Energi matahari adalah segala jenis energi yang dihasilkan oleh matahari.

Energi matahari diciptakan oleh fusi nuklir yang terjadi di matahari.Fusi terjadi ketika proton atom hidrogen bertabrakan dengan keras di inti matahari dan berfusi membentuk atom helium.

Proses ini, yang dikenal sebagai reaksi berantai PP (proton-proton), mengeluarkan energi dalam jumlah besar.Pada intinya, matahari memadukan sekitar 620 juta metrik ton hidrogen setiap detik.Reaksi berantai PP terjadi di bintang lain yang seukuran matahari kita, dan memberi mereka energi dan panas yang berkelanjutan.Suhu bintang-bintang ini sekitar 4 juta derajat Kelvin (sekitar 4 juta derajat Celsius, 7 juta derajat Fahrenheit).

Pada bintang yang berukuran sekitar 1,3 kali lebih besar dari matahari, siklus CNO mendorong penciptaan energi.Siklus CNO juga mengubah hidrogen menjadi helium, namun bergantung pada karbon, nitrogen, dan oksigen (C, N, dan O) untuk melakukannya.Saat ini, kurang dari dua persen energi matahari dihasilkan oleh siklus CNO.

Fusi nuklir melalui reaksi berantai PP atau siklus CNO melepaskan sejumlah besar energi dalam bentuk gelombang dan partikel.Energi matahari terus mengalir menjauhi matahari dan ke seluruh tata surya.Energi matahari menghangatkan Bumi, menyebabkan angin dan cuaca, serta menopang kehidupan tumbuhan dan hewan.

Energi, panas, dan cahaya matahari mengalir keluar dalam bentuk radiasi elektromagnetik (EMR).

Spektrum elektromagnetik ada sebagai gelombang dengan frekuensi dan panjang gelombang berbeda.Frekuensi suatu gelombang menyatakan berapa kali gelombang itu berulang dalam satuan waktu tertentu.Gelombang dengan panjang gelombang yang sangat pendek berulang beberapa kali dalam satuan waktu tertentu, sehingga berfrekuensi tinggi.Sebaliknya, gelombang frekuensi rendah memiliki panjang gelombang yang lebih panjang.

Sebagian besar gelombang elektromagnetik tidak terlihat oleh kita.Gelombang dengan frekuensi paling tinggi yang dipancarkan matahari adalah sinar gamma, sinar X, dan radiasi ultraviolet (sinar UV).Sinar UV yang paling berbahaya hampir seluruhnya diserap oleh atmosfer bumi.Sinar UV yang kurang kuat menyebar melalui atmosfer dan dapat menyebabkan kulit terbakar.

Matahari juga memancarkan radiasi infra merah, yang frekuensi gelombangnya jauh lebih rendah.Sebagian besar panas matahari datang sebagai energi inframerah.

Diapit di antara inframerah dan UV adalah spektrum tampak, yang berisi semua warna yang kita lihat di Bumi.Warna merah memiliki panjang gelombang terpanjang (paling dekat dengan inframerah), dan ungu (paling dekat dengan UV) memiliki panjang gelombang terpendek.

Energi Matahari Alami

Efek rumah kaca
Gelombang inframerah, gelombang tampak, dan UV yang mencapai Bumi berperan dalam proses pemanasan planet dan memungkinkan adanya kehidupan—yang disebut “efek rumah kaca”.

Sekitar 30 persen energi matahari yang mencapai bumi dipantulkan kembali ke luar angkasa.Sisanya diserap ke atmosfer bumi.Radiasi tersebut menghangatkan permukaan bumi, dan permukaan tersebut memancarkan kembali sebagian energinya dalam bentuk gelombang inframerah.Saat mereka naik ke atmosfer, mereka dicegat oleh gas rumah kaca, seperti uap air dan karbon dioksida.

Gas rumah kaca memerangkap panas yang dipantulkan kembali ke atmosfer.Dengan cara ini, mereka bertindak seperti dinding kaca di rumah kaca.Efek rumah kaca ini membuat bumi cukup hangat untuk menopang kehidupan.

Fotosintesis
Hampir seluruh kehidupan di bumi bergantung pada energi matahari untuk makanannya, baik secara langsung maupun tidak langsung.

