Prinsip Kerja Energi Matahari

Matahari merupakan salah satu sumber daya alam yang sangat berlimpah di Indonesia. Dengan penyinaran matahari konstan sepanjang tahun selama 12 jam per hari, tentu ini merupakan salah satu sumber energi yang sangat potensial dikembangkan di negara kita. Disamping adanya ‘bahan bakar’ yang berlimpah ruah, tentu saja sumber energi ini sangat ramah lingkungan. Listrik dari sumber energi surya ini tentu saja akan sangat berguna untuk pemerataan listrik ke daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau saluran transmisi PLN.
Sekarang bagaimana kita bisa mengkonversi energi surya menjadi energi listrik..?? Yup, jawabannya adalah menggunakan photovoltaic cell.. kalau dilihat dari asal katanya photo : “cahaya” sedangkan voltaic: “menghasilkan tegangan”. Jadi kalau dari arti katanya “photovoltaic cell” berarti ‘sel yang menghasilkan tegangan listrik dari cahaya”, walaupun sebenarnya yang dihasilkan langsung bukanlah tegangan tetapi arus. Mengapa bisa arus yang dihasilkan?? Mari kita lihat..

Satu buah photovoltaic cell terbuat dari bahan dasar silicon yang dilapis kaca. -Silicon mudah sekali didapat di bumi ini dalam bentuk pasir silika- sehingga cahaya bisa menembus masuk. Ketika cahaya matahari menembus masuk ke dalam sel, partikel cahaya matahari yang disebut ‘photon’ juga ikut masuk. Partikel photon ini kemudian menumbuk elektron bermuatan negative di atom silikon penyusun photovoltaic cell. Pada saat tumbukan, energinya photon ditransfer ke elektron sehingga elektron terlepas dari atom silikonnya. Karena setiap detiknya ada tak terhingga photon yang menumbuk, maka akan dihasilkan banyak sekali elektron-elektron bebas. Elektron bebas ini akan didorong keluar photovoltaic cell karena adanya medan listrik di dalam cell. Apabila photovoltaic cell ini kita hubungkan ke beban listrik, maka arus akan dapat mengalir ke beban. ..Energi matahari telah diubah secara langsung menjadi energi listrik..!!! Selama masih ada cahaya matahari yang masuk maka akan terus ada electron bebas yang mengalir ke beban.
Satu buah photovoltaic cell sebenarnya terlalu kecil untuk menghasilkan energi listrik. Satu buah photovoltaic cell hanya menghasilkan sekitar 0.5V, jadi untuk menghasilkan tegangan 18V biasanya panel photovoltaic tersusun dari 36 buah photovoltaic cell yang disusun seri. Selain itu biasanya juga 36 buah cell tersebut juga disusun parallel dengan 36 buah cell yang lain supaya arus total yang dikeluarkan oleh satu buah panel photovoltaic cukup besar. Untuk menghasilkan daya yang lebih besar lagi, sejumlah banyak panel photovoltaic disusun menjadi array sehingga bisa melayani keperluan listrik yang cukup besar.
Konversi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik prinsip motor maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip Generator berlangsung melalui atau dalam suatu medium medan magnet. Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.
Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal(Co: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui(Co : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.
Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah :
dimana ρ adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan v adalah kecepatan angin pada waktu tertentu.
umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya sebesar 20%-30%. Jadi rumus diatas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendapatkan hasil yang cukup eksak.Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik.
Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-sistem yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin, yaitu :
1. GearboxAlat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60.
2. Brake SystemDigunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus, karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.
3. GeneratorIni adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC(alternating current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal.
4. Penyimpan energiKarena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Penyimpanan energi ini diakomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt.
Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC(Direct Current) untuk meng-charge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC(Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini. Rectifier-inverter akan dijelaskan berikut.
5. Rectifier-inverterRectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusodal(AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi(aki/lainnya) maka catu yang dihasilkan oleh aki akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.