STUDI EKSPERIMENTAL PERFORMANSI PHOTOVOLTAIC DENGAN PENAMBAHAN CEROBONG SURYA (SOLAR CHIMNEY)

(1)

PHOTOVOLTAIC DENGAN PENAMBAHAN CEROBONG SURYA (SOLAR CHIMNEY)

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

WILLY ANDREAS HUTAURUK NIM. 140401101

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2019

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus karena oleh kasih dan pertolonganNya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini sebagai laporan dari penelitian berjudul “Studi Eksperimental Performansi Photovoltaic dengan Penambahan Cerobong Surya (Solar Chimney)”.

Skripsi ini disusun dan diajukan untuk melengkapi syarat menyelesaikan pendidikan dan mencapai gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Skripsi ini dapat diselesaikan berkat adanya dukungan dari orang-orang yang telah berperan penting dalam proses pengerjaan penelitian. Oleh karena itu pertama-tama secara khusus penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar- besarnya kepada kedua orang tua tercinta, Ir. P. Hutauruk dan Sari Siregar untuk setiap doa, nasihat, dan kesabarannya dalam mendidik penulis hingga sampai pada tahap ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

2. Bapak Terang UHSG Manik, S.T., M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Dr. Tulus Burhanuddin Sitorus, ST., MT. selaku Dosen Pembimbing, atas kesediaanya memberikan arahan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.

4. Seluruh Dosen dan Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan banyak ilmu pengetahuan kepada penulis selama masa perkuliahan.

5. Seluruh Staf Tata Usaha di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah mengerjakan urusan administrasi dengan baik selama masa perkuliahan.

6. Rekan satu tim penelitian (Team SCPP) yaitu Stefano Tumbur, Simon S.

Gultom, dan Ivan Tanta Rada Bangun yang berjuang bersama-sama dengan penulis dalam masa penelitian.

(9)

8. Theresia Magdalena Simanjuntak yang selalu setia menguatkan melalui doa dan selalu sabar dalam mendukung penulis hingga tahap ini.

9. Bapak dan Ibu Gembala serta teman-teman sepelayanan di Gereja Bethany Indonesia Tanjung Anom sebagai komunitas rohani yang selalu membina dan mendukung penulis.

10. Teman-teman satu angkatan (TM 14) yang tidak dapat penulis sebutkan satu per-satu, abang dan kakak senior beserta adik-adik junior yang turut membantu proses pengerjaan penelitian ini.

Penulis juga menyadari bahwa skripsi ini masih memiliki kekurangan baik dari isi maupun penulisannya, oleh karena itu penulis berharap adanya pengembangan melalui penelitian sejenis yang dilanjutkan oleh generasi berikutnya di masa mendatang.

Akhir kata, semoga skripsi ini dapat dimanfaatkan sebaik-baiknya untuk menumbuhkan suasana ilmiah di lingkungan Teknik Mesin FT-USU.

Medan, November 2018 Penulis,

Willy Andreas Hutauruk NIM. 140401101

(10)

Energi surya merupakan salah satu energi yang tidak terbatas ketersediannya dan tidak mencemarkan lingkungan. Salah satu pemanfaatan energi surya yaitu dengan menggunakan teknologi photovoltaic. Namun, kelemahan dari teknologi ini adalah efisiensinya yang rendah. Salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja photovoltaic yaitu temperatur panel. Salah satu solusi baru untuk meningkatkan efisiensi photovoltaic yaitu dengan menggabungkannya dengan cerobong surya.

Hasil dari penelitian ini adalah untuk mengetahui temperatur photovoltaic, daya yang dihasilkan photovoltaic, serta efisiensi photovoltaic yang ditambahkan cerobong surya dan membandingkannya dengan photovoltaic tanpa cerobong surya. Pengujian dilakukan pada pagi hari sampai sore hari selama tiga minggu untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Dari hasil penelitian diperoleh data untuk photovoltaic dengan cerobong surya adalah temperatur maksimum yaitu 63,83⁰C, daya maksimum yang dihasilkan yaitu 29,41 W, dan efisiensi maksimum yaitu 10,52 %. Sedangkan data untuk photovoltaic tanpa cerobong surya adalah temperatur maksimum yaitu 66,67⁰C, daya maksimum yang dihasilkan yaitu 26,97 W, dan efisiensi maksimum yaitu 10,01%.

Kata kunci : Energi Surya, Energi Terbarukan, Teknologi Photovoltaic, Cerobong Surya.

(11)

Solar energy is an energy that is not limited in availability and does not pollute the environment. One of the uses of solar energy is using photovoltaic technology.

However, the weakness of this technology is its low efficiency. One of the factors that influence photovoltaic performance is panel temperature. One new solution to improve photovoltaic efficiency is by combining it with a solar chimney. The results of this study were to determine the photovoltaic temperature, photovoltaic power, and photovoltaic efficiency added by solar chimneys and compare it with photovoltaic without solar chimneys. Tests are carried out in the morning until late afternoon for three weeks to get maximum results. From the research results obtained data for photovoltaic with solar chimney is the maximum temperature of 63,83⁰C, the maximum power produced is 29,41 W, and the maximum efficiency is 10,52%. While the data for photovoltaic without solar chimney is the maximum temperature which is 66,67⁰C, the maximum power produced is 26,97 W, and the maximum efficiency is 10,01%.

Keywords : Solar Energy, Renewable Energy, Photovoltaic Technology, Solar Chimney.

(12)

HALAMAN JUDUL ... i

KATA PENGANTAR ... ii

ABSTRAK ... iv

ABSTRACT ... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR LAMPIRAN ... xii

DAFTAR NOTASI ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Manfaat Penelitian ... 3

1.6 Metode Penulisan ... 4

1.7 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Energi Surya ... 6

2.2 Radiasi Energi Surya ... 6

2.2.1 Defenisi-defenisi ... 8

2.2.2 Arah radiasi ... 10

2.3 Pemanfaatan Energi Surya ... 14

2.4 Teori Dasar Photovoltaic ... 19

2.4.1 Struktur sel surya ... 19

2.4.2 Jenis-jenis panel surya ... 20

2.4.3 Faktor-faktor yang mempengaruhi peformansi sel surya ... 23

2.4.4 Mekanisme konversi energi pada photovoltaic ... 24

2.4.5 Efisiensi energi photovoltaic ... 26

2.5 Solar Chimney ... 27

2.5.1 Prinsip kerja solar chimney ... 27

2.5.2 Perkembangan solar chimney ... 29

2.6 Neraca Energi ... 32

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 33

3.1 Objek dan Variabel Penelitian ... 33

(13)

3.4.1 Tahap perencanaan ... 37

3.4.2 Tahap pembangunan ... 38

3.4.3 Tahap pengambilan data ... 38

3.5 Skematik Sistem ... 40

3.6 Diagram Alir Penelitian ... 41

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 42

4.1 Analisis Radiasi Matahari ... 42

4.2 Analisis Data Tanggal 8 November 2018 ... 44

4.2.1 Analisis radiasi teoritis ... 44

4.2.2 Perbandingan radiasi teoritis dan radiasi pengukuran ... 48

4.2.3 Analisis daya yang dihasilkan photovoltaic ... 49

4.2.4 Analisisi efisiensi photovoltaic ... 50

4.2.5 Pengaruh temperatur photovoltaic terhadap efisiensi photovoltaic ... 50

(14)

photovoltaic ... 78

4.8 Analisis Pengaruh Kondisi Cuaca Terhadap Performansi PV ... 85

4.9 Analisis Neraca Energi ... 87

4.10 Analisis Nilai Ekonomis ... 88

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 89

5.1 Kesimpulan ... 89

5.2 Saran ... 90

DAFTAR PUSTAKA ... 91

LAMPIRAN ... 93

(15)

