52

## Variasi Jarak Titik Fokus Cahaya Foton Pada PV Yang di Hibrid dengan TEG Menggunakan Pemisah Spektrum jenis Hot Mirror

## Abstrak
Titik  fokus  lensa  Fresnel  memiliki  peranan  penting  untuk menangkap  energi  foton  yang  dihasilkan  bohlam  LED  yang digunakan sebagai energi input pada PV yang di hibrid dengan TEG. Penelitian ini bertujuan untuk melihat jarak focus terbaik PV  dengan  sumber  energy  cahaya  bohlam  mengunakan  lensa Fresnel.  Variasi  titik  fokus ada 3  bagian;  pada  titik  focus lensa Fresnel (LF) itu sendiri yang sesuai spesifikasinya (11 cm jarak antara lensa dan modul PV), 1 cm di bawah titik fokus LF dan 1 cm  di  atas  titik  focus  LF.  Hasilnya  menunjukkan  bahwa  posisi menjauh  dari  spesifikasi  titik  fokus  lensa  memberikan  energi foton  yang  lebih  besar  dibandingkan  dengan  pada  posisi  titik fokusnya, dan di atas titik fokusnya. Ini terlihat dari arus listrik PV  yang  dihasilkan  terbesar  pada  posisi  di  bawah  titik  fokus tersebut (0.65 mA) dengan efisiensi hibrid pada titik ini sebesar 13.55%.  Daya  yang  dihasilkan  berpotensi  diaplikasikan  sebagai charging mobile phone, power bank dan sejenisnya.
Kata Kunci — posisi PV, hibrid PV-TEG, LED, hot mirror.

## Abstract
The  focal  point  of  the  Fresnel  lens  has  an  important  role  in capturing the photon energy produced by the LED bulb which is used  as  input  energy  in  PV  hybridized  with  TEG.  This  study aims  to  see  the  best  PV  focal  length  with  a  light  bulb  energy source  using a  Fresnel lens.  There  are  3 variations  of  the  focus point;  at  the  focal  point  of  the  Fresnel  lens  (FL)  according  to specifications  (11  cm  distance  between  the  lens  and  the  PV module), 1 cm below the focus point of FL and 1 cm above the focus point of FL.  The results show that positioning  away from the lens's speciﬁc focal point provides more photon energy than at its focal point, and above its focal point. This can be seen from the largest PV electric current generated at a position below the focal  point  (0.65  mA)  with  a  hybrid  efficiency  at  this  point  of 13.55%.  The  power  generated  has  the  potential  to  be  used  for charging mobile phones, power banks and the like.
Keywords — PV position, hybrid PV-TEG, hot mirror.

## I. PENDAHULUAN
Aplikasi  energi  bersih  (clean  energy)  menjadi  tren  yang terus mewarnai istilah pemanfaatan energi terbarukan sebagai pengganti  atau  pendukung  energi  fosil  yang  semakin  hari semakin  menipis  ketersediannya.  Indonesia  sebagai  negara
tropis  memiliki  iklim  yang  potential  mendulang  energi terbarukan. Salah satunya adalah energi surya, dimana energi ini  memberikan  2  sumber  manfaat,  yaitu  termal  dan  energi cahaya  atau  foton.  Kedua  sumber  energi  bisa  dimanfaatkan oleh sel  fotovoltaik – PV dan generator termoelektrik – TEG baik  tersendiri  maupun digabungkan (hybrid).   PV menerima energi  foton  untuk  membangkitkan  energi  listrik,  sementara TEG  lebih  membutuhkan  termal  untuk  memproduksi perbedaan  tegangan  pada junction positif  dan  negatif semikonduktor. Beberapa penelitian melakukan penggabungan  linier  antara  PV  dan  TEG  dengan menempatkan modul TEG di permukaan bawah panel PV [1]. Ini  bertujuan  untuk  menjaga  kestabilan  PV  dengan  menjaga perbedaan  suhu  permukaan  atas  dan  bawahnya  tidak  besar, disamping  TEG  memanfaatkan  energi  termal  tersebut  untuk menghasilkan  energi  listrik  secara  simultan.  Ada  juga  yang menempatkan  kaca  penutup  di  atas  permukaan  PV  dengan tujuan  untuk  mengurung  termal  yang  tiba  dipermukaannya, sehingga  pembangkitan  listrik  gabungan  PV-TEG  semakin besar [2] dan [3]. Penambahan heat pipe di atas TEG diantara termal silica dan PV telah dilakukan oleh Wen et al., [4]  yang secara  numerik  di  analisis  untuk  meningkatkan  energi keluaran  TEG.  Penelitian  terbaru  yang  bertujuan  untuk meningkatkan kinerja hibrid PV-TEG telah di investigasi oleh Mirza  et  al.,  [5]  dengan  menambahkan rangkaian  listrik  DC- DC booster sebagai  pengontrol  pada  keluaran  sistem  yang mampu meningkatkan 8% penyerapan energi menjadi 99.86%. Secara  lengkap  sistem  hibrid  PV-TEG  yang  ditumpuk  atau model linier telah direview oleh Maythern et al., [6]. Namun, metode  ini  tidak  mengindikasikan  secara  jelas  dalam ekperimen  apakah  termal  dan  foton  energi  surya  terpisah sesuai kebutuhan PV dan TEG.
Penggunaan Sun  simulator adalah  metode  lain  pengganti energi  matahari  yang  bisa  dilakukan  dalam  ruangan.  Hanya saja membutuhkan biaya hingga ratusan juta untuk pengadaan instalasinya.  Pada  tahun  2018,  [7]  mengawali  pemilihan cahaya  bohlam  jenis  mendekati  spektrum  matahari  sesuai dengan  rekomendasi  [8]  yang  menyebutkan  bohlam  jenis Mercury,  Xenon  dan  Halogen  sebagai  sumber  energi  termal dan  foton  pada  hibrid  PV-TEG  menggunakan  hot  mirror sebagai spectrum  splitter .  Namun  secara  ekonomis  ini  tidak mendukung  untuk  ditindaklanjuti  karena  menggunakan  jenis

