ENERGI SURYA

1.   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.

2.   Cara Pemanfaatan Energi Surya

     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.

2.1.              Pembangkit Listrik Surya Termal

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.

2.2.              Pembangkit Surya Fotovoltaik

Efek fotovoltaik pertama kali dikenali pada tahun 1839 oleh fisikawan Perancis Alexandre-Edmond Becquerel. Akan tetapi, sel surya yang pertama dibuat baru pada tahun 1883 oleh Charles Fritts, yang melingkupi semikonduktor selenium dengan sebuah lapisan emas yang sangat tipis untuk membentuk sambungan-sambungan. Alat tersebut hanya memiliki efisiensi 1%. Russell Ohl mematenkan sel surya modern pada tahun 1946 (U.S. Patent 2,402,662 , "Light sensitive device"). Masa emas teknologi tenaga surya tiba pada tahun 1954 ketika Bell Laboratories, yang bereksperimen dengan semikonduktor, secara tidak disengaja menemukan bahwa silikon yang di doping dengan unsur lain menjadi sangat sensitif terhadap cahaya.

Hal ini menyebabkan dimulainya proses produksi sel surya praktis dengan kemampuan konversi energi surya sebesar sekitar 6 persen.

Gambar di atas mengilustrasikan transfer energi dari matahari ke bagian-bagian Bumi. Dapat terlihat bahwa sekitar setengah dari enerdi masukan diserap oleh air dan daratan, sedangkan yang lainnya diradiasikan kembali ke luar angkasa. (nilai 1 PW = 1015 W).

Modul surya (fotovoltaic) adalah sejumlah sel surya yang dirangkai secara seri dan paralel, untuk meningkatkan tegangan dan arus yang dihasilkan sehingga cukup untuk pemakaian sistem catu daya beban. Untuk mendapatkan keluaran energi listrik yang maksimum maka permukaan modul surya harus selalu mengarah ke matahari.

Komponen utama sistem surya fotovoltaik adalah modul yang merupakan unit rakitan beberapa sel surya fotovoltaik. Untuk membuat modul fotovoltaik secara pabrikasi bisa menggunakan teknologi kristal dan thin film. Modul fotovoltaik kristal dapat dibuat dengan teknologi yang relatif sederhana, sedangkan untuk membuat sel fotovoltaik diperlukan teknologi tinggi. Modul fotovoltaik tersusun dari beberapa sel fotovoltaik yang dihubungkan secara seri dan parallel.

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

 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.

   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.

   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. 

2.3.              Gaya Gerak Listrik pada Energi Surya

Secara sederhana, proses pembentukan gaya gerak listrik (GGL) pada sebuah sel surya adalah sebagai berikut:

1.          Foton dari cahaya matahari menumbuk panel surya kemudian diserap oleh material semikonduktor seperti silikon.

2.          Elektron (muatan negatif) terlempar keluar dari atomnya, sehingga mengalir melalui material semikonduktor untuk menghasilkan listrik. Muatan positif yang disebut hole (lubang) mengalir dengan arah yang berlawanan dengan elektron pada panel surya silikon.

3.          Gabungan/susunan beberapa panel surya mengubah energi surya menjadi sumber daya listrik DC.

Ketika sebuah foton menumbuk sebuah lempeng silikon, salah satu dari tiga proses kemungkinan terjadi, yaitu:

1.            Foton dapat melewati silikon; biasanya terjadi pada foton dengan energi rendah.

2.            Foton dapat terpantulkan dari permukaan.

3.            Foton tersebut dapat diserap oleh silikon yang kemudian:

o   Menghasilkan panas, atau

o   Menghasilkan pasangan elektron-lubang, jika energi foton lebih besar daripada nilai celah pita silikon.

