PENGISI BATERAI OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR CELL Nama: Heru Nugraha. E-mail:
[email protected] Dosen Pembimbing 1: Prof. Busono Soerowirdjo., Ph.D. E-mail:
[email protected] Dosen Pembimbing 2: Any K Yapie, ST., MT E-mail:
[email protected] Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma, Margonda Raya 100 Depok 16424 telp (021) 78881112, 7863788 Tanggal Pembuatan : 1 Oktober 2011 Solar tracker adalah sebuah sistem yang dapat mengikuti cahaya dari matahari untuk menerima energi matahari secara maksimal. Solar tracker menggunakan 2 buah Light Dependent Resistor (LDR) sebagai sensor. Solar sel yang dipasang pada solar tracker tersebut dapat mengikuti mahatari sesuai dengan intensitas cahaya yang diterima LDR dan tegangan keluaran dari solar sel diukur dari waktu ke waktu agar dapat menunjukkan solar sel menyerap energi matahari secara optimal. Hasil pengujian diperoleh bahwa tegangan keluaran dari panel solar sel bervariasi dari 19 Volt (pada pagi dan sore hari) dan 20.8 Volt (pada siang hari). Tegangan dari solar sel lalu dimasukkan ke rangkaian inverter untuk mengubah menjadi tegangan AC 220 Volt / 50 Hertz. Tegangan AC banyak digunakan untuk mensuplai peralatan elektronik.
1. PENDAHULUAN Kebutuhan akan energi yang terus meningkat dan semakin menipisnya cadangan minyak bumi memaksa manusia untuk mencari sumbersumber energi alternatif. Negara-negara maju juga telah bersaing dan berlomba membuat terobosanterobosan baru untuk mencari dan menggali serta menciptakan teknologi baru yang dapat menggantikan minyak bumi sebagai sumber energi. Semakin menipisnya persediaan energi dan juga ketergantungan pada salah satu jenis energi dimana hingga saat ini pemakaian bahan bakar minyak sangat besar dan hampir semua sektor kehidupan menggunakan bahan bakar ini, sementara itu bahan bakar minyak merupakan komoditi ekspor yang dominan untuk pendapatan negara. Dalam upaya pencarian sumber energi baru sebaiknya memenuhi syarat yaitu menghasilkan jumlah energi yang cukup besar, biaya ekonomis dan tidak berdampak negatif terhadap lingkungan. Oleh karena itu pencarian tersebut diarahkan pada pemanfaatan energi matahari baik secara langsung maupun tidak langsung dengan menggunakan panel sel surya yang dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik yang dinamakan solar sel. Solar sel merupakan suatu panel yang terdiri dari beberapa sel dan beragam jenis. Penggunaan solar sel ini telah banyak digunakan di negara-negara berkembang dan negara maju dimana pemanfaatannya tidak hanya pada lingkup kecil tetapi sudah banyak digunakan untuk keperluan industri sehingga energi matahari dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif. Pemasalahan muncul sekarang ini adalah solar sel yang terpasang kebanyakan bersifat statis (diam). Hal ini menyebabkan penyerapan energi
matahari menjadi kurang optimal. Oleh karena itu, perlu untuk dibuat suatu sistem yang dapat membuat solar sel mampu menyerap energi matahari secara optimal dengan cara solar sel mengikuti arah pergerakan dari matahari atau yang disebut dengan solar tracker. Keluaran dari solar sel menghasilkan arus listrik searah (DC). Pada umumnya semua peralatan elektronik memerlukan energi listrik arus bolak-balik (AC) dan hanya peralatan tertentu yang secara langsung dapat digunakan dengan arus listrik DC. Keluaran dari solar sel adalah arus DC yang disimpan ke sebuah akumulator atau baterai. Dari baterai dicatu ke inverter lalu menghasilkan arus AC yang biasa digunakan untuk peralatan rumah tangga, penerangan, sistem telekomunikasi, cadangan energi listrik, serta masih banyak peralatan elektronik lainnya. Dengan semakin meningkatnya kebutuhan energi listrik, maka PLN (Perusahaan Listrik Negara) semakin sulit untuk memenuhi suplai energi listrik, sehingga sering terjadi kekurangan daya pada PLN untuk didistribusikan, yang dapat mengakibatkan matinya listrik. Oleh sebab itu Penulis membuat suatu energi alternatif dimana sumber energi didapat dari cahaya matahari lalu dikonversikan menjadi sumber listrik AC yang akan diaplikasikan untuk cadangan energi listrik. 2. LANDASAN TEORI Energi Surya Sejarah peradaban manusia mencatat bahwa tenaga surya sangat penting terhadap segala aspek kehidupan manusia dan lingkungan sejak awal kehidupan didunia ini.
