BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Energi Surya

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1.
Energi Surya
Energi surya atau matahari telah dimanfaatkan di banyak belahan
dunia dan jika dieksplotasi dengan tepat, energi ini berpotensi mampu
menyediakan kebutuhan konsumsi energi dunia saat ini dalam waktu yang
lebih lama. Matahari dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi
listrik atau untuk memanaskan bahkan untuk mendinginkan. Potensi masa
depat energi surya hanya dibatasi oleh keinginan kita untuk menangkap
kesempatan. Ada banyak cara untuk memanfaatkan energi dari matahari.
Tumbuhan mengubah sinar matahari menjadi energi kimia dengan
menggunakan fotosintesis. Kita memanfaatkan energi ini dengan memakan
dan membakar kayu. Bagimanapun, istilah “tenaga surya” mempunyai arti
mengubah sinar matahari secara langsung menjadi panas atau energi listrik
untuk kegunaan kita. dua tipe dasar tenaga matahari adalah “sinar matahari”
dan “photovoltaic” (photo- cahaya, voltaic=tegangan) Photovoltaic tenaga
matahari: melibatkan pembangkit listrik dari cahaya. Rahasia dari proses ini
adalah penggunaan bahan semi konduktor yang dapat disesuaikan untuk
melepas elektron, pertikel bermuatan negative yang membentuk dasar
listrik.
Bahan semi konduktor yang paling umum dipakai dalam sel
photovoltaic adalah silikon, sebuah elemen yang umum ditemukan di pasir.
Semua sel photovoltaic mempunyai paling tidak dua lapisan semi konduktor
6
http://digilib.mercubuana.ac.id/
7
seperti itu, satu bermuatan positif dan satu bermuatan negatif. Ketika cahaya
bersinar pada semi konduktor, lading listrik menyeberang sambungan
diantara dua lapisan menyebabkan listrik mengalir, membangkitkan arus
DC. Makin kuat cahaya, makin kuat aliran listrik (www.greenpeace.org)
[11].
Sistem photovoltaic tidak membutuhkan cahaya matahari yang
terang untuk beroperasi. Sistem ini juga membangkitkan listrik di saat hari
mendung, dengan energi keluar yang sebanding ke berat jenis awan.
Berdasarkan pantulan sinar matahari dari awan, hari-hari mendung dapat
menghasilkan angka energi yang lebih tinggi dibandingkan saat langit biru
sedang yang benar-benar cerah.
Saat ini, sudah menjadi hal umum piranti kecil, seperti kalkulator,
menggunakan solar sel yang sangat kecil. Photovoltaic juga digunakan
untuk menyediakan listrik di wilayah yang tidak terdapat jaringan
pembangkit tenaga listrik. Penggunaan sel photovoltaic sebagai desain
utama oleh para arsitek semakin meningkat. Sebagai contoh, atap ubin atau
slites solar dapat menggantikan bahan atap konvensional. Modul film yang
fleksibel bahkan dapat diintegrasikan menjadi atap vaulted, ketika modul
semi transparan menyediakan percampuran yang menarik antara bayangan
dengan sinar matahari. Sel photovoltaic juga dapat digunakan untuk
menyediakan tenaga maksimum ke gedung pada saat hari di musim panas
ketika sistem AC membutuhkan energi yang besar, hal itu membantu
mengurangi beban maskimum elektrik. Baik dalam skala besar maupun
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
skala kecil photovoltaic dapat mengantarkan tenaga ke jaringan listrik, atau
dapat disimpan dalam selnya (Subandi. 2015) [4].
2.2.
Radiasi Surya
Radiasi matahari adalah radiasi, atau energi yang kita dapatkan dari
matahari. Hal ini juga dikenal sebagai radiasi gelombang pendek. Radiasi
matahari datang dalam berbagai bentuk, seperti cahaya yang terlihat,
gelombang radio, panas (inframerah), sinar-x, dan sinar ultraviolet.
Pengukuran untuk radiasi matahari akan lebih tinggi pada hari yang cerah
dan biasanya rendah saat hari berawan. Saat matahari sedang terbenam, atau
ada awan tebal menghalangi matahari, radiasi matahari diukur pada nol
(Riyadi, Slamet. 2012) [3].
Jumlah energi yang dikeluarkan oleh matahari dalam jumlah
konstan. Radiasi matahari yang masuk dikenal sebagai insolasi. Jumlah
energi matahari yang mencapai bumi adalah 70 persen. Permukaan bumi
menyerap 51 persen dari insolasi. Uap dan debu air sebesar 16 persen dari
energi yang diserap. 3 persen lainnya diserap oleh awan. Dari 30 persen
yang dipantulkan kembali ke angkasa, 6 persen tercermin melalui udara dan
debu.
Awan mencerminkan 20 persen, dan 4 persen sisanya dipantulkan
oleh permukaan. Energi yang diserap dapat kembali di pancarkan. Dari
energi yang kembali di pancarakan, 70 persen yang hilang ke luar angkasa.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
9
Permukaan menyerap sekitar 21 persen energi, dan 49 persen sisanya hilang
di atmosfer. Sisanya 30 persen ditransfer oleh permukaan ke atmosfer.
Gambar 2.1 Ilustrasi Radiasi Matahari
Musim di Bumi tidak disebabkan oleh seberapa dekat Bumi ke
Matahari. Bumi paling dekat dengan Matahari sekitar tanggal 1 Januari dan
terjauh pada atau sekitar 1 Juli setiap tahun. Itu sebabnya yang membuat
jumlah radiasi matahari berpengaruh musim di bumi.
2.3.
Sistem Sel Surya
Sel surya adalah suatu teknologi yang dapat mengubah energi sinar
matahari secara langsung menjadi energi listrik. Sel surya ini banyak
digunakan untuk penyediaan tenaga listrik bagi penerangan, pompa air,
telekomunikasi dan lain sebagainya. Pemanfaatan sistem sel surya sebagai
pembangkit tenaga listrik tersebut telah banyak diterapkan baik yang
http://digilib.mercubuana.ac.id/
10
menghasilkan daya rendah maupun yang berdaya tinggi. Sistem sel surya
bila tinjau dari daya keluarannya dapat dibagi menjadi:
1. Sistem yang berdiri sendiri
Gambar 2.2. Skema sederhana komponen suatu sel surya yang berdiri sendiri.
Gambar 2.2 memperlihatkan desain pembangkit listrik tenaga surya
yang berdiri sendiri tidak memperhatikan sumber energi luar selain energi
radiasi matahari dan generator sebagai pembangkit darurat. Sistem yang
berdiri sendiri dapat mensuplai beban DC maupun beban AC dengan
menggunakan inverter.
2. Sistem yang terinterkoneksi dengan jaringan pengguna
Gambar 2.3 Sistem sel surya terinterkoneksi dengan jaringan pengguna
http://digilib.mercubuana.ac.id/
11
Sistem sel surya yang terinterkoneksi dengan jaringan pengguna
diperlihatkan dalam gambar 2.3, kelebihan beban yang tidak dapat disuplai
oleh sel surya akan disuplai oleh jaringan. Sebaliknya, jika kondisi cuaca
sangat baik serta permintaan beban berkurang, maka kelebihan energi listrik
yang dihasilkan oleh sel surya akan ditampung oleh jaringan pengguna.
2.4. Prinsip Kerja Panel Surya
Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep
semikonduktir p-n junction. Sel terdiri dari lapisan semi konduktor dopingn dan doping-p yang membentuk p-n junction, lapisan antirefleksi, dan
substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe- n
(elektron) dan tipe-p (hole).
Gambar 2.4. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction.
Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan
unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi
dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
12
doping oleh golongan III sehingga electron valensinya defisit satu dibanding
atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak maka
kelebihan elektron dari tipe n berdifusi pada tipe-p.
Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area
doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yan terjadi antara
keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p.
Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan kontak
logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.
Gambar 2.5. Cara kerja Sel Surya Silikon.
Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau
lebih besar dari lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan
eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan
hole pada pita valensi.
Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga
menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada
terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir
(Haryanti, Munnik. 2015) [1]. Skema cara kerja sel surya silikon
ditunjukkan pada Gambar 2.5.
2.5. Panel Surya
Komponen utama dari PV yang dapat menghasilkan energi listrik
DC disebut panel surya atau modul surya. Panel surya terbuat dari bahan
semikonduktor (umumnya silicon) yang apabila disinari oleh cahaya
matahari dapat menghasilkan arus listrik.
Gambar 2.6 Panel atau modul sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor.
2.5.1. Pengertian Watt Peak (Wp)
Watt peak / Wp, istilah yang digunakan dalam dunia solar
energy. Watt peak adalah satuan yang menyatakan daya produksi
tertinggi yang dapat dihasilkan oleh panel surya per satuan waktu.
Satuan ukuran panel surya ini didapat dari jumlah produksi daya
yang didapat ketika matahari bersinar dengan tingkat radiasi
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
tertinggi. Ini dikarenakan energi dari sinar matahari yang bisa
berubah – ubah dalam satu hari.
Penyinaran matahari tidak selalu stabil dalam satu hari,
matahari mengalami puncak hanya 3 – 5 jam/hari (biasanya mulai
dari jam 10 pagi – 2 siang) tergantung lokasi. Waktu 3 – 5 jam inilah
waktu yang ideal bagi panel surya menghasilkan daya terbaik
(Pmax), yang ditunjukkan dalam Wp.
Karena penulis menggunakan panel surya Polycrystalline
dan Monocrystalline 20Wp itu berarti daya yang diserap saat
matahari sedang terik maksimal adalah 20W.
2.5.2. Jenis Sel Surya
2.5.2.1. Panel Surya Monocrystalline
Merupakan panel yang paling efisien yang dihasilkan dengan
teknologi terkini & menghasilkan daya listrik persatuan luas yang
paling tinggi. Monokristal dirancang untuk penggunaan yang
memerlukan konsumsi listrik besar pada tempat-tempat yang beriklim
ekstrim dan dengan kondisi alam yang sangat ganas. Memiliki
efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah
tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang
(teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan
(www.sharp-indonesia.com) [10].
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
Gambar 2.7. Panel Surya Monocrystalline
Cara pembuatan panel surya tipe Monocrystalline adalah
terbuat dari batangan kristal silikon murni yang diiris tipis-tipis.
Kristal silikon murni yang membutuhkan teknologi khusus untuk
mengirisnya menjadi kepingan-kepingan kristal silikon yang tipis.
Dengan teknologi seperti ini, akan dihasilkan kepingan sel surya yang
identik satu sama lain dan berkinerja tinggi. Sehingga menjadi sel
surya yang paling efisien dibandingkan jenis sel surya lainnya, sekitar
15% - 20%. Mahalnya harga kristal silikon murni dan teknologi yang
digunakan, menyebabkan mahalnya harga jenis sel surya ini
dibandingkan jenis sel surya yang lain di pasaran Kelemahannya, sel
surya jenis ini jika disusun membentuk solar modul (panel surya) akan
menyisakan banyak ruangan yang kosong karena sel surya seperti ini
umumnya berbentuk segi enam atau bulat, tergantung dari bentuk
batangan kristal silikonnya (Jager, Klaus. 2014) [8].
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
2.5.2.2.
Panel Surya Polycrystalline
Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak
karena dipabrikasi dengan proses pengecoran. Type ini memerlukan
luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis
monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama. Panel surya
jenis ini memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan type
monokristal, sehingga memiliki harga yang cenderung lebih rendah.
Gambar 2.8. Panel Surya Polycrystalline
Cara pembuatan panel surya tipe Polycrystalline adalah
terbuat dari beberapa batang kristal silikon yang dilebur / dicairkan
kemudian dituangkan dalam cetakan yang berbentuk persegi.
Kemurnian kristal silikonnya tidak semurni pada sel surya
Monocrystalline, karenanya sel surya yang dihasilkan tidak identik
satu sama lain dan efisiensinya lebih rendah, sekitar 13% - 16% .
