STUDI PENGKAJIAN PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK MIKRO DARI SEL SURYA DI DAERAH YANG TIDAK DIJANGKAU DISTRIBUSI PLN
Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Dalam Menyelesaikan Pendidikan Sarjana(S-1) Pada Departemen Teknik Elektro
OLEH :
NOEL FRANSISKUS GINTING
060422001
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PPSE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Kebutuhan akan arus listrik (PLN) pada zaman sekarang sangat penting dalam melaksanakan kegiatan sehari-hari. Pada saat sekarang ini khususnya dikota sering terjadi pemadaman listrik oleh PLN yang mengakibatkan terganggunya kegiatan masyarakat dalam pendapatan hidup sehari-hari. Oleh karena itu pada Tugas Akhir ini penulis mencoba untuk membahas “Pemanfaatan Energi Surya menjadi Energi Listrik” sebagai langkah untuk mengatasi hal tersebut diatas.
Matahari merupakan sumber energi yang sangat besar dan mempunyai jumlah energi yang tidak terbatas. Memanfaatkan matahari sebagai sumber energi listrik merupakan pilihan yang sangat tepat karena jumlah energi matahari sangat besar dan tidak terbatas. Disamping itu pemanfaatannya tidak menimbulkan efek yang merugikan terutama terhadap lingkungan, bila kita memakai matahari sebagai energi listrik maka kita membutuhkan Solar Cell yang berguna untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Solar Cell terdiri dari bahan semikonduktor silikon dn Germanium. Selain itu kita juga membutuhkan batere sebagai tempat penyimpanan muatan yang dihasilkan Solar Cell.
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ... iv
Daftar Isi ... v
Daftar Tabel ... vi
Daftar Gambar ... vii
Intisari ... vii
BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Batasan Masalah ... 3
1.3. Tujuan Tugas Akhir ... 3
1.4. Manfaat Tugas Akhir ... 3
1.5. Teknik Pengumpulan Data ... 3
BAB II. TEORI DASAR 2.1. Matahari Sebagai Sumber Energi ... 4
2.2. Karakteristik Sinar Surya ... 7
2.3. Sel Surya ... 8
2.4. Semi Konduktor ... 9
2.5. Prinsip Kerja Solar Cell ... 9
2.6. Karakteristik Solar Cell ... 11
2.7. Faktor Pengisian dan Efisiensi Solar Cell ... 16
2.8. Faktor yang mempengaruhi Penggunaan Solar Cell ... 18
2.9. Batere ... 18
2.10. Kapasitas batere ... 20
2.11. Pengisian batere ... 22
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI 3.1. Rangkaian Kerja Sistem ... 23
3.2. Penggunaan Solar Cell ... 23
3.3. Penggunaan baterai ... 23
3.4. Beban ... 23
BAB IV ANALISIS PENGUJIAN
4.1. Pengambilan Data ... 28
4.2. Analisa Percobaan ... 33
BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 39
5.2. Saran ... 39
DAFTAR PUSTAKA ... 40
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Model Sederhana dari Sel Surya ... 7
Gambar 2.2. Tampilan Sel Surya ... 10
Gambar 2.3. Kristal Silikon dan Germanium Murni ... 11
Gambar 2.4. Semikonduktor Tidak Murni ... 12
Gambar 2.5. Photovoltaic Silikon Elementer ... 15
Gambar 2.6. Karakteristik Solar Cell ... 17
Gambar 2.7. Kurva Arus Fungsi Tenganngan Solar Cell ... 17
Gambar 2.8. Jarak Matahari dengan Bumi setiap tahunnya ... 20
Gambar 2.9. Batere Sekunder ... 21
Gambar 3.1. Rangkaian Sistem Kerja ... 23
Gambar 3.2. Aplikasi Charge Controller ... 25
ABSTRAK
Kebutuhan akan arus listrik (PLN) pada zaman sekarang sangat penting dalam melaksanakan kegiatan sehari-hari. Pada saat sekarang ini khususnya dikota sering terjadi pemadaman listrik oleh PLN yang mengakibatkan terganggunya kegiatan masyarakat dalam pendapatan hidup sehari-hari. Oleh karena itu pada Tugas Akhir ini penulis mencoba untuk membahas “Pemanfaatan Energi Surya menjadi Energi Listrik” sebagai langkah untuk mengatasi hal tersebut diatas.
Matahari merupakan sumber energi yang sangat besar dan mempunyai jumlah energi yang tidak terbatas. Memanfaatkan matahari sebagai sumber energi listrik merupakan pilihan yang sangat tepat karena jumlah energi matahari sangat besar dan tidak terbatas. Disamping itu pemanfaatannya tidak menimbulkan efek yang merugikan terutama terhadap lingkungan, bila kita memakai matahari sebagai energi listrik maka kita membutuhkan Solar Cell yang berguna untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Solar Cell terdiri dari bahan semikonduktor silikon dn Germanium. Selain itu kita juga membutuhkan batere sebagai tempat penyimpanan muatan yang dihasilkan Solar Cell.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang.
Mengingat kebutuhan akan tenaga listrik yang penting saat ini, maka proses penyedia dihadapkan pada suatu tantangan yang serius, terutama dalam usaha Pemanfaatan Sumber Tenaga Listrik yang berasal dari minyak dan gas bumi yang akan digunakan sebagai bahan bakar dari sumber Tenaga Listrik memiliki jumlah yang terbatas, sehingga dikuatirkan listrik akan mengalami masalah dan juga keterbatasan.
Perusahaan Listrik Negara (PLN) untuk mensuplai listrik ke daerah baik dari segi ekonomis maupun teknis dilapangan sehingga distribusinya tidak sampai ke daerah.
Salah satu usaha yang dilakukan dalam pemanfaatan sumber energi yang baru ditemukan (terbaru) adalah dengan memanfaatkan sinar surya sebagai sumber energi pembangkit tenaga listrik. Dimana sinar surya berlimpah dan terdapat di seluruh permukaan.
