Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
163
Studi Karakteristik Arus-Tegangan (Kurva I-V) pada Sel Tunggal Polikristal Silikon serta Pemodelannya Karina A, Satwiko S Universitas Negeri Jakarta, Jl. Pemuda No 10, Rawamangun, Jakarta e-mail:
[email protected]
Abstrak – Sel surya merupakan salah satu sumber energi listrik terbarukan, parameter dari sel surya dapat diperoleh melalui karakteristik arus-tegangan antara lain, arus hubungan singkat (Isc), tegangan rangkain terbuka (Voc), daya maksimum dan nilai Fill Factor. Sel surya dapat dimodelkan sebagai sumber arus yang diparalelkan dengan diode berdasarkan persamaan diode Schockley. Dengan menggunakan sumber cahaya dari lampu xenon serta sel tunggal polikristal silikon diletakan dalam ruang cermin diperoleh bentuk karakteristik arus-tegangan bila dibandingan dengan hasil pemodelan diperoleh kesamaan bentuk namun masih diperlukan analisis lebih lanjut. Dari hasil pemodelan diketahui karakteristik sel tunggal polikristal yang digunakan dipengaruhi adanya kenaikan hambatan seri (Rs). Bentuk karakteristik tersebut dipengaruhi adanya parameter lingkunagan yaitu iradiansi dan temperatur. Perubahan tegangan terhadap temperatur sekitar 0.02433 V/oC saat disinari lampu xenon pada jarak 11 cm. Penggunaan blower sangat membantu dalam menjaga kestabilan temperatur dalam ruang cermin. Dengan menggunakan sumber cahaya yang berbeda arus meningkat sebanding dengan intensitas cahaya yang digunakan sumber lampu xenon dengan daya 100 watt dan 200 watt yang diletakkan pada jarak 11 cm tegak lurus terhadap permukaan sel mendapatkan nilai Voc sebesar 0.397 V dan 0.500 V serta nilai Isc 0.104 A dan 0.153 A. Nilai Fill Factor dari sel tunggal polikristal yang digunakan bernilai 0.3 hingga 0.5 dengan sumber cahaya lampu yang berbeda. Daya keluaran maksimal didapat saat disinari lampu xenon 200 watt pada jarak 11 cm dengan blower yaitu sebesar 0.042 watt. Kata kunci: sel surya, karakteristik arus-tegangan, sel tunggal
I. PENDAHULUAN Energi merupakan kebutuhan mendasar dalam kehidupan di dunia, sehingga kebutuhan energi di dunia terus meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut perlu dikembangkan berbagai energi alternatif, yaitu energi terbarukan. Energi matahari sangat berpotensi sebagai energi terbarukan, karena ketersediannya melimpah di alam dan tidak akan habis. Salah satu upaya dilakukan dalam pemanfaatan energi matahari yaitu dikembangkannya teknologi sel surya. Teknologi sel surya merupakan teknologi konversi, dengan mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Sel surya dibedakan menjadi beberapa macam, antara lain monokristal silikon, polikristal silikon dan amorf silikon. Polikristal lebih banyak dipakai saat ini karena proses pembuatannya lebih mudah dengan tingkat efisiensi yang sedang. Karakteristik dari sel surya dapat dilihat dari parameterparameter pada kurva IV seperti arus hubung singkat (Isc), tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan faktor pengisian (FF). Dalam mengembangkan sel surya dalam penerapan praktis maka perlu diketahui karakteristik listrik sel surya baik secara teoritis maupun eksperimen. II. SEL FOTOVOLTAIK A. Model Sel fotovoltaik Sel surya adalah sel semikonduktor sebagai sumber energi listrik Sel surya terdiri dari sel tunggal dalam sususnan seriparalel membentuk modul/panel surya dan menjadi array apabila terdiri dari kumpulan modul/panel surya. Ketika sel atau modul disusun secara seri maka akan menghasilkan arus yang sama dan teganga bertambah sedangakan dalam susunan paralel akan menghasilkan teganagan yang sama namun jumlah arus lebih besar. Sifat dari sel surya adalah
nonlinear, sehingga untuk memahami arus dan tegangannya tidak mudah diungkapkan secara matematik. Untuk dapat menjelaskan keadaan arus dan tegangan pada sel surya yang diberi radiasi iluminasi, maka ditinjau terlebih dahulu bentuk rangkaian pengganti sel surya. Sel surya dapat dimodelkan sebagai sumber arus yang diparalelkan dengan diode. Ketika tidak ada cahaya untuk membangkitkan arus listrik, maka sel surya berjalan seperti diode (ID). Ketika intensitas cahaya meningkat maka sel surya berfungsi sebagai sumber energi dan arus (IL) atau fotolistrik dapat dibangkitkan oleh sel surya tersebut [1]. Sel surya biasanya dapat dimodelkan dengan rangkaian pengganti satu diode [2] seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian ekuivalen pada sel tunggal.
