Lompat ke konten Lompat ke navigasi utama Lompat ke kolom pertama Lompat ke kolom kedua

 

Solar Cells Panel informasi implementasi energi terbarukan

Solar Cells Panel

There are no translations available.

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 21020.160 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

 

Efisiensi Perubahan Daya

Daya Tahan

Biaya Keterangan Penggunaan

Mono Sangat Baik Sangat Baik Kegunaan Pemakaian Sehari-hari

Baik Luas

Poly BaikSangat Baik

Sangat Baik

Cocok untuk produksi massal di masa depan

Sehari-hari

Amorphous Cukup BaikCukup Baik

BaikBekerja baik dalam pencahayaan fluorescent

Sehari-hari & Perangkat komersial (kalkulator)

Compound (GaAs)

Sangat BaikSangat Baik

Cukup Baik

Berat & RapuhPemakaian di luar angkasa

Jenis solar cells panel:

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.

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.

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.

Informasi Solar Cells Panel

Beberapa contoh implementasi panel sel surya solar cells dan perangkat yang menggunakan energi yang dihasilkan:

Ukuranpanel sel surya - solar cells 10 WP 20 WP 50 WP 80 WP 120 WP Jumlah Watt untuk pengisian batere (5 jam sehari)

50 W, 4.17 A

100 W, 8.33 A

250 W, 20.83 A

400 W, 33.33 A

600 W, 50 A

Lampu LED 3 Watt (pemakaian 12 jam)

1 (36 W) 3 (108 W) 7 (252 W) 11 (396 W) 16 (576 W)

Lampu jalan LED 21 Watt (pemakaian 12 jam)

1 (252 W) 1 (252 W)2 (504 W)

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

 

 

Instalasi Solar Cells Panel

There are no translations available.

Untuk instalasi listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik, diperlukan komponen sebagai berikut:

1. Solar cells 2. PV controller 3. Inverter 4. Baterai

Solar cells : menghasilkan energi listrik, dengan mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik.

 

PV controller, digunakan untuk mengatur pengaturan pengisian baterai. Tegangan maksimun yang dihasilkan solar cells pada hari yang terik akan menghasilkan tegangan tinggi yang dapat merusak baterai.

Inverter, adalah perangkat elektrik yang mengkonversikan tegangan searah (DC - direct current) menjadi tegangan bolak balik (AC - alternating current).

Baterai, adalah perangkat kimia untuk menyimpan tenaga listrik dari solar cells. Tanpa baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari.

Diagram instalasi pembangkit listrik tenaga surya ini terdiri dari panel surya, charge controller, inverter, baterai.

Inverter

There are no translations available.

DASAR-DASAR OPERASI INVERTER

Baterai hanya dapat menyimpan energi dari sumber energi arus searah. Arus bolak balik dan arus searah adalah bertentangan maka diperlukan "bridge (jembatan)"- inverter.

Tujuan dasar dari sistem inverter panel surya adalah untuk mengubah listrik arus searah dari modul PV (saat terhubung dengan utilitas grid) dan baterai (berdiri sendiri atau diikat dengan baterai cadangan) untuk listrik arus alternating, dan  untuk daya beban arus bolak balik.

METODE KONVERSI

Transformer inverter stand-alone didesain untuk meningkatkan tegangan 120 atau 240 volt arus bolak balik (VAC) tergantung di negara mana inverter digunakan.

JENIS INVERTER

Ada tiga kategori inverter: grid-tied, grid-tied dengan baterai cadangan, dan stand-alone. Kedua jenis inverter yang pertama adalah inverter line-tied, yang digunakan dengan sistem panel surya utility-connected. Jenis yang ketiga adalah stand-alone atau inverter off-grid, diciptakan untuk berdiri sendiri (tidak bergantung), sistem energi utility-free dan cocok untuk instalasi panel surya. Beberapa inverter dapat berfungsi pada beberapa kategori. Penggolongan yang lain untuk inverter adalah jenis dari wavefrom. Tiga waveform pada umumnya termasuk yang dibawah ini:

INVERTER GELOMBANG PERSEGI

Sakelar unit ini langsung pada arus searah ke daya arus bolak balik "persegi" dan hanya terdapat sedikit daya tegangan kontrol, dengan kemampuan yang terbatas, dan distorsi yang harmonik. Konsekuensinya, inverter persegi hanya sesuai untuk pemanas beban resistif yang kecil, beberapa peralatan kecil, dan lampu pijar. Inverter ini tidak mahal dan dapat membakar motors pada peralatan dan tidak digunakan untuk sistem residen.

