Kamis, 22 September 2016
Sabtu, 27 Februari 2016
“PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA”
Kondisi bumi kita kian lama kian mengenaskan karena tercemarnya lingkungan dari efek rumah kaca (greenhouse effect) yang menyebabkan global warming, hujan asam rusaknya lapisan ozon hingga hilangya hutan tropis. Semua jenis polutan itu rata-rataakibat dari penggunaan bahan bakar fosil seperti minyak bumi, uranium, plutonium, batu bara dan lainya yang tiada hentinya. Padahal kita tahu bahwa bahan bakar fosil tidak dapat diperbaharui, tidak seperti bahan bakar non fosil. Dengan kondisi yang sudah sedemkian memperhatinkan, gerakan hemat energy sudah merupakan keharusan di seluruh dunia. Salah satunya dengan menghemat bahan bakar dan menggunakan bahan bakar non-fosil yang dapat diperbaharui seperti tenaga angin, tenaga air, energy panas bumi, tenaga matahari, dan lainya. Duniapun sudah mulai merubah tren produksi dan penggunaan bahan bakarnya, dari bahan bakar fosil beralih ke bahan bakar non-fosil, terutama tenaga surya yang tidak terbatas. PLTS adalah salah satu pembangkit listrik yang sangat sederhana dan mudah dipasang dirumah, Sehingga PLTS merupakan salah satu sarana untuk memenuhi kebutuhan masyarakat akan listrik yang sangat ramah lingkungan. Mengingat Indonesia merupakan daerah tropis, maka sangatlah baik jika PLTS dikembangkan dengan sungguh-sungguh.
PLTS tidak terlepas dari penemuan teknologi sel surya berbasis silikon pada tahun 1941. Ketika itu Russell Ohl dari Bell Laboratory mengamati silikon polikristalin akan membentuk buit in junction, karena adanya efek segregasi pengotor yang terdapat pada leburan silikon. Jika berkas foton mengenai salah satu sisi junction, maka akan terbentuk beda potensial di antara junction, dimana elektron dapat mengalir bebas. Sejak itu penelitian untuk meningkatkan efisiensi konversi energi foton menjadi energi listrik semakin intensif dilakukan. Berbagai tipe sel surya dengan beraneka bahan dan konfigurasi geometri pun berhasil dibuat.
Indonesia adalah negara tropis yang hanya mengalami dua musim, panas dan hujan. Matahari akan bersinar sepanjang tahun, meskipun pada musim hujanintensitasnya berkurang. Kondisi iklim ini menyebabkan matahari dapat menjadialternatif sumber energi masa depan di Indonesia. Selain matahari, Indonesia jugamempunyai cadangan minyak dan gas bumi yang relatif banyak. Sebagian telahdieksploitasi. Masalahnya minyak dan gas bumi adalah sumber energi yang tidak terbaharui. Tanpa pemakaian yang bijaksana suatu saat sumber tersebut akan habis.Selain itu, pembakaran minyak dan gas bumi menimbulkan polusi udara. Ketika isu lingkungan makin keras disuarakan oleh kelompok ‘hijau’, sumber energi yang ramah lingkungan dan terbarui menjadi aset berharga. Apalagi penggunaan energisurya Indonesia saat ini masih kurang dari 5% total pemakaian energi nasional.kondisi bumi kita kian lama kian mengenaskan karena tercemarnya lingkungan dariefek rumah kaca (green house effect) yang menyebabkan global warming, hujanasam, rusaknya lapisan ozon hingga hilangnya hutan tropis. Semua jenis polusi iturata-rata akibat dari penggunaan bahan bakar fosil seperti minyak bumi, uranium, plutonium, batu bara dan lainnya yang tiada hentinya.
Padahal kita tahu bahwa bahan bakar dari fosil tidak dapat diperbaharui, tidakb seperti bahan bakar non-fosil.Dengan kondisi yang sudah sedemikian memprihatinkan, gerakan hemat energisudah merupakan keharusan di seluruh dunia. Salah satunya dengan hemat bahan bakar dan menggunakan bahan bakar dari non-fosil yang dapat diperbaharui sepertitenaga angin, tenaga air, energi panas bumi, tenaga matahari, dan lainnya. Dunia pun sudah mulai merubah tren produksi dan penggunaan bahan bakarnya, dari bahan bakar fosil beralih ke bahan bakar non-fosil, terutama tenaga surya yang tidak terbatas. Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) akan lebih diminati karenadapat digunakan untuk keperluan apa saja dan di mana saja : bangunan besar, pabrik, perumahan, dan lainnya. Selain persediaannya tanpa batas, tenaga surya nyaris tanpa dampak buruk terhadap lingkungan dibandingkan bahan bakar lainnya.Di negara-negara industri maju seperti Jepang, Amerika Serikat, dan beberapa negara di Eropadengan bantuan subsidi dari pemerintah telah diluncurkan program-program untuk memasyarakatkan listrik tenaga surya ini. Tidak itu saja di negara-negara sedang berkembang seperti India, Mongol promosi pemakaian sumber energi yang dapatdiperbaharui ini terus dilakukan. Untuk lebih mengetahui apa itu pembangkit listrik tenaga surya atau kami singkat dengan PLTS maka dalam tulisan ini akan di jelaskan secara singkat komponen-komponen yang membentuk PLTS, sistem kelistrikan tenaga surya.Prinsip Kerja dan Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) merupakan jenis pembangkit energi listrik alternatif yang dapat mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik.
Secara umum, ada dua cara pembangkit listrik tenaga surya untuk dapat menghasilkan energi listrik, yaitu :
· Pembangkit Listrik Surya Termal (Solar Thermal Power Plants) – Dalam pembangkit ini, energi cahaya matahari akan digunakan untuk memanaskan suatu fluida yang kemudian fluida tersebut akan memanaskan air. Air yang panas akan menghasilkan uap yang digunakan untuk memutar turbin sehingga dapat menghasilkan energi listrik.
