2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Tenaga Matahari Tenaga matahari atau yang biasa disebut tenaga surya (solar energy)
merupakan energi yang bersumber dari sinar matahari. Pemanfaatan energi surya dikelompokkan menjadi 2 (dua) kategori (Hardjasoemantri, 2002), yakni pemanfaatan energi surya secara langsung dan tidak langsung. Pemanfaatan energi surya secara tidak langsung adalah berupa pemanfaatan biomassa untuk sumber energi. Energi surya yang sampai ke bumi, sebagian kecil akan dikonversi menjadi energi kimia oleh tumbuhan melalui proses fotosintesis yang komplek. Produk akhir dari fotosintesis adalah biomassa, dengan demikian biomassa merupakan energi surya tak langsung. Pemanfaatan energi surya secara langsung adalah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi utama secara langsung. Pemanfaatan energi surya harus mempertimbangkan sifat-sifat fisika dari sinar matahari. Lakitan (2002) mengatakan bahwa untuk mengkaji aspek fisika cahaya ada beberapa hal yang harus diperhatikan diantaranya: porsi serapan cahaya (absorptivity), porsi pantulan (reflectivity), porsi terusan (transmissivity), daya pancar (emissivity), aliran energi cahaya (radian flux), kerapatan aliran energi cahaya (radiant flux density), intensitas terpaan (irradiance) dan intensitas pancaran cahaya (emittance). Tenaga surya pada dasarnya adalah sinar matahari yang merupakan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang yang tampak dan yang tidak tampak, yakni mencakup spektrum cahaya inframerah sampai dengan cahaya ultraviolet. Masing-masing spektrum cahaya matahari memiliki panjang
3
4
gelombang, frekuensi dan energi yang berbeda. Sinar matahari memiliki panjang gelombang (λ) antara 0,15 – 4 µm, dan hanya panjang gelombang (λ) antara 0,32 – 2 µm yang mampu menembus kaca transparan (Wisnubroto, 2004).
2.2.
Sistem Konsentrasi Solar Sistem konsentrasi solar menggunakan lensa atau kaca untuk
mengkonsentrasi atau mengumpulkan energi dari matahari, menghasilkan temperatur yang cukup tinggi untuk menggerakkan turbin atau mesin uap untuk menghasilkan energi listrik. Menurut Seia (2009) sekarang ini, lebih dari 400 MW dihasilkan dari sistem ini yang beroperasi di Amerika Serikat, dan proyekproyek dengan total lebih dari 8000 MW yang saat ini sedang dikembangkan. Ada tiga teknologi sistem konsentrasi solar (Nrel, 2001), yaitu: (1) Dish engine, (2) Parabolic trough dan (3) Central receiver. (1) Dish Engine Sistem dish engine mentransfer energi matahari yang terkonsentrasi dengan efisiensi tinggi menjadi energi listrik. Bagian yang penting dari sistem dish engine terdiri dari (Cleanenergy, 2009): konsentrator berbentuk parabolik, sistem tracking, receiver, dan mesin (stirling dan generator). Konsentrator berbentuk parabolik memantulkan dan mengkonsentrasi sinar matahari ke receiver yang terletak di titik fokus konsentrator. Sinar matahari diserap oleh receiver dan meneruskannya ke mesin. Mesin akan mengubah energi matahari menjadi energi mekanik dan generator akan mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik. Menjaga agar pantulan sinar matahari ke titik fokus tetap terjaga, dish engine menggunakan dual-axis collector untuk men-tracking matahari. Setiap dish akan menghasilkan 5 sampai 30
5
kilowatt listrik tergantung pada sistem (Seia, 2009). Gambar 1 adalah Stirling Energy System 25 kW milik SunCatcherTM memiliki tinggi 38 kaki dan lebar 40 kaki. Sistem dish engine memiliki karakteristik efisiensi tinggi, modularitas, operasi autonomous, dan hibrida yang melekat. Menurut (Solarpaces, 2001) dibandingkan dengan teknologi surya yang lainya, solar dish engine menunjukkan konversi energi matahari ke energi listrik dengan efisiensi tertinggi (29,4%). Oleh karena itu, dish engine memiliki potensi untuk menjadi salah satu sumber paling murah untuk energi terbarukan.
