BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Panel Surya

Panel surya adalah salah satu perangkat yang bisa merubah suatu energi cahaya matahari menjadi sebuah energi listrik. Rangkaian panel surya terdiri dari sel surya yang disusun menjadi seri atau pararel. Sel surya bisa disebut juga sel photovoltaic mempunyai bahan silikon yang menghasilkan sebuah arus listrik dan tegangan listrik bila dikenakan cahaya. Agar energi menyerap, panel surya bergantung pada efek photovoltaic. Penyerapan tersebut menyebabkan adanya arus yang mengalir diantar dua lapisan bermuatan yang saling berlawanan. Untuk mengukur kinerja panel surya, ada suatu modul matematis yang dikembangkan untuk menirukan karakteristik panel surya.[5]

Gambar 2. 1 Rangkaian Model Panel Surya

Dari gambar 2.1 dijelaskan dalam persamaan matematis berikut ini : 𝐼 = 𝐼_𝑝ℎ− 𝐼_𝑆(exp⁡𝑞(𝑉 + 𝐼𝑅_𝑆)

𝑁𝐾𝑇 − 1) −𝑉 + 𝐼𝑅_𝑆 𝑅_𝑠ℎ Keterangan :

• 𝐼_𝑝ℎ = Arus photovoltaic

• 𝑞 = Muatan elektron (1.602 x 10⁻¹⁹C)

• N = Faktor ideal panel surya

• K = Konstanta Boltman (1.38 x JK⁻¹)

• 𝐼_𝑠 = Arus saturasi diode

6

Untuk mencari nilai 𝐼_𝑝ℎ dapat dicari menggunakan persamaan 2 :

I_ph = (I_sc+ K_i(T − 298)) 𝛽 1000 Keterangan :

• 𝐼_𝑠𝑐 = Arus hubung singkat

• 𝑇 = Tempratur panel surya dalam derajat kelvin

• 𝐾_𝑖 = Koefisian suhu arus hubung singkat (0,0017A/°C)

• 𝛽 = Radiasi matahari (W/𝑚²)

Arus saturasi diode dapat dihitung dengan memakai persamaan berikut :

𝐼_𝑆 = 𝐼_𝑟𝑆( 𝑇 𝑇_ref )

3

exp⁡ (( 𝑇

𝑇_ref − 1)𝑞 ⋅ 𝐸_𝑔 𝑇𝐾𝑁 Keterangan :

• 𝐼_𝑟𝑠 = Arus saturasi diode temperature 298

• 𝐸_𝑔 = Jarak energi dalam bahan semikonduktor

2.1.1 Prinsip Kerja Panel Surya

Prinsip kerja sel surya menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor terdiri dari ikatan atom yang dimana terdapat electron dari penyusunan dasar. Semi konduktor tipe-n memiliki kelebihan elektron (muatan negatif) dibandingkan semikonduktor tipe-p yang memiliki kelebihan hole (muatan positif) distruktur atomnya. Kelebihan elektron dan hole bisa terjadi dengan mendoping material atom dopant. Contoh untuk mendapatkan material serial tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Seperti ilustrasi junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n pada gambar 2.2.

7

Gambar 2. 2 Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron)

P-N junction dsini memiliki peran sebagai pembentuk medan listrik sehingga elektron dan hole bisa menghasilkan listrik yang diestrak dari material kontrak. Jika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak yang mengakibatkan kelebihan elektron dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p akan bergerak sehingga membuat semikonduktor tipe-n berubah menjadi kutub positif, dan semikonduktor tipe-p pun berubah menjadi kutub negative.

Terbentuknya medan listrik yang di akibatkan oleh aliran elektron dan hole terjadi ketika susunan p-n junction terkena cahaya matahari yang mengakibatkan bergeraknya elektron dari semikonduktor tersebut menjadi kontak negatif, yang setelahnya bisa digunakan menjadi listrik, dan hole pun bergerak menjadi kontak positif yang menunggu datangnya elektron, sebagaimana yang di ilustrasikan gambar 2.3.[6]

8

Gambar 2. 3 Ilustrasi cara kerja sel surya menggunakan prinsip p-n junction.

