PENGENALAN SOLAR CELL

Kenapa menggunakan tenaga matahari/ surya?

Indonesia memiliki karunia sinar matahari. Hampir di setiap pelosok Indonesia, matahari menyinari sepanjang pagi sampai sore. Energi matahari yang dipancarkan dapat diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan panel surya / solar cell.

Pembangkit listrik tenaga surya adalah ramah lingkungan, dan sangat menjanjikan. Sebagai salah satu alternatif untuk menggantikan pembangkit listrik menggunakan uap (dengan minyak dan batubara).

Perkembangan teknologi dalam membuat panel surya / solar cell yang lebih baik dari tingkat efisiensi, pembuatan aki yang tahan lama, pembuatan alat elektronik yang dapat menggunakan Direct Current, adalah sangat menjanjikan.

Pada saat ini penggunaan tenaga matahari (solar cell) masih dirasakan mahal karena tidak adanya subsidi. Listrik yang kita gunakan saat ini sebenarnya adalah listrik bersubsidi. Bayangkan pengusahaan/ penambangan minyak tanah, batubara (yang merusak lingkungan), pembuatan pembangkit tenaga listrik uap, distribusi tenaga listrik, yang semuanya dibangun dengan biaya besar.

Kelebihan penggunaan listrik tenaga surya:
* Energi yang terbarukan / tidak pernah habis
* Bersih, ramah lingkungan
* Umur panel surya / solar cell panjang/ investasi jangka panjang
* Praktis, tidak memerlukan perawatan
* Sangat cocok untuk daerah tropis seperti Indonesia

Panel surya / solar cell sebagai komponen penting pembangkit listrik tenaga surya, mendapatkan tenaga listrik pada pagi sampai sore hari sepanjang ada sinar matahari. Umumnya kita menghitung maksimun sinar matahari yang diubah menjadi tenaga listrik sepanjang hari adalah 5 jam. Tenaga listrik pada pagi - sore disimpan dalam baterai, sehingga listrik dapat digunakan pada malam hari, dimana tanpa sinar matahari.

Karena pembangkit listrik tenaga surya sangat tergantung kepada sinar matahari, maka perencanaan yang baik sangat diperlukan. Perencanaan terdiri dari:

• Jumlah daya yang dibutuhkan dalam pemakaian sehari-hari (Watt).
• Berapa besar arus yang dihasilkan panel surya / solar cell (dalam Ampere hour), dalam hal ini memperhitungkan berapa jumlah panel surya / solar cell yang harus dipasang.
• Berapa unit baterai yang diperlukan untuk kapasitas yang diinginkan dan pertimbangan penggunaan tanpa sinar matahari. (Ampere hour).

Dalam nilai ke-ekonomian, pembangkit listrik tenaga surya memiliki nilai yang lebih tinggi, dimana listrik dari PT. PLN tidak dimungkinkan, ataupun instalasi generator listrik bensin ataupun solar. Misalnya daerah terpencil: pertambangan, perkebunan, perikanan, desa terpencil, dll. Dari segi jangka panjang, nilai ke-ekonomian juga tinggi, karena dengan perencanaan yang baik, pembangkit listrik tenaga surya dengan panel surya / solar cell memiliki daya tahan 20 - 25 tahun. Baterai dan beberapa komponen lainnya dengan daya tahan 3 - 5 tahun.

Beberapa komponen dari pembangkit listrik tenaga surya (cara kerjanya dapat dibaca di Instalasi Listrik Tenaga Surya):

• Panel surya / solar cell
• Charge controller
• Baterai
• Inverter

Kesimpulan orang menggunakan panel surya (solar cell) karena:

• Ingin berkontribusi pada lingkungan
• Tidak mau tergantung pada PLN
• Daerah terpencil, tenaga listrik dari panel surya / solar cell lebih murah.

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.
Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.

Panel surya / solar cell mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik. Panel surya / solar cell menghasilkan arus yang digunakan untuk mengisi baterai.

Panel surya / solar cell terdiri dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas cahaya, saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus listrik yang dihasilkan juga akan berkurang.

Dengan menambah panel surya / solar cell (memperluas) berarti menambah konversi tenaga surya. Umumnya panel surya / solar cell dengan ukuran tertentu memberikan hasil tertentu pula. Contohnya ukuran a cm x b cm menghasilkan listrik DC (Direct Current) sebesar x Watt per hour/ jam.

