Seminar Nasional Peranan Ipteks Menuju Industri Masa Depan (PIMIMD-4) Institut Teknologi Padang (ITP), Padang, 27 Juli 207 ISBN: 978-602-70570-5-0 http://eproceedingitpacid/indexphp/pimimd207 Rancang Bangun Reflektor Surya Untuk Meningkatkan Efisiensi Pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya 60 Watt Ishak Kasim*, Redhyliansyah Muhammad Pangestu Jurusan Teknik Elektro, Universitas Trisakti Jl Kyai Tapa No, Grogol, Jakarta Barat 440 *Correspondence should be addressed to ishak@trisaktiacid, redhyliansyahmp@gmailcom Abstrak Energi surya merupakan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ke bumi berupa cahaya matahari yang terdiri atas foton atau partikel Dengan menggunakan modul surya, energi surya dikonversikan menjadi energi listrik yang disebut juga dengan energi photovoltaic Intensitas cahaya matahari dipengaruhi oleh waktu siklus rotasi dan revolusi bumi, kondisi cuaca meliputi kualitas dan kuantitas awan, pergantian musim serta posisi garis lintang Pada daerah perkotaan, intensitas cahaya matahari juga dipengaruhi oleh pepohonan dan bangunanbangunan tinggi Upaya yang dapat dilakukan untuk memaksimalkan intensitas cahaya matahari adalah dengan menggunakan reflektor surya karena alat ini dapat memantulkan cahaya matahari ke permukaan modul surya Pada penelitian ini akan dilakukan pengujian sudut reflektor surya yang paling optimal dalam memantulkan cahaya matahari ke modul surya Pengujian dibagi menjadi tahap Pada tahap pengujian dilakukan tanpa beban dan reflektor surya sebagai data awal Pada tahap 2 pengujian dilakukan tanpa beban dengan memberi sudut antara modul surya dan reflektor surya sebesar 45, 60, 75 dan 90 untuk mendapatkan sudut yang paling optimal Pada tahap pengujian dilakukan dengan beban dan sudut yang paling optimal Dengan sudut yang pling optimal, nilai efisiensi modul surya dapat melebihi nilai efisiensi produksi -5 % dan nilai efisiensi laboratorium 8% bahan polycrystalline Nilai efisiensi pada modul surya, 2 dan masing-masing sebesar 20,024 %, 20,04 % dan 20,062% Kata kunci : Energi surya, intensitas cahaya matahari, reflektor surya Pendahuluan Pencarian salah satu bentuk energi alternatif dalam rangka penghematan energi sedang dikembangkan Indonesia merupakan negara yang terletak di garis khatulistiwa yang menyebabkan energi surya menjadi salah satu bentuk energi terbarukan yang potensial untuk dikembangkan Energi surya selain mudah didapatkan dari alam, juga ramah lingkungan yaitu tidak memiliki emisi CO 2 sehingga menjadi teknologi andalan di dunia Selain daripada itu teknologi surya telah dirancang untuk mudah dalam instalasi, operasi, dan perawatan Namun kekurangannya adalah teknologi surya ini membutuhkan investasi awal yang lebih mahal dibandingkan generator, tetapi untuk pemakaian jangka panjang penggunaan teknologi surya tetap menjadi lebih hemat Teknologi surya yang disebut juga dengan photovoltaic (PV) dibentuk dalam se modul surya yang terbentuk dari bahan semikonduktor [] Bahan semikonduktor mampu menghantarkan arus listrik ketika ada energi kinetik yang menggerakkan partikel elektron di dalamnya ke pita konduksi Dalam hal ini cahaya matahari mengandung gelombang elektromagnetik atau energi foton yang mampu menghasilkan energi kinetik untuk melepaskan ikatan elektron pada semikonduktor sehingga menimbulkan arus listrik [] Batas efisiensi dari material semikonduktor tunggal adalah sekitar % [2] Hal ini dikarenakan tidak ada satupun material yang dengan sempurna mengabsorbsi sesuai dengan keseluruhan range radiasi cahaya matahari