Seminar Nasional Sains dan Teknologi (Senastek),Denpasar Bali 2015 PENGARUH KETINGGIAN PANEL SURYA TERHADAP DAYA LISTRIK UNTUK MENEKAN PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK Cokorde Gede Indra Partha 1), I Wayan Arta Wijaya 2), I Gusti Ngurah Janardana 3), I Nyoman Budiastra 4) 1,2,3,4 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung, Telp/Fax: 0361 703315, cokindra@ee.unud.ac.id Abstrak Energi matahari dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif yang potensial karena energinya yang sangat besar serta ramah lingkungan. Alat yang dapat dapat digunakan untuk mengkonversi secara langsung cahaya matahari menjadi listrik disebut photovoltaic. Cell Photovoltaics atau Panel Surya telah banyak dikembangkan baik dlam bidang keilmuan maupun teknologi. Photovoltaic ini memberikan penggunaan energi yang terbaharukan yang dapat digunakan dalam pemakaian energi dalam gedung sebagai sumber listrik yang ramah lingkungan. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa dengan menempatkan ketinggian yang berbeda menghasilkan efisiensi yang berbeda. Makin tinggi tempat suatu daera maka suhu udara semakin menurun. Penurunan suhu ini berpengaruh terhadap penurunan suhu permukaan panel. Makin rendah suhu permukaan, maka tegangan rangkaian terbuka panel surya makin meningkat, sedangkan arus hubung singkat semakin naik. Daya keluaran dari panel surya akan meningkat dengan naiknya suhu permukaan, demikian juga dengan effisiensi panel surya, pada suhu yang lebih tinggi maka efisiensi juga meningkat. Kata kunci: energi matahari, photovoltaic, panel surya, suhu, efisiensi Abstrak Due to its huge power and environmental-friendly, solar energy is potential to be used as an alternative energy source. Generally, a device named photovoltaic is used to convert directly the sunlight to become electricity. Photovoltaic cell has been widely developed for education and for practice as well. One of the Photovoltaic implementation is when it is used to provide an environment-friendly renewable energy for indoor purpose. In this paper, the relationship between the height of the photovoltanic cell surface and the reduction of the electric energy inside a building was studied. The results of this research show that different height placement of a photovoltaic cell produces different efficiency. The higher the photovoltaic cell is placed the lower the air temperature be.therefore, this air temperature decrement affects the photovoltaic cell surface temperature. The lower the surface temperature the higher the open circuit voltage of the photovoltaic cell, with the short circuit current also increases. Meanwhile, the output power of the photovoltaic cell will increase as the photovoltaic cell surface temperature increases. For the photovoltaic cell efficiency likewise, the higher the temperature the efficiency increases as well. Keywords: solar energy, photovoltaic, photovoltaic cell, temperature, efficiency 1. PENDAHULUAN Melihat letak Geografis Indonesia pada daerah khatulistiwa yang sangat potensial, yang mengakibatkan intensitas radiasi matahari yang bisa dimanfaatkan cukup merata sepanjang tahun. Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, sumber energi surya di Indonesia memiliki intensitas rata-rata sekitar 4.8 kwh/m2/hari. Provinsi Bali mempunyai kapasitas energi surya di atas rata-rata. Dengan intensitas sinar matahari di Provinsi Bali sangat baik maka energi matahari sangat tepat dimaanfaatkan sebagai energi alternative. Salah satu kelebihan dari energi matahari adalah, energi yang diperbaharui, tidak menyebabkan polusi udara, tersedia hampir di mana-mana dan terus-menerus sepanjang tahun.
