BAB 2 LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 8 BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Teori Mengenai Sel Surya Sel surya merupakan perangkat yang unik karena memanfaatkan efek photovoltaic yang memungkinkannya perubahan langsung energi yang diserap dari matahari menjadi energi listrik, photovoltaic sendiri merupakan istilah yang telah digunakan di Inggris semenjak tahun 1849 dan berasal dari bahasa Yunani φώς:phos yang berarti cahaya dan voltaic yang berarti listrik diadaptasi dari nama fisikawan Italia yang bernama Alessandro Volta. Proses perubahan energi cahaya matahari menjadi listrik ini dapat berlangsung pada material semikonduktor yang mempunyai dua area yang berbeda, dimana satu area mempunyai kelebihan elektron dan area yang lain kekurangan elektron. Pada umumnya material semikonduktor ini terbuat dari silikon yang pada penggunaanya dikategorikan berdasarkan bentuk menjadi 2 yakni kristal dan non-kristal. Sel surya mempunyai banyak aplikasi, diantaranya sangat berguna pada situasi dimana energi listrik masih jarang atau sulit didapatkan seperti didaerah terpencil dan juga satelit buatan manusia yang mengorbit bumi di luar angkasa. Gambar 2.1 Rangkaian setara sel surya

2 Jenis Sel Surya Berdasarkan bahan yang digunakan, sel surya dibagi menjadi dua: 1. non-organik Bahan yang digunakan pada umumnya adalah senyawa silikon, seperti misalnya : Amorphous silicon (a-si or a-si:h), protocrystalline silicon atau Nanocrystalline silicon (nc-si or nc-si:h). 2. organik Bahan yang digunakan pada umunmya adalah senyawa polymer dan polyphenylene vinylene. Namun efesiensinya hingga saat ini masih sangat rendah, kurang lebih hanya 6%. Akan tetapi mempunyai keuntungan yang lain, karena mudah terurai oleh alam sehingga tidak menimbulkan problem baru seperti pengolahan sisa sisa sel surya yang telah tidak terpakai. Gambar 2.2 Sel sel surya (photovoltaic cells) Masalah Umum Sel Surya Selain banyaknya keuntungan yang dapat didapatkan dari sel surya, ada pula kekurangan serta masalah yang ditimbulkan akibat penggunaan sel surya. Masalah masalah tersebut diantaranya adalah :

3 10 1. Ketersediaan Memang energi cahaya yang berasal dari matahari merupakan salah satu yang tersedia dalam jumlah sangat banyak dan bahkan hampir tak terbatas, akan tetapi hanya dimanfaatkan dalam jumlah yang terbatas dikarenakan kurun waktu penyinaran ke bumi dan pemanfaatannya yang terbatas hanya pada pagi hingga sore hari dan cahaya maksimum pada siang hari sedangkan di malam hari hal ini menjadi tidak mungkin kecuali di luar angkasa. Selain itu akan menjadi semakin berkurang efisiensinya di cuaca yang berawan karena sinar matahari tidak bisa secara optimal terserap oleh sel surya. Gambar 2.3 Daerah penyinaran optimal cahaya matahari Daerah yang secara maksimum menerima cahaya matahari ditunjukan pada gambar diatas dalam spektrum warna kuning hingga oranye kemerahan. Pada daerah ini cahaya matahari mampu terserap secara maksimum oleh sel surya

4 11 dikarenakan posisinya memang sangat baik, dan sebagai catatan bahwa konsumsi listrik dunia dapat dipenuhi jika ditempatkan sel surya pada daerah daerah tersebut. 2. Jalur matahari Jalur pergerakan matahari tidak selalu berada tepat tegak lurus, dan hal ini berubah ubah seiring dengan waktu. Di tiap bagian dunia mempunyai waktu serta arah pergerakan yang berbeda, serta bergantung pada musim dan jam. Sehingga jalur ini harus diperhatikan dengan baik agar proses pengumpulan sinar menjadi optimal. 3. Tata letak sel surya Penempatan menjadi masalah tambahan yang perlu diperhatikan dengan seksama, karena sel surya hanya akan menjadi efektif apabila mendapat sinar langsung dengan arah normal tegak lurus terhadap permukaan atau dengan kata lain cahaya matahari jatuh tepat dengan sudut 90 o terhadap permukaannya jika dimungkinkan. Akan tetapi letak pengumpulan sinar matahari efektif hingga 20 o, jika semakin jauh dari sudut tegaknya maka akan semakin rendah juga tinggat penerimaannya. Dan juga jika perbedaan sudutnya lebih dari 35 o terhadap sudut tegak maka akan sebagian besar sinar matahari memantul dari permukaan sel surya. Dan juga ruang yang baik untuk penempatannya pada umumnya berupa lansekap yang datar, serta tidak terhalang pohon atau gedung.

