Photovoltaic Effect (Efek Fotovoltaik)\\Efek Photovoltaik merupakan fenomena fisika dimana energi cahaya datang, yang mengenai permukaan sel surya akan diubah menjadi energi listrik. Arus listrik dapat timbul, karena energi foton cahaya datang berhasil membebaskan elektron-elektron dalam sambungan semikonduktor tipe n dan tipe p untuk dapat mengalir.

Mengapa terjadi arus ketika sel silikon disinari?Pelat sel silikon dalam praktikum ini merupakan panel surya yang dapat mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Energi cahaya yang datang mengenai permukaan sel silikon diteruskan ke semikonduktor tipe n dan ke tipe p secara berturut-turut. Foton cahaya datang memberikan energi untuk elektron bergerak dari sambungan semikonduktor ke arah semikonduktor tipe n dan hole bergerak dari sambungan ke arah semikonduktor tipe p. Pergerakan elektron yang telah mendapat cukup energi dari foton datang akan menghasilkan arus listrik. Jika suatu beban, misalkan lampu, dihubungkan antara kedua jenis semikonduktor tersebut, maka arus pergerakan elektron akan menyalakan lampu tersebut. Dengan demikian, energi foton dari cahaya datang berhasil mengeksitasi elektron sehingga bebas untuk bergerak mengalirkan arus listrik.

Apa yg dimaksud dengan :1. Level Fermi : tingkat energi tertinggi yang diisi oleh elektron pada suhu mutlak 0 Kelvin.2. Level donor : tingkat energi tertinggi yang diisi oleh elektron pada suhu mutlak 0 Kelvin pada semikonduktor tipe n. Level donor terletak sedikit di bawah pita konduksi, dan nilainya lebih besar dari setengah celah energi, atau secara matematis dapat ditulis Ed > Eg, dimana Ed= Energi level donor dan Eg = celah energi/energy gap. Artinya, kelebihan elektron semikonduktor jenis n pada level donor membutuhkan sedikit energi tambahan saja untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi, sehingga lebih mudah melepaskan elektron daripada menerima elektron, maka dari itu disebut level donor atau level pemberi (elektron).

3. Level akseptor : tingkat energi tertinggi yang diisi oleh elektron pada suhu mutlak 0 Kelvin pada semikonduktor tipe p, level akseptor letaknya sedikit di atas pita valensi, dan nilainya lebih kecil dari separuh celah energi, atau secara matematis dapat ditulis Ed 0.7 m).

Data iradiansi yang dimonitor sejak tahun 1980 (Frolich 2006)

Spektrum elektromagnetik matahari (Ahrens 2006)Jarak Bumi MatahariPerubahan jarak bumi dari matahari menimbulkan variasi energi matahari yang diterima bumi secara musiman. Perubahan orbit revolusi bumi yang disebuteccentricityberdampak pada perubahan penerimaan energi surya sebesar 7% lebih besar pada 3 Januari (perihelion) daripada pada 4 Juli (aphelion). Perbedaan penerimaan radiasi ini menyebabkan suhu permukaan bumi pada bulan Januari lebih tinggi 4 derajat dibandingkan suhu permukaan bumi pada bulan Juli.

Hal tersebut berimplikasi pada musim dingin belahan bumi utara (BBU) yang lebih panas dibandingkan musim dingin pada belahan bumi selatan (BBS). Selain itu, musim panas BBU (21 Maret sampai 22 September) memiliki perbedaan lima hari lebih lama daripada musim panas austral (22 septembber sampai 21 maret). Namun, perbedaan ini secara perlahan berubah. Sekitar 10000 tahun lalu Aphelion terjadi saat musim dingin BBU dan musim panas BBU menerima radiasi lebih besar 4% daripada saat ini.

Posisi MatahariPosisi matahari, sudut antara cahaya yang dipancarkan dan garis singgung permukaan bumi, juga mempengaruhi radiasi surya yang diterima permukaan bumi. Semakin besar sudut tersebut, semakin terkonsentrasi intensitas radiasi dan semakin pendek jarak sudut terima atmosfer. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi posisi matahari adalah posisi lintang, waktu harian, dan musim. Pada titik balik matahari Juni, posisi matahari adalah 23.5 derajat di kutub utara.Panjang HariPanjang hari juga mempengaruhi penerimaan radiasi matahari. Semakin panjang waktu matahari bersinar, maka semakin besar jumlah radiasi yang diterima bumi. Di ekuator, panjang hari biasanya mendekati 12 jam pada seluruh bulan. Namun, di kutub panjang hari bervariasi antara 0 sampai 24 jam selama musim dingin dan musim panas.Kombinasi dari seluruh faktor tersebut membentuk pola penerimaan energi surya pada puncak atmosfer. Area kutub menerima radiasi maksimum selama titik balik musim panas. Jumlah radiasi yang diterima pada titik balik Desember di BBS secara teori lebih besar daripada titik balik Juni di BBS.