yang berkisar antara 0,2 ev [] Cahaya dengan energi dibawah bandgap tidak akan diabsorbsi dan dikonversikan menjadi energi listrik sedangkan energi di atas bandgap akan diabsorbsi, namun kelebihan energinya akan hilang dalam bentuk energi panas [4] Penelitian sel surya pada dasarnya difokuskan pada dua tujuan utama: pertama, untuk memperoleh model sel surya efisiensi tinggi dengan memanfaatkan teknologi canggih; kedua, untuk memperoleh model sel surya efisiensi rendah dengan memanfaatkan teknologi produksi konsumsi massa Tujuan manapun yang diprioritaskan, penelitian selalu dimulai dengan 20XX ITP Press All rights reserved DOI 0206/PIMIMD420794-200
Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 95 mengembangkan model sel surya yang akan diteliti [5] Secara umum, semakin banyak radiasi yang dikonversi menjadi daya, maka efisiensinya akan meningkat Karena peningkatan intensitas cahaya dan suhu diikuti oleh peningkatan daya keluaran, maka semakin meningkatnya intensitas cahaya dan suhu juga akan meningkatkan efisiensi [6] Reflektor surya digunakan untuk meningkatkan intensitas cahaya matahari yang nilainya sebanding lurus dengan meningkatnya daya keluaran pada modul surya ini (reflektor surya) dapat memantulkan cahaya matahari ke permukaan modul surya dan dapat diatur dengan berbagai macam sudut antara 0 sampai dengan 80 Pengaruh sudut pantul terhadap intensitas cahaya pada reflektor surya juga perlu diperhatikan pada implementasi modul surya dalam kehidupan manusia 2 Tinjauan Pustaka A Energi Matahari Energi matahari adalah sumber energi yang melimpah-ruah adanya, bersih, bebas polusi dan tidak akan habis sepanjang masa, serta merupakan extra terresterial energy yang dapat dimanfaatkan melalui konversi langsung, seperti pada fotovoltaik dan secara tidak langsung seperti pada pusat listrik tenaga termal surya Temperatur efektif pada permukaan matahari sebesar 5760 K, sedangkan pada inti matahari mencapai kurang lebih 8 x 0 6 K sampai dengan 40 x 0 6 K Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik Radiasi tersebut tidak seluruhnya dapat diserap oleh bumi Besaran konstanta radiasi matahari sama dengan 96 W/m² Dari besaran tersebut, 7,85% atau 05,8 W/m² dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,% atau 640,4% W/m² dipancarkan oleh sinar yang dapat dilihat manusia (vissible light) dan 44,85% atau 606,8 W/m² dipancarkan oleh sinar inframerah Ir = / x 0 x 4,86 = 96 W/m² Atau Ir = 96 W/m² ~ 442 Btu/ft² jam Ir diatas merupakan besaran dari konstanta rapat radiasi surya pada ruang hampa angkasa, sedangkan besar Ir pada permukaan bumi hanya berkisar 947 W/m² dan mendekati 00 Btu/ft² jam Apabila besaran rapat radiasi surya jatuh ke permukaan modul surya, maka energi inilah yang dikonversi menjadi energi listrik B Photovoltaic Kata photovoltaic terdiri dari dua kata yaitu photo dan volta Photo yang berarti cahaya (dari bahasa Yunani yaitu phos, photos: cahaya) dan Volta (berasal dari nama seorang fisikawan italia yang hidup antara tahun 745-827 yang bernama Alessandro Volta) yang berarti unit tegangan listrik Dengan kata lain, arti photovoltaic yaitu proses konversi cahaya matahari secara langsung untuk diubah menjadi listrik Pada solar cell terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masingmasing diketahui sebagai semikonduktor jenis P (positif) dan semikonduktor jenis N (negatif) Semikonduktor jenis N dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain (umumnya phosfor) 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 (positif) juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil material lain 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) Gambar 2 Struktur Utama Silikon Generik Sel Fotovoltaik C Proses Konversi Energi Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif) Sedangkan