5 12 4. Perubahan arus Arus yang didapat dari sel surya adalah DC (Direct Current) atau arus searah, sehingga jika dipergunakan sebagai sumber listrik bagi rumah ataupun industri maka perlu diubah menjadi AC (Alternating Current) atau arus bolak balik. Tidak hanya menambah kerumitan perangkat, tapi juga menyebabkan adanya energi yang hilang kurang lebih 4 hingga 12%. 5. Limbah produksi Permasalahan yang sangat sering dikemukakan adalah penggunaan Cadmium dalam Cadmium Telluride (CdTe), yang merupakan salah satu senyawa berbahaya yang jika penanganannya tidak tepat justru akan menyebabkan kerusakan lingkungan yang parah. Solusi yang baik adalah dengan adanya pengendalian tingkat emisi cadmium pada proses pembuatan sel surya maka jumlahnya dapat ditekan hingga mendekati nol Jenis Penampang Sel Surya Terdapat tiga penggolongan jenis penampang sel surya, yaitu berdasarkan jenis pergerakan penampang atau rangka, penempatan sel surya didalam rangka, dan sensor cahaya. Tergantung kepada jenis pergerakan, dibagi menjadi tiga sebagai berikut : 1. tanpa axis Pada jenis ini pada rangka atau penampang sel surya tidak mempergunakan axis sehingga cahaya efektif hanya didapat pada saat tertentu saja.

6 13 Gambar 2.4 Penampang sel surya tanpa axis 2. axis tunggal Pada jenis ini pada rangka atau penampang sel surya hanya di tempatkan satu axis saja yang dapat mengikuti pergerakan semu matahari dari mulai terbit di arah timur hingga terbenam di arah barat. Penempatan axis tersebut dibagi menjadi 3 yakni polar, horizontal dan vertikal. Untuk menggerakan axis ini pada umumnya dipergunakan motor stepper yang karakteristiknya disesuaikan berdasarkan berat rangka sel surya yang dipergunakan. Gambar 2.5 Penampang sel surya dengan axis tunggal (horizontal)

7 14 3. axis ganda Pada jenis ini pada rangka atau penampang sel surya di tempatkan dua axis yang dapat mengikuti pergerakan semu matahari dari mulai terbit di arah timur hingga terbenam di arah barat. Dengan penggunaan dua buah axis menjadi lebih baik, karena pada dasarnya memang pergerakan matahari tidak lurus. Untuk menggerakan axis ini pada umumnya dipergunakan motor stepper yang karakteristiknya disesuaikan berdasarkan berat rangka sel surya yang dipergunakan. Gambar 2.6 Penampang sel surya dengan axis ganda Tergantung kepada jenis penempatan sel surya, dibagi menjadi dua sebagai berikut : 1. terkonsentrasi Pada jenis ini sel surya ditempatkan pada titik fokus pemantul yang berfungsi untuk mengumpulkan cahaya matahari. Pada umumnya untuk mendapatkan pemantulan yang baik, maka pemantul berbentuk parabola

8 15 dan sel surya berukuran kecil namun dengan bahan serta kualitas yang lebih baik dari jenis biasa ditempatkan di depannya. Gambar 2.7 Penampang sel surya terkonsentrasi 2. tidak terkonsentrasi Pada jenis ini sel surya ditempatkan langsung menghadap arah cahaya matahari, dengan ukuran sel surya yang besar. Pada umumnya untuk mendapatkan pemantulan yang baik, maka pemantul berbentuk parabola dan sel surya dengan kualitas yang lebih baik dari jenis biasa ditempatkan di depannya. Gambar 2.8 Penampang sel surya tidak terkonsentrasi