· Pembangkit Surya Fotovoltaik (Solar Photovoltaic Plants) – Pembangkit jenis ini memanfaatkan sel surya (solar cell) untuk mengkonversi radiasi cahaya menjadi energi listrik secara langsung.
Kelebihan pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) adalah :Cahaya matahari merupakan energi yang dapat diperbaharui dan tidak akan habis. Oleh karena melimpahnya ketersediaan cahaya inilah, pembangkit listrik tenaga surya dapat menjadi pembangkit listrik alternatif yang dapat menggantikan energi-energi lainnya yang tidak dapat diperbarui, seperti gas alam, batubara, minyak, nuklir dll.
Pembangkit listrik tenaga surya merupakan pembangkit listrik yang bersih dan ramah lingkungan. Pembangkit ini hanya membutuhkan cahaya matahari sebagai komponen utama penghasil energi listriknya. Selain itu, tidak ada limbah keluaran dari hasil proses pembangkitannya. Oleh karena itu, pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dapat menggantikan pembangkit listrik lain untuk mengurangi jumlah limbah keluaran yang memiliki dampak negatif bagi lingkungan, seperti nuklir dan batubara.
Umur pemakaian dari komponen penyusunnya, seperti sel surya, relatif panjang. Sehingga dapat dikatakan bahwa membangun pembangkit listrik tenaga surya merupakan suatu investasi jangka panjang.
Karena bentuknya yang sederhana dan ringkas, maka pembangkit listrik tenaga surya mudah dalam pemasangan dan juga mudah dalam perawatannya.
Jika dipasang secara individual (satu rumah satu sistem). Rumah yang berjauhan sekalipun tidak memerlukan jaringan kabel distribusi. Selin itu, gangguan pada satu sistem tidak mengganggu sistem lainnya.
1.1.2. Kerugian pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) :
Proses pembangkitan hanya dapat dilakukan pada siang hari. Lebih buruk lagi bila proses pembangkitan dilakukan pada musim penghujan. Langit sering kali ditutupi oleh awan. Sehingga besarnya cahaya matahari yang akan dikonversi ke energi listrik tidak optimal.
Bahan pembuatan komponen pembangkit listrik tenaga surya masih berharga mahal. Terutama untuk tipe sel fotovoltaik.
1.1.3. Dampak PLTS Terhadap Lingkungan
a. Gas Rumah Kaca
Siklus hidup emisi gas rumah kaca pembangkit listrik tenaga surya saat ini berada di kisaran 25-32 g/kWh dan ini bisa turun menjadi 15 g/kWh di masa yang akan datang. Sebagai perbandingan, PLTGU batubara menghasilkan 400-599 g/kWh, pembangkit listrik berbahan bakar minyak menghasilkan 893 g/kWh, pembangkit listrik batu bara menghasilkan 915-994 g/kWh atau dengan penangkapan dan penyimpanan karbon sekitar 200 g/kWh, dan pembangkit listrik panas bumi temperatur tinggi menghasilkan 91-122 g/kWh. Hanya pembangkit listrik tenaga angin dan panas bumi temperatur rendah yang menghasilkan lebih baik, yaitu 11 g/kWh dan 0-1 g/kWh.
Untuk beberapa pembangkit listrik tenaga nuklir, siklus hidup beberapa emisi gas rumah kaca yang dihasilkan, termasuk energi yang dibutuhkan untuk menambang uranium dan energi pembangunan pembangkit listrik serta dekomisioning, adalah di bawah 40 g/kWh, namun beberapa pembangkit nuklir lainnya menghasilkan jauh lebih tinggi.
b. Kadmium
Salah satu isu yang sering menjadi keprihatinan adalah penggunaan kadmium dalam sel surya cadmium telurida (CdTe). Kadmium dalam bentuk logam adalah zat beracun yang memiliki kecenderungan untuk terakumulasi dalam rantai makanan ekologi. Jumlah kadmium yang digunakan pada film tipis modul Photovoltaic (PV) relatif kecil, yaitu 5-10 g/m². Dengan teknik kontrol emisi yang tepat, emisi kadmium dari produksi modul dapat ditekan menjadi nol. Saat ini teknologi PV menyebabkan emisi kadmium sebesar 0,3-0,9 mikrogram/kWh dalam satu siklus hidup. Sebagian besar emisi tersebut muncul melalui penggunaan pembangkit listrik tenaga batubara dalam pembuatan modul. Pembakaran batubara dan lignit menyebabkan emisi kadmium jauh lebih tinggi. Kadmium dari batubara adalah 3,1 mikrogram/kWh, lignit 6,2 mikrogram/ kWh dan gas alam 0,2 mikrogram/kWh.
Jika listrik yang dihasilkan oleh panel fotovoltaik digunakan untuk pembuatan modul, bukan listrik yang berasal dari pembakaran batubara, emisi kadmium dari penggunaan batu bara dalam proses produksi dapat dihilangkan seluruhnya.
A. Sejarah Pembangkit listrik tenaga surya (PLTS)
Sejarah PLTS Tenaga listrik dari cahaya matahari pertama kali ditemukan oleh Alexandre – Edmund Becquerel seorang ahli fisika Perancis pada tahun 1839. Temuannya ini merupakan cikal bakal teknologi solar cell. Percobaannya dilakukan dengan menyinari 2 elektrode dengan berbagai macam cahaya. Elektrode tersebut di balut (coated) dengan bahan yang sensitif terhadapcahaya, yaitu AgCl dan AgBr dan dilakukan pada kotak hitam yang dikelilingi dengan campuran asam. Dalam percobaanya ternyata tenaga listrik meningkat manakala intensitascahaya meningkat. Selanjutnya penelitian dari Bacquerel dilanjutkan oleh peneliti-peneliti lain. Tahun 1873 seorang insinyur Inggris Willoughby Smith menemukan Selenium sebagai suatu elemen photo conductivity. Kemudian tahun 1876, William Grylls dan Richard Evans Day membuktikan bahwa Selenium menghasilkan arus listrik apabila disinari dengan cahaya matahari. Hasil penemuan mereka menyatakan bahwa Selenium dapat mengubah tenaga matahari secara langsung menjadi listrik tanpa ada bagian bergerak atau panas. Sehingga di simpulkan bahwa solar cell sangat tidak efisien dan tidak dapat digunakan untuk menggerakkan peralatan listrik. Tahun 1894 Charles Fritts membuat Solar Cell pertama yang sesungguhnya yaitu suatu bahan semi conductor (selenium) dibalut dengan lapisan tipis emas.
