4

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang berkaitan dengan tugas akhir yang dibuat,

antara lain sel surya, maximum power point tracking, buck and boost converter, dan baterai lead-

acid.

2.1. Sel Surya

Sel surya merupakan peralatan elektronik yang mampu mengubah energi cahaya matahari

menjadi energi listrik. Sedangkan panel surya merupakan gabungan dari beberapa modul yang

tersusun dari beberapa sel surya. Sel surya terbuat dari bahan-bahan seperti monocrystalline

silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, kadmium telurida, dan tembaga indium galium

selenida [1].

2.1.1. Prinsip Kerja Sel Surya

Sel surya bekerja berdasarkan efek fotovoltaik, yaitu munculnya tegangan pada sebuah

material dikarenakan terkena cahaya yang memiliki frekuensi di atas ambang batas frekuensi

materi tersebut [2][3]. Energi yang dihasilkan memiliki persamaan :

∆𝐸 = ℎ(𝑣 − 𝑣0) (2.1.)

dengan

E = energi foton (Joule)

h = konstanta Planck (6,625 × 10-34 Joule.detik)

v = frekuensi cahaya

v0 = frekuensi ambang logam

Secara sederhana, cara kerja sel surya adalah sebagai berikut [1][2]:

1. Energi dari cahaya matahari, dalam hal ini adalah foton (energi yang terdapat dalam cahaya,

dikemukakan oleh Albert Einstein, pada 1905), mengenai permukaan sel surya.

2. Foton dengan energi yang kurang energi ambang dari material sel surya akan dilewatkan,

sedangkan foton dengan energi yang sama atau lebih akan diserap.

3. Energi dari elektron kemudian meningkat dan menyebabkan perpindahan elektron dari

tingkat energi rendah ke tingkat energi tinggi.

5

4. Hal ini menyebabkan terbentuknya hole pada tempat elektron sebelumnya dan akhirnya

terbentuk pasangan elektron-hole.

5. Karena sel surya merupakan p-n junction dan di antara lapisan p serta lapisan n diberi

membran semipermeabel, maka elektron yang telah berpindah tingkat energinya tidak dapat

kembali ke tempat semula.

6. Dengan hal tersebut, maka terdapat perbedaan potensial. Dengan pemasangan rangkaian

eksternal, maka elektron akan mengalir ke tempatnya semula, hal ini menimbulkan

terbentuknya arus dan tegangan pada sel surya.

2.1.2. Rangkaian Ekuivalen dari Sel Surya

Sel surya dapat diganti dengan rangkain yang ekuivalen untuk memudahkan dalam analisis.

Berikut adalah rangkaian yang ekuivalen dengan sel surya :

Gambar 2.1. Rangkaian ekuivalen sel surya

Dari rangkaian di atas, maka akan di dapat persamaan :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 (𝑒𝑞(𝑉𝑑+𝐼𝑅𝑠)

𝑛𝑘𝑇 − 1) −𝑉+𝐼𝑅𝑠

𝑅𝑠ℎ (2.2)

dengan

IL = arus hubung singkat (A)

I0 = arus reverse saturation dioda (A)

q = muatan elektron (1,602 × 10-19 C)

Vd = tegangan dioda (V)

k = konstanta Boltzmann (8,617 × 10-5 eV/K atau 1,381 × 10-23 J/K)

T = suhu sel surya (K)

n = faktor idealitas dioda

Rs = hambatan seri (Ω)

Rsh = hambatan shunt (Ω)

6

2.1.3. Karakteristik Sel Surya

Gambar 2.2. Grafik keluaran V terhadap I pada sel surya [4]

Dari grafik keluaran sel surya di atas, dapat dilihat bahwa sel surya memiliki beberapa hal

penting, yaitu short circuit current (Isc), open circuit voltage (Voc), dan titik daya maksimal. Isc

adalah arus yang mengalir melewati sel surya saat tegangan yang mengalir melewatinya adalah

nol. Sedangkan Voc adalah tegangan yang mengalir melewati sel surya saat arus yang mengalir

melewatinya adalah nol. Kedua hal ini merupakan titik maksimal dari keluaran sel surya.

Sedangkan titik daya maksimal adalah titik di mana keluaran sel surya (tegangan dan arus) yang

dihasilkan menghasilkan daya tertinggi, arus dan tegangan pada titik ini adalah Imp dan Vmp.

