1 Pendahuluan
Pembangunan terus dilakukan oleh pemerintah dan mengembangkan sumber energi listrik untuk memenuhi kebutuhan. Sebagai salah satu upaya untuk mendukung pengurangan emisi gas karbon efek rumah kaca, pembangunan sumber energi terbarukan sangat diperlukan dalam mendukung kegiatan tersebut. Presiden mengeluarkan Peraturan Presiden Nomor 112 tahun 2022 untuk mempercepat pengembangan energi terbarukan sebagai upaya memproduksi listrik di Indonesia. Berdasarkan data statistik energi dan ekonomi di Indonesia tahun 2021, Kapasitas pembangkit listrik Indonesia menurut Rencana Usaha Penyediaan Tenaga Listrik (RUPTL) 2021–2030 khususnya yang bersumber dari energi terbarukan pada tahun 2025 meningkat sebesar 21,11 GW dari yang sebelumnya pada tahun 2021 sebesar 11,23 GW [1]. Pada akhir 2021, China memimpin dunia dalam instalasi fotovoltaik dengan kapasitas terpasang lebih dari 253 GW, diikuti oleh Amerika Serikat, Jepang, Jerman, dan India. Teknologi PV telah berkembang pesat, menjadikannya sumber energi yang kompetitif dengan efisiensi hingga 30% dan biaya di bawah $0,50/W. Sejak 2001, produksi PV tumbuh pesat dengan tingkat pertumbuhan tahunan 40-90%, sementara harga sistem tenaga surya PV turun signifikan sebesar 40% antara 2001 dan 2017. Proyeksi menunjukkan konsumsi listrik global akan meningkat 2,4% per tahun hingga 2030[2].
Energi surya dapat menyumbang setengah dari pengurangan emisi hingga tahun 2030 dalam perjalanan menuju emisi bersih nol. International Renewable Energy Agency (IRENA) mengakui bahwa elektrifikasi dan efisiensi merupakan faktor utama yang mendorong transisi energi yang dimungkinkan oleh energi terbarukan berkelanjutan [3]. Untuk mengurangi dampak negatif yang disebabkan oleh bahan bakar fosil, berdasarkan perjanjian Paris yang bertujuan untuk membatasi kenaikkan suhu hingga 1.5°C diatas suhu di masa pra– industrialisasi. Sekarang, rencana untuk meningkatkan suplai energi baru terbarukan telah menjadi agenda global, termasuk penggunaan teknologi modul fotovoltaik [4]. Salah satu sumber energi bersih memiliki potensi dalam pengembangan secara global, termasuk di indonesia adalah energi matahari yang selalu tersedia dalam bentuk foton dapat diubah menjadi bentuk listrik dengan menggunakan alat yang bernama modul fotovoltaik (PV) [5].
Energi listrik adalah sumber energi yang paling banyak digunakan oleh manusia, dengan penggunaan yang beragam mulai dari industri hingga konsumsi rumah tangga. Modul fotovoltaik dapat menghasilkan energi listrik dari cahaya matahari serta efisiensinya dipengaruhi oleh suhu modul [6]. Panel surya akan berfungsi dengan efektif pada suhu optimal, yaitu sekitar 25ºC [7],[8]. Jika suhu modul surya meningkat melebihi batas normal, akan terjadi penurunan pada efektivitas sel surya. Selain itu, tegangan dan arus yang dihasilkan oleh modul surya dapat bervariasi, sesuai dengan perubahan intensitas cahaya matahari yang terpapar pada permukaan panel. Modul fotovoltaik hanya mengubah 11–24 % radiasi matahari menjadi listrik, dan yang tersisa diubah menjadi panas ini menghasilkan suhu sel fotovoltaik yang mencapai 40°C, lebih tinggi dari suhu lingkungan. Suhu tinggi ini memiliki efek pada modul fotovoltaik apakah itu dalam jangka pendek atau jangka panjang. Dalam jangka pendek, efisiensi fotovoltaik menurun, biasanya menjadi 0,4 % per °C. Dalam jangka panjang, tekanan termal siklik dapat menyebabkan kerusakan struktural pada sel fotovoltaik, yang mengurangi masa pakai fotovoltaik dengan mempercepat laju penuaan [9], [10], [11].
Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk mengurangi penurunan daya keluaran dan efisiensi listrik dari Modul fotovoltaik. Salah satu metodenya adalah dengan penerapan perangkat pendingin pada modul PV [12]. Perangkat pendingin ini digunakan untuk menurunkan suhu modul PV ketika modul tersebut menghadapi radiasi matahari yang lebih tinggi dan suhu lingkungan yang lebih tinggi. Hal ini dilakukan untuk memastikan bahwa modul PV dapat menghasilkan daya keluaran yang lebih tinggi saat suhu modul PV turun. Dalam konteks ini, sistem pendingin air merupakan salah satu jenis sistem pendingin untuk menghilangkan panas dari modul fotovoltaik [13].
Dalam penelitian ini, bagaimana distribusi panas pada modul PV menggunakan simulasi CFD yang dilengkapi dengan sistem pendingin air. Sistem tersebut berfungsi sebagai penukar panas dan diimplementasikan pada modul PV komersial. Tujuannya untuk melihat pengaruh variasi laju aliran air pada sistem pendinginan modul PV. Model tiga dimensi dari modul PV yang telah dibuat menggunakan ANSYS fluent. Performa termal dari kedua skenario modul PV tersebut dibandingkan dalam penelitian ini. Kontribusi dari paper ini adalah untuk menjawab tantangan melihat distribusi temperatur secara lebih menyeluruh yang bisa dilakukan secara komputasi menggunakan simulasi CFD.
2 Metodologi
Perangkat lunak Ansys Fluent 2024 R1 Student digunakan untuk membuat model geometri tiga dimensi dari modul PV. Model ini dibuat sesuai dengan spesifikasi modul PV polikristalin MS100-36 yang tersedia di pasaran, dengan daya puncak maksimum 100 Watt, seperti yang ditunjukan pada Tabel 1. Tampilan awal menu ANSYS Workbench, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1, dan Sketsa model geometri modul PV sebagaimana ditampilkan pada Gambar 2.
https://doi.org/10.5614/joki.2024.16.2.9 E-ISSN: 2460-6340
Tabel 1. Spesifikasi modul PV.
| Modul Surya | ||||
|---|---|---|---|---|
| Parameter | Spesifikasi | |||
| Daya maksimum Modul | 100 Wp | |||
| Tipe / Merk | MS100-36 / Maysun Solar | |||
| Voc/Isc | 23,18 V / 5,21 A | |||
| Vmp/Imp | 20,16 V / 4,97 A | |||
| Operating Temperature | –40°C + 85°C | |||
| Dimensi (mm) | 1020 x 670 x 35 mm | |||
Gambar 1. Tampilan awal menu ANSYS Workbench.
Gambar 2. Sketsa model geometri modul surya [14].
Setiap lapisan memiliki ketebalan yang berbeda dengan kapasitas panas spesifik yang berbeda, densitas serta konduktivitas termal seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, material dari masing-masing lapisan dalam model geometri modul PV tersebut.
Tabel 2. Data untuk ketebalan modul PV yang digunakan dalam proses pemodelan 3D.[15], [16], [17].
| Lapisan | Ketebalan (m) | Konduktivitas Termal (W/m K) | Kepadatan (kg/m3) | Kapasitas panas spesifik (J/kg K) |
|---|---|---|---|---|
| Metallic profil | 2 | 60.5 | 7850 | 434 |
| Glass | 0.003 | 2 | 3000 | 500 |
| Eva | 0.0005 | 0.35 | 960 | 2090 |
| Solar Cell | 0.003 | 148 | 2330 | 667 |
| Tedlar | 0.0005 | 0.2 | 1200 | 1250 |
ANSYS Fluent adalah salah satu perangkat lunak dinamika fluida komputasi (CFD) yang telah digunakan untuk studi simulasi ini. Dalam prosedur simulasi, langkah pertama adalah mendefinisikan sifat material dari setiap lapisan dalam modul PV di Data Teknik. Setelah itu, setiap lapisan panel PV dinamai dalam bagian geometri. ANSYS Mechanical digunakan untuk memecah model geometri menjadi elemen yang disebut sebagai proses meshing, seperti yang ditampilkan pada Gambar 2. Rekomendasi kualitas mesh secara umum yaitu skewness dan orthogonal yang disarankan untuk menjaga kualitas ortogonal minimum > 0,1, atau kemiringan minimum < 0,95. Namun, nilai-nilai ini mungkin berbeda tergantung pada fisik modul PV [10].