Tingkat efisiensi yang dicapai baru 1% sehingga belum juga dapat dipakai sebagai sumber energi, namun kemudian dipakai sebagai sensor cahaya. Tahun 1905 Albert Einstein mempublikasikan tulisannya mengenai photoelectric effect. Tulisannya ini mengungkapkan bahwa cahaya terdiri dari paket-paket atau “quanta of energi” yang sekarang ini lazim disebut “photon.” Teorinya ini sangat sederhana tetapi revolusioner. Kemudian tahun 1916 pendapat Einstein mengenai photoelectric effect dibuktikan oleh percobaan Robert Andrew Millikan seorang ahli fisika berkebangsaan Amerika dan ia mendapatkan Nobel Prize untuk karya photoelectric effect. Tahun 1923 Albert Einstein akhirnya juga mendapatkan Nobel Prize untuk teorinya yang menerangkan photoelectric effect yang dipublikasikan 18 tahun sebelumnya. Hingga tahun 1980 an efisiensi dari hasil penelitian terhadap solar cell masih sangat rendah sehingga belum dapat digunakan sebagai sumber daya listrik. Tahun 1982, Hans Tholstrup seorang Australia mengendarai mobil bertenaga surya pertama untuk jarak 4000 km dalam waktu 20 hari dengan kecepatan maksimum 72 km/jam. Tahun 1985 University of South Wales Australia memecahkan rekor efisiensi solar cell mencapai 20% dibawah kondisi satu cahaya matahari. Tahun 2007 University of Delaware berhasil menemukan solar cell technology yang efisiensinya mencapai 42.8% Hal ini merupakan rekor terbaru untuk “thin film photovoltaicsolar cell.” Perkembangan dalam riset solar cell telah mendorong komersialisasi dan produksi solar cell untuk penggunaannya sebagai sumber daya listrik.
Di Indonesia sejarah perkembangan PLTS sudah dimulai sejak 1987, pada tahap awal tersebut BPPT dimulai dengan pemasangan 80 unit PLTS atau lebih spesifik lagi SHS (Solar Home System, system pembangkit listrik tenaga surya untuk lampu penerangan rumah) di desa sukatani jawa barat. Setelah itu pada tahun 1991 dilanjutkan dengan proyek bantuan presiden (banpres listrik tenaga surya masuk desa) untuk pemasangan 13445 unit SHS di 15 propinsi. Program banpres listrik tenaga surya masuk desa juga telah memperoleh sambutan sangat menggembirakan dari masyarakat perdesaan dan telah terbukti dapat berjalan dengan baik akan dijadikan model guna implementasi program listrik tenaga surya untuk sejuta rumah.
Gambar 1.1. Pembangkit Listrik Tenaga Surya (Photovoltaic Plants)
B. Prinsip Kerja dan Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) merupakan jenis pembangkit energi listrik alternatif yang dapat mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik. Secara umum, ada dua cara pembangkit listrik tenaga surya untuk dapat menghasilkan energi listrik, yaitu :
1) Pembangkit Listrik Surya Termal (Solar Thermal Power Plants) – Dalam pembangkit ini, energi cahaya matahari akan digunakan untuk memanaskan suatu fluida yang kemudian fluida tersebut akan memanaskan air. Air yang panas akan menghasilkan uap yang digunakan untuk memutar turbin sehingga dapat menghasilkan energi listrik.
2) Pembangkit Surya Fotovoltaik (Solar Photovoltaic Plants) – Pembangkit jenis ini memanfaatkan sel surya (solar cell) untuk mengkonversi radiasi cahaya menjadi energi listrik secara langsung.
Berikut akan dijelaskan tentang keduanya :
1. Pembangkit Listrik Surya Termal (Solar Thermal Power Plants)
Pembangkit Listrik Termal Surya dapat bekerja dalam berbagai cara. Pembangkit ini juga biasa dikenal sebagai pembangkit listrik surya terkonsentrasi (concentrated solar power plants). Tipe yang paling banyak digunakan adalah desain parabola cekung. Cermin parabola dirancang untuk menangkap dan memfokuskan berkas cahaya ke satu titik fokus, seperti seorang anak yang menggunakan kaca pembesar untuk membakar kertas. Pada titik fokus tersebut terdapat pipa hitam yang panjangnya sepanjang cermin tersebut.
Didalam pipa tersebut terdapat fluida yang dipanaskan hingga temperatur yang sangat tinggi, seringkali diatas 300 derajad fahrenheit (150 derajad celcius). Fluida panas tersebut dialirkan dalam pipa menuju ke ruang pembangkitan energi listrik untuk memasak air, menghasilkan uap air dan menghasilkan energi listrik.
Gambar 1.2. Pembangkit Listrik Surya Termal (Solar Thermal Power Plants)
Gambar 1.3. Diagram Alir Pembangkit Listrik Termal Surya
2.1. Tenaga Surya
Energi surya adalah sumber energi terbarukan yang paling penting (energi angin pada dasarnya juga berasal dari energi surya), dan hanya energi panas bumi dan pasang surut yang tidak memperoleh energi mereka dari matahari.