Tampilannya nampak seperti ada motif pecahan kaca di dalamnya.
Bentuknya yang persegi, jika disusun membentuk panel surya, akan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
rapat dan tidak akan ada ruangan kosong yang sia - sia seperti susunan
pada panel surya Monocrystalline di atas. Proses pembuatannya lebih
mudah dibanding Monocrystalline, karenanya harganya lebih murah.
Jenis ini paling banyak dipakai saat ini (Becker, C. 2013) [7].
2.5.3. Perbandingan Efisiensi Panel Surya Polycrystalline
dan Monocrystalline
Menurut Marinopoulos, Antonis. 2014 [9]. Perbandingan efisiensi
dari kedua panel tersebut tercantum dalam tabel berikut.
Tabel 2.1 Perbandingan Efisiensi Panel Surya Polycrystalline dan
Monocrystalline
Crystal structure & module
Efficiency
Crystal structure
Commercial module efficiency
PV Cell Technology
Monocrystalline
Polycrystalline
Homogeneous
Heterogeneous
18-20%
14-16%
2.6. Battery Charge Regulator
Charger controller adalah suatu alat sebagai penerima arus dan tegangan dar
solar cell yang berfungsi sebagai pengatur atau penyetara tegangan dan arus. Yang
kemudian tegangan tersebut diisikan ke accumulator sebagai media penyimpanan
yang kemudian diterima oleh inverter Dalam media pengisian
tegangan
membandingkan tegangan yang masuk dari solar cell dengan accumulator
menggunakan IC Op-Amp RC4558 sama dengan media pembanding tegangan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
18
untuk pembanding tegangan accumulator dengan tegangan yang diterima inverter.
Tegangan yang diolah diatur menggunakan potensiometer 100K (Haryanti,
Munnik. 2015) [1].
Gambar 2.9. Battery charge regulator
2.7. Baterai / Accumulator
Baterai / accumulator adalah alat penyimpan tenaga listrik arus searah (DC).
Ada beberapa jenis baterai / accumulator di pasaran yaitu jenis accumulator basah
atau konvensional, hybrid dan MF (Maintenance Free). Accumulator basah atau
konvensional berarti masih menggunakan asam sulfat ( H2SO4 ) dalam bentuk cair.
Sedangkan accumultor MF sering disebut juga accumulator kering karena asam
sulfatnya sudah dalam bentuk gel/selai. Dalam hal mempertimbangkan posisi
peletakkannya maka accumulator kering tidak mempunyai kendala, lain halnya
dengan accumulator basah.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
Baterai yang cocok digunakan untuk PV adalah baterai deep cycle lead acid
yang mampu menampung kapasitas 100 Ah, 12 V, dengan efisiensi sekitar 80%.
Waktu pengisian baterai/aki selama 12 jam - 16 jam (Hasan, Hasnawiya. 2012) [5].
Gambar 2.10 Baterai
2.7.1. Pengertian Ampere Hour (Ah)
Ampere Hour / Ah adalah satuan besarnya kapasitas listrik
yang tersimpan pada sebuah baterai. Hal ini merujuk pada
kemampuan baterai tersebut dalam menyuplai arus listrik (Ampere)
selama periode waktu tertentu (Jam). Sebagai contoh dalam
percobaan ini menggunakan baterai kapasitas 20Ah. Artinya baterai
tersebut dapat memberikan arus sebesar 20A selama 1 jam.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
2.8. Inverter
Inverter adalah alat yang mengubah arus DC menjadi AC sesuai dengan
kebutuhan peralatan listrik yang digunakan. Alat ini mengubah arus DC dari panel
surya menjadi arus AC untuk kebutuhan beban-beban yang menggunakan arus AC.
Tegangan yang dihasilkan oleh solar cell maksimum 18 V akan mengisi
accumulator secara continue melalui charger controller, arus akan berubah menjadi
AC dengan melalui sebuah rangkaian inverter, transformator step up diperlukan
untuk merubah besaran dari tegangan yang keluar yaitu akan berupa tegangan kerja
220V AC.
Gambar 2.11 Inverter
http://digilib.mercubuana.ac.id/