Panduan Lengkap: Parameter Sel Surya dan Karakteristik Panel PV

Parameter dan Karakteristik Sel Fotovoltaik

Apa itu Sel Fotovoltaik Surya?

Sel surya adalah perangkat semikonduktor yang dapat mengubah radiasi surya menjadi listrik. Kemampuannya untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik tanpa konversi perantara membuatnya unik untuk memanfaatkan energi surya yang tersedia menjadi listrik yang berguna. Itulah sebabnya mereka disebut Sel Fotovoltaik Surya. Gambar 1 menunjukkan sel surya yang khas.

Berbagai faktor mengatur listrik yang dihasilkan oleh sel surya, yaitu;

• Intensitas cahaya: Semakin tinggi sinar matahari yang jatuh pada sel, semakin banyak listrik yang dihasilkan oleh sel.
• Luas Sel: Dengan meningkatkan luas sel, arus yang dihasilkan oleh sel juga meningkat.
• Sudut insiden: Jika cahaya yang jatuh pada sel tegak lurus terhadap permukaannya, daya yang dihasilkannya optimal. Idealnya, sudutnya harus 90^o namun secara praktis harus mendekati 90^o.

Sel surya adalah perangkat dua klem. Satu adalah positif (anoda) dan yang lain adalah negatif (katoda). Susunan sel surya dikenal sebagai modul surya atau panel surya, sedangkan susunan panel surya dikenal sebagai array fotovoltaik.

• Posting Terkait: Bagaimana Merancang dan Menginstal Sistem PV Surya?

Kerja Sel Surya

Sinar matahari adalah sekelompok foton yang memiliki sejumlah energi terbatas. Untuk menghasilkan listrik oleh sel, sel harus menyerap energi foton. Serapan bergantung pada energi foton dan energi band-gap bahan semikonduktor surya dan diekspresikan dalam elektron-volt (eV).

Foton diserap oleh bahan semikonduktor yang menghasilkan pasangan lubang elektron, di mana elektron adalah muatan negatif dan lubang adalah muatan positif. Ketika beban disambungkan, terdapat pemisahan elektron dan lubang di simpulan, lubang bergerak ke sisi anoda dan elektron ke sisi katoda.

Dengan demikian, pemisahan dua muatan ini menciptakan perbedaan potensi listrik dan kita mendapatkan tegangan di klem sel. Tegangan ini digunakan untuk mendorong arus dalam sirkuit.

Posting Terkait: Panduan Lengkap tentang Instalasi Panel Surya. Prosedur Langkah demi Langkah dengan Perhitungan & Diagram

Parameter Sel Surya

Konversi sinar matahari menjadi listrik ditentukan oleh berbagai parameter sel surya. Untuk memahami parameter ini, kita perlu melihat Kurva I – V seperti yang ditunjukkan pada gambar 2 di bawah ini. Kurva telah dibuat berdasarkan data dalam tabel 1.

Tabel 1

Amps	Volts	Watts
0	VOC = 11.4	0
0.2	11.06	2.21
0.4	10.59	4.24
0.5	10.24	5.12
0.6	9.54	5.72
0.61	9.39	5.73
IM = 0.62	VM = 9.27	PM = 5.75
0.63	9.08	5.72
0.64	8.72	5.58
ISC = 0.65	0	0

Parameter sel diberikan oleh produsen pada STC (Standard Test Condition). Di bawah STC, radiasi surya yang sesuai sama dengan 1000 W/m² dan suhu operasi sel sama dengan 25^oC. Parameter sel surya adalah sebagai berikut;

Arus Sirkuit Pendek (I_SC):

Arus sirkuit pendek adalah arus maksimum yang dihasilkan oleh sel surya, diukur dalam ampere (A) atau miliamper (mA). Seperti yang terlihat dari tabel 1 dan gambar 2, tegangan sirkuit terbuka adalah nol ketika sel menghasilkan arus maksimum (I_SC = 0.65 A).