Spektrum metrik mesh kemiringan
| Bagus Sekali | Sangat Bagus | Bagus | Dapat diterima | Buruk | Tidak dapat diterima |
| 0 – 0.25 | 0.25 – 0.50 | 0.50 – 0.80 | 0.80 – 0.94 | 0.95 – 0.97 | 0.98 – 1.00 |
Spektrum metrik mesh kualitas ortogonal
| Tidak dapat diterima | Buruk | Dapat diterima | Bagus | Sangat Bagus | Bagus Sekali |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 – 0.001 | 0.001– 0.14 | 0.15 – 0.20 | 0.20 – 0.69 | 0.70 – 0.95 | 0.95 – 1.00 |
Gambar 3. Spektrum metrik mesh.
Data kondisi lingkungan diperoleh dari lokasi pengukuran menggunakan stasiun Cuaca DAVIS Vantage Pro2 yang terpasang di laboratorium manajemen energi ITB. Hari kondisi cuaca yang dipilih dalam penelitian dimulai tanggal 6 – 11 Mei 2024 dengan mengambil rata-rata iradiasi terhadap waktu untuk menyelidiki efek pendinginan pada kinerja modul PV. Simulasi dari model modul PV dimulai pukul 08:00 pagi hingga pukul 17:00 sore seperti yang ditampilkan di Gambar 4 mencatat bahwa iradiasi surya tertinggi pada hari itu adalah 863 W/m2 dan yang terendah adalah 61 W/m2, dengan rata-rata iradiasi surya sebesar 463 W/m2. Ini menjadikan hari tersebut ideal untuk mengevaluasi efek sistem pendinginan air pada performa modul PV.
Gambar 4. Grafik pengukuran cuaca iradiasi terhadap waktu.
Berdasarkan pada data aktual yang diambil di laboratorium manajemen energi, ITB. Data diambil dari pukul 8.00 pagi hingga 17.00 sore. Suhu lingkungan tertinggi dan iradiasi surya yang telah tercatat adalah 31,1°C dan 863 W/m2. Transfer panas konveksi dijelaskan sebagai transfer energi antara permukaan padat dan
fluida di sekitar permukaan tersebut [19]. Jika permukaan kaca (glass) berada pada suhu Ts, dan fluida (udara sekitar) memiliki suhu T∞ yang lebih rendah dari suhu permukaan, maka persamaan yang digunakan untuk menggambarkan transfer panas tersebut adalah sebagai berikut:
\[Q_{conv} = h. A_s (T_s - T_{\infty})\] (1)
Persamaan (1) dikenal sebagai hukum pendinginan Newton karena permukaannya didinginkan oleh fluida. Jika fluidanya panas dan memanaskan permukaan yang lebih dingin, maka persamaannya adalah sebagai berikut:
\[Q_{conv} = h. A_s (T_{\infty} - T_s)\] (2)
Persamaan (2) dikenal sebagai hukum pemanasan Newton. Dalam bentuk umum, hukum konveksi Newton dapat ditulis sebagai berikut:
\[Q_{conv} = h.A_s (\Delta T) \tag{3}\]
ΔT merepresentasikan selisih suhu antara bahan padat (glass) dan suhu rata-rata fluida di sekitarnya. Luas permukaan area A (m2) dan h menandakan koefisien transfer panas konvektif udara (W/m2·K).
