5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Matahari Matahari

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Energi Matahari
Matahari merupakan materi yang tersusun dari gas yang sangat panas
dengan diameter 1,39×109 m, dan jarak 1.5×1011 m dari bumi. Matahari memiliki
suhu permukaan efektif 5762 K [1]. Suhu di daerah inti matahari berkisar 8×106 40×106 K dan densitasnya diperkirakan 100 kali lebih besar dari air. Matahari pada
dasarnya adalah sebuah reaktor fusi kontinyu dengan gas penyusunnya tetap
dipertahankan oleh gaya gravitasi. Energi yang dipancarkan oleh matahari berasal
dari reaksi fusi. Energi diproduksi pada bagian dalam matahari dan terkirim ke
permukaan dan kemudian diradiasikan ke luar angkasa.
Matahari merupakan sumber utama bagi kehidupan di bumi, energi yang
dihasilkan oleh matahari berupa energi panas dan energi cahaya yang dipergunakan
makhluk hidup untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Intensitas radiasi matahari
yang diterima bumi pada atmosfer terluar cukup besar. Namun ketika menembus
atmosfir maka kurang lebih 30% dari total radiasi terefleksi kembali ke ruang
angkasa, dimana 70% sisanya terserap oleh awan, lautan, dan juga daratan [2].
Untuk setiap tahunnya ada sekitar 3,9×1024 Joule = 1,08×1018 kWh dari
energi matahari yang mencapai permukaan bumi, jumlah ini kira-kira 10.000 kali
lebih banyak dari permintaan energi primer secara global tiap tahunnya dan lebih
banyak dari cadangan ketersediaan keseluruhan energi yang ada di bumi. Jadi,
dengan memanfaatkan energi matahari secara optimal, dapat mencukupi seluruh
kebutuhan energi di masa yang akan datang.
2.2
Distribusi Radiasi Matahari
Intensitas radiasi matahari yang di terima bumi bergantung pada jarak antara
matahari dengan bumi. Berdasarkan pengukuran astronomi jarak rata-rata bumimatahari adalah 1,495×108 m dengan sudut kecenderungan matahari 320 seperti
5
Universitas Sumatera Utara
pada Gambar 2.1, yang mana untuk tiap tahun jarak ini bervariasi antara 1,47×108
km dan 1,52×108 km. Radiasi yang diemisikan oleh matahari dan ruang angkasa
yang berhubungan dengannya ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari
yang hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari (Gsc) adalah energi
dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luas permukaan yang
tegak lurus dengan arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar
atmosfer. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari Es , adalah sama
dengan hasil perkalian konstanta Stevan-Boltzmann 𝜎, pangkat empat temperatur
absolut 𝑇𝑠4 , dan luas permukaan π 𝑑𝑠2 .
𝐸𝑠 = 𝜎𝜋𝑑𝑠2 𝑇𝑠4 𝑊
(2.1)
Dimana 𝜎 = 5,67 × 10−8 𝑊/(𝑚2 . 𝐾 4 ), temperatur permukaan Ts dalam K, dan
diameter matahari ds dalam meter. Dengan garis tengah matahari (diameter
matahari) 1.39 × 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata
matahari dengan bumi 1.5 × 1011 m maka besar radiasi persatuan luas dalam arah
tegak lurus tepat diluar atmosfir bumi adalah 1367 W/m2.[1]
Gambar 2.1 Hubungan Antara Matahari dan Bumi [2]
Namun intensitas radiasi ini tidak dapat mencapai ke permukaan bumi
secara keseluruhan karena atmosfer bumi mengurangi intensitas radiasi yang
melewatinya melalui pemantulan, penyerapan (oleh ozon, uap air, oksigen, dan
karbon dioksida), serta penyebaran (disebabkan oleh molekul udara, partikel debu
6
Universitas Sumatera Utara
atau polusi). Hanya cuaca yang bagus pada siang hari, pancaran bisa mencapai 1000
W/m2 di permukaan bumi.
2.3
Radiasi Matahari pada Permukaan Bumi
Radiasi matahari yang dapat diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi
tiga jenis, yaitu [3]:
1.
Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation)
Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima dari matahari dalam
suatu garis lurus, tanpa penyebaran oleh atmosfer. Sinarnya sejajar satu
sama lain. Oleh karena itu radiasi langsung dapat meciptakan bayangan dan
dapat dikonsentrasikan oleh cermin.
2.
Radiasi tersebar (diffuse radiation)
Radiasi menyebar terdiri dari cahaya yang tersebar oleh atmosfer
(udara, awan, aerosol). Difusi adalah fenomena yang menyebarkan cahaya
matahari menuju ke segala arah. Di langit sinar matahari disebarkan oleh
molekul udara, butiran uap air (awan), dan debu. Tingkat penyebaran sinar
matahari sangat bergantung pada kondisi cuaca. Pada cuaca mendung
radiasi menyebar dideskripsikan sebagai isotropik yaitu radiasi yang identik
diterima dari segala arah.
