TUGAS AKHIR PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN PANEL SURYA TIPE MONOCRYSTALLINE TERHADAP EFISIENSI DAYA KELUARAN PANEL SURYA Diajukan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik OLEH YEHEZKIEL MART NAIBAHO NIM : 100402086 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
ABSTRAK Sudut kemiringan panel surya dan arah orientasi panel surya adalah salah satu parameter yang mempengaruhi daya keluaran panel surya. Panel surya menangkap intensitas radiasi secara maksimal apabila sudut kemiringan dan arah orientasi panel surya tegak lurus terhadap sinar datang matahari. Penelitian ini meneliti pengaruh sudut kemiringan dan arah orientasi panel surya terhadap daya keluaran yang dihasilkan panel surya. Pada penelitian ini metode yang digunakan untuk menentukan sudut kemiringan panel surya dan arah orientasi panel surya adalah dengan melakukan ekperimen dan perhitungan sudut sinar datang matahari. Sudut kemiringan panel surya yang diteliti adalah sudut kemiringan 0 0, 10 0, 20 0,30 0, 40 0, 50 0 dan 60 0. Lokasi geometri yang digunakan untuk perhitungan sudut sinar datang matahari adalah kota letak astronomis kota Medan. Berdasarkan pengukuran, daya keluaran paling maksimal yang dibangkitkan panel surya adalah ketika panel surya mengarah ke titik azimuth matahari dengan sudut kemiringan panel surya sebesar 10 0. Daya yang dibangkitkan sebesar 90.50 Watt, meningkat 21.20% dari panel surya tanpa pengaturan sudut kemiringan. i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmat yang telah diberikan-nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Pengaruh Sudut Kemiringan Panel Surya Tipe Monocrystalline Terhadap Efisiensi Daya Keluaran Panel Surya. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orang tua yang telah mebesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak ternilai harganya, yaitu Harri Naibaho dan Ritani Purba, saudara kandung penulis, Mateus Frans Julio Naibaho, Ruth Amelya Naibaho, atas seluruh perhatian dan dukungannya hingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Selama masa kuliah sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis mendapat dukungan, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hari penulis hendak menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar besarnya kepada : 1. Bapak Yulianta Siregar, ST, MT dan Ir. Arman Sani, MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. Terima kasih sebesar besarnya penulis ucapkan untuk Beliau. 2. Ibu Ir. Windalina Syafiar dan Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, MT, selaku dosen pembanding Tugas Akhir. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si, selaku Dosen Wali penulis sekaligus Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU 4. Bapak Rachmat Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU. ii
5. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik ELektro, Fakultas Teknik. 6. Teman teman stambuk 2010: Afron Sianturi, Jones Milan Simatupang, Martua Nababan, Edy Sembiring, Novenri Ambarita, Daniel Sembiring, Fransisco Simbolon, Christover Pasaribu, Marthin Silalahi, Enda Duanta Ginting, Reikson Parhusip, Fontes Marpaung, Suhendri dan teman teman 2010 lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. 7. Teman teman tim futsal Marakas 66_60 yang memberikan waktunya untuk menghibur baik didalam lapangan futsal maupun diluar lapangan futsal. 8. Semua abang kakak senior dan adik adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis. 9. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, penulis ucapkan terima kasih banyak. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak luput dari kesalahan kesalahan, baik segi tata bahasa maupun dari segi ilmiah. Untuk itu, penulis akan menerima dengan terbuka, segala saran dan kritik yg ditujukan untuk memperbaiki Tugas Akhir ini. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi penulis dan pembaca. Medan, Desember 2015 Penulis Yehezkiel Mart Naibaho iii
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Manfaat Penulisan... 3 1.6 Metode Penulisan... 3 1.7 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Energi Matahari... 5 2.1.1. Radiasi yang Dipancarkan Matahari... 5 2.1.2 Radiasi Matahari Yang Diterima oleh Bumi... 6 2.2 Hubungan Geometri Matahari Bumi... 8 2.2.1 Sistem Koordinat Bumi... 8 2.2.2 Posisi Matahari Terhadap Bidang Horizontal... 10 2.2.3 Posisi Matahari Terhadap Permukaan Bidang Miring... 12 2.3 Panel Surya... 14 2.3.1 Prinsip Kerja Panel Surya... 15 2.3.2 Jenis Jenis Panel Surya... 18 2.4 Sifat Sifat Elektrik pada Panel Surya... 22 iv
2.4.1 Kurva Karakteristik V vs I... 23 2.4.2 Daya Panel Surya... 24 2.4.3 Efisiensi Panel Surya... 25 2.5 Faktor Pengoperasian Panel Surya... 25 BAB III METODOLOGI PENGUJIAN... 29 3.1 Peralatan dan Bahan Pengujian... 29 3.2 Variasi Pengujian... 33 3.3 Prosedur Pengujian... 33 3.3.1 Percobaan Sudut Kemiringan Panel Surya Sejajar dengan Bidang Horizontal... 33 3.3.2 Percobaan Pengaruh Sudut Kemiringan Panel Surya Dengan Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi... 34 3.3.3 Percobaan Pengaruh Sudut Kemiringan Panel Surya dengan Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari... 35 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 36 4.1 Perhitungan Geometri Matahari Terhadap Bumi... 36 4.2 Pengukuran Tegangan Rangkaian Terbuka (Voc), Arus Hubung Singkat (Isc) dan Intensitas Radiasi Matahari... 38 4.3 Hasil Perhitungan Daya Keluaran Panel Surya... 41 4.4 Hasil Perhitungan Efisiensi Panel Surya... 44 4.5 Analisis Daya Keluaran Panel Surya... 47 4.5.1 Analisis Daya Keluaran Panel Surya Dengan Posisi Panel Surya Horizontal... 47 4.5.2 Analisis Perbandingan Daya Keluaran Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi Dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Daya Keluaran Panel Surya Horizontal... 48 4.5.3 Analisis Perbandingan Daya Keluaran Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Daya Keluaran Panel Surya Horizontal... 49 v