Ribuan tahun yang silam radiasi surya dapat menghasilkan bahan bakar fosil yang dikenal dengan sekarang sebagai minyak bumi dan sangat bermanfaat bagi manusia. Juga bagi irigasi dan sumber tenaga listrik. Radiasi matahari juga berpengaruh terhadap fotosintesis yang merupakan dasar dari proses pertumbuhan segala jenis tumbuh-tumbuhan yang ada didunia ini. Pengaruh dari matahari dapat pula menimbulkan energi gelombang lautan, energi petir, dan energi angin [1]. Tenaga surya dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dengan menggunakan solar sel, menghasilkan pembangkit listrik tenaga panas surya, menghasilkan listrik dengan menggunakan menara surya, memanaskan gedung secara langsung, memanaskan gedung melalui pompa panas, memanaskan makanan, dan menggunakan oven surya [2] . Matahari tidak memberikan energi konstan untuk setiap titik di bumi, sehingga penggunaannya terbatas. Sel surya sering digunakan untuk daya baterai, karena kebanyakan aplikasi dari tenaga surya hanya sebagai energi sekunder untuk mengatasi padamnya listrik. Prinsip Kerja Solar Sel [3] Secara sederhana solar sel terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika terkena sinar matahari maka akan terjadi aliran elektron. Aliran elektron ini yang disebut sebagai aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari solar sel adalah seperti ditunjukkan dalam gambar 2.1. Bagian utama pengubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian, masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari solar sel. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spektrum dapat dilihat pada gambar 2.2. Oleh karena itu absorber diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin radiasi solar yang berasal dari cahaya matahari.
Lebih detail lagi dapat dijelaskan bahwa sinar matahari yang terdiri dari foton-foton, jika cahaya matahari mengenai permukaaan bahan solar sel maka cahaya matahari akan diserap (absorber), dipantulkan atau dilewatkan begitu saja (lihat gambar 2.3), dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan elektron dari ikatan atomnya, sehingga mengalir arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan elektron dari ikatan kovalennya, energi foton harus sedikit lebih besar atau diatas daripada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka energi ekstra tersebut akan diubah dalam bentuk panas pada solar sel.
Gambar 2.2 Jenis gelombang elektromagnetik secara spektrum Agar efisiensi dari solar sel dapat menjadi tinggi maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan rekombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya.
Gambar 2.3 Transisi radiasi dari solar sel Untuk dapat membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan skala yang lebar, sehingga memungkinkan untuk dapat menyerap sinar matahari yang mempunyai energi sangat bermacammacam tersebut. Salah satu bahan yang sedang Gambar 2.1 Struktur lapisan tipis solar sel
banyak diteliti adalah CuInSe2 yang dikenal merupakan salah satu dari direct semiconductor. Light Dependent Resistor [4] Cadmium Sulphide atau disebut dengan LDR (Light Dependent Resistor) yang ditunjukkan pada gambar 2.4 adalah suatu komponen kimia dengan formula CdS. Aplikasi dari LDR sangat banyak salah satu contohnya yaitu untuk detektor cahaya. LDR merupakan resistor dimana nilai hambatannya dapat naik dan turun yang ditentukan oleh pengaruh besar atau kecilnya intensitas cahaya di sekitar permukaan LDR. LDR juga disebut dengan fotokonduktor. Jika intensitas cahaya yang cukup besar menyinari permukaan LDR maka, foton-foton akan diserap oleh semikonduktor yang memberikan elektron cukup energi untuk melompat ke pita konduksi. Pada akhirnya elektron bebas menghantar listrik, dengan demikian LDR menghasilkan nilai hambatan yang rendah.
a. Studi Pustaka Mencari dan mengumpulkan data dari buku, internet serta literatur yang berkaitan dengan perancangan dan pembuatan alat. b. Perancangan dan Analisa Alat Penulis menjelaskan tahapan yang berkaitan dengan perancangan alat, sebagai berikut : 1. Mengumpulkan bahan-bahan yang akan dipergunakan untuk perancangan alat. 2. Melakukan perancangan rangkaian pendeteksi posisi cahaya matahari. 3. Melakukan perancangan sensor untuk mendeteksi posisi cahaya matahari. Sensor yang digunakan adalah komponen LDR (Light Dependent Resistor). 4. Membuat perancangan konstruksi panel solar sel yang digerakkan oleh motor DC agar mengikuti cahaya matahari. 4. UJI COBA
Gambar 2.4 Light dependent resistor Metode Solar Tracking Terdapat beberapa metode untuk implementasi solar tracking. Pada umumnya dua metode yang digunakan yaitu kontrol secara algoritma dan kontrol secara dinamik. Kontrol secara algoritma adalah melakukan kontrol dengan timer, dimana menggunakan perhitungan waktu antara matahari terbit dan terbenam. Akan tetapi metode kontrol seperti ini kurang baik karena kurang optimal untuk megikuti cahaya matahari. Kontrol secara dinamik adalah melakukan kontrol dengan menggunakan sensor dimana sensor akan mengikuti posisi cahaya matahari dari terbit dan terbenamnya matahari. Kedua metode solar tracking akan dikontrol dengan menggunakan motor. Pada umumnya motor yang digunakan adalah motor DC atau motor stepper. 3. METODE PENELITIAN Metode penulisan yang digunakan oleh penulis dari pembuatan sampai penyelesaian Tugas Akhir terdiri dari dua metode yaitu :
Uji Coba Rangkaian Sensor di Luar Ruangan Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah solar tracker dapat bergerak mengikuti arah matahari. Pengujian dilakukan dari pukul 07:00 hingga 17:00 WIB. Penempatan solar tracker diarahkan ke timur, sehingga solar tracker dapat bergerak ke arah barat mengikuti arah dari cahaya matahari. Pada gambar 4.1 (a) menunjukkan bahwa kondisi awal solar sel pada pagi hari yang menghadap ke arah timur. East limit switch tertekan, hal ini mencegah agar solar sel tidak berputar ke arah timur yang diperlihatkan pada gambar 4.1 (b).
(a)
(b)
Gambar 4.1 Pengujian solar tracker pada pagi hari; (a) Solar tracker menghadap ke arah timur; (b) East limit switch tertekan
Pada siang hari posisi solar sel berada ditengah, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.2.
Pengujian ini dilakukan dengan cara mengukur nilai tegangan dan arus pada baterai, tegangan hubung terbuka (open circuit), dan arus hubung singkat (short circuit) pada solar sel, dan intensitas cahaya. Tabel 4.1 Pengukuran tegangan hubung terbuka, arus hubung singkat dan intensitas cahaya dalam keadaan statis
Gambar 4.2 Pengujian solar tracker pada siang hari
(a)
(b)
Gambar 4.3 Pengujian solar tracker pada sore hari; (a) Solar tracker menghadap ke arah barat; (b) West limit switch tertekan Pada gambar 4.3 (a) menunjukkan bahwa solar sel pada saat sore hari yang menghadap ke arah barat. West limit switch tertekan, hal ini mencegah agar solar sel tidak berputar ke arah barat yang diperlihatkan pada gambar 4.3 (b). Selanjutnya membuat solar sel akan kembali ke arah timur dan berhenti bila menyentuh east limit switch. Pada pengujian ini terdapat kelemahan yaitu beban dari papan solar sel yang berat sehingga motor bekerja menjadi berat dan tidak maksimal mengikuti arah pergerakan matahari dan kedua potensiometer VR1 dan VR2 harus selalu diatur agar papan bergerak sesuai dengan perancangan. Uji Coba Solar Sel Dalam Keadaan Statis Uji coba solar sel dalam keadaan statis dengan cara membuat solar sel menghadap ke atas, tidak mengikuti arah cahaya matahari seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.2. Pengujian ini dilakukan di bawah cahaya matahari dari pukul 07:00 hingga 17:00 WIB setiap setengah jam. Pengujian dilakukan selama tiga hari agar mendapatkan data yang akurat. Hasil dari data pengujian dapat dilihat pada halaman lampiran.
Pada tabel 4.1 solar sel diuji dengan cara mengukur nilai intensitas cahaya, tegangan hubung terbuka (open circuit), dan arus hubung singkat (short circuit) dalam keadaan statis. Pengukuran tegangan hubung tebuka (Vop) Pada tabel 4.1, nilai intensitas cahaya maksimum yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 10990 Lux pada jam 12:00 dengan tegangan hubung terbuka dan arus hubung singkat sebesar 20.80 Volt dan 0.57 Ampere. Sedangkan nilai intensitas cahaya minimum yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 914 Lux pada jam 17:00 dengan tegangan hubung terbuka dan arus hubung singkat sebesar 19 Volt dan 0.10 Ampere.
250.00 200.00 150.00 100.00 50.00
914
1448
3080
4220
6040
6640
7660
9190
9910
10110
10990
10960
8780
10320
8130
6890
5350
2550
3140
2260
0.00 1534
Ham b atan dalam pada solar sel (Oh m )
300.00
Intensitas cahaya (Lux)
Dari tabel 4.2, daya maksimum (P) yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 7.10 Watt pada jam 12:00. Sedangkan daya minimum yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 0.88 Watt pada jam 07:00. Pada gambar 4.5 menunjukkan grafik hubungan daya dengan waktu. Dari gambar 4.5 menunjukkan bahwa solar sel menyerap energi matahari secara maksimum pada siang hari. Sedangkan pada pagi hari penyerapan kurang maksimal.
Gambar 4.4 Grafik hubungan hambatan terhadap intensitas cahaya matahari dalam keadaan statis
8.00 7.00 6.00 Daya (Watt)
Tabel 4.2 Pengukuran tegangan dan arus pada baterai dalam keadaan statis
5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 17:00
16:30
16:00
15:30
15:00
14:30
14:00
13:30
13:00
12:30
12:00
11:30
11:00
10:30
9:30
10:00
9:00
8:30
8:00
7:30
7:00
0.00
Waktu (Jam)
Gambar 4.5 Grafik hubungan daya terhadap waktu dalam keadaan statis
Pada gambar 4.4 menunjukkan grafik hubungan hambatan terhadap intensitas cahaya matahari dalam keadaan statis. Dari grafik dapat dilihat semakin tinggi nilai intensitas cahaya matahari maka semakin rendah nilai hambatan dalam pada solar sel. Sedangkan semakin rendah nilai intensitas cahaya matahari maka semakin tinggi nilai hambatan pada solar sel.
Uji Coba Solar Sel Dalam Keadaan Dinamis Uji coba solar sel dalam keadaan dinamis dengan cara membuat solar sel bergerak menggunakan rangkaian solar tracker. Pada tabel 4.2 solar sel diuji dengan cara mengukur nilai intensitas cahaya, tegangan terbuka dan arus hubung singkat dalam keadaan dinamis. Pada tabel 4.2, nilai intensitas cahaya maksimum yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 10990 Lux pada jam 12:00 dengan tegangan hubung terbuka dan arus hubung singkat sebesar 20.80 Volt dan 0.57 Ampere. Sedangkan nilai intensitas cahaya minimum yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 460 Lux pada jam 17:00 dengan tegangan hubung terbuka dan arus hubung singkat sebesar 18.40 Volt dan 0.08 Ampere. Maka pada gambar 4.8 dapat ditarik sebuah grafik yang menunjukkan hubungan daya dengan waktu dalam keadaan dinamis. Pada gambar 4.7 menunjukkan perbandingan antara gambar 4.4 dan 4.6, dimana uji coba solar sel dalam keadaan dinamis akan menghasilkan nilai hambatan dalam pada solar sel cenderung lebih rendah dibandingkan dengan uji coba solar sel dalam keadaan statis. Hal ini disebabkan pada keadaan dinamis menggunakan solar tracker sehingga solar sel dapat menyerap intensitas cahaya matahari dengan maksimal.