Perbandingan antara Voc dan Isc dengan Vmp dan Imp disebut sebagai fill factor (FF). FF ini

digunakan untuk mengukur kualitas dari sebuah sel surya. Sedangkan efisiensi dari sel surya dapat

dituliskan dengan persamaan [5][6]:

𝜂 =𝑉𝑚𝑝×𝐼𝑚𝑝

𝑉𝑜𝑐×𝐼𝑠𝑐 (2.3)

dengan

η = efisiensi sel surya (%)

2.1.4. Jenis-Jenis Sel Surya

7

Dalam perkembangannya, sel surya terbuat dan tersusun dari berbagai macam bahan, yang

kemudian dapat dikelompokkan menjadi generasi pertama, kedua, dan ketiga [7]. Generasi

pertama disebut sebagai sel surya tradisional, terbuat dari crystalline silicon yang di dalamnya ada

polycrystalline silicon dan monocrystalline silicon. Generasi kedua merupakan thin film solar cell.

Yang merupakan sel surya generasi kedua adalah amorphous silicon, CdTe, dan CIGS. Generasi

ketiga sebagian merupakan thin film solar cell yang belum dipublikasikan dan sebagiannya

merupakan sel surya yang terbuat dari materi organik yang masih dalam penelitian dan

pengembangan. Berikut adalah penjelasan dari beberapa jenis sel surya [6] [7]:

2.1.4.1. Monocrystalline Silicon Solar Cell

Monocrystalline silicon biasa disebut silikon kristal tunggal, Si kristal tunggal, mono c-

Si, atau mono-Si. Selain digunakan untuk sel surya, silikon jenis ini banyak digunakan dalam

peralatan elektronik untuk chip. Sel surya jenis ini dibuat dari silikon yang setiap kisinya tidak

terputus dan bentuknya seragam. Pembuatan dari sel surya ini menggunakan silikon murni maupun

didoping.

Gambar 2.3. Panel surya Mono-Si [8]

2.1.4.2. Polycrystalline Silicon Solar Cell

Polycrystalline silicon atau polysilicon atau poly-Si, memiliki tingkat kemurnian silikon

yang cukup tinggi. Kristal yang terbentuk adalah polikristal dan proses pemurniannya dengan

proses Siemens. Bentuk dari kristal sel surya jenis ini acak, arahnya tidak teratur, dan ukurannya

tidak seragam.

8

Gambar 2.4. Panel surya Poli-Si [9]

2.1.4.3. Amorphous Silicon Solar Cell

Amorphous silicon (a-Si) merupakan wujud non-kristal dari silikon. Jenis silikon ini

banyak digunakan dan dikembangkan untuk sel surya jenis thin film. Sel surya ini dibuat dengan

mengendapkan silikon sehingga membentuk lapisan yang tipis, sekitar 1 mikrometer. Endapan

silikon ini dapat dibuat dengan suhu rendah, sekitar 75°C.

Gambar 2.5. Lapisan sel surya a-Si [10]

9

Gambar 2.6. Panel surya a-Si [11]

2.1.4.4. Cadmium Telluride (CdTe)

Sel surya jenis ini tidak dibuat dengan silikon, melainkan kadmium telurida. Walaupun

kadmium merupakan bahan yang sangat beracun, akan tetapi kadmium telurida tidak terlalu

beracun seperti kadmium. Memiliki keunggulan biaya pembuatan lebih rendah dibanding dengan

silikon dalam tingkat sistem multi kilowatt.

10

Gambar 2.7. Lapisan sel surya CdTe [12]

Gambar 2.8. Panel surya CdTe [13]

2.1.4.5. Copper Indium Gallium Selenide (CIGS)

CIGS atau CI(G)S atau CIS adalah sel surya yang dibuat dengan mengendapkan lapisan

tipis dari tembaga, indium, galium, dan selenida pada kaca, logam, maupun plastik dengan

elektroda pada bagian depan dan belakangnya. Sel surya ini memiliki keuntungan ringan dan

fleksibel.

11

Gambar 2.9. Panel surya CIGS [14]

2.2. Maximum Power Point Tracking

Maximum power point tracking (MPPT) merupakan cara yang digunakan untuk

memaksimalkan energi keluaran dari sumber daya listrik, seperti panel surya. MPPT diperlukan

dalam panel surya karena keluaran dari panel surya tidaklah linear. Hal ini disebabkan oleh adanya

perubahan intensitas cahaya matahari dan suhu yang tidak tetap tiap saatnya [6].

