## ANALISIS KINERJA PENDINGINAN PASIF PADA PANEL SURYA MENGGUNAKAN PHASE CHAGE MATERIAL PARAFIN PADA BACK SHEET ALUMUNIUM
Andri Haris Setiawan 1 , Suyanto 2 , Ruri Agung Wahyuono 3 1,2,3 Departemen Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya,Indonesia Email : andriharissetiawan@gmail.com, suyanto@ep.its.ac.id, r_agung_w@ep.its.ac.id

## ABSTRAK
Kata kunci: Parafin, Pendinginan pasif Effisiensi  daya  yang  dihasilkan  panel  surya  akan  turun  seiring  dengan peningkatan  temperature  diatas  temperature standart  test  conditions pada permukaan  panel  surya.  Penurunan  akan  mencapai  0,45  %  tiap  kenaikan  1 0 C. Pendinginan diperlukan untuk mencegah kenaikan temperature yang drastis pada permukaan panel surya. Pendinginan pasif  menggunakan phase change material sering digunakan dalam upaya menjaga temperature panel surya agar tidak tidak terlalu  tinggi.      Berdasarkan  latar  belakang  tersebut,  pada  penelitian  bertujuan untuk  menganalisis  pengaruh phase  change  material parafin  pada backshee t alumunium  terhadap  penurunan  temperature  dan  peningkatan  output  daya keluaran  panel  surya. Dalam  penelitian  ini,  pengambilan  data  menggunakan metode  eksperimen  secara  langsung  dengan  analisa  data  menggunakan  model kuantitatif  dan  kualitatif.  Hasil  penelitian  menunjukan  bahwa phase  change material parafin yang diletakan pada backsheet alumunium dapat  menurunkan temperature panel surya sebesar  2.07 % dan meningkatan output daya keluaran dari panel surya sebesar 1.85 %.
ABSTRACT Keywords: Parafin, passive cooling The  efficiency  of  the  power  generated  by  the  solar  panel  will  decrease  as  the temperature  increases  above  the  standart  test  conditions  temperature  on  the surface of the solar panel. The decrease will reach 0.45% for every 1 0 C increase. Cooling is required to prevent a drastic increase in temperature on the surface of the solar panel. Passive cooling using phase change materials is often used in an effort to keep the temperature of solar panels from getting too high. Based on this background, this study aims to analyze the effect of phase change paraffin material on an alumunium backsheet decreasing temperature and increasing the output  power  of  solar  panels.  In  this  study,  data  collection  used  direct experimental  methods  with  data  analysis  using  quantitative  and  qualitative models. The results showed that the paraffin phase change material placed on an aluminum backsheet can reduce the temperature of the solar panel by 2.07% and increase the power output of the solar panel by 1.85%.

