Analisis Perbandingan Karakteristik Panel Surya Berdasarkan Material Penyusun dan Intensitas Cahaya
TUGAS AKHIR
ANALISIS PERBANDINGAN KARAKTERISTIK PANEL SURYA
BERDASARKAN MATERIAL PENYUSUN DAN INTENSITAS CAHAYA
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh:
RIO RICHARD SIMANJUNTAK
NIM : 120402031
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Karakteristik kelistrikan panel surya adalah sifat kelistrikan dari keluaran
panel surya yang dapat direpresentasikan dalam nilai arus, tegangan, daya
keluaran, dan efisiensi. Karakteristik tersebut dipengaruhi oleh material penyusun,
radiasi matahari, dan temperatur panel. Penelitian ini membahas tentang
perbandingan karakteristik kelistrikan panel surya berdasarkan material penyusun
yang dipengaruhi parameter intensitas cahaya (radiasi matahari) dan temperatur
panel. Material penyusun yang dibandingkan dalam penelitian ini adalah silikon
dan thin film. Metode yang digunakan pada penelitian ini yaitu metode
pengukuran dan simulasi.
Untuk material silikon, nilai arus hubung singkat tertinggi yang dihasilkan
yaitu 6.96 A, nilai tegangan rangkaian terbuka tertinggi yang dihasilkan yaitu
20.20 V dan nilai daya keluaran tertinggi yang dihasilkan yaitu 131.22 W. Untuk
material thin film, nilai arus hubung singkat tertinggi yang dihasilkan yaitu 4.62 A,
nilai tegangan rangkaian terbuka tertinggi yang dihasilkan yaitu 16.42 V dan nilai
daya keluaran tertinggi yang dihasilkan yaitu 59.44 W. Dari hasil perbandingan
secara keseluruhan, dapat disimpulkan bahwa nilai keluaran panel surya material
silikon lebih tinggi dibandingkan thin film.
Kata Kunci : Karakteristik panel surya, radiasi matahari, silikon, thin film
i
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan sehingga penulis dapat menyelesaikan
Tugas Akhir ini dengan judul “Analisis Perbandingan Karakteristik Panel
Surya Berdasarkan Material Penyusun dan Intensitas Cahaya”. Tugas Akhir
ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi
persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen
Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Selama menjalani pendidikan di kampus hingga menyelesaikan Tugas
Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan dan dukungan dari
berbagai pihak. Untuk itu, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada:
1. Hotben Simanjuntak dan Mesina Pasaribu sebagai orang tua saya
2. Yohana Simanjuntak sebagai kakak saya dan Ronaldo Simanjuntak sebagai
adik saya
3. Seluruh keluarga saya yang selalu memberikan semangat, motivasi dan doa.
4. Bapak Ir. Riswan Dinzi, M.T. sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir
5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T. & Ir. Eddy Warman, M.T. sebagai Dosen
Penguji Tugas Akhir
6. Bapak Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D. sebagai Dosen Penasehat Akademik
7. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. sebagai Ketua DTE USU
8. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Elektro
9. Seluruh teman yang telah membantu dalam pengerjaan Tugas Akhir ini
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan. Oleh karena
itu, penulis mengharapkan saran dari pembaca untuk perbaikan. Akhir kata,
semoga tugas akhir ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, 21 Desember 2016
Penulis
Rio Richard Simanjuntak
120402031
ii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK …………………………………………………………….…………. i
KATA PENGANTAR ........................................................................................... ii
DAFTAR ISI ........................................................................................................ iii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. v
DAFTAR TABEL ................................................................................................ vii
BAB I
