Uji Karakteristik Sel Surya pada Sistem 24 Volt DC - HFI DIY

208
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga
Hybrid
Uji Karakteristik Sel Surya pada Sistem 24 Volt DC sebagai
Catudaya pada Sistem Pembangkit Tenaga Hybrid
Satwiko S
Jurusan Fisika, FMIPA UNJ
Kampus B, Jl Pemuda no 10 Rawamangun
Jakarta Timur 13220
email: [email protected]
Abstrak- Kurva karakteristik Arus Tegangan sel surya memberikan informasi mengenai parameter dari sel surya.
Temperatur, tingkat radiasi berpengaruh terhadap perubahan kurva karakteristik. Dengan mengetahui parameter
keluaran dari sel surya, dilakukan penyusunan secara seri dan paralel sehingga mendapatkan output seperti yang
diinginkan sebagai catu daya pada sistem 24 Volt. Penelitian ini dilakukan dengan pengukuran arus dan tegangan
pada sel surya tersebut di FMIPA UNJ. Dari hasil pengukuran diperoleh arus rata-rata tertinggi per hari sebesar 1,24
Ampere dengan tegangan rata-rata per hari sebesar 35,10 Volt serta daya rata-rata per hari sebesar 45,04 Watt. Dari
data arus dan tegangan tersebut maka diketahui besarnya energi yang dihasilkan dan energi yang dapat disimpan
dalam baterai.
Kata Kunci: Sel Surya, Kurva Karakteristik Sel Surya, Daya rata-rata
Abstract- The current-voltage characteristic curves of solar cells provides information on the parameters of the solar
cell. Temperature, radiation levels affect changes characteristic curve. By knowing the parameters of the output of
solar cells, arrangement in series and in parallel so as to get the desired output as a power supplay to the 24 Volt
system. The research was conducted by measuring the current and voltage on the solar cells in the Faculty UNJ. From
the measurement results obtained the highest average current of 1.24 amperes per day with an average voltage of
35.10 volts per day and an average power of 45.04 watts per day. Data from the current and voltage are known to the
amount
of
energy
produced
and
the
energy
that
can
be
stored
in
batteries.
Keywords: Solar Cells, Solar Cells Characteristic Curve, Average power
I.
PENDAHULUAN
Energi merupakan kebutuhan penting bagi
manusia, khususnya energi listrik terus meningkat
seiring dengan bertambahnya jumlah populasi manusia
di Indonesia. Selama ini kebutuhan energi masih
mengandalkan minyak bumi sebagai penyangga utama
kebutuhan energi. Namun pada kenyataannya minyak
bumi semakin langka dan mahal harganya sehingga
pencarian energi alternatif guna memenuhi kebutuhan
energi listrik tersebut terus dikembangkan, salah
satunya energi terbarukan yaitu energi matahari dengan
memanfaatkan sel surya.
Kerja sel surya dapat diukur dengan melihat daya
keluaran yang dihasilkan dari sel surya tersebut. Kerja
sel surya dipengaruhi oleh beberapa hal seperti bahan
pembuatnya, resistansi bahan, temperatur dan tingkat
radiasi matahari. Dari kurva arus-tegangan (I-V) dapat
diketahui parameter-parameter keluaran sel surya
seperti arus hubungan singkat (Isc), tegangan terbuka
(Voc), arus maksimum, dan tegangan maksimum serta
daya maksimum. Untuk mendapatkan karakteristik I-V
sel surya dapat digunakan sun simulator (simulasi
matahari buatan) dengan menggunakan sumber
penerangan lampu halogen [1]. Beberapa sel surya yang
telah diketahui karakteristiknya, disusun dan
dihubungkan
satu
dengan
lainnya
sehingga
mendapatkan output maksimal sesuai dengan yang
dibutuhkan sebagai catu daya pada sistem 24 volt [2].
II. KAJIAN TEORI
Sel surya atau biasa disebut juga sel photovoltaic
merupakan suatu P-N junction dari silikon kristal
tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect
dari
bahan
semikonduktor
sehingga
dapat
mengumpulkan radisai surya dan mengkonversinya
menjadi energi listrik. Energi listrik hasil dari sel surya
tersebut berupa arus DC dan bisa langsung digunakan
atau bisa juga menggunakan battery sebagai sistem
penyimpan sehingga dapat digunakan pada saat
dibutuhkan terutama pada malam hari.
Beberapa karakteristik penting sel surya terdiri dari
tegangan open circuit (Voc), arus hubungan singkat
(Isc), efek perubahan intensitas cahaya matahari, efek
perubahan temperatur serta karakteristik tegangan –
arus (V – I characteristic) pada sel surya[3].
