BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Energi Matahari Matahari merupakan materi yang tersusun dari gas yang sangat panas

dengan diameter 1,39×109 m, dan jarak 1.5×1011 m dari bumi. Matahari memiliki suhu permukaan efektif 5762 K [1]. Suhu di daerah inti matahari berkisar 8×106 40×106 K dan densitasnya diperkirakan 100 kali lebih besar dari air. Matahari pada dasarnya adalah sebuah reaktor fusi kontinyu dengan gas penyusunnya tetap dipertahankan oleh gaya gravitasi. Energi yang dipancarkan oleh matahari berasal dari reaksi fusi. Energi diproduksi pada bagian dalam matahari dan terkirim ke permukaan dan kemudian diradiasikan ke luar angkasa. Matahari merupakan sumber utama bagi kehidupan di bumi, energi yang dihasilkan oleh matahari berupa energi panas dan energi cahaya yang dipergunakan makhluk hidup untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Intensitas radiasi matahari yang diterima bumi pada atmosfer terluar cukup besar. Namun ketika menembus atmosfir maka kurang lebih 30% dari total radiasi terefleksi kembali ke ruang angkasa, dimana 70% sisanya terserap oleh awan, lautan, dan juga daratan [2]. Untuk setiap tahunnya ada sekitar 3,9×1024 Joule = 1,08×1018 kWh dari energi matahari yang mencapai permukaan bumi, jumlah ini kira-kira 10.000 kali lebih banyak dari permintaan energi primer secara global tiap tahunnya dan lebih banyak dari cadangan ketersediaan keseluruhan energi yang ada di bumi. Jadi, dengan memanfaatkan energi matahari secara optimal, dapat mencukupi seluruh kebutuhan energi di masa yang akan datang.

2.2

Distribusi Radiasi Matahari Intensitas radiasi matahari yang di terima bumi bergantung pada jarak antara

matahari dengan bumi. Berdasarkan pengukuran astronomi jarak rata-rata bumimatahari adalah 1,495×108 m dengan sudut kecenderungan matahari 320 seperti

5 Universitas Sumatera Utara

pada Gambar 2.1, yang mana untuk tiap tahun jarak ini bervariasi antara 1,47×108 km dan 1,52×108 km. Radiasi yang diemisikan oleh matahari dan ruang angkasa yang berhubungan dengannya ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari (Gsc) adalah energi dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luas permukaan yang tegak lurus dengan arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari Es , adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stevan-Boltzmann 𝜎, pangkat empat temperatur absolut 𝑇𝑠4 , dan luas permukaan π 𝑑𝑠2 . 𝐸𝑠 = 𝜎𝜋𝑑𝑠2 𝑇𝑠4 𝑊

(2.1)

Dimana 𝜎 = 5,67 × 10−8 𝑊/(𝑚2 . 𝐾 4 ), temperatur permukaan Ts dalam K, dan diameter matahari ds dalam meter. Dengan garis tengah matahari (diameter matahari) 1.39 × 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata matahari dengan bumi 1.5 × 1011 m maka besar radiasi persatuan luas dalam arah tegak lurus tepat diluar atmosfir bumi adalah 1367 W/m2.[1]

Gambar 2.1 Hubungan Antara Matahari dan Bumi [2]

Namun intensitas radiasi ini tidak dapat mencapai ke permukaan bumi secara keseluruhan karena atmosfer bumi mengurangi intensitas radiasi yang melewatinya melalui pemantulan, penyerapan (oleh ozon, uap air, oksigen, dan karbon dioksida), serta penyebaran (disebabkan oleh molekul udara, partikel debu 6 Universitas Sumatera Utara

atau polusi). Hanya cuaca yang bagus pada siang hari, pancaran bisa mencapai 1000 W/m2 di permukaan bumi.

2.3

Radiasi Matahari pada Permukaan Bumi Radiasi matahari yang dapat diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi

tiga jenis, yaitu [3]: 1.

Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation) Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima dari matahari dalam suatu garis lurus, tanpa penyebaran oleh atmosfer. Sinarnya sejajar satu sama lain. Oleh karena itu radiasi langsung dapat meciptakan bayangan dan dapat dikonsentrasikan oleh cermin.

2.