Cara kerja dari MPPT adalah mencari titik kerja maksimal dan mempertahankan

keluarannya agar bekerja di titik maksimal tersebut. Terdapat 19 metode MPPT dengan metode

yang berbeda untuk memaksimalkan daya keluaran. Metode-metode itu antara lain [15]:

Tabel 2.1. Metode-Metode MPPT Beserta Kriterianya

MPPT Methods PV Array

Dependent?

True

MPPT?

Analog

or

Digital?

Periodic

Tuning

Convergence

Speed

Implementation

Complexity

Sensed

Parameter

P&O No Yes Both No Varies Low Voltage,

Current

IncCond No Yes Digital No Varies Medium Voltage,

Current

Fractional Voc Yes No Both Yes Medium Low Voltage

Fractional Isc Yes No Both Yes Medium Medium Current

Fuzzy Logic

Control Yes Yes Digital Yes Fast High Varies

Neural Network Yes Yes Digital Yes Fast High Varies

RCC No Yes Analog No Fast Low Voltage,

Current

Current Sweep Yes Yes Digital Yes Slow High Voltage,

Current

DC Link Capacitor

Droop Control No No Both No Medium Low Voltage

Load I or V

Maximization No No Analog No Fast Low

Voltage,

Current

dP/dV or dP/dI

Feedback Control No Yes Digital No Fast Medium

Voltage,

Current

Array

Reconfiguration Yes No Digital Yes Slow High

Voltage,

Current

Linear Current

Control Yes No Digital Yes Fast Medium Irradiance

Impp & Vmpp

Computation Yes Yes Digital Yes N/A Medium

Irradiance,

Temperature

State-based MPPT Yes Yes Both Yes Fast High Voltage,

Current

OCC MPPT Yes No Both Yes Fast Medium Current

BFV Yes No Both Yes N/A Low None

LRCM Yes No Digital No N/A High Voltage,

Current

Slide Control No Yes Digital No Fast Medium Voltage,

Current

14

Pada tugas akhir ini digunakan MPPT metode perturb and observe (P&O). Metode

ini sering digunakan karena tingkat kekompleksan algoritma yang rendah, sehingga

memudahkan dalam penerapannya. Akan tetapi, metode ini juga memiliki kekurangan,

yaitu dapat dengan mudahnya kehilangan jejak titik maksimum saat perubahan dari

penyinaran berganti-ganti dengan cepat. Hal ini dikarenakan ketika terjadi perubahan

sinar matahari secara cepat, P&O berosilasi di sekitar daerah MPP. Sebelum menemukan

MPP, P&O akan selalu berpindah-pindah di sekitar titik MPP. Hal ini mengurangi

efisiensi dari algoritma P&O [16][17]. Metode ini menggunakan perubahan data dari

tegangan dan daya dari panel surya. Kemudian, perubahan tegangan dan daya yang

dihasilkan untuk mengubah tegangan referensi (hal ini dinamakan perturbation). Berikut

adalah tabel perubahan dari perturbation dan daya.

Tabel 2.2. Data Perubahan Perturbation dan Daya

Perturbation Perubahan Daya Perturbation Selanjutnya

Positif Positif Positif

Positif Negatif Negatif

Negatif Positif Negatif

Negatif Negatif Positif

Dari tabel di atas, dapat diketahui bahwa saat perubahan tegangan dan dayanya

positif, maka perturbation selanjutnya juga positif. Hal ini menunjukkan daya pada saat

tersebut masih belum maksimal, sehingga diperlukan penambahan pada tegangan

referensi untuk menambah dayanya. Kemudian, pada saat perubahan tegangannya positif,

sedangkan perubahan dayanya negatif, maka perturbation selanjutnya adalah negatif. Hal

ini dikarenakan daya maksimal sudah dilewati, sehingga diperlukan penurunan tegangan

referensi guna meningkatkan daya ke titik maksimalnya. Selanjutnya, ketika perubahan

tegangannya negatif, akan tetapi perubahan dayanya positif, hal ini menunjukkan daya

maksimal sudah dilewati. Oleh sebab itu, diperlukan perturbation negatif untuk kembali

ke titik maksimalnya. Ketika perubahan tegangan dan dayanya negatif, perturbation

selanjutnya adalah positif. Hal ini ditujukan untuk meningkatkan daya yang mengalami

penurunan dari titik maksimalnya. Dari keterangan tersebut, akan didapat diagram alir

sebagai berikut :

15

MULAI

Po = 0

Vo = 0

Ambil data

Vsp dan Isp

Psp = Vsp *

Isp

ΔP = 0?

