MAKALAH MKE

(MESIN KONVERSI ENERGI)

ENERGI SURYA

OLEH:

NAMA : Sunarto

NO BO : 0801011009

KELAS : II B REGULER

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI PADANG

2010

ENERGI SURYA

Energi surya adalah energi yang didapat dengan mengubah energi panas surya

(matahari) melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain.

Energi surya menjadi salah satu sumber pembangkit daya selain air, uap,angin, biogas,

batu bara, dan minyak bumi.Teknik pemanfaatan energi surya mulai muncul pada tahun 1839,

ditemukan oleh A.C. Becquerel. Ia menggunakan kristal silikon untuk mengkonversi radiasi

matahari, namun sampai tahun 1955 metode itu belum banyak dikembangkan. Selama kurun

waktu lebih dari satu abad itu, sumber energi yang banyak digunakan adalah minyak bumi dan

batu bara.

Upaya pengembangan kembali cara memanfaatkan energi surya baru muncul lagi pada

tahun 1958. Sel silikon yang dipergunakan untuk mengubah energi surya menjadi sumber daya

mulai diperhitungkan sebagai metode baru, karena dapat digunakan sebagai sumber daya bagi

satelit angkasa luar. pembangunan berkelanjutan, serta merupakan pendukung bagi kegiatan

ekonomi nasional. Penggunaan energi di Indonesia meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan

ekonomi dan pertambahan penduduk. Sedangkan, akses ke energi yang andal dan terjangkau

merupakan pra-syarat utama untuk meningkatkan standar hidup masyarakat.

Untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat tersebut, dikembangkan

berbagai energi alternatif, di antaranya energi terbarukan. Potensi energi terbarukan, seperti:

biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, energi angin dan energi samudera, sampai saat ini

belum banyak dimanfaatkan, padahal potensi energi terbarukan di Indonesia sangatlah

besar.Energi surya merupakan salah satu energi yang sedang giat dikembangkan saat ini oleh

Pemerintah Indonesia.

Sumber Energi Matahari

Bentuk Energi

E in E out

E. Surya E. listik

Energi surya

tidak memerlukan bahan bakar.

Ini tidak dipengaruhi oleh permintaan dan pasokan bahan bakar dan karena itu tidak

tunduk pada semakin harga bensin.

Mesin pembangkit listrik tenaga surya

Penerapan energi surya

Energi surya telah banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa diantara

aplikasi tersebut antara lain :

1. Pencahayaan bertenaga surya

2. Pemanasan bertenaga surya, untuk memanaskan air, memanaskan dan mendinginkan

ruangan,

3. Desalinisasi dan desinfektisasi

4. Untuk memasak, dengan menggunakan kompor tenaga surya

Silikon terdapat banyak di bumi. Ia merupakan unsur kedua terbanyak di kulit bumi

setelah oksigen. Terdapat di alam dalam bentuk pasir silika atau yang dikenal juga degan quartz

dengan rumus kimia SiO2. Tanah dimana kita pijak pun mengandung silikon. Sebagai contoh, di

Indonesia penamnangan pasir silika ini dilakukan di Kalimantan Tengah dan Jawa Tengah. Di

pesisir pantai selatan Jawa juga diyakini memiliki kandungan pasir silika. Silikon yang dipakai

untuk keperluan semikonduktor dan sel surya diambil dari hasil pemisahan Si dan O. Saat ini,

penghasil silikon terbesar di dunia ialah Cina, Amerika, Brazil, Norwegia dan Prancis. Cadangan

sumber daya silika dan ketersediaan tenaga listrik yang cukup besar menjadi alasan mengapa

negara-negara di atas memimpin dalam menghasilkan silikon.

SEL SURYA

Gambar 3. Skema diagram proses dan reaktor Siemens untuk memurnikan silikon. Diadaptasi

dari sini.

Sampai di sini, silikon sudah memiliki kemurnian yang dapat dimanfaatkan untuk

keperluan sel surya.

Silikon untuk sel surya

Sel surya dibuat dari silikon yang berbentuk bujur sangkar pipih dengan ukuran 5 x 5 cm

atau 10 x 10 cm persegi. Ketebalan silikon ini sekitar 2 mm. Lempengan bujur sangkar pipih ini

disebut dengan wafer silikon untuk sel surya. Bentuk wafer silikon sel surya berbeda dengan

wafer silikon untuk semikonduktor lain (chip, prosesor komputer, RAM memori) yang berbentuk

bundar pipih meski memiliki ketebalan yang sama (lihat gambar bawah).

