ANALISA PERFORMANSI PANEL SOLAR CELL
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik
Oleh NOOR RAHMAIDAYANI 1205051034
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
INTISARI
Kebutuhan energi terbesar dunia berasal dari bahan bakar yang tidak dapat diperbarui, yaitu bahan bakar fosil seperti minyak, batu bara, dan gas alam. Bahan bakar fosil tidak dapat digantikan setelah digunakan, sehingga suatu saat nanti akan habis. Pada saat dibakar, bahan bakar fosil menghasilkan karbon dioksida dan gas polusi lainnya, yang menyebabkan pemanasan global dan hujan asam. Pilihan lain selain menggunakan bahan bakar fosil adalah dengan memanfaatkan sumber energi yang dapat diperbarui seperti matahari. Matahari adalah sumber energi terbesar. Menurut perhitungan para ahli energi, hanya diperlukan sekitar 1% dari energi yang dipancarkan matahari ke Bumi sudah mencukupi kehidupan energi manusia dalam kehidupan saat ini. Adapun solar cell adalah sebuah komponen elektronik yang dapat mengubah energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Perubahan energi ini berlangsung di dalam sel surya dan prosesnya disebut efek fotovoltaik. Kinerja sebuah panel sel surya dipengaruhi oleh beberapa faktor. Lima hal utama yang mempengaruhi unjuk kerja / performansi dari panel solar cell ialah bahan pembuat solar cell, resistansi beban, intensitas radiasi matahari, suhu panel solar cell, dan bayangan/ shading. Bahan pembuat solar cell yang digunakan pada Tugas Akhir ini ialah sel monokristal. Intensitas radiasi matahari yang tinggi meningkatkan performansi panel solar cell, namun bila terjadi kenaikan suhu panel solar cell, maka performansi akan menurun. Adapun hasil pengujian panel solar cell dibuat dalam bentuk kurva V-I, kurva P-T, dan grafik. Kata kunci: performansi, solar cell, kurva V-I, kurva P-T
v
ABSTRACT
The biggest world's energy needs come from fuel that can not be renewable, that is fossil fuels like oil, coal, and natural gas. Fossil fuels is not a renewable energy, so that one day will be exhausted. At the time burned, fossil fuels produce carbon dioxide and other polluting gases, which cause global warming and acid rain. Another option than using fossil fuels is to utilize renewable energy sources such as solar energy. Sun is the biggest energy source. According to the calculations from the experts of energy, only need 1% of solar radiation energy to make sufficient energy for the human life in this lifetime. The solar cell is an electronic component that can alter the energy of sunlight into electrical energy. The energy changes taking place in the solar cells and the process called the photovoltaic effect. The performance of a solar cell panel is influenced by several factors. Five main things that affect performance of the solar cell panel is material for solar cell, load resistance, solar irradiance, temperature of solar cell panel, and shading. Material for solar cell used in this final report is monocrystalline cells. High intensity of solar irradiance increases the performance of the solar cell panel, but if there is a temperature rise of solar cell panel, then performance will decline. The results of the testing made in the form of the V-I curve, P-T curve, and graphics. Keywords: performance, solar cell, V-I curve, P-T curve
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas semua nikmat dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam menyelesaikan pendidikan Diploma 3 Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik di Politeknik Negeri Medan. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah “Analisa Performansi Panel Solar Cell”. Selama proses penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan moril maupun material serta bimbingan sehingga penulis dapat menyelesaikannya dengan baik. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ayahanda Alm. M. Nurdin dan Ibunda Hasnah tercinta yang telah mengasuh, membimbing dan memberikan kasih sayangnya serta bantuan moril, materil, juga doa dan motivasinya juga saudara penulis Yusniar Noor, Muhammad Arif, dan Muhammad Ridho yang telah memberi dukungan dan doanya; 2. M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan; 3. Idham Kamil, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin; 4. Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik; 5. Ir. Isman Harianda, M.T., selaku dosen pembimbing penulis; 6. Rihat Sebayang, S.T., M.T., selaku Kepala Laboratorium Teknik Konversi Energi Mekanik; 7. Ir. Suprapto, M.,T., selaku Wali Kelas EN-6B; 8. Seluruh Dosen dan staf Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik dan Teknik Mesin; 9. Seluruh Teknisi di Laboratorium Teknik Konversi Energi Mekanik; 10. Rekan-rekan mahasiswa Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik angkatan 2012 khususnya kelas EN-6B yang telah menemani saat suka dan duka di kampus Politeknik Negeri Medan;
vii
Penulis menyadari bahwa kemungkinan masih terdapat kekurangan dalam pembuatan Tugas Akhir ini baik dari segi pembuatannya maupun dari segi bahasa dan penyajianya. Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi semua pembaca.
