BAB II DASAR TEORI
2.1. Solar Cell
Solar cell yang berarti sel surya merupakan komponen elektronik yang dapat
mengubah atau mengkonversikan energi cahaya gelombang pendek menjadi energi listrik.[4] Sel surya umumnya memiliki ketebalan minimum 0.3 mm. Sel surya terbuat dari bahan semikonduktor dengan kutub positif dan kutub negatif. Solar cell dalam pembuatannya menggunakan bahan silikon kristal (yang umumnya banyak dan sering digunakan). Sel surya memanfaatkan sumber energi cahaya atau sinar matahari yang merupakan sumber paling hemat energi dan tidak pernah habis. Sinar matahari diubah oleh material dalam solar cell menjadi energi listrik yang kemudian dapat digunakan pada peralatan – peralatan elektronik. Satu sel surya dapat menghasilkan tegangan DC sebesar 0.5 – 0.6 V, maka itu sel surya dihubungkan secara seri untuk membentuk sebuah modul
Solar cell. Sel surya yang dihubungkan menjadi satu modul mencapai 28 -36 sel untuk
mendapatkan tegangan DC sebesar 12 V. Satu modul solar cell dalam aplikasinya juga masih menghasilkan energi atau tenaga listrik yang kecil atau rendah, rata – rata maksimum tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu modul tersebut sebesar 130 Watt. Maka itu dalam penggunaannya, modul – modul tersebut dapat disusun menjadi satu (digabungkan) sehingga membentuk sebuah array, yang dapat menghasilkan tenaga listrik yang lebih besar.[5]
Prinsip dasar dari solar cell adalah efek fotovoltaik yang telah ditemukan oleh seorang ilmuwan yang berasal dari Perancis, Alexander Edmond Becquerel, pada tahun 1839. Efek fotovoltaik adalah pelepasan muatan positif dan negatif dalam materi padat melalui cahaya. Beliau menggunakan perbedaan potensial dari sebuah larutan kimia yang terkena sinar matahari dan satunya yang tidak terkena sinar matahari. Pada larutan tersebut kemudian dimasukkan elektroda platina. Dari percobaan ini beliau mendapatkan adanya aliran listrik.[4]
Pada tahun 1905, Albert Einstein dapat menjelaskan tentang efek fotovoltaik secara teori. Melalui teori Quantum, beliau dapat menjelaskan bahwa cahaya memiliki sifat
sebagai gelombang dan juga photon. Dengan percobaannya, Einstein menjelaskan untuk efek fotovoltaik bahwa cahaya bersifat seperti kumpulan dari bagian – bagian kecil yang disebut photon. Energi photon ini bergantung pada panjang gelombang cahaya. Jika cahaya mengenai sebuah logam dan memiliki energi yang cukup, elektron yang berada di dalam logam yang terkena photon tersebut, akan terlepas dari ikatan energi di dalam atomnya. Dengan lepasnya ikatan energi ini, elektron – elektron tersebut dapat berpindah atau mengalir, disitulah terjadi energi listrik[4]. Gambar 2.1 menunjukan bagaimana solar cell mengubah sinar matahari menjadi energi listrik dan bentuk fisik dari solar cell.
(a) (b)
Gambar 2.1. (a). Sistem kerja dalam Solar cell (b). Bentuk fisik Solar Cell.
