PEMANFAATAN PANAS ENERGI MATAHARI (SOLAR TERMAL)


Energi matahari atau energi surya sudah dimanfaatkan sejak awal peradaban manusia berlangsung di bumi. Manusia telah memanfaatkan panas dari energi matahari (energi surya) untuk menunjang kehidupan. Panas sinar matahari digunakan manusia untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari, mulai dari menghangatkan tubuh, menjemur pakaian, mengolah pertanian dan perikanan. Inilah salah satu anugerah Allah SWT kepada manusia. Energi matahari telah menjadi teman manusia hingga akhir zaman, insya Allah.

Setelah energi surya / energi matahari, mulailah manusia memanfaatkan energi biomassa seperti kayu bakar. Berikutnya, penggunaan energi lainnya mulai dilakukan seiring dengan perkembangan peradaban. Perkembangan teknologi dan kegigihan ilmuwan mendorong terjadinya penggunaan berbagai jenis energi, seperti energi angin, air, minyak, batubara, gas, nuklir dll. Manusia mulai mendiversifikasi pemenuhan kebutuhan energi. Dari berbagai energi ini, energi fosil (minyak, batubara, dan gas) dan nuklir kemudian menjadi energi utama dunia.

Namun, penggunaan energi fosil dan nuklir telah menimbulkan konsekuensi serius bagi kehidupan manusia. Energi fosil telah memicu pemanasan global akibat polusi yang ditimbulkannnya. Sementara, energi nuklir yang sangat berbahaya juga telah mengalami beberapa kecelakaan yang telah berdampak sangat besar terhadap lingkungan dan manusia. Dunia kemudian lebih mengekplorasi dua energi terbarukan/ET (renewable energy/RE). Dari berbagai ET, energi matahari (energi surya) dan angin merupakan yang paling getol dilakukan. Dari dua energi ET ini, energi matahari (energi surya) memiliki potensi yang lebih baik. Sebab, energi matahari hampir menyinari seluruh permukaan bumi.

A. Penggunaan Energi Matahari Zaman Dahulu
Penulis yakin, sejak awal peradaban manusia sudah banyak yang memanfaatkan panas dari energi matahari untuk kebutuhan sehari-hari. Namun, tidak ada catatan yang mengenangnya. Berdasarkan data dari internet (browsing), ada tiga penggunaan unik dari panas dari energi matahari yang bisa dipakai untuk renungan. Pertama, alat untuk membuat api di China. Berdasarkan dokumentasi Code Of Zhou Regulation,yaitu dinasti Zhou barat pada abad ke 11 SM sampai dengan 771 SM, Dimasti Zhou menemukan alat yang bisa menggunakan cahaya matahari untuk membuat api. Arkeolog menemukan alat pembuat api ini pada tahun 1995 di pemakaman dinasti Zhou yang terletak di provinsi sanxhi. Gambar bisa lihat di http://catatan-teknik.blogspot.com/2014/05/sejarah-teknologi-solar-thermal.html.

Kedua, senjata pembakar kapal tenaga matahari (energi matahari)yang dibuat oleh Archimedes. Ini merupakan cerita legenda Yunani. Legenda tersebut menyebutkan Archimedes berhasil menghancurkan armada kapal Roma yang berniat menyerang kota Syracuse, yang merupakan tempat tinggalnya. Archimedes menangkap energi matahari dan menjadikannya sebagai senjata dengan menggunakan cermin besar atau beberapa cermin. Ilustrasi bisa dilihat di unmuseum.

Namun, para ilmuwan dan peneliti masih belum bisa membuktikan kebenaran legenda ini. Beberapa percobaan telah dilakukan untuk membuktikannya. Hasilnya, keilmiahan metode yang digunakan Archimedes sulit diwujudkan. Bahkan, Mantan Presiden Amerika Serikat, Barrak Obama pernah menantang ilmuwan Negeri Paman Sam untuk mewujudkannya. Namun, kini belum tantangan dari Obama belum bisa diwujudkan oleh peneliti di Amerika. Secara prinsip, senjata ini sebenarnya mirip teknologi yang digunakan pada pembangkit menara (solar tower). Peneliti menyatakan, teknologi ini sulit digunakan untuk peperangan. Sebab, musuh (armada musuh) selalu bergerak dengan cepat. Menfokuskan energi termal matahari hingga bisa menghasilkan daya yang merusak (membakar kapal) sulit untuk diwujudkan.

