PENINGKATAN EFISIENSI MODUL PHOTOVOLTAIC MENGGUNAKAN FLAT REFLECTOR
REPOSITORY
OLEH
YUNI SURIANTI NIM: 1803112038
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
2022
1 Peningkatan Efisiensi Modul Photovoltaic Menggunakan Flat Reflector
Yuni Surianti*, Lazuardi Umar Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia
*[email protected]
ABSTRACT
Module photovoltaic is an alternative energy development device as a converter of light energy into electrical energy. However, in its development the efficiency of the photovoltaic module is still relatively low. Flat reflector is one of the methods used to increase the intensity of light hitting the surface of the photovoltaic so as to increase the resulting efficiency. The reflector material used is a mirror and aluminum foil which is placed with variations in the angle of placement of the reflector on the photovoltaic module. The experimental results show that the efficiency of the module using a reflector is better than without using a reflector. The efficiency of the module using a mirror reflector is higher than that of an aluminum foil reflector with a meshing of 90% and 89%, respectively.
Key words: Photovoltaic, Flat Reflector, I-V Curve, Efficiency, optimum tilt angle
ABSTRAK
Modul photovoltaic adalah perangkat pengembangan energi alternatif sebagai konverter energi cahaya menjadi energi listrik. Namun dalam pengembangannya efisiensi yang dihasilkan modul photovoltaic masih tergolong rendah. Flat reflector merupakan salah satu metode yang digunakan untuk meningkatkan intensitas cahaya yang mengenai permukaan modul photovoltaic sehingga dapat meningkatkan efisiensi yang dihasilkan. Bahan reflektor yang digunakan adalah berbahan cermin dan aluminium foil yang diletakkan dengan variasi sudut penempatan reflektor terhadap modul photovoltaic. Hasil eksperimen memperlihatkan efisiensi modul menggunakan reflektor lebih baik dibandingkan tanpa menggunakan reflektor. Efisiensi modul dengan reflektor cermin lebih tinggi dibandingkan reflektor aluminium foil yaitu masing- masing nilainya sebesar 90% dan 89%.
Kata Kunci : Photovoltaic, Reflektor datar, Kurva I-V, Efisiensi,sudut kemiringan optimal
PENDAHULUAN
Kekurangan energi serta masalah global yang terjadi mengakibatkan dunia diharuskan mencari energi alternatif terbarukan yang sejalan dengan masalah yang dihadapi saat ini [1].
Modul photovoltaic memanfaatkan energi matahari untuk diubah langsung menjadi energi listrik. Keberadaan sumber energi matahari yang tidak terbatas memberikan keuntungan dalam menghasilkan energi listrik dengan menggunakan modul photovoltaic [2]
Modul photovoltaic terdiri dari material semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang memberikan respon terhadap cahaya matahari
yang mengenai permukaan modul dimana pergerakan elektron dari bahan semikonduktor tipe-p ke tipe-n akan menghasilkan energi listrik [3].
Salah satu faktor peningkatan efisiensi modul photovoltaic sudah banyak dilakukan seperti dengan menggunakan reflektor dengan meningkatkan jumlah intensitas radiasi matahari pada modul [4]. Reflektor fresnel yang memiliki fokus dengan rasio tinggi dapat meningkatkan intensitas radiasi cahaya matahari namun lensa fresnel yang memiliki kualitas rendah menyebabkan cahaya tidak terfokus
2
dengan baik kearah modul photovoltaic [5].
Desain reflektor berbentuk piringan juga dilakukan untuk mendapatkan konsentrasi matahari yang baik namun reflektor dengan cara ini memerlukan penggunaan lensa pada diameter reflektor agar dapat bekerja efektif [6].
Pengujian modul photovoltaic menggunakan reflektor berbahan cermin dan aluminium foil dilakukan untuk dapat meningkatkan daya keluaran serta efisiensi modul dimana reflektor berbahan ini lebih mudah dan terjangkau untuk dilakukan sebagai metode perbaikan untuk peningkatan efisiensi modul.
Pelaksanaan penelitian ini dilakukan dengan uji modul photovoltaic tipe polikrystalline menggunakan reflektor cermin dan aluminium foil dengn penempatan sudut reflektor sebesar 50˚, 60˚ dan 70˚ terhadap modul yang dilakukan pada intensitas cahaya pukul 12.00 WIB.
Penggunaan sudut reflektor digunakan untuk mengatur kemiringan reflektor yang paling optimal sehingga cahaya matahari dapat dipantulkan kearah modul photovoltaic dengan baik. Uji kinerja peningkatan efisiensi modul photovoltaic dilakukan pada pukul 12.00 WIB disebabkan karena pada waktu ini intensitas cahaya matahari yang dihasilkan paling tinggi dibandingkan dengan waktu lainnya dalam satu hari serta posisi matahari yang berada terletak tegak lurus terhadap posisi modul dan reflektor memberikan pemantulan cahaya matahari yang lebih optimal.