PENDAHULUAN ................................................................................. 1
1.1
Latar Belakang ............................................................................. 1
1.2
Rumusan Masalah ........................................................................ 1
1.3
Tujuan Penulisan .......................................................................... 2
1.4
Batasan Masalah .......................................................................... 2
1.5
Manfaat Penelitian ....................................................................... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 3
2.1
Energi Matahari ............................................................................ 3
2.2
Fotovoltaik ................................................................................... 6
2.3
Prinsip Kerja Fotovoltaik ........................................................... 12
2.4
Material Sel Surya ...................................................................... 14
2.5
Celah Pita (Band Gap) ............................................................... 17
2.6
Karakteristik Sel Surya .............................................................. 18
2.7
Powersim (PSIM) ....................................................................... 19
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................... 20
3.1
Tempat dan Waktu ..................................................................... 20
3.2
Data dan Peralatan ..................................................................... 20
3.3
Variabel Yang Diamati .............................................................. 21
3.4
Prosedur Penelitian .................................................................... 21
iii
Universitas Sumatera Utara
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................... 25
4.1 Karakteristik Material Silikon ..................................................... 25
4.2 Karakteristik Material Thin Film ................................................. 31
4.3 Pembahasan & Analisis Perbandingan Nilai Karakteristik I-V.... 37
4.4 Pembahasan & Analisis Perbandingan Nilai Karakteristik P-V... 39
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 42
5.1
Kesimpulan ................................................................................ 42
5.2
Saran ........................................................................................... 42
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Sumber energi terbarukan pada kapasitas kelistrikan dunia 2011 …. 3
Gambar 2.2 Komponen radiasi matahari …………………………………...…… 4
Gambar 2.3 Pyranometer ……………………………………………….……….. 4
Gambar 2.4 Model rangkaian sel surya …………………………………………. 6
Gambar 2.5 Struktur sel surya …………….……………………………...……... 6
Gambar 2.6 Susunan dioda, sel surya dan panel surya ………………………….. 6
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen sederhana sel surya …………………………… 8
Gambar 2.8 Daya maksimum pada karakteristik arus-tegangan ……………..… 10
Gambar 2.9 Faktor pengisian pada sel surya …………………………………... 10
Gambar 2.10 Struktur kristal silikon dan konduktivitas intrinsik …….………... 13
Gambar 2.11 Konduksi ekstrinsik di dalam silikon dengan doping p dan n …... 13
Gambar 2.12 Bentuk daerah ruang muatan pada sambungan p-n ……………... 14
Gambar 2.13 Struktur dan tampilan depan sel surya silikon kristal ………….... 15
Gambar 2.14 Perbandingan sel thin film (kiri) dan silikon kristal (kanan) ….… 16
Gambar 2.15 Struktur modul surya amorphous silicon ………………………... 16
Gambar 2.16 Efisiensi berdasarkan nilai celah pita semikonduktor …….……... 18
Gambar 2.17 Kurva karakteristik I-V dan P-V dengan titik daya maksimum ..... 18
Gambar 2.18 Pengaruh intensitas cahaya pada kurva karakteristik I-V ……….. 18
Gambar 3.1 Peralatan penelitian …………………………………………..…… β0
