Panel Surya dengan Reflektor Cermin Datar untuk Penerangan Rumah Sederhana
Erliza Yuniarti1*, Sofiah2, Muhammad Rizal3
1,2,3Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Palembang, Indonesia
*Koresponden email: [email protected]
Diterima: 28 Agustus 2022 Disetujui: 6 September 2022
Abstract
Increased consumption of electrical energy has an impact on the faster reduction in fossil fuel reserves used as the main energy source. One solution to overcome these problems is to utilize the abundant amount of solar energy, especially for tropical climates. Conversion of solar energy into electrical energy can be done with the help of a solar panel system. This study aims to examine the effect of using a solar panel system with flat mirror reflectors on both sides of the solar panel on system performance. The research was carried out using an experimental method by testing the solar panel system without reflector and with a reflector, with variations in angles of 120° and 150° to the flat panel plane. The results of the study found that the use of reflectors was quite effective in increasing daily sunlight absorption. The increase in voltage is 0.34 Volts or 2.83% at a reflector angle of 120° and 0.83% at a reflector angle of 150°.
Keywords: solar panels, solar cell, flat mirrors, reflectors, energy
Abstrak
Peningkatan konsumsi energi listrik berimbas pada semakin cepat berkurangnya cadangan bahan bakar fosil yang digunakan sebagai sumber energi utama. Salah satu solusi untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan memanfaatkan energi matahari yang jumlahnya berlimpah, terutama untuk daerah beriklim tropis. Konversi energi matahari menjadi energi listrik dapat dilakukan dengan bantuan sistem panel surya. Penelitian ini bertujuan mengkaji pengaruh penggunaan sistem panel surya dengan reflektor cermin datar di ke dua sisi panel surya terhadap kinerja sistem. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental dengan melakukan pengujian terhadap sistem panel surya tanpa reflektor dan dengan reflektor, dengan variasi sudut 120° dan 150° terhadap bidang datar panel. Hasil penelitian mendapatkan bahwa penggunaan reflektor cukup efektif untuk meningkatkan serapan cahaya matahari harian.
Peningkatan tegangan adalah sebesar 0,34 Volt atau 2,83% pada sudut reflektor 120° dan 0,83 % pada sudut reflektor 150°.
Kata Kunci: panel surya, sel surya, cermin datar, reflektor, energi
1. Pendahuluan
Konsumsi energi listrik semakin meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi dan kemajuan teknologi. Hal ini berimbas pada peningkatan eksploitasi sumber energi fosil, yang saat ini masih banyak dipakai sebagai bahan bakar utama pembangkit listrik. Mengingat terbatasnya persediaan sumber energi fosil, maka mulai dicari sumber energi lainnya yang bersifat renewable seperti energi matahari, energi pasang surut, energi angin, dan energi panas bumi [1]. Energi matahari khususnya di Indonesia sebagai negara yang memiliki iklim tropis sangat berlimpah. Kekurangan pada energi matahari adalah tidak dapat langsung dimanfaatkan menjadi energi listrik. Energi matahari terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi listrik dengan bantuan peralatan seperti panel surya (solar cell), solar cell controler, baterai dan inverter [2][3]. Perancangan sistem panel surya yang tepat dapat memastikan operasi yang aman, ekonomis dan ramah lingkungan [4][5].
Sistem panel surya sebagai pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dan peralatan bantu lainnya mampu memenuhi kebutuhan listrik sesuai dengan jumlah beban yang dibutuhkan konsumen [2]. Sistem panel surya saat ini sudah banyak dipergunakan dengan sistem off-grid maupun on-grid dengan PLN.
Walaupun efisien sistem panel surya cukup rendah namun kemampuannya masih dapat dioptimalkan dengan memberikan pencahayaan yang cukup [6][7]. Salah satu solusi yang memungkinkan adalah dengan menambah jumlah cahaya yang mengenai permukaan modul surya dengan bantuan reflektor [5], [8]–[13].
Reflektor berfungsi memaksimumkan jumlah sinar matahari yang jatuh pada area permukaan panel surya, hal ini menyebabkan output daya listrik yang dihasilkan akan lebih besar. Peningkatan output daya listrik
yang dihasilkan juga akan meningkat nilai efisiensi sistem panel surya [14]. Reflektor untuk panel surya dapat berbentuk cermin datar atau cekung dengan bahan terbuat dari cermin [12], kaca berlapis aluminium foil [15] dan aluminium foil [13].