METODE
2.1 Set-up Eksperimen
Modul photovoltaic bekerja berdasarkan efek photovoltaic yang memanfaatkan cara kerja dari bahan semikonduktor p-n junction.
Efek photovoltaic terjadi di dalam bahan semikonduktor oleh konduktivitas listrik antara konduktor dan isolator. Logam yang dikenai cahaya berupa foton dengan frekuensi tertentu maka energi kinetik dari foton akan menembak atom logam tersebut [7].
Elektron-elektron pada logam akan dilepaskan ketika atom logam diradiasi dimana elektron yang dilepaskan ini disebut dengan elektron bebas. Cahaya yang terdiri dari paket- paket energi disebut foton dimana ketika foton mengenai atom silikon maka elektron akan terlepas dan bergerak dari semikonduktor tipe-n
ke semikonduktor tipe-p diantara keduanya dibatasi oleh pembatas yang disebut p-n junction dan menghasilkan aliran arus listrik [8].
Penggunaan reflektor adalah salah satu solusi untuk meningkatkan intensitas cahaya yang mengenai modul sehingga daya listrik yang dihasilkan meningkat. Gambar 1 menunjukkan skema rangkaian pengukuran efisiensi modul photovoltaic.
(a)
RL
A
V
θ θ
(b)
Gambar 1.
(a
) Rangkaian modul tanpa menggunakan reflektor (b) rangkaian modulmenggunakan reflektor
Pengukuran dilakukan dalam dua tahap yaitu pertama pengukuran modul tanpa reflektor dengan set up alat seperti pada gambar 1 (a) lalu tahap kedua pengukuran dilakukan dengan menggunakan reflektor yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b). Modul photovoltaic dihubungkan dengan multimeter dan hambatan geser (rheostat).
Cahaya matahari yang mengenai permukaan modul photovoltaic akan dikonversi menjadi listrik kemudian akan diukur besar arus dan tegangannya oleh multimeter dimana besar arus listrik dan tegangan listriknya akan berbeda- beda pada setiap variasi nilai beban hambatan (RL) yang diberikan oleh rheostat.
3
Pada pengukuran modul menggunakan reflektor memiliki rangkaian yang sama dengan modul tanpa reflektor namun yang membedakan kedua rangkaian adalah penggunaan reflektor dengan variasi besarnya sudut dan bahan reflektor. Besar sudut reflektor berpengaruh terhadap sudut pantulan cahaya matahari yang mengenai modul photovoltaic. Modul photovoltaic yang digunakan pada pengukuran ini adalah modul photovoltaic tipe polycrystalline yang ditunjukkan pada Gambar 2 dibawah ini.
Gambar 2. Modul photovoltaic polycrystalline Kemampuan untuk menghasilkan energi listrik dari setiap modul photovoltaic berbeda- beda, tergantung pada bahan dan material penyusun yang digunakan. Keluaran yang dihasilkan dari modul photovoltaic berupa arus dan tegangan dalam bentuk data pengukuran akan disimpan dan ditampilkan pada software Microsoft Excel. Kemudian data yang diperoleh tersebut akan diolah menggunakan software Sigma Plot.
Data yang telah diolah dengan menggunakan software Sigma Plot akan ditampilkan berupa kurva arus terhadap tegangan atau kurva I-V.
2.2 Karakterisasi Kurva I-V
Daya listrik yang dihasilkan oleh modul photovoltaic ketika mendapat cahaya dihitung dari tegangan yang dihasilkan ketika diberi beban. Hal tersebut sebagaimana ditunjukkan dalam kurva arus terhadap tegangan. Kurva I-V menunjukkan parameter karakterisasi modul photovoltaic yang terdiri dari arus hubung singkat (ISC), tegangan rangkaian terbuka (VOC) dan titik daya maksimum (MPP). Selain itu gambar kurva I-V menentukan komponen rangkaian ekuivalen modul photovoltaic yang terdiri dari resistansi seri dan resistansi shunt [9].
Modul photovoltaic dalam kondisi tahanan variabel bernilai nol disebut dengan keadaan short circuit dimana pada kondisi ini tidak terdapat resistansi sehingga arus yang dihasilkan maksimum atau yang disebut arus short circuit (ISC). Pada saat kondisi tahanan variabel bernilai tak terhingga yang disebut dengan open
circuit maka tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangan pada sel surya berada pada nilai maksimum yang disebut dengan tegangan open-circuit (VOC) [10].
