208 Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uji Karakteristik Sel Surya pada Sistem 24 Volt DC sebagai Catudaya pada Sistem Pembangkit Tenaga Satwiko S Jurusan Fisika, FMIPA UNJ Kampus B, Jl Pemuda no 10 Rawamangun Jakarta Timur 13220 email: sidopekso61@yahoo.com.au Abstrak- Kurva karakteristik Arus Tegangan sel surya memberikan informasi mengenai parameter dari sel surya. Temperatur, tingkat radiasi berpengaruh terhadap perubahan kurva karakteristik. Dengan mengetahui parameter keluaran dari sel surya, dilakukan penyusunan secara seri dan paralel sehingga mendapatkan output seperti yang diinginkan sebagai catu daya pada sistem 24 Volt. Penelitian ini dilakukan dengan pengukuran arus dan tegangan pada sel surya tersebut di FMIPA UNJ. Dari hasil pengukuran diperoleh arus rata-rata tertinggi per hari sebesar 1,24 Ampere dengan tegangan rata-rata per hari sebesar 35,10 Volt serta daya rata-rata per hari sebesar 45,04 Watt. Dari data arus dan tegangan tersebut maka diketahui besarnya energi yang dihasilkan dan energi yang dapat disimpan dalam baterai. Kata Kunci: Sel Surya, Kurva Karakteristik Sel Surya, Daya rata-rata Abstract- The current-voltage characteristic curves of solar cells provides information on the parameters of the solar cell. Temperature, radiation levels affect changes characteristic curve. By knowing the parameters of the output of solar cells, arrangement in series and in parallel so as to get the desired output as a power supplay to the 24 Volt system. The research was conducted by measuring the current and voltage on the solar cells in the Faculty UNJ. From the measurement results obtained the highest average current of 1.24 amperes per day with an average voltage of 35.10 volts per day and an average power of 45.04 watts per day. Data from the current and voltage are known to the amount of energy produced and the energy that can be stored in batteries. Keywords: Solar Cells, Solar Cells Characteristic Curve, Average power I. PENDAHULUAN Energi merupakan kebutuhan penting bagi manusia, khususnya energi listrik terus meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah populasi manusia di Indonesia. Selama ini kebutuhan energi masih mengandalkan minyak bumi sebagai penyangga utama kebutuhan energi. Namun pada kenyataannya minyak bumi semakin langka dan mahal harganya sehingga pencarian energi alternatif guna memenuhi kebutuhan energi listrik tersebut terus dikembangkan, salah satunya energi terbarukan yaitu energi matahari dengan memanfaatkan sel surya. Kerja sel surya dapat diukur dengan melihat daya keluaran yang dihasilkan dari sel surya tersebut. Kerja sel surya dipengaruhi oleh beberapa hal seperti bahan pembuatnya, resistansi bahan, temperatur dan tingkat radiasi matahari. Dari kurva arus-tegangan (I-V) dapat diketahui parameter-parameter keluaran sel surya seperti arus hubungan singkat (Isc), tegangan terbuka (Voc), arus maksimum, dan tegangan maksimum serta daya maksimum. Untuk mendapatkan karakteristik I-V sel surya dapat digunakan sun simulator (simulasi matahari buatan) dengan menggunakan sumber penerangan lampu halogen [1]. Beberapa sel surya yang telah diketahui karakteristiknya, disusun dan dihubungkan satu dengan lainnya sehingga mendapatkan output maksimal sesuai dengan yang dibutuhkan sebagai catu daya pada sistem 24 volt [2]. II. KAJIAN TEORI Sel surya atau biasa disebut juga sel photovoltaic merupakan suatu P-N junction dari silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect dari bahan semikonduktor sehingga dapat mengumpulkan radisai surya dan mengkonversinya menjadi energi listrik. Energi listrik hasil dari sel surya tersebut berupa arus DC dan bisa langsung digunakan atau bisa juga menggunakan battery sebagai sistem penyimpan sehingga dapat digunakan pada saat dibutuhkan terutama pada malam hari. Beberapa karakteristik penting sel surya terdiri dari tegangan open circuit (Voc), arus hubungan singkat (Isc), efek perubahan intensitas cahaya matahari, efek perubahan temperatur serta karakteristik tegangan arus (V I characteristic) pada sel surya[3]. 2.1. Tegangan Open Circuit (Voc) Voc adalah tegangan yang dibaca pada saat arus tidak mengalir atau bisa disebut juga arus sama dengan nol. Cara untuk mencapai open circuit (Voc) yaitu dengan menghubungkan kutub positif dan kutub negatif
