Jaka Rinanda1, Gigih Prabowo2, M. Machmud Rifadil3
D4 Jurusan Teknik Elektro Industri,Politeknik Elektronika Negeri Surabaya,
1
[email protected],[email protected],[email protected].
ABSTRAK
Kebutuhan energi terus meningkat karena semakin berkembangnya teknologi di dunia, sehingga diperlukan energi alternatif untuk menggantikan sumber energi fosil. Maka dibuatlah penelitian yang memanfaatkan energi alternatif berupa angin dan cahaya matahari sebagai sumber utama yang akan dikonversi menjadi sumber energi listrik. Penelitian ini menggunakan kincir angin vertikal tipe savonius berbentuk ventilator yang digunakan sebagai penggerak generator DC untuk membangkitkan tegangan 4 – 30 Vdc. Tegangan keluaran generator DC yang berubah – ubah diatur oleh buck – boost converter agar tegangan output yang dihasilkan stabil 14,4. Selain menggunakan kincir angin untuk menghasilkan sumber listrik, di sini juga akan digunakan solar cell (tenaga cahaya matahari) dengan maksimum daya sebesar 150 WP untuk membangkitkan tegangan 15-17 Vdc. Tegangan keluaran solar cell yang berubah-ubah akan diatur oleh Buck Converter agar tegangan output yang dihasilkan satbil 14,4 V. Tegangan keluaran dari masing-masing konverter akan diseri dan digunakan untuk pengisian akumulator 24V/45 Ah yang akan menjadi sumber tenaga listrik untuk menyalakan lampu LED yang mempunyai kuat cahaya (lumen) setara 1000 W halogen dan motor DC untuk memutar reflektor lampu seperti yang ada pada mercusuar. Diharapkan generator DC dapat menghasilkan tegangan hingga 30 V dan solar cell dapat menghasilkan tegangan sebesar 17 V. Serta konverter buck-boost dan buck mampu menghasilkan tegangan yang konstan sebesar 14,4 V dan menghasilkan A sebesar 2 A untuk buck-boost dan 7 A untuk buck yang selanjutnya akan diseri lalu digunakan untuk men- charging akumulator sebsar 24 V/45 Ah dengan waktu 8-10 jam dalam sehari.
Kata kunci: kincir angin, solar cell, dc – dc converter, akumulator, mikrokontroller PENDAHULUAN
Dengan semakin berkembangnya teknologi di dunia, kebutuhan energi di dunia juga ikut meningkat. Kenaikan kebutuhan energi tersebut akan terus meningkat seiring kenaikan angka pertumbuhan penduduk di dunia. Semua pertumbuhan ini menyebabkan bertambahnya jumlah rumah, beragam bangunan komersial serta industri. Jika diasumsikan rata-rata pertumbuhan kebutuhan listrik adalah sebesar 7 persen per tahun selama kurun waktu 30 tahun, maka konsumsi listrik akan meningkat dengan tajam, contohnya pada sektor rumah tangga, konsumsi akan meningkat dari 21,52 gigawatt hour (GWh) di tahun 2000 menjadi sekitar 444,53 GWh pada tahun 2030. Menurut data dari kementerian ESDM (Energi Sumber Daya dan Mineral) terdapat empat sektor utama pengguna energi, yaitu sektor rumah tangga, komersial, industri dan transportasi. Saat
ini pengguna energi terbesar adalah sektor industri dengan pangsa 44,2%. Konsumsi terbesar berikutnya adalah sektor transportasi dengan pangsa 40,6%, diikuti dengan sektor rumah tangga sebesar 11,4% dan sektor komersial sebesar 3,7%. Sebagian besar energi yang dikonsumsi merupakan energi fosil yang tidak dapat diperbaharui (renewable resources). Ketersediaan energi fosil sebagai sumber energi utama sangat terbatas dan terus mengalami ancaman kelangkaan kerena penggunaan energi tersebut dalam skala besar dan secara terus menerus. Perlu adanya sumber energi alternatif baru yang dapat diperbaharui (renewable resources) untuk menggantikan sumber energi fosil. Selain itu angka polusi yang diakibatkan dari pembangkitan energi bahan bakar fosil tersebut sangat besar.
113 BAHAN DAN METODE
Bahan
Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat – tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas)) bisa saja tercipta saat kincir berputar.
Solar Cell
SolarPanel merupakan suatu semikonduktor yang memanfaatkan energi cahaya matahari sebagai sumbernya dan akan diubah menjadi energi listrik. Solar Panel ini sangat ramah lingkungan karena tidak menghasilkan polusi pada saat proses konversi ke energi listrik. SolarPanel juga cukup menjanjikan dimana potensi energi cahaya matahari yang sangat melimpah dan tidak akan pernah habis.
Jenis-jenis material pembentuk SolarPanel antara lain:
1. Silikon Kristal 2. Thin-Film
3. Cadmium Telluride Solar cell 4. Copper Indium Gallium Selenide 5. Gallium Arsenide Multijunction
6. Light-Absorbing Dyes (Penyerap Cahaya Berwarna)
7. Organic/Polymer Solar cell 8. Silicon Thin-Film
9.
Prinsip kerja dari solar panel identik dengan semikonduktor dioda. Ketika cahaya menyentuh
solarpanel dan diserap oleh bahan semikonduktor tipe p dan n (p-n junction semiconductor), sehingga elektron akan terlepas. Apabila elektron tersebut dapat menjangkau bahan semikonduktor pada lapisan yang berbeda maka akan terjadi perubahan gaya total pada bahan tersebut. Gaya tolak antar-bahan semikonduktor dapat menyebabkan aliran medan listrik.
Generator DC
Generator merupakan sumber utama dari semua energi listrik yang dipakai sekarang ini dan merupakan konverter energi terbesar di dunia. Pada prinsipnya tegangan yang dihasilkan generator bersifat bolak-balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan searah karena telah mengalami proses penyearahan.
Generator adalah sebuah mesin yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa tegangan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis gaya. Hukum tangan kiri berlaku pada generator, di mana terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah medan magnet, dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi. Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan.
Buck-Boost Converter
Pada beberapa aplikasi industri, diperlukan peralatan yang dapat mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi tegangan DC yang bersifat variabel yaitu menggunakan DC chopper dan biasa disebut DC ke DC. DC chopper dapat digunakan sebagai regulator mode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC, yang tidak teregulasi menjadi tegangan DC yang teregulasi. Regulasi tidak biasa dicapai melalui pengaturan PWM (Pulse Width Modulation) pada frekuensi tertentu dan devais pensaklaran menggunakan BJT, MOSFET, atau IGBT. Salah satu jenis
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX, Fakultas Sains dan Matematika, UKSW Salatiga, 21 Juni 2014, Vol 5, No.1, ISSN :2087-0922
114 topologi dasar pensaklaran yaitu Buck-boost converter. Prinsip kerja buck-boost converter dapat diklasifikasikan ke dalam prinsip kerja DC Chooper step up dan DC Chooper step down, tegangan keluaran dari buck – boost converter dapat dibuat lebih besar atau lebih kecil dari tegangan masukannya.
Gambar 1. Rangkaian buck-boost converter Buck Converter
DC chopper dapat digunakan sebagai regulator mode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC, yang tidak teregulasi menjadi tegangan DC yang teregulasi. Regulasi tidak biasa dicapai melalui pengaturan PWM pada frekuensi tertentu dan devais pensaklaran menggunakan BJT, MOSFET, atau IGBT. Salah satu jenis topologi dasar pensaklaran yaitu buck. Prinsip kerja buck dapat diklasifikasikan ke dalam prinsip kerja DC Chooper step down, tegangan keluaran dari buck selalu lebih kecil dari tegangan masukan.
Gambar 2. Rangkaian Buck Konverter beserta Mode Pensaklaran
Metode
Metode yang digunakan pada penelitian kali ini ialah charging aki dengan menggunakan renewable energy yaitu angin dan cahaya matahari. Berikut adalah blok diagram sistem:
Gambar 3. Blok diagram sistem HASIL DAN DISKUSI
Pengujian Generator DC
Berikut adalah pengujian generator DC melalui kincir angin yang terhubung. Pengujian ini dilakukan di rooftop PENS pada pukul 16.11- 16.30 WIB
Tabel 1. Pengukuran tegangan output generator DC di rooftop D4 PENS pukul 16.11-16.30 WIB
115 Tegangan Output Generator DC (V) Kecepatan Angin yang Berhembus (m/s) 12 5,6 13 5,6 20 6,3 19 5,9 0 0 0 2,4 8 5,2 7 5 21 6,7 22 6,7 23 7,2 17 5,7 19 6,3 23 7,1 Pengujian Solar cell
Berikut adalah pengujian generator DC melalui kincir angin yang terhubung. Pengujian ini dilakukan di rooftop PENS
Tabel 2. Pengujian solar cell di rooftop PENS- ITS kondisi cerah
Pengujian Buck Converter
Konverter buck merupakan step down DC-DC konverter yang mengeluarkan tegangan keluaran bedasarkan tegangan masukan dan besar duty
cycle sinyal PWM yang men-drive bagian switching yang dalam hal ini digunakan MOSFET IRFP460.
Tabel 3. Pengujian efisiensi konverter buck dengan beberapa duty cycle dengan tegangan masukan 22 V
Pengujian Buck-Boost Converter
Tabel 4. Pengujian efisiensi konverter buck-boost dengan beberapa duty cycle dengan tegangan masukan
22 V
KESIMPULAN
Dari penelitian dengan metode yang digunakan ini dapat ditarik beberapa kesimpulan:
1. Sangat memungkinkan charging dapat dilakukan terhadap aki karena hasil pendataan yang cukup bagus
2. Kemungkinan gagal pada umumnya disebabkan dari keadaan alam yang kurang mendukung atau terjadi kerusakan pada alat atau sistem.
Diharapkan pada penelitian ini bisa dapat diimplementasikan pada kondisi nyata dan masih banyak perbaikan yang harus dilakukan. Untuk Jam Tegangan (V) Arus (A) Hambatan (Ω) 08.00 18,9 1,61 14,5 09.00 19,2 1,65 14,5 10.00 18,5 1,6 14,5 11.00 17,63 1,59 14,5 12.00 19,27 1,7 14,5 13.00 18,4 1,6 14,5 14.00 17,77 1,6 14,5 15.00 15,67 1,4 14,5 16.00 5,81 0,6 14,5 16.30 11,24 1 14,5 17.00 7,14 0,6 14,5
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX, Fakultas Sains dan Matematika, UKSW Salatiga, 21 Juni 2014, Vol 5, No.1, ISSN :2087-0922
116 kedepannya akan dicoba langsung pada beban aki (charging aki).
DAFTAR PUSTAKA
[1] Effendi, Ir. Moh. Zaenal.,Capter 3 DC to DC Converter .pdf, 2007.
[2] Choirul Saleh Wisudawan, Muhammad,
“PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN
UNTUK PENGISIAN BATERAI,” Surabaya:
Proyek akhir PENS-ITS, 2013.
[3] Amrullah, Fikri, “Rancang Bangun Sistem Pengisian Battery Charger Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin,” PENS-ITS, Surabaya, 2007.
117