ENERGI SURYA

UMUM

Pada asasnya dan dalam arti yang luas, energi yang berasal dari sang surya bukan saja terdiri atas penyinaran langsung oleh pancaran matahari ke bumi, akan tetapi sebenarnya termasuk seluruh efek tidak langsung, seperti tenaga angin, tenaga air dan energi dari laut.

Dalam pelaksanaan pemanfaatannya, dapat dibedakan tiga cara. Cara pertarna adalah prinsip pemanasan langsung. Dalam hal ini sinar‑sinar matahari memanasi langsung benda yang akan dipanaskan, atau memanasi secara langsung medium, misalnya air, yang akan dipanaskan. Air panas itu, nanti akan dipakai misalnya untak mandi. Cara kedua adalah, bahwa yang dipanaskan adalah juga air, akan tetapi panas yang terkandung dalam air itu, akan dikonversikan menjadi energi listrik, misalnya. Sedangkan cara ketiga adalah cara fotovoltaik. Dengan cara ini maka energi sinar matahari langsung dikonversikan menjadi energi listrik.

Pemanasan Langsung

Pemanfaatan energi surya oleh manusia secara langsung dalam bentuk pemanasan, telah lama dikenal. Menjernur pakaian adalah contoh yang terlihat sehari‑hari di rumah‑rumah tangga biasa. Pembuatan ikan kering dan membuat garam dari laut merupakan contoh‑contoh lain dalam bidang perindustrian. Dengan cara pemanasan langsung ini suhu yang akan diperoleh tidak akan melampaui 100⁰ C.

Efektivitas pemanfaatan energi surya dengan cara pernanfaatan langsung dapat ditingkatkan bila mempergunakan pengumpul‑pengumpul panas, yang biasa disebut kolektor. Sinar‑sinar matahari dikonsentrasikan dengan kolektor ini pada satu tempat, sehingga diperoleh suatu suhu  yang lebih tinggi. Dalam Gambar 1 terlihat beberapa kolektor dari berbagai bentuk.

Gambar 1(a) merupakan kolektor pipih, atau kolektor datar,

Gambar 1(b) adalah kolektor parabolik silindris sedangkan Gambar 1(c) merupakan kolektor parabolik bulat. Bentuk kolektor parabolik bulat melandaskan prinsip kompor surya, sebagaimana terlihat pada Gambar 1(d).

Kompor surya  tampaknya cukup menarik, akan tetapi persoalannya adalah bahwa sang Ibu Rumahtangga harus memasak di panas terik matahari.

Sistem‑sistem pernanasan secara langsung ini mempunyai efisiensi dari sekitar 30‑40% . Pada saat ini penggunaannya adalah terbanyak untuk pernanasan air kolarn dan air untuk mandi.

Konversi Surya Termis Elektris

Suatu teknologi yang tampaknya cukup mempunyai potensi adalah apa yang disebut Konversi Surya Termis Elektris (KSTE), atau yang dalam bahasa asing disebut Solar Thermal Electric Conversion (STEC). Pada prinsipnya KSTE memerlukan sebuah konsentrator optik untuk pemanfaatan radiasi surya, sebuah alat untuk menyerap energi yang dikumpulkan, suatu sistem pengangkat panas, dan sebuah mesin yang agak konvensional untuk pemban,gkitan tenaga listrik.

Sistem KSTE besar yang pertama dibuat adalah dalam tahun 1920, dengan kapasitas 45 kW, di Meadi, Mesir. Tungku surya yang dibangun di Odeillo, Perancis, mempunyai sebuah instalasi dari 1000 kW,  Di Amerika Serikat sedang dikembangkan suatu program KSTE untuk membuat sebuah unit 5 MW, di New Meksiko sebuah unit 10 MW listrik di Barstow, California, bahkan diharapkan dalam pertengahan tahun 1992‑an dapat dibuat sebuah unit 100 MW listrik.