Ketika sebuah foton diserap, energinya diberikan ke elektron di lapisan kristal. Biasanya elektron ini berada di pita valensi, dan terikat erat secara kovalen antara atom-atom tetangganya sehingga tidak dapat bergerak jauh dengan leluasa. Energi yang diberikan kepadanya oleh foton mengeksitasinya ke pita konduksi, dimana ia akan bebas untuk bergerak dalam semikonduktor tersebut. Ikatan kovalen yang sebelumnya terjadi pada elektron tadi menjadi kekurangan satu elektron; hal ini disebut hole (lubang). Keberadaan ikatan kovalen yang hilang menjadikan elektron yang terikat pada atom tetangga bergerak ke lubang, meniggalkan lubang lainnya, dan dengan jalan ini sebuah lubang dapat bergerak melalui lapisan kristal. Jadi, dapat dikatakan bahwa foton-foton yang diserap dalam semikonduktor membuat pasangan-pasangan elektron-lubang yang dapat bergerak.

Sebuah foton hanya perlu memiliki energy lebih besar dari celah pita supaya bisa mengeksitasi sebuah elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Meskipun demikian, spektrum frekuensi surya mendekati spektrum radiasi benda hitam (black body) pada ~6000 K, dan oleh karena itu banyak radiasi surya yang mencapai Bumi terdiri atas foton dengan energi lebih besar dari celah pita silikon. Foton dengan energi yang cukup besar ini akan diserap oleh sel surya, tetapi perbedaan energi antara foton-foton ini dengan celah pita silikon diubah menjadi kalor (melalui getaran lapisan kristal yang disebut fonon) bukan dalam bentuk energi listrik yang dapat digunakan selanjutnya.

Skema Sambungan P-N

Sel surya yang paling banyak dikenal dibentuk sebagai daerah luas sambungan P-N yang dibuat dari silikon. Sebagai penyederhanaan, seseorang dapat dibayangkan menempel selapis silikon tipe-n dengan selapis silikon tipe-p. Pada prakteknya, sambungan P-N tidak dibuat seperti ini, tetapi dengan cara pendifusian pengotor tipe-n ke satu sisi dari wafer tipe-p (atau sebaliknya).

Jika sebagian silikon tipe-p diletakkan berdekatan dengan sebagian silikon tipe-n, maka akan terjadi difusi elektron dari daerah yang memiliki konsentrasi elektron tinggi (sisi sambungan tipe-n) ke daerah dengan konsentrasi elektron rendah (sisi sambungan tipe-p). Ketika elektron berdifusi melewati sambungan p-n, mereka bergabung dengan lubang di sisi tipe-p. Difusi pembawa tidak terjadi tanpa batas karena medan listrik yang dibuat oleh ketidakseimbangan muatan pada kedua sisi sambungan yang dibuat oleh proses difusi ini. Medan listrik yang terbentuk sepanjang sambungan p-n membuat sebuah dioda yang mengalirkan arus dalam satu arah sepanjang sambungan. Elektron bisa bergerak dari sisi tipe-n ke sisi tipe-p, sedangkan lubang dapat lewat dari sisi tipe-p ke sisi tipe-n. Daerah dimana elekron telah berdifusi sepanjang sambungan ini disebut sebagai daerah deplesi karena ia tidak lagi mengandung pembawa muatan bebas. Hal ini juga dikenal sebagai "space charge region".

3.       Pemakaian Energi Surya

Di Indonesia sistem photovoltaic telah dimanfaatkan antara lain untuk penerangan (rumah tangga, jalan), pompa air, catu daya bagi perangkat telekomunikasi, TV umum, pendingin (antara lain untuk obat-obatan), rambu-rambu laut, penerangan untuk menangkap ikan dan aplikasi lainnya.

3.1.           Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Skala Rumah Tangga

3.1.1.       Komponen-Komponen

Untuk memasang pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) skala rumah tanggal, komponen-komponen yang digunakan adalah : 

-  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

   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.

3.1.2.       Perhitungan (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):

·         Kebutuhan solar cells panel : (3480 / 100 / 5)  = 7 panel surya.

