BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Energi Matahari
Energi dari matahari disuplai dalam bentuk radiasi. Energi dihasilkan dalam inti matahari
melalui proses fusi dari atom Hydrogen ke Helium. Jarak yang cukup jauh matahari dari
permukaan bumi menyebabkan hanyalah sebagian kecil saja dari radiasi matahari yang dapat
mencapai permukaan bumi [2]. The World Radiation Center (WRC) sudah mengadopsi nilai
1367(��2)sebagai konstanta matahari (solar constant) [3]. Berdasarkan total radiasi matahari
yang dipancarkan ke permukaan bumi terhadap lapisan atmosfer diestimasikan sekitar
342
(�
�2)[2]
.
Berbagai komponen radiasi matahari diperlihatkan pada Gambar 2.1 [3].Gambar 2.1Berbagai Komponen Radiasi Terhadap Permukaan Bumi
2.2 Energi Matahari Mencapai Permukaan Bumi
Sampai sekarang ini, efek atmosfer bumi bukanlah menjadi suatu pertimbangan.Total
radiasi secara tersebar. Intensitas cahaya matahari juga bergantung pada waktu tahunan dan letak
geografis [3]. Distribusi radiasi matahari diperlihatkan pada Gambar 2.2 [2].
Gambar 2.2 Distribusi Radiasi Matahari
Ilustrasi gambar diatas dapat dijelaskan bahwa lapisan atmosfer paling atas menerima
342
(��2)
. 77
( ��2)direfleksikan
, 67
( ��2) dipantulkan ke atmosfer danenergi sebesar
198
( � �2)diserap permukaan bumi tetapi
30
(��2)direfleksikan kembali. Radiasi matahari yang melewati atmosfer menyebabkansebagian radiasi diserap dan sebagian radiasi tersebar. Radiasi matahari
yang diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi tiga jenis, yaitu [4]:
a. Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation)
Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima dari matahari dalam suatu garis lurus,
tanpa penyebaran oleh atmosfer yang sinarnya sejajar satu sama lain. Oleh karena itu, radiasi
langsung dapat menciptakan bayangan dan dapat dikonsentrasikan oleh cermin.
b. Radiasi tersebar (diffuse radiation)
Radiasi menyebar terdiri dari cahaya yang tersebar oleh atmosfer (udara, awan dan
aerosol). Difusi adalah fenomena yang menyebarkan cahaya matahari menuju ke segala arah. Di
langit, sinar matahari disebarkan oleh molekul udara, butiran uap air (awan) dan debu. Tingkat
penyebaran sinar sangat bergantung pada kondisi cuaca.
Radiasi pantulan adalah radiasi yang dipantulkan oleh tanah, yang bergantung pada
keadaan lingkungan sekitar. Contohnya yaitu salju, yang memantulkan radiasi dengan jumlah
yang besar sedangkan aspal nyaris tidak memantulkan radiasi.
2.3 Spektrum Cahaya Matahari
Efisiensi panel surya bergantung pada distribusi spektrum cahaya matahari. Meskipun
radiasi dari pemukaan matahari cukup konstan, pada saat mencapai permukaan bumi,
efisiensinya sangat beragam karena adanya proses difusi di atmosfer bumi. Jarakdimana radiasi
matahari harus melewati atmosfer untuk mencapai permukaan bumi disebut Air Mass “AM” [3].
AM 1.5 (setara dengan sudut datang matahari sebesar 48.2º dari bidang vertikal atau
41.8º dari bidang horizontal) sudah menjadi standar untuk standar panel surya. AM dapat
diestimasikan pada setiap lokasi menggunakan Persamaan (2.1) [3] :
AM =�1 +�ℎ��
2
(2.1)
Dimana s adalah panjang bayangan suatu benda yang berketinggian h.
Pyranometer ialah alat untuk mengukur radiasi matahari yang dirancang untuk merespon
setiap panjang gelombang sehingga diperoleh nilai yang akurat dari total daya dalam setiap
spektrum yang terjadi. Contoh spektrum distribusi radiasi diperlihatkan pada Gambar 2.3 [5].
