SOAL DAN TUGAS PEMBANGKIT LISTRIK

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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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 10001200 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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
Gambar 3 Reaktor tempat Pembuatan Wafer Silikon
Gambar 4 Keadaan Silikon yang tengah ditarik oleh batang pengumpan
Manajemen Energi & Teknologi
4
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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
1
2
3
4
5
7 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
MALAM
12 Jam
6 Jam
6 Jam
2 Jam
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 m2
 Daya maksimum modul
=
18,7 W
 Efisiensi modul
=
10 %
 Intensitas Cahaya rata rata
=
4.450 W/m2
 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
Iid Moh. Abdul Wahid (NPM : 250120140017)
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 m2
Jumlah modul untuk panel surya : n
= Aa / Acm
= 10,91 m2 / 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