2.1. Sel Surya
Sel surya di definisikan sebagai teknologi yang menghasilkan listrik dc dari suatu bahan semikonduktor ketika dipaparkan oleh cahaya. Selama bahan semikonduktor tersebut dippaparkan oleh cahaya maka sel surya akan selalu menghasilkan energy listrik. Dan ketika tidak di paparkan oleh cahaya, sel surya berhenti menghasilkan energy listrik (hegedus & Luque, 2003).
Umumnya satu sel surya komersial ketika di sinari menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu.
Gambar 2.1 Ilustrasi Sel Surya ( Sumber : Nelson 2005 )
2.1.1. Prinsip Kerja Modul Surya
Pada perubahan atau konversi cahaya matahari terjadi saat cahaya matahari mengenai permukaan sel surya yang disebut photoelectric. Proses photoelectric terjadi karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor yang terdiri dari dua jenis semikonduktor yaitu lapisan tipe negative (n) dan lapisan tipe positive (p) yang tereksitasi dan menimbulkan aliran listrik akibat foton yang terkandung dalam energi matahari pada permukaan sel surya.
Konstruksi sel surya dibuat berbentuk panel-panel yang dilapisi plastic atau kaca bening yang berukuran tertentu dan kedap air. Hal ini dikarenakan sel surya terbuat dari bahan yang mudah pecah dan berkarat. Hasil pengkonversian energi listrik dari panel surya dapat langsung digunakan dan juga dapat disimpan sementara pada sebuah baterai atau accu. Energi listrik yang dihasilkan oleh sel surya berupa energi listrik dengan arus searah (DC). Hasil konversi energi dari sel surya ini juga
dapat digunakan untuk menyuplai beban dengan arus bolak-balik (AC) dan alat yang digunakan untuk mengubah energi listrik arus searah (DC) menadi arus bolak-balik (AC) tersebut adalah converter.
Penyerapan energi dari intensitas cahaya yang diterima oleh sel surya berbeda-beda tergantung dari posisi matahari dan cahaya yang mengenai permukaan sel surya. Penyerapan sinar matahari akan sangat optimal untuk menghasilkan energi listrik pada saat cahaya matahari sangat terik. ada saat sinar matahari terik. Sedangkan akan sedikit kurang optimal untuk menghasilkan energy listrik pada saat matahari terhalangi oleh awan atau saat mendung dan turun hujan.
2.1.2. Karakteristik Solar Cell
Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silikon yang berperan sebagai insulator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Sebuah Silikon Sel Surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari 3 lapisan atas silikon tipe n (silicon doping of“phosphorous”), dan lapisan bawah silikon tipe p (silicon doping of “boron”). Elektron-elektron bebas terbentuk dari milion photon atau benturan atom pada lapisan penghubung (junction= 0.2-0.5 micron ) menyebabkan terjadinya aliran listrik.
Sebuah Sel Surya dalam menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari menjadi photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang Silikon, dan secara konstan akan menghasilkan energi berkisar ± 0.5 volt
— max. 600 mV pada 2 amp , dengan kekuatan radiasi solar matahari 1000 W/m2 = ”1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm2 per sel surya. Pada Gambar 2.2 grafik I-V Curve dibawah yang menggambarkan keadaan sebuah Sel Surya beroperasi secara normal. Sel Surya akanmenghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan Im juga maximum. Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt = nol; Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar matahari. Voc adalah volt maximum pada nilai arus nol; Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari, karakter ini yang memungkinkan Sel Surya untuk mengisi accu.
Gambar 2.2 Rangkaian Persamaan Sel Surya (Wulandari Triyas Ika, 2010) Persamaan dari rangkaian di atas adalah:
……….………(2.1)
Dimana :
n=faktor ideal dioda (bernilai 1 untuk dioda ideal) q=pengisian electron (1.602·10-19 C)
k=konstanta Boltzman (1.3806.10-23 J.K-1) T=temperatur solar sel (o K)
Gambar 2.3 kurva I-V (Strong, Steven J, The Solar Electric House, p. 58) Keterangan:
Isc = Short-circuit current Vsc = Open-circuit voltage Vm = Voltage maximum power Im = Current maximum power
Pm = Power maximum-output dari PV array (watt)
Sebuah Sel surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap normal (pada 25 derajat celsius), kenaikan temperatur lebih tinggi
dari temperature normal pada PV sel akan melemahkan voltage (Voc). Setiap kenaikan temperatur sel surya 1 derajat celsius (dari 25 derajat) akan berkurang sekitar 0.4 % pada totaltenaga yang dihasilkan 8 atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur sel per 10 derajad C. Gambar 2.8 merupakan grafik pengaruh temperatur pada solar cell dalam °C.
Gambar 2.4 Grafik Arus Terhadap Temperatur (Wulandari Triyas Ika, 2010) Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariable, dan sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt. Gambar 2.9 merupakan grafik pengaruh temperatur pada solar cell dalam W/m2.
