BAB II DASAR TEORI 2.1. Sel Surya Prinsip Kerja Sel Surya

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang berkaitan dengan tugas akhir yang dibuat, antara lain sel surya, maximum power point tracking, buck and boost converter, dan baterai leadacid Sel Surya Sel surya merupakan peralatan elektronik yang mampu mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Sedangkan panel surya merupakan gabungan dari beberapa modul yang tersusun dari beberapa sel surya. Sel surya terbuat dari bahan-bahan seperti monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, kadmium telurida, dan tembaga indium galium selenida [1] Prinsip Kerja Sel Surya Sel surya bekerja berdasarkan efek fotovoltaik, yaitu munculnya tegangan pada sebuah material dikarenakan terkena cahaya yang memiliki frekuensi di atas ambang batas frekuensi materi tersebut [2][3]. Energi yang dihasilkan memiliki persamaan : E = h(v v 0 ) (2.1.) dengan E = energi foton (Joule) h = konstanta Planck (6, Joule.detik) v = frekuensi cahaya v0 = frekuensi ambang logam Secara sederhana, cara kerja sel surya adalah sebagai berikut [1][2]: 1. Energi dari cahaya matahari, dalam hal ini adalah foton (energi yang terdapat dalam cahaya, dikemukakan oleh Albert Einstein, pada 1905), mengenai permukaan sel surya. 2. Foton dengan energi yang kurang energi ambang dari material sel surya akan dilewatkan, sedangkan foton dengan energi yang sama atau lebih akan diserap. 3. Energi dari elektron kemudian meningkat dan menyebabkan perpindahan elektron dari tingkat energi rendah ke tingkat energi tinggi. 4

2 4. Hal ini menyebabkan terbentuknya hole pada tempat elektron sebelumnya dan akhirnya terbentuk pasangan elektron-hole. 5. Karena sel surya merupakan p-n junction dan di antara lapisan p serta lapisan n diberi membran semipermeabel, maka elektron yang telah berpindah tingkat energinya tidak dapat kembali ke tempat semula. 6. Dengan hal tersebut, maka terdapat perbedaan potensial. Dengan pemasangan rangkaian eksternal, maka elektron akan mengalir ke tempatnya semula, hal ini menimbulkan terbentuknya arus dan tegangan pada sel surya Rangkaian Ekuivalen dari Sel Surya Sel surya dapat diganti dengan rangkain yang ekuivalen untuk memudahkan dalam analisis. Berikut adalah rangkaian yang ekuivalen dengan sel surya : dengan IL I0 Gambar 2.1. Rangkaian ekuivalen sel surya Dari rangkaian di atas, maka akan di dapat persamaan : = arus hubung singkat (A) = arus reverse saturation dioda (A) q = muatan elektron (1, C) Vd k T n Rs Rsh = tegangan dioda (V) I = I L I 0 (e q(v d +IRs) nkt = konstanta Boltzmann (8, ev/k atau 1, J/K) = suhu sel surya (K) = faktor idealitas dioda = hambatan seri (Ω) = hambatan shunt (Ω) 5 1) V+IR s R sh (2.2)

3 Karakteristik Sel Surya Gambar 2.2. Grafik keluaran V terhadap I pada sel surya [4] Dari grafik keluaran sel surya di atas, dapat dilihat bahwa sel surya memiliki beberapa hal penting, yaitu short circuit current (Isc), open circuit voltage (Voc), dan titik daya maksimal. Isc adalah arus yang mengalir melewati sel surya saat tegangan yang mengalir melewatinya adalah nol. Sedangkan Voc adalah tegangan yang mengalir melewati sel surya saat arus yang mengalir melewatinya adalah nol. Kedua hal ini merupakan titik maksimal dari keluaran sel surya. Sedangkan titik daya maksimal adalah titik di mana keluaran sel surya (tegangan dan arus) yang dihasilkan menghasilkan daya tertinggi, arus dan tegangan pada titik ini adalah Imp dan Vmp. Perbandingan antara Voc dan Isc dengan Vmp dan Imp disebut sebagai fill factor (FF). FF ini digunakan untuk mengukur kualitas dari sebuah sel surya. Sedangkan efisiensi dari sel surya dapat dituliskan dengan persamaan [5][6]: dengan η = efisiensi sel surya (%) Jenis-Jenis Sel Surya η = V mp I mp V oc I sc (2.3) 6

