bab2_energi_surya

8/6/2019 bab2_energi_surya

1/15

FISIKA ENERGI

ENERGISURYA

10

PENDAHULUAN PERHITUNGAN ENERGrSURYA

ENERGI SURYA LANGSUNG PROSES PEMBUATAN WAFER SILIKON


2/15

FISIKA ENERGI

2.1. PENDAHULUAN

Sumber energi berjumlah besar dan bersifat kontinyu terbesaryang tersedia bagi manusia adalah energi surya,khusunyaenergi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari.Sementara energi surya belum dipakai sebagai sumber primer

energi bahan bakar untuk saat ini. Penelitian dan pengembangan besar-besaran sedang dijalankan untuk mencari suatu sistem yang ekonomis untukmemanfaatkan energi surya ini sebagai sumber utama bahan bakar.

Energi surya adalah sangat luar biasa karena tidak bersifat polutif, takdapat habis, dapat dipercaya dan tidak membeli. Kejelekannya dari energisurya ini adalah sangat hal us dan tidak konstan. Arus energi surya yangrendah mengakibatkan dipakainya sistem dan kolektor yang luaspermukaanya besar untuk mengumpul dan mengkonsentrasikan energi itu.Sistem kolektor ini berharga cukup mahal dan ada masalah lagi bahwasistem-sistem di bumi tidak dapat diharapkan akan menerima persediaanyang terus menerus dari energi surya ini. Hal ini berarti diperlukan semacamsistem penyimpanan energi atau konversi lain diperlukan untuk menyimpanenergi pada malam hari serta pada saat cuaca mendung.

Energi surya dapat dikonversi secara langsung menjadi bentuk energilain dengan tiga proses, yaitu proses he/ochemical, proseshelioe/ectrical, dan proses heliothermal.

Reaksi heliochemical yang utama adalah proses fotosintesa. Proses iniadalah sumber dari semua bahan bakar fosil.

Proses helioelectrical yang utama adalah produksi listrik oleh sel-selsurya . Proses heliothermal adalah penyerapan radiasi matahari d~npengkonversian energi ini menjadi energi termal.

2.2. PERHITUNGAN ENERGI SURYA2.2.1. WAKTU MATAHARI

Bumi bergerak mengelilingi matahari dalam suatu orbit yang berbentukelips yakni hampir berupa lingkaran. Pada titik yang terdekat di tanggal 21

11


3/15


4/15

FISIKA ENERGI

tonernateri menjadi energi yang dipancarkan ke angkasa luas sebanyak6,41x 107 W/m 2 Matahari mempunyai radius sebesar 8,96 x 105 Km.

Dalam perjalananya di ruang angkasa dalam kedinginan yang hampirmendekati nol absolut , yaitu kira-kira 2 K , bola bumi menerima sebagiankecil dari jumlah energi itu.

Misalkan sebuah planet yang tidak memiliki atmosfir . Planet itumempunyai radius sebesar R dan menerima radiasi surya dari matahari.

Radiasi infra merahplanet (E3)

Radiasi surya (E1)

Gambar 2.1. Alur radiasi surya dari matahari ke planet

Sila S merupakan padat radiasi surya , suatu jumlah energi E1 diterimaoleh plenet dan sebesar E2diserap , maka besarnya E2adalah:

E2 = nR2 S(1 - oc ] . . . . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . . . . .. . . .. . . .. . . .. (2.1)dimana, E2 = energi yang diserap oleh planet

R = jari-jari planetS = padat radiasi suryae x : = angka refleksi permukaan planet

Energi E2 yang diserap akan menyebabkan suhu T dari planet akannaik . Pada gilirannya planet yang hangat atau panas ini akan jugamemancarkan sebagian energinya , yaitu sebesar E3 ke angkasa luas .Dengan demikian maka dapat ditulis :

E1 = E2 + E3dimana, E1 = energi yang diterima dari matahari

E2 = energi yang diserap planetE3 = energi yang dipancarkan oleh planet

Dari hukum radiasi Stefan-Soltzman diketahui bahwa pancaran energikarena suhu akan .merupakan radiasi infra merah, yang per satuan luas

