:f
:D
:x
B-)
b-(
:@
x(
:?
;;)
:-B
:|
:))
:((
=((
:s
:-j
:-p
PERCOBAAN 2
KARAKTERISTIK MODUL SEL SURYA
DENGAN SIMULINK MATLAB
2.1 Tujuan Percobaan
Setelah melakukan
percobaan ini, mahasiswa akan dapat:
1. Mengetahui
sistem kerja sel surya.
2. Mengetahui
karakteristik arus tegangan pada sebuah modul sel surya dengan menggunakan
program simulink Matlab.
3. Mengetahui
karakteristik arus tegangan pada sebuah modul sel surya akibat pengaruh radiasi
surya dengan menggunakan program simulink Matlab.
2.2 Landasan Teori
Sel-sel
surya photovoltaic (PV) adalah dioda semikonduktor yang didesain untuk menyerap cahaya matahari dan
mengkonversinya menjadi listrik. Penyerapan
cahaya matahari menghasilkan pembawa-pembawa minoritas bebas, yang menentukan
arus sel surya. Pembawa
ini terkumpul dan terpisah oleh junction
dioda yang menentukan
tegangannya.
Operasi
dasar sel surya ditunjukkan pada gambar 1. Foton-foton
cahaya diserap oleh bahan semikonduktor dan setiap foton yang diserap
membangkitkan sepasang elektron-hole. Pembawa-pembawa
minoritas yang dibangkitkan berdifusi ke junction
dimana mereka terkumpul.Jumlah pembawa yang terkumpul menentukan arusnya. Tegangan ditentukan oleh karakteristik junction-nya.
Gambar 1. Operasi sel surya
Rangkaian
ekivalen ditunjukkan pada gambar 2. Kurva
karakteristik sel surya photovoltaic
dapat ditentukan dengan pertama menghitung pembawa minoritas terkumpul dan
kemudian secara terpisah menghitung karakteristik arus-tegangan dioda. Superposisi dapat digunakan untuk
mengkombinasikannya.
Gambar 2. Rangkaian ekivalen sel surya
Arus
maksimum untuk sel surya tergantung pada lebar pita penyerapan semikonduktor
dan spektrum surya. Setiap
photon dengan energi
lebih besar dari lebar pita dapat diharapkan untuk membangkitkan satu pasang
elektron-hole, yang menyebabkan satu pembawa minoritas dapat terkumpul. Koefisien penyerapan bahan semikonduktor
menentukan ketebalan yang diperlukan untuk menyerap cahaya surya dengan energi
lebih besar dari celah pita. Sebagai contoh ketebalan silicon 0,5 mm akan
menyerap 93 % dari cahaya surya dengan sebuah energi diatas lebar pitanya.
1.
Junction
p-n
Sel-sel
PV telah dibuat dengan bahan silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), copper
indium diselenide (CIS), cadmium telluride (CdTe), dan beberapa bahan lain.
Bagian utama sel PV yaitu junction
p-n, atau ekivalen dengan junction
Schottky yang diperlukan untuk memungkinkan pengaruh sel surya.Pemahaman junction p-n adalah bagian penting dari
pemahaman bagaimana sel PV mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik.Gambar
3 menunjukkan sebuah junction p-n
silicon.
Junction
tersebut terdiri dari sebuah layer Si tipe-n digabungkan dengan layer Si
tipe-p, dengan sebuah struktur kristal Si murni membentang junction tersebut. Hubungan diantara kerapatan hole (p), dan
kerapatan elektron (n), pada setiap titik yang diberikan bahan adalah :
np
= ni2
Dimana
ni adalah perkiraan kerapatan elektron atau hole dalam bahan
intrinsic (tak murni). Saat kondisi tak murni, n @
Nd dan p @
Na, dimana Nd dan Na adalah kerapatan tak
murni donor dan acceptor.
Analisa
aliran elektron dan hole melewati junction merupakan pengembangan persamaan dioda:
dimana q adalah muatan
elektron, k adalah konstanta Boltzman, T adalah suhu junction dalam K, dan V
adalah tegangan luar melewati junction dari sisi-p ke sisi-n.
2.
Junction
p-n teriluminasi
Gambar
4 mengilustrasikan efek foton-foton pada area junction. Energi foton tersebut
diberikan dengan persamaan:
Dimana l
adalah panjang gelombang foton, h adalah konstanta Planck (6,625x10-34J.s)
dan c adalah kecepatan cahaya (3x108 m/s).
