PEMANFAATAN SUMBER ENERGI TERBARUKAN DENGAN

PEMANFAATAN SUMBER ENERGI TERBARUKAN DENGAN MENGGUNAKAN
SEL SURYA DIDAERAH RAWAMANGUN PADA TAHUN 2011
REGINA CHINTYA DEWI
Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Jakarta
Jl. Pemuda No.10 Rawamangun Jakarta 13220
Telp : (62-21) 4894909, Fax : (62-21) 4894909
E-mail : [email protected]
Abstrak
Penulisan artikel ini bertujuan untuk memberikan pengetahuan kepada pembaca
tentang pemanfaatn sel surya sebagai energi terbarukan. Penggunaan sel surya merupakan
energi alternatif yang tepat, untuk menggantikan sumber daya energi tak terbarukan,
khususnya di negara Indonesia yang terletak di garis khatulistiwa sehingga mendapatkan
cahaya matahari sepanjang tahun. Sel surya tidak memerlukan bahan bakar dan tidak ada
bagian yang berputar, sistem sel surya juga bersih dan tidak bersuara. Sehingga sel surya
merupakan komponen yang ramah lingkungan. Energi matahari dikonversi menjadi energi
listrik dengan menggunakan panel surya yang menghasilkan energi listrik DC, sehingga harus
dikonversi terlebih dahulu menjadi energi listrik AC agar bisa digunakan oleh masyarakat.
Semakin tinggi intensitas matahari, maka semakin besar pula arus listrik dan tegangan
listrik yang dihasilkan, dengan demikian arus listrik dan energi listrik terbesar dihasilkan
pada siang hari. Pemanfaatan energi matahari sebagai energi terbarukan di Indonesia cukup
efisien karena lifetime dari panel surya sekitar 15 tahun, jadi tidak memerlukan biaya yang
mahal dalam perawatannya, selain itu pengunaan sel surya tidak mencemari lingkungan.
Kata kunci: panel surya, intensitas matahari, arus listrik, tegangan listrik
Penggunaan sel surya, merupakan
Pendahuluan
Setiap
hari
sumber
solusi yang tepat untuk menangani hal
energi tidak terbarukan semakin menipis,
tersebut, khususnya di negara Indonesia
hal tersebut semakin mendesak adanya
yang
sumber energi alternatif, yang dapat
sehingga mendapatkan cahaya matahari
digunakan
sepanjang
sebagai
persediaan
pengganti
sumber
terletak
di
tahun.
garis
Sel
khatulistiwa
surya
tidak
energi tidak terbarukan. Sumber energi
memerlukan bahan bakar dan tidak ada
terbarukan
dapat
bagian yang berputar, sistem sel surya juga
mengganti sumber energi yang tidak
bersih dan tidak bersuara. Sehingga sel
terbarukan,
surya merupakan komponen yang ramah
selain
juga
diharapkan
diharapkan
ramah
lingkungan karena kerusakan alam yang
terjadi di bumi akhir-akhir ini.
lingkungan.
Berdasarkan uraian diatas, maka
perlu
adanya
upaya
menghasilkan daya yang proporsional
untuk
dengan luas permukaan modul yang
mengembangkan penggunaan sel surya
terkena sinar matahari. Dalam penggunaan
sebagai sumber energi terbarukan.
skala agak besar, aki (batere) dalam sistem
sel surya kadang-kadang dihubungkan
dengan
Pembahasan
A. Pengertian
sel
surya
sebuah
inverter,
untuk
mengkonversi listrik searah (dc) menjadi
listrik bolak-balik (ac).
