ccitonline.com

1. Taksonomi Pemodelan Termal dan Kinerja Fotovoltaik (PV)

Efisiensi konversi elektrikal sel surya berbasis silikon berbanding terbalik dengan temperatur operasionalnya, dengan koefisien degradasi standar (β_ref) berkisar antara 0,004 hingga 0,005 °C^-1 di atas kondisi STC (25°C). Akibatnya, fluks radiasi matahari yang tinggi justru memicu akumulasi panas sensibel di dalam lapisan sel (silikon, EVA, dan backsheet) yang meningkatkan resistansi internal dan menurunkan tegangan sirkuit terbuka (V_oc).

Riset global telah membagi metodologi pembuangan panas ini ke dalam skema pendinginan aktif (membutuhkan daya eksternal seperti pompa/fan) dan pasif (mengandalkan konveksi alami, konduksi, dan radiasi arsitektural). Melalui pemetaan literatur, pendinginan pasif dievaluasi sebagai solusi yang paling sustain karena bebas biaya operasional dan perawatan, terutama untuk aplikasi di wilayah dengan thermal load ekstrem.

2. Pemetaan Eksistensi Penelitian (State-of-the-Art)

Untuk memahami posisi riset terkini, literatur mengenai pendinginan pasif PV dikategorikan ke dalam tiga kelompok besar:

Kategori A: Sirip Udara Konvensional dan Modifikasi Geometri Sederhana

Penelitian awal berfokus pada pemasangan extended permukaan lurus di bawah panel. Cahyono dkk. (2021) menguji sirip lurus seng dan mencatat perbaikan efisiensi yang sangat terbatas pada konveksi alami (0,12%). Kabeel dkk. (2025) mencoba mengoptimalkan parameter ketebalan dan posisi sirip trapesium melalui skema dual-inlet paksa menggunakan model turbulensi k-ε. Peningkatan performa hidrodinamika yang lebih dinamis ditunjukkan oleh Misaran dkk. (2025) dengan menerapkan wave-shaped fins di dalam sistem solar chimney; geometri bergelombang tersebut sukses menginduksi turbulensi lokal dengan bilangan Nusselt rata-rata mencapai 54,7.

Kategori B: Integrasi Sirip dengan Phase Change Material (PCM)

Guna menstabilkan fluktuasi temperatur pada jam radiasi puncak, teknologi Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) menggunakan paraffin atau garam hidrat diintegrasikan di balik panel. Jamal dkk. (2026) membuktikan bahwa penambahan sirip aluminium di dalam wadah PCM (RT25) mampu mempercepat waktu pelelehan hingga 22,8% dengan memindahkan dominasi perpindahan panas dari konduksi ke konveksi lebih awal.

Afrid dkk. (2026) mengevaluasi sirip Y-shape dengan sudut bifurkasi 60° yang mampu memperluas permukaan disipasi sekaligus meminimalkan zona stagnasi udara panas. Sementara itu, Pu dkk. (2024) memodelkan sirip berbentuk T (T-shaped fins) dengan orientasi 180° di dalam wadah PCM RT35HC; desain ini unggul dalam menekan asimetri termal, menurunkan suhu rata-scale hingga 15,1 K, dan mendongkrak efisiensi elektrikal sebesar 1,36%.

Kategori C: Sistem Pendingin Hibrida Kompleks (Nanofluid, Metal Foam, dan MHD)

Pada level mutakhir, riset bergeser ke arah pemanfaatan material maju untuk mengatasi konduktivitas termal udara yang rendah. Sheikholeslami & Al-Bujasim (2025) menggabungkan penggunaan silver-water nanofluid dengan porous aluminum foam dan sirip silang (cross-shaped fins) di bawah konsentrator optik. Alazwari dkk. (2024) bahkan mengaktifkan gaya magnetik (MHD/Lorentz force) pada saluran fluida ferrofluid ber-sirip Y untuk meningkatkan keseragaman isotermal sebesar 5,91% di bawah kondisi penumpukan debu. Di sisi lain, Maarof & Maree (2025) mengusulkan sistem hibrida bi-fluid (udara-air) yang dikombinasikan dengan sirip perforasi (perforated fins) dan PCM untuk aplikasi building-integrated (BIPV).