Energi
foton dalam elektron-volt (eV) menjadi 1,24/l,
jika l adalah dalam mm (1eV=1,6x10-19J). Jika
sebuah foton mempunyai energi yang sama atau melebihi energi lebar pita
semikonduktor dari bahan junction
p-n, kemudian energi foton mampu menciptakan pasangan elektron-hole (EHP).
Untuk Si, lebar pita adalah 1,1eV, jika panjang gelombang foton kurang dari
1,13 mm
di dekat daerah infra merah, maka foton akan mempunyai cukup energi untuk
membangkitkan EHP.
Gambar
4. Junction p-n diiluminasi menunjukkan geometri yang diinginkan dan kreasi
pasangan elektron-hole
Meskipun
foton-foton dengan energi lebih tinggi dari energi lebar pita dapat diserap,
satu foton dapat mengkreasikan hanya satu EHP. Energi
lebih dari foton dibuang sebagai panas. Bila foton memasuki sebuah bahan,
intensitas beam (daya dalam medan
gelombang) tergantung pada konstanta penyerapan panjang gelombang-bebas, a.
Jumlah
arus foton-terinduksi mengalir melewati junction dan rangkaian luar secara
langsung sebanding dengan intensitas sumber foton. Catatan bahwa EHP digerakkan
melewati junction dengan adanya medan E (E-field), jadi hole bergerak ke sisi-p
dan melanjutkan untuk berdifusi ke arah kontak luar sisi-p. Dengan cara yang
sama, elektron-elektron bergerak ke sisi-n dan melanjutkan untuk berdifusi ke
kontak luar sisi-n.
Pada
titik ini, sebuah pengamatan penting dilakukan.Tegangan luar melewati dioda
yang menyebabkan aliran arus saat tidak ada foton-foton, adalah positif dari p
ke n. Arus dan tegangan dioda didefinisikan dalam arah ini, dan dioda
didefinisikan berdasarkan konvensi tanda pasif. Dengan kata lain, ketika tidak
ada foton-foton menimpa junction, dioda
menghilangkan daya. Tetapi saat terdapat foton-foton, aliran arus terinduksi
foton melawan arah pasif tersebut.Oleh karena itu, arus meninggalkan terminal
positif, yang berarti bahwa alat tersebut membangkitkan daya.Ini adalah efek
dari PV. Saat arus PV digabungkan dengan persamaan dioda, menghasilkan
persamaan:
Gambar 5
menunjukkan kurva I-V untuk sel PV ideal dan tipikal, mengasumsikan sel
tersebut mempunyai luas perkiraan 195 cm2. Sifat lain kurva I-V
gambar 5, adalah adanya titik tunggal pada setiap kurva pada daya yang dikirim
oleh sel adalah maksimum. Titik ini disebut titik daya maksimum (maksimum
power point) dari sel,
dan
gambar 6 adalah saat daya sell diplot terhadap tegangan sel.
Gambar 5. Karakteristik
I-V dari sel-sel PV ideal dengan level iluminasi yang berbeda
Gambar
6. Karakteristik P-V dari sel-sel PV dengan empat level iluminasi
2.3 Daftar Peralatan
No
|
Peralatan
|
Jumlah
(buah)
|
1
|
Personal Computer
|
1
|
2
|
Program Matlab 2010
|
1
|
2.4 Gambar Rangkaian
Gambar 6. Rangkaian
percobaan karakteristik arus-tegangan dan daya-tegangan dengan modul
Photovoltaic masukan tegangan
Gambar
7. Rangkaian percobaan karakteristik arus-tegangan dan daya tegangan dengan
modul
Photovoltaic masukkan tegangan
Input:
- Tegangan
Photovoltaic, VPV (V)
- Insolation
(W/m2)
Output:
- Arus
Photovoltaic, IPV (A)
- Daya
output Photovoltaic, PPV (W)
Model ini tepat untuk
keadaan saat modul-modul terhubung paralel dengan tegangan yang sama.
2.5 Prosedur Kerja
1. Buka
program Matlab 2010.
2. Buka
file ModulPV.mdl pada menu Current Folder, kemudian muncul tampilan simulink
untuk modul Photovoltaic seperti gambar 6 berikut.
Gambar 6. PV 1
model simulink untuk input tegangan dan PV 2 model simulik untuk input arus
3. Klik
pada program Matlab 2010, menu Simulink Library Browser.