INTERVER GELOMBANG PERSEGI YANG DAPAT DIMODIFIKASI

Inverter jenis ini menggunakan Field Effect Transistors (FET) atau silicon-controlled rectifiers (SCR) untuk sakelar arus searah dan arus bolak balik serta dapat menangani surge (pergerakan seperti gelombang) dan menghasilkan daya dengan sedikit harmonic distortion. Gaya inverter ini lebih cocok untuk menjalankan berbagai variasi muatan, termasuk motor, cahaya, dan peralatan elektronik seperti televisi dan stereo.

GELOMBANG SINUS

Inverter ini berfungsi untuk mengoperasikan perangkat elektronik sensitif yang memerlukan kualitas tinggi wavefrom dan di ciptakan khusus untuk memproduksi daya dengan sedikit harmonic distortion juga digunakan dalam penerapan grid-tied. Terdapat beberapa inverter pada penerapan residental dan mempunyai banyak kelebihan dari inverter gelombang persegi yang dapat dimodifikasi.

Ketiga waveform diilustrasikan pada figure 8-1

TAMPILAN/KARAKTERISTRIK INVERTER

TAMPILAN INVERTER STANDAR

Efisiensi tinggi: Kebanyakan inverter saat ini mengubah 90 persen atau lebih dari arus searah ke arus bolak balik. Figure 8-2 menunjukkan contoh kurva efisien dari inverter 4000  watt.

Low Standby losses (siaga rendah kerugian): inverter harus cukup efisien saat tidak ada muatan yang beroperasi.

Peraturan frekuensi: inverter harus menjaga daya 60 Hz dari berbagai variasi input.

Harmonic distortion: Inverter harus "smooth out" puncak keluaran yang tidak diinginkan untuk meminimalkan efek pemanasan berbahaya pada appliances.

Easy of serviving (mudah dalam pelayanan): inverter harus berisi serangkaian modul sederhana agar dapat diganti di lapangan.

Dapat dipercaya: Inverter harus menyediakan jangka panjang pemeliharaan rendah yang dapat diandalkan.

Faktor koreksi daya: Inverter harus menjaga keseimbangan optimal antara sumber energi dan muatan yang dikehendaki.

Keringanan: Inverter harus menyediakan fasilitas yang nyaman untuk instalasi dan pelayanan.

PILIHAN TAMPILAN INVERTER

Remote control operation atau data-monitoring: Inverter dapat dikontrol, program, dan atau diawasi dari lokasi terpencil.

Load transfer switch: Sakelar muatan manual memperbolehkan satu inverter bertemu dengan muatan kritis jika gagal untuk meningkatkan sistem kepercayaan pada sistem yang mempunyai inverter berlipat ganda.

Capability for parallel operation: Inverter dapat dihubungkan secara paralel untuk melayani muatan lebih pada saat bersamaan.

Capability for series operation: Pada sistem dengan inverter yang bermacam-macam, tampilan ini memungkinkan inverter untuk mengoperasikan muatan tegangan tinggi.

BATTERYLESS GRID-TIED INVERTER

Jumlah sistem PV grid-tied meningkat berkelanjutan setiap tahun. Untuk memenuhi standar US, semua sistem US dengan inverter grid-tied harus memenuhi persyaratan standar IEEE 1547, UL 1741, dan FCC bagian 15.

TAMPILAN IDEAL UNTUK BATTERYLESS GRID-TIED INVERTERS

Maximum power point tracking (MPPT): Semua inverter grid-tied yang tersedia akan melacak titik daya puncak dari array.

Ground-fault protection (GFP): Sejak ground-fault protection diperlukan oleh NEC untuk sistem, kebanyakan grid-tead memiliki GFP untuk inverter.

AC/DC disconnects: Beberapa inverter dibangun dalam AC & DC disconnects dan atau perlindungan over-current.