Untuk mengubah energi surya menjadi energi listrik secara langsung dibutuhkan suatu alat yang dinamakan Solar Cell. Oleh karena itu sistem tenaga listrik energi surya sebagai sumber daya merupakan suatu energi listrik. Sebagai contoh digunakan sebagai instalasi penerangan rumah dan jalan, stasiun radio, televisi, pemanas air dan pengoperasian pompa air serta lainnya.
Indonesia merupakan suatu negara yang terletak pada daerah tropis yang mempunyai banyak keuntungan serta potensi untuk mengembangkan tenaga sinar surya sesuai dengan kebijakan Pemerintah dalam menunjang penggunaan energi alternatif yang aman terhadap lingkungan. Dalam perencanaan dan pengkajian peralatan modul solar cell sangat di perlukan. Data tentang intensitas radiasi surya disamping data meteorologi lainnya seperti kecepatan dan arah angin, suhu/iklim, dan data jangka waktu penyinaran surya serta radiasi surya secara langsung.
sebabnya kata salah seorang Profesor di Jepang bahwa hampir semua perselisihan di dunia ini berpangkal pada Perebutan Sumber Energi. Secara Umum Sumber Energi di kategorikan menjadi dua bagian, yaitu non-renewable dan renewable energi. Sumber energi fosil adalah termasuk kelompok yang pertama yang sebagian besar aktifitas di dunia ini menggunakan energi konvesional ini.
Sekitar tahun delapan puluhan ketika para ahli di Indonesia menawarkan sumber energi alternatif yang banyak digunakan di negara maju yaitu nuklir, banyak terjadi pertentangan dan perdebatan yang cukup panjang sehingga mengkondisikan rencana penggunaan sumber energi yang dinilai sangat membayakan itu. Diantara usulan yang banyak dilontarkan kala itu adalah mengapa kita tidak menggunakan sumber energi surya. Memang tidak diragukan lagi bahwa Solar Cell adalah salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dan sangat menjanjikan pada masa yang akan datang, karena tidak ada polusi yang dihasilkan selama proses konversi energi dan lagi sumber energinya banyak tersedia di alam, yaitu sinar matahari, terlebih di negara tropis semacam Indonesia yang menerima Sinar Matahari sepanjang tahun. Permasalahan mendasar dalam teknologi Solar Cell adalah effisiensi yang sangat rendah dalam merubah energi surya menjadi energi listrik, yang sampai saat ini effisiensi tertinggi yang bisa dicapai tidak lebih dari 20%.
1.2. Batasan Masalah
1. Pengambilan data dalam studi dari hanya pada jam 09.00 Wib – 17.00 Wib.
2. Penulis hanya mengkaji data di daerah subtropis seperti di indonesia
3. Penulis hanya mengkaji data yang diambil dari solar sell yang telah ditentukan dan dalam kondisi diam
4. Penulis tidak membahas atau mengkaji lebih dalam mengenai piranti lunak elektronik.
1.3. Tujuan Tugas Akhir
Penulis tugas akhir ini bertujuan untuk:
1. Melengkapi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan perkuliahan pada program Sarjana Universitas Sumatera Utara Program Studi Teknik Elektro.
2. Memperdalam pengetahuan tentang bagaimana pemakaian Solar Cell. 3. Melatih diri dan mempersiapkan mahasiswa Universitas Sumatera Utara
untuk meningkatkan kemampuan berpikir dan berkreatifitas.
4. Membuktikan kesesuaian antara teori yang telah diterima dengan hasil praktek yang dilakukan.
1.4. Manfaat Tugas Akhir
Manfaat dari Tugas Akhir ini berguna untuk:
1. Membantu mahasiswa dalam hal pengenalan Solar Cell, serta perancangan pada rumah tangga.
2. Sebagai bahan praktek bagi mahasiswa Universitas Sumatera Utara. 3. Sebagai energi alternatif pada rumah tangga khususnya pada rumah yang
1.5. Teknik Pengumpulan Data
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Matahari Sebagai Sumber Energi
Kebutuhan akan energi yang terus meningkat dan semakin menipisnya cadangan minyak bumi memaksa manusia untuk mencari sumber-sumber energi alternatif. Negara-negara maju juga telah bersaing dan berlomba membuat terobosan-terobosan baru untuk mencari dan menggali serta menciptakan teknologi baru yang dapat menggantikan minyak bumi sebagai sumber energi. Semakin menipisnya persediaan energi dan juga ketergantungan pada salah satu jenis energi dimana hingga saat ini pemakaian bahan bakar minyak sangat besar sekali dan hampir semua sektor kehidupan menggunakan bahan bakar ini, sementara itu bahan bakar merupakan komoditi ekspor bagi surya yang dominan untuk pendapatan negara.
Dalam upaya pencarian sumber energi baru sebaiknya memenuhi syarat yaitu menghasilkan jumlah energi yang cukup besar, biaya ekonomis dan tidak berdampak negatif terhadap lingkungan. Oleh karena itu pencarian tersebut diarahkan pada pemanfaatan energi matahari baik secara langsung maupun tidak langsung dengan menggunakan panel surya yang dapat merubah energi matahari menjadi energi listrik yang dinamakan Solar Cell. Teknologi Solar Cell telah lama dikenal oleh manusia penangkap panas yang dibawa sinar matahari untuk diubah menjadi sumber energi listrik. Penggunaannya juga sudah cukup luas dari menggerakkan mobil hingga menggerakkan robot.
Pada umumnya, Solar Cell merupakan sebuah hamparan semi konduktor yang dapat menyerap photon dari sinar matahari dan mengubahnya menjadi listrik. Sinar matahari yang mampu diserap oleh Solar Cell berkisar antara 30% hingga 50%. Setiap jenis semikonduktor yang berbeda hanya dapat menyerap photons pada tingkat energi tertentu saja yang dikenal dengan istilah handgap.
