Cara Kerja Panel Surya dari Cahaya sampai Stopkontak

01Foton, elektron, dan sambungan p-n

Silikon murni adalah semikonduktor: elektronnya terikat, tapi tidak terlalu erat. Energi yang dibutuhkan untuk melepas satu elektron dari ikatannya disebut celah pita, dan untuk silikon kristal besarnya 1,12 eV. Foton yang membawa energi di bawah nilai itu lewat begitu saja tanpa efek apa pun. Foton yang membawa lebih banyak akan melepas satu elektron, dan kelebihannya langsung berubah menjadi panas.

Masukkan dua warna. Cahaya hijau 550 nm membawa 1.240 ÷ 550 = 2,25 eV: sebanyak 1,12 eV dipakai melepas elektron, dan 1,13 eV sisanya menjadi panas di dalam sel. Inframerah dekat 1.200 nm hanya membawa 1.240 ÷ 1.200 = 1,03 eV, di bawah ambang, jadi ia menembus sel tanpa menghasilkan apa-apa. Dua kerugian itu saja sudah membatasi efisiensi teoretis sel silikon satu sambungan di sekitar 33% — sebelum satu pun kabel dipasang.

Elektron yang terlepas meninggalkan sebuah lubang, yaitu kekosongan yang berperilaku seperti muatan positif. Kalau tidak ada yang mengarahkannya, pasangan elektron-lubang itu bertemu kembali dalam sepersejuta detik dan energinya habis menjadi panas. Yang mencegahnya adalah sambungan p-n.

Sambungan p-n: medan listrik permanen di dalam sel

Lapisan atas silikon diberi campuran fosfor sehingga berkelebihan elektron (tipe n); lapisan bawah diberi boron sehingga berkekurangan elektron (tipe p). Di batas keduanya elektron berpindah dan meninggalkan daerah bermuatan yang menghasilkan medan listrik tetap, setebal kurang dari satu mikrometer. Medan itu bekerja seperti pintu satu arah: setiap elektron bebas yang mendekat didorong ke sisi n, setiap lubang didorong ke sisi p.

Hasilnya beda potensial antara kedua sisi sel. Satu sel silikon menghasilkan sekitar 0,5–0,6 V, dan angka itu tidak bergantung pada ukuran sel. Yang bergantung pada ukuran justru arusnya: sel yang lebih luas menangkap lebih banyak foton, jadi mengalirkan lebih banyak elektron per detik. Logika penjumlahan tegangan dan arusnya sama persis dengan yang dibahas di rangkaian seri dan paralel.

02Dari 0,6 volt menjadi modul 550 watt

Satu sel 0,6 V tidak berguna untuk apa pun. Modul menyusun sel-sel itu secara seri sehingga tegangannya bertambah sementara arusnya tetap. Modul 550 Wp yang umum hari ini berisi 144 setengah-sel yang secara listrik setara 72 sel penuh terangkai seri. Tegangan tanpa bebannya sekitar 49,5 V, turun ke sekitar 41,5 V pada titik kerja optimum, dengan arus 13,3 A. Kalikan: 41,5 × 13,3 = 552 W. Angka-angka itu khas lembar data, bukan patokan baku — periksa spesifikasi modul yang benar-benar Anda beli.

Luas per kWp untuk monokristalin mengikuti patokan 4,5–5 m² yang dipakai di seluruh situs ini; dua baris lain adalah perkiraan yang diturunkan dari perbandingan efisiensi. Untuk atap rumah di Indonesia, luas hampir selalu menjadi kendala sebelum harga.

Cara memakai tabel itu: kalau atap Anda hanya punya 14 m² bebas bayangan, monokristalin memberi 14 ÷ 5 = 2,8 kWp, polikristalin 14 ÷ 6 = 2,3 kWp, dan thin film 14 ÷ 9 = 1,6 kWp. Selisih 1,2 kWp antara ujung atas dan ujung bawah setara 1,2 × 98,3 = 118 kWh per bulan yang hilang selamanya — jauh melampaui penghematan harga per kWp mana pun. Bagaimana angka 98,3 kWh itu diperoleh dan apa artinya bagi biaya, ada di panduan panel surya rumah.

