BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Matahari Matahari adalah suatu bola gas yang pijar dan mempunyai khatulistiwa dan kutub karena gerak rotasinya. Garis tengah ekuatorialnya 864.000 mil, sedangkan garis tengah antar kutubnya 43 mil lebih pendek. Matahari merupakan anggota Tata Surya yang paling besar, karena 98% massa Tata Surya terkumpul pada matahari. Sebagai pusat peredaran, matahari juga merupakan pusat sumber tenaga di lingkungan tata surya. Matahari terdiri dari inti dan tiga lapisan kulit, masing-masing fotosfer, kromosfer dan korona. Matahari dipercayai terbentuk pada 4,6 juta tahun yang lalu. Kepadatan massa matahari adalah 1,41 berbanding massa air. Jumlah tenaga matahari yang sampai ke permukaan bumi yang dikenali sebagai konstanta surya menyamai 1,353 W/m 2 setiap saat. Menurut Albert Einstein, besarnya energi dalam reaksi inti sama dengan besarnya massa yang hilang dikalikan kuadrat kecepatan cahaya. (sumber : Makalah Adi Nagara, Photovoltaic di Indonesia, 2013) 2.2 Intensitas Cahaya Matahari Fusi termonuklir pada inti dari matahari membebaskan energi dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tinggi. bolak-balik berkecepatan tinggi dengan gelombang medan magnetik yang menumbuhkan partikel-partikel energi dalam bentuk foton. 5
2.3 Jenis jenis Radiasi Matahari Ada tiga macam cara radiasi matahari sampai ke permukaan bumi, yaitu : a. Radiasi langsung (Beam/Direct Radiation) Adalah radiasi yang mencapai bumi tanpa perubahan arah atau radiasi yang diterima oleh bumi dalam arah sejajar sinar datang. b. Radiasi hambur (diffuse Radiation) Adalah radiasi yang mengalami perubahan akibat pemantulan dan penghamburan. c. Radiasi total (Global Radiation) Adalah penjumlahan radiasi langsung (direct radiation) dan radisi hambur (diffuse radiation). 2.4 Konstanta Surya Lapisan luar dari matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu spectrum radiasi yang kontiniu. Untuk maksud yang akan dibahas kiranya cukup untuk menganggap matahari sebagai sebuah benda hitam, sebuah radiator sempurna pada 5762 K. Dalam ilmu fotovoltaik dan studi mengenal permukaan tertentu, distribusi spectral adalah penting. 6
Gambar 2.1 : Bola Surya (sumber : Jansen T J, 1998) Pada radiasi ke semua arah, lihat gambar 2.1, energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik tengahnya. Jari-jari R adalah sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bola adalah sama dengan 4 πr 2, dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi :... Pers. (2.1) (sumber : Jansen T J, 1998) Dengan garis tengah matahari 1,39 x 10 9 m, temperatur permukaan matahari 5726 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 10 11 m, maka fluksa radiasi per satuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat di luar atmosfer bumi adalah :... Pers. (2.2) (sumber : Jansen T J, 1998) 7
Harga G ini disebut konstanta surya, G sc. Pengukuran yang baru-baru ini dilakukan oleh pesawat antariksa telah membenarkan harga G sc ini, yang kemudian telah diterima oleh NASA sebagai standar. (sumber : Jansen T J., 1998, Teknologi Rekayasa Surya, Pradiya Pramita, Jakarta) Dalam menentukan Intensitas Surya Total pada Kolektor dapat dipergunakan suatu alat ukur pyranometer atau dihitung dengan rumus-rumus sebagai berikut : 284 N 23,47 sin 360.. (2.3) 365 W 360 24 LST 12..... (2.4) sin cos.cos.cos w sin. sin.. (2.5) cos sin.sin.cos sin.cos. sin cos.cos.cos.cosw cos.sin.sin.cosw. (2.6) p B IDN Io.exp.... (2.7) p0 cos I o 12. 3600 360.N.I. 1 0.033.cos.. (2.8) SC 365 Hdir IDN. sin. (2.9) Hdir I DN.... (2.10) sin 1 cos I t IDN.cos Hdiff.. diff dir... (2.11) 2 2 1 cos H H. 8