(Photovoltaic)
Photo-voltaic terdiri dari photo dan
Sel surya terbuat dari bahan yang
voltaic. Photo berasal dari kata Yunani
mudah pecah dan berkarat jika terkena air.
phos yang berarti cahaya. Sedangkan
Karena itu sel ini dibuat dalam bentuk
voltaic diambil dari nama Alessandro
panel-panel ukuran tertentu yang dilapisi
Volta (1745 - 1827), seorang pelopor
plastic atau kaca bening yang kedap air.
dalam pengkajian mengenai listrik. Sel
Panel ini dikenal sebagai panel surya.
surya atau Photo-voltaic adalah suatu
komponen ini mengkonversi energi dari
B. Keunggulan
cahaya matahari menjadi energi listrik. Sel
surya merupakan suatu pn junction dari
silikon
kristal
tunggal.1
Sel
Surya
(Photovoltaic)
Sistem sel surya pada mulanya
Dengan
dikembangkan untuk penggunaan pada
menggunakan photo-electric effect dari
satelit di ruang angkasa. Perawatan atau
bahan semikonduktor, sel surya dapat
perbaikaan di ruang angkasa itu pekerjaan
langsung mengkonversi sinar matahari
sangat mahal, untuk tidak mengatakan
menjadi listrik searah (dc).2
tidak mungkin. Oleh karena itu, semua
Sistem sel surya dapat dirancang
satelit
yang
mengelilingi
bumi
untuk penggunaan di ruang angkasa, atau
mendapatkan energi listriknya dari sistem
penggunaan di permukaan bumi. Sistem
sel surya.
sel surya untuk di permukaan bumi terdiri
Sistem sel surya dapat bekerja
dari modul sel surya, kontroler pengisian
dengan andal untuk jangka waktu yang
(charge controller), dan aki (batere) yang
lama dan hampir tanpa memerlukan
maintenance free. Modul sel surya yang
perawatan. Sehingga sel surya dapat
digunakan dapat diperoleh dalam berbagai
dikatakan mempunyai keandalan yang
ukuran
tinggi.
dan
kapasitas.
Yang
sering
digunakan adalah modul sel surya 20 watt
atau
30
watt.3
Modul
sel
surya
Sistem
sel
surya
menggunakan
energi sinar matahari untuk menghasilkan
listrik, tanpa memerlukan bahan bakar.
surya gampang untuk dipindahkan bila
Tanpa ada bagian yang berputar, maka
dipandang
sistem sel surya hanya memerlukan sedikit
menggerakkan pompa untuk pengairan
perawatan. Sehingga sistem sel surya itu
sawah.
perlu.
Misalnya
untuk
boleh dibilang cost effective dan cocok
untuk
stasiun
telekomunikasi
daerah
C. Prinsip
terpencil, pelampung navigasi di tengah
laut,
alat
pemantau
permukaan
kerja
Sel
Surya
(Photovoltaic)
air
Dalam cahaya matahari terkandung
bendungan, atau untuk penerangan rumah
energi dalam bentuk foton. Bila sel surya
yang jauh dari jangkauan jaringan PLN.
itu
Biaya operasional sistem sel surya jelas
elektron-elektronnya akan tereksitasi dan
rendah.
menimbulkan aliran listrik. Prinsip ini
Karena tidak memerlukan bahan
dikenakan
dikenal
sebagai
pada
sinar
prinsip
matahari,
photoelectric,
bakar dan tidak ada bagian yang berputar,
maka timbul yang dinamakan elektron dan
sistem sel surya itu bersih dan tidak
hole.4
bersuara. Ramah lingkungan ini sangat
penting,
mengingat
pilihan
Sel surya dapat tereksitasi karena
untuk
terbuat dari material semikonduktor yang
mendapatkan energi dan penerangan itu
mengandung unsur silikon. Silikon ini
biasanya dari generator diesel atau lampu
terdiri atas dua jenis lapisan sensitif:
minyak tanah. Kalau kita semakin prihatin
lapisan negatif (tipe-n) dan lapisan positif
dengan gas rumah kaca (greenhouse gas)
(tipe-p).
dan pengaruhnya yang merusak terhadap
Elektron-elektron
dan
hole-hole
ekosistem planet kita ini, maka energi
yang timbul di sekitar pn junction bergerak
bersih yang diproleh dari sistem sel surya
berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah
merupakan pilihan yang tepat sekali.