2 Dalam penelitian ini akan diteliti penempatan panel sel surya dengan ketinggian tertentu untuk mendapatkan keluaran listrik yang optimal. Pemakaian panel sel surya umumnya diletakkan dengan ketinggian tertentu dengan tanpa memperhatikan pengaruh suhu dan shading/bayangan yang menutupi beberapa sel photovoltaic. 2. PUSTAKA Kenaikan Suhu mengakibatkan Tegangan rangkaian terbuka (V oc ) turun, namun arus hubung singkat (I sc ) meningkat. Kenaikan suhu adalah akibat dari kenaikan irradiance, dimana tiap kali irradiance meningkat maka variabel yang lain seperti suhu, arus dan tegangan juga ikut meningkat sehingga dengan sendirinya apabila irradiance meningkat maka daya keluarannya juga meningkat. Semakin meningkatknya suhu juga akan meningkatkan efisiensi. Efisiensi tertinggi dicapai pada pengujian menggunakan reflektor sudut 70 o yaitu sebesar 15,65% dengan suhu 46,41 o C. (Mohamad dan E. Yohana, 20). Tiap kali irradiance meningkat, maka variabel yang lain seperti suhu, arus dan tegangan juga ikut meningkat sehingga daya keluarannya juga meningkat. Intensitas cahaya matahari mempengaruhi karakteristik arus-tegangan pada sel surya. Pengaruh intensitas cahaya matahari terhadap arus yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan tegangan terminalnya hal ini yang menyebabkan daya berbanding lurus terhadap suhu. Efisiensi dari sel surya terbilang rendah antara 18-22% saat mendapatkan energi maksimal dari matahari, sehingga untuk menambahkan nilai effisiensinya dibutuhkan piranti pemantul. Sedangkan untuk menjaga agar sel surya mendapat cahaya yang maksimal dibutuhkan perangkat penjejak matahari. Penambahan penjejak matahari dan pemantulan cahaya matahari dapat meningkatkan intensitas cahaya yang diterima oleh panel surya, sehingga daya rata-rata yang dihasilkan bisa meningkat 17.93% (D. Susilo, 20). 2.1. Panel Surya Panel surya atau sel photovoltaic adalah suatu alat semikonduktor yang menkonversi foton (cahaya) ke dalam listrik. Konversi ini disebut efek photovoltaic, dengan kata lain efek photovoltaic adalah fenomena dimana suatu sel photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi listrik. Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu fenomena munculnya voltase listrik akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan atau cairan saat diexpose dibawah energi cahaya. Jenis-jenis solar cell seperti Single crystalline (Gallium Arsenide Cell dan Cadmium Sulfide Cell), Polycrystalline cell (efisiensi -%), Amorphous Silikon Cell (efisiensi sekitar 4-6%), Copper indium diselenide (CIS) cells (efisiensi 9-%) dan Cadmium telluride (CdTe) cells (efisiensi 1-8,5%). 2.2. Potensi Matahari Indonesia merupakan daerah tropis dengan luas daratan sekitar 2 juta Km 2. Rata-rata matahari memancarkan energi sebesar 00 Watt/m 2 saat cuaca cerah ke permukaan bumi. Saat ini pemanfaatan energi surya merupakan salah satu hal yang sedang giat dikembangkan oleh pemerintah Indonesia khususnya di Bali. Umur pemakain pada panel surya panjang kurang lebih 20 tahun. 2.3. Daya Panel Surya Daya panel surya sangat tergantung dari intensitas radiasi matahari (I r ). Intensitas radiasi matahari ini menentukan besarnya daya dari energi sumber cahaya yang sampai pada seluruh permukaan sel surya. Daya Input (P in ) panel surya dapat ditentukan dari persamaan berikut = Daya input panel surya (Watt) = Intensitas radiasi Matahari (watt/m 2 ) =. (1)
3 A = luas permukaan panel surya (m 2 ) Untuk daya output (P out ) didapat persamaan: =. (2) = Daya outpot panel surya (Watt) = Tegangan rangkaian terbuka (Volt) = Arus hubung singkat (Ampere) FF = Fill Factor Fill Factor (faktor pengisi/ff) merupakan nilai rasio V dan I pada keadaan daya maksimum dan tegangan rangkaian terbuka (V oc ) dengan arus hubung singkat (I sc ), sehingga didapat: V max = Tegangan saat panel surya mencapai maksimum (volt) I max = Arus saat panel surya mencapai maksimum (ampere) V oc = Tegangan rangkaian terbuka panel surya (volt) = Arus hubung singkat panel surya (ampere) I sc = Untuk suatu luasan pada panel surya, persamaan fill factor pada karakteristik V-I, maka harga fill factor dapat merupakan fungsi V oc. Secara empiris hubungan fill factor dengan V oc adalah: = (. ) (3) 2.4. Efisiensi