dimana : N W I DN = Sudut deglinasi radiasi sinar matahari tehadap bumi. = Nomor hari, dari tahun yang ber- sangkutan. = Sudut ketinggian surya (matahari) = Sudut lintang setempat = Sudut waktu. = Sudut zenith matahari. = Intensitas energi surya direct normal. I SC = Konstanta surya (1353 W/m 2 ). H dir H diff = Intensitas direct pada bidang hori zontal. = Intensitas diffuse pada bidang hori zontal. LST = waktu ( WIB ) 2.5 Instrumentasi Dalam bagian ini, diterangkan mengenai instrument yang biasa digunakan untuk mengukur insolasi, pembahasan dibatasi pada piranometer dan piranograf Robitzsch. Alat perekam sinar matahari Camphell-Stokes mengukur jumlah jam matahari bersinar cerah. Piranometer Spektral Presisi Eppley ditunjukan dalam gambar 2.2. Sensornya terdiri atas sebuah tumpukan termal kawat konstantan yang dilapisi tembaga secara listrik untuk setengah dari setiap lilitan kawat tersebut yang dililiti tumpukan termal sambungan banyak, dan yang juga dilapisi dengan bahan lak parson yang hitam. 9
Gambar 2.2 Piranometer PSP Eppley (sumber : Jansen T J, 1998) 2.6 Pengaruh Posisi Panel Surya Terhadap Pergerakan Arah Matahari Beberapa macam cara yang dapat mendapatkan radiasi matahari yang lebih banyak yaitu dengan mengatur kedudukan modul surya, dimana kedudukan modul surya dapat diatur mengikuti pergerakan arah matahari dengan menentukan posisi sudut kemiringan, sudut deklinasi, bujur lintang, sudut zenith, sudut datang matahari, sudut permukaan azimuth, serta sudut jam matahari terhadap pergerakan arah matahari. Cara kedua adalah dengan menggunakan cermin pantul. Posisi relatif matahari terhadap modul surya (p hotovoltaic) di bumi bisa dijelaskan dalam beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.3 Sudut-sudut itu adalah : 10
a) ɸ, latitude (garis lintang) : Sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator (khatulistiwa), utara positif ; -90 ɸ 90. b) δ, declination (deklinasi) : Sudut posisi matahari saat solar noon yang berhubungan terhadap bidang khatulistiwa, utara positif; -23,45 < δ < 23,45. c) β, slope (kemiringan) : Sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan permukaan horisontal ; 0 β 180. d) γ, surface azimuth angle (sudut permukaan azimuth) : Proyeksi ke bidang horisontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap selatan, timur negatif, barat positif ; -180 g 180. e) ω, hour angle (sudut jam) : Sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15 per jam ; sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif. f) θ, angle of incidence (sudut datang) : Sudut antara permukaan radiasi langsung normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor. g) θ, zenith angle (sudut zenith) : Sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis datang sinar matahari. h) α s, solar altitude angle (sudut ketinggian matahari) : Sudut antara garis horisontal dengan garis matahari datang. i) γ s, solar azimuth angle (sudut azimuth matahari) : sudut penyimpangan dari selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. 11
Penyimpangan ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif. Gambar 2.3 : Beberapa Sudut Penting Energi Surya (sumber : Dwi Mulyana, 2003) 2.7 Perhitungan Daya Masukan, Daya Keluaran Dan Efiensi Pada Panel Surya Sebelum mengetahui berapa nilai daya sesaat yang dihasilkan harus diketahui daya yang diterima (daya input), di mana daya tersebut adalah : Perkalian antara intensitas radiasi matahari yang diterima dengan luas area modul PV dengan persamaan : P in = Ir A.. Pers (2.12) (sumber : Ihsan., 2003) 12