Menurut struktur kristalnya, solar cell dapat dibedakan menjadi monokristal, polikristal, dan amorph. Solar cell monokristal memiliki warna biru gelap atau hitam dan memiliki struktur yang teratur dengan efisiensi tertinggi (dibandingkan dengan sel surya yang lainnya) yaitu mencapai 20%. Kemudian yang kedua, solar cell polokristal merupakan sel surya yang terdiri atas banyak kristal silisium kecil yang disebut juga multikristal. Sel surya ini umumnya berwarna biru, namun tidak setua monokristal. Polikristal dibuat dari coran silusium yang berbentuk seperti bunga kristal es pada permukaannya. Solar cell polikristal tidak memiliki efisiensi sebesar monokristal, yaitu hanya mencapai 16%. Namun sel surya jenis polikristal memiliki kelebihan dalam bidang ekonomi, yaitu biaya penggunaannya yang tidak setinggi penggunaan monokristal. Kelebihan kedua dari sel surya polikristal yaitu efisiensi yang dimilikinya tidak cepat turun
ketika sumber energi cahaya yang didapatkan tidak maksimal (redup). Jenis solar cell yang ketiga, adalah solar cell jenis amorph. Sel surya jenis amorph memiliki warna coklat tua hingga keunguan, dan terdiri atas silisium tipis yang ditempatkan (dengan metode uap) pada bahan dasar, misalkan kaca. Solar cell jenis amorph merupakan sel surya yang paling ekonomis dan memiliki efisiensi 6 – 8%, umumnya ditemukan pada aplikasi kalkulator dan jam tangan[4]. Efisiensi pada panel surya atau solar cell dapat dihitung menggunakan persamaan 2.1 di bawah ini, yaitu :
ղ =
100 % (2.1)
Dimana : ղ = Efisiensi solar cell (%)
Voc = Open circuit voltage (Volt)
Isc = Short circuit current (Ampere)
FF = Fill factor (sekitar 0.7 – 0.85)
G = Intensitas matahari (Watt/m2)
A = Luas penampang solar cell (m2)
Nilai efisiensi pada panel surya dapat diketahui dengan pengukuran kurva V-I yang kemudian didapatkan parameter – parameter lain seperti Isc (arus hubung singkat), Voc (
tegangan tanpa beban), Fill Factor (FF), efisiensi (Ղ) dan Pm (Power maximum-output dari PV array). Karakteristik output panel surya (solar cell) dapat dilihat pada kurva perfomansi, kurva V-I menunjukan hubungan antara arus dan tegangan[5]. Kurva karakteristik output solar cell ditunjukan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Kurva karakteristik V-I
Pada kurva V-I tersebut didapatkan atau dibuat berdasarkan pada saat Test Condition, dimana pengujian solar cell disaat intensitas matahari mencapai puncaknya yaitu 1000 Watt/m2 (kondisi yang dinamakan one peak sun hour) dan suhu solar cell sebesar 25oC [5].
Persamaan fill factor pada panel surya atau solar cell didapatkan dari parameter Voc
atau tegangan rangkaian terbuka (open circuit voltage) yang diukur secara langsung pada panel surya (solar cell) pada karakteristik V-I pada solar cell tersebut. Nilai fill factor pada sistem solar cell berhubungan dengan efisiensi pada panel surya (solar cell), semakin besar nilai fill factor maka panel surya semakin baik dan memiliki efisiensi yang semakin besar atau tinggi. Perhitungan nilai fill factor dapat dihitung menggunakan persamaan 2.2 di bawah ini[5] :
FF = ( . ) (2.2)
Keterangan : Voc = Open circuit voltage (Volt)
0,72 = konstanta untuk mendapatkan hasil yang akurat
Pada kurva V-I terdapat 3 hal yang penting yaitu Maximum power point (Vmp dan Imp), Open circuit voltage (Voc), dan short circuit current (Isc). Maximum Power Point yang terdiri atas Vmp dan Imp merupakan titik operasi maksimal ketika solar cell dalam kondisi operasional. Dimana solar cell diberikan beban saat temperatur 25oC (atau 77oF) dengan intensitas matahari sebesar 1000 Watt/m2. Maksimal daya yang dihasilkan dapat diketahui dengan perkalian antara Vmp dengan Imp.
Open Circuit Voltage (Voc) merupakan kapasitas tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak ada arus atau current sama dengan nol. Otomatis daya pada saat
open circuit (Voc) sama dengan nol watt. Dan yang terakhir, Short circuit current (Isc) adalah maksimum output arus yang keluar dari solar cell saat kondisi tidak ada resistansi atau short circuit[5].
Pengoperasian solar cell secara maksimum dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor di bawah ini :
a) Ambient air temperature
Solar cell dapat bekerja secara maksimal dengan temperatur atau suhu yang normal
yaitu 25oC. Suhu pada panel yang melebihi dari kondisi normal saat operation ini akan mengakibatkan energi listrik yang dihasilkan tidak maksimal, terutama berpengaruh terhadap open circuit voltage (Voc). Setiap kenaikan 1oC pada panel surya, akan mengakibatkan tegangan yang dihasilkan menurun 0.4% dari total energi yang dihasilkan.