Radiasi tersebar (diffuse radiation) Radiasi menyebar terdiri dari cahaya yang tersebar oleh atmosfer (udara, awan, aerosol). Difusi adalah fenomena yang menyebarkan cahaya matahari menuju ke segala arah. Di langit sinar matahari disebarkan oleh molekul udara, butiran uap air (awan), dan debu. Tingkat penyebaran sinar matahari sangat bergantung pada kondisi cuaca. Pada cuaca mendung radiasi menyebar dideskripsikan sebagai isotropik yaitu radiasi yang identik diterima dari segala arah.

3.

Radiasi pantulan (albedo) Albedo adalah bagian yang dipantulkan oleh bumi, yang bergantung pada keadaan lingkungan sekitar. Contohnya yaitu salju, dapat memantulkan radiasi dengan jumlah yang besar. Sedangkan aspal nyaris tidak memantulkan radiasi.

Radiasi total yang diterima permukaan bumi dapat di tunjukkan seperti Gambar 2.2.


Gambar 2.2 Bentuk-bentuk Radiasi Matahari Ke bumi [3]

Cahaya matahari pada permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung dan bagian yang baur. Radiasi langsung datang dari arah matahari dan memberikan bayangan yang kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur yang tersebar dari atas awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari tersebut (ketinggian matahari), baik daya pancar maupun perbandingan antara radiasi langsung dan baur. Beberapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada atmosfer bumi antara lain sebagai berikut [4] : 1. Pengurangan intensitas karena refleksi (pemantulan) oleh atmosfer bumi. 2. Pengurangan intensitas oleh karena penyerapan zat-zat di dalam atmosfer. 3. Pengurangan intensitas oleh karena Rayleigh scattering. 4. Pengurangan intensitas oleh karena Mie scattering Sedangkan radiasi yang jatuh pada permukaan material pada umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Dari tiga proses ini maka material akan memiliki refleksivitas (ρ), adsorbsivitas (ά), dan transmisivitas (τ). Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi tergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler terjadi pantulan sinar


pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul. sedangkan refleksi difusi terjadi berupa pantulan ke segala arah. Absorbsivitas memberikan nilai besarnya radiasi yang dapat diserap. Misalnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Ketiga proses tersebut diatas yaitu, absorbsi, refleksi, dan transmisi adalah hal yang penting dalam proses pemanfaatan radiasi surya, karena ini menyangkut efektifitas pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya. Transmisi memberikan nilai besar radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan (absorbsivitas) dari suatu permukaan merupakan hal yang penting dalam pemanfaatan radiasi seperti pada pemanfaatan radiasi surya. Harga absorbsivitas berlainan untuk sudut datang radiasi yang berlainan. Menurut British Building Research untuk sudut datang dibawah 75o, harga absorbsivitas terletak antara 0,8 sampai 0,9 dari absorbsivitas yang dimiliki oleh suatu benda [4].

2.4

Hubungan Geometri Matahari – Bumi

2.4.1

Sistem Koordinat Bumi Sistem koordinat bumi ini merupakan suatu garis bantu untuk mencari

posisi atau letak suatu daerah di permukaan bumi. Ada dua garis yang ditetapkan untuk menentukan koordinat bumi, yaitu garis lintang dan garis bujur. Garis lintang (latitude, φ) adalah garis maya yang melingkari bumi ditarik dari arah timur hingga ke barat atau sebaliknya, sedangkan garis bujur (longitude, λ ) adalah garis maya yang ditarik dari utara hingga ke selatan atau sebaliknya yang disejajarkan dengan garis katulistiwa. Deklinasi adalah Sudut antara bidang ekuator dan bidang orbit bumi yang berubah-ubah karena bumi bergerak sepanjang orbitnya sepanjang tahun. Deklinasi dapat diperoleh dengan persamaan [5]: δ = 23.45 sin (360

284+𝑛 365

) ; n = hari dalam bulan

(2.2)

Nilai n yang digunakan berdasarkan hari yang direkomendasikan dalam satu bulan untuk perhitungan radiasi matahari yang diterima panel surya per-bulan. Untuk rinciannya dapat dilihat pada Tabel 2.1.