Kurva I-VKurva arus-tegangan merupakan gambaran karakteristik modul surya. Kurva ini merupakanplottingarus vs tegangan, dari arus hubungan singkat (Isc) sampai tegangan sirkuit terbuka (Voc). Performa modul surya dapat dihitung dengan mengalikan arus dan tegangan pada titik-titik di kurva tersebut. Kurva I-V dihasilkan dari percobaan solar cell atau modul surya yang dikenai paparan iradiansi, hambatan yang diubah-ubah sedemikian rupa dan pengukuran arus yang dihasilkan.

Kurva I-V melewati 2 titik utama, yaitu arus hubungan singkat (Isc) dan tegangan sirkuit terbuka (Voc). Arus hubungan singkat adalah arus yang dihasilkan ketika terminal positif dan negative dihubungkan secara langsung. Nilai nol pada hambatan membuat nilai tegangan juga bernilai nol. Sebaliknya tegangan sirkuit terbuka terjadi ketika terminal positif dan negative berada dalam kondisi terbuka, sehingga tidak ada arus yang mengalir. Daya puncak dapat dilhat pada titik paling jauh dari pusat diagram.Daya yang dihasilkan oleh sebuah modul surya sangat dipengaruhi oleh radiasi matahari dan juga suhu modul surya. Semakin rendah tingkat iradiansi matahari yang jatuh pada modul surya, maka semakin rendah pula arus yang dihasilkan dan juga daya yang dihasilkan. Secara mendasar, nilai Voc tidak akan berubaha walaupun intensitas iradiansi matahari berubah-ubah.Temperatur modul surya mempengaruhi daya yang dihasilkan melalui perubahan nilai tegangan. Ketika nilai temperature modul meningkat, maka tegangan modul surya malah menurun, sedangkan arus yang dihasilkan tetap konstan. Secara rata-rata, tegangan pada modul kristalin akan turun sebesar 0.5% setiap terjadi kenaikan suhu 1 derajat Celcius diatas STC (misalkan 25 derajat C).

SPESIFIKASI THIN FILMElectrical Characteristics

Power Output27 W

Operating voltage - Vmp15 V

Operating current - Imp1800 mA

Open circuit voltage - Voc23 V

Short circuit current - Isc2400 mA

Temperature operating range-20C to +60C

Mechanical Characteristics

Dimensions642 x 1310 x 1.2 mm

Weight1500 g

ConnectorAMP Superseal 1.5 series IP67

Rangkaian PV

Modul SuryaatauPV Moduleadalah rangkaian dari sel-sel surya yang dihubungkan secara seri dan parallel kemudian dilaminasi dan diberi frame untuk memudahkan pemasangan. Berikut adalah jenis-jenis modul surya yang ada di pasaran berdasarkan teknilogi bahan pembuatnya: Single/mono Crystalline, terbuat dari kristal silikon dengan tingkat kemurnian tinggi (99,9 %) dan memiliki efisiensi 15-17 % Polycrystalline,terbuat dari kristal silikon dengan tingkat kemurnian yang sedikit lebih rendah daripada jenis monocrystalline dengan tujuan untuk mengurangi harga. Jenis ini memiliki efisiensi 12-14 % EFGthe Edge Defined Film Growth Ribbonatau Heat Excharger Method, salah satu proses produksi dengan cara menumbuhkan wafer Mono Kristal seperti pita langsung dari cairan silikon dengan menggunakan pita kapiler, dapat menghasilkan dengan lebar 5 10 cm. Pada proses ini penumbuhan terjadi 5 m/menit dengan ketebalan 250 350 mikrometer, dengan efisiensi 13%. Thin Film Silicon, Merupakan Lapisan Tipis atau Thin Film, mempunyai ketebalan sekitar 10 um di atas substrat kaca/steel (baja) atau disebut advanced sel fotovoltaik. Tipe yang paling maju saat ini adalah Amorphous Silicon dengan Heterojuction dengan stack atau tandem sel. Efisiensi Sel Amorphous Silicon berkisar 6% sampai dengan 9%.Sebagai sebuah komponen penghasil listrik, modul surya juga memiliki karakteristik tertentu berdasarkan parameter terukur sebagai berikut :Peak Power (Wp),menyatakanDaya maksimum yang terjadi pada titik lutut kurva I-VPeak Voltage (Vmp),menyatakan Nilai tegangan pada titik lutut kurva I-VOpen Voltage (Voc),menyatakan Nilai tegangan pada saat terminal positip dan negatip tidak ada beban atau terbuka, nilainya antara 19 21,6 VPeak Current (Imp),menyatakan Besarnya arus yang mengalir pad titik lutut kurva I-VShort Circuit Current (Isc),menyatakan Arus yang mengalir pada saat terminal positip dan negatip dihung singkat.Standard Test Conditions (STC),memberi keterangan bahwa modul surya diuji dengan kondisi : Irradiasi=1000 W/m2, Cell temperature = 25oCBerdasarkan parameter-parameter tersebut, maka diperlukan adanya Rangkaian modul surya dengan konfigurasi tertentu untuk memperoleh nilai arus dan tegangan yang sesuai dengan cara sebagai berikut :Untuk mendapatkan arus listrik yang lebih besar dari pada keluaran arus listrik dari setiap modul surya, maka modul surya dihubungkan secara parallelsesuai gambar berikut :

Untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi, modul surya dihubungkan secara seri yaitu dengan cara menghubungkan kutub positif dan kutub negatif berjajar sesuai gambar berikut :

Untuk mendapatkan daya yang lebih besar, maka modul dapat dihubungan secara seri dan paralel sesuai gambar berikut :

PERSIAPAN SEBELUM MELAKUKAN INSTALASISebelum melakukan instalasi harap dipastikan bahwa personil yang akan melakukan instalasi telah cukup berpengalaman di bidang mekanikal dan elektrikal. Berikut penjelasan umum dan langkah-langkah persiapan sebelum instalasi dilakukan :Satu unit module surya telah dilengkapi denganjunction boxpermanen yang di dalamnya terdapat bypass diodeSatu unit module surya telah dilengkapi dengan sepasang konektor PV-module female dan male untuk keamanan dan kemudahan instalasi

Module surya dapat menghasilkan listrik secara langsung bila terkena cahaya matahari, jadi harap berhati-hatisaat menghubungkan satu modul dengan modul yang lain.Module surya telah didesain untuk pemasangan outdoor (di luar ruangan). Module juga dapat dipasang dengan rangka yang berdiri langsung di atas tanah ataupun di atas atap rumah dan kendaraan.Dilarang menggunakan cairan adhesive di atas permukaan moduleDilarang memfokuskan cahaya matahari ke atas permukaan moduleHarap mengikuti peraturan instalasi yang berlaku di daerah setempat (jika ada)

PETUNJUK KESELAMATAN SAAT MELAKUKAN INSTALASIModul Surya secara individual memiliki nilai arus dan tegangan maksimal. Jadi, saat dihubungkan seri dengan yang lain, maka tegangan yang dihasilkan merupakan penjumlahan dari banyaknya modul yang terhubung seri. Saat dihubungkan paralel, maka arus yang dihasilkan merupakan penjumlahan dari banyaknya modul yang terhubung seri.Jauhkan anak-anak saat instalasi modul suryaHarap menutup seluruh permukaan modul surya dengan kardus atau semacamnya saat melakukan instalasi di siang hari agar module tidak menghasilkan listrikJangan menggunakan segala macam barang yang terbuat dari logam seperti cincin, jam tangan dan perhiasan lain saat melakukan instalasiHarap hanya menggunakan alat-alat listrik yang sudah insulated saat melakukan instalasiDiharapkan mengikuti petunjuk keselamatan dari alat yang akan digunakan pada sistem PLTS.Gunakan perlengkapan (konektor, kabel dan aksesorisnya) yang memang ditujukan khusus untuk modul surya.

INSTALASI MEKANIKALModul surya dipasang dengan menggunakan struktur rangka penyangga tertentu yang pada umumnya diletakkan berdiri langsung di atas permukaan tanah/lahan datar dan juga menempel di atas atap bangunan maupun kendaraan.Untuk instalasi langsung di atas tanah/lahan datar harp menggunakan struktur rangka dengan ketinggian minimum sebelah sudut yang sesuai untuk melakukan perawatan (pembersihan dari debu, dan lain-lain).Pastikan telah dilakukan pemilihan lokasi lahan yang tepatuntuk menginstalasi modul surya di mana lahan yang telah dipersiapkan jauh dari bangunan atau pohon yang tinggi supaya tidak menghalangi pencahayaan ke module surya.Pastikan pondasi untuk meletakkan rangka penyokong telah didesain dengan kuat agar rangka penyokong tahan terhadap terpaan angin.Bahan rangka penyokong modul surya harus terbuat dari bahan yang kuat dan tahan terhadap karat.