Perhitungan Jumlah Baterai

·         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.

3.2.           Aplikasi SESF Untuk Listrik Pedesaan

Salah satu cara penyediaan energi listrik alternatif yang siap untuk diterapkan secara masal pada saat ini adalah menggunakan suatu sistem teknologi yang diperkenalkan sebagai Sistem Energi Surya Fotovoltaik (SESF) atau secara umum dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya Fotovoltaik (PLTS Fotovoltaik). Sebutan SESF merupakan istilah yang telah dibakukan oleh pemerintah yang digunakan untuk mengidentifikasikan suatu sistem pembangkit energi yang memanfaatkan energi matahari dan menggunakan teknologi fotovoltaik. Dibandingkan energi listrik konvensional pada umumnya, SESF terkesan rumit, mahal dan sulit dioperasikan. Namun dari pengalaman lebih dari 15 tahun operasional di beberapa kawasan di Indonesia, SESF merupakan suatu sistem yang mudah didalam pengoperasiannya, handal, serta memerlukan biaya pemeliharaan dan operasi yang rendah menjadikan SESF mampu bersaing dengan teknologi konvensional pada sebagian besar kondisi wilayah Indonesia yang terdiri atas pulau - pulau kecil yang sulit dijangkau dan tergolong sebagai kawasan terpencil.

Selain itu SESF merupakan suatu teknologi yang bersih dan tidak mencemari lingkungan. Beberapa kondisi yang sesuai untuk penggunaan SESF antara lain pada pemukiman desa terpencil, lokasi transmigrasi, perkebunan, nelayan dan lain sebagainya, baik untuk penerangan rumah maupun untuk fasilitas umum. Akan tetapi sesuai dengan perkembangan jaman, pada saat ini di negara-negara maju penerapan SESF telah banyak digunakan untuk suplai energi listrik di gedung-gedung dan perumahan di kota-kota besar.

Mengingat peran dan fungsinya, teknologi fotovoltaik mempunyai sifat yang sangat fleksibel dalam teknik rancang bangun dan pemanfaatannya. Aplikasi modul ini dapat diterapkan untuk pemasangan individual maupun kelompok sehingga dapat dilakukan dengan swadaya perorangan, masyarakat, perusahaan atau dikoordinir oleh PLN. Dalam hal pendanaan; proyek fotovoltaik menjadi sangat mungkin untuk menjadi sarana bantuan/kerjasama luar negeri, partisipasi perusahaan maupun golongan (community development) untuk mendukung program listrik pedesaan atau penyediaan jasa energi seperti:

a.    Listrik untuk penerangan rumah tangga

b.    Jasa energi untuk fasilitas umum: Pompa/penjernihan air, Rumah peribadatan, Telepon umum atau pedesaan, televisi umum, Penerangan jalan dan lainnya

c.    Pemasok energi bagi fasilitas produksi

d.    Integrasi fotovoltaik pada bangunan untuk listrik pedesaan

Salah satu pemanfaatan fotovoltaik yang dapat langsung dipergunakan adalah untuk penyediaan listrik pedesaan terutama pada kawasan terpencil yang sulit dijangkau. Penerapan SESF dapat dilakukan dengan pemasangan sistim desentralisasi menggunakan jaringan listrik lokal. Beberapa faktor penting yang mempengaruhi pemilihan sistim diatas adalah topografi kawasan, distribusi lokasi perumahan, karakteristik beban serta sistim pembiayaan yang diterapkan.

Berdasarkan hasil studi Direktorat Jenderal Listrik dan Pengembangan Energi (DJLPE), konsumsi listrik rata-rata per-rumahtangga pemakai listrik di pedesaan (1994) tercatat sekitar 64 kWh/tahun. Angka ini akan setara dengan konsumsi listrik sebesar 175 Wh/hari. Menggunakan angka-angka yang telah disajikan dimuka, modul fotovoltaik kapasitas 50 Wp dapat memberikan keluaran listrik rata-rata sebesar 200 Wh/hari. Maka, SESF dengan kapasitas 50 Wp diperkirakan cukup untuk memenuhi konsumsi listrik pada rumah tangga di pedesaan.