Gambar 1. Pembangkit listrik tenaga surya 25 kW dengan sistem dish engine milik SunCatcherTM (Seia, 2009)
(2) Parabolic Trough Sistem parabolic trough menggunakan cermin yang berbentuk U atau melengkung yang memanjang untuk memusatkan energi matahari. Cermin tersebut memfokuskan energi matahari ke receiver yang berbentuk pipa berisi cairan (misalnya, minyak sintetis) yang memanjang di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Cairan panas tersebut digunakan untuk mendidihkan air di
6
generator uap konvensional dan menghasilkan listrik. Seia (2009) mengatakan cairan panas tersebut dapat mencapai temperatur 700° F. Gambar 2 adalah pengumpul Luz LS-3 digunakan pada pembangkit 80 MW SEGS IX di California yang memiliki panjang 325 kaki dan lebar 11 kaki dengan efisiensi konversi energi sekitar 24%.
Gambar 2. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem parabolic trough SEGS IX di California, Amerika Serikat (Seia, 2009)
(3) Central Receiver Sistem central receiver ini menggunakan menara pembangkit yang dikelilingi oleh cermin-cermin yang ditempatkan di suatu area yang luas untuk mengumpulkan energi matahari dan memusatkannya ke bagian atas menara pembangkit dimana terdapat receiver yang ditempatkan di sana. Panas yang dihasilkan mencairkan garam yang kemudian dialirkan untuk memanaskan air. Uap yang dihasilkan dari air panas digunakan untuk memutar generator konvensional dan menghasilkan energi listrik. Menurut (Seia, 2009) energi matahari yang terfokus digunakan untuk perpindahan cairan (800° F sampai
7
1000° F) untuk menghasilkan uap dan menjalankan generator pusat. Gambar 3 adalah PS20 milik Abengoa, pembangkit listrik 20 MW di Seville, Spanyol 1255 heliostat mengelilingi menara dengan tinggi 531 kaki.
Gambar 3. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem central receiver milik Abengoa di Seville, Spanyol (Seia, 2009)
Semakin banyak output sebuah sistem dapat menyediakan input solar yang diberikan. Sistem dish engine menunjukkan karakteristik yang paling baik, karena konsentrator dan kinerja mesinnya yang tinggi serta inersia panasnya rendah yang memungkinkan untuk lebih cepat melakukan start-up dibandingkan dengan sistem konsentrasi solar skala besar seperti central receiver atau parabolic trough (Pitz-Paal, 2007). Pada Gambar 4 menunjukkan energi listrik harian yang dihasilkan berdasarkan masukan matahari harian untuk setiap sistem konsentrator yang berbeda.
8
Gambar 4. Kinerja dari setiap sistem konsentrator (Pitz-Paal, 2007)
2.3.
Sensor Sensor adalah perangkat yang mengubah fenomena fisik menjadi sinyal
elektronik (Kenny, 2005). Sensor menerima rangsangan dan meresponnya dengan perubahan sinyal listrik dan merupakan jembatan antara dunia sebenarnya dengan perangkat elektronik. Sensor tidak dapat berdiri sendiri. Biasanya sensor merupakan bagian dari suatu sistem yang lebih besar yang memiliki rangkaian pengkondisi sinyal dan bermacam-macam pemrosesan sinyal analog atau digital. Berdasarkan rangkaian pengkondisi sinyal, sensor dapat dibagi menjadi dua, yaitu pasif dan aktif. Sensor aktif memerlukan pemicu eksternal yang berupa rangkaian penyangga sensor, sehingga selalu ada arus yang melewati sensor. Contoh sensor aktif adalah termistor, Resistance Temperature Detector (RTD), dan strain gauges. Sensor pasif menghasilkan sinyal keluaran sendiri tanpa memerlukan rangkaian dan arus tambahan. Contohnya adalah thermocouple yang menghasilkan thermoelectric dan fotodioda yang menghasilkan photocurrent.
9
Setiap sensor memiliki karakteristik tertentu. Karakter ini menentukan baik buruknya sebuah sensor pada aplikasi tertentu. Karakter ini pula menentukan rangkaian yang digunakan sebagai penyangga sensor. Beberapa karakter penting diantaranya (Carr,1993): (1) Transfer Function Transfer Function merupakan hubungan fungsi antara sinyal masukan fisik dan sinyal keluaran elektris. Biasanya, hubungan ini digambarkan sebagai grafik antara sinyal masukan dan keluaran. (2) Sensitivitas Sensitivitas merupakan rasio antara perubahan kecil dalam sinyal elektris terhadap perubahan kecil pada sinyal fisik dan dapat diekspresikan sebagai fungsi turunan Transfer Function terhadap sinyal fisik. Satuan yang biasa digunakan adalah volt/Kelvin, milivolt/kilopascal, dsb. Contoh, sebuah termometer akan memiliki sensitivitas tinggi apabila perubahan suhu kecil di lingkungan akan mengakibatkan perubahan tegangan yang tinggi; perubahan tegangan yang signifikan memudahkan pengamatan terhadap sinyal elektris. (3) Span atau Dynamic Range Rentang masukan sinyal fisik yang bisa dikonversi ke dalam bentuk sinyal elektris. Sinyal fisik diluar rentang ini diperkirakan memiliki akurasi yang sangat rendah. Satuan yang digunakan antara lain kelvin, pascal, newton. (4) Accuracy atau Uncertainty Merupakan perkiraan kesalahan terbesar antara sinyal keluaran sebenarnya dan sinyal keluaran ideal. Accuracy merupakan istilah kualitatif, berbeda
10
dengan uncertainty yang bersifat kuantitatif. Contoh, sebuah sensor memiliki akurasi yang lebih tinggi ketika uncertainty sebesar 1% dibandingkan dengan uncertainty 3%. (5) Hysteresis Beberapa sensor tidak kembali ke nilai semula ketika terjadi rangsangan naik atau turun. Besarnya kesalahan yang diperkirakan dalam kuantitas yang diukur merupakan Hysteresis (6) Nonlinearity Terkadang juga disebut linearity, merupakan penyimpangan maksimum dari Transfer Function linear terhadap Dynamic Range. (7) Noise Beberapa sensor menghasilkan noise bersamaan dengan sinyal keluaran. Beberapa kasus menunjukkan noise pada sensor lebih kecil dibandingkan dengan noise pada rangkaian elektronik selanjutnya.
2.4.
Light Dependent Resistor (LDR) Light Dependent Resistor (LDR) adalah suatu bentuk komponen yang
mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya. LDR merupakan sebuah sensor jenis semikonduktor yang dibuat dari Kadmium sulfida (CdS) dan Kadmium selenida (CdSe). Sebuah LDR terdiri dari sebuah piringan bahan semikonduktor dengan dua buah elektroda pada permukaanya. LDR tergantung pada cahaya, artinya nilai hambatannya akan berubah-ubah bila terkena cahaya yang diterima (Sitorus, 2008). Karakteristik LDR terdiri dari dua macam, yaitu laju recovery dan respon spectral:
11
(1) Laju Recovery Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu ke dalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa diamati bahwa nila resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut, namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga pada kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. (2) Respon Spektral LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya. Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik, yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak.
2.5.
Motor Direct Current (DC) Motor DC merupakan motor arus searah yang menggunakan arus langsung
satu arah (direct-unidirectional). Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Motor DC memiliki tiga komponen utama (energyefficiencyasia, 2006): (1) Kutub Medan Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan:
12
kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan. (2) Dinamo Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo. (3) Komutator Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Komutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya.