	Efesiensi Perubahan Daya	Daya Tahan	Biaya	Keterangan	Penggunaan
Mono	Sangat Baik	Sangat Baik	Baik	Kegunaan Pemakaian Luas	Sehari-hari
Poly	Baik	Sangat Baik	Sangat Baik	Cocok untuk produksi massal di masa depan	Sehari-hari
Amorphous	Cukup Baik	Cukup Baik	Baik	Bekerja baik dalam pencahayaan fluorescent	Sehari-hari & perangkat komersial (kalkulator)
Compound (GaAs)	Sangat Baik	Sangat Baik	Cukup Baik	Berat & Rapuh	Pemakaian di luar angkasa

Jenis panel surya / solar cell : 
Polikristal (Poly-crystalline)
Merupakan panel surya / solar cell yang memiliki susunan kristal acak. Type Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung.

Monokristal (Mono-crystalline)
Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.

Amorphous
Amorphous silicon (a-Si) has been used as a photovoltaic solar cell material for calculators for some time. Although they are lower performance than traditional c-Si solar cells, this is not important in calculators, which use very low power. a-Si's ability to be easily deposited during construction more than makes up for any downsides.

More recently, improvements in a-Si construction techniques have made them more attractive for large-area solar cell use as well. Here their lower inherent efficiency is made up, at least partially, by their thinness - higher efficiencies can be reached by stacking several thin-film cells on top of each other, each one tuned to work well at a specific frequency of light. This approach is not applicable to c-Si cells, which are thick as a result of their construction technique and are therefore largely opaque, blocking light from reaching other layers in a stack.

The main advantage of a-Si in large scale production is not efficiency, but cost. a-Si cells use approximately 1% of the silicon needed for typical c-Si cells, and the cost of the silicon is by far the largest factor in cell cost. However, the higher costs of manufacture due to the multi-layer construction have, to date, make a-Si unattractive except in roles where their thinness or flexibility are an advantage.


Aplikasi tenaga surya

Tenaga surya yang diserap bumi adalah sebanyak 120 ribu terawatt.Pada prinsipnya tenaga surya sebagai pembangkit listrik dengan dua cara: Produksi uap dengan ladang cermin yang digunakan untuk menggerakkan turbin. Pembangkit listrik tenaga surya besar. Mengubah sinar surya menjadi listrik dengan panel surya / solar cell photovoltaik.  Pembangkit listrik tenaga surya portabel / kecil. Tenaga surya dapat diaplikasikan sebagai berikut: Tenaga surya untuk penerangan di rumah. Tenaga surya untuk penerangan lampu jalan (PJU) Tenaga surya untuk penerangan lampu taman Tenaga surya sebagai sumber listrik untuk kamera CCTV. Tenaga surya sebagai sumber listrik untuk instalasi wireless (WIFI), radio pemancar, perangkat komunikasi. Tenaga surya untuk perangkat signal kereta api, kapal. Tenaga surya untuk rumah walet, irigasi, pompa air. Tenaga surya sebagai portable power supply Tenaga surya sebagai pemanas untuk menggerakkan turbin sebagai pembangkit listrik tenaga surya seperti di Nevada Amerika. Tenaga surya sebagai sumber tenaga untuk perangkat satelit.

   