No. Tabel Judul Halaman

2.1 Urutan Hari Berdasarkan Bulan ...7

2.2 Faktor Koreksi Akibat Iklim ...13

3.1 Spesifikasi Data Akuisisi Cole Parmer ...34

3.2 Spesifikasi Termokopel ...34

3.3 Spesifikasi kWh meter DC ...34

3.4 Spesifikasi Panel Surya (Photovoltaic) ...35

3.5 Spesifikasi Lampu Halogen ...36

3.6 Spesifikasi Hobo Microstation ...36

3.7 Spesifikasi Laptop ...37

3.8 Perencanaan Dimensi Sistem ...37

3.9 Format Tabel Pengambilan Data secara Manual ...39

4.1 Tabel Urutan Hari Berdasarkan Bulan ...42

4.2 Data Hasil Perhitungan dari Persamaan Radiasi Teoritis ...43

4.3 Data Radiasi Teoritis pada Tanggal 8 November 2018 ...48

4.4 Tabel Hasil Pengukuran Tegangan dan Kuat Arus 8 November 2018 ...49

4.15 Hasil Analisis Regresi Linier ...87

(16)

No. Gambar Judul Halaman

2.1 Hubungan Antara Matahari dan Bumi ...7

2.2 Grafik faktor persamaan waktu ...10

2.3 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ...10

2.4 Sudut deklinasi ...12

2.5 Photovoltaic ...15

2.6 Solar Cooker ...15

2.7 Solar Drier...16

2.8 Solar Ponds ...16

2.9 Solar Architecture ...17

2.10 Solar Air-Conditioning ...17

2.11 Solar Chimney ...18

2.12 Solar Distilation Water...19

2.13 Solar Power Plant ...19

2.14 Struktur Sel Surya...20

2.15 Bentuk Sel Monocrystalline ...21

2.16 Bentuk Sel Polycrystalline ...21

2.17 Sel Thin-Film...22

2.18 Armofous Silicon Solar Sel ...22

2.19 CdTe Module ...23

2.20 Pengaruh Radiasi Terhadap Tegangan dan Arus Modul Surya ...23

2.21 Pengaruh Temperatur Modul Terhadap Produksi Energi Modul Surya ...24

2.22 Prinsip Kerja Photovoltaic ...25

2.23 Skema Prinsip Kerja Solar Chimney ...28

2.24 Penelitian di Manzanares ...30

2.25 Penelitian di Irak...32

3.1 Panel Surya (Photovoltaic) ...35

3.2 Lampu Halogen ...36

3.3 Photovoltaic dengan penambahan cerobong surya ...38

3.4 Diagram Skematik ...40

3.5 Diagram Alir Penelitian ...41

4.1 Grafik perbandingan radiasi teoritis vs radiasi pengukuran ...48

4.2 Grafik hubungan temperatur photovoltaic dengan efisiensi photovoltaic ...50

4.3 Grafik perbandingan radiasi teoritis vs radiasi pengukuran ...55

(17)

4.5 Grafik perbandingan radiasi teoritis vs radiasi

pengukuran ...62 4.6 Grafik hubungan temperatur photovoltaic dengan

efisiensi photovoltaic ...64 4.7 Grafik perbandingan radiasi teoritis vs radiasi

efisiensi photovoltaic ...85 4.13 Grafik pengaruh temperatur lingkungan terhadap

temperatur PV ...86 4.14 Grafik pengaruh kelembaban lingkungan terhadap

temperatur PV ...86 4.15 Neraca energi ...88

(18)

No. Lampiran Judul Halaman

1 Data Hasil Pengujian...93

2 Hasil Analisis Regresi Linier ...118

3 Alat Ukur ...119

4 Rincian Biaya ...120

(19)

Simbol Keterangan Satuan

A Luas penampang m²

E Faktor persamaan waktu -

FF Fill Factor -

G Radiasi matahari W/m²

I Kuat arus A

P Daya W

r0,r1,rk Faktor koreksi akibat iklim -

ST Solar Time -

STD Waktu lokal -

V Tegangan V

Huruf Yunani

φ Posisi lintang ⁰

β Slope ⁰

ɳ Efisiensi %

δ Sudut deklinasi ⁰

τb fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi -

ω Sudut pergeseran semu matahari ⁰

θz Sudut zenith ⁰

Subskrip

in Masuk -

out Keluar -

(20)

1.1 Latar Belakang

Semakin bertambahnya populasi manusia berdampak pada kebutuhan energi yang semakin besar. Selain itu kemajuan teknologi juga berdampak pada kebutuhan energi yang lebih besar. Energi listrik merupakan salah satu energi yang sangat dibutuhkan oleh manusia. Hampir semua peralatan yang digunakan oleh manusia membutuhkan energi listrik.

Banyak sumber energi yang dimanfaatkan manusia untuk menghasilkan energi listrik. Baik itu melalui bahan bakar fosil, air, angin, uap, dan nuklir. Di banyak negara, sumber energi yang umumnya digunakan adalah bahan bakar fosil.

Namun, bahan bakar ini memiliki kekurangan. Selain dari ketersediaannya yang terbatas, hasil dari pembakaran bahan bakar fosil ini juga mengandung gas-gas berbahaya.

Untuk memenuhi kebutuhan akan energi listrik yang semakin bertambah, banyak peneliti yang mencari sumber energi alternatif yang dimana ketersediannya tidak terbatas dan juga tidak mencemarkan lingkungan. Salah satunya yaitu pembangkit listrik tenaga surya. Seperti yang sudah kita ketahui, cahaya matahari merupakan sumber energi yang tidak terbatas ketersediaanya dan juga tidak mencemarkan lingkungan.

Solar Photovoltaic merupakan salah satu teknologi yang dapat mengubah sinar matahari menjadi energi listrik. Efek photovoltaic pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Baru pada tahun 1877, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar [1]. Namun teknologi Photovoltaic (PV) memiliki kekurangan. Kenaikan temperatur pada panel photovoltaic akan menyebabkan turunnya efisiensi dikarenakan meningkatnya resistansi listrik internal dalam photovoltaic tersebut [2].

(21)

Beberapa penelitian sudah dilakukan untuk meningkatkan performansi photovoltaic dengan cara mendinginkan photovoltaic. Penelitian yang dilakukan menunjukkan bahwa photovoltaic yang didinginkan dengan media air dapat meningkatkan efisiensi photovoltaic sebesar 12.26 % [2] hingga 47 % [3] dari efisiensi photovoltaic pada umumnya yang berkisar antara 11 % - 17 %. Selain itu, penelitian yang memanfaatan cerobong surya untuk pendinginan photovoltaic juga telah dilakukan. Cerobong surya merupakan salah satu pemanfaatan energi surya yang dimana cerobong surya mengandalkan panas matahari untuk memanaskan cerobong yang dimana karena perbedaan tekanan yang terjadi akan membuat udara mengalir ke atas. Dari penelitian tersebut dihasilkan bahwa sistem A mampu menghasilkan daya dua kali yang lebih besar dibandingkan dengan sistem B dikarenakan photovoltaic pada sistem A memiliki temperatur yang lebih rendah dibandingkan dengan photovoltaic pada sistem B [4].

