B. 85 Semarang, Indonesia.
EKSPERIMENT STUDI SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MATAHARIDENGAN PHOTOVOLTAIC MONOCRYSTALLINE MENGGUNAKAN MOTOR PENGGERAK ARAH MATAHARI
M Denny Surindra1)*, Wiwik Purwati Widyaningsih1), Margana1), Supriyo1), Nanang Apriandi M.S.1)
1Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang, Jl Prof Sudharto, SH, Semarang, 50275
*E-mail: [email protected]
Abstrak
Indonesia terletak diantara 60 lintang utara dan 110 lintang selatan yang berada didalam area lintasan matahari, sehingga mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun. Hal ini menghasilkan intensitas radiasi matahari maksimal sebesar 860 W/m2 pada jam 12:50, kemudian mengalami penurunan secara bertahap sampai pukul 14:00 dengan nilai intensitas radiasi sebesar 564 W/m2.Daya keluaran panel surya mencapai titik maksimal sebesar 37,82 Watt pada pukul 11:30 dan 11:45, setelah itu nilai minimal sebesar 25,30 Watt pada pukul 14:00.Efisiensi panel surya maksimal bernilai 15% pada pukul 9:30, sedangkan efisiensi sel surya minimal bernilai 10,14% pada pukul 13:50.
.
Kata Kunci:Photovoltaic, Monocristal, PLTS, Matahari, Intensitas
PENDAHULUAN
Energi merupakan kebutuhan pokok di era modern ini. Surga bahan bakar fosil tetap menjadi sumber energi utama. Pembakaran bahan bakar fosil meningkatkan emisi karbon dari hari ke hari dan menghasilkan fenomena yang disebut pemanasan global. Pemanasan global ini memiliki konsekuensi serius yang mengarah pada kehancuran ekosistem yang lengkap. Juga kita ditinggalkan dengan jumlah bahan bakar fosil yang sangat sedikit.
Energi surya, terutama energi fotovoltaik surya, telah mendapatkan tempat yang signifikan dalam upaya untuk mengeksplorasi energi hijau dan bersih (Iqbal, 2021).
Saat ini ratusan pembangkit listrik tenaga surya fotovoltaik (PV) telah dipasang, di tingkat perumahan, komersial, industri dan skala utilitas. Sistem grid-integrated atau grid- tied dirancang dan dipasang untuk beroperasi dalam sinkronisasi dengan jaringan distribusi dan tanpa kemampuan penyimpanan muatan. Ada beberapa teknik yang menggunakan
B. 86
pendekatan pencitraan satelit untuk memperkirakan radiasi matahari dan daya DC array PV untuk mendeteksi kesalahan. Penelitian (Tadj, 2014) menggunakan GISTEL (Solar Radiation by Teledetection) yang dikombinasikan dengan logika fuzzy untuk mendeteksi terjadinya gangguan, kemudian rasio arus dan tegangan digunakan untuk mengidentifikasi sifat gangguan. Takashima, 2004 membahas dua cara untuk mendeteksi kesalahan pada string PV, berdasarkan pengukuran kapasitansi bumi dan reflektometri domain waktu.
Chine, 2014, 2016 menggunakan pendekatan menghasilkan beberapa sinyal diagnostik untuk menyoroti terjadinya kesalahan dan kemudian rasio daya DC ke AC menentukan sifat kesalahan.
Saat ini telah banyak aplikasi pembangkit listrik tenaga matahari di masyarakat dunia yang bertujuan untuk menghemat penggunakan listrik seperti Surindra, 2020 untuk menggerakan aerator di kolam lele milik UMKM dan berjalan dengan baik; Detterr, 2020, menggunakan system concentrator untuk memanaskan air;Souza, 2021 membangun solar plant secara hybrid dengan pembangkit listrik tenaga bayu yang digunakan untuk jaringan tegangan menengah;Lora, 2019 menganalisis eksergi pembangkit listrik dengan bahan bakar fosil yang dikombinasikan dengan pembakit listrik tenaga matahari dan González, 2014, memnganalisisi secara ekonimi system desalinasi yang menggunakan tenaga matahari. Meskipun telah banyak peneliti yang melakukan reset di bidang tenaga mataharia, penulis merasa masih diperlukan mengekplorasi panel-panel solar cell, untuk dianalisa kemampuan menghasilkan tenaga listrik.
METODE PENELITIAN
Di masa lalu, penggunaan pembangkit listrik tenaga surya skala besar terbatas pada iklim yang ditentukan oleh kelimpahan radiasi yang sering disebut sebagai “Sunbelt”
(Wang, 2019). Penyebaran pembangkit listrik tenaga surya skala besar terus berlanjut melewati Sabuk Matahari, dan di masa depan, penurunan harga tenaga surya diperkirakan akan terus berlanjut, berpotensi semakin meningkatkan daya saing teknologi (ITRPV, 2020). Daya saing tenaga surya di lintang yang lebih tinggi tidak hanya bergantung pada penurunan biaya produksi, tetapi juga pada kinerja modul surya karena karakteristik iklim lintang tinggi. Karakteristik yang menguntungkan adalah pengaruh suhu terhadap efisiensi sel surya (Duffie & Beckman, 2013). Penurunan suhu sel meningkatkan tegangan sel surya dan sedikit menurunkan arus, tetapi hasil bersihnya adalah peningkatan output daya sekitar 0,35 0,5% per kelvin. Rasio kinerja menggambarkan output daya dari sistem tata surya
B. 87
dibandingkan dengan daya yang dihasilkan dalam Standard Test Conditions (STC) dan merupakan ukuran efisiensi sistem. Secara umum ditemukan bahwa rasio kinerja meningkat dengan lintang karena pengaruh ketergantungan suhu pada sel surya (Bayrakci et al., 2014).
Indonesia terletak diantara garis 60 lintang utara dan 110 lintang selatan, sedangkan politeknik Negeri Semarang terletak pada garis 70lintang selatan. Adapun matahari bergerak dari 230 lintang utara ke 230 lintang selatan sehingga Indonesia dilalui garis katulistiwa. Hal ini menunjukan bahwa kampus Polines menjadi lintasan matahari dan mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun kecuali kalau hujan atau tertutup awan.
Gambar 1. Kawasan Indonesia. (Surindra, 2012)
Panel surya ditempatkan pada dudukan yang diberikan mekanisme gerakan dengan lead screw pada plat besi. Lead screw tersebut dihubungkan dengan linear rail shaft sehingga panel surya dapat bergerak dengan arah sumbu x dan y. Fungsi dari mekanisme tersebut untuk melengkapi solar tracking yang dikontrol dengan Arduino, adapun panel surya yang digunakan untuk penelitian terlihat dalam Gambar 2. Hal ini seperti penelitian yang dilakukan oleh Pavale, 2021.
B. 88
Gambar 2. Panel surya monocristal
Untuk mengukur intensitas matahari menggunakan software Clear Sky CalculatoI,yaitusoftware yang berfungsi untuk mengukur nilai intensitas cahaya pada suatu
lokasi pada jam tertentu. Intensitas cahaya yang diukur dengan satuan .Kalkulator ini berfungsi untuk menentukan intensitas radiasi yang jatuh pada permukaan horizontal setiap saat sepanjang hari di lokasi mana pun di dunia. Kegunaan utama kalkulator ini adalah untuk menentukan kebutuhan kalibrasi ulang sensor radiasi.
Gambar 3. Skema pengujian
B. 89
Variasi kemiringan sudut Photovoltaic menggunakan fitur otomatis menggunakan sensor cahaya atau Light Dependent Resistor (LDR) dengan controller Arduino Uno.Pengujian solar cell dengan mengukur intensitas cahaya mataharidan daya outputsolar cell (Pavale, 2021). Dalam eksperimen yang dilakukan oleh Frimannslund, 2021 dari Norwegian University of Life Sciences, menempatkan solar panel 3 buah yang salah satunya terbalik menghadap ke bawah/bumi dengan alasan untuk menghindari penumpukan salju yang menutupi permukaan. Metode yang dilakukan juga mencari performance panel surya tersebut selama satu tahun penuh, sehingga melewati musim semi (spring) dan musim panas (summer).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Eksperimen pengujian telah dilakukan di Laboratorium Teknik Konversi Energi tepatnya di lapangan terbuka di Polines. Dalam pengujian pertama menggunakan sensor LDR (Light Dependent Resistor) yang dimaksudkan untuk menentukan arah datangnya sinar matahari, tetapi hasil eksperiment sensor tidak bisa membedakan arah datangnya sinar matahari, sehingga tidak memberikan sinyal ke controller untuk memberikan signal servo motor agar berputar untuk menggerak panel surya menghadap matahari. Dengan demikian diputuskan untuk tidak menggunakan sensor LDR, tetapi menggunakan servo motor yang digerakan secara manual untuk mengarahkan panel surya menghadap matahari.
Gambar 4. Grafik Intesitas Radiasi Terhadap Waktu 550
600 650 700 750 800 850 900
09:36 10:48 12:00 13:12 14:24
Intensitas radiasi (W/m2)
Waktu
B. 90
Dari gambar 4 yang menunjukan grafik hubungan antara intensitas radiasi terhadap waktu, dapat diketahui bahwa grafik diatas menunjukan pada tanggal 8 Agustus 2021 cuaca cerah dan intensitas matahari sangat bervariatif tergantung pada waktu dan kondisi lingkungan disekitar pengujian. Waktu dari jam 9:30 saat matahari berada di arah timur dan pada sore hari sekitar jam 14:30 berada di arah barat. Hal ini menyebabkan intensitas yang bervariasi, sedangkan kondisi lingkungan merujuk pada cuaca dimana pada saat itu cuacanya cerah, hanya kadang-kadang matahari tertutup oleh awan. Intensitas radiasi yang tertangkap sel surya (solar cell) pada kondisi normal terus meningkat berbanding lurus dengan waktu sampai mencapai titik maksimal pada pukul 12:05 dengan intensitas radiasi sebesar 860 W/m2. Setelah itu mengalami penurunan secara bertahap sampai pukul 14:00dengan nilai intensitas radiasi sebesar 564 W/m2. Hal ini karena terjadinya beberapa faktor yang mempengaruhinya. Pada pukul 10:00-12:10 nilai intensitas radiasi yang terukur rata-rata tinggi karena radiasi yang masuk ke bumi berasal dari refleksi, absorpsi oleh atmosfer (uap air, zat endapan di langit), yang menghamburkan radiasi surya langsung menuju bumi. Sedangkan pada pukul 12:10-14:00 partikel-partikel padatan akibat polusi kembali ke angkasa, dengan meningkatnya temperatur udara dan gerakan partikel mengakibatkan hamburan radiasi surya yang masuk ke bumi juga akan meningkat.
Sehingga nilai intensitas radiasi matahari yang masuk sampai ke permukaan bumi menjadi kecil.
Gambar 5. Grafik Daya Keluaran Panel Surya Terhadap Waktu
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
09:36 10:48 12:00 13:12 14:24
Daya keluaran panel (Watt)
Waktu
B. 91
Gambar 5 adalah grafik daya keluaran panel surya terhadap waktu. Pada grafik kondisi normal tanggal 8 Agustus 2021 diatas lebih berbentuk trend polynomial dengan daya keluaran sel surya (solar cell)yang meningkat tetapi cenderung flat dengan bertambahnya waktu, meskipun terjadi sedikit turun secara tiba-tiba. Semakin bertambahnya waktu mengakibatkan daya keluaran sel surya (solar cell) juga meningkat hingga mencapai titik maksimal sebesar 37,82 Watt pada pukul 11:30 dan 11:45, kemudian setelah mancapai titik maksimal menunjukkan penurunan daya keluaran sel surya (solar cell) dengan nilai minimal sebesar 25,30 Watt pada pukul 14:00. Intensitas radiasi yang tertangkap sel surya (solar cell) menjadi faktor utama meningkat dan menurunnya grafik pada kondisi cerah diatas. Dari intensitas radiasi tersebut dihasilkan arus dan tegangan keluar sel surya (solar cell) yang dapat dihitung untuk mengetahui daya keluaran sel surya (solar cell).
Gambar 6. Grafik Efisiensi Panel Surya (Solar Cell) Terhadap Waktu
Gambar 6 adalah grafik efesiensi panel surya terhadap waktu. Dari grafik diatas terlihat efisiensi sel surya (solar cell)yang menurun kemudian meningkat. Berdasarkan teori yang ada, efisiensi sel surya (solar cell) tipe Monocrystallineberkisar 12% sampai 14%. Dari grafik diatas pengujian yang kami lakukan telah mendapatkan nilai efisiensi panel surya (solar cell) sebesar 10% sampai 15%, maka dari itu nilai tersebut sudah masuk dalam kisaran yang ditentukan. Adapun fluktuasi dari grafik dikarenakan adanya rugi-rugi alat ukur, dan kabel. Dengan pengambilan data yang dilakukan setiap 5 menit sekali didapat data yang grafik yang lebih bervariasi dibandingkan pengambilan data yang diambil setiap jam sekali. Efisiensi sel surya (solar cell) maksimal bernilai 15% pada pukul 9:30, sedangkan efisiensi sel surya (solar cell) minimal bernilai 10,14% pada pukul 13:50.
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
09:36 10:48 12:00 13:12 14:24
Efisiensi panel surya (%)
Waktu
B. 92
Terjadi perbedaan nilai efisiensi dari teori yang ada dengan hasil perhitungan dari data yang didapat sebesar 1%. Hal ini dimungkinkan terjadi karena adanya pembacaan alat ukur.
KESIMPULAN
Dari hasil eksperiment pembangkit listrik tenaga surya dengan panel surya bertipe monocrystalline dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Intensitas radiasi matahari maksimal sebesar 860 W/m2 pada jam 12:50, kemudian mengalami penurunan secara bertahap sampai pukul 14:00 dengan nilai intensitas radiasi sebesar 564 W/m2.
2. Daya keluaran panel surya cenderung meningkat hingga mencapai titik maksimal sebesar 37,82 Watt pada pukul 11:30 dan 11:45, setelah itu menunjukkan penurunan dengan nilai minimal sebesar 25,30 Watt pada pukul 14:00.
3. Efisiensi sel surya (solar cell) maksimal bernilai 15% pada pukul 9:30, sedangkan efisiensi sel surya (solar cell) minimal bernilai 10,14% pada pukul 13:50.
DAFTAR PUSTAKA
Iqbal, M. S., Niazi, Y. A. K., Khan, U. A., Lee, B. W. (2021). Real-time fault detection system for large scale grid integrated solar photovoltaic power plants. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 130, 106902.
Tadj, M., Benmouiza, K., Cheknane, A., Silvestre, S. (2014). Improving the performance of PV systemsby faults detection using GISTEL approach. Energy Conversion Management, 80, 298-304.
Takashima, T., Yamaguchi, J., Otani, K., Oozeki, T., Kato, K., Ishida, M. (2009) Experimental studies of fault location inPV module strings. Solar Energy Materialsand Solar Cells, 93, 1079-1082.
Chine, W., Mellit, A., Pavan, A.M., Kalogirou, S.A.(2014) Fault detection method for grid-connected photovoltaicplants. Renewable Energy, 66, 99-110.
Chine, W., Mellit, A., Lughi, V., Malek, A., Sulligoi, G., Pavan, A.M. (2016) A novel fault diagnosis technique for photovoltaicsystems based on artificial neural networks.
Renewable Energy, 90, 501-512.
Surindra, M.D. (2020) Eksperimental stusdi aplikasi panel surya monocrystalline 50 WP sebagai sumber tenaga aerator dengan aliran kombinasi horizontal dan vertical.
Eksergi, 16, 99-108.
B. 93
Surindra, M.D. (2012). Analisis Karakteristik Electrical Modul Photovoltaic Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Surya Skala Laboratorium. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi, Universitas Wahid Hasyim.
Dettmer, R.J., Mendes, R.C., Normey-Rico, J.E. (2020) Nonlinear Model Predictive Control applied to Concentrated Solar Power Plants. IFAC Papers on Line, 53-2.
12745-12750.
Souza, F.C.S., Cabral, S.H.L., Thomas, D.W.P., Hausmann, R. (2021) ATP analysis of TRV applied to the medium voltage circuit of solar and onshore wind power.
International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 124, 106364.
Lora, P., Beretta, G.P., Ghoniem, A.F. (2019) Exergy loss based allocation method for hybrid renewable-fossil power plants applied to an integrated solar combined cycle.
Energy, 175, 893-901.
González, R., Roca, L., Rodriguez, F. (2014) Economic optimal control applied to a solar seawater desalination plant. Computer and Chemical Engineering, 71, 554-562.
Singh, K., Singh, S., Kandpal, D.C., Kumar, R. (2021) Experimental performance study of photovoltaic solar panel with and without water circulation. Materials Today:
Proceedings, 46, 6822-6827.
Pawale, P., Pawar, P., Nagthane, T., Thakre, M., Jangale, N. (2021). Performance enhancement of dual axis solar tracker system for solar panels using Proteus ISIS 7.6
Software Package. Global Transitions Proceedings
,https://doi.org/10.1016/j.gltp.2021.08.049
