Penggunaan Lensa Fresnel Dalam Panel Surya Sebagai Sumber Energi Terbarukan

Latar Belakang

Menurut ourworldindata.org, sumber energi yang diperoleh berasal dari 35.63% dari batubara, 22.48% dari gas bumi, 14.96% dari air, 9.18% dari nuklir, 7.32% dari udara, 4.57% dari matahari, 3.15% dari minyak bumi, 2.36% dari bioenergi, dan 0.34% dari energi terbarukan lainnya. Dari data tersebut diketahui bahwa sebagian besar, bahkan lebih dari 50% sumber energi yang digunakan masih tidak terbarukan. Masalah utama dari penggunaan energi berasal dari energi tidak terbarukan itu karena energi tidak terbarukan akan habis dan tidak bisa diisi kembali (https://education.nationalgeograprrhic.org/resource/non-renewable-energy/). Dan dari sebagian besar energi tidak terbarukan itu mengandung karbon yang berasal dari periode "Carboniferous" sekitar 360 juta sampai 300 juta tahun yang lalu. Penggunaan karbon ini menyebabkan akibat yang berdampak pada lingkungan yaitu adanya polusi pada air, udara, dan darat yang mengandung gas rumah kaca seperti karbon dioksida dan metana yang dapat meningkatkan suhu bumi dengan meningkatkan efek rumah kaca yang menahan energi matahari di atmosfer bumi seperti penggunaan selimut. Selain itu juga ada polusi udara lainnya seperti sulfur dan bahan kimia lainnya yang dapat menyebabkan hujan asam yang berdampak pada organisme lainnya (https://ijcrt.org/papers/IJCRT1133009.pdf). Untuk sekarang ini, walau energi surya bukan yang paling efektif dan bukan yang paling sering digunakan namun energi surya memiliki potensi energi yang paling tinggi dan dari data eia.gov di amerika serikat sendiri diprediksi akan bahwa energi solar akan memiliki produksi energi paling tinggi dibandingkan sumber energi lainnya.

Perhitungan dan Observasi

I. Secara Perhitungan

Jarak rata rata dari matahari ke bumi adalah sekitar 1.4661E+11m dan memiliki radius sekitar 6.9635E+8m dengan daya total sebanyak sekitar 2.8E+26W. Untuk mengetahui daya radiasi matahari maka perlu dihitung berapa daya yang sampai ke bumi per meter persegi menggunakan inverse square law. Pertama tama diperlukan area matahari yang diperlukan untuk sampai dibumi dengan ukuran 1 meter persegi.

Area Matahari = Area Bumi x [Radius Matahari / (Jarak Matahari dan bumi + Radius Matahari)]^2

Selanjutnya kita juga perlu menghitung area total matahari.

Area Total Matahari = 4π x Radius Matahari^2

Maka bisa didapatkan berapa daya per meter persegi di bumi.

Daya di Bumi = Daya Total Matahari x Area Matahari / Area Total Matahari

Dan didapatkan yaitu sekitar 1393.5764 watt per meter persegi yang baru merupakan potensial energi total yang bisa didapatkan dari matahari. Karena bumi memiliki atmosfer maka dari atmosfer itu bisa mengurangi daya total yang didapatkan dan juga bisa dipantulkan kembali ke angkasa melalui atmosfer maupun bumi. Menurut earthobservatory.nasa.gov, pada saat tegak lurus dengan bumi, cahaya yang datang dari matahari akan terpantulkan sekitar 29% dan diserap sekitar 23%. Untuk mendapatkan berapa persen yang hilang akibat dari faktor-faktor tersebut, hanya dibutuhkan rasio dari jarak dari atmosfer paling atas yaitu sekitar 10000km dengan permukaan dengan menghitung juga faktor sudut dari pagi, siang, dan sore dengan jarak yang tegak lurus dengan bumi yaitu pada siang hari jam 12 siang (Hanya menganggap bahwa bumi berputar tanpa sumbu perputaran bumi dan lebih mengacu pada area dekat ekuator bumi). Untuk menghitung rasionya dibutuhkan jarak dari bagian paling atas atmosfer dengan permukaan bumi terlebih dahulu.

Jarak Pada Sudut θ = sqrt(a^2+2ar+cos^2(θ)r^2)-rcos(θ)

Dimana a adalah ketebalan atmosfer dan r adalah radius bumi. Dan dari rumus tersebut didapatkan rasionya.

