BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Energi Surya Energi surya atau matahari telah dimanfaatkan di banyak belahan dunia dan jika dieksplotasi dengan tepat, energi ini berpotensi mampu menyediakan kebutuhan konsumsi energi dunia saat ini dalam waktu yang lebih lama. Matahari dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi listrik atau untuk memanaskan bahkan untuk mendinginkan. Potensi masa depat energi surya hanya dibatasi oleh keinginan kita untuk menangkap kesempatan. Ada banyak cara untuk memanfaatkan energi dari matahari. Tumbuhan mengubah sinar matahari menjadi energi kimia dengan menggunakan fotosintesis. Kita memanfaatkan energi ini dengan memakan dan membakar kayu. Bagimanapun, istilah tenaga surya mempunyai arti mengubah sinar matahari secara langsung menjadi panas atau energi listrik untuk kegunaan kita. dua tipe dasar tenaga matahari adalah sinar matahari dan photovoltaic (photo- cahaya, voltaic=tegangan) Photovoltaic tenaga matahari: melibatkan pembangkit listrik dari cahaya. Rahasia dari proses ini adalah penggunaan bahan semi konduktor yang dapat disesuaikan untuk melepas elektron, pertikel bermuatan negative yang membentuk dasar listrik. Bahan semi konduktor yang paling umum dipakai dalam sel photovoltaic adalah silikon, sebuah elemen yang umum ditemukan di pasir. Semua sel photovoltaic mempunyai paling tidak dua lapisan semi konduktor 6
7 seperti itu, satu bermuatan positif dan satu bermuatan negatif. Ketika cahaya bersinar pada semi konduktor, lading listrik menyeberang sambungan diantara dua lapisan menyebabkan listrik mengalir, membangkitkan arus DC. Makin kuat cahaya, makin kuat aliran listrik (www.greenpeace.org) [11]. Sistem photovoltaic tidak membutuhkan cahaya matahari yang terang untuk beroperasi. Sistem ini juga membangkitkan listrik di saat hari mendung, dengan energi keluar yang sebanding ke berat jenis awan. Berdasarkan pantulan sinar matahari dari awan, hari-hari mendung dapat menghasilkan angka energi yang lebih tinggi dibandingkan saat langit biru sedang yang benar-benar cerah. Saat ini, sudah menjadi hal umum piranti kecil, seperti kalkulator, menggunakan solar sel yang sangat kecil. Photovoltaic juga digunakan untuk menyediakan listrik di wilayah yang tidak terdapat jaringan pembangkit tenaga listrik. Penggunaan sel photovoltaic sebagai desain utama oleh para arsitek semakin meningkat. Sebagai contoh, atap ubin atau slites solar dapat menggantikan bahan atap konvensional. Modul film yang fleksibel bahkan dapat diintegrasikan menjadi atap vaulted, ketika modul semi transparan menyediakan percampuran yang menarik antara bayangan dengan sinar matahari. Sel photovoltaic juga dapat digunakan untuk menyediakan tenaga maksimum ke gedung pada saat hari di musim panas ketika sistem AC membutuhkan energi yang besar, hal itu membantu mengurangi beban maskimum elektrik. Baik dalam skala besar maupun
8 skala kecil photovoltaic dapat mengantarkan tenaga ke jaringan listrik, atau dapat disimpan dalam selnya (Subandi. 2015) [4]. 2.2. Radiasi Surya Radiasi matahari adalah radiasi, atau energi yang kita dapatkan dari matahari. Hal ini juga dikenal sebagai radiasi gelombang pendek. Radiasi matahari datang dalam berbagai bentuk, seperti cahaya yang terlihat, gelombang radio, panas (inframerah), sinar-x, dan sinar ultraviolet. Pengukuran untuk radiasi matahari akan lebih tinggi pada hari yang cerah dan biasanya rendah saat hari berawan. Saat matahari sedang terbenam, atau ada awan tebal menghalangi matahari, radiasi matahari diukur pada nol (Riyadi, Slamet. 2012) [3]. Jumlah energi yang dikeluarkan oleh matahari dalam jumlah konstan. Radiasi matahari yang masuk dikenal sebagai insolasi. Jumlah energi matahari yang mencapai bumi adalah 70 persen. Permukaan bumi menyerap 51 persen dari insolasi. Uap dan debu air sebesar 16 persen dari energi yang diserap. 3 persen lainnya diserap oleh awan. Dari 30 persen yang dipantulkan kembali ke angkasa, 6 persen tercermin melalui udara dan debu. Awan mencerminkan 20 persen, dan 4 persen sisanya dipantulkan oleh permukaan. Energi yang diserap dapat kembali di pancarkan. Dari energi yang kembali di pancarakan, 70 persen yang hilang ke luar angkasa.