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga 209 modul surya dengan voltmeter, sehingga akan terlihat nilai tegangan open circuit sel surya pada voltmeter. 2.2. Arus Short Circuit (Isc) Isc adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh modul sel surya dengan cara menge-short-kan kutub positif dengan kutub negatif pada modul surya. Dan nilai Isc akan terbaca pada amperemeter. Arus yang dihasilkan modul surya dapat menentukan seberapa cepat modul tersebut mengisi sebuah baterai. Selain itu, arus dari modul surya juga menentukan daya maksimum dari alat yang digunakan. Penggunaan tegangan dari sel surya bergantung dari bahan semikonduktor yang digunakan. Jika menggunakan bahan silikon, maka teganagn yang dihasilkan dari setiap sel surya berkisar 0,5 V. Modul surya merupakan gabungan beberapa sel surya yang dihubungkan secara seri dan paralel sehingga memiliki karakteristik seperti Gambar 3. Tegangan dihasilkan dari sel surya bergantung dari radiasi cahaya matahari. Untuk arus yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari luminasi (kuat cahaya) matahari [5], seperti pada saat cuaca cerah atau mendung. 2.3. Efek Perubahan Intensitas Cahaya Matahari Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah seperti Gambar 1, maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan penurunan arus listriknya. Gambar 3. Kurva karakteristik V I pada sel surya Gambar 1. Kurva tegangan arus sel surya terhadap intensitas 2.4. Efek Perubahan Suhu pada Sel surya Sel surya akan bekerja secara optimum pada suhu konstan yaitu 25 o C. Jika suhu disekitar sel surya meningkat melebihi 25 o C, maka akan mempengaruhi fill factor sehingga teganga akan berkurang seperti Gambar 2. Selain itu, efisiensi sel surya juga akan menurun beberapa persen. Sedangkan sebaliknya, arus yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu pada sel surya[4]. 2.6. Koneksi Antar Modul Surya Sebuah sel surya memiliki keterbatasan dalam menyuplai daya, sehingga dalam aplikasi, sel surya jarang digunakan secara individual. Pada umumnya, sel-sel yang identik dihubungkan secara seri dalam membuat sebuah modul agar tegangan yang dihasilkan sel surya lebih besar dengan tegangan total sebesar Voc 1 + Voc 2 namun arus yang dihasilkan tetap berdasarkan hukum Kirchoff. Sedangkan bila dua modul surya dirangkai secara paralel, besarnya tegangan yang dihasilkan adalah tetap dengan arus total sebesar I 1 + I 2 berdasarkan hukum Kirchoff [6]. Pengaruh koneksi seri paralel pada modul surya terhadap kurva V-I dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 2. Kurva tegangan arus pada sel surya terhadap perubahan suhu 2.5. Karakteristik Tegangan Arus pada Sel Surya Gambar 4. Pengaruh koneksi seri paralel modul surya terhadap kurva karakteristik I-V
