Studi Analisis Penentuan Sudut Optimum Pemasangan Sel Surya Sudut Permanen Di Pantai Utara Jakarta

Studi Analisis Penentuan Sudut Optimum Pemasangan Sel Surya Sudut Permanen Di Pantai Utara Jakarta

Harry Artantyo, Agus R Utomo Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia [email protected]

Abstrak Penggunaan energi matahari sebagai sumber daya energi pembangkit listrik sudah mulai dikembangkan di Indonesia. Pada kondisi saat ini penggunaan sel surya sudah menggunakan sistem tracking yang akan mengikuti arah gerak matahari. Namun dalam studi ini dilakukan pada sudut permanen tanpa mengikuti arah gerak matahari untuk melihat daya yang dihasilkan sel surya. Dengan menghitung pergerakan matahari, sudut jatuh matahari dan intensitas matahari yang diterima dapat diketahui sudut optimum sel surya. Sudut optimum ini akan mendapat intensitas maksimum, akan tetapi intensitas maksimum belum tentu menghasilkan daya optimum. Karena daya sel surya bergantung juga pada suhu lingkungan. Intensitas dan suhu yang terlalu tinggi akan menurunkan daya yang dihasilkan. Sehingga dengan menghitung sudut yang tepat akan menghasilkan daya maksimum dengan intensitas tertentu. Adapun studi ini dilakukan pada daerah sekitar pantai utara Jakarta. Kemiringan optimum yang dihasilkan adalah 00. Pada suhu lingkungan 280C akan menghasilkan daya rata-rata sebesar 442,705 Watt. Adapun energi yang dihasilkan setahun sebesar 64 kWh. Kata kunci : energi matahari; daya sel surya; sudut optimum

Abstract The use of solar energy as an energy resource power plant already began to be developed in Indonesia. On the current state of the use of solar cells already use tracking system that would follow the direction of motion of the Sun. But in this study was carried out at an angle without permanent following the direction of motion of the Sun to see power produced solar cells. By calculating the movements of the Sun, the angle of the Sun and the Sun intensity fell received knowable optimum angle of solar cells. This optimum angle will get the maximum intensity, however, the maximum intensity is not necessarily produces optimum power. Because the solar cell power depends also on the temperature of the environment. The intensity and temperature that is too high will reduce the power generated. So by calculating the exact angle will produce maximum power with a certain intensity. As for the study was conducted in the area around the northern coast of Jakarta On the environmental temperature 280C power will generate an average of 442,705 Watts. As for the energy generated in the year amounted to 64 kWh. Keywords : Solar Energy; Solar Cell Power; Optimum Angle

Studi analisis ..., Harry Artantyo, FT UI, 2013

1. Pendahuluan Sumber energi merupakan aspek penting dalam perkembangan teknologi yang menunjang kehidupan manusia. Saat ini sumber energi masih terfokus pada sumber energi fossil yang dimana saat ini sudah sangat terbatas. Sehingga ditemukan sumber energi terbarukan antara lain energi angin, solar, getaran, elektromagnertik, thermoelectric, tekanan dan lain-lain. Energi matahari (solar) merupakan energi yang paling tepat untuk menggantikan sumber energi fossil. Hal ini dikarenakan matahari adalah sumber energi terbesar di galaksi kita. Dimana total energi yang dikeluarkan matahari adalah 3,8 x 1020 MW yang setara dengan 63MW/m2.Sumber energi matahari merupakan sumber yang ideal, berbeda dari sumber energi konvensional yang tidak ideal dan memiliki kekurangan cukup serius. Energi matahari merupakan energi yang bebas, ramah lingkungan dan terjamin ketersediaannya. Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi dapat dikonversi menjadi energi listrik menggunakan sel surya. Penggunaan sel surya saat ini telah banyak berkembang. Sel surya dapat digunakan dengan metode sudut permanen (fixed), mendeteksi arah matahari (tracking) ataupun dengan metode pengumpul cahaya dengan menggunakan reflector. Pemanfaatan sel surya dengan sistem tracking dipercaya merupakan yang terbaik karena dapat mengikuti arah gerak matahari. Akan tetapi metode ini sepertinya sulit diterapkan pada daerah terpencil mengingat sumber daya manusia yang kurang memumpuni dalam hal perawatan dan perbaikan sistem tersebut. Hal ini dikarenakan sistem tracking memiliki sensor dan actuator yang memerlukan perawatan lebih dibandingkan metode sudut permanen. Dibandingkan sistem tracking sistem fixed tampaknya lebih cocok digunakan di daerah terpencil. Mengingat sistem fixed tidak memerlukan perawatan sebanyak sistem lainnya. Dalam penerapannya sel surya dengan sistem fixed memerlukan perhitungan yang tepat pada saat perancangan. Kemiringan sel surya merupakan hal yang penting untuk diperhitungkan. Hal ini dikarenakan posisi matahari yang selalu berubah-ubah sedangkan sel surya dalam keadaan tetap, sehingga energi yang dikonversi akan berubah sesuai posisi matahari dan letak maupun kemiringan sel surya. Selain itu perlu juga diperhitungkan pengaruh suhu lingkungan pada sel surya karena daya yang dihasilkan oleh sel surya akan dipengaruhi oleh perubahan suhu lingkungannya. Sehingga penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sudut optimum pemasangan sel surya agar menghasilkan daya dan energi maksimum selama satu tahun.


2. Tinjauan Pustaka Bumi memiliki kemiringan poros sebesar 23,5 0 dari sumbunya. Pada rotasi dan revolusi bumi terhadap matahari kemmiringan ini akan bberakibat erakibat bervariasinya posisi matahari matahari terhadap terhadap bumi. bumi. Sehingga mengakibatkan sudut jatuh matahari matahari terhadap terhadap bumi bumi akan akan berbeda tiap harinya. Cahaya Cahaya matahari matahari yang kebumi terdiri dari cahaya ultra ungu (UV) (UV) 7%, 7%, cahaya cahaya tampak tampak 46% dan infra merah 47%. Adapun cahaya matahari yang di terima tidak seluruhnya sampai langsung langsung ke ke permukaan permukaan bumi, akan tertapi ada yang terbaur, terbaur, terpantul terpantul dan dan langsung langsung ke ke permukaaan bumi.

Gambar 1. Pelep Pelepasan asan Energi Energi Matahari Matahari Sampai Sampai ke Bumi Bumi

Sel surya atau yang dikenal juga sebagai Photo Photovoltaic voltaic (PV). Istilah photo atau foto berasal berasal dari dari bahasa bahasa Yunani Yunani yang berbunyi "phos" dan berarti berarti cahaya. cahaya. Sedangkan Sedangkan kata kata voltaic voltaic merupakan merupakan pengembangan pengembangan dari istilah Volt yang diambil dari dari nama nama Alessandro Alessandro Volta, Volta, seorang pelopor dalam pengembangan energi lis listrik. trik. sel surya secara harfiah kurang lebih berarti cahaya listrik. PV PV merubah merubah energi energi foton yang dibawa matahari menjadi energi listrik. listrik. Adapun Adapun energi energi ini digunakan untuk elektron valensi agar dapat keluar dari valensi band band--nya nya ke conduction band band-nya agar dapat band-nya dapat melompat melompat mengisi hole yang ada. Pada silikon energi yang yang diperlukan diperlukan untuk untuk membuat membuat elektron elektron adalah 1,1 eV dan energi yang dimiliki dimiliki matahari matahari berkisar berkisar 0,1 0,10,1-3 3 eV. Energi Energi matahari matahari akan akan melewati PV apabila energinya kurang kurang dari dari energi energi minimum minimum yang yang dibutuhka dibutuhkan nn PV. PV. Bila Bila energinya energinya sudah tepat maka energinya akan diserap diserap sempurna sempurna oleh oleh elektron. elektron. Apabila Apabila energi energi matahari yang sampai di PV melebihi melebihi dari dari energi energi PV PV maka maka kelebihan energi ini akan diubah menjadi panas.


Gambar 2. Prinsip Kerja Sel Surya

Berdasarkan jenis bahan, sel surya yang umum dipakai dikategorikan ke dalam 3 jenis: 1.

Jenis monokristal; terbuat dari silikon kristal tunggal, dapat

mencapai efisiensi konversi 15 – 20%. Secara visual dapat dilihat dari warna sel surya yang merata. Harga jenis ini relatif lebih mahal dibandingkan jenis yang lainnya. 2.

Jenis polykristal; terbuat dari silikon kristal banyak, saat ini

paling banyak dipakai dan dapat mencapai efisiensi 10 – 14%. Secara visual dapat dilihat dimana warna permukaan sel surya tidak merata. Harga jenis ini tergolong lebih murah dibandingkan dengan jenis monokristal. 3.

Jenis amorphous; terbuat dari silikon yang tidak terbentuk

kristalnya. Oleh karena itu disebut juga sebagai non kristalin. Secara visual, jenis ini dapat dilihat dari sel suryanya yang berupa lembara (sheet, dan bukan kotak – kotak kecil seperti jenis kristalin) dan juga dari ukuran fisiknya. Karena efisiensinya yang rendah, sekitar 5 – 9%, maka ukuran modul surya ini hampir dua kali lipat dari ukuran modul surya jenis kristalin dengan kapasitas yang sama. Jenis ini paling murah diantara dua jenis lainnya

3. Perumusan Radiasi dan Sel Surya Untuk mengetahui bagaimana energi matahari yang mengenai suatu permukaan dengan kemiringan tertentu perlu diketahui bagaimana pergerakan matahari terhadap garis katulistiwa bumi setiap harinya. Sehingga pertama-tama harus dihitung sudut deklinasi mataharinya


(1)

Setelah deklinasi matahari dengan diketahui selanjutnya dapat diketahui sudut jatuh matahari terhadap bumi pada lintang tertentu (2)

Dan langkah selanjutnya dapat dicari radiasi extra-teressialnya. Radiasi extra-teressial merupakan radiasi matahari pada atmosfer bumi pada titik lintang tertentu (3)

Dengan didapatnya radiasi extra-teressialnya dapat dibandingkan data tersebut dengan data radiasi global rata-rata yang mencapai permukaan bumi. Perbandingan tersebut disebut juga indeks kecerahan (KT) (4)

Dengan diketahui KT maka dapat dihitung intensitas matahari yang jatuh ke permukaan bumi secara difusi (D) dan secara langsung (B) (5)

(6) Maka selanjutnya dapat diketahui besar intensitas matahari yang mengenai suatu permukaan dengan sudut kemiringan tertentu menghadap ekuator(β) secara langsung (Bβ). Dengan perhitungan ω seperti pada persamaan (7) dan diambil yang terkecil. ′

′

(7) (8) Kemudian dapat menghitung radiasi matahari yang sampai kepermukaan secara difusi sesuai persamaan (8) dan intensitas refleksinya dengan ρ sesuai dengan tabel 1.


(9) (10)

Tabel 1. Faktor Refleksi Keadaan Permukaan Tanah Kering Daerah Berumput Daerah Padang Pasir Daerah Salju

Faktor Refleksi 0,2 0,3 0,4 0,5-0,8

Maka intensitas total dari sinar matahari adalah G(β) G(β) = B(β) + D(β) + R(β)

(11)

Dengan diketahuinya intensitas total dari sinar matahari dapat dihitung daya dari sel surya sesuai persamaan berikut ′

′

′

(12) (13)

′

(14) (15) (16)

4. Hasil dan Analisa Data Radiasi Global diambil dari modul training CASINDO yang bersumber dari NASA/SSA. Adapun tabel radiasi global rata-rata di indonesia dapat dilihat pada tabel 2. Selain data radiasi global rata-rata diperlukan juga data koordinat Kepulauan Seribu yang merupakan kawasan pantai utara Jakarta. Dari data yang ada Kepulauan Seribu terletak pada 5,40 LS dan 106,370 BT. Sehingga untuk mengambil pembulatan rata-rata koordinat Kepulauan Seribu maka diambil koordinat latitude-nya 60 LS. Setelah data didapat maka selanjutnya dapat dihitung sudut deklinasi matahari (δ) dengan persamaan (1). Sebagai perhitungan awal menggunakan 1 Januari, sehingga nilai ‘n’ adalah .


δ = -23,0116 0

Tabel 2. Data Radiasi Global Rata-Rata Per Bulan Di Daerah Pantai Utara Jakarta

Bulan

G (W/m2)

Bulan

G (W/m2)

Januari

4800

Juli

4900

Februari

5000

Agustus

5400

Maret

5300

September

5800

April

5000

Oktober

5500

Mei

4800

Nopember

5000

Juni

4600

Desember

4800

dengan didapatkan sudut deklanasinya maka selanjutnya dapat menghitung sudut jam matahari (ω) menggunakan persamaan (2) ω = 87,4420 Kemudian dapat ditentukan besarnya radiasi extrateressial dengan persamaan (3) pada 1 Januari dengan koordinat latitude sebesar 60. B0 = 9192,286 W/m2 Agar lebih jelas hasil perhitungan sudut deklanasi matahari, sudut jam matahari dan radiasi extrateressial dapat dilihat pada tabel 3.


30,000

δ 20,000 10,000 δ Desember

Nopember

Oktober

September

Juli

Agustus

Juni

Mei

April

Maret

Februari

-10,000

Januari

0,000

-20,000 -30,000

Gambar 3. Grafik Sudut Deklanasi Matahari per Bulan

93,000 92,000 91,000 90,000 89,000 88,000 87,000 86,000 85,000 84,000

ω

Desember

Oktober

Nopember

September

Agustus

Juli

Juni

Mei

April

Maret

Februari

Januari

ω

Gambar 4. Grafik Sudut jam Matahari per Bulan


Tabel 3. Hasil Perhitungan δ, ω Dan Bo

Bulan

δ

ω

B0

Januari

-20,847

87,704

9385,479

Februari

-13,325

88,570

9928,035

Maret

-2,389

89,748

10377,733

April

9,493

91,010

10428,834

Mei

18,806

92,054

10148,013

Juni

23,077

92,567

9914,784

Juli

21,101

92,326

9985,515

Agustus

13,296

91,427

10248,994

September 1,994

90,210

10331,901

Oktober

88,951

10008,547

Nopember -19,051

87,917

9471,883

Desember

87,431

9170,536

-23,096

B0

B0

Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober Nopember Desember

10600,000 10400,000 10200,000 10000,000 9800,000 9600,000 9400,000 9200,000 9000,000 8800,000 8600,000 8400,000

-9,849

Gambar 5. Grafik Radiasi Extrateresial per Bulan


Dari grafik diatas sudut deklanasi sesuai dengan pergerakan semu terhadap bumi, dimana pada bulan Juni matahari berada pada bagian utara bumi, yang mengakibatkan musim panas. Pada indonesia pada bulan Maret dan September matahari berada pada sekitar garis katulistiwa. Sedangkan pada bulan Desember matahari berada pada bagian selatan bumi yang membuat Indonesia mendapatkan musim penghujan. Pada sudut jam matahari mencapai maksimum di sekitar bulan Maret dan Oktober, hal ini dikarenakan pada bulan tersebut matahari mencapai sudut sembilan puluh derajat terhadap bumi. Dari dua grafik diatas dapat dilihat pada gambar 5. Bahwa radiasi extrateresial terbesar juga terjadi di sekitar bulan April dan September, dimana matahari berada disekitar katulistiwa dan sudut jatuhnya sekitar sembilan puluh derajat terhadap bumi dengan latitude 60 LS. Dengan diketahuinya radiasi extrateresial yang jatuh pada atmosfer, dengan membandingkan dengan data radiasi global rata-rata maka bisa didapatkan indeks kecerahan dengan persamaan (4), radiasi difusi, radiasi langsung seperti perhitungan berikut yang dilakukan pada tanggal 1 januari. W/m2 Untuk radiasi difusinya adalah sebagai berikut menggunakan persamaan (5)

Sedangkan untuk radiasi langsung menggunakan persamaan (6) adalah 2832,288 W/ Dari kedua radiasi diatas, semuanya dihitung pada permukaan horizontal. Maka untuk permukaan dengan kemiringan β radiasi yang didapat juga akan berbeda menggunakan persamaan (7) dan (9). Untuk kemiringan berbeda dapat dilihat dalam perhitungan berikut dimana perhitungan dilakukan dengan kemiringan 100 dalam bulan Januari sehingga

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa total radiasi matahari yang didapat adalah penjumlahan dari radiasi langsung, difusi dan juga refleksi. Untuk radiasi refleksi daerah


Kepulauan Seribu dianggap sebagai daerah rerumputan sehingga memiliki koefisien sebesar 0,3. Maka radiasi refleksinya dapat dihitung dengan persamaan (10) sebesar

Maka total radiasi global pada kemiringan 100 pada tanggal 1 Januari dengan menggunakan persamaan (11) adalah G(β)

= 5146,412 W/m2

Untuk melihat rata-rata total radiasi global yang didapat pada kemiringan 100 dapat dilihat pada gambar 6. Pada gambar 6 Dapat dilihat radiasi maksimum didapatkan pada sudut 60. Setelah mendapatkan total radiasi global data tersebut dapat digunakan untuk menghitung berapa daya yang dihasilkan dari sel surya pada masing-masing kemiringanya. Perhitungan ini menggunakan sel surya dari “Sunmodule” dengan tipe SW220 mono dengan data yang dapat dilihat pada tabel 4 7000 6000

0 10

5000

20 4000

30

3000

40 50

2000

60

1000

70

0

80 jan feb mar apr mei jun

jul agu sep okt nop des

Gambar 6. Grafik Rata-Rata Radiasi Matahari Tiap Bulan Kemiringan β


Tabel 4. Data Sel Surya Yang Digunakan

Sunmodule SW 220 mono Maximum Power

Pmax

220

Wp

Open Circuit Voltage

Voc

36,6

V

Maximum Power Point Voltage

Vmpp

29,3

V

Short Circuit Current

Isc

8,18

A

Maximum Power Point Current

Impp

7,51

A

Temperature

NCOT

460

C

Current Coefisien

Ki

0,002839 A/0C

Voltage Coefisien

Kv

-0,10923

Nominal

Cell

Opertating

V/0C

pada Standard Test Condition ( radiasi = 1000 W/m2 dan temperatur 250C AM=1,5G

Maka pertama kali harus menghitung temperatur lingkungan dengan membandingkannya dengan temperatur STC dengan kondisi lingkungan 280C menggunakan persamaan (15).

Selanjutnya tegangan open circuit dan arus shor circuit pada temperatur lingkungan menggunakan persamaan (13) dan (14) adalah ′

′

Dengan fill factor dengan persamaan (16) sebesar


Sehingga daya yang didapat sesuai persamaan (12)

Untuk data hasil perhitungan daya dan energi selama satu tahun dapat dilihat pada gambar 7. Dari gambar 8 dapat diketahui perbedaan suhu lingkungan akan mengakibatkan perubahan daya yang dihasilkan. Semakin tinggi suhu lingkungan akan menurunkan daya yang dihasilkan yang selanjutnya juga akan menurunkan energi yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan koefisien tegangan pada sel surya lebih mempengaruhi dibanding koefisien arusnya. Mengingat semakin koefisien tegangan bernilai negatif terhadap kenaikan suhu, maka semakin tinggi suhu daya keluaran akan semakin kecil. Dari gambar 9 juga dapat dilihat sudut optimum pemasangan sel surya berada pada sudut 00 dengan suhu 250C. Karena pada keadaan demikian akan menghasilkan energi maksimum sebesar 64059,337 Wh atau kurang lebih 64 kWh dalam satu tahun. 500 450

0

400

10

350 20

300

30

250

40

200

50

150 100

60

50

70

0

80 jan feb mar apr mei jun

jul agu sep okt nop des

Gambar 7. Grafik Rata-Rata Daya Tiap Bulan Kemiringan β Pada Suhu 280C


Daya Rata-Rata 460 440 420 400 25

380

28 360

30

340 320 300 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Gambar 8. Grafik Rata-Rata Daya 1 Tahun Dengan Kemiringan β

Energi Total 70000

65000

60000 25

28

55000

30 50000

45000 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Gambar 9. Grafik Jumlah Energi 1 Tahun Dengan Kemiringan β


5. Kesimpulan Dari data yang daimbil dan analisa yang dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan: 1.

Untuk menghasilkan daya optimum pada sel surya, maka penempatan sel surya dilakukan pada kemiringan 00.

2.

Daya maksimum yang dihasilkan pada kemiringan 00 dalam satu tahun pada shu 280C adalah : a.

Daya maksimum sebesar 446,159 Watt yang dihasilkan pada bulan Juni dan daya terendah sebesar 393,744 Watt yang dihasilkan pada bulan September.

b.

Daya rata-rata yang dihasilkan selama setahun sebesar 431,388 Watt.

c.

Energi total yang dihasilkan selama setahun (8760 jam) sebesar 62421,637 Wh.

3.

Daya dan energi maksimum yang dihasilkan sel surya dalam waktu satu tahun dengan pengaruh temperatur lingkungan adalah

Suhu Lingkungan Daya Rata-Rata

Energi Maksimum 1 Tahun

(0C)

(Watt)

(Watt)

250C

442,705

64059,337

280C

431,388

62421,637

300C

423,828

61327,597


6. Referensi [1].. Eyup, T. 2009.Photovoltaic System Sizing. Ohio: OHIO STATE UNIVERSITY. [2].. Kumar, A. 2011. Optimazion of Tilt Angle For Photovoltaic Array. International Journal of Engineering Science and Technology. Vol.3 No. 4, hlm 3153-3160. [3].. Koutroulis, E and Team. 2005. Methodology For Optimal Sizing of Stand-Alone Photovoltaic/Wind-generator System Using Genetic Algorithm. Solar Energy;Elsevier . hlm 1077. [4] Rizal, M. F. 2008. Penerapan Panel Fotovoltaik Terintegrasi Pada Fasade Dan Atap. Depok : Fakultas Teknik Universitas Indonesia [5] Afrouzi, H N.2011. Sizing of Required Photovoltaic Array for A Building in Malaysia with MATLAB. Malaysia. Universitas Teknologi Malaysia [6] Oka, A. F. 2011. Rancang Bangun Prototipe Sistem Daya Telepon Selular Berbasis RF Energy Harvesting dan Sel Surya. Depok : Fakultas Teknik Universitas Indonesia [7] Kumar, R. 2005 Estimation of Global Radiation Using Clearness Index Model For Sizing Photovoltaic System. Solar Energy;Elsevier (Online), hlm 2222-2225 [8] Ge, Haifeng. Reliability-based Stand-alone Photvoltaic System Sizing Design- A Case Study. Lincoln : University of Nebraska. [9] Hoyt, V Douglas, A Model For The Calculation of Solar Global Insolation. Solar Energy, Vol.21, hlm 27-35 [10] Budiyanto, Eko . 2011. Hamburan Partikel Atmosferik. (Online) [11] http://geo.fis.unesa.ac.id/web/index.php/en/penginderaan-jauh/76-hamburan-partikelatmosferik. Diakses 08 Desember 2012 Pukul 10.57 [12] http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?&num=287085&lat=6&submit=Submit&hgt=100&veg=17&sitelev=&email=harryartantyo@yahoo.com& p=grid_id&p=swvdwncook&p=swv_dwn&p=sol_noon&p=daylight&p=declinat&p=r et_tlt0&step=2&lon=106. Diakses 09 Januari 2012


Studi Analisis Penentuan Sudut Optimum Pemasangan Sel Surya Sudut Permanen Di Pantai Utara Jakarta

Recommend Documents