Banyak orang menggunakan istilah energi surya dan tenaga surya sebagai sinonim meskipun hal ini mengandung kesalahan karena tenaga surya mengacu pada konversi sinar matahari menjadi listrik (dalam banyak kasus menggunakan photovoltaic).
Pemanfaatan energi surya memiliki potensi masa depan yang sangat besar, tidak hanya dalam menyediakan listrik dan panas tetapi juga untuk digunakan pada proses industri serta pengembangan kendaraan surya.
Meskipun energi surya adalah bentuk energi paling berlimpah yang tersedia di planet bumi, energi surya tetap bukanlah sumber energi yang sempurna. Hal ini tidak hanya merujuk pada kalahnya paritas biaya dibandingkan bahan bakar fosil tetapi juga karena masalah intermitten (tidak kontinyu). Seperti yang kita ketahaui, energi surya tidak tersedia pada malam hari dan karenanya membutuhkan solusi penyimpanan energi yang memadai untuk menutup kekurangan ini.
Banyak pakar energi serta ilmuwan percaya bahwa tinggal masalah waktu sebelum energi surya menjadi sumber energi yang paling penting di planet bumi, melempar bahan bakar fosil ke dalam buku sejarah.
International Energy Agency (IEA) tahun 2011 telah mengumumkan bahwa teknologi energi surya memiliki potensi untuk memasok sepertiga energi dunia pada tahun 2060, mengingat bahwa para pemimpin dunia telah berkomitmen untuk membatasi dampak perubahan iklim.
Memanfaatkan energi matahari dan tidak terus menerus menggunakan bahan bakar fosil akan memperlambat dampak perubahan iklim dan memberikan cukup waktu bagi banyak spesies untuk beradaptasi dengan perubahan iklim dan karenanya akan membantu melestarikan keanekaragaman hayati di planet bumi.
Tidak hanya itu, energi surya akan meningkatkan keamanan energi dan kemandirian energi di banyak negara di dunia, serta memastikan kemajuan dalam keberlanjutan masa depan energi bersih.
2.2. Komponen Sistem Photovoltaic
Dasar sistem photovoltaic terdiri dari empat komponen utama:
1) Panel surya (solar panel).
Panel surya atau ( solar cell ) adalah alat untuk mengkonversi tenaga matahari menjadi energi listrik. Sedangkan Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi untuk mengubah atau mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung. Photovoltaic biasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut modul.
2) Batere (batteries)
Baterai adalah alat yang menyimpan daya yang dihasilkan oleh panel surya yang tidak segera digunakan oleh beban. Daya yang disimpan dapat digunakan saat periode radiasi matahari rendah.
3) Regulator
penyimpanan daya juga dikenal sebagai pengontrol penyimpanan daya, pengatur tegangan, pengontrol penyimpanan-pengeluaran atau pengontrol penyimpanan-pengeluaran dan muatan.
4) Beban (load)
Panel bertanggung jawab untuk mengumpulkan daya matahari dan membangkitkan listrik. Baterai menyimpan daya listrik untuk penggunaannya nanti. Regulator menjamin panel dan baterai bekerja sama dalam model optimal. Beban merujuk pada alat apapun yang memerlukan daya listrik, dan merupakan jumlah konsumsi listrik dari semua peralatan listrik yang dihubungkan dengan sistem. Penting untuk diingat bahwa panel surya dan batere menggunakan arus searah atau direct current (DC).
Jika jangkauan tegangan operasional peralatan anda tidak cocok dengan tegangan yang disediakan oleh batere anda, anda perlu menggunakan converter untuk menyesuaikan tegangan. Jika peralatan anda menggunakan tegangan yang berbeda dengan tegangan batere, anda perlu mengunakan konverter DC/DC (DC/DC converter). Jika sebagian dari peralatan anda memerlukan tegangan AC, maka anda perlu menggunakan konverter DC/AC (DC/AC converter), yang juga dikenal sebagai inverter.
Setiap sistem daya listrik sebaiknya memasukkan berbagai alat keamanan untuk mengantisipasi kekacauan. Alat ini meliputi perkabelan yang baik, sekering, proteksi perubahan tegangan (surge protector), sekering, pentanahan, penangkal petir, dll.
Pembangkit fotovoltaik ini sangatlah sederhana. Beberapa panel surya dipasang sehingga membentuk array. Masing-masing panel akan mengumpulkan energi cahaya dan mengkonversikannya secara langsung menjadi energi listrik. Energi listrik ini dapat dialirkan ke jaringan listrik. Saat ini, pembangkit surya fotovoltaik masih jarang ditemukan. Hal ini dikarenakan pembangkit listrik surya termal saat ini lebih efisien untuk memproduksi energi listrik dalam skala besar.
2.3. Panel Surya
Panel surya atau ( solar cell ) adalah alat untuk mengkonversi tenaga matahari menjadi energi listrik. Sedangkan Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi untuk mengubah atau mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung. Photovoltaic biasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut modul. Dalam sebuah modul surya terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun secara seri maupun paralel. Sedangkan yang dimaksud dengan surya adalah sebuah elemen semikonduktor yang dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik atas dasar efek fotovoltaik. Solarcell mulai popular akhir-akhir ini, selain mulai menipisnya cadangan enegi fosil dan isu global warming. energi yang dihasilkan juga sangat murah karena sumber energi (matahari) bisa didapatkan secara gratis.
Panel surya dapat menghasilkan tegangan kurang lebih 0.5 volt. Jadi sebuah panel surya / solar cell 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel.
Panel surya (solar panel) terdiri dari sel surya yang mengumpulkan radiasi surya dan mengubahnya menjadi daya listrik. Bagian sistem ini kadang-kadang dinamakanmodul surya (solar module) atau pembangkit listrik daya photovoltaic (photovoltaic generator). Sekumpulan panel surya dapat dibuat dengan menyambung sekumpulan panel dalam serial dan/atau paralel untuk menyediakan daya yang diperlukan untuk beban yang ada. Arus listrik yang disediakan oleh panel surya bervariasi secara proporsional terhadap radiasi surya. Ini akan bervariasi menurut kondisi iklim, jam, dan waktu pada suatu tahun.