13


5/15

FISIKA ENERGI

dinyatakan dengan rumus EoT4, dimana E merupakan angka pancaran daripermukaan, o merupakan suatu konstanta dan T suhu permukaan. Oengandemikian dapat ditulis sebuah persamaan :

E3 = 4 R2EcrT4 (2.2)dimana, E3 = energi yang dipancarkan planet

R = radius planetE = angka pancaran permukaan planetc = suatu konstanta = 5,673 x 10-8 J/m 2 det K4T = suhu permukaan

Keseimbangan tercapai bilamana E2 = E3 dan dicapai suhu akhir T. Sehinggarumus akan dicapai sebagai berikut :

1tR2 S(1 - oc ) = 4 R2EcrT4sehingga T = [S(1 - oc ) I 4Ecr]1/4 (2.3)

T = suhu akhir planetS = padat radiasi suryaoc = angka refleksi permukaanE = angka pancaran permukaano= suatu konstanta

Oi dalam rumus diatas tampak bahwa besaran R tidak terlihatsehingga kita dapat menyimpulkan bahwa suhu permukaan planet tidak

dimana

dipengaruhi besar kecilnya jari-jari planet tetapi sangat dipengaruhi padatradiasi surya yang jatuh pada permukaan planet tersebut.

Contoh soal :Hitung suhu akhir permukaan bumi, bila data yang dipunyai bumi adalah :besarnya radiasi surya = 1200 W/m, angka pancaran permukaan adlahsebesar 1 dan besarnya angka refleksi perrnukaan sebesar 0,34.Jawab:Kiata tahu bahwa T =; [S(1 - e x : ) 1 4&0"/14 , sehingga bila besaran kitamasukkan maka hasil dari T= [1200(1-0,34) 14.1.5,673.10-8//4.

T = 243 0 K atau setara dengan - 300 c .

14


6/15

FISIKA ENERGI

Perhitungan diatas menggambarkan , bahwa bumi akan menjadi dinginsekali seandainya tidak terdapat suatu lapisan atmosfir yang bekerja sebagaiselimut bumi. Lapisan atmosfir tembus untuk pancaran sinar surya tetapimenyerap dan mengembalikan sebagian pancaran infra merah ke bumi. Bilap merupakan fraksi dari dari energi pancaran yang dipantulkan kembali kebumi maka rumus untuk E3menjadi : 4 R2Ea (1- P )T4, sehingga rumus untuk suhu akhir T menjadi :

T = [S(1 - IX ) / 4Ea(1- p ) ] 1 / 4 (2.4)dimana p merupakan angka refleksi dari atmosfir. dari rumus diatas tampakbahwa untuk setiap harga positip dari p , nilai suhu akhir T akan menjadi lebihtinggi dari 243 0 K. Unsur - unsur yang terdapat di lapisan atmosfir yangberfungsi menyerap pancaran sinar infra merah terdiri atas CO2 dan uap air (H20).

2.3. ENERGI SURYA LANGSUNG

Pengertian dari pemanfaatan enrgi surya langsung dapat dibedakandengan tiga cara, cara pertama adalah prinsip pemanasan langsung. Dalamhal ini sinar matahari memanasi langsung benda yang akan dipanaskan ,atau secara langsung memanasi medium, misalnya air yang akandipanaskan. Cara kedua , bahwa yang dipanaskan adalah air, tetapi panasyang terkandung didalam air akan dikonversikan menjadi energi listrik.Sedangkan cara ketiga adalah cara photovoltaik. Dengan cara ini makaenergi sinar mata hari langsung dikonversikan menjadi energi listrik.

2.3.1. PEMANASAN LANGSUNGMenjemur pakaian adalah contoh yang terlihat dalam kehidupan

sehari-hari yang menggunkan pemanfaatan langsung energi surya. Dengancara pemanasan langsung ini suhu yang akan diperoleh tidak akanmelampau 1000 C.

