konduktor yang bekerja menurut proses khusus yang dinamakan proses tak seimbang (non equilibrium process) dan berlandaskan efek photovoltaic (efek yang dapat mengubah langsung cahaya matahari menjadi energi listrik), dimana prinsip ini ditemukan oleh Bacquerel berkebangsaan Perancis pada tahun Solar Cell dapat menghasilkan tegangan antara 0,5 dan 1 volt tergantung intensitas cahaya dan zat semi konduktor yang dipakai. Solar Cell yang pada umumnya mempunyai ketebalan minimum 0.3 mm terbuat dari irisan bahan semi konduktor dengan kutup positip dan negatip, dimana prinsip kerjanya dengan memanfaatkan efek photovoltaic seperti yang diterangkan di atas. 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. 5

6 Gambar 2.2 Pergerakan elektron dalam semikonduktor 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. 3. Apa yang dimaksud dengan efek photovoltaic? Apabila suatu bahan semikonduktor seperti misalnya bahan silikon diletakkan dibawah penyinaran matahari, maka bahan silikon tersebut akan melepaskan sejumlah kecil listrik yang biasa disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik adalah pelepasan elektron dari permukaan metal yang disebabkan penumbukan cahaya. Effek ini merupakan proses dasar fisis dari fotovoltaik merubah energi cahaya menjadi listrik. Cahaya matahari terdiri dari partikel-partikel yang disebut sebagai photons yang mempunyai sejumlah energi yang besarnya tergantung dari panjang gelombang pada solar spectrum. Pada saat photon menumbuk sel surya maka cahaya tersebut akan dipantulkan atau diserap atau mungkin hanya diteruskan. Cahaya yang diserap membangkitkan listrik. Pada saat terjadinya tumbukan energi yang dikandung oleh photon ditransfer pada elektron yang terdapat pada atom sel surya yang merupakan bahan semikonduktor. Dengan energi yang didapat dari photon, elektron melepaskan diri dari ikatan normal bahan semikonduktor dan menjadi arus listrik yang mengalir dalam rangkaian listrik yang ada. Dengan melepaskan dari ikatannya, elektron tersebut menyebabkan terbentuknya lubang atau hole. 6

7 Gambar 3.1 Ilustrasi semikonduktor dalam efek fotovoltaik 4. Hal apa yang merupakan kendala operasi dari PLTS, dan hal apa yang menentukan tingkat kehandalan dari suatu pembangkit : Beberapa hal yang menjadi kendal PLTS : a. Memiliki ketergantungan pada cuaca. Saat mendung kemampuan panel surya menangkap sinar matahari tentu akan berkurang. Akibatnya, PLTS tidak bisa digunakan secara optimal. Karena saat mendung kemampuan PLTS menyimpan energi berkurang sekitar 30%. b. Harga modul surya (skala kecil) masih mahal sehingga biaya pembangkitan yang dihasilkan juga mahal. Yaitu mencapai Rp. 11 milyar per MW. Jika PLTS nanti kapasitasnya 30 MW, berarti biaya yang dibutuhkan Rp 330 Milyar. c. Memerlukan area yang luas untuk pemasangan modul surya untuk mendapatkan daya keluaran yang tinggi. d. Modul surya memiliki efisiensi konversi yang rendah dibandingkan jenis pembangkit lainnya. e. Solar panel mengambil sedikit ruang atap dan tidak menyenangkan untuk dilihat. 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 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 7

8 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 yang dapat dilakukan untuk memperbesar tegangan dan meningkatkan kemampuan arus yang dihasilkan oleh sejumlah Solar Cell. Satu sel surya fotovoltaik akan memberikan tegangan sekitar 0,5V keluaran, angka ini sangat rendah untuk sebuah pemakaian komersial. Maka untuk itu, sejumlah sel fotovoltaik dihubungkan secara seri menjadi sebuah modul fotovoltaik. Konfigurasi standar dari sebuah modul adalah terdiri atas 36 atau 40 buah sel fotovoltaik dengan dimensi 10x10 cm yang dihubungkan secara seri. Ini berarti bahwa akan terjadi suatu tegangan 18 V, yang cukup untuk mengisi sebuah baterai 12V nominal. Sel Fotovoltaik yang dihubungkan secara seri dibungkus untuk membentuk sebuah kesatuan mekanik. Kesatuan seperti ini dinamakan sebuah modul fotovoltaik. Modul memberikan perlindungan yang layak terhadap pengaruh-pengaruh pengkaratan, hujan dan lain-lainnya. Modul standar dapat dipergunakan untuk bermacam-macam pemakaian, juga untuk sistem-sistem dengan baterai atau tanpa baterai. Jika suatu aplikasi khusus memerlukan suatu tegangan / arus yang lebih tinggi yang akan dibekali oleh sebuah modul, maka modul dapat digabungkan secara seri, dan membentuk suatu susunan pararel untuk mendapatkan tegangan atau arus yang dibutuhkan. Untuk memperbesar tegangan yang dihasilkan maka beberapa solar cell di hubungankan secara seri, dan untuk menaikkan kemampuan arus maka masing-masing rangkaian seri tersebut diparalelkan. Susunan dari beberapa solar sel dinamakan modul dan susunan beberapa modul disebut array atau panel. 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 3 Ampere, 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. 8

9 Gambar 5.1 : Susunan Paralel Modul Untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan, beberapa modul surya dihubungkan secara seri yaitu dengan cara menghubungkan kutub positif dan kutub negatif. Tegangan total yang didapatkan dengan cara menghubungkan seri tiga buah modul masing masing mempunyai tegangan 5 Volt adalah merupakan jumlahan ketiganya yaitu 15 Volt. Akan tetapi arus listrik total yang dihasilkan adalah sama dengan masing arus setiap modul yaitu 3 Ampere. Gambar 5.2 : Susunan Seri Modul Surya B. Bagian 2 a. Kebutuhan energi keseluruhan (E dalam Wh) 9

10 E n. P.t (7x10x12)+(3x40x6)+(1x35x9)+(1x300x6)+(1x30x7) 3885 Wh Energi cadangan sebesar 25% dari pemakaian Ecad 3885x25% 971,25 Wh Pemakaian energi listrik keseluruhan Etot E + Ecad , ,25 Wh b. Luas panel sel surya ( Aa dalam m2) Aa E / (Iav x ηm) 4856,25 / (4.450 x 10%) 10,91 11 M2 (pembulatan) c. Jumlah modul untuk panel surya (buah) Aa Aa / Acm 11 / 0, ,33 32 buah d. Daya yang dibangkitkan oleh PLTS (W) P n x Pm 32 x 18,7 W 596 W Bandung, 26 Oktober