JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82

79

Pengukuran I-V dengan Menggunakan Sun Simulator Sederhana

Satwiko Sidopekso, Hadi Nasbey, dan Arymukti Wibowo*

Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Jakarta, Jakarta 13220, Indonesia

*E-mail: arymuktiwibowo@yahoo.com

Abstrak

Kurva karakteristik arus-tegangan sel surya memberikan informasi tentang efisiensi sel surya untuk mengkonversi cahaya matahari secara langsung menjadi energi listrik. Pengaruh temperatur, tingkat iradiasi, serta bahan dasar pembuatnya akan menyebabkan berubahnya kurva karakteristik tersebut. Sun simulator sederhana digunakan sebagai pengganti fungsi matahari serta sebagai sumber iradiasi digunakan lampu halogen sebagai sumber cahaya dan difokuskan di dalam box yang seluruh sisinya menggunakan cermin datar sebagai reflektor. Dengan memvariasikan jarak penyinaran serta besarnya iradiasi yang jatuh pada sel surya, dilakukan karakterisasi sel surya. Diperoleh kesesuaian output hasil pengukuran karakteristik sel surya berupa Isc, Voc, Pmax, Imax, dan Vmax dengan produk spesifikasi pabrik. Dari hasil diperoleh Voc sebesar 19,99 Volt, dan Isc sebesar 3,48 Ampere pada sumber cahaya 4000 Watt. Selanjutnya pengecekan dilakukan menggunakan software MATLAB, menggunakan curve fitting antara kurva hasil output dengan sun simulator, dan kurva teoritikal model. Diperoleh kesamaan antara kurva hasil sun simulator dibandingkan dengan kurva model sel surya sederhana.

Abstract

I-V Measurements Using Simple Sun Simulator. Characteristic Current-Volt curve of solar cell give information about solar cell’s efficiency to directly convert sun light to become current. temperature, iradiance level, and maker material’s influence cause changeable of following current. Simple sun simulator utilized as substitution of solar function and as source of irradiation use halogen lamp as light source and is focused in the box which all side used flat mirror as reflector. By variated lighting distance and irradiance level that falls at solar cell, get characteristic of solar cell. It result appropriating output of solar cell measurement as Isc, Voc, Pmax, Imax, and Vmax with manufacturing specification. Of result was gottenVoc 19.99 Volt, and Isc 3.48 Ampere by 4000 Watt lighting source. Next, examination using MATLAB, by curve vitting among output measurement result with sun simulator, and theoretical model curve. Result is an agreement with output measurement from sun simulator compared by theoretical model curve of solar cell. Keywords: model’s curve of solar cell, solar cell, sun simulator 1. Pendahuluan Sel surya merupakan perangkat semikonduktor yang mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik. Pemanfaatan sel surya di Indonesia merupakan hal menarik karena Indonesia terletak pada daerah khatulistiwa. Permasalahan yang ada yaitu harga sel surya masih mahal dibandingkan dengan pembangkit energi dari sumber energi lain. Usaha untuk menurunkan harga panel surya dapat dilakukan dengan menaikkan efisiensi sel tersebut. Sel surya dapat dimodelkan sebagai sumber arus yang diparalelkan dengan dioda (Gambar 1). Ketika sel surya disoroti cahaya, akan menghasilkan arus IL. Ketika sel

surya dalam kondisi gelap, sel surya hanya berfungsi sebagai dioda sambungan P-N dan tidak dapat memproduksi energi listrik. Ketika dihubungkan dengan tegangan dari luar, sel akan memproduksi arus ID yang disebut arus dioda dalam kondisi gelap [1-2].