Keterangan : P in = Daya input akibat Radiasi matahari (Watt) Ir = Intensitas radiasi matahari (Watt/m 2 ) A = Luas area permukaan photovoltaic module (m 2 ) Sedangkan untuk besarnya daya keluaran pada panel surya ( Pout) yaitu perkalian tegangan rangakaian terbuka (Voc), arus hubung singkat (Isc), dan Fill Factor (FF) yang dihasilkan oleh sel photovoltaic yang dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : P out = V oc I sc FF.. Pers. (2.13) (sumber : Ihsan, 2003) Keterangan : P out V oc I sc FF = Daya yang dibangkitkan oleh panel surya (Watt) = Tegangan rangkaian terbuka pada panel surya (Volt) = Arus hubung singkat pada panel surya (Ampere) = Fill Factor dapat dihitung dengan rumus FF =.... Pers. (2.14) (sumber : Jurnal Rekayasa Elektrikal, Suriadi dan Mahdi Syukri, Universitas Syiah Kuala) 13
Keterangan : V mp = maximum power point voltage I mp = maximum power point current V oc = Tegangan rangkaian terbuka pada panel surya (Volt) I sc = Arus hubung singkat pada panel surya (Ampere) Efiensi yang terjadi pada panel surya adalah merupakan perbandingan daya dapat dibangkitkan oleh panel surya dengan energy input yang diperoleh dari radiasi matahari. Efiensi yang digunakan adalah efiensi sesaat pada pengambilan data :..... Pers. (2.15) (sumber : Ihsan., 2003) Keterangan : η = Efiensi Panel Surya I = Intensitas cahaya matahari (W/m 2 ) P = Daya output yang dibangkitkan oleh panel surya (Watt) A = Luas area permukaan modul photovoltaic (m 2 ) Salah satu factor yang dapat mempengaruhi peningkatan kinerja pada photovoltaic adalah banyaknya jumlah intensitas cahaya yang mengenai permukaan panel. Hal inilah yang mendasari penulis melakukan penelitian dengan menambahkan reflector pada panel surya. 14
2.8 Pengukuran Intensitas Cahaya Matahari Dengan Menggunakan Pyranometer. Pyranometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur radiasi matahari, atau insolation, baik langsung dan menyebar pada permukaan planar. Pyranometer biasanya perangkat pasif, tidak memerlukan listrik untuk beroperasi. Pyranometer menggunakan thermopile dilapisi hitam yang akan menyerap semua radiasi matahari di berbagai panjang gelombang yang luas. Sebuah kubah kaca membatasi radiasi ke kisaran gelombang pendek saja. Thermopile menghasilkan sinyal tegangan yang sebanding dengan insiden radiasi matahari. Atau, detektor silikon fotovoltaik dapat digunakan untuk mengukur radiasi yang masuk untuk panjang gelombang, yang menghasilkan sinyal saat yang dikonversi menjadi sinyal tegangan menggunakan potensiometer. Hambatan variabel potensiometer digunakan untuk mengkalibrasi sensitivitas untuk sensor fotovoltaik. Gambar 2.4 : Pyranometer Tipe LP02 manual V1216 (Manual Book Pyranometer LP02 Manual V1216, Hukseflux) 15
2.9 Pengertian Panel Surya Panel surya (Solar Cell) adalah seperangkat alat listrik yang mengubah energi cahaya langsung menjadi energi listrik. Sistem kerja Panel Surya (Solar Cell) sendiri dapat dijelaskan secara sederhana sebagai berikut yaitu mengubah dari energi cahaya menjadi energi listrik. Panel Surya ( Solar Cell) terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar Matahari maka akan terjadi aliran elektron. Aliran elektron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik. Bahan Solar Cell sendiri terbuat dari kaca pelindung dan material adhesive transparan untuk menyerap cahaya dengan menggunakan photoelectric effect. ( sumber : Haller I & Grupp