## PENDAHULUAN
Studi  penelitian  membuktikan  bahwa  kinerja  modul Photovoltaic (PV)  secara  intensif tergantung  pada  temperature  permukaannya  (Al-Waeli  et  al.,  2020).  Hanya  sebagian  kecil  dari sinar matahari yang mengenai  permukaan PV (4-15%) yang diubah menjadi  listrik  dan sisanya akan diserap dan berubah menjadi energi panas.  Hal ini menyebabkan peningkatan temperature panel  surya  dan  penurunan  tegangan  sirkuit  terbuka  (Voc)  dan  akibatnya  dapat  mengurangi
efisiensi listrik pada PV (Naghdbishi et al., 2020). Nilai temperature  maksimum pengoperasian PV  pernah tercatat sebesar 75 0 C di Libya selatan yang menyebabkan penurunan daya sebesar 69% (Nassar & Salem, 2007). (T.T. Chow, J.W. Hand, 2013)  menunjukkan bahwa peningkatan temperature  sebesar  10 0 C  pada  permukaan  panel  PV  menyebabkan  penurunan  efisiensi  listrik sebesar 5%. Effisiensi daya yang dihasilkan akan turun seiring dengan peningkatan temperature pada permukaan  PV, penurunan akan mencapai 0,45 % tiap kenaikan 1 0 C pada permukaan PV (Skoplaki & Palyvos, 2009).
Rekayasa  termal  permukaan  PV  sangat  penting  dilakukan  untuk  menjaga  temperature permukaan  PV  agar  tidak  terlalu  tinggi  dan  dikondisikan  selalu  mendekati  ttitik  temperature standard test condition yaitu sebesar 25 0 C agar effisiennya maksimal (Maghrabie et al., 2021). Strategi  pendinginan  yang  mengurangi  beban  termal  juga  telah  terbukti  efektif  dalam meningkatkan umur PV (Lupu et al., 2018). Banyak peneliti di seluruh dunia sedang mengerjakan penelitian  terkait  manajemen  termal  PV,  tidak  hanya  untuk  meningkatkan  efisiensi  konversi fotolistrik tetapi juga untuk meningkatkan masa kerja modul PV yang dapat terpengaruh secara negatif karena temperature tinggi (Bahaidarah et al., 2016). Berbagai teknik pendinginan aktif dan pasif  telah  diadopsi  untuk  menghilangkan  kelebihan  panas  dari  permukaan  PV.  Pendinginan modul  PV  dengan  memanfaatkan phase  change  material (PCM)  adalah  salah  satu  teknik  pasif yang telah menarik banyak peneliti dalam beberapa tahun terakhir. Penyerapan panas dari bagian belakang modul PV dengan PCM adalah teknik yang mudah dan murah untuk mempertahankan temperature PV mendekati temperature standard test condition dan menjaga kapasitas produksi listrik pada tingkat yang diinginkan (Xu et al., 2020)v.
PCM  menyerap  sejumlah  besar  kalor  (sebagai  kalor  laten)  pada  transisi  perubahan  fase. Pendinginan  PV  menggunakan  prinsip  panas  laten  banyak  digunakan  karena  kemampuan menyerap  kalor    yang  cukup  besar  pada  temperature  hampir  konstan.  (Du  et  al.,  2018)  Pada prosesnya  PCM  akan  menerima  panas  dari  panel  surya  untuk  menaikkan  temperature.  Ketika temperature  PCM  sampai  pada  titik  perubahan  fasenya,  penyerapan  panas  tetap  berlangsung namun tidak menimb
ulkan kenaikan temperature kembali karena energinya digunakan untuk merubah wujud zat dari PCM.  PCM berdasarkan temperaturenya yaitu rentang temperature rendah (-20 0 C – 5 0 C), rentang temperature medium-rendah (5 0 C - 40 0 C), rentang temparatur medium (20 0 C - 80 0 C) dan rentang  temperature  tinggi  (80 0 C  -  200 0 C).  Untuk  aplikasi  pendingin,  PCM  yang  digunakan sebagian besar berada pada rentang temperature medium-rendah (Du et al., 2018).
Studi tentang penggunaan PCM sebagai pendinginan pasif sistem PV sebagian besar telah menarik perhatian para ilmuwan sejak  tahun 2010. Banyak penelitian telah membuktikan bahwa PCM  yang  digunakan  sebagai  pendinginan  mampu  menurunkan  temperature  permukaan  PV sekaligus meningkatkan effisiensi output dayanya. Dalam penelitian yang dilakukan oleh (Li  et al.,  2019),  PCM  digunakan  dan  dipasang  di  bagian  belakang  modul  PV  untuk  menyerap  panas berlebih dari modul PV dan terbukti meningkatkan output listrik dari modul PV sebesar 5,18%. (Anna et al, 2015) menggambarkan bahwa kehadiran PCM sebagai pendingin di bagian belakang modul PV dapat secara efektif meningkatkan pembangkitan listrik dan menurunkan temperature rata-rata  sekitar  20 0 C.  Banyak  penelitian  pendinginan  PV  menggunakan  PCM  telah  dilakukan, baik menggunakan PCM organic maupun anorganik (Rezvanpour et al, 2020).
PCM  Anorganik  biasanya  memiliki  harga  yang  lebih  mahal  dibandingkan  PCM  organic. Sehingga  dalam  kebanyakan  kasus,  para  ahli  lebih  memilih  menggunakan  PCM  organik,  salah
satunya  yang  paling  sering  digunakan  adalah  parafin.  Parafin  sering  digunakan  untuk  sebagai media  pendingin  karena  termasuk  material  yang  mudah  didapatkan  dan  memiliki  harga  yang rendah.  Parafin  memiliki  kekurangan,  yaitu  rendahnya  konduktivitas  termal  yang  hanya  sekitar 0.2 W/m . K, maka untuk mempercepat laju perpindahan panas, peneliti meletakan PCM ke wadah yang  disebut backsheet dengan  pemilihan  material  wadah  yang  memiliki  konduktivitas  termal yang tinggi (Al-Waeli et al, 2017). Sehingga pada penelitian ini PCM parafin diusulkan sebagai media  pendinginan  pasif  panel  surya,  dengan  jenis  material backsheet yang  dipilih  adalah alumunium.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  menganalisis  pengaruh phase  change  material parafin pada backsheet alumunium terhadap penurunan temperature dan peningkatan output daya keluaran panel surya.