Panel Surya Intensitas radiasi matahari yang diterima oleh panel surya dapat diubah menjadi energi listrik. Semakin besar intensitas matahari yang diserap maka semakin besar energi listrik yang dihasilkan. Konversi intensitas radiasi matahari menjadi energi listrik ini mempunyai nilai efisiensi. Efisiensi keluaran maksimum didefinisikan sebagai prosentase daya keluaran optimum dari intensitas radiasi matahari tersebut, sehingga didapat persamaan: = Efisiensi Sel Surya (%) P out = Daya yang dibangkitkan panel surya (watt) P in = Daya yang diterima akibat radiasi matahari (watt) = % (4) 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN Penelitian ini bertujuan: 1. Mengetahui seberapa besar daya yang dihasil oleh panel surya jika diletakan pada daerah daerah dengan ketinggian yang berbeda-beda. 2. Bagaimana karakteristik Pengaruh suhu permukaan panel surya terhadap arus hubung singkat dan tegangan rangkaian terbuka 3. Seberapa besar efisiensi panel surya terhadap perubahan suhu permukaan panel tersebut. Sedangkan manfaat dari ini adalah : 1. Masyarakat dapat mengetahui efisiensi dari panel surya terhadap suhu lingkungannya 2. Daya panel surya dapat langsung digunakan untuk aplikasi beberapa peralatan yang sesuai dengan spesifikasi panel surya
4 4. METODE PENELITIAN 1. Menentukan panel surya PV yang akan digunakan penelitian ini. 2. Menentukan daerah lokasi penepatan penempatan panel surya. 3. Mengukur intensitas radiasi matahari dan luas permukaan panel surya untuk mendapatkan daya input dengan persamaan. 4. Pengukuran suhu/temperatur pada panel surya 5. Mengukur keluaran Tegangan rangkaian terbuka (V oc ) dan Aus hubung singkat (I sc ) pada output panel surya.. 6. Menghitung efisiensi Panel Surya. % START 1. Data Panel Surya, Lokasi Penempatan Panel Surya 2. Penempatan Ketinggian Panel Surya 3. Bayangan/Shading 4. Pengukuran Suhu, Tegangan dan Arus 5. Analisa Efisiensi 6. Kesimpulan STOP Gambar 1. Alur Analisis
5 5. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian dilakukan dengan mengambil dua tempat dengan ketinggian yang berbeda. Pada penelitian ini lokasi yang dipilih adalah lokasi yang berdekatan dengan rumah penduduk dan memungkinkan nantinya ditempatkan pemasangan panel surya. Lokasi yang dipilih adalah daerah dengan ketinggian berkisar dari 0 sampai 500 Meter di atas permukaan laut, Daerah penelitian yang dipilih adalah daerah kota Denpasar dan Kabupaten Tabanan. 5.1. Panel Surya Panel surya yang digunakan dalam penelitian ini adalah panel surya dengan jenis monocrytalline karena mempunyai effisiensi yang paling besar maksimum 18% bentuknya ditunjukan pada gambar 3. Jenis ini sangat cepat perubahan daya keluarannya jika ada yang menutupi/menghalagi permukaannya. Panel surya monocrytalline yang diuji dalam penelitian ini dengan spesifikasi teknis sebagai berikut: Merk : Sseries Module type : SP-50-M36 Rated Max. Power (Pmax) : 50 Watt Current at Pmax (Imp) : 2.85A Voltage at Pmax (Vmp) : 17,4 V Short Circuit Current (Isc) : 3.04 A Open Circuit Voltage (Voc) : 22.4 V Gambar 3. Panel Surya Monocrystalline Pada gambar 4. Menunjukan peralatan-peralatan serta pengambilan data pada panel surya. Gambar a. Pengukuran Arus dan tegangan Gambar b. Pengukuran Suhu Gambar 4. Peralatan dan proses pengambilan data
6 5.2. Data Pengukuran Suhu, Arus Short Circuit dan Tegangan Open Circuit pada Panel Surya. Data hasil Pengukuran suhu, arus short circuit, serta tegangan open circuit untuk daerah Renon, Denpasar dengan ketinggian 22 meter (I) dan desa Mangesta, Tabanan dengan ketinggian 457 meter (II). Hasil pengukuran tesebut ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1. Pengukuran suhu, arus (I sh ) dan tegangan (V oc ) Jam Suhu ( o I C) sh Arus short circuit (A) V oc Tegangan open circuit (V) I II I II 44.8 1.45 1.35 20.2 21.4 :15 45.6 1.64 1.37 20.2 21.1 50.2 1.78 1.58 20.1 19.9 :45 50.4 1.92 1.67 19.8 19.9 52.8 1.96 1.88 19.8 19.9 :15 52.8 2.07 1.96 19.8 20.1 53.2 2. 1.98 19.7 20.1 :45 53.2 2.22 2. 19.7 20.1 53.9 2.36 2.19 19.7 20.1 :15 55.5 2.38 2.22 19.7 20.2 55.5 2.49 2.35 19.7 20.2 :45 55.8 2.64 2.47 19.7 20.2 54.5 2.73 2.57 19.8 20.2 :15 53.7 2.63 2.57 19.8 20.3 52.4 2.58 2.57 19.8 20.1 :45 50.9 2.54 2.54 19.8 20.0 48.7 2.59 2.54 20.0 20.1 :15 48.1 2.54 2.51 20.0 20.1 47.8 2.56 2.53 20.0 20.3 :45 47.8 2.52 2.41 20.2 20.4 47.2 2.25 2.19 20.2 20.5 :15 46.8 2.24 2. 