H 2009, Demand by product characteristics: measuring solar cell quality over time ) Sebuah Panel Surya ( Solar Cell) yang terbuat dari bahan semikonduktor mampu mengkonversi sinar Matahari menjadi arus listrik (DC) yang disimpan dalam battery (ACCU). Arus ini kemudian diubah menjadi arus listrik (AC) dengan menggunakan inverter kemudian disalurkan pada beban, sebagai contah pada bola lampu. (West, K 2003) Panel Surya (Solar Cell) memiliki ketahanan yang cukup lama. Sebuah Photo Voltaik (PV) sistem dengan perawatan yang baik dapat bertahan hingga lebih dari 20 tahun. Sebenarnya dengan kondisi dimana sistem Solar Cell tidak dipindah-pindah dan terinterkoneksi langsung pada alat listrik, modul Solar Cell, yang diproduksi oleh pabrikasi yang baik, mampu bertahan hingga 30 tahun lamanya. Ini adalah sebuah 16
investasi yang dapat bertahan untuk jangka panjang. (sumber : Matsumura, M 2009, Utilization of Solar Cell, Research Center for Solar Energy Chemistry). Adapun cara terbaik agar sistem Solar Cell dapat bertahan lama serta tetap stabil dalam performansi dan efisiensinya adalah dengan melakukan pemasangan yang sesuai dan perawatan yang teratur. Berbagai kasus dalam permasalahan Panel Surya ( Solar Cell) yang paling banyak dijumpai adalah dikarenakan buruknya cara pemasangan serta tidak rapinya proses instalasi. Kasus yang sering dijumpai tersebut antara lain seperti koneksi yang tidak baik, ukuran kabel yang tidak tepat, ataupun komponen yang tidak sesuai untuk aliran DC. Selain itu juga, kesalahan sering terjadi pada tidak seimbangnya sistem atau Balance of System (BOS) pada bagian-bagian yang dipasang yaitu kontroler, inverter, serta proteksi komponen. Penggunaan yang salah pada battery juga menjadikan sebuah Panel Surya (Solar Cell) cepat rusak. Battery juga beresiko menjadi lebih cepat rusak jika diberi beban kerja diluar kapasitasnya. Pada sistem sel surya, battery digunakan dan diberi muatan secara perlahan-lahan hingga periode beberapa hari bahkan hingga satu minggu. Kondisi ini berbeda dengan cara kerja battery pada umumnya yang dapat langsung diisi daya segera setelah digunakan. Battery pada sistem Solar Cell dapat lebih cepat rusak jika tidak menggunakan tipe battery yang sesuai dengan karakteristik yang dibutuhkan oleh sebuah Solar Cell. Solar home system atau aplikasi dari solar PV ( Photovolthaic) untuk perumahan yang terdiri dari : 17
1. Aplikasi mandiri ( stand alone application), dipasang pada setiap rumah/masjid/gedung dan menghasilkan listrik untuk dipakai sendiri. 2. Aplikasi terkoneksi jaringan ( grid connected amplification) dipasang dalam ukuran yang relatif besar dalam format sentral. Listrik yang dihasilkan disalurkan kejaringan yang telah ada. Konsumen memperoleh jaringan listrik. (sumber : Makalah peranan elektronika daya dalam pembangkit listrik tenaga surya, ITB, 2014) Solar Home system merupakan suatu pembangkit listrik tenaga surya berskala kecil yang terdiri dari komponen panel surya, Baterai charger controller, baterai, dan inverter. Beban yang dipasang pada pembangkit berskala kecil ini dapat berupa lampu florescent, radio, televisi berwarna yang dioperasikan dalam 4 atau 5 jam setiap hari. Panel surya yang banyak digunakan untuk Solar home system dalam skala kecil ini biasanya bervariasi dari 50 watt 200 watt. Baterai dibutuhkan dalam pembangkit ini dengan tujuan pada saat malam hari ataupun selama cuaca hujan sehingga tidak terdapat sinar matahari, listrik masih dapat dimanfaatkan. Instalasi Solar Home System (SHS) ada dua macam, yaitu off grid (stand alone) serta on grid. Off grid adalah instalasi Solar Home System dengan membuat jaringan tersendiri yang berbeda dengan jaringan listrik dari PLN. sedangkan instalasi on grid maka jaringan listrik SHS dan PLN terhubung menjadi satu atau (Interkoneksi). 18
