Dimasa yang akan datang, penggunaan pembangkit listrik berbahan bakar fosil, seperti pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), semakin lama akan semakin berkurang dan digantikan dengan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi terbarukan yang lebih bersih dan ramah lingkungan. Salah satu energi terbarukan yang dapat kita temui sehari-hari adalah cahaya matahari. Energi cahaya matahari kedepannya memainkan peranan yang sangat penting dalam bidang kelistrikan, utamanya dalam pemenuhan kebutuhan energi listrik berskala rumah tangga.
Sejarah Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Sejarah 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 built 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.
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (Photovoltaic Plants)
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.
Berikut akan dijelaskan tentang keduanya :
- 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.
Pembangkit Listrik Surya Termal (Solar Thermal Power Plants)
Diagram Alir Pembangkit Listrik Termal Surya
Versi lain dari pembangkit listrik surya termal adalah penggunaan tower listrik (power tower). Tower listrik ini membuat pembangkit listrik surya termal menuju ke arah baru. Cermin disituasikan untuk memfokuskan radiasi cahaya ke satu titik fokus, yaitu sebuah menara tinggi yang mana menara ini menerima cahaya untuk mendidihkan air dan menghasilkan uap air. Cermin-cermin yang digunakan biasanya dikoneksikan ke sebuah sistem penjejakan (tracking system) cahaya dimana sistem tersebut mengatur cermin agar selalu menghadap matahari. Tower listrik ini memiliki beberapa keuntungan, seperti waktu pembangunan yang relatif cepat.
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.
Sel surya atau sel fotovoltaik adalah sebuah alat yang mengubah cahaya menjadi arus listrik dengan menggunakan efek fotolistrik. Sel surya pertama diciptakan oleh Charles Fritts pada tahun 1880. Pada tahun 1931 seorang insinyur Jerman, Dr Bruno Lange, mengembangkan sel fotovoltaik menggunakan selenida perak di tempat oksida tembaga. Meskipun sel prototipe selenium mengkonversi kurang dari 1% dari cahaya menjadi listrik, Ernst Werner von Siemens dan James Clerk Maxwell mengakui penemuan ini sangatlah penting. Setelah karya Russell Ohl pada 1940-an, peneliti Gerald Pearson, Calvin Fuller dan Daryl Chapin menciptakan sel surya silikon pada tahun 1954. Sel-sel surya awal biaya 286 USD/watt dan mencapai efisiensi dari 4,5-6%.
>> Tipe Sel Surya
Ditinjau dari konsep struktur kristal bahannya, terdapat tiga tipe utama sel surya, yaitu sel surya berbahan dasar monokristalin, poli (multi) kristalin, dan amorf. Ketiga tipe ini telah dikembangkan dengan berbagai macam variasi bahan, misalnya silikon, CIGS, dan CdTe.
Fabrikasi Fotovoltaik
Berdasarkan kronologis perkembangannya, sel surya dibedakan menjadi sel surya generasi pertama, kedua, dan ketiga. Generasi pertama dicirikan dengan pemanfaatan wafer silikon sebagai struktur dasar sel surya; generasi kedua memanfaatkan teknologi deposisi bahan untuk menghasilkan lapisan tipis (thin film) yang dapat berperilaku sebagai sel surya; dan generasi ketiga dicirikan oleh pemanfaatan teknologi bandgap engineering untuk menghasilkan sel surya berefisiensi tinggi dengan konsep tandem atau multiple stackes.
Kebanyakan sel surya yang diproduksi adalah sel surya generasi pertama, yakni sekitar 90% (2008). Di masa depan, generasi kedua akan makin populer, dan kelak akan mendapatkan pangsa pasar yang makin besar. European Photovoltaic Industry Association (EPIA) memperkirakan pangsa pasar thin film akan mencapai 20% pada tahun 2010. Sel surya generasi ketiga hingga saat ini masih dalam tahap riset dan pengembangan, belum mampu bersaing dalam skala komersial.
>> Prinsip Kerja Sel Surya
Bahan sel surya sendiri terdiri kaca pelindung dan material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan, semi-konduktor P-type dan N-type (terbuat dari campuran Silikon) untuk menghasilkan medan listrik, saluran awal dan saluran akhir (tebuat dari logam tipis) untuk mengirim elektron ke perabot listrik.
Proses Kerja Sel Surya
Cara kerja sel surya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi-konduktor, terjadi pelepasan elektron. Apabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan semikonduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya-gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semi-konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. Dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada perabot listrik.
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Skala Rumah Tangga
>> Komponen-Komponen
Untuk memasang pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) skala rumah tanggal, komponen-komponen yang digunakan adalah :
Komponen-Komponen PLTS
- Solar Panel / Panel Surya : alat untuk mengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Sebuah sel surya dapat menghasilkan tegangan kurang lebih 0.5 volt. Jadi sebuah panel surya / solar cell 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel.
- Charge Controller : alat untuk mengatur arus dan tegangan yang akan masuk ke baterai. Tegangan dan arus yang masuk ke baterai harus sesuai dengan yang diinginkan. Bila lebih besar atau lebih kecil dari range yang ditentukan, maka baterai atau peralatan yang lain akan mengalami kerusakan. Selain itu, charge controller juga berfungsi sebagai penjaga agar daya keluaran yang dihasilkan tetap optimal. Sehingga dapat tercapai Maximum Power Point Tracking (MPPT).
Charge controller secara umum melindungi dari gangguan-gangguan seperti diterangkan berikut :
LVD, Low voltage disconnect, apabila tegangan dalam battery rendah, ~11.2 V, maka untuk sementara beban tidak dapat dinyalakan. Apabila tegangan battery sudah melewati 12V, setelah di charge oleh modul surya, maka beban akan otomatis dapat dinyalakan lagi (reconnect).