## Mustofa
mustofauntad@gmail.com Universitas Tadulako

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)
bohlam yang tidak komersil umum di masyarakat. Pemanfaatn bohlam  berdaya  rendah  50  Watt  menggunakan  Xenon, Halogen dan Pijar telah disimulasikan dengan apik oleh Piarah et  al.,  [9]  dan  dilanjutkan  dengan  eksperimen  [10].  Hasilnya menunjukkan bahwa bohlam jenis Xenon memberikan kinerja yang terbaik. Selanjutnya [11] penggunaan jenis bohlam LED yang  banyak  dijumpai  di  pasaran  digunakan  pada  studi  ini untuk  melihat  kinerja  modul  PV  berukuran  mini  52x19  mm dipasang  seri  dengan  titik  fokus  cahaya  (focal  length)  lensa Fresnel 110 mm, tebal 2 mm dan transmisi 92% jenis  PMMA dengan dimensi 112 x 73 mm. Namun, jika menggunakan titik fokus  ini  ada  bagian  luasan  PV  yang  tidak  mendapatkan cahaya  bohlam.  Oleh  karena  itu  perlu  investigasi  lebh  lanjut bagaimana  efeknya  keluaran  modul  PV  jika  digeser  ke  atas titik  fokus  dan  di  bawah  titik  fokus  cahaya  pada  masing- masing  10  mm.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melihat karakteristik arus dan tegangan modul PV yang di hibrid TEG menggunakan hot  mirror sebagai  pemisah  spektrum  cahaya foton  bohlam  LED,  dimana  posisi  modul  PV  divariasikan jaraknya dari lensa Fresnel, sementara posisi modul TEG pada posisi  tegak  lurus  dari  sumber  refleksi  cahaya  menggunakan hot  mirror . Hot  mirror adalah  pemisah  spectrum  yang mentransmisikan cahaya foton ke modul PV, sementara yang direfleksikan  ke  modul  TEG  lebih  kepada  cahaya  infra-red (Near infrared, NiR).

## II. METODE
Bohlam LED yang digunakan pada pengujian adalah merek dagang  Muxindo  dengan  daya  10,  15  dan  20  Watt.  Adapun tahap pengambilan data terlihat seperti pada Gambar 1.