Dua buah perusahaan swasta, yaitu Ansaldo di Italia dan MBB

di Republik, Federal Jerman bekerja sama untuk membuat insta­Iasi KSTE berlandaskan desain dari Profesor Francia, dengan unit­ -unit hingga 1 MW listrik, untuk dijual  secara komersiaL Diperkirakan, bahwa sebuah unit KSTE dari 100 MW listrik akan mem­punyai 12.500 buah heliostat, dengan. permukaan refleksi, masing-masing seluas 40 m² , sebuah menara penerima setinggi 250 m, yang memikul sebuah penyerap untuk membuat uap bagi sebuah turbin selama enam hingga delapan jam sehari.

Desain‑desain PLTS ( Pusat Listrik Tenaga Surya) maka kini dilengkapi dengan sebuah boiler biasa agar sentral listrik bekerja siang dan malam.

         Harganya diperkirakan antara US$ 2000,‑ hingga US$ 5000, per kW listrik. Perlu dicatat bahwa semua ini masih, merupakan rencana di atas kertas dan belum ada pelaksanaannya secara nyata.

Gambar, 2 memperlihatkan secara skematis pemakaian heliostat dan menara untuk konversi surya termis elektris.

Gambar 2. Pembangkitan Tenaga Listrik dengan Mempergunakan Menara  dan Deretan Heliostat

                

                                      

               

Konversi Energi Fotovoltaik

Energi radiasi surya dapat diubah menjadi arus listrik searah dengan mempergunakan lapisan‑lapisan tipis dari silikon (Si) mumi atau bahan semikonduktor lainnya. Pada saat ini silikon merupakan bahan yang terbanyak dipakai. Silikon merupakan pula suatu unsur yang banyak terdapat di alam. Untuk keperluan pemakaian sebagai semikonduktor, silikon harus dimurnikan hingga suatu tingkat pemumian yang tinggi sekali, kurang dari satu atom pengotoran per 10¹⁰ atom silikon. Gambar 3(a) memperlihatkan pengaturan atom dalam kristal silikon, Bentuk kristalisasi demikian akan terjadi bilamana silikon cair terjadi padat, hal mana disebabkan karena tiap atom silikon mempunyai elektron valensi. Dengan demikian terjadi suatu bentuk kristal di mana tiap atom silikon mempunyai sejumlah 4 tetangga terdekat. Tiap dua atom silikon yang bertetangga saling memiliki salah satu elektron valensinya. Bentuk kisi kristal menurut Gambar 3(a) sering juga dinamakan kisi intan.

Struktur tiga dimensi menurut Gambar 3 (a) diperlihatkan dalam Gambar 3(b) secara skematis dengan bentuk dua dimensi. Dalam gambar ini terlihat pula bahwa tiap atom mempunyai empat tetangga terdekat. Kedua garis antara tiap atom merupakan dua elektron valensi, satu buah dari masing‑masing atom. Tiap pasangan elektron valensi adalah suatu ikatan kovalensi, yang pada asasnya merupakan hubungan yang mengikat atom‑atom kristal.

Pada suhu nol absolut (O⁰ K) semua ikatan kovalensi berada dalam keadaan utuh dan lengkap. Bilamana suhu naik, atom‑atom akan mengalarni keadaan getaran termal. Getaran‑getaran ini yang meningkat dengan suhu, pada suatu saat dapat mengganggu beberapa ikatan kovalensi.

Terganggunya ikatan valensi dalam kristal semikonduktor pada suhu lingkungan biasa mempunyai beberapa akibat besar terhadap sifat‑sifat listrik kristal itu dan penting dalam penjelasan efek fotovoltaik.

 Dari Gambar 3(b) terlihat bahwa terputusnya ikatan valensi melepaskan sebuah elektron, yang dapat bergerak bebas dalam kristal dan dapat berperan serta dalam proses bantaran. Cara han­taran listrik  dapat terjadi bila sebuah "lubang" yang terjadi karena pelepasan elektron, diisi oleh elektron lain dari tetangganya, dan seterusnya.