Medan, 10 Agustus 2015 Penulis,
Noor Rahmaidayani NIM. 1205051034
viii
DAFTAR ISI
SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ...................................................................... ii LEMBARAN PERSETUJUAN ....................................................................... iii LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iv INTI SARI ......................................................................................................... v ABSTRACT ....................................................................................................... vi KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii DAFTAR ISI ...................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xii DAFTAR TABEL ............................................................................................. xiv BAB 1
PENDAHULUAN............................................................................ 1 1.1 Latar Belakang Masalah .............................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ....................................................................... 2 1.3 Tujuan Tugas Akhir .................................................................... 2 1.4 Manfaat Tugas Akhir .................................................................. 3 1.5 Batasan Masalah.......................................................................... 3 1.6 Metode Pengumpulan Data ......................................................... 3 1.7 Sistematika Penulisan ................................................................. 4
BAB 2
DASAR TEORI .............................................................................. 5 2.1 Karakteristik Radiasi Sel Surya ................................................. 5 2.2 Solar Cell ................................................................................... 7 2.2.1 Pengertian Solar Cell ......................................................... 7 2.2.2 Prinsip Kerja Solar Cell ..................................................... 8 2.2.3 Struktur Sel Surya .............................................................. 15 2.2.4 Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya............................. 19 2.2.5 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Performansi Solar Cell ........................................................................... 23 2.3 Charge Controller ...................................................................... 25
ix
2.4 Baterai ........................................................................................ 26 2.4.1 Pengertian Baterai .............................................................. 26 2.4.2 Jenis Baterai ....................................................................... 27 2.4.3 Pengisian Baterai ................................................................ 29 2.4.4 Kapasitas Baterai ................................................................ 29 2.5 Inverter ........................................................................................ 30 2.5.1 Prinsip Kerja Inverter 1 Phasa ............................................ 32 2.6 Dioda Bypass ............................................................................... 34 2.7 Solarimeter .................................................................................. 35
BAB 3
PERFORMANSI SOLAR CELL .................................................... 37 3.1 Komponen yang Digunakan........................................................ 37 3.2 Spesifikasi Komponen ................................................................ 38 3.2.1 Spesifikasi Panel Solar Cell ............................................... 38 3.2.1.1 Electrical Parameters ............................................ 38 3.2.1.2 Thermal Parameters ............................................. 38 3.2.2 Spesifikasi Charge Control Unit ........................................ 39 3.2.3 Spesifikasi Teknis Inverter ................................................. 39 3.2.4 Spesifikasi Lampu Hemat Energi ....................................... 40 3.2.5 Spesifikasi lampu Pijar ....................................................... 41 3.2.6 Spesifikasi Multimeter........................................................ 41 3.2.7 Voltmeter dan Amperemeter .............................................. 42 3.2.8 Thermometer dan Solarimeter ............................................ 43 3.3 Gambar Sistem ............................................................................ 44 3.4 Prinsip Kerja Sistem.................................................................... 45
BAB 4
PENGUJIAN PERFORMANSI PANEL SOLAR CELL ........... 46 4.1 Pengujian Tegangan Open Circuit, Arus Hubung Singkat, Suhu Pada Panel Solar Cell, dan Intensitas Radiasi Matahari .... 46 4.2 Pengujian Pada Beban Nol .......................................................... 54 4.3 Pengujian Pembebanan Lampu ................................................... 58
x
BAB 5
PENUTUP ........................................................................................ 61 5.1 Kesimpulan ................................................................................. 61 5.2 Saran............................................................................................ 61
DAFTAR PUSTAKA