Berdasarkan penelitian-penelitian tersebut, muncullah ide untuk menggabungkan cerobong surya dengan photovoltaic dimana photovoltaic akan digunakan sebagai kolektor surya. Dengan sistem ini, diharapkan photovoltaic dapat didinginkan dengan aliran udara yang digerakkan oleh cerobong surya dan pendinginan tersebut terjadi secara alami sehingga menghasilkan efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan photovoltaic yang tidak memakai cerobong surya.

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang penelitian ini, diperoleh perumusan masalah yang akan diselesaikan yaitu sebagai berikut:

1. Berapa daya yang dapat dihasilkan oleh photovoltaic dengan penambahan cerobong surya?

2. Bagaimana performansi dari photovoltaic dengan penambahan cerobong surya dikaji dari efisiensi photovoltaic tersebut?

3. Bagaimana pengaruh temperatur photovoltaic terhadap efisiensi photovoltaic?

4. Bagaimana pengaruh kondisi cuaca terhadap performansi photovoltaic?

5. Apakah photovoltaic dengan penambahan cerobong surya lebih ekonomis dibandingkan dengan photovoltaic tanpa cerobong surya?

(22)

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Untuk mengetahui perbandingan daya yang dihasilkan photovolatic menggunakan cerobong surya dan tanpa cerobong surya.

2. Untuk mengetahui perbandingan efisiensi photovolatic menggunakan cerobong surya dan tanpa cerobong surya.

3. Untuk mengetahui pengaruh temperatur photovoltaic terhadap efisiensi photovolatic.

4. Untuk mengetahui pengaruh kondisi cuaca terhadap performansi photovoltaic.

5. Untuk mengetahui perbandingan nilai ekonomis photovolatic menggunakan cerobong surya dan tanpa cerobong surya.

1.4 Batasan Masalah

Dalam melakukan penelitian ini terdapat batasan yang harus ditetapkan karena kompleksnya fenomena yang terjadi di lapangan. Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah :

1. PV yang digunakan adalah PV 100 watt peak.

2. Sudut kemiringan PV adalah 30⁰.

3. Melakukan studi eksperimental selama 6 kali pengujian dengan rentang waktu pukul 10.00 WIB – 16.00 WIB.

4. Lokasi penelitian 3,43⁰LU dan 98,44⁰BT.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Dapat menjadi alternatif dalam peningkatan efisiensi PV.

2. Dapat digunakan untuk mengoptimalkan sumber energi dari radiasi matahari.

3. Dapat menjadi pengetahuan yang baru dalam penggunaan energi terbarukan.

(23)

1.6 Metode Penulisan

Skripsi ini dituliskan dengan menggunakan beberapa metode yaitu sebagai berikut :

1. Studi literatur, berupa proses pembelajaran awal dari berbagai sumber seperti jurnal penelitian sejenis yang sudah dilakukan, buku referensi, dan lain-lain

2. Studi internet, berupa proses pembelajaran dengan cara mempelajari setiap hal yang berhubungan dengan penelitian secara online, seperti prinsip kerja alat dan contoh desain alat yang akan dibangun.

3. Eksperimen, yaitu percobaan atau pengujian pada sistem yang telah didesain kemudian menganalisis data yang diperoleh dari pengujian.

4. Diskusi, yaitu kegiatan tanya jawab dengan dosen pembimbing dan pihak lain yang berhubungan dengan penelitian yang dilakukan.

1.7 Sistematika Penulisan

Skripsi ini dibagi dalam 5 bab dengan garis besar sebagai berikut : 1. Bab I : Pendahuluan

Bab ini adalah pendahuluan dari penelitian ini yang meliputi latar belakang, perumusan masalah, tujuan, manfaat dan metodologi penulisan.

2. Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan tentang landasan teori dari berbagai sumber yang digunakan sebagai dasar pengerjaan penelitian ini, yang meliputi energi surya, teknologi photovoltaic serta solar chimney.

3. Bab III : Metodologi Penelitian

Bab ini menguraikan tentang alur dan tahap yang dilakukan dalam penelitian yang meliputi diagram alir penelitian, tempat dan waktu penelitian, alat dan bahan yang digunakan, prosedur pengujian sistem, dan skematik sistem.

4. Bab IV : Hasil dan Pembahasan

Bab ini menjelaskan secara rinci tentang analisis data perhitungan secara eksperimental.

(24)

5. Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini adalah penutup laporan penelitian ini yang berisi tentang pernyataan kesimpulan dari analisa dan pembahasan dan saran-saran yang diperoleh setelah menyelesaikan rangkaian pengerjaan penelitian ini.

(25)

2.1 Energi Surya

Matahari merupakan salah satu sumber daya yang ketersediaannya tidak terbatas dan merupakan komponen utama penggerak kehidupan. Siklus-siklus alam yang terjadi di dunia ini semuanya melibatkan peranan matahari, baik dari akibat posisi matahari terhadap bumi, maupun akibat radiasi matahari yang sampai ke bumi. Energi surya merupakan energi yang berupa sinar dan panas dari matahari.

Energi ini dapat dimanfaatkan dalam banyak hal seperti pemanas air tenaga surya, penghasil listrik tenaga surya, dan lain-lain.

Secara umum, pemanfaatan energi surya dapat dikategorikan menjadi dua kelompok, yaitu teknologi pemanfaatan aktif dan teknologi pemanfaatan pasif.

Contoh pemanfaatan energi surya secara aktif adalah penggunaan panel photovoltaic yang dapat mengubah energi surya menjadi energi listrik. Contoh pemanfaatan energi surya secara pasif adalah penggunaan solar chimney sebagai perancangan sirkulasi udara alami pada suatu ruangan.

Matahari dapat menjadi sumber energi yang cukup untuk keperluan tenaga listrik di seluruh dunia. Namun energi yang berasal dari matahari tidak bersifat homogen. Nilainya tidak saja bergantung kepada cuaca setiap hari, namun berubah- ubah sepanjang tahun. Artinya, energi yang tersedia untuk mengoperasikan peralatan listrik juga akan berubah-ubah.

2.2 Radiasi Energi Surya

Matahari mempunyai diameter 1,39 x 10⁹ m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentk elipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya, jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49 x 10¹¹ m. Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi yaitu (Gsc) 1367 W/m². Waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi adalah sekitar 8 menit 20 detik. Berikut adalah gambar yang menunjukan hubungan antara matahari dengan bumi. [5]

(26)

Gambar 2.1 Hubungan Antara Matahari dan Bumi [5]

Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47 x 10¹¹ m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011, dan jarak terjauh terjadi pada tanggal 4 Juli dengan jarak 1,52 x 10¹¹ m. Perbedaan jarak ini menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda. Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan Gon, pada hari ke-n yang dirumuskan oleh Jhon dan Beckmann: [5]

Gon = Gsc (1,00011+0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,000719 cos 2B + 0,000077 sin 2B) ... (2.1) Dimana :

Gsc : Konstanta Surya (1367 W/m²)

n : Nilai yang diperoleh berdasarkan urutan hari yang akan diprediksi radiasinya.

