6 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 PANEL SURYA
2.1.1 Pengertian Panel Surya
Panel Surya adalah pembangkit listrik yang mengubah energi surya menjadi energi listrik. Pembangkitan listrik bisa dilakukan dengan dua cara, yaitu secara langsung menggunakan fotovoltaik dan secara tidak langsung dengan pemusatan energi surya. Fotovoltaik mengubah secara langsung energi cahaya menjadi listrik menggunakan efek fotoelektrik. Pemusatan energi surya menggunakan sistem lensa atau cermin dikombinasikan dengan sistem pelacak untuk memfokuskan energi matahari ke satu titik untuk menggerakan mesin kalor. Sel surya atau sel fotovoltaik adalah alat yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik menggunakan efek fotoelektrik. Dibuat pertama kali pada tahun 1883 oleh Charles Fritts. [3]
Gambar 2.1 Panel Surya 2.1.2 Struktur Panel Surya
Panel surya yang memiliki tipe fotovoltaik memanfaatkan tegangan yang dihasilkan dari efek fotoelektrik untuk memproduksi energi listrik. Panel surya memiliki 3 lapisan utama, yaitu di baguian paling atas terdapat lapisan panel P, di tengah terdapat lapisan pembatas, dan di bagian paling bawah terdapat lapisan panel N. Panas matahari yang menyinari lapisan paling atas panel surya menyebabkan efek fotoelektrik yang mengakibatkan terjadinya perpindahan elektron di lapisan panel P, kemudian proton akan mengalir ke lapisan panel N di bagian bawah dan terjadinya perpindahan arus proton ini menghasilkan arus
7 listrik. Dibawah ini penulis akan menjelaskan struktur utama panel surya yang berbahan dasar silicon yang sering ditemukan di pasaran.
Gambar 2.2 Struktur Panel Surya
Gambar diatas menunjukan ilustrasi panel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :
1. Substrat/Metal backing
Substrat berjasa dalam menopang hampir seluruh bagian dari panel surya. Dikarenakan substrat berfungsi sebagai kontak terminal positif panel surya, substrat harus memiliki tingkat konduktifitas listrik yang baik. Oleh karena itu beberapa logam biasanya digunakan sebagi bahan dasar substrat seperti aluminium atau molybdenum. Berbeda pada panel surya dye-sensitized (DSSC) dan panel surya organic, substrat selain dibuat dari bahan yang konduktif akan tetapi juga akan dibuat transparan karena berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya matahari.
2. Material semikonduktor
Material semi konduktor merupakan bagian inti dari panel surya dikarenakan berfungsi untuk menyerap panas cahaya matahari. Bagian semikonduktor memiliki ketebalan beberapa ratus mickrometer tergantung dengan jenis panel surya yang digunakan. Pada gambar diatas merupakan panel surya yang menggunakan silicon sebagai bahan semikonduktor utama. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material
8 semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).
3. Kontak metal / contact grid
Selain substrat yang berfungsi sebagai kontak positif, material semikonduktor pada panel surya juga dilapisi dengan material konduktif transparan yang berfungsi sebagai kontak negatif.
4.Lapisan antireflektif
Agar cahaya matahari dapat terserap secara maksimal oleh lapisan semi konduktor harus ditambahkan lapisan antireflektif. Lapisan ini bertugas untuk membelokkan cahaya matahari agar mengarah ke lapisan semi konduktor. Material anti-reflektif ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara.
5.Enkapsulasi / cover glass
Enkapsulasi merupakan bagian pelindung yang berfungsi untuk enkapsulasi yaitu melindungi panel surya dari hujan atau kotoran. [4]
9 2.1.3 Prinsip Kerja Panel Surya
Panel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n.Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor.
2.1.4 Karakteristik Panel Surya
Panel surya adalah sebuah alat non-linear, sehingga untuk memahami karakteristiknya digunakan suatu grafik. Sifat elektrik dari panel surya dalam menghasilkan energi listrik dapat diamati dari karakteristik sel tersebut, yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang dihasilkan sel surya pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda - beda. Karakteristik panel surya terdiri dari kurva arus-tegangan dan kurva daya-arus-tegangan.
Gambar 2.3 Kurva Arus Tegangan Surya Panel
Gambar diatas menunjukkan ketika sel dihubungkan dengan beban (R). Beban memberi hambatan sebagai garis linear dengan garis I/V = I/R. Hal tersebut menunjukkan daya yang didapat bergantung pada nilai resistansi.