Tingkat ekonomis SESF sistem jaringan pada umumnya dapat diperbaiki dengan penerapan sistem hibrida (hybrid system), yaitu mengkombinasikan SESF dengan sistem pembangkit listrik dengan sumber energi terbarukan lain yang dapat dikembangkan dikawasan tersebut (seperti : energi angin, mikrohidro, dan biomassa) atau pembangkit listrik konvensional genset diesel untuk saling mendukung. Sistem ini dinilai paling cocok untuk daerah pra-elektrifikasi (pre-electrified). Untuk keperluan ini, instalasi Fotovoltaik-nya dapat dibuat permanen sehingga menjadi sistem interkoneksi atau dibuat secara mobile untuk dipindahkan ke kawasan lain yang akan dikembangkan.

Beban normal, terutama pada siang hari dapat dipasok dari modul fotovoltaik, sedangkan beban puncak akan ditanggulangi oleh genset diesel. Dengan demikian pemakaian sistem disel dapat benar-benar dioptimalkan sehingga keseluruhan sistem dapat bekerja efisien dan ekonomis. Pada wilayah yang mempunyai potensi tenaga angin, peranan genset diesel dapat digantikan oleh pembangkit listrik tenaga angin atau sumber energi terbarukan lainnya.

4.           Prospek Penggunaan Sel Surya Dibandingkan Energi Lain

Energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis energi dunia yaitu pada tahun 70-an dan salah satu energi itu adalah energi surya. Energi itu dapat berubah menjadi arus listrik yang searah yaitu dengan menggunakan silikon 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 setebal 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 tiap-tiap 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 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 menjadi energi listrik berdasarkan efek fotovoltaik baru mencapai 25% maka produksi listrik maksimal yang dihasilkan sel surya baru mencapai 250 Watt per m2 . Dari sini terlihat bahwa PLTS itu membutuhkan lahan yang luas. Hal itu merupakan salah satu penyebab harga PLTS menjadi mahal. Ditambah lagi harga sel surya fotovoltaik berbentuk kristal mahal, hal ini karena proses pembuatannya yang rumit. Namun, kondisi geografis Indonesia yang banyak memiliki daerah terpencil sulit dibubungkan dengan jaringan listrik PLN. Kemudian sebagai negara tropis Indonesia mempunyai potensi energi surya yang tinggi. Hal ini terlihat dari radiasi harian yaitu sebesar 4,5 kWh/m²/hari. Berarti prospek penggunaan fotovoltaik di masa mendatang cukup cerah. Untuk itulah perlu diusahakan menekan harga fotovoltaik misalnya dengan cara sebagai berikut. Pertama menggunakan bahan semikonduktor lain seperti Kadmium Sulfat dan Galium Arsenik yang lebih kompetitif. Kedua meningkatkan efisiensi sel surya dari 10% menjadi 15%.

Energi listrik yang berasal dari energi surya pertama kali digunakan untuk penerangan rumah tangga dengan sistem desentralisasi yang dikenal denganSolar Home System (SHS), kemudian untuk TV umum, komunikasi dan pompa air. Sementara itu evaluasi program SHS di Indonesia pada proyek Desa Sukatani, Bampres, dan listrik masuk desa menunjukkan tanda-tanda yang menggembirakan dengan keberhasilan penerapan secara komersial. Berdasarkan penelitian yang dilakukan sampai tahun 1994 jumlah pemakaian sistem fotovoltaik di Indonesia sudah mencapai berkisar 2,5-3 MWp. Yang pemakaiannya meliputi kesehatan 16%, hibrida 7%, pompa air 5%, penerangan pedesaan 13%, Radio dan TV komunikasi 46,6% dan lainnya 12,4%. Kemudian dari kajian awal BPPT diperoleh proyeksi kebutuhan sistem PLTS diperkirakan akan mencapai 50 MWp. Sementara itu menurut perkiraan yang lain pemakaian fotovoltaik di Indonesia 5-10 tahun mendatang akan mencapai 100 MW terutama untuk penerangan di pedesaan. Sedangkan permintaan fotovotaik diperkirakan sudah mencapai 52 MWp.