3.
Radiasi pantulan (albedo)
Albedo adalah bagian yang dipantulkan oleh bumi, yang bergantung
pada keadaan lingkungan sekitar. Contohnya yaitu salju, dapat
memantulkan radiasi dengan jumlah yang besar. Sedangkan aspal nyaris
tidak memantulkan radiasi.
Radiasi total yang diterima permukaan bumi dapat di tunjukkan seperti
Gambar 2.2.
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Bentuk-bentuk Radiasi Matahari Ke bumi [3]
Cahaya matahari pada permukaan bumi terdiri dari bagian yang langsung
dan bagian yang baur. Radiasi langsung datang dari arah matahari dan memberikan
bayangan yang kuat pada benda. Sebaliknya radiasi baur yang tersebar dari atas
awan tidak memiliki arah yang jelas tergantung pada keadan awan dan hari tersebut
(ketinggian matahari), baik daya pancar maupun perbandingan antara radiasi
langsung dan baur.
Beberapa hal dapat mempengaruhi pengurangan intensitas radiasi pada
atmosfer bumi antara lain sebagai berikut [4] :
1. Pengurangan intensitas karena refleksi (pemantulan) oleh atmosfer bumi.
2. Pengurangan intensitas oleh karena penyerapan zat-zat di dalam atmosfer.
3. Pengurangan intensitas oleh karena Rayleigh scattering.
4. Pengurangan intensitas oleh karena Mie scattering
Sedangkan radiasi yang jatuh pada permukaan material pada umumnya akan
mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Dari tiga proses ini maka material akan
memiliki refleksivitas (ρ), adsorbsivitas (ά), dan transmisivitas (τ).
Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi tergantung pada harga
indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler terjadi pantulan sinar
8
Universitas Sumatera Utara
pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul.
sedangkan refleksi difusi terjadi berupa pantulan ke segala arah.
Absorbsivitas memberikan nilai besarnya radiasi yang dapat diserap.
Misalnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Ketiga
proses tersebut diatas yaitu, absorbsi, refleksi, dan transmisi adalah hal yang
penting dalam proses pemanfaatan radiasi surya, karena ini menyangkut efektifitas
pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya.
Transmisi memberikan nilai besar radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu
lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan (absorbsivitas) dari suatu permukaan
merupakan hal yang penting dalam pemanfaatan radiasi seperti pada pemanfaatan
radiasi surya. Harga absorbsivitas berlainan untuk sudut datang radiasi yang
berlainan. Menurut British Building Research untuk sudut datang dibawah 75o,
harga absorbsivitas terletak antara 0,8 sampai 0,9 dari absorbsivitas yang dimiliki
oleh suatu benda [4].
2.4
Hubungan Geometri Matahari – Bumi
2.4.1
Sistem Koordinat Bumi
Sistem koordinat bumi ini merupakan suatu garis bantu untuk mencari
posisi atau letak suatu daerah di permukaan bumi. Ada dua garis yang ditetapkan
untuk menentukan koordinat bumi, yaitu garis lintang dan garis bujur. Garis lintang
(latitude, φ) adalah garis maya yang melingkari bumi ditarik dari arah timur hingga
ke barat atau sebaliknya, sedangkan garis bujur (longitude, λ ) adalah garis maya
yang ditarik dari utara hingga ke selatan atau sebaliknya yang disejajarkan dengan
garis katulistiwa. Deklinasi adalah Sudut antara bidang ekuator dan bidang orbit
bumi yang berubah-ubah karena bumi bergerak sepanjang orbitnya sepanjang
tahun. Deklinasi dapat diperoleh dengan persamaan [5]:
δ = 23.45 sin (360
284+𝑛
365
) ; n = hari dalam bulan
(2.2)
Nilai n yang digunakan berdasarkan hari yang direkomendasikan dalam satu
bulan untuk perhitungan radiasi matahari yang diterima panel surya per-bulan.
Untuk rinciannya dapat dilihat pada Tabel 2.1.