Gambar 1. Diagram Arus Sel Surya [2]

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82 80

Sel surya bekerja maksimum pada tingkat iradiasi tertentu dari suatu sumber cahaya untuk bisa diubah menjadi keluaran berupa arus listrik dan tegangan. Bentuk kurva karakteristik I-V berbeda-beda pada intensitas, dan temperatur tertentu. Karakteristik I-V sel surya ketika disinari pada sembarang iradiasi dan temperatur T ditunjukkan pada Gambar 2. Arus keseluruhan yang didapat merupakan selisih antara arus fotolistrik IL dan arus dioda ID, dirumuskan dengan:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=−=

+

sh

snkTIRVQ

OLDL RIRVIIIII

s

1exp)(

(1)

dengan IL adalah arus saat sel surya disinari (Ampere), I0 adalah arus saturasi diode (Ampere), q adalah muatan elektron sebesar 1,602 x 10-19 C, V adalah tegangan keluaran (Volt), I adalah arus keluaran (Ampere), Rs adalah hambatan seri sel (Ω), Rsh adalah hambatan paralel sel (Ω), n adalah faktor ideal dioda (antara 1 sampai 2), k adalah konstanta Boltzman sebesar 1.38 x 10-23 J/K, dan T adalah temperatur sel (Kelvin) [3]. Karakteristik I-V sel surya berubah sepanjang perubahan besar iradiasi cahaya yang mengenai permukaan modul surya. Semakin besar iradiasi yang terkena modul, semakin besar pula daya dan efisiensinya [4]. Hal tersebut ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 2. Kurva Karakteristik Model Sel Surya

Gambar 3. Kurva Karakteristik I-V terhadap Perubahan Iradiasi [4]

Suhu sel surya mempengaruhi fill factor dikarenakan ketika suhu di sekitar sel surya meningkat di atas suhu normal 25 °C, tegangan akan berkurang. Selain fill factor, efisiensinya juga turun beberapa persen. Sebaliknya ketika suhu meningkat, besarnya arus juga akan meningkat. Untuk mensimulasikan cahaya yang akan mengenai permukaan modul sehingga diketahui efisiensi maksimal suatu modul, maka dapat digunakan sebuah simulasi matahari buatan (sun simulator) dengan menggunakan lampu halogen untuk mendapatkan karakteristik sel surya khususnya I-V. Lampu halogen tersebut disusun di dalam box reflektor di mana di setiap sisi box tersebut merupakan cermin. Ruang reflektor ini berfungsi mengurangi cahaya untuk keluar sehingga tidak ada cahaya loss, dan tepat mengenai modul surya. Modul surya ditempatkan dibagian atas box reflektor tepat mengarah langsung kepada lampu halogen. Keuntungan penggunaan sun simulator yaitu untuk bisa memodelkan iradiasi matahari kepada sel surya tanpa dipengaruhi cuaca dan temperatur sekitar. Selain itu karakteristik sel surya lebih akurat mendekati model

Gambar 4. Kurva Karakteristik I-V terhadap Perubahan Temperatur [4]

Gambar 5. Sisi dalam Sun Simulator

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82 81

jika menggunakan sun simulator dibanding dengan iradiasi langsung ke matahari dikarenakan menghindari panas yang berlebihan akibat iradiasi secara kontinu [5]. 2. Metode Penelitian Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah modul surya polycrystalline Si tipe SX 50 U, lampu halogen 500 dan 1.000 Watt, cermin datar, resistor box, sensor arus DCS-01, sensor suhu LM-35, rangkaian pembagi tegangan, mikrokontroler ATmega 8535, dan laptop. Pengambilan data dilakukan dengan menembakkan cahaya dari lampu halogen langsung terhadap modul surya dan dilakukan di dalam box reflektor. Intensitas cahaya yang masuk diserap modul surya dan dikonversi menjadi keluaran berupa arus dan tegangan. Arus yang dihasilkan melewati sensor arus dan rangkaian pembagi tegangan yang nantinya akan masuk ke dalam mikrokontroler. Mikrokontroller dibuat pemrograman agar data yang didapat langsung interface ke laptop. Dengan mengubah-ubah nilai resistansinya, maka didapat kurva karakteristik I-V sel surya tersebut. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil pengukuran karakteristik I-V pada iradiasi dan jarak yang berbeda menunjukkan perubahan efisiensi yang saling berhubungan. Ketika iradiasi oleh lampu halogen sebesar 4000 Watt dengan jarak yang diubah-ubah antara 80 cm, 70 cm, dan 60 cm, menunjukkan bahwa semakin besar jarak penyinarannya, Isc dan daya yang dihasilkan akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan ketika sel surya didekatkan dengan lampu halogen, intensitas iradiasi yang diterima oleh sel surya menjadi lebih besar. Sel surya SX50U yang dilakukan pengukuran memiliki spesifikasi Voc sebesar 21 Volt, Isc sebesar 3,23 Ampere, dan Pmax sebesar 50 Watt pada sumber iradiasi