Gambar 3.2 Diagram alir metode pengukuran ……….……………………..….. β1
Gambar 3.3 Rangkaian metode pengukuran ………………………………..….. β2
Gambar 3.4 Diagram alir metode simulasi …………………………………...... 22
Gambar 3.5 Rangkaian metode simulasi ……………………………………...... 23
Gambar 3.6 Simulasi data metode simulasi ………………………………..…... β3
Gambar 4.1 Kurva I-V senin 24 oktober 2016 ……………………………….... 37
Gambar 4.2 Kurva I-V selasa 25 oktober 2016 ……………………………..…. 37
Gambar 4.3 Kurva I-V rabu 26 oktober 2016 ………………………………..… 37
Gambar 4.4 Kurva I-V kamis 27 oktober 2016 ……………………………..…. 38
Gambar 4.5 Kurva I-V jumat 28 oktober 2016 …………….…………………... 38
Gambar 4.6 Kurva I-V senin 31 oktober 2016 ……………………………...….. 38
v
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.7 Kurva P-V senin 24 oktober 2016 …………….…………………... 39
Gambar 4.8 Kurva P-V selasa 25 oktober 2016 ………………………………... 39
Gambar 4.9 Kurva P-V rabu 26 oktober 2016 …………………………...…..… 39
Gambar 4.10 Kurva P-V kamis 27 oktober 2016 …………………………..…... 40
Gambar 4.11 Kurva P-V jumat 28 oktober 2016 ……………………………..... 40
Gambar 4.12 Kurva P-V senin 31 oktober 2016 ……………………………..… 40
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Persentase sumber energi primer dunia pada tahun 2011 ………….…. 3
Tabel 2.2 Nilai celah pita dari beberapa material sel PV …………………….… 17
Tabel 3.1 Spesifikasi panel surya material silikon ……………………………... 20
Tabel 4.1 Data hasil pengukuran material silikon senin 24 oktober 2016 ……... 25
Tabel 4.2 Data hasil pengukuran material silikon selasa 25 Oktober 2016 …..... 26
Tabel 4.3 Data hasil pengukuran material silikon rabu 26 Oktober 2016 …..…. β7
Tabel 4.4 Data hasil pengukuran material silikon kamis 27 Oktober 2016 …..... 28
Tabel 4.5 Data hasil pengukuran material silikon jumat 28 Oktober 2016 …..... 29
Tabel 4.6 Data hasil pengukuran material silikon senin 31 Oktober 2016 …..… 30
Tabel 4.7 Data hasil simulasi material thin film senin 24 Oktober 2016 ……..... 31
Tabel 4.8 Data hasil simulasi material thin film selasa 25 Oktober 2016 …….... 32
Tabel 4.9 Data hasil simulasi material thin film rabu 26 Oktober 2016 ……….. 33
Tabel 4.10 Data hasil simulasi material thin film kamis 27 Oktober 2016 …….. 34
Tabel 4.11 Data hasil simulasi material thin film jumat 28 Oktober 2016 …..… 35
Tabel 4.12 Data hasil simulasi material thin film senin 31 Oktober 2016 ……... 36
vii
Universitas Sumatera Utara
ANALISIS PERBANDINGAN KARAKTERISTIK PANEL SURYA
BERDASARKAN MATERIAL PENYUSUN DAN INTENSITAS CAHAYA
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh:
RIO RICHARD SIMANJUNTAK
NIM : 120402031
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Karakteristik kelistrikan panel surya adalah sifat kelistrikan dari keluaran
panel surya yang dapat direpresentasikan dalam nilai arus, tegangan, daya
keluaran, dan efisiensi. Karakteristik tersebut dipengaruhi oleh material penyusun,
radiasi matahari, dan temperatur panel. Penelitian ini membahas tentang
perbandingan karakteristik kelistrikan panel surya berdasarkan material penyusun
yang dipengaruhi parameter intensitas cahaya (radiasi matahari) dan temperatur
panel. Material penyusun yang dibandingkan dalam penelitian ini adalah silikon
dan thin film. Metode yang digunakan pada penelitian ini yaitu metode
pengukuran dan simulasi.
Untuk material silikon, nilai arus hubung singkat tertinggi yang dihasilkan
yaitu 6.96 A, nilai tegangan rangkaian terbuka tertinggi yang dihasilkan yaitu
20.20 V dan nilai daya keluaran tertinggi yang dihasilkan yaitu 131.22 W. Untuk
material thin film, nilai arus hubung singkat tertinggi yang dihasilkan yaitu 4.62 A,
nilai tegangan rangkaian terbuka tertinggi yang dihasilkan yaitu 16.42 V dan nilai
daya keluaran tertinggi yang dihasilkan yaitu 59.44 W. Dari hasil perbandingan
secara keseluruhan, dapat disimpulkan bahwa nilai keluaran panel surya material
silikon lebih tinggi dibandingkan thin film.
