BAB II
LAMPU PENERANGAN JALAN UMUM TENAGA SURYA (PJU-TS)
2.1 Umum
yang menggunakan cahaya matahari sebagai sumber energi listriknya. Penerangan Jalan Umum Tenaga Surya ( PJU-TS ) sangat cocok digunakan untuk jalan-jalan di daerah-daerah yang belum terjangkau oleh listrik PLN dan juga daerah-daerah yang mengalami krisis energi listrik terutama di daerah terpencil. Namun belakangan ini PJU Tenaga Surya juga marak diaplikasikan di daerah perkotaan seperti di kawasan jalan-jalan utama, jalan kawasan perumahan, lampu taman, area kampus, area pabrik, halte bis, tempat
Penerangan Jalan Tenaga Surya merupakan sebuah alternatif yang murah dan hemat untuk digunakan sebagai sumber listrik penerangan karena menggunakan sumber energi gratis dan tak terbatas dari alam yaitu energi matahari. Lampu Jalan Tenaga Surya ( PJU Tenaga Surya) menggunakan Modul/Panel Surya dengan lifetime hingga 25 tahun yang berfungsi menerima cahaya (sinar) photovoltaic. Lampu ini secara otomatis dapat mulai menyala pada sore hari dan padam pada
pagi hari dengan perawatan yang mudah dan efisien selama bertahun tahun. Lampu Jalan Tenaga Surya menggunakan lama, seperti terlihat pada Gambar 2.1 di bawah ini.
Gambar 2.1 Lampu Penerangan Jalan Tenaga Matahari (PJU-TS)
Lampu penerangan jalan (PJU) tenaga matahari mempunyai ketinggian tiang yang berbeda-beda, mulai dari 5m s/d 14m. Jarak antar tiang juga bervariasi mulai dari 15m s/d 40m. Jarak antar tiang tergantung ketinggian tiang, jenis lampu, dan cahaya yang dibutuhkan (brightness).
Warna cahaya yang dipilih lampu penerangan jalan biasanya yang tergolong 'warm light' bukan 'cool light'. Cool light atau identik dengan warna putih sepintas jauh lebih terang, tetapi untuk cuaca buruk seperti asap, kabut, hujan gerimis maupun hujan deras warna 'cool light' sangat tidak dianjurkan. Sedangkan 'warm light' yang identik dengan warna kuning dipilih karena masalah safety. Dalam kondisi cuaca buruk maka warna kuning masih dapat tembus sampai ke retina mata kita.
meter ketinggian sumber cahaya ke alat ukur. Contoh PJU yang mempunyai luminasi flux sebesar 6075 lumen mempunyai illuminasi rata-rata 15 flux / 10 m.
Keunggulan Lampu Penerangan Jalan Tenaga Surya : a. Terang dan tahan lama
b. Hemat energi c. Ramah lingkungan d. Bebas polusi
e. Cepat dan mudah dalam pemasangan f. Hemat biaya perawatan
g. Life time yang lama (lampu LED hingga 11 tahun & solar panel hingga 25 tahun) h. Cocok dipasang di segala lokasi
i. Tersedia dengan daya mulai dari lampu dengan daya 15w (950Lm) -168w (14.558 Lm)
perangkat pendukung, yaitu :
a. Modul Solar Cell Mono/Polycrystalline : Alat ini merubah dari cahaya matahari menjadi energi listrik DC dengan satuan WP ( WattPeak ).
b. Battery dan charger : Berfungsi sebagai alat menyimpan energi listrik.
d. Beban : Sebagai objek beban berupa DC atau AC. Kalau Beban DC biasanya tanpa coventer atau converter tergantung tegangan sama atau tidak dengan battery. Kalau beban AC harus menggunakan inverter untuk merubah arus DC ke AC.
e. Solar bracket
f. Kabel listrik 2 core untuk wiring
2.2 Solar Cell (Panel Surya)
Sel surya adalah suatu komponen elektronika yang dapat mengubah energi surya menjadi energi listrik dalam bentuk arus searah (DC). Listrik tenaga matahari dibangkitkan oleh komponen yang disebut solar cell yang besarnya sekitar 10 - 15 cm persegi. Komponen ini mengkonfirmasikan energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik. Solar cell merupakan komponen vital yang umumnya terbuat dari bahan semi konduktor. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu solar cell sangat kecil maka beberapa solar cell harus digabungkan sehingga terbentuklah satuan komponen yang disebut module.
Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silicon yang berperan sebagai insulator pada temperatur rendah dan sebagaikonduktor bila ada energi dan panas. Sebuah Silikon Sel Surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari 3 lapisan atas silikon tipe n (silicondoping of “phosphorous”), dan lapisan bawah silikon tipe p (silicondoping of “boron”). Elektron-elektron bebas terbentuk dari milion photon atau benturan atom pada lapisan penghubung (junction = 0.2-0.5 micron ) menyebabkan terjadinya aliran listrik.
dalam pemanfaatannya beberapa module digabungkan dan terbentuklah apa yang disebut array. Sebagai contoh untuk menghasilkan listrik sebesar 3 kW dibutuhkan array seluas kira-kira 20 - 30 meter persegi. Beberapa gambar panel surya seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2 berikut ini.
Gambar 2.2 Panel Surya (Solar Cell)
Sel silikon di dalam solar cells panel yang disinari matahari/ surya, membuat photon bergerak menuju electron dan menghasilkan arus dan tegangan listrik. Sebuah sel silikon menghasilkan kurang lebih tegangan 0.5 Volt. Jadi sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel surya (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimun).
2.2.1 Modul Surya
Modul Surya ( Photovoltaic), berfungsi mengubah energi matahari menjadi arus listrik DC yang diteruskan ke alat BCU untuk selanjutnya disimpan pada baterai. Modul surya terdiri dari beberapa sel surya (Solar cell) yang disambung secara seri untuk menghasilkan system tegangan tertentu. Apabila dilihat secara melintang, modul surya terdiri dari beberapa lapisan seperti terlihat pada Gambar 2.3 dibawah ini :
Gambar 2.3 Modul Surya dan Penampang Lintang Modul Surya
Sel surya adalah suatu komponen elektronika yang dapat mengubah energi surya menjadi energi listrik dalam bentuk arus searah (DC). Modul surya adalah unit rangkaian lengkap (dilapisi bahan kedap air dan tahan terhadap perubahan cuaca), tersusun dari sejumlah sel surya yang dirangkai secara seri dan paralel. Hal ini bertujan untuk meningkatkan tegangan dari arus yang dihasilkan sehingga cukup untuk pemakaian system catu daya beban.
searah yang dapat menghidupkan lampu tersebut, Energi matahari tersedia terus-menerus, maka arus listrik akan dialirkan ke beban terus menerus. Semakin besar radiasi matahari yang mengenai sel surya, maka semakin besar pula arus yang dihasilkan oleh sel surya tersebut. Sel surya akan selalu memproduksi energi listrik bila disinari oleh matahari. Oleh karenanya sel surya tidak akan pernah habis atau rusak dalam membangkitkan listrik. Biasanya kerusakan terjadi disebabkan karena sel surya tersebut pecah atau karena faktor lain, sehingga bila sel surya dilindungi dengan baik, maka usianya bisa mencapai dua puluh tahun.