96 semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semikonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini Gambar 26 Struktur Jenis Semikonduktor Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari se semikoduktor Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang permukaan modul surya (Tsc), arus hubung singkat (Isc), tegangan rangkaian terbuka (Voc) serta posisi matahari terhadap bumi Pengumpulan data dilakukan dengan : Mengumpulkan data kondisi cuaca dan lingkungan penelitian pada setiap harinya 2 Melakukan pengujian tahap, yaitu pengujian tanpa beban dan reflektor dengan posisi modul surya horisontal atau pada sudut 0 Melakukan pengujian tahap 2, yaitu pengujian tanpa beban dengan memberi jarak antara modul surya dan reflektor surya sebesar sudut 45, 60, 75 dan 90 Melakukan pengujian tahap, yaitu pengujian dengan beban dan sudut terbaik B Diagram Alir Penelitian Dalam melakukan penelitian, terdapat langkah-langkah yang harus dilakukan dan mengacu pada diagram alir berikut : Mulai Rancang Bangun D Pantulan Cahaya Oleh Reflektor Salah satu sifat cahaya adalah dapat dipantulkan Pemantulan cahaya terdiri dari pemantulan baur (pemantulan difus) dan pemantulan teratur Pemantulan baur terjadi jika cahaya mengenai permukaan yang tidak rata dan arah sinar pantulnya tidak beraturan Sedangkan pemantulan teratur terjadi apabila cahaya mengenai permukaan yang rata, mengkilap atau licin seperti misalnya cahaya yang dipantulkan oleh cermin yang datar dan sinar hasil pantulannya memiliki arah yang teratur Adapun benda yang memiliki sifat cahaya yang ini ialah cermin Berdasarkan bentuk permukaannya cermin dibedakan menjadi cermin datar dan cermin lengkung Cermin datar merupakan cermin yang permukaannya tidak melengkung Persiapan Peralatan TA dan Ukur serta Menentukan Lokasi Pengujian Pengujian Tahap /2/ Kondisi Cuaca Cerah >00 W/m² A YA TIDAK Gambar Diagram Alir Penelitian () Metodologi Penelitian A Metode Pengumpulan Data Pada penelitian ini beberapa variabel yang memenuhi kebutuhan dalam pengumpulan data meliputi intensitas cahaya matahari (Ir), suhu
Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 97 A Solar Charge Controller 0 A ; 2 V 20 W 4 Accumulator 5 Ah ; 2 V Mencatat nilai-nilai dari: Intensitas Radiasi Matahari (Ir), Suhu Permukaan (T), Tegangan Terbuka (Voc), dan Arus Hubung Singkat (Isc) Menghitung Daya Masukan (Pin) dan Daya Keluaran (Pout) Membuat grafik dari: Intensitas Radiasi Matahari (Ir), Suhu Permukaan (T), Tegangan Rangkaian Terbuka (Voc), Arus Hubung Singkat (Isc), Daya Masukan (Pin), dan Daya Keluaran (Pout) terhadap waktu No 2 4 No 2 4 Tabel 2 Daftar Ukur Juml ah Multimeter Digital Multimeter Digital 2 Solar Power Meter Thermomete r Digital Keteranga n Max 50 VDC Max 0 ADC < 000 W/m² C Tabel Daftar Perangkat Lunak Juml Keterang ah an Sunearthtool Website s app Clinometer Digital app Kompas Analog Kompas 2 Digital app Analisa Grafik dan Pembahasan Selesai Gambar 2 Diagram Alir Penelitian (2) Lokasi penelitian adalah di Universitas Trisakti Kampus A Gedung E, lantai 9 (atap) C Daftar Peralatan Pengujian Daftar peralatan pengujian dibagi menjadi macam, yaitu: Daftar Peralatan Utama; Daftar Ukur; dan Daftar Perangkat Lunak yang digunakan didalam melakukan pengujian alat Penelitian ini No Tabel Daftar Peralatan