Produsen bergantung langsung pada energi matahari.Mereka menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi nutrisi melalui proses yang disebut fotosintesis.Produsen, juga disebut autotrof, termasuk tumbuhan, alga, bakteri, dan jamur.Autotrof adalah dasar dari jaring makanan.

Konsumen bergantung pada produsen untuk mendapatkan nutrisi.Herbivora, karnivora, omnivora, dan detritivora mengandalkan energi matahari secara tidak langsung.Herbivora memakan tumbuhan dan produsen lainnya.Karnivora dan omnivora memakan produsen dan herbivora.Detritivora menguraikan materi tumbuhan dan hewan dengan mengonsumsinya.

Bahan bakar fosil
Fotosintesis juga bertanggung jawab atas semua bahan bakar fosil di Bumi.Para ilmuwan memperkirakan bahwa sekitar tiga miliar tahun yang lalu, autotrof pertama berevolusi di lingkungan perairan.Sinar matahari memungkinkan kehidupan tanaman tumbuh dan berkembang.Setelah autotrof mati, mereka membusuk dan berpindah jauh ke dalam bumi, terkadang ribuan meter.Proses ini berlanjut selama jutaan tahun.

Di bawah tekanan kuat dan suhu tinggi, sisa-sisa ini menjadi bahan bakar fosil.Mikroorganisme menjadi minyak bumi, gas alam, dan batu bara.

Manusia telah mengembangkan proses untuk mengekstraksi bahan bakar fosil ini dan menggunakannya sebagai energi.Namun bahan bakar fosil merupakan sumber daya yang tidak dapat diperbarui.Mereka membutuhkan waktu jutaan tahun untuk terbentuk.

Memanfaatkan Energi Matahari

Energi surya merupakan sumber daya terbarukan, dan banyak teknologi yang dapat memanfaatkannya langsung untuk digunakan di rumah, bisnis, sekolah, dan rumah sakit.Beberapa teknologi energi surya mencakup sel dan panel fotovoltaik, energi surya terkonsentrasi, dan arsitektur surya.

Ada berbagai cara untuk menangkap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi yang dapat digunakan.Metode ini menggunakan energi matahari aktif atau energi matahari pasif.

Teknologi surya aktif menggunakan perangkat listrik atau mekanis untuk secara aktif mengubah energi matahari menjadi bentuk energi lain, paling sering panas atau listrik.Teknologi surya pasif tidak menggunakan perangkat eksternal apa pun.Sebaliknya, mereka memanfaatkan iklim setempat untuk memanaskan bangunan selama musim dingin, dan memantulkan panas selama musim panas.

Fotovoltaik

Fotovoltaik adalah salah satu bentuk teknologi surya aktif yang ditemukan pada tahun 1839 oleh fisikawan Perancis berusia 19 tahun Alexandre-Edmond Becquerel.Becquerel menemukan bahwa ketika ia menempatkan perak-klorida dalam larutan asam dan memaparkannya ke sinar matahari, elektroda platinum yang melekat padanya menghasilkan arus listrik.Proses menghasilkan listrik langsung dari radiasi matahari disebut efek fotovoltaik, atau fotovoltaik.

Saat ini, fotovoltaik mungkin merupakan cara paling umum untuk memanfaatkan energi matahari.Rangkaian fotovoltaik biasanya melibatkan panel surya, kumpulan puluhan atau bahkan ratusan sel surya.

Setiap sel surya mengandung semikonduktor, biasanya terbuat dari silikon.Ketika semikonduktor menyerap sinar matahari, ia melepaskan elektron.Medan listrik mengarahkan elektron-elektron lepas ini menjadi arus listrik, mengalir dalam satu arah.Kontak logam di bagian atas dan bawah sel surya mengarahkan arus tersebut ke objek eksternal.Objek luarnya bisa sekecil kalkulator bertenaga surya atau sebesar pembangkit listrik.

Fotovoltaik pertama kali digunakan secara luas pada pesawat ruang angkasa.Banyak satelit, termasuk Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), memiliki “sayap” panel surya yang lebar dan reflektif.ISS memiliki dua sayap susunan surya (SAW), masing-masing menggunakan sekitar 33.000 sel surya.Sel fotovoltaik ini menyuplai seluruh listrik ke ISS, memungkinkan astronot mengoperasikan stasiun tersebut, tinggal dengan aman di luar angkasa selama berbulan-bulan, dan melakukan eksperimen ilmiah dan teknik.