2.1.2 Karekteristik Panel Surya

Sel surya merupakan energi terbarukan yang penting memiliki keuntungan yaitu tidak menggunakan bahan bakar minyak, tidak membuat polusi, hemat dalam biaya perawatan dan tanpa menghasilkan noise. Sel surya diterapkan dengan sistem mandiri seperti pompa air, lampu penerangan jalan, kenadaraan yang berarus listrik, dan ruang angkasa.

Pokok permasalahan penggunaan sel surya yaitu pembangkit tenaga listrik masih rendah, terutama untuk kondisi radiasi rendah. Akan bisa dicapai tidak lebih dari 20% tetapi itu dalam skala laboraturium saja. Seiring dengan perubahan cuaca jumlah daya yang dibangkitkan berubah secara berkala.[7]

Karakteristik sel surya mempunyai daya keluaran yang beragam, seperti yang ditampilkan di grafik arus pada tegangan pada gambar 2.4.[8]

Gambar 2. 4 Grafik arus pada tegangan sel surya.

9

2.1.3 Panel Silikon Jenis Mono-kristalin

Monokristal merupakan sel surya Kristal jenis pertama yang dipakai dalam panel surya, walaupun tidak digunakan paling umum, akan tetapi teknologi ini termasuk sebagai yang lebih terbukti dan yang tertua dibandingkan panel silikon lainnya.[9]

2.1.4 Panel Silikon Jenis Polikristalin

Polikristalin merupakan sel surya silikon yang dimana jenis panel surya ini sering dipakai di instalasi rumah pada saat ini, di karenakan biayanya yang murah. Polikristal ini pun menggunakan semikonduktor yang rendah ketika febrikasi membuat kinerja sel surya menjadi tidak sempurna. Kerugian utama panel surya polikkristalin yaitu pada efisiensinya menurun ketika kehilangan energi sama seperti panel monokristalin yang buruk dalam berkinerja ketika dalam kondisi cahaya yang rendah.[9]

2.1.5 Panel Silikon Dan Film Tipis Amorf

Teknologi film tipis ini menggunakan semi konduktor non silikon atau silikon amorf, tidak terbuat dari silikon Kristal. Penempatan semi konduktor terdapat diantara kaca atau plat baja. Panel surya film ini lebih tipis dan murah untuk diproduksi karena keseluruhannya dijadikan sel surya, lain halnya dengan panel sebelumnya yang masih membutuhkan sel surya yang lebih banyak.[10]

Kentungan dari panel film tipis yaitu ketika kondisi cuaca ektrem lebih tahan lama karena memiliki laminasi yang fleksible, dan panel film tipis mudah dipasang karena bobotnya yang kecil dibandingkan panel silikon Kristal. Keunggulan dari panel film tipis yaitu kinerjanya pada iklim panas. Untuk menahan suhu yang panas panel film tipis ini menggunakan semi konduktor seperti tembaga indium gallium selenide yang dimana ketika terjadi peningkatan suhu efisiensinya tidak begitu banyak yang hilang.[9]

10

Gambar 2. 5 Jenis – jenis panel surya 2.2 MPPT (Maksimum Power Point Tracking)

MPPT merupakan metode pada solar charger controller untuk mengkonversi tegangan DC yang tinggi keluarannya dari panel surya ke tegangan yang lebih rendah ketika baterai membutuhkan pengisian. Menngunakan metode MPPT pada control charging untuk pemaksimalan tegangan daya yang didapatkan dari sumbernya.[11]

2.2.1 MPPT STATIK

Pengoprasian mppt statik tidak sama dengan mppt dinamik, yang dimana mppt dinamik menggunakan motor sebagai penggerak sel surya untuk mencari daya maksimum. MPPT statik memanfaatkan kurva karakteristik arus terhadap tegangan yang didalamnya terdapat titik daya maksimum. Didalam MPPT statik terdapat DC-DC Converter sebagai pengkondisi tegangan keluaran pada terminal sel surya. Penggunaan DC- DC Converter dihapakan mampu menggeser tegangan kerja dari sel surya sehingga tegangan kerja bisa berada pada daya maksimum.[7]

Konverter DC ke DC :

Buck-Boost Converter merupakan konverter yang menghasilkan magnitugo tegangan output DC lebih besar atau lebih kecil dari tegangan DC. Cara kerjanya yaitu dengan mengatur waktu switching transistor yang dilakukan dengan frekuensi konstan. Kegunaan converter di panel surya yaitu sebagai regulator tegangan yang berkerja secara otomatis ketika terjadi perubahan tingkat illuminasi sun power. Maka dari itu fungsi converter ini sebagai pengatur daya yang telah dihasilkan panel surya menjadi maksimum.[12]

11

- Boost converter yaitu konverter daya yang ketika tegangan DC kurang dari tegangan output DC.