Tabel 2.1 Urutan Hari Berdasarkan Bulan [6]

No Bulan Nilai n pada hari yang ke-i 1 Januari i

2 Februari 31+i

3 Maret 59+i

(27)

4 April 90+i

5 Mei 120+i

6 Juni 151+i

7 Juli 181+i

8 Agustus 212+i 9 September 243+i 10 Oktober 273+i 11 November 304+i 12 Desember 334+i

2.2.1 Defenisi - defenisi

Beberapa istilah yang biasa ditemukan pada perhitungan radiasi surya adalah:

1. Air mass (m)

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m = 1, pada sudut zenit 60⁰, m = 2. Pada sudut zenit dari 0⁰-70⁰.

M = ¹

𝐶𝑜𝑠 Ɵ𝑧 ... (2.2) 2. Beam Radiation

Adalah radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer.

Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung.

3. Diffuse radiation

Adalah radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

4. Total radiation

Adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi difusi.

5. Irradiance [W/m²]

Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut. Laju radiasi biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan intensitas radiasi.

6. Irradiation atau Radian Exposure [J/m²]

(28)

Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintergralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.

7. Solar Time atau jam matahari

Jam matahari (solar time) adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD).

Untuk mencari nilai STD digunakan persamaan yang ditetapkan oleh Duffie dan Beckman [6]:

ST = STD ± 4(Lst - Lloc) + E ... (2.3)

Dimana :

STD : Waktu lokal

Lst : Standart meridian untuk waktu lokal (^o)

Lloc : Derajat bujur untuk daerah yang dihitung (^o) ; untuk bujur timur, digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4

E : Faktor persamaan waktu

Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. Sementara E adalah persamaan waktu, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971. [6]

E = 229,2(0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B – 0,014615 cos 2B – 0,04089 sin 2B) ... (2.4) Dimana :

B : Konstanta yang bergantung pada nilai n E : Faktor persamaan waktu

(29)

Gambar 2.2 Grafik faktor persamaan waktu [5]

2.2.2 Arah radiasi

Dikarenakan garis edar semu matahari di angkasa begitu kompleks, maka dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.2 beberapa sudut untuk mendefinisikan arah radiasi matahari.

Gambar 2.3 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari [5]

(30)

Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal.

Nilai 0≤ β ≤90^o. Sudut azimut permukaan γ adalah sudut penyimpangan sinar pada bidang proyeksi dimana 0^opada selatan dan positif ke barat. Sudut penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs (solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari γs adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif.

Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi δ, yaitu sudut kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15ôdan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15ô. Artinya tepat pada pukul 12.00 siang, ω = 0, pukul 11.00 pagi ω = -15ô dan pukul 14.00, ω = 30ô

Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi [6]

δ = C1 + C2CosB + C3SinB + C4Cos2B + C5Sin2B + C6Cos3B

+ C7Sin3B ... (2.5) Dimana :

C1 : 0,006918 C5 : 0,000907 C2 : -0,399912 C6 : -0,002679 C3 : 0,070257 C7 : 0,00148 C4 : -0,006758

(31)

Gambar 2.4 Sudut deklinasi [5]

B dihitung dengan menggunakan persamaan dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada tabel 2.1

B = (n-1) x 360/365 ... (2.6) Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith.

Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.

Cos θz = Cosφ Cosδ Cosω + Sinφ Sinδ ... (2.7) Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Defenisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya.

Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15^o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15^o. [6]

ω = 15(STD-12) + (ST-STD) x ¹⁵

60 ... (2.8) dimana :

STD : Waktu Lokal ST : Solar time

(32)

ω : Sudut jam matahari (⁰)

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosfir ke permukaan bumi adalah :

τb = a0 + a1 exp ( ^−𝑘

𝑐𝑜𝑠Ɵ𝑧) ... (2.9) dimana, nilai masing-masing parameter:

ao = ro (0,4237-0,0082 (6-A)²) ... (2.10) a1 = r1 (0,5055 + 0,00595 (6,5 – A)²) ... (2.11) k = rk (0,2711 + 0,01858 (2,5-A)²) ... (2.12) A = Ketinggian dari permukaan laut (km)

r0,r1,rk = Faktor koreksi akibat iklim

Nilai faktor koreksi akibat iklim ditampilkan pada tabel 2.2 berikut ini:

Tabel 2.2 Faktor Koreksi Akibat Iklim [5]

Iklim r0 r1 rk

Tropical 0,95 0,98 1,02

Midiatude summer 0,97 0,99 1,02 Subartic summer 0,99 0,99 1,01 Midiatude winter 1,03 1,01 1,00

Beam radiation adalah radiasi matahari yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam [6]:

Gbeam = Gon τb Cos θz ... (2.13) Dimana :

Gon : radiasi yang diterima atmosfer (W/m²) τb : fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi Cos θz : cosinus sudut zenith

(33)

Gbeam : radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m²)

Diffuse radiation adalah radiasi yang dipantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatkan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari diffuse radiation adalah [6]:

Gdiffuse = Gon Cos θz (0,271- 0,294τb) ... (2.14) Dimana :

Gon : radiasi yang diterima atmosfer (W/m²) τb : fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi Cos θz : cosinus sudut zenith

Gdiffuse : radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan

Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada persamaan berikut [6] :

Gtotal = Gbeam + Gdifusi ... (2.15)

2.3 Pemanfaatan Energi Surya

Pada masa sekarang, semakin meningkatnya populasi manusia, kemajuan teknologi dan lain-lain, menyebabkan peningkatan kebutuhan akan energi pula.

Namun ketersedian akan sumber daya alam yang tidak dapat semakin lama semakin berkurang. Oleh karena itu, pemanfaatan sumber daya alam yang dapat diperbaharui seperti energi surya mulai semakin ditingkatkan. Beberapa pemanfaatan energi surya adalah sebagai berikut:

1. Pemanfaatan Photovoltaic

Photovoltaic adalah sejumlah sel surya yang dirangkai secara seri maupun paralel, untuk meningkatkan tegangan maupun arus yang dihasilkan sehingga cukup untuk pemakaian sistem satu daya beban. Untuk mendapatkan keluaran energi listrik yang maksimum maka permukaan modul surya harus selalu mengarah

(34)

ke matahari. Daya listrik yang dihasilkan photovoltaik berupa daya listrik DC yang kemudian akan dikonversikan menjadi daya listrik AC. Berikut adalah gambar dari Photovoltaic.

Gambar 2.5 Photovoltaic [6]

2. Pemanfaatan Termal

Terdapat sembilan pemanfaatan termal yang sudah dilakukan dan diterapkan dibeberapa negara, yaitu:

a. Solar Cooker

Gambar 2.6 Solar Cooker [6]

Solar cooker adalah alat memasak yang mengunakan energi surya. Solar cooker ini juga memiliki berbagai bentuk konstruksi. Beberapa bentuk memiliki

(35)

cara kerja yang sedikit berbeda, tapi pada prinsipnya solar cooker mengunakan energi surya, dan diubah menjadi energi panas untuk memasak makanan.

b. Solar Drier

Pada negara-negara berkembang, produk-produk pertanian dan perkebunan sering dikeringkan mengunakan tenaga matahari. Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan solar drier. Cara kerja alat ini adalah udara yang masuk ke dalam kolektor akan dipanaskan oleh energi surya, udara yang telah panas kemudian masuk ke dalam kotak pengering, kotak pengering inilah yang diisi produk-produk pertanian yang akan dikeringkan. Gambar 2.5 menunjukkan bagian- bagian utama solar drier.