## METODE
Langkah-langkah metode penelitian ditunjukkan oleh diagram alir gambar 1.
Gambar 1 Diagram Alir Metodologi Penelitian

## Alat dan Bahan Penelitian
Peralatan yang dibutuhkan dalam penelitian ini antara lain:
1. Termokopel
2. Sensor arus dan tegangan
3. Pyranometer
4. Data Logger
5. Laptop
Sedangkan bahan yang dibutuhkan disajikan dalam Tabel 1.
Tabel 1 Bahan penelitian No.  Bahan Spesifikasi Jumlah 1 Parafin komersil Titik Lebur : 53- 57 0 C Kalor Spesifik padat     : 2.1 (kj/kg 0 C)
Kalor Sepesifik cair      : 2.1 (kj/kg 0 C) Kalor laten peleburan   : 175 (kj/kg) konduktivitas Termal    : 0.21 (W/ m 0 C) 1000 gr 2. Panel surya kit 10 W monokristalin Pmax : 10 watt Vmp                              : 18,57 V Imp                                : 0,54 A Voc                                : 22.64 V Dimensi : 35 x 26 x 1,7 cm 2 3 Backsheet Bahan : Aluminium Ketebalan                       : 2 mm Dimensi : 35 x 26 x 1,5 cm 2

## Desain Rangka Backsheet
Rangka backsheet yang  digunakan  menggunakan  bahan  alumunium  dengan  ketebalan  2 mm. Fungsi dari backsheet adalah sebagai wadah dari parafin. Dimensi backsheet menyesuaiakan dengan ukuran dimensi dari panel surya yaitu P x L = 35 x 26 cm, sedangkan tingginya adalah 1,5 cm yang ditunjukan pada gambar 2.
Gambar 2 Struktur Rangka Backsheet Alumunium

## Uji Karakteristik Termal Parafin
Material parafin akan dianalisis termal dengan menggunakan uji TGA ( Thermogravitymetric Analyzer ) untuk mengetahui kestabilan bahan dan DSC ( Differential Scanning Calorimetry ) untuk mengetahui konduktivitas termal, kalor laten dan titik perubahan fase. Karaktersasi DSC dilakukan di  LPPT  Universitas  Gajah  Mada  (UGM)  Yogyakarta,  Indonesia.  Untuk  TGA,  karakterisasi dilakukan di laboratorium Energi dan Lingkungan ITS Surabaya, Indonesia.

## Pengukuran Performa Pendinginan di Kondisi Nyata
Pengujian performa pendinginan pada panel surya diukur menggunakan metode eksperimen secara  langsung  untuk  mengetahui  pengaruh  pendinginan  pasif  yang  telah  dibuat  sebelumnya. Besaran  yang  akan  diukur  adalah  iradiasi  cahaya,  temperature  permukaan  panel  surya berpendingin,  temperature  permukaan  panel  surya  tanpa  perlakuan  pendinginan,  temperature phase change material parafin, temperature backsheet , arus dan tegangan keluaran dari panel surya berpendingin dan tanpa pendingin. Pengukuran besaran dilakukan secara simultan kepada panel surya berpendingin dan tanpa pendinginan yang ditunjukan pada gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian Pengukuran dalam Eksperimen
Pengukuran seperti yang ditunjukan pada gambar 3 dilakukan 24 jam dari pukul 05.00 WIB sampai pukul 05.00 WIB dengan interval pencatatan besaran tiap 5 menit untuk setiap pengukuran data dan akan dicatat dan disimpan dalam data logger. Pengukuran dilakukan dua kali dalam hari yang  berbeda,  kedua  data  tersebut  akan  dipilih  salah  satu  dengan  pemilihan  kriteria  cuaca  dan intensitas matahari yang paling optimal.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi TGA Bahan
TGA  ( Thermogravitymetric  Analyzer )  digunakan  untuk  mengevaluasi  kestabilan  PCM terhadap  perubahan  temperature  dari  rentang  temperature  25 ° C  –  400 ° C  (Rahmayanti,  2016). Presentase  massa  hilang  dan  massa  residu  dari  parafin  telah  dievaluasi  dan  ditampilkan  pada Gambar 4.