Pembangkit listrik fotovoltaik telah dibangun di seluruh dunia.Stasiun terbesar berada di Amerika Serikat, India, dan Cina.Pembangkit listrik ini mengeluarkan ratusan megawatt listrik, yang digunakan untuk memasok listrik ke rumah, bisnis, sekolah, dan rumah sakit.

Teknologi fotovoltaik juga dapat dipasang dalam skala yang lebih kecil.Panel dan sel surya dapat dipasang di atap atau dinding luar bangunan, memasok listrik untuk struktur tersebut.Mereka dapat ditempatkan di sepanjang jalan raya hingga jalan raya terang.Sel surya berukuran cukup kecil untuk memberi daya pada perangkat yang lebih kecil lagi, seperti kalkulator, meteran parkir, pemadat sampah, dan pompa air.

Energi Matahari Terkonsentrasi

Jenis teknologi surya aktif lainnya adalah energi surya terkonsentrasi atau tenaga surya terkonsentrasi (CSP).Teknologi CSP menggunakan lensa dan cermin untuk memfokuskan (memusatkan) sinar matahari dari area yang luas ke area yang jauh lebih kecil.Area radiasi yang intens ini memanaskan cairan, yang pada gilirannya menghasilkan listrik atau bahan bakar untuk proses lainnya.

Tungku surya adalah contoh tenaga surya terkonsentrasi.Ada berbagai jenis tungku surya, termasuk menara tenaga surya, palung parabola, dan reflektor Fresnel.Mereka menggunakan metode umum yang sama untuk menangkap dan mengubah energi.

Menara tenaga surya menggunakan heliostat, cermin datar yang berputar mengikuti busur matahari melintasi langit.Cermin disusun mengelilingi “menara kolektor” pusat, dan memantulkan sinar matahari menjadi sinar cahaya terkonsentrasi yang menyinari titik fokus menara.

Dalam desain menara tenaga surya sebelumnya, sinar matahari terkonsentrasi memanaskan wadah berisi air, yang menghasilkan uap yang menggerakkan turbin.Baru-baru ini, beberapa menara tenaga surya menggunakan natrium cair, yang memiliki kapasitas panas lebih tinggi dan menahan panas untuk jangka waktu lebih lama.Artinya, cairan tersebut tidak hanya mencapai suhu 773 hingga 1.273K (500° hingga 1.000° C atau 932° hingga 1.832° F), namun dapat terus merebus air dan menghasilkan tenaga bahkan saat matahari tidak bersinar.

Palung parabola dan reflektor Fresnel juga menggunakan CSP, tetapi bentuk cerminnya berbeda.Cermin parabola berbentuk melengkung, dengan bentuk mirip pelana.Reflektor Fresnel menggunakan cermin datar dan tipis untuk menangkap sinar matahari dan mengarahkannya ke tabung berisi cairan.Reflektor Fresnel memiliki luas permukaan lebih besar daripada palung parabola dan dapat mengkonsentrasikan energi matahari hingga sekitar 30 kali intensitas normalnya.

Pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi pertama kali dikembangkan pada tahun 1980an.Fasilitas terbesar di dunia adalah serangkaian pabrik di Gurun Mojave di negara bagian California, AS.Sistem Pembangkit Energi Surya (SEGS) ini menghasilkan lebih dari 650 gigawatt-jam listrik setiap tahunnya.Pabrik besar dan efektif lainnya telah dikembangkan di Spanyol dan India.

Tenaga surya terkonsentrasi juga dapat digunakan dalam skala yang lebih kecil.Ini dapat menghasilkan panas untuk kompor tenaga surya, misalnya.Masyarakat di pedesaan di seluruh dunia menggunakan kompor tenaga surya untuk merebus air untuk sanitasi dan memasak makanan.

