5
BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Energi Surya
2.1.1 Pengertian Energi Surya
Energi surya adalah berupa energi panas cahaya matahari yang dapat dimanfaatkan jika dipergunakan dengan tepat. Seperti penggunaan photovoltaic sebagai pembangkit listrik tenaga surya yang bisa langsung dikonversikan ke energi lain, seperti energi cahaya matahari langsung di konversi ke energi listrik melalui panel surya. Kelebihan dan kekurangaan Energi surya (DESDM, 2005). Kelebihan : 1. Panel Surya tidak memerlukan bahan bakar kimia. 2. Energi surya ramah lingkungan serta dapat diperbaharui atau bisa disebut energi yang tak terhingga sumber dayanya. 3. Energi surya dapat digunakan pada tempat terpencil atau di pelosok desa yang tidak dapat di jangkau oleh aliran listrik Negara dengan pemasangan panel surya pada rumah-rumah warga. 4. Energi surya bebas dari sistem pemeliharaan berjangka maupun harian. 5. Energi surya sangat efisien pada penempatannya seperti dapat di gunakan pada pelosok desa sekalipun yang sangat terpencil. 6. Energi yang di hasilkan oleh panel surya tidak akan menghasilkan polusi.
Kekurangan : 1. Energi surya bergantung pada waktu musim panas kisaran bulan tertentu. 2. Efisiensi energi surya masih bergantung pada posisi matahari pada lokasi tersebut. 3. Masih belum maksimalnya penyerapan energi surya pada panel yang di akibatkan belum adanya penambahan alat pemusat sinar matahari pada panel surya.
6
2.1.2 Waktu Pergerakan Matahari
Bumi bergarak memutari matahari dalam suatu orbit yang berbentuk elips hampir berupa lingkaran sempurna. Titik terdekat bumi antara matahari terdapat pada tanggal 21 desember yang jaraknya berkisar bumi 1,45 x 1011 m dari matahari, namun bumi memiliki titik terjauh dari matahari yang di akibatkan perputaran bumi yang melintasi orbit yang berbentuk elips sehingga titik terjauhnya terdapat di tanggal 22 juni, pada titik tersebut bumi berharak sekitar 1,54 x 1011 m dari matahari. Matahari memiliki rata-rata waktu ialah waktu matahari setempat jika bumi bergerak mengelilingi matahari dengan kecepatan konstan melalui orbit. Orbit yang bergerak elips itu menunjukkan bahwa bumi tidak bergerak dengan kecepatan konstan dasn pada berbagai waktu matahari timbul lebih cepat atau lebih lambat dari waktu yang di perkirakan matahari rata-rata timbul. Perbedaan waktu matahari sebenarnya dengan rata-rata matahari rata-rata di sebut dengan “persamaan waktu”.
Gambar 2.1 Perputaran Bumi terhadap Matahari. Sumber : (Surya, 2008)
7
Waktu pangkal yang ditetapkan adalah waktu yang berlaku untuk garis bujur yang melewati daerah Greenwich. Bujur ini ditetapkan sebagai bujur 00 dengan setiap Saat matahari berada di utara, yaitu sebelum dan sesudah bulan Juni, panjang siang lebih pendek dari pada malam. Akibatnya, jam 5.30 baru terang dan jam 6 sore pun sudah agak gelap. Sedangkan pada tanggal di mana Matahari tepat berada di ekuator, yaitu tanggal 21 Maret dan 21 September, panjang siang dan malam di semua tampat akan sama, yaitu 12 jam. Pada bulan Juni, Bumi bagian Utara mendapat cahaya Matahari lebih banyak. Pada bulan Desember Bumi bagian Selatan mendapat cahaya Matahari lebih banyak. 2.1.3 Pengaruh Rotasi Bumi Bersamaan dengan revolusi bumi, bumi pun berputar mengelilingi sumbunya yang dapat disebut dengan rotasi. Arah rotasi sama dengan arah revolusi, yaitu dari barat ke timur. Itulah sebabnya matahari lebih dahulu terbit di papua dari pada di pulau jawa. Setelah satu kali rotasi, tempat-tempat di bumi telah menjalani 3600 bujur. Oleh karena ke3600 ditempuh selama 24 jam, maka tiap satu derajat ditempuh selama empat menit. Dengan demikian, perbedaan waktu antara dua tempat yang perbedaan bujurnya 15 0 adalah satu jam. Oleh karena itu, disepakatilah untuk membagi permukaan bumi menjadi 24 daerah waktu yang masing-masing 150 besarnya dengan Perbedaan waktu di antara dua daerah waktu yang berdampingan adalah satu jam. Waktu pangkal yang ditetapkan adalah waktu yang berlaku untuk garis bujur yang melewati daerah Greenwich. Bujur ini ditetapkan sebagai bujur 00dengan setiap garis bujur yang jauhnya 150 atau kelipatan 150 ke arah timur dan ke arah barat bujur nol dipakai sebagai bujur standar. Waktu pada bujur standar disebut waktu standar atau waktu lokal. Indonesia misalnya, mempunyai tiga bujur standar, yaitu 1050, 1200, dan 1350 bujur timur. Dengan demikian, waktu lokal masing-masing ialah waktu Greenwich ditambah dengan 7, 8, dan 9 jam. Jika letak bujur standar itu di sebelah barat (bujur barat) bujur nol, maka waktunya dikurangi.