3 Hasil dan Pembahasan
3.1 Hasil
Dalam penelitian ini, hasil simulasi modul PV didapatkan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys Fluent 2024 R1 Student, di mana kondisi cuaca dipilih dengan mengambil data iradiasi terhadap waktu untuk menyelidiki efek pendinginan pada kinerja modul PV. Simulasi dari pemodelan modul PV dimulai pukul 08:00 pagi hingga pukul 17:00 sore. Gambar 5 menunjukkan kondisi tunak termal iradiasi solar 463 W/m² dengan koefisien alami 5 W/m². K), dan modul PV mengalami suhu maksimum sebesar 83,712°C dan suhu minimum sebesar 39,508°C.
Gambar 5. Kondisi tunak termal.
Pengujian kemudian dilakukan pada kondisi fluent dengan mempertahankan geometri data teknis (engineering data) yang dilanjutkan pada tahap mesh dengan memperhatikan batas rekomendasi kualitas mesh secara umum yaitu kemiringan (skewness) dan kualitas orthogonal (orthogonal quality), dengan menjaga kualitas ortogonal sebesar 0.90, seperti yang terlihat pada Gambar 6. Jenis elemen heksahedral didapatkan pada lapisan-lapisan modul PV, sehingga keunggulan seperti waktu komputasi yang lebih rendah mampu dicapai karena jumlah elemen yang digunakan sebanyak 1385774 dengan kerapatan nodal 918310, lebih sedikit dibanding penggunaan jenis elemen lain seperti tetrahedral. Selain itu, kerapatan nodal dari elemen heksahedral juga dapat ditingkatkan pada bagian-bagian geometri yang melengkung dengan tetap memastikan hasil yang akurat.
Gambar 6. Modul PV di mesh menggunakan ANSYS.
Setelah itu, dilakukan penambahan kondisi batas ke model geometri. Kondisi batas konveksi diterapkan pada permukaan depan modul PV dengan sistem pendingin air. Untuk sistem pendingin air, kondisi batas inlet (biru) didefinisikan oleh kecepatan seragam yang diterapkan pada permukaan depan panel PV dan kondisi batas outlet (merah) diatur menjadi tekanan nol seperti yang ditampilkan pada Gambar 7. Jumlah iterasi pada simulasi dilakukan selama 9 jam atau 540 menit. Satu langkah waktu (time step) diatur untuk memiliki periode sebesar 5 menit, sehingga terdapat 108 kali langkah waktu. Dengan iterasi per satu langkah waktu adalah sebanyak 10 iterasi, maka total iterasi yang dibutuhkan adalah total langkah waktu dikali iterasi per satu langkah waktu, yaitu sebesar 1080 kali iterasi dengan nilai residual 0,001.
Gambar 7. Setup inlet dan outlet sistem pendingin air.
Selanjutnya, perilaku termal modul PV akan dipengaruhi oleh parameter operasi dari sistem pendingin air. Hasil simulasi kondisi fluent ini berfokus pada variasi laju aliran air dan suhu air masuk. Rentang suhu air masuk adalah dari 20°C hingga 30°C dengan interval 5°C dan kecepatan air masuk divariasikan sebesar 0,05, 0,1, dan 0,2 kg/s. Dalam Ansys Fluent, sensor temperatur ditempatkan di bagian belakang modul PV untuk mengukur distribusi suhu modul PV. Gambar 8 hingga Gambar 10 menunjukkan plot kontur distribusi suhu pada permukaan modul PV dengan berbagai laju aliran air pada suhu air masuk tertentu, dengan jangkauan temperatur untuk seluruh gambar kontur diatur konstan berkisar 20°–42°C.
(a) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 20°C (b) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 20°C, kecepatan laju aliran air 0.05 kg/s
(c) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 20°C (d) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 20°C kecepatan laju aliran air 0.1 kg/s
(e) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 20°C (f) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 20°C kecepatan laju aliran air 0.2 kg/s
Gambar 8. Distribusi suhu modul PV 20°C dan variasi laju aliran air masuk.
