(Skripsi)
Oleh
MUHAMMAD ZAINI
FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS LAMPUNG
PERBANDINGAN KINERJA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DENGAN BEBAN AC (Alternating Current) DAN
BEBAN DC (Direct Current)
Oleh
MUHAMMAD ZAINI Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada
Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Pertanian Universitas Lampung
FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS LAMPUNG
ABSTRAK
PERBANDINGAN KINERJA SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DENGAN BEBAN AC (Alternating Current) DAN
BEBAN DC (Direct Current)
Oleh
Muhammad Zaini
Peralatan elektronik di Indonesia umumnya digunakan dalam bentuk arus AC (alternating curent), sedangkan energi yang dikeluarkan oleh panel surya memiliki arus searah atau DC (direct current). Untuk itu, jika ingin menggunakan alat elektronik tersebut harus merubahnya ke dalam arus AC dengan menggunakan inverter. Penambahan inverter dapat meningkatkan daya yang dibutuhkan oleh beban AC dikarenakan daya yang digunakan sebagian untuk menghidupkan inverter. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh jenis beban (AC atau DC) terhadap kinerja panel surya. Pengujian panel surya teridiri dari 3 modul dengan besaran daya dan jenis beban yang berbeda, yaitu DC 5W, 15W, dan 65W serta AC 15W, 18W, dan 25W. Parameter yang diamati meliputi voltase dan arus yang dihasilkan dari panel surya, inverter, dan baterai. Besarnya energi radiasi matahari pada hari pengamatan diperoleh dari stasiun klimatologi Politeknik Negeri Lampung.
Hasil pengujian didapatkan bahwa energi yang dikeluarkan oleh baterai ke beban AC 15W, 18W, dan 25W berturut-turut adalah 4,10 MJ, 2,8 MJ dan 3,71 MJ; sedangkan energi yang dibutuhkan beban berturut-turut adalah 2,04 MJ (49,4%), 2,39 MJ (96,8%), dan 1,78 MJ (48,1%). Energi yang yang dikeluarkan oleh baterai dan digunakan untuk mengoperasikan inverter berturut-turut adalah 50,6%, 3,2% dan 51,9%. Energi yang digunakan beban DC 5W, 15W, dan 65W adalah 0,64 MJ (8,07%), 3,08 MJ (55,9%), dan 2,12 MJ (49,5%). Dapat disimpulkan bahwa penggunaan beban DC lebih efisien dibandingkan beban AC.
ABSTRACT
THE COMPARISON PERFORMANCE SYSTEM OF SOLAR ENERGY WITH AC (Alternating Current) LOAD AND DC (Direct Current) LOAD.
By
Muhammad Zaini
Electronic equipment in Indonesia are generally used in the form of AC (alternating curent), while the energy released by the solar panels have a Direct Current or DC. Therefore, if you want to use the electronic devices must change into alternating current by using an inverter. Addition of inverter can increase the power needed by the AC load, because of the power used in part to turn the inverter. The objective of this research was to compare the performance of solar panel under AC and DC load utilization. Experiments was conducted by testing a solar panel consisted three moduls under different load types and sizes, namely DC 5W, 15W, and 65W as well as AC 15W, 18W, and 25W. Analysis was performed on the important parameters, including solar insolation, voltage, and electric current. Data for solar insolation at the observation days were collected from Climatology Station of Politeknik Negeri Lampung.
The results showed that the energy expended by the battery to the AC load 15W, 18W, and 25W respectively MJ 4.10, 2.8 and 3.71 MJ; energy required by loads was 2,04 MJ (49,4%), 2,39 MJ (96,8%), and 1,78 MJ (48,1%). The energy released from battery and used to operate the inverter was 50,6%, 3,2% dan 51,9%, respectively. Energy used DC load 5W, 15W, and 65W is 0.64 MJ (8.07%), 3.08 MJ (55.9%), and 2.12 MJ (49.5%). It was concluded that solar panel system was more efficient using DC loads as compared to AC loads.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bandar Lampung pada tanggal 07
Agustus 1991, sebagai anak ke-5 dari 5 bersaudara
keluaraga Bapak Ahmad Zailani (Alm) dan Ibu Johariyah.
Penulis menyelesaikan pendidikannya mulai dari Sekolah
Dasar di Madrasah Ibtidaiyah Nahdathul Ulama ( MI NU)
Tanjung Karang pada tahun 1998 – 2004, Madrasah Tsanawiyah Negeri 1 (MTs N
1) Bandar Lampung pada tahun 2004 – 2007, Sekolah Menengah Atas Negeri 1
(SMA N 1) Bandar Lampung pada tahun 2007 – 2010 dan terdaftar sebagai
mahasiswa S1 Teknik Pertanian di Universitas Lampung pada tahun 2011.
Pada tahun 2014 penulis melaksanakan Praktik Umum (PU) di Perusahaan Umum
(Perum) Badan Urusan Logistik (Bulog) Divisi Regional Lampung dan
melaksanakan Kuliah Kerja Nyata (KKN) pada tahun 2015 di Kampung Way
Tuba Kecamatan Gunung Labuhan Kabupaten Way Kanan. Penulis pernah
tergabung sebagai Wakil Ketua Umum Persatuan Mahasiswa Teknik Pertanian
(PERMATEP) Unila pada periode 2013-2014 dan Ketua Umum Unit Kegiatan
Mahasiswa Universitas (UKM-U) Pusat Informasi dan Konseling Mahasiswa
Respect and Advocation Youth Association (UKM-U PIK M RAYA). Penulis berhasil mencapai gelar Sarjana Teknologi Pertanian (S.TP.) S1 Teknik Pertanian
Penulis pernah menjadi Duta Mahasiswa Generasi Berencana pada tahun 2014
mewakili provinsi lampung di tingkat Nasional dan berhasil meraih gelar Duta
Persahabatan dan masuk ke dalam 10 besar Duta Mahasiswa GenRe tingkat
Nasional 2014 di Jakarta.
i SANWACANA
Alhamdulillahirabbil alamin, puji syukur penulis haturkan kepada Alloh SWT,
yang tidak pernah berhenti memberikan kesehatan, kesabaran dan rahmat-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “ Perbandingan
Kinerja Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Dengan Beban AC (alternating current) dan Beban DC (direct current)” Merupakan salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Prtanian (S.TP) di Jurusan Teknik
Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung.