Gambar 4. Wafer silikon untuk keperluan elektronika (bundar pipih) dan sel surya (persegi

berwarna biru).

Wafer silikon ini dibuat melalui proses pembuatan wafer silikon dengan memanfaatkan silikon

berkadar kemurnian tinggi sebelumnya (semiconductor grade silicon). Secara ringkas, penulis

paparkan beberapa cara membuat wafer silikon untuk keperluan sel surya.

1. Wafer silikon jenis monokristal.

Mono kristal di sini berarti silikon tersebut tersusun atas satu kristal saja. Sedangkan jenis

lain ialah wafer silikon polikristal yang terdiri atas banyak krstal. Wafer silikon monokristal

dibuat melalui proses Czochralski (Cz) yang merupakan jantung dari proses pembuatan wafer

silikon untuk semikonduktor pula. Prosesnya melibatkan peleburan silikon semiconductor grade,

diikuti dengan pemasukan batang umpan silikon ke dalam leburan silikon. Ketika batang umpan

ini ditarik perlahan dari leburan silikon, maka secara otomatis silikon dari leburan akan

mennempel di batang umpan dan membeku sebagai satu kristal besar silikon. Suhu proses

berkisar antara 1000-1200 derajat Celsius, yakni suhu di mana silikon dapat

melebur/meleleh/mencair. Silikon yang telah membeku ini akhirnya dipotong-potong

menghasilkan wafer dengan ketebalan sekitar 2 milimeter.

Gambar 5. Skema proses Cz untuk membuat wafer silikon. (Atas) Reaktor tempat pembuatan

wafer slikon, (Tengah atas) Keadaan silikon yang tengat ditarik oleh batang pengumpan.

Perhatikan warna silikon yang berpijar tanda masih dalam keadaan setengah cair/lelehan.

(Tengah bawah) Ruangan pabrik pembuatan wafer silikon yang selalu terjaga kebersihannya dan

seragam yang selalu dipakai pekerjanya. (Bawah) Wafer silikon yang dihasilkan (diameter 20-40

cm panjang bisa mencapai 1-2 m). Diadaptasi dari sini dan sini dan sini.

Gambar 6. Sel surya yang menggunakan bahan dasar silikon monokristal. Perhatikan warna biru

yang homogen pada sel surya tersebut.

2. Wafer silikon jenis polikristal.

Wafer silikon monokristal relatif jauh lebih sulit dibuat dan lebih mahal. Silikon

monokristal inilah yang digunakan untuk bahan dasar semikonduktor pada mikrochip, prosesor,

transistor, memori dan sebagainya. Keadaannya yang monokristal (mengandung hanya satu

kristal tunggal) membuat silikon monokristal nyaris tanpa cacat dan sangat baik tingkat hantar

listrik dan panasnya. Sel surya akan bekerja dengan sangat baik dengan tingkat efisiensi yang

tinggi jika menggunakan silikon jenis ini.

Namun demikian, perlu diingat bahwa isu besar sel surya ialah bagaimana menurunkan

harga yang masih jauh dari jangkauan masyarakat. Penggunaan silikon monokristal jelas akan

melonjakkan harga sel surya yang akhirnya justru kontraprduktif. Komunitas industri dan peneliti

sel surya akhirnya berpaling ke jenis silikon yang lain yang lebih murah, lebih mudah dibuat,

meski agak sedikit mengorbankan tingkat efisiensinya. Saat ini, baik silikon monokristal maupun

polikristal sama sama banyak digunakan oleh masyarakat.

Gambar 7. (Atas) Salah satu contoh aktifitas peleburan material (logam, slikon, dll.) (Bawah) Sel

surya berbahan baku silikon polikristal. Perhatikan warna terang gelap pada sel surya yang

menandakan kristal kristal yang berbeda arah dan besarnya.

Pembuatan silikon polikristal pada intinya sama dengan mengecor logam (lihat Gambar di

bawah). Semiconductor grade silicon dimasukkan ke dalam sebuah tungku atau tanur bersuhu

tinggi hingga melebur/meleleh. Leburan silikon ini akhirnya dimasukkan ke dalam cetakan cor

dan selanjutnya dibiarkan membeku. Persis seperti pengecoran besi, aluminium, tembaga

maupun logam lainnya. Silikon yang beku kemudian dipotong-potong menjadi berukuran 5 x 5

atau 10 x 10 cm persegi dengan ketebalan kira-kira 2 mm untuk digunakan sebagai sel surya.

Proses pembuatan silikon polikristal dengan cara ini merupakan proses yang paling banyak

dilakukan karena sangat efektif baik dari segi ekonomis maupun teknis.