2.4 Gerakan Posisi Matahari
Pada sistem panel surya sangat penting untuk menghadapkan modul di sudut yang
memungkinkan sinar matahari jatuh ke permukaan modul terhadap permukaan horizontal tanah
untuk intensitas dan durasi yang mungkin maksimum. Sudut dimana modul cenderung disebut
kemiringan sudut. Untuk menentukan sudut kemiringan yang optimal maka sangat penting
menemukan posisi letak matahari terhadap permukaan bumi.
Rotasi harian bumi pada porosnya dan rotasi tahunan kemiringan
bumimengitarimatahari,keduanya mempengaruhi sudut dimana sinar matahari melewati atmosfer
seperti yangterlihat darisetiap titik di bumi. Posisi situs bumi sehubung dengan matahari
adalahditentukan oleh dua sudut yang terus berubah, yaitu : jam matahari dan sudut deklinasi,
dengan satu sudut tetap yang menentukan lokasi situs di bumi, yaitu lintang [3].
Sudut jam matahari untuk lokasi tertentu tergantung pada posisi sesaat daribumi dalam
rotasi aksial. Karena bumi membuat 3600 putaran penuh dalam 24 jam, yangsudut jam berubah
150 setiap jam. Sudut jam diukur dari meridian lokal,atau titik tertinggi matahari di langit pada
siang hari matahari (tidak harus jam 12.00 ), dengansudut antara matahari terbit dan siang
menjadi positif dan sudut setelah tengah hari menjadinegatif [3].
Sudut deklinasi matahari adalah sudut posisi matahari pada titik tertinggi di
langitsehubungan dengan bidang ekuator itu tergantung pada posisi sesaat bumi di revolusinya
mengelilingi matahari. Perubahan sudut deklinasi disebabkan oleh hal yang sederhana :
kemiringan sumbu bumi dari 23.34o tetap konstan dan dalam arah yang sama selamaseluruh orbit
bumi mengelilingi matahari. Di belahan bumi utara, sudut deklinasimencapai sisi paling utara
dan puncakpositif +23.450 pada 21 Juni ( titik balik matahari musim panas )dan jatuh padasisi
yang paling selatan dan puncak negatif dari -23.450 pada 21 Desember ( titikbalik matahari
musim dingin ). Gerakan semu matahari ditunjukkan dalam Gambar 2.4untuk pengamat pada
Gambar 2.4 Gerakan Posisi Matahari
2.5 Photovoltaic
Edmund Bequerel adalah seorang fisikawan asal perancis yang mencatat efek fotolistrik
pada tahun 1839. Dia menemukan bahwa bahan-bahan tertentu memiliki property untuk
menghasilkan sejumlah kecil arus listrik ketika terkena sinar matahari. Pada tahun 1905, Albert
Einstein menggambarkan sifat cahaya dan efek fotolistrik yang telah menjadi prinsip dasar
untuk teknologi photovoltaic. Modul photovoltaic pertama dibuat di laboratorium Bell pada
tahun 1954 [6].
2.5.1 Cara Kerja Sel Photovoltaic
Cara kerja sel photovoltaic berdasarkan pada prinsip dasar efek fotolistrik. Jadi, dalam sel
Photovoltaic, ketika cahaya matahari mengenai permukaannya, sebagian energi matahari diserap
bahan semikonduktor tersebut. Jika energi yang diserap lebih besar dari energi semikonduktor,
elektron dari ikatan valensinya akan bebas. Oleh sebab itu, sepasang elektron-hole dibentuk dalam
daerah yang terkena cahaya pada semikonduktor. Elektron-elektron yang dibentuk demikian
itu dipaksa menuju arah yang istimewa. Elektron yang mengalir ini merupakan arus dan dapat
digunakan pada penggunaan eksternal dengan menghubungkan pelat logam di atas dan bawah sel
photovoltaic. Prinsip kerja sel surya digambarkan sebagai Gambar 2.5 [2].