                            

Jika kristal itu diletakkan dalam suatu medan listrik, maka elektron‑elektron bebas itu condong mengalir ke arah melawan medan sedangkan "lubang‑lubang" yang terjadi akan merniliki arah yang berlawanan. Lubang‑lubang itu berperan sebagai partikel dengan muatan positif. Dengan demikian seolah‑olah dalam sebuah semikonduktor terjadi dua arus dengan arah saling berlawanan: suatu arus elektron dan suatu arus lubang.

Jumlah elektron yang mengalir dalam semikonduktor jauh lebih kecil daripada yang merupakan konduktor. Sebagai perbandingan, dalam bahan silikon mumi, pada suhu ruangan biasa, terdapat kirakira satu pasangan elektron dan lubang per 10¹⁰ atom. Untuk kebanyakan kristal logam angka itu adalah satu per satu.

Dapat juga terjadi bahwa ikatan valensi terganggu disebabkan pengaruh radiasi elektromagnetik yang datang dari luar. Jika foton dari radiasi yang masuk itu memiliki banyak energi, maka di tempat resapan akan dapat terjelma suatu pasagan elektron dan lubang. Jumlah energi yang diperlukan untuk terjadinya hal itu adalah 1,1  eV bagi silikon pada suhu ruangan biasa. Dengan demikian maka setiap foton yang memiliki jumlah energi yang lebih besar dari 1,1 eV, atau panjang gelombang kurang dari 1.100 nm, yang terletak di wilayah inframerah spektrum, dapat mengakibatkan tedadinya pasangan elektron dan lubang di silikon. Khususnya besar dari spektrum radiasi surya mempunyai kemampuan tersebut bila diresap silikon. Dengan demikian maka akan terdapat suatu muatan listrik yang melampaui keseimbangan hal mana dapat mengakibatkan tedadinya suatu gaya gerak listrik.

 Gambar 4 memperlihatkan sebuab kristal silikon yang dimasukkan satu atom arsenikum (As), yang diperoleh misalnya dari suatu peleburan yang diberi sedikit arsenikum sebagai "pengotoran". Atom arsenikum memiliki lima elektron valensi. Bilamana sebuah atom arsenikum menempati suatu posisi "struktural" dalam kristal silikon, ia mempunyai kelebihan satu buah elektron. Pada

                       

suhu lingkungan biasa daya ikat elektron kelima terhadap induk atom arsenikurn adalah relatif kecil. Dengan demikian tedadi suatu situasi di mana terdapat sebuah elektron bebas dalam kristal silikon. Atom arsenikurn yang terikat dalam kristal mendapat rnuatan positif sedangkan elektron bebas itu dapat bergerak dalam seluruh kristal dan mengikuti proses konduksi bila terdapat suatu medan listrik. Arsenikurn dengan semikian merupakan suatu pengotoran yang merupakan pemberi, atau donor elektron. Hal demikian juga akan terjadi dengan atom‑atom lain yang mempunyai ikatan valensi lima. Dan penambahan suatu kristal dengan pengotoran donor, akan mengubah sifat‑sifat listrik bahan tersebut dengan dua cara. Pertama, jika pengotoran donor itu diperbesar melampaui 1 bagian per 10¹², yang dianggap suatu taraf pengotoran yang rendah, maka daya hantar akan meningkat.

Kedua, bila, baik elektron maupun lubang akan memiliki peran serta, kurang lebih sama dalam sifat daya hantar materi silikon, hantarannya akan praktis seluruhnya dilakukan oleh gerakan dari elektron dalam kristal yang mengandung donor. Muatan yang positif terikat tempat dalam struktur kristal. Karena elektron memiliki muatan negatif, kristal demikian dinamakan tipe‑N, yaitu n dari negatif.

 Dengan sendirinya akan terjadi suatu efek serupa bila pengo­toran dilakukan dengan bahan yang memiliki valensi tiga seperti boron dan galium. Dalam keadaan demikian tiap pengotoran menerima satu elektron dari ikatan valensi yang mengakibatkan terdapatnya satu lubang yang berperan serta dalarn proses kon­duksi, dan satu ion pengotoran dengan muatan negatif yang tidak bergerak. Karena lubang mempunyai rnuatan positif kristal yang mempunyai akseptor dinamakan tipe‑P, yaitu p dari positif. Karena pengotoran relatif menyangkut jumlah‑jumlah yang kecil sekali, adalah mungkin untuk sebuah kristal tunggal silikon merupakan tipe‑P pada, satu ujung dan tipe‑N pada, ujung yang lain. Kristal demikian dinamakan sarnbungan P‑N dan terlihat pada Gambar 5(a).