Weatherproof enclosure: Kebanyakan inverter grid-tied di siapkan untuk instalasi di outdoor dan memiliki weatherproof enclosure (cuaca kandang).

MENETAPKAN INVERTER BATTERYLESS GRID-TIED

Hal-hal dibawah ini harus diperhatikan untuk menetapkan inverter batteryless grid-tied:

- Daya watt AC - Saat mensizing sistem grid-tied, ukuran array akan ditentukan apakah sesuai dengan muatan, budget klien, atau batas ruangan kemudian inverter harus melewati total watt yang terhubung dengan pv array. Nilai ini dihitung menggunakan peringkat watt STC pada inverter DC dan melipatgandakan oleh efisiensi inverter. Hasilnya dalam daya watt AC dari inverter atau hasilnya disebut "Watts input DC" kepada inverter.- Tegangan input - Inverter grid-tied saat ini memerlukan tegangan input DC tinggi diantara 75-600V DC maka konfigurasi array harus memanfaatkan bermacam-macam

modul secara seri, sesuai yang dibutuhkan. Jika tegangan keluar dari jendela, inverter akan menutup dan tidak ada energi yang diproduksi. Jika tegangan array melebihi inverter jendela maka akan membatalkan garansi dan berpotensi merusak unit.

- Tegangan output - Inverter yang terbuat dari sistem residental memiliki tegangan output 120V atau 240V. Untuk sistem grid-tied, kedua tegangan output ini cukup memenuhi kebutuhan sebuah rumah. Jika inverter output adalah 120V, perancang harus memverifikasi ada cadangan pemutus arus satu tiang di panel layanan arus balik. Jika inverter output adalah 240V, perancang perlu memverifikasi tersedia tiang ganda untuk pemutus inverter back-feed. Tegangan inverter yang khas untuk sistem komersil adalah 120V, 240V, 208V, atau 480V.

- Frekuensi - Inverter harus mempertahankan daya 60 Hz.

GRID-TIED DENGAN CADANGAN BATERAI INVERTER

Grid-tied dengan cadangan baterai inverter lebih kompleks daripada inverter batteryless grid-tied karena perlu menjual energi kepada grid, menyediakan energi untuk cadangan muatan selama padam (termasuk surge), dan charge baterai dari grid setelah padam. Inverter ini perlu tampilan yang sama untuk kedua inverter batteryless grid-tied saat menjual energi, dan kepada inverter stand-alone ketika digunakan kembali selama beban off.

TAMPILAN IDEAL UNTUK GRID-TIED DENGAN CADANGAN BATERAI INVERTER

Kapasitas baterai charge: Jenis inverter ini dapat berperan sebagai baterai charger untuk charge baterai dari daya AC setelah outage (padam) dengan memperbolehkan sumber AC untuk charge baterai melalui inverter dengan mengubah AC ke DC dengan tegangan yang sesuai. Inverter harus berisi perlindungan sirkuit yang menjaga baterai dari over-discharging oleh muatan AC. Ini sering kali mengacu pada low-voltage-disconnect (LVD).

Kapasitas arus tinggi untuk mendukung beban: Inverter harus dapat menyediakan arus tinggi untuk menjalankan beban simultan pada panel pendukung beban saat grid melemah.

Generator auto start and stop: Jika generator digunakan sebagai sumber AC selama energi outages, inverter dapat diprogram untuk difungsikan secara otomatis saat baterai menuju pada tingkat rendah dan kemudian akan mematikan generator saat baterai cukup terisi. Hal ini biasanya dilakukan pada output relay atau kegiatan penunjang.

Power center with disconnects and over-current protection: Beberapa inverter hadir dengan energi pusat yang terpadu yang berisi disconnects yang sesuai dan peralatan perlindungan overcurrent.

1. Motor DC

Sebelumnya kita telah belajar bagaimana motor dc bekerja dan bagaimana mengontrolnya dengan micro. Tidak hanya dengan membalik polaritas supply untuk

mengendalikan arah putaran motor tapi juga banyak teknik lain untuk mengendalikan motor.

a. PWM

Disini akan dipelajari cara pengendalian motor dengan mengubah-ubah tegangan catuan secara temporar dan secara cepat sehingga didapat tegangan rata-rata, teknik ini disebut PWM/pulse width modulation. Tegangan yang diperoleh digunakan untuk mendapat kecepatan tertentu. Kecepatan dapat diubah dengan memvariasikan waktu on ataupun off.