Ketiga, kompor (oven) matahari yang ditemukan oleh ilmuwan perancis-swis Horace Benedict de Saussure pada tahun 1767. Gambar dibawah menunjukkan rancangan Benedict de Saussure. Perangkat tersebut terdiri dari dua buah kotak kayu, kotak kecil yang berada didalam kotak yang besar. Di antara dua kotak tersebut diberi bahan insulasi. Di atas kotak kecil dipasang tiga lapis kaca dengan udara diantaranya. Dengan mangarahkan perangkat tersebut tegak lurus cahaya matahari, dalam beberapa jam, suhu di dalam kotak dapat mencapai di atas 100 oC. Perangkat ini pun diujicobakan di puncak gunung Cramont. Hasilnya, oven ini dapat memanaskan air hingga mencapai titik didihnya walaupun suhu udara sekitarnya sekitar 5-10 derajat selsius. Ilustrasi bisa dilihat di solarcooking.

Meski telah lolos uji, tapi oven berbentuk kotak buatan de Saussure tidak populer. Sebab, proses pemanasannya memakan waktu yang sangat lama. Kekurangan lainnya, oven ini menghasikan suhu yang tidak cukup panas untuk memasak.

Produk massal pemanas dengan teknologi yang memanfaatkan energi matahari pertama kali dibuat oleh W Adam pada tahun 1870-an di Bombay, India. Adam menamakan produk ini sebagai oven solar (solar oven). Skema oven solar dalam mengonsentrasikan cahaya matahari ditunjukkan dalam gambar di solarcooking.

Delapan buah cermin (A) membentuk reflektor octagon. Sinar matahari diarahkan ke dalam kotak (B) yang terbuat dari kayu yang diatasnya ditutup dengan kaca. Didalam kotak terdapat panci (C). Temperatur di dalam kotak B dapat mencapai suhu 200 derajat celsius.

B. Penggunaan Energi Matahari Zaman Sekarang
Saat ini, manusia telah menggunakan panas dari energi matahari untuk memenuhi berbagai kebutuhan. Berikut berbagai pemanfaatan panas matahari (solar thermal):

1. Kompor matahari (surya)
Kompor matahari merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan panas dari energi matahari untuk memenuhi kebutuhan memasak berbagai jenis makanan. Kompor matahari merupakan pemanas yang sangat ramah lingkungan, karena hanya membutuhkan sinar matahari sebagai sumber energinya. Kompor ini hemat biaya dan bebas polusi dibandingkan kompor minyak, batubara, dan kayu bakar. Penggunaan secara massal bisa mengurangi polusi udara dalam jumlah yang besar.

Kompor matahari secara umum terbagi dalam dua, yaitu kompor parabola dan kotak oven. Secara umum, kompor matahari memasak menggunakan tiga metode, yaitu pemanasan, pemanggangan, dan pasteurisasi. Kompor parabola memasak menggunakan metode pemanasan dan pasteurisasi, sementara kotak oven metodenya pemanggangan.

Kompor parabola merupakan alat yang terbuat dari cermin (atau serupa cermin) yang fungsinya menfokuskan panas matahari pada satu titik di pusat parabola. Di titik inilah, panas dari energi matahari akan terkumpul. Panas yang terkumpul ini bisa menghasilkan suhu ratusan hingga 600 derajat celsius. Tinggi rendahnya suhu yang dicapai tergantung teknologi cermin parabola yang dipakai.

Panas yang tinggi di pusat parabola inilah yang dimanfaatkan untuk memasak. Untuk pemanfaatan langsung, alat pemasak seperti panci atau wajan ditempatkan di pusat parabola. Sementara, penggunaan panas tidak langsung dilakukan dengan mengalirkan panas di pusat parabola dengan menggunakan media penghantar panas seperti logam, cairan, dan udara.