2.2.2 Jenis – jenis Solar Cell
Berdasarkan pada tipe bahan solar cell nya, modul surya yang umum dipakal dikategoñkan kedalam 3 tipe dengan efisiensi konversinya yaltu perbandingan antara daya yang dihasilkan modul surya dengan radiasi mataai yang ditangkap modul surya dalam satuan (%):
a. Type Mono Crystalline; terbuat dari silicon kristal tunggal, efisiensi konversi paling tinggi(12%-18%). Secara visual dapat dilihat dimana wama solar cell merata. Harga tipe modul ini relatif paling mahal.
b. Type Poly Crystalline;terbuat dari silicon kristal banyak (Poly), saat ini paling banyak dipakai, efisiensi lebih rendah dari monokristal tetapi lebih tinggi dari amorphous. (10%-15%). Secara visual dapat dilihat dimana wama permukaan solar cell tidak merat&seragam. Harga tipe modul ni relatif lebih murah dari monokristal.
rendah diantara kedua type di atas berkirsar 8%-12%), maka ukuran modul surya tipe ini hampir dua kali lipat dari ukuran modul surya kristalin dengan kapasitas yang sama. Beberapa tahun yang lalu tipe ini ditinggalkan para pemakainya karena ketidakstabilan outputnya apabila terkena matahari langsung. Belakangan beberapa produsen meng-claim bahwa teknologi amorphous telah diperbaiki dan dapat menghasilkan listrik yang lebih stabil. Tipe ini paling murah di antara dua tipe lainnya.
Output standar setiap modul surya umumnya dicantumkan pada label yang di lekatkan di bagian belakang dari modul surya. Output tersebut di ukur pada STC (Standard Test Condition 1 kW/m2 pada distribusi spectral AM 1,5 dan Temperatur cell 25°C). Sedangkan output harian yang dihasilkan oleh modul surya sangat tergantung pada tingkat radiasi matahari yang menyinari modul surya.
2.2.3 Prinsip Kerja Solar Cell
Gambar 2.4 Spektrum radiasi sinar matahari
Lebih detail lagi bisa dijelaskan sinar matahari yang terdiri dari photon- photon, jika menimpa permukaaan bahan solar sel (absorber) akan diserap, dipantulkan atau dilewatkan begitu saja dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan elektron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan utk mengeluarkan electron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan electron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc/v harus sedikit lebih besar atau diatas dari pada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka extra energi tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar sel. Karenanya sangatlah penting pada solar sel untuk mengatur bahan yang dipergunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul dari semikonduktor yang dipergunakan. Tentu saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton yang berasaldari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan rekombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya.
bahan yang sedang banyak diteliti adalah CuInSe2 yang dikenal merupakan salah satu dari direct
semikonductor.
Sebuah Sel Surya dalam menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari menjadi photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang Silikon, dan secara konstan akan menghasilkan energi berkisar ±0.5 volt — max. 600 mV pada 2 amp , dengan kekuatan radiasi solar matahari 1000 W/m2 = ”1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm2 per sel surya.
Pada Gambar 2.5 grafik I-V Curve di bawah yang menggambarkan keadaan sebuah Sel Surya beroperasi secara normal. Sel Surya akan menghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan
Im juga maximum. Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt = nol;
Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar matahari. Voc adalah volt maximum pada nilai
arus nol; Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari, karakter ini yang
memungkinkan Sel Surya untuk mengisi accu.
Gambar 2.5 Grafik kurva I-V Keterangan:
Isc = Short-circuit current
Voc = Open-circuit voltage
Im = Current maximum power
Pm = Power maximum-output dari PV array (watt)
2.2.4 Faktor Pengoperasian Solar Cell
Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada : a. Ambient air temperature
Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap normal (pada 25o C), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperature normal pada PV sel akan melemahkan voltage (Voc). Setiap kenaikan temperatur Sel Surya 1o C (dari 25o C) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur Sel per 10o C.
b. Radiasi solar matahari (insolation)
Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariable, dan sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt.
c. Kecepatan angin bertiup
Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV array dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array.
d. Keadaan atmosfir bumi
e. Orientasi panel atau array PV
Orientasi dari rangkaian PV (array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan PV dapat menghasilkan energi maximum. Selain arah orientasi, sudut orientasi (tilt angle) dari panel/deretan PV juga sangat mempengaruhi hasil energi maximum (lihat penjelasan tilt angle). Sebagai guidline: untuk lokasi yang terletak di belahan Utara latitude, maka panel/deretan PV sebaiknya diorientasikan ke Selatan, orientasi ke Timur—Barat, walaupun juga dapat menghasilkan sejumlah energi dari panel- panel/deretan PV, tetapi tidak akan mendapatkan energi matahari optimum.
f. Posisi letak sel surya (array) terhadap sudut orientasi matahari (Tilt Angle)
Mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maximum 1000 W/m2 atau 1 kW/m2. Kalau sinar matahari dengan bidang PV tidak tegak lurus, maka extra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap sun latitude yang berubah setiap jam dalam sehari).
Solar Panel PV pada Equator (latitude 0o) yang diletakkan mendatar (tilt angle = 0) akan menghasilkan energi maximum, sedangkan untuk lokasi dengan latitude berbeda harus dicarikan tilt angle yang optimum (maksimal).
2.3 Baterai (Battery)
listrik diambil dari baterai. Satu cycle adalah charging dan discharging. Dalam sistem solar cell, satu hari dapat merupakan contoh satu cycle baterai (sepanjang hari charging, malam digunakan/ discharging).
Baterai tersedia dalam berbagai jenis dan ukuran. Ada dua jenis baterai yaitu "disposable" dan rechargeable. Baterai rechargeable digunakan oleh sistem solar cell adalah aki/ baterai lead-acid seperti terlihat pada Gambar 2.6 di bawah ini.
Gambar 2.6 Baterai
2.4 Battery Charger
Gambar 2.7 Rangkaian Baterai Charger
Didalam rangkaian battery charger terdapat rangkaian regulator dan rangkaian comparator. Rangkaian regulator berfungsi untuk mengatur tegangan keluaran agar tetap konstan, sedangkan rangkaian comparator berfungsi untuk menurunkan arus pengisian secara otomatis pada battery pada saat tegangan pada battery penuh ke level yang aman tentunya dan menahan arus pengisian hingga menjadi lebih lambat sehingga menyebabkan indicator aktif menandakan battery telah terisi penuh.
2.4.1 Metode Charge Discharge
juga berubah-ubah. Penelitian atau percobaan tentang Proses Charge dan Discharge telah menghasilkan banyak sekali metode yaitu antara lain:
a. Proses Charge dan Discharge dengan Arus Konstan.
Proses Charge dan Proses Discharge dengan arus konstan yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 dan Gambar 2.9 dapat diambil kesimpulan bahwa, proses charge discharge akan berakhir ketikawaktu yang telah diset terlampaui atau apabila kapasitas battery (accumulator) yang ditentukan telah terpenuhi.
Gambar 2.8 Proses Charge dengan Arus Konstan
Gambar 2.9 Proses Discharge dengan Arus Konstan
b. Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan.
tegangan pada battery terpenuhi. Sedangkan Proses Discharge dengan daya konstan yang ditunjukkan pada Gambar 2.11 dilakukan ketika tegangan baterryturun dan arus naik dan discharge berakhir saat set time terlampaui atau tegangan beban terpenuhi.
Gambar 2.10 Proses Charge dengan Daya Konstan
Gambar 2.11 Proses Discharge dengan Daya Konstan
c. Gambar 2.12 menunjukkan Proses Charge dengan arus konstan ketika tegangan terminal lebih rendah dari pada tegangan charge.
d. Gambar 2.13 menunjukkan Proses Discharge dengan resistansi konstan ketika tegangan baterry turun dan arus juga turun.
Gambar 2.13 Proses Charge dengan resistansi konstan
Untuk mengetahui waktu dalam proses pengisian accumulator, dapat menggunakan perhitungan pada persamaan (2.4.1) dan persamaan (2.4.2) berikut ini.
Lama pengisian Arus:
Ta = Ah
A (2.4.1)
Keterangan :
Ta = Lamanya pengisian arus (jam).
Ah = Besarnya kapasitet accumulator (Ampere hours). A = Besarnya arus pengisian ke accumulator (Ampere).
Lama pengisian Daya:
Td = daya Ah
Keterangan :
Td = Lamanya pengisian Daya (jam).
Daya Ah = Besarnya daya yang didapat dari perkalian Ah dengan besar tegangan accumulator (Watt hours).
Daya A = Besarnya daya yang didapat dari perkalian A dengan besar tegangan accumulator (Watt).
2.5 Solar PV Controller
PV (Photovoltaic) Controller bekerja seperti alat pengatur tegangan. Fungsi utama dari PV controller ini adalah untuk menghindari baterai dari pengisian ulang yang berlebihan (overcharged) dari solar cells. Beberapa PV controller juga melindungi baterai dari kehabisan dini (overdrain) oleh beban (alat listrik). Overcharge dan overdrain mengurangi umur baterai. PV Controller menghindari overdischarging dengan:
- Mengaktifkan indikator ataupun buzzer untuk menyatakan tegangan baterai yang rendah - Mendiskonek beban pada nilai tegangan baterai tertentu
PV controller secara konstan mengawasi tegangan baterai. Ketika baterai sudah terisi penuh, pengontrol akan berhenti atau mengurangi jumlah arus yang mengalir dari solar cells ke dalam baterai. Ketika baterai sudah habis sampai tingkat terendah, PV controller akan mematikan arus yang mengalir dari baterai ke beban (alat listrik).
Gambar 2.14 Diagram Kerja Controller
2.5.1 Jenis PV Controller Ada 4 jenis controller : a. Shunt PV Controller
Shunt PV controller diciptakan untuk sistem yang sangat kecil. Mereka menghindari pengisian ulang yang berlebihan dengan shunting atau sirkuit/lingkaran pende saat mengalihkan arus dari solar cells melalui power transistor saat nilai pre-set tegangan tercapai. Transistor bertindak sebagai resistant dan mengubah arus dari solar cells menjadi panas. Shunt controller memiliki heat sinks untuk membantu menghilangkan produksi panas. Shunt controller juga memiliki blocking diode untuk menghindari arus dari arus balik dari
b. Single Stage Controller
ditentukan. Di luar dari nilai tersebut, arus dari solar cells akan mengisi Single stage controller menggunakan relay atau transistor untuk memutuskan aliran arus pada saat pengisi muatan yang lebih besar dari tipe shunt. controller.
c. Diversion Controller
Controller ini otomatis mengatur arus yang mengalir ke tegangan baterai yang sedang diisi, arus yang berlebih dialihkan ke resistor load. Arus dari penuh, controller mengalihkan sebagaian arus ke muatan resistors.
d. Pulse Width Modulation (PWM) Controller
PWM controller adalah pengontrol yang saat ini tersedia di pasaran. seperti namanya menggunakan 'lebar' pulse dari on dan off elektrikal, sehingga menciptakan seakan-akan sine wave electrical form. Lamanya arus pulse yang sedang diisi ulang secara perlahan-lahan berkurang sebagaimana tegang dalam baterai.
2.6 Inverter
dan untuk daya beban arus bolak balik. Berikut ini adalah skema rangkaian sederhana 12V DC to 220V AC seperti ditunjukkan pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Skema Rangkaian Inverter
2.7 Lampu LED ( Light Emitting Diode)
LED (Light Emitting Diode) adalah dioda semi konduktor dan dapat menyala jika mendapat arus, biasanya LED ditambahkan dengan reflektor yang berguna sebagai dari pantulan dari LED tersebut, warna cahaya yang dipancarkan tergantung pada material semikondukting yang digunakan, dapat kita lihat didalam dioda terdapat Anode dan katoda.
Gambar 2.16 Lampu LED
