Photovoltaic - Modul Surya

Fotovoltaik (biasanya disebut juga sel surya) adalah piranti semikonduktor yang dapat merubah cahaya secara lansung menjadi menjadi arus listrik searah (DC) dengan menggunakan kristal silicon (Si) yang tipis. Sebuah kristal silindris Si diperoleh dengan cara memanaskan Si itu dengan tekanan yang diatur sehingga Si itu berubah menjadi penghantar. Bila kristal silindris itu dipotong stebal 0,3 mm, akan terbentuklah sel-sel silikon yang tipis atau yang disebut juga dengan sel surya (fotovoltaik). Sel-sel silikon itu dipasang dengan posisi sejajar/seri dalam sebuah panel yang terbuat dari alumunium atau baja anti karat dan dilindungi oleh kaca atau plastik. Kemudian pada tiaptiap sambungan sel itu diberi sambungan listrik. Bila sel-sel itu terkena sinar matahari maka pada sambungan itu akan mengalir arus listrik. Besarnya arus/tenaga listrik itu tergantung pada jumlah energi cahaya yang mencapai silikon itu dan luas permukaan sel itu. Pada asasnya sel surya fotovoltaik merupakan suatu dioda semikonduktor yang berkerja dalam proses tak seimbang dan berdasarkan efek fotovoltaik. Dalam proses itu sel surya menghasilkan tegangan 0,5-1 volt tergantung intensitas cahaya dan jenis zat semikonduktor yang dipakai. Sementara itu intensitas energi yang terkandung dalam sinar matahari yang sampai ke permukaan bumi besarnya sekitar 1000 Watt. Tapi karena daya guna konversi energi radiasi menja-di energi listrik berdasarkan efek fotovol-taik baru mencapai 25%, maka produksi listrik maksimal yang dihasilkan sel surya baru mencapai 250 Watt per m2.

Bagian Bagian Komponen dan Prinsip Kerja

Komponen utama sistem surya fotovoltaik adalah modul yang merupakan unit rakitan beberapa sel surya fotovoltaik. Modul fotovoltaik tersusun dari beberapa sel fotovoltaik yang dihubungkan secara seri dan paralel. Teknologi ini cukup canggih dan keuntungannya adalah harganya murah, bersih, mudah dipasang dan dioperasikan dan mudah dirawat. Sedangkan 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. Cara kerja photovoltaic diperlihatkan pada gambar 1. Pada gambar 2 diperlihatkan sistem PLTS.

Gambar 1. cara kerja Fotovoltaik

Gambar 2. Sistem PLTS

Gambar.3

Panel surya/ solar cells/ solar panel: panel surya menghasilkan energi listrik tanpa biaya, dengan mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik. Sel silikon (disebut juga solar cells) yang disinari matahari/ surya, membuat photon yang menghasilkan arus listrik. Sebuah solar cells menghasilkan kurang lebih tegangan 0.5 Volt. Jadi sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimun).

-       Charge controller, digunakan untuk mengatur pengaturan pengisian baterai. Tegangan maksimun yang dihasilkan panel surya 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, charge controller, inverter, baterai.

Gambar.4

Dari diagram pembangkit listrik tenaga surya diatas: beberapa panel surya di paralel untuk menghasilkan arus yang lebih besar. Combiner pada gambar diatas menghubungkan kaki positif panel surya satu dengan panel surya lainnya. Kaki/ kutub negatif panel satu dan lainnya juga dihubungkan. Ujung kaki positif panel surya dihubungkan ke kaki positif charge controller, dan kaki negatif panel surya dihubungkan ke kaki negatif charge controller. Tegangan panel surya 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

-          Jumlah baterai

Proses konversi

Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Gambar.5

Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor.

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. 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.

1.    Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.

Gambar.6

Gambar.7

2.    Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektronelektron 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.8

3.    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 semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.

Gambar.9

4.    Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W.

5.    Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.

6.    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.10

7.    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 kearah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan 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 kearah 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.11

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.

Gambar.12

Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sbgn digambar 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.

Gambar.13

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.14

Perhitungan Konversi Energi

Perhitungan dilakukan untuk menetukan ukuran sel Fotovoltaik dan Baterai untuk sistem energi matahari dengan kapasitas maksimum 1000 Watt. Langkah-langkah perancangan adalah

sebagai berikut:

Menentukan Arus Beban Total dalam Ampere-Jam (Ah).

Ampere-jam dari peralatan dihitung dalam DC ampere-jam/hari. Arus beban dapat ditentukan dengan membagi rating watt dari berbagai alat yang menjadi beban dengan tegangan operasi sistem PV nominal.