Kata Kunci : Karakteristik panel surya, radiasi matahari, silikon, thin film
i
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan sehingga penulis dapat menyelesaikan
Tugas Akhir ini dengan judul “Analisis Perbandingan Karakteristik Panel
Surya Berdasarkan Material Penyusun dan Intensitas Cahaya”. Tugas Akhir
ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi
persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen
Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Selama menjalani pendidikan di kampus hingga menyelesaikan Tugas
Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan dan dukungan dari
berbagai pihak. Untuk itu, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada:
1. Hotben Simanjuntak dan Mesina Pasaribu sebagai orang tua saya
2. Yohana Simanjuntak sebagai kakak saya dan Ronaldo Simanjuntak sebagai
adik saya
3. Seluruh keluarga saya yang selalu memberikan semangat, motivasi dan doa.
4. Bapak Ir. Riswan Dinzi, M.T. sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir
5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T. & Ir. Eddy Warman, M.T. sebagai Dosen
Penguji Tugas Akhir
6. Bapak Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D. sebagai Dosen Penasehat Akademik
7. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. sebagai Ketua DTE USU
8. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Elektro
9. Seluruh teman yang telah membantu dalam pengerjaan Tugas Akhir ini
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan. Oleh karena
itu, penulis mengharapkan saran dari pembaca untuk perbaikan. Akhir kata,
semoga tugas akhir ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, 21 Desember 2016
Penulis
Rio Richard Simanjuntak
120402031
ii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK …………………………………………………………….…………. i
KATA PENGANTAR ........................................................................................... ii
DAFTAR ISI ........................................................................................................ iii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. v
DAFTAR TABEL ................................................................................................ vii
BAB I
PENDAHULUAN ................................................................................. 1
1.1
Latar Belakang ............................................................................. 1
1.2
Rumusan Masalah ........................................................................ 1
1.3
Tujuan Penulisan .......................................................................... 2
1.4
Batasan Masalah .......................................................................... 2
1.5
Manfaat Penelitian ....................................................................... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 3
2.1
Energi Matahari ............................................................................ 3
2.2
Fotovoltaik ................................................................................... 6
2.3
Prinsip Kerja Fotovoltaik ........................................................... 12
2.4
Material Sel Surya ...................................................................... 14
2.5
Celah Pita (Band Gap) ............................................................... 17
2.6
Karakteristik Sel Surya .............................................................. 18
2.7
Powersim (PSIM) ....................................................................... 19
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................... 20
3.1
Tempat dan Waktu ..................................................................... 20
3.2
Data dan Peralatan ..................................................................... 20
3.3
Variabel Yang Diamati .............................................................. 21
3.4
Prosedur Penelitian .................................................................... 21
iii
Universitas Sumatera Utara
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................... 25
4.1 Karakteristik Material Silikon ..................................................... 25