Kompor parabola juga dapat digunakan untuk proses pasteurisasi makanan. Prosesnya, panas yang dihasilkan di pusat parabola digunakan untuk memproduksi uap dari proses pemanasan air. Uap inilah yang dimanfaatkan untuk proses pasteurisasi.

Sementara kompor oven merupakan alat berbentuk kotak tertutup. Penutup atas terbuat dari kaca bening yang memiliki dua fungsi, yaitu menyalurkan energi matahari ke dalam kotak dan menahan panas yang ada di dalam kotak agar tidak keluar. Di bagian dalam kotak ada plat kolektor panas sinar matahari yang biasanya terbuat dari logam. Panas dari logam inilah yang akan memanaskan oven. Suhu yang dihasilkan kompor oven lebih rendah dibandingkan kompor parabola, meski begitu pencapaiannya diatas 100 derajat celsiu sehingga cukup layak untuk proses pemanggangan masakan.

Saat ini, sudah banyak negara di Afrika dan Asia yang menggunakan kompor matahari untuk memasak. India merupakan negara yang paling getol menggunakan energi bersih dan sangat murah ini.

2. Pengering Matahari
Proses pengeringan dengan memanfaatkan sinar matahari sudah dipakai manusia sejak dahulu. Mulai dari menjemur pakaian, mengeringkan bahan-bahan yang basah, serta pengeringan produk pertanian dan perikanan. Sebagian besar pengeringan dilakukan secara tradisional, yaitu dengan cara menjemur di bawah terik matahari di udara terbuka. Namun, cara ini sangat bergantung kepada cuaca. Saat mendung proses pengeringan berlangsung lebih lama, sementara saat hujan pengeringan tidak bisa dilakukan.

Kendala cuaca inilah yang membuat peneliti mengembangkan pengering matahari tertutup. Ada banyak teknologi pengering tertutup, dan yang kita akan bahas adalah pengering sederhana. Disebut sederhana karena teknologi dan kontruksinya sederhana, ukurannya kecil, tidak membutuhkan banyak bahan, pembuatanya tidak rumit, dan yang terpenting biayanya murah, he he he... Pengering ini bisa dibuat sendiri, meski perlu sedikit keahlian pertukangan.

Prinsip kerja pengering tenaga surya:
Sinar matahari masuk menembus tutup kaca kemudian akan memanasi plat kolektor yang ada pada dasar kotak pengering. Untuk pengering tenaga surya sederhana, ruang kolektor menjadi satu dengan kotak pengering. Karena diruangan tertutup, panasnya kolektor membuat suhu ruangan meningkat. Selain kolektor, pemanasan juga disumbang dari bahan pembuat kotak pengering yang biasanya terbuat dari seng. Sinar matahari ini juga akan mengenai langsung bahan yang di keringkan sekaligus menyebabkan udara di dalam kotak pengeringan tersebut menjadi sangat panas.

Sementara itu udara luar akan masuk di dalam kotak lewat bawah mengalir ke atas kemudian keluar lewat cerobong. Jadi bahan yang berada di kotak pengeringan tersebut akan di keringkan langsung oleh sinar matahari, serta udara panas di dalam kotak pengeringan tersebut, kemudian jika masih ada uap air akan terbawa oleh udara yang masuk dari bawah menuju ke atas dan keluar melalui cerobong.

Jika sinar matahari tertutup awan udara di dalam kotak pengering tersebut akan tetap panas. Sebab, kotak dibuat kedap dengan adanya isolator,meskipun sepanas sewaktu sinar matahari terik. Jika matahari bersinar kembali, suhu di dalam kotak pengering tersebut akan segera meninggi, tanpa memerlukan waktu yang lama. Adapun pengering tenaga surya yang lebih kompleks, kotak kolektor akan terpisah dengan ruangan pengering. Kolektor panas bisa terbuat dari plat datar, tabung, lensa cekung, dan parabola.