Gambar 2.7 Solar Drier [6]

c. Solar Ponds

Solar ponds tergolong ke dalam aplikasi teknologi tenaga surya yang memiliki skala cukup besar. Cara kerja alat ini adalah garam yang mengendap di dasar dan disinari matahari akan bertambah panas. Panas ini digunakan untuk memutar turbin. Menggunakan prinsip rankine organik. Gambar 2.6 memperlihatkan konstruksi solar ponds.

Gambar 2.8 Solar Ponds [6]

(36)

d. Solar Architecture

Dalam bidang arsitektur, pemanfaatan energi surya telah dikembangkan.

Pemanfaatan dalam bidang ini sudah cukup banyak diterapkan di Jepang. Dari segi artistik juga mendapatkan tanggapan positif demikian juga dari segi pemanfaatan energi termalnya. Fungsi dari solar architecture adalah untuk membuat ruangan menjadi nyaman. Gambar 2.7 menunjukkan desain perumahan yang berdasar pada solar architecture.

Gambar 2.9 Solar Architecture [6]

e. Solar Air-Conditioning

Penggunaan air-conditioning mencapai puncaknya pada saat matahari terik atau panas. Inilah yang dimanfaatkan menjadi solar air-conditioning. Cara kerja alat ini dengan menggunakan kolektor tabung hampa panas yang memanaskan air untuk mengerakkan sebuah chiller penyerapan sinar matahari secara langsung.

Udara digunakan sebagai pendingin. Dengan teknologi ini juga, kerusakan atmosfer dapat dihindarkan. Gambar 2.8 menunjukkan bagian-bagian solar air-conditioning.

Gambar 2.10 Solar Air-Conditioning [6]

(37)

f. Solar Chimney

Solar chimney digunakan untuk ventilasi pada gedung-gedung besar.

Sirkulasi udara menjadi baik dan ruangan menjadi tidak terlalu panas. Biasanya juga digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara kerja alat ini adalah udara dipanaskan oleh energi surya. Udara yang panas akan cenderung bergerak ke atas dan keluar melalui cerobong.

Pada cerobong biasanya dipasang turbin. Udara yang bergerak ke atas akan mengerakkan turbin, sehingga menghasilkan listrik. Gambar 2.9 menunjukkan bagian-bagian utama solar chimney.

Gambar 2.11 Solar Chimney [6]

g. Solar Distilation Water

Solar distillation atau purification digunakan untuk memurnikan air maupun memisahkan air dengan garam. Cara kerja alat ini adalah air laut dipompakan setelah itu melewati kolektor, dengan panas dari energi surya ini, air akan menguap dan menyisakan garam.

Uap dikondensasikan menjadi air. Sehingga didapat dua hasil yaitu garam dan air tawar. Gambar 2.10 menunjukkan bagian-bagian solar distillation water.

(38)

Gambar 2.12 Solar Distilation Water [6]

h. Solar Power Plant

Solar power plant merupakan aplikasi dengan skala yang sangat besar, bisa diaplikasikan di daerah gurun. Dapat menghasilkan listrik dalam kapasitas yang sangat besar. Cara kerja alat ini ialah energi surya yang terpapar ke reflektor, direfleksikan ke tower yang di tengah. Dari tower itulah energi surya dikumpul dan digunakan untuk menghasilkan listrik. Gambar 2.11 ini menunjukkan solar power plant di Seville, Spanyol.

Gambar 2.13 Solar Power Plant [6]

2.4 Teori Dasar Photovoltaic 2.4.1 Struktur sel surya

Sistem photovoltaic adalah peralatan yang mengubah energi surya menjadi energi listrik. Sistem pada PV ini umumnya terdiri dari beberapa cell atau biasa disebut dengan modul. Setiap sel yang terhubung satu sama lainnya baik secara seri

(39)

maupun pararel disebut dengan photovoltaic atau panel surya. Karakteristik dari Modul Surya sendiri sangat dipengaruhi oleh faktor internal maupun faktor eksternal. [7]

Gambar 2.14 Strukur Sel Surya [8]

2.4.2 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[9]:

1. Crystalline Silikon

Bahan yang paling utama dalam pembuatan selsurya crystalline adalah silikon. Materi initidak dalambentuk murni, tetapi dalam senyawa kimia dengan oksigen dalam bentuk kuarsa atau pasir. Oksigen tidak diperlukan maka harus lebih dulu dipisahkan dari silikon dioksida.

a. Sel silikon monocrystalline

Proses Czochralski (crucible drawing process) menjadi patokan dalam produksi silikon kristal tunggal untuk penggunaan peralatan yang berhubungan dengan bumi (terrestrial). Pada proses ini, bahan dasar dari polycrystalline (polysilicon) dilelehkan di dalam suatu wadah kuarsa, pada suhu sekitar 1420 ⁰C.

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

(40)

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 didoping dengan boron menjadi tipe p sementara tipe n dibuat dengan mendoping fosfor

Gambar 2.15 Bentuk Sel Monocrystalline [9]

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-lempengan dengan ketebalan sekitar 0,3 mm dengan menggunakan gergaji kawat.Setelah pembersihan dan penambahan fosfor, lapisan anti pantul digunakan.

Gambar 2.16 Bentuk Sel Polycrystalline [9]

(41)

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 2.15

Gambar 2.17 Sel Thin-Film [9]

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 dan jam tangan. Namun seiring dengan perkembangan teknologi pembuatannya, penerapannya menjadi semakin luas. Teknik pembuatan dengan cara beberapa lapis amorfous silicon ditumpuk membentuk sel surya. Amorfous diperlihatkan pada Gambar 2.16

Gambar 2.18 Armofous Silicon Solar Sel [9]

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 2.17

(42)

Gambar 2.19 CdTe Module [9]

2.4.3 Faktor-faktor yang mempengaruhi performansi sel surya

Ada beberapa variasi faktor yang pada umumnya mempengaruhi performansi pada sel surya sehingga elemen-elemen tersebut sangat berperan satu sama lain memberikan dampaknya terhadap sel surya. Terdapat dua variasi yang mempengaruhinya yaitu [7] :

1. Radiasi pada Sel surya

Ketika radiasi dari sumber atau matahari menurun, maka arus yang dihasilkan pada sel surya juga akan menurnun, sedangkan variasi dari beban tegangan sangatlah kecil. Kecilnya energi listrik yang dihasilkan modul surya saat langit dalam kondisi mendung akan dijadikan acuan bukannya penurunan efisiensi melainkan penurunan arus listrik karena radiasi matahari yang rendah. Grafik pengaruh radiasi terhadap tegangan dan arus modul surya dapat dilihat pada gambar 2.18

Gambar 2.20 Pengaruh Radiasi Terhadap Tegangan dan Arus Modul Surya [7]

(43)

2. Temperatur Modul Surya

Kebalikan dari masalah iradiasi, ketika temperatur dari modul surya meningkat, arus yang diproduksi pada kenyataannya tetap tidak mengalami perubahan ,sebaliknya tegangan mengalami penurunan dan bersamaan dengan itu performa dari panel surya juga akan mengalami penurunan dalam produksi energi listrik. Pada umumnya, suhu pada panel surya berkerja pada standar 25⁰C dan suhu maksimum yang diterima adalah kurang lebih 80⁰C. Grafik pengaruh temperatur modul terhadap produksi energi modul surya dapat dilihat pada gambar 2.19 [7]

Gambar 2.21 Pengaruh Temperatur Modul Terhadap Produksi Energi Modul Surya [7]

Daya listrik yang dihasilkan oleh suatu panel surya tidak hanya tergantung pada besarnya intensitas radiasi yang diterimanya, namun kenaikan temperatur pada permukaan panel surya juga dapat menurunkan besar daya listtrik tersebut.