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Cara kerja fotovoltaik ................................................................... 9 Gambar 2.2. Penggunaan solar cell ................................................................... 9 Gambar 2.3. Penambahan unsur lain ke dalam semikonduktor ........................ 10 Gambar 2.4. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung ....................... 11 Gambar 2.5. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor disambung..................... 11 Gambar 2.6. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole padasemikonduktor p ......................................................................... 12 Gambar 2.7. Perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi .............. 12 Gambar 2.8. Cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya ................ 13 Gambar 2.9. Terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari ........................................................................... 14 Gambar 2.10. Elektron akan mengalir melalui kabel .......................................... 15 Gambar 2.11. Proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik .............. 15 Gambar 2.12. Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan materialsilikon sebagai semikonduktor .................................................... 16 Gambar 2.13. Contoh aktifitas peleburan material ............................................. 17 Gambar 2.14. Sel surya berbahan baku silikon polikristal ................................. 17 Gambar 2.15. Pembuatan panel solar cell ........................................................... 18 Gambar 2.16. Kurva V-I ..................................................................................... 19 Gambar 2.17. Maximum Power Point ................................................................. 20 Gambar 2.18. Kurva karakteristik tegangan dan arus panel surya ...................... 24 Gambar 2.19. Kurva karakteristik tegangan dan arus panel surya karenapengaruh suhu .............................................................................. 25 Gambar 2.20. Prinsip kerja inverter 1 phasa gelombang penuh ......................... 32 Gambar 2.21. Bentuk gelombang tegangan inverter 1 phasa ............................. 33 Gambar 2.22. Bentuk gelombang tegangan ac dengan frekuensi 1 Hertz .......... 33 Gambar 2.23. Dioda bypass ................................................................................ 34 Gambar 3.1. Gambar komponen ...................................................................... 37 Gambar 3.2. Panel solar cell ............................................................................ 38
xii
Gambar 3.3. Charge Control Unit.................................................................... 39 Gambar 3.4. Inverter ........................................................................................ 39 Gambar 3.5. LHE 15 Watt................................................................................ 40 Gambar 3.6. LHE 11 Watt................................................................................ 40 Gambar 3.7. LHE 8 Watt.................................................................................. 40 Gambar 3.8
LHE 5 Watt.................................................................................. 41
Gambar 3.9
Lampu pijar 5 Watt ...................................................................... 41
Gambar 3.10 Multimeter ................................................................................... 41 Gambar 3.11. Amperemeter dan Voltmeter ....................................................... 42 Gambar 3.12. Thermometer dan Solarimeter ..................................................... 43 Gambar 3.13. Gambar Sistem ............................................................................ 44 Gambar 4.1. Grafik pengukuran arus hubung singkat...................................... 48 Gambar 4.2. Grafik pengukuran tegangan open circuit ................................... 49 Gambar 4.3. Kurva V-I hasil pengujian .......................................................... 50 Gambar 4.4. Kurva P-T hasil pengujian ........................................................... 51 Gambar 4.5. Kurva Ir-ɳ .................................................................................... 52 Gambar 4.6. Grafik pengukuran waktu terhadap Iout baterai .......................... 55 Gambar 4.7. Grafik pengukuran waktu terhadap Vout baterai ........................ 56 Gambar 4.8. Grafik pengukuran waktu terhadap Vout inverter ....................... 56 Gambar 4.9. Grafik pengukuran waktu terhadap intensitas radiasi matahari .. 59 Gambar 4.10. Grafik pengukuran Vout baterai terhadap bebandan tanpa beban ........................................................................... 59 Gambar 4.11. Grafik Pengukuran Vout inverter terhadap beban ....................... 60
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Pengujian tegangan open circuit, arus hubung singkat, suhu pada panel solar cell dan intensitas radiasi matahari ............................... 46 Tabel 4.2. Pengukuran pada beban nol ............................................................. 53 Tabel 4.3. Pengujian pembebanan lampu ......................................................... 58
xiv
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah Matahari adalah sumber energi terbesar, menurut perhitungan para ahli energi hanya diperlukan sekitar 1% dari energi yang dipancarkan ke Bumi sudah mencukupi kebutuhan energi manusia dalam kehidupan saat ini. Survey of Energy Resources 2004 yang diterbitkan oleh Elsevier memberikan data mengenai jumlah energi yang tersedia dalam satua energi EJ yang artinya exa joule. Exa sama dengan 1018 atau 1.000.000 triliun. Kebutuhan energi dunia pada tahun 2004 yaitu 425 EJ per tahun, maka energi matahari sangat mencukupi karena matahari memancarkan energi sebesar 2.895.000 EJ per tahun. Para ahli memprediksi selama abad ke-21 kebutuhan dunia akan energi akan bertambah dua kali lipat. Pada tahun 2004 pemakaian energi di dunia naik 4,3 %, merupakan kenaikan tertinggi yang pernah terjadi terhadap pemakaian energi dalam satu tahun. Kini tidak ada lagi alasan untuk mengharapkan turunnya kebutuhan energi. Saat ini, sumber energi terbesar di dunia berasal dari bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil tidak dapat digantikan setelah digunakan, sehingga suatu saat akan habis. Ketika dibakar, bahan bakar fosil menghasilkan karbon dioksida dan gas polusi lainnya, yang menyebabkan pemanasan global dan hujan asam. Matahari merupakan sumber energi raksasa. Di pusat matahari, terjadi reaksi nuklir yang disebut ‘reaksi fusi nuklir’, yang melepaskan energi dalam jumlah sangat besar dalam bentuk panas dan cahaya. Matahari dapat memenuhi semua kebutuhan energi kita hingga berlipat-lipat jumlahnya jika kita dapat memanfaatkannya secara efektif, karena matahari akan tetap bersinar sampai jutaan
tahun
lamanya,
matahari
dapat
menjadi
sumber
energi
yang
berkesinambungan.