2.1. Tegangan Open Circuit (Voc)
Voc adalah tegangan yang dibaca pada saat arus
tidak mengalir atau bisa disebut juga arus sama dengan
nol. Cara untuk mencapai open circuit (Voc) yaitu
dengan menghubungkan kutub positif dan kutub negatif
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga
Hybrid modul surya dengan voltmeter, sehingga akan terlihat
nilai tegangan open circuit sel surya pada voltmeter.
2.2. Arus Short Circuit (Isc)
Isc adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh
modul sel surya dengan cara menge-short-kan kutub
positif dengan kutub negatif pada modul surya. Dan
nilai Isc akan terbaca pada amperemeter. Arus yang
dihasilkan modul surya dapat menentukan seberapa
cepat modul tersebut mengisi sebuah baterai. Selain itu,
arus dari modul surya juga menentukan daya
maksimum dari alat yang digunakan.
209
Penggunaan tegangan dari sel surya bergantung
dari bahan semikonduktor yang digunakan. Jika
menggunakan bahan silikon, maka teganagn yang
dihasilkan dari setiap sel surya berkisar 0,5 V. Modul
surya merupakan gabungan beberapa sel surya yang
dihubungkan secara seri dan paralel sehingga memiliki
karakteristik seperti Gambar 3. Tegangan dihasilkan
dari sel surya bergantung dari radiasi cahaya matahari.
Untuk arus yang dihasilkan dari sel surya bergantung
dari luminasi (kuat cahaya) matahari [5], seperti pada
saat cuaca cerah atau mendung.
2.3. Efek Perubahan Intensitas Cahaya Matahari
Apabila jumlah energi cahaya matahari yang
diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya
melemah seperti Gambar 1, maka besar tegangan dan
arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun.
Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan
penurunan arus listriknya.
Gambar 3. Kurva karakteristik V – I pada sel surya
Gambar 1. Kurva tegangan – arus sel surya terhadap
intensitas
2.4. Efek Perubahan Suhu pada Sel surya
Sel surya akan bekerja secara optimum pada suhu
konstan yaitu 25oC. Jika suhu disekitar sel surya
meningkat melebihi 25oC, maka akan mempengaruhi
fill factor sehingga teganga akan berkurang seperti
Gambar 2. Selain itu, efisiensi sel surya juga akan
menurun beberapa persen. Sedangkan sebaliknya, arus
yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan
meningkatnya suhu pada sel surya[4].
Gambar 2. Kurva tegangan – arus pada sel surya terhadap
perubahan suhu
2.6. Koneksi Antar Modul Surya
Sebuah sel surya memiliki keterbatasan dalam
menyuplai daya, sehingga dalam aplikasi, sel surya
jarang digunakan secara individual. Pada umumnya,
sel-sel yang identik dihubungkan secara seri dalam
membuat sebuah modul agar tegangan yang dihasilkan
sel surya lebih besar dengan tegangan total sebesar
Voc1 + Voc2 namun arus yang dihasilkan tetap
berdasarkan hukum Kirchoff. Sedangkan bila dua
modul surya dirangkai secara paralel, besarnya
tegangan yang dihasilkan adalah tetap dengan arus total
sebesar I1 + I2 berdasarkan hukum Kirchoff [6].
Pengaruh koneksi seri paralel pada modul surya
terhadap kurva V-I dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Pengaruh koneksi seri paralel modul surya
terhadap kurva karakteristik I-V
2.5. Karakteristik Tegangan – Arus pada Sel Surya
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
210
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga
Hybrid
III. EKSPERIMEN
Pada penelitian ini digunakan1 buah modul surya
polycrystalline dan 3 buah modul monocrystalline.
Sebelum dirancang, modul tersebut dikarakterisasi
terlebih dahulu menggunakan simulator sederhana dan
kemudian ditunjukkan dalam kurva I-V.
Gambar 5. diatas merupakan rancang alat untuk
melakukan pengambilan data. Ketiga modul surya
monocrystalline
disusun
secara
paralel
agar
menghasilkan arus keluaran lebih besar. Kemudian
modul surya monocrystalline tersebut disusun secara
seri dengan modul surya polycrystalline untuk
menghasilkan tegangan keluaran lebih besar. Cahaya
matahari yang mengenai modul surya diserap dan
dikonversi menjadi keluaran berupa arus dan tegangan.
Arus .
singkat. Pmax perolehan daya masimum pada saat arus
serta tegangan maksim.
Pengukuran arus dan tegangan keluaran pada
gabungan modul surya dilakukan dari tanggal 27
Desember 2011 samapai tanggal 7 Januari 2012 dari
pukul 06.00-18.00 WIB diambil setiap dua menit sekali.
