BAB II LANDASAN TEORI

6

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Sejarah Sel Surya (Solar Cell) Seorang ahli fisika dari Perancis, Edmund Bequerel pertama kali menemukan efek photovoltaic (PV) pada tahun 1839. Ia menemukan beberapa material menghasilkan listrik dalam jumlah kecil bila dipaparkan ke sinar. Pada tahun 1870an, Heinrich Hertz pertama kali meneliti penemuan Bequerel pada material padat, seperti selenium. Kemudian Selenium PV cell diciptakan untuk mengubah sinar menjadi listrik dengan efisiensi 1% sampai 2%. Material ini digunakan selama beberapa tahun pada light meter, yang hanya dibutuhkan tenaga dalam jumlah kecil. Pada tahun 1905, Albert Einstein menerangkan bahwa sinar alami dan fotoelektrik menimbulkan efek pada teknologi PV, yang kemudian dia memenangkan hadiah Nobel dalam bidang fisika. Pada tahun 1940an dan awal 1950an, proses Czochralski dikembangkan dan digunakan untuk menghasilkan kristal silikon dengan kemurnian tinggi. Kemudian pada tahun 1954 berdasarkan pada proses Czochralski, kristal silicon photovoltaic cell pertama dikembangkan oleh Chapin, Fuller dan Pearson di Bell Laboratories dengan efisiensi 6%. Selama krisis energi tahun 1970an, teknologi photovoltaic mendapatkan pengakuan sebagai sumber tenaga untuk pemakaian selain untuk angkasa luar. Photovoltaic dapat diakui dan memiliki efisiensi sekitar 18% pada tiga puluh tahun yang lalu.

http://digilib.mercubuana.ac.id/

7

2.2 Sel Surya Sel surya yang biasa disebut juga fotovoltaik adalah sebuah alat yang tersusun dari material semikonduktor yang dapat mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik secara langsung. Sel surya pada dasarnya terdiri atas sambungan p-n yang sama fungsinya dengan sebuah dioda. Sederhananya, ketika sinar matahari mengenai permukaan sel surya, energi yang dibawa oleh sinar matahari ini akan diserap oleh elektron pada sambungan p-n untuk berpindah dari bagian dioda p ke n dan untuk selanjutnya mengalir ke luar melalui kabel yang terpasang ke sel. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersil menghasilkan tegangan DC sebesar 0.5 sampai 1 volt dan arus short circuit dalam skala milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya dan total menghasilkan tegangan DC sebesar 12V dalam kondisi penyinaran standar. Sel surya hanya merupakan satu komponen penyerap cahaya yang langsung mengkonversi cahaya menjadi listrik. Agar listrik dari sel surya ini dapat dimanfaatkan, maka sel surya membutuhkan apa yang disebut dengan Balance Of System (BOS) yang paling minim terdiri atas baterai (untuk menyimpan kelebihan muatan listrik guna pemakaian darurat atau malam hari), serta controller untuk mengatur secara optimal daya keluaran sel surya.


8

2.2.1

Konstruksi Sel Surya Sel surya terbuat dari beberapa bahan jenis semi konduktor. Bahan

semikonduktor sendiri merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik saat disuplai dengan cahaya atau panas, tetapi pada suhu rendah akan beroperasi sebagai insulator. Pada saat ini 95 persen dari sel surya di dunia dibuat dengan menggunakan Sillikon (Si). Selain sebagai bahan terbanyak kedua di bumi, dalam proses pengolahannya silikon tidak akan merugikan lingkungan. Dengan "hanya" mendopingnya dengan bahan material lain (bahan bermuatan positif atau negatif), silikon dapat digunakan untuk memproduksi sel surya. Dua layer silikon yang telah di doping berbeda akan digabungkan dan menghasilkan p-n junction.

Gambar 2.1 Konstruksi sel surya

2.2.2

Susunan Sel Surya Sel surya tersusun dari potongan silikon yang sangat kecil dengan

dilapisi bahan kimia khusus untuk membuat dasar dari sel surya. sel surya pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Tiap sel surya biasanya menghasilkan tegangan 0,5 Volt. Sel surya


9

merupakan elemen aktif (Semikonduktor) yang memanfaatkan efek fotovoltaik untuk merubah energi matahari menjadi energi listrik.