ΔP > 0?

ΔV > 0?ΔV > 0?

YA

TIDAK

YATIDAK

Naikkan

tegangan

referensi

Turunkan

tegangan

referensi

TIDAKYA

YATIDAK

Gambar 2.10. Diagram alir algoritma MPPT-P&O

2.3. Buck and Boost Converter

Buck and boost converter merupakan konverter tegangan DC ke DC yang dapat

mengubah tegangan sumber menjadi lebih tinggi (boost) maupun lebih rendah (buck).

Buck and boost converter merupakan konverter bertipe SMPS (switching-mode power

supply), yaitu power supply yang menggunakan pengaturan penyaklaran untuk mengubah

daya secara lebih efisien. Dalam tugas akhir ini digunakan LM2577 dan LM2596 sebagai

buck and boost converter. Kedua IC ini bekerja dengan prinsip yang sama, yaitu dengan

penyaklaran pada bagian dalam IC dengan frekuensi yang berbeda-beda. Ditambah

dengan komponen eksternal, maka akan didapat keluaran yang dapat disesuaikan. Berikut

16

adalah perhitungan untuk menentukan komponen eksternal dari LM2577 dan LM2596

[18][19]:

2.3.1. Boost Converter, LM2577

LM2577 adalah boost converter dengan osilator 52 kHz sebagai frekuensi

penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan :

Gambar 2.11. IC LM2577 [20]

Gambar 2.12. Rangkaian boost converter dengan IC LM2577 [18]

2.3.1.1. Penentuan arus beban maksimal, Iload,max

Batasan dari arus beban yang dapat diterima oleh LM2577 adalah

Iload,max ≤2,1A ×Vin,min

Vout (2.3)

dengan syarat

Vout ≤ 60 V

Vout ≤ 10 × Vin,min

17

2.3.1.2. Induktansi, L

Untuk mencari nilai L, pertama kali tentukan nilai maksimum dari duty cycle.

Dmax =Vout+Vf−Vin,min

Vout+Vf−0,6 V (2.4)

dengan

Vf = 0,5 V untuk dioda Schottky dan 0,8 V untuk lainnya

Selanjutnya, cari kode L dari perpotongan nilai E·T dan Iind,DC.

E ∙ T =Dmax×(Vin,min−0,6 V)×106

52000Hz V ∙ μs (2.5)

Iind,DC =1,05×Iload,max

1−Dmax (2.6)

Gambar 2.13. Grafik untuk mencari kode induktor [18]

Jika nilai Dmax < 0,85, maka dari kode dapat dicari nilai L dengan tabel :

18

Tabel 2.3. Kode Induktor

Jika Dmax ≥ 0,85, maka nilai L minimal dicari dengan :

Lmin =6,4.(Vin,min−0,6 V).(2.Dmax−1)

1−DmaxμH (2.7)

2.3.1.3. Rc, Cc, dan Cout

Besarnya nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ dan dapat dihitung dengan :

Rc ≤750×Iload,max×Vout

2

Vin,min2 (2.8)

Nilai minimum Cout didapat dari hasil tertinggi antara :

Cout ≥0,19×L×Rc×Iload,max

Vin,min×Vout (2.9)

dan

Cout ≥Vin,min×Rc×(Vin,min+𝐿×3,74×105)

487800×Vout3 (2.10)

Nilai Cc didapat dengan :

Cc ≥58,5×Vout

2×Cout

Rc2×Vin,min

(2.11)

Agar saat sirkuit dapat mulai dengan baik, diperlukan Cc ≥ 0,22 µF.

2.3.1.4. R1 dan R2

Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari boost converter.

Vout = Vref (1 +R1

R2) (2.12)

dengan

Vref = 1,23 V

19

2.3.1.5. Dioda, D

Nilai dioda didapat dari tabel :

Tabel 2.4. Jenis Dioda

2.3.2. Buck Converter, LM2596

LM2596 adalah buck converter dengan osilator 150 kHz sebagai frekuensi

penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan :

Gambar 2.14. IC LM2596 [21]

20

Gambar 2.15. Rangkaian buck converter dengan IC LM2596 [19]

2.3.2.1. R1 dan R2

Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari buck converter.

