PENGARUH FILTER WARNA KUNING TERHADAP EFESIENSI SEL SURYA
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh filter warna kuning terhadap efesiensi Sel surya. Dalam penelitian ini menggunakan metode eksperimen untuk mendapatkan parameter-parameter yang dihasilkan oleh sel surya silikon dengan melakukan pengukuran intensitas cahaya. Data diambil dengan melakukan pengukuran Sel surya tanpa filter warna dengan filter warna kuning. Hasil penelitian sel surya tanpa filter diperoleh dihasikan daya maksimal 1, 487 watt dengan effisiensi alat 14,4 %. Pada penelitian dengan filter warna kuning diperoleh daya maksimal (Pmax) sebesar 0.5289 Watt, dan effisiensi alat (η) sebesar 10,4%. Dengan demikian filter warna kuning mempengaruhi besarnya daya maksimal yang dihasilkan oleh Sel surya. Dari hasil penelitian diperoleh daya maksimum (Pmax) Sel surya tanpa filter lebih besar dibandingkan daya maksimum Sel surya dengan filter warna. Kemudian diperoleh besarnya efisiensi Sel surya tanpa warna lebih besar daripada efisiensi rata – rata Sel surya dengan filter warna kuning. Key Words: daya, sel surya A. PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Sumber energi yang besar dan bersifat kontinyu tersedia adalah energi surya. Energi ini dalam bentuk energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari. Sementara pada saat ini energi surya belum dipakai sebagai sumber energi primer bahan bakar. Penelitian dan pengembangan besar-besaran sedang dijalankan untuk mencari
sistem pembangkit listrik secara ekonomis untuk
memanfaatkan energi surya sebagai sumber utama bahan bakar. Energi surya bersifat non-polutif dan tidak dapat habis. Berdasarkan 1
karakteristik gelombangnya energi ini sangat halus dan tetapi intensitasnya tidak konstan. Energi surya memiliki arus yang rendah, akibatnya dipakai sistem dan kolektor yang luas permukaanya besar untuk mengumpulkan dan mengkonsentrasikan energi tersebut. Sistem kolektor ini harganya cukup mahal. Hanya saja sistem ini tidak dapat menyimpan persediaan energi surya dalam waktu lama. Hal ini berarti diperlukan sistem penyimpanan energi atau konversi lain untuk menyimpan energi pada malam hari serta pada saat cuaca mendung. Energi surya dapat dikonversi secara langsung menjadi bentuk energi lain melalui tiga proses, yaitu: proses helochemical, proses helioelectrical, dan proses heliothermal. Reaksi heliochemical yang utama adalah proses fotosintesa. Proses ini merupakan sumber dari semua bahan bakar fosil. Proses helioelectrical yang utama adalah produksi listrik oleh sel-sel surya. Proses heliothermal adalah penyerapan radiasi matahari dari pengkonversian energi ini menjadi energi termal. Dalam laporan penelitian ini akan dikaji tentang analisa karakteristik sel surya yang diawali dengan latar belakang masalah, rumasan masalah, hipotesis penelitian dan tujuan penelitian. Pada bagian selanjutnya dibahas tentang dasar teori sel surya dan metodologi penelitian. Pada bagian akhir akan dibahas hasil penelitian.
2. Rumusan Masalah Masalah dalam penelitian ini adalah: a. Mengidentifikasi daya maksimum sel surya. b. Bagaimana filter warna kuning mempengaruhi daya sel surya?
3. Hipotesis Pengaruh filter warna terhadap penyerapan intensitas cahaya dan efesiensi sel surya.
2
4. Tujuan Penelitian Tujuan dalam penelitian ini adalah: a. Untuk mengetahui efesiensi sel surya dalam membangkitkan tenaga listrik. b. Untuk mengetahui pengaruh filter warna kuning terhadap daya solar sel.
B. DASAR TEORI 1. Pengertian Sel surya merupakan salah satu produk teknologi fotovoltaik yang dikembangkan pada bahan semikonduktor (silikon multikristal, monokristal dan amorf) yang mampu menyerap gelombang elektromagnetik dan mengkonversi energi cahaya (photon) menjadi energi listrik secara langsung. Prinsip kerja sel surya
silikon
adalah
berdasarkan
konsep
semikonduktir
p-n
junction.
Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yang terjadi antara keduanya mendorong electron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini telah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda. Pada saat junction disinari, photon yang mempunyai energi yang sama atau lebih besar dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p sehingga
3
menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Seperti terlihat dalam gambar 1. di bawah ini.