Model tersebut terdiri dari sumber arus fotolistrik (IL), satu diode dan hambatan seri Rs dimana menggambarkan hambatan dalam tiap sel dan koneksi antara sel. Arus yang didapat adalah selisih antara arus fotolistrik (IL) dan arus diode ID. Persamaan dasar dari teori semikonduktor yang dapat menjelaskan kurva IV secara matematik pada sel fotovoltaik ideal adalah q (V + IRs ) V + Rs I I = Il − I D = I l − I 0 e nkT − 1 − (1) Rsh
ISSN 0853-0823
164
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
dengan IL I0 q V I Rs Rsh n k T
= arus akibat sel surya disinari = arus saturasi diode (ampere) = muatan elektron, 1,602×10-19 C = tegangan keluaran (volt) = arus keluaran (ampere) = hambatan seri pada sel (Ω) = hambatan paralel pada sel (Ω) = faktor ideal diode (antara 1 sampai 2) = konstanta Boltzman, 1,38 × 10-23 J/K = temperatur sel (kelvin).
Pada persamaan (1) banyak terdapat parameter yang nantinya mempengaruhi kurva karakteristik arus-tegangan, antara lain temperatur mempengaruhi arus fotolistrik, tegangan open circuit, dan arus saturasi.
I L (T ) = I L (Tref ) + α (T − Tref ) I L (Tref ) = I SC (Tref )
G Gref
beda. Kurva IV menggambarkan sifat dari sel surya secara lebih lengkap. Gambar 2 menunjukkan ketika sel dihubungkan dengan beban (R). Beban memberi hambatan sebagai garis linear dengan garis I/V = I/R. Hal tersebut menunjukkan daya yang didapat bergantung pada nilai resistansi. Jika R kecil maka sel beroperasi pada daerah kurva MN, dimana sel beroperasi sebagai sumber arus yang konstan atau arus short circuit. Pada sisi lain, jika R besar, sel beroperasi pada daerah kurva PS, dimana sel beroperasi sebagai sumber tegangan yang konstan atau tegangan open-circuit. Jika dihubungkan dengan dengan hambatan optimal Ropt berarti sel surya menghasilkan daya maksimal dengan tegangan maksimal dan arus maksimal [3].
(2)
(3)
I SC (Tref ) I 0 (Tref ) = qV (T ) OC ref
(4)
nkT
ref e −1 Voc (T) = Voc(Tref) + β(T-Tref)
dengan G iradiasi, α koefisien arus, β koefisien temperatur tegangan, n faktor ideal diode (antara 1 sampai 2), dan I0 arus saturasi diode yang besarnya bergantung pada temperatur [2]. Indeks ref menunjukkan keadaan STC (Standard Test Condition) berdasarkan standar internasional IEC (International Electrotechnical Commisson). Nilai Tref = 250C dan Gref = 1000 W/m2. Hambatan seri Rs menunjukkan hambatan dalam setiap sel yang dihubungkan secara seri antara sel.
Rs = −
dV 1 − dlVOC XV
q X v = I 0 (T1 ) e nkT1
qVOC (T1 ) nkT1
(6)
−
1 Xv
Gambar 2. Karakteristik arus tegangan (kurva I-V)
(5)
(7)
Nilai Rs memberikan pengaruh yang lebih besar saat sel surya beroperasi di daerah sumber tegangannya, sedangkan hambatan paralel (Rshunt) berpengaruh saat sel surya beroperasi di daerah sumber arus. Sel surya yang ideal adalah yang memiliki nilai Rshunt yang sangat besar dan nilai Rs sangat kecil ( Rs = 0 dan Rshunt= ∞). B. Karakteristik pada Sel Fotovoltaik (Kurva IV) Sel fotovoltaik adalah sebuah alat non-linear, sehingga untuk memahami karakteristiknya digunakan suatu grafik. Sifat elektrik dari sel fotovoltaik dalam menghasilkan energi listrik dapat diamati dari karakteristik listrik sel tersebut, yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang dihasilkan sel fotovoltaik pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-
C. Parameter pada kurva IV Parameter yang biasa digunakan untuk menentukan output karakteristik dari sel fotovoltaik, yaitu: 1. Arus hubungan terbuka atau short circuit current (Isc) adalah arus keluaran maksimum dari sel surya pada kondisi tidak ada resistansi. 2. Tegangan rangkaian terbuka atau open circuit voltage (Voc) adalah kapasitas tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak adanya arus. 3. Daya maksimum (Pmax) pada gambar 2 berada pada titik A (Vmax, Imax). 