4 Dalam perkembangannya, sel surya terbuat dan tersusun dari berbagai macam bahan, yang kemudian dapat dikelompokkan menjadi generasi pertama, kedua, dan ketiga [7]. Generasi pertama disebut sebagai sel surya tradisional, terbuat dari crystalline silicon yang di dalamnya ada polycrystalline silicon dan monocrystalline silicon. Generasi kedua merupakan thin film solar cell. Yang merupakan sel surya generasi kedua adalah amorphous silicon, CdTe, dan CIGS. Generasi ketiga sebagian merupakan thin film solar cell yang belum dipublikasikan dan sebagiannya merupakan sel surya yang terbuat dari materi organik yang masih dalam penelitian dan pengembangan. Berikut adalah penjelasan dari beberapa jenis sel surya [6] [7]: Monocrystalline Silicon Solar Cell Monocrystalline silicon biasa disebut silikon kristal tunggal, Si kristal tunggal, mono c- Si, atau mono-si. Selain digunakan untuk sel surya, silikon jenis ini banyak digunakan dalam peralatan elektronik untuk chip. Sel surya jenis ini dibuat dari silikon yang setiap kisinya tidak terputus dan bentuknya seragam. Pembuatan dari sel surya ini menggunakan silikon murni maupun didoping. Gambar 2.3. Panel surya Mono-Si [8] Polycrystalline Silicon Solar Cell Polycrystalline silicon atau polysilicon atau poly-si, memiliki tingkat kemurnian silikon yang cukup tinggi. Kristal yang terbentuk adalah polikristal dan proses pemurniannya dengan proses Siemens. Bentuk dari kristal sel surya jenis ini acak, arahnya tidak teratur, dan ukurannya tidak seragam. 7

5 Gambar 2.4. Panel surya Poli-Si [9] Amorphous Silicon Solar Cell Amorphous silicon (a-si) merupakan wujud non-kristal dari silikon. Jenis silikon ini banyak digunakan dan dikembangkan untuk sel surya jenis thin film. Sel surya ini dibuat dengan mengendapkan silikon sehingga membentuk lapisan yang tipis, sekitar 1 mikrometer. Endapan silikon ini dapat dibuat dengan suhu rendah, sekitar 75 C. Gambar 2.5. Lapisan sel surya a-si [10] 8

6 Gambar 2.6. Panel surya a-si [11] Cadmium Telluride (CdTe) Sel surya jenis ini tidak dibuat dengan silikon, melainkan kadmium telurida. Walaupun kadmium merupakan bahan yang sangat beracun, akan tetapi kadmium telurida tidak terlalu beracun seperti kadmium. Memiliki keunggulan biaya pembuatan lebih rendah dibanding dengan silikon dalam tingkat sistem multi kilowatt. 9

7 Gambar 2.7. Lapisan sel surya CdTe [12] Gambar 2.8. Panel surya CdTe [13] Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) CIGS atau CI(G)S atau CIS adalah sel surya yang dibuat dengan mengendapkan lapisan tipis dari tembaga, indium, galium, dan selenida pada kaca, logam, maupun plastik dengan elektroda pada bagian depan dan belakangnya. Sel surya ini memiliki keuntungan ringan dan fleksibel. 10

