RESUME

STRATEGI APLIKASI SEL SURYA (PHOTOVOLTAIC CELLS) PADA

PERUMAHAN DAN BANGUNAN  KOMERSIAL

Oleh Mintorogo, Danny Santoso

http://puslit.petra.ac.id/journals/architecture/

Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silicon, berperan sebagai insulator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Sebuah Silikon Sel Surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari lapisan atas silikon tipe n (silicon doping “phosphorous”), dan lapisan bawah silikon tipe p (silicon doping of “boron”).

Sebuah Sel Surya dalam menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari menjadi photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang Silikon, dan secara konstan akan menghasilkan energi berkisar ± 0.5 volt — max.600 mV pada 2 amp 6, dengan  kekuatan radiasi matahari 1000 W/m2 = ”1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm2 per sel surya.

Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada :

a.    ambient air temperature

b.    radiasi solar matahari (insolation)

c.    kecepatan angin bertiup

d.    keadaan  atmosfir bumi

e.    orientasi panel atau array PV

f.     posisi letak sel surya (array) terhadap

       matahari (tilt angle )

Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap normal (pada 25 derajat Celsius), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperature normal pada PV sel akan melemahkan voltage (V).  Setiap kenaikan temperatur Sel Surya 1 derajat celsius (dari 25 derajat) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan, atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur Sel per 10 derajad C.

Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariable, dan sangat tergantung keadaan spektrum matahari ke bumi. Insolation matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) dan sedikit pada volt.

Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV array dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca  PV array.

Keadaan atmosfir bumi yang berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara (Rh), kabut dan polusi sangat mementukan hasil maximum arus listrik dari deretan PV.

Orientasi dari rangkaian PV (array)  ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan PV dapat menghasilkan energy maximum. Selain arah orientasi, sudut orientasi (tilt angle) dari panel/deretan PV juga sangat mempengaruhi hasil energy maximum.

Untuk lokasi yang terletak di belahan Utara latitude, maka panel/deretan PV sebaiknya diorientasikan ke Selatan, orientasi ke Timur – Barat walaupun juga dapat menghasilkan sejumlah energi dari panel-panel/deretan PV, tetapi tidak akan mendapatkan energi matahari optimum.

Tilt Angle (sudut orientasi Matahari) Mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maximum ±1000 W/m2 atau 1 kW/m2.   Kalau tidak dapat mempertahankan ketegaklurusan antara sinar matahari dengan bidang PV, maka extra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap sun altitude yang berubah setiap jam dalam sehari). Solar Panel PV pada Equator (latitude derajat) yang  diletakkan mendatar (0) akan menghasilkan energi maximum, sedangkan untuk lokasi dengan latitude berbeda harus dicarikan “tilt angle” yang optimum.

Photovoltaics (PV) Generator

Agar dapat memperoleh sejumlah voltage atau ampere yang dikehendaki, maka umumnya masing-masing sel surya dikaitkan satu sama lainnya baik secara hubungan “seri” ataupun secara “pararel” untuk membentuk suatu rangkaian PV yang lazim disebut “Modul”. Sebuah modul PV umumnya terdiri dari 36 sel surya atau 33 sel, dan 72 sel. Beberapa modul PV dihubungkan untuk membentuk satu rangkaian tertentu disebut “PV Panel”, sedangkan jika berderet-deret modul PV dihubungkan secara baris dan kolom disebut “PV Array”.

Hubungan sel-sel surya dalam Modul dapat dilakukan secara “Seri” untuk mendapatkan varian voltage umumnya 12V, dan secara “Pararel” untuk mendapatkan varian “Arus Listrik” (current). Hubungan Modul-modul PV pada Array juga dapat dihubungkan secara “Seri” untuk mendapatkan voltage yang tinggi, dan dihubungkan secara “Parerel” untuk mendapatkan ampere yang besar.

Photovoltaic (PV) System

Aliran listrik yang didapat dari panel/deretan PV akan berupa listrik DC (direct current), kemudian disimpan ke accu, dan sebagian listrik DC dirubah ke AC (alternating current) dengan alat inverter (DC dirubah ke AC) untuk dipakai dengan alat “household”- lemari es, TV, lampu-lampu, pompa air, dsb., kemudian sebagian DC dapat dipakai langsung untuk sebagian alat dengan spesifikasi DC.

