43
KARAKTERISTIK UNJUK KERJA SEL SURYA DENGAN
MENDINGINKAN PERMUKAAN BAGIAN BAWAH
Shad Muzakkir P 1, Syukri Himran 2, Mahmuddin 2
1)
Mahasiswa Program Magister Teknik Mesin Universitas Muslim Indonesia
2)
Dosen Magister Teknik Mesin Universitas Muslim Indonesia Makassar
ABSTRAK
Penelitian kali ini menggunakan sel surya jenis Mono-Crystalline, Type 20M-36-20 W, selanjutnya dirangkai sedemikian rupa sehingga proses pendinginan pada sisi bagian bawah dapat berlangsung.Untuk mengetahui karakteristik unjuk kerja sel surya, maka dilakukan perubahan intensitas cahaya 282,5W/m2- 734,1 W/m2 serta debit air pendingin 3 LPM-6 LPM.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa daya keluaran, tagangan dan arus meningkat sebanding peningkatan intensitas cahaya yang diterima sel surya. Selain itu, semakin tinggi debit air pendingin (Q) yang yang mengalir pada bagian bawah sel surya akan akan menurunkan temperatur permukaan sel surya bagian bawah, hal ini menyebebakan daya, tegangan output sel surya meningkat.
Kata Kunci : Daya, Teganagn, Sel surya, dan Air pendingin
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Sel surya merupakan sumber energi yang tidak akan pernah habis, selama matahari masih memancarkan sinarnya ke bumi. Selain itu, sel surya juga merupakan salah satu piranti elektronik yang dapat mengubah secara langsung energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Diperkirakan bahwa sel surya akan menjadi sumber pembangkit listrik andalan di masa datang karena untuk suplai energi di daerah-daerah terpencil penggunaannya yang sangat praktis terutama yang sulit terjangkau oleh PLN. Selain itu, sumber energi tersebut ramah lingkungan karena dalam proses konversinya tidak menghasilkan polutan. Penelitian tentang sel surya di berbagai belahan dunia masih terus dilakukan hingga saat ini.
Penelitian yang akan dilakukan bagaimana pengaruh pendinginan sel surya pada sisi bagian bawah dengan intensitas radiasi cahaya yang divariasikan.
1.2 Tujuan Penelitian
a. Untuk mengetahui daya, tegangan dan arus sel surya tanpa pendingin dan dengan pendingin pada sisi bagian bawahnya.
b. Membandingkan daya, tegangan sel surya tanpa pendingin dan dengan pendingin pada sisi bagian bawahnya.
1.3 Batasan Masalah
a. Tidak menganalisis kesetimbangan panas pada sel surya.
44
b. Jenis sel surya yang digunakan adalah sel surya monocrystaline Type 20M-36-20 W
II. TINJAUAN PUSTAKA
Magrissa (2015) telah melakukan penelitian pengaruh intensitas cahaya terhadap efisiensi sel solar pada mono-crystalline silikon sel solar. Percobaan yang dilakukan dengan memvariasikan intensitas cahaya 200-550 W/m2 dan jarak sumber cahaya terhadap sel solar pada temperatur konstan yaitu 25ºC, dengan didapatkan data efisiensi dari sel solar. Perubahan intensitas cahaya mempengaruhi efisiensi dari sel solar. Apabila intensitas cahaya diperbesar, maka efisiensi akan meningkat. Tetapi apabila intensitas cahaya terlalu kecil atau terlalu besar menyebabkan efisiensi menurun atau kecil. Akibat energi cahaya yang dihasilkan terlalu kecil adalah energi listrik yang dihasilkan juga kecil, dan energi cahaya yang terlalu besar menyebabkan energi dalam elektron berubah menjadi panas serta energi listrik menjadi konstan. Hal ini disebabkan karena elektron dalam sel solar mempunyai batas ambang untuk menyerap foton pada tingkat energi tertentu. Apabila intensitas cahaya <400 W/m2 efisiensi meningkat, dan intensitas cahaya >400 W/m2, efisiensi menurun. Gambar 2.1 memperlihatkan kurva efisiensi terhadap intensitas cahaya.
Gambar 2.1 Efisiensi terhadap Intensitas Cahaya (Magrissa, 2015)
Yuliananda, dkk (2015) telah melakukan penelitian tentang pengaruh perubahan intensitas matahari terhadap daya keluaran panel surya.