8 Gambar 2.9. Panel surya CIGS [14] 2.2. Maximum Power Point Tracking Maximum power point tracking (MPPT) merupakan cara yang digunakan untuk memaksimalkan energi keluaran dari sumber daya listrik, seperti panel surya. MPPT diperlukan dalam panel surya karena keluaran dari panel surya tidaklah linear. Hal ini disebabkan oleh adanya perubahan intensitas cahaya matahari dan suhu yang tidak tetap tiap saatnya [6]. Cara kerja dari MPPT adalah mencari titik kerja maksimal dan mempertahankan keluarannya agar bekerja di titik maksimal tersebut. Terdapat 19 metode MPPT dengan metode yang berbeda untuk memaksimalkan daya keluaran. Metode-metode itu antara lain [15]: 11

9 MPPT Methods PV Array Dependent? Tabel 2.1. Metode-Metode MPPT Beserta Kriterianya True MPPT? Analog or Digital? Periodic Tuning Convergence Speed Implementation Complexity Sensed Parameter P&O No Yes Both No Varies Low Voltage, Current IncCond No Yes Digital No Varies Medium Voltage, Current Fractional Voc Yes No Both Yes Medium Low Voltage Fractional Isc Yes No Both Yes Medium Medium Current Fuzzy Logic Control Yes Yes Digital Yes Fast High Varies Neural Network Yes Yes Digital Yes Fast High Varies RCC No Yes Analog No Fast Low Voltage, Current Current Sweep Yes Yes Digital Yes Slow High Voltage, Current DC Link Capacitor Droop Control No No Both No Medium Low Voltage Load I or V Voltage, No No Analog No Fast Low Maximization Current dp/dv or dp/di Voltage, No Yes Digital No Fast Medium Feedback Control Current Array Reconfiguration Linear Current Control Yes No Digital Yes Slow High Voltage, Current Yes No Digital Yes Fast Medium Irradiance

10 Impp & Vmpp Irradiance, Yes Yes Digital Yes N/A Medium Computation Temperature State-based MPPT Yes Yes Both Yes Fast High Voltage, Current OCC MPPT Yes No Both Yes Fast Medium Current BFV Yes No Both Yes N/A Low None LRCM Yes No Digital No N/A High Voltage, Current Slide Control No Yes Digital No Fast Medium Voltage, Current

11 Pada tugas akhir ini digunakan MPPT metode perturb and observe (P&O). Metode ini sering digunakan karena tingkat kekompleksan algoritma yang rendah, sehingga memudahkan dalam penerapannya. Akan tetapi, metode ini juga memiliki kekurangan, yaitu dapat dengan mudahnya kehilangan jejak titik maksimum saat perubahan dari penyinaran berganti-ganti dengan cepat. Hal ini dikarenakan ketika terjadi perubahan sinar matahari secara cepat, P&O berosilasi di sekitar daerah MPP. Sebelum menemukan MPP, P&O akan selalu berpindah-pindah di sekitar titik MPP. Hal ini mengurangi efisiensi dari algoritma P&O [16][17]. Metode ini menggunakan perubahan data dari tegangan dan daya dari panel surya. Kemudian, perubahan tegangan dan daya yang dihasilkan untuk mengubah tegangan referensi (hal ini dinamakan perturbation). Berikut adalah tabel perubahan dari perturbation dan daya. Tabel 2.2. Data Perubahan Perturbation dan Daya Perturbation Perubahan Daya Perturbation Selanjutnya Positif Positif Negatif Negatif Positif Negatif Positif Negatif Positif Negatif Negatif Positif Dari tabel di atas, dapat diketahui bahwa saat perubahan tegangan dan dayanya positif, maka perturbation selanjutnya juga positif. Hal ini menunjukkan daya pada saat tersebut masih belum maksimal, sehingga diperlukan penambahan pada tegangan referensi untuk menambah dayanya. Kemudian, pada saat perubahan tegangannya positif, sedangkan perubahan dayanya negatif, maka perturbation selanjutnya adalah negatif. Hal ini dikarenakan daya maksimal sudah dilewati, sehingga diperlukan penurunan tegangan referensi guna meningkatkan daya ke titik maksimalnya. Selanjutnya, ketika perubahan tegangannya negatif, akan tetapi perubahan dayanya positif, hal ini menunjukkan daya maksimal sudah dilewati. Oleh sebab itu, diperlukan perturbation negatif untuk kembali ke titik maksimalnya. Ketika perubahan tegangan dan dayanya negatif, perturbation selanjutnya adalah positif. Hal ini ditujukan untuk meningkatkan daya yang mengalami penurunan dari titik maksimalnya. Dari keterangan tersebut, akan didapat diagram alir sebagai berikut : 14