Gambar 2.5Cara Kerja Sel surya
Panel surya terbuat dari bahan semikonduktor yang tersusun dari lapisan tipe p dan tipe
n. Lapisan tipe p dan lapisan tipe n yang bertemu akan menciptakan P – N junction. Prinsip
kerja panel surya dapat dijelaskan sebagai berikut :
2.5.2 Semikonduktor
Elektronpada pitaterluardari sebuah atommenentukan bagaimanasebuah atomakan
bereaksiatau bergabungdenganatomtetangga, pitaterluardisebutpita valensi.
Beberapaelektronpada pita valensidapat melompat kepitayang lebih tinggi danjauh terpisah
dariinti.Elektron tersebut bertanggung jawab untuk konduksi panas dan listrik dan pita terjauh ini
disebut pita konduksi. Perbedaanenergidari sebuah elektronpada
pitavalensidansubkulitterdalampita konduksidisebutcelah pita (band gap) [7].
Silikon memiliki empat elektron pada pita valensi. Atom silikon murni membentuk
struktur yang stabil dan masing-masing atom berbagi dua elektron dengan setiap atom
disekitarnya. Jika fosfor yang memiliki lima elektron valensi (satu lebih banyak dari Si),
digunakan sebagai campuran dalam silikon maka material yang dibentuk akan memiliki
kelebihan elektron meskipun netral. Bahan yang didoping seperti ini disebut silikon tipe n. Jika
silikon didoping (dicampur) dengan boron, yang memiliki tiga elektron valensi (satu lebih sedikit
dari Si), maka ada lubang positif (hilang elektron) dalam strukturnya, meskipun material yang
tipe n dan p memudahkan elektron dan lubang untuk bergerak di semikonduktor. Gambar 2.6
menunjukkan konduksi ekstrinsik atom silikon [7].
Gambar 2.6 Konduksi Ektrinsik di dalam Silikon n- dan p- Doped
2.5.3 P – N Junction
Bahan tipe n memiliki beberapa atom pengotor dengan elektron lebih banyak dari atom
semikonduktor lainnya. Jika elektron berlebih dilepas, atom pengotor akan lebih sesuai secara
merata pada struktur yang dibentuk oleh atom semikonduktor utama namun atom yang
ditinggalkan akan bermuatan positif. Di sisi lain, bahan tipe p memiliki beberapa atom
pengotor dengan elektron lebih sedikit dari sisa atom semikonduktor. Oleh karena itu,
atom-atom ini memiliki lubang yang bisa menampung elektron berlebih meskipun atom-atom bermuatan
netral. Jika penambahan elektron dilakukan untuk mengisi lubang, atom pengotor akan lebih
sesuai secara merata pada struktur yang dibentuk oleh atom semikonduktor utama namun atom
tersebut akan bermuatan negatif. Hubungan lapisan p dan lapisan n ditunjukkan oleh Gambar
2.7 [8].
Dari Gambar 2.8 dapat dilihat ketika kedua bahan bergabung, elektron berlebih melompat
dari lapisan n untuk mengisi lubang di lapisan p. Oleh karena itu di dekat sambungan materi
memiliki muatan positif pada sisi n dan muatan negatif pada sisi p. Muatan negatif di sisi p
membatasi pergerakan elektron tambahan dari sisi n ke sisi p, sementara pergerakan elektron
tambahan dari sisip ke sisi n menjadi lebih mudah karena muatan positif pada sambungan ada
pada sisi n. Pembatasan ini membuat p-n junction berperilaku seperti dioda.
2.5.4 Efek Photovoltaic
Ketikafoton daricahayadiserapolehelektronvalensisebuah atom, energielektronmeningkat
sesuai dengandengan jumlah energidarifoton. Perpindahan elektron dikarenakan foton
ditunjukkan oleh Gambar 2.8 [8].
Gambar 2.8 Perpindahan Elektron pada P-N Junction
Jika energifoton tersebutsama dengan ataulebih besar daricelah pitasemikonduktor,
elektronakan melompatke pita konduksi.Namun jikaenergifotonlebih kecil daricelah pita,
elektrontidakakanmemiliki energiyang cukup untukmelompat kepita konduksi.