Penelitian ini diawali dengan pengukuran intensitas cahaya matahari pada area permukaan sel surya, pada saat pengukuran intensitas cahaya matahari tersebut juga dilakukan pengukuran tegangan keluaran dan arus listrik. Dari hasil pengujian panel solar 50 Wp dan inverter dan
pengisi Battery Change diperoleh hasil bahwa
intensitas mataharai mempengaruhi besar daya, dimana bila intensitas rendah daya yang dihasilkan rendah sedang intensitas tinggi daya yang dihasilkan akan naik pula.
Moharram KA, dkk, (2013), telah melakukan penelitian tentang peningkatan kinerja panel surya pada pendinginan tenaga surya dengan menggunakan air, dengan cara penyemprotan air sesekali pada permukaan panel surya. Sistem pendingin di operasikan selama 5 menit dengan tingkat pendinginan untuk sel surya adalah 2°C/min, dari kenaikan suhu modul dapat menyebabkan terjadinya penurunan efisiensi terhadap PV secara perlahan, suhu solar cell meningkat mulai dari 10 °C, 35 °C sampai 45 °C dapat mengurangi efisiensi solar cell dari 12 % menjadi 10,5 %.
2.2.1 Arus hubung singkat (Short circuit current, Isc)
Arus hubung singkat (Short circuit current (Isc) adalah arus yang melalui sel
surya saat tegangan pada sel surya sama dengan nol (Voc=0).
2.2 Rangkaian tegangan terbuka (open circuit voltage, Voc)
Rangkaian tegangan terbuka (open circuit voltage) adalah tegangan maksimum dari sel surya akan terjadi bila kondisi arus pada sel surya sama dengan nol (Isc=0).
2.3 Parameter pada kurva arus (I) dan tegangan (V)
Satwiko S dkk, 2016 menjelaskan bahwa bila sel sirya dihubungkan dengan beban sebesar R, maka beban tersebut akan memberi hambatan sebagai garis linear dengan garis I/V=I/R. Hal tersebut
45
menunjukkan daya yang diperoleh bergantung pada nilai resistansi. Jika R kecil maka sel beroperasi pada daerah kurva MN, dimana sel beroperasi sebagai sumber arus yang konstan atau arus short circuit
(Isc). Pada sisi lain jika R besar, sel beroperasi pada daerah PS, dimana sel beroperasi sebagai sumber tegangan yang konstan atau tegangan open circuit (Voc).
Jika dihubungkan dengan hambatan optimal Ropt berarti sel surya menghasilkan daya maksimal dengan tegangan maksimum (Vmax) dan arus maksimum (Imax). Untuk mengetahui karakteristik arus dan tegangan pada sel surya dengan kondisi beban yang berbeda-beda, maka digunakan suatu kurva seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Kurva karakteristik arus dan tegangan.
Hansen, dkk, (2001), menjelaskan pula bahwa parameter untuk menentukan nilai output pada sel surya meliputi:
a. Arus hubung singkat atau short circuit current (Isc) adalah arus keluaran
maksimum yang di peroleh dari sel surya pada kondisi tidak ada resistansi (R), V= 0.
b. Tegangan hubung terbuka atau open circuit voltage (Voc) adalah kapasitas
tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak adanya arus.
c. Daya maksimum (Pmax) berada pada titik
A (Vmax, Imax) yang diperlihatkan pada
Gambar 1.
d. Faktor pengisian atau Fill Factor (FF) merupakan harga yang mendekati
konstanta suatu sel surya tertentu. Jika nilai FF lebih tinggi dari 0.7, maka sel surya tersebut lebih baik.
2.4 Faktor pengisi
Faktor pengisi adalah ukuran kualitas dari sel surya dapat diketahui dengan membandingkan daya maksimum teoritis dan daya output pada tegangan rangkaian terbuka dan hubungan pendek.
Faktor pengisi yaitu parameter yang menyatakan seberapa besar Isc ×Voc dari daya
maksimum Vm× Im yang dihasilkan sel surya.
... (1)
Dengan:
FF = Faktor pengisi
Vm = Tegangan maksimum (Volt)
Im = Arus maksimum (Ampere)
Voc= Tegangan rangkaian terbuka (Volt)
Isc = Arus hubung singkat (Ampere)
2.5 Daya maksimum
Daya maksimum (Pm) diperoleh dari
perkalian antara arus dan tegangan, pada setiap titik A kurva I-V pada Gambar 1. Secara grafik daya maksimum pada sel surya berada pada puncak yang memiliki luas terbesar. Titik puncak tersebut dapat disebut
maximum power point (MPP).