3. Pemanas Air (solar water heating system)
Selama 20 tahun terakhir orang Indonesia sudah sering melihat instalasi panel surya untuk pemanas air. Penggunaan pemanas air untuk perumahan hampir terjadi di seluruh dunia. Investasi memasang sistem pemanas air di rumah disebut-sebut sebagai investasi yang efektif karena bisa memanaskan air sepanjang tahun, tanpa terhalang musim. Energi yang dipakai adalah energi matahari yang gratis. Kota Barcelona di Spanyol merupakan salah satu kota percontohan yang menggunakan panas matahari untuk pemanas air secara massif.

Sistem pemanas air tenaga matahari ini dibagi dalam dua, yaitu pasif dan aktif.

3.1 Pemanas aktif
Ada dua tipe pada sistem pemanas air aktif, yaitu sistem sirkulasi langsung dan tak langsung. Pada sistem sirkulai langsung, air dipanaskan melalui sirkulasi langsung ke penangkap panas (panel surya). Sementara pada sistem tak langsung, panas yang terjadi pada panel surya diserap oleh cairan yang kemudian disirkulasikan ke sistem penyimpanan panas. Secara umum, sistem penyimpanan panas berupa sebuah tabung yang prinsip kerjanya seperti termos untuk menyimpan air panas. Dalam tabung terdapat penyalur panas (heat exchanger) yang memanaskan pipa saluran air rumah. Sistem aktif tak langsung inilah yang banyak digunakan oleh masyarakat.

3.2 Pemanas Pasif
Sistem pasif hampir serupa dengan aktif dengan biaya yang lebih murah. Namun, tingkat efisiensinya lebih rendah. Meski begitu, sistemnya diprediksi lebih tahan lama. Ada dua sitem dalam pasif ini. Pertama, sistem pasif penangkap panas terintegrasi (integral collector-storage passive stem). Sistem ini efektif untuk wilayah yang memiliki suhu dibawah nol. Aplikasi terbaik untuk kebutuhan air panas pada siang hingga sore hari. Kedua, sistem thermosyphon, yaitu aliran air yang memasuki sistem karena adanya perbedaan suhu air. Air panas akan naik dan air dingin akan berada dibawah. Panel surya sebagai pengumpul panas harus ditempatkan dibawah tangki air sehingga air panas akan naik ke tangki.

4. Penghangat dan Pendingin Ruangan
Panas matahari juga dapat digunakan untuk menghangatkan dan mendinginkan ruangan. Penghangat ruangan, dibutuhkan oleh masyarakat yang mengalami musim dingin di negara empat musim. Berikutnya, masyarakat di pegunungan yang suhunya dingin. Penghangat ruangan memanfaatkan panas yang diterima kolektor panas (panel surya) untuk menghangatkan ruangan. Sementara pendingin udara (air conditioning/AC) bekerja dengan cara mengalirkan panas dari sel surya ke alat yang disebut chiller. Pada chiller, terjadi proses evaporasi gas untuk menghasilkan suhu dingin.

Gambar dibawah menjelaskan penghangat dan penyejuk ruangan tenaga surya yang banyak digunakan oleh masyarakat di negara-negara 4 musim. Mereka membutuhkan kombinasi alat penghangat dan penyejuk udara karena mengealami musim dingin dan panas. Kalau di Indonesia mungkin hanya dibutuhkan alat penyejuk udara saja.

5. Pembangkit Listrik
Dunia telah membangun berbagai pembangkit Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Pembangkitan listrik dilakukan dengan panel surya penerima panas (solar thermal) dan panel fotovoltaik. Ada berbagai teknologi yang digunakan untuk membangkitkan listik menggunakan panel surya penerima panas, diantaranya, pembangkit menara (power tower) berbasis turbin uap, pembangkit menara berbasis turbin udara (solar updraft), pembangkit parabola, dan pembangkit lensa cekung.

Salah satu keunggulan PLTS dengan panel thermal adalah daya yang dihasilkan bisa sangat besar, mencapai ratusan MW. Salah satu power tower di Amerika bisa berkapasitas 700 MW. PLTS berbasis panel thermal juga dibangun dilahan yang tidak produktif atau yang sulit ditanami tanaman pangan dan industri karena lahannya yang ekstrim. Lahan yang cocok adalah sahara atau padang pasir yang banyak terdapat di Amerika, Australia, Afrika, dan Timur Tengah. Salah satu kendala ada pada teknologi berbasis turbin uap karena membutuhkan air yang cukup banyak untuk menghasilkan uap, padahal lokasi pembangunannya di tempat ekstrim yang mana air merupakan barang yang sangat berharga. Namun, kendala ini sekarang bisa diatasi dengan teknologi turbin berbasis gas dan aliran udara keatas (solar updraft).

