BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Defenisi Umum Solar Cell
Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi untuk mengubah atau mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung. Photovoltaic biasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut modul. Dalam sebuah modul surya terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun secara seri maupun paralel. Sedangkan yang dimaksud dengan surya adalah sebuah elemen semikonduktor yang dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik atas dasar efek photovoltaic. Solar cell mulai popular akhir-akhir ini, selain mulai menipisnya cadangan enegi fosil dan isu global warming. energi yang dihasilkan juga sangat murah karena sumber energi (matahari) bisa didapatkan secara gratis.
2.1.1. Jenis-jenis Panel Surya
Berdasarkan jenis bahan dalam pembuatannya panel surya dibagi menjadi empat jenis yaitu monokristal, polikristal, amourphous dan coumpound atau gallium arsenide.
2.1.1.1 Monokristal
Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan. Sel surya jenis ini jika disusun membentuk solar modul (panel surya) akan menyisakan banyak ruangan yang kosong karena sel surya seperti ini umumnya berbentuk segi enam atau bulat, sehingga memiliki tingkat kerapatannya yang rendah. Bisa saja produsen membuat bentuk persegi dengan proses pemotongan tetapi kerugian proses produksi tentu menjadi lebih besar dan menjadikan harga jauh lebih mahal lagi. Seperti terlihat pada gambar berikut.
Gambar 2.1. Monokristal
Keterangan gambar: 1. Batangan kristal silikon murni. 2. Irisan kristal silikon yang sangat tipis. 3. Sebuah sel surya monokristal yang sudah jadi.
2.1.2. Prinsip Kerja Solar Cell
Pembangkit listrik tenaga surya itu konsepnya sederhana yaitu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi dari sumber daya alam.
Sumber daya alam matahari ini sudah banyak digunakan untuk mensuplai daya listrik di satelit komunikasi melalui solar cell. Solar cell ini dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang berputar dan tidak memerlukan bahan bakar. Sehingga sistem solar cell sering dikatakan bersih dan ramah lingkungan. Panel solar cell merupakan modul yang terdiri beberapa solar cell yang digabung dalam hubungkan seri dan paralel tergantung ukuran dan kapasitas yang diperlukan. Yang sering digunakan adalah modul solar cell 20 watt. Modul solar cell itu menghasilkan energi listrik yang proporsional dengan luas permukaan panel yang terkena sinar matahari.
Gambar 2.2. Diagram Kerja Solar Cell
Gambar 2.3. Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang
dirangkai seri untuk memperbesar total daya output.
Pada solar cell terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai
semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (negatif).
Semikonduktor jenis negatif dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain (umumnya posfor) dalam batasan bahwa material tersebut dapat memberikan suatu kelebihan elektron bebas.
Elektron adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai semikonduktor 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).
Pengaruh medan listrik dalam sel Photovoltaic
Operasi sel Photovoltaic
Struktur dasar dari sel Photovoltaic silikon Gambar 2.4. PN Junction Solar Cell
negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses penodaan itu, didalam silikon jenis P terbentuk hole (pembawa muatan listrik positif) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan elektronnya. Oleh karena itu didalam silikon jenis P hole merupakan pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron merupakan pembawa muatan minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat besar sehingga disebut pembawa muatan mayoritas dan hole disebut pembawa muatan minoritas.
Didalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan 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”.
Tapi, bila bagian positif dihubungkan dengan kutub negatif dari baterai dan bagian negatif dihubungkan dengan kutub positifnya, maka sekarang terbentuk
hubungan yang dinamakan “reverse bias”. Dengan keadaan seperti ini, maka hole
(pembawa muatan positif) dapat tersambung langsung ke kutub positif, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positif. Jadi, jelas di dalam PN junction tidak ada gerakan pembawa muatan mayoritas baik yang hole maupun yang elektron. Sedangkan pembawa muatan minoritas (elektron) didalam bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub positif baterai. Demikian pula pembawa muatan minoritas (hole) di dalam bagian N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatif. Karena itu, dalam keadaan reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (mikro ampere). Arus ini sering disebut dengan reverse saturation current atau leakage current (arus bocor)
2.2. Solar Charge Controller
Solar charge controller adalah charger baterai yang disuplai dari panel surya / photovoltaic. Perangkat elektronik ini berfungsi untuk mengatur arus dari solar sel ke dalam baterai. Perangkat ini memiliki fitur yang lengkap dan pengoperasian yang mudah dengan satu potensiometer untuk pengaturan tegangan mengambang / floating voltage, dan kompensasi suhu ruang otomatis, sehingga masa pakai baterai akan lebih lama. Dilengkapi juga dioda untuk proteksi kutub terbalik.
Gambar 2.5. Solar Charge Controller
2.2.1. Fungsi Solar Charge Controller
Beberapa fungsi detail dari solar charge controller adalah sebagai berikut: Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging, dan overvoltage.