Vout = Vref (1 +R2

R1) (2.13)

dengan

Vref = 1,23 V

2.3.2.2. Induktansi, L

Untuk mencari nilai L, pertama kali dihitung nilai Volt·microseconds dengan

persamaan :

E ∙ T = (Vin − Vout − Vsat) ∙Vout+Vd

Vin−Vsat+Vd∙

1000

150 kHz(V ∙ μs) (2.14)

dengan

Vsat = 1,16 V

Vd = 0,5 V

Setelah nilai Volt·microseconds didapat dan arus beban maksimal ditentukan, maka

kode induktor dapat ditentukan dengan :

21

Gambar 2.16. Grafik untuk mencari kode induktor [19]

Setelah kode induktor ditemukan, maka nilai induktor dapat diketahui dengan :

Tabel 2.5. Kode Induktor

22

2.3.2.3. Kapasitor keluaran, Cout

Kapasitor keluaran dapat diketahui dari tabel berikut :

Tabel 2.6. Nilai Kapasitor Keluaran

Kapasitas tegangan dari kapasitor minimal adalah 1,5 kali dari tegangan keluaran

buck converter. Selain itu, peletakan kapasitor ini harus dekat dengan IC.

2.3.2.4. Kapasitor feedforward, Cff

Nilai Cff dapat dilihat dari Tabel 2.6.

2.3.2.5. Dioda, D

Untuk mencari dioda yang tepat, pertama arus yang mampu dilewatkan dioda

memiliki besar minimal 1,3 kali arus beban, kedua tegangan balik dioda minimal 1,25

kali dari tegangan maksimal masukan. Peletakan dioda juga harus dekat dengan IC.

Berikut adalah tabel jenis dioda yang dapat digunakan :

Tabel 2.7. Jenis Dioda

23

2.3.2.6. Kapasitor masukan, Cin

Kapasitor yang digunakan untuk masukan adalah kapasitor dengan tegangan

kapasitor minimal 1,5 kali tegangan masukan dan arus 0,5 kali arus beban. Setelah itu,

besarnya kapasitor dapat dicari dengan melihat Gambar 2.17.

Gambar 2.17. Grafik untuk mencari besarnya kapasitor masukan

2.4. Baterai Lead-Acid

Baterai adalah peralatan yang mampu mengubah energi kimia menjadi energi

listrik. Baterai terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu anoda, katoda, dan elektrolit. Anoda

merupakan kutub negatif dari baterai yang memberi elektron ketika terhubung dengan

rangkaian eksternal. Katoda merupakan kutub positif dari baterai yang menerima elektron

ketika terhubung dengan rangkaian eksternal. Sedangkan elektrolit merupakan

penghantar antara katoda dan anoda saat ion terbentuk [22].

Secara umum, baterai dibedakan berdasar kemampuannya untuk diisi ulang secara

elektrik. Terdapat dua jenis baterai baterai, yaitu baterai primer dan sekunder. Baterai

primer merupakan baterai yang tidak dapat diisi ulang ketika sudah tidak dapat

24

menghasilkan energi listrik. Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang ketika sudah

tidak dapat menghasilkan listrik [22][23].

Baterai lead-acid merupakan jenis baterai sekunder. Listrik dari baterai lead-acid

dihasilkan dari reaksi kimia [23]:

Elektoda Positif ∶ 𝑃𝑏𝑂2 + 𝐻2𝑆𝑂4 + 2𝐻+ + 2𝑒− → 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 (2.15)

Elektoda Negatif ∶ 𝑃𝑏 + 𝐻2𝑆𝑂4 → 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻+ + 2𝑒− (2.16)

Reaksi Total ∶ 𝑃𝑏𝑂2 + 𝑃𝑏 + 2𝐻2𝑆𝑂4 → 2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 (2.17)

Ketika proses pengisian berlangsung, konsentrasi asam sulfat meningkat dan

konsentrasi maksimalnya adalah saat baterai terisi penuh. Sedangkan pada proses

pengosongan, hal sebaliknya berlangsung. Metode pengisian dari baterai lead-acid adalah

menggunakan tegangan 2,3 volt hingga 2,4 volt untuk tiap selnya [22].