Gambar 2.5 Grafik Arus Terhadap Tegangan (Wulandari Triyas Ika, 2010) Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV array dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array. Keadaan atmosfir bumi—berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara (Rh), kabut dan polusi sangat mementukan hasil maximum arus listrik dari deretan PV. Orientasi dari rangkaian PV (array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan PV dapat menghasilkan energi maximum. Selain arah orientasi, sudut orientasi (tilt angle) dari panel/deretan PV juga sangat mempengaruhi hasil energi maximum (lihat penjelasan tilt angle). Sebagai guidline: untuk lokasi yang terletak di belahan utara latitude, maka panel/deretan PV sebaiknya diorientasikan ke Selatan, orientasi ke timur—barat walaupun juga dapat menghasilkan sejumlah energi dari panel-panel/deretan PV, tetapi tidak akan mendapatkan energi matahari optimum. Pada gambar 2.5 tilt angle
(sudut orientasi matahari) mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maximum ± 1000 W/m2 atau 1 kW/m2. Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan bidang PV, maka extra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap sun altitude yang berubah setiap jam dalam sehari).
2.1.3. Jenis Panel Surya
Berdasarkan jenis dan bentuk susunan atom-atom penyusunnya, solar sel dapat dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu :
1. Monokristal (Mono - crystalline)
Merupakan jenis sel surya yang paling efisien yang dihasilkan dengan teknologi terkini dan menghasikan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Monokristal dirancang untuk penggunaan yang memerlukan konsumsi listrik besar pada tempat - tempat yang beriklim ekstrim dan dengan kondisi alam yang sangat ganas. Panel surya monokristal memiliki efisiensi sampai dengan 14 – 18%, tetapi panel surya enis monokristal ini idak akan berfungsi dengan baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), sehingga efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.
Gambar 2.6 Panel Surya Jenis Monokristal 2. Polikristal (Poly-crystalline)
Merupakan jenis sel surya yang memiliki susunan kristal acak karena dipabrikas dengan proses pengecoran. Jenis sel surya tipe polikristal ini memerlukan luas permukaan yang lebih besar dari sel surya jenis monokristal untuk dapat menghasilkan daya listrik yang sama. Panel surya jenis ini memiliki efisiensi yang lebih rendah dibandingkan dengan jenis monokristal, tetapi dapat menghasilkan energi listrik pada saat mendung.
3. Amorphous
Merupakan jenis sel surya yang memiliki bentuk yang pasti dan tidak didefinisikan sebagai bahan non-kristal, dimana susunan atomnya tidak teratur Berbeda dengan silikon kristal yang susunan atomnya teratur. Sehingga aktivitas timbal balik antara font dan atom silikon lebih sering teradi pada silikon amorf dibandingkan silikon kristal dan memungkinkan lebih banyak cahaya yang dapat diserap. Panel surya jenis amorphous mempunyai efisiensi sekitar 4-6% dan banyak digunakan pada benda sehari-hari seperti pada mainan anak-anak, jam, dan kalkulator karena panel surya jenis amorphous berbentuk film tipis.
Gambar 2.8 Panel surya jenis amorphous 2.2. Battery Charge Controler
Battery Charge Controler adalah peralatan yang mengatur aliran listrik antara array, baterai, dan beban. Algoritma charge controller dan besarnya arus pengisian harus disesuaikan dengan baterai yang digunakan dalam sistem. Kualitas charge controller yang baik memungkinkan untuk mengatur regulasi
tengangan, kompensasi temperatur, dan pemerataan charging pada selang waktu tertentu untuk baterai lebih dari satu. Tujuan utama dari charge controller adalah untuk melindungi baterai dari kerusakan dari pengisian atau pemakaian yang berlebihan (Foster dkk, 2010).
Beberapa fungsi detail dari Charge controller adalah sebagai berikut:
1. Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging, dan overvoltage.
2. Mengatur arus yang dibebaskan/ diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading.
Charge controller yang baik biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah penuh terisi maka secara otomatis pengisian arus dari panel surya / solar cell berhenti. Cara deteksi adalah melalui monitor level tegangan batere. Solar charge controller akan mengisibaterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan drop, maka baterai akan diisi kembali. Ada dua jenis teknologi yang umum digunakan oleh solar charge controller:
1. PWM (Pulse Wide Modulation), seperti namanya menggunakan 'lebar' pulse dari on dan off elektrikal, sehingga menciptakan seakan-akan sine wave electrical form.
2. MPPT (Maximun Power Point Tracker). MPPT dapat mengambil maximun daya dari PV. MPPT charge controller dapat menyimpan kelebihan daya yang tidak digunakan oleh beban ke dalam baterai, dan apabila daya yang
dibutuhkan beban lebih besar dari daya yang dihasilkan oleh PV, maka daya dapat diambil dari baterai. (www.panelsurya.com )
Gambar 2.9.Bateray charge controller 2.3. Baterai
Baterai adalah komponen PLTS yang berfungsi menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh PV module pada siang hari, untuk kemudian dipergunakan pada malam hari dan pada saat cuaca mendung. Baterai yang dipergunakan pada PLTS mengalami proses siklus mengisi (charging) dan mengosongkan (discharging), tergantung pada ada atau tidaknya matahari. Selama ada sinar matahari, PV module akan menghasilkan energi listrik. Apabila energi listrik yang dihasilkan tersebut melebihi kebutuhan bebannya, maka energi listrik tersebut akan segera dipergunakan untuk mengisi baterai. Proses pengisian dan pengosongan disebut satu siklus baterai.