03Inverter: mengubah searah menjadi bolak-balik

Yang keluar dari atap adalah arus searah pada tegangan yang berubah-ubah mengikuti cahaya dan suhu — bisa 300 V saat mendung, 560 V pada pagi cerah yang dingin. Rumah Anda memakai 220 V bolak-balik 50 Hz. Inverter mengerjakan empat hal sekaligus, dan hanya satu di antaranya yang benar-benar berupa pengubahan DC menjadi AC.

1. Menjaga titik kerja. Rangkaian MPPT terus mencari kombinasi tegangan dan arus yang menghasilkan daya terbesar. Bagian inilah yang menentukan panen harian Anda.
2. Membentuk gelombang. Sakelar daya membuka dan menutup ribuan kali per detik, memotong tegangan DC menjadi pulsa yang lebarnya berubah, lalu penapis menghaluskannya menjadi sinus 50 Hz.
3. Mengunci fasa ke jaringan. Inverter on-grid harus menyuntikkan arus tepat sefase dengan tegangan PLN. Geser sedikit saja, dayanya tidak masuk ke beban dan malah menimbulkan arus sirkulasi yang memanaskan penghantar.
4. Melepas diri saat jaringan hilang. Fungsi anti-islanding memutus keluaran dalam hitungan milidetik begitu tegangan atau frekuensi jaringan keluar dari jendela normal. Inilah alasan PLTS on-grid ikut padam ketika PLN padam.

Efisiensi inverter modern 96–98% pada beban menengah, tapi turun tajam di bawah sekitar 10% beban — yaitu pagi dan sore. Karena itu inverter yang terlalu besar untuk arraynya justru merugi dua kali: harganya lebih mahal dan ia bekerja lebih lama di daerah efisiensi rendah. Pemilihan ukuran dan jenisnya dibahas di halaman inverter surya.

04MPPT dan kenapa titik kerja harus dicari terus-menerus

Modul surya bukan sumber tegangan tetap dan bukan pula sumber arus tetap. Kalau dihubungsingkatkan, ia mengalirkan arus penuh pada tegangan nol, jadi dayanya nol. Kalau dibiarkan terbuka, ia menahan tegangan penuh tanpa arus, dan dayanya nol juga. Di antara kedua ujung itu ada satu lutut kurva tempat hasil kali tegangan dan arus paling besar. Itulah titik daya maksimum.

Baris kedua adalah kerugian nyata dari pengendali PWM murah pada sistem baterai 24 V: modul dipaksa bekerja pada tegangan baterai, dan 552 − 375 = 177 W menguap begitu saja, yaitu 32% dari kapasitas yang sudah Anda bayar.

Cara kerja MPPT sederhana dan diulang beberapa kali per detik: geser tegangan sedikit, ukur dayanya, kalau naik geser lagi ke arah yang sama, kalau turun balik arah. Metodenya disebut perturb and observe. Ia harus terus berjalan karena lutut kurvanya bergerak: awan yang lewat menurunkan arus dalam hitungan detik, dan suhu modul yang naik menurunkan tegangan sekitar 0,3% per derajat. Dari pagi ke tengah hari, tegangan kerja satu rangkaian bisa bergeser puluhan volt.

Konsekuensi praktisnya saat merancang: jumlah modul dalam satu rangkaian seri dibatasi oleh tegangan tanpa beban pada pagi terdingin, bukan oleh tegangan kerja siang hari. Kalau batas masukan inverter 600 V, maka 600 ÷ 49,5 = 12 keping adalah maksimum di atas kertas, dan pemasang biasanya berhenti di 10–11 keping untuk memberi margin. Angka 600 V itu contoh; periksa lembar data inverter Anda. Hubungan tegangan, arus, dan tahanan di baliknya tetap hukum Ohm yang sama.