Perhatikan contoh berikut:

Kita mensuply 10volt selama 40ms dan akan mematikan (0volt) selama 10ms. Jika mengulang siklus ini secara cepat maka akan diperoleh tegangan rata-rata. Dalam kasus ini tegangan off 20% dari waktu total, sehingga tegangan rata-rata motor adalah 80%x10volt=8volt. Dengan tegangan 8volt ini motor akan lebih lambat jika dibandingkan ketika diberi 10volt.

PWM sangat berguna ketika kita ingin memperlambat motor untuk belok maupun berputar.

b. Torsi

Torsi adalah ukuran kekuatan motor. Makin besar torsi maka motor semakin kuat dan semakin berat motor untuk diputar. Torsi motor dc tergantung pada kecepatan motor, yang diukur dalam RPM/revolution per minute. Umumnya makin besar RPM makin besar torsi, demikian sebaliknya.

2. Motor Servo

Disini akan dipelajari bagaimana servo bekerja dan bagaimana memprogramnya.

–Bagaimana servo bekerja:

Seperti yang kita tahu bahwa servo terdiri dari rangkaian pengontrol, gear, potensiometer dan DC motor. Potensiometer terhubung dengan gear demikian pula DC motor. Ketika DC motor diberi signal oleh rangkaian pengontrol maka dia akan bergerak demikian pula potensiometer dan otomatis akan mengubah resistansinya. Rangkaian pengontrol akan mengamati perubahan resistansi dan ketika resistansi mencapai nilai yang diinginkan maka motor akan berhenti pada posisi yang diinginkan.

–Mengontrol servo:

Pengontrollan servo dilakukan dengan memberikan pulsa secara kontinyu selama 1ms sampai 2ms, tergantung posisi yang ingin dicapai. Untuk menjaga posisinya maka pulsa 1ms sampai 2ms itu diulang-ulang sekitar 50 sampai 60kali.

Pulsa 1ms akan memposisikan servo pada 0 derajat, sedangkan 2ms akan memposisikan servo pada maximum putaran. Jika diberi pulsa 1,5ms maka servo akan berputar setengah putaran.

Perhatikan gambar berikut:

3. Motor Stepper

Pada bagian ini akan dibahas bagaimana memprogram motor stepper.

Memberikan signal pada pin1 sampai pin4 dengan urutan seperti pada tabel berikut (1,2,3,4,1…)maka akan didapat putaran stepper yang clockwise (searah jarum jam). Untuk membalik arah putaran kita tinggal membalik urutan (4,3,2,1,4…).

4. Analog dan Digital—(ADC/analog to digital converter)

Semua microcontroller adalah digital, yang berarti hanya mengenal dua keadaan yaitu on dan off. Untuk pembacaan sensor seperti sensor tumbukan dan sejenisnya outputnya digital sehingga mudah diolah oleh micro, sedangkan sensor seperti sensor cahaya outputnya berupa tegangan yang bervariasi (analog). Maka agar output bisa digunakan oleh micro maka diperlukan ADC, untuk mengubah ke digital (5volt atau 0 volt).

Ada micro yang sudah terintegrasi dengan fitur ADC dan ada juga yang perlu menambahkan interface ADC secara terpisah. Yang perlu diperhatikan dalam ADC adalah resolusinya. Kebanyakan yang digunakan dalam robotic mempunyai resolusi 8 bit. Range 8 bit adalah dari 0 sampai 255 untuk merepresentasikan 0volt sampai 5volt. Yang berarti ADC dapat mendeteksi perubahan setiap 5/255 volt atau 0,02volt.

5. Sensor Cahaya

Prinsip dari rangkaian sensor cahaya adalah voltage devider/ pembagi tegangan. Seperti yang kita ketahaui sensor cahaya merupakan resistor yang berubah-ubah resistansinya sesuai intensitas cahaya yang diterima. Kita bisa menggunakan sensor cahaya ini secara sederhana dengan merangkainya seri dengan resistor murni dan mengambil tegangan sensor kemudian dimasukkan ke ADC.