Rasio = [sqrt(a^2+2ar+cos^2(θ)r^2)-rcos(θ)] / [sqrt(a^2+2ar+cos^2(0)r^2)-rcos(0)] = [sqrt(a^2+2ar+cos^2(θ)r^2)-rcos(θ)] / a

Dan yang terakhir kita bisa langsung mencari berapa daya yang akan sampai ke solar panel maupun solar panel dan lensa fresnel dengan mengkalikan semua faktor yang telah diperhitungkan.

Daya yang diterima = (100% - 29% - 23%)^Rasio x Area Permukaan x Daya di Bumi per meter persegi x Efisiensi

Untuk efisiensi panel surya itu sendiri adalah sekitar 15% dan untuk lensa fresnel sekitar 51%. Dan dari rumus tersebut bisa langsung dimasukan untuk mendapatkan perkiraan daya yang diterima dengan solar panel ukuran 69mm x 110mm dengan area 0.00759 meter persegi dan lensa fresnel dengan ukuran 0.04165 meter persegi.

Maka diperoleh data perkiraan sebagai berikut:

• Tanpa Lensa Fresnel
  • Pada jam 12 siang: 0.761561652882 W
  • Pada jam 6 pagi dan 6 sore: 0.52471434546 W
• Dengan Lensa Fresnel
  • Pada jam 12 siang: 2.13131908428 W
  • Pada jam 6 pagi dan 6 sore: 1.46847421346 W

Dari perhitungan tersebut dapat disimpulkan bahwa dengan lensa fresnel akan ada kenaikan sekitar 180% dan daya yang diperoleh menjadi 2.8 kali lipat.

II. Secara Observasi

Dalam observasi, digunakan panel surya ZW110X69 dan lensa fresnel ukuran 170mm x 245mm. Karena keterbatasan biaya, maka observasi dilakukan secara indoor karena tipe panel surya yang dimiliki tidak bisa menahan suhu cahaya matahari yang tinggi. Di dalam observasi tersebut didapatkan data voltage dan amperage yang bisa dikalikan untuk mendapatkan daya. Dari tujuh kali observasi yang dilakukan dengan interval sekitar 10 menit didapatkan rata-rata voltage sekitar 2.3V dan rata-rata amperage sekitar 0.013A tanpa lensa fresnel dan dengan lensa fresnel sekitar 3.21V dan 0.024A. Maka didapatkan daya sekitar 0.03W tanpa lensa fresnel dan sekitar 0.073W dengan lensa fresnel. Dari percobaan indoor tersebut didapatkan peningkatan daya sekitar 143.5% maka daya yang diperoleh sekitar 2.435 kali lipat.

Masalah dan Solusi

I. Masalah

Dengan menggunakan lensa fresnel, timbul masalah baru yaitu peningkatan suhu drastis, terutama karena pemfokusan cahaya dari concentrator yaitu lensa fresnel.

Clean Energy Reviews, 2023

Dari grafik diatas diperlihatkan bahwa ada hubungan linear antara peningkatan suhu dan penurunan efisiensi dalam panel surya, maka dibutuhkan alat untuk menurunkan suhu tersebut agar panel surya bisa lebih efisien. 

II. Solusi

Solusi yang digunakan dalam masalah ini adalah menggunakan passive heatsink dan thermal paste. Passive heatsink seperti namanya tidak memiliki bagian yang bergerak dan bekerja dengan cara mentrasferkan panas dari panel surya ke passive heatsink, maka bentuknya bergerigi untuk memaksimalkan area pelepasan panas ke udara. Sedangkan thermal paste meningkatkan dan melancarkan konduksi antara panel surya dan passive heatsink. Maka jika digabungkan dapat mengurangi suhu panel surya lebih cepat dan lebih kuat.

Dari data observasi dengan menggunakan kombinasi panel surya, lensa fresnel, passive heatsink, dan thermal paste didapatkan data sebagai berikut: (Data terdiri dari 6 temperatur yang diambil pada menit 0, 1, 2, 3, 4, dan 5 sejak diletakan dibawah matahari pada jam 12 siang dalam derajat celcius)

• panel surya dan lensa fresnel: 35, 47, 54.7, 58.4, 60.8, 62.2
• panel surya, lensa fresnel, dan passive heatsink: 35, 47.3, 55.1, 57, 58.8, 59.2
• panel surya, lensa fresnel, passive heatsink, dan thermal paste: 35, 39.6, 41.4, 42.4, 43.5, 44

Maka dengan menambahkan passive heatsink dan thermal paste, daya yang diperoleh akan meningkat sekitar 4.967% s/d 8.2767%.