## Gbr. 1 Foto prototype lengkap perangkat eksperimen hibrid PV-TEG
Keterangan:
1:   jam duduk interval per menit pembacaan data
6:  digital multimeter sensor suhu set up PV- TEG 2:  terminal blok sensor suhu dan daya bohlam 7:  digital multimeter tegangan TEG 3:  digital multimeter arus listrik bohlam 8:  digital multimeter arus listrik TEG 4:  digital multimeter arus listrik PV 9:  digital multimeter tegangan bohlam 5:  digital multimeter tegangan PV 10. perangkat uji hybrid PV- TEG tertutup dinding bahan akrylik (lihat Gambar 3.17) 11. fan heat sink TEG
Gbr. 2 Sketsa eksperimen variasi titik fokus PV pada hibrid PV-TEG
Gambar  2  memperlihatkan  sketsa  lengkap  pengambilan data hibrid PV-TEG, dimana bohlam ditempatkan pada angka 1 bagian paling atas, selanjutnya lensa Fresnel  (LF) nomor 2 ditempatkan di bawah bohlam untuk memfokuskan cahayanya ke hot  mirror (HM) pada nomor 4. Di HM cahaya terbagi  2, ada yang direfleksikan ke modul TEG pada angka 3, dan ada yang  ditransmisikan  ke  modul  PV  nomor  5.  Modul  PV  ini yang  divariasikan  jaraknya  dari  LF,  baik  pada  titik  fokusnya sejauh 11 cm, 10 mm ke atas titik fokus LF (10 cm  dari LF) dan 10 mm di bawah titik fokus LF (12 cm). Sementara posisi TEG dibiarkan tetap posisi tegak lurus dengan arah datangnya cahaya  atau  refleksi  dari hot  mirror .  Pengambilan  data dilakukan  perdetik  dengan  menggunakan  multimeter  digital pada nomor 3 sampai 8  pada Gambar 1 yang bias mengukur arus dalam satuan mikro meter (µm). Nomor 2 pada Gambar 1 khusus  untuk  mengukur  suhu  permukaan  modul  PV  atas- bawah, TEG atas bawah dan suhu lingkungan.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Karakteristik I-V pada 3 variasi posisi PV dengan bohlam 10, 15 dan 20 Watt
Grafik-grafik  pada  Gambar  3  sampai  5  memperlihatkan karakteristik arus-tegangan listrik (I-V) khusus pada PV yang di  hibrid dengan TEG pada 3 variasi  jarak PV dari  fokus LF menggunakan  1  jenis  bohlam  Muxindo  dengan  daya  10,  15 dan 20 Watt.
Gbr.  3   Karakteristik I-V PV dengan bohlam Muxindo 10 Watt
54
Gbr. 4   Karakteristik I-V PV dengan bohlam Muxindo 15 Watt
Gbr.  5 Karakteristik I-V PV dengan bohlam Muxindo 20 Watt
Karakteristik  daya  keluaran  PV  di  atas  menunjukkan  ada korelasi  linier  peningkatan  arus  listrik  dengan  penambahan daya  bohlam.  Sementara  itu  tegangan  listrik  yang  dihasilkan adalah  tetap.  Dalam  hal  posisi  PV,  di  bawah  titik  fokus  LF menampilkan karakteristik arus yang terbaik diikuti posisi titik fokus  dan  paling  rendah  adalah  di  atas  titik  fokus.  Ini kemungkinan  disebabkan  oleh  intensitas  cahaya  yang mengecil jika mendekati LF, sehingga arus juga mengecil.

## B. Karakteristik I-V TEG pada 3 variasi  PV dengan bohlam 10, 15 dan 20 Watt
Berbeda dengan PV, daya keluaran TEG yang dibangkitkan sangat kecil dalam satuan mikro Ampere arus yang dihasilkan (Gambar  6-8).  Ini  menunjukkan  bahwa  termal  yang dipancarkan  bohlam  LED  sangat  rendah,  sehingga  arus  yang dihasilkan hanya sekitar 2.0 µA.
Gbr.  6 Karakteristik I-V TEG pada 3 posisi PV bohlam 10 Watt
Gbr.  7 Karakteristik I-V TEG pada 3 posisi PV bohlam 15 Watt
Gbr.  8 Karakteristik I-V TEG pada 3 posisi PV bohlam 20 Watt

## C. Efisiensi  hibrid  PV-TEG  dengan  3  variasi  fokus  PV  dari LF
Peningkatan  daya  bohlam  tidak  diiringi  dengan penambahan  efisiensi  hibrid  PV-TEG.  Ini  terlihat  pada Gambar  9  bahwa  daya  bohlam  15  Watt  memberikan  energi keluaran  yang  lebih  kecil  dari  10  dan  20  Watt.  Bohlam  20 Watt lebih stabil dan jelas perbedaan efisiensinya berdasarkan 3  posisi  PV  dengan  TEG  posisi  konstan.  Efisiensi  tertinggi diperoleh sebesar 13.55% pada posisi PV di bawah titik fokus LF  dengan  sumber  energi  bohlam  20  Watt.  Konstribusi terbesar ini diberikan oleh modul PV.
Gbr.  9 Efisiensi hibrid PV-TEG dengan 3 variasi PV dari LF

## Jurnal Arus Elektro Indonesia (JAEI)
55

## IV. KESIMPULAN
Dari studi ini dapat disimpulkan bahwa posisi modul PV di bawah titik focus LF, yaitu 12 cm dari LF adalah posisi yang terbaik  memberikan  daya  keluaran  modul  hibrid  PV-TEG menggunakan  sumber  energi  bohlam  LED.  Kenyataannya modul  PV  memberikan  kontribusi  energi  yang  lebih  baik dibandingkan dengan TEG. Intensitas cahaya LED yang besar memberikan  efek  pada  energi  keluaran  PV  yang mempengaruhi  secara total  energi  keluaran hybrid modul PV dan TEG.

