Pengukuran I-V dengan Menggunakan Sun Simulator Sederhana

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82
Pengukuran I-V dengan Menggunakan Sun Simulator Sederhana
Satwiko Sidopekso, Hadi Nasbey, dan Arymukti Wibowo*
Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Jakarta, Jakarta 13220, Indonesia
*
E-mail: [email protected]
Abstrak
Kurva karakteristik arus-tegangan sel surya memberikan informasi tentang efisiensi sel surya untuk mengkonversi
cahaya matahari secara langsung menjadi energi listrik. Pengaruh temperatur, tingkat iradiasi, serta bahan dasar
pembuatnya akan menyebabkan berubahnya kurva karakteristik tersebut. Sun simulator sederhana digunakan sebagai
pengganti fungsi matahari serta sebagai sumber iradiasi digunakan lampu halogen sebagai sumber cahaya dan
difokuskan di dalam box yang seluruh sisinya menggunakan cermin datar sebagai reflektor. Dengan memvariasikan
jarak penyinaran serta besarnya iradiasi yang jatuh pada sel surya, dilakukan karakterisasi sel surya. Diperoleh
kesesuaian output hasil pengukuran karakteristik sel surya berupa Isc, Voc, Pmax, Imax, dan Vmax dengan produk
spesifikasi pabrik. Dari hasil diperoleh Voc sebesar 19,99 Volt, dan Isc sebesar 3,48 Ampere pada sumber cahaya 4000
Watt. Selanjutnya pengecekan dilakukan menggunakan software MATLAB, menggunakan curve fitting antara kurva
hasil output dengan sun simulator, dan kurva teoritikal model. Diperoleh kesamaan antara kurva hasil sun simulator
dibandingkan dengan kurva model sel surya sederhana.
Abstract
I-V Measurements Using Simple Sun Simulator. Characteristic Current-Volt curve of solar cell give information
about solar cell’s efficiency to directly convert sun light to become current. temperature, iradiance level, and maker
material’s influence cause changeable of following current. Simple sun simulator utilized as substitution of solar
function and as source of irradiation use halogen lamp as light source and is focused in the box which all side used flat
mirror as reflector. By variated lighting distance and irradiance level that falls at solar cell, get characteristic of solar
cell. It result appropriating output of solar cell measurement as Isc, Voc, Pmax, Imax, and Vmax with manufacturing
specification. Of result was gottenVoc 19.99 Volt, and Isc 3.48 Ampere by 4000 Watt lighting source. Next,
examination using MATLAB, by curve vitting among output measurement result with sun simulator, and theoretical
model curve. Result is an agreement with output measurement from sun simulator compared by theoretical model
curve of solar cell.
Keywords: model’s curve of solar cell, solar cell, sun simulator surya dalam kondisi gelap, sel surya hanya berfungsi
sebagai dioda sambungan P-N dan tidak dapat
memproduksi energi listrik. Ketika dihubungkan dengan
tegangan dari luar, sel akan memproduksi arus ID yang
disebut arus dioda dalam kondisi gelap [1-2].
1. Pendahuluan
Sel surya merupakan perangkat semikonduktor yang
mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Pemanfaatan sel surya di Indonesia merupakan hal
menarik karena Indonesia terletak pada daerah
khatulistiwa. Permasalahan yang ada yaitu harga sel
surya masih mahal dibandingkan dengan pembangkit
energi dari sumber energi lain. Usaha untuk
menurunkan harga panel surya dapat dilakukan dengan
menaikkan efisiensi sel tersebut.
Sel surya dapat dimodelkan sebagai sumber arus yang
diparalelkan dengan dioda (Gambar 1). Ketika sel surya
disoroti cahaya, akan menghasilkan arus IL. Ketika sel
Gambar 1. Diagram Arus Sel Surya [2]
79
80
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82 Sel surya bekerja maksimum pada tingkat iradiasi
tertentu dari suatu sumber cahaya untuk bisa diubah
menjadi keluaran berupa arus listrik dan tegangan.
Bentuk kurva karakteristik I-V berbeda-beda pada
intensitas, dan temperatur tertentu. Karakteristik I-V sel
surya ketika disinari pada sembarang iradiasi dan
temperatur T ditunjukkan pada Gambar 2.
Arus keseluruhan yang didapat merupakan selisih antara
arus fotolistrik IL dan arus dioda ID, dirumuskan dengan:
⎛ Q(V + IRs ) ⎞ ⎛ V + Rs I ⎞
⎟
I = I L − I D = I L − IO ⎜⎜ exp nkT − 1 ⎟⎟ − ⎜
⎜ Rsh ⎟
⎝
⎠ ⎝
⎠
(1)
dengan IL adalah arus saat sel surya disinari (Ampere),
I0 adalah arus saturasi diode (Ampere), q adalah muatan
elektron sebesar 1,602 x 10-19 C, V adalah tegangan
keluaran (Volt), I adalah arus keluaran (Ampere), Rs
adalah hambatan seri sel (Ω), Rsh adalah hambatan
paralel sel (Ω), n adalah faktor ideal dioda (antara 1
sampai 2), k adalah konstanta Boltzman sebesar 1.38 x
10-23 J/K, dan T adalah temperatur sel (Kelvin) [3].
Suhu sel surya mempengaruhi fill factor dikarenakan
ketika suhu di sekitar sel surya meningkat di atas suhu
normal 25 °C, tegangan akan berkurang. Selain fill
factor, efisiensinya juga turun beberapa persen.
Sebaliknya ketika suhu meningkat, besarnya arus juga
akan meningkat.
Untuk mensimulasikan cahaya yang akan mengenai
permukaan modul sehingga diketahui efisiensi
maksimal suatu modul, maka dapat digunakan sebuah
simulasi matahari buatan (sun simulator) dengan
menggunakan lampu halogen untuk mendapatkan
karakteristik sel surya khususnya I-V. Lampu halogen
tersebut disusun di dalam box reflektor di mana di setiap
sisi box tersebut merupakan cermin. Ruang reflektor ini
berfungsi mengurangi cahaya untuk keluar sehingga
tidak ada cahaya loss, dan tepat mengenai modul surya.
Modul surya ditempatkan dibagian atas box reflektor
tepat mengarah langsung kepada lampu halogen.
Keuntungan penggunaan sun simulator yaitu untuk bisa
memodelkan iradiasi matahari kepada sel surya tanpa
dipengaruhi cuaca dan temperatur sekitar. Selain itu
karakteristik sel surya lebih akurat mendekati model
Karakteristik I-V sel surya berubah sepanjang
perubahan besar iradiasi cahaya yang mengenai
permukaan modul surya. Semakin besar iradiasi yang
terkena modul, semakin besar pula daya dan efisiensinya
[4]. Hal tersebut ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 4. Kurva Karakteristik I-V terhadap Perubahan
Temperatur [4]
Gambar 2. Kurva Karakteristik Model Sel Surya
Gambar 3. Kurva Karakteristik I-V terhadap Perubahan
Iradiasi [4]
Gambar 5. Sisi dalam Sun Simulator
81
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82 jika menggunakan sun simulator dibanding dengan
iradiasi langsung ke matahari dikarenakan menghindari
panas yang berlebihan akibat iradiasi secara kontinu [5].
Tabel 1. Karakteristik Sel Surya Hasil Penelitian
Voc
(Volt)
Isc
(Ampere)
21
3,23
50
4000
Watt,
jarak 60 cm
20,03
3,64
55,9784
4000
Watt,
jarak 70 cm
20,01
3,56
49,29
4000
Watt,
jarak 80 cm
19,99
3,48
48,7527
2. Metode Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini
adalah modul surya polycrystalline Si tipe SX 50 U,
lampu halogen 500 dan 1.000 Watt, cermin datar,
resistor box, sensor arus DCS-01, sensor suhu LM-35,
rangkaian pembagi tegangan, mikrokontroler ATmega
8535, dan laptop.
