SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR CELL 100 WP SEBAGAI SUMBER ENERGI ALTERNATIF PADA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI PADANG
TUGAS AKHIR
Oleh : Parulian Sitorus 74052.2006
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI PADANG 2010
BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Sebagaimana diketahui bahwa matahari adalah sumber penghidupan bagi makhluk hidup, yang diciptakan Tuhan sebagai suatu kelengkapan unsur jagat raya. Energi matahari tersedia dalam jumlah yang sangat besar, tidak bersifat polutif, tidak akan habis namun gratis. Kadang-kadang kita kurang menyadari fungsi dan manfaat matahari terhadap penghidupan makhluk seolah-olah pemanfaatannya adalah otomatis. Jika dicermati dengan baik, energi matahari sangat besar manfaatnya. Misalnya, dengan menggunakan Kollektor Surya kita dapat mengeringkan ikan, jagung, kacang, dan memanaskan air, serta Panel Sel Surya (Solar Cell) dapat digunakan sebagai alat pembangkit tenaga listrik. Kalau saja energi matahari ini dapat digunakan dengan baik maka dapat mengurangi pemakaian energi listrik dari PLN (Perusahaan Listrik Negara), apalagi sekarang sedang menghadapi krisis energi listrik. Kebutuhan energi listrik disesuaikan dengan perkembangan beban listrik suatu daerah. Daerah yang sedang berkembang sudah sepantasnya diberikan prioritas yang tinggi dalam kebutuhan daya listrik, agar sistem pembangkit yang dibangun mempunyai arti penting dan penggunaanya tercapai secara optimal. Kebutuhan masyarakat kota Padang terhadap listrik terasa semakin meningkat. Keadaan ini ditunjukkan oleh meningkatnya penyambungan pelanggan listrik baru di kota Padang. (PT.PLN (Persero) Wilayah SUMBAR Cabang Padang) Selain jumlah pelanggan dan jumlah konsumsi energi listrik meningkat, peningkatan pemakaian energi listrik juga dipengaruhi oleh kondisi geografis suatu wilayah,
faktor musim, jumlah dan perkembangan penduduk suatu wilayah, perencanaan dan jumlah industri. Faktor musim menggambarkan fluktuasi pemakaian oleh pelanggan. Meningkatnya jumlah penduduk akan berdampak langsung terhadap konsumsi energi listrik. Diprovinsi Sumatera Barat pembangkit energi lisrik yang ada masih kurang memadai, sehingga penyaluran energi listrik ke konsumen kurang optimal. Itu terbukti dari seringnya terjadi pemadaman bergilir dibeberapa tempat dikota padang (Harian Padang Express 13 Agustus 2009). Penyaluran energi listrik dikatakan optimal apabila energi listrik tersebut disalurkan secara terus-menerus selama 24 jam nonstop. Apabila terjadi pemadaman energi listrik maka penyaluran energi listrik kurang optimal. Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang merupakan salah satu pelanggan PT. PLN (Persero) Wilayah SUMBAR Cabang Padang Rayon Tabing. Jika terjadi pemadaman energi listrik maka mahasiswa yang sedang praktikum di laboratorium akan terganggu akibat padamnya energi listrik tersebut. Sementara generator pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang ini tidak berfungsi lagi. Kebutuhan akan energi listrik yang semakin meningkat dan keterbatasan sumber energi listrik yang ada sekarang ini, serta dalam rangka menjaga kontinuitas penyediaan sumber energi listrik diperlukan sumber energi alternatif yang berkesinambungan. Sebagai energi alternatif yang relatif tidak akan habis seiring berjalannya waktu dapat diambil dari sumber panas matahari ( surya). Penyediaan akan energi listrik dari sumber alternatif seperti tenaga surya diharapkan mampu menunjang kebutuhan akan energi listrik. Sehingga diperlukan Pembangkit Listrik Tenaga Surya.