Tegangan (V)
Arus (A)
Gambar 3. Kurva I-V modul photovoltaic
Arus dan daya output dari kebanyakan panel surya menurun sebagaimana tegangan meningkat melebihi maximum power point (MPP) Tegangan rangkaian terbuka atau open circuit voltage (Voc) adalah tegangan maksimum pada sel surya yang terjadi pada saat tidak adanya arus mengalir atau arus sama dengan nol (Isc=0) [11].
Short Circuit Current (Isc) adalah arus keluaran maksimum dari panel surya yang terjadi pada saat kondisi tegangan sama dengan nol (Voc=0) dengan tidak adanya resistansi atau short circuit sehingga tidak ada daya yang dihasilkan pada keadaan short circuit current. Maksimal power point (MPP) pada kurva I-V merupakan titik dimana modul surya berada pada keadaan optimal sehingga menghasilkan arus maksimum (Imp) dan tegangan maksimum (Vmp). Pada titik ini modul surya harus menggunakan tahanan beban yang sesuai sehingga menghasilkan titik daya maksimum [12].
2.3 Pengukuran efisiensi (η)
Efisiensi sel surya (η) adalah perbandingan daya keluaran maksimum tanpa reflektor dengan daya yang dihasilkan modul menggunakan reflektor [13]. Besarnya nilai arus keluaran modul photovoltaic dapat dihitung dengan persamaan 2.1.
𝐼 =
𝑉𝑅 (2.1)
Parameter V adalah tegangan modul sel surya (V), R merupakan tahanan beban yang dihasilkan oleh rheostat (Ω). Besarnya daya keluaran yang dihasilkan oleh sel surya dapat dihitung dengan persamaan 2.2.
𝑃 = 𝑉 ∙ 𝐼
(2.2)Daya maksimum dari sel surya dinyatakan dengan persamaan 2.3 berikut.
𝑃
𝑚𝑎𝑥= 𝑉
𝑜𝑐∙ 𝐼
𝑠𝑐 (2.3)4
Efsiensi dari sel surya dirumuskan sebagai berikut.
η =
𝑉𝑜𝑐∙𝐼𝑠𝑐 (𝑇𝑎𝑛𝑝𝑎 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟)𝑉𝑜𝑐∙𝐼𝑠𝑐(𝑀𝑒𝑛𝑔𝑔𝑢𝑛𝑎𝑘𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟) (2.4)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini memperlihatkan pengukuran arus dan tegangan modul photovoltaic dan mencoba membandingkan bagaimana pengaruh variasi besar sudut dan jenis bahan reflektor yang digunakan terhadap efisiensi modul photovoltaic.
(a)
(b)
Gambar 4. Kurva arus terhadap tegangan variasi sudut reflektor a) cermin dan b) aluminium foil
Pada Gambar 4 diatas memperlihatkan kurva hasil pengujian variasi besar sudut reflektor cermin dan aluminium foil dimana pada kurva dapat dilihat bahwa arus mengalami penurunan, hal ini disebabkan karena arus yang dihasilkan bergantung terhadap besarnya tahanan beban yang digunakan, semakin besar tahanan beban yang digunakan maka semakin kecil arus yang dapat mengalir [7]. Nilai arus keluaran modul tertinggi dari kedua bahan reflektor cermin dan aluminium foil pada pengukuran dihasilkan oleh sudut reflektor 60˚
yaitu masing-masingnya sebesar 0.558 A dan 0.546 A. Reflektor dengan sudut 60˚ memiliki sudut
sudut kemiringan yang dapat memantulkan cahaya matahari tepat ke arah permukaan modul dengan baik sehingga meningkatkan intensitas radiasi dari pantulan cahaya matahari.
Arus keluaran modul terendah dihasilkan oleh sudut reflektor 50˚ dari reflektor cermin dan aluminium foil masing-masingnya sebesar 0.527 A dan 0.515 A. Posisi matahari yang terletak tegak lurus terhadap modul mengakibatkan pantulan cahaya yang mengenai reflektor sudut 50˚ tidak terpantul ke arah permukaan modul namun dipantulkan kembali ke atas oleh reflektor.
Penggunaan sudut yang tidak tepat menyebabkan cahaya dipantulkan ke arah reflektor lainnya dan pantulan cahaya lalu dipantulkan kembali ke atas keluar dari reflektor [14].
Arus dan tegangan keluaran modul berpengaruh terhadap daya yang akan dihasilkan.
Besarnya intensitas cahaya matahari yang mengenai permukaan modul memberikan pengaruh terhadap besarnya arus dan tegangan yang dihasilkan [15]. Hasil dari perhitungan daya keluaran modul photovoltaic ditunjukkan oleh Gambar 5 di bawah ini.
Gambar 5. Kurva daya terhadap tegangan modul photovoltaic
Pada Gambar 5 menunjukkan bahwa modul menggunakan reflektor cermin dan aluminium foil menghasilkan daya output yang lebih besar dibandingkan modul tanpa menggunakan reflektor.