Pada dasarnya Solar Home System adalah bentuk aplikasi dari tenaga surya, 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 sudah banyak digunakan untuk memasok daya listrik di satelit komunikasi panel surya. Sistem sel surya yang digunakan dipermukaan bumi terdari dari panel surya, rangkaian kontroler pengisian ( charger controller) dan aki ( battere) 12 Volt yang maintenance free. Panel surya merupakan modul yang terdiri dari beberapa sel surya yang digabung dalam hubungkan seri dan pararel tergantung ukuran dan kapasitas yang diperlukan. Modul surya itu menghasilkan energi listrik yang proposional dengan luas permukaan panel yang terkena sinar matahari. Rangkaian controller pengisian aki dalam sitem sel surya itu merupakan rangkain electronic yang mengatur proses pengisian akinya. kontroler ini dapat mengatur tegangan aki dalam selang tegangan 12 Volt plus minus 10 persen. 2.10 Photovoltaic (PV) 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 1745-1827 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. Oleh karena itu, kata photovoltaic biasa disingkat dengan PV. Nama 19
lain untuk sel photovoltaic adalah solar cell, solar panel, solar array, dan photovoltaic panel. Solar array adalah kelompok dari solar panel, dan solar panel adalah kelompok dari solar cell. Solar cell merupakan elemen aktif (semikonduktor) yang memanfaatkan efek photovoltaic untuk mengubah energi surya menjadi energi listrik tanpa penggunaan dari bagian-bagian mekanis yang bergerak dan tanpa penggunaan bahan bakar. Solar cell pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai sifat konduktor dan isolator yang baik. Contoh semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon dan germanium. Silikon berperan sebagai isolator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Dapat diperkirakan kita tidak akan kekurangan silikon karena kira-kira 25% dari kerak bumi adalah silikon. Tiap solar cell biasanya menghasilkan tegangan 0,5 Volt. 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 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 20
semikonduktor jenis N (negatif). Semikonduktor jenis P juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil material 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). Bahan sel surya sendiri terdiri dari kaca pelindung dan material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan lingkungan, material antirefleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan, semi-konduktor P-type dan N-type (terbuat dari campuran silikon) untuk menghasilkan medan listrik, saluran awal dan saluran akhir (terbuat dari logam tipis) untuk mengirim electron ke perabot listrik. 2.11 Keuntungan dan Kerugian Panel Surya 2.11.1 Keuntungan Photovoltaic dapat menyediakan banyak keuntungan dibandingkan sumber tenaga lain, seperti generator diesel, fosil dan sumber nuklir, tenaga utility konvensional, dan lain-lain. Keuntungan ini dapat disimpulkan sebagai berikut: a. PV tidak membutuhkan bahan bakar minyak dan tidak ada gas eimisi selama beroperasi. Dengan demikian, PV tidak menyebabkan polusi lingkungan. Tenaga yang berlimpah yang dibutuhkan PV adalah sinar matahari, yang gratis, secara luas ada di banyak negara dan sebenarnya 21