lapisan p. Sehingga pada saat elektron-
Sistem sel surya dapat dibangun
dalam
berbagai
ukuran
atas
elektron dan hole-hole itu melintasi pn
dasar
junction, timbul beda potensial pada kedua
kebutuhan energinya. Selanjutnya sistem
ujung sel surya. Jika pada kedua ujung sel
sel surya itu dapat dikembangkan dan
surya diberi beban maka timbul arus listrik
ditingkatkan dengan mudah. Misalnya,
yang mengalir melalui beban.5
bila kebutuhan energi semakin meningkat,
Listrik yang dihasilkan oleh panel
cukup dengan jalan menambahkan modul
surya dapat langsung digunakan atau
sel surya, tentunya jika sumber dananya
disimpan lebih dahulu ke dalam baterei
memungkinkan. Selain itu, sistem sel
kering. Arus listrik yang dihasilkan adalah
listrik dengan arus searah (DC) sebesar 3.5
A. Besar tegangan yang dihasilkan adalah
Pada awalnya, pembuatan dua jenis
0.4-0.5V. Kita dapat mendesain rangkaian
semikonduktor ini dimaksudkan untuk
panel-panel surya, secara seri atau paralel,
meningkatkan tingkat konduktifitas atau
untuk memperoleh output tegangan dan
tingkat kemampuan daya hantar listrik dan
arus yang diinginkan. Untuk memperoleh
panas semikonduktor alami. Di dalam
arus bolak balik (AC) diperlukan alat
semikonduktor alami
tambahan yang disebut inverter.
semikonduktor
(disebut
intrinsik)
ini,
dengan
elektron
maupun hole memiliki jumlah yang sama.
Kelebihan
D. Poses Konversi
Proses pengubahan atau konversi
cahaya
matahari
menjadi
listrik
ini
sel
surya
berupa
atau
hole
dapat
meningkatkan daya hantar listrik maupun
panas dari sebuah semikoduktor.
dimungkinkan karena bahan material yang
menyusun
elektron
Misal semikonduktor intrinsik yang
dimaksud
ialah
silikon
(Si).
semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun
Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat
atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis
dengan menambahkan unsur boron (B),
n dan jenis p. Semikonduktor jenis n
aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium
merupakan semikonduktor yang memiliki
(In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan
kelebihan elektron, sehingga kelebihan
ini
muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan
Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat
semikonduktor jenis p memiliki kelebihan
dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor
hole, sehingga disebut dengan p ( p =
(P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini,
positif) karena kelebihan muatan positif.
tambahan
Caranya, dengan menambahkan unsur lain
Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak
ke dalam semkonduktor, maka kita dapat
mengandung
mengontrol jenis semikonduktor tersebut,
menambahkan unsur tambahan ini disebut
sebagaimana diilustrasikan pada gambar di
dengan doping yang jumlahnya tidak lebih
bawah ini.
dari 1 % dibandingkan dengan berat Si
akan
menambah
elektron
jumlah
dapat
unsur
hole.
diperoleh.
tambahan.
Usaha
yang hendak di-doping.
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
yang ada pada semikonduktor n yang
dapat digambarkan sebagai berikut.
mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini
berkurang.
1.
Semikonduktor jenis p dan n sebelum
Daerah
ini
akhirnya
lebih
bermuatan positf.
disambung.
4.
Daerah negatif dan positif ini
disebut dengan daerah deplesi (depletion
region) ditandai dengan huruf W.
5.
2.
Sesaat
setelah
dua
jenis
semikonduktor
ini
disambung,
terjadi
perpindahan
elektron-elektron
dari
semikonduktor n menuju semikonduktor p,
Baik elektron maupun hole yang
ada pada daerah deplesi disebut dengan
pembawa
muatan
minoritas
(minority
charge carriers) karena keberadaannya di
jenis semikonduktor yang berbeda.
dan perpindahan hole dari semikonduktor p
menuju
semikonduktor
n.
Perpindahan
elektron maupun hole ini hanya sampai pada
jarak tertentu dari batas sambungan awal.
6.