## Gambar 4 Termograv Parafin
Gambar  4  menunjukan  kurva  TGA  dari  PCM    parafin.    Kurva  TGA  terbagi  menjadi  dua zona.  Zona  1  berada  pada  rentang  temperature  25-  200  ⁰C  yang  menunjukan  penurunan  massa yang  sangat  kecil  dan  relatif  stabil.  Hal  ini  menunjukan  pada  zona  1  PCM  mengalami  proses dehidrasi. Proses dehidrasi adalah proses sebelum terjadinya dekomposisi massa, dimana bahan mengalami pengeringan melalui proses penguapan molekul air yang terkandung di dalam bahan atau di permukaan (Pethurajan & Sivan, 2018). Dengan demikian PCM parafin layak digunakan sebagai media pendinginan dan penyerapan kalor pada panel surya, karena pada aplikasinya PCM parafin akan digunakan pada temperature kerja yang tidak lebih dari 100 ⁰C. Sesuai dengan gambar 4, pada rentang temperature tersebut, massa parafin masih stabil.

## Karakterisasi DSC PCM
DSC  ( Differential  Scanning  Calorimetry) dianalisis  untuk  mengetahui  temperature perubahan fase, kalor laten dan konduktivitas termal dari parafin. Data tersebut telah dievaluasi dan ditampilkan pada kurva termograv pada gambar 5.
Gambar 5 Kuva DSC Parafin.
Gambar 5 menunjukan kurva DSC dari PCM parafin. Kurva DSC menunjukkan dua kurva endotermis  dengan  ukuran  kecil  dan  besar,  yang  secara  berturut-turut  mengindikasikan  parafin mengalami  trasisi  fase solid-solid dan solid-liquid (Karami  et  al.,  2021).  Data  termograv  pada gambar 5 dapat dianalisa secara komprehensif  untuk mendapatkan nilai temperature perubahan fase, kalor laten dan  konduktivitas termal yang ditampilkan pada tabel 2
Tabel. 2 Karaktersitik Termal Parafin Sifat Bahan Nilai Temperature perubahan fase solid – solid (  C) 48.16
Temperature prubahan fase solid – liquid (  C) 54.53 Kalor laten solid-solid (J/g) 12.37 Kalor laten solid-liquid (J/g) 172.21 Konduktivitas termal solid (W/m 0 C) 0.1044 Konduktivitas termal liquid (W/m 0 C 0.2088

## Performa Pendinginan PV Menggunakan PCM Parafin pada Backsheet Alumunium
Performa  pendinginan  menggunakan  PCM  parafin  dalam  wadah backsheet alumunium pada penelitian ini ditampilkan pada gambar 6.  Berdasarkan data pada gambar 6 dapat diketahui perbedaan  temperature  dari  PV  tanpa  pendingin  dibandingkan  dengan  temperature  PV berpendinginan.  PV  yang  menggunakan  pendinginan  menggunakan  parafin  dalam backsheet alumunium  memiliki  temperature  rata-rata  yang  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  PV konvensional yang tidak diberikan perlakuan pendinginan. Hal ini terjadi karena  parafin adalah
salah satu phase change material (PCM) yang memainkan peran utama selama proses pendinginan PV dengan menyerap kelebihan energi panas dengan jumlah yang besar dari PV ke parafin pada saat  parafin  mencapai  temperature  perubahan  fasenya,    dan  secara  bersamaan  akan  menjaga kenaikan drastis temperature panel surya. Pendinginan menggunakan PCM menggunakan konsep penyerapan panas yang didominasi oleh penyerapan kalor yang cukup besar dalam bentuk kalor laten  pada  saat  PCM  mencapai  temperature  perubahan  fasenya  dan  pada  fase  kerja  tersebut temperature PCM hampir tidak mengalami kenaikan drastis.