12 MULAI Po = 0 Vo = 0 Ambil data Vsp dan Isp YA Psp = Vsp * Isp ΔP = 0? TIDAK TIDAK ΔP > 0? YA ΔV > 0? ΔV > 0? YA Turunkan tegangan referensi TIDAK TIDAK Naikkan tegangan referensi YA Gambar Diagram alir algoritma MPPT-P&O 2.3. Buck and Boost Converter Buck and boost converter merupakan konverter tegangan DC ke DC yang dapat mengubah tegangan sumber menjadi lebih tinggi (boost) maupun lebih rendah (buck). Buck and boost converter merupakan konverter bertipe SMPS (switching-mode power supply), yaitu power supply yang menggunakan pengaturan penyaklaran untuk mengubah daya secara lebih efisien. Dalam tugas akhir ini digunakan LM2577 dan LM2596 sebagai buck and boost converter. Kedua IC ini bekerja dengan prinsip yang sama, yaitu dengan penyaklaran pada bagian dalam IC dengan frekuensi yang berbeda-beda. Ditambah dengan komponen eksternal, maka akan didapat keluaran yang dapat disesuaikan. Berikut 15

13 adalah perhitungan untuk menentukan komponen eksternal dari LM2577 dan LM2596 [18][19]: Boost Converter, LM2577 LM2577 adalah boost converter dengan osilator 52 khz sebagai frekuensi penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan : Gambar IC LM2577 [20] Gambar Rangkaian boost converter dengan IC LM2577 [18] Penentuan arus beban maksimal, Iload,max Batasan dari arus beban yang dapat diterima oleh LM2577 adalah dengan syarat V out 60 V I load,max 2,1A V in,min V out (2.3) V out 10 V in,min 16

14 Induktansi, L dengan Vf Untuk mencari nilai L, pertama kali tentukan nilai maksimum dari duty cycle. D max = V out+v f V in,min V out +V f 0,6 V = 0,5 V untuk dioda Schottky dan 0,8 V untuk lainnya Selanjutnya, cari kode L dari perpotongan nilai E T dan Iind,DC. E T = D max (V in,min 0,6 V) Hz (2.4) V μs (2.5) I ind,dc = 1,05 I load,max 1 D max (2.6) Gambar Grafik untuk mencari kode induktor [18] Jika nilai Dmax < 0,85, maka dari kode dapat dicari nilai L dengan tabel : 17

15 Tabel 2.3. Kode Induktor Jika Dmax 0,85, maka nilai L minimal dicari dengan : Rc, Cc, dan Cout L min = 6,4.(V in,min 0,6 V).(2.D max 1) 1 D max μh (2.7) Besarnya nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ dan dapat dihitung dengan : R c 750 I load,max V out 2 V in,min 2 (2.8) Nilai minimum Cout didapat dari hasil tertinggi antara : dan C out 0,19 L R c I load,max V in,min V out (2.9) Nilai Cc didapat dengan : C out V in,min R c (V in,min +L 3, ) V out 3 (2.10) C c 58,5 V out 2 C out R c 2 Vin,min (2.11) Agar saat sirkuit dapat mulai dengan baik, diperlukan Cc 0,22 µf R1 dan R2 dengan Vref Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari boost converter. = 1,23 V V out = V ref (1 + R1 R2 ) (2.12) 18