9 16 Tergantung kepada penggunaan sensor cahaya dibagi menjadi dua, sebagai berikut : 1. dengan sensor Pada jenis ini digunakan sensor untuk mendeteksi keberadaan matahari, walaupun sebenarnya yang dideteksi adalah spektrum cahaya tertentu pada cahaya matahari. Umumnya yang digunkana sebagai sensor adalah photoresistor atau LDR (Light Dependent Resistor) serta photodioda. Apabila arah cahaya telah dideteksi, maka penampang digerakkan menuju arah tersebut. 2. tanpa sensor Pada jenis ini penampang sel surya bisa dalam keadaan statis atau diam, dan dapat juga digerakan oleh motor stepper dengan perhitungan torsi sehingga mampu menyamai gerak semu matahari dari timur ke barat. Gambar 2.9 Penampang sel surya tanpa sensor

10 Teori Mikrokontroler AVR ( Advanced Virtual RISC ) adalah piranti berarsitektur Harvard dimana program dan data ditempatkan secara terpisah. Instruksi instruksi program disimpan didalam memori flash semi-permanen yang dapat memasukan maupun memanipulasi data yang terdapat didalam SRAM. AVR merupakan bagian dari mikrokontroler yang dibuat oleh perusahaan semikonduktor Atmel. Dasar arsitekturnya dibuat oleh dua orang yaitu Alf-Egil Bogen dan Vergard Wollan dari Norwegian Institute of Technology (NTH). Pada sistem penampang sel surya ini digunakan AVR tipe ATMEGA Atmel AVR ATMEGA 8535 Mikrokontroler Atmel AVR ATMEGA 8535 merupakan salah satu anggota keluarga basar mikrokontroler AVR seri atmega Fitur Fitur Secara umum, fitur fitur yang dimiliki oleh AVR tersebut adalah sebagai berikut : Advanced RISC Architecture. Inti RISC dapat menjalankan Instruksi instruksi Single- Cycle Internal Oscillator Internal Instruction Flash Memory sampai dengan 8KB Internal Data EEPROM sampai dengan 512B Internal SRAM sampai dengan 512B Timer 8-Bit and 16-Bit Saluran PWM

11 18 Synchronous/Asynchronous Serial Peripherals (UART/USART) Serial Peripheral Interface (SPI) Komparator Analog 8 channel 10-Bit A/D konverter Tegangan operasional rendah mulai dari 1.8 volt. 32 Programmable I/O Lines Daya listrik rendah V Deskripsi Pin Gambar 2.10 Konfigurasi pin AVR ATmega8535 Tabel 2.1 Sinyal port Nama Tipe Keterangan PA-D.7:0 I/O Port 0, 8 Bit Bidirectional I/O Port PA-D.7:0 I/O Port 1, 8 Bit Bidirectional I/O Port

12 19 PA-D.7:0 I/O PA-D.7:0 I/O PA-D.7:0 I/O PA-D.7:0 I/O PA-D.7:0 I/O PA-D.7:0 I/O Port 2, 8 Bit Bidirectional I/O Port Port 3, 8 Bit Bidirectional I/O Port Port 4, 8 Bit Bidirectional I/O Port Port 5, 8 Bit Bidirectional I/O Port Port 6, 8 Bit Bidirectional I/O Port Port 7, 8 Bit Bidirectional I/O Port Tabel 2.2 Sinyal Clock Nama Tipe Keterangan XTAL1 I Input ke on-chip inverting oscillator amplifier XTAL2 O Output dari on-chip inverting oscillator amplifier 2.3 Spektrum Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik adalah gelombang radiasi yang tidak membutuhkan medium untuk merambat, yang dihasilkan oleh energi listrik dan magnetik yang berosilasi. Berdasarkan spektrum frekuensinya, gelombang elektromagnetik dapat dibagi untuk berbagai aplikasi, dan walaupun dianggap sebagai N (simbol dari no yang berarti tidak) faktanya beberapa jenis gelombang mampu menembus lapisan atmosfir bumi walaupun hanya mempunyai efek yang sangat kecil jika dibandingkan dengan jenis gelombang yang lain. Spektrum elektromagnetik adalah deretan dari seluruh jenis radiasi elektromagnetik, dimana spektrum tersebut menggambarkan karakteristik daya hantar dari objek tertentu yang dilalui gelombang elektromagnetik. Spektrum tersebut tersebar mulai dari dibawah frekuensi yang pada saat ini digunakan sebagai gelombang radio modern, hingga radiasi gamma yang mempunyai gelombang pendek. Sehingga spektrum tersebut menjangkau radius ribuan kilometer hingga hanya seperbagian atom saja.