Perubahan temperatur pada panel surya selain disebabkan oleh temperatur lingkungan sekitar, juga disebabkan oleh bahan silikon. [10]

2.4.4 Mekanisme konversi energi pada photovoltaic

Konsep dasar konversi energi pada photovoltaic dari energi cahaya kemudian diubah menjadi energi listrik akibat adanya perpindahan elektron bebas di dalam suatu atom. Banyaknya elektron bebas tersebut yang berpindah tergantung pada konduktivitas elektron / kemampuan elektron dari suatu material.

(44)

Ketika sebuah foton dari suatu sumber cahaya menumbuk suatu lempengan material semikonduktor, ada tiga proses yang terjadi, yaitu [11]:

1. Foton dapat melewati bagian semikonduktor, cenderung terjadi pada foton dengan energi yang rendah

2. Foton terpantul dari permukaan

3. Foton diserap oleh lempengan semikonduktor yang menghasilkan panas atau menghasilkan pasangan elektron-lubang.

Untuk memisahkan elektron valensi dari atom semikonduktor, dibutuhkan energi foton yang cukup besar yaitu lebih besar dari celah pita lempengan semikonduktor. Terlepasnya elektron ditentukan oleh energi yang diserap dari cahaya dan ikatan antara elektron terluar dengan atom inti. Ketika elektron terlepas, elektron akan bergerak bebas di dalam bidang kristal dan elektron tersebut akan bermuatan negatif yang akan bergerak ke daerah pita konduksi dari material semikonduktor. Struktur kristal yang kehilangan elektronnya akan terbentuk suatu

“lubang (hole)” yang bermuatan positif.

Gambar 2.22 Prinsip Kerja Photovoltaic [9]

Daerah semikonduktor yang bermuatan negatif (dengan elektron bebas) akan bertindak sebagai pendonor elektron yang disebut tipe negatif (n-type). Untuk daerah semikonduktor yang bermuatan positif (dengan lubang) akan bertindak

(45)

sebagai penerima elektron disebut tipe positif (p-type). Ikatan dari kedua sisi positif dan negatif (p-n junction) menghasilkan energi listrik internal yang akan mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak kearah yang berlawanan.

Elektron akan bergerak ke sisi positif dan lubang (hole) akan bergerak ke sisi negatif. Ketika kedua sisi positif dan negatif dihubungkan dengan sebuah beban (tahanan), maka akan tercipta sebuah arus listrik.

2.4.5 Efisiensi energi photovoltaic

Berdasarkan definisinya, efisiensi energi dari sistem fotovoltaik surya (Solar Photovoltaic System/SPS) dinyatakan sebagai rasio dari daya keluar (output) maksimal dari panel surya dengan intensitas matahari / radiasi matahari yang sampai di permukaan PV. Efisiensi energi PV dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut [5][15] :

ɳ = ^{𝑃𝑜𝑢𝑡}

𝑃𝑖𝑛 x 100%...(2.16) dimana:

Pout : Daya output dari PV (W)

Pin : Daya input akibat irradiance matahari

Daya input (Pin) merupakan daya yang sampai ke photovoltaic dihitung berdasarkan data aktual yang diperoleh dari alat ukur. Daya input dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut [5][15]:

Pin = Gtotal x A……….(2.17)

Dimana:

Gtotal : Radiasi Matahari (W/m²)

A : Luas Penampang Photovoltaic (m²)

Daya keluar (output) dapat dinyatakan sebagai daya listrik yang dihasilkan oleh panel. Dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut [5][15]:

Pout = Voc x FF x Isc……….(2.18) Dimana:

(46)

Voc : Tegangan yang dihasilkan saat rangkaian terbuka (open-circuit) (Volt)

Isc : Arus yang dihasilkan saat rangkaian tertutup ( close-circuit) (Ampere)

FF : Fill Factor

Persamaan Fill Factor (FF) menggunakan parameter tegangan rangkaian terbuka (Voc) dari hasil pengukuran secara langsung pada panel surya karakteristik V-I suatu panel surya. Nilai Fill Factor biasanya terletak diantara nilai berkisar 0,7 – 0,85. Dengan catatan semakin besar nilai FF suatu panel maka semakin baik pula kinerja dari suatu panel surya tersebut, dan akan memiliki nilai efisiensi yang tinggi pula. Nilai dari fill factor dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut [5][15] :

FF = 𝑉𝑜𝑐−ln(𝑉𝑜𝑐+0,72)

𝑉𝑜𝑐+1 ………(2.19)

Dimana nilai 0,72 merupakan konstanta untuk mendapatkan hasil yang akurat.

2.5 Solar Chimney

Solar Chimney merupakan suatu sistem yang digunakan untuk ventilasi pada ruangan. Penggunaan Solar Chimney pada bangunan merupakan salah satu cara untuk meningkatkan ventilasi alami sebagai upaya untuk memperbaiki kualitas udara didalam bangunan [11]. Disisi lain Solar Chimney dapat juga digunakan untuk menghasilkan energi listrik yaitu Solar Chimney Power Plant (SCPP). Solar Chimney Power Plant terbagi menjadi tiga bagian, yaitu: kolektor, turbin, dan Chimney. Kolektor merupakan bagian yang digunakan untuk memproduksi udara panas. Turbin digunakan untuk mengubah udara menjadi energi mekanik.

Sedangkan chimney merupakan cerobong sebagai tempat udara mengalir. [12]

2.5.1 Prinsip kerja solar chimney

Prinsip kerja Solar Chimney adalah radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka pada plat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur plat menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja pada absorber. Karena adanya perbedaan temperatur,

(47)

terjadilah aliran udara secara alamiah, dari udara bertemperatur tinggi ke udara bertemperatur rendah. [13]

Gambar 2.23 Skema Prinsip Kerja Solar Chimney [13]

Pada gambar 2.4 diatas dapat dijelaskan sebagai berikut, pada poin (a) udara masuk ke sistem Solar Chimney, pada poin (b) udara menjadi panas, sehingga terjadi aliran udara karena perbedaan kerapatan (density), dan kemudian poin (c) aliran udara dihambat dengan sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energi mekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d) dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat udara tersebut.

Adapun dua prinsip yang menjadi dasar mendesain Solar Chimney menurut Autodesk Sustainability Workshop, yaitu [14]:

1. Stack Ventilation, yang menyatakan bahwa udara dapat bergerak keatas karena adanya perbedaan temperatur. Udara yang lebih panas terangkat karena memiliki tekanan dan kerapatan yang lebih rendah dari pada udara yang lebih dingin. Biasanya efek ini disebut juga dengan Stack effect atau Bouyancy Ventilation.

2. Bernoulli’s Principle, yang menyatakan bahwa udara dapat digerakkan ke atas oleh perbedaan kecepatan. Hal ini sesuai dengan hukum Bernoulli’s “Semakin cepat udara bergerak, semakin rendah

(48)

tekanannya”, Sehingga udara yang lebih rendah tekanannya akan terangkat ke atas.