Data-data hasil pengukuran dapat dilihat seperti pada
gambar dibawah ini.
Gambar 7. menunjukkan besarnya perubahan arus yang
dihasilkan modul surya pada hari Rabu tanggal 4
Januari 2012 dari pukul 06.00 sampai dengan 18.00
WIB di FMIPA UNJ. Pada Gambar 7. terlihat bahwa
arus pada siang hari lebih besar dibandingkan dengan
arus pada pagi atau sore hari. Hal ini menunjukan
bahwa intensitas radiasi yang mengenai modul surya
lebih besar sehingga pada saat itu modul akan
menghasilkan arus yang lebih besar juga karena pada
saat siang hari posisi matahari semakin tegak lurus
terhadap permukaan bumi.
Tabel 1. Karakterisrik sel surya hasil penelitian
Modul surya
Gambar 5. Skema rancang bangun pemanfaatan modul surya
monocrystalline di FMIPA UNJ
Monocrystalline
(modul 1)
Monocrystalline
(modul 2)
Monocrystalline
(modul 3)
Polycrystalline
(modul 4)
Voc
Vmax Imax Pmax
Isc (A)
(V)
(V)
(A) (Watt)
20,7
0,95
16,39
0,89
14,58
21,1
0,96
16,63
0,91
15,13
17,75
1,53
12,15
1,43
17,37
19,99
3,48
16,09
3,03
48,75
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengukuran karakteristik I-V untuk empat
buah modul menggunakan sun simulator di berikan
pada Gambar 6 menunjukan hasil dari 4 modul surya
terdiri dari 3 monocrystalline serta 1 polycrystaline
dengan ukuran luasan yang berbeda.
Gambar 7. Grafik perubahan arus yang dihasilkan modul
surya pada hari Rabu tanggal 4 Januari 2012 di
FMIPA UNJ
Gambar 6. Hasil uji karakteristik sel surya menggunakan sun
simulator.
Nilai dari hasil karakterisasi dijabarkan pada Table 1
dengan nilai tegangan hubung singkat serta arus hubung
Berbeda dengan tegangan keluaran dari modul
surya, besarnya intensitas radiasi matahari tidak terlalu
mempengaruhi tegangan yang dihasilkan. Seperti
terlihat pada Gambar 8.
Gambar 8. menunjukkan besarnya perubahan
tegangan yang dihasilkan modul surya pada hari Selasa
tanggal 3 Januari 2012 dari pukul 06.00 sampai dengan
18.00 WIB di FMIPA UNJ. Dapat dilihat bahwa
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga
Hybrid tegangan pada siang hari lebih besar dibandingkan
dengan tegangan pada pagi atau sore hari. Namun,
dapat dikatakan besarnya perubahan tegangan pada
siang hari adalah mendekati konstan. Dengan demikian,
jika perubahan arus dan tegangan digambarkan dalam
grafik perubahan daya yang dihasilkan, maka akan
memiliki bentuk yang hampir sama dengan grafik
perubahan arus. Perubahan daya ditunjukkan pada
Gambar 9.
Gambar 8. Grafik perubahan tegangan yang dihasilkan
modul surya pada hari Selasa tanggal 3 Januari
2012 di FMIPA UNJ
211
Berdasarkan data pada Tabel 2, dari arus dan
tegangan rata-rata dapat dihitung besarnya energi yang
dihasilkan modul surya dan yang dapat disimpan dalam
baterai.
Tabel 2 menunjukkan besarnya energi modul surya
sebagai energi masukkan untuk sistem baterai yang
digunakan berdasarkan pengukuran arus dan tegangan
keluaran yang dihasilkan modul surya. Besarnya ratarata arus keluaran modul surya dalam satu hari atau
selama 12 jam adalah sebesar 0,88 Ampere. Dengan
demikian dapat dikatakan bahwa untuk mengisi baterai
memiliki kapasitas 45 Ah menggunakan arus keluaran
modul surya tersebut dibutuhkan waktu selama ±4 hari
(dengan 1 hari = 12 jam) atau 51 jam (selama matahari
bersinar). Arus tersebut kurang maksimal untuk
menjadi energi masukkan pada baterai karena masih
terlalu kecil sehingga pengisian baterai dibutuhkan
waktu yang relatif lama. Hal ini terjadi karena pada saat
pengukuran cuaca tidak terlalu bagus dan sering
berawan akibatnya modul surya kurang mendapatkan
intensitas cahaya matahari dan menghasilkan arus
keluaran yang kecil. Energi rata-rata yang dihasilkan
oleh modul surya per hari adalah sebesar 386,46 Wh.