b) Radiasi sinar matahari (Insolation)
Radiasi atau intensitas sinar matahari juga berpengaruh besar terhadap kinerja solar
cell. Intensitas sinar matahari banyak berpengaruh terhadap arus yang dihasilkan
oleh solar cell.
c) Kecepatan angin bertiup
Kecepatan tiup angin di seikitar solar cell akan membantu untuk menjaga permukaan modul panel surya (solar cell) untuk tetap pada suhu normal (tidak melebihi atau kurang dari suhu normal). Karena ketika suhu pada modul panel surya tidak stabil, akan mempengaruhi kinerja solar cell dalam menghasilkan arus dan tegangan (serta energi listrik) yang akan digunakan untuk supply.
d) Keadaan atmosfir bumi
Keadaan dari atmosfir bumi (berawan, mendung), dapat memperngaruhi kinerja
solar cell dalam menghasilkan arus listrik secara maksimal.
e) Orientasi panel atau array solar cell
Posisi modul panel surya atau solar cell (sudut atau tilt angle) juga mempengaruhi kinerja modul dalam mengolah sinar matahari menjadi energi listrik. Energi listrik (arus listrik dan tegangan) yang maksimal dihasilkan dengan posisi panel surya yang tegak lurus dengan cahaya atau sinar matahari. Posisi modul yang tegak lurus
terhadap sinar matahari akan membantu kinerja modul dalam memproduksi energi listrik yang dibutuhkan sebagai supply untuk beban.
Di bawah ini terdapat Tabel 2.1 yang menunjukkan spesifikasi dari solar cell yang digunakan dalam perancangan prototip.
Tabel 2.1. Spesifikasi solar cell kapasitas 10 Wp.
Maximum Power 10 watt
Optimum operating voltage 17.2 V
Optimum operating current 0.58 A
Open-circuit voltage 21.6 V
Short-circuit current 0.68 A
Temperature 25 ᴼC
2.1.1. Solar Charge Controller
Dalam panel surya atau solar cell biasanya dilengkapi dengan perangkat solar
charge controller, perangkat ini merupakan perangkat yang paling penting dalam sistem solar cell. Perangkat ini digunakan untuk mengatur atau mengontrol dalam pengisian
baterai oleh panel surya, supaya tidak terjadi overcharging. Solar charge controller sendiri merupakan perangkat elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan dikeluarkan dari baterai ke peralatan elektronik.[6] Fungsi sebuah perangkat
solar charge controller secara detail, adlah sebagai berikut[7] :
untuk mempertahankan keadaan baterai dengan mencegah terjadinya distribusi arus dan tegangan yang berlebihan pada baterai (overcharging) dan kelebihan voltase dari panel surya.
untuk mengatur arus yang dibebaskan atau diambil dari baterai agar tidak full
dishcarge dan overloading.
Untuk monitoring temperatur atau suhu baterai.
Rangkaian solar charge controller terdiri dari 2 jenis, yaitu rangkaian seri dan rangkaian paralel. Pada rangkaian seri letak komponen pemutus dihubungkan secara seri antara modul sel surya dengan baterai. Sedangkan pada rangkaian paralel, posisi komponen pemutus dihubungan secara paralel antara modul sel surya dengan baterai[6].
Gambar 2.3 merupakan contoh rangkaian schematic solar charge controller yang terhubung secara serial.
Gambar 2.3. Contoh rangkaian schematic Solar charge controller serial.
Solar Charge Controller ada yang bertipe PWM (Pulse Width Modulation) dan
MPPT (Max Power Point Tracker). Solar Charge Controller tipe PWM atau Pulse Width
Modulation menggunakan teknik modulasi yang merubah data atau informasi menjadi
sebuah sinyal pulsa, dan PWM ini merupakan salah satu prinsip algoritma yang difungsikan dalam sistem solar charge controller. Dengan perbedaan lebar antara sinyal pulsa yang bernilai 0 dan 1 seperti menciptakan sinyal sinusoidal yang bersifat kontinyu untuk pengisian baterai maupun pengisian langsung menuju beban. Sedangkan Solar
Charge Controller dengan tipe MPPT atau Maximum Power Point Tracking/Tracker
efisien dalam konversi DC to DC (Direct Current), pada sistem ini MPPT dapat mengambil daya maksimal dari panel surya untuk memberikan energi pada beban, dan apabila terdapat kelebihan daya maka daya tersebut akan disimpan pada baterai[7]. Pada Gambar 2.4 ditunjukan bentuk fisik solar charge controller dengan tipe PWM (Pulse
Width Modulation).
