BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sel Surya Photovoltaic
Sel surya merupakan suatu sel yang terbuat dari semikonduktor dan berfungsi untuk mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik.Konversi
energi listrik yang dihasilkan dari iradiansi cahaya pada suatu sel semikonduktor diketahui sebagai efek photovoltaic.Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi
untuk mengubah ataumengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung.Photovoltaicbiasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut
modul.Dalam sebuah modulsurya terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun secara seri maupun paralel.Sedangkan yang dimaksud dengan surya adalah sebuah
elemen semikonduktoryang dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik atas dasar efekphotovoltaic.Solar cell mulai popular akhir-akhir ini, selain
mulai menipisnyacadangan enegi fosil dan isu global warming.energi yang dihasilkan juga sangatmurah karena sumber energi matahari bisa didapatkan
secara gratis[3]. Saat tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000
watt permeter persegi. Jika sebuahpiranti semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10, maka modul sel surya ini mampumemberikan tenaga
listrik sebesar 100 watt. Modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara 5 hingga15 tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal
merupakan jenis piranti sel surya yang memiliki efisiensitinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya. Masalah
yang palingpenting untuk merealisasikan sel surya sebagai sumber energi
Universitas Sumatera Utara
alternatif adalah efisiensi piranti sel surya dan hargapembuatannya.Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara tenaga listrik yang dihasilkan oleh
piranti selsurya dibandingkan dengan jumlah energi cahaya yang diterima dari pancaran sinar matahari.Photovoltaic sebenarnya tergantung pada efisiensi
konversi energi dan konsentrasi sinar matahari yangditerima sel tersebut Konversi energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik dilakukan oleh
komponen yang disebut sel photovoltaic sel PV.Sel PV pada dasarnya semikonduktor dioda yang memiliki sambungan P-N.Dalam semikonduktor ini
terbentuk tiga daerah berbeda, yaitu daerah tipe P, N dan pengosongan deplesi. Pada daerah tipe P mayoritas pembawa muatannya adalah hole, sedangkan pada
daerah tipe N mayoritas pembawa muatan adalah elektron. Daerah deplesi memiliki medan listrik internal dengan arah dari N ke P. Saat radiasi matahari
mengenai sel surya maka akan terbentuk elektron dan hole. Karena pengaruh medan listrik internal pada daerah deplesi maka menyebabkan hole bergerak
menuju daerah P dan elektron bergerak menuju daerah N. Perpindahan hole dan elektron ini menghasilkan arus yang disebut arus fotodifusi. Selain itu pada daerah
deplesi dapat pula terjadi pasangan hole dan elektron karena pengaruh medan yang sama yang akan bergerak menuju ke arah mayoritasnya, sehingga
menghasilkan arus generasi[3]. Pada aplikasinya, tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu modul sel surya
masih cukup kecil, maka dalam pemanfaatannya beberapa modul digabungkan dengan cara hubungan seri maupun paralel yang disebut array. Bentuk array ini
yang banyak diaplikasikan untuk pembangkit listrik tenaga surya PLTS. Hirarki modul sel surya ditunjukkan pada Gambar 2.1 berikut:
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1
Hirarki Modul Sel Surya Sel-Modul-Panel-Array
2.1.1. Prinsip Kerja Sel Surya
Sel surya atau photovoltaic PV itu konsepnya sederhana yaitu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik.Cahaya matahari merupakan salah satu
bentuk energi dari sumber daya alam.Sumber daya alam matahari ini sudah banyak digunakan untuk mensuplai daya listrik di satelit komunikasi melalui solar
cell.Solar cell ini dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang berputar dan tidak
memerlukan bahan bakar.Sehingga sistem solar cell sering dikatakan bersih dan ramah lingkungan.Panel solar cell merupakan modul yang terdiri beberapa solar
cell yang digabung dalam hubungkan seri dan paralel tergantung ukuran dan kapasitas yang diperlukan.Yang sering digunakan adalah modul solar cell 20
watt.Modul solar cell itu menghasilkan energi listrik yang proporsional dengan luas permukaan panel yang terkena sinar matahari.Solar cell terbuat dari potongan
Universitas Sumatera Utara
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. Tiap solar cell biasanya menghasilkan tegangan 0,5 volt. Solar cell
merupakan elemen aktif Semikonduktor yang memanfaatkan efek photovoltaic untuk merubah energi surya menjadi energi listrik.Berikut adalah diagram kerja
solar cell pada gambar 2.2[4].
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Sel Surya
Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti
dioda, dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc
sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per cm 2.Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga
umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan
tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar Air Mass 1.5.
Universitas Sumatera Utara
Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang
dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya[4].