Nilai arus singkat bergantung pada luas sel, radiasi surya yang jatuh pada sel, teknologi sel, dan sebagainya. Kadang-kadang produsen memberikan densitas arus daripada nilai arus. Densitas arus dinotasikan dengan “J” dan densitas arus sirkuit pendek dinotasikan dengan “J_SC”. Densitas arus sirkuit pendek diperoleh dengan membagi arus sirkuit pendek dengan luas sel surya sebagai berikut:

J_SC = I_SC / A

Mari kita ambil contoh, sel surya memiliki densitas arus 40 mA/cm² pada STC dan luas 200 cm². Maka arus sirkuit pendek dapat ditentukan sebagai berikut;

I_SC = Jsc × Luas = 40 mA/cm² × 200 cm² = 8000 mA = 8 A

Tegangan Sirkuit Terbuka (V_OC):

Tegangan sirkuit terbuka adalah tegangan maksimum yang dapat dihasilkan oleh sel dalam kondisi sirkuit terbuka. Diukur dalam volt (V) atau milivolt (mV). Seperti yang terlihat dari tabel 1 dan gambar 2, arus sirkuit pendek sama dengan nol ketika sel menghasilkan tegangan maksimum. Nilai V_OC bergantung pada teknologi sel dan suhu operasi sel.

Titik Daya Maksimum (P_M):

Titik daya maksimum mewakili daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh sel surya pada STC (yaitu radiasi surya 1000 W/m² dan suhu operasi sel 25^oC). Diukur dalam W_Peak atau einfach W_P. Selain STC, sel surya memiliki P_M pada nilai radiasi dan suhu operasi sel yang berbeda.

Sel dapat beroperasi pada kombinasi arus dan tegangan yang berbeda. Namun, hanya dapat menghasilkan daya maksimum P_M pada kombinasi tegangan dan arus tertentu. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2, titik daya maksimum terletak pada lutur kurva I – V dan adalah hasil kali I_M dan V

P_M = I_M × V_M = 0.62 × 9.27 = 5.75 W_P

Arus pada Titik Daya Maksimum (I_M):

Mewakili arus yang akan dihasilkan oleh sel surya saat beroperasi pada Titik Daya Maksimum. Dinotasikan dengan I_M dan dapat dilihat pada gambar 2 bahwa nilainya selalu lebih kecil dari arus sirkuit pendek (I_SC). Diukur dalam ampere (A) atau miliamper (mA).

Tegangan pada Titik Daya Maksimum (V_M):

Mewakili tegangan yang akan dihasilkan oleh sel surya saat beroperasi pada Titik Daya Maksimum. Dinotasikan dengan V_M dan dapat dilihat pada gambar 2 bahwa nilainya selalu lebih kecil dari tegangan sirkuit terbuka (V_OC). Diukur dalam volt (V) atau milivolt (mV).

Faktor Isi (FF):

Mewakili luas yang tertutup oleh persegi panjang I_M – V_M dengan luas yang tertutup oleh persegi panjang I_SC – V_OC sebagai garis titik pada gambar 2. Faktor isi mewakili persegi panjang kurva I – V. Direpresentasikan dalam persentase (%), semakin tinggi faktor isi dalam persen, semakin baik sel.

FF = P_M / (I_SC ×V_OC)

Berdasarkan data dalam tabel 1 dan gambar 2, kita dapat menentukan faktor isi sebagai berikut;

FF = [5.75 / (0.65 × 11.4)] × 100 = 77.59 %

Direpresentasikan dalam persentase dengan mengalikan dengan 100.

Efisiensi (ƞ):

• Efisiensi sel surya didefinisikan sebagai daya output maksimum (P_M) dibagi daya input (P_IN). Diukur dalam persentase (%), yang menunjukkan bahwa persentase daya input sinar matahari diubah menjadi daya listrik. Daya input adalah densitas daya. Oleh karena itu, untuk menghitung efisiensi kalikan P_IN pada STC dengan luas. Efisiensi dapat dihitung sebagai berikut;

ƞ = P_M / (P_IN × Luas)

Jika luas sel yang diberikan adalah 0.01 m², P_M = 5.75 W_P maka efisiensi pada kondisi uji standar dapat diberikan sebagai;

ƞ = [5.75 W_P / (1000 W/m² × 0.01 m²)] = 57.5 %

Direpresentasikan dalam persentase dengan mengalikan dengan 100.

• Posting Terkait: Komponen Dasar yang Diperlukan untuk Instalasi Sistem Panel Surya

Teknologi Fotovoltaik

Beragam jenis sel surya tersedia di pasaran, nama teknologi sel surya bergantung pada bahan yang digunakan dalam teknologi tersebut. Oleh karena itu, sel-sel berbeda memiliki parameter sel yang berbeda seperti densitas arus sirkuit pendek, efisiensi, tegangan sirkuit terbuka, faktor isi, dan sebagainya. Tabel 2 berikut menunjukkan daftar sel yang tersedia secara komersial dan rentang nilai parameter mereka.