4. Faktor Pengisian atau Fill factor (FF) merupakan harga yang mendekati konstanta suatu sel fotovoltaik tertentu. Perbandingan antara daya maksimum yang didapat pada beban dan dengan perkalian Isc dan Voc. 5. Jika nilai fill factor lebih tinggi dari 0.7 maka sel tersebut lebih baik [3]. D. Pemodelan Marcelo Gradella Villalva Dalam perancangan simulasi fotovoltaik dibutuhkan beberapa parameter untuk mendapatkan kurva karakteristik yang sesuai dengan datasheet. Metode dalam pemodelan dan simulasi oleh Marcelo Gradella Villalva (2009) dikerjakan untuk mendapatkan parameter dari persamaan nonlinear I×V dengan menyesuaikan tiga titik pada kurva yaitu arus hubungan singkat (Isc), daya maksimum (Pmax) dan tegangan rangkaian terbuka (Voc). Tiga titik tersebut didapat dari datasheet fotovoltaik. Metode tersebut mendapatkan fungsi arus tegangan (kurva IV) untuk model fotovoltaik diode tunggal termasuk pengaruh hambatan seri dan paralel dan daya maksimum model yang disesuaikan dengan nilai sebenarnya. Dari pemodelan tersebut dapat diketahui pengaruh parameter
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
165
lingkungan pada fungsi arus tegangan, yaitu temperatur dan iradiansi. III. EKSPERIMEN Eksperimen dilakukan dalam medapatkan parameterparameter yang dihasilkan oleh sel tunggal polikristal. Dengan membuat rangkaian pengukuran arus dan tegangan keluaran pada sel tunggal polikristal dilengkapi dengan cermin datar sebagai pemantul cahaya lampu xenon yang digunakan. Lampu xenon adalah lampu polikromatik yaitu lampu yang memiliki sinar-sinar yang dapat diuraikan atas beberapa komponen warna yang memiliki spektrum cahaya seperti spektrum cahaya matahari. Hasilnya kemudian ditampilkan dalam kurva I-V. Dalam pemodelan secara teori juga didapatkan bentuk kurva IV sehingga dapat dilakukan perbandingan antara hasil pengukuran dengan hasil teori.
diketahui parameter model antara lain IL, Io, Rs, Rp dimana mewakili sifat fisik dari sel tunggal polikristal. Kelima parameter tersebut berhubungan dengan dua parameter lingkungan yaitu iradiansi dan temperatur. Besaranya arus yang dipengaruhi oleh temperatur yaitu arus saturasi diode (Io) dan arus ketika sel tunggal polikristal silikon dikenai cahaya/fotolistrik (IL).
Gambar 4. Kurva karakteristik arus tegangan sel tunggal polikristal pada intensitas lampu yang berbeda. blower
Parameter
TABEL 1. NILAI PARAMETER PEMODELAN SEL TUNGGAL POLIKRISTAL
Io IL Rp Rs
Gambar 3. Desain pengukuran arus-tegangan pada ruang cermin dengan blower.
IV. HASIL A. Pemodelan Pada saat pengambilan data sel tunggal polikristal silikon diletakkan di dalam ruang cermin yang tertutup. Sehingga ketika sumber cahaya dari lampu yang digunakan tidak dinyalakan, alat ukur tidak mendeteksi adanya pengaruh dari cahaya lain di luar ruang cermin tersebut. Hal ini mungkin saja karena cahaya datang tidak sampai pada permukaan sel surya, intensitas cahaya sangat lemah dan frekuensi cahaya tersebut sangat kecil sehingga energinya pun kecil tidak dapat mengeksitasi elektron yang ada dalam sel tersebut. Untuk mengamati pengaruh perubahan arus terhadap tegangan sel tunggal polikristal silikon secara keseluruhan, beban hambatan yang digunakan harus disesuaikan dengan intensitas cahaya pada eksperimen ini. Semakin besar intensitas cahaya secara proposional akan menghasilkan arus yang besar. Karakteristik I-V yang ditunjukkan pada Gambar 4 diamati saat sel tunggal polikristal silikon disinari oleh sumber lampu xenon dengan daya 100 watt dan 200 watt yang diletakkan pada jarak 11 cm tegak lurus terhadap permukaan sel. Dalam pemodelan sel tunggal polikristal silikon ini dianalisa dengan parameter-parameter yang dapat mempengaruhi kinerja yang dihasilkan oleh sel tunggal polikristal silikon tersebut. Model sederhana dari diode tunggal digunakan untuk memperkirakan parameter elektrik dari sel surya. Dari hasil pemodelan pada Gambar 4 dan 5
100 watt
11 cm
200 watt
11 cm -7
7,190×10 A 0,104 A 1,554× 103Ω 1,600 Ω
4,764×10-8 0,153 A 2,334×103 Ω 0,860 Ω
Hasil pemodelan pada Gambar 5 dan Gambar 6 dari data eksperimen didapatkan bentuk karakteristik IV sel tunggal polikristal silikon dengan sumber cahaya lampu xenon 100 watt dan 200 watt pada kurva berwarna biru. Bila dibandingkan dengan hasil pemodelan karakteristik I-V yang ideal diketahui hasil eksperimen dari sel tunggal polikristal dipengaruhi oleh hambatan seri (Rs) pada kurva IV. Rs tersebut menjadikan penurunan bentuk kurva pada saat tegangan hampir konstan. Selain itu hambatan paralel (Rp) sedikit berpengaruh pada bentuk kurva IV, yaitu menjadikan penurunan pada bentuk kurva saat arus hampir konstan.
