SOLAR TRACKING DUAL AXIS BERBASIS ARDUIN

(1)

SOLAR TRACKING DUAL – AXIS BERBASIS ARDUINO UNO DENGAN MENGGUNAKAN LENSA FRESNEL GUNA MENINGKATKAN

EFISIENSI PENGFOKUSAN CAHAYA MATAHARI

𝐈𝐦𝐚𝐝𝐮𝐝𝐝𝐢𝐞𝐧 𝐀𝐫𝐢𝐞𝐟𝐚𝟏_,_{𝐍𝐮𝐫𝐮𝐥 𝐊𝐡𝐚𝐥𝐢𝐦 𝐌𝐚𝐮𝐥𝐢𝐝𝐢𝐲𝐚𝐡}𝟐_,

𝐑𝐚𝐭𝐮 𝐑𝐢𝐞𝐳𝐠𝐢𝐧𝐚 𝐀𝐥𝐢𝐲𝐚𝟑

Dosen Pembimbing : Margana, S.T., M.Eng.

𝑇𝑒𝑘𝑛𝑖𝑘 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖, 𝑃𝑜𝑙𝑖𝑡𝑒𝑘𝑛𝑖𝑘 𝑁𝑒𝑔𝑒𝑟𝑖 𝑆𝑒𝑚𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔, 𝐼𝑛𝑑𝑜𝑛𝑒𝑠𝑖𝑎 𝟏

Email: [email protected]

𝑇𝑒𝑘𝑛𝑖𝑘 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖, 𝑃𝑜𝑙𝑖𝑡𝑒𝑘𝑛𝑖𝑘 𝑁𝑒𝑔𝑒𝑟𝑖 𝑆𝑒𝑚𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔, 𝐼𝑛𝑑𝑜𝑛𝑒𝑠𝑖𝑎𝟐

𝑇𝑒𝑘𝑛𝑖𝑘 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖, 𝑃𝑜𝑙𝑖𝑡𝑒𝑘𝑛𝑖𝑘 𝑁𝑒𝑔𝑒𝑟𝑖 𝑆𝑒𝑚𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔, 𝐼𝑛𝑑𝑜𝑛𝑒𝑠𝑖𝑎𝟑

Abstrak

Indonesia merupakan negara yang dilalui garis khatulistiwa sehingga pencahayaan cahaya matahari yang didapatkan sangat baik sehingga dapat dimanfaatkan untuk keperluan pembangkitan energi listrik oleh solar cell dan menghasilkan energi yang cukup besar untuk mencukupi kebutuhan listrik masyarakat Indonesia. Untuk mengoptimalkan energi listrik yang dihasilkan solar cell diperlukan sebuah alat yang dapat mengarahkan solar cell ke cahaya matahari.

Solar Tracking Dual-Axis Berbasis Mikrokontroler dengan Menggunakan Lensa Fresnel Guna Meningkatkan Efisiensi Pengfokusan Cahaya Matahari ini merupakan sebuah alat yang dirancang untuk mengarahkan solar cell ke cahaya matahari. Alat ini bekerja dengan menggunakan 4 buah sensor LDR (Light Dependent Resistor) dan dua Servo MG996 sebagai aktuator penggeraknya. Sistem ini dikendalikan oleh Arduino Nano yang menjalankan program yang ditanamkan oleh software Arduino IDE (Integrated Development Environment).

Hasil pengujian di bawah sinar matahari menunjukkan perbandingan tegangan dan arus yang dihasilkan solar cell yang terpasang pada alat sun tracking dengan alat yang posisinya tetap. Solar cell yang yang terpasang pada alat sun tracking

diharapkap dapat menghasilkan tegangan dan arus yang lebih besar dibanding dengan solar cell posisi tetap, sehingga mendapatkan nilai efisiensi yang tinggi.