Daya maksimum dari sel surya dapat dihitung dengan Persamaan (2):
...(2) Dengan :
Pm = Daya maksimum keluaran (W)
Vm= Tegangan maksimum (Volt)
Im = Arus maksimum (Ampere)
2.6 Daya masuk
Daya masuk (Pin) diperoleh dengan
perkalian intensitas cahaya yang diterima dengan luas penampang sel surya menggunakan Persamaan (3).
Pin = Ir × A ... (3)
Dengan:
Pin =Daya input akibat radiasi matahari (W)
Ir = Intensitas radiasi matahari (W/m2) A = Luas area permukaan sel surya (m2)
46 2.7 Daya keluaran
Daya keluaran (Pout) pada sel surya
yaitu perkalian tegangan rangkaian terbuka (Voc) dengan arus hubung singkat (Isc) dan
faktor pengisi (FF) yang dihasilkan oleh sel surya dapat dihitung dengan Persamaan (4).
Pout = Voc × Isc × FF...(4)
Dengan:
Pout = Daya keluaran (W)
Voc = Tegangan rangkaian terbuka (Volt)
Isc = Arus hubung singkat (Ampere) = Faktor pengisi
III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Pusat dan Riset Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muslim Indonesia Makassar.
3.2 Peralatan penelitian
Seperangkat alat dan bahan penelitian yang digunakan terdiri dari :
a. Alat
1. Sel surya (2 unit) jenis Mono-Crystalline, Type 20M-36-20 W.
2. Solar power meter
3. Seperangkap alat akuisisi data 4. Flow meter 5. Pompa air 6. Stopwatch 7. Lampu b. Bahan 1. Pipa pvc ½ inc 2. Lem silikon 3. Pipa almunium 4. Almunium foil 5. Switch rotary 6. Resistor keramik 3.3 Prosedur Penelitian
1. Memasang instrumen alat ukur yakni: termokopel pada permukaan atas dan bawah sel surya, air pendingin,
flowmeter serta alat akuisisi data. 2. Mengaktifkan alat akuisisi data dan
dipastikan bekerja baik untuk
merekam besar temperatur air pendingin, permukaan sel surya bagian atas dan bawah, daya, tegangan, serta arus.
3. Mengalirkan air pendingin dengan pompa pada debit air sebesar 3 LPM, 4 LPM, 5 LPM, 6 LPM.
4. Nyalakan lampu sebagai sumber cahaya dengan intensitas 734,1 W/m2,
609 W /m2, 482,3 /m2, dan 356,7 W /m2.
5. Pengukuran intensitas cahaya dengan Solar power meter.
6. Bila aliran stabil, maka melakukan pengukuran suhu, tegangan, arus dan daya secara simultan.
7. Setelah data pengukuran cukup dan benar, maka pompa dan semua alat ukur di non aktifkan.
(a) (b)
Gambar 3. Skema sel surya yang akan di uji
(a) Sel surya tanpa pendingin dan (b) Sel suryadengan pendingin.
47 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Arus (I ) Tegangan (V) E = 282.5 W/m2, Isc : 0.12 A E = 356.7 W/m2, Isc : 0.14 A E = 482.3 W/m2, Isc : 0.20 A E = 603.0 W/m2, Isc : 0.23 A E = 734.1 W/m2, ISC : 0.23 A
Gambar 4. Rangkaian sistem pembebanan sel surya.
Titik Pengukuran Temperatur pada Permukaan Atas Sel Surya
Untuk mengetahui perbedaan temperatur (ΔT) pada bagian permukaan atas sel surya (Ta), maka dilakukan pengukuran
temperatur pada titik Ta1,Ta2,Ta3,Ta4,Ta5, dan
pengukuran pada permukaan bawah sel surya sama halnya dengan titik pengukuran pada bagian atas permukaan sel surya. Titik titik pengukuran tersebut dapat diasumsikan bahwa mewakili temperatur permukaan, diperlihatkan pada Gambar 5 dan 6.
Gambar 5. Titikpengukuran temperatur bagian atas permukaan sel surya
Titik Pengukuran Temperatur Pada Permukaan Bawah Sel Surya
Gambar 6. Titik Pengukuran Temperatur pada Bagian Bawah Sel Surya
Dengan :
Tin = Temperatur air pendingin masuk (ºC)
Tout= Temperatur air pendingin keluar (ºC)
Ta= Temperatur permukaan atas (ºC)
Tb= Temperatur permukaan bawah (ºC)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Karakteristik arus (I) dan tegangan (V) pada sel surya.