13 20 Gambar berikut akan memperlihatkan pembagian area frekuensi dari gelombang elektromagnetik : Gambar 2.11 Pembagian Area Frekuensi dari Gelombang Elektromagnetik 2.4 Sensor Cahaya Komponen yang digunakan pada sistem untuk mendeteksi keberadaan cahaya matahari adalah photoresistor atau LDR ( Light Dependent Resistor ). Komponen ini memiliki respon terhadap spektrum cahaya yang mirip dengan mata manusia, karakteristik lainnya adalah sifat hambatannya yang berubah seiring dengan jumlah cahaya yang diterima selain kemampuannya untuk mengingat kondisi pencahayaan dimana komponen tersebut tersimpan. Namun efeknya dapat dikurangi dengan menyimpan ditempat dengan kondisi pencahayaan yang cukup. Selain LDR ada juga tipe sensor lain yang dapat mendeteksi cahaya, yakni photodioda. Pada dasarnya photodioda merupakan bentuk dasar dari sel surya, dan mempunyai cara kerja yang

14 21 sama. Kedua jenis sensor ini mendeteksi spektrum cahaya mulai dari inframerah, cahaya tampak, dan ultraviolet (UV). Gambar 2.12 Photoresistor (kiri) dan photodioda (kanan) 2.5 Teknik Antar Muka Komunikasi Serial Komunikasi serial adalah metode pengiriman data per bit, artinya data akan dipecah menjadi bit-bit, lalu dikirimkan melalui satu saluran transmisi saja. Dengan membandingkan pada komunikasi parallel yang menggunakan jumlah saluran pengiriman data lebih banyak, maka dapat kita ketahui komunikasi serial lebih efisien dan efektif dalam melakkukan pengiriman data. Ada dua macam cara pengiriman data secara serial yaitu secara asinkron (asynchronous) dan sinkron (synchronous). Yang dimaksud dengan pengiriman secara asinkron adalah yang menerima data cukup mengetahui apakah data sedang dikirimkan atau tidak. Transmisi asinkron data yang dikirimkan dalam satuan bps (bits per second), dan untuk mengirimkan sebuah karakter sebesar 8 bit akan dijadikan

15 22 dalam suatu paket sebesar 10 bit yang berisikan 1 start bit, 8 bit data,dan 1 stop bit. Pada transmisi sinkron ada dua metode pengiriman transmisi,metode pertama menggunakan syn character untuk menyamakan pengiriman dan penerimaan transmisinya yang menggunakan karakter khusus. Karakter ini terdiri dari susunan bit tertentu yang akan digunakan oleh pihak penerima untuk menyamakan kecepatan penerimaan. Ada tiga macam karakter yang digunakan dalam transmisi, yaitu karakter STX (Start of Text) dan ETX (End of Text) digunakan untuk menandakan awal dan akhir dari data yang dikirimkan. Dan yang ketiga adalah BCC (Block Check Character) digunakan untuk memastikan apakah data yang diterima mengalami error atau tidak Serial Peripheral Interface (SPI) Serial Peripheral Interface (SPI) adalah salah satu standar jalur komunikasi serial yang dibuat oleh Motorola. SPI merupakan saluran komunikasi serial synchronous full duplex. SPI menganut hubungan single master multiple slave. SPI memiliki empat jalur sinyal : SCLK (Clock) MOSI (Master Data Output, Slave Data Input) MISO (Master Data Input, Slave Data Input) SS (Slave Select) SCLK dibangkitkan oleh master device dan menjadi input bagi semua slave. MOSI menjadi media pembawa data dari master ke slave. MISO

16 23 membawa data dari slave ke master. Master membangkitkan sinyal SS untuk memilih slave device. Ilustrasi dari relasi antara master dan slave bisa digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.13 Relasi antara Master dan Slave pada SPI Ada dua parameter yang harus diperhatikan pada saat berkomunikasi menggunakan SPI yaitu bit clock polarity (CPOL) dan clock phase (CPHA). Kedua parameter ini akan menentukan kapan data akan diambil. CPOL menentukan kondisi SCLK pada saat idle state, sedangkan CPHA akan menentukan apakah edge pertama dari SCK setelah idle state menjadi capture point bagi slave atau menjadi penanda dimulainya pengiriman data kepada slave.

17 24 Tabel 2.3 Fungsi CPOL dan CPHA CPOL CPHA Keterangan 0 0 Kondisi idle state = low Edge pertama = capture point 1 0 Kondisi idle state = high Edge pertama = capture point 0 1 Kondisi idle state = low Edge pertama = penanda dimulainya transmisi data 1 1 Kondisi idle state = low Edge pertama = penanda dimulainya transmisi data SPI tidak menyediakan mekanisme acknowledgement serta pengaturan aliran data. Berikut adalah bagaimana data dibaca dan dikirim : Gambar 2.14a Timing diagram read dan write SPI dengan CPHA = 0 Gambar 2.14b Timing diagram read dan write SPI dengan CPHA = 1

18 25 Gambar 2.10a menggambarkan SPI dengan kondisi CPHA = 0, yang artinya edge pertama setelah idle state adalah titik pengambilan data. Pada kondisi CPOL = 0, rising edge adalah titik pengambilan data, sedangkan pada kondisi CPOL = 1 falling edge adalah titik pengambilan data. Pada gambar 2.10b menggambarkan SPI dengan kondisi CPHA = 1, yang artinya edge pertama setelah idle state adalah penanda dimulainya transmisi data. Pada kondisi CPOL = 0, rising edge pertama adalah tanda dimulainya transimisi data, sedangkan titik pengambilan datanya ada pada level high SCK, sedangkan pada kondisi CPOL = 1, falling edge pertama adalah tanda dimulainya transmisi data, sedangkan titik pengambilan datanya ada pada level low SCK. 2.6 Motor Listrik Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dan lain sebagainya. Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/ torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok (BEE India, 2004): Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi.

19 26 Contoh beban dengan torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan). Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin Jenis Motor Listrik Motor listrik dibagi menjadi 2 jenis, yakni motor arus searah (dc) dan motor arus bolak balik (ac). Dapat terlihat dengan jelas klasifikasinya dalama gambar berikut : Gambar 2.15 Klasifikasi motor listrik

20 27 A. Motor DC Motor arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Gambar 2.13 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama : Kutub medan secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan. Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.

21 28 Komutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Komutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya. Gambar 2.16 Sebuah Motor DC Prinsip kerja suatu motor arus searah adalah suatu kumparan jangkar terdiri dari belitan dan terletak diantara kutub - kutub magnet. Kalau kumparan dilalui arus maka pada kedua sisi kumparan bekerja gaya Lorentz. Aturan tangan kiri dapat digunakan untuk menentukan arah gaya Lorentz, dimana gaya jatuh pada telapak tangan, jari - jari yang yang direntangkan menunjukkan arah arus, maka ibu jari yang direntangkan menunjukkan arah gaya. Kedua gaya yang timbul merupakan sebuah kopel. Kopel yang dibangkitkan pada kumparan sangat tidak teratur, karena kopel itu berayun antara nilai maksimum dan nol. Untuk mendapatkan kopel yang relatif sama dan sama besar, dibagi sejumlah besar kumparan di sekeliling jangkar. Kumparan - kumparan itu dihubungkan dengan lamel tersendiri pada komutator, sehingga motor arus searah tidak berbeda dengan generator arus searah. Perbedaan motor dan generator hanya terletak pada konversi dayanya. Generator adalah mesin listrik yang mengubah daya

22 29 masuk mekanik menjadi daya listrik. Sedangkan motor mengubah daya masuk listrik menjadi mekanik. Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur: Tegangan dynamo, dengan meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan. Arus medan, dengan menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.. Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, sebab apabila digunakan untuk kecepatan tinggi karena adanya resiko percikan api pada sikat. B. Motor AC Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan daalam Gambar Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekuensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena

23 30 kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC). Gambar 2.17 Motor DC yg membutuhkan arus DC untuk pembangkitan daya