Kebutuhan akan sumber daya energi alternatif sudah merupakan isu global sebagai upaya mengantisipasi peningkatan pemakaian energi dan menipisnya sumber energi konvensional secara global. Beberapa sumber energi baru mulai banyak dikembangkan dibeberapa negara maju. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat diperbarui adalah pemanfaatan energi yang berasal dari Matahari (Surya). Energi matahari dapat dimanfaatkan untuk pembangkitan energi listrik melalui Panel Sel Surya (Solar Cell). Jika ditinjau dari letak geografisnya, Provinsi Sumatra Barat atau Kota Padang pada khususnya terletak pada pada bujur 100,357 derajat dan lintang
-
0,882 derajat (Google earth, 2009) yang berada dekat dengan garis Khatulistiwa, relatif memiliki energi matahari sepanjang hari dan berkesinambungan. Dengan tersedianya sumber alternatif seperti energi matahari, maka di Kota Padang sangat potensial untuk pembuatan atau perakitan pembangkit listrik tenaga surya dengan menggunakan Solar Cell 100 WP sebagai sumber energi alternatif tepatnya di Fakultas Tenik Universitas Negeri Padang.
Berdasarkan latar belakang diatas maka penulis tertarik menulis tugas akhir dengan judul “ Sistem Pembangkit Tenaga Surya Dengan Menggunakan Solar Cell 100 WP Pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.”
B. IDENTIFIKASI MASALAH
Beberapa permasalahan dalam penelitian ini dapat diidentifikasikan sebagai berikut: 1. Energi matahari belum dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif pada Fakultas Tenik Universitas Negeri Padang.
2. Perlunya diadakan pembangkit listrik tenaga surya ( PLTS) di Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang. 3. Mahasiswa Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang yang sedang praktikum di laboratorium terganggu akibat padamnya energi listrik. 4. Menjaga
kontinuitas
penyediaan
sumber
energi
listrik
secara
berkesinambungan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Tenik Universitas Negeri Padang.
C. BATASAN MASALAH
Mengingat luas dan banyaknya hal-hal yang perlu diperhatikan dalam proses
pembangkitan
tenaga
listrik
alternatif,
maka
penulis
membatasi
permasalahan yang dibahas dalam penulisan tugas akhir ini, yaitu perakitan dan pengujian
karateristik
sistem
pembangkit
listrik
tenaga
surya
dengan
menggunakan Solar Cell 100 WP pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.
D. RUMUSAN MASALAH
Berdasarkan latar belakang, identifikasi dan batasan masalah, maka penulis merumuskan permasalahan, yaitu:
bagaimana merakit dan menguji
karateristik pembangkit listrik tenaga surya dengan menggunakan Solar Cell 100 WP pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.
E. ASUMSI
Penelitian ini dilandasi oleh asumsi bahwa: 1. Alat ukur yang digunakan untuk mengambil data memenuhi standar
2. Tegangan yang dihasilkan Panel Sel Surya (Solar Cell) 100 WP adalah
tegangan tegangan searah (DC) kemudian disimpan kedalam sebuah baterai atau Accumulator (ACC)
F. TUJUAN
Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Menghitung karateristik pembangkit listrik tenaga surya dengan menggunakan Solar Cell 100 WP pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang 2. Menghitung daya maksimal yang dihasilkan oleh Pembangkit Listrik Tenaga Surya pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang
G. KEGUNAAN
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi masukan dan berguna bagi: 1. Pihak Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang dalam upaya pemanfaatan tenaga listrik alternatif dengan menggunakan Panel Sel Surya (Solar Cell) 2. Pihak penyalur energi listrik dalam hal ini PT. PLN (Persero) (Perusahaan Listrik Negara) sebagai bahan untuk menuju pememfaatan energi listrik alternatif dengan menggunakan Panel Sel Surya (Solar Cell). 3. Mahasiswa Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang sebagai bahan refrensi pemanfaatan energi alternatif sebagai pembangkit tenaga listrik.