Beberapa teknologi dapat digunakan dalam pembuatan sel surya. Yang paling banyak digunakan adalah kristal silicon, dan dapat berupa baik monocry stalline atau polycrystalline. Silikon amorphous (Amorphous silicon) bisa lebih murah tetapi lebih tidak efisien untuk mengubah daya surya ke listrik. Dengan waktu hidup yang berkurang dan efisiensi transformasi 6 sampai 8%, amorphous silicon biasanya digunakan untuk peralatan berdaya rendah, seperti kalkulator yang mudah dibawa. Teknologi surya baru, seperti silicon ribbon dan photovoltaics film tipis, sekarang ini dalam perkembangan. Teknologi ini menjanjikan efisiensi yang lebih tinggi tetapi belum tersedia secara luas.
Gambar 1.4. Skema solarcell atau Panel surya
Pembangkit Surya Fotovoltaik (Solar Photovoltaic Plants)
Pembangkit fotovoltaik ini sangatlah sederhana. Beberapa panel surya dipasang sehingga membentuk array. Masing-masing panel akan mengumpulkan energi cahaya dan mengkonversikannya secara langsung menjadi energi listrik. Energi listrik ini dapat dialirkan ke jaringan listrik. Saat ini, pembangkit surya fotovoltaik masih jarang ditemukan. Hal ini dikarenakan pembangkit listrik surya termal saat ini lebih efisien untuk memproduksi energi listrik dalam skala besar.
Gambar 1.5. Pembangkit Surya Fotovoltaik (Solar Photovoltaic Plants)
2.3.1. Beberapa hal yang perlu diingat pada saat pemasangan panel surya adalah:
1. Panel di tempatkan di bagian atap yang tidak terkena bayangan pohon atau benda lain.
2. Atap cukup kuat menahan beban panel dan angin
3. Penempatan panel memungkinkan pembersihan dan perbaikan.
4. Tersedia jarak dengan atap untuk sirkulasi udara di bawah panel surya
2.3.2. Prinsip Panel Surya
Prinsip dari Panel surya ialah mengubah intensitas cahaya matahari menjadi energi listrik yang dapat digunakan untuk menjalankan peralatan elektronik. Panel surya/modul surya merupakan suatu paket yang terdiri dari sel-sel yang disusun secara horizontal dan dilapisi oleh kaca sehingga dapat di pasang menghadap matahari. Sebuah modul diklasifikasikan berdasarkan daya maksimumnya. Sel-sel itu terbuat dari kristal silikon yang dikembangkan dalam bentuk ingot. Dalam potongan tipis yang disambungkan melalui elektroda untuk membentuk sel.
2.3.3. Keuntungan Panel Surya
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) yaitu mampu menyuplai listrik untuk lokasi yang belum dijangkau jaringan listrik PLN :
1. Potensi pemanfaatan energi surya tersebar secara merata sehingga dapat digunakan untuk daerah yang terpencil
2. Listrik surya merupakan solusi yang cepat, karena proses instalasi yang relatif cepat untuk menghasilkan listrik penerangan dll.
3. Tenaga Surya merupakan energi yang sangat bersih, karena sifatnya secara fisika dapat Meng-absorbsi UV radiasi (dari matahari), tidak menghasilkan emisi sedikitpun, tidak menimbulkan suara berisik dan tidak memerlukan bahan bakar yang perlu dibeli setiap harinya.
4. Sistem tenaga Surya sudah terbukti handal lebih dari 50 tahun mendukung program luar angkasa, dimana tidak ada sumber energi lain, tidak juga juga nuklir, yang mampu bertahan dalam keadaan extrim di luar angkasa.
5. Panel Surya merupakan salah satu alat yang dapat memanfaatkan potensi energi radiasi matahari sebesar 4,8 Kwh/ m2 / hari (* Data BPPT tahun 2005) yang merupakan potensial daya yang cukup besar dan belum maksimal dimanfaatkan di Indonesia.
6. Panel Surya mempunyai kesan modern dan futuristik, tetapi juga mempunyai kesan peduli lingkungan dan bersih. Sangat cocok untuk dunia arsitektur modern yang memadukan unsur-unsur penting tersebut.
Gambar 1.6. Sistem kerja Panel surya
2.4. Baterai
Baterai, adalah perangkat kimia untuk menyimpan tenaga listrik dari tenaga surya. Tanpa baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari. Baterai adalah alat yang menyimpan daya yang dihasilkan oleh panel surya yang tidak segera digunakan oleh beban. Daya yang disimpan dapat digunakan saat periode radiasi matahari rendah. Komponen baterai kadang-kadang dinamakan akumulator (accumulator). Baterai menyimpan listrik dalam bentuk daya kimia. Baterai yang paling biasa digunakan dalam aplikasi surya adalah baterai yang bebas pemeliharaan bertimbal asam (maintenance-free lead-acid batteries), yang juga dinamakan baterai recombinant atau VRLA (klep pengatur asam timbal atau valve regulated lead acid).
Disamping menyimpan daya, baterai-baterai bertimbal asam yang disekat juga melayani dua fungsi penting:
Mereka dapat menyediakan daya seketika yang lebih kuat dibandingkan dengan apa yang dihasilkan oleh sekumpulan panel. Daya seketika ini diperlukan untuk memulai beberapa peralatan, seperti mesin kulkas atau pompa. Mereka menentukan tegangan operasi instalasi anda
Untuk instalasi daya kecil dan dimana keterbatasan ruang penting, jenis baterai lainnya (seperti NiCd, NiMh, atau Li-ion) dapat digunakan. Baterai seperti ini memerlukan charger/regulator yang khusus dan tidak dapat secara langsung digunakan untuk menggantikan baterai bertimbal asam.