Kompor tenaga surya memberikan banyak keunggulan dibandingkan tungku berbahan bakar kayu: Tidak menimbulkan bahaya kebakaran, tidak menghasilkan asap, tidak memerlukan bahan bakar, dan mengurangi hilangnya habitat di hutan tempat pepohonan akan ditebang untuk bahan bakar.Kompor tenaga surya juga memungkinkan warga desa memanfaatkan waktu untuk pendidikan, bisnis, kesehatan, atau keluarga pada waktu yang sebelumnya digunakan untuk mengumpulkan kayu bakar.Kompor tenaga surya digunakan di berbagai wilayah seperti Chad, Israel, India, dan Peru.

Arsitektur Surya

Sepanjang hari, energi matahari merupakan bagian dari proses konveksi termal, atau perpindahan panas dari ruangan yang lebih hangat ke ruangan yang lebih dingin.Saat matahari terbit, ia mulai menghangatkan benda dan material di bumi.Sepanjang hari, bahan-bahan tersebut menyerap panas dari radiasi matahari.Pada malam hari, saat matahari terbenam dan atmosfer mendingin, material tersebut melepaskan panasnya kembali ke atmosfer.

Teknik energi surya pasif memanfaatkan proses pemanasan dan pendinginan alami ini.

Rumah dan bangunan lainnya menggunakan energi matahari pasif untuk mendistribusikan panas secara efisien dan murah.Menghitung “massa termal” suatu bangunan adalah contohnya.Massa termal suatu bangunan adalah sebagian besar material yang dipanaskan sepanjang hari.Contoh massa termal suatu bangunan adalah kayu, logam, beton, tanah liat, batu, atau lumpur.Pada malam hari, massa termal melepaskan panasnya kembali ke dalam ruangan.Sistem ventilasi yang efektif—lorong, jendela, dan saluran udara—mendistribusikan udara hangat dan menjaga suhu dalam ruangan yang moderat dan konsisten.

Teknologi surya pasif sering kali terlibat dalam desain sebuah bangunan.Misalnya, dalam tahap perencanaan konstruksi, insinyur atau arsitek dapat menyelaraskan bangunan dengan jalur harian matahari untuk menerima jumlah sinar matahari yang diinginkan.Metode ini memperhitungkan garis lintang, ketinggian, dan tutupan awan khas suatu wilayah tertentu.Selain itu, bangunan dapat dibangun atau dipasang untuk memiliki isolasi termal, massa termal, atau naungan tambahan.

Contoh lain dari arsitektur surya pasif adalah atap sejuk, penghalang cahaya, dan atap hijau.Atap yang sejuk dicat putih dan memantulkan radiasi matahari, bukan menyerapnya.Permukaan berwarna putih mengurangi jumlah panas yang mencapai bagian dalam bangunan, yang pada gilirannya mengurangi jumlah energi yang dibutuhkan untuk mendinginkan bangunan.

Penghalang radiasi bekerja sama dengan atap dingin.Mereka memberikan isolasi dengan bahan yang sangat reflektif, seperti aluminium foil.Foil ini memantulkan, bukan menyerap, panas, dan dapat mengurangi biaya pendinginan hingga 10 persen.Selain atap dan loteng, penghalang radiasi juga dapat dipasang di bawah lantai.

Atap hijau adalah atap yang seluruhnya tertutup oleh tumbuh-tumbuhan.Mereka membutuhkan tanah dan irigasi untuk menopang tanaman, dan lapisan kedap air di bawahnya.Atap hijau tidak hanya mengurangi jumlah panas yang diserap atau hilang, namun juga menyediakan vegetasi.Melalui fotosintesis, tanaman di atap hijau menyerap karbon dioksida dan mengeluarkan oksigen.Mereka menyaring polutan dari air hujan dan udara, dan mengimbangi beberapa dampak penggunaan energi di ruang tersebut.

Atap hijau telah menjadi tradisi di Skandinavia selama berabad-abad, dan baru-baru ini menjadi populer di Australia, Eropa Barat, Kanada, dan Amerika Serikat.Misalnya, Ford Motor Company menutupi atap pabrik perakitannya di Dearborn, Michigan seluas 42.000 meter persegi (450.000 kaki persegi) dengan tanaman.Selain mengurangi emisi gas rumah kaca, atap juga mengurangi limpasan air hujan dengan menyerap curah hujan beberapa sentimeter.