Hal ini menunjukkan bahwa modul dengan sistem reflektor lebih unggul dibandingkan dengan modul tanpa menggunakan reflekor. Pada Gambar 5 diatas menunjukkan daya keluaran modul menggunakan reflektor cermin lebih tinggi dibandingkan reflektor aluminium foil masing-masingnya sebesar 7.84 W dan 7.37 W.
Hasil perhitungan efisiensi modul photovoltaic yang dihasilkan oleh reflektor cermin yaitu sebesar 90% sedangkan efisiensi modul yang dihasilkan reflektor aluminium foil lebih rendah dibandingkan dengan reflektor cermin yaitu sebesar 89%. Hal ini menunjukkan bahwa reflektor berbahan cermin memiliki kemampuan
5
merefleksikan cahaya lebih baik dibandingkan reflektor berbahan aluminium foil.
KESIMPULAN
Eksperimen yang dilakukan pada reflektor dengan variasi besar sudut yang digunakan menghasilkan besar nilai daya keluaran modul yang berbeda-beda pada setiap sudut reflektor yang digunakan. Sementara itu melakukan pegukuran modul dengan menggunakan reflektor membuktikan dapat meningkatkan efisiensi modul dibandingkan pengukuran modul tanpa menggunakan reflektor. Reflektor cermin menghasilkan efisiensi lebih tinggi dibandingkan efisien reflektor aluminium foil yaitu masing- masingnya sebesar 90% dan 89% dimana hal ini menunjukkan bahwa reflektor berbahan cermin dapat merefleksikan cahaya lebih baik dibandingkan reflektor berbahan aluminium foil.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih kepada jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau yang telah memberikan izin untuk dapat melaksanakan penelitian ini.
Referensi
[1] Uchqun, M., & Jahongir, T. (2019). The Research of the V-I Characteristics of a Solar Panel Using a Computerized Measuring Bench “EPH 2 Advanced Photovoltaics Trainer.” Automation, Control and Intelligent Systems, 7(3), 79.
[2] Wang, G., Chen, Z., Hu, P., & Cheng, X.
(2016). Design and optical analysis of the band-focus Fresnel lens solar concentrator.
Applied Thermal Engineering, 102, 695–
700.
[3] Setiawan, E. A., & Dewi, K. (2013). Impact Of Two Types Flat Reflector Materials On Solar Panel Characteristics. 188–199.
[4] Su, Z., Ding, S., Gan, Z., & Yang, X.
(2016). Analysis of a photovoltaic- electrolyser direct-coupling system with a V-trough concentrator. Energy Conversion and Management, 108, 400–410.
[5] Zaidi, B. (2018). Introductory Chapter:
Introduction to Photovoltaic Effect. Solar Panels and Photovoltaic Materials, 1–8.
[6] Twidell, J., & Weir, T. (2015). Renewable Energy Resources (Routledge (ed.); III).
[7] Jakhrani, A. Q., Samo, S. R., Kamboh, S.
A., Labadin, J., & Rigit, A. R. H. (2014).
An improved mathematical model for computing power output of solar photovoltaic modules. International Journal of Photoenergy, 2014.
[8] Cubas, J., Pindado, S., & Palmer, F. S.
(2017). Analytical Calculation of Photovoltaic Systems Maximum Power Point ( MPP ) Based on the Operation Point. 2, 1–15.
[9] Al-shohani, W. A. M., Al-dadah, R., Mahmoud, S., & Algareu, A. (2016).
Optimum design of V-trough concentrator for photovoltaic applications. Solar Energy, 140, 241–254.
[10] Sajimon, A., & Chacko, R. (2018). Design of reflectors for a canal top solar power plant. Proceedings of the 2017 IEEE International Conference on Intelligent Techniques in Control, Optimization and Signal Processing, INCOS 2017, 2018- Febru, 1–4.
[11] Singh, Kumar, S., Gehlot, A., & Pachauri, R. (2018). An imperative role of sun trackers in photovoltaic technology: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82(October), 3263–3278.
[12] Eke, R., Betts, T. R., & Gottschalg, R.
(2017). Spectral irradiance effects on the outdoor performance of photovoltaic modules. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69(December 2014), 429–
434.
[13] Vinoth, K. I., & Pinky, D. (2020). Solar research–a review and recommendations for the most important supplier of energy for the earth with solar systems.
International Journal of Ambient Energy,
6
41(8), 962–968.
[14] Cingoski, V., & Petrevska, B. (2017).
Flexible Textile Photovoltaics : Application of. Journal Of Applied Economics And
Business, 5(4), 5–18.
[15] Fonash, S. J. (2010). Solar Cell Device Physics. In Solar Cell Device Physics.