Gambar 1. Physics of Photovoltaic Generation
2. Prinsip Kerja Sel surya Prinsip kerja sel surya efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensi logam-logam tersebut juga mudah lepas oleh adanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Di antara logam-logam di atas cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai foto detektor. Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin ke arah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan tergantung dari intensitas cahaya yang
4
mengenai permukaan semikonduktor.
Gambar 2. Photoelektrik
3. Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya Dalam suatu rangkaian, ketika sel surya mendapat cahaya maka perangkat sel surya tersebut akan menghasilkan tegangan dan arus Kemampuan ini direpresentasikan dalam grafik arus-tegangan (I-V)
Gambar 3. Grafik Karakteristik Arus-Tegangan (I-V) Sel Surya Nilai maximum Power Point (Vmpp dan Impp) adalah titik operasi dimana nilai maksimum pengeluaran (output) yang dihasilkan oleh sel surya saat kondisi bekerja. Dengan kata lain, Vmp dan Imp dapat diukur pada saat sel surya diberi beban. Open Circuit Voltage (Voc) adalah nilai tegangan maksimum yang dapat 5
dicapai pada saat tidak adanya arus (current). Short Circuit Current (Isc) adalah nilai maksimum output arus dari sel surya yang dapat dikeluarkan (output) dengan kondisi tidak ada resistansi atau short circuit. Secara teoritis besarnya daya yang dihasilkan: Pth VOC I SC
(1)
sedangkan daya keluaran maksimumnya: Pmpp Vmp I mp
(2)
Hambatan dalam Sel surya dapat dihitung dari: r VOC / I SC
(3)
4. Faktor Pengisian (fill factor) dan Efisiensi Sel Surya Faktor pengisian sel surya merupakan perbandingan antara daya keluaran maksimum terhadap daya teoritisnya atau dapat dinyatakan sebagai berikut :
ff
Pmpp Pth
Vmp I mp
(4)
VOC I SC
Kualitas dari sel surya biasanya dinyatakan dengan nilai fill factor (ff) yang menunjukkan besarnya kemampuan sel surya menyerap cahaya yang diterimanya. Dengan menggunakan fill faktor maka maksimum daya dari sel surya didapat dari persamaan: PMAX VOC I SC ff
(5)
Sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (PMAX ) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (PCAHAYA ) :
PMAX 100% PCAHAYA
(6)
6
Efesiensi ideal sel surya yang ada di pasaran memiliki efisiensi sekitar 12-15%.
C. METODE Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Eksperimen dilakukan dalam mendapatkan parameter-parameter yang dihasilkan oleh sel surya silikon. Dengan membuat rangkaian pengukuran arus dan tegangan keluaran pada sel surya seperti terlihat dalam gambar 1.
Gambar 4: Rangkaian Eksperimen
Eksperimen dilakukan dengan melakukan pengukuran Intensitas cahaya awal, tegangan yang terukur tanpa resistor (Voc) dan mengganti R (hambatan) dengan kabel penghubung (short circuit) untuk mengukur arus yang terukur (Isc). Pengukuran selanjutnya dilakukan dengan mengganti resistor R dengan resistor-resistor seperti pada gambar 5.
Gambar 5: Jenis-jenis resistor
7
Dari hasil pengukuran arus dan tegangan yang melalui pada resistorresistor pada tabel maka akan diperoleh pasangan nilai V – I. Untuk membandingkan intensitas cahaya selama dalam pengukuran maka sebelum mengakhiri eksperimen maka dilakukan pengukuran intensitas cahaya akhir. Kualitas dari sel surya dapat diketahui dengan menentukan nilai fill factor (ff) yang menunjukkan besarnya kemampuan sel surya menyerap cahaya yang diterimanya dengan menggunakan persamaan (5). Sehingga dari persamaan (5) dapat menentukan efesiensi sel surya. Untuk menentukan nilai efesiensi (Pers. 6) maka terlebih dahulu dilakukan pengukuran arus dan tegangan yang melalui resistor-resistior pada tabel 1 dengan memberikan filter warna hijau, biru dan merah pada modul surya. Untuk mendapatkan data yang akurat maka eksperimen dilakukan dengan selang waktu satu jam dan menggunakan sel solar tanpa filter serta filter warna merah, kuning dan biru. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar 6. berikut di bawah ini.