Misalkan sarnbungan P‑N itu terkena radiasi matahari. Telah diketahui bahwa tiap foton radiasi yang memiliki energi yang melebihi 1,1 eV dapat menghasilkan satu pasangan elektron‑lubang dalam hablur silikon. Dalam situasi menurut Gambar 5(a) akan jelas bahwa pasangan‑pasangan elektron‑lubang agak terpisah‑pisah letaknya, sedemikian hingga daerah P akan memiliki rnuatan positif terhadap daerah‑N, dan terdapat suatu perbedaan potensial. antara kedua apitan. jika antara kedua apitan dipasang sebuah beban, sebagaimana terlihat pada Gambar 5(b), akan mengalir arus I. Dengan demikian terdapat secara langsung suatu konversi elektronika antara radiasi surya yang masuk dan energi listrik yang dihasilkan antara kedua apitan A dan B.

Adalah menarik untuk mencoba mengikuti apa yang terjadi dalam sambungan P‑N itu. Di daerah N terclapat banyak elektron. Sebaliknya, di daerah P hanya sedikit. Elektron‑elektron di daerah N memiliki kecenderungan untuk bergerak, dan karena sifat sembarang arah disebabkan getaran termal, terdapat kecenderungan untuk mernasuki daerah P dari kristal tunggal. Hal ini ticlak dapat terjadi karena terdapat suatu kendala pada perbatasan N‑P berupa perbedaan kontak antara potensial tipa N dan tipe P. Dengan demikian elektron‑elektron mendapatkan suatu halangan potensial pada sambungan, dan hanya elektron‑elektron yang memiliki jurnlah energi yang besar yang dapat melampaui halangan potensial. itu. Dalam keadaan seimbang tidak terdapat suatu arus ke salah satu arah.

Halangan ini, yang merupakan semacam ambang, dapat di pengaruhi atau diatasi dengan dipergunakan suatu sumber tegangan dari luar sebagaimana terlihat pada Gambar 6. Tegangan ini

                  

akan menurunkan tinggi ambang‑ Hal ini akan memungkinkan lebih banyak elektron untuk lewat sehingga dapat mengalir suatu arus. listrik yang lebih besar. Dapat dikemukakan, bahwa arus tersebut berbanding lurus secara eksponensial dengan besar tegangan.

Sebaliknya, bilamana tegangan U dibalik arahnya, maka ambang menjadi lebih tinggi, sehingga akan merupakan suatu halangan yang lebih besar terhadap mengalimya arus. Sifat ini dimanfaatkan untuk memakai semikonduktor sebagai dioda untuk pengaruh arus. Prinsip ini juga dipakai sebagai thyristor.

                    

Kiranya jelas, bahwa cara lain untuk arus elektron mengatasi halangan pada sambungan P‑N adalah dengan meningkatnya intensitas penyinaran sehingga elektron‑elektron memiliki energi vibrasi yang lebih besar. Dengan demikian maka penyinaran sambungan P‑N ini dengan radiasi matahari langsung mengakibatkan tedadinya konversi menjadi energi listrik. Prinsip ini dimanfaatkan dalam sel, fotovoltaik.

Gambar 7 memperlihatkan proses pembuatan wafer silikon.

                     

                

Gambar (a) adalah cairan silikon panas yang diputar dan menghasilkan kristal silikon silindris (b), yang kernudian digergaji (c) dan menghasilkan cakram‑cakram, atau wafer‑wafer Gambar (d). Gambar (e) adalah wafer yang telah diberi kawat‑kawat untuk menghubungkan daerah‑daerah N dan P.

