PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MATAHARI Asep Najmurrokhman, Een Taryana, Kiki Mayasari, M Fajrin. Jurusan Teknik Elektro Universitas Jenderal Achmad Yani
Abstrak
Penyediaan tenaga listrik untuk meningkatkan rasio elektrifikasi di seluruh daerah di Indonesia tidak bisa mengandalkan bahan bakar minyak, karena penyusutan tingkat produksi minyak dan peningkatan jumlah emisi polutan. Untuk mengatasi hal tersebut, pemerintah berupaya melakukan program percepatan pencapaian rasio tersebut melalui program listrik pedesaan dan pemanfaatan energi terbarukan. Salahsatu bentuk energi terbarukan adalah energi panas matahari. Untuk merealisasikan pembangkit listrik tenaga matahari dibutuhkan beberapa komponen yaitu modul sel surya, akumulator, dan inverter. Dalam makalah ini akan dipaparkan kajian tentang prototipe pembangkit listrik tenaga matahari yang dibuat di Laboratorium Teknik Tenaga Listrik Jurusan Teknik Elektro Universitas Jenderal Achmad Yani. Modul sel surya yang digunakan berukuran 120 cm x 30 cm yang tersusun dari 35 keping sensor fotovoltaik. Dalam penelitian, sistem pembangkitan tenaga listriknya diperoleh setelah modul sel surya dihubungkan dengan akumulator dan inverter agar dihasilkan tegangan bolak-balik. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa modul sel surya yang dikoneksikan dengan akumulator dan inverter dapat bekerja dengan baik. Penelitian lanjutan yang terkait dengan optimalisasi penyerapan energi matahari oleh modul sel surya akan dijelaskan. Kata kunci : akumulator, efisiensi, fotovoltaik, inverter, sel surya.
I.
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi semakin lama semakin meningkat sebagaimana laju pertumbuhan pembangunan di Indonesia. Begitu juga dengan kebutuhan energi listrik, hampir di setiap bidang pembangunan membutuhkan energi listrik dalam proses kegiatannya. Hal ini dapat dipahami karena pertumbuhan pembangunan di negara kita ditandai dengan laju pertumbuhan industri, baik industri menengah maupun industri besar sekalipun dan semua itu membutuhkan energi listrik untuk penerangan maupun untuk menggerakan mesin-mesin. Selain untuk keperluan industri juga masih banyak sektor-sektor lain yang sangat memerlukan enegi listrik. Salah satunya yaitu untuk keperluan rumah tangga. Dengan demikian jelaslah bahwa penggunaan energi listrik semakin lama semakin meningkat. Dalam rangka memperkuat ketahanan energi nasional, tantangan dalam penyediaan energi listrik sangat besar. Kondisi kelistrikan saat ini untuk sistem tenaga listrik Jawa, Madura, dan Bali memiliki beban puncak 17000 MW dengan daya netto pembangkitan 21300 MW,
sedangkan kondisi kelistrikan di luar pulau Jawa terjadi defisit daya listrik di beberapa wilayah di Indonesia [1]. Permasalahan tersebut diakibatkan ketidakseimbangan antara penyediaan energi dan permintaan konsumen energi listrik. Selain itu, tantangan penyediaan tenaga listrik juga terjadi pada pemerataan pembangunan infrastruktur dan konsumsi bahan bakar minyak dalam pembangkitan tenaga listrik yang masih tinggi. Penyediaan tenaga listrik untuk meningkatkan rasio elektrifikasi di seluruh daerah di Indonesia tidak bisa mengandalkan bahan bakar minyak, karena penyusutan tingkat produksi minyak dan peningkatan jumlah emisi polutan. Untuk mengatasi hal tersebut, pemerintah berupaya melakukan program percepatan pencapaian rasio tersebut melalui program listrik pedesaan dan pemanfaatan energi terbarukan. Salahsatu bentuk energi terbarukan adalah energi panas matahari. Energi matahari merupakan energi yang dapat dikonversikan menjadi energi listrik untuk dimanfaatkan oleh manusia dalam memenuhi kebutuhan energi yang sangat diperlukan pada masa-masa sekarang ini. Apalagi kita sadari bahwa negara Indonesia terletak pada daerah khatulistiwa yang kaya akan pancaran matahari, karena itu rata-rata musim kemarau (panas) sangat panjang, sehingga kita dapat memanfaatkan kondisi tersebut untuk membangkitkan energi listrik. Namun selain dari keuntungan tersebut kita juga mempunyai dilema dengan musim kemarau tersebut, yaitu kekeringan baik irigasi maupun sumur-sumur air minum. Untuk itulah kita dipacu untuk dapat memikirkan agar kondisi tersebut akan selalu menguntungkan bagi umat manusia. II. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MATAHARI (PLTM) Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi listrik berdasarkan efek fotovoltaik. Efek fotovoltaik adalah peristiwa timbulnya tegangan antar elektroda atau mengalirnya arus listrik akibat radiasi elektromagnetik dari sumber cahaya. Peristiwa tersebut dimulai sekitar tahun 1839 ketika seorang ilmuwan Perancis, Alexander Edmond Becquerel, mengamati efek fotovoltaik dari sebuah elektroda ketika dikenai cahaya [2]. Selanjutnya, ilmuwan Amerika bernama Charles Fritts dianggap sebagai orang yang pertama kali bekerja dengan material semikonduktor yang dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik yang dikenal dengan nama sel surya (solar cell) pada tahun 1883. Dia menggunakan bahan semikonduktor selenium yang dilapisi dengan emas tipis. Saat itu, Fritts hanya menghasilkan tingkat efisiensi 1%. Sejarah perkembangan sel surya mencatat pada tahun 1960, sebuah perusahaan bernama Hoffman Electronics berhasil memproduksi sel surya dengan tingkat efisiensi 14% [3]. Perkembangan terakhir dilaporkan bahwa para ahli di National Renewable Energy Laboratory (NREL) Departemen Energi AS berhasil membuat sel surya dengan tingkat efisiensi 40,8 % [4]. Dengan nilai efisiensi yang relatif kecil memang tantangan pembangkit listrik tenaga matahari ini terletak pada bagaimana membuat terobosan teknologi agar diperoleh efisiensi sel surya setinggi mungkin atau membuat panel surya sebesar mungkin. Sebuah pusat pembangkit listrik dengan tenaga matahari di Olmedilla de Alarcón, Spanyol berkapasitas 60 MW dan merupakan yang terbesar di dunia saat ini. Pembangkit tersebut menggunakan 160.000 panel surya fotovoltaik di lahan seluas 100 hektar dan setara dengan dapat "menghidupi" lebih dari 40.000 rumah. Total biaya yang dikeluarkan adalah sekitar 530 juta dollar U.S dan diharapkan dapat mengurangi emisi gas CO2 sekitar 42.000 ton per tahun [5]. Secara skematik, pembangkit listrik tenaga matahari diperlihatkan pada gambar 1. Skema tersebut memperlihatkan skema pembangkit listrik tenaga surya skala kecil yang dipakai untuk skala rumahtangga. Tegangan DC yang dihasilkan sel surya diubah menjadi tegangan AC dengan menggunakan inverter. Inverter diparalel dengan tegangan jala-jala (misal PLN). Sebagian energi listrik yang dihasilkan sel surya akan dikonsumsi sendiri. Jika berlebih, energi listrik yang dihasilkan bisa dijual ke jaringan PLN. Pembangkit listrik semacam ini tidak memerlukan batere sebagai penyimpan energi.
Gambar 1. Pembangkit Listrik Tenaga Matahari [6] Sementara, skema PLTM yang menggunakan penyimpan energi listrik diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 2. PLTM dengan penyimpan energi listrik [7]
PLTM tidak hanya berguna bagi rakyat Indonesia yang tinggal di daerah kepulauan untuk meningkatkan kemandirian di bidang energi tetapi juga berguna bagi penduduk pulau Jawa yang ingin mengurangi beban PLN atau mengurangi emisi CO2. Di banding pembangkit batu bara, PLTM mempunyai peluang mengurangi lebih dari 1 kg CO2 untuk setiap kWh energi listrik yang dibangkitkannya. Dengan menggunakan teknologi film tipis, PLTM bisa dipasang di kacakaca jendela gedung bertingkat tanpa mengubah tampilan bangunan. Pemasangan PLTM bisa digunakan untuk meningkatkan citra perusahaan dalam memperoleh sertifikat ramah lingkungan. Di banyak negara maju, memiliki sertifikat ramah lingkungan terbukti sangat berguna dalam menarik investor dan menaikkan harga saham [6]. III. PERANCANGAN DAN REALISASI PROTOTIPE PLTM Dalam makalah ini akan diuraikan perancangan dan realisasi prototipe pembangkit listrik tenaga matahari yang dibuat di Laboratorium Teknik Tenaga Listrik Jurusan Teknik Elektro Universitas Jenderal Achmad Yani. Diagram blok perencanaan pembangkit energi listrik menggunakan sel surya diperlihatkan pada gambar 3.
Energi matahari
Solar cell
Dioda
Akumulator
Inverter
Power Suplay 220 VAC 200 W
Gambar 3. Skema pembangkit energi listrik menggunakan sel surya Berdasarkan skema di atas, pembangkit energi listrik memerlukan beberapa komponen, yaitu Solar cell (sel surya) Dioda Akumulator Inverter Terminal power suplay Prinsip utama pembangkit energi listrik menggunakan sel surya ini adalah konversi energi dari energi matahari menjadi energi listrik yang dilakukan oleh sel surya. Energi listrik yang di hasilkan diteruskan ke bagian akumulator melalui dioda. Selanjutnya, energi listrik yang ada di akumulator dibangkitkan oleh inverter sehingga menghasilkan energi listrik yang diinginkan. Panel surya yang dipakai pada perancangan ini berupa 2 set solar cell yang dipasang paralel seperti diperlihatkan pada gambar 4. Sel surya yang digunakan adalah merk Arco Solar model no. M51 buatan USA dengan ukuran 120 cm x 30 cm, tersusun oleh 35 keping sensor fotovoltaik per panel dan memiliki berat 5 kg. Panel surya dipasang menghadap matahari agar mendapatkan panas dan sensor fotovoltaiknya bekerja maksimal sehingga dapat mengalirkan arus dan tegangan yang diinginkan.
Gambar 4. Panel surya yang Diparalel Pada perancangan ini digunakan diode 6 A10 MIC yang dihubung seri terhadap rangkaian solar cell dan akumulator. Dioda juga berpengaruh terhadap jalannya arus listrik dari panel surya ke beban. Adapun fungsi dari dioda pada rangkaian ini adalah sebagai penahan feed back atau umpan balik arus listrik apabila tegangan berlebih pada saat panel surya dipanaskan. Penggunaan diode dapat mengamankan komponen solar cell nya karena apabila terjadi feed back maka solar cell tidak akan dapat bekerja secara optimal. Dioda yang dipilih memiliki arus 6 Ampere berdasarkan perhitungan berikut:
Watt solarcell = IDioda Vsolarcell 72 watt =6A 12V Panel surya apabila terkena panas matahari akan membangkitkan arus listrik. Arus listrik tersebut dapat disimpan pada sebuah batere atau akumulator agar dapat dimanfaatkan setiap saat baik malam hari maupun pada saat mendung dan matahari tidak muncul. Akumulator atau batere yang digunakan dalam rangkaian pembangkit listrik energi surya adalah Akumulator Merk GS 38 Ah 12V DC seperti diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 5. Akumulator Untuk mengubah tegangan dari 12 Volt DC menjadi 220 Volt AC maka harus menggunakan inverter. Inverter yang dirancang disini adalah Inverter 220VAC; 300VA; 50 Hz seperti terlihat pada gambar 6. Inverter ini memiliki sensor panas dan alarm untuk mengisyaratkan kekuatan beban yang dapat dipakai oleh inverter tersebut. Frekuensi 50 Hz adalah untuk menyamakan frekuensi pada alat-alat rumah tangga agar tidak mudah rusak. Realisasi rangkaian dalam inverter diperlihatkan pada gambar 7.
220
V AC
0
220 24 CT 10 A
TRANSFORMATOR
30 A 0, 1 µF
R1
R2
R3
C1 25 V
R4
C3
C2 DC 12 V
6, 8 KO
2N 2102
2N 2102
HEAT SING 2N 3055
2N 3055
HEAT SING
R5
IN 4001
R6
Gambar 6. Inverter 220 VAC 200 Watt, 50 Hz
Gambar 7. Rangkaian dalam Inverter Beban yang dirancang adalah menggunakan 4 buah lampu pijar yang terdiri dari 3 buah lampu @ 40 watt dan 1 buah lampu @ 60 watt yang diparalelkan agar lampu dapat menyala terang. Lampu-lampu pijar tersebut dirancang dalam sebuah miniatur atau maket rumah-rumahan yang didalamnya dipasang 4 buah lampu pijar dan dilengkapi instalasi listriknya sesuai PUIL 2000. Realisasi prototipe pembangkit listrik tenaga matahari yang dirancang diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Realisasi rangkaian IV. PENGUJIAN ALAT
Pengujian alat dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja dari sistem yang dirancang. Pengujian ini meliputi pengujian panel surya, pengujian akumulator, dan pengujian dengan menggunakan beban listrik. Pada pengujian panel surya didapat pengukuran yang menghasilkan tegangan 17 VDC. Panel surya dipasang paralel agar diperoleh arus sebesar 1 A. Arus listrik yang dihasilkan panel surya tergantung dari cahaya matahari. Apabila cuaca mendung atau hujan, maka besar tegangan turun dan arus juga menjadi lebih kecil sampai 0,3 A. Untuk mengisi akumulator 38 Ah diperoleh perbandingan arus dan waktunya yang diperlihatkan pada tabel 1. Tabel 1. Hasil Pengisian Akumulator No 1 2 3 4
Iin (A) 0,5 0,7 0,8 1
waktu(jam) 76 54,2 47,5 38
Gambar 9. Amperemeter pada saat pengisian Akumulator
Gambar 9 memperlihatkan arus yang terbaca saat pengisian akumulator ketika cuaca mendung atau matahari tidak terlalu bersinar. Arus akan membesar apabila matahari terik atau pada jamjam tertentu misalnya jam 11.00 sampai jam 14.00. Pengisian akumulator maksimal sehari hanya mencapai 6 s/d 7 jam dan dalam 7 hari maka akumulator tersebut akan penuh dan dapat digunakan secara maksimal lagi. Pada pengujian inverter, sebelum dilakukan pengujian, inverter harus diperiksa terlebih dahulu dari bentuk fisik dan komponen yang ada didalamnya. Inverter 300 VA ; 220 V ; 50 Hz yang dirancang memiliki sensor alarm yang apabila beban sudah melebihi batas atau battere tidak cukup memberi tegangan pada inverter maka inverter tersebut akan berbunyi, yang
menandakan bahwa beban yang ada harus dikurangi. Inverter juga dilengkapi dengan kipas (blower) yang fungsinya untuk mengurangi panas pada inverter tersebut. Sementara itu, hasil pengukuran pada rangkaian panel surya diperlihatkan pada tabel 2. Tabel 2. Pengukuran Tegangan Panel Surya Tegangan Panel 1
Tegangan Panel 2
Tegangan setelah diparalel
Tegangan setelah dipasang Aku
17 V
17 V
17 V
12V
Pada tabel 2 pengukuran panel surya didapat setiap tegangan pada panelnya adalah 17 VDC. Akan tetapi setelah diberi beban ke akumulator tegangan menjadi drop 12 V. Hal tersebut diakibatkan tegangan yang ada pada sel surya menyesuaikan dengan tegangan bebannya. Kondisi ini dapat disimpulkan bahwa akumulator berfungsi sebagai regulator tegangan. Adapun data pengukuran rangkaian akumulator diperlihatkan pada tabel 3 dan pengukuran arus akumulator ke beban diperlihatkan pada tabel 4. Tabel 3. Rata- rata Pengukuran Arus dan Tegangan No