Maka didapat rangkaian sebagai berikut:

Dari rangkaian diatas didapat persamaan:

Vout dimasukkan ke ADC.

Kebanyakan rangkaian yang menggunakan ADC harus dihubungkan ke ground untuk memungkinkan pembacaan yang tepat.

6. Menggunakan Sensor Sharp GP2D02

Sharp GP2D02 adalah sensor jarak/kedekatan dengan infra merah. Ini dapat digunakan untuk mendeteksi objek didepannya. Dibutuhkan diode untuk dihubungkan ke micro.

Vin defaultnya adalah 3 volt, sehingga ini tidak dapat dihubungkan secara langsung ke 5 volt karena melebihi maksimum karakteristik dari sensor (3 volt). Maka dibutuhkan diode pada Vin sebelum masuk ke micro. Ketika output mikro high maka sensor tidak akan aktif. Sedangkan ketika output mikro low (sbg ground) akan timbul arus ke sensor dan sensor akan aktif. Ingat pemasangan diode jangan terbalik. Sebaiknya diberi isolasi ataupun heatsink.

Vcc dihubung ke sumber 5volt. Komunikasi antara mikro dan sensor adalah serial. Timing diagram berikut menunjukkan operasi sensor dimana clock line = Vin, data=Vout.

Untuk membaca data dari sensor ini, kita perlu mengaktifkan sensor selama 70ms atau lebih, sehingga sensor telah mempunyai data yang siap untuk dibaca. Kemudian mulai clock selama >=1ms dengan lebar <=0,2ms, pada saat clock low maka kita dapat mengambil datanya. Data diambil sebanyak 8 bit, bit pertama yang diambil sebagai MSB. Setelah data 8bit terambil maka kita buat sensor tidak aktif (Vin high) selama 1,5ms atau lebih. Kemudian kita mengaktifkan sensor lagi selama >=70ms demikian seterusnya.

Data 8 bit itu dapat kita representasikan sebagai jarak dengan rasio tertentu dan dapat ditampilkan ke LCD atau penampil lainnya.

Sumber:

MEMBUAT SEL SURYA SENDIRI

PENGOLAHAN SILIKON

Terdapat beberapa pertanyaan dari banyak pengunjung yang sayangnya belum sempat penulis respon. Banyak cara dan bentuk pertanyaannya, namun inti kesemuanya ialah sami mawon. Pertanyaan yang pertama berkaitan dengan adanya kemungkinan membuat atau merakit sel surya sendiri atau secara mandiri. Sedangkan pertanyaan kedua ialah pemanfaatan bahan baku sekitar untuk dijadikan sel surya lebih khusus lagi untuk sel surya jenis silikon yang saat ini merajai pasar sel surya. Nah, tulisan ini akan sedikit mengupas dua pertanyaan tersebut dengan cara menggabung dua pertanyaan di atas dalam dua artikel yang terpisah; bisakah kita membuat sel surya secara mandiri dengan berbahan baku alam sekitar?

Penulis yakin manisnya janji dan indahnya mimpi yang ditawarkan oleh teklnologi sel surya untuk menyediakan listrik dalam jangka panjang telah mengundang pemikiran-pemikiran bahkan niatan untuk mengembangkan sel surya sendiri di tanah air. Bentuk fisik sel surya yang terlihat amat sederhana, mudah dipasang dan cukup mudah dibawa , mengundang anggapan mudahnya membuat sel surya. Kemudian, setelah mengetahui bahwa bahan dasar sel surya jenis silikon sejatinya ialah pasir atau tanah mengandung silika yang banyak di jumpai di tanah air, bertambah lagi anggapan umum bahwa sel surya sangat mungkin dikembangkan di tanah air yang jelas aroma bisnisnya akan cukup menyengat di masa depan.

Seorang rekan pengunjung Blog ini menulis sebuah pertanyaan seperti di bawah. Pertanyaan ini penulis  ambil sebagai sebuah sampel dari beberapa pertanyaan serupa sebelumnya dan artikel ini penulis persiapkan guna menjelaskan apa dan bagaimana pengolahan silikon dari pasir silika itu, serta menimbang-nimbang apakah produksi silikon untuk sel surya dapat kita lakukan atau tidak.

Eric Berkata:September 12, 2008 pukul 5:16 pm

Salam kenal Pak Adhi..