Tabel 4.2 Pengukuran tegangan hubung terbuka, arus hubung singkat dan intensitas cahaya dalam keadaan dinamis
Gambar 4.7 Grafik perbandingan antara gambar 4.4 dan 4.6
H a m b a ta n d a la m p a d a s o la r s e l (O h m )
Tabel 4.5 Pengukuran tegangan dan arus pada baterai dalam keadaan dinamis
250.00 200.00 150.00 100.00 50.00
91 50 10 8 30 10 9 60 10 9 90 99 1 10 0 2 20 94 40 81 00 73 60 70 90 53 50 40 80 11 52 46 0
00 10 94
60
82
75
10 50 53
80
52
44
30
59
0.00
Intensitas cahaya (Lux)
Gambar 4.6 Grafik hubungan hambatan terhadap intensitas cahaya matahari dalam keadaan dinamis. Pada tabel 4.3 solar sel diuji dengan cara mengukur nilai arus dan tegangan yang masuk pada baterai. Dari tabel 4.3, daya maksimum (P) yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 7.1 Watt pada jam 12:00. Sedangkan daya minimum yang dihasilkan pada uji coba ini sebesar 0.79 Watt pada jam 17:00. Maka pada gambar 4.10 dapat ditarik sebuah grafik yang menunjukkan hubungan daya dengan waktu dalam keadaan dinamis.
Pada gambar 4.9 menunjukkan perbandingan antara gambar 4.5 dan 4.8 dimana uji coba solar sel dalam keadaan dinamis mampu menyerap energi matahari dengan baik dibandingkan dengan uji coba solar sel dalam keadaan statis.
8.00 7.00
Da ya (W a tt)
6.00
3.
5.00 4.00
4.
3.00
dari papan solar sel agar motor bekerja tidak terlalu berat mengikuti arah pergerakan matahari. Menggunakan 4 sensor agar solar sel dapat presisi mendeteksi posisi sinar matahari. Pada motor DC lebih baik menggunakan motor servo agar gerakan lebih halus.
2.00 1.00
Waktu (Jam)
Gambar 4.8 Grafik hubungan daya terhadap waktu dalam keadaan dinamis
Gambar 4.9 Grafik perbandingan antara gambar 4.5 dan 4.8 5.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil uji coba dan pembahasan terhadap data yang telah diperoleh maka pada bab ini dapat ditarik kesimpulan: 1. Rangkaian solar tracker dapat mengikuti arah cahaya dari matahari, walaupun harus mengatur nilai potensiometer pada waktu tertentu. 2. Dari hasil pengujian solar sel, dengan menggunakan solar tracker energi matahari dapat diserap lebih optimal dibandingkan dengan tanpa menggunakan solar tracker. 3. Tahanan dalam dari solar sel tergantung dari nilai intensitas cahaya matahari. Bila nilai intensitas cahaya matahari semakin lemah maka tahanan dalam dari solar sel akan semakin meningkat dan bila nilai intensitas cahaya matahari semakin kuat maka tahanan dalam dari solar sel akan semakin menurun. 5.2. 1. 2.
Saran Daya solar sel diperbesar agar energi matahari dapat diserap lebih banyak. Motor yang digunakan untuk solar traker seharusnya dapat mengimbangi beban berat
17:00
16:30
16:00
15:30
15:00
14:30
14:00
13:30
13:00
12:30
12:00
11:30
11:00
10:30
9:30
10:00
9:00
8:30
8:00
7:30
7:00
0.00
DAFTAR PUSTAKA [1] Pudjanarsa, Astu dan Nursuhud, Djati, Mesin Konversi Energi, PT ANDI Yogyakarta, Yogyakarta, 2006 [2] --http://id.wikipedia.org/wiki/Energi_terbarui [28 Juli 2011] [3] Saputra, Wasana, Tugas Akhir S1 Rancang Bangun Solar Tracking System Untuk Mengoptimalkan Penyerapan Energi Matahari Pada Solar Sel, Universitas Indonesia, Depok, 2008 [4] Fazman, Mohammad, Thesis S2 Design and Development of Sollar Tracking, Universiti Teknologi Malaysia, 2010 [5] Widodo, Rusmito Tjatur, Solar Sel: Sumber Energi Masa Depan yang Ramah Lingkungan, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, 2003 [6] -http://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_solar_cel l [26 Juli 2011] [7] Lane, Bill, Tugas Akhir S1 Solar Tracker, Claveland State University, 2008 [8] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993 [9] Gideon, Richard, Schematic For Sun Tracking, 2005 [10] Malvino, Albert Paul, Prinsip-prinsip Elektronik, Edisi pertama, PT Salemba Teknika, Jakarta, 2003 [11] Ahmad, Azizul Bin, Thesis S2 Boost Converter For Stand Alone Photovoltaic Power Supply, Universiti Teknologi Malaysia, 2010