4. Pada
Simulink Library Browser klik menu New Model, kemudian muncul tampilan program
simulink dengan nama file untitled.mdl. Simpan dengan menu save as dan beri
nama Percobaan2, selanjutnya buatlah program simulink pada gambar 6 pada file
ini.
5.
Tarik
PV1 ke dalam program simulink pada file Percobaan 2.
7. Masukkan
data berikut untuk input radiasi sel surya (illumination).
8. Tarik
Repeating Sequence pada menu sources.
9. Masukkan
parameter data berikut:
10. Tarik
X-Y Graph pada menu sink.
11. Untuk
Karakteristik I-V masukkan parameter data x-min=0, x-max=25, y-min=0, y-max=6,
sample time=-1.
12. Untuk
Karakteristik P-V masukkan parameter data x-min=0, x-max=25, y-min=0,
y-max=100, sample time=-1.
13. Hubungkan
terminal-terminal pada setiap blok simulink seperti gambar 6.
14.
Klik
menu Simulation kemudian klik Configurations Parameter, masukkan parameter
data.
15. Klik
start simulation, dapatkan hasil simulasi kurva karakteristik I-V dan P-V.
2.6 Data Percobaan
a. Parameter
data Vpv pada percobaan 1, 2, 3, dan 4
No.
|
Vpv
|
a
|
b
|
c
|
1
|
Output
values
|
-0.5
|
25
|
-0.5
|
2
|
Times
values
|
0
|
1
|
2
|
b. Data
untuk input radiasi sel surya (illumination) pada percobaan 1
No.
|
Radiasi Sel Surya
|
a
|
b
|
c
|
d
|
e
|
1
|
Vector
of output values
|
200
|
400
|
600
|
800
|
1000
|
2
|
Sample
time
|
1
|
||||
No.
|
Radiasi Sel Surya
|
a
|
b
|
c
|
d
|
e
|
1
|
Vector of output
values
|
200
|
345
|
456
|
689
|
987
|
2
|
Sample time
|
1
|
||||
c. Data untuk input radiasi sel surya
(illumination) pada percobaan 1
d. Data
untuk input radiasi sel surya (illumination) pada percobaan 3
No.
|
Radiasi Sel Surya
|
a
|
b
|
c
|
d
|
e
|
1
|
Vector
of output values
|
200
|
400
|
600
|
800
|
1000
|
2
|
Sample
time
|
1
|
||||
e. Data
untuk input radiasi sel surya (illumination) pada percobaan 4
No.
|
Radiasi Sel Surya
|
a
|
b
|
c
|
d
|
e
|
1
|
Vector
of output values
|
297
|
453
|
567
|
789
|
987
|
2
|
Sample
time
|
1
|
||||
f. Parameter
data untuk karakteristik I-V pada percobaan 1 dan 2
No.
|
XY Graph
|
x-min
|
x-max
|
y-min
|
y-max
|
1
|
Parameter data
|
0
|
25
|
0
|
6
|
2
|
Sample time
|
-1
|
|||
g. Parameter
data untuk karakteristik I-V pada percobaan 3 dan 4
No.
|
XYGraph
|
x-min
|
x-max
|
y-min
|
y-max
|
1
|
Parameter data
|
0
|
6
|
0
|
25
|
2
|
Sample time
|
-1
|
|||
h. Parameter
data untuk karakteristik P-V pada percobaan 1 dan 2
No.
|
XY Graph
|
x-min
|
x-max
|
y-min
|
y-max
|
1
|
Parameter data
|
0
|
25
|
0
|
100
|
2
|
Sample time
|
-1
|
|||
i. Parameter
data untuk karakteristik V-P pada percobaan 3 dan 4
No.
|
XY Graph
|
x-min
|
x-max
|
y-min
|
y-max
|
1
|
Parameter data
|
0
|
6
|
0
|
100
|
2
|
Sample time
|
-1
|
|||
j. Parameter data untuk
solver option
No.
