SOLAR CELL

Energi surya adalah energi yang berupa sinar dan panas dari matahari. Energi ini dapat dimanfaatkan dengan menggunakan serangkaian teknologi seperti pemanas surya, fotovoltalik surya, listrik panas surya, arsitektur surya dan fotosintesis buatan.

Teknologi energi surya secara umum dikategorikan menjadi dua kelompok, yakni teknologi pemanfaatan pasif dan teknologi pemanfaatan aktif. Pengelompokan ini tergantung pada proses penyerapan, pengubahan, dan penyaluran energi surya. Contoh pemanfaatan energi surya secara aktif adalah penggunaan panel fotovoltaik dan panel penyerap panas. Contoh pemanfaatan energi surya secara pasif meliputi mengarahkan bangunan ke arah matahari, memilih bangunan dengan massa termal atau kemampuan dispersi cahaya yang baik, dan merancang ruangan dengan sirkulasi udara alami.

Perkembangan teknologi energi surya yang terjangkau, tidak habis, dan bersih akan memberikan keuntungan jangka panjang yang besar, seperti meningkatkan keamanan energi negara-negara melalui pemanfaatan sumber energi yang sudah ada, tidak habis, dan tidak tergantung pada impor, meningkatkan kesinambungan, mengurangi polusi, dan menjaga harga bahan bakar fosil tetap rendah dari sebelumnya.

Bumi menerima 174 petawatt (PW) radiasi surya yang datang (insolasi) di bagian atas dari atmosfer. Sekitar 30% dipantulkan kembali ke luar angkasa, sedangkan sisanya diserap oleh awan, lautan dan daratan. Sebagian besar spektrum cahaya matahari yang sampai di permukaan Bumi berada pada jangkauan spektrum sinar tampak dan inframerah dekat. Total energi surya yang diserap oleh atmosfer, lautan, dan daratan Bumi sekitar 3.850.000 eksaJoule (EJ) per tahun

Penerapan teknologi surya

1.      Pertanian dan perkebunan

Pertanian dan perkebunan berusaha mengoptimalkan penyerapan energi surya untuk meningkatkan produktivitas tanaman. Rumah kaca menggubah energi cahaya menjadi energi panas, yang memperbolehkan produksi sepanjang tahun dan pertumbuhan tanaman khusus (dalam lingkungan tertutup) dan tanaman lain yang tidak cocok tumbuh untuk iklim lokal.

2.      Transportasi dan penjelajahan

Perkembangan mobil tenaga surya telah menjadi target perteknikan sejak tahun 1980an. Kompetisi World Solar Challenge adalah perlombaan mobil bertenaga surya yang diadakan dua kali selama setahun, dan dalam ajang tersebut tim dari universitas dan perusahaan berlomba sepanjang 3.021 kilometer (1.877 mil) melewati Australia tengah mulai dari Darwin menuju Adelaide. Pada tahun 1987, saat kompetisi ini pertama kali dibuka, kecepatan rata-rata pemenang kompetisi adalah 67 kilometer per jam (42 mph), dan pada tahun 2007, kecepatan rata-rata pemenang naik menjadi 90,87 kilometer per jam (56,46 mph). Kompetisi North American Solar Challenge dan South Afrika Solar Challenge yang sedang direncanakan adalah kompetisi serupa yang menunjukkan minat internasional dalam perteknikan dan perkembangan kenderaan bertenaga surya.

Beberapa kendaraan menggunakan panel surya untuk tenaga pembantu, seperti untuk penyejuk udara, sehingga menggurangi konsumsi bahan bakar.

3.      Termal surya

Teknologi termal surya dapat digunakan untuk memanaskan air, memanaskan ruangan, mendinginkan ruangan, dan menghasilkan panas.

4.      Pemanasan air

Sistem air panas surya menggunakan sinar matahari untuk memanaskan air. Di daerah dengan lintang bujur geografis rendah (di bawah 40 derajat), 60% - 70% air panas untuk keperluan rumah tangga dengan temperatur sampai dengan 60 °C dapat diperoleh dengan menggunakan sistem pemanasan surya. Jenis pemanas air surya yang umum digunakan adalah kolektor buluh (44%) dan plat datar dengan kaca (34%) untuk kebutuhan air panas rumah tangga; kolektor plastik tanpa kaca (21%) digunakan untuk memanaskan kolam renang.