Adapun beberapa syarat yang perlu diperhatikan dalam mendesain Solar Chimney untuk aplikasi ventilasi ruangan adalah posisi, ketinggian, jarak dari ruangan, dan bentuknya. Posisi Solar Chimney harus diperhitungkan sedemikian rupa sehingga menerima pancaran sinar matahari. Ketinggian Solar Chimney juga harus sebanding dengan volume ruangan yang akan digunakan. Membangun Solar Chimney setinggi mungkin juga tidak akan memberikan hasil yang lebih maksimal.

Salah satu cara untuk memaksimalkan pergerakan udara di dalam chimney yaitu dengan melapisi dinding chimney dengan cat hitam. Adanya lapisan cat hitam akan membuat dinding chimney semakin banyak menyerap radiasi matahari sehingga udara di dalam chimney akan lebih cepat panas dan terangkat ke atas.

2.5.2 Perkembangan solar chimney

Teknologi Solar Chimney mengalami perkembangan yang semakin baik hingga sekarang ini. Peneliti dari Indonesia maupun negara lain sudah banyak melakukan percobaan dalam bidang Solar Chimney [12] meneliti tentang Rancang Bangun Solar Chimney Sebagai Alat Pengkonversian Energi Surya Menjadi Energi Mekanik Dengan Kolektor Bersirip.

Penelitian tentang teknologi Solar Chimney telah dilakukan di berbagai negara. Penelitian dilakukan dengan berbagai tujuan. Tujuan umum penelitian yang dilakukan adalah untuk mencari energi alternatif yang dapat digunakan untuk kepentingan di negaranya sendiri maupun sampai ke luar negeri. Berikut ini beberapa penelitian tentang teknologi Solar Chimney:

1. Manzares Prototype

Penalitian terdahulu tentang teori dan eksperimen terowongan angin mendorong pada uji coba pembangkit dengan daya 50 kW pada Spanish utility union Electica Fenosa di Manzanaras sekitar 150 km sebelah selatan kota Madrid pada tahun 1981-1982^[16] dengan dana yang disediakan oleh Kementrian Riset dan Teknologi Jerman. Tujuan dari penelitian ini sudah diverifikasi, melalui pengukuran langsung di lapangan, kinerja sistem yang dihitung berdasarkan teori, untuk menguji pengaruh komponen pada daya keluaran sistem dan juga efisiensi pada

(49)

kondisi cuaca yang sebenarnya. Hasilnya menunjukkan bahwa komponen sistem tersebut dapat diandalkan dan pembangkit tersebut secara keseluruhan mampu melakukan operasi yang handal.

Gambar 2.24 Penelitian di Manzanares [17]

2. Teknologi Surya di Nigeria

Penelitian mengenai penggunaan Solar Chimney Power Plant juga dilakukan di Nigeria [18] . Nigeria yang geografisnya terletak pada 3⁰ – 14ô BT dan 4ô-14ô LU memiliki 160 juta penduduk dengan luas wilayah 923.768 km². Nigeria memiliki potensi energi matahari yang sangat besar. Hal tersebut yang mendorong terciptanya pembangkit listrik tenaga surya. Penggunaan Solar Chimney Power Plant bertujuan untuk mengurangi emisi CO2 dari pembangkit listrik tenaga batu bara yang biasanya mengeluarkan 0,95 kg CO2 per kWh dari listrik yang dihasilkan. Potensi lainnya dari nigeria yaitu pada musim kering dimana lamanya sinar matahari hingga 9 jam, dengan radiasi 7 kW/m² perharinya.

3. Solar Chimney di Uni Emirat Arab

Model analisis pembangkit surya di Teluk Arab dilakukan untuk menghitung pengaruh geometri dari pembangkit tersebut [19]. Hasilnya menunjukkan bahwa ketinggian dari Chimney (cerobong) dan tekanan turbin merupakan hal yang paling penting dalam mendesain solar

(50)

chimney. Hasil penelitian menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan meningkat seiring dengan bertambahnya tinggi Chimney dan atau diameter chimney. Model yang dikembangkan digunakan untuk menganalisis kelayakan Solar Chimney Power Plant untuk iklim di UEA yang memiliki karakteristik khas. Suatu Solar Chimney Power Plant dengan tinggi chimney 500 m, dan diameter kolektor 1000 m, akan menghasilkan daya sebesar 8 MW.

4. Solar Chimney di China

Perpindahan panas yang digunakan untuk membandingkan kinerja Solar Chimney Power Plant yang konvensional dan dua solar Chimney yang memiliki kemiringan dengan kolektor pada 30⁰C dan 60⁰C, masing masing dikembangkan di China [20]. Solar chimney power plant di daerah juga dikembangkan. Hasilnya menunjukkan bahwa semakin besar sudut kolektor meningkatkan kinerja pada musim dingin tetapi kinerjanya berkurang pada musim panas. Sudut kolektor yang optimal di Lanzhou, China yaitu sekitar 60⁰C. Faktor utama yang mempengaruhi kinerja dari SCPP yaitu ketinggian Chimney dan juga kondisi udara.

Kehilangan panas, refleksi radiasi matahari, dan kerugian gesekan pada Chimney merupakan kerugian utama dalam Solar Chimney Power Plant.

5. Teknologi Surya di Algeria

Penelitian di Algeria tentang analisis sistem pendingin pasif untuk tempat tinggal [21]. Hal ini berkaitan dengan kinerja Solar Chimney, geometri dan kondisi lingkungan. Lokasi penelitian berada di wilayah selatan Aljazair, lokasi ini dipilih karena temperatur dan radiasi matahari yang baik. Distribusi temperatur kaca, laju aliran massa dalam Chimney, suhu dinding intenal dan perubahan suhu setiap jam menjadi parameter yang perlu dipertimbangkan. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kecepatan udara meningkat ketika lebar saluran mengecil. Radiasi matahari merupakan parameter penting dalam analisis kinerja dari Solar Chimney dan celah antara kaca dengan plat absorber juga menjadi parameter yang penting.

6. Penelitian tentang desain baru solar chimney di Irak

(51)

Penelitian ini membahas tentang desain solar chimney yang digabungkan dengan photovoltaic. Fungsi solar chimney adalah sebagai pendingin PV. Dengan membuat 2 sistem yang berbeda, maka diihasilkan bahwa sistem B yang memiliki temperatur PV yang lebih rendah, menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan sistem A.

Gambar 2.25 Penelitian di Irak [4]

2.6 Neraca Energi

Neraca energi adalah cabang keilmuan untuk

mempelajari kesetimbangan energi dalam sebuah sistem.[22] Neraca energi dibuat berdasarkan pada hukum pertama termodinamika. Hukum pertama ini menyatakan kekekalan energi, yaitu energi tidak dapat dimusnahkan atau dibuat, hanya dapat diubah bentuknya. Perumusan dari neraca energi suatu sistem mirip dengan perumusan neraca massa. Namun, terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu suatu sistem dapat berupa sistem tertutup namun tidak terisolasi (tidak dapat terjadi perpindahan massa namun dapat terjadi perpindahan panas) dan hanya terdapat satu neraca energi untuk suatu sistem (tidak seperti neraca massa yang memungkinkan adanya beberapa neraca komponen). Suatu neraca energi memiliki persamaan:

Ein = Eout + Eloss………..(2.20)

(52)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Objek dan Variabel Penelitian

Objek yang menjadi titik pusat penelitian ini adalah peningkatan efisiensi photovoltaic yang ditambahkan cerobong surya. Penilitian ini dikategorikan berhasil apabila dihasilkan efisiensi photovoltaic yang ditambahkan cerobong surya lebih tinggi dibandingkan dengan photovoltaic tanpa penambahan cerobong surya.