4.5.4 Perbandingan Daya Keluaran Maksimum Masing Masing Pengaturan Panel Surya... 52 4.6 Perbandingan Sudut Kemiringan Optimal Hasil Pengukuran Daya Keluaran Dengan Hasil Perhitungan Sudut Sinar Datang Matahari... 53 4.6.1 Perhitungan Sudut Sinar Datang Matahari pada Bidang Horizontal... 53 4.6.2 Perhitungan Sudut Sinar Datang pada Bidang Miring dengan Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi... 54 4.6.3 Perhitungan Sudut Sinar Datang Matahari pada Bidang Miring dengan Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari... 55 4.7 Analisis Perhitungan Efisiensi Masing Masing Pengaturan Panel Surya 57 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 58 5. 1 Kesimpulan... 58 5.2 Saran... 58 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi... 6 Gambar 2.2 Total Radiasi pada Permukaan Bumi... 7 Gambar 2.3 Gambar 2.4(a) Gambar 2.4(b) Posisi Matahari di Langit Dijelaskan oleh Sudut Sudut Matahari... 10 Hubungan Geometris antara Sudut Matahari Terhadap Permukaan Horizontal... 14 Hubungan Geometris antara Sudut Matahari Terhadap Permukaan dengan Sudut Kemiringan... 14 Gambar 2.5 Konduksi Ektrinsik di Dalam Silikon n- dan p- Doped... 16 Gambar 2.6 P N Junction... 17 Gambar 2.7 Perpindahan Elektron pada P-N Junction... 17 Gambar 2.8(a) Sel Monocrystalline Persegi... 19 Gambar 2.8(b) Sel Monocrystalline semi Bulat... 19 Gambar 2.8(c) Sel Monocrystalline Bulat... 19 Gambar 2.9(a) Sel Polycrystalline tanpa Lapisan Anti Reflektif... 20 Gambar 2.9(b) Sel Polycrystalline dengan Lapisan Anti Reflektif... 20 Gambar 2.9(c) Sel Polycrystalline dengan Lapisan Anti Reflektif dan Garis Grid Hubung... 20 Gambar 2.10 Sel Thin- Film... 22 Gambar 2.11 Kurva Karakteristik V I... 23 vii
Gambar 2.12 Pengaruh Radiasi Matahari Terhadap Isc dan Voc Panel Surya... 26 Gambar 2.13(a) Pengaruh Temperatur Terhadap Kurva Arus Tegangan... 27 Gambar 2.13(b) Pengaruh Temperatur Terhadap Kurva Tegangan Daya... 27 Gambar 3.1 Tiang Penyangga... 29 Gambar 3.2 Pengukuran Sudut Kemiringan Panel Surya dengan Busur Derajat... 30 Gambar 3.3 Kompas... 30 Gambar 3.4 Panel Surya Monocrystalline... 32 Gambar 3.5 Multimeter... 32 Gambar 4.1 Daya Keluaran Panel Surya Horizontal... 47 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Perbandingan Daya Keluaran Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi Dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Daya Keluaran Panel Surya Horizontal... 48 Perbandingan Daya Keluaran Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Daya Keluaran Panel Surya Horizontal... 50 Perbandingan Daya Keluaran Maksimum Masing Masing Pengaturan Panel Surya... 52 Gambar 4.5 Sudut Sinar Datang Pada Permukaan Horizontal... 53 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Sudut Sinar datang Pada Permukaan Bidang Miring Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi... 54 Sudut Sinar datang Pada Permukaan Bidang Miring Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari... 55 viii
Gambar 4.8 Perbandingan Efisiensi Masing Masing Pengaturan Panel Surya... 57 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Hari yang Direkomendasikan untuk Satu Bulan, dan Nilai nberdasarkan Bulan... 9 Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer... 30 Tabel 3.2 Spesifikasi Panel Surya... 30 Tabel 4.1 Tabel Perhitungan Geometri Matahari Terhadap Bumi... 38 Tabel 4.2 Nilai Intensitas Radiasi Matahari... 39 Tabel 4.3 Nilai Voc dan Isc Panel Surya dengan Posisi Panel Horizontal... 39 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Nilai Voc dan Isc Panel Surya Dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Posisi Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi. 40 Nilai Voc dan Isc Panel Surya dengan Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari... 40 Hasil Perhitungan Daya Keluaran Panel Surya dengan Posisi Horizontal... 42 Hasil Perhitungan Daya Keluaran Panel Surya Dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Posisi Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi... 43 Hasil Perhitungan Daya Keluaran Panel Surya dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Posisi Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari... 43 Tabel 4.9 Nilai Efisiensi Panel Surya Untuk Waktu Yang Diujikan... 45 Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Efisiensi Panel Surya Dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Posisi Panel Surya Mengarah ke Selatan Bumi... 45 x
Tabel 4.11 Tabel 4.12 Tabel 4.13 Hasil Perhitungan Efisiensi Panel Surya dengan Pengaturan Sudut Kemiringan dan Posisi Panel Surya Mengarah ke Titik Azimuth Matahari... 46 Sudut Kemiringan Optimal Hasi Pengukuran Daya Keluaran dan Hasil Perhitungan Sudut Sinar Datang... 55 Sudut Kemiringan Optimal Hasi Pengukuran Daya Keluaran dan Hasil Perhitungan Sudut Sinar Datang Matahari pada Panel Surya Mengarah ke Titik Azmiuth Matahari... 56 xi