Riset [5] membahas sistem panel surya sebagai sumber energi listrik cadangan dengan kapasitas panel 300 Wp. Sistem panel surya ini berhasil memaksimalkan output dari dengan sudut kemiringan 20°- 30°. Penghematan energi listrik dengan penggunaan pemasangan panel surya sebesar 30,54 kWh atau 13,76% dari total energi listrik yang digunakan dalam rentang waktu satu bulan, sistem ini memiliki efisiensi 30,55%. Riset [9] menggunakan panel surya fleksibel jenis monocrystalline 20 Wp untuk catu daya pendingin air. Hasil riset mendapatkan bahwa reflektor fleksibel yang dipasang dengan sudut 0° dapat meningkatkan sistem pendinginan dengan efisiensi 15,41% dan pada sudut reflektor 20° menghasilkan efisiensi lebih kecil yaitu 14.74%. Riset lainnya [8][10] memakai reflektor berupa cermin datar dan aluminium foil.
Reflektor pada riset [8] ditempatkan pada sisi panel dengan sudut bervariasi 15°-75° dengan tujuan mengetahui pengaruh penggunaan sudut reflektor pada keempat sisi panel surya terhadap daya output yang dihasilkan. Penempatan reflektor dengan sudut 30° berhasil menaikkan daya listrik sebesar 14% pada penggunaan cermin datar dan 19% pada penggunaan reflektor aluminium foil. Sebaliknya penggunaan reflektor dengan sudut 15°, 45°, 60°, dan 75° mengakibatkan penurunan kemampuan panel surya.
Penurunan disebabkan reflektor menghalangi cahaya matahari menuju ke panel, sehingga memunculnya bayangan terutama di pagi dan sore hari. Ref. [10] membagi panel menjadi dua array, instalasi reflektor di desain membentuk sudut 110° terhadap bidang datar panel surya. Pengukuran dilakukan dengan interval 30 menit mulai jam 08.00 -16.00 selama tujuh hari. Hasilnya riset menunjukkan, sistem dengan reflektor cermin dan aluminium dapat menghasilkan daya output 15% lebih tinggi dibandingkan dengan sistem tanpa reflektor. Riset ini masih dapat dikembang dengan memastikan intensitas cahaya yang sama pada pengujian atau dalam rentang waktu yang lebih lama. Riset [11] mengembangkan pengaturan reflektor ganda, dimana reflektor sekunder yang diposisikan di atas titik fokus reflektor utama mengarahkan sinar matahari ke penyimpan panas yang diposisikan di bawah lubang di reflektor utama. Reflektor ini lengkapi dengan pendekri sinar matahari, tetapi penyimpanannya tidak bergerak. Dalam sistem ini baterai dapat di isi dari panas portabel, selama tersedianya sinar matahari, dan memanfaatkannya untuk memasak di malam hari.
Riset ini membahas kemampuan solar cell monocrystalline berkapasitas 20 Wp dengan reflektor cermin datar sebagai prototipe untuk penerangan rumah tinggal sederhana. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pengaruh penggunaan reflektor dua sisi panel surya terhadap kinerja sistem. Reflektor terbuat dari kaca dengan variasi sudut 120° dan 150° terhadap bidang panel. Reflektor dengan perubahan sudut ini dimanfaatkan untuk peningkatan penyerapan sinar matahari yang akan disimpan ke dalam baterai. Kinerja sistem panel surya dengan reflektor cermin datar diamati berdasarkan perubahan tegangan dan arus pada baterai, yang disuplai sebelum dan sesudah penggunaan reflektor per hari.
2. Metode Penelitian
Riset pemanfaatan sudut reflektor cermin datar dua sisi ini dengan solar cell berkapasitas 20 Wp merupakan penelitian eksperimental. Riset ini membandingkan kemampuan serapan daya dari kinerja reflektor berdasarkan besaran sudut antara panel surya dan reflektor [8][10].
Gambar 1. Panel surya dengan reflektor cermin datar Sumber: Dokumen pribadi (2022)
Pada riset ini digunakan sudut reflektor 120° dan 150° terhadap bidang panel (Gambar 1). Pengujian dan pengukuran dilakukan dengan sistem panel surya terhubung langsung beban. Besaran listrik diukur
menggunakan multi meter dan suhu didapat dari pembacaan pada aplikasi Android. Riset dilakukan pada musim penghujan dimana suhu berkisar 29-31°C.