Akibatnyakelebihan energidari elektrondiubah menjadi energikinetikoleh elektron, yang
mengakibatkansuhumeningkat.Foton hanya dapat membebaskan satu elektron meskipun energi
foton jauh lebih tinggi dari celah pita. Inti daripemanfaatanefekphotovoltaic untuk pembangkitan
listrik adalah untuk menyalurkan elektron bebas melalui resistansi eksternal sebelum elektron
2.5.5 Modul Photovoltaic
Daya yang dihasilkan oleh sel Photovoltaic tunggal tidaklah cukup untuk digunakan. Jadi,
dengan penggabungan beberapa sel Photovoltaic tunggal hubungan seri (untuk keperluan
tegangan tinggi) dan hubungan paralel (untuk keperluan arus besar) sesuai daya yang diinginkan.
Pada umumnya, modul komersial terdiri dari 36 atau 72 sel. Efesiensi modul photovoltaic lebih
kecil dari sel photovoltaic karena radiasi yang dipancarkan melalui bahan kaca sel, bayangan
susunan sel dan komponen lainnya [2]. Modul Photovoltic diperlihatkan pada Gambar 2.9 [2].
Gambar 2.9 Modul Photovoltaic
2.6 Jenis-jenis Panel Surya
Panel surya memiliki beberapa jenis yang berbeda tergantung dari bahan yang dipakai.
Bahan yang dipakai panel surya membedakan kualitas dari panel surya yaitu kualitas tegangan
dan arus. Beberapa jenis panel surya antara lain [7] :
1. Crystalline Silikon
Bahan yang palingutama dalampembuatan selsurya crystallineadalah silikon. Materi
initidak dalambentuk murni, tetapi dalamsenyawa kimiadengan oksigendalam bentukkuarsaatau
pasir. Oksigentidak diperlukan makaharuslebih duludipisahkandarisilikon dioksida.
a. Sel silikon monocrystalline
Proses Czochralski (crucible drawing process) menjadi patokan dalam produksi silikon
proses ini, bahan dasar dari polycrystalline (polysilicon) dilelehkan di dalam suatu wadah kuarsa,
pada suhu sekitar 14200C. Sebuah biji kristal dicelupkan ke dalam lelehan silikon tadi dan
perlahan- lahan ditarik ke atas keluar dari lelehan. Selama proses ini, kristal akan berubah
menjadi monocrystal berbentuk silinder dengan diameter mencapai 30 cm. Kristal tunggal
silinder ini dipotong untuk membentuk batangan semi bulat atau persegi yang kemudian
dipotong lagi dengan menggunakan gergaji kawat menjadi lempeng-lempeng tipis dengan tebal
sekitar 0,3 mm. Lapisan berbentuk wafer itu lalu dibersihkan dengan pembasahan secara kimia
dengan pengetsaan dan pembilasan untuk menghilangkan sisa-sisa pemotongan dan bekas
pemotongan. Mulai dari bagian mentah (raw wafers) kemudian lapisan didopingdengan boron
menjadi tipe p sementara tipe n dibuat dengan mendoping fosfor. Gambar bentuk sel silikon
monocrystalline ditunjukkan oleh Gambar 2.10 a, Gambar 2.10 b dan Gambar 2.10 c [7].
a b
c
Gambar 2.10 Bentuk Sel Monocrystalline a. sel monocrystalline persegi
b. sel monocrystalline semi bulat
c. sel monocrystalline bulat
b. Sel Silikon polycrystalline
Material silikon mula-mula dilelehkan didalam wadah kuarsa. Pada metode balok tuang
(block cast method), balok silikon berukuran besar atau ingot akan terbentuk. Ingot biasanya
dipotong-potong menjadi batangan-batangan dengan menggunakan gergaji pita (band saw) dan
kemudian dipotong lagi menjadi lempengan-lempengandengan ketebalan sekitar 0,3 mm dengan
menggunakan gergaji kawat.Setelah pembersihan dan penambahan fosfor, lapisan anti pantul
digunakan. Bentuk sel polycrystalline ditunjukkan oleh Gambar2.11 a, Gambar 2.11 b dan
a b c
Gambar 2.11 Bentuk Sel Polycrystalline
a. Sel polycrystalline tanpa lapisan anti – reflektif
b. Sel polycrystalline dengan lapisan anti – reflektif
c. Sel polycrystalline dengan lapisan anti – reflektif dan garis grid hubung
2. Sel Thin – Film
Jenis sel surya ini diproduksi dengan cara menambahkan satu atau beberapa lapisan material
sel surya yang tipis ke dalam lapisan dasar. Sel surya jenis ini sangat tipis karenanya sangat
ringan dan fleksibel. Jenis ini dikenal juga dengan nama TFPV (Thin Film Photovoltaic), seperti
diperlihatkan Gambar 2.12 [7].