Dari hasil perhitungan yang didapat dari data pengujian, daya rata-rata dan efisiensi yang dihasilkan menggunakan mode tracking dual-axis berturut-turut yaitu 6,81113 watt dan 68,113%, sedangkan mode diam yaitu 5,045593 watt dan 50,45593%, sehingga dapat disimpulkan bahwa mode tracking dual-axis lebih efisien dibandingkan mode diam.

Kata Kunci : Solar cell, Solar Tracking Dual-Axis, sensor LDR, Arduino Nano,

(2)

1. Pendahuluan

Kawasan Indonesia merupakan salah satu kawasan yang memiliki banyak sumber energi alam yang dapat digunakan sebagai energi alternatif untuk pembangkitan energi listrik. Upaya-upaya eksplorasi untuk membangitkan energi listrik sangat penting untuk dilakukan terutama dalam mengatasi krisis energi listrik yang sedang melanda negara kita. Indonesia sebagai negara tropis memiliki potensi insolasi matahari rata-rata 4.8 kWh/m2 per hari. Potensi terbesar terletak di Indonesia bagian timur sebesar 5,1 kWh/m2 per hari, sedangkan Indonesia bagian barat sebesar 4,5 kWh/m2 per hari [IEO,2010].Pemanfaatan energi surya di Indonesia perlu

dikembangkan termasuk

kemungkinannya untuk

diintegrasikan dengan jaringan PLN atau on-grid [IEO,2010].Kapasitas terpasang PLTS diseluruh pulau di

Indonesia terus mengalami

peningkatan dari tahun 2005 sebesar 1,23 MWp, hingga tahun 2009 sebesar 13,50 MWp [Statistik EBTKE,2011]. Kendala yang dihadapi pada penerapan PLTS adalah produksi panel surya yang

meningkatkan efisiensi panel surya yaitu dengan menambahkan sistem

solar tracker [Wafa B. et al.,2013].

Saat ini Litbang Kementerian ESDM juga sedang mengembangkan sistem

photovoltaic solar tracker untuk menambah dayakeluaran panel surya di desa Jambelaer Kabupaten Subang dengan kapasitas 8 kWp. Penelitian

[Salah A.,Salem N.,2004]

menyatakan bahwa konsumsi daya pada sistem solar tracking adalah 3% dari peningkatan daya yang dihasilkan.

Sistem solar tracker diklasifikasikan menjadi dua, yaitu single-axis dan

dual-axis. Dalam sistem dual-axis, sudut yang dikendalikan yaitu sudut

yaw dan sudut pitch. Sedangkan pada sistem single-axis, yang dikendalikan adalah salah satu dari kedua sudut tersebut [Tina G.M.,2012].

2. Metode

2.1. Komponen Alat Solar Cell

(3)

Gambar 1. PN junction

Sel surya bekerja berdasarkan efek Fotoelektrik adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi benda yang melewati radiasi sinar yang dipancarkan oleh sensor, yang kemudian dipantulkan kembali ke

receiver sensor. Sensor ini bersifat seperti saklar. apabila sensor mendeteksi benda maka saklar akan

ON, apabila tidak mendeteksi benda maka sensor OFF. pada material semikonduktor untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Sifat cahaya sebagai energi dalam paket-paket foton ini yang diterapkan pada sel surya. Semakin besar input

yang diberikan, maka daya listrik yang dapat dihasilkan oleh sel surya semakin besar. Daya listrik adalah besaran yang diturunkan dari nilai tegangan dan arus yang dihasilkan merupakan bagian dari kelistrikan yang dimiliki oleh sel surya. Daya listrik yang diberikan oleh sel surya adalah :

𝑃𝑠𝑒𝑙= 𝑉𝑠𝑒𝑙 . 𝐼𝑠𝑒𝑙 (2.1)