Pada kesempatan kali ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1.Dr. Ir. Agus Haryanto, M.P. selaku ketu Jurusan Teknik Pertanian serta
menjadi pembimbing pertama yang telah memberikan bimbingan, arahan
dan saran serta kesabaran sehingga terselesaikannya skripsi ini;
2.Dr. Ir Sugeng Triyono, M.Sc., selaku pembimbing ke dua sekaligus
pembimbing akademik yang telah memberikan berbagai masukan dan
bimbingannya dalam menyelesaikan skripsi ini;
3.Ir. Budianto Lanya, M.T., selaku pembahas yang telah memberikan saran
dan masukan sebagai perbaikan selama penyususna ini;
4.Prof. Dr. Ir. Irwan Sukri Banuwa, M.Si., selaku Dekan Fakultas Pertanian
ii 5.Ibu dan kakak-kakakku yang selalu memberikan dukungan baik moril
maupun materil serta kasih saying dan doa yang menjadi sumber
penyemangat dalam penyusunan skripsi ini;
6.Seluruh Dosen serta Staff Jurusan Teknik Pertanian;
7.Keluarga besar TEP ’11, 12, 13, dan 14 yang sangat penuh perjuangan dan
luar biasa memberikan dukungan dan doa;
8.Bapak Abidin pengurus Laboraturium Klimatologi Politeknik Negeri
Lampung yang telah mengizinkan dan mendukung penelitian ini;
Penyusun menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh
karena itu dengan segala kerendahan hati penulis harapkan saran dan kritik yang
sifatnya membangun kearah perbaikan. Akhir kata, penulis berharap semoga
skripsi ini dapat bermanfaat untuk kita semua.
Bandar Lampung, 27 Oktober 2015
Penulis,
iii DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR TABEL ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
1.PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 2
1.3. Pembatasan Masalah... 3
1.4. Tujuan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
II.TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1. Perkembangan Sel Surya ... 4
2.2. Energi dan Daya ... 5
2.3. Sel Surya ... 7
2.4. Jenis-Jenis Panel Surya ... 10
2.5. Cara Kerja Panel Surya ... 11
2.6. Karakteristik Sel Fotovoltaik ... 11
2.7. Radiasi Harian Matahari pada Permukaan Bumi ... 14
iv
v 4.4.2. Uji Kinerja Beban DC Menggunakan
Pompa DC 65 W ... 40
4.5. Efisiensi Energi ... 42
V.SIMPULAN DAN SARAN ... 46
5.1. Simpulan ... 46
5.2. Saran ... 47
DAFTAR PUSTAKA ... 48
vi
3. Efesiensi Baterai Terhadap Keluaran Energi ... 32
4. Efisiensi Konversi Energi Radiasi Matahari Oleh Solar Panel ... 42
5. Efisiensi Beban (DC) dan Inverter (AC) Terhadap Energi Tersedia ... 43
6. Efisiensi Beban (AC) Terhadap Baterai ... 43
7. Efisiensi Inverter dan Beban (AC) Pada Pompa 15W ... 44
8. Efisiensi Beban Berdasarkan Energi Pada Pompa Air 15 W ... 44
vii DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
Teks
1. Proses Pengubahan Energi Matahari Menjadi Energi Listrik Pada Sel Surya ... 7
2. Struktur Pita Sebuah Semikonduktor ... 8
3. Tingkat Energi yang Dihasilkan Oleh Sambungan p-n semikonduktor... 8
4. Cara Kerja Sederhana Panel Surya ... 11
5. Karakteristik Arus Tegangan (I-V) Terhadap Daya (P) ... 12
6. Pengaruh Penyinaran Terhadap Arus Sel Surya ... 13
7. Pengaruh Penyinaran (Cuaca) Terhadap Arus ... 13
8. Radiasi Langsung dan Radiasi yang Mengenai Permukaan Bumi... 14
9. Grafik Besar Radiasi Harian Matahari yang Mengenai Permukaan
14. Karakteristik Tegangan (V) Lamanya Pengisian ... 29
15. Karakteristik Tegangan (v) Baterai Selama Beroperasi Pada Beban AC ... 30
16. Karakteristik Tegangan (V) Baterai Selama Beroperasi Pada Beban DC ... 31
viii
34. Plannimeter (Alat Ukur Nilai Radiasi dari AKtinograft) ... 75
35. Aktinograft (Alat Pengukur Radiasi Matahari) ... 76
36. Pompa DC 5,4 A 12 V ... 76
42. Controller terisi 70% dari kapasitas baterai (Warna Orange) ... 79
1. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi listrik merupakan energi yang sangat vital bagi kehidupan manusia.