Komponen utama sistem surya fotovoltaik adalah modul yang merupakan unit rakitan beberapa sel surya fotovoltaik. Untuk membuat modul fotovoltaik secara pabrikasi bisa menggunakan teknologi kristal dan thin film. Modul fotovoltaik kristal dapat dibuat dengan teknologi yang relatif sederhana, sedangkan untuk membuat sel fotovoltaik diperlukan teknologi tinggi. Modul fotovoltaik tersusun dari beberapa sel fotovoltaik yang dihubungkan secara seri dan paralel. Biaya yang dikeluarkan untuk membuat modul sel surya yaitu sebesar 60% dari biaya total. Jadi, jika modul sel surya itu bisa diproduksi di dalam negeri berarti akan bisa menghemat biaya pembangunan PLTS. Untuk itulah, modul pembuatan sel surya di Indonesia tahap pertama adalah membuat bingkai (frame), kemudian membuat laminasi dengan sel-sel yang masih diimpor. Jika permintaan pasar banyak maka pembuatan sel dilakukan di dalam negeri. Hal ini karena teknologi pembuatan sel surya dengan bahan silikon single dan poly cristal secara teoritis sudah dikuasai. Dalam bidang fotovoltaik yang digunakan pada PLTS, Indonesia ternyata telah melewati tahapan penelitian dan pengembangan dan sekarang menuju tahapan pelaksanaan dan instalasi untuk elektrifikasi untuk pedesaan. 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.

Dalam penerapannya fotovoltaik dapat digabungkan dengan pembangkit lain seperti pembangkit tenaga diesel (PLTD) dan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTM). Penggabungan ini dinamakan sistem hibrida yang tujuannya untuk mendapatkan daya guna yang optimal. Pada sistem ini PLTS merupakan komponen utama, sedang pembangkit listrik lainnya digunakan untuk mengkompensasi kelemahan sistem PLTS dan mengantisipasi ketidakpastian cuaca dan sinar matahari. Pada sistem PLTS-PLTD, PLTD-nya akan digunakan sebagai "bank up" untuk mengatasi beban maksimal. Pengkajian dan penerapan sistem ini sudah dilakukan di Bima (NTB) dengan kapasitas PLTS 13,5 kWp dan PLTD 40 kWp.

Penggabungan antara PLTS dengan PLTM mempunyai prospek yang cerah. Hal ini karena sumber air yang dibutuhkan PLTM relatif sedikit dan itu banyak terdapa di desa-desa. Untuk itulah pemerintah Indonesia dengan pemerintah Jepang telah merealisasi penerapan sistem model hidro ini di desa Taratak (Lombok Tengah) dengan kapasitas PLTS 48 kWp dan PLTM sebesar 6,3 kW.

Pada sistem hibrida antara fotovoltaik dengan Fuel Cell (sel bahan bakar), selisih antara kebutuhan listrik pada beban dan listrik yang dihasilkan oleh fotovoltaik akan dipenuhi oleh fuel cell. Controller berfungsi untuk mengatur fuel cell agar listrik yang keluar sesuai dengan keperluan. Arus DC yang dihasilkan fuel cell dan arus fotovoltaik digabungkan pada tegangan DC yang sama kemudian diteruskan ke power conditioning subsystem (PCS) yang berfungsi untuk mengubah arus DC menjadi arus AC. Keuntungan sistem ini adalah efisiensinya tinggi sehingga dapat menghemat bahan bakar, dan kehilangan daya listrik dapat diperkecil dengan menempatkan fuel cell dekat pusat beban.