5.1 Menara Pembangkit (power tower) Berbasis Turbin Uap
Pembangkit ini bekerja dengan cara memusatkan panas matahari menggunakan ratusan cermin datar otomatis yang bisa mengikuti pergerakan matahari yang disebut heliostats. Panas matahari dipantulkan heliostats ke alat penerima panas di puncak menara. Suhu yang terkonsentrasi di penerima panas mencapai 1,350 derajat celsius atau 2.500 fahrenheit. Berikutnya, panas ini kemudian dialirkan menggunakan media, diantaranya air, gas, atau garam cair ke ketel penghasil uap. Panas akan memanaskan ketel sehingga menghasilkan uap. Berikutnya, uap digunakan menggerakkan turbin dan menghasilkan listrik. Turbin uap yang digunakan adalah turbin uap seperti yang dijumpai di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) bebasis batubara sebagai energi primer.

Dari berbagai media penyimpan dan penghantar panas, garam cair adalah yang terbaik. Ada beberapa garam cair yang digunakan, diantaranya campuran sodium nitrate, potassium nitrate and calcium nitrate, lithium nitrate, dll. Garam cair juga dapat menyimpan panas dalam jangka waktu yang lama (bisa 1 minggu) menggunakan teknologi sistem penyimpanan garam cair (molten salt storage system). Dengan teknologi ini, power tower bisa menghasilkan listrik selama 24 jam, meski cuaca mendung dan malam hari. Tingkat efisiensi sistem ini mencapai 93-97%, sangat ekonomis dibandingkan pembangkit listrik berbahan bakar lainnya. Turbin listrik berkapasitas 100 MW membutuhkan tanki penyimpan panas setinggi 9,1 meter dan berdiameter 24 meter.

Proses pembangkitan listrik dimulai dari pemanasan garam cair di alat penerima panas di puncak menara. Garam meleleh pada suhu 131 derajat selsius, dan tetap dalam kondisi cair pada suhu 290 derajat celsius didalam tanki penyimpan garam cair dingin. Garam cair di tangki penyimpan dingin dialirkan ke penerima panas sehingga suhunya naik menjadi 565 derajat celsius. Lalu, garam cair dikirim ke tanki penyimpanan panas (prinsip kerjanya seperti termos) yang tertutup rapat dan dilengkapi lapisan penahan panas. Dari tangki ini, garam cair panas dialirkan ke generator uap untuk menghasilkan uap. Uap ini lalu digunakan menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. Setelah dipakai menghasilkan uap, suhu garam cair turun menjadi sekitar 290 derajat celsius dan dialirkan ke tanki penyimpan dingin. Kemudian proses pemanasan dimulai lagi. Begitu seterusnya.

5.2 Menara Pembangkit (power tower) Berbasis Turbin Udara (Solar Updarft)
Power Tower berbasis turbin udara menggunakan turbin kaplan atau turbin yang biasa digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Karena menggunakan turbin berbasis udara, power tower jenis ini tidak membutuhkan air dan ini merupakan salah satu keunggulannya karena air merupakan SDA yang sulit didapat di lahan ekstrim.

Ada tiga bagian penting dari menara pembangkit ini, yaitu menara, kanopi, dan turbin. Menara, menara ini merupakan teknologi mesin thermal berbasis matahari. Menara berbentuk cerobong ini dapat mengubah panas menjadi energi mekanik. Proses naiknya udara panas ke puncak cerobong terjadi hal yang menjadi dasar pembangkitan listrik. Semakin tinggi menara cerobong akan semakin kuat aliran udara panasnya. Kanopi, berfungsi menangkap panas matahari dan mengalirkannya ke tempat penyimpanan panas yang dibangun dibawahnya. Penyimpanan panas menggunakan sistem penyimpanan panas bawah tanah. Jadi, kanopi harus terbuat dari alat penerima panas yang memiliki efisiensi tinggi. Turbin, berfungsi mengubah aliran udara panas menjadi listrik. Saat ini, perusahaan asal Australia EnviroMission mengumumkan akan membangun pembangkit jenis ini di California dengan kapasitas 200 MW.