4.2 Karakteristik Material Thin Film ................................................. 31
4.3 Pembahasan & Analisis Perbandingan Nilai Karakteristik I-V.... 37
4.4 Pembahasan & Analisis Perbandingan Nilai Karakteristik P-V... 39
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 42
5.1
Kesimpulan ................................................................................ 42
5.2
Saran ........................................................................................... 42
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Sumber energi terbarukan pada kapasitas kelistrikan dunia 2011 …. 3
Gambar 2.2 Komponen radiasi matahari …………………………………...…… 4
Gambar 2.3 Pyranometer ……………………………………………….……….. 4
Gambar 2.4 Model rangkaian sel surya …………………………………………. 6
Gambar 2.5 Struktur sel surya …………….……………………………...……... 6
Gambar 2.6 Susunan dioda, sel surya dan panel surya ………………………….. 6
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen sederhana sel surya …………………………… 8
Gambar 2.8 Daya maksimum pada karakteristik arus-tegangan ……………..… 10
Gambar 2.9 Faktor pengisian pada sel surya …………………………………... 10
Gambar 2.10 Struktur kristal silikon dan konduktivitas intrinsik …….………... 13
Gambar 2.11 Konduksi ekstrinsik di dalam silikon dengan doping p dan n …... 13
Gambar 2.12 Bentuk daerah ruang muatan pada sambungan p-n ……………... 14
Gambar 2.13 Struktur dan tampilan depan sel surya silikon kristal ………….... 15
Gambar 2.14 Perbandingan sel thin film (kiri) dan silikon kristal (kanan) ….… 16
Gambar 2.15 Struktur modul surya amorphous silicon ………………………... 16
Gambar 2.16 Efisiensi berdasarkan nilai celah pita semikonduktor …….……... 18
Gambar 2.17 Kurva karakteristik I-V dan P-V dengan titik daya maksimum ..... 18
Gambar 2.18 Pengaruh intensitas cahaya pada kurva karakteristik I-V ……….. 18
Gambar 3.1 Peralatan penelitian …………………………………………..…… β0
Gambar 3.2 Diagram alir metode pengukuran ……….……………………..….. β1
Gambar 3.3 Rangkaian metode pengukuran ………………………………..….. β2
Gambar 3.4 Diagram alir metode simulasi …………………………………...... 22
Gambar 3.5 Rangkaian metode simulasi ……………………………………...... 23
Gambar 3.6 Simulasi data metode simulasi ………………………………..…... β3
Gambar 4.1 Kurva I-V senin 24 oktober 2016 ……………………………….... 37
Gambar 4.2 Kurva I-V selasa 25 oktober 2016 ……………………………..…. 37
Gambar 4.3 Kurva I-V rabu 26 oktober 2016 ………………………………..… 37
Gambar 4.4 Kurva I-V kamis 27 oktober 2016 ……………………………..…. 38
Gambar 4.5 Kurva I-V jumat 28 oktober 2016 …………….…………………... 38
Gambar 4.6 Kurva I-V senin 31 oktober 2016 ……………………………...….. 38
v
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.7 Kurva P-V senin 24 oktober 2016 …………….…………………... 39
Gambar 4.8 Kurva P-V selasa 25 oktober 2016 ………………………………... 39
Gambar 4.9 Kurva P-V rabu 26 oktober 2016 …………………………...…..… 39
Gambar 4.10 Kurva P-V kamis 27 oktober 2016 …………………………..…... 40
Gambar 4.11 Kurva P-V jumat 28 oktober 2016 ……………………………..... 40
Gambar 4.12 Kurva P-V senin 31 oktober 2016 ……………………………..… 40
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Persentase sumber energi primer dunia pada tahun 2011 ………….…. 3
Tabel 2.2 Nilai celah pita dari beberapa material sel PV …………………….… 17
Tabel 3.1 Spesifikasi panel surya material silikon ……………………………... 20
Tabel 4.1 Data hasil pengukuran material silikon senin 24 oktober 2016 ……... 25
Tabel 4.2 Data hasil pengukuran material silikon selasa 25 Oktober 2016 …..... 26
Tabel 4.3 Data hasil pengukuran material silikon rabu 26 Oktober 2016 …..…. β7
Tabel 4.4 Data hasil pengukuran material silikon kamis 27 Oktober 2016 …..... 28
Tabel 4.5 Data hasil pengukuran material silikon jumat 28 Oktober 2016 …..... 29
Tabel 4.6 Data hasil pengukuran material silikon senin 31 Oktober 2016 …..… 30
Tabel 4.7 Data hasil simulasi material thin film senin 24 Oktober 2016 ……..... 31
Tabel 4.8 Data hasil simulasi material thin film selasa 25 Oktober 2016 …….... 32
Tabel 4.9 Data hasil simulasi material thin film rabu 26 Oktober 2016 ……….. 33
Tabel 4.10 Data hasil simulasi material thin film kamis 27 Oktober 2016 …….. 34
Tabel 4.11 Data hasil simulasi material thin film jumat 28 Oktober 2016 …..… 35
Tabel 4.12 Data hasil simulasi material thin film senin 31 Oktober 2016 ……... 36
vii
Universitas Sumatera Utara