Secara umum, proses pembuatan sel surya mulai dari dari silikon dapat dilihat pada gambar

di bawah ini. Proses pembuatan sel surya sendiri telah diterangkan sebelumnya.

Pada dasarnya, pembuatan sel surya tidak ubahnya pembuatan microchip yang ada di

dalam peralatan elektronika semisal komputer, televisi maupun alat pemutar musik digital MP3.

Banyak teknologi yang dipakai oleh sel surya mengadopsi dan mengadaptasi teknologi

pembuatan microchip karena teknologi microchip sudah mapan jauh sebelum booming sel surya

yang baru muncul belakangan di akhir 1980-an.

Teknologi pembuatan microchip maupun sel surya sama-sama bersandar pada konsep

nanoteknologi. Yakni sebuah konsep revolusioner dalam merekayasa perilaku dan fungsi sebuah

sistem pada skala molekul atau skala nanometer (berdimensi ukuran se-per-milyar meter). Sistem

yang dimaksud ini dapat berupa molekul-molekul, ikatan kimia, hingga atom-atom yang

menyusun sebuah produk. Yang direkayasa ialah perilaku atom atau molekul-molekulnya tadi

dengan jalan menyesuaikan kondisi pembuatan atau lingkungan molekul atau atom yang

dimaksud.

Gambar 1. Sebuah gambaran konsep dari Nanoteknologi. Saking kecilnya produk nanoteknologi,

hingga seekor semut pun dapat turut membantu mengangkat sebuah microchip.

Sebagai contoh nyata yang umum pada dunia akademik maupun industri mikrochip ialah,

kita dapat mengatur di mana sebuah molekul atau atom tersebut menempel di bagian tertentu

pada komponen microchip atau sel surya, atau “memrintahkan” ia berpindah dari satu tempat ke

tempat lain ketika arus listrik atau temperatur disesuaikan. Pengaturan atau perekayasaan

perilaku molekul atau atom ini sangat berguna untuk menyesuaikan produk sebuah teknologi

untuk keperluan sehari-hari. Hal ini terlihat jelas jika melihat kegunaan komputer dewasa ini

yang semakin cepat dan poweful justru ketika ukuran prosesor-nya semakin kecil dan memori

yang semakin padat. Atau kita melihat bagaimana rekayasa molekul dapat menghasilkan

tanaman yang mengasilkan buah dan bibit yang berkualitas lebih unggul.

Gambar 2. Perbesaran dari bagian internal sebuah prosesor komputer/semikonduktor.Yang kadang

terlupakan, nanoteknologi tidak hanya menyentuh persoalan bagaimana membuat, namun juga

bagaimana menguji dan mengamatinya, yang jelas membutuhkan alat yang sama-sama berangkat dari

konsep yang sama dan dimensi ukuran yang sama. Semisal, ketika ingin mengetahui sebuah

produk apakah bagus atau tidak, maka perlu melalui serentetan pengujian dan analisa yang

berujung pada sebuah kesimpulan bagus atau jeleknya sebuah produk. Jika produknya memiliki

ukuran satu helai rambut dibelah 1000, maka alat penguji dan pengamatnya harus mampu

menjejak dengan ketelitian hingga sebesar itu pula.

Perlu penulis tegaskan, nenoteknologi ini ialah konsep yang sangat mahal, mahal dalam

arti kata sebenarnya. Sangat banyak prasyarat maupun biaya yang harus dipenuhi sebelum

memulai sebuah penelitian dalam skala nanoteknologi, apalagi untuk membawanya ke arah

komersialisasi yang melibatkan investasi yang tidak sedikit dan kerumitan yang tinggi.

Ada syarat kebersihan ekstra jika kita hendak mengadopsi konsep nanoteknologi. Semakin

kecil sebuah produk, maka jika ada kotoran atau debu saja yang menempel pada produk tersebut

(yang notabene berukuran sama), maka produk nanoteknologi tersebut tidak akan berfungsi

dengan baik. Sehingga, salah satu investasi ekstra jika hendak menekuni nanoteknologi ialah

membangun fasilitas entah itu pabrik atau laboratorium yang sangat-sangat bersih sesuai dengan

standar yang berlaku, yang disebut dengan Clean Room (lihat gambar 3 berikut).

Gambar 3. Situasi di sebuah Clean Room. Perhatikan baju khusus anti debu yang dipakai para

pekerja di sebuah Clean Room.