Gambar 2. 6 Boost Converter [13]

- Buck Converter yaitu konverter daya ketika tegangan DC lebih besar dari tegangan output.

Gambar 2. 7 Buck Converter[7]

2.3 Mikrokontroller

Mikrokontroller adalah suatu komponen alat elektronik berbentuk seperti IC atau Integrated circuits yang dimana penggunaanya harus diisi program terlebih dahulu sebelum di jalankan sesuai dengan yang kita ingikan.

Fungsi dari mikrokontroller yaitu sebagai counter, decoder, encoder, flip- flop, pembangkit osilasi, timer/waktu dan sebagai ADC (Analog Digital

Converter).

12 Mikrokontroller Arduino

Arduino merupakan sebuah platform hardware yang sifatnya open source. Yang terdiri dari software arduino IDE untuk menulis program dan driver untuk koneksi dengan komponen.[14]

2.4 SCC (Solar Charging Control)

Solar charging control adalah perangkat elektronik yang mengatur dan mengontrol arus searah ketika pengisian baterai dan keluaran baterai ke peralatan elektronik. Fungsi utamanya yaitu memeriksa keadaan baterai ketika baterai memerlukan pengisian daya maka dia akan memulai mengisi daya dan ketika mencapai level pengisian penuh maka dia akan menghentikan pengisian baterai dari panel surya.

Rangkaian Solar Charger Controller terdiri dari 2 jenis yaitu rangkaian seri dan parallel, perbedaan dari kedua rangkaian tersebut terdapat pada rangkaian dimana pada rangkaian seri komponen pemutus disusun secara seri antara modul surya dan baterai, sedangkan rangkaian paralel komponen pemutus disusun secara paralel sehingga mengakibatkan terjadinya hubungan arus pendek di modul surya.[15]

Distribusi tegangan dan arus baterai memerlukan parameter tegangan makssimum, minimum guna mencegah kerusakan pada baterai akibat pengisian dan pengeluaran berlebih.

Charge controller mempunyai pengatur tegangan atau biasa disebut voltage regulator (VR) yang berguna untuk mengukur kapasitas baterai, sehingga ditemukan titik tegangan maksimum dan minimum pada baterai.

13

Gambar 2. 8 Kurva pengatur tegangan baterai pada charge controller[15]

Mengatur tegangan berfungsi untuk menentukan tegangan maksimum yang diterima oleh baterai pada waktu pengisian serta untuk menentukan tegangan minimum yang diberikan oleh baterai pada waktu pengeluaran. Ketika tegangan baterai mencapai maksimum, charge controller akan menghentikan pengisian pada baterai atau mengurangi besar arus listrik yang masuk ke baterai dan pada saat tegangan baterai mencapai minimum charge controller akan memulai kembali pengisian di baterai. [1]

Fungsi utama charge controller yaitu mempertahankan keadaan baterai dengan cara mencegah terjadinya distribusi tegangan dan arus yang berlebihan pada beterai. Jenis charge controller ada 2 yaitu, Pule Width Modulation (PWM) dan Maximum Power Point Tracking (MPPT) [3]

2.5 Sensor

2.5.1 Sensor Arus

Untuk mencari arus yang dihasilkan oleh modul PV dalam keadaan yang berbeda pada penelitian ini memakai sensor arus hall- efek yang dibuat secara komersial buat merasakan AC, DC dikala ini digunakan dalam industri, riset ataupun sistem komunikasi. Yang paling berarti, itu merupakan microchip yang sangat disukai IC yang hendak digunakan dengan mikrokontroler sebagai Arduino.

Sensor yang pakai ACS712 atau sensor hall-efect untuk membaca arus yang didapatkan dari modul PV.