Tabel 2.1 Hari yang Direkomendasikan untuk Satu Bulan, dan Nilai n Berdasarkan Bulan

Bulan

2.4.2

n - untuk

Rata – rata hari perbulan

hari dari

dalam setahun

bulan

Tanggal

N

Januari

I

17

17

Februari

31 + i

16

47

Maret

59 + i

16

75

April

90 + i

15

105

Mei

120 + i

15

135

Juni

151 + i

11

162

Juli

181 + i

17

198

Agustus

212 + i

16

228

September

243 + i

15

258

Oktober

273 + i

15

288

November

304 + i

14

318

Desember

334 + i

10

344

Posisi Matahari terhadap Bidang Horizontal Posisi matahari terhadap permukaan bumi untuk setiap saat berbeda-beda,

karena matahari dan bumi masing-masing melakukan pergerakan. Matahari berotasi pada porosnya sementara bumi berotasi pada porosnya dan juga bergerak mengelilingi matahari. Jadi untuk menggambarkan posisi matahari terhadap bidang horizontal di bumi sudut berdasarkan koordinat bumi perlu dipahami. Sudut tersebut adalah sudut ketinggian matahari (αs), yaitu ketinggian matahari diukur dalam derajat dari horizon terhadap proyeksi sinar radiasi untuk posisi matahari. Ketika matahari berada di kaki langit, αs = 0° dan ketika berada tepat di atas kepala, αs = 90°. Di sebagian besar lintang, matahari tidak akan pernah berada langsung di atas kepala, hal tersebut hanya terjadi di daerah tropis. Karena puncaknya adalah titik langsung di atas kepala dan 90° dari kaki langit, sudut


matahari terhadap garis tegak lurus permukaan bumi disebut sudut zenith (θz). Sudut ketinggian matahari dapat diperoleh dengan persamaan [5] : αs = 90 - θz

(2.3)

Sudut zenith (θz), adalah sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis datang sinar matahari. Sudut zenith dapat diperoleh dengan persamaan : θz = cos-1 (cos φ x cos δ x cos ω + sin φ x sin δ)

(2.4)

Azimuth matahari (γs) adalah sudut pada bidang horizontal antara proyeksi sinar radiasi terhadap arah acuan utara atau selatan. Azimuth bernilai positif menunjukkan matahari berada di sebelah barat dari arah acuan selatan dan negatif menunjukkan ketika matahari berada timur dari selatan. dan sudut jam (ω). Sudut azimuth matahari dapat dihitung dengan persamaan dibawah, dimana +1 jika ω positif dan -1 jika ω negatif :

γs = sign (ω) cos−1

(

cos θz sin φ − sin δ ) 𝑠𝑖𝑛θz cosφ

(2.5)

Sudut jam (ω) adalah jarak sudut antara posisi matahari pada waktu tertentu terhadap posisi matahari tertinggi pada hari tersebut yang mana berada pada tengah hari jam matahari. Karena bumi berotasi sekali dalam setiap 24 jam, sudut jam berubah sebesar 15° per jam dan bergerak sebanyak 360° dalam satu hari. Sudut jam didefinisikan sebagai nol pada tengah hari matahari, bernilai negatif sebelum melewati garis meridian lokal, dan positif setelah melintasi. Sudut jam matahari dapat diperoleh dengan persamaan: 360

ω

=

(LST – 12 ) x

LST

=

LT + 60

(2.7)

TC

=

4( Longitude - LSTM ) + E

(2.8)

E

=

9.87 sin(2B) – 7.53 cos(B) – 1.5 sin(B)

(2.9)

B

=

LSTM =

24

;

𝑇𝐶

360 364

(𝑛 − 81)

(2.6)

(2.10)

150.∆TGMT

(2.11)

Dimana: LST

=

Waktu matahari 11 Universitas Sumatera Utara

LT

=

Waktu lokal

TC

=

Faktor koreksi waktu

LSTM =

Waktu berdasarkan GMT

E

Perhitungan waktu

=

∆TGMT =

Perbedaan waktu dengan GMT

Ada hubungan yang kuat antara titik azimuth matahari dan sudut jam. Lamanya hari bervariasi untuk semua lintang sepanjang tahun dan dengan ini, ketinggian matahari (αs) juga berubah setiap jam dan setiap hari seperti pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Posisi Matahari di Langit Dijelaskan oleh Sudut – sudut Matahari [5]

2.5

Modul Surya (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 1745-1827 yang bernama Alessandro Volta) yang berarti unit tegangan listrik. Jadi, pengertian photovoltaic yaitu proses konversi cahaya matahari secara langsung diubah menjadi listrik. Oleh karena itu, kata photovoltaic biasa disingkat dengan PV. Nama 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. PV Module atau Solar cell terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari solar cell. 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. 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 [4].