Dikarenakan
adanya
perbedaan
muatan positif dan negatif di daerah
deplesi, maka timbul dengan sendirinya
medan listrik internal E dari sisi positif ke
sisi
negatif,
yang
mencoba
menarik
kembali hole ke semikonduktor p dan
elektron ke semikonduktor n. Medan
listrik ini cenderung berlawanan dengan
3.
Elektron
dari
n
perpindahan hole maupun elektron pada
bersatu dengan hole pada semikonduktor p
awal terjadinya daerah deplesi (nomor 1 di
yang
atas).
mengakibatkan
semikonduktor
jumlah
hole
pada
semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini
akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan
positif. Pada saat yang sama. hole dari
semikonduktor p bersatu dengan elektron
7.
Adanya medan listrik mengakibatkan
sambungan pn berada pada titik setimbang,
yakni saat di mana jumlah hole yang
berpindah dari semikonduktor
p ke
n
dikompensasi dengan jumlah hole yang
tertarik kembali kearah semikonduktor p
akibat medan listrik E. Begitu pula dengan
jumlah
elektron
yang
dari
Ketika sambungan semikonduktor ini
smikonduktor n ke p, dikompensasi dengan
terkena cahaya matahari, maka elektron
mengalirnya
ke
mendapat energi dari cahaya matahari untuk
semikonduktor n akibat tarikan medan listrik
melepaskan dirinya dari semikonduktor n,
E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah
daerah
seluruh elektron dan hole berpindah dari
Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole
semikonduktor yang satu ke semiikonduktor
pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron
yang lain.
yang disebut dengan fotogenerasi elektron-
kembali
berpindah
elektron
deplesi
maupun
semikonduktor.
Pada sambungan p-n inilah proses
hole (electron-hole photogeneration) yakni,
konversi cahaya matahari menjadi listrik
terbentuknya pasangan elektron dan hole
terjadi.
akibat cahaya matahari.
Untuk
keperluan
sel
surya,
semikonduktor n berada pada lapisan atas
sambungan p yang menghadap kearah
datangnya cahaya matahari, dan dibuat
jauh lebih tipis dari semikonduktor p,
sehingga cahaya matahari yang jatuh ke
permukaan sel surya dapat terus terserap
dan
masuk
ke
semikonduktor p.
daerah
deplesi
dan
Cahaya matahari dengan panjang
gelombang (dilambangkan dengan simbol
“lambda” sbgn di gambar atas ) yang
berbeda,
membuat
sambungan
pn
fotogenerasi
berada
pada
pada
bagian
sambungan pn yang berbeda pula.
Spektrum
matahari
merah
yang
gelombang
dari
cahaya
memiliki
lebih
panjang
panjang,
mampu
menembus daerah deplesi hingga terserap
di
semikonduktor
p
yang
akhirnya
menghasilkan proses fotogenerasi di sana.
Spektrum biru dengan panjang gelombang
yang jauh lebih pendek hanya terserap di
daerah semikonduktor n.
Selanjutnya,
Pada
umumnya,
untuk
memperkenalkan cara kerja sel surya secara
umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan
dikarenakan
pada
sambungan pn terdapat medan listrik E,
segalanya tentang proses konversi cahaya
matahari menjadi energi listrik.6
elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah
semikonduktor n, begitu pula dengan hole
yang tertarik ke arah semikonduktor p.
Apabila
rangkaian
dihubungkan
ke
dua
semikonduktor,
maka
elektron
kabel
bagian
akan
mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu
kecil
dihubungkan
ke
kabel,
lampu
tersebut menyala dikarenakan mendapat
E. Jenis Sel Surya (Photovoltaic)
arus listrik, dimana arus listrik ini timbul
Jenis pertama, yang terbaik saat ini, adalah
akibat pergerakan elektron.
jenis monokristalin. Panel ini memiliki
efisiensi 12-14%.
Jenis kedua adalah jenis polikristalin atau
multikristalin, yang terbuat dari kristal
silikon dengan efisiensi 10-12%.
Jenis
ketiga adalah
silikon
jenis
amorphous, yang berbentuk film tipis.