Sensor Arus Panel Surya :

14 Rata-rata kesalahan

=

Jumlah⁡Persentase⁡Kesalahan

Jumlah⁡Data

%

2.5.2 Sensor Tegangan

Sensor tegangan menggunakan prinsip pembagi tegangan, yang dimana modul ini dapat mengurangi tegangan input sampai 5 kali dari tegangan asli. Tegangan analog yang memiliki input mikrokontroller 5 volt, dan modul tegangan yang dimasukan tidak lebih dari 5 x 5 v atau 25 volt.

Indikator tegangan berperan sebagai penunjuk tegangan yang masuk dari modul surya ke baterai dan tegangan yang keluar dari baterai ke beban.

Sistem pembacaan tegangan bisa dilakukan langsung oleh mikrokontroler, namun diperlukan rangkaian pembagi tegangan yang berfungsi melindungi tegangan masuk ke dalam mikrokontroler tidak lebih dari 5 volt. Rangkaian pembagi tegangan digunakan sebagai penghasil tegangan keluaran yang ingin diciptakan dari suatu sumber tegangan yang besar. [14]

2.6 MOSFET

Mosfet ( Metal Oxside Semiconductor Field Transistor ) adalah perangkat semi konduktor yang digunakan sebagai switch dan sebagai penguat sinyal di perangkat elektronik. Karena ukurannya yang sangat kecil mosfet dijadikan inti dari sebuah IC yang dapt dirancang didalam 1 chips. Mosfet ini sendiri terdiri dari 4 terminal yaitu source (S), gate (G), drain (D) dan body (B).

Gambar 2. 9 MOSFET[9]

15 2.7 LCD (Luqiud Crystal Display)

LCD bekerja dasarnya menggunakan tegangan rendah (3-15 Vrms), frekuensi rendah (25-60 Hz) pada sinya AC dan memiliki arus yang kecil. LCD biasanya menggunakan tampilan seven segment untuk memunculkan angka. Untuk menghidupkan segment dibutuhkan tegangan AC yang digunakan antara segment dan backplane yang sama untuk seluruh segment. Segment dan backplane memerlukan arus listrik yang kecil ketika frekuensi AC pada saat itu low. Frekuensi yang biasnya dihasilkan tidak lebih rendah yaitu 25 Hz.

LCD menggunakan arus listrik dibandingkan LED dan dipakai pada alat yang memerlukan baterai seperti arloji dan kalkulator. LCD tidak memberikan cahaya seperti LED maka dari itu memerlukan sumber cahaya dari luar. Segment akan berjalan jika dberi tegangan AC antera segment dan backplane, dan akan mati ketika tidak diberi tegangan. LCD menggunakan tegangan AC persegi tanpa fasa yang dipakai ke segment backplane, dimana sebuah gelombang persegi 4 Hz, dipakai ke backplane dan masukkan dari CMOS exslusif –or 4070 masukkan lain EX-OR yaitu masukkan control yang menggendalikan segment tersebut ke off atau on.

LCD sering diartikan dalam bahasa Indonesia yaitu tampilan Kristal cair yang termasuk suatu jenis media tampilan yang menggunakan Kristal cair sebagai penampilan pertama.

Karakteristik modul LCD :

1. Memiliki 16 x 2 karakter huruf yang bisa ditampilkan.

2. Terdiri dari 5 x 7 dot-matrix cursor.

3. Memiliki 192 macam karakter.

4. Memiliki 80 x 8 bit display RAM (Max 80 karakter).

5. Memilik kemampuan penuliasan menggunakan 8 bit mauput 4 bit.

6. Dibangun oleh osilator local.

7. Memiliki 1 sumber tegangan 5 Volt.

8. Otomatis mereset saat tegangan dihidupkan.

9. Bekerja pada suhu 0oC – 55oC

16 Konfigurasi pin LCD

Gambar 2. 10 Konfigurasi pin LCD

Sumber cahaya yang terdapat didalam LCD yaitu lampu neon berwarna putih disisi belakang diantara susunan terinstal cair. Titik cahaya jumlahnya ribuan bahkan puluhan ribu yang membentuk tampilan citra. Kutup Kristal cair dialiri arus listrik yang akan berubah akibat pengaruh polarisasi medan magnet yang muncuk dank arena itu akan hanya membiarkan sebagian warna diteruskan sedangkan warna lainnya tersaring.[15]

2.8 Baterai

Baterai yang digunakan pada PLTS berfungsi sebagai menyimpan arus listrik yang bersumber dari panel surya sebelum dimanfaatkan untuk mengoprasikan benda. Beban yang dihasilkan berupa peraltan elektronik dan peralatan lainnya yang membutuhkan listrik DC.