Solar Cell merupakan suatu panel yang terdiri dari beberapa sel dan beragam jenis. Penggunaan Solar Cell ini telah banyak digunakan di negara-negara berkembang dan negara-negara maju dimana pemanfaatannya tidak hanya pada lingkup kecil tetapi sudah banyak digunakan untuk keperluan industri sehingga energi matahari dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif.
Energi matahari mempunyai banyak keuntungan dibandingkan dengan energi lain. Keuntungan yang dapat diperoleh adalah jumlahnya cukup besar tidak menimbulkan polusi terdapat dimana-mana dan tidak ada biaya penggunaan Solar Cell ini juga sangat cocok digunakan di pedesaan dimana didaerah terpencil yang belum terjangkau arus listrik maupun dimanfaatkan untuk alat dengan konsumsi listrik skala kecil sehingga dapat membantu masyarakat yang membutuhkan.
Intensitas radiasi matahari akan berkurang oleh penyerapan dan pemantulan oleh atmosfer saat sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet) sedangkan karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (infra merah). Selain pengurangan radiasi bumi langsung (sorotan) oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu dan uap air dalam atmosfer.
Ada dua macam cara radiasi matahari / surya sampai ke permukaan bumi yaitu:
1. Radiasi langsung (Beam / Direct Radiation)
Adalah radiasi yang mencapai bumi tanpa perubahan arah atau radiasi yang diterima oleh bumi dalam arah sejajar sinar datang.
2. Radiasi Hambur (Diffuse Radiation)
Adalah Radiasi yang mengalami perubahan akibat pemantulan dan penghamburan.
Matahari adalah suatu bola gas yang berpijar dan merupakan sumber energi yang sangat besar, kita ketahui jarak surya ke bumi kira-kira 93 juta mil. Jarak ini dipakai satuan astronomi. Bila energi surya bergerak dari lapisan dalam permukaan fotosfir melalui medium yang transparan. Selajutnya suhu turun sampai 60000K. Suhu permukaan ini dijaga konstan oleh sumber energi yang terletak dibagian dalam sebagai akibat reaksi itu.
Nucleur Furnace Trichoderma = 100 K.
Gambar 2.1. Model Sederhana dari Sinar Matahari
Sampai sekarang sumber energi berasal dari bahan bakar yang tak terbaharui (unrenewable) seperti batu bara, gas bumi, dan minyak bumi yang jumlahnya makin lama semakin berkurang, sementara penggunaan tenaga air (hidroelektrik) terbatas. Oleh sebab itu para ilmuwan telah mulai meneliti kegunaan energi surya, sebab tanpa kita sadari bahwa energi surya merupakan sumber energi utama bagi seluruh permukaan bumi.
2.2. Karakteristik Radiasi Sinar Surya
surya ini sebagian diserap oleh lapisan troposat dan berdebu, dan awan. Sedangkan sebagian lagi dipantulkan kembali ke ruang angkasa.
Besar tenaga radias sinar pada umumnya didasarkan jarak rata-rata antara bumi dan surya. Tenaga radiasi sinar surya persatuan waktu yang diterima pada satu-satuan luas permukaan yang tegak lurus pada arah datangnya radiasi, pada jarak rata-rata bumi dan surya disebut Solar Konstan (Tetapan Surya). Pada dasarnya gelombang elektromagnetik tersebut adalah radiasi thermal. Adapun jenis radiasi itu selalu merambat dengan kecepatan cahaya.
Secara fisik perambatan radiasi diperoleh dengan mengganggap setiap kuantum sebagai suatu partikel yang memiliki energi, massa, dan momentum. Jadi pada hakekatnya, radiasi dapat digambarkan sebagai suatu partikel foton yang dapat bergerak dari suatu medium ke medium lain.
Sebagai contoh: Rapat daya dari setiap satuan panjang gelombang dinyatakan dalam rumus radiasi plank sebagai berikut:
Eλ =
(Ir. Astu Pudjanarsa, MT. Mesin Konversi Energi)………..(2.1) Dimana:
h = Konstanta plank (6,625 x 10- 34 Joule-det) λ = Panjang Gelombang
C = Kecepatan Cahaya = 3 x 108 m/dt
k = 1,38 x 10-23 Joule/K (konstanta Boltmann)
Persamaan diatas dapat diperoleh menjadi
Berdasarkan ini maka dapat di hitung berapa besar energi yang akan digunakan untuk menghasilkan arus minoritas pada sumbernya Solar Cell.
Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi itu:
• Dipantulkan (refleksi) • Diserap (absorsi) • Diteruskan (transmisi)
Ada dua fenomena refleksi yang dapat diambil bila menimpa suatu permukaan yakni:
1. Jika sudut jatuhnya sama dengan refleksi, maka di katakan refleksi itu spekular.
2. Bila berkas yang jatuh tersebar secara merata sesudah refleksi, maka refleksi itu disebut difusi atau baur.
2.3. Sel Surya
Sel surya tersebut dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel sury. Sel surya pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Tiap sel surya biasanya menghasilkan tegangan 0,5 volt. Sel Surya merupakan elemen aktif (semi konduktor) yang memanfaatkan efek fotovoltaic untuk merubah energi surya menjadi energi listrik.
Pada sel surya terdapat sambungan (function) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing yang diketahui sebagai semikonduktor jenius “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (Negatif). Semikonduktor jenis –N dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain (umumnya posfor) dalam batasan bahan material tersebut dapat memberikan suatu kelebihan elektron bebas.
Semikonduktor jenis –“P” juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain (umumnya posfor) dalam batasan bahwa material tersebut dapat memberikan suatu kelebiha elektron bebas.
