PEMANFAATAN ENERGI SURYA

Mengapa Energi Surya? Tersedia melimpah (di tanah air: 0.48 x 106 kJ/m2 x 1.9

x 1012 m = 0.9 x 1018 kJ/tahun, setara 28.35 x 1018 MWe) Energi surya adalah energi terbersih dan tidak

menimbulkan gas buang (polusi). Radiasi surya berupa panas, cahaya dan radiasi lain yang mengandung sejumlah besar energi yang hampir seluruhnya menyebabkan berbagai proses di bumi.

Pemanfaatan surya dan energi terbarukan lainnya dapat mengurangi penggunaan energi fosil (konvensional) dalam berbagai proses, dan juga dapat mengurangi emisi CO2 yang menyebabkan pemanasan global (menjadi issu lingkungan yang perlu mendapat perhatian)

Cara pemanfaatan

Energi surya dapat dimanfaatkan secara: Termal Konversi ke energi listrik melalui efek

fotolistrik

Emisi CO2

Pada tahun 2003 terasa adanya perubahan kondisi iklim yang ektrim. Bumi semakin panas, efek rumah kaca (global warming). Emisi gas CO2 sebagai hasil dari pembakaran energi fosil (BBM) mencemari atmosfir & berdampak pada pemanasan lingkungan.

Dengan memanfaatkan enertg terbarukan seperti pemanas surya, PV, angin, air dan Geothermal, secra nyata telah mengurangi emisi gas CO2. Rata-rata setiap 1 kWh energi yang diproduksi dari industri bertenaga batu bara, 1kg (2.2 pon CO2 diproduksi. Pembakaran LPG untuk produksi listrik menghasilkan 450 g CO2 untuk setiap kWh energi yang diproduksi.

Misalnya pada pemanasan air rumah tangga, dengan: Solar Water Heater: Tingkat radiasi 4 kWh/m2/hari

Jumlah tabung: 10 (panjang 1.8 m), Pengurangan CO2 = 701 kg/year  Natural Gas Water Heater: Tingkat radiasi 4 kWh/m2/hari

Jumlah tabung:(panjang 1.8 m), Pengurangan CO2 = = 315 kg/year 

Pemanfaatan secara termal Pemanfaatan secara termal kolektor

surya Kolektor surya plat datar telah digunakan pada

beberapa dekade, meskipun dalam jumlah yang sangat kecil. Kolektor dengan tabung terevakusi juga menjadi pilihan lain dari disain kolektor surya.

Aplikasi: SWH (solar water heater) menggantikan energi listrik/LPG, kolektor pemanas udara. Desain kolektor surya dapat dipasang di atap bangunan sehingga dapat menghemat tempat.

TIPE-TIPE KOLEKTOR SURYA

1. Kolektor Surya Plat Datar: Sistem ini kotak terinsulasi dan tahan air, terdiri dari plat absorber berwarna hitam pekat yang terletak di bawah penutup transparan (bisa 1 atau 2 lapis penutup transparan. Air atau fliuda pengkonduksi dialirkan di dalam pipa yang berada di bawah plat absorber, untuk dipanaskan dan akan dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.

2. Konsentrator : Biasanya berupa logam parabola (cermin parabola) untuk mengkonsentrasikan radiasi surya ke dalam absorber (receiver) yang berada di pusatnya. Absorber berupa pipa yang didalamnya terdapat air yang dipanaskan. Kekuatan panas terletak pada posisi absorber harus selalu berada di fokus parabola.

3. Kolektor Surya Tabung terevakuasi: Untuk pemanas air terdiri dari jajaran tabung kaca (seperti tabung lampu neon). Ada 3 tipe, yaitu:

Tipe 1 (Glass-Glass) tubes: terdiri dari dua tabung kaca yang disatukan pada bagian ujung-ujungnya. Di dalam tabung dilapisi dengan lapisan tertentu berwarna hitam berfungsi sebagai absorber sekaligus dapat menahan kehilangan energi radiasi. Tabung dibuat vakum untuk mengurangi kehilangan panas akibat konduksi dan konveksi. Tidak sefisien tipe 2, tetapi sangat kuat terhadap kebocoran.