Mengatur arus yang dibebaskan/ diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading.
Monitoring temperatur baterai
(Jeperson, Sefto. 2014)
2.3. Baterai
Baterai adalah alat elektro kimia yang dibuat untuk mensuplai listrik ke komponen kelistrikan. Baterai menyimpan listrik dalam bentuk energi kimia, yang dikeluarkannya bila diperlukan dan mensuplainya ke masing-masing sistem kelistrikan atau alat yang memerlukannya.
Baterai merupakan suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian energi listrik diubah menjadi energi kimia dan saat pengeluaran energi kimia diubah menjadi energi listrik.
Baterai yang digunakan adalah baterai aki ini berfungsi untuk menyimpan tegangan yang dihasilkan oleh solar cell dan dimanfaatkan kembali untuk menyalakan lampu.
2.3.1 Cara Kerja Baterai Aki
Baterai (dalam hal ini adalah aki mobil/motor/mainan) terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V = 3 x 2 V).
Gambar 2.7. Sel Baterai
Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel
tidak boleh ada yang bocor/merembes).
positif (antar pelat dipisahkan oleh kayu, ebonit atau plastik, tergantung teknologi yang digunakan) dan beberapa pelat untuk kutub negatif. Bahan aktif dari plat positif terbuat dari oksida timah coklat (PbO2) sedangkan bahan aktif dari plat negatif ialah timah (Pb) berpori (seperti bunga karang). Pelat-pelat tersebut terendam oleh cairan elektrolit yaitu asam sulfat (H2SO4).
Pada saat baterai mengeluarkan arus, oksigen (O2) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/ bersenyawa/ bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung/berubah menjadi air (H2O). Asam (SO4) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun pelat negatif sehingga menempel dikedua pelat tersebut.
Ilustrasi baterai dalam keadaan terisi penuh
Ilustrasi baterai saat mengeluarkan arus
Ilustrasi baterai dalam keadaan tak terisi (discharge) Gambar 2.8 Ion Senyawa Baterai
Air memiliki berat jenis 1 kg/dm3 (1 kg per 1000 cm3 atau 1 liter) dan asam sulfat memiliki berat jenis 1,285 kg/dm3 pada suhu 20 derajat Celcius.
Keterangan : kg = Kilogram
dm3 = Decimeter kubik = liter
cm3 = Centimeter kubik / cc (centimeter cubic) 1 dm = 1 liter = 1000 cm3 = 1000 cc
2.3.2 Cara Pengisian Baterai Aki
Ada tiga metode pengisian baterai :
1. Pengisian perawatan (maintenance charging) digunakan untuk mengimbangi kehilangan isi (self discharge), dilakukan dengan arus rendah sebesar 1/1000 dari kapasitas baterai. Ini biasa dilakukan pada baterai tak terpakai untuk melawan proses penyulfatan. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian perawatan adalah 45 mA (miliAmpere).
2. Pengisian lambat (slow charging) adalah suatu pengisian yang lebih normal. Arus pengisian harus sebesar 1/10 dari kapasitas baterai. Bila baterai memiliki kapasitas 45 Ah maka besarnya arus pengisian lambat adalah 4,5 A. Waktu pengisian ini bergantung pada kapasitas baterai, keadaan baterai pada permulaan pengisian, dan besarnya arus pengisian. Pengisian harus sampai gasnya mulai menguap dan berat jenis elektrolit tidak bertambah walaupun pengisian terus dilakukan sampai 2 - 3 jam kemudian.
3. Pengisian cepat (fast charging) dilakukan pada arus yang besar yaitu mencapai 60 - 100 A pada waktu yang singkat kira-kira 1 jam dimana baterai akan terisi sebesar tiga per empatnya. Fungsi pengisian cepat adalah memberikan baterai suatu pengisian yang memungkinkannya dapat menstarter motor yang selajutnya generator memberikan pengisian ke baterai.
2.4. Driver
adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka. Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan arus/tegangan yang besar.
Gambar 2.9. relay
Cara kerja komponen ini dimulai pada saat mengalirnya arus listrik melalui koil,lalu membuat medan magnet sekitarnya sehingga dapat merubah posisi saklar yang ada di dalam relay terserbut, sehingga menghasilkan arus listrik yang lebih besar. Disinilah keutamaan komponen sederhana ini yaitu dengan bentuknya yang minimal bisa menghasilkan arus yang lebih besar.
Pemakaian relay dalam perangkat-perangkat elektronika mempunyai keuntungan yaitu :
- Dapat mengontrol sendiri arus serta tegangan listrik yang diinginkan. - Dapat memaksimalkan besarnya tegangan listrik hingga mencapai batas
maksimalnya.
- Dapat menggunakan baik saklar maupun koil lebih dari satu, disesuaikan dengan kebutuhan.
