Fotovoltaik

Fotovoltaik merupakan suatu teknologi konversi yang mengubah cahaya (foto) menjadi listrik (volt) secara langsung (direct conversion). Peristiwa ini dikenal sebagai efek fotolistrik (photovoltaic effect). Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensilogam-logam tersebut juga mudah lepas olehadanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya.

Tegangan yang dihasilan oleh sensor fotovoltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin ke arah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila fotovoltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.

Gambar Cara Kerja Fotovoltaik

Bila sel surya dikenakan pada sinar matahari, maka timbul elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya. Jika pada kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir melalui beban.

Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Dasar sistem photovoltaic terdiri dari empat komponen utama:

1. Panel surya (solar panel)
2. Baterai (batteries)
3. Regulator
4. Beban (load)

Panel bertanggung jawab untuk mengumpulkan daya matahari dan membangkitkan listrik. Baterai menyimpan daya listrik untuk penggunaannya nanti. Regulator menjamin panel dan baterai bekerja sama dalam model optimal. Beban merujuk pada alat apapun yang memerlukan daya listrik, dan merupakan jumlah konsumsi listrik dari semua peralatan listrik yang dihubungkan dengan sistem. Keluaran panel surya dan baterai merupakan arus searah (DC).

Jika jangkauan tegangan operasional peralatan yang digunakan tidak cocok dengan tegangan yang disediakan oleh baterai, perlu digunakan converter untuk menyesuaikan tegangan. Jika peralatan menggunakan tegangan DC yang berbeda dengan tegangan baterai, maka perlu digunakan konverter DC/DC (DC/DC converter). Jika peralatan memerlukan tegangan AC, maka perlu digunakan konverter DC/AC (DC/AC converter), yang juga dikenal sebagai inverter. 

Gambar komponen sistem fotovoltaik

A. Solar Panel

Panel surya (solar panel) terdiri dari sel surya yang mengumpulkan radiasi surya dan mengubahnya menjadi daya listrik. Bagian sistem ini kadang-kadang dinamakan modul surya pembangkit listrik daya photovoltaic (photovoltaic generator). Sekumpulan panel surya dapat dibuat dengan menyambung sekumpulan panel dalam serial dan/atau paralel untuk menyediakan daya yang diperlukan untuk beban yang ada. Arus listrik yang disediakan oleh panel surya bervariasi secara proporsional terhadap radiasi surya. Ini akan bervariasi menurut kondisi iklim, jam, dan waktu pada suatu tahun. Beberapa teknologi dapat digunakan dalam pembuatan sel surya. Yang paling banyak digunakan adalah kristal silicon, dan dapat berupa baik monocrystalline atau polycristallin. Silicon amorphous bisa lebih murah tetapi lebih tidak efisien untuk mengubah daya ke listrik.

B. Regulator

Pengatur / Regulator (atau lebih formalnya pengatur penyimpanan daya surya atau Solar power charge regulator) memastikan bahwa baterai berkerja dalam kondisi yang seharusnya. Pengatur ini menghindari penyimpanan (charge) atau pengeluaran (discharge) baterai yang berlebihan, yang keduanya sangat merusak umur baterai. Untuk menjamin charging dan discharging baterai yang baik, pengatur tersebut menjaga informasi kondisi penyimpanan daya (State of Charge atau SoC) baterai. SoC diukur berdasarkan pada tegangan sebenarnya dari baterai. Dengan mengukur tegangan baterai dan diprogram dengan tipe teknologi penyimpanan yang digunakan oleh baterai, pengatur bisa mengetahui titik tepat di mana baterai akan mengalami charge atau discharge yang berlebihan.

C. Baterai

Baterai menyimpan daya yang dihasilkan oleh panel surya yang tidak segera digunakan oleh beban. Daya yang disimpan dapat digunakan saat periode radiasi matahari rendah. Komponen baterai kadang-kadang dinamakan akumulator (accumulator). Baterai menyimpan listrik dalam bentuk daya kimia. Baterai yang paling biasa digunakan dalam aplikasi surya adalah baterai yang bebas pemeliharaan bertimbal asam (maintenance-free lead-acid batteries), yang juga dinamakan baterai recombinant atau VRLA (klep pengatur asam timbal atau valve regulated lead acid).

D. Konverter

Konverter DC/DC berfungsi untuk mendapatkan DC di tingkat tegangan yang berbeda dengan apa yang disediakan oleh batere. Sebuah converter DC/AC, yang juga dikenal sebagai inverter, mengubah arus DC dari batere menjadi AC.

E. Beban (Load)

Beban adalah peralatan yang mengkonsumsi daya yang dihasilkan oleh sistem daya anda. Beban mungkin termasuk peralatan komputer, kipas angin, lampu, TV, dll.

 

Solar cells panel, terdiri dari silikon, silikon mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik, saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) energi listrik yang dihasilkan juga akan berkurang.

Dengan menambah solar cells panel (memperluas) berarti menambah konversi tenaga surya.Sel silikon di dalam solar cells panel yang disinari matahari/ surya, membuat photon bergerak menuju electron dan menghasilkan arus dan tegangan listrik. Sebuah sel silikon menghasilkan kurang lebih tegangan 0.5 Volt. Jadi sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel surya (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimun).

