TUGAS IV Pembangkit Listrik Tenaga Surya

TUGAS IV
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)

Oleh :
FEBRIANI WIJAYANTI
NPM. 250120160011

Disusun untuk memenuhi mata kuliah
Manajemen Energi dan Teknologi

PROGRAM STUDI MAGISTER ILMU LINGKUNGAN
SEKOLAH PASCA SARJANA
UNIVERSITAS PADJADJARAN
2016

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

1. Sebutkan perbedaan fungsi dari Solar Cell dengan Solar Water Heating dan
Solar Furnaces.
Jawaban :
 Solar cell

adalah alat untuk mengkonversi energi dari cahaya matahari menjadi energi
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 bagaimana
prinsip kerja Solar Cell tersebut ?
Jawaban :
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

1

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

telah di doping berbeda akan digabungkan dan menghasilkan p-n junction, seperti
tampak pada gambar 1.

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.

2

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

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. 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

3


Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

umpan dan membeku sebagai satu kristal besar silikon. Suhu proses berkisar antara
1000-1200

derajat

Celsius,

yakni

suhu

di

mana

silikon

dapat


melebur/meleleh/mencair. Silikon yang telah membeku ini akhirnya dipotongpotong menghasilkan wafer dengan ketebalan sekitar 2 milimeter.

Gambar 3 Reaktor tempat Pembuatan Wafer Silikon

Gambar 4 Keadaan Silikon yang tengah ditarik oleh batang pengumpan

4

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

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.

5

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

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
kontraproduktif. Komunitas industri dan peneliti sel surya akhirnya berpaling ke
jenis silikon yang 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


6

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

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 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

V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain
semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga electron
valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut
mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p.
Sehingga area 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

7

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah
terbentuk dioda.

Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari
lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita
valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan
hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektronhole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari
area-n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus

akan mengalir.
3. Apa yang dimaksud dengan efek photovoltaic ?
Jawaban :
Efek photovoltaik yaitu efek yang terjadi akibat foton dengan panjang gelombang
tertentu yang jika energinya lebih besar daripada energi ambang semikonduktor,
maka akan diserap oleh elektron sehingga elektron berpindah dari pita
valensi menuju pita konduksi dan meninggalkan hole pada pita valensi, selanjutnya
dua buah muatan, yaitu pasangan elektron hole dibangkitkan.
Fenomena ini pertama kali diamati oleh Fisikawan Perancis AE Becquerel pada
tahun 1839 ketika ia mencoba untuk menghasilkan arus antara dua pelat platinum
dan emas, direndam dalam larutan dan terkena cahaya. Apa yang terjadi di sini
adalah bahwa, elektron pada pita valensi logam menyerap energi dari cahaya dan
setelah eksitasi melompat ke pita konduksi dan dengan demikian menjadi bebas
bergerak. Elektron kemudian dipercepat oleh potensi Galvani sehingga mereka bisa

8

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

langsung berpindah dari satu bahan ke bahan lainnya yang berbeda dengan melintasi
ruang vakum seperti dalam kasus efek fotolistrik, yang lebih sulit. Sel surya
beroperasi pada konsep ini.

Gambar 3.1 Efek Photovoltaic

4. Hal apa yang merupakan kendala operasi dari PLTS, dan hal apa yang
menentukan tingkat kehandalan dari suatu pembangkit ?
Jawaban :
Kendala operasi dari PLTS adalah sebagai berikut :
- Pembangkit tenaga listrik bersifat tidak tetap, menghasilkan listrik dengan daya
yang naik turun seiring dengan intensitas matahari, dan akan tidak beroperasi saat
malam hari. Hal ini menyebabkan total daya yang dihasilkan tidak sama dengan
daya yang tertera atau secara teoritis dapat dibangkitkan oleh sel tersebut
- Pembangkit listrik tenaga surya dalam skala besar tidak dapat memberikan daya
untuk sebuah daerah/pemakaian tanpa dibantu oleh sistem pembagkit listik tenaga
lainnya atau sistem penyimpanan karena sifatnya yang tidak tetap itu.
- Jika tidak didisain secara cermat, dapat terjadi ketidakseimbangan daya pada
saat sebagian dari sel surya tidak mendapat cahaya matahari
- Untuk mencapai tingkat efektivitas tertinggi dalam menghasilkan energi listrik,
panel sel surya harus ditempatkan pada tempat yang dapat bergerak mengikuti
arah matahari. Jika menggunakan penempatan yang tetap, maka sistem tidak
mencapai efektivitas maksimum.

9

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

- Pembangkit listrik tenaga surya memerlukan tempat yang cukup luas, sehingga
biaya lokasi/tanah dapat menjadi mahal.
- Sistem pembangkit listrik tenaga surya berskala besar tidak efisien jika dibuat
untuk tempat-tempat yang mendapatkan sedikit sinar matahari
- Badai dapat merusak atau menghancurkan sel surya

Kehandalan merupakan suatu indikator tingkat kemampuan, kelancaran,
ketahanan maupun keamanan suatu pembangkit dalam operasinya untuk
memproduksi tenaga listrik sesuai keperluan / target yang telah direncanakan.
Hal-hal yang Menentukan Tingkat Kehandalan Dari Suatu Pembangkit Listrik
Tenaga Surya, adalah :
a. Daya mampu yang tersedia;
b. Fluktuasi dan kondisi beban;
c. Alat pengaman (proteksi);
d. 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 ?
Jawaban :
Untuk memperbesar tegangan yang dihasilkan maka beberapa solar cell
dihubungkan secara seri, dan untuk meningkatkan kemampuan arus maka masingmasing rangkaian seri tersebut diparalelkan. Susunan dari beberapa solar cell
dinamakan modul dan susunan beberapa modul disebut array atau panel.

10

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

Untuk mendapatkan arus listrik yang lebih besar dari pada keluaran arus listrik
dari setiap modul surya, maka modul surya dihubungkan secara parallel, dengan
cara menghubungkan kutub-kutub yang sama (kutub negatif saling dihubungkan
dan kutub positif juga saling dihubungkan). Apabila masing-masing modul surya
mempunyai tegangan kerja 15 Volt dan menghasilkan arus listrik sebesar masingmasing 3Ampere, kemudian ketiganya dihubungkan secara parallel maka akan
didapatkan arus listrik total sebesar 9 Ampere sedangkan tegangan total akan
sama dengan tegangan masing-masing modul surya yaitu 15 Volt.

Gambar 5.1 Susunan modul surya dihubungkan secara paralel
Untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan, beberapa modul surya
dihubungkan secara seri yaitu dengan cara menghubungkan kutub positif dan
kutub negatif. Tegangan total yang didapatkan dengan cara menghubungkan seri
tiga buah modul masing–masing mempunyai tegangan 5 Volt adalah merupakan
jumlahan

ketiganya

yaitu

15Volt. Akan

tetapi

arus listrik

total

yang

dihasilkan adalah sama dengan masing arus setiap modul yaitu 3 Ampere.

Gambar 5.1 Susunan model surya dihubungan secara seri
11

Febriani Wijayanti (NPM.250120160011)

Sumber Referensi :
Tatang. 2015. http://smpsma.com/perbedaan-efek-fotolistrik-dan-efekfotovoltaik.html
http://panelsuryaindonesia.com/konsep-panel-surya/25-solar-cell-pertimbanganpemilihan-material-bahan
https://tenagasuryaku.com/2011/12/03/solar-sell/ pengertian panel surya atau solar
cell

12