Pengambilan data dilakukan dengan menembakkan
cahaya dari lampu halogen langsung terhadap modul
surya dan dilakukan di dalam box reflektor. Intensitas
cahaya yang masuk diserap modul surya dan dikonversi
menjadi keluaran berupa arus dan tegangan. Arus yang
dihasilkan melewati sensor arus dan rangkaian pembagi
tegangan yang nantinya akan masuk ke dalam
mikrokontroler. Mikrokontroller dibuat pemrograman
agar data yang didapat langsung interface ke laptop.
Dengan mengubah-ubah nilai resistansinya, maka
didapat kurva karakteristik I-V sel surya tersebut.
3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengukuran karakteristik I-V pada iradiasi dan
jarak yang berbeda menunjukkan perubahan efisiensi
yang saling berhubungan. Ketika iradiasi oleh lampu
halogen sebesar 4000 Watt dengan jarak yang diubahubah antara 80 cm, 70 cm, dan 60 cm, menunjukkan
bahwa semakin besar jarak penyinarannya, Isc dan daya
yang dihasilkan akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan
ketika sel surya didekatkan dengan lampu halogen,
intensitas iradiasi yang diterima oleh sel surya menjadi
lebih besar.
Sel surya SX50U yang dilakukan pengukuran memiliki
spesifikasi Voc sebesar 21 Volt, Isc sebesar 3,23
Ampere, dan Pmax sebesar 50 Watt pada sumber iradiasi
Spesifikasi
pabrik
Pmax
(Watt)
iradiasi 1 sun (1000 Watt/m2) [1]. Hasil penelitian
pengukuran
karakteristik
sel
surya
SX50U
menggunakan sun simulator pada sumber iradiasi 4000
Watt, ditunjukkan pada Tabel 1.
Dapat
disimpulkan
bahwa
hasil
pengukuran
karakteristik sel surya ketika sumber iradiasi 4000 Watt
pada jarak 80 cm mendekati spesifikasi pabrik ketika
sumber iradiasi sebesar 1 sun (1000
Watt/m2).
Sehingga sun simulator sederhana telah teruji dan dapat
digunakan untuk mengetahui karakteristik sel surya
unknown dengan menggunakan sumber iradiasi 4000
Watt pada jarak 80 cm.
4. Simpulan
Sun simulator sederhana menunjukkan semakin besar
jarak penyinarannya, Isc dan daya yang dihasilkan akan
semakin kecil. Hal ini dikarenakan ketika sel surya
didekatkan dengan lampu halogen, intensitas iradiasi
yang diterima oleh sel surya menjadi lebih besar.
Pengukuran karakteristik sel surya SX50U ketika
sumber iradiasi 4000 Watt pada jarak 80 cm mendekati
spesifikasi pabrik ketika sumber iradiasi sebesar 1 sun
(1000 Watt/m2). Sehingga sun simulator sederhana
telah teruji dan dapat digunakan untuk mengetahui
karakteristik sel surya unknown dengan menggunakan
sumber iradiasi 4000 Watt pada jarak 80 cm.
Daftar Acuan
Gambar 6. Hasil Penelitian Pengukuran Karakteristik
Sel Surya Menggunakan Sun Simulator pada
Sumber Iradiasi 4000 Watt dengan Variasi
Jarak
[1] A.D. Hansen et al., Model for a Stand-Alone PV
System, Technical Report Riso National
Laboratory,
Roskilde,
Norway,
http://www.risoe.dk/solenergu/rapporter/pdf/sec-r12.pdf, 2000.
[2] Anon., Part II: Photovoltaic I-V Cell
Characterization Theory and Labview Analysis
82
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82 Code,
National
Instruments,
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7230, 2010.
[3] F.M. Gonzales-Longatt, Model of Photovoltaic
Module
in
MatlabTM,
2do
Congreso
Iberoamericano de Estudiantes de Ingenieria
Electrica, Electronica Y Computacion, San Diego,
2005.
[4] S. Nema, R.K. Nema, G. Agnihotri, Int. J. Energy
Environ. 1/3 (2010) 487.
[5] A. Wibowo, S. Sedopekso, H. Nabey, Karakteistik
Sel Surya dengan Menggunakan Sun Simulator
Sederhana, Prosiding Seminar SEMIRATA,
Jakarta, 2011.