Berdasarkan Gambar 8 hingga Gambar 10, jelas ditunjukkan bahwa permukaan terdingin dari modul PV ditutupi oleh warna biru paling banyak pada suhu air masuk 20°C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Sementara modul PV yang dioperasikan pada suhu air masuk 30°C adalah yang terpanas, dengan permukaan modul PV yang ditutupi oleh warna orange kekuningan paling banyak, seperti yang ditampilkan pada Gambar 10. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa suhu air masuk yang lebih tinggi mentransfer lebih sedikit panas dari modul PV dibandingkan dengan suhu air masuk yang lebih rendah. Ini mengakibatkan suhu modul PV yang lebih tinggi. Dengan kata lain, semakin rendah suhu air masuk, semakin baik efek pendinginannya untuk modul PV. Dengan demikian, perbedaan kontur temperatur dari tiap-tiap variasi laju aliran massa air pendingin dan temperatur masukan air pendingin dapat terlihat dengan jelas akibat adanya perbedaan warna dari tiap-tiap kontur.
(e) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 25°C (f) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 25°C kecepatan laju aliran air 0.2 kg/s
Gambar 9. Distribusi suhu modul PV 25°C dan variasi laju aliran air masuk.
Perbandingan nilai temperatur maksimum modul PV terhadap variasi laju aliran air dan temperatur masukan air dapat dilihat pada Gambar 11. Nilai temperatur maksimum modul PV yang terendah dicapai ketika modul PV mengalami pendinginan dengan laju aliran sebesar 0,2 kg/s dan temperatur masukan air sebesar 20°C. Oleh karena itu, efek penyerapan panas pada modul PV dapat ditingkatkan tidak hanya dengan mengubah temperatur masukan air yang berperan sebagai fluida pendingin, namun juga dapat dilakukan dengan meningkatkan laju aliran air.
(a) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 30°C
(b) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 30°C, kecepatan laju aliran air 0.05 kg/s
(c) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 30°C
(d) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 30°C kecepatan laju aliran air 0.1 kg/s
(e) Distribusi suhu modul PV pada suhu air masuk 30°C
(f) Distribusi suhu modul PV dan air pada suhu air masuk 30°C kecepatan laju aliran air 0.2 kg/s
Gambar 10. Distribusi suhu modul PV 30°C dan variasi laju aliran air masuk.
Gambar 11. Temperatur maksimum modul PV
3.2 Diskusi
Dari pengujian simulasi dapat dikatakan bahwa dengan menggunakan data pengukuran iradiasi terhadap waktu beserta suhu udara pada kondisi alami, simulasi Ansys Fluent menunjukkan kinerja terbaik untuk distribusi termal pada modul PV dengan memvariasikan laju aliran air. Penggunaan simulasi ini memungkinkan nilai distribusi suhu termal dapat diperoleh langsung pada saat pengukuran. Mengingat besaran yang ingin diukur adalah iradiasi terhadap periode waktu maka metode fluent dipilih untuk melihat hasil pendinginan tersebut.
4 Kesimpulan
Model termal tiga dimensi dari modul PV tanpa dan dengan sistem pendingin air telah dianalisis menggunakan perangkat lunak Ansys Fluent 2024 R1 Student. Tujuan utama dari analisis simulasi ini adalah untuk melihat pengaruh variasi laju aliran air pada sistem pendinginan modul PV. Analisis simulasi ini telah memberikan kontribusi signifikan dalam sistem pendinginan pada modul PV. Dengan memperhatikan kondisi lingkungan dan operasional, distribusi suhu modul PV tanpa sistem pendingin lebih tinggi daripada modul PV dengan sistem pendingin air. Selain itu, sistem pendingin air juga telah dianalisis dalam pengaruh suhu air masuk terhadap kinerja efek pendinginan. Dapat disimpulkan bahwa suhu air masuk 20°C dengan laju aliran air 0,2 kg/s menghasilkan distribusi suhu yang lebih rendah dan merata pada modul PV. Dengan demikian, peningkatan laju aliran air dan penurunan suhu air masuk terbukti efektif dalam meningkatkan kinerja pendinginan modul fotovoltaik.
Ucapan Terima kasih
Penelitian ini dilakukan secara mandiri tanpa dibiayai oleh pihak lembaga atau institusi manapun.