Rangka penyokong module surya harus telah diproduksi secara benar sesuaistandar pabrikan untuk memudahkan instalasi di lokasi baik untuk merakit rangka penyokong itu sendiri maupun untuk memasang modul surya.

Bagian dari rangka penyokong untuk meletakkan modul surya harus telah dilubangi terlebih dahulu di pabrik sesuai dengan letak lubang yang ada pada frame module suryaAgar lama penyinaran module surya maksimum, maka kemiringan rangka penyokong harus dipastikan menghadap ke utara untuk daerah yang terletak di bawah khatulistiwa atau menghadap ke selatan untuk daerah yang terletak di atas khatulistiwaHarap berhati-hati dalam membuka kemasan modul surya, jangan sampai merusak modul surya tersebut.Jangan mengangkat modul surya sendirian bila dirasa terlalu berat untuk mengangkatnya

INSTALASI ELEKTRIKAL

Instalasi Solar ArrayUntuk memperoleh daya yang sesuai dengan sistem yang telah didesain, maka module surya harus dihubungkan secara seri dalam jumlah tertentu dan dihubungkan secara paralel dalam jumlah tertentu pula.Ikuti petunjuk keselamatan saat menghubungkan module surya satu dengan yang lain.Perhatikan fisik junction box dan konektor male dan female apakah terjadi kerusakan atau tidakPastikan teleh menutup permukaan module surya dengan kardus atau bahan sejenisnya sebelum memulai pengkabelan. Pengkabelan juga dapat dilakukan pada malam hari bila memungkinkan

Pada saat merapikan kabel,jangan letakkan sambungan dengan lekukan kabel yang tajam, seperti pada gambar di bawah. Letakkan sambungan dengan lekukan kabel yang lentur.

Gunakan kabel dengan spesifikasi yang sesuai dengan jumlah sambungan seri maupun sambungan paralel pada sistem.Semua module surya harus ditanahkan. Pada PLTS skala besar, harap mendesain sistem pentanahan dengan benar terlebih dahulu.

Integrasi PV Module Array dengan sistemTegangan DC yang dibangkitkan oleh module surya dapat diubah menjadi tegangan AC melalui inverter. Inverter digunakan pada sistem ON Grid maupun OFF Grid.Pada PLTS Sistem terpusat (OFF Grid-stand alone), aliran energi dari module surya dikontrol olehSolar Charge Controller. Jadi pada sistem ini, selain menyuplay beban, energi yang dihasilkan modul surya juga digunakan untuk mengisi baterai.Sebelum diintegrasikan ke sistem,PV module array harus dihubungkan kePV module array protection and Insulation boxyang berfungsi untuk melindungi PV array dan sistem dari arus balik (reverse current) dari baterai, tegangan berlebih (over voltage) dari PV array maupun adanya arus hubung singkat (short circuit)

Pastikan PV Module Array Protection and Insulation Box telah didesain sesuai dengan kapasitas PV Module Array dan baterai yang digunakan.

PLTS : Stand AloneSystemMasih melanjutkan tulisan sebelumnya terkait PLTS, fokus dalam tulisan kali ini lebih kepada sistem PLTS Terpusat atau disebut juga Stand Alone System.Disebutstand alone systemkarena pada sistem ini PLTS menjadi satu-satunya sumber energi listrik. Di Indonesia, sistem ini banyak di pasang di pulau-pulau terpencil yang sulit di akses oleh grid (PLN). Sudah ratusan pulau-pulau kecil di Indonesia yang telah terpasang PLTS Terpusat ini yang memang menjadi salah satu program pemerintah. Untuk pulau-pulau atau daerah terpencil yang mendapat bantuan pemerintah umumnya (saat ini) terpasang PLTS stand alone dengan kapasitas 5, 10, atau 15 kWp. Kapasitas tersebut cukup untuk menerangi hingga 100 rumah, dengan catatan listrik hanya untuk penerangan dan tidak dianjurkan untuk televisi (tabung khususnya), kulkas, dll karena dayanya tidak akan cukup.PLTS Stand Alone terdiri dari beberapa komponen utama :