## R EFERENSI
[1]  M.  Ruzaimi  Ariffin,  S.  Shafie,  W.  Z.  W.  Hassan,  N.  Azis,  and  M. Effendy  Ya’Acob,  “Conceptual  design  of  hybrid  photovoltaic - thermoelectric generator (PV/TEG) for Automated Greenhouse system,” IEEE  Student  Conf.  Res.  Dev.  Inspiring  Technol.  Humanit.  SCOReD 2017  -  Proc. ,  vol.  2018-Janua,  pp.  309 – 314,  2018,  doi:
10.1109/SCORED.2017.8305373.
[2] C.  Babu  and  P.  Ponnambalam,  “The  theoretical  performance evaluation of hybrid PV- TEG system,” Energy Convers. Manag. , vol. 173, no. July, pp. 450 – 460, 2018, doi: 10.1016/j.enconman.2018.07.104.
[3]  D.  Kraemer et  al. ,  “High -performance  flat-panel  solar  thermoelectric generators with high thermal concentration,” Nat. Mater. , vol. 10, no. 7, pp. 532 – 538, 2011, doi: 10.1038/nmat3013.
[4] X. Wen, J. Ji, Z. Song, Z. Li, H. Xie, and J. Wang, “Comparison analysis of two different concentrated photovoltaic/thermal- TEG hybrid systems,” Energy  Convers.  Manag. ,  vol.  234,  no.  February,  p.  113940, 2021,  doi: 10.1016/j.enconman.2021.113940.
[5]  A. F. Mirza, M. Mansoor, K. Zerbakht, M. Y. Javed, M. H. Zafar, and N. M.  Khan,  “High -efficiency  hybrid  PV-TEG  system  with  intelligent control  to  harvest  maximum  energy  under  various  non-static  operating conditions,” J.  Clean.  Prod. ,  vol.  320,  no.  June,  p.  128643,  2021,  doi:
10.1016/j.jclepro.2021.128643.
[6]  A. N. Al- shamani, “Using Hybrid System Photovoltaic Thermal / Phase Change Materials / Thermoelectric ( PVT / PCM / TE ): A Review,” vol. 2022, no. 1365, pp. 1365 – 1400, 2022. [7]  Mustof a,  Z.  Djafar,  Syafaruddin,  and  W.  H.  Piarah,  “A  new  hybrid  of photovoltaic-thermoelectric  generator  with  hot  mirror  as  spectrum splitter,” J. Phys. Sci. , 2018, doi: 10.21315/jps2018.29.s2.6.
[8] A.  Doolittle,  “Lecture  2 :  The  Nature  of  Light  Reading  Assign ment –
Chapter 2 of PVCDROM The Nature of Light,” Nat. Light. Read. Assign. , p. Chapter
2, 2007, [Online]. Available:
http://users.ece.gatech.edu/~alan/ECE4833/Lectures/Lecture2_Properties OfSunlight.pdf.
[9]  W. H. Piarah, Z. Djafar, Hariyanto, and Mustofa, “A new simulation of photovoltaic  and  thermoelectric  generator  hybrid  system  with  a  beam splitter cold and hot mirror for low intensity,” Int. Rev. Mech. Eng. , vol. 13, no. 9, 2019, doi: 10.15866/ireme.v13i9.17884.
[10] W. H. Piarah, Z. Djafar, Syafaruddi n, and Mustofa, “The characterization of  a  spectrum  splitter  of  Techspec  AOI  50.0mm  square  hot  and  cold mirrors using a halogen light for a photovoltaic-thermoelectric generator hybrid,” Energies , 2019, doi: 10.3390/en12030353.
[11] Mustofa,  Iskandar,  Much sin,  S.  Suluh,  and  T.  M.  Kamaludin,  “The effectiveness  of  a  mini  photovoltaic  cell  by  using  light  LED  bulbs  as  a source of photon energy,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. , vol. 926, no. 1, 2021, doi: 10.1088/1755-1315/926/1/012090.