Gambar 2.2 Susunan Semikonduktor Tipe-N

Gambar 2.3 Susunan semikonduktor tipe-P

Pada sel surya terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (negatif). Semikonduktor jenis-N dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain (umumnya fosfor) dalam batasan bahwa material tersebut dapat memberikan suatu kelebihan elektron.


10

Gambar 2.4 Sambungan Semikonduktor Tipe-N dan Tipe-P

Elektron adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai semikonduktor jenis-N (negatif). Semikonduktor jenis-P juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain (umumnya boron) yang menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas. Kekurangan atau hilangnya elektron ini disebut lubang (hole). Karena tidak ada atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis-P (positif).

2.2.3

Prinsip Kerja Sel Surya Sel

surya

merupakan

suatu

semikonduktor

yang

dapat

menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.


11

Gambar 2.5 Penampang dan Dimensi dari Kristal Silikon

Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan kelima, misalnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon di-doping oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada

semikonduktor

tersebut.

Semikonduktor

ini

dinamakan

semikonduktor tipe-p. Adanya tambahan pembawa muatan tersebut mengakibatkan semikonduktor ini akan lebih banyak menghasilkan pembawa muatan ketika diberikan sejumlah energi tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n maupun tipe-p.


12

Gambar 2.6 Semikonduktor Tipe-P (kiri) dan Tipe-N (kanan)

Gambar 2.7 Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe-P (kiri) dan Tipe-N (kanan) Sambungan P-N

Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipen menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut.


13

Gambar 2.8 Medan Listrik Internal

Elektron-elektron

yang

terlepas

dari

atom-atom

kristal

semikonduktor dapat mengalir sehingga menimbulkan energi listrik karena elektron merupakan partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik. Kehadiran medan listrik pada elektron dapat mengakibatkan elektron bergerak. Hal inilah yang dilakukan pada sel surya sambungan p-n, yaitu dengan menghasilkan medan listrik pada sambungan p-n agar elektron dapat mengalir akibat kehadiran medan listrik tersebut. Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pambawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift,


14

yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik.

Jenis-jenis Sel Surya

2.2.4

A. Monokristal (Mono-crystalline) Merupakan panel yang paling efisien yang dihasilkan dengan teknologi terkini dan menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling

tinggi.

Monokristal

dirancang

untuk

penggunaan

yang

memerlukan konsumsi listrik besar pada tempat-tempat yang beriklim ekstrim dan dengan kondisi alam yang ganas. Memiliki efisiensi sampai dengan 15% - 20% . Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.

B. Polikristal (Poly-crystalline) Merupakan sel surya yang memiliki susunan kristal acak karena dipabrikasi dengan proses pengecoran. Tipe ini memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama. Sel surya jenis ini memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan dengan tipe monokristal.


15

C. Amorphous Silikon amosphous (a-Si) digunakan sebagai bahan baku panel sel surya untuk kalkulator pada waktu tertentu. Meskipun kinerjanya rendah daripada sel surya c-Si (crystaline) tradisional, hal ini tidak terlalu penting dalam kalkulator, yang menggunakan tenaga yang sangat minim. Saat ini, perkembangan pada teknik a-Si membuat mereka menjadi lebih efektif untuk area yang luas yang digunakan sel suryas panel. Efisiensi tinggi dapat dicapai dengan penyusunan beberapa layar sel a-Si yang tipis di bagian atas satu sama lain, setiap rangkaian diatur untuk bekerja dengan pada frekuensi cahaya tertentu. Keuntungan dasar dari a-Si dalam skala produksi yang besar bukan pada efisiensi, tetapi pada biaya. Sel a-Si menggunakan sekitar 1% silikon daripada sell c-Si, dan biaya untuk silikon adalah faktor terbesar dalam biaya sel.