05Kenapa 550 Wp tidak pernah menjadi 550 watt

Angka Wp diukur di laboratorium pada kondisi uji standar: intensitas 1.000 W/m², suhu sel 25 °C, dan spektrum tertentu. Ketiganya jarang terjadi bersamaan di atap Indonesia, terutama yang kedua. Selisih antara kondisi laboratorium dan kondisi atap dirangkum dalam satu angka bernama performance ratio.

Hasil akhirnya 76,9%, berada di dalam kisaran 72–82% yang wajar untuk atap Indonesia. Patokan 78% yang dipakai di halaman lain situs ini berasal persis dari rantai seperti ini, bukan dari angka bulat yang dipilih sembarangan.

Ujilah pada sistem nyata. Array 3 kWp di daerah dengan 4,2 jam matahari puncak: hitungan naif memberi 3 × 4,2 = 12,6 kWh per hari, sedangkan setelah PR 76,9% hasilnya 3 × 4,2 × 0,769 = 9,69 kWh. Selisih 2,91 kWh per hari, atau 87 kWh per bulan, adalah jarak antara brosur dan tagihan.

Yang terbesar dari seluruh rantai itu adalah suhu, dan justru itu yang paling bisa diperbaiki saat pemasangan. Modul yang ditempelkan rapat di atas atap seng bisa mencapai 70 °C dan kehilangan (70 − 25) × 0,35% = 15,8%. Memberi celah udara 10–15 cm di bawah modul menurunkan suhu kerja sekitar 5–10 °C, yang berarti mengembalikan 2–3,5% produksi tanpa membeli apa pun — semata soal cara pemasangan.

06Satu daun, seluruh rangkaian

Sel-sel dalam satu rangkaian tersusun seri, dan pada rangkaian seri arus yang mengalir sama di semua titik. Sel yang tertutup daun tidak sekadar berhenti menyumbang: ia menjadi penyempitan yang membatasi arus seluruh rangkaian ke nilai yang sanggup ia lewatkan. Sepuluh modul sehat yang mampu 13,3 A akan dipaksa turun mengikuti sel yang terbayang.

Lebih buruk lagi, sel yang terbayang berbalik menjadi beban. Sel-sel lain mendorong arus melewatinya secara paksa, dan energinya berubah menjadi panas di satu titik kecil. Inilah hot spot, yang pada kasus parah dapat menghanguskan lapisan belakang modul.

Dioda bypass: jalan pintas yang membatasi kerusakan

Setiap modul biasanya berisi tiga dioda bypass, masing-masing menaungi sekitar sepertiga selnya. Begitu satu bagian tertutup dan tegangannya berbalik, dioda yang bersangkutan menyala dan arus rangkaian melompati sepertiga modul itu. Kerugiannya menjadi terbatas, dan sel yang terbayang tidak lagi dipaksa memanas.

Baris terakhir adalah ilustrasi kasar; besarnya bergantung pada seberapa rapat bayangannya. Yang perlu diingat: selisih antara kehilangan 4% dan kehilangan 80% hanya ditentukan oleh apakah dioda bypass benar-benar bekerja.

Konsekuensinya untuk perencanaan: bayangan tipis yang menyapu banyak modul lebih merusak daripada bayangan pekat yang menutupi satu modul penuh. Kabel antena yang melintang di atas array sepanjang hari bisa lebih merugikan daripada tangki air yang menutupi satu keping selama satu jam.

Kalau atap Anda memang punya bayangan yang tidak bisa dihilangkan, ada dua jalan keluar. Pisahkan bagian yang terbayang ke MPPT atau rangkaian tersendiri, atau pakai optimizer per modul maupun mikroinverter sehingga setiap modul mencari titik kerjanya masing-masing. Keduanya menambah biaya sekitar 10–25% dan dibandingkan di halaman inverter surya. Kalau bayangannya sudah diketahui sejak awal, masukkan pengurangannya ke perkiraan produksi lewat kalkulator PLTS atap sebelum menandatangani penawaran.

—Pertanyaan yang sering masuk