tidak akan habis. PV juga beroperasi tanpa berisi dan berisik dan tidak bagian yang bergerak. Hal ini tidak hanya mengurangi biaya operasional tetapi juga mengurangi pekerjaan maintenance untuk pembersihan. b. Modul PV terpercaya, stabil, tahan lama dan memiliki waktu operasi yang lama, biasanya lebih dari 10 tahun karena mereka tahan cuaca. Dengan demikian, biasanya PV merupakan pilihan yang disukai untuk pemakaian yang membutuhkan persediaan tenaga yang konsisten seperti untuk perawatan kesehatan, aplikasi untuk emergency power, dan lain-lain. Sistem PV biasanya didekat tempat yang menghasilkan listrik. Hal ini menawarkan keuntungan pada jaringan utility karena tidak membutuhkan jalur transmisi yang untuk membawa listrik dari jaringan ke daerah terpencil. Semakin sedikit jalur transmisi berarti semakin rendah biaya. 2.11.2 Kerugian Disamping semua keuntungan PV, masih ada sedikit kekurangan dari system PV yang mesti dipertimbangan sebagai berikut: a. Kerugian utama dari system PV adalah output tenaga tergantung dari sinar matahari. Keberadaan sinar matahari dalam sehari sangat terbatas, khususnya selama musim dingin, hujan atau berawan. Awan menutupi matahari atau bayangan yanag dihasilkan oleh gedung atau pohon akan menurunkan output system. Tanpa sinar matahari terutama pada malam hari, PV tidak dapat menghasilkan listrik. Dengan demikian, penggunaaan 22
tenaga pada malam hari membutuhkan cadangan tenaga seperti baterai, generator diesel. b. Biaya awal untuk sistem PV cukup besar bila dibandingkan dengan bentuk lain dari penghasil listrik karena peralatan system PV lebih mahal. Akibatnya, tidak banyak orang mau mengeluarkan biaya mahal. c. Dengan demikian, bantuan dalam bentuk finansial sangat dibutuhkan 2.12 Karakteristik Panel Surya Beberapa karakteristik penting photovoltaic terdiri dari tegangan open circuit (Voc), arus hubung singkat (Isc), efek perubahan intensitas cahaya matahari, efek perubahan temperatur pada solar cell (Tsc) dan karakteristik tegangan-arus (V-I characteristic) pada photovoltaic. 2.12.1 Tegangan Open Circuit (Voc) Voc adalah tegangan yang dibaca pada saat arus tidak mengalir atau dengan kata lain tegangan maksimum solar cell yang terjadi ketika arus hubung singkat sama dengan nol. Cara untuk mencapai tegangan open circuit (Voc) yaitu dengan cara menghubungkan kutub positif dan kutub negatif PV module pada multimeter maka akan terlihat pembacaan nilai tegangan open circuit sel surya pada multimeter. 2.12.2 Arus Short Circuit (Isc) Isc merupakan arus maksimal yang dapat dihasilkan oleh modul sel surya. Cara untuk mendapatkan nilai Isc yaitu dengan cara menge-short-kan kutub positif 23
dengan kutub negatif pada PV module, kemudian nilai Isc dibaca pada multimeter sebagai pembaca arus sehingga didapatkan nilai pengukuran arus maksimum pada sel surya. Gambar 2.5 : Karakteristik Tegangan Arus dan Kurva Daya ( sumber : Dwi Mulyana, 2003) 2.12.3 Efek Perubahan Intensitas Cahaya Matahari Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diperoleh sel surya (photovoltaic) berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan penurunan arus listriknya. 24
Gambar 2.6 : Kurva I -V Terhadap Tingkat Irradiance dan Temperatur yang Tetap (Sumber : Suparjo, 2015) 2.12.4 Efek Perubahan Temperatur Pada Photovoltaic (Tsc) Temperatur juga mempengaruhi kinerja sel dan efisiensi photovoltaic, Jika sel surya berada pada kondisi dingin maka akan menghasilkan daya yang lebih besar. Pada umumnya ketika penyinaran pada sel adalah 1 kw/m2 temperatur sel kira-kira 30 o C lebih tinggi dari udara sekitar. Makin besar temperatur sel surya maka tegangan berkurang sekitar 0,0023 Volt/ o C untuk teknologi crystalline silikon atau sekitar 0,0028 Volt/ o C untuk teknologi film tipis ( thin film). Daya listrik juga mengalami penurunan sampai 0,5% / o C untuk teknologi crystalline silikon atau sekitar 0,3/ o C 25