Tipe 2 (Glass-Metal) tubes: terdiri dari tabung tunggal. Di dalam tabung terdapat aluminium berbentuk plat atau lengkng yang berhubungan dengan pipa berisi air untuk dipanaskan. Plat aluminium biasanya dilapis dengan lapisan tertentu (Tinox). Tipe ini sangat efisien tetapi rawan dengan kebocoran, akibat sambungan antara kaca dan logam, karena tingkat pemuaian kaca dan logam tidak sama, sehingga setelah beberapa lama terkena panas dan dingin akan terjadi penyusutan dan pengembangan material yang menyebabkan kebocoran.

Tipe 3 (Glass-glass - water flow path) tubes: Air berada di dalam tabung. Permasalahan muncul jika tabung pecah, maka air panas tumpah kemana-mana (atap rumah).

Sifat kolektor surya (SWH) Tahan karat Tanpa listrik (tanpa pompa) Pressure drop seminimal mungkin Air bersih (tidak terkontaminasi Mudah dibersihkan Ukuran sesuai dengan kondisi tempat Mudah disambungkan dengan pipa air

rumah tangga Mudah dipasang

Kolektor Surya Plat Datar Pemanas Air

Pemanasan air merupakan hal yang sering dibutuhkan: Rumah tangga Industri:

Jasa: laundry Agro: blanching, drying,

Kolektor Surya Plat Datar Pemanas Air Struktur and Prinsip Kerja

Matahari masuk melalui cover kolektor, terjadi pemerangkapan panas. Plat hitam menyerap panas dan mengkonduksikan ke pipa berisi air.

Kolektor Surya Plat Datar Pemanas Air (2)

W = jarak antar pipa t = tebal sambungan

D = diameter luar pipa

d = tebal plat absorber

(W-D)/2

WD

d

t

Absorber

Penutup transpara

n

Pipa

Insulator

KESEIMBANGAN ENERGI PADA KOLEKTOR DATAR

KOLEKTOR

(QLB)

Energi Radiasi (Qa) Energi

berguna (Q)

La QQQ

(QLS)

(QLA)

LBLALSL QQQQ

PERSAMAAN ENERGI PADA KOLEKTOR PLAT DATAR

Karena QLS rendah sehubungan dengan luas sisi yang kecil, maka

K adalah koefisien kehilangan panas gabungan baik secara konveksi, konduksi dan radiasi

Karena KA dan KB merupakan hantaran yang paralel maka

dimana

LBLAL QQQ

apALA ttKQ

apBLB ttKQ

apLL ttUQ

BAL KKU

PERSAMAAN ENERGI PADA KOLEKTOR PLAT DATAR

Q = Ac {I (τ)c – UL (tp – ta)

Q = energi berguna (W)Ac = Luas kolektor (m2)I = Radiasi surya pada permukaan kolektor (W/m2)(τ)c = Sifat optik kolektor (-)

UL = Koef. kehilangan panas (W/m2-oC)

tp = suhu plat absorber (oC)

ta = suhu udara lingkungan (oC)

Efisiensi kolektor Efisiensi kolektor

Radiasi threshold Radiasi terendah dimana energi berguna menjadi nol (Tp

tertentu) Suhu stagnasi

Suhu tertinggi kolektor sehingga energi berguna menjadi nol (Radiasi tertentu)

Sehingga: jika kebutuhan suhu terlalu tinggi maka energi berguna kolektor tidak dapat diperoleh

Contoh soal

I

q

Lap U

I

tt )(

Sifat optik Ketika radiasi gelombang

elektromagnetik mengenai suatu benda maka berlaku:

Untuk benda opaque

1

1

Penutup transparanSifat kaca:- Transmisivitas tinggi ( 1)- Mudah dibersihkan- Mudah pecah (Mahal)

Sifat polikarbonat:- Transmisivitas tinggi (0.7 < < 0.9)- Mudah dibersihkan- Tahan lama (Mahal)

Sifat polietilen:- Transmisivitas rendah (0.4 < < 0.8)- Mudah dibersihkan- Mudah rusak (Murah)

Transmisivitas Kaca

Absorber

Sifat besi dicat hitam pekat: Konduktivitas besar (77 W/mK) Absorbsivitas besar (0.98) Mudah berkaratSifat tembaga dicat hitam pekat: Konduktivitas besar (387.6 W/mK) Absorbsivitas besar (0.98) Tidak berkarat

Insulasi

Kelebihan Glass wool : Tidak mudah terbakar Tahan panas (300oC) Mudah dibentuk Konduktivitas panas = 0.043W/mK Terbuat dari 90% recycled glass Sangat ringan (densitas ~70kg/m3)

KONSENTRATOR

RefraktorKonsentrator

lensa

cermin

Konsentrator

Ar = Luas bidang penyerap Aa = Luas bidang tangkap

Absorber (receiver), Ar

Reflektor (apperture), Aa

KONSENTRATOR Rasio konsentrasi: menunjukkan berapa

flux radiasi yang dapat diperkuat, definisi:

Rasio konsentrasi maksimum yang dapat dicapai adalah berhubungan dengan jari-jari matahari dan jarak antara surya - bumi Konsentrator 3D : (Aa/Ar)max = 46200 Konsentrator 2D : (Aa/Ar)max = 215

r

a

A

AC

SEL SURYA (PV)

Asal kata: Photo (Yunani) …… ….. lightVoltaic …………… Alessandro Volta (pioneer listrik)Arti photovoltaic: light – electricity

Penemu efek photovoltaik : Edmond Becquerel (1839, Fisikawan Perancis) ……………… 1 abad kmd baru diakui

Penggunaan awal photovoltaik : sumber energi pesawat ruang angkasa/satelit buatan (eff. 40%)

Aplikasi di bumi: eff. Maksimum 15%. Skala komersial : eff. 10 – 13 % Pemanfaatan:

Rumah tangga/penginapan (penerangan, TV, setrika, pompa)

Telekomunikasi, Stasiun televisi, penerangan jalan, tanda lalu lintas, dll.

solar-powered water-pumping systems (Wyoming's vast rural areas)

The portable, highly cold-tolerant runway lighting systems for Antarctic Support Associates, to ensure safe landings for cargo planes on the south polar ice.

MENGAPA PV PENTING ?

Terbukti handal dan hanya perlu sedikit pemeliharaan

Mudah dioperasikan dan dibuat Ramah lingkungan Dapat digunakan dalam skala kecil atau besar,

ukuran fleksible Mudah dipasang pada berbagai posisi dan

lokasi (atap bangunan, mobil, di jalan raya dll) Alternatif energi

BAHAN SEL SURYA

Semikonduktor ……… silikon (tersedia cukup banyak di lapisan bumi)

BAGAIMANA EFEK LISTRIK DAPAT DIHASILKAN?

Jika cahaya menimpa PV, sebagian dipantulkan, diserap atau diteruskan. Hanya cahaya yang diserap yang dapat menghasilkan listik

Cahaya dalam bentuk photon (bingkisan energi cahaya yang terkecil) “memukul” elektron sehingga lepas dari atomnya. Elektron ini akan mengalir ke permukaan dan pada saat yang bersamaan muatan positip yang ditimbulkan (disebut hole akan bergerak ke arah yang berlawanan. Sehingga sisi yang satu bermuatan negatip sedangkan yang lainnya bermuatan positip

Listrik yang dihasilkan satu arah: DC