(a)

(b)

Gambar 2.4 a. Sel surya, b Panel Surya [3]


Jumlah energi yang dihasilkan oleh modul surya bergantung kepada energi surya yang tersedia, yang pada khususnya bergantung pada arah modul surya terhadap matahari. Ketika photovoltaic mendapat masukan berupa intensitas cahaya matahari maka akan dapat menghasilkan arus. Besar arus yang dihasilkan oleh photovoltaic berbanding lurus dengan besar intensitas cahaya matahari yang masuk ke dalam modul surya. Besar intensitas cahaya matahari berubah sesuai dengan pergeseran posisi matahari dan pergeseran bumi. Seperti gerak semu harian matahari dan gerak semu harian bumi serta kondisi cuaca sangat besar pengaruhnya terhadap daya keluaran photovoltaic.

2.6

Prinsip Kerja Modul Surya Silikon dengan kemurnian dan kualitas kristal yang tinggi sangat diperlukan

untuk membuat modul surya. Atom – atom silikon tersebut membentuk suatu sisi kristal yang stabil dimana tiap atom silikon memiliki empat ikatan elektron (elektron valensi) di kulit terluarnya. Untuk menciptakan konfigurasi elektron yang stabil di dalam sisi kristal, dua elektron dari dua atom yang berdekatan membentuk ikatan pasangan elektron. Dengan membentuk ikatan pasangan elektron dengan empat elektron yang berdekatan, silikon mencapai konfigurasi gas mulia yang stabil dengan delapan elektron terluar. Ikatan elektron ini dapat dipisahkan oleh cahaya atau panas. Elektron tersebut kemudian bebas bergerak dan menuju suatu rongga di dalam kisi kristalnya yang dikenal sebagai konduktivitas intrinsik.

Gambar 2.5 Struktur Kristal Silikon dan Konduktivitas Intrinsik [3]


Konduktivitas intrinsik tidak dapat digunakan untuk menghasilkan listrik. Agar bahan silikon dapat digunakan untuk menghasilkan energi, pengotoran (doping) sengaja dilakukan ke dalam kisi kristal. Atom-atom ini memiliki satu elektron lebih (fosfor) atau satu elektron kurang (boron) dari silikon di kulit elektron terluarnya. Dengan demikian, atom doping menghasilkan 'atom pengotor' dalam kisi kristal.

Gambar 2.6 Konduksi Ektrinsik di dalam Silikon n- dan p- doped [3]

Pada kasus fosfor sebagai doping (n-doped), maka ada kelebihan elektron untuk setiap atom fosfor dalam kisi. Elektron ini dapat bergerak bebas di dalam kristal dan karenanya mengangkut muatan listrik. Dengan boron sebagai doping (pdoped), maka ada lubang (hilang ikatan elektron) untuk setiap atom boron dalam kisi. Elektron dari atom silikon tetangganya dapat mengisi lubang ini, menciptakan sebuah lubang baru di tempat lain. Metode konduksi berdasarkan atom doping dikenal sebagai pengotor konduksi atau konduksi ekstrinsik. Mengingat materi natau p-doped berdiri sendiri, bagaimanapun, muatan bebas tidak memiliki arah yang tetap untuk pergerakan mereka. Jika lapisan semikonduktor n- dan p-doped ini disatukan, sebuah p-n junction terbentuk. Pada persimpangan ini, kelebihan dari semikonduktor nberdifusi ke dalam lapisan semikonduktor p-. Hal ini menciptakan daerah dengan beberapa pembawa muatan bebas. Wilayah ini dikenal sebagai daerah ruang 15 Universitas Sumatera Utara

muatan. Atom doping bermuatan positif tetap di wilayah n- dalam periode transisi. dan atom doping bermuatan negatif tetap di wilayah p- dalam periode transisi. Medan listrik yang diciptakan bertentangan dengan gerakan pembawa muatan, dan akibatnya difusi tidak berlanjut terus menerus.