Gambar 2.12 Sel Thin – Film
Berdasarkan material penyusunnya, sel surya thin film ini digolongkan menjadi:
a. Amorfous Silicon (a-Si) Solar Cells.
Sel surya dengan bahan amorfous silicon ini awalnya banyak diterapkan pada kalkulator
menjadi semakin luas. Teknik pembuatan dengan cara beberapa lapis amorfous silicon ditumpuk
membentuk sel surya. Amorfous diperlihatkan pada Gambar 2.13 [7].
Gambar 2.13 Amorfous Silicon Solar Sel
b. Cadmium Telluride (CdTe) Solar Cells.
Sel surya jenis ini mengandung bahan Candium Telluride yang memiliki efisiensi lebih
tinggi dari sel surya amorfous silicon, yaitu sekitar 9% - 11%. CdTe diperlihatkan pada Gambar
2.14 [7].
Gambar 2.14 CdTe module
2.6.1 Sifat – Sifat Elektrik pada Panel Surya
Sifat elektrik dari sel surya dalam menghasilkan energi listrik dapat diamati dari
karakteristik listrik sel tersebut, yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang dihasilkan sel surya
pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-beda. Karakteristik ini biasanya digambarkan oleh
kurva arus-tegangan terminalnya (kurva I-V). Kurva I-V sel surya mempunyai 3 titik utama yaitu
arus hubung singkat (Isc), tegangan rangkaian tebuka (Voc) dan titik daya maksimum seperti
Gambar 2.15 Kurva karakteristik I-V
2.6.2 Karakteristik Panel Surya
Beberapa karakteristik penting sel surya terdiri dari tegangan open circuit (Voc), arus
hubungan singkat (Isc), efek perubahan intensitas cahaya matahari, efek perubahan temperatur
serta karakteristik arus– tegangan (V-I characteristic) pada sel surya [9].
a. Tegangan open circuit (Voc) adalah tegangan yang dibaca pada saat arus tidak mengalir atau bisa disebut juga arus sama dengan nol. Cara untuk mencapai open circuit (Voc) yaitu dengan
menghubungkan kutub positif dan kutub negatif modul surya dengan voltmeter, sehingga akan
terlihat nilai tegangan open circuit sel surya pada voltmeter.
b.Arus short circuit (Isc) adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh modul sel surya dengan cara menge-short-kan kutub positif dengan kutub negatif pada modul surya. Dan nilai Isc akan
terbaca pada amperemeter.
c. Efek perubahan intensitas cahaya matahari, apabila jumlah energi cahaya matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar tegangan dan arus
listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan
penurunan arus listriknya.
d.Efek perubahan suhu pada sel surya, sel surya akan bekerja secara optimum pada suhu konstan yaitu 25°C. Jika suhu disekitar sel surya meningkat melebihi 25°C, maka akan mempengaruhi
beberapa persen. Sedangkan sebaliknya, arus yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan
meningkatnya suhu pada sel surya.
e. Karakteristik Tegangan – Arus pada Sel Surya
Penggunaan tegangan dari sel surya bergantung dari bahan semikonduktor yang digunakan.
Jika menggunakan bahan silikon, maka tegangan yang dihasilkan dari setiap sel surya berkisar
0,5 V. Modul surya merupakan gabungan beberapa sel surya yang dihubungkan secara seri dan
paralel. Tegangan dihasilkan dari sel surya bergantung dari radiasi cahaya matahari. Untuk
arus yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari luminasi (kuat cahaya) matahari, seperti
pada saat cuaca cerah atau mendung. Contoh Karakteristik panel surya diperlihatkan pada
Gambar 2.15 [7].