16 Dioda, D Nilai dioda didapat dari tabel : Tabel 2.4. Jenis Dioda Buck Converter, LM2596 LM2596 adalah buck converter dengan osilator 150 khz sebagai frekuensi penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan : Gambar IC LM2596 [21] 19

17 R1 dan R2 dengan Vref Gambar Rangkaian buck converter dengan IC LM2596 [19] Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari buck converter. = 1,23 V Induktansi, L V out = V ref (1 + R2 R1 ) (2.13) Untuk mencari nilai L, pertama kali dihitung nilai Volt microseconds dengan persamaan : dengan Vsat Vd = 1,16 V = 0,5 V E T = (V in V out V sat ) Vout+Vd 1000 (V μs) (2.14) Vin Vsat+Vd 150 khz Setelah nilai Volt microseconds didapat dan arus beban maksimal ditentukan, maka kode induktor dapat ditentukan dengan : 20

18 Gambar Grafik untuk mencari kode induktor [19] Setelah kode induktor ditemukan, maka nilai induktor dapat diketahui dengan : Tabel 2.5. Kode Induktor 21

19 Kapasitor keluaran, Cout Kapasitor keluaran dapat diketahui dari tabel berikut : Tabel 2.6. Nilai Kapasitor Keluaran Kapasitas tegangan dari kapasitor minimal adalah 1,5 kali dari tegangan keluaran buck converter. Selain itu, peletakan kapasitor ini harus dekat dengan IC Kapasitor feedforward, Cff Nilai Cff dapat dilihat dari Tabel Dioda, D Untuk mencari dioda yang tepat, pertama arus yang mampu dilewatkan dioda memiliki besar minimal 1,3 kali arus beban, kedua tegangan balik dioda minimal 1,25 kali dari tegangan maksimal masukan. Peletakan dioda juga harus dekat dengan IC. Berikut adalah tabel jenis dioda yang dapat digunakan : Tabel 2.7. Jenis Dioda 22

20 Kapasitor masukan, Cin Kapasitor yang digunakan untuk masukan adalah kapasitor dengan tegangan kapasitor minimal 1,5 kali tegangan masukan dan arus 0,5 kali arus beban. Setelah itu, besarnya kapasitor dapat dicari dengan melihat Gambar Gambar Grafik untuk mencari besarnya kapasitor masukan 2.4. Baterai Lead-Acid Baterai adalah peralatan yang mampu mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu anoda, katoda, dan elektrolit. Anoda merupakan kutub negatif dari baterai yang memberi elektron ketika terhubung dengan rangkaian eksternal. Katoda merupakan kutub positif dari baterai yang menerima elektron ketika terhubung dengan rangkaian eksternal. Sedangkan elektrolit merupakan penghantar antara katoda dan anoda saat ion terbentuk [22]. Secara umum, baterai dibedakan berdasar kemampuannya untuk diisi ulang secara elektrik. Terdapat dua jenis baterai baterai, yaitu baterai primer dan sekunder. Baterai primer merupakan baterai yang tidak dapat diisi ulang ketika sudah tidak dapat 23

21 menghasilkan energi listrik. Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang ketika sudah tidak dapat menghasilkan listrik [22][23]. Baterai lead-acid merupakan jenis baterai sekunder. Listrik dari baterai lead-acid dihasilkan dari reaksi kimia [23]: Elektoda Positif PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H + + 2e PbSO 4 + 2H 2 O (2.15) Elektoda Negatif Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + 2H + + 2e (2.16) Reaksi Total PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O (2.17) Ketika proses pengisian berlangsung, konsentrasi asam sulfat meningkat dan konsentrasi maksimalnya adalah saat baterai terisi penuh. Sedangkan pada proses pengosongan, hal sebaliknya berlangsung. Metode pengisian dari baterai lead-acid adalah menggunakan tegangan 2,3 volt hingga 2,4 volt untuk tiap selnya [22]. 24