Elektron adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai semi konduktor jenis “N” Negatif. Semikonduktor jenis P juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain (umumnya boron) yang mana menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas. Kekurangan atau hilangnya elektron ini disebut lubang (hole). Karena tidak ada atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis “P” (Positif).
2.4. Semikonduktor
mekanisme hantaran listrik yang terjadi dalam bahan semikonduktor ini dapat dilihat pada gambar 2.3.
Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa masing-masing atom memberikan satu elektron kepada atom-atom yang ada di dekatnya dan membentuk ikatan kovalen untuk mencapai gas mulia. Jika suhu kristal naik dan energi melebihi energi ikatan elektron, maka elektron dapat keluar dari ikatan kovalen ini disebut dengan lubang (hole) yang bermuatan positif. Lubang ini akan diisi oleh elektronnya bergerak dari ikatan kovalen yang satu ke ikatan kovalen yang lain dan demikian juga halnya dengan elektron. Jadi, semikonduktor intrinsik ini dapat bersifat konduktor jika suhu dinaikkan untuk membentuk elektron bebas dari lubang, dimana jumlah keduanya sama dan bersifat sebagai pembawa muatan.
Dengan doping atom bervalensi lima, maka akan tersisa satu elektron yang tidak membentuk suatu ikatan kovalen dan sebagai elektron bebas. Sedangkan doping dengan atom bervalensi juta akan terjadi kekurangan satu elektron sehingga terbentuk lubang.
2.5. Prinsip Kerja Solar Cell
Didalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian N. Oleh karena itu dinamakan PN Junction. Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan kutub positif dari sebuah baterai, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka terjadi hubungan yang dinamakan “Forward Bias”. Dalam keadaan forward bias, didalam rangkaian itu timbul arus listrik yang disebabkan oleh kedua macam pembawa muatan. Jadi arus listrik yang mengalir di dalam PN Junction disebabkan oleh gerakan hole, tapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Sekedar untuk lebih menjelaskan, elektron yang bergerak di dalam bahan konduktor dapat menimbulkan energi listrik. Dan energi listrik inilah yang disebut sebagai arus listrik yang mengalir berlawanan arah dengan gerakan elektron.
Tapi, bila bagian P dihubungkan dengan kutub negatip dari baterai dan bagian N dihubungkan dengan kutub positipnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan “reverse bias”. Dengan keadaan seperti ini maka hole (pembawa muatan positip) dapat tersambung langsung ke kutub positip, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positip. Jadi, jelas di dalam PN Junction tidak ada gerakan pembawa muatan mayoritas baik yang hole maupun P bergerak berusaha untuk mencapai kutub positipnya baterai, demikian pula pembawa muatan minoritas (hole) didalam bagian N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatip. Karena itu dalam keadaan reserver bias didalam PN Junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (mikro ampere). Arus ini sering disebut dengan reserve saturation current atau leakage current (arus bocor).
Ada yang menarik dalam keadaan reverse bias itu. Bila suhu PN Junction tersebut dinaikkan ternyata dapat memperbesar arus bocor yang timbul itu. Bearti bila diberi energi (panas), pembawa muatan minoritas di dalam PN Junction bertambah banyak. Karena cahaya itu merupakan salah satu bentuk energi, maka bila ada cahaya yang menimpa suatu PN Junction dapat juga menghasilkan pembawa muatan. Gejala seperti ini dinamakan fotokonduktif. Berdasarkan gejala fotokonduktif itu maka dibuat komponen lektronik fotodioda dari PN Junction itu.
juga diperbesar dengan memperbesar tegangan baterai (tegangan reserve), tapi penambahan arus bocornya itu tidak signifikan. Bila baterai dalam rangkaian reserve bias itu dilepas dan diganti dengan bahan tahanan, maka pemberian cahaya itu dapat menimbulkan pembawa muatan baik kole maupun elektron. Jika iluminasi cahaya itu ditingkatkan ternyata arus yang timbul semakin besar. Gejala seperti ini dinamakan photovoltare. Cahaya dapat meneruskan energi yang cukup besar untuk memperbesar jumlah hole pada bagia P dan jumlah elektron pada bagian N. Berdasarkan gejala Photovaltaic ini maka dapat diciptakan komponen elektronik photovoltaie cell karena biasanya matahari sebagai sumber cahaya maka photovoltaie cell sering juga disebut solar cell (sel surya) atau solar energi converter.
Jadi sel surya itu pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang dengan mengacu pada gejala Photovaltaic sedemekian rupa sehingga dapat menghasilkan daya yang sangat besar mungkin. Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positip. Dibawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatip.
Untuk mendapatkan daya yang cukup besar diperlukan banyak sel surya biasanya sel-sel surya itu sudah disusun sehingga berbentuk panel dan dinamakan panel photovoltaire (PV). PV sebagai sumber daya listrik pertama kali digunakan di satelit, kemudian dipikirkan pula PV sebagai sumber energi untuk modul, sehingga ada modul listrik surya sekarang di luar negeri, PV sudah mulai digunakan sebagai digunakan sebagai atap atau dinding rumah. Sel surya di Indonesia sudah mulai banyak dimanfaatkan terutama sebagai energi penerangan di malam hari, juga sudah dilakukan uji coba untuk membuat modul tenaga surya. Sekarang pemerintah sedang memikirkan untuk mengembangkan pemanfaatan sel surya ke daerah-daerah transmigrasi.
yang terdiri dari foton-foton, jika menimpa permukaan bahan solar cell akan diserap, dipantulkan atau dilewatkan begitu saja, dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan elektron dari ikatan atomnya sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang di defenisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan kovalennya, sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan elektron dari ikatan kovalennya, energi foton harus sedikit lebih besar diatas energi band-gap, maka ekstra energi tersebut akan diubah dalam bentuk panas solar cell. Karena sangatlah penting pada solar cell untuk mengatur bahan yang akan dipergunakan, yaitu dengan momodifikasi struktur molekul dari semikonduktor.