Jam
I solar cell
V accu
1
09.00
0,5 A
10 V
2
10.00
0,75 A
10 V
3
11.00
0,85 A
10,15 V
4
12.00
1A
10.55 V
5
13.00
1A
11.2 V
6
14.00
1A
11.9 V
7
15.00
1,05 A
12 V
Tabel 4 Data Pengukuran Arus Akumulator ke Beban No 1 2 3 4 5 6 7
Beban 40 Watt 65 Watt 80 Watt 100 Watt 140 Watt 180 Watt 200 Watt
T (jam) 10 Jam 7,5 Jam 5,8 Jam 4,4 Jam 3 Jam 2,5 Jam 2,2 Jam
I Input 3,5 A 5A 6,5 A 8,5 A 12,5 A 15 A 17 A
I Output 0,18 A 0,2 A 0,33 A 0,4 A 0,6 A 0,7 A 0,8 A
Dari tabel 3 dapat diamati bahwa arus yang dihasilkan oleh sel surya cukup besar saat matahari tepat di atas permukaan bumi. V. KESIMPULAN
Telah diuraikan beberapa hal terkait dengan pembangkit listrik tenaga matahari dan prototipenya yang dibuat di Laboratorium Teknik Tenaga Listrik Jurusan Teknik Elektro Universitas Jenderal Achmad Yani. Dari hasil perencanaan, perancangan, dan pengukuran yang telah dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : a. Dengan memanfaatkan energi matahari sebagai sumber energi, maka dapat memperoleh pembangkit energi listrik yang ramah lingkungan. b. Panel surya dipasang paralel supaya mendapatkan tegangan yang stabil serta dapat memperbesar arus yang dikeluarkan oleh setiap sel surya. c. Pengisian akumulator 38 Ah menggunakan panel surya selama 38 Jam per 1A atau 6 hari per 7 jam. d. Hasil pengujian pada pembangkit energi listrik 220 VAC; 200 watt; 50 Hz menggunakan solar cell panel dan Inverter adalah 2 Jam untuk akumulator 38 Ah. e. Tegangan yang masuk ke inverter pertama-tama adalah 12 VDC kemudian diubah menjadi 220 VAC dan dapat digunakan untuk penerangan sebesar 200 watt. Sebagai tindak lanjut dari penelitian ini diantaranya membuat penggerak panel surya sehingga bisa terus-menerus menghadap ke arah datangnya sinar matahari. Hal tersebut dilakukan dengan menambahkan sensor cahaya yang kemudian dihubungkan dengan pengendali mikro yang akan mengatur gerak motor sehingga panel surya bisa mendapatkan sinar matahari dengan jumlah maksimum. DAFTAR PUSTAKA [1] Sambutan Direktur Teknik dan Lingkungan Ketenagalistrikan dalam Seminar Nasional Modern Electrical Engineering and Its Application di Universitas Kristen Maranatha, 20 Maret 2010 [2] http://www.mrsolar.com/content/photovoltaic_effect.php diakses tanggal 21 Mei 2010 pukul 23.07 WIB [3] http://wikipedia//Timeline_of_solar_energy.htm#1800s diakses tanggal 21 Mei 2010 pukul 23.24 WIB [4] http://www.nrel.gov/news/press/2008/625.html diakses tanggal 21 Mei 2010 pukul 23.27 WIB [5] http://forum.vivanews.com/showthread.php?t=7802 diakses tanggal 22 Mei 2010 pukul 00.28 WIB [6] Dahono, P. A. (2008): Pembangkit Listrik Energi Terbarukan. Diakses dari http://konversi.wordpress.com/2008/11/03/pembangkit-listrik-energi-terbarukan/ tanggal 22 Mei 2010 pukul 00.09 WIB [7] http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:pu6grzF0rn-YSM diakses tanggal 22 Mei 2010 pukul 00.18 WIB