Ada dua jenis baterai isi ulang yang dapat dipergunakan untuk system PLTS, yaitu baterai Asam Timbal (Lead-Acid) dan baterai Nickel-Cadmium. Akan tetapi karena memiliki effisiensi yang rendah dan biaya yang lebih tinggi,
membuat baterai nickel-cadmium relatif lebih sedikit dipergunakan dalam system PLTS. Sebaliknya baterai Asam Timbal adalah baterai dengan effisiensi tinggi dengan biaya yang lebih ekonomis. Hal ini membuat baterai Asam Timbal menjadi perangkat penyimpan yang penting untuk beberapa tahun ke depan, terutama untuk sistem PLTS ukuran menengah dan besar. Kedua jenis baterai tersebut mempunyai komponen yang hampir sama, hanya saja berbeda dalam jenis elektroda yang dipakai dalam jenis elektrolit yang digunakan untuk membangkitkan reaksi elektrokumia. Lead-acid battery menggunakan lempengan yang terbuat dari lead dan sebagai elektrolitnya digunakan H2SO4 (asam sulfur) yang sama seperti pada accu serta memiliki efisiensi 80% dengan max depth of cycles diatas 80%. Sedangkan nickel-cadmium battery menggunakan cadmium sebagai elektroda negatif dan nickel sebagai elektroda positif, sedangkan elektrolitnya dipakai protasium hidroksida dan memiliki efisiensi 70%. Kapasitas baterai umumnya dinyatakan dalam Ampere hour (Ah). Nilai Ah pada baterai menunjukan nilai arus yang dapat dilepaskan, dikalikan dengan nilai waktu untuk pelepasan tersebut. Baik lead-acid baterai maupun nickel-cadmium baterai secara umum mempunyai 4 bagian penting. Keempat bagian tersebut mempunyai fungsi yang berbeda-beda yang menunjang proses penyimpanan energi maupun pengeluaran energi. Empat bagian penting tersebut terdiri dari :
1. Elektroda
2. Pemisah atau separator 3. Elektrolit
4. Wadah sel atau baterai
Pada saat mendisain kapasitas baterai dalam sistem PLTS penting juga untuk menentukan ukuran hari – hari otomoni (days of otonomy). Suatu ketentuan yang membatasi tingkat kedalaman pengosongan maksimum, diberlakukan pada baterai. Tingkat kedalaman pengosongan (Depth of Discharge) baterai biasanya dinyatakan dalam persentase. Suatu baterai memiliki DOD 80%, ini berarti bahwa hanya 80% dari energi yang tersedia dapat dipergunakan dan 20% tetap berada dalam cadangan. Pengaturan DOD berperan dalam menjaga usia pakai (life time) dari baterai tersebut. Semakin dalam DOD yang diberlakukan pada suatu baterai maka semakin pendek pula siklus dari baterai tersebut
2.4. Inverter
Inverter merupakan alat yang digunakan untuk mengubah arus listrik searah (DC) menjadi arus listrik bolak balik (AC). Prinsip fundamental dari operasi sebuah inverter adalah terhentinya sebuah tegangan searah secara periodic untuk menghasilkan sebuah gelombang kuadrat. Inverter banyak digunakan dalam industri sebagai elemen dasar, dalam sistem yang besar dan kompleks, misalnya dalam mengkonversi arus searah DC, dari perangkat seperti batere, panel surya atau solar cell menjadi arus listrik bolak-balik AC. Berikut blok diagram dari inverter :
Gambar 2.11 Blok diagram inverter
Pada dasarnya inverter adalah alat yang membuat tegangan bolak-balik dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk gelombang sinusoida, melainkan gelombang persegi. Pembentukan tegangan AC tersebut dilakukan dengan menggunakan dua buah pasang saklar. Berikut ini adalah gambar yang menerangkan prinsip kerja inverter dalam pembentukan gelombang tegangan persegi.
Gambar 2.12 Prinsip Dasar Inverter
Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti ditunjukkan pada diatas. Bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah sakelar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Inverter biasanya menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation – PWM) dalam proses conversi tegangan DC menjadi tegangan AC.
Pembentukkan gelombang saklar dapat dilihat dari gambar berikut:
Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan inverter:
1. Kapasitas beban dalam Watt, usahakan memilih inverter yang beban kerjanya mendekati dgn beban yang hendak kita gunakan agar effisiensi kerjanya maksimal
2. Input DC 12 Volt atau 24 Volt