Tentu saja agar efisiensi dari solar sel bisa tinggi maka foton yang berasal dari matahari harus bisa diserap sebanyak-banyaknya, maka solar cell harus memiliki energi band-gap dengan range lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari, yang mempunyai energi bermacam-macam tersebut. Suatu solar cell silikon elementer dapat dilihat pada gambar 2.5
Gambar 2.5. Photovaltaic Silikon Elementer
namun cahaya matahari dapat juga menembus agak ke dalam. Sesungguhnya cahaya menembus batas lapis antara tipe N dan tipe P dan disinilah dibentuk pasangan lubang elektron.
Pasangan lubang elektron ini umumnya sangat pendek yaitu kira-kira seperjuta detik. Elektron akan kembali lagi kedalam lubang tempat asalnya didalam kristal kedalam yang tembus oleh silikon didsalam lubang terbantung pada besarnya energi yang diterimanya, ini paling mudah dijelaskan dengan teori gelombang dari cahaya karena cahaya memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dari yang dihasilkan foton yang memiliki energi yang besar.
Untuk semikonduktor silikon (Si) dan Germanium (Ge) memiliki energi GAP (energi pita terlarang) FG yaitu jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan sebuah elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Energi ini juga dapat disertakan dengan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan sebuah elektron dari ikatannya.
Energi dari ionisasi dapat diperoleh dari radiasi sinar matahari dalam berbentuk energi foton. Energi foton bergantung pada frekuensi dari gelombang sinar matahari, yang besarnya dapat dilihat dari persamaan berikut:
E= h x f………(2,4)
Dimana: E = Energi Foton (J)
H = Konstanta plank (6,625 x 10 -34 J.det) F = Frekuensi Gelombang Sinar (Hz)
Frekuensi gelombang sinar matahari sama dengan perbandingan kecepatan-kecepatan cahaya dengan panjang gelombang cahaya yaitu;
F = λ
c
……….(2.5)
Dengan: c = cepat rambat cahaya (3 x 108 m/dt) λ= panjang gelombang (m)
Dengan mensubstitusi persamaan 2.4 dengan 2.5 akan diperoleh suatu persamaan untuk menentukan besarnya energi foton yaitu:
E = h λ c
2.6. Karakteristik Solar Cell
Berdasarkan pengukuran-pengukuran yang dilakukan maka karakteristik solar cell dapat digambarkan seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.6, dimana voc adalah tegangan rangkaian terbuka solar cell dan isc adalah merupakan arus hubungan singkat solar cell.
2.7. Faktor Pengisian dan Efisiensi Solar Cell
Dua buah parameter solar cell telah dibicarakan yaitu arus hubungan singkat dan tegangan rangkaian terbuka. Pada kurva tegangan arus solar cell, Isc merupakan perpotongan kurva dengan sumber arus (V=0) dan Vac adalah perpotongan kurva dengan sumber tegangan (1=0) seperti pada gbr. 2.7. berikut.
diharapkan satu titik pengoperasian khusus yang menghasilkan daya output solar cell maksimum, yaitu pada titik (Vm ,Im). Daya outputnya solar cell.
Sama dengan luas empat persegi yang diarsir di gbr ini bearti bahwa titik (Vm Im) merupakan penentu dan terletak pada kurva. Daya output akan maksimum bila letak (VmIm) pada kurva mempunyai luasan yang lebih besar pada empat persegi panjang yang diarsir tersebut.
Titik (Vm. Im) akan dipergunakan untuk mendefenisikan parameter solar cell yaitu pengisian (fill factor). Faktor pengisian adalah perbandingan antara daya maksimum dengan hasil kali tegangan terbuka dan arus hubungan singkat pada solar sell. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:
FF =
Isc Voc
Vm
. Im .
(Zuhal. 1998. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya Jakarta. Gramedia).
Karena; FF =
Isc Voc
Pm
. (Dasar Tenaga Listrik dan Elektronika Daya Jakarta, Gramedia)
Efisiensi konversi energi radiasi sinar matahari menjadi energi listrik adalah perbandingan dari daya output dari solar sell dengan daya input. Daya input solar cell adalah daya total sinar matahari yang masuk ke solar cell, yang secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut;
n =
Pin Pout
………(2.10) dengan;
Pout = daya output solar cell (watt) Pin = daya input solar sell (watt)
Efisiensi maksimum solar cell adalah: n.m =
Pin Pm
Besarnya daya output solar sell yang dihasilkan bergantung pada intensitas cahaya matahari yang diterima solar sell dan juga tergantung pada luas yang luas cahaya ultraviolet, cahaya tampak sampai cahaya infra merah.
2.8. Faktor – faktor yang Mempengaruhi Penggunaan Solar Cell
Faktor-faktor yang mempengaruhi penggunaan solar cell adalah keadaan iklim dan tingkat radiasi sinar matahari. Keadaan iklim disuatu tempat dapat mempengaruhi jumlah energi yang dibangkitkan oleh solar cell. Penggunaan solar cell akan lebih menguntungkan pada daerah yang memiliki musim kemarau lebih panjang dari musim hujan ataupun pada musim lainnya.