Gambar 6. Hasil Penelitian Pengukuran Karakteristik Sel Surya Menggunakan Sun Simulator pada Sumber Iradiasi 4000 Watt dengan Variasi Jarak

Tabel 1. Karakteristik Sel Surya Hasil Penelitian

Voc (Volt)

Isc (Ampere)

Pmax (Watt)

Spesifikasi pabrik 21 3,23 50

4000 Watt, jarak 60 cm 20,03 3,64 55,9784

4000 Watt, jarak 70 cm 20,01 3,56 49,29

4000 Watt, jarak 80 cm 19,99 3,48 48,7527

iradiasi 1 sun (1000 Watt/m2) [1]. Hasil penelitian pengukuran karakteristik sel surya SX50U menggunakan sun simulator pada sumber iradiasi 4000 Watt, ditunjukkan pada Tabel 1. Dapat disimpulkan bahwa hasil pengukuran karakteristik sel surya ketika sumber iradiasi 4000 Watt pada jarak 80 cm mendekati spesifikasi pabrik ketika sumber iradiasi sebesar 1 sun (1000 Watt/m2). Sehingga sun simulator sederhana telah teruji dan dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik sel surya unknown dengan menggunakan sumber iradiasi 4000 Watt pada jarak 80 cm. 4. Simpulan Sun simulator sederhana menunjukkan semakin besar jarak penyinarannya, Isc dan daya yang dihasilkan akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan ketika sel surya didekatkan dengan lampu halogen, intensitas iradiasi yang diterima oleh sel surya menjadi lebih besar. Pengukuran karakteristik sel surya SX50U ketika sumber iradiasi 4000 Watt pada jarak 80 cm mendekati spesifikasi pabrik ketika sumber iradiasi sebesar 1 sun (1000 Watt/m2). Sehingga sun simulator sederhana telah teruji dan dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik sel surya unknown dengan menggunakan sumber iradiasi 4000 Watt pada jarak 80 cm. Daftar Acuan [1] A.D. Hansen et al., Model for a Stand-Alone PV

System, Technical Report Riso National Laboratory, Roskilde, Norway, http://www.risoe.dk/solenergu/rapporter/pdf/sec-r-12.pdf, 2000.

[2] Anon., Part II: Photovoltaic I-V Cell Characterization Theory and Labview Analysis

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 2, NO. 2, SEPTEMBER 2011: 79-82 82

Code, National Instruments, http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7230, 2010.

[3] F.M. Gonzales-Longatt, Model of Photovoltaic Module in MatlabTM, 2do Congreso Iberoamericano de Estudiantes de Ingenieria Electrica, Electronica Y Computacion, San Diego, 2005.

[4] S. Nema, R.K. Nema, G. Agnihotri, Int. J. Energy Environ. 1/3 (2010) 487.

[5] A. Wibowo, S. Sedopekso, H. Nabey, Karakteistik Sel Surya dengan Menggunakan Sun Simulator Sederhana, Prosiding Seminar SEMIRATA, Jakarta, 2011.