2.1.4 Pengaruh Posisi Modul Surya (Photovoltaic) Terhadap Pergerakan Arah Matahari Beberapa macam cara yang dapat mendapatkan radiasi matahari yang lebih banyak yaitu dengan mengatur kedudukan modul surya, dimana kedudukan modul surya dapat
8
diatur mengikuti pergerakan arah matahari dengan menentukan posisi sudut kemiringan, sudut deklinasi, bujur lintang, sudut zenith, sudut datang matahari, sudut permukaan azimuth, serta sudut jam matahari terhadap pergerakan arah matahari. Cara kedua adalah dengan menggunakan cermin pantul. Posisi relatif matahari terhadap modul surya (photovoltaic) di bumi bisa dijelaskan dalam beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.5 Sudut-sudut itu adalah :
Latitude (garis lintang) Adalah sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator (khatulistiwa), utara positif ; --90° ≤ φ ≤ 90°.hal ini pengujian solar cell dilakukan ditempat kampus Universitas Udayana Jl. Sudirman Denpasar Bali dengan letak geografisnya berada pada titik Lintang -8.672267 dan Bujur 115.219134
Deklinasi (δ) Adalah sudut posisi matahari terhadap bidang khatulistiwa, utara positif -23,450 23,450. deklinasi dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan :
δ = 23,45° sin (360
284 x n θz
) , dimana n = hari dalam bulan
(2.1)
Kemiringan (β) Adalah sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan permukaan horizontal. Slope (kemiringan) dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan : β = Tan-1 (Tan θz x cos γs)
(2.2)
Sudut permukaan azimuth (γ) Adalah proyeksi ke bidang horizontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap selatan, timur negatif, barat positif ; -180° ≤
γ ≤180°.
Sudut jam matahari (ω) Adalah sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15° per jam ; sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif. ω = (ts – 12) x , ts = waktu jam
(2.3)
9
Sudut datang (θ) Adalah sudut antara permukaan radiasi langsung normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor. Sudut datang dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan : θ = cos-1 (1-cos2 δ x sin2 ω)1/2
(2.4)
Sudut zenith (θ z) Adalah sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis datang sinar matahari.Sudut zenith dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan : θz = cos -1 (cos φ x cos δ x cos ω + sin φ x sin δ)
(2.5)
Sudut ketinggian matahari (s) Adalah Sudut antara garis horisontal dengan garis matahari datang pada modul surya (photovoltaic).
Sudut azimuth matahari (γs) Adalah sudut penyimpangan dari selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. Penyimpangan ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif. Sudut zenith dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan :
γs = sin-1 (sin ωtθx cos δ ) z
Gambar 2.6 Beberapa Sudut Penting Energi Surya
(2.6)
10
Tabel 2.1 Data Tanggal pengujian Modul Surya Dalam Bulan Terhadap Matahari Bulan
Tanggal dalam
Tanggal
Jumlah tangal
bulan
pengujian
pengujian
Deklanasi (δ)
terhadap bulan Januari
i
17
17
-20,9
Februari
31 + i
16
47
-13.0
Maret
59 + i
16
75
-2.4
April
90 + i
15
105
9.4
Meri
120 + i
135
135
18.8
Juni
151 + i
162
162
23.1
Juli
181 + i
198
198
21.2
Agustus
212 + i
228
228
13.5
September
243 + i
258
258
2.2
Oktober
273 + i
288
288
-9.6
November
304 + i
318
318
-18.9
Desember
334 + i
344
344
-23.0
2.1.5 Analisis Potensi Energi Surya Yang Ada Di Indonesia Indonesia mempunyai intensitas radiasi matahari yang sangat berpotensi untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga surya, dengan rata-rata daya radiasi matahari di Indonesia sebesar 1000 Watt/m2. Data hasil pengukuran intensitas radiasi tenaga surya di seluruh Indonesia yang sebagian besar dilakukan oleh BPPT dan sisanya oleh BMG dari tahun 1965 hingga 1995 ditunjukkan pada Tabel. (Irawan dan Fitrian, 2005).