D. Thin Film Photovoltaic Merupakan sel surya (dua lapisan) dengan struktur lapisan tipis mikrokristal-silikon dan amorphous dengan efisiensi modul hingga 8,5% sehingga untuk luas permukaan yang diperlukan per watt daya yang dihasilkan lebih besar daripada monokristal dan polikristal.

2.3 Alat Pengatur Pengisian Baterai (Battery Charger Regulator) Battery Charger Regulator (BCR) adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. BCR mengatur overcharging dan kelebihan tegangan dari sel surya. Kelebihan tegangan dan pengisian akan mengurangi umur baterai.


16

Sel surya 12 V umumnya mempunyai tegangan output 16-21 V. Jadi, tanpa BCR, baterai akan rusak oleh overcharging dan ketidakstabilan tegangan. BCR yang baik biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah terisi penuh maka secara otomatis pengisian arus dari sel surya berhenti. BCR akan mengisi baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan drop, maka akan diisi kembali. BCR terdiri dari 1 input (2 terminal), yang terhubung dengan output sel surya, 1 output (2 terminal) yang terhubung dengan baterai dan 1 output (2 terminal) yang terhubung dengan beban.

1

2

3

Gambar 2.9 BCR (1) Terminal Solar Cell, (2) Terminal Baterai, (3) Terminal Beban

Ada beberapa fungsi yang dimiliki oleh alat BCR ini, yaitu : Pertama, untuk mengatur proses transfer energi dari sel surya yang akan disimpan pada baterai secara efisien dan semaksimal mungkin serta membatasi dan menghentikan arus yang mengalir ke baterai apabila kondisi baterai tersebut dalam keadaan penuh sekaligus melakukan pemindahan hubungan dari baterai yang sudah penuh tersebut untuk


17

mencatu beban baik beban DC maupun AC, apabila untuk mencatu beban AC terlebih dahulu melalui alat bantu inverter sebagai pengkonversi tegangan DC ke AC terlebih dahulu, dengan kata lain berfungsi sebagai indikator proses pengisian maupun pengosongan baterai.

Kedua, alat BCR ini juga dapat berfungsi sebagai proteksi

baterai dari bahaya over charge maupun over discharge. Yang dimaksud dengan Over Charge adalah suatu kondisi di mana terjadi proses pemutusan pengisisan (charging) baterai pada tegangan batas atas dengan tujuan untuk menghindari gassing yang dapat menyebabkan penguapan air baterai dan korosi pada grid baterai sehingga dapat mengurangi life time dari baterai. Sedangkan Over Discharge ialah suatu kondisi di mana proses pemutusan pengosongan (discharging) baterai pada tegangan batas bawah

untuk

menghindari

pembebanan

berlebih

yang

dapat

menyebabkan sulfasi baterai. Fungsi BCR yang lainnya adalah : 1. Membatasi daerah tegangan kerja baterai. 2. Menjaga atau memperpanjang umur baterai. 3. Mencegah beban berlebih terjadinya hubung singkat. 4. Sebagai pusat dari pengkabelan dan kontrol pemindahan (change over) otomatis antara sel surya, baterai dan juga beban. 5. Memberikan informasi kondisi sistem pada pemakaian (indikator).


18

2.4 Baterai Sistem Efisiensi dari sebuah baterai adalah merupakan sekaleng penuh cairan kimia yang dapat menghasilkan elektron-elektron tertentu yang dapat saling berkaitan antara yang satu dengan yang lainnya dan nantinya elektron tersebutlah yang menimbulkan suatu peristiwa reaksi kimia serta mampu menciptakan arus listrik searah yang juga merupakan sumber arus DC yang akan menyuplai tegangan pada beban yang terpasang atau dihubungkan pada alat tersebut. Reaksi