Itot beban DC=Watt/Vop x jam pakai sehari……...................…..(1)

ItotbebanAC= (Watt/Vopxjam pakai sehari)/0.85 ………….….... (2)

Itotbeban= Itot beban DC +Itot beban AC …..............................(3)

Dimana : Itot beban = Arus total beban dalam Ah

Rugi-rugi dan Faktor Keamanan Sistem

Untuk sistem PLTS dengan daya 1000 Watt ke bawah, factor 20% harus ditambahkan ke pembebanan sebagai pengganti rugi-rugi sistem dan untuk factor keamanan. Oleh karena itu ampere-jam beban yang ditentukan pada langkah 3.1 dikalikan dengan 1,20 sehingga :

Total beban + Rugi & Safety Factor = I_{tot beban} x 1,20 ....…………(4)

Menentukan jam Matahari Ekivalen

(Equivalent Sun Hours, ESH) terburuk Jam matahari ekivalen suatu tempat ditentukan berdasarkan peta insolasi matahari dunia yang dikeluarkan oleh Solarex (Solarex, 1996). Berdasarkan peta insolasi matahari dunia, diperoleh:

ESH untuk Wilayah Katulistiwa = 4,5

Menentukan Kebutuhan Arus Total Panel Surya

Arus total panel surya yang dibutuhkan ditentukan dengan cara membagi ‘Total beban + Rugi-rugi dan safety factor’ dengan ESH.

I_{tot panel} = (I_{tot beban} x1,20)/ESH …….....................................….(5)

Menentukan Susunan Modul Optimum untuk Panel Surya

Penyusunan optimum adalah cara yang akan menentukan kebutuhan arus total panel dengan

jumlah modul seminimum mungkin. Penentuan konfigurasi modul minimum dengan menghitung jumlah minimum modul yang menyediakan nilai arus panel yang dibutuhkan dietentukan pada langkah 4.

Jumlah modul yang tersusun secara paralel adalah :

ΣModpar = I_{tot_panel} / I_{op_modul}......................……….......…(6)

Dimana :

I_{tot_panel} adalah Arus Total panel I_{op_modul} dan Arus operasi modul

Jumlah modul yang tersusun seri ditentukan oleh :

ΣMod seri = V_system / V_Modul......................…………………(7)

Dimana :

V_sistem adalah tegangan nominal sistem dan V_modul adalah tegangan nominal modul

Total modul yang diperlukan adalah :

Jumlah total modul =jumlah modul seri x jumlah modul paral……..(8)

Menentukan Kapasitas Baterai untuk Waktu Cadangan Yang Dianjurkan

Umumnya sistem listrik matahari fotovoltaik dilengkapi dengan baterai penyimpan (aki) untuk menyediakan energi pada beban ketika beroperasi pada malam hari atau pada waktu cahaya matahari kurang. Kapasitas waktu cadangan yang disarankan bervariasi berdasarkan garis lintang daerah tempat pemasangan panel surya diperlihatkan pada table 1. Tabel 1. Hubungan antara lokasi pemasangan dan waktu cadangan modul photovolaik buatan Solarex.

Garis Lintang Lokasi Pemasangan	Waktu Cadangan (trec)
0o   – 30o (Utara atau Selatan) 30o – 50o (Utara atau Selatan) 50o – 60o (Utara atau Selatan)	5   – 6   hari 10 – 12 hari 15        hari

     Sumber : Solarex, 1996 : Discover The Newest World Power, Frederick Court, Maryland USA.

Berdasarkan peta insolasi dunia (Solarex, 1996), letak wilayah Indonesia terletak pada 10o LS – 10o LU. Ini berarti bahwa waktu cadangan untuk seluruh wilayah Indonesia, adalah sama yaitu 5 – 6 hari. Kapasitas Ampere-jam (Ah) minimum dari baterai dihitung dengan persamaan :

Baterai_cap = (I_{tot beban} x 1,2) x t_rec .................................................(9)

Dimana :

Baterai cap = kapasitas baterai (Ah)

T_rec = waktu cadangan

Efisiensi Konversi Energi

Efisiensi η = V I / P.a ...............................................................(10)

Atau       η = Fi.Is.Vo / P.a ........................................................(11)

Dimana:  η = efisiensi konversi

               V = tegangan yang dibangkitkan sel surya

                Fi= faktor isi

                I = arus sel surya

                Is= arus hubung singkat

               Vo= tegangan tanpa beban

                P = rapat daya matahari yang jatuh pada sel surya

                A = luas sel surya

Perhitungan Biaya

Harga energi per-kWh dari panel surya masih tergolong mahal. Sebuah panel surya berkapasitas 50 Wp lengkap dengan battere penyimpan, controller, 3 titik lampu dan satu titik untuk kulkas atau televisi hitam putih dijual dengan harga ratarata satu seperempat juta rupiah. Panel ini didesain untuk beroperasi selama 20 tahun.