11 Tabel 2.2: Pengukuran Intensitas Radiasi Matahari di Indonesia.
Propinsi
Lokasi
Tahun pengukuran
Posisi geografis
Intensitas radiasi (Wh/m²)
NAD
Pidie
1990
4°15’ LS : 96°52’BT
4.097
Sum Sel
Ogan komering Ulu
1979-1981
3°10’ LS : 104°42’BT
4.951
Lampung
Kab. Lampung selatan
1972-1979
4°28’ LS : 105°48’BT
5.234
DKI Jakarta
Jakarta Utara
1965-1981
6°11’ LS : 106°05’BT
4.187
Banten
Tangerang
1980
6°07’ LS : 106°30’BT
4.324
Lebak
1991-1995
6°11’ LS : 106°30’BT
4.446
Bogor
1980
6°11’ LS : 106°39’BT
2.558
Bandung
1980
6°56’ LS : 107°38’BT
4.149
Jawa tengah
Semarang
1979-1981
6°59’ LS : 110°23’BT
5.488
DI Jogyakarta
Yogyakarta
1980
7°37’ LS : 110°01’BT
4.500
Jawa Timur
Pacitan
1980
7°18’ LS : 112°42’BT
4.300
Kal Bar
Pontianak
1991-1993
4°36’ LS : 9°11’BT
4.552
Kal Tim
Kabupaten Berau
1991-1995
0°32’ LU : 117°52’BT
4.172
Kal Sel
Kota Baru
1979-1981
3°27’ LU : 114°50’BT
4.796
1991-1995
3°25’ LS : 114°41’BT
4.573
Jawa Barat
Gorontalo
Gorontalo
1991-1995
1°32’ LU : 124°55’BT
4.911
Sul Teng
Donggala
1991-1994
0°57’ LS : 120°0’BT
5.512
Papua
Ja yapura
1992-1994
8°37’ LS : 112°12’BT
5.720
Bali
Denpasar
1977-1979
8°40’ LS : 115°13’BT
5.263
NTB
Kabupaten Sumbawa
1991-1995
9°37’ LS : 120°16’BT
5.747
NTT
Ngada
1975-1978
10°9’ LS : 123°36’BT
5.117
Sumber : BPPT dan BMG.
Indonesia terkenal sebagai Negara tropis, Indonesia memiliki potensi energi surya yang cukup besar untuk menutupi kerisis energi global yang salah satunya
12
berdampak pada Indonesia. Berdasarkan panasnya radiasi matahari yang telah dihimpun oleh BPPT, BMG dari lokasi-lokasi di Indonesia, radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan sebagai berikut : untuk kawasan Timur dan Barat Indonesia dengan distribusi penyinaran radiasi matahari di kawasan Barat Indonesia (KBI) sekitar 4,5 kWh/m2/hari. Dapat di simpulkan bahwa potensi radiasi matahari di Indonesia sekitar 4,8 kWh/m2/hari dan radiasi matahari tersebut sangat berpotensi sebagai sumber daya energi yang tidak akan pernah habis untuk di pergunakan sebagai sumber energi listrik untuk Indonesia kedepannya. (DESDM,2005)
2.2
Energi Surya Langsung
Energi surya langsung dapat dibedakan ke dalam tiga metode : 1. Prinsip pemanasan langsung, dalam hal ini sinar matahari memanasi langsung benda yang akan di panaskan seperti pakaian yang akan di jemur pad terik matahari. 2. Objek yang akan di panaskan adalah air namun, panas yang terkandung dalam air tersebut bisa langsung di konversikan menjadi energi listrik. 3. Menggunakan photovoltaic, radiasi panas matahari yang di serap langsung di konversi ke energi listrik.
