4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Defenisi Umum Solar Cell Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi untuk mengubah atau mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung. Photovoltaic biasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut modul. Dalam sebuah modul surya terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun secara seri maupun paralel. Sedangkan yang dimaksud dengan surya adalah sebuah elemen semikonduktor yang dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik atas dasar efek photovoltaic. Solar cell mulai popular akhir-akhir ini, selain mulai menipisnya cadangan enegi fosil dan isu global warming. energi yang dihasilkan juga sangat murah karena sumber energi (matahari) bisa didapatkan secara gratis. 2.1.1. Jenis-jenis Panel Surya Berdasarkan jenis bahan dalam pembuatannya panel surya dibagi menjadi empat jenis yaitu monokristal, polikristal, amourphous dan coumpound atau gallium arsenide. 2.1.1.1 Monokristal Sel surya yang terdiri atas p-n junction monokristal silikon atau yang disebut juga monocrystalline photovoltaic, mempunyai kemurnian yang tinggi yaitu 99,999%. Efisiensi sel fotovoltaik jenis silikon monokristal mempunyai efisiensi konversi yang cukup tinggi yaitu sekitar 15 sampai 20%.
5 Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan. Sel surya jenis ini jika disusun membentuk solar modul (panel surya) akan menyisakan banyak ruangan yang kosong karena sel surya seperti ini umumnya berbentuk segi enam atau bulat, sehingga memiliki tingkat kerapatannya yang rendah. Bisa saja produsen membuat bentuk persegi dengan proses pemotongan tetapi kerugian proses produksi tentu menjadi lebih besar dan menjadikan harga jauh lebih mahal lagi. Seperti terlihat pada gambar berikut. Gambar 2.1. Monokristal Keterangan gambar: 1. Batangan kristal silikon murni. 2. Irisan kristal silikon yang sangat tipis. 3. Sebuah sel surya monokristal yang sudah jadi. 4. Sebuah solar cell monokristal yang berisi susunan sel surya monokristal. Nampak area kosong yang tidak tertutup karena bentuk sel surya jenis ini. (Legenda, Sanford. 2011)
6 2.1.2. Prinsip Kerja Solar Cell Pembangkit listrik tenaga surya itu konsepnya sederhana yaitu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi dari sumber daya alam. Sumber daya alam matahari ini sudah banyak digunakan untuk mensuplai daya listrik di satelit komunikasi melalui solar cell. Solar cell ini dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang berputar dan tidak memerlukan bahan bakar. Sehingga sistem solar cell sering dikatakan bersih dan ramah lingkungan. Panel solar cell merupakan modul yang terdiri beberapa solar cell yang digabung dalam hubungkan seri dan paralel tergantung ukuran dan kapasitas yang diperlukan. Yang sering digunakan adalah modul solar cell 20 watt. Modul solar cell itu menghasilkan energi listrik yang proporsional dengan luas permukaan panel yang terkena sinar matahari. Solar cell terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari solar cell. Solar cell pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Tiap solar cell biasanya menghasilkan tegangan 0,5 volt. Solar cell merupakan elemen aktif (Semikonduktor) yang memanfaatkan efek photovoltaic untuk merubah energi surya menjadi energi listrik. Berikut adalah diagram kerja solar cell pada gambar 2.1.
7 Gambar 2.2. Diagram Kerja Solar Cell Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per cm 2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.
8 Gambar 2.3. Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output. Pada solar cell terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis P (positif) dan semikonduktor jenis N (negatif). Semikonduktor jenis negatif dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain (umumnya posfor) dalam batasan bahwa material tersebut dapat memberikan suatu kelebihan elektron bebas. Elektron adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai semikonduktor jenis-n (negatif). Semikonduktor jenis-p juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain (umumnya boron) yang mana menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas. Kekurangan atau hilangnya elektron ini disebut lubang (hole). Karena tidak ada atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis-p (positif).