2.5. Regulator
Regulator adalah rangkaian regulasi atau pengatur tegangan keluaran dari sebuahcatu daya agar efek darinaik atau turunnya tegangan jala-jala tidak mempengaruhitegangan catu daya sehingga menjadi stabil.Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple -nya kecil, tetapiada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besarternyata tegangan dc keluarannya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasiperubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.
Regulator penyimpanan daya juga dikenal sebagai pengontrol penyimpanan daya, pengatur tegangan, pengontrol penyimpanan-pengeluaran atau pengontrol penyimpanan-pengeluaran dan muatan. Regulator berada di antara array panel-panel, baterai, dan peralatan atau beban anda.
Ingatlah bahwa tegangan baterai, walaupun selalu dekat 2 V setiap selnya, bervariasi menurut kondisi penyimpanan dayanya. Dengan mengamati tegangan baterai, pengatur mencegah penyimpanan atau pengeluaran daya yang berlebihan.
Pengatur yang digunakan di aplikasi surya sebaiknya disambung dalam serial: mereka memutuskan array panel-panel dari baterai untuk menghindari penyimpanan daya yang berlebihan, dan mereka memutuskan baterai dari beban untuk menghindari pengeluaran daya yang berlebihan. Penyambungan dan pemutusan dilakukan oleh switch yang jenisnya bisa dua macam: electromechanical (relay) atau solid state (transistor bipolar, MOSFET). Pengatur tidak boleh sekali-sekali disambungkan secara paralel.
Guna melindungi baterai dari pembuatan gas, switch membuka sirkuit penyimpanan daya ketika tegangan dalam baterai mencapai pemutusan tegangan tingginya atau high voltage disconnect (HVD) atau titik batas yang ditentukan. Pemutusan tegangan rendah atau low voltage disconnect (LVD) mencegah baterai dari pengeluaran energi yang berlebihan dengan memutuskan atau menahan beban. Untuk mencegah hubungan penyambungan dan pemutusan yang terus-menerus, pengatur tidak akan menghubungkan beban kembali sampai baterai mencapai tegangan penyambungan kembali yang rendah atau low reconnect voltage (LRV).
Nilai umum untuk sebuah baterai timbal-asam 12 V adalah:
Titik tegangan
|
tegangan
|
LVD
|
11,5
|
LRV
|
12,6
|
tegangan konstan teregulasi
|
14,3
|
Penyamaan
|
14,6
|
HVD
|
15,5
|
Pengatur yang paling modern juga dapat secara otomatis memutuskan panel selama malam hari untuk menghindari pengeluaran daya baterai. Mereka juga dapat secara berkala menyimpan daya baterai yang berlebihan untuk meningkatkan umur mereka, dan mereka mungkin menggunakan mekanisme yang dikenal sebagai modulasi pulsa lebar atau pulse width modulation (PWM) untuk mencegah gassing yang berlebihan.
Karena titik operasi daya puncak array panel akan bervariasi dengan suhu dan penerangan surya, pengatur yang baru mampu secara konstan melacak titik maksimum daya array surya. Fitur ini dikenal sebagai pelacakan titik daya maksimum atau maximum power point tracking (MPPT).
Perlunya Regulator
Ada beberapa alasan yang mungkin diperlukannya sebuah regulator
1. Fluktuasi tegangan jala-jala
2. Perubahan tegangan akibat beban (loading)
3. Perlu pembatasan arus dan tegangan untuk keperluan tertentu
Ada 4 jenis regulator :
1. Regulator Dengan Zener
Rangkaian regulator yang paling sederhana, zener bekerja padadaerah
breakdown
sehingga menghasilkan tegangan output yangsama dengan tegangan zener atau : Vout = Vz
Gambar 1.7. Rangkaian regulator dengan zener
Namun, rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebihdari 50mA.
2. Regulator Zener Follower
Regulator ini pada dasarnya adalah regulator zener yang dikonfigurasikan dengan sebuah transistor NPN untuk menghasilkan arus yang cukup besar. V BE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnyaantara 0.2 - 0.7 volt bergantung pada jenis transistor yangdigunakan. Dengan mengabaikan arus I.
Iz adalah arus minimum yang diperlukan oleh dioda zeneruntuk mencapai tegangan break down zener tersebut.Besar arus ini dapat diketahui dari data sheet yang besarnya lebih kurang 20 mA.
3. Regulator Op-Amp
Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalahdengan menggunakan Op-Amp untuk men-drive transistor Q. Dioda zener di sini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q,tetapi sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluarregulator, yaitu :
V in(-) = (R2/(R1+R2)) V out
Jika tegangan keluar V out menaik, teganganV in(-) juga akan menaik sampai tegangan inisama dengan tegangan referensi Vz.Demikian sebaliknya jika tegangan keluar Vout menurun, misalnya karena suplai arus kebeban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi V z denganmemberi arus IB ke transistor Q1 sehinggapada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan : V in(-) = V z
Dengan mengabaikan tegangan VBE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus,diperoleh hubungan matematis :
V out = ( (R1+R2)/R2) V z
Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 danR2.
4. Regulator IC (Integrated Circuit)
Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagimencari op-amp,transistor dan komponen lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas karenarangkaian semacam ini sudah dikemas menjadisatu IC regulator tegangan tetap. Saat inisudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulatortegangan tetap positif dan seri 79XX yangmerupakan regulato runtuk tegangan tetap negatif.Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter ) dan juga pembatas suhu (
thermal shutdown). Komponen ini hanya tigapin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadirangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.
2.6. Konverter
Converter adalah suatu alat untuk mengkonversikan daya listrik dari satu bentuk ke bentuk daya listrik lainnya.
Converter terbagi menjadi 5 jenis:
- Konverter AC – DC (Rectifier)
- Konverter AC – AC (Cycloconverter)
- Converter DC – DC (DC Chopper)
- Konverter DC – AC (Inverter)
- Penyearah: rangkaian penyearah diode mengubah tegangan ac ke tegangan dc tetap. Tegangan masukan ke penyearah dapat bersifat satu fasa ataupun tiga fasa.
