TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Studi Terdahulu tentang Penyinaran Matahari dan Sel Surya
2.4.2. Panel Sel Surya
Dalam cahaya matahari terkandung energi dalam bentuk foton. Ketika foton ini mengenai permukaan sel surya, elektronnya akan tereksitasi dan menimbulkan aliran listrik. Sel surya dapat tereksitasi karena terbuat dari material semikonduktor yang mengandung unsur silikon. Sel surya terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar Matahari maka akan terjadi aliran elektron. Aliran elektron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik. Bahan Sel surya terbuat
dari kaca pelindung dan material adhesive transparan untuk menyerap cahaya dengan menggunakan photo-electric effect.
2.4.2.1. Efek photovoltaic.
Pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Baru pada tahun 1876, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar.
Dengan bahan material selenium pada saat itu masih belum mampu mengkonversi listrik dalam jumlah yang diinginkan, namun hal itu mampu membuktikan bahwa listrik bisa dihasilkan dari material padat tanpa harus ada pemanasan ataupun bagian yang bergerak. tahun 1883, Charles Fritz mencoba melakukan penelitian dengan melapisi semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat tipis.
Photovoltaic yang dibuatnya menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %.
Perkembangan berikutnya yang berhubungan dengan ini adalah penemuan Albert Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 1904. Tahun 1927, photovoltaic dengan tipe yang baru dirancang menggunakan tembaga dan semikonduktor copper oxide. Namun kombinasi ini juga hanya bisa menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %. Pada tahun 1941, seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi photovoltaic dan dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti sel surya modern. Bahan yang digunakan adalah silicon dan mampu menghasilkan efisiensi berkisar 4%. Bell Laboratories (1954) berhasil mengembangkannya hingga mencapai efisiensi 6% dan akhirnya 11%.
2.4.2.2.
Bahan semikonduktor memiliki sifat sensitif terhadap temperatur demikian halnya dengan photovoltaic, dengan meningkatnya temperatur dapat mengurangi band gap dari photovoltaic sehingga akan berpengaruh terhadap beberapa parameter dari photovoltaic itu sendiri. Bertambahnya temperatur dapat diartikan sebagai peningkatan elektron dari material. Sehingga untuk memutuskan ikatan membutuhkan energi yang lebih rendah dari kondisi normal. Temperatur mempengaruhi persamaan karakteristik. Salah satu parameter dari photovoltaic yang dipengaruhi oleh temperatur adalah tegangan open circuit. Efek meningkatnya temperatur akan mengurangi secara linear nilai tegangan open circuit. Pengurangan nilai tegangan ini akan lebih kecil ketika temperatur naik.
Arus yang dibangkitkan cahaya meningkat sedikit dengan meningkatnya temperatur karena temperature meningkatkan jumlah carrier yang dihasilkan secara thermal dalam photovoltaic. Pengaruh temperatur yang tinggi dapat pula mengurangi efisiensi.
Efek temperatur.
2.4.2.3.
Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi pancaran matahari. Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule per tahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 watt. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia. Dengan kata lain, dengan menutup 0,1 persen saja permukaan bumi dengan divais photovoltaic yang memiliki efisiensi 10 % sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia. Pada tengah hari yang cerah
Efek intensitas cahaya matahari.
radiasi matahari mampu mencapai 1000 watt/m² . Jika sebuah modul photovoltaic seluas 1 m² memiliki efisiensi 10% maka modul photovoltaic ini mampu menghasilkan tenaga listrik sebesar 100 wattpeak. India sebagai sebuah Negara yang memiliki iklim sub tropis dapat menghasilkan energi listrik sebesar 5 kwh/m2/hari, pada kondisi nilai radiasi sinar matahari secara rata-rata (Sandeep dan Raghubir, 2013) . Intensitas cahaya matahari memiliki pengaruh pada arus short circuit, tegangan open circuit, fill factor, efisiensi, hambatan seri dan hambatan shunt. Intensitas cahaya dinyatakan sebagai satu matahari sesuai dengan standar iluminasi sebesar 1 kw/m². Arus short circuit secara langsung berhubungan dengan jumlah foton yang diserap oleh material semikonduktor dan kemudian sebanding dengan nilai intensitas cahaya, sedangkan tegangan open circuit hanya berubah sedikit ketika intensitas cahaya rendah. Intensitas cahaya matahari mungkin dapat berbeda setiap hari, hal ini menyebabkan energi yang masuk ke photocell juga akan berubah- ubah, bervariasi antara 0 sampai dengan 1 kw/m² (Pierre et al., 2013) terlihat pada Gambar 2.1 sebagai berikut :
Gambar 2.1 Model Irradiasi
Pada cahaya yang rendah efek resistansi shunt akan bertambah.