Solar charge controller memiliki 3 output dengan masing – masing 1 output terdiri
dari 2 buah terminal. Satu output (2 buah terminal) pertama digunakan untuk output dari panel surya. Satu output (2 buah terminal) yang kedua digunakan untuk output baterai atau
accumulator. Dan 1 output lainnya digunakan untuk output langsung menuju beban. Arus
DC yang berasal dari baterai atau accumulator tidak akan kembali ke panel surya (berbalik arah) karena terdapat sebuah diode protection yang mengarahkan arus DC hanya berjalan dari panel surya menuju baterai atau accu. Ada 2 macam cara kerja atau mode operational pada solar charge controller yaitu mode charging, dan mode operation atau operasi. Mode
charging bekerja untuk mengisi baterai atau accu, pengaturan arus dan tegangan diatur
supaya tidak overcharging atau overvoltage. Sedangkan mode operation solar charge
controller bekerja dan beroperasi sebagai pengatur pemberian energi listrik pada beban
dari baterai atau accu, supaya tidak terjadi full disharge (baterai dalam keadaan habis daya listrik).
2.1.2. Baterai (Accumulator)
Accumulator atau aki merupakan baterai yang biasanya digunakan dalam sistem
panel surya (solar cell). Accu berfungsi untuk menyimpan arus listrik yang dihasilkan oleh
solar cell saat pagi sampai sore hari. Accu atau aki (baterai) dapat merubah energi kimia
menjadi energi listrik. Penggunaan accu akan dilakukan pada malam hari, dimana sinar matahari untuk sumber energi solar cell mulai berkurang. Accumulator dapat diisi ulang saat pagi sampai siang hari, dimana solar cell bekerja dengan maksimal (dengan sumber energi sinar matahari mencukupi). Maka itu penggunaan baterai accu ini efisien dalam sistem solar cell atau modul surya. Baterai merupakan komponen atau perangkat yang berguna untuk menyimpan arus listrik yang dihasilkan oleh sumber (solar cell), sebelum arus listrik disalurkan menuju alat – alat elektronik atau beban seperti : LED, Traffic Light.
Pada baterai terdapat 2 jenis elemen (yang merupakan sumber arus DC) yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Accumulator termasuk ke dalam elemen sekunder, dan dalam penggunaannya elemen sekunder harus terlebih dahulu diisi (dialirkan arus) atau diberi muatan secara kontinyu sebelum digunakan pada beban. Dalam accumulator berlangsung proses elektrokimia reversibel (bolak – balik) dengan efisisensi yang tinggi. Dimana saat digunakan sebagai supply pada beban, pada accu terjadi proses perubahan energi kimia menjadi energi listrik (discharging) dan pada saat diisi atau diberi muatan
terjadi proses perubahan dari energi listrik menjadi energi kimia (charging)[8]. Kapasitas pada baterai (accumulator) disimbolkan dengan satuan AH (Ampere Hour), dengan arti setiap ampere berlaku untuk 1 jam pengisian untuk beban (supply). Sebagai contoh, 4 AH berarti bahwa baterai atau accu dapat menyuplai beban sebesar 4 ampere selama 1 jam, atau sebesar 1 ampere selama 4 jam[8].
Untuk mengetahui lama pengisian (waktu) pada baterai (accu) dapat dihitung menggunakan persamaan 2.3 di bawah ini[8] :
Ta = atau Ta = (2.3)
Keterangan : Ta = Lama waktu pengisian accu (Jam)
Ah = Besarnya kapasitas accu (Ampere Hours)
h = Besarnya arus pengisian ke accu (Ampere)
daya Ah =Besarnya daya yang didapatkan dari perkalian Ah dengan
tegangan accu (Watt Hours)
daya h = Besarnya daya yang didapatkan dari perkalian h dengan
tegangan accu (watt)
Setiap baterai (accumulator) memiliki spesifikasi atau standard dalam pengisian muatan sampai penuh. Perbedaan kapasitas tegangan yang dimiliki baterai (accu) mempengaruhi
standard tegangan untuk pengisian arus listrik atau pengisian ulang muatan. Pada tabel 2.2
Tabel 2.2. Tabel state of charge standard batteries