kimia

yang

membentuk

elektron

disebut

reaksi

elektrokimia. Atau dengan kata lain baterai ialah kumpulan sel-sel listrik yang dihubungkan baik secara seri maupun paralel sesuai dengan karakteristik (arus dan tegangan) beban. Kapasitas baterai adalah jumlah dari muatan yang disimpan dalam baterai. Unit atau satuan dari yang umum digunakan di pasaran dalam menentukan kapasitas baterai adalah Ampere-hour (Ah). Semakin besar nilai rating kapasitas Ah yang tertera pada baterai tersebut, maka semakin besar pula kapasitas jumlah amper yang dapat disalurkan untuk pemakaian berbagai jenis beban dan semakin lama waktu yang dipergunakan untuk mengisi atau menyetrum baterai tersebut apabila sudah habis dipakai. Penentuan kapasitas dari sebuah baterai didasarkan pada rata-rata waktu discharge. Sebagai contoh seebuah baterai dengan kapasitas 65 Ah dengan tegangan kerja 12 V, di mana apabila kita membutuhkan arus untuk mencatu beban sebesar 65 Ah, maka baterai ini akan mampu memback-up beban selama 1 jam saja. Untuk penggunaan selanjutnya


19

haruslah discharge atau disestrum terlebih dahulu agar penuh kembali seperti semula. Ditinjau dari pemakaiannya baterai dibagi menjadi dua macam, yaitu : 1. Sel primer (primary cell) Sel listrik primer merupakan sel listrik yang kapasitasnya sudah berkurang atau sudah habis masa/umurnya pakainya, maka material aktifnya tidak bisa dinormalkan kembali seperti semula dan biasanya sel seperti ini disebut juga dengan sel listrik habis/sekali pakai. 2. Sel sekunder (secondary cell) Sel listrik sekunder merupakan sel listrik yang apabila kapasitas pemakaiannya sudah berkurang, maka material aktifnya dapat dinormalkan kembali (diisi ulang) dan biasanya sel listrik seperti itu disebut juga sebagai sistem sel listrik discharge

2.4.1 Tegangan Baterai

Agar sebuah baterai atau sel dapat mengalirkan arus listrik, antara anoda dan katoda harus terdapat beda potensial. Beda potensial ini dapat disebut sebagai tegangan baterai. Tegangan baterai adalah karakteristik dasar dari baterai, yang ditentukan oleh reaksi kimia dalam baterai, konsentrasi komponen baterai, dan polarisasi baterai. Potensial listrik dari kebanyakan reaksi kimia adalah 2 volt, sedangkan kebanyakan beban memerlukan tegangan sebesar 12 V, maka beberapa sel baterai tersebut diserikan sebanyak enam buah, sehingga membentuk baterai yang mempunyai tegangan 12 V. Ada dua jenis tegangan pada baterai, yaitu tegangan sel terbuka (OCV) dan tegangan sel tertutup (CCV).


20

Tegangan rangkaian terbuka adalah tegangan baterai saat tidak diberi beban, sedangkan tegangan rangkaian tertutup adalah pada saat baterai diberi beban. 2.4.2 Kapasitas Baterai

Kapasitas sebuah baterai atau sel adalah banyak muatan yang tersedia dan diungkapkan dalam Ampere-hour (Ah). Ampere adalah unit satuan untuk arus listrik yang didefinisikan sebagai banyak muatan yang melalui sebuah konduktor dalam satu detik. Besarnya kapasitas baterai ini dipengaruhi oleh banyaknya material aktif, elektrolit, dan luas plat. Kapasitas baterai diukur dengan cara melepaskan muatan dengan arus konstan hingga mencapai tegangan terminalnya. Besarnya kapasitas baterai dihitung dengan perkalian arus pelepasan muatan dengan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tegangan terminalnya. C=I.t Dimana :

C = Kapasitas Baterai I = Besarnya arus yang mengalir T = Waktu (jam)

Istilah umum lain yang sering digunakan untuk menggambarkan kemampuan baterai untuk mengirimkan arus adalah tingkat kapasitas (rated capacity) . 2.4.3 Parameter Charging dan Discharging Baterai Karena baterai berfungsi untuk menyimpan energi, maka baterai tersebut akan mengalami siklus charging atau pemberian muatan, dari sel surya / charger lain mengalirkan arus kebaterai, dan siklus discharging atau pelepasan muatan, dari baterai tersebut mengalirkan arus kebeban.