## Gambar 6 Performa Pendinginan PV
Kelebihan  energi  panas  dari  modul  PV  ditransfer  ke  parafin  secara  konduksi.  Pada penelitan ini parafin bekerja dengan menyerap kalor sensibel pada fase solid dan menyerap kalor laten pada saat fase transisi solid-solid. Energi panas parafin ditransfer ke backsheet alumunium dengan konduksi. Backshee t mentransfer energi panas ke lingkungan sekitarnya melalui konveksi dan radiasi alami karena bagian belakang backsheet tidak diisolasi.
Presentase  penurunan  temperature  pada  PV  berpendingin  berbanding  lurus  dengan presentase peningkatan dayanya. Hal tersebut terjadi karena temperature PV mempengaruhi output tegangan keluaran dayanya, effisiensi daya maksimal akan terjadi pada keadaan STC ( standart test condition )  pada  temperature  25 0 C.  Seiring  dengan  peningkatan  temperature  yang  terjadi  pada permukaan PV akan menyebabkan peningkatan temperature sel dan penurunan tegangan sirkuit terbuka (Voc) dan akibatnya output daya listrik dan effisiensi PV akan berkurang. Effisiensi daya yang  dihasilkan  akan  turun  seiring  dengan  peningkatan  temperature  pada  permukaan    PV, penurunan  akan  mencapai  0,45  %  tiap  kenaikan  1 0 C  pada  permukaan  PV    (Naghdbishi  et  al.,
2020).  Hal  ini  yang  menyebabkan  keluaran  daya  rata-rata  dari  PV  berpendingin  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  PV  tanpa  pendingin.  Presentase  performa  penurunan  temperature  PV menggunakan parafin dalam backsheet alumunium adalah 2.07 % sedangkan presentase performa peningkatan dayanya sebesar 1,85 %.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  uraian  di  atas  dapat  disimpulkan  bahwa,  PV  yang  mendapatkan  perlakuan pendinginan  menggunakan phase  change  material parafin  yang  diletakan  di  dalam backsheet alumunium  menunjukan  temperature  rata-rata  yang  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  PV konvensional yang tidak mendapatkan perlakuan pendinginan. Besar penurunan temperature PV tersebut berbanding lurus dengan besar peningkatan daya dari PV yang mendapatkan perlakuan pendinginan.  Presentase  performa  penurunan  temperature  PV  menggunakan  pendiginan  parafin dalam backsheet alumunium adalah sebesar 2.07 % sedangkan presentase performa peningkatan dayanya sebesar 1,85 %.

## DAFTAR PUSTAKA
Al-Waeli,  A.  H.  A.,  Kazem,  H.  A.,  Yousif,  J.  H.,  Chaichan,  M.  T.,  &  Sopian,  K.  (2020).
Mathematical and neural network modeling for predicting and analyzing of nanofluid-nano PCM photovoltaic thermal systems performance. Renewable Energy , 145 , 963–980. Bahaidarah,  H.  M.  S.,  Baloch,  A.  A.  B.,  &  Gandhidasan,  P.  (2016).  Uniform  cooling  of photovoltaic panels: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews , 57 , 1520–1544. Du, K., Calautit, J., Wang, Z., Wu, Y., & Liu, H. (2018). A review of the applications of phase change materials in cooling, heating and power generation in different temperature ranges. Applied Energy , 220 (March), 242–273. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.005 Karami,  B.,  Azimi,  N.,  &  Ahmadi,  S.  (2021).  Increasing  the  electrical  efficiency  and  thermal management of a photovoltaic module using expanded graphite (EG)/paraffin-beef tallow- coconut oil composite as phase change material. Renewable Energy , 178 , 25–49. Li,  Z.,  Ma,  T.,  Zhao,  J.,  Song,  A.,  &  Cheng,  Y.  (2019).  Experimental  study  and  performance analysis on solar photovoltaic panel integrated with phase change material. Energy , 178 , 471– 486.
Lupu, A. G., Homutescu, V. M., Balanescu, D. T., & Popescu,  et A. (2018). A review of solar photovoltaic systems  cooling technologies. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering , 444 , 82016.
Maghrabie, H. M., Elsaid, K., Sayed, E. T., Abdelkareem, M. A., Wilberforce, T., & Olabi, A. G. (2021).  Building-integrated  photovoltaic/thermal  (BIPVT)  systems:  Applications  and challenges. Sustainable Energy Technologies and Assessments , 45 , 101151.
Naghdbishi, A., Yazdi,  M. E., & Akbari, G. (2020). Experimental investigation of the effect of multi-wall carbon nanotube–Water/glycol based nanofluids on a PVT system integrated with PCM-covered collector. Applied Thermal Engineering , 178 , 115556.
Nassar, Y. F., & Salem, A. A. (2007). The reliability of the photovoltaic utilization in southern cities of Libya. Desalination , 209 (1–3), 86–90.
Pethurajan,  V.,  &  Sivan,  S.  (2018).  Fabrication,  characterisation  and  heat  transfer  study  on microencapsulation  of  nano-enhanced  phase  change  material. Chemical  Engineering  and Processing-Process Intensification , 133 , 12–23.
Skoplaki,  E.,  &  Palyvos,  J.  A.  (2009).  On  the  temperature  dependence  of  photovoltaic  module electrical performance: A review of efficiency/power correlations. Solar Energy , 83 (5), 614– 624.
T.T.  Chow,  J.W.  Hand,  P.  A.  S.  (2013). Building-integrated  PV  and  termal  applications  in  a subtropical hotel building. Appl. Therm. Eng. Vol 23 2035-2049.
Xu, H., Zhang, C., Wang, N., Qu, Z., & Zhang, S. (2020). Experimental study on the performance of a solar photovoltaic/thermal system combined with phase change material. Solar Energy , 198 , 202–211.

## censed under a
Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License