Gambar 5. Pengaruh hambatan seri pada karakteristik arustegangan dengan sumber lampu xenon 100 watt.
B. Pengaruh Temperatur Terhadap Kurva IV Temperatur dalam eksperimen ini dikondisikan pada dua keadaan yang berbeda yaitu dengan blower dan tanpa
ISSN 0853-0823
166
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
blower. Dengan menggunkan rangkaian sensor pengukur suhu LM-35, sehingga dapat mengamati keadaan lingkungan di dalam ruang cermin. Sedangakan temperatur dari sel tunggal polikristal diukur menggunakan thermometer infrared.
Gambar 6. Pengaruh hambatan seri pada karakteristik arustegangan dengan sumber lampu xenon 200 watt.
Ketika pengukuran dilakukan tanpa menghidupkan blower, suhu sekitar sel meningkat sehingga memungkinkan suhu pada permukaan sel tersebut ikut meningkat. Namun hal ini diatasi dengan cara menyinari lampu untuk beberapa lama hingga kenaikan suhu akibat radiasi dari sinar lampu xenon tersebut tidak terlalu cepat, maka dilakukan pengukuran. Pengukuran dengan menggunakan blower,dinilai cukup membantu dalam menjaga kestabilan dalam ruang cermin yaitu membuang suhu panas yang berada disekitar permukaan sel. Suhu pada pengukuran ini lebih rendah dibandingkan dengan pengukuruan tanpa blower. Hal ini dapat diamati dengan besarnya perbedaan karakteristik arustegangan antara tanpa blower dan dengan blower. Pada gambar 6 terlihat adanya pergeseran pada kurva I-V karena adanya perbedaan suhu.
Suhu lingkungan saat pengukuran dengan blower adalah 30°C dan suhu ketika blower dimatikan 34°C. Pada grafik diamati bahwa semakin tinggi suhu, karakteristik arustegangan pada sel tunggal polikristal bergeser. Saat menggunakan blower didaptkan nilai Voc sebesar 0,37025 V sedangkan tanpa blower nilai Voc sebesar 0,33725V atau menurun sekitar 0,00825 V/oC. V. KESIMPULAN Setelah melakukan pengukuran terhadap arus dan tegangan untuk mendapatkan karakteristik dari sel tunggal polikristal silikon dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Karakteristik arus tegangan pada sel tungal polikristal dipengaruhi oleh iradiansi dan temperatur. 2. Penggunaan blower pada ruang cermin dapat menjaga kondisi temperatur di dalamnya, secara tidak langsung menjaga temperatur di permukaan sel tunggal polikristal silikon. 3. Perubahan tegangan terhadap temperatur sekitar 0,02433 V/°C saat disinari lampu xenon 200 watt pada jarak 11 cm dan sekitar 0,00825 V/°C saat disinari lampu xenon 100 watt pada jarak 23 cm. 4. Hambatan seri (Rs) sangat berpengaruh pada karakteristik arus-tegangan sel tunggal polikristal silikon dari hasil eksperimen ini. 5. Fill Factor dari sel tunggal polikristal yang digunakan dalam eksperimen ini bernilai antara 0,37 hingga 0,55. 6. Daya keluaran maksimal sel tunggal polikristal silikon saat disinari dengan sumber lampu xenon 200 watt pada jarak 11 cm, yaitu sebesar 0,042 watt. PUSTAKA [1] [2] [3]
Fahrenbruch, Alan L. “Fundamental of Solar Cell.” New York: Academic Press,Inc, 1983. Lorenzo, E. “Solar Electricity Engineering of Photovoltaic System”. Spain: Artes Graficas Gala, S.L, 1994. Hansen, Anca D dkk. “Model for a Stand-Alone PV System.” Roskilde: Riso National Laboratory, 2000.
Gambar 7. Pengaruh perbedaan suhu terhadap karakteristik arus-tegangan pemodelan.
ISSN 0853-0823