Kedudukan bumi yang selalu berubah terhadap matahari dengan adanya rotasi dan revolusi dengan lintasan yang berbentuk elips akan mempengaruhi tingkat radiasi sinar matahari yang sampai ke bumi. Suatu pandangan umum dari sistem revolusi bumi yang berpusat pada matahari diperlihatkan pada gbr. 2.8. Jarak matahari dan bumi berubah sesuai dengan lintasan edar bumi mengelilingi matahari yang berbentuk elips, jarak terjauh bumi dengan matahari adalah sekitar tanggal 5 Juli (Alphelium) dan jarak terdekat adalah sekitar tanggal 4 Januari (Perihelium). Fluks matahari diluar atmosfer bumi adalah lebih kurang 1.353 kw/m2. Kuantitas ini dikenal sebagai konstanta matahari (solar konstanta). Jadi banyaknya radiasi matahari yang diserap oleh suatu permukaan disuatu tempat dibumi tergantung pada:
1. Konstanta matahari, absorbsi (penyerapan) dan refleksi (pemantulan) atmosfer bumi.
2. Jarak antara bumi dengan matahari 3. Sudut jauh sinar matahari
2.9. Baterai
Pembangkit listrik tenaga matahari pada umumnya hanya aktif pada saat siang hari (pada saat sinar matahari ada). Sehingga untuk keperluan malam hari solar cell tidak dapat digunakan. Untuk mengatasi hal tersebut, maka energi yang dihasilkan solar cell pada siang hari disimpan sebagai energi cadangan pada saat matahari tidak tampak. Untuk menyimpan energi tersebut dipakai suatu baterai sebagai penyimpanan muatan energi.
Baterai digunakan untuk sistem pembangkit tenaga listrik matahari mempunyai fungsi yang ganda. Disuatu sisi baterai berfungsi sebagai penyimpanan energi, sedang disisi lain baterai harus dapat berfungsi sebagai satu daya dengan tegangan yang konstan untuk menyuplai beban.
Menurut penggunaan baterai dapat diklasifikasikan menjadi: 1 Baterai Primer
2.Baterai Sekunder
Baterai primer hanya digunakan dalam pemakaian sekali saja. Pada waktu baterai dipakai, material dari salah satu elektroda menjadi larut dalam elektrolik dan tidak dapat dikembalikan dalam keadaan semula.
melewatkan arus dengan arah yang berlawanan dengan pada saat baterai digunakan. Pada saat dimuati energi listrik diubah dalam energi kimia.
Jadi, dapat kita ketahui bahwa fungsi baterai pada rancangan pembangkit tenaga surya ini adalah untuk menyimpan energi yang dihasilkan solar cell pada siang hari, tujuannya adalah untuk menyimpan energi listrik cadangan ketika cuaca mendung atau hujan serta pada malam hari. Dengan demikian dapat bekerja sesuai dengan kebutuhan. Baterai yang digunakan adalah jenis asam timbale (baterai basah) yang dapat diisi ulang cairan kimia dan energi listrik.
2.10. Kapasitas Baterai
Pada baterai yang baru dibeli dipasaran, elektronik dimasukkan kedalam baterai sampai tiap-tiap lempeng terdalam. Kesanggupan sebagai solar cell mengeluarkan sejumlah aliran listrik dinamakan kapasited (kapasitas) Besarnya kapasitas dinyatakan dalam Ampere hours (Ah), maka dapat ditulis;
Kapasitas Akumulator = Ampere x jam
Bila sebuah akumulator mengeluarkan aliran listrik sebesar 10 Ampere dalam 10 jam, maka besarnya kapasitas baterai tersebut adalah 10 x 10 = 100 Ah. Kapasitas Akumulator yang beredar di pasaran pada umumnya adalah;
Auto Mobil Standar 35 – 60 Ah
Auto Mobil Menengah 70 – 90 Ah
Auto Mobil Berat 180 - 200 Ah
Sepeda Motor 3 – 20 Ah
Jumlah ampere hour hanya dapat dikeluarkan oleh baterai, diisi oleh arus listrik dari luar atau dengan kata lain yaitu dicas (charger).
Sebagai contoh:
Sebuah baterai dengan kode 120 Ah 100Hr artinya baterai mampu bekerja selama 100 jam dengan jumlah arus yang dikeluarkan sekitar 1,2 ampere dalam setiap jam. Hal ini diperoleh dengan
h Ah
100 120
= 1,2 A setiap jam selama 100 jam, dengan demikian diperkirakan baterai dengan kondisi penuh dapat menyuplai beban sebesar 1,2 A x 12 Volt = 14,4 watt. Baterai tersebut mampu menyuplai beban sebesar 14,4 watt selama 100 jam, akan sekitar 4 hari hingga baterai kosong.
2.11. Pengisian Baterai
Waktu yang diperlukn untuk mengisi baterai dapat ditentukan dengan mengetahui perbandingan jumlah arus yang dihasilkan oleh solar cell dengan kapasitas baterai yang akan diisi.
h =
er ch
baterai arg 1
1
………..(2.12)
Tegangan output untuk setiap pengisi baterai harus lebih besar dari tegangan baterai. Misalkan solar cell menghasilkan arus sebesar 3 A dalam keadaan puncak, baterai yang diisi memiliki kapasitas 10 Ah, maka waktu yang akan dibutuhkan adalah:
h =
er ch
baterai arg 1
1
=
Amp Amp 3 10
= 3,3 Jam
BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI
3.1. Rangkaian Kerja Sama
Energi surya yang menerpa sel surya adalah energi yang berasal dari foton sinar matahari. Energi foton diubah menjadi tegangan listrik DC yang bervariasi sesuai intensitas matahari yang dirasakan. Energi foton dari matahari diubah menjadi energi listrik DC oleh bahan semikonduktor berbahan silicon amorphus tegangan keluar dari sel surya di hubungkan ke charge controller yang mengatur tegangan yang bervariasi untuk dialirkan ke batere yang range tegangannya 12V, DC. Tegangan dari batere diterapkan kebahan.
3.2. Penggunaan solar cell
Dalam pengujian baterai diisi oleh solar cell, dimana solar cell menghasilkan tegangan dengan cara mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik. Tegangan yang dihasilkan solar cell berkisar 14,8 – 18 volt DC.