Agar dapat menperoleh energy optimum dari sisi perletakkan modul/deretan PV baik pada unit perumahan maupun bangunan komersial, maka ada 5 cara perletakkan

deretan/modul PV:

1. Fixed Array

2. Seasonally Adjusted Tilting

3. One axis tracking

4. Two axis tracking

5. Concentrator Arrays

1. Fixed Array

Deretan modul PV diletakkan pada struktur peyanggah PV (rangka tersendiri) atau menyatu ke struktur atap. Pemasangan secara “PV Tetap” sering dilakukan karena paling mudah dalam pelaksanaan dan biaya sedikit. Perhitungan sudut kemiringan (tilt angle) pada suatu lokasi berdasarkan “Latitude” optimum pada posisi 21 Maret & 21 September (solstices)  yaitu : “Latitude Angle Location + 23 derajat “ Padahal sudut “altitude” dari matahari berubah secara konstan dalam hitungan hari dalam setahun, maka sudut deklinasi harus diperhitungkan untuk posisi matahari, yaitu

posisi tepat

desember 21             =  - 23.45 derajat

maret 21                     =       0     derajat

juni 21                        =  + 23.45 derajat

september 21            =       0      derajat

maka untuk “Tilt Angle” berdasarkan sudut altitude matahari pada suatu lokasi dalam suatu waktu : Altitude Angle = 90 derajat - latitude angle + declination angle

Untuk suatu lokasi yang  energi radiasi hampir konstan dalam setahun (sangat dekat ke Equator ) maka dapat juga pakai rumus ini untuk “Tilt Angle” optimum fixed arrays, : Latitude + 15 derajat. Disamping menemukan “tilt angle” optimum, maka deretan modul-modul PV tetap diarahkan ke Utara untuk lokasi di latitude Selatan, dan sebaliknya.

A.     Pemasangan Fixed Array PV pada atap perumahan (Pelana/Perisai).

Ada 2 macam pemasangan “Roof-Mounted Photovoltaics Arrays/Modules” pada atap perumahan, yaitu :

1. Shingle Module

Deretan modul-modul PV dipasang dan dikaitkan dengan besi/rangkan PV diatas penutup atap “sirap atau asbes gelombang”, genteng metal juga dimungkinkan karena cukup datar untuk perletakan rangka PV.

2. Integral Roof Modules

Deretan modul PV dipasang secara integrasi dengan struktur rangka atap (dibutuhkan gording dan jurai); modul PV sebagai pengganti sebagian atau seluruh penutup atap sesuai luasan modul PV yang dikehendaki. Sistim modul PV integrasi dengan atap harus kedap air hujan baik pada deretan modul PV sendiri maupun pada hubungan modul PV dengan penutup atap lainnya.

B. Pemasangan Fixed Array PV pada Lisplank

Overstack (Rain-Screen Cladding ) Deretan module PV dipasang secara tetap pada bidang lisplank overstack untuk menghasilkan energi listrik surya dan berfungsi sebagai bahan material bangunan.

C. Pemasangan Fixed Array PV pada Dinding Bangunan (Curtain-Wall,Glass-Cladding)

Modul PV sebagai Wall-Cladding memakai silikon efisiensi tinggi yaitu: “Mono-cyrstalline”; dan sebagai Glass-Cladding (semi-transparan) memakai silikon “Amorphous” dan “Crystalline”. Teknologi PV Glass-cladding memungkinkan para arsitek mendesain bangunan yang hemat energi (listrik surya), kreatif, innovatif, keseimbangan estetik pada desain.

2. Seasonally Adjusted Tilting

Deretan modul PV dapat dirubah secara manual sesuai waktu (Maret/Juni/Sept./Des.) yang dikehendaki untuk pengoptimalan “tilt angle”.  Untuk lokasi yang terletak pada “Mid- latitude” dapat mengubah sudut modul PV setiap 3 bulan, dan akan meningkatkan produksi energy surya ± 5%.

3. One Axis Tracking

Panel modul PV dapat mengikuti lintasan pergerakan matahari dari Timur ke Barat secara otomatis  akan mendapatkan efisiensi ± 20% dibandingkan Fixed Arrays.

4. Two Axis Tracking

Panel modul PV dapat mengikuti lintasan pergerakan matahari dari Timur ke Barat serta orientasi Utara-Selatan secara otomatis  akan mendapatkan efisiensi ± 40% dibandingkan Fixed Arrays.

5. Concentrator Arrays

Deretan lensa optik dan cermin yang menfokuskan pada suatu area Sel Surya (PV) efisiensi tinggi.