Efektivitas pemanfaatan energi surya dengan cara pemanfaatanlangsung dapat ditingkatkan bila mempergunakan pengumpul-pengumpul

15


7/15

FISIKA ENERGIpanas , yang biasa disebut kolektor. Sinar-sinar matahari dikonsentrasikandengan kolektor ini pada satu tempat, sehingga diperoleh suatu suhu yanglebih tinggi.

Sistem pemanasan secara langsung ini mempunyai efisiensi sekitar 30% sampai 40%. Contoh sistem pemanasan langsung dengan menggunakankolektor misalnya kompor matahari, pemanas air mandi dan kolam.

2.3.2. KONVERSI SURYA THERMIS ELEKTRISSuatu teknologi yang tampaknya mempunyai potensi yang bagus

adalah konversi surya thermis elektris ( solar thermal electric conversion ).Pada prinsipnya konversi surya thermis elektris memerlukan sejumlahkonsentrator optik untuk pemanfaatan radiasi surya, sebuah alat untukmenyerap energi yang dikumpulkan , suatu sistem pengangkut panas dansebuah mesin sebagai pembangkit tenaga Iistrik.

Diperkirakan , bahwa sebuah unit konversi surya thermis elektris dari100 MW listrik akan mempunyai 12.500 buah heliostat, dengan permukaanrefleksi masing-masing seluas 40 m2, sebuah menara penerima setinggi 250m, yang memikul sebuah penyerap untuk membuat uap bagi sebuah turbinselama enam hingga delapan jam sehari.

~ matahari

{ { { { { { 1eretan heliostat

Gambar 2.2. Model pembangkit tenaga listrik secara thermis

16


8/15

FISIKA ENERGI

2.3.3. KONVERSI ENERGI PHOTOVOLTAIKEnergi radiasi surya dapat dirubah menjadi arus listrik searah dengan

mempergunakan lapisan-Iapisan tipis dari silikon (Si) murni atau bahansemikonduktor lainnya. Saat ini silikon merupakan bahan yang terbanyakdipakai. Silikon merupakan suatu unsur yang banyak terdapat di alam. Untukpemakaian sebagai semikonduktor, silikon harus dimurnikan hingga suatutingkat pemurnian yang tinggi sekali. yaitu kurang dari satu atom pengotoranper 1010 atom silikon.

Dari gambar 2.3. menunjukkan bentuk kristalisasi demikian akanterjadi bila silikon cair menjadi padat, hal ini disebabkan karena tiap atomsilikon mempunyai elektron valensi. Dengan demikian terjadi suatu bentukkristal dimana tiap atom silikon mempunyai 4 tetangga terdekat. Tiap duaatom silikon yang bertetangga saling memiliki satu elektron valensinya.Bentuk kisi kristal sering disebut kisi intan.Struktur tiga dimensi pada gambar 2.3 akan dijelaskan dengan gambar lebihsistematis seperti pada gambar 2.4.

\ / \. ' ",~~?~_; - = \ ~ \/:, / 1 ' 11 1 \ : \ I !I ~,.lI : ~ a~i ; 9"'--~~ 1/I d- = - . 1 ", IP. - - - - - - - - - - -, / ,

Gambar 2.3. Pengaturan atom dalam kristal silikon

17


9/15


10/15

19

FISIKA ENERGI

Ikatan velensi terganggu disebabkan pengaruh radiasi elektromagnetikyang datang dari luar. Jika photon dari radiasi yang masuk memiliki banyakenergi, maka ditempat resapan akan dapat terjelma pasangan elektron danlubang. Jumlah energi yang diperlukan untuk terjadinya hal itu adalah 1,1 eVbagi silikon pada suhu ruangan biasa. Dengan demikian maka setiap photoryang memiliki jumlah energi lebih besar dari 1,1 eV, atau panjang gelomban(kurang dari 1100 nm, yang terletak di wilayah spektrum infra merah , dapamengakibatkan terjadinya pasangan elektron dan lubang di silikon.Khususnya besar dari spektrum radiasi surya mempunyai kemampuantersebut bila diserap elektron. Dengan demikian maka akan terjadi suatumuatan listrik yang melampaui keseimbangan yang akhirnya dapatmengakibatkan terjadinya suatu gaya gerak listrik. atau ggl.