3. Matriks Perbandingan Parameter Desain Literat

4. Identifikasi Gap Penelitian (Research Gaps)

Meskipun visualisasi dan performa termal dari berbagai variasi di atas menunjukkan hasil positif, terdapat tiga gap penelitian utama yang belum dipecahkan:

• Gap 1: Dilema “Vortex Versus Stagnation” pada Desain T-Shape konvensional. Desain sirip T-shape terbukti unggul dalam meratakan suhu karena lengan horizontalnya (180° flange) bertindak sebagai penahan asimetri termal. Namun, karena strukturnya kaku dan masif, bagian bawah lengan T-shape justru memicu pemisahan aliran (flow separation) yang ekstrem, menciptakan dead zone termal (kantung udara mati berkecepatan U → 0) di mana panas sensibel terjebak tanpa bisa dibilas oleh aliran konvektif alami.
• Gap 2: Batasan Geometri Fraktal Leaf Vein Tradisional. Riset bio-mimikri tulang daun murni (seperti tipe RET atau PIN oleh Jebbar dkk.) sukses memetakan pembuangan panas yang merata karena meniru percabangan fraktal alami tumbuhan. Namun, sirip leaf vein konvensional umumnya menggunakan profil penampang lurus (batang seragam), sehingga thermal resistance pada ujung terjauh sirip (fin tip) tetap tinggi karena tidak memiliki perpanjangan luas permukaan kontak konvektif horizontal di area hilir saluran.
• Gap 3: Praktikalitas Versus Kompleksitas Komputasi. Solusi hibrida canggih yang melibatkan nanofluid biner, porous foam, dan intervensi gaya Lorentz (MHD) terbukti menghasilkan pendinginan ekstrem. Namun, sistem ini membutuhkan biaya investasi tinggi, rawan sedimentasi material, dan memicu pressure drop masif. Diperlukan sebuah geometri pasif murni yang memiliki efisiensi disipasi setara sistem aktif namun dengan arsitektur mekanis yang low-maintenance.

5. Gagasan Pengembangan: Arsitektur Leaf Vein T-Shape Fins

Untuk menutup ketiga celah riset (research gaps) di atas secara simultan, diusulkan sebuah gagasan arsitektur extended surface baru yang integratif: Leaf Vein T-Shape Fins. Gagasan ini menggabungkan keunggulan distribusi spasial fraktal dari struktur tulang daun dengan efisiensi konduksi lateral dari penampang berbentuk T.

5.1 Mekanisme Fisis Interaksi Geometri

Penerapan konsep ini bekerja melalui dua tahapan mekanika perpindahan panas konjugat:

1. Manipulasi Hidrodinamika Aliran (Prinsip Leaf Vein): Pola percabangan fraktal yang menyerupai tulang daun bertindak sebagai pengarah aliran (flow guide) alami di sisi belakang panel PV. Desain bercabang ini secara berkala memotong kontinuitas pertumbuhan lapisan batas termal (thermal boundary layer) udara, menginduksi pusaran vortex mikro, dan mengeliminasi area stagnasi fluida besar (dead space) yang biasa ditemui pada sekat pembatas lurus konvensional.
2. Augmentasi Disipasi Ujung Sirip (Prinsip T-Shape Flange): Dengan memodifikasi setiap ujung percabangan fraktal tulang daun menjadi penampang berbentuk T (T-shape dengan horizontal flange), luas permukaan kontak konvektif diperluas secara signifikan tepat pada area fluida dingin yang mengalir bebas. Lengan horizontal T-shape ini berfungsi sebagai stasiun disipasi akhir yang memotong thermal resistance konduksi internal sirip, menyerap panas dari batang utama, dan melepaskannya secara instan ke aliran fluida sirkulasi

5.2 Formulasi Matematika Pendukung

Secara matematis, penggabungan ini memanipulasi nilai gradien temperatur pada dinding batas sel (∂T/∂y|_y=0). Pengurangan luas penampang batang utama yang digantikan oleh percabangan horizontal ujung meningkatkan efisiensi sirip (η_fin) melalui penyelesaian persamaan distribusi sirip tunak:

Melalui konfigurasi Leaf Vein T-Shape, parameter Keliling Efektif (P_eff) diperbesar secara eksponensial di area ujung cabang tanpa memperluas Luas Penampang Potongan (A_ff), sehingga memperkecil nilai resistansi termal internal sel komputasi tanpa memberikan dampak penyumbatan (choking effect) pada saluran hidrolik pendingin.

6. KESIMPULAN

Kajian literatur ini membuktikan bahwa optimasi pendinginan pasif panel surya telah bergeser dari rekayasa dimensi sirip lurus menuju modifikasi topologi tingkat tinggi. Integrasi konsep biomimikri tulang daun dengan profil penampang T-shape (Leaf Vein T-Shape Fins) secara teoritis mampu menyelesaikan masalah penumpukan panas (hotspot) lokal dan separasi aliran yang menjadi kelemahan utama pada desain-desain extended surface konvensional. Melalui pemanfaatan karakteristik fraktal alami dan perluasan permukaan konduktif lateral di area ujung cabang, geometri ini menawarkan solusi pendinginan pasif murni yang efisien, stabil, dan aplikatif untuk mempertahankan efisiensi elektrikal panel surya pada kondisi thermal load ekstrem.