Komponen sistem panel surya
Sistem panel surya tersusun dari beberapa peralatan, diantaranya adalah panel surya, solar cell controller, inverter, baterai dan beban. Spesifikasi dari peralatan-peralatan terdapat pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi sistem panel surya
Peralatan Keterangan
Panel surya Visero, Monocrystalline, 20WP
Baterai Yuasa, Np7-12, 12 Volt
Solar Charge Controller HQRG, 20 Amper, 12/24 Volt
Lampu Mikolite, LED, 5 Watt, 10 Watt
Inverter 500 Watt, PWM
Reflektor Kaca cermin, 3 mm
Sumber: Dokumen pribadi (2022)
Panel surya dengan kapasitas daya 20 Watt Peak memiliki tegangan/arus kerja maksimum 17,5 Volt/1,14 Amper. Selama pengisian kondisi baterai tidak terhubung ke beban. Baterai yang digunakan adalah 1 buah baterai kering yang memiliki kapasitas 7 Ah dan tegangan maksimum 12,8 Volt. Solar charger controller yang digunakan untuk membatasi arus dan tegangan menuju baterai, bekerja dengan rating arus 20 Amper dan memiliki display arus dan tegangan. Beban penerangan yang dipakai pada rumah tinggal sederhana adalah lampu dengan daya 5 Watt. Inverter berkapasitas 500 Watt tipe pulsa width modulation yang digunakan untuk mengubah tegangan arus searah dari baterai menjadi arus bolak balik dalam bentuk gelombang sinusoidal. Diagram satu garis sistem panel surya off-grid atau tidak terhubung ke sistem jaringan PLN terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Diagram sistem panel surya Sumber: Dokumen pribadi (2022) Pengujian sistem panel surya
Penelitian sistem panel surya dimulai dari instalasi listriknya. Instalasi sistem panel dilakukan dengan menghubungkan masing-masing peralatan seperti panel surya, solar cell controller, inverter, baterai dan beban menggunakan kabel NYA 2,5 mm dan jumper (Gambar 2). Setelah memastikan sistem terhubung dan sistem panel surya bekerja dengan baik. Dilakukan pengisian baterai hingga penuh yaitu bertegangan 12,8 Volt.
Pengujian sistem panel surya ini dilaksanakan per satu hari untuk setiap pengujian atau selama cuaca memungkinkan. Pengujian dimulai pada jam 10.00-16.00 (7 kali pengukuran) dalam periode satu jam.
Parameter pengukuran adalah arus, tegangan pada panel surya; tegangan dan arus yang keluar dari baterai menuju inverter serta arus dan tegangan yang di supply ke beban. Beban digunakan lampu LED dengan daya 5 Watt, 10 Watt. Pengujian dengan pembebanan pertama dilakukan tanpa menggunakan reflektor, dengan beban lampu penerangan 5 Watt dan 10 Watt. Pengujian kedua menggunakan dua cermin datar
Solar cell
Solar Charger Controller
Inverter Lampu penerangan
Akumulator
sebagai reflektor dengan sudut 120° dengan jenis variasi beban 5 Watt dan10 Watt serta pengujian ketiga menggunakan reflektor sudut 150° dengan variasi beban yang sama.
3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian tanpa beban dan dengan beban dengan lampu 5 Watt (Gambar 3), didapatkan perubahan tegangan dan arus yang dihasilkan pada setiap periode pengukuran. Terlihat kenaikan arus terjadi pada jam 11.00-12.00 namun setelah jam 13.00 cenderung mengalami penurunan. Besarnya tegangan dan arus pembebanan dengan reflektor 150° dan tanpa reflektor menunjukkan pola yang sama.
Perubahan cuaca dan suhu berbanding lurus terhadap tegangan dan arus yang dihasilkan oleh panel surya.
Hasil pengukuran tegangan didapatkan nilai yang stabil di pengujian dengan reflektor sudut 120°, ini berarti selama pembebanan dan ketersediaan daya seimbang. Secara umum tegangan dan arus pengujian dengan beban 5 Watt menghasilkan daya listrik yang cukup untuk supply penerangan dan pengisian baterai, dengan drop tegangan baterai tidak melebihi 0,3 Volt selama pemakaian (Tabel 2).