Utama Juml ah modul Keterangan Max 20 wp/modul 4 Hasil dan Pembahasan Perhitungan yang dilakukan berfokus pada perhitungan Fill Factor (FF), Daya Masukan (Pin) dan Daya Keluaran (Pout) pada setiap modul dan dengan sudut paling optimal yang ditentukan dengan nilai rata-rata Iradiance (Irr) tertinggi, yaitu 60 Selanjutnya dilakukan perhitungan nilai Efisiensi (η) dari setiap modul surya Perhitungan dibahas pada subsubbab : Perhitungan dan Analisis, serta Grafik Hasil Perhitungan Daya Maksimal (Pmp) : 20 W Teg pada Pmp (Vmp) : 7,2 V Arus pada Pmp (Imp) :,6 A Teg Rang Terbuka (Voc) : 2,6 V Arus Hubung Singkat (Isc) :, A Data teknis tersebut kemudian dilakukan perhitungan faktor pengisian yang menjadi parameter dalam menentukan daya maksimum dari modul surya Besarnya nilai Fill Factor dihitung dengan rumus : FF = V mp I mp V oc I sc = 7,2,6 2,6, = 0,705 2 Reflektor Surya 57 x 576 x 0 mm FF = = P mp V oc I sc 20 2,6, = 0,7068
98 Dari perhitungan diatas, nilai Fill Factor (FF) dibulatkan menjadi 0,7 Perhitungan Dengan Sudut Teroptimal (60 ) Perhitungan besarnya nilai rata-rata Iradiance (Irr) disetiap modul surya dengan reflektor surya sudut paling optimal, yaitu 60 Besarnya nilai rata-rata Iradiance (Irr) dihitung dengan rumus : Irr = I r + I r2 + I r I r9 9 Irrm = 487,2 W/m² 2 Irrm2 = 487,05 W/m² Irrm = 486, W/m² Selanjutnya dihitung besarnya nilai luas permukaan (A) modul surya Besarnya nilai luas permukaan (A) modul surya dihitung dengan rumus : A = p x t A = 57 x 576 mm² A = 205,62 mm² A = 20,562 cm² A = 0,20562 m² Dari perhitungan diatas, nilai luas permukaan (A) modul surya dibulatkan menjadi 0,206 m² Selanjutnya dihitung besarnya nilai Daya Masukkan (Pin) disetiap modul surya dengan reflektor surya sudut paling optimal, yaitu 60 Besarnya nilai Daya Masukkan (Pin) dihitung dengan rumus : Pin = Irr x A Pinm = 487, x 0,206 = 00,8 Watt 2 Pinm2 = 487,05 x 0,206 = 00, Watt Pinm = 486, x 0,206 = 00,9 Watt Selanjutnya dihitung besarnya nilai Daya Keluaran / Yang Dibangkitkan (Pout) oleh Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang modul surya dengan reflektor surya sudut paling optimal, yaitu 60 Besarnya nilai Daya Keluaran / Yang Dibangkitkan (Pout) dihitung dengan rumus: Pout = Voc x Isc x FF Pout = 2,6 x, x 0,7 = 20, Watt Selanjutnya dihitung besarnya nilai Efisiansi (η) oleh setiap modul surya dengan reflektor surya sudut paling optimal, yaitu 60 Besarnya nilai Efisiansi (η) dihitung dengan rumus : η = Pout Pin 20, η m = 00,8 = 0,20024 = 20,024 % 2 20, η m2 = 00, = 0,2004 = 20,04 % 20, η m = 00,9 = 0,20062 = 20,062 % Perhitungan Tanpa Reflektor Perhitungan tanpa dan dengan reflektor menjadi analisis perbandingan hasil pengujian Yang diperbandingkan adalah antara tanpa reflektor pada hari sudut yang paling optimal (Selasa, 24 Mei 206) dengan sudut yang paling optimal (Sudut 60 ) Sedangkan tanpa reflektor Besarnya nilai rata-rata Iradiance (Irr) : Irrh2 = 7,6947 W/m² Besarnya nilai Daya Masukkan (Pin) Pinh2 = 7,6947 x 0,206 = 5,7 Watt Besarnya nilai Daya Keluaran / Yang dibangkitkan (Pout) : Pouth2 = 9,27 x 0,45 x 0,7 = 4,72 Watt
Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 99 Besarnya nilai Efisiensi (η) : η m = 4,72 5,7 = 0,4 =,4 % Grafik Hasil Perhitungan Dalam subbab ini, grafik yang dibandingkan adalah nilai rata-rata Iradiance (Irr), nilai Daya Masukan (Pin) dan nilai Efisiensi (η) Berikut adalah grafik perbandingan antara sudut teroptimal (60 ) dengan tanpa reflektor surya Efiensi (%) Irradiance (W/m²) Gambar Grafik Nilai Rata-rata Iradiance Pada grafik nilai rata-rata Iradiance, modul surya memiliki nilai sebesar 487, 2 W/m², modul surya 2 sebesar 487,05 W/m²; modul surya sebesar 486, W/m² dan modul surya 4 (tanpa reflektor) sebesar 7,6947 W/m² P input (W) 500 450 400 50 00 250 200 50 00 50 0 0 90 70 50 0 0 487 487 486 Gambar 42 Grafik Nilai Daya Masukkan 7,694 7 2 4 008 00 009 57 2 4 Pada grafik nilai Daya Masukkan, modul surya memiliki nilai sebesar 00,8 Watt, modul surya 2 sebesar 00, Watt, modul surya sebesar 00,9 Watt dan modul surya 4 (tanpa reflektor) sebesar 5,7 Watt 25 22 9 6 0 Gambar 4 Grafik Nilai Efisiensi Pada grafik nilai Efisiensi, modul surya memiliki nilai sebesar 20,024 %, modul surya 2 sebesar 20,04 %, modul surya sebesar 20,062 % dan modul surya 4 (tanpa reflektor) sebesar,4 % 5 Simpulan Setelah melakukan penelitian dan analisis hasil penelitian serta melakukan perhitungan dan perbandingan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: Nilai rata-rata intensitas cahaya matahari (Irradiance) yang jatuh ke permukaan modul surya pada saat tanpa reflektor adalah : hari ke- sebesar 76,9 W/m²; hari ke-2 sebesar 7,6947 W/m²; hari ke- sebesar 78,7 W/m² dan hari ke-4 sebesar 79,5 W/m² 2 Nilai daya masukkan (Pin) modul surya pada saat tanpa reflektor adalah : hari ke- sebesar 6,44 Watt; hari ke-2 sebesar 5,7 Watt; hari ke- sebesar 6,8 Watt dan hari ke-4 sebesar 6,98 Watt Dengan nilai daya keluaran (Pout) sebesar 4,72 Watt Nilai efisiensi (η) modul surya pada saat tanpa reflektor adalah : hari ke- sebesar 2,95 %; hari ke-2 sebesar,4 %; hari ke- sebesar 2,82 % dan hari ke-4 sebesar 2,76 % Referensi 20024 2004 20062 4 2 4 [] Hasnawiya Hasan, Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Surya di Pulau Saugi, Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan, Vol 0, No 2, hlm 69-80, 202 [2] Fitria Yulinda, Rancang Bangun Simulasi Sistem Hybrid Tenaga Surya
200 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang dan Tenaga Angin Sebagai Catu Daya Base Transceiver Station (BTS) G, Skripsi, Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok, 2009 [] Kwok K Ng, Complete Guide To Semiconductor Devices, McGrawhill, New York, 995 [4] S M Sze, Physics of Semiconductor Device, John Wiley & Sons, New York, 98 [5] Muchammad, Eflita Yohana dan Budi Heriyanto, Pengaruh Suhu Permukaan Photovoltaic Module 50 Watt Peak Terhadap Daya Keluaran yang Dihasilkan Menggunakan Reflektor Dengan Variasi Sudut Reflektor 0, 50, 60, 70, 80, Jurnal Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Vol 2, No, hlm 4-8, 200 [6] Candra Prasetyo Edro, Ir Agoes Santoso, MSc, Mphil, CEng dan Irfan Syarif Arief, ST MT, Perancangan Kapal Penumpang Tenaga Surya Untuk Penyebrangan Sungai Bengawan Solo, Jurnal Teknik Sistem Perkapalan, Vol, No, hlm -6, 204 [7] Budi Tjahjono, Analisis Perhitungan Nilai Ekonomis Pemakaian Lampu Penerangan Jalan Umum Dengan Solar Cell, Jurnal Eltek Politeknik Negeri Malang, hlm 49-58 [8] Galih Yudhaprawita dan Sarijaya, Penjadwalan Unit Pembangkit Termal, Sel Surya dan Baterai Menggunakan Metode MIQP, Jurnal Nasional Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Vol 2, No, hlm 49-5, 20 [9] Budi Yuwono, Optimalisasi Panel Surya Dengan Menggunakan Sistem Pelacak Berbasis Mikrokontroler AT89C5, Skripsi, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pegetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, 2005 [0] Muhammad Irfan Surbakti dan Muhammad Sadli, Prototipe Sistem Area Parkir Mobil Otomatis Menggunakan Sumber Energi Panel Surya, Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI),Vol 2, No, hlm -6, 206