20.4 20.5 46.2 2.03 2.01 20.4 20.5 :45 45.7 1.59 1.45 20.4 20.5 15 40.5 1.20 1. 20.4 20.5 5.3. Pengaruh Ketinggian terhadap Suhu Permukaan Panel Surya Perbedaan temperatur udara yang disebabkan adanya perbedaan tinggi rendah suatu daerah disebut amplitudo. Pada gambar 2. ditunjukkan perubahan suhu permukaan akibat naiknya intensitas radiasi matahari untuk daerah dengan ketinggian 22 meter serta ketinggian 457 meter dari atas permukaan laut. 60 50 40 30 20 0 15 Suhu (22 mtr) Suhu (457 mtr) Gambar 2. Pengaruh ketinggian pada suhu maksimum permukaan panel surya
7 5.4. Pengaruh Suhu permukaan panel surya terhadap Tegangan rangkaian terbuka Dari data suhu dan tegangan rangkaian terbuka maka pada gambar 3. dapat dilihat bahwa kenaikan suhu terhadap tegangan rangkaian terbuka mempunyai trend yang terus menurun sedikit (pada suhu yang sama). 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 Gambar 3 Pengaruh suhu panel surya terhadap Tegangan rangkaian terbuka (V oc ) 5.5. Pengaruh Suhu Permukaan Panel Surya terhadap Arus hubung singkat Dari data suhu dan arus hubungan singkat maka pada gambar 4. dapat dilihat bahwa kenaikan suhu permukaan panel surya terhadap arus hubung singkat cenderung meningkat. 15 Voc (22mtr) Voc (507mtr) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 15 Isc (22mtr) Isc (507mtr) Gambar 4. Pengaruh suhu permukaan panel surya terhadap arus hubung singkat (I sc ) 5.6. Pengaruh Suhu Permukaan Panel Surya terhadap Efisiensi Perubahan suhu permukaan ini juga mengakibatkan berubahnya efisiensi dari panel surya. Dari gambar 5 ditunjukan efisiensi teringgi pada daerah dengan suhu lingkungan yang lebih tinggi dengan efisiensi sebesar.4958 %. 20.0000 15.0000.0000 5.0000 Eff % 22 mtr Eff % 507 mtr 0.0000 15 Gambar 5. Pengaruh suhu permukaan panel surya terhadap effisiensi (%)
8 6. RENCANA TAHAP BERIKUTNYA Dalam penelitian selanjutnya energi yang dihasilkan oleh panel surya langsung di hubungkan dengan sistem yang sudah ada (on-grid) seperti gambar 5. untuk meminimalisir rugi-rugi daya. Gambar 5. Sistem On-Grid 7. KESIMPULAN DAN SARAN Semakin tinggi penempatan panel surya, suhu permukaan panel surya akan menurun, mengakibatkan Arus hubung singkat menurun, sedangkan tegangan rangkaian terbuka akan naik dan daya keluarannya semakin menurun. Daya keluaran maksimum didapat pada daerah dengan dataran rendah dengan suhu yang lebih tinggi. Energi listrik yang dihasilkan dari panel surya dapat digunakan sebagai energi alternatif yang tak terbatas. Energi ini lebih efisien jika dihubungkan dengan jaringan yang sudah ada (sistem on-grid). Ucapan Terimakasih Om Swastyastu puji syukur kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa, karena atas segala limpahan berkat dan Rahmat-Nya, sehingga penelitian ini terlaksana dengan baik. Bersama ini pula kami ucapkan terimakasih kepada tim penelitian serta seluruh khalayak yang telah mensukseskan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA D Susilo, Rusminto Tj.W., A Indra G., (20) Peningkatan Daya Keluaran Sel Surya dengan Penjejak Matahari dan Pemantulan Cahaya Matahari sebagai Sumber Daya Pendukung Perusahaan Listrik Negara (PLN) PENS, Surabaya Duffie, A William, William A Beckman. (2008). Solar Engineering Of Thermal Processes. John Wiley & sons. Newyork Lotsch, H.K.V. (2005). Photovoltaic Solar Energy Generation.Springer.Berlin Lorenzo, Eduardo. (1994). Solar Electricity, Engineering of Photovoltaic Systems. Institute of Solar Energy. Polytechnic University of Madrid. Markvart, Thomas. (2000). Solar Electricity. John wileys & sons, LTD. United Kingdom. Messenger, R A., Ventre, J. (2004). Photovoltaic Systems Engineering Second Edition. CRC Press LL Mohamad dan E. Yohana., (20) Pengaruh Suhu Permukaan Photovoltaic Module 50 Watt Peak terhadap Daya Keluaran yang Dihasilkan menggunakan Reflektor dengan Variasi Sudut Reflektor 0 o, 50 o, 60 o,70 o,80 o, Univ. Diponogoro Rashid, H.M., (1999), Power Electronics Circuits, Devices, and Applications. New Delhi Prentice Hall. Sen, Zekai. (2008). Solar Energy Fundamentals And Modeling Techniques. Springer. Istanbul