1
Solar cell merupakan pembangkit listrik yang mampu mengkonversi sinar matahari menjadi arus listrik. Energi matahari meupakan energi yang bersifat berkelanjutan (sustainable) dan dengan jumlah yang sangat besar. Matahari merupakan sumber energi yang diharapkan dapat mengatasi permasalahan kebutuhan energi masa depan setelah berbagai sumber energi konvesional berkurang jumlahnya serta tidak ramah terhadap lingkungan. Sel surya yang ada sekarang telah meningkat efisiensinya dalam menyerap energi sinar matahari hingga mencapai 20% dari awal penemuan tahun 1960-an dengan efisiensi di bawah 5%. Selain itu, umur pakai sel surya sangat lama, yaitu kira – kira 20-25 tahun. Peralatan lainnya juga telah mendukung dengan baik seperti baterai (alat penyimpan energi listrik) dan inverter (alat pengubah arus listrik dari searah menjadi bolak balik. Dengan latar belakang ini penulis berminat untuk membuat Tugas Akhir dengan judul “Analisa Performansi Panel Solar Cell”. Adapun kapasitas solar cell yang penulis gunakan ialah 10,5 Wp. Dengan ini penulis akan mengetahui performansi sebuah solar cell yang digunakan.
1.2. Rumusan Masalah Untuk mendapatkan hasil pembahasan yang maksimal, maka penulis perlu merumuskan masalah yang akan dibahas. Adapun rumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah : 1. Bagaimana prinsip kerja panel solar cell? 2. Bagaimana performansi panel solar cell yang diuji coba?
1.3. Tujuan Tugas Akhir Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah : 1. Mengetahui prinsip kerja panel solar cell. 2. Mengetahui prinsip kerja dari rangkaian sistem panel solar cell. 3. Mengetahui performansi panel solar sell yang di uji coba.
2
1.4. Manfaat Tugas Akhir Tugas akhir ini diharapkan dapat bermanfaat untuk : 1. Memahami pentingnya solar cell sebagai energi alternatif yang terbarukan. 2. Mendapatkan performansi panel solar cell yang di uji coba.
1.5. Batasan Masalah Untuk mendapatkan hasil pembahasan yang maksimal maka penulis perlu membatasi masalah yang akan dibahas. Adapun hal – hal yang dibatasi adalah lebih terfokus pada : 1. Penelitian dilakukan di Kota Medan yang terletak pada 3o LU dan 98o BT. 2. Membahas bagaimana performansi dari panel solar cell yang diuji coba.
1.6. Metode Pengumpulan Data Metode pengumpulan data yang dilakukan oleh penulis, ialah : 1. Studi literatur dengan mencari buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan maupun dari sumber lain yang berkaitan dengan tugas akhir. 2. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing maupun dengan pihakpihak yang dapat membantu dalam menyelesaikan tugas akhir. 3. Melalui search engine. 4. Melakukan pengujian dan pengambilan data.
3
1.7.
Sistematika Penulisan Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB 1 PENDAHULUAN Bagian bab ini berisi tentang latar belakang pemilihan judul, rumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah, metode pengumpulan data, dan sistematika penulisan.
BAB 2 LANDASAN TEORI Bagian bab ini menjelaskan tentang teori dasar yang perlu diketahui untuk mempermudah pemahaman tentang sistem kerja solar cell dan fungsi inverter.
BAB 3 PERFORMANSI PANEL SOLAR CELL Bagian bab ini berisi tentang gambar sistem dan spesifikasi alat yang digunakan dalam tugas akhir ini.
BAB 4 ANALISA PERFORMANSI PANEL SOLAR CELL Bagian bab ini menganalisa dari data-data hasil pengujian dan mendapatkan performansi panel solar cell.
BAB 5 PENUTUP Bagian bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran yang didapat dari hasil pengujian.
4