Nilai dari faktor pengisian dapat diperoleh dengan Persamaan 2.8.
FF = ��� −ln(��� +0.72)
���+1 (2.2)
dimana : VOC = Tegangan rangkaian terbuka pada sel surya (Volt)
2.6.3 Daya Panel Surya
Daya yang dihasilkan panel surya berbanding lurus dengan besar intensitas cahaya
matahari. Semakin besar intensitas cahaya matahari yang di terima panel surya maka daya yang
dihasilkan panel surya semakin besar. Jika luas sel surya adalah (A) dengan intensitas (J)
tertentu, maka daya input sel surya (Pin) diperoleh pada Persamaan 2.9.
Pin= JA (2.3)
dimana : Pin = Daya yang di terima akibat radiasi matahari (Watt)
J = Intensitas cahaya ( W/m2)
A = Luas area permukaan sel surya (m2)
Besar daya output sel surya (Pout ) yaitu perkalian tegangan rangkaian terbuka (Voc), arus
hubung singkat (Isc ) dan fill factor (FF) yang dihasilkan oleh sel surya dapat di peroleh dengan
Pout = �ocIsc FF (2.4)
dimana: Pout=Daya yang dibangkitkan oleh sel surya (Watt)
Voc =Tegangan rangkaian terbuka pada sel surya (Volt)
Isc =Arus hubung singkat pada sel surya (Ampere)
FF = Fill Factor
2.6.4 Efisiensi Panel Surya
Energi cahaya matahari yang di terima oleh sel surya dapat diubah menjadi energi listrik.
Semakin besar energi cahaya yang diserap maka semakin besar energi listrik yang dapat
dihasilkan. Maka konversi energi inipun memiliki nilai efisiensi didalamnya. Efisiensi keluaran maksimun (η) didefenisikan sebagai persentase keluaran daya optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, di rumuskan pada Persamaan 2.11.
� =���������
�� x 100% (2.5)
� =����
��� ×100% dimana : η = Efisiensi sel surya (%)
Pout=Daya yang dibangkitkan oleh sel surya (Watt)
Pin = Daya yang di terima akibat radiasi matahari (Watt)
2.6.5 Faktor Pengoperasian Panel Surya
Besar daya keluaran yang dapat dihasilkan oleh panel surya bergantung pada beberapa
faktor sebagai berikut [12]:
a. Efek Perubahan Pancaran Iradiasi Matahari
Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diperoleh sel surya berkurang atau intensitas
cahayanya melemah, maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun.
Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan penurunan arus listriknya. Pengaruh radiasi
Gambar 2.16 Pengaruh Radiasi Matahari Terhadap Isc dan Voc Panel Surya
Dapat dilihatbahwaIscmeningkat secara signifikan terhadap
peningkatanradiasi,sementarakenaikanteganganVocterjadi secara perlahan. Akibatnyadaya
maksimummeningkatsejalan dengan radiasi dengan begitu efisiensi akan lebih baik pada radiasi
yang tinggi.
b. Efek perubahan temperatur pada panel surya
Temperatur panel surya juga mempengaruhi kinerja sel dan efisiensi. Tegangan yang
dihasilkan dari sel surya bergantung dari temperatur sel surya, makin besar temperatur sel surya
maka arus mengalami peningkatan dan sebaliknya tegangan mengalami penurunan. Daya listrik
juga mengalami penurunan seiring panel surya mengalami peningkatan temperatur. Pengaruh
temperatur terhadap kurva arus vs tegangan dan kurva tegangan vs daya ditunjukkan oleh
(a) (b)
Gambar 2.17 Pengaruh Temperatur Terhadap: a. Kurva Arus – Tegangan
b. Kurva Tegangan- Daya
Dari Gambar 2.18 dapat dilihat ketikatemperaturpada panelmeningkat, arus hubung
singkat Iscmeningkatsedikit tetapitegangan rangkaian terbukasangatmenurun drastis