Karakteristik arus (I) dan tegangan (V) yang dihasilkan sel surya pada intensitas cahaya sebesar 720 W/m2, 600 /m2, 480 W/m2, dan 360 /m2 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 7 dan 8. Kurva ini menggambarkan bahwa arus tertinggi terjadi pada short circuit current (Voc=0), kemudian
turun drastis dengan peningkatan tahanan yang diberikan. Penurunan arus tersebut hingga mencapai maksimum pada open circuit voltage (Isc=0), pada kondisi tersebut
tegangan maksimum (Vmaks) terjadi.
Gambar 7. Kurva arus (I) terhadap tegangan (V) pada beberapa intensitas radiasi cahaya
48 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Arus (I ) Tegangan (V) E = 282.5 W/m2, Isc : 0.09 A E = 356.7 W/m2, Isc : 0.11 A E = 482.3 W/m2, Isc : 0.17 A E = 603.0 W/m2, Isc : 0.22 A E = 734.1 W/m2, ISC : 0.23 A 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Arus (I ) Da y a ( P ) Tegangan (V)
P - V TANPA MEDIA PENDINGIN P - V MEDIA PENDINGIN I - V TANPA MEDIA PENDINGIN I - V MEDIA PENDINGIN
Gambar 8. Kurva arus (I) terhadap tegangan (V) pada beberapa intensitas radiasi cahaya
(E) dengan pendingin
Apabila kurva pada Gambar 7 dan 8 dibandingkan pada karakteristik tegangan dan arus sel surya tanpa pendingin dengan sel surya dengan pendingin, menunjukkan bahwa dengan pendinginan sel surya di bagian bawah akan menghasilkan arus dan tegangan yang lebih tinggi short circuit current
(Voc=0), dan open circuit voltage (Isc=0).
Kurva daya (P), tegangan (V) dan arus (I) yang diperlihatkan pada Gambar 9 menunjukkan bahwa daya maksimum (Pmaks)
keluaran dari sel surya dengan pendingin lebih besar dibandingkan dengan daya maksimum (Pmaks) sel surya tanpa pendingin
masing-masing 1.86 W dengan 1.54 W. Hal ini disebabkan karena tegangan (Voc)
keluaran sel surya dengan pendingin lebih besar dibandingkan dengan tegangan (Voc)
keluaran sel surya tanpa media pendingin yaitu 19,16 dengan 17,20 V, meskipun arus (Isc) keluaran sel surya tanpa media air
pendingin lebih besar dibandingkan arus (Isc)
keluaran sel surya dengan media air pendingin dengan selisih yaitu 0,14 A dengan 0,11 A
Gambar 10. Kurva perbandingan daya (P), tegangan (V) dan arus (I)
V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan dapat disimpulkan bahwa:
1. Daya maksimum keluaran sel surya dengan pendingin sebe1ar 1.86 Wsedangkan tanpa pendingin sebesar 1.54 W. Tegangan (Voc) keluaran sel surya
dengan pendingin lebih besar dibandingkan dengan tegangan (Voc)
keluaran sel surya tanpa media pendingin yaitu 19,16 dengan 17,20 V
2. Sel surya dengan pendinginan dapat menghasilkan daya output lebih besar bila dibandingkan dengan sel surya tanpa berpendingin.
B. Saran
Untuk peneliti selanjutnya melakukan perpindahan kalor radiasi, konveksi dan konduski pada sel surya.
DAFTAR PUSTAKA
Himran S., 2005, "Energi Surya" Universitas Hasanuddin, Makassar, Book.
Magrissa, R. (2015). Pengaruh Intensitas Cahaya terhadap Efisiensi Sel Solar
49
pada Mono-Crystalline Silikon Sel Solar. Jurnal Jurusan Kimia Universitas Negeri Padang.
Moharram KA, M.S. Abd-Elhady, H.A. Kandil, H. El-Sherif, 2013,
“Enhancing the performance of photovoltaic panels by water cooling”
Ain shams engineering journal (ASEZ).
Yuliananda, S., Sarya, G., & Hastijanti, R. R. (2015). Pengaruh Perubahan Intensitas Matahari Terhadap Daya Keluaran Panel Surya. Jurnal Pengabdian LPPM Untag, 1, 193-202.