Berkurangnya intensitas cahaya menyebabkan arus yang melewati photocell berkurang dan nilai resistansi seri hampir sama dengan nilai resistansi shuntnya.
Ketika dua resistansi ini hampir sama, total arus yang mengalir melalui resistansi shunt bertambah, kemudian akan menambah daya yang hilang karena resistansi shunt. Sehingga pada kondisi berawan, photo cell dengan resistansi shunt yang tinggi dapat menahan daya yang masuk lebih banyak dari photocell dengan resistansi shunt yang rendah. Pada thin film photo cell, pengumpulan arus yang berasal dari cahaya akan berkurang pada intensitas yang tinggi, dengan area iluminasi kecil. Hal ini disebabkan pada intensitas yang tinggi ada batasan tertentu yang disebabkan resistansi seri dan bertambahnya loses tegangan yang bergantung pada pengumpulan carrier. Arus hubung singkat adalah arus yang diukur ketika tegangan dari photo cell bernilai nol dan photo cell dalam keadaan terhubung
singkat. Arus hubung singkat adalah arus maksimum yang dapat dihasilkan photo cell. Tegangan rangkaian terbuka adalah tegangan yang diukur ketika rangkaian photo cell dalam keadaan terbuka, sehingga tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian luar, dan arus yang bernilai nol. Tegangan rangkaian terbuka merupakan tegangan terbesar yang dapat dibangkitkan oleh photo cell. Arus dan tegangan maksimun terjadi pada saat sel surya menghasilkan daya ( jumlah watt ) maksimum (Pierre et al. 2013). Sebuah photovoltaic menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari menjadi photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang silikon, dan secara konstan akan menghasilkan energi berkisar ± 0.5 volt - 600 mv pada 2 amp , dengan kekuatan radiasi solar matahari 1000 W/m2 = ”1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 ma/cm2 per sel surya. Photovoltaic akan menghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan Im juga maximum. Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt adalah nol. Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar matahari. Voc adalah tegangan maximum pada nilai arus nol. Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari, karakter ini yang memungkinkan photovoltaic untuk mengisi accu.
2.4.2.4. Karakteristik sel surya
Karakteristik arus-tegangan sel surya memiliki karakteristik sebagai berikut :
IL = Arus konstan yang dihasilkan oleh cahaya datang (a)
ISC = Arus saturasi atau arus keluaran photovoltaic ketika rangkaian luarnya terhubung singkat (a)
q= pengisian electron (1,602 .10-19 c) k= konstanta Boltzman (1,3806.10-23 j.k-1) T= temperatur photo sel (0k)
V= tegangan keluaran (v)
Temperatur berpengaruh terhadap nilai arus yang dihasilkan oleh cahaya datang dengan kondisi nominal temperatur 25oC.
Sedangkan karakteristik tegangan keluaran (VOC pada saat I=0 dinyatakan dengan persamaan berikut:
Secara teoritis besarnya daya yang dihasilkan adalah :
SC OC
th V I
P = (2.5) Dimana, VOC adalah tegangan rangkaian terbuka (open circuit) dan ISC
adalah arus singkat (short circuit) sedangkan daya keluaran maksimumnya adalah
mp mp
mp V I
P = (2.6)
Dimana : Vmp adalah tegangan dari daya keluaran maksimum
Imp adalah arus dari daya keluaran maksimum Kondisi daya maksimum dapat tercapai ketika,
=0
Isc adalah Short-circuit current Voc adalah Open-circuit voltage Vm adalah Voltage maximum power Im adalah Current maximum power
Rangkaian photovoltaic dari brand photowatt PW1650 terdiri dari Ns = 73 polycrystalline Silicon Cell , nilai arus hubung singkatnya Isc = 5,1 A dan Voc = 43,2 V (Pierre et al. 2013)
2.4.2.5. Jenis sel surya
Sel photovoltaik dapat dibagi atas beberapa jenis yaitu : .