Gambar 2.7 Bentuk dari Wilayah Ruang Muatan pada p-n Junction Melalui Difusi Elektron dan Lubang (hole) [3]

Jika semikonduktor p- n- (solar cell) terkena cahaya, foton diserap oleh elektron. Energi yang masuk akan memecah ikatan elektron tersebut sehingga elektron yang terlepas ditarik melalui medan listrik ke wilayah n-. Lubang-lubang yang terbentuk akibat perpindahan elektron berpindah tempat dengan arah berlawanan, ke wilayah p-. Proses ini, secara keseluruhan, disebut efek fotovoltaik. Penyebaran pembawa muatan ke kontak listrik menyebabkan tegangan timbul di sel surya. Pada keadaan tanpa beban, tegangan rangkaian terbuka (Voc) timbul di sel surya. Dan jika rangkaian listrik tertutup, arus listrik akan mengalir [5].

2.7

Sifat-Sifat Elektrik pada Photovoltaic Sifat elektrik dari sel surya dalam menghasilkan energi listrik dapat diamati

dari karakteristik listrik sel tersebut, yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang


dihasilkan sel surya pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-beda. Karakteristik ini biasanya digambarkan oleh kurva arus-tegangan terminalnya (kurva I-V).

2.7.1

Kurva Karakteristik I-V pada Photovoltaic Penggunaan tegangan dari sel surya 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 sel surya bergantung dari pancaran matahari. Untuk arus yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari luminasi (kuat cahaya) matahari seperti pada saat cuaca cerah atau mendung. Sebagai contohnya, setiap 100 cm2 sel silikon dapat meningkatkan intensitas arus maksimum berkisar 2 A pada waktu intensitas radiasi matahari 1000 W/m2.

Gambar 2.8 Kurva Karakteristik I-V untuk Sel Surya Silikon Crystalline [3]


Untuk dapat membandingkan sel yang berbeda-beda, atau modul PV yang satu dengan yang lainnya, kondisi yang sama ditetapkan untuk menentukan data elektriknya dimana kurva karakteristik I-V pada sel surya dapat dihitung [2].

2.7.2

Tegangan Open Circut (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.

2.7.3

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 dengan kutub negatif pada PV module, kemudian nilai Isc dibaca pada multimeter sebagai pembaca arus sehingga didapatkan nilai pengukuran arus maksimum pada sel surya. Nilai arus hubung singkat pada modul surya secara linear bergantung pada besar pancaran matahari. Jika besar pancaran mataharinya dua kali lipat maka arus juga akan meningkat dua kali lipat, hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.9. Tegangan rangkaian terbuka (Voc) secara relatif tetap konstan seiring dengan perubahan besar pancaran matahari. Tetapi ketika nilai besar pancaran matahari menurun mendekati 100 W/m2, menyebabkan tegangan menurun drastis. Secara matematis, terdapat dependensi logaritmik antara tegangan dan pancaran matahari pada sel surya crystalline [3].


Gambar 2.9 Tegangan Rangkaian Terbuka dan Arus Hubung Singkat Tergantung pada Pancaran Radiasi Matahari [3]

2.8

Faktor Pengoperasian Modul Surya Kinerja photovoltaic dipengaruhi oleh faktor dari dalam dan faktor dari luar.

Faktor dalam meliputi bahan semikonduktor, kemurnian material, efek dari proses manufakturnya, serta faktor luar meliputi intensitas matahari dan temperatur sel. Pada umumnya faktor internal hanya dapat diubah dengan pembuatnya. Oleh karena itu, kita hanya dapat mengoptimalkan kinerja sel dengan mengatur faktor external. Adapun faktor-faktor tersebut yaitu efek perubahan pancaran radiasi matahari dan efek perubahan temperatur pada photovoltaic.

2.8.1

Efek Perubahan Pancaran Radiasi Matahari Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diperoleh sel surya 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. Gambar 2.10 di bawah ini menunjukkan pengaruh dari radiasi pada karakteristik I-V dari sel surya.