Saya tertarik untuk memproduksi poli kristal ataupun mono krital silica. mengingat di tanah air terdapat banyak sekali pasir silika namun penggunaannya masih belum maksimal. Pertanyaan saya, apakah untuk mengkonversi silika dari alam menjadi poli/mono kristal memerlukan proses yg rumit? Dan berapakah kira2 biaya investasi yg dibutuhkan..

Terima kasih..

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.

Butuh listrik besar.

Tahap pertama pembuatan silikon dimulai dengan jalan memisahkan silikon dari SiO2. Pemisahan ini dilakukan di dalam sebuah tanur (furnace) yang disuplai dengan listrik berkekuatan tinggi. Skema tanur untuk pemisahan silikon dapat dilihat di bawah ini.

Gambar 1. Skema pemisahan/pembuatan silikon dari pasir silika. Diadaptasi dari sini.

Pasir silika dan karbon (C) secara bersamaan (gambar paling kiri) dimasukkan ke dalam tanur yang dilengkapi dengan elektroda tempat arus listrik mengalir masuk (gambar tengah). Silikon dipisahkan dengan jalan mereaksikan pasir silika dengan karbon pada suhu tinggi, yakni di atas 1900 hingga 2100 derajat celcius. Hal ini mengingat baik pasir maupun karbon merupakan dua zat padat yang mana reaksi akan berlangsung hanya pada saat mereka melebur/mencair/meleleh, ditambah lagi dengan titik leleh pasir silika yang di atas 1800 derajat Celcius. (Reaksi kimia tidak disertakan).

Tingginya suhu proses pemisahan silikon dari pasir silika membawa konsekuensi tingginya konsumsi listrik yang mutlak digunakan. Mengapa musti dengan listrik dan bukan dengan pembakaran? Pembakaran manapun tidak akan mampu mencapai suhu proses yang diperlukan untuk mereaksikan pasir silika dengan karbon, sehingga hanya dengan jalan mengalirkan aurs listrik besar-lah suhu proses ideal mampu dicapai.

Tercatat sekitar 10 hingga 30 MW (MegaWatt) listrik dibutuhkan dalam proses ini tergantung dari seberapa besar tanur yang dipakai. Tidak heran jika hanya negara-negara yang memiliki sumber daya listrik melimpah dan bersumber dari PLTN atau lainnya-lah yang dapat secara ekonomis memisahkan silikon dari pasir silika karena tenaga listrik yang dibutuhkan dalam proses ini sangatlah besar; sekitar sepersepuluh listrik yang dihasilkan oleh PLTU Muara Karang (300 MW) habis hanya untuk proses ini.

Gambar 2. PLTU Muara Karang. Sepersepuluh dari kapasitasnya yang 300 MW itu dibutuhkan untuk memisahkan silikon dari pasir silika.

Silikon yang dihasilkan dari pemisahan Si dan O pada pasir silika perlu dimurnikan kembali untuk mencapai kadar kemurnian silikon di atas 99%. Ada dua tahapan untuk memurnikan silikon hasil pemisahan pasir silika. Tahap pertama, silikon hasil pemisahan masih memiliki „pengotor“ berupa besi (Fe), aluminium (Al), kalsium (Ca) titanium (Ti) dan karbon (C) yang harus dikeluarkan. Tahapan ini dilakukan pada proses pemurnian persis setelah leburan silikon keluar dari tanur (Gambar kiri tengah). Proses ini melibatkan gas oksidatif yang dilakukan pada suhu 1700 derajat Celcius. Listrik berdaya besar masih diperlukan di tahap ini. Sampai tahapan ini, silikon yang dihasilkan disebut dengan metallurgical grade silicon dengan kadar pengotor dalam satuan bagian per sejuta (ppm, parts per million) yang sejatinya sudah cukup untuk dipergunakan untuk banyak keperluan.