5.           Sistem PLTS

PLTS dengan sistem sentralisasi artinya pembangkit tenaga listrik dilakukan secara terpusat dan suplai daya ke konsumen dilakukan melalui jaringan distribusi. Sistem ini cocok dan ekonomis pada daerah dengan kerapatan penduduk yang tinggi. Contohnya PLTS di Desa Kentang Gunung Kidul mempunyai kapasitas daya 19 kWp, kapasitas baterai 200 volt dan beban berupa penerangan yang terpasang pada 85 rumah. Sementara itu PLTS dengan sistem individu daya terpasangnya relatif kecil yaitu sekitar 48-55 Wp. Jumlah daya sebesar 50 Wp per rumah tangga diharapkan dapat memenuhi kebutuhan penerangan, informasi (TV dan Radio) dan komunikasi (Radio komunikasi). Dan sampai tahun 95 sistem ini sudah terpasang sekitar 10.000 unit yang tersebar di seluruh perdesaan Indonesia dan pengelolaannya yang meliputi pemeliharaan dan pembayaran dilaksanakan oleh KUD.

Melihat trend harga sel surya yang semakin menurun dan dalam rangka memperkenalkan sistem pembangkit yang ramah lingkungan, pemanfaatan PLTS dengan sistem individu semakin ditingkatkan. Pada tahap pertama direncanakan akan dipasang 36.000 unit SHS selama tiga tahun dengan prioritas 10 propinsi di kawasan timur Indonesia. Paling tidak ada 5 keuntungan pembangkit dengan surya fotovoltaik. Pertama energi yang digunakan adalah energi yang tersedia secara cuma-cuma. Kedua perawatannya mudah dan sederhana. Ketiga tidak terdapat peralatan yang bergerak, sehingga tidak perlu penggantian suku cadang dan penyetelan pada pelumasan. Keempat peralatan bekerja tanpa suara dan tidak berdampak negatif terhadap lingkungan. Kelima dapat bekerja secara otomatis.

     Pembangkit listrik yang memanfaatkan energi surya atau lebih umum dikenal dengan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) mempunyai beberapa keuntungan yaitu:

a.    Sumber energi yang digunakan sangat melimpah dan cuma -cuma

b.    Sistem yang dikembangkan bersifat modular sehingga dapat dengan mudah diinstalasi dan diperbesar kapasitasnya.

c.    Perawatannya mudah

d.    Tidak menimbulkan polusi

e.    Dirancang bekerja secara otomatis sehingga dapat diterapkan ditempat terpencil.

f.     Relatif aman

g.    Keandalannya semakin baik

h.    Adanya aspek masyarakat pemakai yang mengendalikan sistem itu sendiri

i.      Mudah untuk diinstalasi

j.      Radiasi matahari sebagai sumber energi tak terbatas

k.    Tidak menghasilkan CO2 serta emisi gas buang lainnya

Salah satu kendala yang dihadapi dengan dalam pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Surya adalah Investasi awalnya yang tinggi dan harga per kWh listrik yang dibangkitkan juga masih relatif tinggi yaitu Sekitar ($ USD 3 –5 / Wp).

Untuk beberapa kondisi pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dapat bersaing dengan pembangkit Konvensional Diesel/Mikrohydro, yaitu pada tempat-tempat terpencil yang sarana perhubungannya masih belum terjangkau jaringan listrik umum (PLN).

6.           Keuntungan dan Kerugian Pembangkit Listrik Tenaga Surya

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.

§  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

a)    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. 

b)    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.

 refrensi

Holladay, April. Solar Energy. Microsoft Encarta 2006 [DVD]. Redmond, WA:      Microsoft Corporation, 2005.

Wikipedia.org. Solar Cell. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell. Disunting tanggal 22 November  2007.