|
Solver Option
|
Configuration Parameter
|
1
|
Type
|
Variable-step
|
2
|
Max
step size
|
0.02
|
3
|
Solver
|
Discrete
(no continous states)
|
2.7 Analisa Data
1.7.1
Grafik
Grafik
PV power percobaan 1
Grafik
I – V karakteristik percobaan 1
Grafik
P-V power percobaan 2
Grafik
I – V karakteristik percobaan 2
Grafik
P – I power percobaan 1
Grafik V – I karakteristik percobaan 1
Grafik
pada P-I power percobaan 2
Grafik
pada V – I karakteristik percobaan 2
1.7.2
Pembahasan
Dicky Dharmawan
111910201105
Pada praktikum ini
kami mengetahui pengertian sel-sel surya. Sel-sel surya photovoltaic (PV) adalah semikonduktor
yang di desain untuk menyerap cahaya matahari dan mengkonversinya menjadi
listrik. Proses penyerapan
cahaya matahari menghasilkan pembawa-pembawa minoritas bebas, yang menentukan
arus sel surya. Pembawa ini terkumpul dan terpisah oleh junction dioda, yang menentukan tegangannya. Junction terdiri dari 2 jenis yaitu p-junction dan
n-junction. Foton-foton cahaya diserap oleh bahan semikonduktor
dan setiap foton yang diserap membangkitkan sepasang electron-hole. Pembawa-pembawa minoritas yang di bangkitkan
berdifusi ke junction dimana mereka
di tentukan oleh karakteristik junction-nya.
Pada proses
konversi energi radiasi cahaya matahari menjadi energi
listrik terjadi melalui beberapa tahapan. Tahapan yang pertama yaitu electron
yang berada pada lapisan atas panel atau pada lapisan silicon tipe p diberikan energi oleh energi foton
yag dipancarkan oleh matahari sebagai akibatnya electron yang tadinya diam menjadi bergerak karena mendapatkan
energi dari cahaya matahari. Kemudian electron
bergerak melewati junction menuju
lapisan silicon tipe n
dari silicon tipe n
elektron bergerak menuju bahan penghantar melewati penghantar,dari penghantar melewati beban dan kembali lagi ke silicon tipe p
kemudian ke junction dan mengalir ke silicon tipe p.
Siklus ini akan terus berlangsung selama
panel mendapatkan cahaya matahari.
Grafik
yang ditunjukkan pada percobaan pertama kali ini menunjukkan perbandingan
antara tegangan dengan arus, dimana arus berbanding terbalik dengan tegangan.
Pada percobaan pertama ini kita menggunakan modul PV1 dengan besarnya
illumination sebesar 200
lux,
400 lux,
600 lux
800 lux
1000 lux
dengan sampel
time 1 dan pada repaiting sequence di masukkan parameters dengan times values 0
1 2 dan output values-nya -0.5 25 -0.5. kemudian pada x-y graph kita masukkan
karakteristik I-V dengan data x-min=0, x-max=25, y-min=0, y-max=6, sample
time=-1. Untuk karakteristik PV masukkan parameter data x-min=0, x-max=25,
y-min=0, y-max=100, sample time=-1. Kemudian
klik menu simulation dan klik configurations parameter, masukkan parameter
data, dan terakhir klik start simulation, di dapatkan hasil simulasi kurva
karakteristik I-V dan P-V.
Gambar
rangkaian percobaan 1
Grafik. 1 P-V
power
Grafik.2
I-V characteristic
Dari grafik I-V di atas dapat diketahui bahwa arus
berbanding terbalik dengan tegangan, semakin besar arus yang mengalir
menyebabkan nilai tegangan semakin rendah. Sebaliknya jika nilai tegangannya
besar maka nilai arus yang mengalir akan menjadi rendah.
Selanjutnya pada grafik P-V menunjukkan bahwa
tegangan berbanding lurus dengan daya yang dihasilkan artinya semakin besar
daya yang dihasilkan maka tegangannya juga semakin besar, terbukti dengan
grafik yang mengalami kenaikan.
Kemudian pada
percobaan kedua kita mengganti besarnya illumination
sebesar 200 lux,345 lux,456
lux,689 lux,987 lux, untuk pengaturan data masih menggunakan peraturan yang
sama.
Lalu kemudian klik menu simulation dan klik configurations parameter, masukkan
parameter data, dan terakhir klik start simulation, di dapatkan hasil simulasi
kurva karakteristik I-V dan P-V.
Grafik.3 P-V power
Grafik 4 I-V characteristic
Gambar Rangkaian Percobaan kedua
Grafik
yang ditunjukkan pada percobaan kedua kali ini menunjukkan perbandingan
antara tegangan dengan arus, dimana arus berbanding terbalik dengan tegangan.