Dengan adanya gaya gerak listrik berarti sangat dimungkinkan untukdimanfaatkan untuk keperluan pemakaian energi, khususnya energi yangmenggunakan energi listrik.

Gambar 2.5. Kristal silikon dalam arsen

Gambar 2.5. memperlihatkan sebuah kristal silikon yang dimasukkansatu atom arsen yang diperoleh misalnya dari suatu peleburan yang diberisedikit arsen sebagai pengotoran. Atom arsen memiliki lima elektron valensi.Bila sebuah atom arsen menempati suatu posisi struktural dalam kristalsilikon , berarti mempunyai kelebihan satu buah elektron. Pada suhulingkungan biasa daya ikat elektron kelima terhadap induk atom arsen adalahrelatif kecil. Dengan demikian terjadi suatu situasi dimana terdapat sebuahelektron bebas dalam kristal silikon. Atom arsen yang terikat dalam kristal


11/15

FISIKA ENERGI

mendapat muatan positip sedang elektron bebas dapat bergerak dalamseluruh kristal dan mengikuti proses konduksi bila terdapat suatu medanlistrik. Arsen merupakan suatu pengotoran yang merupakan pemberi ataudonor elektron. Penambahan suatu kristal dengan pengotoran donor akanmerubah sifat-sifat listrik bahan tersebut dengan dua cara :

Pertama , jika pengotoran donor diperbesar melampaui 1 bagian per1012, yang dianggap suatu taraf pengotoran yang rendah , maka daya hantarakan meningkat.

Kedua, baik elektron maupun lubang akan memiliki peran serta kuranglebih sama dalam sifat daya hantar materi silikon, hantaranya akan praktisseluruhnya dilakukan gerakan dari elektron dalam kristal yang mengandungdonor. Muatan positip terikat tempat dalam struktur kristal. Karena elektronmemiliki muatan negatip , kristal demikian dinamakan tipe - N , yaitu n darinegatip.

Dengan sendirinya akan terjadi suatu efek serupa bila pengotorandilakukan dengan bahan yang memiliki valensi tiga seperti boron dan galium.Dalam keadaan demikian tiap pengotoran menerima satu elektron dari ikatanvalensi yang mengakibatkan terdapatnya satu lubang yang berperan sertadalam proses konduksi, dan satu ion pengotoran dengan rnuatan negatipyang tidak bergerak. Karena lubang mempunyai muatan positip kristal yangmempunyai akseptor dinamakan tipe-P , yaitu p dari positip. Karenapengotoran relatip menyangkut jumlah yang kecil sekali, adalah sangatmungkin untuk sebuah kristal tunggal silikon merupakan tipe-p pada satuujung dan tipe -n pada ujung yang lain. Kristal demikian dinamakansambungan P-N seperti tampak pada gambar 2.6.

B

+A

RADIASI SURYA BADIASI SURYA

Gambar 2.6. Sambungan P - N

20


12/15

FISIKA ENERGIDari gambar 2.6. , misal sambungan P-N terkena radiasi matahari, tiap

photon radiasi yang memiliki energi yang melebihi 1,1 eV dapat menghasilkansatu pasangan elektron - lubang dalam hablur silikon. Pasangan - pasanganelektron lubang akan agak terpisah-pisah letaknya , sehingga daerah P akanmerniliki muatan positip terhadap daerah N, dan terdapat suatu perbedaanpotensial antara kedua apitan. Jika antara kedua apitan dipasang sebuahbeban ( R ) , maka akan mengalir arus I. Dengan demikian terdapat secaralangsung suatu konversi elektronik antara radiasi surya yang masuk danenergi listrik yang dihasilkan antara dua apitan A dan B.

