Pembangkitan Tenaga Surya

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), adalah pembangkit yang memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber penghasil listrik. Alat utama untuk menangkap, perubah dan penghasil listrik adalah Photovoltaic atau yang disebut secara umum Modul / Panel Solar Cell. Dengan alat tersebut sinar matahari dirubah menjadi listrik melalui proses aliran-aliran elektron negatif dan positif didalam cell modul tersebut karena perbedaan electron. Hasil dari aliran elektron-elektron akan menjadi listrik DC yang dapat langsung dimanfatkan untuk mengisi battery / aki sesuai tegangan dan ampere yang diperlukan. Rata-rata produk modul solar cell yang ada dipasaran menghasilkan tegangan 12 s/d 18 VDC dan ampere antara 0.5 s/d 7 Ampere. Modul juga memiliki kapasitas beraneka ragam mulai kapsitas 10 Watt Peak s/d 200 Watt Peak juga memiliki type cell monocrystal dan polycrystal. Komponen inti dari sistem PLTS ini meliputi peralatan : Modul Solar Cell, Regulator / controller, Battery / Aki, Inverter DC to AC, Beban / Load. Perusahaan kami telah mengembangkan beberapa produk PLTS yang digunakan untuk rumah tangga dengan skala kecil, contoh paket produk kami adalah Penerangan Listrik Rumah (PLR).
Secara sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari maka akan terjadi aliran electron, nah aliran electron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari solar cell adalah seperti ditunjukkan dalam gambar 1

Gambar 1. Struktur lapisan tipis solar sel secara umum

Bagian utama perubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian, masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari solar cell. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spectrum dapat dilihat pada gambar 2. Oleh karena itu absorber disini diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang berasal dari cahaya matahari.

Gambar 2. Spektrum radiasi sinar matahari

Lebih detail lagi bisa dijelaskan sinar matahari yang terdiri dari photon-photon, jika menimpa permukaaan bahan solar sel (absorber), akan diserap, dipantulkan atau dilewatkan begitu saja (lihat gambar 3), dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan electron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan utk mengeluarkan electron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan electron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc/v harus sedikit lebih besar atau diatas daripada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka extra energi tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar sel. Karenanya sangatlah penting pada solar sel untuk mengatur bahan yang dipergunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul dari semikonduktor yang dipergunakan.

Gambar 3. Radiative transition of solar cell

Tentu saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan remombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya.

Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan range yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai energi sangat bermacam-macam tersebut. Salah satu bahan yang sedang banyak diteliti adalah CuInSe₂ yang dikenal merupakan salah satu dari direct semiconductor.

SPESIFIKASI SEL SURYA

Dasar Sel Surya

Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silikon—berperan sebagai insulator

pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Sebuah Silikon Sel

Surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari lapisan atas silikon tipe n (silicon doping3 of

“phosphorous”), dan lapisan bawah silikon tipe p (silicon doping of “boron”).

Gambar 5. Diagram dari sebuah potongan Seln Surya (PV sel)

Sebuah proses yang menambahkan sejumlah bahan phosphorous dan buron ke bahan silikon murni, untuk menciptakan ketidak seimbangan antar atom silikon, phosphorous dan buron, sehingga menyebabkan terjadinya reaksi photovoltaic. (semikonduktor mempunyai atom yang berkategori 3, 4 & 5 elektron; sedangkan silikon = 4 elektron, phosphorous = 5 elektron, buron = 3 elektron). Elektron-elektron bebas terbentuk dari million photon atau benturan atom pada lapisan penghubung (junction= 0.2-0.5 micron4) menyebabkan terjadinya aliran listrik.

Perkembangan Sel Surya

Pengembangan Sel Surya Silikon secaraIndividu (chip) :

a. Mono-crystalline (Si)

Dibuat dari silikon kristal tunggal yangdidapat dari peleburan silikon dalam bentuk

bujur. Sekarang Mono-crystalline dapatdibuat setebal 200 mikron, dengan nilai

effisiensi sekitar 24%.

b. Poly-crystalline/Multi-crystalline (Si)

Dibuat dari peleburan silikon dalam tungkukeramik, kemudian pendinginan perlahan

untuk mendapatkan bahan campuran silikonyang akn timbul diatas lapisan silikon. Sel ini

kurang efektif dibanding dengan sel Polycrystalline( efektivitas 18% ), tetapi beaya

lebih murah.c. Gallium Arsenide (GaAs)Sel Surya III-V semikondu

ktor yang sangat

efisien sekitar 25%.

Sel Surya Silikon Terpadu “Thin Film”

a. Amorphous Silikon (a-Si)

Banyak dipakai pada jam tangan dankalkulator, sekarang dikembangkan untuk

sistim bangunan terpadu sebagai penggantitinted glass yang semi-transparan.

b. Thin Film Silikon (tf-Si)

Dibuat dari thin-crystalline atau polycrystallinepada grade bahan metal yang

cukup murah (cladding system).

c. Cadmium Telluride (CdTe)

Terbentuk dari bahan materi thin film polycrystalline secara deposit, semprot, dan

evaporasi tingkat tinggi. Nilai efisiensi 16%

d. Copper Indium Diselenide (CulnSe2/CIS)

Merupakan bahan dari film tipis polycrystalline. Nilai efisiensi 17.7%.

e. Chalcopyrites [Cu(In,Ga)(S,Se)2]5

f. Electrochemical Cells.