21

Nilai charging, dalam ampere, adalah sejumlah muatan yang diberikan pada baterai persatuan waktu. Sedangkan discharging, dalam ampere, adalah sejumlah muatan yang digunakan kerangkaian luar (beban), yang diambil dari baterai. Nilai charging/discharging ini dinyatakan dalam arus. Dan besarnya bergantung pada kapasitas dari baterai dan lamanya waktu yang dibutuhkan untuk proses tersebut. Nilai discharge ditentukan dengan membagi kapasitas baterai (Ah) dengan jam yang dibutuhkan untuk charging/discharging baterai. contohnya, kapasitas baterai 500 Ah secara teori dapat didischarge untuk tegangan cut off selama 20 jam dengan nilai dischargenya 500 Ah/ 20 h = 25 A. lalu, jika tegangan baterai 12 V, maka daya yang diberikan kebeban adalah 25 A x 12 V = 300 W. Nilai charging dan discharging berpengaruh terhadap nilai kapasitas baterai. Jika baterai didischarge sangat cepat (arus discharge tinggi), maka sejumlah energi yang dapat digunakan oleh baterai menjadi berkurang sehingga kapasitas baterai menjadi lebih rendah. Hal ini dikarenakan kebutuhan suatu materi/komponen untuk reaksi yang terjadi tidak mempunyai waktu yang cukup untuk bergerak ke posisi yang seharusnya. Hanya sejumlah reaktan yang diubah kebentuk lain, sehingga energi yang tersedia menjadi berkurang. Baterai sendiri mempunyai karakteristik, sebagai berikut : 1. Self Discharge Pelepasan muatan sendiri merupakan hilangnya muatan sedikit demi sedikit pada elektroda positif atau/dan negatif saat baterai tidak digunakan (rangkaian terbuka). Salah satu penyebab pelepasan muatan sendiri adalah penurunan sedikit demi sedikit kondisi oksidasi pada elektroda positif. a. Potensial campuran (mixed potential)


22

Reaksi sekunder juga dapat menyebabkan pelepasan muatan sendiri ketika elektroda memungkinkan saat kesetimbangan potensial. Selanjutnya, reaksi sekunder dan reaksi pelepasan muatan akan membentuk “potensial campuran” seperti gambar di bawah ini.

Gambar 2.10 Potensial Campuran antara Pelepasan Muatan Elektroda dan Evolusi Hidrogen yang Menghasilkan Pelepasan Muatan Sendiri.

Kedua reaksi elektrokimia saling mengimbangi sehingga mengakibatkan pelepasan muatan sedikt demi sedikit. Kurva arus/tegangan yang curam menunjukkan pelepasan muatan pada elektroda. Naiknya kurva dengan cepat menunjukkan reaksi tersebut memiliki karakteristik tegangan lebih yang rendah, artinya untuk tingkat pelepasan muatan yang tinggi dapat dicapai dengan tegangan lebih yang rendah. Tingginya tegangan lebih, menandai reaksi evolusi hidrogen, dinyatakan oleh kenaikan bertahap kurva arus. Saat rangkaian terbuka, reaksi pelepasan muatan dan evolusi hidrogen harus seimbang satu sama lain karena tidak ada arus yang melewati kedua elektroda. Hasil dari keseimbangan ini adalah potensial campuran UM pada gambar 2.10. Potensial campuran tidak dalam kesetimbangan potensial, karena terjadi dua reaksi yang yang berbeda