Acumulator adalah suatu komponen yang penting yang ada dikendaraan bermotor yang berfungsi sebagai penggerak motor atau starter, selain itu aki juga berfungsi untuk menyimpan listrik sekaligus untuk mengstabilkan tegangan dan arus listrik yang ada dikendaraan. Accumulator dapat juga diartikan sebagai sel listrik yang berlangsung pada proses elektrokimia secara bolak-balik dengan nilai efisiensi yang cukup tinggi. Terjadinya perubahan tenaga kimia ke tenaga listrik begitupun sebaliknya dengan cara regenerasi dari elektroda yang dipakai, yaitu arus listrik yang lewat dengan arah berlawanan yang terdapat pada sel-sel yang ada didalam aki.

17 Fungsi utama baterai dalam sistem PV adalah :

1. Menyimpan energi listrik ketika diproduksi oleh array pv dan menyalurkan energi ke beban listrik sesuai permintaan dan kebutuhan.

2. Menyediakan listrik ke beban listrik pada tegangan dan arus yang stabil.

3. Tegangan dan stabilisasi arus yaitu menyalurkan listrik ke beban listrik pada tegangan dan arus yang stabil, dengan menekan atau merapikan transien yang mungkin terjadi pada sistem pv.

4. Menyalurkan lonjakan atau arus operasi tinggi ke beban listrik atau peralatan. [8]

Gambar 2. 11 Baterai 2.9 Perturb And Observe

Perturb and Observe terdiri dari 2 tahapan yaitu :

1) Perturb, mengirimkan perubahan kepada tegangan atau arus referensi solar cell.

2) Observe, melakukan penghitungan daya yang disebabkan oleh perturb-nya.

Pembandingan daya sebelum dan sesudah proses perturb dilakukan digunakan sebagai acuan agar dapat menambah atau mengurangi tegangan untuk langkah berikutnya dan mendapatkan nilai MPP-nya. Untuk menggunakan algoritma ini dan memulainya dengan mengukur tegangan V(k) dan arus I(k) untuk memperoleh P(k). Perturb d(V) diberikan untuk meng-observe nilai daya output P(k+1). Nilai P(k+1) kemudian dibandingkan dengan nlai P(k). Jika nilai P(k+1) lebih besar dibandingkan P(k) dapat disimpulkan bahwa nilai perturb yang dilakukan adalah benar. Sebaliknya jika nilai P(k+1) lebih kecil dari P(k) maka perturb harus dilakukan dalam arah sebaliknya. Dengan demikian nilai Maximum

18

Power Point (MPP) dapat diperoleh.[16] Langkah-langkah yang dilakukan dalam metode Perturb and Observe ini seperti yang telah ada pada gambar 2.14.

Gambar 2. 12 Diagram skematik penjejak menggunakan metode Perturb and Observe

2.10 DC – DC Converter

DC-DC converter merupakan device elektronik yang merubah tegangan DC ke tegangan DC lain yang berbeda level dan biasanya mengeluarkan output teregulasi. Model switch DC-DC converter beroperasi dengan menyimpan energi input sementara kemudian melepasnya dalam bentuk tegangan atau arus di dalam level yang tidak sama. Konverter ini dapat dibandingkan dengan transformer karena keduanya memiliki karakteristik yang mirip dalam merubah energi input dan menjadikannya berbeda dalam level impedansinya. Konverter ini biasanya ditemukan dalam peralatan elektronik seperti handphone atau notebook. Dalam penelitian ini konverter ini bertindak sebagai load elektrik yang dapat memvariasikan keluarannya. Variasi beban ini dapat menyebabkan perubahan titik operasi sel surya (karakteristik arus tegangannya) sehingga dapat menghasilkan nilai keluaran maksimum. Boost-converter digunakan untuk menjadi gain dari tegangan masukan dan menghasilkan keluaran yang nilainya lebih tinggi sedangkan buck-converter menjadikan masukan yang tinggi menjadi keluaran yang lebih rendah nilainya. Untuk buck-boost converter sendiri digunakan jika memerlukan keluaran yang lebih besar atau kecil dari input-nya.