1. Monocrystalline.
Monocrystalline didapat dengan cara silikon murni dilelehkan kemudian dalam proses pemadatannya dibentuk dengan cara dipancing (dengan silikon monocrystalline yang struktur atomnya diketahui) diputar dan diangkat perlahan-lahan menjadi sebuah gelondongan silikon. Gelondongan ini kemudian dipotong tipis-tipis (thin plates) sehingga menjadi wafer monocrystalline photocell. Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 12% sampai 14%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.
2. Polycrystalline.
Merupakan panel photovoltaic yang memiliki susunan kristal acak. Type Polycrystalline memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monocrystalline untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung. Polycrystalline didapat dengan cara melelehkan silikon dan menuangkannya kedalam bejana sehingga dapat dengan mudah terbentuk wafer silikon. Dengan cara ini silikon murni dapat diubah hampir seluruhnya kebentuk wafer silikon
sehingga biayanya menjadi lebih efektif. Sayangnya dengan cara ini selama proses pemadatan materi, struktur kristal yang dibentuk akan menimbulkam cacat kristal pada pinggiran photocell. Sebagai akibat dari cacat kristal ini, photovoltaic menjadi kurang efisien, Jenis Polikristalin terbuat dari kristal silikon dengan tingkat efisiensi 10% sd 12%
3. Amorphous (a-Si).
Amorphous didapat dengan cara mendeposisikan ke sebuah permukaan kaca atau material substrat lainnya. Dengan cara ini diperoleh silikon dengan ketebalan 1 µm. Tipe ini memiliki efisiensi paling rendah dan harga yang murah. Biasanya digunakan untuk peralatan berdaya rendah seperti jam, kalkulator saku, dan barang sejenisnya. Terbuat dari silicon yang tidak terbentuk kristalnya, oleh karenanya disebut juga sebagai non kristalin.
Karena efisiensi konversinya yang rendah (paling rendah diantara kedua type di atas berkirsar 8%-12%, maka ukuran modul surya tipe ini hampir dua kali lipat dari ukuran modul surya kristalin dengan kapasitas yang sama.
4. Panel surya terbuat dari Gallium Arsenide (GaAs).
Panel surya ini terbuat dari Gallium Arsenide (GaAs) yang lebih efisien pada temperatur tinggi.
Secara komersial modul panel sel surya memiliki efisiensi 15 % (Kamal dan Balwinder, 2012) tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal merupakan jenis piranti photovoltaic yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis photovoltaic lainnya.
Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 v dalam kondisi penyinaran standar. Modul
surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Sesuai dengan perkembangan sains dan teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula.
2.4.2.6.
Untuk memperoleh besar tegangan, arus dan daya yang sesuai dengan kebutuhan, maka panel sel surya tersebut harus dikombinasikan secara seri dan pararel dengan aturan sebagai berikut :
Rangkaian seri dan paralel sel surya.
1. Untuk memperoleh tegangan keluaran yang lebih besar dari tegangan keluaran sel surya, maka dua buah atau lebih panel photovoltaic harus dihubungkan secara seri.
2. Untuk memperoleh arus keluaran yang lebih besar dari arus keluaran sel surya pada normalnya, maka dua buah atau lebih panel sel surya harus dihubungkan secara paralel.
3. Untuk memperoleh daya keluaran yang lebih besar dari daya keluaran sel surya dengan tegangan yang konstan maka panel sel surya harus dihubungkan secara seri dan paralel.
Panel sel surya terdiri dari discreate multiple cell yang terhubung secara bersama dengan cara seri dan parallel mengubah radiasi cahaya menjadi listrik (Kamal dan Balwinder, 2012).
Modul sel surya terhubung seri dan parallel dapat dilihat pada Gambar 2.2 sebagai berikut ini,
Paralel, Seri
Gambar 2.2 Modul sel surya terhubung seri dan paralel
Apabila sel surya dihubungkan secara seri akan bertujuan untuk memperbesar nilai tegangan kolektif dan terhubung secara parallel untuk mendapatkan kapasitas arus kolektif dari modul sel surya (Bhuvaneswari et al., 2013). Pada rangkaiannya sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor ini mampu mengkonversi sinar matahari menjadi arus listrik direct current (DC) yang disimpan dalam battery (ACCU). Arus ini kemudian diubah menjadi arus listrik alternating current (AC) dengan menggunakan inverter yang kemudian disalurkan pada beban listrik. Pada sel surya terdapat tombol on/off. Fungsi dari control on/off ini adalah untuk mengontrol pengisian battery dan menghubungkan arus dari battery ke inverter.