H. PENJELASAN ISTILAH
1. Pembangkit Tenaga Listrik Alternatif adalah pembangkit yang memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber penghasil listrik.
2. Panel Sel Surya (Solar Cell) adalah Alat utama untuk menangkap sinar matahari, perubah, dan penghasil listrik.
BAB II KAJIAN TEORI
A. Energi Matahari
Energi matahari dapat dimamfaatkan untuk menunjang kegiatan seharihari, misalnya menjemur pakaian, mengeringkan ikan bagi para nelayan. Untuk keperluan diatas energi matahari dimamfaatkan secara langsung. Selain itu energi matahari dapat dimamfaatkan dengan bantuan peralatan lain, yaitu dengan merubah radiasi matahari kebentuk lain. Menurut (Dahnil Zainuddin, 1989: 2), ada dua macam cara merubah radiasi matahari ke dalam energi lain, yaitu melalui solar cell dan collector .
Menurut (Darwin Sitompul, 191: 83) Energi matahari sangat atraktif karena tidak bersifat polutif, tidak akan habis, dan gratis. Ada dua kelemahan dari matahari adalah sangat halus (dilute) dan tidak konstan.
B. Produksi Energi Thermal
Menurut (Darwin Sitormpul, 1991:101), energi thermal adalah bentuk dasar energi. Artinya, semua bentuk energi yang lain dapat secara sempurna di konversi menjadi energi thermal. Perpindahan kalor atau alih bahang (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu antara dua benda atau material. Perpindahan panas yang terjadi dari suatu benda ke benda lain merupakan hasil dari perbedaan temperatur. Menurut (E.Jasjfi, 1993: 3), panas akan mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah.
Perpindahan panas dilkasifikasikan menjadi : 1. Konduksi Menurut (E.Jasjfi, 1993: 2), jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Perindahan panas dengan cara konduksi membutuhkan medium sebagai pembawa panas. Menurut (E. Setiawan, 1995: 95), Kondusi merupakan suatu mekanisme aliran panas, dimana energi dipindahkan dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah melalui elektron-
elektron pada zat padat atau molekul-molekul suatu bahan saling berbenturan dan dengan demikian saling meneruskan energi panas yang mereka miliki. 2. Konveksi Menurut (E. Jasjfi, 1993: 12), jika suatu plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akaibat terjadinya perbedaan kerapan udara didekat plat itu. Peristiwa ini dinamakan konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas (free convection) untuk membedakannya dari konveksi paksa (forced convection)
yang terjadi apabila udara itu dihembuskan diatas plat itu dengan kipas. Menurut (E Setiawan, 1995: 97) jika aliran fluida melewati zat padat dan temperaturnya berbeda, panas akan berpindah antara fluida dan permukaan zat padat tersebut sebagai hasil dari pergerakan fluida, mekanisme aliran panas ini disebut dengan konveksi. Zat cair dan gas yang panas lebih ringan dari pada zat yang dingin, jadi aan bergerak ke atas.
3. Radiasi Menurut (E. Setaiwan, 1995: 98), panas radiasi merupakan suatu bentuk perpindahan panas dengan cara pancaran energi panas dari zat yang bertemperatur tinggi ke zat yang bertemperatur rendah tanpa memerlukan zat pembawa panas. Perpindahan energi panas lewat radiasi dilakukan oleh gelombang-gelombang elektro magnateik. Menurut (Darwin Sitompul, 1991: 4) energi elektro magnetik adalah suatu bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik, yaitu suatu
bentuk energi murni, artinya tidak berkaitan dengan masa. Radiasi ini terjadi hanya sebagai energi tradisional yang bergerak dengan kecepatan cahaya
C. Radiasi Matahari Sampai Ke Bumi
Sinar matahari yang berupa gelombang elektro magnetic pendek menuju atmosfer dianggap 100% sampai ke permukaan lapisan atmosfer. Tetapi radiasi ini tidak bias diteruskan keseluruhannya karena ada pantulan yang terjadi dan besarnya pantulan 31 %. Berarti radiasi yang dapat diteruskan kedaerah atmosfer hanya 69%. Dari umlah ini akan diserap oleh udara keliling atmosfer sebesar 17,4% dan pantulan permukaan bumi sebesar 4,3 % sehingga sampai kepermukaan bumi tinggal 47,326%. Menurut (Dahnil Zainuddun, 1989: 9), sejumlah nilai yang diserap oleh permukaan bumi, antara lain diserap oleh: Laut
: 37.7%
Samudera
: 14.3%
Kehidupan bumi (tumbuh-tumbuhan,dll) : 0.1% Panas bumi
: 0.02%
Kehidupan manusia
: 0.004%
Angin gelombang
: 0.2%
D. Radiasi Pada Permukaan
Radiasi yang jatuh pada peemukaan material pada umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Dari tiga proses ini maka material akan memiliki refleksivitas (ρ), adsorbsivitas ( ά), dan transmisivitas (τ). Sercara sederhana dapat ditulis Ashrae, 1989: 27.21): τ+ρ+ά=1
Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi tersebut. Refleksi tergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi secara umum ada dua (Dahnil Zainddin, 1989: 42) yaitu : 1. Refleksi spektakular , terjadi seperti pantulan sinar pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul. 2. Refleksi difussi, terjadi berupa pantulan ke segala arah Transmisi memberikan nilai besar radiasai yang dapat diteruskan oleh suatu lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan (Absorbsivitas) dari suatu permukaan merupakan hal yang penting dalam pemamfaatan radiasi seperti pada pemamfaatan radiasi surya. Harga absorbsivitas berlainan untuk sudut datang radiasi yang berlainan. Menurut British Building Research untuk sudut datang o
dibawah 75 harga absorbsivitas terletak antara 0,8 sampai 0,9 dari absorbsivitas yang dimiliki oleh suatu benda. Absorbsivitas memberikan nilai besarnya radiasi yang dapat diserap. Misalnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Ketiga proses tersebut diatas yaitu, absorbsi, refleksi, dan transmisi adalah hal yang penting dalam proses pemamfaatan radiasi surya karena ini menyangkut efektifitas pemamfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya.
E. Elektron
Segala materi/bahan terbuat dari bagian-bagian halus ( partikel) yang dinamakan molekul. Molekul itu adalah bagian terkecil dari suatu bahan yang masih mempertahankan sifat-sifat bahan tersebut. Molekul ini tersusun dari gabungan partikel-partikel yang lebih halus lagi, yang dinamakan atom. Setiap
atom memiliki inti bermuatan positif dan sejumlah elektron yang mengitari inti pada orbit masing-masing. Jarak orbit itu terhadap inti berbeda-beda. Setiap elektron bermuatan negatif membawa muatan listrik terkecil yang ditetapkan hingga sekarang. Muatan itu dinamakan muatan elektronik (Johannes G. Lang, 1969 : 13)
F. Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Pembangkit Listrik Tenaga Surya merupakan sistem pembangkit listrik dengan memanfaatkan panas matahari diubah menjadi tegangan listrik dengan menggunakan sel photovoltaic. PLTS dibangun dari susunan panel sel photovoltaic secara berjajar dalam jumlah yang relatif banyak untuk memperoleh tegangan keluaran yang sesuai.
Gambar 1. Contoh sel photovoltaic (http://id.wikipedia.org)
Notes: 1 charge separation: 2 recombination; 3 unused photon energy (e.g. transmission); 4 reflection and shading caused by front contacts. Gambar 2. Desain dan prinsip kerja sel photovoltaic (The German Energy Society, 2008)
G. Cara Kerja Solar Cell ( Photopoltaic)
Kepingan sel photovoltaic terdiri atas kristal silikon yang memiliki dua lapisan silisium doped, yaitu lapisan solar sel yang menghadap ke cahaya matahari memiliki doped negatif dengan lapisan fosfor, sementara lapisan di bawahnya terdiri dari doped positif dengan lapisan borium. Antara kedua lapisan dibatasi oleh penghubung p-n. Jika pada permukaan sel photovoltaic terkena cahaya matahari maka pada sel bagian atas akan terbentuk muatan-muatan negatif yang bersatu pada lapisan fosfor. Sedangkan pada bagian bawah lapisan sel photovoltaic akan membentuk muatan positif pada lapisan borium. Kedua permukaan tersebut akan saling mengerucut muatan masing-masingnya jika sel photovoltaic terkena sinar matahari. Sehingga pada kedua sisi sel photovoltaic akan menghasilkan beda
potensial berupa tegangan listrik. Perhatikan Gambar 2 di atas, jika kedua sisnya dihubungkan dengan beban berupa lampu menyebabkan lampu akan menyala. Suatu kristal silikon tunggal photovoltaic dengan luas permukaan 100 cm
2
akan menghasilkan sekitar 1,5 watt dengan tegangan sekitar 0,5 volt tegangan searah (0,5 Vdc) dan arus sekitar 2 Amper di bawah cahaya matahari dengan 2
panas penuh (intensitas sekitar 1000W/m ). Perhatikan Gambar 3 berikut.
Gambar 3. Karakteristik sel photovoltaic (http://www.solarserver.de)
Berikut ini adalah salah satu contoh penggunaan pembangkit listrik tenaga surya, di mana panel sel surya dibuat dari kumpulan sel photovoltaic yang membentuk panel. Perhatikan Gambar 4 berikut:
Gambar 4a. Contoh penggunaan sel photovoltaic
Gambar 4b. Contoh penggunaan panel surya untuk PLTS dalam rumah tangga (http://berita-iptek.blogspot.com)
BAB III METODE PENELITIAN
A. Bentuk Penelitian
Penelitian ini merupakan penelitian deskriptif, yaitu melakukan penyelidikan yang tertuju pada pemecahan masalah yang ada pada masa sekarang. Menurut (Travers 1978), metode deskriptif
bertujuan untuk
menggambarkan sifat sesuatu yang tengah berlangsung pada saat riset dilakukan dan memeriksa sebab-sebab dari suatau gejala tertentu. Hal itu dilakukan dengan menghimpun data dan fakta (fact finding) sesuai dengan keadaan sebenarnya.
B. Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah pembangkit listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik alternatif pada Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang
C. Jenis Dan Sumber Data
Jenis data yang dikumpulkan sesuai dengan apa yang dikemukakan dalam batasan penelitian, yaitu : 1. Data intensitas cahaya matahari 2. Data arus dan tegangan yang dihasilkan solar cell pada saat hari cerah, berawan, dan mendung 3. Data jenis kabel dan ukuran penampang yang dipakai
D. Metode Pengumpulan Data
Metode pengumpulan data dalam penelitian ini adalah dengan melakukan observasi, pengamatan dan pengukuran secara langsung di
pembangkit listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik alternatif pada Fakultas Teknik Universitas Negari Padang
E. Teknik Analisis Data
Data-data yang telah didapat dari observasi, pengamatan dan pengukuran secara langsung selanjutnya dianalisis. Adapun teknik pengolahan datanya adalah sebagai berikut: 1. Data intensitas cahaya matahari diambil rata-ratanya setelah dilakukan beberapa kali pengukuran pada saat hari cerah berawan, dan mendung 2. Data dari tegangan yang dihasilkan oleh Solar Cell 100 WP diambil rataratanya setelah dilakukan beberapa kali pengukuran, kemudian diperoleh kesimpulan tentang jumlah tegangan yang dihasilkan oleh Solar Cell 3. Mempelajari dan menganalisa unsur-unsur yang menjadi pertanyaan penelitian dan membandingkan dengan data yang seharusnya menurut ketentuan PUIL 2000 4. Mempersentasikan jumlah yang data yang didapat setelah melakukan penelitian dan analisa