5.3 Pembangkit Parabola
Memiliki kapasitas lebih kecil, sekitar 3-25 kilowat per satu parabola. Ada tiga bagian dari pembangkit ini, yaitu cermin parabola, penerima panas yang diletakkan puncak parabola, dan mesin stirling yang akan menghasilkan listrik. Cermin parabola akan memusatkan panas matahari ke penerima panas. Panas di penerima panas kemudian dialirkan dengan media ke mesin stirling. Untuk pembangkit parabola, media yang digunakan adalah hydrogen atau helium. Gas panas akan diubah menjadi listrik menggunakan mesin stirling. Mesin ini menggunakan gas panas untuk menggerakkan piston dan menciptakan tenaga mekanik.

5.4 Pembangkit Lensa Cekung
Pembangkit lensa cekung berpangku pada sistem konsentrasi linier (Linear concentrating solar power/CSP) untuk menghasilkan listrik. Ada dua teknologi dalam pembangkitan lensa cekung, yaitu sistem pengumpul parabola (parabolic trough system) dan sistem reflektor fresnel linier (linear fresnel reflector system). Untuk pembangkitan listrik menggunakan mesin uap biasa. Satu sistem besar bisa menghasilkan listrik 50-250 MW.

A Parabolic Trough System
Pada pembangkitan sistem ini, tabung penerima panas di pasang di bagian tengah lensa cekung tempat suhu matahari terkonsentrasi. Tabung penerima panas akan memanaskan media berupa air atau cairan penghantar panas lainnya. Ada tiga media yang digunakan, yaitu pelumas sintetik, garam cair, dan uap bertekanan. Media akan mengalami proses pemanasan saat melalui tabung penerima panas. Media yang sudah panas digunakan menghasilkan uap. Uap ini akan digunakan menggerakkan turbin dan menghasilkan listrik. Turbin yang digunakan adalah turbin uap biasa.

B Linear Fresnel Reflector System
Pembangkit ini menempatkan penerima panas berada yang diletakkan diatas lensa cekung. Sementara sistem pembangkitan sama dengan parabolic trough system.

6 Sumber Panas Bagi Industri
Panas matahari juga dimanfaatkan oleh industri sebagai sumber panas. Tungku matahari yang dibangun di Odeillo, Prancis, adalah salah satu contohnya. Tungku ini berhasil menangkap panas matahari dengan suhu 3.500 derajat celsius. Sistem kerjanya mirip pembangkit menara, bedanya pada tungku ini konsentrasi dari cermin kaca datar (heliostats) diarahkan kepada cermin parabola yang berfungsi mengontrasikan panas sehingga panas yang dicapai lebih tinggi. Pada pusat konsentrasi panas ditempatkan penerima panas.

Tingginya pencapaian panas dari tungku matahari ini, membuatnya bisa diaplikasikan untuk kebutuhan berbagai industri.

Dibawah ini kebutuhan panas dari Industri (dalam derajat celsius):
1.000 = pembangkit menara generasi terbaru
1.400 = . menghasilkan hidrogen dari molekul metana
Hingga 2.500 = test materi untuk pemakaian ekstrim seperti PLTN atau pesawat ruang angkasa
Hingga 3.500 = memproduksi materi nano

Berdasarkan bahan bacaan diatas, panas matahari telah digunakan oleh dunia untuk berbagai kegiatan. Negara-negara maju telah melakukan uji coba seluruh penggunaan tersebut, sementara Indonesia baru sebagian saja. Kata kuncinya adalah penguasaan teknologi, kemauan pemerintah, dan partisipasi masyarakat. Sudah sepantasnya Indonesia memiliki kemauan yang tinggi untuk menggali dan memanfaatkan panas matahari untuk membangun bangsa.

ahmad senoadi
Dari berbagai sumber.
Load disqus comments

5 comments