10 2.2 MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING)
Maximum Power Point Tracking atau biasa dikenal dengan MPPT merupakan suatu sistem elektronik pada surya panel yang digunakan untuk menghasilkan efisiensi daya maksimum panel surya. MPPT tidak bekerja secara mekanik atau seperti metode tracking sinar matahari pada panel surya. Akan tetapi MPPT bekerja secara elektronik yang memanfaatkan algoritma dan converter di dalam sistem nya. Jika kita amati grafik dibawah ini. Ketika surya panel tidak diberi MPPT atau secara langsung dihubungkan dengan beban baterai maka panel surya tersebut memiliki karakteristik seperti yang telah ditunjukkan oleh grafik. Panel surya akan menghasilkan daya sebesar 53Watt pada tegangan 12Volt pada temperatur 25 derajat Celcius dan insolasi 1000W/m2dengan kata lain panel surya hanya menghasilkan 70.67% dari daya maximum sebenarnya. Akan tetapi jika kita memanfaatkan system MPPT maka daya maksimum panel surya akan dapat dicapai.
Gambar 2.4 Grafik Daya MPPT
(Sumber gambar :Richard A. Cullen, “What is Maximum Power Point Tracking (MPPT) and How does It Work?”, Blue Sky Energy, inc.,
http://www.blueskyenergyinc.com)
Seperti yang penulis sebutkan diatas MPPT memiliki sebuah DC/DC converter dengan sebuah controller. Pada penelitian skripsi ini DC/DC conveter yang digunakan adalah Buck Converter.
11 2.3 BUCK CONVERTER
Buck-converter berfungsi untuk mengubah level tegangan DC ke level yang lebih rendah. Namun buck-converter mengubah polaritas dari tegangan output terhadap tegangan input. Pada Gambar dibawah merupakan rangkaian dasar buck-converter yang terdiri dari induktor (L), dioda, kapasitorfilter (C), resistor sebagai beban (RL) dan power MOSFET sebagai switching komponen. Walaupun mosfer dan transistor memiliki fungsi yang sama akan tetapi penulis lebih memilih menggunakan Mosfet pada rangkaian buck-converter dikarenakan mosfet dapat mengalirkan daya lebih besar dan dapat melakukan switching lebih cepat daripada transistor. Selain itu lesapan daya pada mosfet juga lebih kecil sehingga memiliki efisiensi yang lebih baik daripada transistor.
Gambar 2.5 Rangkaian Buck Converter
2.4 ALGORITMA P&O
Dalam penelitiannya Morale melaporkan metode Perturb and Observe terdiri dari dua tahapan: (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 untuk menambah atau mengurangi tegangan untuk langkah berikutnya dan mendapatkan nilai MPP-nya.
Dalam penelitian yang dilakukannya, Francis dkk menggunakan algoritma ini dan memulainya dengan mengukur tegangan V(k) dan arus I(k) untuk memperoleh P(k) [17]. 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 niali perturb yang
12 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 Power Point (MPP) dapat diperoleh. [7]
2.5 KONTROLER PID
PID Controller adalah salah satu jenis kontrol yang banyak digunakan.
Gambar 2.6 Blok Diagram Kontroler PID
PID Controller memiliki transfer function sebagai sebagai berikut : 𝐻(𝑠) =
𝐾𝐷𝑠2+𝐾𝑃𝑠+𝐾𝐼
𝑠2+𝐾𝐷𝑠2+𝐾𝑃𝑠+𝐾𝐼...(1)
PID Controller sebenarnya terdiri dari 3 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu P (Proportional), Controller, D (Derivative) Controller, dan I (Integral) Controller. Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. [8] Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, hal ini dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 2.1 Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta Respon Loop
Tertutup Rise Time Overshoot Settling Time
Steady-State Error
Proposional Menurunkan Meningkatkan Perubahan
Kecil
Menurunkan/ Mengurangi
Integral Menurunkan Meningkatkan Meningkatkan Mengeliminasi
Derivativ Perubahan Kecil Menurunkan Menurunkan Perubahan Kecil
Parameter di atas dapat berubah dan tidak bersifat konkret bekerja berdasarkan nilai konstanta yang diberikan. Sistem mungkin bisa bekerja tidak sesuai seperti yang diinginkan jika konstanta yang diberikan tidak sesuai.