Kebutuhan energi dunia saat ini sangat meningkat tajam, terutama dengan
munculnya negara-negara industri besar. Peningkatan ini sangat terasa di
awal-awal abad ke-21. Kebutuhan akan energi di Indonesia semakin lama semakin
meningkat searah dengan laju pertumbuhan pembangunan. Hampir di setiap
bidang pembangunan memerlukan energi listrik untuk menjalankan semua
kegiatannya, untuk penerangan maupun menggerakkan mesin-mesin. Sebab itu
energi listrik pun akan terus bertambah. Energi listrik saat ini penyediaanya
masih bergantung pada sumber energi tak-terbarukan yang berasal dari sumber
daya alam seperti minyak bumi, batu bara dan gas alam yang notabene cepat atau
lambat sumber energi tersebut akan segera habis (Wilson, 1996).
Sumber energi matahari dengan teknologi sel surya (solar cells) merupakan salah satu energi alternatif yang tepat untuk mengatasi permasalahan akan kekurangan
bahan bakar fosil. Sel Surya merupakan teknologi fotovoltaik yang mengkonversi
langsung cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan
semikonduktor (Fishbane et.al, 1996). Beberapa kelebihan dari energi terbarukan
ramah lingkungan, minim limbah, dan dapat diperoleh dengan gratis.
Perkembangan teknologi energi surya yang terjangkau, tidak habis, dan bersih
akan memberikan keuntungan jangka panjang yang besar. Perkembangan ini
akan meningkatkan keamanan energi negara-negara melalui pemanfaatan sumber
energi yang sudah ada, tidak habis, dan tidak tergantung pada impor,
meningkatkan kesinambungan, mengurangi polusi, mengurangi biaya
mitigasi perubahan iklim, dan menjaga harga bahan bakar fosiltetap rendah dari
sebelumnya serta menambah lapangan pekerjaan untuk instalasi, produksi dan
pelayanan (German Energy Society, 2010).
Namun demikian, kelemahan dari sel surya adalah bahwa listrik yang dihasilkan
adalah listrik arus searah atau DC (direct current). Sementara peralatan elektronik di Indonesia mayoritas arus AC (alternating curent). Untuk itu jika listrik DC yang dihasilkan sel surya akan akan digunakan untuk menjalankan
peralatan elektronik tersebut, maka listrik arus DC tersebut harus diubah menjadi
arus AC dengan menggunakan alat yang disebut inverter. Hanya saja, sebagian listrik akan digunakan untuk menghidupkan inverter tersebut, sehingga daya
menjadi berkurang sedikit. Penelitian ini membandingkan kinerja panel surya
ketika menggunakan beban AC dengan kinerja panel surya ketika menggunakan
beban DC.
1.2. Rumusan Masalah
Arus yang dikeluarkan olah panel surya berupa arus DC, sedangkan alat
agar listrik DC tersebut dapat digunakan untuk mengoperasikan peralatan
elektronnik tersebut maka dibutuhkan alat tambahan yang disebut inverter, untuk merubah arus DC menjadi arus AC. Penambahan inverter berdampak pada
peningkatan kebutuhan arus listrik. Perbedaan kebutuhan arus listrik beban DC
dengan beban AC ini memerlukan kajian tersendiri sehingga bisa diketahui
besarnya perbedaan tersebut.
1.3. Pembatasan Masalah
Penelitian ini hanya akan membahas perbandingan kinerja panel surya dengan
menggunakan beban AC dan dengan beban DC yang akan di uji pada lampu
dan pompa air. Panel surya yang digunakan seri RX7511 SW 50 POLY/D
sebanyak 3 modul.
1.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh perbandingan efesiensi energi kinerja
panel surya dengan menggunakan beban AC dan DC pada sistem panel surya
dengan 3 modul.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian yaitu diharapkan dapat mengoptimalkan energi yang
dihasilkan oleh panel surya sehingga dapat menentukan kebutuhan beban ideal
dari sistem pembangkit listrik tenaga surya dengan kapasitas 50 Wp sebanyak tiga
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Perkembangan Sel Surya
Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh ahli Fisika berkebangsaan
Perancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Tahun 1876, William
Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa material
padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar. Sel surya
pertama kali dikeluarkan sebagai tenaga listrik bagi pesawat ruang angkasa dan
sistem komunikasi satelit diakhir 1950-an, dikarenakan perangkat ini tidak
membutuhkan pemeliharaan atau perawatan selama jangka waktu (5 sampai 10
tahun). Sel surya silikon yang digunakan untuk memasok daya listrik disatelit
Vanguard dan Terrestrial yang dimasukkan ke dalam orbit pada tahun 1958.
Selama dua dekade sel surya menjadi primadona sebagai pemasok tenaga listrik
untuk pesawat ruang ankasa. Pada tahun 1973 beberapa ilmuan terkemuka
mengatakan bahwa sel surya merupakan calon energi yang layak untuk pasokan
energi nonfosil di masa depan. Saat ini pembangkit listrik tenaga surya aktif dan
berkembang di Amerika Serikat, Jepang, dan negara-negara di benua Eropa. Pada
Tabel 1 menunjukkan pertumbuhan yang cepat dari kapasitas instalasisurya,
terlepas dari wilayah geografis dan kondisi iklim. Selanjutnya, data menunjukkan
bahwa tiga negara, Amerika Serikat, Jerman, dan Jepang menyumbang 90 persen
Tabel 1. Kapasitas Instalasi Solar PV di Dunia Pada Tahun 2005
Dimulai pada pertengahan 1990-an, Jepang dan Jerman mulai berinvestasi dalam
program energi terbarukan. Akibatnya, di Jerman saat ini industri energi
terbarukan telah menjadi sumber terbesar kedua di negara tersebut dan
mempekerjakan lebih dari 200.000 insinyur dan ilmuwan yang terlibat dalam
kegiatan penelitian dan pengembangan dengan fokus utama pada program energi
surya (Jha, 2010).
2.2. Energi dan Daya
Energi merupakan suatu kemampuan untuk melakukan usaha. Kemampuan
tersebut diukur dengan variabel waktu dan besarnya usaha yang dilakukan.