Gambar 3. Hasil pengujian panel surya dengan pembebanan lampu 5 Watt Sumber: Dokumen pribadi (2022)
Pada pembebanan dengan lampu LED 10 Watt (Gambar 4) didapatkan tegangan dan arus relatif stabil. Kenaikan tegangan mencapai 13,3 Volt pada 12.00-13.00 namun terus mengalami penurunan sebanding dengan lama pembebanan. Tegangan akhir pengujian dengan sudut reflektor 150° mengalami kenaikan sebesar 0,2 Volt. Sebaliknya pada pengujian lainnya yaitu dengan reflektor 120° dan tanpa reflektor tegangan mengalami penurunan 0,4-0,79 Volt (Tabel 2). Penurunan tegangan ini terjadi karena besarnya daya listrik yang dipergunakan tidak sebanding dengan daya yang dihasilkan panel. Penurunan tegangan cukup besar 0,79 Volt pada panel surya tanpa reflektor, dengan kata lain reflektor cukup membantu walaupun dalam musim penghujan untuk mengatasi drop tegangan dari penggunaan penerangan.
Gambar 4. Grafik panel surya dengan pembebanan lampu 10 Watt
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15
10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00
Tegangan (Volt)
Jam Pengukuran
Tegangan 150 Tegangan 120 Tegangan
Arus 150 Arus 120 Arus
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
11 12 13 14 15
10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00
Tegangan (Volt)
Jam Pengukuran
Tegangan 150 Tegangan 120 Tegangan
Arus 150 Arus 120 Arus
Arus (Amper) Arus (Amper)
Sistem panel surya ini mampu memenuhi kebutuhan energi listrik rumah sederhana, pengujian dengan pembebanan selama 7 jam dengan penggunaan reflektor 120 ̊ atau 150 ̊ pada musim penghujan ini dapat menjadi acuan kemampuan sistem memenuhi kebutuhan konsumen akan daya listrik. Hasil penelitian tanpa reflektor menunjukkan hasil drop tegangan terjadi terbesar adalah 0,79 Volt, pada pembebanan 10 Watt. Tanpa reflektor daya beban lebih besar dari daya yang dapat disuplai dari sistem panel atau tegangan bertambah dengan peningkatan beban dari 5 Watt ke 20 Watt.
Selisih tegangan baterai (Tabel 2) pada pengambilan data di jam 10.00 dan 16.00 dalam satu hari pengujian. Kenaikan tegangan harian baterai relatif kecil pada pengujian dengan reflektor, yaitu 0,19 Volt atau 0,83 % pada pengujian dengan sudut 150°, dan 0,34 Volt atau 2,83% pada sudut 120°. Namun besarnya perubahan tegangan dengan reflektor lebih kecil dibandingkan tanpa reflektor, dengan kata lain reflektor mampu mensuplai daya lebih baik dibandingkan dengan tanpa reflektor. Perubahan arus yang di supply berbanding lurus terhadap kenaikan daya beban. Besarnya arus dengan beban yang sama yang dipakai jangka tertentu, akan menurun tegangan baterai terutama pada sistem panel surya ini.
Tabel 2. Perubahan tegangan berdasarkan sudut reflektor Sudut Penempatan
Reflektor
Beban (Watt)
Perubahan Tegangan (Volt) Tanpa reflektor
5
0.11
120 ̊ (0.34)*
150 ̊ 0.31
Tanpa Reflektor
10
0.79
120 ̊ 0.4
150 ̊ (0.19)*
*Kenaikan tegangan
Sumber: Dokumen pribadi (2022) 4. Kesimpulan
Sistem panel surya tanpa penggunaan reflektor pada pengujian pembebanan dapat menurunkan kemampuan daya baterai sebanding dengan lama pembebanan. Penggunaan reflektor cukup efektif untuk meningkatkan serapan cahaya matahari harian di musim penghujan, besar peningkatan tegangan sebesar 0,34 Volt atau 2,83% pada sudut reflektor 120° dan bersudut 0,83 % pada sudut 150°.
5. Singkatan
LED Light Emitting Diode
% Persen
° Derajat Sudut
PLN Perusahaan Listrik Negara
NYA Ah
Kabel tunggal dengan inti tembaga Ampere hours
6. Referensi
[1] L. Putriyana, A. F. Ladiba, and H. Soekarno, “Simulasi Numerik Lapangan Panas Bumi Sirung Pantar, Kabupaten Alor, Nusa Tenggara Timur,” Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan, vol. 20, no. 1, pp. 1–12, 2021.