Adapun alasan kami memilih solar cell sebagai tenaga adalah karena energi matahari tidak terbatas solar cell yang kami gunakan dengan daya 18 volt dengan arus 2,3 ampere karena keterbatasan dana yang kami miliki.
3.3. Penggunaan baterai
Setelah mendapatkan oputput dari solar cell yang berupa arus listrik dapat langsung digunakan untuk beban yang dimanfaatkan, arus listrik dapat digunakan sebagai pengisian dengan cara disimpan ke dalam baterai agari dapat digunakan pada saat yang diperlukan khususnya pada malam hari karena tidak ada sinar matahari. Apabila solar cell digunakan untuk penyimpanan ke baterai, maka besarnya tegangan yang dihasilkan diatas spesifikasi baterai-baterai yang digunakan pada rancang bangun adalah baterai sekunder. Adapun tegangan baterai adalah 12 volt 7 Ah, sebagai alasan pemilihan alat di karenakan solar cell yang digunakan sebagai sumber pengisi muatan baterai mempunyai tegangan output 14,8 – 18 volt dengan arus 2,3 Ampere, selain itu baterai ini lebih ekonomis dan mudah didapatkan dipasaran. Sebelum melaksanakan pengisian sebaiknya baterai dalam keadaan kosong karena arus yang masuk akan dapat terisi dengan maksimal.
3.4. Beban
Pada rancangan ini beban yang digunakna sebanyak dua buah lampu pijar 5 watt dimana beban lampu pijar 10 watt ini penulis menganggap adalah jumlah daya penerangan pada pemakaian sehari-hari.
3.5. Prinsip Kerja Charge Controller
output dari sel surya tidak konstan sesuai dengan intensitas cahaya matahari. Sehingga tegangan keluaran dan arus keluaran dari sel surya juga tidak konstan dan bervariasi terus sepanjang waktu siang hari, sedangkan tegangan dan arus yang menuju batere mempunyai batasan tertentu. Pada alat yang disebut sebagai charge controller tersebut memiliki terminal diantaranya: terminal untuk sel surya, terminal untuk batere, terminal untuk beban. Ketiga terminal tersebut dilengkapi dengan polaritas yaitu tanda (-) dan tanda (+) yang jelas agar tidak terjadi kesalahan.
Pada gambar 3.2 terlihat charger controller yang terminal baterenya dihubungkan ke baterai, terminal bebannya dihubungkan ke beban berupa lampu-lampu dan terminal sel suryanya dihubungkan ke sel surya.
dimasukkan ke baterai dan sebaliknya), dan dari baterai ke beban (apabila listrik dalam batere tinggal 20-30%, maka listrik ke beban otomatis dimatikan.
Versi standar umumnya dilengkapi dengan fungsi-fungsi untuk melindungi baterai dengan proteksi-proteksi berikut:
1. LVD (Low Voltage Disconnect), apabila tengangan dalam batere rendah 11,6 V, maka untuk sementara beban tidak dapat dinyalakan apabila tengagan batere sudah melewati 12V, setelah dicharger oleh modul surya, maka beban akan otomatis dapat dinyalakan lagi (reconnect).
2. HVD (High Voltage Disconnect), memutus listrik dari modul surya jika batere sudah penuh, listrik dari modul surya akan dimasukkan kembali ke batere jika voltage batere kembali turun.
3. Short Circuit Protection, menggunakan elektronik fuse (sekring) sehingga tidak memerlukan fuse pengganti. Berfungsi untuk melindungi sistem PLTS apabila terjadi arus hubung singkat baik dimodul surya maupun pada beban. Apabila terjadi short circuit maka jalur kebeban akan dimatikan sementara dalam beberapa detik akan otomatis menyambung kembali.
4. Reverse Polarity, melindungi dari salah pemasangan kutub (+) atau (-) 5. Lighting Protection, melindungi terhadap sambaran petir (s/d 20.000 volt) 6. Reverse Current, melindungi agar listrik dari batere tidak mengalir ke
modul surya pada malam hari.
BAB IV
ANALISA PENGUJIAN
4.1. Pengambilan Data
Pengujian dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus maksimal output solar cell, input batere, dan intensitas radiasi matahari. Pengukuran dilakukan dari pukul 10.00 – 17.00. Hasil pengukuran sbb:
Percobaan 1
Tabel Pengisian Batere 1 jam Jam Tegangan (Volt) / Arus
(Amper) Solar Cell
Tegangan (Volt) /
Arus (Amper)
Baterai
Tabel Pemakaian Batere / Menit
Menit Tegangan (Volt) Arus (Amper) Keterangan
10.pertama 10 kedua 10 ketiga 10 keempat 10 kelima 10 keenam 10 ketujuh 10 kedelapan
11,96
Dipakai Dipakai Dipakai Dipakai Dipakai
Percobaan ke II
Tabel Pengisian Batere / jam Jam Tegangan (Volt) / Arus
(Amper) Solar Cell
Tegangan (Volt)
/ Arus (Amper)
Tabel Pemakaian Batere / menit
Menit Tegangan (Volt) Arus (Amper) Keterangan
10.pertama 10 kedua 10 ketiga 10 keempat 10 kelima 10 keenam 10 ketujuh 10 kedelapan 10 kesembilan
Percobaan ke III
Tabel Pengisian Batere / Jam Jam Tegangan (Volt) / Arus
(Amper) Solar Cell
Tegangan (Volt /
Arus (Amper)
Baterai
Tabel Pemakaian Batere / menit