2.2.1 Pemanasan Langsung
Menjemur sesuatu benda di bawah terik matahari merupakan salah satu contoh yang menggunakan pemanfaatan energti surya secara langsung. Dengan pemanasan secara langsung yang mengikuti metode tersebut maka panas matahari yang di dapat tidak akan mencapai suhu 1000 C. Metode pemanasan secara langsung tersebut akan efektivitas bila mempergunakan pengumpulan panas dengan menggunakan kolektor. Kolektor ini akan di konsentrasikan terhadap sinar matahari sehingga di peroleh suatu suhu yang lebih tinggi dan dapat dikonversikan langsung terhadap benda yang ingin di panaskan. Sistem pemanasan secara langsung ini efisiensinya masih berkisar 30% - 40%. Contoh sistem pemanasan secara langsung dengan menggunakan kolektor adalah kompor matahari, pemanas air mandi dll.
13
Gambar 2.2 Proses Pemanasan Langsung Sumber : (Indraja,1995)
2.3
Perpindahan Panas
Perpindahan panas didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari satu tempat ke tempat lainnya yang disebabkan perbedaan temperatur antara tempattempat tersebut. Bila dalam suatu sistem terdapat gradien temperatur atau bila dua sistem yang temperaturnya berbeda disinggungkan maka akan terjadi perpindahan energi yang disebut panas (heat). Energi ini tidak dapat diukur atau diamati secara langsung tetapi arah perpindahan dan pengaruhnya dapat diamati dan diukur. Pada umumnya terdapat tiga proses perpindahan panas yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Ilmu perpindahan panas tidak hanya membahas bagaimana energi itu berpindah dari suatu bagian ke bagian lainnya tetapi juga meramalkan laju perpindahan energi pada suatu kondisi-kondisi tertentu. Ilmu perpindahan panas berbeda dari ilmu termodinamika. Dalam perpindahan panas membahas masalah laju perpindahan panas sedangkan pada termodinamika membahas sistem dalam keseimbangan. Termodinamika dapat digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dari keadaan setimbang satu ke keadaan setimbang lainnya, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan panas tersebut. Keadaan ini disebabkan pada waktu perpindahan panas itu berlangsung, sistem tidak berada dalam keadaan setimbang (Nezekiel, 2009).
14
2.4
Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Komponen Penting dari Pembangkit Listrik Tenaga Surya:
Gambar 2.3 Diagram Prinsip Kerja Sistem Tenaga Surya sumber gambar: www.pre.ethz.ch
1. Cermin Cermin dibentuk seperti setengah pipa dan linear, berbentuk reflektor parabola ditutupi dengan lebih dari 900.000 cermin dari utara-selatan secara sejajar dan mempunyai poros putaran mengikuti matahari ketika bergerak dari timur ke barat di siang hari.
Karena bentuknya, jenis pembangkit ini bisa mencapai suhu operasi sekitar 750 derajat F (400 derajat C), mengkonsentrasikan sinar matahari pada 30 sampai 100 kali intensitas normal perpindahan panas-cairan atau air/uap pipa. Cairan panas yang digunakan untuk menghasilkan uap, dan uap kemudian memutarkan turbin sebagai generator untuk menghasilkan listrik.
15
2. Menara/Tower Menara listrik bergantung pada ribuan heliostats, yang besar, cermin datar matahari sebagai pelacakan, untuk fokus dan mengkonsentrasikan radiasi matahari ke penerima menara tunggal. Seperti halnya pada palung cermin parabola, transfer cairan panas atau uap dipanaskan dalam receiver (menara yang mampu mengkonsentrasikan energi dan
matahari digunakan
sebanyak untuk
1.500
menghasilkan
kali), listrik
kemudian dengan
diubah turbin
menjadi dan
uap
Generator.
Desain menara listrik masih dalam pengembangan, akan tetapi suatu hari nanti bisa direalisasikan sebagai pembangkit listrik grid-connected memproduksi sekitar 200 megawatt listrik per tower.