9 Permukaan menyerap sekitar 21 persen energi, dan 49 persen sisanya hilang di atmosfer. Sisanya 30 persen ditransfer oleh permukaan ke atmosfer. Gambar 2.1 Ilustrasi Radiasi Matahari Musim di Bumi tidak disebabkan oleh seberapa dekat Bumi ke Matahari. Bumi paling dekat dengan Matahari sekitar tanggal 1 Januari dan terjauh pada atau sekitar 1 Juli setiap tahun. Itu sebabnya yang membuat jumlah radiasi matahari berpengaruh musim di bumi. 2.3. Sistem Sel Surya Sel surya adalah suatu teknologi yang dapat mengubah energi sinar matahari secara langsung menjadi energi listrik. Sel surya ini banyak digunakan untuk penyediaan tenaga listrik bagi penerangan, pompa air, telekomunikasi dan lain sebagainya. Pemanfaatan sistem sel surya sebagai pembangkit tenaga listrik tersebut telah banyak diterapkan baik yang
10 menghasilkan daya rendah maupun yang berdaya tinggi. Sistem sel surya bila tinjau dari daya keluarannya dapat dibagi menjadi: 1. Sistem yang berdiri sendiri Gambar 2.2. Skema sederhana komponen suatu sel surya yang berdiri sendiri. Gambar 2.2 memperlihatkan desain pembangkit listrik tenaga surya yang berdiri sendiri tidak memperhatikan sumber energi luar selain energi radiasi matahari dan generator sebagai pembangkit darurat. Sistem yang berdiri sendiri dapat mensuplai beban DC maupun beban AC dengan menggunakan inverter. 2. Sistem yang terinterkoneksi dengan jaringan pengguna Gambar 2.3 Sistem sel surya terinterkoneksi dengan jaringan pengguna
11 Sistem sel surya yang terinterkoneksi dengan jaringan pengguna diperlihatkan dalam gambar 2.3, kelebihan beban yang tidak dapat disuplai oleh sel surya akan disuplai oleh jaringan. Sebaliknya, jika kondisi cuaca sangat baik serta permintaan beban berkurang, maka kelebihan energi listrik yang dihasilkan oleh sel surya akan ditampung oleh jaringan pengguna. 2.4. Prinsip Kerja Panel Surya Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktir p-n junction. Sel terdiri dari lapisan semi konduktor dopingn dan doping-p yang membentuk p-n junction, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe- n (elektron) dan tipe-p (hole). Gambar 2.4. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction. Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan
12 doping oleh golongan III sehingga electron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe n berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda. Gambar 2.5. Cara kerja Sel Surya Silikon. Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p
13 sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir (Haryanti, Munnik. 2015) [1]. Skema cara kerja sel surya silikon ditunjukkan pada Gambar 2.5. 2.5. Panel Surya Komponen utama dari PV yang dapat menghasilkan energi listrik DC disebut panel surya atau modul surya. Panel surya terbuat dari bahan semikonduktor (umumnya silicon) yang apabila disinari oleh cahaya matahari dapat menghasilkan arus listrik. Gambar 2.6 Panel atau modul sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor. 2.5.1. Pengertian Watt Peak (Wp) Watt peak / Wp, istilah yang digunakan dalam dunia solar energy. Watt peak adalah satuan yang menyatakan daya produksi tertinggi yang dapat dihasilkan oleh panel surya per satuan waktu. Satuan ukuran panel surya ini didapat dari jumlah produksi daya yang didapat ketika matahari bersinar dengan tingkat radiasi
14 tertinggi. Ini dikarenakan energi dari sinar matahari yang bisa berubah ubah dalam satu hari. Penyinaran matahari tidak selalu stabil dalam satu hari, matahari mengalami puncak hanya 3 5 jam/hari (biasanya mulai dari jam 10 pagi 2 siang) tergantung lokasi. Waktu 3 5 jam inilah waktu yang ideal bagi panel surya menghasilkan daya terbaik (Pmax), yang ditunjukkan dalam Wp. Karena penulis menggunakan panel surya Polycrystalline dan Monocrystalline 20Wp itu berarti daya yang diserap saat matahari sedang terik maksimal adalah 20W. 2.5.2. Jenis Sel Surya 2.5.2.1. Panel Surya Monocrystalline Merupakan panel yang paling efisien yang dihasilkan dengan teknologi terkini & menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Monokristal dirancang untuk penggunaan yang memerlukan konsumsi listrik besar pada tempat-tempat yang beriklim ekstrim dan dengan kondisi alam yang sangat ganas. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan (www.sharp-indonesia.com) [10].
15 Gambar 2.7. Panel Surya Monocrystalline Cara pembuatan panel surya tipe Monocrystalline adalah terbuat dari batangan kristal silikon murni yang diiris tipis-tipis. Kristal silikon murni yang membutuhkan teknologi khusus untuk mengirisnya menjadi kepingan-kepingan kristal silikon yang tipis. Dengan teknologi seperti ini, akan dihasilkan kepingan sel surya yang identik satu sama lain dan berkinerja tinggi. Sehingga menjadi sel surya yang paling efisien dibandingkan jenis sel surya lainnya, sekitar 15% - 20%. Mahalnya harga kristal silikon murni dan teknologi yang digunakan, menyebabkan mahalnya harga jenis sel surya ini dibandingkan jenis sel surya yang lain di pasaran Kelemahannya, 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, tergantung dari bentuk batangan kristal silikonnya (Jager, Klaus. 2014) [8].