23

sehingga akibatnya terjadi pelepasan muatan bertahap pada elektroda negatif. b. Mekanisme pelepasan muatan lebih lanjut Pelepasan muatan sendiri juga dapat disebabkan oleh zat yang dapat beroksidasi atau mereduksi di elektrolit saat mencapai elektroda positif atau negatif. Efek ini disebut juga “shuttle”. c. Pelepasan muatan sendiri nyata (apparent self-discharge) Setelah sel primer disimpan cukup lama, kenaikan resistansi internal sering disalahartikan sebagai pelepasan muatan sendiri. Kapasitas yang dikirimkan selanjutnya akan berkurang seiring bertambahnya tegangan jatuh, meskipun elektroda masih terisi penuh. d. Rugi kapasitas selama penyimpanan Karena penyebab-penyebab yang telah disebutkan di atas, kapasitas baterai akan berkurang selama penyimpanan. Banyaknya rugi kapasitas baterai ini ditentukan oleh sistem, konstruksi, dan kondisi penyimpanan, seperti temperatur. 2. Depth Of Discharge Pada kebanyakan baterai, energi yang disimpan baterai tidak dapat dikeluarkan semuanya, karena akan memiliki dampak negatif berupa kerusakan dari baterai. Depth of discharge (DOD) ini menentukan daya maksimum yang dapat digunakan dari baterai. Jadi dari kapasitas yang tersedi dari spesifikasinya, tidak semuanya dapat digunakan. Hal ini terjadi karena pengambilan seluruh kapasitas baterai dapat mengurangi


24

lifetime dari baterai. jadi DOD dapat dikatakan energi yang dapat digunakan dari baterai dan ditetapkan oleh manufaktur. 2.5

Arduino UNO Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis

ATmega328. Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller agar dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel USB.

Gambar 2.11 Board Arduino UNO Arduino

memiliki

kelebihan

tersendiri

dibanding

board

mikrokontroller yang lain selain bersifat open source, arduino juga mempunyai bahasa pemrogramannya sendiri yang berupa bahasa C. Selain itu dalam board arduino sendiri sudah terdapat loader yang berupa

USB

sehingga

memudahkan

ketika

kita

memrogram

mikrokontroller didalam arduino. Sedangkan pada kebanyakan board mikrokontroller yang lain yang masih membutuhkan rangkaian loader terpisah untuk memasukkan program ketika kita memprogram mikrokontroller. Port USB tersebut selain untuk loader ketika


25

memrogram, bisa juga difungsikan sebagai port komunikasi serial. Arduino menyediakan 20 pin I/O, yang terdiri dari 6 pin input analog dan 14 pin digital input/output. Untuk 6 pin analog sendiri bisa juga difungsikan sebagai output digital jika diperlukan output digital tambahan selain 14 pin yang sudah tersedia. Untuk mengubah pin analog menjadi digital cukup mengubah konfigurasi pin pada program. Dalam board kita bisa lihat pin digital diberi keterangan 0-13, jadi untuk menggunakan pin analog menjadi output digital, pin analog yang pada keterangan board 0-5 kita ubah menjadi pin 14-19. dengan kata lain pin analog 0-5 berfungsi juga sebagi pin output digital 14-16. Sifat open source arduino juga banyak memberikan keuntungan tersendiri untuk kita dalam menggunakan board ini, karena dengan sifat open source komponen yang kita pakai tidak hanya tergantung pada satu merk, namun memungkinkan kita bisa memakai semua komponen yang ada dipasaran. Bahasa pemrograman arduino merupakan bahasa C yang sudah disederhanakan bahasa pemrogramannya sehingga mempermudah kita dalam mempelajari dan mendalami mikrokontroller. Berikut ini adalah konfigurasi dari arduino UNO : 

Mikronkontroler ATmega328



Beroperasi pada tegangan 5V



Tegangan input (rekomendasi) 7 - 12V



Batas tegangan input 6 - 20V



Pin digital input/output 14 (6 mendukung output PWM)



Pin analog input 6



Arus pin per input/output 40 mA



Arus untuk pin 3.3V adalah 50 mA


26



Flash Memory 32 KB (ATmega328) yang mana 2 KB digunakan oleh bootloader



SRAM 2 KB (ATmega328)



EEPROM 1KB (ATmega328)



Kecepatan clock 16 MHz

Arduino dapat diberikan power melalui koneksi USB atau power supply. Power-nya dipilih secara otomatis. Power supply dapat menggunakan adaptor DC atau baterai. Adaptor dapat dikoneksikan dengan menghubungkan jack adaptor pada koneksi port input supply. Board arduino dapat dioperasikan menggunakan supply dari luar sebesar 6 - 20 volt. Jika supply kurang dari 7V, kadangkala pin 5V akan menyuplai kurang dari 5 volt dan board bisa menjadi tidak stabil. Jika menggunakan lebih dari 12 V, tegangan di regulator bisa menjadi sangat panas dan menyebabkan kerusakan pada board. Rekomendasi tegangan ada pada 7 sampai 12 volt. Penjelasan pada pin power adalah sebagai berikut : 

Vin Tegangan input ke board arduino ketika menggunakan tegangan dari luar (seperti yang disebutkan 5 volt dari koneksi

USB

atau

tegangan

yang

diregulasikan).