Efesiensi keluaran maksimum (ɳ) didefinisikan sebagai persentase daya keluaran optimum terhadap energy cahaya yang digunakan, yang berhadapan langsung dengan pancaran sinar matahari, dalam artian

posisi solar cell harus tegak lurus dengan cahaya yang datang. Dari kondisi ini, efektivitas solar cell

dalam menghasilkan daya yang lebih besar lebih mudah didapat

Gambar 2. Posisi Solar Cell dalam menerima cahaya matahari

Jenis Solar Cell

Jenis-jenis sel surya digolongkan

berdasarkan teknologi

pembuatannya. Secara garis besar sel surya dibagi dalam tiga jenis, yaitu:

1. Monocrystalline

Jenis ini terbuat dari batangan kristal silikon murni dan memiliki tebal yang sangat tipis. Kepingan sel surya yang identik satu sama lain dan memiliki kinerja tinggi.Sel ini surya yang paling efisien dibandingkan jenis sel surya lainnya, sekitar 15% – 20%.

2. Polycrystalline

Jenis ini terbuat dari beberapa batang kristal silikon yang dilebur / dicairkan kemudian dituangkan dalam cetakan yang berbentuk persegi. Kemurnian kristal silikonnya tidak semurni pada sel surya

(4)

yang dihasilkan tidak identik satu sama lain dan efisiensinya lebih rendah, sekitar 13% – 16% .

3. Thin Film Solar Cell (TFSC)

Jenis sel surya ini diproduksi dengan cara menambahkan satu atau beberapa lapisan material sel surya yang tipis ke dalam lapisan dasar. Sel surya jenis ini sangat tipis karenanya sangat ringan dan fleksibel. Jenis ini dikenal juga dengan nama TFPV (Thin Film Photovoltaic).

LDR (Light Dependent Resistor)

Sebuah Light Dependent Resistor

(LDR) terdiri dari sebuah piringan bahan semikonduktor dengan dua buah elektroda pada permukaannya. Biasanya LDR terbuat dari bahan Cds, CdSe, PbS, Dn Bi2Se3.

Arduino Nano

Arduino Nano adalah salah satu papan pengembangan mikrokontroler yang berukuran kecil, lengkap dan mendukung penggunaan breadboard.

Arduino Nano diciptakan dengan basis mikrokontroler ATmega328 (untuk Arduino Nano versi 3.x) atau ATmega 168 (untuk Arduino versi 2.x).

Gambar 3. Arduino Nano

Motor servo MG995

Adalah sebuah perangkat atau aktuator putar (motor) yang dirancang dengan sistem kontrol umpan balik loop tertutup (servo), sehingga dapat di set-up atau di atur untuk menentukan dan memastikan posisi sudut dari poros output motor. motor servo merupakan perangkat yang terdiri dari motor DC, serangkaian gear, rangkaian kontrol dan potensiometer. Serangkaian gear

yang melekat pada poros motor DC akan memperlambat putaran poros dan meningkatkan torsi motor servo, sedangkan potensiometer dengan perubahan resistansinya saat motor berputar berfungsi sebagai penentu batas posisi putaran poros motor servo. Penggunaan sistem kontrol loop tertutup pada motor servo berguna untuk mengontrol gerakan dan posisi akhir dari poros motor servo.

Gambar 4. Servo MG995

Prinsip Kerja Motor Servo

(5)

Ketika lebar pulsa kendali telah diberikan, maka poros motor servo akan bergerak atau berputar ke posisi yang telah diperintahkan, dan berhenti pada posisi tersebut dan akan tetap bertahan pada posisi tersebut. Jika ada kekuatan eksternal yang mencoba memutar atau mengubah posisi tersebut, maka motor servo akan mencoba menahan atau melawan dengan besarnya kekuatan torsi yang dimilikinya (rating torsi servo). Namun motor servo tidak akan mempertahankan posisinya untuk selamanya, sinyal lebar pulsa kendali harus diulang setiap 20 ms (mili detik) untuk menginstruksikan agar posisi poros motor servo tetap bertahan pada posisinya.

Solar Charge Controller

Solar Charge Controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. Solar charge controller mengatur overcharging

(kelebihan pengisian - karena batere sudah 'penuh') dan kelebihan voltase dari panel surya / solar cell. Kelebihan voltase dan pengisian akan mengurangi umur baterai. Solar charge controller menerapkan

teknologi Pulse width modulation (PWM) untuk mengatur fungsi pengisian bateraidan

pembebasan arus dari baterai ke beban. Panel surya / solar cell 12

Volt umumnya memiliki tegangan

output 16 - 21 Volt.

Konsentrator lensa fresnel

Radiasi panas matahari pada prinsipnya dapat difokuskan dengan dua cara yaitu pemantulan (reflection) dan pembiasan (refraction) dengan menggunakan cermin atau lensa. Cermin ini dapat berupa bidang (heliostats atau parabola), sedangkan lensa dapat berupa lensa cembung atau lensa fresnel. Tipe lensa fresnel menurut Menghani, et.al, ada dua tipe fresnel yaitu lensa bias (refractive lens) dan cermin pantul (reflective mirrors). Lensa fresnel bias sebagian besar digunakan dalam aplikasi fotovoltaik sedangkan cermin reflektif banyak diaplikasikan dalam solar thermal power. Disain optikal lensa fresnel lebih fleksibel dan menghasilkan kerapatan fluks yang seragam pada

absorber.

Gambar 6. (a) Reflective Mirror

Fresnel, (b) Refractive Lens Fresnel

(6)

2.2. Metode Penelitian

Penulis menggunakan beberapa

metode penelitian untuk

mengarahkan penelitian

(perancangan) ini agar tujuan penelitian yang telah ditentukan dapat tercapai Bahan – bahan yang digunakan untuk membuat sistem ini

sebagai berikut :

a). 4 buah Sensor LDR yang dipasang disisi solar cell, digunakan untuk mendeteksi posisi matahari. b). Panel surya, yang digunakan untuk merubah energi matahari menjadi energi listrik.

c).Mikrokontoler Arduino Nano

d). LCD 2x16, untuk menampilkan hasil pengukuran secara digital.

e). 2 buah Servo MG995 sebagai penggerak posisi panel surya pada posisi sumbu –X dan sumbu-Z

Gambar 9. Skema Blok Diagram Pada Alat

3. Hasil dan Pembahasan

Tabel 1. Data Hasil Pengujian Alat

Mode tracking dual-axis

Mode Diam Mode

tracking dual-axis

Mode Diam

Waktu (WIB)

Tegangan Solar Cell

(V)

Arus Solar Cell (A)

Tegangan Solar Cell

(V)

Arus Solar Cell (A)

Daya (watt)

11:15:0 13,14 0,48 13,01 0,4 6,3072 5,204

11:20:0 13,09 0,48 13,01 0,53 6,2832 6,8953

11:25:0 13,09 0,48 13,01 0,48 6,2832 6,2448

11:30:0 13,09 0,55 13,03 0,32 7,1995 4,1696

11:35:0 13,06 0,5 13,03 0,34 6,53 4,4302

11:40:0 13,09 0,48 13,03 0,26 6,2832 3,3878

11:45:0 13,09 0,55 13,03 0,34 7,1995 4,4302

11:50:0 13,09 0,54 13,03 0,24 7,0686 3,1272

11:55:0 13,06 0,48 13,03 0,18 6,2688 2,3454

12:0:0 13,09 0,48 13,03 0,4 6,2832 5,212

12:5:0 13,09 0,48 13,03 0,42 6,2832 5,4726

12:10:0 13,09 0,48 13,01 0,34 6,2832 4,4234

(7)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

11:15:00 11:20:00 11:25:00 11:30:00 11:35:00 11:40:00 11:45:00 11:50:00 11:55:00 12:00:00 12:05:00 12:10:00 12:15:00 12:20:00 12:25:00 12:30:00 12:35:00 12:40:00 12:45:00 12:50:00 12:55:00 13:00:00 13:05:00 13:10:00 13:15:00 13:20:00 13:25:00

A

ru

s

(A

)

Waktu (WIB)

Grafik Arus Mode tracking dual-axis dengan

Mode Diam

mode dual-axis mode diam

12:20:0 13,06 0,58 13,01 0,45 7,5748 5,8545

12:25:0 13,06 0,58 13,01 0,42 7,5748 5,4642

12:30:0 13,03 0,58 13,01 0,48 7,5574 6,2448

12:35:0 13,06 0,58 13,01 0,34 7,5748 4,4234

12:40:0 13,06 0,58 13,01 0,5 7,5748 6,505

12:45:0 13,06 0,53 12,98 0,4 6,9218 5,192

12:50:0 13,06 0,48 13,01 0,42 6,2688 5,4642

12:55:0 13,06 0,48 13,03 0,34 6,2688 4,4302

13:0:0 13,03 0,53 13,01 0,13 6,9059 1,6913

13:5:0 13,01 0,48 13,01 0,53 6,2448 6,8953

13:10:0 13,01 0,61 13,01 0,21 7,9361 2,7321

13:15:0 13,01 0,63 12,98 0,4 8,1963 5,192

13:20:0 13,03 0,5 12,98 0,55 6,515 7,139

13:25:0 13,01 0,48 13,01 0,63 6,2448 8,1963

Rerata 13,06222 0,521481 13,01333 0,387778 6,81113 5,045593

(8)

Gambar 11. Grafik Tegangan Mode tracking dual-axis dengan Mode Diam

Gambar 12. Grafik Daya Mode tracking dual-axis dengan Mode Diam

Berdasarkan grafik diatas dijelaskan bahwa tegangan yang dihasilkan sel

surya dengan mode diam

menghasilkan tegangan rata-rata 13,01333 Volt sedangkan tegangan yang dihasilkan sel surya dengan

mode tracking dual-axis

menghasilkan tegangan rata-rata 13,06222Volt. Selanjutnya arus rata-rata pada sel surya dengan mode diam sebesar 0,387778 Ampere

sedangkan arus rata-rata pada sel

12,9 12,95 13 13,05 13,1 13,15 13,2

11:15:00 11:20:00 11:25:00 11:30:00 11:35:00 11:40:00 11:45:00 11:50:00 11:55:00 12:00:00 12:05:00 12:10:00 12:15:00 12:20:00 12:25:00 12:30:00 12:35:00 12:40:00 12:45:00 12:50:00 12:55:00 13:00:00 13:05:00 13:10:00 13:15:00 13:20:00 13:25:00

T

e

g

an

g

an

(

V

)

Waktu (WIB)

Grafik Tegangan Mode tracking dual-axis

dengan Mode Diam

mode dual-axis mode diam

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

11:15:00 11:20:00 11:25:00 11:30:00 11:35:00 11:40:00 11:45:00 11:50:00 11:55:00 12:00:00 12:05:00 12:10:00 12:15:00 12:20:00 12:25:00 12:30:00 12:35:00 12:40:00 12:45:00 12:50:00 12:55:00 13:00:00 13:05:00 13:10:00 13:15:00 13:20:00 13:25:00

Daya (

W

att)

Waktu (WIB)

Grafik Daya Mode tracking dual-axis dengan

Mode Diam

(9)

surya dengan mode tracking dual-axis sebesar 0,521481 Ampere. Sedangkan daya yang dihasilkan sel surya dengan mode diam rata-rata sebesar 5,045593 Watt dan sel surya dengan mode tracking dual-axis

memiliki daya rata-rata sebesar 6,81113 Watt.

Dari data yang telah didapatkan, dapat terlihat bagaimana sel surya yang dilengkapi dengan sistem dual-axis mempunyai daya output yang lebih besar daripada sel surya dengan

mode diam.

Penghitungan efisiensi dengan menggunakan sistem tracking dual-axis

Penghitungan efisiensi sistem

tracking dual-axis ini diambil dari pukul 11.15 - 13.25 WIB pada hari minggu 1 Juli 2018 dengan daya maksimum sesuai dengan name plate

dari solar cell sebesar 10 Watt DC atau 𝑃_{𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡} = 10 Watt DC. Sedangkan daya rata-rata yang dihasilkan sebesar 6,81113 Watt. Berikut analisa penghitungan efisiensi dangan mode tracking dual-axis : bahwa dengan menggunakan sistem

tracking dual-axis menghasilkan efisiensi penyerapan daya rata-rata sebesar 68,113% dari kemampuan maksimum penyerapan daya solar cell yang harusnya 10 Watt

berdasarkan spesifikasi yang tertulis.

Penghitungan efisiensi dengan menggunakan mode diam

Penghitunganefisiensi mode diam ini diambil dari pukul 11.15 - 13.25 WIB pada hari Sabtu 30 Juni 2018 dengan daya maksimum sesuai dengan name plate dari solar cell

sebesar 10 Watt DC atau 𝑃_{𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡} = 10 Watt DC. Sedangkan daya rata-rata yang dihasilkan sebesar 5,045593 Watt. Berikut analisa penghitungan efisiensi dangan mode tracking dual-axis :

𝑃𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 bahwa dengan menggunakan mode diam menghasilkan efisiensi penyerapan daya rata-rata sebesar

50,45593% dari kemampuan

maksimum penyerapan daya solar cell yang harusnya 10 Watt berdasarkan spesifikasi yang tertulis.

Perhitungan Selisih Efisiensi Menggunakan Sistem Tracking Dual-Axis Dengan Mode Diam Δ Efisiensi Daya =

𝑃𝑇𝑟𝑎𝑐𝑘𝑖𝑛𝑔 𝐷𝑢𝑎𝑙−𝐴𝑥𝑖𝑠 - 𝑃𝑚𝑜𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑎𝑚

= 68,113% - 50,45593%

= 17,65707%

Dari penghitungan diatas bahwa selisih efisiensi daya ketika menggunakan sistem tracking dual-axis dan mode diam sebesar

17,65707%. Penyeapan daya

(10)

dual-axis dibanding dengan menggunakan

mode diam, hal tersebut ditunjukkan dengan nilai daya rata-rata yang dihasilkan sebesar 6,81113 Watt

lebih besar dibanding dengan mode

diam sebesar 5,045593 Watt.

4. Kesimpulan

1. Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa pengujian solar cell

dengan menggunakan sistem

tracking dual-axis dapat menghasilkan daya sebesar 68,113% dari 10 Watt sesuai dengan spesifikasi solar cell yang tertulis.

2. Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa pengujian solar cell

dengan menggunakan mode diam dapat menghasilkan daya lebih kecil dibanding dengan sistem

tracking dual-axis yaitu sebesar 50,45593% dari 10 Watt sesuai dengan spesifikasi solar cell yang tertulis.

3. Selisih efisiensi daya ketika menggunakan sistem tracking dual-axis dan mode diam sebesar 17,65707%.

5. Saran

1. Untuk pengembangan lebih lanjut dapat dilakukan inovasi interkoneksi pada sistem konrol jarak jauh seperti menggunakan WIFI sehingga mempermudah dalam sistem monitoring.

6. Daftar Pustaka

Roni Syafrialdi, Wildian.

(2015). “SOLAR

TRACKER BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8535 dengan sensor LDR dan penampil

LCD” jurnal fisika

Universitas Andalas.

Sayyidah Khoirul Nisa. (2013).

“PROTOTIPEDUAL AXIS

SUN TRACKER DENGAN SENSOR LDR (LIGHT DEPENDENT RESISTOR) MENGGUNAKAN

ARDUINO UNO” e-Jurnal

D3 ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI Universitas Gadjah Mada.

Simatupang, S., Susilo, B., dan Hermanto, M.B., 2012, Rancang Bangun dan Uji Coba Solar Tracker pada Panel Surya Berbasis Mikrokontroler Atmega16,