Baterai panel biasanya harus diganti setiap 5 tahun. Biasanya perusahaan penjual memberikan garansi selama 10 tahun untuk panel dan 1 tahun untuk battere. Daya yang dihasilkan panel tersebut, dalam pemakaian di Indonesia, berkisar 150 - 250 Wh per hari. Bila panel tersebut digunakan dalam kondisi normal dan bertahan selama 20 tahun maka daya total yang dihasilkan selama 20 tahun adalah 20 tahun dikalikan 365 hari/tahun dikalikan antara 150 - 250 kWh, yaitu antara 1095000 Wh (1.095 kWh) sampai 1825000 Wh (1825 kWh). Jadi investasi yang dikeluarkan untuk per kWh listrik yang dihasilkan adalah antara Rp. 685,- sampai Rp.1142,-(nilai ini belum termasuk penggantian battere setiap lima tahun serta biaya perawatan).

Dengan memasukkan faktor-faktor tersebut harga per-kWh energi surya mencapai sekitar Rp. 1800,-. Bandingkan harga listrik PLN untuk skala rumah tangga 450 Watt sebesar Rp. 125,- per kWh. Perlu dicatat bahwa ada subsidi pemerintah di dalam harga listrik PLN untuk rumah tangga. Subsidi ini tidak ada dalam penggunaan listrik energi surya yang dihitung di atas. Harga di atas juga merupakan harga satuan panel sampai di tempat konsumen (asal tempatnya tidak terlalu jauh) di Indonesia. Mungkin ada potongan harga untuk pemakaian panel yang lebih banyak dan skala yang lebih besar.

Sekarang, panel-panel surya masih diimpor. Artinya harga yang harus dibayar konsumen juga sudah termasuk pajak bea masuk dan pajak pertambahan nilai. Suatu saat ketika ditemukan teknologi yang lebih efisien dan Indonesia dapat membuat panel suryanya sendiri harga panel surya sangat mungkin bisa turun. Sekedar gambaran adalah harga panel surya di Jerman pernah turun sekitar 40% dalam dua bulan. 

Matahari Untuk PLTS di Indonesia

Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya minyak bumi, yang terjadi sejak tahun 1970-an mendapat perhatian yang cukup besar dari banyak negara di dunia. Di samping jumlahnya yang tidak terbatas, pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi yang dapat merusak lingkungan. Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan teknologi sel surya atau fotovoltaik.

Komponen utama sistem pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dengan menggunakan teknologi fotovoltaik adalah sel surya. Saat ini terdapat banyak teknologi pembuatan sel surya. Sel surya konvensional yang sudah komersil saat ini menggunakan teknologi wafer silikon kristalin yang proses produksinya cukup kompleks dan mahal. Secara umum, pembuatan sel surya konvensional diawali dengan proses pemurnian silika untuk menghasilkan silika solar grade (ingot), dilanjutkan dengan pemotongan silika menjadi wafer silika. Selanjutnya wafer silika diproses menjadi sel surya, kemudian sel-sel surya disusun membentuk modul surya.  Tahap terakhir adalah mengintegrasi modul surya dengan BOS (Balance of System) menjadi sistem  PLTS. BOS adalah komponen pendukung  yang digunakan dalam sistem PLTS seperti inverter, batere, sistem kontrol, dan lain-lain.

Saat ini pengembangan PLTS di Indonesia telah mempunyai basis yang cukup kuat dari aspek kebijakan. Namun pada tahap implementasi, potensi yang ada belum dimanfaatkan secara optimal. Secara teknologi, industri photovoltaic (PV) di Indonesia baru mampu melakukan pada tahap hilir, yaitu memproduksi modul surya dan mengintegrasikannya menjadi PLTS, sementara sel suryanya masih impor. Padahal sel surya adalah komponen utama dan yang paling mahal dalam sistem PLTS. Harga yang masih tinggi menjadi isu penting dalam perkembangan industri sel surya. Berbagai teknologi pembuatan sel surya terus diteliti dan dikembangkan dalam rangka upaya penurunan harga produksi sel surya agar mampu bersaing dengan sumber energi lain.

Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru mencapai 55-60 % dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik, maka PLTS yang dapat dibangun hampir di semua lokasi merupakan alternatif sangat tepat untuk dikembangkan. Dalam kurun waktu tahun 2005-2025, pemerintah telah merencanakan menyediakan 1 juta Solar Home System berkapasitas 50 Wp untuk masyarakat berpendapatan rendah serta 346,5 MWp PLTS hibrid untuk daerah terpencil. Hingga tahun 2025 pemerintah merencanakan akan ada sekitar 0,87 GW kapasitas PLTS terpasang.

Dengan asumsi penguasaan pasar hingga 50%, pasar energi surya di Indonesia sudah cukup besar untuk menyerap keluaran dari suatu pabrik sel surya berkapasitas hingga 25 MWp per tahun. Hal ini tentu merupakan peluang besar bagi industri lokal untuk mengembangkan bisnisnya ke pabrikasi sel surya.