Menit Tegangan(Volt) Arus (Ampere) Keterangan
10.pertama 10 kedua 10 ketiga 10 keempat
10 kelima 10 keenam
10 ketujuh 10 kedelapan 10 kesembilan
10 kesepuluh 10 Kesebelas
Percobaan ke IV
Tabel Pengisian Baterai / Jam Jam Tegangan (Volt) / Arus
(Amper) Solar Cell
Tegangan (Volt) /
Arus (Amper)
Baterai
Tabel Pemakaian Batere / Menit
Menit Tegangan (Volt) Arus (Ampere) Keterangan
10.pertama 10 kedua 10 ketiga 10 keempat
10 kelima 10 keenam 10 ketujuh 10 kedelapan 10 kesembilan
10 kesepuluh 10 Kesebelas
Percobaan ke V
Tabel Pengisian Baterai / Jam Jam Tegangan (Volt) / Arus
(Amper) Solar Cell
Tegangan (Volt) /
Arus (Amper)
Baterai
Tabel Pemakaian Batere / Menit
Menit Tegangan (Volt) Arus (Ampere) Keterangan
10.pertama 10 kedua 10 ketiga 10 keempat
10 kelima 10 keenam 10 ketujuh 10 kedelapan 10 kesembilan
10 kesepuluh 10 Kesebelas
4.2. Analisa Percobaan
Analisa data hasil pengukuran dimaksudkan untuk mendapatkan effisiensi:
2
Lamanya pemakaian baterai 1 jam 20 menit = 1,2 jam Arus rata-rata dari baterai:
A =
Tegangan rata-rata dari baterai: V =
Output = Lamanya pemakaian baterai x arus rata-rata x tegangan rata-rata = 1,2 jam X 0,53 A X 11,75 V
= 7, 473 VaH = 0,007473 KwH Jadi Efisiensi:
η =
Pin Pout
=
Input = Im x Luas penampang solar cell = 0,95 KwH/m2 x 0,4 m2
= 0,38 KwH
Lamanya pemakaian baterai 1 jam 30 menit = 1,3 jam, arus rata-rata dari baterai:
A =
Tegangan rata-rata dari baterai:
V =
Output = Lamanya pemakaian baterai x arus rata-rata x tegangan rata-rata = 1,3 jam x 0,53A x 11,73 V
= 8,081 VaH = 0,008081 KwH Jadi Efisiensi:
η = 2,12 %
Percobaan ke 3
Luas Penampang Solar Cell = 0,4 m2 Im = 1,63 Kwh / m2
Input = Im x luas penampang Solar Cell = 1,63 KwH / m2 x 0,4 m2
= 0,652 KwH
Lamanya pemakaian baterai 1 jam 50 menit = 1,5 jam Arus rata-rata dari baterai:
A =
Tegangan rata-rata dari baterai: V=
Output = Lamanya pemakaian baterai x arus rata-rata x tegangan rata rata = 1,5 jam x 0,53 x 10,69 V
= 8,498 VaH = 0,008498 KwH
= 0,0130 KwH x 100% η = 1,3%
Percobaan ke4
Im = 1,44 KwH / m2
Input = Im x luas penampang solar cell = 1,44 KwH/m2 x 0,4 m2
= 0,576 KwH
Lamanya pemakaian baterai 1 jam 50 menit = 1,5 jam Arus rata-rata dari baterai:
A =
Tegangan rata-rata dari baterai: V =
Output: Lamanya pemakaian baterai x arus rata-rata x tegangan rata-rata = 1,5 jam x 0,54 A x 11,73 V
= 9,501 VaH = 0,009501 KwH Jadi effisiensi:
Percobaan 5
Luas penampang Solar Cell = 0,4 m2 Im = 1,03 KwH/m2
Input = Im x Luas penampang Solar Cell = 1,03 KwH/m2 x 0,4m2
= 0,412 KwH
Lamanya pemakaian batere 1 jam 50 menit = 1,5 jam Arus rata-rata dari batere:
A =
Tegangan rata-rata dari batere: V =
Output : Lamanya permakaian batere rata-rata arus x tegangan rata-rata = 1,5 jam x 0,54A x 11,79V
= 9,549VaH = 0,009549 KwH Jadi effisiensi:
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
1. Besarnya tegangan output Solar Cell bergantung pada intensitas cahaya matahari.
2. Solar Cell merupakan pembangkit listrik alternatif yang memiliki sumber energi yang tidak terbatas.
3. Untuk penerangan yang lebih besar harus diperbesar penampang Solar Cell dengan memperbanyak sel-selnya.
5.2 Saran
1. Untuk memperluas penggunaanya, pada pembangkit listrik tenaga surya perlu ditambahkan peralatan inverter untuk mengubah tegangan DC menjadi AC. Ini disebabkan karena kebutuhan akan listrik AC lebih besar daripada listrik DC.
2. Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan kronologi dan ilmu pengetahuan, maka setiap mahasiswa harus mengantisipasi hal tersebut dengan cara belajar dan bersungguh-sungguh agar kebutuhan sumber daya terampil dapat terpenuhi untuk dapat ikut serta dalam mengisi pembangunan yang sedang dilakukan di Indonesia.
3. Sebaiknya Charge Controller dipilih mutu yang baik karena fungsi Charge Controller sangat menentukan distribusi energi ke beban dan batere.
DASTAR PUSTAKA
1. Sp. Sukhatme, 1990, ”Solar Energy” ( Principle of Thermal Collection and storage ), tata Mc. Graw Hill Publisihing Company Limited, New Delhi 2. Prof. Wiranto Arismunandar, 1995. Teknologi Rekayasa surya. Cetakan
Pertama, PT . Pradnya Paramita, Jakarta
3. Chenming HU and Richard M.White,1983 ”Solar Sells”. University Of California, Berkeley.
4. Baresch, Matthew, ”Photovoltalic energy systems design and installation”, McGraw-Hill Book Company.
5. Chenming Hu and Richard M. White,1983, ”Solar Cells”, Universiy of California, Berkeley.
6. W. Palz and F. C. Treble, 1985, ”Photovoltaic Solar Energi Confrence”.. 7. Harris, 1985, ”Solar Energy Systems Desin”, The university of Michigan.
8. Media elektronik atau internet,