Pada percobaan pertama ini kita menggunakan modul PV2 dengan besarnya
illumination sebesar 200 lux,400
lux,600 lux, 800 lux, 1000 lux sesuai ukuran default yang terdapat pada modul
dengan sample time 1 dan pada repaiting sequence di masukkan parameters dengan
times values 0 1 2 dan output values-nya -0.5 25 -0.5. kemudian pada x-y graph
kita masukkan karakteristik I-V dengan data x-min=0, x-max=25, y-min=0,
y-max=6, sample time=-1. Untuk karakteristik PV masukkan parameter data
x-min=0, x-max=25, y-min=0, y-max=100, sample time=-1. Untuk I-V characteristic
diganti dengan I-V power, begitu pula sebaliknya, P-V power diganti dengan P-V
characteristic. Lalu kemudian klik menu simulation dan klik configurations
parameter, masukkan parameter data, dan terakhir klik start simulation, di
dapatkan hasil simulasi kurva karakteristik I-V dan P-V.
Grafik.1 P-I Power
Grafik.2
V-I karakteristik 2
Dari grafik I-V di atas dapat diketahui bahwa arus
berbanding lurus
dengan tegangan, semakin besar arus yang mengalir menyebabkan nilai tegangan
semakin besar.
Selanjutnya
pada grafik P-V menunjukkan bahwa tegangan berbanding lurus dengan daya yang
dihasilkan artinya semakin besar daya yang dihasilkan maka tegangannya juga
semakin besar, terbukti dengan grafik yang mengalami kenaikan. Grafik I-V dan
P-V untuk modul yang ke dua ini memiliki bentuk yang sama dengan grafik P-V
modul yang pertama, hal ini dikarenakan kita melakukan pertukaran tempat antara
letak I-V characteristic dengan I-V power.
Kemudian pada
percobaan kedua kita mengganti besarnya illumination
sebesar 297 lux, 453 lux,
567 lux, 789 lux, 987 lux, untuk pengaturan data masih menggunakan peraturan
yang sama. Lalu kemudian klik menu simulation dan klik
configurations parameter, masukkan parameter data, dan terakhir klik start
simulation, didapatkan grafik
seperti berikut ini.
Grafik.3 P-I Power
Grafik.4 V-I karakteristik
Dari grafik V-I di atas dapat diketahui bahwa arus
berbanding terbalik
dengan tegangan, semakin besar arus yang mengalir menyebabkan nilai tegangan
semakin kacil..
Grafik V-I
untuk modul yang ke dua ini memiliki bentuk yang sama dengan grafik P-V modul
yang pertama, hal ini dikarenakan kita melakukan pertukaran tempat antara letak
I-V characteristic dengan I-V power.
Kemudian pada grafik P-V menunjukkan bahwa tegangan
berbanding lurus dengan daya yang dihasilkan artinya semakin besar daya yang
dihasilkan maka tegangannya juga semakin besar, terbukti dengan grafik yang
mengalami kenaikan
Pada saat kondisi
open circuit arus yang terdapat pada modul surya adalah nol dan tegangannya
akan semakin besar.Dan pada saat short circuit tegangan dari modul surya akan
semakin mengecil,maka arus semakin besar.
Pengertian titik
daya maksimum adalah titik daya yang memiliki I maksimum dan V maksimum dari
proses kerja solar cell yang telah kita amati pada percobaan yang lalu.
Pengaruh radiasi sel surya terhadap arus, tegangan, dan daya adalah berbanding
lurus.semakin banyak sel surya menerima radiasi sinar matahari maka arus yang
semakin didapat semakin besar, tegangan semakin besar dan daya yang didapat
juga semakin besar.
Grafik pada
percobaan 3 dan 4 terdapat dua garis karena pada saat PV modul surya yang
merupakan output, intinya terjadi perbedaan tegangan dengan Vpv yang di klik
muncul hanya 5,2V dan PV2 modul sendiri setelah di klik mempunyai nilai sekitar
25 V terjadi perbedaan yang sangat tinggi dalam hasil keluarannya yang berupa
grafik dalam percobaan 3 dan 4 mempunyai 2 garis dan terjadi error.
2.8
Kesimpulan
1. Semakin
besar intensitas cahaya, maka tegangan, arus, dan daya akan semakin besar pula.
2. Nilai
tegangan yang terbesar yaitu pada saat nilai arus mendekati nol
(V open circuit).
3. Nilai
arus yang terbesar yaitu pada saat nilai tegangan mendekati nol
(I short circuit).
4. Apabila
besar intensitas cahaya diubah nilainya, maka jarak antar grafik akan berbeda.
5. Titik
daya maksimum terjadi apabila suatu nilai V dan I ditemukan dengan menarik
garis siku-siku pada nilai V dan I
6. Daya, tegangan, dsn arus berbanding lurus.