Tabel 2

Jenis Sel	Efisiensi (%)	Tegangan Sirkuit Terbuka (V)	Densitas Arus (mA/cm2)	Luas Sel (cm2)	Faktor Isi (FF)
Silikon kristal tunggal	14 – 17	0.55 – 0.68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Silikon kristal banyak	14 – 16	0.55 – 0.65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Silikon amorfa	6 – 9	0.70 – 1.1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Tellurida kadmium	8 – 11	0.80 – 1.0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Selenida tembaga-indium-gallium	8 – 11	0.50 – 0.7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Arsenida galium	30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

• Posting Terkait: Berapa Watt Panel Surya yang Kita Butuhkan untuk Alat Listrik Rumah Kita?

Faktor yang Mempengaruhi Daya yang Dihasilkan oleh Sel Surya

Efisiensi Konversi (ƞ):

Tidak semua cahaya yang jatuh pada sel surya diubah menjadi energi listrik. Efisiensi konversi disebut sebagai rasio energi listrik yang dihasilkan terhadap energi cahaya masukan. Kita tidak dapat mengubah efisiensi sel, berdasarkan proses manufaktur dan bahan yang digunakan di dalamnya, dan nilainya tetap tetap.

Daya maksimum sel P_M bergantung pada tegangan yang dihasilkannya di klem sel dan arus yang dapat disuplainya. Luas sel adalah salah satu faktor penting yang mempengaruhi daya output yang dikembangkan oleh sel. Nilai daya output dapat ditentukan untuk daya masukan tertentu dalam (W/m²), efisiensi konversi sel dalam (%), dan luas sel dalam (m²).

Efisiensi sel surya diberikan pada STC dan daya masukan (P_IN) diambil sebagai 1000 W/m². Dengan demikian, dengan menggunakan rumus yang diberikan di bawah ini, kita dapat menentukan daya output yang dihasilkan untuk berbagai efisiensi.

P_M = (P_IN × Luas) × ƞ

Misalkan kita harus menghitung daya output pada STC dengan efisiensi 30% dan 25% serta luas 0.01 m². Jadi, untuk efisiensi 30% kita mendapatkan;

P_M = (1000 W/m² × 0.01 m²) × 0.30 = 3 W_P

Dan untuk efisiensi 25% kita mendapatkan;

P_M = (1000 W/m² × 0.01 m²) × 0.25 = 2.5 W_P

Jumlah Cahaya Masukan:

Intensitas cahaya yang jatuh pada sel terus berubah sepanjang hari. Bergantung pada cahaya yang jatuh pada sel, arus dan tegangan sel berubah. Arus yang dihasilkan oleh sel secara langsung bergantung pada cahaya yang jatuh padanya.

Dari pagi hingga sore hari, cahaya yang jatuh pada sel meningkat, sehingga arus yang dihasilkan oleh sel juga meningkat. Dari sore hari hingga matahari terbenam, cahaya yang jatuh pada sel menurun, sehingga arus yang dihasilkan oleh sel juga menurun. Tidak ada variasi besar pada tegangan output sel karena tidak terpengaruh oleh variasi sinar matahari.

Misalkan kita harus menghitung daya output untuk sel dengan luas 0.01 m² untuk daya masukan 1000 W/m² dan 800 W/m² dengan efisiensi 25%. Jadi, untuk daya masukan 1000 W/m² kita mendapatkan daya output sebagai berikut;

P_M = (1000 W/m² × 0.01 m²) × 0.25 = 2.5 W_P

Dan untuk daya masukan 800 W/m­^2­­;

P_M = (800 W/m² × 0.01 m²) × 0.25 = 2 W_P

Seperti yang kita lihat, ada penurunan daya output karena penurunan daya masukan. Jadi, jumlah daya yang dihasilkan oleh sel sebanding dengan sinar matahari.

Posting Terkait Jenis Panel Surya dan Jenis Panel Surya Mana yang Terbaik?

