SOAL DAN TUGAS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA Mata Kuliah Manajemen Energi & Teknologi Dosen : Totok Herwanto DISUSUN OLEH : IID MOH. ABDUL WAHID 250120140017 MAGISTER ILMU LINGKUNGAN UNIVERSITAS PADJAJARAN 2014
SOAL : 1. Sebutkan perbedaan fungsi dari Solar Cell dengan Solar Water Heating dan Solar Furnaces. JAWAB : Perbedaannya adalah : - Solar cell untuk merobah 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 - 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 bagaiman prinsip kerja Solar Cell tersebut? JAWAB : 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), silikon dapat digunakan untuk memproduksi sel surya. Dua layer silikon yang telah di doping berbeda akan digabungkan dan menghasilkan p-n junction, seperti tampak pada gambar 1. Manajemen Energi & Teknologi 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. 3. MIS Inversion Layer Cells, medan listrik di dalam sel tidak diproduksi oleh p-n junction, tetapi oleh junction thin oxide layer di semikonduktor. 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. Manajemen Energi & Teknologi 2
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 leburan silikon, maka secara otomatis silikon dari leburan akan mennempel di batang 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. Manajemen Energi & Teknologi 3
Gambar 3 Reaktor tempat Pembuatan Wafer Silikon Gambar 4 Keadaan Silikon yang tengah ditarik oleh batang pengumpan Manajemen Energi & Teknologi 4
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 silikon jenis ini. 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 kontraprduktif. Komunitas industri dan peneliti sel surya akhirnya berpaling ke jenis silikon yang Manajemen Energi & Teknologi 5
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 Gambar di bawah). Semiconductor grade silicon dimasukkan ke dalam sebuah 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 Manajemen Energi & Teknologi 6
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 Vsehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lainsemikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektronvalensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebutmengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehinggaarea doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif.medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n danhole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkankontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda. Manajemen Energi & Teknologi 7
Ketka junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebarpita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pitakonduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapatbergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabiladitempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembalike area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir. 3. Apa yang dimaksud dengan efek photovoltaic? JAWAB : Modul surya (fotovoltaic) adalah sejumlah sel surya yang dirangkai secara seri dan paralel, untuk meningkatkan tegangan dan arus yang dihasilkan sehingga cukup untuk pemakaian sistem catu daya beban. Untuk mendapatkan keluaran energi listrik yang maksimum maka permukaan modul surya harus selalu mengarah ke matahari. Komponen utama sistem surya photovoltaic adalah modul yang merupakan unit rakitan beberapa sel surya photovoltaic. Untuk membuat modul photovoltaic secara pabrikasi bisa menggunakan teknologi kristal dan thin film. Modul photovoltaic kristal dapat dibuat dengan teknologi yang relatif sederhana, sedangkan untuk membuat sel photovoltaic diperlukan teknologi tinggi. Modul photovoltaic tersusun dari beberapa sel photovoltaic yang dihubungkan secara seri dan parallel. Manajemen Energi & Teknologi 8
4. Hal apa yang merupakan kendala operasi dari PLTS, dan hal apa yang menentukan tingkat kehandalan dari suatu pembangkit? JAWAB Kendala utama yang dihadapi dalam pengembangan energi surya fotovoltaik adalah investasi awal yang besar dan harga per kwh listrik yang dibangkitkan relatif tinggi, karena memerlukan subsistem yang terdiri atas baterai, unit pengatur dan inverter sesuai dengan kebutuhannya. Hal yang Menentukan Tingkat Kehandalan Dari Suatu Pembangkit Listrik Tenaga Surya, adalah Kehandalan merupakan suatu indikator tingkat kemampuan, kelancaran, ketahanan maupun keamanan suatu pembangkit dalam operasinya untuk memproduksi tenaga listrik sesuai keperluan / target yang telah direncanakan. Tingkat kehandalan suatu pembangkit biasanya tergantung dari : Daya mampu yang tersedia Fluktuasi dan kondisi beban Alat pengaman (proteksi) 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? JAWAB : 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 Manajemen Energi & Teknologi 9
dari beberapa solar sel dinamakan modul dan susunan beberapa modul disebut array atau panel. TUGAS 2 Untuk keperluan suatu rumah tangga pada suatu daerah rural diperlukan Pembangkit Listrik Tenaga Surya dengan uraian sebagai berikut: NO JENIS BEBAN WAKTU PENGOPERASIAN SIANG MALAM 1 7 buah TL 10 Watt, 220 V 12 Jam 2 3 buah TL 40 Watt, 220 V 6 Jam 3 1 buah TV 35 Watt, 220 V 3 Jam 6 Jam 4 1 buah pompa air 300 Waat, 220 V 4 Jam 2 Jam 5 1 buah radio tape 30 Watt, 220 V 4 Jam 3 Jam Kebutuhan tersebut akan disuplai dari dengan menggunakan Modul Solar Cell Photovoltaic (PLTS) dengan data sebagai berikut : Luas efektif modul = 0,3376 m 2 Daya maksimum modul = 18,7 W Efisiensi modul = 10 % Intensitas Cahaya rata rata = 4.450 W/m 2 Tegangan kerja arus searah = 24 volt Tegangan kerja arus bolak balik = 220 volt Untuk kontinuitas pelayanan beban, cadangan energi disediakan (ditambahkan) dalam baterai 25 % kebutuhan energi keseluruhan. Hitunglah : a. Kebutuhan energi keseluruhan... dalam Wh b. Luas panel sel surya... (m2) c. Jumlah modul untuk panel surya... (buah) d. Daya yang dibangkitkan oleh PLTS... (W) JAWAB : Seluruh energi yang dipakai adalah : = (7x10 watt x 12 jam)+(3x 40 watt x 6 jam) + (1x 35 watt x 9jam) + (1x300 watt x 6 jam)+(1x 30 watt x 7 jam) = 3.885 Wh Manajemen Energi & Teknologi 10
Untuk cadangan dalam baterai sebesar 25 % sehingga perhitungannya menjadi : 25 % x 3.885 Wh = 971,25 Wh. Total energi yang dibutuhkan menjadi : = 3.885 Wh + 971,25 Wh = 4.856,25 Wh. Luas panel surya: Aa = E / Iav x ηm = 4.856,25 Wh / 4.450 x 10% = 10,91 m 2 Jumlah modul untuk panel surya : n = Aa / Acm = 10,91 m 2 / 0.3376 = 32,3 atau 32 buah Daya yang dibangkitkan : P = n x Pm = 32 x 18,7 Watt = 596 Watt Manajemen Energi & Teknologi 11