Instalasi listrik tenaga surya

Untuk instalasi listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik, diperlukan komponen sebagai berikut:  Panel surya / solar cell Charge controller Inverter Battery Panel surya / solar cell : panel surya / solar cell menghasilkan energi listrik tanpa biaya, dengan mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik. Sel silikon (disebut juga solar cell) yang disinari matahari/ surya, membuat photon yang menghasilkan arus listrik. Sebuah solar cell menghasilkan kurang lebih tegangan 0.5 Volt. Jadi sebuah panel surya / solar cell 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimun). Jenis panel surya/solar cells dapat di baca disini. Charge controller, digunakan untuk mengatur pengaturan pengisian baterai. Tegangan maksimum yang dihasilkan panel surya / solar cell pada hari yang terik akan menghasilkan tegangan tinggi yang dapat merusak baterai. Inverter, adalah perangkat elektrik yang mengkonversikan tegangan searah (DC - direct current) menjadi tegangan bolak balik (AC - alternating current). Baterai, adalah perangkat kimia untuk menyimpan tenaga listrik dari tenaga surya. Tanpa baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari. Diagram instalasi pembangkit listrik tenaga surya ini terdiri dari panel surya / solar cell, charge controller, inverter, baterai. Dari diagram pembangkit listrik tenaga surya diatas: beberapa panel surya / solar cell di paralel untuk menghasilkan arus yang lebih besar. Combiner pada gambar diatas menghubungkan kaki positif panel surya/solar cells satu dengan panel surya / solar cell lainnya. Kaki / kutub negatif panel satu dan lainnya juga dihubungkan. Ujung kaki positif panel surya / solar cell dihubungkan ke kaki positif charge controller, dan kaki negatif panel surya / solar cell dihubungkan ke kaki negatif charge controller. Tegangan panel surya / solar cell yang dihasilkan akan digunakan oleh charge controller untuk mengisi baterai. Untuk menghidupkan beban perangkat AC (alternating current) seperti Televisi, Radio, komputer, dll, arus baterai disupply oleh inverter. Instalasi pembangkit listrik dengan tenaga surya membutuhkan perencanaan mengenai kebutuhan daya: Jumlah pemakaian Jumlah panel surya / solar cell Jumlah baterai Perhitungan keperluan daya (perhitungan daya listrik perangkat dapat dilihat pada label di belakang perangkat, ataupun dibaca dari manual): Penerangan rumah: 10 lampu CFL @ 15 Watt x 4 jam sehari = 600 Watt hour. Televisi 21": @ 100 Watt x 5 jam sehari = 500 Watt hour Kulkas 360 liter : @ 135 Watt x 24 jam x 1/3 (karena compressor kulkas tidak selalu hidup, umumnya mereka bekerja lebih sering apabila kulkas lebih sering dibuka pintu) = 1080 Watt hour Komputer : @ 150 Watt x 6 jam = 900 Watt hour Perangkat lainnya = 400 Watt hour Total kebutuhan daya =  3480 Watt hour Jumlah panel surya / solar cell yang dibutuhkan, satu panel kita hitung 100 Watt (perhitungan adalah 5 jam maksimun tenaga surya): Kebutuhan panel surya / solar cell : (3480 / 100 x 5)  = 7 panel surya / solar cell. Jumlah kebutuhan batere 12 Volt dengan masing-masing 100 Ah: Kebutuhan batere minimun (batere hanya digunakan 50% untuk pemenuhan kebutuhan listrik), dengan demikian kebutuhan daya kita kalikan 2 x lipat : 3480 x 2 = 6960 Watt hour = 6960 / 12 Volt / 100 Amp = 6 batere 100 Ah. Kebutuhan batere (dengan pertimbangan dapat melayani kebutuhan 3 hari tanpa sinar matahari) : 3480 x 3 x 2 = 20880 Watt hour =20880 / 12 Volt / 100 Amp = 17 batere 100 Ah. Instalasi pembangkit listrik tenaga surya dapat dilihat pada gambar-gambar di National Geographic Indonesia.

   

Monitor Performansi PLTS

Monitor Arus Panel Surya, Tegangan Batere, Performansi Sistem

Perencanaan pembangkit listrik tenaga surya memperhatikan hal sebagai berikut:

• Jumlah daya yang dibutuhkan dalam pemakaian sehari-hari (Watt).
• Berapa besar arus yang dihasilkan panel surya / solar cell  (dalam Ampere hour), dalam hal ini memperhitungkan berapa jumlah panel surya / solar cell yang harus dipasang.
• Berapa unit baterai yang diperlukan untuk kapasitas yang diinginkan dan pertimbangan penggunaan tanpa sinar matahari. (Ampere hour).

Sistem Pembangkit Listrik Panel Surya, membangkitkan arus listrik dan menyimpan ke dalam baterai. Diperlukan perangkat pengukur untuk monitoring arus yang dihasilkan panel surya / solar cell, dan penggunaan oleh beban. Dalam hal ini adalah arus dari baterai yang digunakan oleh beban.

Ampere meter untuk mengukur charging panel surya / solar cell. Volt meter digunakan untuk mengukur tegangan baterai, mengindikasikan berapa jumlah discharge dari baterai. Pengukuran nya adalah sebagai berikut:

% Full Charge	Tegangan
100%	12.7
90%	12.6
80%	12.5
70%	12.3
60%	12.2
50%	12.1
40%	12.0
30%	11.9
20%	11.8
10%	11.7
Discharge	11.6 atau kurang

Pada saat pengukuran perhatikan supaya pada saat tidak terjadi charging maupun discharging. Jadi sebaiknya pengukuran dilakukan pagi hari pada saat belum ada charging dan tidak ada penggunaan.

Baterai yang sering digunakan lebih dari 40% - 50% akan mengurangi lifetime. Jadi dalam perencanaan perhatikan penggunaan daya dan perhitungan baterai adalah 2 kali lipat dari daya tersebut.

Gunakan digital meter, karena lebih akurat. Harga digital meter sekitar Rp. 300.000 - Rp. 750.000. Kemudian untuk digital multi meter harganya bervariasi mulai dari 2 juta rupiah keatas. 