9
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Hari yang Direkomendasikan untuk Satu Bulan, dan Nilai n Berdasarkan Bulan
Bulan
2.4.2
n - untuk
Rata – rata hari perbulan
hari dari
dalam setahun
bulan
Tanggal
N
Januari
I
17
17
Februari
31 + i
16
47
Maret
59 + i
16
75
April
90 + i
15
105
Mei
120 + i
15
135
Juni
151 + i
11
162
Juli
181 + i
17
198
Agustus
212 + i
16
228
September
243 + i
15
258
Oktober
273 + i
15
288
November
304 + i
14
318
Desember
334 + i
10
344
Posisi Matahari terhadap Bidang Horizontal
Posisi matahari terhadap permukaan bumi untuk setiap saat berbeda-beda,
karena matahari dan bumi masing-masing melakukan pergerakan. Matahari
berotasi pada porosnya sementara bumi berotasi pada porosnya dan juga bergerak
mengelilingi matahari. Jadi untuk menggambarkan posisi matahari terhadap bidang
horizontal di bumi sudut berdasarkan koordinat bumi perlu dipahami.
Sudut tersebut adalah sudut ketinggian matahari (αs), yaitu ketinggian
matahari diukur dalam derajat dari horizon terhadap proyeksi sinar radiasi untuk
posisi matahari. Ketika matahari berada di kaki langit, αs = 0° dan ketika berada
tepat di atas kepala, αs = 90°. Di sebagian besar lintang, matahari tidak akan pernah
berada langsung di atas kepala, hal tersebut hanya terjadi di daerah tropis. Karena
puncaknya adalah titik langsung di atas kepala dan 90° dari kaki langit, sudut
10
Universitas Sumatera Utara
matahari terhadap garis tegak lurus permukaan bumi disebut sudut zenith (θz).
Sudut ketinggian matahari dapat diperoleh dengan persamaan [5] :
αs = 90 - θz
(2.3)
Sudut zenith (θz), adalah sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis
datang sinar matahari. Sudut zenith dapat diperoleh dengan persamaan :
θz = cos-1 (cos φ x cos δ x cos ω + sin φ x sin δ)
(2.4)
Azimuth matahari (γs) adalah sudut pada bidang horizontal antara proyeksi
sinar radiasi terhadap arah acuan utara atau selatan. Azimuth bernilai positif
menunjukkan matahari berada di sebelah barat dari arah acuan selatan dan negatif
menunjukkan ketika matahari berada timur dari selatan. dan sudut jam (ω). Sudut
azimuth matahari dapat dihitung dengan persamaan dibawah, dimana +1 jika ω
positif dan -1 jika ω negatif :
γs = sign (ω) cos−1
(
cos θz sin φ − sin δ
)
𝑠𝑖𝑛θz cosφ
(2.5)
Sudut jam (ω) adalah jarak sudut antara posisi matahari pada waktu tertentu
terhadap posisi matahari tertinggi pada hari tersebut yang mana berada pada tengah
hari jam matahari. Karena bumi berotasi sekali dalam setiap 24 jam, sudut jam
berubah sebesar 15° per jam dan bergerak sebanyak 360° dalam satu hari. Sudut
jam didefinisikan sebagai nol pada tengah hari matahari, bernilai negatif sebelum
melewati garis meridian lokal, dan positif setelah melintasi. Sudut jam matahari
dapat diperoleh dengan persamaan:
360
ω
=
(LST – 12 ) x
LST
=
LT + 60
(2.7)
TC
=
4( Longitude - LSTM ) + E
(2.8)
E
=
9.87 sin(2B) – 7.53 cos(B) – 1.5 sin(B)
(2.9)
B
=
LSTM =
24
;
𝑇𝐶
360
364
(𝑛 − 81)
(2.6)
(2.10)
150.∆TGMT
(2.11)
Dimana:
LST
=
Waktu matahari
11
Universitas Sumatera Utara
LT
=
Waktu lokal
TC
=
Faktor koreksi waktu
LSTM =
Waktu berdasarkan GMT
E
Perhitungan waktu
=
∆TGMT =
Perbedaan waktu dengan GMT
Ada hubungan yang kuat antara titik azimuth matahari dan sudut jam.
Lamanya hari bervariasi untuk semua lintang sepanjang tahun dan dengan ini,
ketinggian matahari (αs) juga berubah setiap jam dan setiap hari seperti pada
Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Posisi Matahari di Langit Dijelaskan oleh Sudut – sudut Matahari [5]
2.5
Modul Surya (Photovoltaic)
Kata photovoltaic terdiri dari dua kata yaitu photo dan volta. Photo yang
berarti cahaya (dari bahasa Yunani yaitu phos, photos: cahaya) dan Volta (berasal
dari nama seorang fisikawan italia yang hidup antara tahun 1745-1827 yang
bernama Alessandro Volta) yang berarti unit tegangan listrik. Jadi, pengertian
photovoltaic yaitu proses konversi cahaya matahari secara langsung diubah menjadi
listrik. Oleh karena itu, kata photovoltaic biasa disingkat dengan PV. Nama lain
untuk sel photovoltaic adalah solar cell, solar panel, solar array, dan photovoltaic
panel. Solar array adalah kelompok dari solar panel, dan solar panel adalah
kelompok dari solar cell. Solar cell merupakan elemen aktif (semikonduktor) yang
12
Universitas Sumatera Utara
memanfaatkan efek photovoltaic untuk mengubah energi surya menjadi energi
listrik tanpa penggunaan dari bagian-bagian mekanis yang bergerak dan tanpa
penggunaan bahan bakar.
PV Module atau Solar cell terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil
dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari solar cell. Solar
cell pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan
bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Semikonduktor adalah
suatu bahan yang mempunyai sifat konduktor dan isolator yang baik.
Semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon dan germanium. Silikon
berperan sebagai isolator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada
energi dan panas. Dapat diperkirakan kita tidak akan kekurangan silikon karena
kira-kira 25% dari kerak bumi adalah silikon. Tiap solar cell biasanya
menghasilkan tegangan 0,5 Volt. Pada solar cell terdapat sambungan (junction)
antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing
diketahui sebagai semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N”
(negatif). Semikonduktor jenis N dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga
sejumlah material lain (umumnya phosfor) dalam batasan bahwa material tersebut
dapat memberikan suatu kelebihan elektron bebas [4].
(a)
(b)
Gambar 2.4 a. Sel surya, b Panel Surya [3]
13
Universitas Sumatera Utara
Jumlah energi yang dihasilkan oleh modul surya bergantung kepada energi
surya yang tersedia, yang pada khususnya bergantung pada arah modul surya
terhadap matahari. Ketika photovoltaic mendapat masukan berupa intensitas cahaya
matahari maka akan dapat menghasilkan arus. Besar arus yang dihasilkan oleh
photovoltaic berbanding lurus dengan besar intensitas cahaya matahari yang masuk
ke dalam modul surya. Besar intensitas cahaya matahari berubah sesuai dengan
pergeseran posisi matahari dan pergeseran bumi. Seperti gerak semu harian
matahari dan gerak semu harian bumi serta kondisi cuaca sangat besar pengaruhnya
terhadap daya keluaran photovoltaic.
2.6
Prinsip Kerja Modul Surya
Silikon dengan kemurnian dan kualitas kristal yang tinggi sangat diperlukan
untuk membuat modul surya. Atom – atom silikon tersebut membentuk suatu sisi
kristal yang stabil dimana tiap atom silikon memiliki empat ikatan elektron
(elektron valensi) di kulit terluarnya. Untuk menciptakan konfigurasi elektron yang
stabil di dalam sisi kristal, dua elektron dari dua atom yang berdekatan membentuk
ikatan pasangan elektron. Dengan membentuk ikatan pasangan elektron dengan
empat elektron yang berdekatan, silikon mencapai konfigurasi gas mulia yang stabil
dengan delapan elektron terluar. Ikatan elektron ini dapat dipisahkan oleh cahaya
atau panas. Elektron tersebut kemudian bebas bergerak dan menuju suatu rongga di
dalam kisi kristalnya yang dikenal sebagai konduktivitas intrinsik.
Gambar 2.5 Struktur Kristal Silikon dan Konduktivitas Intrinsik [3]
14
Universitas Sumatera Utara
Konduktivitas intrinsik tidak dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.
Agar bahan silikon dapat digunakan untuk menghasilkan energi, pengotoran
(doping) sengaja dilakukan ke dalam kisi kristal.
Atom-atom ini memiliki satu elektron lebih (fosfor) atau satu elektron
kurang (boron) dari silikon di kulit elektron terluarnya. Dengan demikian, atom
doping menghasilkan 'atom pengotor' dalam kisi kristal.
Gambar 2.6 Konduksi Ektrinsik di dalam Silikon n- dan p- doped [3]
Pada kasus fosfor sebagai doping (n-doped), maka ada kelebihan elektron
untuk setiap atom fosfor dalam kisi. Elektron ini dapat bergerak bebas di dalam
kristal dan karenanya mengangkut muatan listrik. Dengan boron sebagai doping (pdoped), maka ada lubang (hilang ikatan elektron) untuk setiap atom boron dalam
kisi. Elektron dari atom silikon tetangganya dapat mengisi lubang ini, menciptakan
sebuah lubang baru di tempat lain. Metode konduksi berdasarkan atom doping
dikenal sebagai pengotor konduksi atau konduksi ekstrinsik. Mengingat materi natau p-doped berdiri sendiri, bagaimanapun, muatan bebas tidak memiliki arah yang
tetap untuk pergerakan mereka.
Jika lapisan semikonduktor n- dan p-doped ini disatukan, sebuah p-n
junction terbentuk. Pada persimpangan ini, kelebihan dari semikonduktor nberdifusi ke dalam lapisan semikonduktor p-. Hal ini menciptakan daerah dengan
beberapa pembawa muatan bebas. Wilayah ini dikenal sebagai daerah ruang
15
Universitas Sumatera Utara
muatan. Atom doping bermuatan positif tetap di wilayah n- dalam periode transisi.
dan atom doping bermuatan negatif tetap di wilayah p- dalam periode transisi.
Medan listrik yang diciptakan bertentangan dengan gerakan pembawa muatan, dan
akibatnya difusi tidak berlanjut terus menerus.
Gambar 2.7 Bentuk dari Wilayah Ruang Muatan pada p-n Junction Melalui
Difusi Elektron dan Lubang (hole) [3]
Jika semikonduktor p- n- (solar cell) terkena cahaya, foton diserap oleh
elektron. Energi yang masuk akan memecah ikatan elektron tersebut sehingga
elektron yang terlepas ditarik melalui medan listrik ke wilayah n-. Lubang-lubang
yang terbentuk akibat perpindahan elektron berpindah tempat dengan arah
berlawanan, ke wilayah p-. Proses ini, secara keseluruhan, disebut efek fotovoltaik.
Penyebaran pembawa muatan ke kontak listrik menyebabkan tegangan timbul di
sel surya. Pada keadaan tanpa beban, tegangan rangkaian terbuka (Voc) timbul di
sel surya. Dan jika rangkaian listrik tertutup, arus listrik akan mengalir [5].
2.7
Sifat-Sifat Elektrik pada Photovoltaic
Sifat elektrik dari sel surya dalam menghasilkan energi listrik dapat diamati
dari karakteristik listrik sel tersebut, yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang
16
Universitas Sumatera Utara
dihasilkan sel surya pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-beda.
Karakteristik ini biasanya digambarkan oleh kurva arus-tegangan terminalnya
(kurva I-V).
2.7.1
Kurva Karakteristik I-V pada Photovoltaic
Penggunaan tegangan dari sel surya bergantung dari bahan semikonduktor
yang dipakai. Jika menggunakan bahan silikon, maka tegangan yang dihasilkan dari
setiap sel surya berkisar 0,5 V. Tegangan yang dihasilkan dari sel surya bergantung
dari pancaran matahari. Untuk arus yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari
luminasi (kuat cahaya) matahari seperti pada saat cuaca cerah atau mendung.
Sebagai contohnya, setiap 100 cm2 sel silikon dapat meningkatkan intensitas arus
maksimum berkisar 2 A pada waktu intensitas radiasi matahari 1000 W/m2.
Gambar 2.8 Kurva Karakteristik I-V untuk Sel Surya Silikon Crystalline [3]
17
Universitas Sumatera Utara
Untuk dapat membandingkan sel yang berbeda-beda, atau modul PV yang satu
dengan yang lainnya, kondisi yang sama ditetapkan untuk menentukan data
elektriknya dimana kurva karakteristik I-V pada sel surya dapat dihitung [2].
2.7.2
Tegangan Open Circut (Voc)
Voc adalah tegangan yang dibaca pada saat arus tidak mengalir atau dengan
kata lain tegangan maksimum solar cell yang terjadi ketika arus hubung singkat
sama dengan nol. Cara untuk mencapai tegangan open circuit (Voc) yaitu dengan
cara menghubungkan kutub positif dan kutub negatif PV module pada multimeter
maka akan terlihat pembacaan nilai tegangan open circuit sel surya pada
multimeter.
2.7.3
Arus Short Circuit (Isc)
Isc merupakan arus maksimal yang dapat dihasilkan oleh modul sel surya.
Cara untuk mendapatkan nilai Isc yaitu dengan cara menge-short-kan kutub positif
dengan kutub negatif pada PV module, kemudian nilai Isc dibaca pada multimeter
sebagai pembaca arus sehingga didapatkan nilai pengukuran arus maksimum pada
sel surya.
Nilai arus hubung singkat pada modul surya secara linear bergantung pada
besar pancaran matahari. Jika besar pancaran mataharinya dua kali lipat maka arus
juga akan meningkat dua kali lipat, hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.9. Tegangan
rangkaian terbuka (Voc) secara relatif tetap konstan seiring dengan perubahan besar
pancaran matahari. Tetapi ketika nilai besar pancaran matahari menurun mendekati
100 W/m2, menyebabkan tegangan menurun drastis. Secara matematis, terdapat
dependensi logaritmik antara tegangan dan pancaran matahari pada sel surya
crystalline [3].
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Tegangan Rangkaian Terbuka dan Arus Hubung Singkat Tergantung pada
Pancaran Radiasi Matahari [3]
2.8
Faktor Pengoperasian Modul Surya
Kinerja photovoltaic dipengaruhi oleh faktor dari dalam dan faktor dari luar.
Faktor dalam meliputi bahan semikonduktor, kemurnian material, efek dari proses
manufakturnya, serta faktor luar meliputi intensitas matahari dan temperatur sel.
Pada umumnya faktor internal hanya dapat diubah dengan pembuatnya. Oleh
karena itu, kita hanya dapat mengoptimalkan kinerja sel dengan mengatur faktor
external. Adapun faktor-faktor tersebut yaitu efek perubahan pancaran radiasi
matahari dan efek perubahan temperatur pada photovoltaic.
2.8.1
Efek Perubahan Pancaran Radiasi Matahari
Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diperoleh sel surya berkurang
atau intensitas cahayanya melemah, maka besar tegangan dan arus listrik yang
dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan
penurunan arus listriknya. Gambar 2.10 di bawah ini menunjukkan pengaruh dari
radiasi pada karakteristik I-V dari sel surya.
19
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Pengaruh Radiasi, E pada Karakteristik I-V Sel Surya [4]
2.8.2
Efek Perubahan Temperatur pada Photovoltaic
Temperatur juga mempengaruhi kinerja sel dan efisiensinya. Jika sel
mendapat suhu lebih dingin, maka menghasilkan lebih daya. Hubungannya
bervariasi untuk produk-produk yang berbeda. Pada umumnya, ketika penyinaran
pada sel surya adalah 1 kw/m2, temperatur sel surya kira-kira 300C lebih tinggi dari
udara sekitar [4].
Tegangan yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari temperatur sel
surya, makin besar temperatur sel surya, tegangan berkurang sekitar 0,0023 Volt/0C
untuk teknologi silikon crystalline atau sekitar 0,0028 Volt/0C untuk teknologi film
tipis. Daya listrik juga mengalami penurunan sampai 0,5%/0C untuk teknologi
silikon crystalline atau sekitar 0,3%/0C untuk teknologi film tipis. Sementara
tegangan mengalami penurunan, sebaliknya arus listrik menunjukkan peningkatan
dengan adanya penambahan temperatur. Karakteristik perubahan temperatur pada
sel surya diperlihatkan pada Gambar 2.11.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Pengaruh Temperatur terhadap Keluaran Tegangan dan Arus [6]
2.9
Jenis Jenis Solar Sel
Panel surya memiliki jenis yang berbeda tergantung pada bahan yang di
pakai, bahan yang digunakan ini berpengaruh pada daya keluaran masing masing
panel surya tersebut. Ada tiga jenis panel surya yang banyak beredar di pasaran
untuk saat ini. Berikut ini jenis solar sel antara lain [3] :
2.9.1 Monocrystalline
Solar Cell monocrystalline dibuat menggunakan crystall silicon murni yang
sudah melalui proses pemurnian silicon yang hasilnya adalah Ingot. Ingot ini adalah
sebuah material dalam hal ini adalah potongan crystal silicon yang sudang melalui
proses czochralski. Poses czochralski ini maksudnya adalah sebuah proses
pemunian suatu material dengan cara pengkristalan material tersebut.
21
Universitas Sumatera Utara
Gamar 2.12 Silicon Ingot [7]
Irisan ingot inilah yang menyebabkan jenis solar cell monocrystalline berbentuk
bundar/lingkaran, bentuk tersebut merupakan hasil dari proses chochralski.
Kemudian ada juga yang dipotong dibagian tepi nya sehingga berbentuk segi
delapan, lebih tepatnya segi empat dengan irisan di keempat sudutnya. Ciri – ciri
fisik jenis solar cell monocrystalline Silicon dapat dibedakan dengan mudah. Selain
bentuknya yang segidelapan, warna monocrystalline silicon juga lebih gelap.
Gambar 2.13 Sel Monocrystalline [3]
22
Universitas Sumatera Utara
2.9.2 Polycrystalline
Solar Cell polycrystalline silicon juga dikenal sebagai polysilicon (p-Si)
dan multi-kristal silikon (mc-Si), dan diperkenalkan ke pasar pada tahun 1981.
Tidak seperti panel surya berbasis monocrystalline, polycrystalline tidak
memerlukan proses czochralski.
(a)
(b)
Gambar 2. 14 (a) Sel Polycrystalline, (b) Panel Polycrystalline [3]
Jenis Solar cell polycrystalline dihasilkan dari proses metalurgi grade silicon
dengan pemurnian kimia. Silikon baku dicairkan dan dituangkan ke dalam cetakan
persegi, yang didinginkan dan dipotong menjadi bentuk yang di inginkan. Ciri fisik
yang mudah dikenali jenis plycrystalline adalah warna yang kebiruan, bentuk nya
biasa kotak atau persegi dengan pola – pola guratan kebiruan. Bila disusun pada
solar panel terlihat lebih rapat.
2.9.3 Thin Film Solar Cell
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).
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 15 Thin Film Solar Cell [3]
Berdasarkan materialnya, sel surya thin film ini digolongkan menjadi :
1. 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. Dengan teknik produksi yang disebut stacking (susunan lapis), dimana
beberapa lapis amorpous silicon ditumpuk membentuk satu sel surya.
2. Cadmium Telluride (CdTe) Solar Cells.
Sel surya jenis ini mengandung bahan Candium Telluride yang
memiliki efisiensi lebih tinggi dari sel surya amorphous silicon.
3. Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) Solar Cells.
Dibandingkan kedua jenis sel surya thin film di atas, CIGS sel surya
memiliki efisiensi paling tinggi. Selain itu jenis ini tidak mengandung bahan
berbahaya Cadmium seperti pada sel surya CdTe.
24
Universitas Sumatera Utara
2.10
Daya, Fill Factor, dan Efisiensi Pada Panel Surya
2.10.1 Daya Panel Surya
Daya yang dihasilkan panel surya berbanding lurus dengan besar intensitas
cahaya matahari. Semakin besar intensitas cahaya matahari yang diterima panel
surya maka daya yang dihasilkan panel surya semakin besar. Jika luas sel surya
adalah (A) dengan intensitas (J) tertentu, maka daya input sel surya (Pin) adalah [5]:
Pin = JA
(2.12)
dengan
Pin
= Daya yang di terima akibat irradiance matahari (watt)
J
= Intensitas cahaya ( W/𝑚2 )
A
= Luas area permukaan sel surya (𝑚2 )
Besar daya output sel surya (𝑃𝑜𝑢𝑡 ) yaitu perkalian tegangan rangkaian
terbuka (𝑉𝑜𝑐 ), arus hubung singkat (𝐼𝑠𝑐 ), dan fill factor (FF) yang dihasilkan oleh
sel surya dapat di hubungkan dengan rumus
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑣𝑜𝑐 𝐼𝑠𝑐 𝐹𝐹
(2.13)
Dengan
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑎𝑛𝑔𝑘𝑖𝑡𝑘𝑎𝑛 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 ( 𝑤𝑎𝑡𝑡)
𝑉𝑜𝑐 = 𝑇𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎𝑖𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑢𝑘𝑎 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 ( 𝑣𝑜𝑙𝑡)
𝐼𝑠𝑐
= 𝐴𝑟𝑢𝑠 ℎ𝑢𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑠𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 ( 𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒)
FF
= Fill Factor
2.10.2 Fill Factor
Faktor pengisi ( Fill Factore,FF ) merupakan faktor pengisian pada panel
surya, untuk jenis crystal silicon baik monocrystalline dan polycristalline bernilai
antara 0,75-0,85.
25
Universitas Sumatera Utara
FF =
𝑉𝑜𝑐− ln(𝑉𝑜𝑐+0,72)
(2.14)
𝑉𝑜𝑐 +1
Dimana :
𝑉𝑜𝑐 = Tegangan rangkaian terbuka pada sel surya ( Volt)
2.10.3 Efisiensi Panel Surya
Energi cahaya matahari yang diterima oleh sel surya dapat diubah menjadi
energi listrik. Semakin besar energi cahaya yang diserap maka semakin besar energi
listrik yang dapat dihasilkan. Maka konversi energi inipun memiliki nilai efisiensi
didalamnya. Efisiensi keluaran maksimun (η) didefenisikan sebagai persentase
daya keluaran optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, dirumuskan
sebagai berikut:
𝜂=
𝜂=
𝜂=
𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑚𝑎𝑥
𝑃𝑖𝑛
𝑉𝑠𝑐 𝐼𝑠𝑐𝐹𝐹
(2.16)
𝑃𝑖𝑛
𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛
(2.15)
×100%
(2.17)
Dimana
𝜂
= Efisiensi sel surya (%)
Pout
= Daya yang dibangkitkan oleh sel surya (watt)
Pin
= Daya yang di terima akibat radiasi matahari
(watt)
2.11
Pemantulan Cahaya pada Cermin Datar
2.11.1 Cahaya
Ada banyak ilmuan yang mengeluarkan pendapatnya tentang cahaya.
Namun sebaiknya pendapatnya harus didukung oleh hasil-hasil eksperimen dan
meramalkan gejala-gejala alam, hal inilah yang membuat pendapat pendapat
26
Universitas Sumatera Utara
ilmuan terdahulu tidak dapat dipertahankan. Namun Maxwell (1831 - 1874)
mengemukakan pendapatnya bahwa cahaya dibangkitkan oleh gejala kelistrikan
dan kemagnetan sehingga tergolong gelombang elektromagnetik. Sesuatu yang
berbeda dibandingkan gelombang bunyi yang tergolong gelombang mekanik.
Gelombang elektromagnetik dapat merambat dengan atau tanpa medium
dan kecepatan rambatnyapun sangat tinggi bila dibandingkan dengan gelombang
bunyi. Gelombang elektromagnetik marambat dengan kecepatan 300.000 km/s.
Kebenaran pendapat Maxwell ini tak terbantahkan ketika Hertz (1857 - 1894)
berhasil membuktikannya secara eksperimental yang disusul dengan penemuanpenemuan berbagai gelombang yang tergolong gelombang elektromagnetik seperti
sinar x, sinar gamma, gelombang mikro [8].
Adapun sifat sifat gelombang cahaya adalah sebagai berikut [9]:

Cahaya merambat lurus
Cahaya yang dipancarkan oleh sebuah sumber cahaya merambat ke segala
arah. Bila medium yang dilaluinya homogen, maka cahaya akan lurus. Namun
ketika cahaya menyentuh permukaan suatu benda maka rambatan cahaya akan
mengalami dua hal, yaitu pemantulan atau pembiasan dan tidak tembus cahaya.

Cahaya dapat dibiaskan
Berkas cahaya yang menembus sebuah bidang dapat menyebabkan berkas
cahaya tersebut dibelokkan. Dimana besarnya pergeseran berkas cahaya yang
keluar dari suatu medium bergantung pada kerapatan optik medium tersebut. Jika
cahaya masuk dari zat optik kurang rapat ke zat optik lebih rapat, cahaya dibiaskan
mendekati garis normal. Sebaliknya, jika cahaya masuk dari zat optik lebih rapat ke
zat optik kurang rapat, cahaya dibiaskan menjauhi garis normal.

Cahaya dapat di uraikan
Dispersi cahaya merupakan peristiwa terurainya cahaya putih menjadi warna-
warna spektrum. Isac Newton mengemukakan bahwa sesungguhnya cahaya putih
mengandung semua dari tujuh warna yang terdapat pada pelangi. Berdasarkan
27
Universitas Sumatera Utara
urutan penurunan panjang gelombang, maka warna-warna yang sebenarnya pada
pelangi adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu.

Cahaya dapat dipantulkan
Ketika seberkas cahaya menyentuh suatu benda maka berkas cahaya itu akan
dipantulkan, pemantulannya tergantung permukaan benda tersebut. Pemantulan itu
dapat dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu pemantulan teratur dan pemantulan
baur. Pemantulan teratur adalah apabila berkas cahaya mengenai suatu permukaan
teratur, halus, mengkilat atau licin, sehingga cahaya dipantulkan ke arah tertentu
dengan teratur, sedangkan pemantulan baur adalah apabila berkas cahaya mengenai
suatu permukaan kasar dan tidak teratur maka berkas cahaya akan dipantulkan ke
segala arah.
Gambar 2.16 (a) Pemantulan Teratur
(b) Pemantulan baur [9]
2.11.2 Cermin
Cermin datar adalah cermin yang sangat halus dan memiliki permukaan
yang datar. Biasanya terbuat dari kaca, dibagian belakang dilapisi logam mengkilap
sehingga tidak tembus cahaya. Cahaya yang datang pada cermin akan dipantulkan,
sesusai dengan hukum sinellius yaitu [8] :
28
Universitas Sumatera Utara
1. Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada suatu bidang datar.
2. Besar sudut datang (i) sama dengan besar sdut pantul (r).
I=r
(2.18)
Gambar 2.17 Diagram Pemantulan Cahaya [8]
Berikut ini merupakan ciri pembentukan bayangan pada cermin datar adalah
sebagai berikut :
1.
Jarak bayangan pada cermin sama dengan jarak benda pada cermin,
2.
Bayangan bersifat maya,
3.
Ukuran bayangan yang terbentuk sama dengan ukuran benda,
4.
Bayangan bersifat simetris (berlawanan) dengan benda
Ciri-ciri dari pembentukan bayangan cermin datar perhatikan gambar 2.18.
29
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.18 Pembentukan Bayangan pada Cermin Datar [8]
Pada umumnya cermin datar digunakan untuk bercermin karena bayangan
yang di bentuk sama dengan benda aslinya. Jadi pada penelitian ini cermin datar
digunakan sebagai reflektor yang bertujuan memantulkan cahaya yang diterima
reflektor kemudian dipantulkan ke panel surya supaya intensitas radiasi cahaya
matahari yang diterima panel semakin besar dan dapat menambah daya keluaran
panel tersebut.
30
Universitas Sumatera Utara