Sebuah Sel Surya dalam menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari menjadi

photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang Silikon, dan secara konstan akan

menghasilkan energi berkisar ± 0.5 volt — max. 600 mV pada 2 amp6, dengan kekuatan radiasi solar matahari 1000 W/m2 = ”1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm2 per sel surya. Pada grafik I-V Curve dibawah yang menggambarkan keadaan sebuah Sel Surya beroperasi secara normal. Sel Surya akan menghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan I

m juga maximum. Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt = nol; Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar matahari. Voc adalah volt maximum pada nilai arus nol; Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari, karakter ini yangme

mungkinkan Sel Surya untuk mengisi accu.

Gambar 6. Grafik I-V Curve

Isc = short-circuit current

Vsc = open-circuit voltage

Vm = voltage maximum power

Im = current maximum power

Pm = Power maximum-output dari PV array (watt)

Faktor Pengoperasian Sel Surya

Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada :
a. ambient air temperature
b. radiasi solar matahari (insolation)
c. kecepatan angin bertiup

d. keadaan atmosfir bumi
e. orientasi panel atau array PV
f. posisi letak sel surya (array) terhadapmatahari (tilt angle )
a. Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secaramaximum jika temperatur sel tetap normal
(pada 25 derajat Celsius), kenaikantemperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada PV sel akan melemahkan voltage (Voc). Setiap kenaikan temperatur Sel Surya 1 derajat celsius (dari 25 derajat) akanberkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan8 atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur Sel per 10derajad C.

Gambar 7. Effect of Cell Temperature on Voltage (V)

b. Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariable, dan sangat tergantung
keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt.

Gambar 8. Effect of Insolation Intensity on Current (I)

c. Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV array dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array.
d. Keadaan atmosfir bumi—berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara
(Rh), kabut dan polusi sangat mementukan hasil maximum arus listrik dari deretan PV.
e. Orientasi dari rangkaian PV (array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar
panel/deretan PV dapat menghasilkan energi maximum. Selain arah orientasi, sudut
orientasi (tilt angle) dari panel/deretan PV juga sangat mempengaruhi hasil energi
maximum (lihat penjelasan tilt angle). Sebagai guidline: untuk lokasi yang terletak
di belahan Utara latitude, maka panel/deretan PV sebaiknya diorientasikan ke Selatan,
orientasi ke Timur—Barat walaupun juga dapat menghasilkan sejumlah energi dari
panel-panel/deretan PV, tetapi tidak akanmendapatkan energi matahari optimum.
f. Tilt Angle (sudut orientasi Matahari) Mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maximum ± 1000 W/m2 atau 1 kW/m2. Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan bidang PV, maka extra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap sun altitude yang berubah setiap jam dalam sehari).

Solar Panel PV pada Equator (latitude 0 derajat) yang diletakkan mendatar (tilt angle = 0) akan menghasilkan energi maximum, sedangkan untuk lokasi dengan latitude berbeda harus dicarikan “tilt angle” yang optimum. Perusahaan BP Solar telah mengembangkan sebuah software untuk menghitung & memperkirakan energi optimum dengan letak latitude, longitude, dan optimum tilt angle untuk setiap lokasi diseluruh dunia.

Gambar 9. Extra Luasan Panel PV dalam posisi datar

Photovoltaics (PV) Generator
Agar dapat memperoleh sejumlah voltage atau ampere yang dikehendaki, maka umumnya
masing-masing sel surya dikaitkan satu sama lainnya baik secara hubungan “seri” ataupun
secara “pararel” untuk membentuk suatu rangkaian PV yang lazim disebut “Modul”.
Sebuah modul PV umumnya terdiri dari 36 sel surya atau 33 sel, dan 72 sel.
Beberapa modul pv dihubungkan untuk membentuk satu rangkaian tertentu disebut “PV

Panel” , sedangkan jika berderet-deret modul pv dihubungkan secara baris dan kolom disebut “PV Array”.Gambar 10. Diagram Hubungan Sel Surya, Modul,Panel & Array

Hubungan sel-sel surya dalam Modul dapat dilakukan secara “Seri” untuk mendapatkan
varian voltage umumnya 12V, dan secara “Pararel” untuk mendapatkan varian “Arus
Listrik” (current).

Hubungan Modul-modul PV pada Array juga dapat dihubungkan secara “Seri” untuk mendapatkan voltage yang tinggi, dan dihubungkan secara “Parerel” untuk mendapatkan amps yang besar.Gambar11. Diagram Rangkaian Modul PV dalamArray.

Photovoltaic (PV) System

Aliran listrik yang didapat dari panel/deretan PV akan berupa listrik DC—direct current, kemudian disimpan ke accu, dan sebagian listrik DC dirubah ke AC—alternating current dengan alat inverter (DC dirubah ke AC) untuk dipakai dengan alat “household”—lemaries, TV, lampu-lampu, pompa air, dsb., kemudian sebagian DC dapat dipakai langsung untuk sebagian alat dengan spesifikasi DC.
Ada 3 Sistim Rangkaian PV :
1. Sistim DC semua. (gambar 12)
2. Sistim DC dan AC (gambar 13)
3. Sistim interaktip DC, AC dan jaringan listrik
lokal PLN. (gambar 14)

Gambar 12. Sistim dan Beban dengan DC

Gambar 13. Sistim DC dan AC

Gambar 14. Interaktip DC, AC, dan Jaringan lokal PLN