Kabel Instalasi

Kabel untuk menghubungkan komponen perangkat dalam implementasi pembangkit listrik tenaga surya sebaiknya memperhatikan spesifikasi perkabelan untuk mengurangi loss (kehilangan) daya, pemanasan pada kabel, dan kerusakan pada perangkat. Untuk menghubungkan perangkat charge controller dan panel surya / solar cell perhatikan spesifikasi kabel, karena dalam dengan tegangan 12 Volt, spesifkasi kabel yang sesuai dapat mengurangi loss 3% ataupun mengurangi penurunan tegangan.

Kabel memiliki resistansi (dalam ohm), semakin besar kabel, resistansi nya semakin kecil. Pada tegangan 12 Volt, pengurangan tegangan terjadi pada kabel yang panjang, sehingga mengurangi efisiensi dari instalasi pembangkit listrik tenaga surya kita. Untuk itu perhatikan tabel gauge kabel standard Amerika (AWG) berikut ini:

Diameter kabel yang kecil memiliki nomor wire gauge yang besar. Tabel itu adalah untuk ukuran kabel tunggal. Salah satu contoh saja, kabel UTP cat 5 adalah 24 AWG.

AWG	Diameter	Resistansi
	(mm)	(Ω/km)
0000 (4/0)	11.68	0.16
000 (3/0)	10.4	0.2
00 (2/0)	9.27	0.26
0 (1/0)	8.25	0.32
1	7.35	0.41
2	6.54	0.51
3	5.83	0.65
4	5.19	0.82
5	4.62	1.03
6	4.12	1.3
7	3.67	1.63
8	3.26	2.06
9	2.91	2.6
10	2.59	3.28
11	2.31	4.13
12	2.05	5.21
13	1.83	6.57
14	1.63	8.29
15	1.45	10.45
16	1.29	13.17
17	1.15	16.61
18	1.02	20.95
19	0.91	26.42
20	0.81	33.31
21	0.72	42
22	0.64	52.96
23	0.57	66.79
24	0.51	84.22
25	0.46	106.2

Sebagai contoh, tiga panel surya / solar cell dengan masing-masing arus 6 ampere dihubungkan sepanjang 30 feet (1 feet adalah 30 cm) dari charge controller. Berarti ada 18 Ampere arus melalui kabel. Tabel di bawah ini adalah tabel arus (baris kolom) dan tabel gauge kabel (baris atas) yang disarankan. Untuk melihat kabel yang sesuai, pilih sesuai dengan jarak (lebih besar lebih baik) dan nomor AWG kecil. 

	#12	#10	#8	#6	#4	#3	#2	#1	#1/0	#2/0
4	22.7	36.3	57.8	91.6	146	184	232	292	369	465
6	15.2	24.2	38.6	61.1	97.4	122	155	195	246	310
8	11.4	18.2	28.9	45.8	73.1	91.8	116	146	184	233
10	9.1	14.5	23.1	36.7	58.4	73.5	92.8	117	148	186
12	7.6	12.1	19.3	30.6	48.7	61.2	77.3	97.4	123	155
14	6.5	10.4	16.5	26.2	41.7	52.5	66.3	83.5	105	133
16	5.7	9.1	14.5	22.9	36.5	45.9	58	73	92	116
18	5.1	8.1	12.9	20.4	32.5	40.8	51.6	64.9	81.9	103
20	4.6	7.3	11.6	18.3	29.2	36.7	46.4	58.4	73.8	93.1
25	3.6	5.8	9.3	14.7	23.4	29.4	37.1	46.8	59.1	74.5
30	3.1	4.8	7.7	12.2	19.5	24.5	30.9	38.9	49.2	62.1
35	2.6	4.2	6.6	10.5	16.7	20.9	26.5	33.4	42.2	53.2
40	2.3	3.6	5.8	9.2	14.6	18.4	23.2	29.2	36.9	46.5

Sesuai dengan tabel diatas, kita akan menggunakan kabel AWG 4, untuk mencapai pengurangan tegangan kurang dari 3%. Tabel diatas adalah untuk 12 Volt, untuk 24 Volt, bagi jarak dengan 2, untuk 48 Volt, bagi jarak dengan angka 4.

Untuk menghubungkan charge controller dengan baterai, gunakan gauge kabel yang sama, dengan alasan, arus antara charge controller ke baterai, dan arus panel surya / solar cell ke charge controller, hampir sama.

Untuk baterai ke inverter, gunakan kabel yang sebesar mungkin ataupun hampir sama dengan kabel yang digunakan oleh aki mobil. Usahakan jarak antara inverter dan baterai tidak lebih dari 1.8 m. Pertimbangannya adalah 10 Amps AC pada 240 Volts, sama dengan 200 Amps pada 12 Volt DC baterai. Kabel yang tidak sesuai menyebabkan panas dan bisa menyebabkan kebakaran.