Standar pembuatan sel surya jenis silikon melalui beberapa proses implantasi (pemasukan)

atom-atom lain ke dalam material silikon yang melibatkan proses kimiawi difusi gas pada

temperatur di atas 800 derajat Celcius. Proses ini apabila tidak teliti akan mengakibatkan

kebocoran dan sangat berbahaya karena mempergunakan gas yang beracun bagi kesehatan. Alat

yang dipergunakan sendiri jelas harus mampu membangkitkan, mengatur dan mempertahankan

proses di dalam temperatur tinggi tersebut. Pembuatan sel surya sendiri melalui beberapa tahap

proses yang serupa dengan proses implantasi ini dalam temperatur yang berbeda-beda. Jelas

tidak boleh terdapat adanya pengotor semacam debu yang ditolerir selama proses berlangsunng

karena bila ada, maka sel surya akan gagal total. Sebenarnya. jika kita melihat alat dan proses

yangterlibat dalam pembuatan sel surya secara langsung, maka kesan angker dan sakralnya

proses tersebut akan hilang dengan sendirinya (lihat gambar 4 di bawah ini). Prosesnya

melibatkan otomatisasi dan komputerisasi. Alatnya sendiri terbungkus rapi di dalam sebuah

lemari besi berjendela kaca sehingga aman ketika dioperasikan. Hanya saja, untuk berinvestasi

membeli, mempergunakan serta merawat alat tersebut, biaya yang dikeluarkan sangatlah mahal

untuk ukuran kita sehingga mustahil bagi industri kecil apalagi perseorangan untuk membuat sel

surya sendiri. Terlebih dalam menyediakan gas khusus yang dibutuhkan untuk implantasi atom

yang tidak sembarangan dalam penanganannya.

Gambar 4. (Atas) Salah satu alat untuk melakukan proses difusi atom ke dalam silikon yang

mengandalkan plasma. (Bawah) Tipikal alat pembuatan sel surya yang telah terintegrasi dan

terkompuiterisasi

Kerumitan pembuatan sel surya ada pada tahap pengecekan efisiensi sel yang baru dibuat.

Memeriksa apakah sel surya itu dapat berfungsi dengan baik dan dengan efisiensi yang baik

membutuhkan peralatan tersendiri dan tidak sembarangan untuk sekedar dirakit. Peralatan ini

mensimulasikan besarnya energi cahaya matahari dan harus dikalibrasi dengan standar tertentu.

Simulasi ini harus mendekati kondisi sebenarnya penyinaran cahaya matahari. Alat yang

dperlukan untuk ini ialah solar simulator yakni alat yang mensimulasikan energi cahaya matahari

dan mengukur respon sel surya terhadap cahaya matahari yang akhirnya menghitung efisiensi sel

surya.

Gambar 5. (Atas) Prinsip kerja sebuah Solar Simulator, (Bawah) Solar simulator yang dijual di

pasaran.

Untuk meniru energi yang dipancarkan oleh matahari, Solar Simulator ini dilengkapi dengan

lampu yang berisi gas Xenon yang mampu memberikan kondisi yang nyaris persis sama dengan

matahari. Sel surya yang hendak diukur efisiensinya, diletakkan di bagian yang telah ditentukan.

Hasil akhir dari simulasi ini ialah berapa besar efisiensi dan daya yang mampu dihasilkan oleh

sebuah sel surya. Biasanya pengukuran ini dilakukan pada tahap paling akhir pembuatan sel

surya.

TEKNOLOGI ENERGI SURYA TERMAL

Berbagai teknologi pemanfaatan energi surya termal untuk aplikasi skala rendah

(temperatur kerja lebih kecil atau hingga 60 o C) dan skala menengah (temperatur kerja antara 60

hingga 120 o C) telah dikuasai dari rancang-bangun, konstruksi hingga manufakturnya secara

nasional. Secara umum, teknologi surya termal yang kini dapat dimanfaatkan termasuk dalam

teknologi sederhana hingga madya. Beberapa teknologi untuk aplikasi skala rendah dapat dibuat

oleh bengkel pertukangan kayu/besi biasa. Untuk aplikasi skala menengah dapat dilakukan oleh

industri manufaktur nasional.

Beberapa peralatan yang telah dikuasai perancangan dan produksinya seperti sistem atau unit

berikut:

Pengering pasca panen (berbagai jenis teknologi)

Pemanas air domestic;

Pemasak/oven

Pompa air (dengan Siklus Rankine dan fluida kerja Isopentane )

Penyuling air ( Solar Distilation/Still )

Pendingin (radiatif, absorpsi, evaporasi, termoelektrik, kompressip, tipe jet)

Sterilisator surya

Pembangkit listrik dengan menggunakan konsentrator dan fluida kerja dengan titik didih

rendah.