DAFTAR PUSTAKA

1. Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Pearson Education.
2. Patankar, S. V. (1980). Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing Corporation.
3. Kabeel, A. E., Attia, M. E. H., Khelifa, A., Kabeel, A., & Bady, M. (2025). Investigating the impact of trapezoidal fin length, thickness, and positions on the performance of photovoltaic panels with dual inlet air cooling. Applied Thermal Engineering, 279, 127755.
4. Cahyono, G. N., Ansyah, P., Riadi, J., & Awaly, N. Q. (2021). Pengaruh Pendinginan Menggunakan Sirip Terhadap Performa Panel Surya. Elemen: Jurnal Teknik Mesin, 8(1), 51-56.
5. 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.
6. Jebbar, Y. A., Hassan, M. S., Rashid, F. L., & Ameen, A. (2026). Improving Thermal and Electrical Performance of PV Panels Using Leaf Vein Fins. Solar Energy, 302, 114325.
7. Pu, J., Du, J., Zhang, B., Rong, F., Jiao, F., & Hong, Y. (2024). Thermal management enhancement of photovoltaic panels using phase change material heat sinks with various T-shaped fins. Case Studies in Thermal Engineering, 61, 104991.
8. Afrid, I. U. M., Aziz, N. S. A., Yit, J. E., Rasangika, A. H. D. K., Chew, B. T., & Sopian, K. (2026). Enhancement of photovoltaic (PV) collector performance with passive cooling Y-shaped fins. Applied Thermal Engineering, 299, 131170.
9. Elbreki, A. M., Alghoul, M. A., Sopian, K., & Hussein, T. (2017). Towards adopting passive heat dissipation approaches for temperature regulation of PV module as a sustainable solution. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69, 961-1017.
10. Siecker, J., Kusakana, K., & Numbi, B. P. (2017). A review of solar photovoltaic systems cooling technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79, 192-203.
11. Misaran, M. S., Genge, Z., Ibrahim, M. K. W., Tamiri, F., Radzali, M. A., & Amaludin, N. A. (2025). Impact of Fin Shape and Number on Solar PV Performance: A CFD Study. Journal of Advanced Research in Numerical Heat Transfer, 39(1), 37-50.
12. Sheikholeslami, M., & Al-Bujasim, M. K. A. (2025). Efficiency enhancement of photovoltaic solar panels using hybrid cooling systems with cross-shaped fins and porous foam. International Communications in Heat and Mass Transfer, 167, 109331.
13. Alazwari, M. A., Basem, A., AL-bonsrulah, H. A. , Abu-Hamdeh, N. H., Albdeiri, M. S., & Alashaari, G. A. (2024). Simulation of behavior of solar panel in existence of nanomaterial as cooling system. Case Studies in Thermal Engineering, 63, 105306.
14. Jamal, S., Alkhabbaz, A., Hamzah, H., & Sahin, B. (2026). Thermal analysis of a solar panel unit using PCM and various fin arrangements. International Journal of Heat and Fluid Flow, 117, 110108.
15. Refaey, H. A., Abdo, S., Saidani-Scott, H., El-Shekeil, Y. A., Bendoukha, S., Barhoumi, N., & Abdelrahman, M. A. (2024). Thermal regulation of photovoltaic panels using PCM with multiple fins configuration: Experimental study with analysis. Thermal Science and Engineering Progress, 49, 102457.
16. Maarof, H. A., & Maree, I. E. (2025). Multiphysics CFD modeling for energy performance improvement of a novel PV/T bi-fluid system with perforated fins and phase change materials. Applied Thermal Engineering, 280, 128199.
17. Trisnoaji, Y., Prasetyo, S. D., Arifin, Z., & Prabowo, A. R. (2026). Numerical investigation of photovoltaic–phase change material systems: Optimization of fin geometry for enhanced thermal management and solar panel performance. Journal of Energy Storage, 154, 121126.
18. Emadi, S. M., Sheikholeslami, M., Mousavi, S. M., Azizi, E., & Ashorynejad, H. R. (2025). Numerical investigation of thermal energy storage in solar systems with hybrid nanoparticles and tree-shaped fin designs. Case Studies in Thermal Engineering, 74, 106952.
19. Sopian, K., Alao, K. T., Gan, X. F., Yit, J. E., Alao, T. O., Kazem, H. A., & Al-Shaibani, S. M. S. (2025). Performance analysis of photovoltaic panels with dual-axis tracking and passive cooling using fins and radiative paint. Solar Energy, 302, 114047.