Pengguna dapat memberikan tegangan melalui pin ini, atau jika tegangan suplai menggunakan power jack, aksesnya menggunakan pin ini.


27



5V Regulasi

power

supply

digunakan

untuk

power

mikrokontroller dan komponen lainnya pada board. 5V dapat melalui Vin menggunakan regulator pada board, atau supply oleh USB atau supply regulasi 5V lainnya. 

3V3 Suplai 3.3 volt didapat oleh FTDI chip yang ada di board. Arus maximumnya adalah 50mA. Pin Ground berfungsi sebagai jalur pentanahan pada arduino.

Memori ATmega328 memiliki 32 KB flash memori untuk menyimpan kode, juga 2 KB yang digunakan untuk bootloader. ATmega328 memiliki 2 KB untuk SRAM dan 1 KB untuk EEPROM. Input dan Output Setiap 14 pin digital pada arduino dapat digunakan sebagai

input

atau

output,

menggunakan

fungsi

pinMode(),

digitalWrite(), dan digitalRead(). Input/output dioperasikan pada 5 volt. Setiap pin dapat menghasilkan atau menerima maximum 40 mA dan memiliki internal pull-up resistor (disconnected oleh default) 20-50 KOhms. Beberapa pin memiliki fungsi sebagai berikut : 

Serial : 0 (RX) dan 1 (TX) : Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirim (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung pada pin yang koresponding dari USB FTDI ke TTL chip serial.



Interupt eksternal : 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasikan untuk trigger sebuah interap pada low value, rising atau falling edge, atau perubahan nilai.


28



PWM : 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Mendukung 8-bit output PWM dengan fungsi analogWrite().



SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mensuport komunikasi SPI, yang mana masih mendukung hardware, yang tidak termasuk pada bahasa arduino.



LED : 13. Ini adalah dibuat untuk koneksi LED ke digital pin 13.Ketika pin bernilai HIGH, LED hidup, ketika pin LOW, LED mati.

2.6

Driver Motor DC Modul ini memunginkan arduino untuk mendrive 2 buah motor

DC. Modul ini menggunakan IC L298 yang dapat digunakan sebagai driver motor DC. IC ini meggunakan prinsip kerja H-Bridge. Tiap HBridge dikontrol menggunakan level tegangan TTL yang berasal dari output mikrokontroller. Tegangan yang dapat digunakan untuk mengendalikan motor bisa mencapai 48VDC dan arus 2A untuk setiap kanalnya. Untuk pengaturan kecepatan putaran motor pada modul ini dilakukan dengan cara pengontrolan PWM yang dikirimkan ke rangkaian driver oleh arduino.


29

2.7 Motor (aktuator)

Gambar 2.12 Motor (Aktuator) Motor aktuator sering juga disebut rotator atau protator yang intinya adalah sebagai penggerak, digunakan untuk tracking pengarah suatu objek. Berikut adalah bagian-bagian dari motor aktuator : a. Motor (dinamo) Motor ini merupakan motor DC jenis brushed 36V, yang terdiri dari magnet, kumparan dan brush.

Gambar 2.13 Magnet (kiri), Rotor Kumparan (kiri) dan Brush (kanan) b. Gearbox Sistem gearbox terdapat 2 arah, yaitu gerakan dari motor menuju final gear dan dari motor menuju ke limit switch.


30

Final gear berfungsi untuk memanjangkan stik aktuator dan limit switch berfungsi untuk memutuskan arus pada dinamo apabila aktuator sudah sampai batas atas maupun batas bawah.