Tabel 2. Energi yang dihasilkan modul surya dan dapat
disimpan untuk baterai 24 Volt dengan kapasitas 45 Ah
Besarnya arus dan tegangan keluaran dari modul
surya bergantung dari intensitas matahari yang
mengenai permukaan modul dan temperatur pada
modul. Sehingga hal seperti pada gambar di atas tidak
selalu terjadi demikian, yaitu besarnya arus dan daya
pada
NO
Tanggal
I (A)
Wh
1
27/12/2011
1,02
478,73
2
28/12/2011
1,07
465,51
3
29/12/2011
0,69
298,33
4
30/12/2011
1,16
504,24
5
03/01/2012
0,75
323,82
6
04/01/2012
1,24
540,53
7
05/01/2012
1,01
436,11
8
9
06/01/2012
07/01/2012
Rata-rata
0,57
0,43
0,88
247,29
183,58
386,46
V. KESIMPULAN
Gambar 9. Grafik perubahan tegangan yang dihasilkan
modul surya pada hari Rabu tanggal 4 Januari
2012 di FMIPA UNJ
siang hari tidak selalu lebih besar dibandingkan dengan
pada pagi atau sore hari, dikarenakan cuaca yang tidak
menentu sepanjang hari dan berawan sehingga
intensitas matahari yang mengenai permukaan modul
surya juga berubah-ubah.
Arus dan tegangan yang dihasilkan dari modul
tersebut menjadi energi masukkan untuk sistem baterai
24 Volt dengan kapasitas baterai 45 Ampere hour (Ah),
dengan maksud apabila baterai tersebut diberikan
masukkan arus sebesar 1 Ampere maka baterai akan
terisi penuh dalam waktu 45 jam.
1.
2.
3.
Karakteristik arus tegangan modul surya
bergantung terhadap bahan dasar pembuatnya dan
luas permukaan dari modul surya tersebut.
Dalam panelitian, daya tertinggi yang dihasilkan
modul surya dalam satu hari terjadi pada siang
hari. Hal ini dikarenakan pada siang hari posisi
matahari berada tegak lurus diatas permukaan
modul surya
Cuaca sangat mempengaruhi daya yang dihasilkan
modul surya. Karena karena jika pada saat
pengambilan data cahaya matahari terhalang oleh
awan , maka arus yang dihasilkan modul surya
akan sangat menurun.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
212
4.
5.
Satwiko S / Uji Karakteristik Sel Surya Pada Sistem 24 Volt Dc Sebagai Catudaya Pada Sistem Pembangkit Tenaga
Hybrid
Gabungan modul surya menghasilkan energi ratarata sebesar 386,46 Wh dan menghasilkan arus
rata-rata dalam satu hari adalah sebesar 0,88 A.
Besarnya rata-rata arus keluaran modul surya
dalam satu hari atau selama 12 jam adalah sebesar
0,88 Ampere. Sehingga untuk mengisi sistem
baterai 24 Volt, 45 Ah dibutuhkan waktu selama
±4 hari atau 51 jam.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
W. Arymukti, Studi Rancang Bangun Sun
Simulator Untuk Pengukuran Karakteristik Sel
Surya Polycrystalline Si Tipe Sx 50 U. Jakarta:
Universitas Negeri Jakarta, 2011.
[2] Z. Nurdin, Pengukuran Solar Insolation
Menggunakan Modul Surya Monocrystalline Di
Fmipa Unj. Jakarta:Universitas Negeri Jakarta,
2011.
[3] S. Nema, R. K. Nema, G. Agnihotri,
Matlab/Simulink Based Study of Photovoltaic
Cells/ Modules/ Array and Their Experimental
Verification. International Journal of Energy and
Environment. Volume 1, Issue 3, 2010 pp.487500.
[4] S. Wijoyo, Upaya Peningkatan Kapasitas Daya
Output Photovoltaic melalui proses pendinginan,
Surabaya: Universitas Kristen Petra, 2000.
[5] F. M. Gonzales, Longatt. Model of Photovoltaic
Module
in
MatlabTM.
2do
Congreso
Iberoamericano de Estudiantes de Ingenieria
Electrica, Electronica Y Computacion, 2005
[6] Hansen, Anca D,. Model for a Stand-Alone PV
System. Roskilde: Riso National Laboratory, 2000.
TANYA JAWAB
Chotimah, FMIPA UGM
? Mengapa dipilih tegangan 24 V?
? Apa yang dimaksut dengan susunan seri dan parallel
dalam modul?
Satwiko, UNJ
√ Karena menyesuaikan dengan output dari WIN dan
turbin.
√ Untuk mendapatkan disten 24 volt perlu dilakukan
hubungan seri parallel pada modul-modul yang
digunakan.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823