5.      Memasak

Pemasak surya menggunakan cahaya matahari untuk memasak, mengeringkan, dan proses pasteurisasi. Pemasak surya dapat digolongkan menjadi 3 kategori umum: pemasak berbentuk kotak, pemasak berbentuk papan, dan pemasak dengan pemantul

6.      Produksi listrik

Tenaga surya adalah proses pengubahan cahaya matahari menjadi listrik, baik secara langsung menggunakan fotovaltaik, atau secara tak langsung menggunakan tenaga surya terpusat (concentrated solar power, CSP).

Tenaga surya terpusat

Pembangkit CSP komersial pertama kali dikembangkan pada tahun 1980an. Sejak tahun 1985, pemasangan SEGS CSP berkapasitas 354 MW di Gurun Mojave, California adalah pembangkit listrik surya terbesar di dunia.  

Sistem tenaga surya terpusat (concentrated surya power, CSP) menggunakan lensa atau cermin dan sistem lacak untuk memfokuskan paparan sinar matahari yang luas menjadi seberkas cahaya kecil. Seberkas cahaya tersebut kemudian digunakan sebagai sumber panas untuk pembangkit listrik konvensional. Terdapat sejumlah besar teknologi pemusatan; yang paling berkembang adalah cekungan parabola, pemantul fresnel linear, piringan Stirling, dan menara tenaga surya. Di sistem-sistem ini, fluida kerja dipanaskan oleh cahaya matahari yang dipusatkan, dan fluida kerja ini kemudian digunakan untuk membangkitkan listrik atau sebagai penyimpan energi

Fotovoltaik

Sel surya, atau sel fotovoltaik, adalah peralatan yang menggubah cahaya menjadi aliran listrik dengan menggunakan efek fotovoltaik. Sel fotovoltaik pertama dibuat oleh Charles Fritts pada tahun 1880an. Pada tahun 1931, seorang insinyur Jerman, Dr. Bruno Lange, membuat sel fotovoltaik menggunakan perak Selenida  ketimbang tembaga oksida. Walaupun sel selenium purwa rupa ini mengubah kurang dari 1% cahaya yang masuk menjadi listrik, Ernst Werner von Siemens dan James Clerk Maxwell melihat pentingnya penemuan ini.

  

7.      Produksi bahan bakar

Proses kimia surya menggunakan energi surya untuk menjalankan reaksi kimia. Proses ini mengurangi kebutuhan energi yang berasal dari sumber bahan bakar fosil dan juga dapat mengubah energi surya menjadi bahan bakar yang dapat disimpan dan dipindahkan. Reaksi kimia yang dipengaruhi oleh surya dapat digolongkan menjadi termokimia atau fotokimia. Sejumlah besar bahan bakar dapat diproduksi dengan menggunakan fotosintesis buatan. Kimia katalisis multielektron yang digunakan untuk membuat bahan bakar dengan dasar karbon (seperti metanol) dari reduksi karbon dioksida merupakan suatu tantangan; alternatif yang lebih mudah adalah produksi gas hidrogen dari proton, namun menggunakan air sebagai sumber elektron (sebagaimana yang dilakukan tanaman) membutuhkan penguasaan oksidasi multielektron dua molekul air ke satu molekul oksigen. Beberapa ahli meramalkan akan adanya pabrik bahan bakar surya di kota besar yang berada di tepi laut menjelang tahun 2050 - pemecahan molekul air laut untuk menghasilkan gas hidrogen yang digunakan untuk pembangkit listrik di sekitarnya dan produk samping air murni yang akan disalurkan untuk kebutuhan air permukiman.  Visi yang lain adalah bangunan buatan manusia menutupi seluruh permukaan Bumi (seperti jalan, kendaraan, dan bangunan) melakukan fotosintesis lebih efisien dibandingkan tanaman.

Metode penyimpanan energi

Sistem penyimpanan panas umumnya menggunakan materi yang sudah tersedia dengan kapasitas panas tinggi seperti air, tanah, dan batu. Sistem yang dirancang dengan baik dapat menurunkan kebutuhan puncak, menggeser waktu penggunaan ke waktu senggang, dan mengurangi kebutuhan pemanasan dan pendinginan.