[2] E. M. Salilih and Y. T. Birhane, “Modeling and Analysis of Photo-Voltaic Solar Panel under Constant Electric Load,” J. Renew. Energy, vol. 2019, pp. 1–10, 2019, doi: 10.1155/2019/9639480.
[3] M. Abdel-Nasser and K. Mahmoud, “Accurate Photovoltaic Power Forecasting Models Using Deep LSTM-RNN,” Neural Comput. Appl., vol. 31, no. 7, pp. 2727–2740, 2019, doi: 10.1007/s00521-017- 3225-z.
[4] S. S. Sunardi, A. H. Su’udy, A. Cundoko, and D. T. Istiantara, “Optimalisasi Pemanfaatan SHM (Solar Home System) Sebagai Pembangkit Energi Listrik Ramah Lingkungan,” Eksergi, vol. 17, no.
2, p. 76, 2021, doi: 10.32497/eksergi.v17i2.2165.
[5] R. Sulistyowati and A. Fadholi, “Optimalisasi Panel Surya Untuk Skala Rumah Tangga,” Pros.
Semin. Nas. Tek. Elektro, Sist. Informasi, dan Tek. Inform., vol. 1, no. 1, pp. 11–20, 2022.
[6] H. Romadhon and B. Budiyanto, “Pemanfaatan Intensitas Radiasi Cahaya Lampu dengan Reflektor Panel Surya sebagai Energi Harvesting,” Resist. (Elektronika Kendali Telekomun. Tenaga List.
Komputer), vol. 3, no. 2, p. 45, 2020, doi: 10.24853/resistor.3.2.45-56.
[7] A. Bughneda, M. Salem, A. Richelli, D. Ishak, and S. Alatai, “Review of Multilevel Inverters for PV Energy System Applications,” Energies, vol. 14, no. 6, 2021, doi: 10.3390/en14061585.
[8] Karnadi, A. Hiendro, and R. Kurnianto, “Peningkatan Daya Output Panel Surya Dengan Penambahan Reflektor Cermin Datar dan Aluminium Foil,” pp. 2–4, 2017.
[9] D. Almanda and B. P. Piliang, “Perbandingan Sistem Pendingin pada Konsentrasi Water Coolant, Air Mineral, dan Air Laut Menggunakan Panel Surya Fleksibel Monocrystaline 20 Wp,” Resist.
(elektRonika kEndali Telekomun. tenaga List. kOmputeR), vol. 2, no. 2, p. 73, 2019, doi:
10.24853/resistor.2.2.73-82.
[10] F. Mujaahid, S. Febriyanto, R. Syahputra, and K. Purwanto, “Impact of the Solar Energy System With and Without Reflector on Home-Scale Batik Industry,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1471, no. 1, 2020, doi: 10.1088/1742-6596/1471/1/012046.
[11] A. Veremachi, B. C. Cuamba, A. Zia, J. Lovseth, and O. J. Nydal, “PCM Heat Storage Charged with a Double-Reflector Solar System,” J. Sol. Energy, vol. 2016, pp. 1–8, 2016, doi:
10.1155/2016/9075349.
[12] A. Patil, “Improvement of Solar Energy by Mirror Reflection Technique,” Int. J. Res. Appl. Sci. Eng.
Technol., vol. 7, no. 6, pp. 1687–1692, 2019, doi: 10.22214/ijraset.2019.6283.
[13] B. Widodo, “Peningkatan Energi Listrik Serta Daya Keluaran Pada Panel Surya dengan Penambahan Sistem Pendingin Heatsink Dan Reflektor Aluminium Foil,” no. 03, 2022.
[14] D. Amalia, H. Abdillah, and T. W. Hariyadi, “Analisa Perbandingan Daya Keluaran Panel Surya Tipe Monokristalin 50wp yang Dirangkai Seri Dan Paralel Pada Instalasi Plts off-Grid,” J. Elektro dan Mesin Terap., vol. 8, no. 1, pp. 12–21, 2022.
[15] A. Singhal, A. Bhatt, and T. Raval, “Performance Enhancement of Solar Flat Plate Collector with Aluminium Foil Reflectors And Trapezoidal Glass Cover,” ARPN J. Eng. Appl. Sci., vol. 14, no. 17, pp. 2948–2953, 2019.