untuk teknologi film tipis ( thin film). Karakteristik perubahan temperatur pada sel surya diperlihatkan pada gambar 2.8. Gambar 2.7 : Kemampuan Sel Surya pada Beberapa Variasi Temperatur (Sumber : Suparjo, 2015) 2.12.5 Karakteristik Tegangan-Arus Pada Photovoltaic (V-I Characteristic) Penggunaan tegangan dari photovoltaic bergantung dari bahan semikonduktor yang dipakai. Jika menggunakan bahan silikon maka tegangan yang dihasilkan dari setiap sel surya berkisar 0,5 V. Tegangan yang dihasilkan dari photovoltaic bergantung dari radiasi cahaya matahari. Untuk arus yang dihasilkan dari photovoltaic bergantung dari luminasi (kuat cahaya) matahari, seperti pada saat cuaca cerah atau mendung. Sebagai contohnya suatu kristal silikon tunggal photovoltaic 26
dengan luas permukaan 100 cm 2 akan menghasilkan sekitar 1,5 Watt dengan tegangan sekitar 0,5 Volt tegangan searah dan arus sekitar 2 Ampere di bawah cahaya matahari dengan panas penuh (intensitas sekitar 1000W/m2). Karakteristik perubahan tegangan-arus pada photovoltaic diperlihatkan pada gambar 2.9. Gambar 2.8 : Karakteristik Tegangan-Arus pada Silikon Photovoltaic (Sumber : Suparjo, 2015) 2.13 Jenis-jenis Panel Surya Solar cell memiliki jenis yang berbeda tergantung dari bahan yang dipakai, ada kira-kira tiga jenis yang cukup banyak terdapat di pasaran saat ini. Bahan yang dipakai solar cell membedakan kualitas dari solar cell yaitu kualitas tegangan dan arus. Beberapa jenis solar cell antara lain : 27
2.13.1 Silikon Crytalline Material terpenting dalam sel surya crystalline yaitu silicon. Setelah oksigen, silicon adalah elemen terbanyak kedua dibumi, sehingga tersedia dalam jumlah yang hampir tak terbatas. Silikon tersedia tidak dalam bentuk murni, tapi dalam bentuk senyawa kimia dengan oksigen dalam bentuk kuarsa atau pasir. Sel Silikon Monocrystalline Proses Czochralski (crucible drawing process) telah ditetapkan dalam produksi silikon kristal tunggal untuk penggunaan peralatan yang berhubungan dengan bumi ( terrestrial). Pada proses ini, material awal dari polycrystalline (polysilicon) dilelehkan di dalam suatu wadah kuarsa, dengan suhu sekitar 1420 o C. Sebuah biji kristal dicelupkan ke dalam lelehan silikon tadi dan perlahan-lahan akan tertarik ke atas, keluar dari lelehan. Selama proses ini, kristal akan berubah menjadi bentuk silinder dengan monocrystal dan diameter mencapai 30 cm. Kristal tunggal silinder ini dipotong untuk membentuk batangan semi bulat atau persegi yang kemudian dipotong lagi dengan menggunakan gergaji kawat menjadi lempeng-lempeng tipis dengan tebal sekitar 0,3 mm. Lapisan berbentuk wafer itu lalu dibersihkan dengan pembasahan secara kimia, dengan pengetsaan dan pembilasan untuk menghilangkan sisa-sisa pemotongan dan bekas pemotongan. Dimulai dari lapisan mentah ( raw wafers) yang telah menjadi p-doped dengan boron, lapisan tipis n-doped 28