Di daerah N terdapat banyak elektron , sebaliknya di daerah P hanyasedikit elektron. Elektron di daerah N memiliki kecenderungan untuk bergerak, dan karena sifat sembarang arah disebabkan getaran thermal, terdapatkecenderungan untuk memasuki daerah P dari kristal tunggal. Hal ini tidakdapat terjadi karena terdapat suatu kendala pada suatu perbatasan N-Pberupa perbedaan kontak antara potensial tipe-N dan tipe-P. Dengandemikian elektron-elektron mendapatkan suatu halangan potensial padasambungan , dan hanya elektron-elektron yang memiliki jumlah energi besaryang dapat melampaui halangan potensial itu.

Halangan ini yang merupakan semacam ambang, dapat diatasidengan dipergunakan suatu sumber tegangan dari luar. Tegangan ini akanmenurunkan tinggi ambang. Hal ini memungkinkan lebih banyak elektronuntuk lewat sehingga dapat mengalir suatu arus listrik yang lebih besar. Arustersebut berbanding lurus secara eksponensial dengan besar tegangan.

Sebaliknya bila tegangan V dibalik arahnya , maka ambang menjadilebih tinggi,sehingga akan merupakan halangan yang lebih besar terhadapmengalirnya arus. Sifat ini dimanfaatkan untuk memakai memakaisemikonduktor sebagai dioda untuk pengaruh arus. Prinsip ini desebutdengan thyrestor.

Cara lain arus elektron mengatasi halangan pada sambungan P-Nadalah dengan meningkatkan intensitas penyinaran sehingga elektron-elektron memiliki energi vibrasi lebih besar. Dengan demikian makapenyinaran sambungan P-N dengan radiasi matahari langsung

21


13/15

22

FISIKA ENERGI

mengakibatkan terjadinya konversi menjadi energi listrik. Prinsip inidimanfaatkan dalam sel photovoltaik.

2.4. PROSES PEMBUTAN WAFER SILIKON

Proses pembuatan wafer silikon adalah pertama cairan panas diputardan menghasilkan kristal silikon silindris yang seterusnya digergaji danmenghasilkan cakram - cakram , atau wafer-wafer kemudian wafer tersebutdiberi kawat - kawat untuk menghubungkan daerah - daerah N dan P.

Sekarang ini juga dikembangkan suatu teknologi baru dalam membuatsel-sel silikpn , yaitu pembuatan dalam bentuk pita. Dalam cairan panas


14/15

FISIKA ENERGI

Bila sel-sel silikon terkena sinar matahari , maka photon-photon yangjatuh sekitar P-N akan menghasilkan pasangan-pasangan elktron lubang.Elektron - elektron akan cenderung untuk berjalan ke arah silikon tipe N,sedangkan lubang akan cenderung untuk berjalan ke arah daerah yangbermuatan positip. BUawilayah positip dan negatip diberi sambungan listrik ,maka dapat mengalir arus listrik dalam sambungan itu. Besamya arus listrikatau tenaga listrik yang diperoleh tergantung antara lain dari jumlah energicahaya yang mencapai sel-sel silikon dan tergantung dari luas permukaansel.

Tentunya tegangan yang dibangkitkan sel surya sangat tergantungoleh luas sel surya tersebut. Jika dihitung, efisiensi konversi energi adalahsebagai berikut :

dimana

dimana

VIT J = ........... , (2.5)P.aT J = efisiensi konversiV = tegangan yang dibangkitkan sel suryaI = arus sel suryaP = rapat daya matahari yang jatuh pada sel suryaa = luas sel surya

Rumus efisiensi konversi energi diatas dapat ditulis sebagai berikut :Fi.ls.Vo

T J = P.aT J = efisiensi konversiFi= faktor isiIs= arus hubung singkatVo= tegangan tanpa bebanP = rapat daya matahari yang jatuh pada sel suryaa = luas sel surya

23


15/15

FISIKA ENERGI

Gambar 2.8. Mobil dengan panel surya

24

bab2_energi_surya

Documents

Transcript of bab2_energi_surya