HVD, High Voltage disconnect, memutus listrik dari modul surya jika battery/accu sudah penuh. Listrik dari modul surya akan dimasukkan kembali ke battery jika voltage battery kembali turun.
Short circuit protection, menggunakan electronic fuse (sekering) sehingga tidak memerlukan fuse pengganti. Berfungsi untuk melindungi sistem PLTS apabila terjadi arus hubung singkat baik di modul surya maupun pada beban. Apabila terjadi short circuit maka jalur ke beban akan dimatikan sementara, dalam beberapa detik akan otomatis menyambung kembali.
Reverse Polarity, melindungi dari kesalahan pemasangan kutub (+) atau (-).
Reverse Current, melindungi agar listrik dari baterai atau aki tidak mengalir ke modul surya pada malam hari.
PV Voltage Spike, melindungi tegangan tinggi dari modul pada saat baterai tidak disambungkan ke controller.
Lightning Protection, melindungi terhadap sambaran petir (s/d 20,000 volt).
- Inverter : alat elektronika daya yang dapat mengkonversi 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.
Berikut adalah diagram instalasi pembangkit listrik tenaga surya skala rumah tangga
Diagram Instalasi PLTS
Dari diagram pembangkit listrik tenaga surya diatas dapat diketahui bahwa beberapa panel surya di paralel untuk menghasilkan arus yang lebih besar. Combiner digunakan untuk menghubungkan kaki positif panel surya satu dengan yang lainnya. Begitu pula untuk kaki negatifnya. Ujung kaki positif panel surya dihubungkan ke kaki positif charge controller dan begitu pula untuk kaki negatifnya. Tegangan panel surya yang dihasilkan akan digunakan oleh charge controller untuk mengisi baterai. Untuk menghidupkan beban perangkat dengan arus AC, seperti : Televisi, Radio, komputer, dll, arus baterai yang merupakan arus DC harus diubah terlebih dahulu menjadi AC dengan menggunakan inverter. Untuk mengukur jumlah energi listrik yang telah dihasilkan oleh panel surya dapat digunakan kWh meter. Untuk melindungi panel surya dan perangkat lainnya dari gangguan, maka digunakanlah panel pemutus AC.
Pada pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) skala rumah tangga, biasanya sering terjadi Islanding. Islanding adalah terjadinya pemutusan aliran listrik pada jaringan distribusi yang dimiliki oleh perusahaan listrik ketika PLTS tetap bekerja. Hal ini dapat terjadi karena adanya kerusakan pada jaringan distribusi listrik. Agar tidak merusak PLTS, digunakanlah power conditioner. Alat ini berfungsi untuk mendeteksi terjadinya Islanding dan dengan segera menghentikan kerja PLTS. Power conditioner biasanya menjadi satu dengan inverter.
>>Perhitungan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Skala Rumah Tangga
Sebelum menentukan kapasitas sel surya yang sesuai dengan kebutuhan suatu rumah, alangkah baiknya sebelumnya untuk melakukan perhitungan terlebih dahulu. Langkah-langkah sebelum menentukan sel surya yang tepat untuk dibeli adalah
Jumlah daya yang dibutuhkan dalam pemakaian sehari-hari (watt).
Berapa besar arus yang dihasilkan solar cells panel (dalam ampere hour), dalam hal ini memperhitungkan berapa jumlah panel surya yang harus dipasang.
Berapa unit baterai yang diperlukan untuk kapasitas yang diinginkan dan pertimbangan penggunaan tanpa sinar matahari. (ampere hour).
Berikut adalah contoh perhitungan untuk mendapatkan jumlah panel sel surya yang sesuai dengan kebutuhan rumah tangga.
Perhitungan Keperluan Daya
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
Perhitungan Jumlah Panel Surya
Jumlah solar cells panel yang dibutuhkan, satu panel kita hitung 100 watt (perhitungan adalah 5 jam maksimum tenaga surya):
Jumlah kebutuhan baterai 12 Volt dengan masing-masing 100 Ah:
Kebutuhan baterai minimun (baterai hanya digunakan untuk 50% 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 baterai (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.
Keuntungan dan Kerugian Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
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.
Green Power Plant
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.
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.
Dampak PLTS Terhadap Lingkungan
>> 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.
>> 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.
Perkembangan PLTS Di Dunia
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Tampak Atas
Pembangkit Listrik Surya Termal secara komersial pertama kali dikembangkan pada tahun 1980. Pembangkit Surya Termal Solar Energy Generating System (SEGS) 354 MW adalah pembangkit listrik tenaga surya terbesar didunia yang terletak di gurun mojave, california. Pembangkit surya termal besar lainnya termasuk stasiun pembangkit surya Solnova (150 MW) dan stasium pembangkit surya Andasol (150 MW) di Spanyol. Agua Caliente Solar Project, lebih dari 200 MW di Amerika Serikat, dan Charanka Solar Park 214 MW di India, adalah pembangkit fotovoltaik terbesar didunia.
Video Terkait (Youtube) :
Solar Energy / Solar Photovoltaics / Photovoltaic Effect (3D Animation)
Sejarah Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
- 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
Perhitungan Jumlah Panel Surya- Jumlah solar cells panel yang dibutuhkan, satu panel kita hitung 100 watt (perhitungan adalah 5 jam maksimum tenaga surya):
- Kebutuhan solar cells panel : (3480 / 100 / 5) = 7 panel surya.
Perhitungan Jumlah BateraiKeuntungan dan Kerugian Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
- 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.
Kerugian pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) :