dibuat dengan melalui difusi fosfor. Gas fosfor terdifusi ke dalam ruang pembakaran difusi pada suhu antara 800 o C dan 900 o C. Sel ini mempunyai efisiensi antara 15% sampai 18%. Sel silikon Polycrystalline Material silikon mula-mula dilelehkan didalam wadah kuarsa. Pada metode balok tuang ( block cast method), balok silikon berukuran besar atau ingot akan terbentuk. Ingot biasanya dipotong-potong menjadi batanganbatangan dengan menggunakan gergaji pita ( band saw) dan kemudian dipotong lagi menjadi lempengan-lempengan dengan ketebalan sekitar 0,3 mm dengan menggunakan gergaji kawat. Setelah pembersihan dan penambahan fosfor, lapisan anti pantul digunakan. Sel ini mempunyai efisiensi antara 13% hingga 16% (dengan AR). 2.14 Penjelasan Tentang Proses Mula Pembangkit Tenaga Surya Panel Surya Control 29
Baterai Inverter Box Panel AC Gambar 2.9 Penjelasan Tentang Proses Mula Pembangkit Tenaga Surya (Dokumentasi: Rooftop Gedung C Teknik) Cahaya matahari dapat diubah menjadi energi listrik melalui modul surya yang terbuat dari bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor, merupakan bahan semi logam yang memiliki partikel yang disebut elektron-proton, yang apabila digerakkan oleh energi dari luar akan membuat pelepasan elektron sehingga menimbulkan arus listrik dan pasangan elektron hole. Energi kinetik akan makin besar seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya dari matahari. Intensitas cahaya matahari tertinggi diserap bumi di siang hari sehingga menghasilkan tenaga surya yang diserap bumi ada sekitar 120.000 terra Watt. Kontroler pengisian ( Charge Controller) adalah rangkaian elektronik yang mengatur proses pengisian aki atau rangkaian aki ( Battery Bank). Tegangan DC (Direct Current) yang dihasilkan oleh panel sel surya umumnya bervariasi 12 volt keatas. Kontroler ini berfungsi sebagai alat pengatur tegangan aki agar tidak melampaui 30
batas toleransi dayanya. Disamping itu, alat pengontrol ini juga mencegah pengaliran arus dari aki mengalir balik ke panel sel surya ketika proses pengisian sedang tidak berlangsung (misalnya pada malam hari) sehingga aki yang sudah dicas tidak terkuras tenaganya. Apabila aki atau rangkaian aki sudah penuh terisi, maka aliran DC dari panel surya akan diputuskan agar aki itu tidak lagi menjalani pnngisian sehingga pengerusakan terhadap baterai bisa dicegah dan usia aki bisa diperpanjang. Pengendalian proses pengisian aki dengan membuka dan menutup aliran arus DC dari panel surya ke aki adalah fungsi yang paling dasar sebuah charge controller. Baterai (battery) adalah salah satu alat penting untuk penyimpan dan konversi energi yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia. Jadi, baterai sebenarnya merupakan sebuah sel elektrokimia. Berdasarkan cara kerjanya, sel elektrokimia dapat dibagi menjadi dua, yaitu: sel galvanis dan sel elektrolisa. Sel galvanis, yang juga disebut sel volta, merubah energi kimia menjadi kerja listrik sedangkan sel elektrolisa merubah kerja listrik untuk menggerakkan reaksi kimia tak spontan. Dalam baterai biasa, komponen kimia terkandung dalam alat itu sendiri. Inverter adalah rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk mengkonversikan tegangan searah (DC) ke suatu tegangan bolak -balik (AC). Ada beberapa topologi inverter yang ada sekarang ini, dari yang hanya menghasilkan tegangan keluaran kotak bolak-balik ( push-pull inverter) sampai yang sudah bisa menghasilkan tegangan sinus murni (tanpa harmonisa). Inverter satu fasa, tiga fasa sampai dengan multifasa dan ada juga yang namanya inverter multilevel. 31
Prinsip kerja inverter adalah mengubah input motor (listrik AC) menjadi DC dan kemudian dijadikan AC lagi dengan frekuensi yang dikehendaki sehingga motor dapat dikontrol sesuai dengan kecepatan yang diinginkan. (sumber : Makalah Peranan Elektronik Daya Dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya, ITB, 2014) 32