Atap hijau dan atap sejuk juga dapat melawan efek “pulau panas perkotaan”.Di kota-kota yang sibuk, suhu bisa lebih tinggi secara konsisten dibandingkan daerah sekitarnya.Banyak faktor yang menyebabkan hal ini: Kota dibangun dari material seperti aspal dan beton yang menyerap panas;gedung-gedung tinggi menghalangi angin dan efek pendinginannya;dan limbah panas dalam jumlah besar dihasilkan oleh industri, lalu lintas, dan populasi yang tinggi.Memanfaatkan ruang yang tersedia di atap untuk menanam pohon, atau memantulkan panas dengan atap putih, sebagian dapat mengurangi kenaikan suhu lokal di wilayah perkotaan.

Energi Matahari dan Manusia

Karena sinar matahari hanya bersinar sekitar setengah hari di sebagian besar wilayah dunia, teknologi energi surya harus menyertakan metode penyimpanan energi pada saat gelap.

Sistem massa termal menggunakan lilin parafin atau berbagai bentuk garam untuk menyimpan energi dalam bentuk panas.Sistem fotovoltaik dapat mengirimkan kelebihan listrik ke jaringan listrik lokal, atau menyimpan energi dalam baterai yang dapat diisi ulang.

Ada banyak pro dan kontra dalam penggunaan energi surya.

Keuntungan
Keuntungan utama menggunakan energi surya adalah sumber daya terbarukannya.Kita akan memiliki pasokan sinar matahari yang stabil dan tidak terbatas selama lima miliar tahun ke depan.Dalam satu jam, atmosfer bumi menerima cukup sinar matahari untuk memenuhi kebutuhan listrik setiap manusia di bumi selama setahun.

Energi matahari itu bersih.Setelah peralatan teknologi surya dibangun dan dipasang, energi surya tidak memerlukan bahan bakar untuk bekerja.Ia juga tidak mengeluarkan gas rumah kaca atau bahan beracun.Penggunaan energi matahari dapat secara drastis mengurangi dampak yang kita timbulkan terhadap lingkungan.

Ada lokasi di mana energi surya praktis.Rumah dan bangunan di daerah dengan jumlah sinar matahari tinggi dan tutupan awan rendah mempunyai peluang untuk memanfaatkan energi matahari yang berlimpah.

Kompor tenaga surya merupakan alternatif terbaik dibandingkan memasak menggunakan kompor berbahan bakar kayu—yang masih diandalkan oleh dua miliar orang.Kompor tenaga surya menyediakan cara yang lebih bersih dan aman untuk mensterilkan air dan memasak makanan.

Energi matahari melengkapi sumber energi terbarukan lainnya, seperti energi angin atau pembangkit listrik tenaga air.

Rumah atau bisnis yang sukses memasang panel surya justru bisa menghasilkan listrik berlebih.Pemilik rumah atau pemilik bisnis ini dapat menjual energi kembali ke penyedia listrik, sehingga mengurangi atau bahkan menghilangkan tagihan listrik.

Kekurangan
Penghalang utama penggunaan energi surya adalah peralatan yang dibutuhkan.Peralatan teknologi surya mahal.Membeli dan memasang peralatan tersebut dapat menghabiskan biaya puluhan ribu dolar untuk setiap rumah.Meskipun pemerintah sering menawarkan pengurangan pajak kepada masyarakat dan bisnis yang menggunakan energi surya, dan teknologi ini dapat menghilangkan tagihan listrik, biaya awalnya terlalu mahal untuk dipertimbangkan oleh banyak orang.

Peralatan energi surya juga berat.Untuk melakukan retrofit atau memasang panel surya pada atap suatu bangunan, atapnya harus kuat, besar, dan berorientasi pada jalur matahari.

Teknologi surya aktif dan pasif bergantung pada faktor-faktor yang berada di luar kendali kita, seperti iklim dan tutupan awan.Daerah setempat harus dipelajari untuk menentukan apakah tenaga surya akan efektif di daerah tersebut atau tidak.

Sinar matahari harus berlimpah dan konsisten agar energi surya menjadi pilihan yang efisien.Di sebagian besar tempat di Bumi, variabilitas sinar matahari menyulitkan penerapannya sebagai satu-satunya sumber energi.