 Pada saat ini sedang dikembangkan suatu teknologi baru dalam membuat sel‑sel silikon, yaitu pembuatan dalam bentuk pita, sebagaimana terlihat pada Gambar 8.

         

Gambar (a) adaloh cairan panas silikon. Dalam cairan itu terpasang semacam. matres (m), yang mempunyai celah yang tipis sekali, yaitu Ik 0,3 mm. Berdasarkan prinsip kapiler (pembuluh rambut), cairan dalam celah matres (m) akan naik, dan mengeras karena suhu yang lebih rendah, sehingga merupakan pita.  Pita ini ditarik oleh penarik (p) sehingga diperoleh pita silikon yang panjang.

Pita ini dipotong‑potong untuk kemudian diberi sambungan sambungan listrik dan menghasilkan sel‑sel surya (d).  Metode pita ini mempunyai keuntungan lebih hemat dalam pemakaian bahan baku silikon, dan merupakan cara kerja yang lebih murah. Namun teknologinya pada waktu ini masih belurn mencapai kematangan penuh, dan sedang dikembangkan oleh Mobil Tyco Solar Energy Corporation, di Waltham, Mass., USA.'

Wafer‑wafer atau sel‑sel silikon itu kemudian dipasang dalam sebuah panel, yang terdiri atas sebuah bingkai aluminiurn atau baja tahan karat. Sel‑sel itu diberi masing‑masing sambungan listrik, dan keseluruhannya dilindungi oleh lapisan kaca atau plastik. Gambar 9 memperlihatkan bentuk sebuah panel berulcuran 105 x 23 cm, buatan Arco Solar. Panel ini juga sering disebut modul.

 Bilamana sel‑sel silikon ini terkena sinar matahari, maka foton­ foton yang "mendarat" sekitar sambungan P‑N akan menghasilkan pasangan‑pasangan elektron‑lubang. Elektron‑elektron akan cen­

derung untuk berjalan ke arah silikon tipe N, sedangkan lubang akan cenderung untuk berjalan ke arah daerah yang bermuatan positif Bilamana wilayan N (negatif) dan wilayah P (positin, diberi

sambungan listrik, maka dapat mengalir arus listrik dalarn sam­bungan itu. Dengan sendirinya besamya arus listrik, atau tenaga listrik yang diperoleb, tergantung antara lain dari jumlah energi

cahaya yang mencapai sel‑sel silikon ini, dan tergantung juga dari luas permukaan sel‑sel itu.

                 

Disebabkan harganya yang masih tinggi, pemakaian sel‑sel surya fotovoltaik pada waktu ini masih terbatas pada penggunaanpenggunaan khusus di tempat‑tempat terpencil yang sukar dicapai, sehingga akan membawa kesulitan‑kesulitan logistik untuk penyediaan bahan bakar, penyediaan suku cadang, maupun kesulitan adanya tenaga untuk operasi dan pemeliharaan bilamana mempergunakan cara konvensional. Disinilah kekaatan sel surya: tidak memerlukan bahan bakar maupun pemeliharaan!

Namun demikian, sekalipun harga sel suryanya itu sendiri sudah turun banyak, kemungkinan kendala utamanya masih akan berkisar pada penyimpan energi, yaitu aki, baik menyangkut harga, maupun bertalian dengan pemeliharaan.

Beberapa contoh bidang di mana sel surya dapat digunakan di antaranya: stasiun‑stasiun meteorologi; rambu‑rambu laut; stasiunstasiun relai untuk telekomunikasi; televisi untuk pendidikan bagi desa‑desa terpencil; mercusuar; pompa‑pompa irigasi dan stasiun kereta api. Untuk bidang‑bidang khusus ini sel surya jelas lebih baik dan lebih murah daripada misaInya pusat listrik tenaga diesel khusus. Dapat dikemukakan, bahwa PJKA (Perusahaan Jawatan Kereta Api) telah mempergunakan sel‑sel surya fotovoltaik ini di beberapa stasiun kereta api untuk sistem telekomunikasi stasiunstasiun yang terletak terpencil.