Sistem Satuan Internasional (SI) pada energi adalah joule (J). Konversi satuan
energi dapat dilakukan melalui ketetapan bahwa 1 kalori = 4.2 Joule dan 1 joule =
1 watt sekon. Energi listrik diperoleh karena adanya perbedaan muatan antara dua
buah titik penghantar. Energi listrik mampu diperoleh dari perubahan berbagai
sumber energi, salah satunya adalah cahaya yang diperoleh berdasarkan reaksi
pada permukaan fotovoltaik sehingga menyebabkan perbedaan muatan dan
Daya listrik diartikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam rangkaian listrik.
Satuan SI daya listrik adalah watt yang menyatakan banyaknya tenaga listrik yang
mengalir per satuan waktu (joule/detik). Arus listrik yang mengalir dalam
rangkaian dengan hambatan listrik menimbulkan kerja. Peranti mengkonversi
kerja ini ke dalam berbagai bentuk energi yang berguna, seperti panas (pada
pemanas listrik), cahaya (pada bola lampu), energi kinetik (motor listrik), dan
suara (loudspeaker). Listrik dapat diperoleh dari pembangkit listrik atau
penyimpan energi (baterai). Daya listrik, seperti daya mekanik, dilambangkan
oleh huruf P dalam persamaan listrik. Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan Hukum Joule yang menunjukkan bahwa energi listrik
dapat berubah menjadi energi mekanik, dan sebaliknya.
( 1 )
adalah daya (watt atau W)
adalah arus (ampere atau A)
adalah perbedaan potensial (volt atau V)
Daya listrik mengalir di manapun medan listrik dan magnet berada di tempat yang
2.3. Sel Surya
Secara sederhana sel surya 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 inilah yang disebut sebagai
aliran arus listrik. Proses pengubahan energi matahari menjadi energi listrik
ditunjukkan dalam Gambar 1.
Gambar 1. Proses Pengubahan Energi Matahari Menjadi Energi Listrik Pada Sel Surya
Bagian utama pengubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah penyerap
(absorber), meskipun demikian masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari sel surya. Semikonduktor adalah bahan yang memiliki
struktur seperti isolator akan tetapi memiliki celah energi kecil (1 eV atau kurang)
sehingga memungkinkan elektron bisa melompat dari pita konduksi ke pita
valensi. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan pita-pita energi seperti Gambar 2.
Gambar 2. Struktur Pita Sebuah Semikonduktor
Elektron dari pita konduksi dapat meloncat ke pita valensi ketika sambungan
tersebut dikenai photon dengan energi tertentu. Tingkat energi yang dihasilkan
diperlihatkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Tingkat Energi yang Dihasilkan Oleh Sambungan p-n semikonduktor
Ketika sinar matahari yang terdiri dari foton-foton jatuh pada permukaaan bahan
sel surya (absorber), akan diserap, dipantulkan, atau dilewatkan begitu saja seperti terlihat pada Gambar 1, dan hanya foton dengan tingkat energi tertentu yang akan
membebaskan elektron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik.
Tingkat energi ini disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan kovalennya
pita konduksi. Elektron menjadi pembawa n dan meninggalkan hole. Pembawa p akan bergerak menuju persambungan demikian juga pembawa nakan bergerak ke
persambungan. Perpindahan tersebut menghasilkan beda potensial. Arus dan
daya yang dihasilkan fotovoltaik ini dapat dialirkan ke rangakaian luar. Untuk
membebaskan elektron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc) harus sedikit lebih besar atau diatas dari pada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka ekstra energi tersebut akan diubah dalam bentuk panas pada sel surya. Oleh karena itu, sangatlah penting pada sel surya untuk
mengatur bahan yang digunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul dari
semikonduktor yang dipergunakan. Agar efisiensi sel surya bisa tinggi maka foton
yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap sebanyak-banyaknya,
kemudian memperkecil refleksi dan rekombinasi serta memperbesar konduktivitas
dari bahannya. Agar foton bisa diserap sebanyak-banyaknya, maka penyerap
harus memiliki energi band-gap dengan jangkauan yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai energi
sangat bermacam-macam tersebut (Rusminto, 2003).
Untuk mendapatkan keluaran yang besar maka perlu penggabungan dari beberapa
sel surya menjadi panel surya. Pada panel, sel surya dihubungkan secara seri atau
parallel untuk menghasilkan tegangan, arus, atau daya yang tinggi. Permukaan
panel ditutup dengan kaca atau materi transparan lain untuk proteksi terhadap
lingkungan. Panel surya merupakan komponen utama dalam membuat suatu
2.4. Jenis-Jenis Panel Surya
a. Polikristal (Poly-crystalline)
Merupakan panel 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. Panel surya jenis ini memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan tipe
monokristal, sehingga memiliki harga yang cenderung lebih murah.
b. Monokristal (Mono-crystalline)
Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas
yang paling tinggi. Monokristal memiliki efisiensi sampai dengan 15%.
Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak dapat bekerja optimal ditempat
dengan cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam
cuaca berawan.
c. Amorphous
Silikon Amorf (a-Si) telah digunakan sebagai bahan sel photovoltaic untuk
beberapa waktu. Silikon Amorf mempunyai kinerja yang lebih rendah
dibandingkan sel surya tradisional c-Si. Pembuatan solar sel bertipe a-Si dalam
produksi skala besar tidak efisien dikarenakan biaya produksi yang terlalu mahal.
Panel tipe a-Si menggunakan sekitar 1% dari silikon yang dibutuhkan untuk sel c-
Si, dan biaya silikon adalah faktor terbesar dalam besarnya biaya pembuatan sel
2.5. Cara Kerja Panel Surya
Secara umum cara kerja listrik tenaga surya adalah cahaya matahari yang datang
ditangkap oleh panel surya kemudian arus listrik DC yang dihasilkan oleh panel
surya melalui controller yang kemudian disimpan di aki atau baterai. Untuk menghasilkan tegangan bolak-balik, dibutuhkan inverter. Kelebihan listrik dapat dialirkan ke jaringan listrik utama (grid PLN). Cara kerja sederhana panel surya
dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Cara Kerja Sederhana Panel Surya
2.6. Karakteristik Sel Fotovoltaik
Sifat elektrik dari sel fotovoltaik dalam menghasilkan energi listrik dapat diamati
dari karakteristik listrik sel tersebut, yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang
dihasilkan sel fotovoltaik pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-beda.
Kurva I-V menggambarkan sifat dari sel surya secara lengkap yang dapat dilihat
pada Gambar 5.
Gambar 5. Karakteristik Arus Tegangan (I-V) Terhadap Daya (P)
Pada Gambar 5 menunjukan bahwa ketika sel dihubungkan dengan beban (R).
Beban kemudian memberi hambatan sebagai garis linear dengan garis I/V = I/R.
Hal tersebut menunjukan daya yang didapat bergantung pada nilai resistensi. Jika
resistensi kecil maka sel beroperasi pada daerah kurva MN, dimana sel beroperasi
sebagai sumber arus yang konstan atau short circuit. Pada keadaan lain, jika resistensi besar, sel akan beroperasi pada kurva PS, dimana sel beroperasi sebagai
tegangan yang konstan atau open-circuit. Jika dihubungkan dengan hambatan optimal atau Ropt berarti sel surya menghasilkan daya dengan tegangan maksimal dan arus maksimal. Daya maksimum (Pmax) pada Gambar 5 dapat dilihat pada
titik merah (Pmax) saat Vmax dan Imax (Hansen dkk, 2000).
Semakin besar intensitas cahaya matahari secara proposional akan menghasilkan
arus yang besar. Effisiensi paling tinggi adalah saat sel surya beroperasi dekat
pada titik maksimum tegangan baterai harus mendekati tegangan Vmax. Apabila
tegangan baterai menurun di bawah Vmax, atau meningkat di atas Vmax, maka
effisiensi berkurang. Jika tingkatan cahaya matahari menurun, bentuk dari kurva
menurunnya arus dan daya, sedangkan tegangan tidak berubah oleh intensitas
cahaya matahari (Anonimb, 2014). Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Pengaruh Penyinaran Terhadap Arus Sel Surya
Daya yang dihasilkan oleh sel surya berbeda-beda. Hal ini sejalan dengan data
yang diperoleh dalam sebuah penelitian yang dilakukan oleh Syafaruddin (2010)
yang menyatakan bahwa secara umum pada kondisi cuaca cerah sepanjang hari,
arus yang dihasilkan sel surya dalam posisi diam (horizontal) akan mencapai
puncak saat tengah hari sekitar pukul 13.00 WIB. Hal ini disebabkan intensitas
cahaya matahari saat tengah hari lebih besar dari pada saat pagi atau sore hari.
Penurunan arus pada sistem solar dapat terjadi karena intensitas matahari yang
diterima sel surya mulai melemah. Dengan menurunnya arus sel surya, akan
menyebabkan daya dari sel surya akan ikut berkurang hal tersebut dapat dilihat
pada Gambar 7.
Gambar 7. Pengaruh Penyinaran (Cuaca) Terhadap Arus 100 W/m2
2.7. Radiasi Harian Matahari pada Permukaan Bumi
Radiasi matahari yang tersedia di luar atmosfer bumi atau sering disebut konstanta
radiasi matahari sebesar 1353 W/m2 . Intesitasnya berkurang oleh penyerapan dan
pemantulan oleh atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi, sehingga
radiasi yang sampai ke bumi sebesar 1000 W/m2. Ozon di atmosfer menyerap
radiasi dengan panjang-gelombang pendek (ultraviolet) sedangkan karbon
dioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang
lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang langsung,
masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air
dalam atmosfer sebelum mencapai bumi yang disebut sebagai radiasi baur
(diffuse) seperti terlihat pada Gambar 8 (Jansen,1995).
Gambar 8. Radiasi Langsung dan Radiasi yang Mengenai Permukaan Bumi
Dengan adanya faktor-faktor di atas menyebabkan radiasi yang diterima
permukaan bumi memiliki intensitas yang berbeda-beda setiap saat. Besarnya
radiasi harian yang diterima permukaan bumi pada cuaca cerah ditunjukan grafik
pada Gambar 9. Pada waktu pagi dan sore radiasi sampai permukaan bumi
permukaan bumi (membentuk sudut tertentu) sehingga sinar matahari mengalami
difusi aleh atmosfer bumi.
Gambar 9. Grafik Besar Radiasi Harian Matahari yang Mengenai Permukaan Bumi Pada Atmosfer Cerah (Jansen, 1995)
2.8. Arus Bolak-Balik (AC) dan Arus Searah (DC)
Magnet yang digerakkan terus-menerus dalam suatu kumparan akan
menyebabkan terjadinya arus listrik induksi yang arahnya berubah-ubah. Arus
yang berubah-ubah tersebut disebut dengan arus AC (alternating curent) atau arus bolak balik. Sumber listrik AC banyak dipakai untuk keperluan sehari-hari.
Prinsip kerja dari arus AC banyak digunakan dalam generator.
Berbeda dengan arus AC, arus DC (direct current) merupakan arus listrik searah. Arus DC disebut arus searah karena arus yang mengalir hanya searah, bisa negatif
(-), bisa juga positif (+) maka dari itu arus DC ditandai dengan arus negatif dan
positif. Prinsip DC ini lebih banyak dihasilkan oleh sel listrik/baterai (Anggraeni,
2.9. Pengaruh Jenis Beban (AC/DC) Terhadap Efisiensi Kinerja
Tegangan DC memiliki polaritas yang tetap yakni positif (+), nol (0), dan negatif
(-). Tegangan DC tidak memiliki phase dan arus yang mengalir pun selalu dari polaritas yang lebih tinggi ke polaritas yang lebih rendah yakni dari positif ke
negatif, dari positif ke nol, atau dari nol ke negatif karena polaritas nol lebih tinggi
dari polaritas negatif. Berbeda dengan tegangan DC, tegangan AC memiliki dua
polaritas yang berubah-ubah dari polaritas yang lebih tinggi ke polaritas yang
lebih rendah dalam satuan waktu. Dengan demikian tegangan AC memiliki pashe dan frekuensi misalnya 50-60 Hz, polaritas tersebut diukur dari titik netral. Jenis
arus berupa AC dan DC mempengaruhi efesiensi kinerja dan juga daya yang
dihasilkan. Arus bolak-balik yang dihasilkan AC dapat diperbesar atau diperkecil
dengan menggunakan trafo, hal ini memungkinkan untuk energi listrik tegangan
tinggi serta pendistribusian daya listrik sesuai tegangan yang dikehendaki. Arus
searah yang dihasilkan DC dapat disalurkan langsung ke dalam suatu beban
(Syamsudin, 2012).
Sumber arus listrik DC mudah untuk dibawa kemana-mana sehingga listrik DC
lebih banyak digunakan untuk peralatan elektronika, sedangkan arus AC berasal
dari PLN sehingga tidak mudah dipindah-pindah. Dalam Pembangkit Listrik
Tenaga Surya inverter ataukonverter yang digunakan oleh DC dapat mempengaruhi keluaran daya AC. Kualitas arus keluaran dari suatu sistem
merupakan hal yang penting dijaga, dimana salah satunya dengan cara menjaga
menjadi gelombang bulak-balik pada AC, sehingga mempengaruhi arus keluaran
dari sistem. Gangguan ini mengakibatkan gelombang arus keluaran terdistorsi
III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboraturium Daya dan Alat Mesin Pertanian (Lab
DAMP) Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung pada
bulan April sampai Juni 2015.
3.2. Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah komputer, panel surya
(Solar World seri RX7511 SW 50 Poly/D) dengan dimensi 64 x 64 cm sebanyak 3
modul, stopwatch, multimeter, aktinograft, plannimeter, controller, inverter, dan aki (baterai). Sedangkan bahan yang digunakan adalah sebagai berikut : beban
AC yaitu lampu 18W dan pompa air 15 W, Sedangkan beban DC adalah lampu
(LED 5 W), dan pompa air 15W.
3.2. Metode Penelitian
Metode penelitian meliputi: pengukuran radiasi matahari, pengujian lama waktu
pengisian baterai, pengujian kinerja panel dengan menggunakan beban AC dan
Pada penelitian ini akan diambil data radiasi matahari harian yang akan
dibandingkan dengan daya yang diserap oleh panel surya serta pengaruhnya
terhadap lama waktu pengisian baterai dengan menggunakan panel surya.
Kemudian menguji panel surya dengan menggunakan beban AC dan DC.
Keluaran tersebut akan dihitung dalam bentuk energi selama pengukuran yang
kemudian dibandingkan keduanya.
3.4. Prosedur Penelitian
Gambaran umum langkah-langkah kerja dalam penelitian ini dapat dilihat dalam
diagram pada Gambar 10.
3.4.1. Persiapan Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini terdapat di Laboraturium Daya dan Alat
Mesin Pertanian (Lab.DAMP) Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Pertanian
Universitas Lampung diantaranya multimeter, controller, inverter, baterai (12 V/max 80Ah), dan modul surya. Spesifikasi modul sel surya yang akan
digunakan adalah modul seri RX7511 SW 50 POLY/D sebagai berikut :
Tabel 2. Spesifikasi Sel Surya Seri RX7511 SW 50 Poly/D
Sel permodul 36
Jenis sel Polykristal
Dimensi sel 2.44x6.14in (62 mm x 156 mm)
Tampilan depan kaca (EN 12150)
Jumlah by pass 2 dioda
Tegangan sistem yang maksimal V SCII
1000
Maksimum arus balik 12 A
Penampang kawat maksimum 4 mm²
Maksimum diameter luar kabel 0,31 di (7,8 mm)
Gambar 11. Dimensi Modul Sel Surya
3.4.2. Pemasangan atau Instalasi Listrik Tenaga Surya dan Komponennya
Pada penelitian ini pertama dilakukan adalah pemasangan atau instalasi sistem
pembangkit listrik tenaga surya dan komponennya. Panel surya ditempatkan di
ruang terbuka yang memungkinkan tersinari oleh cahaya matahari untuk
memaksimalkan energi yang diterima. Pada penelitian ini panel diletakan di atas
dak (atap) gedung Teknik Pertanian Universitas Lampung dengan ketinggian 4 m
dengan sudut 180o (Horizontal) dengan posisi panel menghadap ke atas seperti
terlihat pada Gambar 12. Komponen komponen yang digunakan dalam
menginstalasi listrik tenaga surya diantaranya :
a. Panel surya atau solar panel
Solar panel atau panel surya mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik.
Sel silikon (disebut juga solar cells) yang disinari matahari/ surya, membuat
surya seri RX7511 SW 50 POLY/D sebanyak tiga modul. Dengan maksimum
daya 50 Wp per modul.
b. Solar charge controller
Solar charge controller berfungsi mengatur keluar masuknya arus dari panel surya ke baterai dan beban. Alat elektronik ini juga mempunyai banyak fungsi
yang pada dasarnya ditujukan untuk melindungi baterai dan memberhentikan arus
secara otomatis ketika baterai telah penuh.
c. Inverter
Inverter adalah perangkat elektrik yang mengkonversikan arus searah (DC –
Direct Current) menjadi arus bolak balik (AC –Alternating Current). Inverter yang digunakan memiliki tegangan 12 volt DC menjadi 220 volt AC.
d. Baterai (Aki)
Baterai berfungsi menyimpan arus listrik yang dihasilkan oleh panel surya
sebelum dimanfaatkan untuk menggerakkan beban. Beban dalam hal ini
menggunakan beban AC dan DC berupa lampu dan pompa air.
Instalasi listrik tenaga surya dilakukan dengan menghubungkan ujung baterai
positif panel surya ke baterai positif charge controller, dan baterai negatif panel surya dihubungkan ke baterai negatif charge controller. Tegangan panel surya yang dihasilkan akan digunakan oleh charge controller untuk mengisi baterai. Untuk menghidupkan beban perangkat AC, arus baterai disupply oleh inverter. Instalasai listrik tenaga surya dengan menggunakan perangkat DC dapat
dilakukan dengan menghubungkan langsung ke bagian charge controller tanpa harus melalui inverter.
3.4.3. Pengukuran Radiasi Matahari dan Lama Waktu Pengisian Baterai
Radiasi matahari diukur dengan menggunakan alat aktinograft yang ada di
Laboraturim Klimatologi Politeknik Negeri Lampung. Radiasi matahari harian
diukur mulai dari pukul 06.00 WIB sampai dengan pukul 18.00 WIB pada saat
pengujian dilaksanakan. Aktinograf dipasang di tempat terbuka di atas pondasi
beton setinggi 120 cm. Alat ini dapat dikatakan bimetal (dwilogam) karena
prinsip kerjanya terdiri dari dua lempengan logam yang berbeda warna sebagai
sensor, yakni warna putih mengkilap dan hitam gelap. Perbedaan selisih nilai
pemuaian digunakan sebagai dasar pengukuran yang menimbulkan gerak pada
jarum penulis diatas pias yang berputar menurut waktu yang dipasang pada
silinder jam pada alat tersebut. Hasil dari rekaman jarum penulis berbentuk grafik
dan luas grafik sebanding dengan jumlah radiasi surya yang ditangklap oleh
sensor selama satu hari. Besaran luas grafik selama satu hari yang diperoleh
diukur dengan menggunakan plannimeter dengan pengulangan sebanyak tiga kali
e Radiasi = J/cm2 ( 1 ) `
Keterangan :
B = Luas grafik (diukur dengan plannimeter)
A = Luas 1 kotak pada kertas pias (diukur dengan plannimeter)
36 J/cm2 = Konstanta energi pada kertas pias dengan skala 1 : 1 cm2
Sementara itu, untuk pengujian lama waktu pengisian baterai dilakukan di
Laboraturium Daya dan Alat Mesin Pertanian (Lab. DAMP) Jurusan Teknik
Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung. Baterai (aki) yang digunakan
adalah aki kering dengan kapasitas maksimum 80 Ah. Pengukuran lama waktu
pengisian baterai dilakukan dengan cara mengukur voltase yang mengalir pada
baterai tanpa beban setiap satu jam sekali, dan diukur menggunakan multimeter
hingga baterai terisi penuh atau mencukupi kapasitas 12 V dengan mengacu pada
petunjuk yang diberikan oleh controller. Jika controller berwarna merah
tandanya baterai kosong atau butuh di isi, lampu pada controller berwarna oranye maka pengisian baterai mencapai 70%, sedangkan jika controller berwarna hijau maka baterai dalam keadaan penuh dan siap digunakan. Besaran arus yang keluar
juga diukur setiap satu jam sekali mengkuti pengukuran radiasi matahari. Titik
arus yang diukur yaitu pada bagian arus masuk atau input dari panel ke baterai
3.4.4. Uji Kinerja Baterai
Uji kinerja baterai dilakukan untuk mengetahui berapa lama baterai mampu
beroperasi dan efiseinsi keluaran arus pada baterai. Pengujian dilakukan pada saat
baterai dalam keadaan penuh yang diperoleh dari pengisian panel surya, kemudian
aliran dari panel di putus. Baterai dioperasikan ke beban hingga tidak mampu
beropasi lagi. Voltase dan arus yang keluar dari baterai ke beban dicatat untuk
dihitung effesiensi daya dan energi yang dikeluarkan.
3.4.5. Uji Kinerja Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Dengan Beban AC
Penelitian ini menguji keluaran arus dan voltase yang dihasilkan oleh panel surya
dengan menggunakan beban AC. Pengukuran pada beban AC dilakukan pada 3
titik yaitu keluaran arus dan voltase dari panel ke baterai pada titik 2, dari baterai
ke inverter pada titik 3, dan dari inverter ke beban pada titik 1 (Gambar 13). Voltase dan arus yang keluar diukur setiap satu jam sekali dengan menggunakan
multimeter. Pengambilan data dilakukan mulai pukul 06.00 WIB s.d 18.00 WIB.
Beban yang digunakan berupa lampu 18 W dan pompa air 25 W.
Gambar 13. Titik-titik Pengukuran
1 = Pengukuran keluaran Inverter ke beban 2 = Pengukuran keluaran panel
surya ke baterai
3.4.6. Uji Kinerja Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Dengan Beban DC
Penelitian ini menguji keluaran arus dan voltase yang dihasilkan oleh panel surya
dengan menggunakan beban DC. Pengukuran pada beban DC dilakukan pada dua
titik berbeda yaitu keluaran arus dan voltase dari panel ke baterai pada titik 2dan
dari baterai ke beban pada titik 3. Voltase dan arus yang keluar diukur setiap satu
jam sekali dengan menggunakan multimeter digital di mulai pukul 06.00 WIB s.d
18.00 WIB. Beban yang digunakan berupa lampu 5 W dan pompa air DC 5,4 A
atau 64,8 W.
3.4.7. Perbandingan Efesiensi
Perbandingan efesiensi dilakukan untuk menentukan beban manakah yang lebih
efisien dalam penggunaan sistem pembangkit listrik tenaga surya. Perbandingan
ini ditentukan dengan perhitungan berikut :
a. Efisiensi Panel
b. Efisiensi Baterai
=
x 100%
(3)
= Efisiensi Baterai (%) Vp = Voltase pada panel (V) Ip = Arus pada panel (A)
T = Waktu
L Panel = (64 cm x 64 cm) x 3 = 12288 cm2 atau 1,23 m2
V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1. Simpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan beberapa kesimpulan yang dapat diambil
adalah :
1. Efisiensi konversi energi radiasi matahari oleh panel surya adalah 9,24 %.
2. Rata-rata radiasi matahari harian sebesar 887,27 W/m2 dapat melakukan
pengisian baterai (80Ah) hingga penuh selama 22 jam. Rata-rata radiasi
matahari harian 469,16 W/m2 dapat mengisi baterai (80Ah) hingga penuh
selama 35 jam.
3. Efisiensi penyerapan energi optimal pada beban pompa air 15 W terjadi pada
uji kinerja sistem pembangkit listrik tenaga surya menggunakan beban DC,
dengan efisiensi penyerapan energi sebesar 49,53% dan debit yang dihasilkan 7
L/mnt. Sementara pada beban AC adalah 46,23% dan debit 4 L/mnt.
4. Rata-rata konsumsi energi pada beban AC dalam mengoperasikan inverter
5.2 Saran
Dari penelitian yang dilakukan, penulis menyarankan untuk dilakukan pengujian
lanjutan terhadap pengaruh penambahan panel surya pada beban diatas 25 W agar
DAFTAR PUSTAKA
Anggraeni, N. 2012: Dunia Para Penemu: Faraday dan Kelistrikan. Elex Media Computindo, Jakarta. 49 hlm.
Anonim a. 2014: Panel Surya dan Perkembangannya. http://www.panelsurya.com. Disunting tanggal 3 Desember 2014 pukul 01.13 WIB
Anonimb. 2015: Tenaga Surya. http://id.solarsuryaindonesia.com/tenaga-surya disunting tanggal 13 Desember 2014 pukul 09.00 WIB
Dewi. A.Y. 2013: Pemanfaatan Energi Surya Sebagai Suplai Cadangan Pada Laboraturium Elektro Dasar Di Institut Teknologi Padang. Jurnal Teknik Elektro Volume 2 No. 3; hlm 20-28.
Fishbane, P.M., S. Gasirowicz., and S.T. Thornton. 1996: Extended version. Physics For Scientists and engineers, 2ndedition, Prentice-hall, New Jersey. 82 hlm.
Freedman, R.A. and W.D, Young. 1996: University Physics, ninth edition, Addison-Wesley, California. 213 hlm.
Hansen, A. D., P. E, Sørensen., L. H, Hansen., and H. W, Bindner. 2001: Models for a stand-alone PV system. Denmark. Forskningscenter Risoe. Risoe-R; No. 1219(EN). 78 hlm.
Isdawimah., U.B. Sudibyo, dan E.A. Setiawan. 2010: Analisis Kinerja
Pembangkit Listrik Energi Terbarukan Pada Model Jaringan Listrik Mikro Arus Searah. Jurnal Politeknologi Vol. 9 No.2; hlm 120-127.
Jansen, T.J. 1995: Teknologi Rekayasa Sel Surya, PT Pradnya Paramita, Jakarta. 238 hlm.
Jha, A.R. 2010: Solar Cell Technologyu and Aplications, Taylor And Francis Group, London. 280 hlm.
Secara Pararel Dalam Larutan Elektrolit Na2SO4. Jurnal Kimia Unand, Volume 1 Nomor 1, hlm 9-105.
Riawan, D.C. 2010: Grid-Connected Buck-Boost Inverter for Variable Speed WECS Applications, Chapter 5th, Curtin University of Technology, Perth. Syafaruddin, Ch., 2010: Perbandingan Unjuk Kerja Antara Panel Sel Surya
Berpenjajak Dengan Panel Sel Surya Diam.Jurnal Universitas Mataram Vol. 9 No.1; hlm 6-11.
Syamsudin, M, 2012: Membuat Sendiri Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Seri praktis. http://id.sbukudigital.net/ Membuat-Sendiri-Pembangkit-Listrik-Tenaga-Surya disunting tanggal 13 Desember 2014 pukul 15.00 WIB. The German Energy Society., 2010: Planning & Installing Solar Thermal
Systems, 2ndedition, Earthscan Ltd, Wasington, DC. 343 hlm.
Wenas, W. W., 1996: Teknologi Sel Surya : Perkembangan Dewasa Ini dan yang Akan Datang, Edisi ke empat, http://www.Elektroindonesia.com. disunting tanggal 11 November 2014 pukul 23.04. WIB.
Widodo, R.T. 2003: Solar Cell Sumber Energi masa depan yang ramah
lingkungan, Berita Iptek. http://www.energi.lipi.go.id/ , disunting tanggal 14 Desember 2014 pukul 09.00 WIB.