Tahapan berikutnya, ialah persiapan dan pemurnian silikon untuk bahan dasar sel surya maupun semikonduktor atau yang disebut dengan semiconductor grade silicon. Tahap ini dilakukan di tempat lain yang terpisah dari proses pemisahan silikon. Untuk diketahui, silikon untuk keperluan semikonduktor membutuhkan kadar kemurnian yang sangat sangat tinggi yang berbeda dari metallurgical grade silicon. Di dunia semikonduktor, dikenal dengan „eleven-nine“ atau 11 angka 9 yang menyatakan kadar kemurnian silikon dalam persen; 99,999999999%. Silikon untuk keperluan semikonduktor harus memiliki unsur pengotor dalam satuan bagian per semilyar (ppb, parts per billion) atau bagian per setrilyun (ppt, parts per trillion). Sederhana saja, jika kadar kemurnian silikon di bawah

nilai nominal tersebut, dapat dijamin bahwa sebuah prosesor atau memori komputer atau sel surya tidak dapat berjalan dengan baik.

Pemurnian silikon untuk keperluan sel surya maupun semikonduktor lain dilakukan dalam bentuk gas melalui proses yang disebut dengan proses Siemens. Silikon dari tahap pemurnian pertama (metallurgical grade silicon) direaksikan dengan gas asam klorida (HCl) untuk membuat gas silikon klorida. Proses reaksi ini dilakukan pada suhu 350 derajat Celcius.

Silikon klorida kemudian dimasukkan ke dalam reaktor Siemens (gambar di bawah) bersama-sama dengan gas hydrogen. Di dalam reaktor Siemens terdapat batangan umpan silikon (silicon feed rod) berbentuk U terbalik yang dipanaskan pada suhu 1100 derajat Celcius dan pendingin. Silikon klorida mengalami reaksi dekomposisi atau reaksi penguraian menjadi silikon pada permukaan batangan umpan silikon, dan silikon hasil penguraian ini menempel dan terendap di batangan tersebut. Semakin lama proses, semakin banyak silikon yang mengendap yang kemudian membesar menjadi silikon dengan kadar kemurnian 11 angka 9 di atas (reaksi kimia tidak disertakan).

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.

Perbandingan dengan industri besi dan baja

Sebagai penutup artikel ini, penulis mecoba membandingkan industri pengolahan silikon dengan industrui besi dan baja di tanah air. Sebagaimana kita ketahui, industri besi dan baja kita mengandalkan bahan baku dalam negeri dengan salah satu yang terbesar ialah PT Krakatau Steel (PT KS). Penulis pernah berkunjung ke PT KS beberapa tahun lalu dan melihat sendiri fasilitas yang dimilikinya, termasuk pelabuhan sendiri serta (kalau tidak salah) pembangkit listrik sendiri atau disuplai dari pembangkt listrik terdekat.

Industri pengolahan silikon hingga siap pakai untuk sel surya penulis ibaratkan sama dengan industri baja, baik dari segi kerumitan maupun investasinya. Besi mudah ditemui, diolah bahkan dijadikan kerajinan. Sudah banyak industri kecil kita yang mampu membuat sendiri alat alat dari besi maupun baja. Namun demikian, ketika hendak berbicara mengenai produksi massal yang memanfaatkan besi, maka pembuatan besi maupun baja sudah melibatkan perhitungan untung rugi ekonomisnya sejak dari penambangan bijih besi. Untuk dapat mengolah bijih besi menjadi besi, dibutuhkan invetasi besar; penambangan bijih, pemisahan bijih, peleburan, pengolahan dan sebagainya seperti apa yang dilakukan PT KS.

Sama dengan pengolahan silikon. Bahkan untuk hal ini, silikon membutuhkan investasi yang lebih besar dari pembuatan besi dan baja mengingat ada komponen ekstra dalam menjaga kebersihan dan ongkos energi yang sangat besar berbanding dengan hasil produksi. Betul bahwa pasir silika banyak terdapat di tanah air, namun demikian, untuk mengubahnya menjadi barang yang jauh berharga semisal semikonduktor atau sel surya, sangat mustahil dilakukan oleh perorangan atau industri kecil-menengah. Hal ini bukan hanya dikarenakan persoalan modal saja, melainkan secara ilmiah-alamiah, mengubah

pasir silika menjadi silikon saja tidak dapat dilakukan dengan cara sembarangan atau cara yang disederhanakan.

Bidang ini harusnya diserahkan kepada pemerintah atau investor asing/besar yang berminat bermain di penyediaan bahan baku dasar sel surya atau semikonduktor.