Gambar 2.3 Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri
untuk memperbesar total daya output. 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 negatif dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain umumnya posfor dalam batasan bahwa material tersebut dapat
memberikan suatu kelebihan elektron bebas. Elektron adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai
semikonduktor jenis-N negatif. Semikonduktor jenis-P juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain umumnya boron
yang mana menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas. Kekurangan atau hilangnya elektron ini disebut lubang hole.Karena tidak ada
Universitas Sumatera Utara
atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis-P positif.
Gambar 2.4 P-N Junction Solar Sel
Sehingga pada bagian kiri terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan dinamakan silikon jenis P, sedangkan yang sebelah kanan dinamakan silikon jenis
N. Didalam silikon murni terdapat dua macam pembawa muatan listrik yang seimbang. Pembawa muatan listrik yang positip dinamakan hole, sedangkan yang
negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses penodaan itu, didalam silikon jenis P terbentuk hole pembawa muatan listrik positif dalam jumlah yang
Universitas Sumatera Utara
sangat besar dibandingkan dengan elektronnya. Oleh karena itu didalam silikon jenis P hole merupakan pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron
merupakan pembawa muatan minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat besar sehingga disebut pembawa
muatan mayoritas dan hole disebut pembawa muatan minoritas. Didalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan N. Oleh karena itu dinamakan
PN junction.Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan kutub positif dari sebuah baterai, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka
terjadi hubungan yang dinamakan “forward bias”. Tapi, bila bagian positif dihubungkan dengan kutub negatif dari baterai dan bagian negatif dihubungkan
dengan kutub positifnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan “reverse bias”. Dengan keadaan seperti ini, maka hole pembawa muatan positif
dapat tersambung langsung ke kutub positif, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positif. Jadi, jelas di dalam PN junction tidak ada gerakan pembawa muatan
mayoritas baik yang hole maupun yang elektron. Sedangkan pembawa muatan minoritas elektron didalam bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub
positif baterai. Demikian pula pembawa muatan minoritas hole di dalam bagian N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatif. Karena itu, dalam keadaan
reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil mikro ampere. Arus ini sering disebut dengan reverse
saturation current atau leakage current arus bocor.
Universitas Sumatera Utara
2.1.2 Rangkaian Ekivalen Sel Surya
Rangkaian ekivalen sel surya terdiri dari sebuah photocurrent Iph, sebuah dioda, hambatan seri Rs dan hambatan paralel Rsh, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.5berikut[5].
Gambar 2.5 Rangkaian Ekivalen PV Sel Surya
Dari rangkaian di atas, light generated current atau photocurrent Iph adalah arus yang dihasilkan langsung akibat penyinaran sinar matahari pada sel
surya.Arus ini bervariasi secara linear dengan radiasi matahari dan tergantung pada suhu yang diberikan. Hambatan R
SH
dan R
S
menunjukkan hambatan intrinsik paralel dan seri dari sel. Biasanya nilai R
SH
lebih besar dibandingkan Rs. Persamaan 2.1 menjelaskan prinsip sederhana dari rangkaian ekivalen sel surya di
atas. Besarnya arus sel surya I
PV
adalah pengurangan dari arus photovoltaicI
PH
, arus dioda I
D
dan arus hambatan paralel I
RSH
, yang dirumuskan sebagai berikut.:
�
��
= �
��
− �
�
− �
��ℎ
2.1 Persamaan di atas dapat dijabarkan dengan persamaan berikut :
�
��
= �
��
− �
�
��
��
��� +��� �� ���
�
− 1� − �
�
��
+ �
��
�
�
�
��
� 2.2
Dimana: I
PV
= Arus keluaran sel surya Ampere
V
PV
= Tegangan sel surya Volt
Universitas Sumatera Utara
I
PH
= Arus yang dibangkitkan oleh sel surya Ampere
I
D
= Arus saturasi sel suryaarus dioda Ampere
R
SH
= Hambatan shunt Ohm
R
S
= Hambatan seri Ohm
n =
Factor ideal diode q
= Konstanta electron 1.602 × 10
-19
C k
= Konstanta Boltzman 1.3806 × 10
-23
J.K
-1
T =