Konverter DC/DC mengubah tegangan DC menjadi tegangan DC lainnya dengan nilai yang berbeda. Ada dua metode konversi yang dapat dipergunakan untuk mengubah tegangan dari baterai: konversi linear atau linear conversion dan konversi peralihan atau switching conversion.
Konversi linear menurunkan tegangan dari baterai dengan mengubah kelebihan daya menjadi panas. Metode ini sangat sederhana namun pada kenyataannya tidak efisien. Konversi peralihan pada umumnya menggunakan komponen magnetik untuk menyimpan daya secara sementara dan mengubahnya menjadi tegangan lainnya. Tegangan yang dihasilkan bisa lebih besar, lebih rendah, atau kebalikan (negatif) daripada tegangan input.
Efisiensi pengatur linear berkurang dengan semakin banyaknya perbedaan antara tegangan input dan tegangan output. Misalnya, jika kita ingin mengubah dari 12 V ke 6 V, pengatur linear akan mempunyai efisiensi sebanyak hanya 50%. Pengatur peralihan standar mempunyai efisiensi sedikitnya 80%.
Inverter alat elektronika daya yang dapat mengkonversi tegangan searah (DC – direct current) menjadi tegangan bolak-balik (AC – alternating current). digunakan ketika peralatan anda memerlukan daya AC. Inverter memotong dan membalikkan arus DC untuk membangkitkan gelombang segi empat yang nantinya disaring menjadi gelombang sinus yang disesuaikan dan menghapus harmonik yang tidak diinginkan. Sangat sedikit inverter yang sebetulnya menyediakan gelombang sinus yang murni sebagai output. Kebanyakan model yang tersedia di pasar menciptakan apa yang diketahui sebagai "gelombang sinus yang termodifikasi", karena output tegangan mereka bukanlah sinusoid yang murni. Ketika kita memikirkan efisiensi, gelombang sinus yang termodifikasi berkinerja lebih baik daripada inverter sinusoidal yang murni.
Ketahuilah bahwa tidak semua peralatan akan menerima gelombang sinus yang termodifikasi sebagai tegangan input. Secara umum, beberapa printer laser tidak akan berkerja dengan gelombang sinus inverter yang termodifikasi. Mesin akan tetap berfungsi, tetapi mereka mungkin memakan lebih banyak daya daripada jika mereka diberi input dengan gelombang sinus murni. Selain itu, power supply DC cenderung semakin memanas, dan pengeras audio dapat mengeluarkan bunyi berdengung.
Disamping tipe bentuk gelombang, beberapa fitur penting inverter juga termasuk:
Ø Kehandalan saat adanya sentakan. Inverter mempunyai dua penilaian daya: satu untuk daya yang terus-menerus, dan yang lebih tinggi untuk daya tertinggi. Mereka dapat menyediakan daya tertinggi untuk waktu yang sangat singkat, seperti ketika menghidupkan mesin. Inverter juga sebaiknya dapat secara aman menginterupsi dirinya sendiri (dengan sakelar pemutus (circuit breaker) atau sekering) seandainya terjadi arus sirkuti pendek, atau jika daya yang diminta terlalu tinggi.
Ø Efisiensi konversi. Inverter paling efisien ketika memberikan 50% sampai 90% dari rating daya terus-menerus mereka. Anda sebaiknya memilih inverter yang hampir sesuai dengan syarat beban anda. Pabrik biasanya menyediakan kinerja inverter di 70% dari daya nominalnya.
Ø Pengisian daya baterai. Banyak inverter juga memasukkan fungsi terbalik: kemungkinan mengisi daya baterai dari sebuah sumber arus AC (jaringan listrik, genset dll). Inverter tipe ini dikenal sebagai charger/inverter.
Automati fail-over. Beberapa inverter dapat berpindah secara otomatis di antara sumber daya yang berbeda (jaringan listrik PLN, pembangkit daya listrik, surya) tergantung pada apa yang tersedia.
Ketika menggunakan peralatan telekomunikasi, sebaiknya menghindari penggunaan konverter DC/AC dan memberi daya kepada mereka secara langsung dari sebuah sumber DC. Kebanyakan peralatan komunikasi dapat menerima tingkatan input tegangan yang cukup lebar.
2.7. Peralatan Atau Beban
Sangat nyata bahwa pada saat keperluan daya bertambah, bertambah pula pengeluaran biaya sistem fotovoltaik. Maka sangat penting untuk menyamakan ukuran sistem sesama mungkin dengan beban yang ada. Ketika mendesain sistem, anda terlebih dulu harus membuatkan perkiraan realistis konsumsi maksimum. Ketika instalasi sudah terpasang, tingkat konsumsi maksimum yang sudah ditentukan harus dipatuhi untuk menghindari sering terjadinya pemadaman listrik.
2.7.1. Peralatan rumah
Penggunaan daya surya fotovoltaik tidak dianjurkan untuk aplikasi penukaran panas (pemanas listrik, kulkas, pemanggang roti, dll. ) Sebisa mungkin, daya sebaiknya digunakan dengan hemat memakai peralatan berdaya rendah. Ini beberapa hal yang perlu diingat ketika memilih peralatan yang pas untuk penggunaan dengan sistem surya:
Daya surya fotovoltaik cocok untuk penerangan. Dalam kasus ini, penggunaan bola lampu halogen atau lampu berpendar (fluorescent) adalah suatu keharusan. Walaupun lampu ini lebih mahal, mereka mempunyai efisiensi daya yang lebih baik daripada bola lampu ringan yang pijar (incandescent). Lampu LED juga merupakan pilihan yang baik karena mereka sangat efisien dan diberi input daya DC.