Variabel dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut :

1. Variabel bebas : Temperatur photovoltaic, radiasi matahari dan kondisi cuaca.

2. Variabel terikat : Tegangan dan kuat arus dari photovoltaic.

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan mulai tanggal 24 September 2018 sampai dengan 22 November 2018. Lokasi penelitian ini bertempat di lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan.

3.3 Peralatan Pengujian

Dalam pembangunan sistem, terdapat beberapa alat dan bahan yang dibutuhkan yaitu besi siku, plat alumunium, rockwool, triplek, cat besi hitam dan alumunium tape. Adapun alat yang digunakan untuk tahap pengujian yaitu sebagai berikut :

1. Data Akuisisi Cole Parmer

Data Akuisisi berfungsi mengambil data dari sensor termokopel dan mengubahnya ke sinyal listrik sehingga dapat dibaca oleh komputer. Pada penelitian ini, data akuisisi yang digunakan adalah Cole Parmer untuk membaca sensor temperatur termokopel.

(53)

Tabel 3.1 Spesifikasi Data Akuisisi Cole Parmer

Model Cole Parmer 18200-40

Jumlah channel temperatur 7 Channel Tegangan input termokopel ±0.080V

Konektor data output USB 2.0

Konektor sensor Screw terminal

2. Termokopel tipe J

Termokopel digunakan sebagai sensor untuk membaca temperatur pada photovoltaic. Termokopel dipasang pada bagian bawah photovoltaic.

Tabel 3.2 Spesifikasi Termokopel Spesifikasi Termokopel Tipe J Jangkauan ukur -40 – 750 °C

Sensivitas 52 μV/°C Maksimum error ±0,643 3. kWh meter DC

kWh meter DC digunakan untuk mengukur tegangan dan kuat arus yang dihasilkan photovoltaic. Selain itu alat ini juga bisa mengukur daya dan energi yang dihasilkan oleh photovoltaic.

Tabel 3.3 Spesifikasi kWh meter DC

Tipe PAEM-031

Tegangan kerja 6,5 – 100 VDC

Tegangan uji 6,5 – 100 VDC

Nilai daya 20 A / 200 W

Akurasi pengukuran 1.0 kelas

Ukuran (p x l x t) (mm) 89,6 x 49,6 x 24,4 Layar LCD (p x l) (mm) 51 x 30

(54)

4. Panel Surya (photovoltaic)

Panel surya yang digunakan adalah 1 buah panel surya dengan daya output 100 Wp, dimana panel akan diukur secara bergantian yakni dengan penambahan cerobong surya selama 3 kali dan tanpa penambahan cerobong surya selama 3 kali juga.

Tabel 3.4 Spesifikasi Panel Surya (Photovoltaic)

Model SA 100 - 72M

Max Power 100 W

Max Power Voltage 18,9 V

Max Power Current 5,3 A

Open Circuit Voltage 22,7 V

Short Circuit Current 5,8 A

Berat 7,3 kg

Dimensi (mm) 1032 x 676 x 25

Temperature Range -40⁰C – 85⁰C

Gambar 3.1 Panel Surya (Photovoltaic) 5. Lampu Halogen

Lampu ini digunakan sebagai beban pada pengujian. Daya yang diperoleh dari photovoltaic akan digunakan untuk menyalakan lampu, sehingga nilai tegangan dan kuat arus dapat dilihat melalui kwh meter DC.

(55)

Tabel 3.5 Spesifikasi Lampu Halogen

Jenis Lampu Halogen H4

Daya 90 W untuk lampu dekat

130 W untuk lampu jauh

Gambar 3.2 Lampu Halogen 6. Alat Ukur Cuaca (Hobo Microstation Data Logger)

Alat ukur cuaca digunakan untuk mengukur radiasi matahari dengan sensor pyranometer. Selain itu alat ini juga dapat mengukur kecepatan angin, temperatur, dan kelembaban udara sekitar. Alat ini nantinya akan terhubung ke komputer untuk diolah datanya.

Tabel 3.6 Spesifikasi Hobo Microstation

Skala pengoperasian 20⁰C – 50⁰C dengan baterai alkalin 40⁰C – 70⁰C dengan baterai litium Input prosesor 3 buah sensor pintar multi channel

monitoring

Dimensi 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

Berat 0,36 kg

Memori 512 Kb Penyimpanan data

nonvolati flash Interval pengukuran 1 detik – 18 jam

Akurasi Waktu 0 -2 detik

(56)

7. Laptop

Laptop digunakan untuk menyimpan data dari Hobo microstation data logger serta data dari data akuisisi Cole Palmer.

Tabel 3.7 Spesifikasi Laptop

Processor Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU @ 2,20GHz (4 CPUs), ~2,2Ghz

RAM 8,00 GB

Display Card Intel(R) HD Graphics 5500 4,00 GB Operating System Windows 10 Pro 64-bit

3.4 Prosedur Pengujian 3.4.1 Tahap perencanaan

Tahap awal dari penelitian ini adalah perencanaan sistem yang akan dibangun. Perencanaan sistem diawali dengan diskusi tentang jurnal penggabungan cerobong surya pada photovoltaic untuk mengetahui kebutuhan perancangan, kemudian dilanjutkan dengan perencanaan dimensi dan material sistem serta lokasi penelitian.

Pertimbangan dalam pemilihan jenis material cerobong surya adalah plat cerobong surya harus memiliki konduktivitas termal dan daya emisivitas yang baik sehingga kinerjanya lebih efisien. Selain itu, dinding cerobong surya perlu dicat hitam agar dapat menyerap radiasi matahari lebih banyak. Setelah itu dilakukan perencanaan dimensi pada sistem yang akan dibangun.

Tabel 3.8 Perencanaan Dimensi Sistem

Bagian sistem Dimensi

Tinggi cerobong surya 2 m

Panjang cerobong surya 0,68 m Lebar cerobong surya 0,1 m Tinggi photovoltaic dari tanah 1,5 m Kemiringan photovoltaic 30⁰

(57)

Kemudian, dilakukan diskusi mengenai lokasi penelitian. Atas beberapa pertimbangan yang didiskusikan, maka ditentukanlah lokasi penelitian di lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

3.4.2 Tahap pembangunan

Proses pembangunan sistem menggunakan waktu sekitar dua minggu.

Proses pembangunan ini meliputi beberapa tahap sebagai berikut :

1. Pembuatan rangka cerobong surya dan photovoltaic menggunakan besi siku sesuai dengan desain yang sudah dirancang.

2. Pemasangan plat alumunium sebagai plat cerobong surya.

3. Pengecatan dinding cerobong surya dengan cat hitam.

4. Pemasangan cerobong surya pada rangka photovoltaic.

5. Pemasangan photovoltaic pada rangka sistem.

6. Pemasangan perlengkapan alat ukur (kWh meter).

Berikut ini adalah hasil akhir sistem yang sudah dibangun.

Gambar 3.3 Photovoltaic dengan Penambahan Cerobong Surya 3.4.3 Tahap pengambilan data

Pengujian sistem yang dilakukan pada penelitian ini terbagi menjadi dua, yaitu :

a. Pengujian pada photovoltaic yang ditambahkan cerobong surya sebanyak 3 kali.