Untuk skala kecil dan teknologi yang sederhana, kandungan lokal mencapai 100 %,

sedangkan untuk sistem dengan skala industri (menengah) dan menggunakan teknologi tinggi

(seperti pemakaian Kolektor Tabung Hampa atau Heat Pipe ), kandungan lokal minimal

mencapai 50%.

Strategi Pengembangan Energi Surya Termal

* Strategi pengembangan energi surya termal di Indonesia adalah sebagai berikut: Mengarahkan

pemanfaatan energi surya termal untuk kegiatan produktif, khususnya untuk kegiatan agro

industri.

*Mendorong keterlibatan swasta dalam pengembangan teknologi surya termal.

*Mendor ong terciptanya sistem dan pola pendanaan yang efektif.

*Mendorong keterlibatan dunia usaha untuk mengembangkan surya termal.

Program Pengembangan Energi Surya Termal

Program pengembangan energi surya termal di Indonesia adalah sebagai berikut :

Melakukan inventarisasi, identifikasi dan pemetaan potensi serta aplikasi teknologi fototermik

secara berkelanjutan.

Melakukan diseminasi dan alih teknologi dari pihak pengembang kepada pemakai (agro-industri,

gedung komersial, dan lain-lain) dan produsen nasional (manufaktur, bengkel mekanik, dan lain-

lain) melalui forum komunikasi, pendidikan dan pelatihan dan proyek-proyek percontohan.

* Melaksanakan standarisasi nasional komponen dan sistem teknologi fototermik.

* Mengkaji skema pembiayaan dalam rangka pengembangan manufaktur nasional.

* Meningkatkan kegiatan penelitian dan pengembangan untuk berbagai teknologi fototermik.

* Meningkatkan produksi lokal secara massal dan penjajagan untuk kemungkinan ekspor.

* Pengembangan teknologi fototermik suhu tinggi, seperti: pembangkitan listrik, mesin stirling ,

dan lain-lain.

Membangkitkan listrik sendiri di rumah? Itu dimungkinkan dengan

pemasangan panel surya - solar cells, panel surya - solar cells

mengubah sinar matahari menjadi listrik. Listrik tersebut disimpan

di dalam aki, aki menghidupkan lampu.

Dalam penggunaan panel surya - solar cells untuk membangkitkan

listrik di rumah, ada beberapa hal yang perlu kita pertimbangkan

karena karakteristik dari panel sel surya:

Panel surya - solar cells memerlukan sinar matahari. Tempatkan panel sel surya pada posisi

dimana tidak terhalangi oleh objek sepanjang pagi sampai sore.

Panel surya - solar cells menghasilkan listrik arus searah DC.

Untuk efisiensi yang lebih tinggi, gunakan lampu DC seperti lampu LED.

Instalasi kabel baru khusus untuk arus searah

DC untuk perangkat berikut ini misalnya:

lampu penerangan berbasis LED (Light

Emiting Diode), kamera CCTV, wifi

(wireless fideliity), dll.

Kalau kita membuat rumah baru, disarankan

untuk  menggunakan PLN dan panel surya -

solar cells Panel sel surya digunakan untuk

sebagian penerangan (dalam hal ini

menggunakan arus searah DC) dan PLN untuk

perangkat arus bolak balik AC seperti: Air

Conditioning, Lemari Es, sebagian penerangan

dll.

Bila listrik DC yang tersimpan dalam aki ingin digunakan menyalakan perangkat AC: pompa

air, kulkas, dsbnya maka diperlukan inverter yang dapat mengubah listrik DC menjadi AC.

Sesuaikan kebutuhan daya yang dibutuhkan dengan panel sel surya, inverter, aki.

Lampu LED sebagai Penerangan Rumah

Saat ini sudah ada lampu hemat energi yang menggunakan DC seperti lampu LED. Bandingkan

lampu LED 3 Watt setara dengan Lampu AC 15 Watt.

 Kekurangannya adalah:

* Instalasi kabel baru untuk lampu LED.

* Biaya pengadaan lampu yang lebih mahal.

Keuntungannya adalah:

* Penggunaan energi yang kecil

* Keandalan lampu LED 10 x lampu standard biasa

* Penggunaan kabel listrik 2 inti.

  Lampu AC Lampu LED

Voltage 220 VAC 12 VDC

Watt 15 Watt 3 Watt

Lifetime 6,000 jam 50,000 jam

Harga + Rp. 25,000 + Rp. 250,000

Panel Sel Surya untuk Listrik AC

Bila kita berkeinginan untuk menggunakan energi sel surya untuk peralatan rumah

lainnya, ikuti contoh perhitungan berikut ini.

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.