3. Mesin
Dibandingkan cermin parabola dan menara listrik, sistem mesin adalah produsen kecil (sekitar 3 sampai 25 kilowatt). Ada dua komponen utama: konsentrator surya dan unit konversi daya (mesin / genset). Mesin ini menunjuk dan melacak matahari dan mengumpulkan energi matahari,sserta mampu mengkonsentrasikan energi sekitar 2.000 kali. Sebuah penerima termal, serangkaian tabung diisi dengan cairan pendingin (seperti hidrogen atau helium), berada di antara piring dan mesin. Hal ini bertujuan untuk menyerap energi surya terkonsentrasi dari piringan, kemudian mengkonversi panas dan mengirimkan panas ke mesin dimana berubah menjadi listrik. Sistem panas matahari adalah solusi energi terbarukan yang menjanjikan karena matahari adalah sumber daya yang melimpah. Kecuali dimalam hari. Atau saat matahari terhalang oleh awan. Tiga teknologi TES (Thermal Energy Storage) primer telah diuji sejak 1980-an ketika pembangkit listrik termal pertama dibangun dengan sistem langsung duatangki, sistem tidak langsung dua-tank dan sistem termoklin tunggal-tank.
16
2.5
Cavity Receiver (Rongga Penerima) Cavity receiver (rongga penerima) adalah suatu sistem pemanfaatan energi
surya dengan cara menghantarkan atau mengarahkannya pada satu titik pembangkit listrik, seperti turbin dan solar cell (Devan, 2013).
Gambar 2.4 Cavity receiver Sumber : (Energyfuture.wikidot.com)
2.6
Kandungan Photon Pada Sinar Matahari Pada dasarnya
kandungan di dalam sinar matahari banyak mengandung
unsur dan salah satu unsur yang ada di dalam sinar matahari tersebut adalah photon. Photon merupakan suatu partikel dasar cahaya yang sudah tidak dapat lagi di uraikan. Partikel tersebut merupakan partikel yang membawa semua bentuk radiasi elektromaknetik matahari seperti sinar gama, gelombang radio, sinar ultraviolet, sinar infra merah dll. Photon bisa ditemukan dengan mempelajari pembiasan photon oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang yang di pantulkan saling memusnahkan satu sama lainnya. Photon tidak bermassa dan menurut model standar fisika partikel, photon merupakan partikel yang menghasilkan seluruh medan liatrik dan medan magnetik dari sinar matahari. Menurut Kuantum Max Planck bahwa photon adalah sebuah kuantum yang pergerakannya sama dengan pergerakkan kecepatan cahaya, sedangkan kuantum tersebut merupakan suatu kumpulan paket energi.
17
2.7
Efek fotolistrik Efek fotolistrik adalah gejala terlepasnya elktron dari permukaan logam yang
di karenakan logam tersebut terkena cahaya matahari. Efek fotolistrik biasanya di manfaatkan oleh sel photovoltaic untuk membangkitkan arus listrik yang ada pada sinar matahari. Terjadinya efek fotolistrik ketika cahaya tampak atau radiasi ultraviolet jatuh ke permukaan benda tertentu dan cahaya tersebut mendorong elektron keluar dari permukaan yang di hinggapi oleh elektron. Energi kinetik maksimum dapat ditentukan dari persamaan sebagai berikut (Budiyanto, J. 2009) :
2.7.1 Efek chomton Efek compton adalah gejala hemburan (efek) dari suatu penembakan oleh suatu materi dengan sinar X. Efek ini ditemukan oleh Arthur Holly Compton pada tahun 1923.
2.8
Konversi Energi Photovoltaic Misal
semikonduktor
intrinsik
yang
dimaksud
ialah
silikon
(Si).
Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.
18
Gambar 2.5 Proses Kerja Sinar Pada Solar Cell Sumber : (Wiwik &Ace, 2011)
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 dapat digambarkan sebagai berikut.
19
1. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.
Gambar 2.6 Dua Jenis Semikonduktor P dan N Sumber : (Energi Surya, 2008)
2. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor
p menuju semikonduktor n.
Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal.
Gambar 2.7 Proses Perpindahan elektron elektron P dan N Sumber : (Energi Surya, 2008)
Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan 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 yang ada pada
20
semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron didaerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.
Gambar 2.8 Proses Munculnya Muatan Positif dan Negatif Sumber : (Energi Surya, 2008)
3. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W. 4. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda. 5. 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 perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah deplesi (nomor 1 di atas).