Gambar 6. Penyerapan Intensitas Cahaya Oleh Filter Warna
8
D. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari penelitian Sel surya diperoleh hasil berupa grafik, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 7. Grafik hubungan antara Arus dan Tegangan pada Sel surya mendatar Tanpa Filter Berdasarkan gambar 7 di atas, menunjukkan grafik hubungan antara arus dan tegangan pada sel surya tanpa filter hasilnya mendekati keadaan ideal pada sel surya. Sedangkan pada bagian awal terdapat kondisi yang tidak ideal sebagaimana terlihat dalam grafik. Hal tersebut terjadi karena adanya perubahan intensitas cahaya matahari yang tidak stabil yang disebabkan adanya awan yang menutup sinar yang mengenai Sel surya
dapat dilihat dalam tabel.1., sebagaimana
terlampir.
9
Gambar 8. Grafik hubungan antar Tegangan dan Arus pada Sel surya dengan Filter Kuning Dari gambar 8 di atas, tentang grafik hubungan antara tegangan dan arus pada Sel surya dengan filter Kuning, menunjukkan bahwa hasilnya mendekati keadaan ideal pada Sel surya. Sedangkan pada bagian akhir dari grafik terdapat kondisi yang tidak ideal, karena Voc < Vmax. Hal tersebut terjadi karena adanya perubahan intensitas cahaya matahari yang tidak stabil yang disebabkan adanya awan yang menutup sinar yang mengenai sel surya dapat dilihat dalam tabel 4. sebagaimana terlampir. Dari data-data hasil percobaan diperoleh daya yang dihasilkan (Pth), Daya keluaran maksimum (Pmpp ), faktor pengisian (∫∫) Daya maksimum (P
max
) dan
Efisiensi Sel surya untuk setiap perlakuan sebagaimana terlihat dalam tabel 1. berikut ini. Tabel 1. Hasil perhitungan Daya yang dihasilkan (Pth), Daya keluaran maksimum (Pmpp ), faktor pengisian (∫∫) Daya maksimum (P max ) dan Efisiensi Sel surya No. Sel surya 1 Tanpa Filter 2. Filter Kuning
Pth 2,2836 0,7011
Pmpp 500,926 528,992
10
∫∫ 0,65 0,7545
Pmax 1,487 0,5289
Η 14,4% 10,4%
Dari penelitian sel surya tanpa filter diperoleh dihasikan daya maksimal 1, 487 watt dengan effisiensi alat 14,4 % mendekati ideal. Hasil ini didapat dengan kondisi cuaca yang berubah – ubah. Pada Sel surya tanpa filter warna diperoleh daya maksimal (Pmax) yang lebih besar dibandingkan Sel surya dengan filter warna Kuning. Demikian juga effisiensi diperoleh efisiensi Sel surya tanpa filter lebih besar dibandingkan dengan filter warna Kuning. Hal ini dapat dilihat dari hasil efisiensi Sel surya tanpa filter lebih besar dari efisiensi rata-rata Sel surya dengan filter warna kuning. Pada penelitian Sel surya dengan filter warna yang berbeda diperoleh daya maksimum filter Pkuning. Demikian juga efisiensi Sel surya pada filter warna diperoleh ηkuning. Hal ini terjadi karena perbedaan intensitas cahaya ketika penelitian.
E. KESIMPULAN Pada penelitian sel surya tanpa filter diperoleh daya maksimal 1, 487 watt dengan effisiensi alat 14,4 %, sedangkan daya maksimal (Pmax) sebesar 0.3616 Watt. Pada penelitian dengan filter warna kuning diperoleh daya maksimal (Pmax) sebesar 0.5289 Watt, dan effisiensi alat (η) sebesar 10,4%. Berdasarkan data-data di atas, dari penelitian dapat disimpulkan bahwa daya maksimum (Pmax) sel surya tanpa filter lebih besar dibandingkan daya maksimum Sel surya dengan filter warna kuning. Sedangkan daya maksimum dengan filter warna diperoleh Pmax kuning. Kemudian diperoleh besarnya efisiensi Sel surya tanpa warna lebih besar daripada efisiensi rata – rata Sel surya dengan filter warna kuning. Demikian juga efisiensi Sel surya dengan filter warna diperoleh hasil ηkuning. Hal ini terjadi karena perubahan intensitas cahaya ketika penelitian.
11
F. REKOMENDASI 1. Agar diperoleh data yang valid perlu dilakukan penelitian dengan kondisi intensitas cahaya yang maksimum dan kontinyu dan warna selain dari warna kuning. 2. Hendaknya alat digunakan memiliki ketelitian yang tepat karena berpengaruh terhadap hasil penelitian. 3. Mengingat pentingnya sel surya sebagai sumber energi alternatif, maka perlu dikembangkan pemanfaatannya secara luas.
G. DAFTAR PUSTAKA Ihsanto. Eko (2012). Tranduser, Pusat Pengembangan Bahan Ajar, Universitas Mercu Buana Jack. AB (2012). Cara Membuat Panel Surya http://kesatriasejati.blogspot.com/2012/01/. html
Miftahul, M.N. 2013. Analisis Karakter Sel surya. Makalah tidak dipublikasikan, ITB. Bandung. Sugiyono, A. (2000). Prospek Penggunaan Teknologi Bersih untuk Pembangkit Listrik dengan Bahan Bakar Batubara di Indonesia, Jurnal Teknologi Lingkungan, Vol.1, No.1, hal. 90-95, Timotious. C (2009). Perancangan dan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Surya, UPI, Bandung
12
Lampiran : Lampiran Penelitian Tabel.1. Sel surya mendatar No Jam R(Ω) 1 14.00 1000 14.00 2 680 14.00 3 470 14.00 4 390 14.00 5 330 14.00 6 270 14.00 7 180 14.00 8 150 14.00 9 100 14.00 10 82 14.00 11 68 14.00 12 56 14.00 13 47 14.00 14 33 14.00 15 27 14.00 16 22 14.00 17 20 14.00 18 18 14.00 19 15 14.00 20 12 14.00 21 10 14.00 22 8,2 14.00 23 6,8
I 13,2
V 13,2
Intensitas 450
19,6
13,04
455
28
12,93
475
33,2
12,87
470
39,2
12,78
464
47,2
12,56
456
69,8
12,42
456
82,2
11,95
461
112
11,51
453
136,3
10,77
462
155,3
9,66
465
157,6
8,37
472
169,1
5,76
472
168
4,96
476
166
3,81
463
160
5,64
445
162
3,07
449
162
2,77
448
159
2,2
440
159,1
1,99
438
167
1,66
461
168
1,42
462
167
1,21
462
13
24
14.00
25
14.00
26
14.00
27
14.00
28
14.00
29
14.00
30
14.00
31
14.00
5,6
165,9
1,04
457
4,7
163
0,91
448
3,9
154
0,78
437
3,3
154
0,69
427
2,7
153
0,5
425
1,5
147
0,44
418
1,2
144
0,26
405
-
386
0,1 Waktu Pengamatan pukul 14.00 Voc = 13,26 volt Isc I = 0 Isc = 173 mA V=0 η = 0,143961
Intensitas = 188 W/m2
Tabel 2. Sel surya dengan Filter Warna Kuning No Jam R(Ω) I V Intensitas (0) (12,3) 1 14.00 1000 12,2 12,14 208 14.00 2 680 18,1 12,12 208 14.00 3 470 25,5 11,81 208 14.00 4 390 29,9 11,68 208 14.00 5 330 35 11,49 209 14.00 6 270 41,2 11,19 209 14.00 7 180 54,2 9,76 209 14.00 8 150 56,4 8,53 209 14.00 9 100 57 6,07 209 14.00 10 82 57 4,81 209 14.00 11 68 56,2 3,9 208 14.00 12 56 55,3 3,06 192
14
P=IxV 148,108 219,372 301,155 349,232 402,15 461,028 528,992 481,092 345,99 274,17 219,18 169,218
13
14.00
14
14.00
15
14.00
16
14.00
17
14.00
18
14.00
19
14.00
20
14.00
21
14.00
22
14.00
23
14.00
24
14.00
25
14.00
26
14.00
27
14.00
28
14.00
29
14.00
30
14.00
31
14.00
47
55,1
2,72
200
149,872
33
54,4
1,86
197
101,184
27
54,1
1,52
185
82,232
22
53
1,26
193
66,78
20
52,9
1,19
197
62,951
18
54,4
1,03
198
56,032
15
54,1
0,94
197
50,854
12
53,9
0,75
198
40,425
10
54,3
0,63
197
34,209
8,2
53
0,52
196
27,56
6,8
52,8
0,44
194
23,232
5,6
52,7
0,38
193
20,026
4,7
52,4
0,3
192
15,72
3,9
52,1
0,28
191
14,588
3,3
48,5
0,24
191
11,64
2,7
48,2
0,21
189
10,122
1,5
47,9
0,15
177
7,185
1,2
47,7
0,14
175
6,678
0,1 47,6 0,08 174 Waktu Pengamatan pukul 14.00 Voc = 12,36 Isc I = 0 Intensitas = 188 Isc = 57 V=0
3,808
15