Temperatur sel surya K Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel kita asumsikan sangat
besar, sehingga persamaan untuk model arus ouput sel surya adalah [4]: �
��
= �
��
− �
�
��
��
��� +��� �� ���
�
− 1� 2.3
Dari persamaan 2.3 di atas masih terdapat beberapa parameter yang belum diketahui.Parameter tersebut adalah arus photovoltaic I
PH
, arus saturasi sel surya I
D
, hambatan seri R
S
.Berikut ini adalah persamaan untuk mencari arus Iph dan arus Is untuk memodelkan sel surya, yaitu:
• Arus photovoltaic, I
PH
: �
��
= [ �
���
+ �
�
� − �
1
] ∗ ��
���
2.4 Dimana:
G =
Iradiansi Matahari Wm
2
G
nom
= Iradiansi Matahari nominal 1000 Wm
2
K
i
= Koefisien suhu dari arus Isc
I
scr
= Arus hubung singkat pada suhu kerja
T
1
= Suhu referensi dalam Kelvin = 298 K
Universitas Sumatera Utara
• Arus saturasi reverse sel surya, I
RS
: �
��
= �
���
�
����� ���
2.5 Dimana;
I
SCR
= Arus hubung singkat pada standard condition
V
OCR
= Tegangan hubung singkat pada standard conditions
• Arus saturasidioda sel surya, I
S
: �
�
= �
��
∗ �
� �
1
�
3 �
∗ �
�
��� ��
∗�
1 �
−
1 �1
��−1
2.6 Dimana:
E
G
= Energi Gap PV
Untuk parameter hambatan seri Rs dan ideal faktor n, terdapat tiga metode dalam menentukan parameter tersebut. Pertama adalah metode simplified
explicit yang merupakan metode yang disederhanakan secara eksplisit berdasarkan
pada beberapa penyederhanaan rumusan awal. Kedua adalah metode lereng slope yang didasarkan pada algoritma pada perhitungan geometri.Dan ketiga
adalah metode iteratif yang sebagian didasarkan dari algoritma pada resolusi numerik. Dalam penelitian ini, digunakan metode simplified explicit untuk
menentukan parameter Rs dan n, sebagai berikut : •
Hambatan Seri, R
S
: �
�
=
����� �
ln �1−
�� ���
�+�
���
−�
�
�
�
2.7 •
Ideal factor, n: � =
�2�
�
−�
���
�
�
��
��� ��� −��
+ln �1−
�� ���
�
2.8 Dimana:
Universitas Sumatera Utara
Im =
Arus maksimum sel surya Vm
= Tegangan maksimum sel surya
Tetapi pada tugas akhir ini penulis menggunakan photovoltaic BPSX-60w dimana factor ideal pv itu sudah tercantum pada datasheetyaitu bernilai 2 dan
nilai R
S
yang bernilai 0.0045 Ω. Dalam keadaan cuaca cerah, sebuah sel surya
akan menghasilkan tegangan konstan 0.5 V sampai 0.7 V tegangan sebuah diode sengan arus sekitar 20mA dan jumlah energi yang diterma akan mencapai optimal
jika posisi sel surya tegak lurus terhadap sinar matahari selain itu juga tergantung dari konstruksi sel surya itu sendiri. Ini berarti bahwa sebuah sel surya dapat
menghasilkan daya 0.6V × 20mA = 12 mW.
2.1.3. Kurva Karakteristik Sel Surya
Sel surya memiliki kurva karakteristik yang menunjukkan hubungan antara arus dengan tegangan keluaran kurva I-V dan daya dengan tegangan keluaran sel
surya kurva P-V. Kurva ini ditunjukan pada Gambar 2.6berikut[6]:
Gambar 2.6 Kurva Karakteristik Arus-Tegangan dan Daya-Tegangan pada Sel
Surya
Universitas Sumatera Utara
Pada saat keluaran sel surya tidak terhubung dengan beban open cicuit maka tidak ada arus yang mengalir dan tegangan pada sel berada pada nilai
maksimum, disebut tegangan open circuit Voc. Pada keadaan lain, saat keluaran sel surya dihubung singkatkan short cicuit maka arus bernilai maksimum, yang
disebut arus short circuit Isc. Selain itu terdapat nilai daya maksimum Pmp yang dapat dihasilkan pada saat tegangan maksimum Vmp dan arus maksimum
Imp.Titik dimana nilai arus dan tegangan pada titik yang menghasilkan daya terbesar disebut dengan Maximum Power Point MPP.
Tegangan Open Circuit 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 negative modul surya dengan voltmeter, sehingga akan terlihat nilai tegangan open circuit
sel surya pada voltmeter[7]. Arus Short Circuit 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. Perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya disusun secara seri atau
paralel dalam modul berpengaruh terhadap parameter utama sel surya yaitu arus, tegangan dan daya keluaran dari sel surya.Karakteristik kurva hubungan antara
arus dan tegangan kurva I-Vserta daya dan tegangan kurva P-V dianalisa berdasarkan variasi irradiance, suhu dan susunan sel surya dalam
Universitas Sumatera Utara
modul.Pengaruh perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya terhadap keluaran dari sel surya adalah sebagai berikut[8]:
a. Efek Variasi Irradiance terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Kategori