Solar cells panel module memiliki kapasitas output: Watt hour. Solar cell 50 WP 12 V, memberikan output daya sebesar 50 Watt per hour dan tegangan adalah 12 Volt. Untuk perhitungan daya yang dihasilkan per hari adalah 50 Watt x 5 jam (maximun peak intensitas matahari).

Daya yang dihasilkan disimpan dalam baterai. Tergantung dari kebutuhannya,  didapatkan perhitungan berapa jumlah solar cells panel dan baterai yang dibutuhkan. 

Perhitungan Jumlah Solar Cells Panel :

Bila kita membutuhkan daya listrik Alternating Current sebesar 2000W selama 10 jam per hari ( 20KWh/hari ) maka dibutuhkan 24 panel sel surya dgn kapasitas masing-masing 210WP dan 30 aki @12V 100Ah. Ini berdasarkan perhitungan energi surya dari jam 7 pagi s/d jam 5 sore ( 10 jam ) dan asumsi konversi energi minimal 4 jam sehari.

Energi surya	Jumlah panel sel surya	Kapasitas panel sel surya	Perhitungan	Hasil
4 jam	24 panel	210 Watt	4 x 24 x 210	20.160 Watt hour

Dasar perhitungan jumlah aki adalah 2 x 3 x kebutuhan listriknya.

Adanya faktor pengali 3 untuk mengantisipasi bila hujan/mendung terus-menerus selama 3 hari berturut-turut.  Sedangkan faktor pengali 2 disebabkan battery tidak boleh lebih dari 50% kehilangan kapasitasnya bila ingin battery-nya tahan lama, terutama untuk battery kering seperti type gel dan AGM.  Dengan kata lain diusahakan agar DOD ( Depth of Discharge ) tidak melampaui 50% karena sangat mempengaruhi life time dari battery itu sendiri.

Jumlah Aki	Voltage	Ampere	Perhitungan	Hasil
100	12 Volt	100 Ampere hour	100 x 12 x 100	120.000 Watt hour

Jenis jenis solar cells panel:

1.      Polikristal (Poly-crystalline)

Merupakan solar cells panel yang memiliki susunan kristal acak. Type Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung.

2.      Monokristal (Mono-crystalline)

Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.

3.      Amorphous

Silikon amosphous (a-Si) digunakan sebagai bahan baku solar cells panel untuk kalkulator pada waktu tertentu. Meskipun kinerjanya rendah daripada solar cells c-Si  (crystaline) tradisional, hal ini tidak terlalu penting dalam kalkulator, yang menggunakan tenaga yang sangat minim.

Saat ini, perkembangan pada teknik a-Si membuat mereka menjadi lebih efektif untuk area yang luas yang digunakan solar cells panel. Efisiensi tinggi dapat dicapai dengan penyusunan beberapa layar sel a-Si yang tipis di bagian atas satu sama lain, setiap rangkaian diatur untuk bekerja dengan pada frekuensi cahaya tertentu. Pendekatan ini tidak berlaku untuk sel c-Si, dimana sangat tebal sebagai hasil dari teknik pembangunan dan buram, menghalangi cahaya pada lapisan di tiap susunan.

Keuntungan dasar dari a-Si dalam skala produksi yang besar bukan pada efisiensi , tetapi pada biaya. Sel a-Si menggunakan sekitar 1% silikon daripada sell c-Si, dan biaya untuk silikon adalah faktor terbesar dalam biaya sel.

Jenis	Efisiensi Perubahan Daya	Daya Tahan	Biaya	Keterangan	Penggunaan
Mono	Sangat Baik	Sangat Baik	Baik	Kegunaan Pemakaian Luas	Sehari-hari
Poly	Baik	Sangat Baik	Sangat Baik	Cocok untuk produksi massal di masa depan	Sehari-hari
Amorphous	Cukup Baik	Cukup Baik	Baik	Bekerja baik dalam pencahayaan fluorescent	Sehari-hari & Perangkat komersial (kalkulator)
Compound (GaAs)	Sangat Baik	Sangat Baik	Cukup Baik	Berat & Rapuh	Pemakaian di luar angkasa

Informasi Solar Cells Panel;Beberapa contoh implementasi panel sel surya solar cells dan perangkat yang menggunakan energi yang dihasilkan:Spesifikasi teknis panel surya (dapat berubah sesuai dengan produk):

Output power	20	50	80	80	120
Cell type	Multi	Multi	Amorphous	Multi	Multi
Max Power (W)	20	50	88	85	120
Min Power (W)			76	76	114
Open circuit voltage (Voc)	21.6	21.6	63.3	21.6	21.3
Short circuit current (Isc)	1.3	2.98	2.08	5.15	7.81
Max Power Voltage (Vpm)	17.2	17.6	47.6	17.3	17.1
Max Power Current (Ipm)	1.17	2.85	1.68	4.63	7.02
Max System Voltage (V)			600	600	540
Dimension L x W x H(mm)	639 x 294 x 23	835 x 540 x 28	1129 x 934 x 46	1214 x 545 x 35	1499 x 662 x 46
Module Efficiency			7.6	14.1	13.1
Weight (kg)	2.4	5.5	17	9	14