Skema Umum PLTS Off Grid(www.alternative-energy-tutorials.com/solar-power/stand-alone-pv-system.html)1. Modul SuryaTentunya modul surya/solar modul merupakan komponen utama dari PLTS ini. Umumnya (saat ini) modul surya yang paling banyak digunakan berjeniscrystallinebaik ituMonocrystallineataupunPolycrystallinesedangkan untuk jenis thin film masih jarang digunakan (di Indonesia).PLTS Off grid akan terdiri dari beberapa modul surya sesuai dengan kapasitasnya. sebagai contoh, PLTS 5 kWp akan terdiri dari 25 unit solar modul 200 Wp atau 50 unit solar modul 100 Wp. Modul surya ini disusun secara seri dan parallel dengan konfigurasi tertentu.

PV array disusun secara seri dan parallel dengan konfigurasi tertentuBeberapa modul surya disusun secara seri bertujuan untuk meningkatkan tegangan agar sesuai dengan spesifikasi input daricharge controller/inverter. rangkaian modul surya yang dirangkai secara seri disebutPV string.PV stringdiparallel bertujuan untuk meningkatkan daya sesuai dengan kapasitas yang akan dipasang. sebelum masuk ke charge controller, Modul surya akan diproteksi terlebih dulu dalam sebuah panel yang umumnya disebutcombiner box. padacombiner boxterdapat fuse yang memproteksi setiap string,surge arresteruntuk proteksi petir, MCCB/disconnector, dan beberapa literatur ada yang menyarankan untuk memasangblocking diode.2. Solar Charge ControllerSolar Charge Controller (SCC)atau disebut jugaBattery Control Unit (BCU)merupakan suatuDC-DC converteryang berfungsi dalam mengatur proseschargingdari modul surya ke baterai. Polachargingbaterai umumnya terdiri dari 3 jenis :boost charge, float charge, danequalize charge.Boost chargemerupakan pengisian (charging) baterai saat kapasitas rendah, tegangan baterai akan naik dan pada tegangan/kapasitas mendekati penuh, pola charging akan berpindah ke float charge.Float chargemerupakan pengisian untuk menjaga baterai dalam keadaanfull charge, pola ini juga menjaga agar tidak terjadioverchargepada baterai. sedangkanequalizing chargemerupakan proses pengisian untuk menyamakan tegangan pada semua cell baterai. proses equalize charge ini diatur untuk dilakukan seminggu sekali, sebulan sekali, atau sesuai kebutuhan.Pemilihan solar charge controller akan mempengaruhi konfigurasi sistem. Spesifikasi input akan menentukan konfigurasi seri pada modul surya dan spesifikasi output akan menentukan tegangan nominal sistem/baterai bank dan input Inverter.3. BateraiPada sistemstand alone,baterai berfungsi untuk menyimpan energi matahari yang dihasilkan di siang hari sehingga energinya bisa dipakai baik di siang hari maupun malam hari. Jenis baterai yang banyak digunakan untuk aplikasi PLTS ini umumnya berupa Lead-Acid baik itu OPzS (aki basah) ataupun OPzV (aki kering). Berbeda dengan jenis baterai pada aki mobil yang merupakan baterai starter, baterai yang digunakan pada sistem PLTS merupakan typedeep cycleyangartinya baterai bisa didischarge hingga kapasitas 80% (DOD 80%).Selain Lead Acid, baterai yang bisa digunakan pada sistem PLTS adalah Lithium. Seperti halnya baterai pada handphone kita, baterai lithium dikenal sebagai baterai dengan kerapatan energi yang tinggi artinya dengan volume yang sama energi yang bisa disimpan oleh baterai lithium lebih besar dibanding baterai lainnya. Namun pemakaian baterai lithium pada sistem PLTS masih jarang dikarenakan harganya yang relatif tinggi dan kelemahannya yang mudah tersulut api.Pada sistem PLTS, baterai akan disusun secara seri dan paralllel sesuai dengan kebutuhan. baterai akan diseri untuk mencapai tegangan nominal yang dibutuhkan. sedangkan diparallel untuk mendapatkan kapasitas yang lebih besar. sebagai contoh, akan dipasang baterai bank dengan kapasitas 96 kWh dengan tegangan sistem 48 V, baterai yang digunakan adalah baterai 2 V 1000Ah maka baterai bank akan disusun dengan 48 unit baterai dengan konfigurasi 24 seri dan 2 paralllel.