Gambar 2.10 Pengaruh Radiasi, E pada Karakteristik I-V Sel Surya [4]

2.8.2

Efek Perubahan Temperatur pada Photovoltaic Temperatur juga mempengaruhi kinerja sel dan efisiensinya. Jika sel

mendapat suhu lebih dingin, maka menghasilkan lebih daya. Hubungannya bervariasi untuk produk-produk yang berbeda. Pada umumnya, ketika penyinaran pada sel surya adalah 1 kw/m2, temperatur sel surya kira-kira 300C lebih tinggi dari udara sekitar [4]. Tegangan yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari temperatur sel surya, makin besar temperatur sel surya, tegangan berkurang sekitar 0,0023 Volt/0C untuk teknologi silikon crystalline atau sekitar 0,0028 Volt/0C untuk teknologi film tipis. Daya listrik juga mengalami penurunan sampai 0,5%/0C untuk teknologi silikon crystalline atau sekitar 0,3%/0C untuk teknologi film tipis. Sementara tegangan mengalami penurunan, sebaliknya arus listrik menunjukkan peningkatan dengan adanya penambahan temperatur. Karakteristik perubahan temperatur pada sel surya diperlihatkan pada Gambar 2.11.


Gambar 2.11 Pengaruh Temperatur terhadap Keluaran Tegangan dan Arus [6]

2.9

Jenis Jenis Solar Sel Panel surya memiliki jenis yang berbeda tergantung pada bahan yang di

pakai, bahan yang digunakan ini berpengaruh pada daya keluaran masing masing panel surya tersebut. Ada tiga jenis panel surya yang banyak beredar di pasaran untuk saat ini. Berikut ini jenis solar sel antara lain [3] :

2.9.1 Monocrystalline Solar Cell monocrystalline dibuat menggunakan crystall silicon murni yang sudah melalui proses pemurnian silicon yang hasilnya adalah Ingot. Ingot ini adalah sebuah material dalam hal ini adalah potongan crystal silicon yang sudang melalui proses czochralski. Poses czochralski ini maksudnya adalah sebuah proses pemunian suatu material dengan cara pengkristalan material tersebut.


Gamar 2.12 Silicon Ingot [7]

Irisan ingot inilah yang menyebabkan jenis solar cell monocrystalline berbentuk bundar/lingkaran, bentuk tersebut merupakan hasil dari proses chochralski. Kemudian ada juga yang dipotong dibagian tepi nya sehingga berbentuk segi delapan, lebih tepatnya segi empat dengan irisan di keempat sudutnya. Ciri – ciri fisik jenis solar cell monocrystalline Silicon dapat dibedakan dengan mudah. Selain bentuknya yang segidelapan, warna monocrystalline silicon juga lebih gelap.

Gambar 2.13 Sel Monocrystalline [3]


2.9.2 Polycrystalline Solar Cell polycrystalline silicon juga dikenal sebagai polysilicon (p-Si) dan multi-kristal silikon (mc-Si), dan diperkenalkan ke pasar pada tahun 1981. Tidak seperti panel surya berbasis monocrystalline, polycrystalline tidak memerlukan proses czochralski.

(a)

(b)

Gambar 2. 14 (a) Sel Polycrystalline, (b) Panel Polycrystalline [3]

Jenis Solar cell polycrystalline dihasilkan dari proses metalurgi grade silicon dengan pemurnian kimia. Silikon baku dicairkan dan dituangkan ke dalam cetakan persegi, yang didinginkan dan dipotong menjadi bentuk yang di inginkan. Ciri fisik yang mudah dikenali jenis plycrystalline adalah warna yang kebiruan, bentuk nya biasa kotak atau persegi dengan pola – pola guratan kebiruan. Bila disusun pada solar panel terlihat lebih rapat.

2.9.3 Thin Film Solar Cell Jenis sel surya ini diproduksi dengan cara menambahkan satu atau beberapa lapisan material sel surya yang tipis ke dalam lapisan dasar. Sel surya jenis ini sangat tipis karenanya sangat ringan dan fleksibel. Jenis ini dikenal juga dengan nama TFPV (Thin Film Photovoltaic).