Efisiensinya sekitar 4-6%. Panel surya
daya panel maksimum (Wp), 3 kali untuk
jenis ini banyak dipakai di mainan anak-
cuaca mendung, dan 5 kali untuk kondisi
anak,
kalkulator.
panas terik. Misalnya untuk sebuah panel
Jenis keempat adalah panel surya yang
surya berdaya maksimum 50 Wp, daya
terbuat dari GaAs (Gallium Arsenide)
yang dihasilkan pada cuaca mendung
yang lebih efisien pada temperatur tinggi.
perhari adalah 3 kali 50 Wp atau 150 Wp,
jam
dan
dan pada cuaca cerah adalah 5 kali 50 Wp
atau 250 Wp.
F. Perhitungan Teknis
Daya yang dihasilkan oleh panel
Panel-panel surya dapat disusun
surya maksimum diukur dengan besaran
secara seri atau paralel. Rangkaian paralel
Wattpeak
(Wp),
digunakan
pada
terhadap
Watthour
tegangan
output
yang
konversinya
(Wh)
tergantung
panel
yang
panel
sama
dengan
untuk
intensitas cahaya matahari yang mengenai
memperoleh penjumlahan arus keluaran.
permukaan panel. Selanjutnya daya yang
Tegangan yang lebih tinggi diperoleh
dikeluarkan oleh panel surya adalah daya
dengan merangkai panel-panel dengan arus
panel dikalikan lama penyinaran.
keluaran yang sama secara seri. Misalnya
Misalnya
sebuah
panel
surya
untuk memperoleh keluaran sebesar 12
berkapasitas 50 Wp disinari matahari
Volt dan arus 12 A, kita dapat merangkai 4
dengan intensitas maksimum selama 8 jam
buah
maka daya yang dihasilkan adalah 50 kali
keluaran 12 Volt dan 3 A secara paralel.
8 Wh atau 400 Wh. Daya sebanyak ini
Sementara kalau keempat panel tersebut
dapat digunakan untuk menyalakan 4 buah
dirangkai secara seri akan diperoleh
lampu 25 Watt selama 4 jam atau sebuah
keluaran tegangan sebesar 48 Volt dan
televisi hitam putih 40 Watt selama 10
arus 3 A.
jam.
Di Indonesia, daya (Wh) yang
dihasilkan perhari biasanya sekitar 3-5 kali
panel
masing-masing
dengan
Kesimpulan
1.
Keunggulan sistem sel surya antara
lain: keakuratannya tinggi, biaya
operasinya
rendah,
ramah
lingkungan, berbentuk modul, dan
biaya konstruksinya rendah.
2.
Kelemahan sistem tata surya antara
lain: perlu lahan luas serta biaya
pembuatan dan pemeliharaan yang
tinggi.
3.
Semakin tinggi intensitas matahari,
maka semakin besar pula arus listrik
dan tegangan listrik yang dihasilkan,
dengan demikian arus listrik dan
energi listrik terbesar dihasilkan
pada siang hari.
4.
Energi listrik yang dihasilkan adalah
energi listrik searah (DC).
5.
Besar intensitas matahari sangat
mempengaruhi besar arus listrik dan
tegangan listrik yang dihasilkan.
DAFTAR PUSTAKA
Wikipedia. 2011. “Sel Surya.” (http://id.wikipedia.org/wiki/Sel_surya, diakses 15 Juni 2011).
Satwiko Sidopekso,” Pengaruh Penggunaan Cermin Datar Dalam Ruang Tertutup Pada Sel Surya
Silikon,” Jurnal Fisika, 3:2, (Jakarta, April 2010), 73-76.
[3]
Jawa Pos. 2011. “Listrik Tenaga Surya.” (http://zkarnain.tripod.com/selsurya.html, diakses 14 Juni
2011).
[4]
Wordpress. 2008. “Melihat Prinsip Kerja Sel Surya Lebih Dekat.”
(http://energisurya.wordpress.com/2008/07/10/melihat-prinsip-kerja-sel-surya-lebih-dekat/, diakses 14
Juni 2011).
[1]
[2]
Markvart, Tom. 2003.”Photovoltaics Fundamentals and applications. ” Inggris:oxford.
[5]