210 Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga III. EKSPERIMEN Pada penelitian ini digunakan1 buah modul surya polycrystalline dan 3 buah modul monocrystalline. Sebelum dirancang, modul tersebut dikarakterisasi terlebih dahulu menggunakan simulator sederhana dan kemudian ditunjukkan dalam kurva I-V. Gambar 5. diatas merupakan rancang alat untuk melakukan pengambilan data. Ketiga modul surya monocrystalline disusun secara paralel agar menghasilkan arus keluaran lebih besar. Kemudian modul surya monocrystalline tersebut disusun secara seri dengan modul surya polycrystalline untuk menghasilkan tegangan keluaran lebih besar. Cahaya matahari yang mengenai modul surya diserap dan dikonversi menjadi keluaran berupa arus dan tegangan. Arus. Gambar 5. Skema rancang bangun pemanfaatan modul surya monocrystalline di FMIPA UNJ IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran karakteristik I-V untuk empat buah modul menggunakan sun simulator di berikan pada Gambar 6 menunjukan hasil dari 4 modul surya terdiri dari 3 monocrystalline serta 1 polycrystaline dengan ukuran luasan yang berbeda. singkat. Pmax perolehan daya masimum pada saat arus serta tegangan maksim. Pengukuran arus dan tegangan keluaran pada gabungan modul surya dilakukan dari tanggal 27 Desember 2011 samapai tanggal 7 Januari 2012 dari pukul 06.00-18.00 WIB diambil setiap dua menit sekali. Data-data hasil pengukuran dapat dilihat seperti pada gambar dibawah ini. Gambar 7. menunjukkan besarnya perubahan arus yang dihasilkan modul surya pada hari Rabu tanggal 4 Januari 2012 dari pukul 06.00 sampai dengan 18.00 WIB di FMIPA UNJ. Pada Gambar 7. terlihat bahwa arus pada siang hari lebih besar dibandingkan dengan arus pada pagi atau sore hari. Hal ini menunjukan bahwa intensitas radiasi yang mengenai modul surya lebih besar sehingga pada saat itu modul akan menghasilkan arus yang lebih besar juga karena pada saat siang hari posisi matahari semakin tegak lurus terhadap permukaan bumi. Tabel 1. Karakterisrik sel surya hasil penelitian Voc Modul surya Isc (A) Vmax Imax Pmax (V) (V) (A) (Watt) 20,7 0,95 16,39 0,89 14,58 (modul 1) 21,1 0,96 16,63 0,91 15,13 (modul 2) 17,75 1,53 12,15 1,43 17,37 (modul 3) Polycrystalline 19,99 3,48 16,09 3,03 48,75 (modul 4) Gambar 7. Grafik perubahan arus yang dihasilkan modul surya pada hari Rabu tanggal 4 Januari 2012 di FMIPA UNJ Gambar 6. Hasil uji karakteristik sel surya menggunakan sun simulator. Nilai dari hasil karakterisasi dijabarkan pada Table 1 dengan nilai tegangan hubung singkat serta arus hubung Berbeda dengan tegangan keluaran dari modul surya, besarnya intensitas radiasi matahari tidak terlalu mempengaruhi tegangan yang dihasilkan. Seperti terlihat pada Gambar 8. Gambar 8. menunjukkan besarnya perubahan tegangan yang dihasilkan modul surya pada hari Selasa tanggal 3 Januari 2012 dari pukul 06.00 sampai dengan 18.00 WIB di FMIPA UNJ. Dapat dilihat bahwa
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga 211 tegangan pada siang hari lebih besar dibandingkan dengan tegangan pada pagi atau sore hari. Namun, dapat dikatakan besarnya perubahan tegangan pada siang hari adalah mendekati konstan. Dengan demikian, jika perubahan arus dan tegangan digambarkan dalam grafik perubahan daya yang dihasilkan, maka akan memiliki bentuk yang hampir sama dengan grafik perubahan arus. Perubahan daya ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar 8. Grafik perubahan tegangan yang dihasilkan modul surya pada hari Selasa tanggal 3 Januari 2012 di FMIPA UNJ Besarnya arus dan tegangan keluaran dari modul surya bergantung dari intensitas matahari yang mengenai permukaan modul dan temperatur pada modul. Sehingga hal seperti pada gambar di atas tidak selalu terjadi demikian, yaitu besarnya arus dan daya pada Gambar 9. Grafik perubahan tegangan yang dihasilkan modul surya pada hari Rabu tanggal 4 Januari 2012 di FMIPA UNJ siang hari tidak selalu lebih besar dibandingkan dengan pada pagi atau sore hari, dikarenakan cuaca yang tidak menentu sepanjang hari dan berawan sehingga intensitas matahari yang mengenai permukaan modul surya juga berubah-ubah. Arus dan tegangan yang dihasilkan dari modul tersebut menjadi energi masukkan untuk sistem baterai 24 Volt dengan kapasitas baterai 45 Ampere hour (Ah), dengan maksud apabila baterai tersebut diberikan masukkan arus sebesar 1 Ampere maka baterai akan terisi penuh dalam waktu 45 jam. Berdasarkan data pada Tabel 2, dari arus dan tegangan rata-rata dapat dihitung besarnya energi yang dihasilkan modul surya dan yang dapat disimpan dalam baterai. Tabel 2 menunjukkan besarnya energi modul surya sebagai energi masukkan untuk sistem baterai yang digunakan berdasarkan pengukuran arus dan tegangan keluaran yang dihasilkan modul surya. Besarnya ratarata arus keluaran modul surya dalam satu hari atau selama 12 jam adalah sebesar 0,88 Ampere. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa untuk mengisi baterai memiliki kapasitas 45 Ah menggunakan arus keluaran modul surya tersebut dibutuhkan waktu selama ±4 hari (dengan 1 hari = 12 jam) atau 51 jam (selama matahari bersinar). Arus tersebut kurang maksimal untuk menjadi energi masukkan pada baterai karena masih terlalu kecil sehingga pengisian baterai dibutuhkan waktu yang relatif lama. Hal ini terjadi karena pada saat pengukuran cuaca tidak terlalu bagus dan sering berawan akibatnya modul surya kurang mendapatkan intensitas cahaya matahari dan menghasilkan arus keluaran yang kecil. Energi rata-rata yang dihasilkan oleh modul surya per hari adalah sebesar 386,46 Wh. Tabel 2. Energi yang dihasilkan modul surya dan dapat disimpan untuk baterai 24 Volt dengan kapasitas 45 Ah NO Tanggal I (A) Wh 1 27/12/2011 1,02 478,73 2 28/12/2011 1,07 465,51 3 29/12/2011 0,69 298,33 4 30/12/2011 1,16 504,24 5 03/01/2012 0,75 323,82 6 04/01/2012 1,24 540,53 7 05/01/2012 1,01 436,11 8 06/01/2012 0,57 247,29 9 07/01/2012 0,43 183,58 Rata-rata 0,88 386,46 V. KESIMPULAN 1. Karakteristik arus tegangan modul surya bergantung terhadap bahan dasar pembuatnya dan luas permukaan dari modul surya tersebut. 2. Dalam panelitian, daya tertinggi yang dihasilkan modul surya dalam satu hari terjadi pada siang hari. Hal ini dikarenakan pada siang hari posisi matahari berada tegak lurus diatas permukaan modul surya 3. Cuaca sangat mempengaruhi daya yang dihasilkan modul surya. Karena karena jika pada saat pengambilan data cahaya matahari terhalang oleh awan, maka arus yang dihasilkan modul surya akan sangat menurun.
212 Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga 4. Gabungan modul surya menghasilkan energi ratarata sebesar 386,46 Wh dan menghasilkan arus rata-rata dalam satu hari adalah sebesar 0,88 A. 5. Besarnya rata-rata arus keluaran modul surya dalam satu hari atau selama 12 jam adalah sebesar 0,88 Ampere. Sehingga untuk mengisi sistem baterai 24 Volt, 45 Ah dibutuhkan waktu selama ±4 hari atau 51 jam. DAFTAR PUSTAKA [1] W. Arymukti, Studi Rancang Bangun Sun Simulator Untuk Pengukuran Karakteristik Sel Surya Polycrystalline Si Tipe Sx 50 U. Jakarta: Universitas Negeri Jakarta, 2011. [2] Z. Nurdin, Pengukuran Solar Insolation Menggunakan Modul Surya Di Fmipa Unj. Jakarta:Universitas Negeri Jakarta, 2011. [3] S. Nema, R. K. Nema, G. Agnihotri, Matlab/Simulink Based Study of Photovoltaic Cells/ Modules/ Array and Their Experimental Verification. International Journal of Energy and Environment. Volume 1, Issue 3, 2010 pp.487-500. [4] S. Wijoyo, Upaya Peningkatan Kapasitas Daya Output Photovoltaic melalui proses pendinginan, Surabaya: Universitas Kristen Petra, 2000. [5] F. M. Gonzales, Longatt. Model of Photovoltaic Module in Matlab TM. 2do Congreso Iberoamericano de Estudiantes de Ingenieria Electrica, Electronica Y Computacion, 2005 [6] Hansen, Anca D,. Model for a Stand-Alone PV System. Roskilde: Riso National Laboratory, 2000. TANYA JAWAB Chotimah, FMIPA UGM? Mengapa dipilih tegangan 24 V?? Apa yang dimaksut dengan susunan seri dan parallel dalam modul? Satwiko, UNJ Karena menyesuaikan dengan output dari WIN dan turbin. Untuk mendapatkan disten 24 volt perlu dilakukan hubungan seri parallel pada modul-modul yang digunakan.