16 2.5.2.2. Panel Surya Polycrystalline Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak karena dipabrikasi dengan proses pengecoran. Type ini memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama. Panel surya jenis ini memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan type monokristal, sehingga memiliki harga yang cenderung lebih rendah. Gambar 2.8. Panel Surya Polycrystalline Cara pembuatan panel surya tipe Polycrystalline adalah terbuat dari beberapa batang kristal silikon yang dilebur / dicairkan kemudian dituangkan dalam cetakan yang berbentuk persegi. Kemurnian kristal silikonnya tidak semurni pada sel surya Monocrystalline, karenanya sel surya yang dihasilkan tidak identik satu sama lain dan efisiensinya lebih rendah, sekitar 13% - 16%. Tampilannya nampak seperti ada motif pecahan kaca di dalamnya. Bentuknya yang persegi, jika disusun membentuk panel surya, akan
17 rapat dan tidak akan ada ruangan kosong yang sia - sia seperti susunan pada panel surya Monocrystalline di atas. Proses pembuatannya lebih mudah dibanding Monocrystalline, karenanya harganya lebih murah. Jenis ini paling banyak dipakai saat ini (Becker, C. 2013) [7]. 2.5.3. Perbandingan Efisiensi Panel Surya Polycrystalline dan Monocrystalline Menurut Marinopoulos, Antonis. 2014 [9]. Perbandingan efisiensi dari kedua panel tersebut tercantum dalam tabel berikut. Tabel 2.1 Perbandingan Efisiensi Panel Surya Polycrystalline dan Monocrystalline Crystal structure & module PV Cell Technology Efficiency Monocrystalline Polycrystalline Crystal structure Homogeneous Heterogeneous Commercial module efficiency 18-20% 14-16% 2.6. Battery Charge Regulator Charger controller adalah suatu alat sebagai penerima arus dan tegangan dar solar cell yang berfungsi sebagai pengatur atau penyetara tegangan dan arus. Yang kemudian tegangan tersebut diisikan ke accumulator sebagai media penyimpanan yang kemudian diterima oleh inverter Dalam media pengisian tegangan membandingkan tegangan yang masuk dari solar cell dengan accumulator menggunakan IC Op-Amp RC4558 sama dengan media pembanding tegangan
18 untuk pembanding tegangan accumulator dengan tegangan yang diterima inverter. Tegangan yang diolah diatur menggunakan potensiometer 100K (Haryanti, Munnik. 2015) [1]. Gambar 2.9. Battery charge regulator 2.7. Baterai / Accumulator Baterai / accumulator adalah alat penyimpan tenaga listrik arus searah (DC). Ada beberapa jenis baterai / accumulator di pasaran yaitu jenis accumulator basah atau konvensional, hybrid dan MF (Maintenance Free). Accumulator basah atau konvensional berarti masih menggunakan asam sulfat ( H2SO4 ) dalam bentuk cair. Sedangkan accumultor MF sering disebut juga accumulator kering karena asam sulfatnya sudah dalam bentuk gel/selai. Dalam hal mempertimbangkan posisi peletakkannya maka accumulator kering tidak mempunyai kendala, lain halnya dengan accumulator basah.
19 Baterai yang cocok digunakan untuk PV adalah baterai deep cycle lead acid yang mampu menampung kapasitas 100 Ah, 12 V, dengan efisiensi sekitar 80%. Waktu pengisian baterai/aki selama 12 jam - 16 jam (Hasan, Hasnawiya. 2012) [5]. Gambar 2.10 Baterai 2.7.1. Pengertian Ampere Hour (Ah) Ampere Hour / Ah adalah satuan besarnya kapasitas listrik yang tersimpan pada sebuah baterai. Hal ini merujuk pada kemampuan baterai tersebut dalam menyuplai arus listrik (Ampere) selama periode waktu tertentu (Jam). Sebagai contoh dalam percobaan ini menggunakan baterai kapasitas 20Ah. Artinya baterai tersebut dapat memberikan arus sebesar 20A selama 1 jam.
20 2.8. Inverter Inverter adalah alat yang mengubah arus DC menjadi AC sesuai dengan kebutuhan peralatan listrik yang digunakan. Alat ini mengubah arus DC dari panel surya menjadi arus AC untuk kebutuhan beban-beban yang menggunakan arus AC. Tegangan yang dihasilkan oleh solar cell maksimum 18 V akan mengisi accumulator secara continue melalui charger controller, arus akan berubah menjadi AC dengan melalui sebuah rangkaian inverter, transformator step up diperlukan untuk merubah besaran dari tegangan yang keluar yaitu akan berupa tegangan kerja 220V AC. Gambar 2.11 Inverter