Adalah mungkin untuk menggunakan daya fotovoltaik untuk peralatan yang memerlukan konsumsi rendah dan terus-menerus (seperti dalam kasus yang umum, televisi). Televisi kecil akan menggunakan daya yang lebih sedikit daripada televisi besar. Juga pertimbangkan bahwa televisi hitam putih mengkonsumsi sekitar setengah daya televisi berwarna.
Daya surya fotovoltaik tidak dianjurkan untuk aplikasi apapun yang mengubah daya menjadi panas (daya termal). Gunakanlah pemanasan surya atau LPG sebagai alternatif.
Mesin cuci otomatis yang biasa dapat digunakan, tetapi anda sebaiknya menghindari penggunaan program mencuci apapun yang terdapat pemanasan air terpusat.
Jika anda harus menggunakan kulkas, kulkas tersebut sebaiknya mengkonsumsi daya sesedikit mungkin. Ada kulkas yang khusus yang bekerja di DC, walaupun konsumsi mereka bisa cukup tinggi (sekitar 1000 Wh/hari). Estimasi konsumsi total adalah langkah pokok dalam menentukan besaran ukuran sistem surya anda.
2.7.2. Peralatan telekomunikasi nirkabel
Menghemat daya dengan memilih peralatan yang sesuai menekan pengeluaran dan mengurangi kesulitan. Misalnya, hubungan jarak jauh tidak terlalu memerlukan amplifier yang kuat yang menggunakan banyak daya. Sebuah kartu Wi-Fi dengan kepekaan receiver yang baik dan zona fresnel sedikitnya 60% jelas akan berfungsi lebih baik daripada amplifier, dan juga menghemat penggunaan daya. Pepatah tenar amatir radio juga berlaku di sini: amplifier terbaik adalah antena yang baik. Tindakan lebih lanjut untuk mengurangi pemakaian daya termasuk menambah kecepatan CPU, mengurangi daya pancar sampai ke nilai minimum yang cukup untuk memberikan hubungan yang stabil, menambah panjang interval beacon, dan mematikan sistem selama sistem tersebut tidak diperlukan.
Kebanyakan sistem pembangkit tenaga surya mandiri bekerja di 12 atau 24 volt. Lebih baik, alat nirkabel yang menggunakan tegangan DC sebaiknya digunakan, yang beroperasi di tegangan 12 Volt yang disediakan oleh kebanyakan baterai asam timbal. Mengubah tegangan yang disediakan oleh baterai menjadi AC atau memakai tegangan di input titik akses yang berbeda dari tegangan baterai akan menyebabkan kehilangan daya yang tidak perlu. Sangat baik jika kita menggunakan router atau titik akses yang menerima 8-20 Volt DC.
Kebanyakan titik akses yang murah mempunyai pengatur tegangan switching di dalamnya dan akan berkerja pada kisaran tegangan tersebut tanpa modifikasi atau menjadi panas (sekalipun alat dipaketkan dengan sumber listrik 5 atau 12 Volt).
PERINGATAN: mengoperasikan titik akses anda dengan sumber listrik lain daripada yang disediakan oleh pabrik tentunya akan membatalkan garansi apapun, dan mungkin menyebabkan kerusakan pada peralatan anda. Teknik berikut akan bekerja seperti yang dijelaskan, tapi ingat jika anda mencobanya, anda melakukannya dengan resiko anda sendiri.
Buka titik akses anda dan perhatikan bagian dekat input DC untuk dua kapasitor yang relatif besar dan sebuah induktor (ferrite toroid dengan kawat tembaga yang dibelitkan padanya). Jika mereka ada, maka alat tersebut mempunyai input switch, dan tegangan input maksimum sebaiknya agak di bawah tegangan yang tertulis pada kapasitor. Biasanya penilaian kapasitor ini adalah 16 atau 25 volt. Perhatikan bahwa sumber listrik yang tidak teratur mempunyai gelombang dan mungkin memberikan input tegangan yang jauh lebih tinggi kepada titik akses anda daripada tegangan umum yang disarankan oleh apa yang tertulis.
Oleh sebab itu, menyambung sumber listrik yang tidak teratur dengan tegangan 24 Volt ke alat dengan kapasitor bertegangan 25 Volt bukanlah hal yang baik. Tentunya, membuka alat anda akan membatalkan garansi apapun yang ada. Jangan coba-coba menjalankan titik akses di tegangan yang lebih tinggi jika titik akses itu tidak mempunyai regulator switching. Titik akses akan menjadi panas, rusak, atau terbakar.
Peralatan berdasarkan CPU tradisional Intel x86 adalah peralatan yang boros daya dibandingkan dengan arsitektur berbasis pada RISC seperti ARM atau MIPS. Satu dari banyak motherboard dengan konsumsi daya terendah adalah platform Soekris yang menggunakan prosesor AMD ElanSC520. Pilihan yang berbeda dari AMD (ElanSC atau Geode SC1100) adalah penggunaan peralatan dengan prosesor MIPS. Prosesor MIPS mempunyai kinerja yang lebih baik daripada AMD Geode, sesuatu yang harus dibayar dengan konsumsi daya antara 20-30% lebih banyak.
Linksys WRT54G yang populer berfungsi di tegangan antara 5 dan 20 volt DC dan menggunakan daya sekitar 6 Watt, tetapi alat ini memiliki Ethernet switch didalamnya. Mempunyai sebuah switch tentu saja baik dan berguna - tetapi switch ini menggunakan daya ekstra. Linksys juga menyediakan titk akses Wi-Fi yang dinamakan WAP54G yang menggunakan daya hanya sebesar 3 Watt dan dapat menjalankan OpenWRT dan Freifunk firmware. Sistem 4G Accesscube menggunakan daya sekitar 6 Watt ketika diperlengkapi dengan sebuah antarmuka WiFi. Jika 802.11b cukup, maka kartu mini PCI dengan chipset Orinoco berkinerja dengan baik saat menggunakan daya minimum.