Gambar 2.9 Proses Timbulnya Medan Listrik Sumber : (Energi Surya, 2008)
6. 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 ke arah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan
21
jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain. Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi. Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap ke arah 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 daerah deplesi dan semikonduktor p.
Gambar 2.10 Proses Konversi Cahaya Matahari Menjadi Listrik Sumber : (Energi Surya, 2008)
Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
22
Gambar 2.11 Proses Terbentuknya Elektron dan Hole Akibat Cahaya Matahari Sumber : (Energi Surya, 2008)
Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sbgn di gambar atas ) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih 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, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
23
Gambar 2.12 Proses Penyambungan Medan Listrik dari Dua Sisi Medan Listrik Sumber : (Energi Surya, 2008)
Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Gambar 2.13 Proses Kerja Solar Cell Secara Umum Sumber : (Energi Surya, 2008)
24
Gambar 2.14 Sistem PLTS Pada Rumah Sumber gambar: (Benu Okezone, 2012)
Secara umum sisitem pembangkit listrik tenaga surya (solar electric system) terdiri dari lima bagian yaitu (Roberts,1991) : 1. Solar cell module / photovoltaic module : alat tersebut kegunaannya sebagai penyerap radiasi panas matahari dan mengkonversinya sebagai energi listrik. 2. Recharge batteries : Berguna sebagai penyimpanan daya yang telah di serap oleh module dan akan di gunakan pada saat cuaca sedang mendung maupun pada malam hari. 3. Control Unit : kegunaannya sebagai alat pengontrol dan penyeimbang beban yang mengalir pada keseluruhan sistem, peran alat ini sangat penting di dalam sistem untuk menjaga keseimbangan aliran daya, jika terjadi sesuatu kerusakan yang mengakibatkan sistem terganggu maka dari control unit yang dapat meminimalisir terjadinya kerusakan. 4. Distribution : kegunaannya sebagai alat pendistribusi energi baik dari aliran direct current (DC) maupun alternating current (AC). 5. Beban : Merupakan peralatan dari keseluruhan sistem yang menerima energi dari PV Module, dari aliran DC maupun AC.
25
2.9
Efisiensi Sel Surya Sel surya merupakan sebuah mesin yang memiliki kemampuan menghasilkan
sebuah output yaitu daya listrik dari bahan input sinar matahari yang melalui peroses dari efek photovoltaic, namun banyak faktor yang mengakibatkan seluruh sinar matahari yang di serap tidak dapat dikonversi menjadi energi listrik salah satunya dikarenakan oleh sifat inheren semikonduktor yang dipakai sebagai sel yang tidak dapat menangkap semua spektrum cahaya tampak, hingga hambatan dari rangkaian listrik yang digunakan tidak dapat di serap secara utuh dan di konversi ke energi listrik. Persamaan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut (Alamanda,2005) : E = It x A
(2.7)
Dimana : IT
= Intensitas radiasi matahari(W/m2)
A
= Luas permukaan (m2)
E
= Energi photon (Watt)
Sedangkan untuk besarnya daya sesaat yaitu perkalian tegangan dan arus yang dihasilkan oleh Photovoltaic dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : P=VxI
(2.8)
Dimana : V
= Beda potensial (Volt)
I
= Arus (Ampere)
P
= Daya (Watt)
Tegangan yang di bangkitkan oleh photovoltaic sangat bergantung pada luas panel surya itu sendiri. Jika efisiensi dari konversi energi yang di dapat oleh panel surya tersebut di hitung, maka rumusnya sebagai berikut ( I Gusti Bagus A.U 2011) :
𝜂=
Output Input
×100%
(2.9)
26
Sehingga efisiensi yang dihasilkan sel photovoltaic adalah : P
𝜂 𝑠𝑒𝑠𝑎𝑎𝑡 = It A ×100%
(2.10)
Dimana : 𝜂 = efisiensi konversi (%) V = tegangan yang di bangkitkan Solar Cell (Volt) IT = arus solar cell (W/m²) P = daya radiasi matahari yang di serap oleh solar cell (Watt) A = luas panel solar cell (m2) E = Energi (Watt)
Apabila pengguna menginginkan tegangan maupun arus yang lebih besar, maka panel surya dapat di rangkai secara seri atau paralel. Jika panel di rangkai seri maka tegangan yang akan naik namun jika panel di pasang secara paralel maka arus yang akan naik.