Materi ubah fase seperti lilin parafin dan garam Glauber adalah contoh media penyimpan panas. Media ini tidak mahal, tersedia, dan dapat menghasilkan temperatur yang cocok untuk penggunaan di rumah (sekitar 64 °C).

Energi surya dapat disimpan pada temperatur tinggi dengan menggunakan lelehan garam. Garam adalah media penyimpan yang efektif karena harganya murah, memiliki kapasitas panas yang tinggi, dan dapat menghasilkan panas pada temperatur yang cocok dengan sistem pembangkit konvensional. 

Solar pond dapat dikatakan sebagai alternatif dalam pemanfaatan tambak garam. Tambak garam pada umumnya dikelola hanya untuk mendapatkan butiran garam, sementara karakteristik tambak yang mampu menyimpan energi panas untuk selang waktu yang lama merupakan potensi yang besar. Berdasarkan karakteristik tersebut dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, salah satunya adalah pembangkit listrik.

Setiap kolam terbuka akan menyerap panas dari  matahari. Biasanya, panas akan hilang karena kenaikan air hangat ke permukaan dan mengalami pendinginan oleh penguapan. Air sebagai konduktor panas yang sangat buruk terutama saat sirkulasi dihentikan akan menyebabkan panas terjebak didasar perairan. Sebuah kolam garam (idealnya dengan kedalaman 3 m), dikelola agar air diatas (relatif) dengan salinitas rendah dan air di bagian bawah dengan salinitas yang sangat tinggi, tidak akan melepaskan panas karena air di bagian bawah begitu berat dengan garam dan tidak dapat meningkat. Air yang lebih dalam akan sangat panas bahkan lebih dari 100 derajat Celsius dalam situasi yang tepat (secara umum 80 derajat Celsius) untuk daerah tropis. Di wilayah selatan Australia 60 derajat Celsius mudah dicapai meskipun musim dingin. Masalah utama dalam melakukan pengelolaan adalah untuk mengekstrak panas pada tingkat yang tepat sehingga kolam tidak mendidih atau kehilangan panasnya.

Metode seperti ini dikenal dengan ‘Salt Gradient Solar Ponds’ atau terkadang disebut dengan “solar pond’ saja. Secara efektif, kolam bertindak sangat luas, harga rendah, kolektor panas surya.

Sebagai salah satu bentuk dari energi surya, solar pond memiliki keuntungan sebagai berikut :

Panas tersimpan secara massif, sehingga energy dapat di ekstrak pada siang dan malam hari. Dengan memanfaatkan metode penyimpanan tersebut, sehingga tidak dibutuhkan baterai atau penyimpanan lainnya.

Kolam surya dapat memiliki area penyimpanan panas yang sangat besar dengan biaya rendah.

Potensi produksi utama adalah pada saat permintaan puncak tenaga listrik di pertengahan musim panas.

Untuk menghasilkan listrik dari ‘solar pond’ juga merupakan teknologi dengan mempergunakan converter yang dikenal dengan ‘Organic Rankine Cycle Machine’, Mesin ORC untuk jangka pendek diperkenalkan sejak abad-19. Proses yang sama digunakan untuk mengekstrak energy dari dengan gradient suhu air laut dalam di lepas pantai Jepang. Ada berbagai teknologi yang lebih canggih dari mesin Rankine – tapi metode mesin ORC ini merupakan yang paling mudah untuk di implementasikan.

Sebuh mesin Rankine digunakan dengan mengkonversi limbah panas dari solar pond, menjadi energi untuk menggerakkan poros berputar yang paling sering digunakan sebagai alternator konvensional dalam menghasilkan listrik.

Mesin Rnakine bekerja dengan menggunakan air panas untuk menguap titik didih rendah, seperti yang digunakan dalam lemari es. Uap yang kemudian menjadi gas bertekanan tinggi yang dapat digunakan menggerakkan turbin dan menghasilkan listrik. Setelah digunakan, gas tersebut disirkulasi, didinginkan, kemudian daur ulang seperti proses yang terjadi pada lemari es.

Solar pond, saat ini digunakan di Eropa, Amerika Serikat, Timur Tengah dan Australia. Panas yang dihasilkan digunakan untuk kolam renang hangat dan rumah kaca serta berbagai proses industri.