Gambar 2. 15 Thin Film Solar Cell [3]

Berdasarkan materialnya, sel surya thin film ini digolongkan menjadi : 1. Amorfous Silicon (a-Si) Solar Cells. Sel surya dengan bahan amorfous silicon ini awalnya banyak diterapkan pada kalkulator dan jam tangan. Namun seiring dengan perkembangan teknologi pembuatannya, penerapannya menjadi semakin luas. Dengan teknik produksi yang disebut stacking (susunan lapis), dimana beberapa lapis amorpous silicon ditumpuk membentuk satu sel surya. 2. Cadmium Telluride (CdTe) Solar Cells. Sel surya jenis ini mengandung bahan Candium Telluride yang memiliki efisiensi lebih tinggi dari sel surya amorphous silicon. 3. Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) Solar Cells. Dibandingkan kedua jenis sel surya thin film di atas, CIGS sel surya memiliki efisiensi paling tinggi. Selain itu jenis ini tidak mengandung bahan berbahaya Cadmium seperti pada sel surya CdTe.


2.10

Daya, Fill Factor, dan Efisiensi Pada Panel Surya

2.10.1 Daya Panel Surya Daya yang dihasilkan panel surya berbanding lurus dengan besar intensitas cahaya matahari. Semakin besar intensitas cahaya matahari yang diterima panel surya maka daya yang dihasilkan panel surya semakin besar. Jika luas sel surya adalah (A) dengan intensitas (J) tertentu, maka daya input sel surya (Pin) adalah [5]: Pin = JA

(2.12)

dengan Pin

= Daya yang di terima akibat irradiance matahari (watt)

J

= Intensitas cahaya ( W/𝑚2 )

A

= Luas area permukaan sel surya (𝑚2 )

Besar daya output sel surya (𝑃𝑜𝑢𝑡 ) yaitu perkalian tegangan rangkaian terbuka (𝑉𝑜𝑐 ), arus hubung singkat (𝐼𝑠𝑐 ), dan fill factor (FF) yang dihasilkan oleh sel surya dapat di hubungkan dengan rumus 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑣𝑜𝑐 𝐼𝑠𝑐 𝐹𝐹

(2.13)

Dengan 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑎𝑛𝑔𝑘𝑖𝑡𝑘𝑎𝑛 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 ( 𝑤𝑎𝑡𝑡) 𝑉𝑜𝑐 = 𝑇𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎𝑖𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑢𝑘𝑎 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 ( 𝑣𝑜𝑙𝑡) 𝐼𝑠𝑐

= 𝐴𝑟𝑢𝑠 ℎ𝑢𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑠𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 ( 𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒)

FF

= Fill Factor

2.10.2 Fill Factor Faktor pengisi ( Fill Factore,FF ) merupakan faktor pengisian pada panel surya, untuk jenis crystal silicon baik monocrystalline dan polycristalline bernilai antara 0,75-0,85.


FF =

𝑉𝑜𝑐− ln(𝑉𝑜𝑐+0,72)

(2.14)

𝑉𝑜𝑐 +1

Dimana : 𝑉𝑜𝑐 = Tegangan rangkaian terbuka pada sel surya ( Volt) 2.10.3 Efisiensi Panel Surya Energi cahaya matahari yang diterima oleh sel surya dapat diubah menjadi energi listrik. Semakin besar energi cahaya yang diserap maka semakin besar energi listrik yang dapat dihasilkan. Maka konversi energi inipun memiliki nilai efisiensi didalamnya. Efisiensi keluaran maksimun (η) didefenisikan sebagai persentase daya keluaran optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, dirumuskan sebagai berikut:

𝜂= 𝜂= 𝜂=

𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑖𝑛 𝑉𝑠𝑐 𝐼𝑠𝑐𝐹𝐹

(2.16)

𝑃𝑖𝑛 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

(2.15)

×100%

(2.17)

Dimana 𝜂

= Efisiensi sel surya (%)

Pout

= Daya yang dibangkitkan oleh sel surya (watt)

Pin

= Daya yang di terima akibat radiasi matahari (watt)

2.11

Pemantulan Cahaya pada Cermin Datar

2.11.1 Cahaya Ada banyak ilmuan yang mengeluarkan pendapatnya tentang cahaya. Namun sebaiknya pendapatnya harus didukung oleh hasil-hasil eksperimen dan meramalkan gejala-gejala alam, hal inilah yang membuat pendapat pendapat


ilmuan terdahulu tidak dapat dipertahankan. Namun Maxwell (1831 - 1874) mengemukakan pendapatnya bahwa cahaya dibangkitkan oleh gejala kelistrikan dan kemagnetan sehingga tergolong gelombang elektromagnetik. Sesuatu yang berbeda dibandingkan gelombang bunyi yang tergolong gelombang mekanik. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dengan atau tanpa medium dan kecepatan rambatnyapun sangat tinggi bila dibandingkan dengan gelombang bunyi. Gelombang elektromagnetik marambat dengan kecepatan 300.000 km/s. Kebenaran pendapat Maxwell ini tak terbantahkan ketika Hertz (1857 - 1894) berhasil membuktikannya secara eksperimental yang disusul dengan penemuanpenemuan berbagai gelombang yang tergolong gelombang elektromagnetik seperti sinar x, sinar gamma, gelombang mikro [8]. Adapun sifat sifat gelombang cahaya adalah sebagai berikut [9]: 

Cahaya merambat lurus Cahaya yang dipancarkan oleh sebuah sumber cahaya merambat ke segala

arah. Bila medium yang dilaluinya homogen, maka cahaya akan lurus. Namun ketika cahaya menyentuh permukaan suatu benda maka rambatan cahaya akan mengalami dua hal, yaitu pemantulan atau pembiasan dan tidak tembus cahaya. 

Cahaya dapat dibiaskan Berkas cahaya yang menembus sebuah bidang dapat menyebabkan berkas

cahaya tersebut dibelokkan. Dimana besarnya pergeseran berkas cahaya yang keluar dari suatu medium bergantung pada kerapatan optik medium tersebut. Jika cahaya masuk dari zat optik kurang rapat ke zat optik lebih rapat, cahaya dibiaskan mendekati garis normal. Sebaliknya, jika cahaya masuk dari zat optik lebih rapat ke zat optik kurang rapat, cahaya dibiaskan menjauhi garis normal. 

Cahaya dapat di uraikan Dispersi cahaya merupakan peristiwa terurainya cahaya putih menjadi warna-

warna spektrum. Isac Newton mengemukakan bahwa sesungguhnya cahaya putih mengandung semua dari tujuh warna yang terdapat pada pelangi. Berdasarkan


urutan penurunan panjang gelombang, maka warna-warna yang sebenarnya pada pelangi adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. 

Cahaya dapat dipantulkan Ketika seberkas cahaya menyentuh suatu benda maka berkas cahaya itu akan

dipantulkan, pemantulannya tergantung permukaan benda tersebut. Pemantulan itu dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu pemantulan teratur dan pemantulan baur. Pemantulan teratur adalah apabila berkas cahaya mengenai suatu permukaan teratur, halus, mengkilat atau licin, sehingga cahaya dipantulkan ke arah tertentu dengan teratur, sedangkan pemantulan baur adalah apabila berkas cahaya mengenai suatu permukaan kasar dan tidak teratur maka berkas cahaya akan dipantulkan ke segala arah.

Gambar 2.16 (a) Pemantulan Teratur (b) Pemantulan baur [9]

2.11.2 Cermin Cermin datar adalah cermin yang sangat halus dan memiliki permukaan yang datar. Biasanya terbuat dari kaca, dibagian belakang dilapisi logam mengkilap sehingga tidak tembus cahaya. Cahaya yang datang pada cermin akan dipantulkan, sesusai dengan hukum sinellius yaitu [8] : 28 Universitas Sumatera Utara

1. Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada suatu bidang datar. 2. Besar sudut datang (i) sama dengan besar sdut pantul (r).

I=r

(2.18)

Gambar 2.17 Diagram Pemantulan Cahaya [8]

Berikut ini merupakan ciri pembentukan bayangan pada cermin datar adalah sebagai berikut : 1.

Jarak bayangan pada cermin sama dengan jarak benda pada cermin,

2.

Bayangan bersifat maya,

3.

Ukuran bayangan yang terbentuk sama dengan ukuran benda,

4.

Bayangan bersifat simetris (berlawanan) dengan benda

Ciri-ciri dari pembentukan bayangan cermin datar perhatikan gambar 2.18.


Gambar 2.18 Pembentukan Bayangan pada Cermin Datar [8]

Pada umumnya cermin datar digunakan untuk bercermin karena bayangan yang di bentuk sama dengan benda aslinya. Jadi pada penelitian ini cermin datar digunakan sebagai reflektor yang bertujuan memantulkan cahaya yang diterima reflektor kemudian dipantulkan ke panel surya supaya intensitas radiasi cahaya matahari yang diterima panel semakin besar dan dapat menambah daya keluaran panel tersebut.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents