Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658
Studi Pengaruh Bentuk Saluran Udara Pendingin Pada Unjuk Kerja Panel Photovoltaic Razali Thaib1, T. Azuar Rizal2, dan Hamdani3
ABSTRACT: Photovoltaic (PV) Panel generates electricity through conversion of solar radiation. The increase in temperature on PV panel, shown to cause a decrease in the efficiency of energy conversion. These unwanted effects, partially, can be avoided by passing the coolant into PV panel. The aim of this research is to study the effect of the shape of cooling air channel in relation to enhancement of electrical efficiency of PV panels. The study was conducted in the city of Banda Aceh. Testing equipment consists of PV panels attached to the absorber plate which is equipped with a cooling air duct. Two shape of lines were designed in this study, they are triangular and a semi-circular shape. The air is passed through using a fan placed on the upper side of PV panels. The quantity measured include the intensity of solar radiation, wind speed around PV panels, PV surface temperature, air temperature chillers, and cooling air speed. The study was conducted from 08:00 am until 17:00 during April 2016. The test results showed the maximum energy conversion efficiency can be achieved by a PV panel without air conditioning is only 8-9%. However, when the PV modules are operated in an active air cooling conditions, the surface temperature of PV panels drops significantly. The research concluded that the energy conversion efficiency of the triangle-type air channel is 13.8%, and 12.2% with a semi-circular-type air channel Keywords: solar energy, photovoltaic, air cooling, air channel, efficiency ABSTRAK: Panel photovoltaic (PV) menghasilkan listrik dengan menerima radiasi matahari. Kenaikan temperatur panel PV dapat menyebakan menyebabkan penurunan efisiensi konversi energi. Efek yang tidak diinginkan ini sebagian dapat dihindari dengan mengalirkan media pendingin pada panel PV. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan studi pengaruh bentuk saluran udara pendingin terhadap peningkatkan efisiensi listrik panel PV. Penelitian dilakukan di wilayah kota Banda Aceh. Peralatan pengujian terdiri dari panel PV melekat pada pelat absorber yang dilengkapi dengan saluran udara pendingin. Dua bentuk saluran yang dirancang pada penelitian ini yaitu bentuk segitiga dan bentuk setengah lingkaran. Udara dialirkan menggunakan fan yang diletakkan pada sisi atas panel PV. Besaran yang diukur meliputi radiasi matahari, kecepatan angin sekitar panel PV, temperatur permukaan PV, temperatur udara pendingin, dan kecepatan udara pendingin. Penelitian dilakukan mulai pukul 08.00 sampai dengan pukul 17.00 pada bulan April 2016. Dari hasil pengujian diperoleh efisiensi konversi energi maksimum yang dapat dicapai oleh panel PV tanpa pendingin udara hanya 8-9%. Namun, ketika modul PV dioperasikan pada kondisi pendinginan udara aktif, temperatur permukaan panel PV turun secara signifikan. Hasil pengujian diperoleh efisiensi konversi energi dengan saluran udara segitiga mecapai 13,8% dan menggunakan saluran udara setengah lingkaran mencapai 12,2%. Kata Kunci: energi surya, photovoltaic, pendinginan udara, saluran udara, efisiensi
1
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh (
[email protected]) Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Samudra, Kota Langsa (
[email protected]) 3 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh (
[email protected]) 2
C-696
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658
Pendahuluan Kepedulian terhadap lingkungan semakin meningkat seiring meningkatnya penggunaan bahan bakar fosil dan menipisnya ketersediaan bahan bakar ini telah mendorong pengembangan sumber energi alternatif, yang terbarukan dan ramah lingkungan (Dubey, Sandhu, & Tiwari, 2009; Skoplaki & Palyvos, 2009). Salah satu energi terbarukan yang terus meningkat pengembangannya adalah energi Matahari yang dapat diubah menjadi bentuk energi yang berguna, yaitu listrik, menggunakan panel photovoltaic (PV). Beberapa faktor mempengaruhi efisiensi panel PV, seperti peningkatan suhu dan panas lebih pada panel PV , dan akumulasi kotoran pada permukaan panel (Moharram, Abd-Elhady, Kandil, & El-Sherif, 2013; Moharram, 2013). Kendala utama yang sering dihadapi pengoperasian panel PV terlalu panas karena radiasi matahari yang berlebihan dan suhu lingkungan yang tinggi. Overheating mengurangi efisiensi panel secara dramatis (Bahaidarah, Subhan, Gandhidasan, & Rehman, 2013) Telah banyak penelitian dilakukan untuk meningkatkan efisiensi panel PV dengan cara mengekstrak panas dari panel PV dan menurunkan suhu operasi. Cuce, Bali, & Sekucoglu, 2011, melakukan analisis numerik efek pendinginan pasif pada kinerja panel PV silikon. Hasil analisis diperoleh daya keluar panel PV berkurang dengan meningkatnya temperatur operasi panel PV. Panel PV dengan pendingian pasif menggunakan sirip mampu menurunkan temperatur permukaan bawah panel PV, dan energi listrik yang dihasilkan lebih tinggi dari panel PV yang didinginkan tanpa sirip. Penelitian perbandingan daya keluar panel PV dengan pendinginan udara dan tanpa pendinginan dilakukan oleh (Teo, Lee, & Hawlader, 2012), hasil penelitian diperoleh, temperature panel PV tanpa pendinginan mencapai 68o C dan mengakibatkan efisiensi listrik turun secara signifikan menjadi 8,6 %. Panel PV yang didinginkan dengan udara menggunakan blower, temperature operasi panel PV dapat dipertahankan pada 38 o C dan efisiensi listrik panel PV diperoleh sekitar 12,5%. Popovici, Hudişteanu, Mateescu, & Cherecheş, 2016, melakukan analisis numerik pendinginan panel PV menggunakan udara, dari hasil analisa menunjukkan suhu operasi dari panel PV mencapai sekitar 56 ° C, pada kondisi tanpa pendinginan. Sedangkan pada kondisi dengan pendinginan udara, temperature permukaan panel PV menurun sampai 10oC dari temperatur tanpa pendinginan. Dan efisiensi konveris dapat dipertahankan pada 90% dari efisiensi nominalnya. Pengujian pendinginan panel PV menggunakan media oli dilakukan oleh (AbdElhady, Fouad, & Khalil, 2016), pendinginan dilakukan dengan melapisi permukaan depan panel PV dengan minyak. Berbagai jenis minyak digunakan diantara oli pompa vakum (oli Labovac), oli mesin dan minyak rem, minyak zaitun dan minyak bunga matahari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan oli Labovac setebal 1 mm pada permukaan panel PV, mampu meningkatkan efisiensi panel PV dengan lebih dari 20%, dibandingkan dengan minyak lainnya. Pada penelitian ini telah dikembangkan satu sistem pendinginan penel surya (PV) dengan memanfaatkan udara sebagai media pendingin. Penelitian dilakukan pada kondisi iklim Kota Banda Aceh. Metode Penelitian Telah dirancang dan dibuat satu unit pengujian untuk mempelajari pengaruh pendingian panel surya (PV) menngunakan media udara terhadapa efisiensi listrik panel
C-697
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658
surya (PV). Panel surya yang digunakan dalam penelitian ini 50 Watt Photovoltaic Module, dengan silicon sel nitride multicrystalline silicon cells. Panel memiliki ukuran panjang 839 mm, lebar 537 mm, dan tebal 50 mm. Untuk mendinginkan panel surya digunakan media udara yang dialirkan masuk dari bagian atas panel dan keluar dari bagian bawah panel. Bentuk dan ukuran saluran udara pendingin panel surya ditunjukkan dalam Gambar 1. Penelitian dilakukan di lokasi lapangan terbuka dalam lingkungan Universitas Syiah Kuala Kota Banda Aceh. Varibel yang diukur pada penelitian ini meliputi temperatur pemukaan atas dan belakang panel surya, temperatur udara masuk dan keluar saluran pendingin, temperatur udara lingkungan, intensitas radiasi surya, tegangan dan arus listrik keluar panel surya. Untuk memperoleh informasi pengaruh udara pendingin, pengujian juga dilakukan pada panel surya tanpa pendingin udara. 530 130 170 PANDANGAN ATAS
530
590
110
170 200 170
200
839
537
839
50
PANDANGAN DEPAN
30
160
100
839
200
PANDANGAN SAMPING
800
537 PANDANGAN BELAKANG
SIRIP
Gambar 1: Ukuran panel surya yang dilengkapi saluran udara pendingin. Udara pendingin dialirkan menggunakan kipas angin (fan) yang memiliki daya 3W. Kecepatan udara keluar fan diatur pada 1-2 m/s. Untuk menentukan efisiensi listrik ((e) panel surya didasarkan pada persamaan berikut : [
(
)]
(1)
Efisiensi listrik pada kondisi standar (o) ditentukan dari : (2) Dimana adalah koefisien temperature, Tp temperature permukaan atas panel PV, Tr temperature referensi = 25 oC, Vm adalah tegangan listrik keluar panel PV, Im arus listrik keluar panel PV , G adaalah intensitas matahari maksimum, dan Ap adalah luas permukaan panel PV.
C-698
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658
Hasil Dan Pembahasan
Intensitas radiasi matahari (W/m2)
Pelaksanaan pengujian ini dimulai dari jam 08.00 s/d 17.00, dengan rentang 15 menit. Hasil pengukuran intensitas radiasi ditunjukkan dalam Gambar 2 Dari grafik terlihat intensitas intensitas maksimum mencapai 1044 W/m2 yang terjadi pada pukul 12:00. Secara keseluruhan pengujian idlaksanakan pada kondisi cuaca yang cerah. Hasil pengukuran temperature permukaan atas dan bawah panel PV ditunjukkan dalam Gambar 3 dan Gambar 4. Sedangkan Gambar 5 memperlihatkan selisih temperature pada masing-masing panel PV. . 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Gambar 2: Intensitas radiasi matahari pada saat pelaksanaan pelenitian
Dari Gambar 3 terlihat temperatur maksimum permukaan atas panel PV tanpa pendingin mencapai 69,7 oC, panel PV pendinginan udara menggunakan saluran setengan lingkaran mencapai 57,6 oC dan PV pendinginan udara menggunakan saluran segitiga 50 oC. Dari Gambar juga terlihat temperatur permukaan atas panel PV yang menggunakan saluran setengah lingkaran mendekati temperature permukaan panel PV tanpa pendinginan. Sedangkan pada panel PV yang menngunakan saluran segitiga temperatur permukaan atas panel dapat dipertahankan jauh dibawah temperatur panel PV tanpa pendinginan.
C-699
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658 80
Temperatur (oC)
70 60 50 40 30
Standar Atas PV+saluran 1/2 lingkaran PV+Saluran segitiga
20 10
0 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Waktu
Gambar 3: Perbandingan temperatur permukaan atas panel PV
Dari Gambar 4 terlihat temperatur maksimum permukaan bawah panel PV tanpa pendingin mencapai 61,4 oC, panel PV pendinginan udara menggunakan saluran setengan lingkaran mencapai 37,1 oC dan PV pendinginan udara menggunakan saluran segitiga 37 oC. Hal ini menunjukkan pendinginan menggunakan udara mampu menurunkan temperatur permukaan bawah panel hamper konstan selama pelaksanaan pengujian. 70
Temperatur (oC)
60 50 40 30 20
Standar Atas PV+saluran 1/2 lingkaran PV+Saluran segitiga
10 0 7:00
8:00
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Waktu
Gambar 4: Perbandingan temperatur permukaan bawah panel PV
C-700
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658
Gambar 5 memperlihat selisih temperatur permukaan atas terhadap temperatur permukaan bawah panel PV. Dari gambar terlihat bawah pendinginan menggunakan saluran setengah lingkaran menunjukkan beda temperature yang sangat besar dibandingkan dengan panel PV tanpa pendinginan. 30 Standar Atas
Beda Temperatur (oC)
25
PV+saluran 1/2 lingkaran PV+Saluran segitiga
20
15
10
5
0 7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00 13:00 Waktu
14:00
15:00
16:00
17:00
Gambar 5: Perbandingan selisih temperatur permukaan atas dan bawah panel PV Gambar 6, memperlihatkan pengaruh temperatur permukaan panel surya terhadap efisiensi listrik panel surya (PV). Efisiensi listrik ditentukan menggunakan persamaan persamaan (1) dan (2). Dari grafik terlihat bahwa efisiensi listrik panel surya tanpa pendinginan berkisar pada 8 - 9 %. Panel PV dengan pendinginan udara menggunakan saluran setengah lingkaran efisiensi listrik berkisar pada 11 – 12,2 %. Sedangkan panel PV dengan pendinginan udara menggunakan saluran segitiga efisiensi listrik berkisar pada 12 – 13,8%. Hal ini membuktikan bahwa pendinginan udara mampu meningkatkan efisiensi listrik panel surya.
C-701
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658 15.0
PV standar PV+Saluran 1/2 Lingkaran PV+Saluran Segitiga
Efisiensi Listrik (%)
14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 30
35
40 45 50 55 60 Temperatur permukaan atas panel PV (oC)
65
70
Gambar 6: Hubungan efisiensi listrik dengan temperatur permukaan panel Simpulan Pada penelitian ini telah dilakukan pengujian pendinginan panel surya menggunakan udara sebagai media pendingin. Hasil pengujian juga dibandingkan dengan panel surya tanpa pendinginan. Dari hasil pengujian diperoleh efisiensi konversi energi maksimum yang dapat dicapai oleh panel PV tanpa pendingin udara hanya 8-9%. Namun, ketika modul PV dioperasikan pada kondisi pendinginan udara aktif, temperatur permukaan panel PV turun secara signifikan. Hasil pengujian diperoleh efisiensi listrik maksimum panel PV dengan saluran udara segitiga mecapai 13,8% dan menggunakan saluran udara setengah lingkaran efisiensi maksimum mencapai 12,2%.. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pendinginan udara dapat diterapkan untuk menjaga panel surya bekerja pada efisiensi terbaik. Daftar Pustaka Abd-Elhady, M. S., Fouad, M. M., & Khalil, T. (2016). Improving the efficiency of photovoltaic (PV) panels by oil coating. Energy Conversion and Management, 115, 1–7. Bahaidarah, H., Subhan, A., Gandhidasan, P., & Rehman, S. (2013). Performance evaluation of a PV (photovoltaic) module by back surface water cooling for hot climatic conditions. Energy, 59, 445–453. Cuce, E., Bali, T., & Sekucoglu, S. A. (2011). Effects of passive cooling on performance of silicon photovoltaic cells. International Journal of Low-Carbon Technologies, 6(4), 299–308. Dubey, S., Sandhu, G. S., & Tiwari, G. N. (2009). Analytical expression for electrical efficiency of PV / T hybrid air collector. Applied Energy, 86(5), 697–705. Moharram, K. A. (2013). Enhancing the performance of photovoltaic panels by water cooling. Ain Shams Engineering Journal, 4(4), 869–877. Moharram, K. A., Abd-Elhady, M. S., Kandil, H. A., & El-Sherif, H. (2013). Influence
C-702
Seminar Nasional Hasil Penerapan Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat III 2016 P-ISSN: 2356-3176 E-ISSN: 2527-5658
of cleaning using water and surfactants on the performance of photovoltaic panels. Energy Conversion and Management, 68, 266–272. Popovici, C. G., Hudişteanu, S. V., Mateescu, T. D., & Cherecheş, N.-C. (2016). Efficiency Improvement of Photovoltaic Panels by Using Air Cooled Heat Sinks. Energy Procedia, 85(November 2015), 425–432. Skoplaki, E., & Palyvos, J. A. (2009). On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations. Solar Energy, 83(5), 614–624. Teo, H. G., Lee, P. S., & Hawlader, M. N. A. (2012). An active cooling system for photovoltaic modules. Applied Energy, 90(1), 309–315.
C-703