9 Pengaruh medan listrik dalam sel Photovoltaic Operasi sel Photovoltaic Struktur dasar dari sel Photovoltaic silikon Gambar 2.4. PN Junction Solar Cell Sehingga pada bagian kiri terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan dinamakan silikon jenis P, sedangkan yang sebelah kanan dinamakan silikon jenis N. Didalam silikon murni terdapat dua macam pembawa muatan listrik yang seimbang. Pembawa muatan listrik yang positip dinamakan hole, sedangkan yang
10 negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses penodaan itu, didalam silikon jenis P terbentuk hole (pembawa muatan listrik positif) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan elektronnya. Oleh karena itu didalam silikon jenis P hole merupakan pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron merupakan pembawa muatan minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat besar sehingga disebut pembawa muatan mayoritas dan hole disebut pembawa muatan minoritas. Didalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan N. Oleh karena itu dinamakan PN junction. Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan kutub positif dari sebuah baterai, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka terjadi hubungan yang dinamakan forward bias. Tapi, bila bagian positif dihubungkan dengan kutub negatif dari baterai dan bagian negatif dihubungkan dengan kutub positifnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan reverse bias. Dengan keadaan seperti ini, maka hole (pembawa muatan positif) dapat tersambung langsung ke kutub positif, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positif. Jadi, jelas di dalam PN junction tidak ada gerakan pembawa muatan mayoritas baik yang hole maupun yang elektron. Sedangkan pembawa muatan minoritas (elektron) didalam bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub positif baterai. Demikian pula pembawa muatan minoritas (hole) di dalam bagian N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatif. Karena itu, dalam keadaan reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (mikro ampere). Arus ini sering disebut dengan reverse saturation current atau leakage current (arus bocor) (Septina, Wilman. 2013)
11 2.2. Solar Charge Controller Solar charge controller adalah charger baterai yang disuplai dari panel surya / photovoltaic. Perangkat elektronik ini berfungsi untuk mengatur arus dari solar sel ke dalam baterai. Perangkat ini memiliki fitur yang lengkap dan pengoperasian yang mudah dengan satu potensiometer untuk pengaturan tegangan mengambang / floating voltage, dan kompensasi suhu ruang otomatis, sehingga masa pakai baterai akan lebih lama. Dilengkapi juga dioda untuk proteksi kutub terbalik. Gambar 2.5. Solar Charge Controller Solar Charge Controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. Solar charge controller mengatur overcharging (kelebihan pengisian - karena batere sudah 'penuh') dan kelebihan voltase dari panel surya / solar cell. Kelebihan voltase dan pengisian akan mengurangi umur baterai.
12 2.2.1. Fungsi Solar Charge Controller Beberapa fungsi detail dari solar charge controller adalah sebagai berikut: Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging, dan overvoltage. Mengatur arus yang dibebaskan/ diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading. Monitoring temperatur baterai (Jeperson, Sefto. 2014) 2.3. Baterai Baterai adalah alat elektro kimia yang dibuat untuk mensuplai listrik ke komponen kelistrikan. Baterai menyimpan listrik dalam bentuk energi kimia, yang dikeluarkannya bila diperlukan dan mensuplainya ke masing-masing sistem kelistrikan atau alat yang memerlukannya. Gambar 2.6. Baterai
13 Baterai merupakan suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian energi listrik diubah menjadi energi kimia dan saat pengeluaran energi kimia diubah menjadi energi listrik. Baterai yang digunakan adalah baterai aki ini berfungsi untuk menyimpan tegangan yang dihasilkan oleh solar cell dan dimanfaatkan kembali untuk menyalakan lampu. 2.3.1 Cara Kerja Baterai Aki Baterai (dalam hal ini adalah aki mobil/motor/mainan) terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V). Gambar 2.7. Sel Baterai Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor/merembes). Di dalam satu sel terdapat susunan pelat pelat yaitu beberapa pelat untuk kutub
14 positif (antar pelat dipisahkan oleh kayu, ebonit atau plastik, tergantung teknologi yang digunakan) dan beberapa pelat untuk kutub negatif. Bahan aktif dari plat positif terbuat dari oksida timah coklat (PbO 2 ) sedangkan bahan aktif dari plat negatif ialah timah (Pb) berpori (seperti bunga karang). Pelat-pelat tersebut terendam oleh cairan elektrolit yaitu asam sulfat (H 2 SO 4 ). Pada saat baterai mengeluarkan arus, oksigen (O 2 ) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/ bersenyawa/ bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung/berubah menjadi air (H 2 O). Asam (SO 4 ) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun pelat negatif sehingga menempel dikedua pelat tersebut. Reaksi ini akan berlangsung terus sampai isi (tenaga baterai) habis alias dalam keadaan discharge. Pada saat baterai dalam keadaan discharge maka hampir semua asam melekat pada pelat-pelat dalam sel sehingga cairan eletrolit konsentrasinya sangat rendah dan hampir melulu hanya terdiri dari air (H2O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm3 dan ini mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm3. Sedangkan baterai yang masih berkapasitas penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm 3. Nah, dengan perbedaan berat jenis inilah kapasitas isi baterai bisa diketahui apakah masih penuh atau sudah berkurang yaitu dengan menggunakan alat hidrometer. Hidrometer ini merupakan salah satu alat yang wajib ada di bengkel aki / ruang aki di kapal. Selain itu pada saat baterai dalam keadaan discharge maka 85% cairan elektrolit terdiri dari air (H 2 O) dimana air ini bisa membeku, bak baterai pecah dan pelat - pelat menjadi rusak.
15 Ilustrasi baterai dalam keadaan terisi penuh Ilustrasi baterai saat mengeluarkan arus Ilustrasi baterai dalam keadaan tak terisi (discharge) Gambar 2.8 Ion Senyawa Baterai Air memiliki berat jenis 1 kg/dm 3 (1 kg per 1000 cm 3 atau 1 liter) dan asam sulfat memiliki berat jenis 1,285 kg/dm 3 pada suhu 20 derajat Celcius. Keterangan : kg = Kilogram dm 3 = Decimeter kubik = liter cm 3 = Centimeter kubik / cc (centimeter cubic) 1 dm = 1 liter = 1000 cm 3 = 1000 cc 2.3.2 Cara Pengisian Baterai Aki Pengisian arus dialirkan berlawanan dengan waktu pengeluaran isi yang berarti juga bahwa beban aktif dan elektrolit diubah supaya energi kimia baterai mencapai maksimum.
16 Ada tiga metode pengisian baterai : 1. Pengisian perawatan (maintenance charging) digunakan untuk mengimbangi kehilangan isi (self discharge), dilakukan dengan arus rendah sebesar 1 / 1000 dari kapasitas baterai. Ini biasa dilakukan pada baterai tak terpakai untuk melawan proses penyulfatan. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian perawatan adalah 45 ma (miliampere). 2. Pengisian lambat (slow charging) adalah suatu pengisian yang lebih normal. Arus pengisian harus sebesar 1 / 10 dari kapasitas baterai. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian lambat adalah 4,5 A. Waktu pengisian ini bergantung pada kapasitas baterai, keadaan baterai pada permulaan pengisian, dan besarnya arus pengisian. Pengisian harus sampai gasnya mulai menguap dan berat jenis elektrolit tidak bertambah walaupun pengisian terus dilakukan sampai 2-3 jam kemudian. 3. Pengisian cepat (fast charging) dilakukan pada arus yang besar yaitu mencapai 60-100 A pada waktu yang singkat kira-kira 1 jam dimana baterai akan terisi sebesar tiga per empatnya. Fungsi pengisian cepat adalah memberikan baterai suatu pengisian yang memungkinkannya dapat menstarter motor yang selajutnya generator memberikan pengisian ke baterai. 2.4. Driver Relay adalah saklar elektronik yang dikendalikan oleh arus listrik. Secara prinsip, relai merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat pada batang besi (solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus listrik, tuas akan tertarik karena
17 adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka. Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan arus/tegangan yang besar. Gambar 2.9. relay Cara kerja komponen ini dimulai pada saat mengalirnya arus listrik melalui koil,lalu membuat medan magnet sekitarnya sehingga dapat merubah posisi saklar yang ada di dalam relay terserbut, sehingga menghasilkan arus listrik yang lebih besar. Disinilah keutamaan komponen sederhana ini yaitu dengan bentuknya yang minimal bisa menghasilkan arus yang lebih besar. Pemakaian relay dalam perangkat-perangkat elektronika mempunyai keuntungan yaitu : - Dapat mengontrol sendiri arus serta tegangan listrik yang diinginkan. - Dapat memaksimalkan besarnya tegangan listrik hingga mencapai batas maksimalnya. - Dapat menggunakan baik saklar maupun koil lebih dari satu, disesuaikan dengan kebutuhan. (Atmaja z, 2010)