Luas Sel:

Arus sirkuit pendek sel surya bergantung pada luas sel. Arus output secara langsung sebanding dengan luas sel. Semakin besar luas sel, jumlah arus yang dihasilkan juga besar dan sebaliknya. Misalnya, luas 200 cm² akan menghasilkan arus 2 A dan luas 200 cm² akan menghasilkan arus 4 A untuk radiasi yang sama sebesar 1000 W/m².

Seperti yang kita lihat sebelumnya, densitas arus diperoleh dengan membagi arus dengan luas sel. Densitas arus (J_SC) tetap untuk intensitas sinar matahari yang diberikan dan tidak bergantung pada luas. Mari kita ambil contoh di mana kita harus menghitung arus output sel surya dengan luas 20 cm² dan 50 cm².

Dengan densitas arus konstan 35 mA/m². Arus output untuk 20 cm² dapat dihitung sebagai berikut;

I_SC = J_SC × Luas = 35 mA/m² × 20 cm² = 0.70 A

Arus output untuk 50 cm² dapat dihitung sebagai berikut;

I_SC = J_SC × Luas = 35 mA/m² × 50 cm² = 1.75 A

Dengan demikian, dari perhitungan di atas, jelas bahwa semakin besar luas sel, semakin tinggi nilai arus, dan semakin kecil luas sel, semakin rendah nilai arus.

Sudut Cahaya (θ):

Sel surya menghasilkan daya output maksimum untuk sinar matahari tertentu ketika sudut cahaya dan sel tegak lurus satu sama lain (yaitu 90^o) seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Ketika sudut insiden cahaya kurang dari atau lebih dari 90^o seperti yang ditunjukkan pada gambar 3, maka akan menghasilkan daya output yang lebih rendah dari kemampuan daya output maksimum sel.

Ketika cahaya jatuh dengan sudut lebih besar atau lebih kecil dari 90^o, sebagian cahaya dipantulkan, dan cahaya yang digunakan oleh sel kurang dari yang sebenarnya jatuh padanya. Ini mengakibatkan pengurangan daya output yang dihasilkan oleh sel. Karena alasan inilah kita harus memasang sel surya dengan sudut tegak lurus terhadap cahaya yang jatuh untuk menghasilkan listrik sebesar mungkin.

Suhu Operasi (T):

Produsen menyediakan rating tegangan, arus, dan daya sel pada STC dengan radiansi 1000 W/m² dan suhu 25^o Namun dalam praktik, suhu sel surya bervariasi karena suhu lingkungan dan sel selanjutnya tertutup kaca, sehingga suhu sel surya meningkat lebih lanjut.

Perubahan suhu ini mempengaruhi tegangan, daya, dan efisiensi sel, kenaikan suhu sel di atas STC mengurangi output parameter ini. Penurunan parameter ini berbeda untuk berbagai sel surya yang tersedia di pasaran.

Mari kita ambil contoh untuk memahami penurunan salah satu parameter (yaitu tegangan). Sel memiliki tegangan output 0,9 V pada STC. Suhu operasi sel adalah 50^o C. Tegangan output sel menurun sebesar 2,1 mV/^o C. Apa yang bisa menjadi nilai baru tegangan output?

ΔT = T_actual – T_standard = 50 – 25 = 25^oC

Tegangan output yang berkurang = Tegangan sirkuit terbuka (V_OC) pada STC – (Penurunan tegangan – ΔT) = 0,9 – (2,1 × 10 ^-3 × 25) = 0,84 V

Dari perhitungan di atas, dapat disimpulkan bahwa ada penurunan tegangan output jika suhu naik di atas STC (yaitu di atas 25^oC).

Kesimpulan

Ditakdirkan perkembangan teknologi semikonduktor yang memungkinkan kita mengubah sinar matahari yang melimpah menjadi listrik. Dalam artikel ini, kami mempelajari kerja sel surya, berbagai jenis sel, dan berbagai parameter seperti tegangan sirkuit terbuka, arus sirkuit pendek, dan sebagainya yang membantu kita memahami karakteristik sel. Faktor-faktor yang mempengaruhi daya yang dihasilkan oleh sel juga dipelajari, termasuk efisiensi konversi daya, jumlah cahaya masukan, luas sel, dan sebagainya yang mempengaruhi kinerja dan membantu kita memahami perilaku sel dalam skenario yang berbeda. Dengan pemahaman teknologi sel surya, kita dapat memanfaatkannya dengan cara terbaik untuk memenuhi kebutuhan energi sehari-hari kita.