Gambar 2.14 Final Gear Penghubung Drat Stik Aktuator c. Stik aktuator Pada stik aktuator ini terdapat 2 buah ball join yang berfungsi sebagai dudukan yang fleksibel pada mounting. Bagian dalam stik aktuator ini terdapat drat panjang yang berfungsi

memanjangkan

dan

memendekkan

stik.

Dudukan drat ini di-mounting oleh laker yang sudah paten dengan housing stik aktuator.

Gambar 2.15 Ball join Bawah (kiri) dan Atas (kanan)


31

d. Sistem sensor Hanya terdapat reet switch sensor dan magnet saja pada sistem ini. Magnet berfungsi dipasangkan pada final gear agar mengikuti pergerakan putaran final gear. Reet switch sendiri berfungsi menyensor perpindahan putaran magnet.

Gambar 2.16 Magnet (kiri), Reet Switch (kiri) dan Sensor (kanan) e. Limit switch Limit switch merupakan saklar pemutus arus listrik yang menuju ke dinamo. Bagian penekan limit switch berupa tonjolan yang turut berputar seiring motor berputar, karena bagian ini terhubung dengan gearbox juga. Pada limit switch juga terdapat dioda yang berfungsi sebagai katup penyearah arus listrik (supaya ketika limit switch aktif motor masih bisa berputar balik, namun tidak bisa berputar maju.

Gambar 2.17 Limit switch sensor


32

2.8 LDR (Light Dependent Resistor) LDR terbuat dari Cadmium Sulphide (CdS). LDR merupakan salah satu jenis dari non-linear resistor yang berfungsi mengubah intensitas cahaya menjadi nilai tahanan. Nilai tahanan LDR berubah sesuai dengan intensitas cahaya yang diterima oleh LDR. Bila LDR menerima intensitas cahaya yang besar maka nilai resistansinya akan turun, sehingga

LDR

seolah-olah

merupakan

saklar

yang

terhubung.

Sedangkan bila LDR menerima intensitas cahaya yang rendah maka nilai resistansinya akan naik, sehingga LDR seolah-olah merupakan saklar yang terputus.

Gambar 2.18 Struktur LDR 2.9 Literatur Review Dalam subbab ini akan dibahas review terhadap literatur – literatur terdahulu yang telah membahas tentang solar tracker. 2.9.1 Solar Tracking System Dalam proyek ini Wasana [5] menggunakan 2 buah LDR dan 4 buah Op-Amp sebagai komparator, pertama untuk drive West, kedua untuk drive East, ketiga untuk pembatas dan keempat untuk berhenti. Kekurangan dari proyek ini dibandingkan dengan yang penulis buat adalah menggunakan rangkaian elektronik untuk kontrol pergerakan solar cell yang terlalu rumit, hanya dapat digunakan untuk solar cell


33

berukutan kecil dan tidak adanya sistem penyimpanan daya

yang

dihasilkan solar cell. 2.9.2 Simple Dual Axis Solar Tracker Dalam proyek ini Joshua [6] menggunakan arduino dan 4 buah LDR yang membuat pembacaan cahaya matahari lebih presisi sehingga solar cell dapat menyerap cahaya matahari lebih optimal lagi, akan tetapi motor yang digunakan adalah motor servo yang hanya bisa digunakan untuk solar cell berukuran kecil dan tidak adanya sistem penyimpanan daya. 2.9.3 Kesimpulan Dari kedua literatur diatas dapat dilihat ada kelebihan dan kekurangan dibandingkan dengan solar tracker yang penulis buat. Untuk lebih jelasnya perbandingan antara ketiga proyek dapat dilihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Perbandingan solar tracker Solar Tracker

Simple Dual Axis

Solar Tracking

Berbasis Arduino

Solar Tracker

System

Tipe Kontrol

Arduino

Arduino

Rangkaian Op-Amp

Total Sensor

2 sensor

4 sensor

2 sensor

Tipe Sirkuit

mudah

Mudah

Rumit

Ya

Tidak

Tidak

Deskripsi

Penyimpanan Energi


BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents