KINERJA LISTRIK ENERGI SURYA SATU FASA BOLAK-BALIK 80W, 220V, 50HZ LAPORAN TUGAS AKHIR

KINERJA LISTRIK ENERGI SURYA SATU FASA BOLAK-BALIK 80W, 220V, 50HZ LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3 Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Oleh FERNANDO MANALU NIM. 1105052063 JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014

KINERJA LISTRIK ENERGI SURYA SATU FASA BOLAK-BALIK 80W, 220V, 50HZ LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3 Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Oleh FELLY FIYANTI GINTING NIM. 1105052062 FERNANDO MANALU NIM. 1105052063 JIMMY TAMBUNAN NIM. 1105052072 SRI WINDARI NIM. 1105052097 JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan berkat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat waktu. Laporan Tugas Akhir ini berjudul Rancang Bangun Sistem Kinerja Listrik Energi Surya Satu Fasa Bolak-Balik 80W, 220V, 50HZ dan laporan ini dimaksudkan sebagai salah satu syarat kelulusan yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan Pendidikan Program Diploma 3, Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik di Politeknik Negeri Medan. Selama penyelesaian laporan tugas akhir ini, penulis telah mendapatkan bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa material, spiritual, informasi maupun administrasi. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. M. Syahruddin, S.T,M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Idham Kamil S.T.,M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. 3. Aulia Salman S.T.,M.T., Sekretaris Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. 4. Ir. Abdul Razak, M.T., Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi. 5. Ir. Suprapto, M.T., selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan, pengetahuan serta motivasi kepada penulis dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini. 6. Ir. Hairanus Tarigan, M.T., Ir. Burhanuddin Tarigan, M.T., dan Ir. Rufinus Nainggolan, M.T., Dosen yang telah memberikan banyak ilmu dalam pembelajaran serta memberikan motivasi kepada penulis. 7. Seluruh Dosen, Staff dan Karyawan Program Studi Teknik Konversi Energi yang telah memberikan pengetahuan, motivasi serta telah mendidik penulis selama menyelesaikan pendidikan di Politeknik Negeri Medan. iv

8. Teristimewa untuk kedua orang tua penulis Ayahanda P.Manalu dan Ibunda N.br Nababan yang selalu mendukung penulis dalam doa, semangat dan dalam keadaan apapun. Tak Lupa juga untuk Kakak-kakak penulis Rista, Sofie, Risma, Heppi, Abang penulis Daniel, Josua, Adik penulis Dumaria, dan juga untuk kekasih penulis Olivia Pohan yang telah memberikan motivasi, semangat dan doa kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 9. Terimakasih kepada teman satu kelompok, Felly Fiyanti Ginting, Jimmi Tambunan dan Sri Windari Saragi yang mampu bekerjasama dengan baik kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 10. Terimakasih buat sahabat-sahabat penulis, Muhammad Fauzi, Benni Hendri Sitompul, Bobby Kristian Simarmata, Janter Ridho Pakpahan, Triosfina Purba, Heysha Feronika Siregar yang selalu mendukung yang selalu memberikan doa dan semangat kepada penulis. 11. Teman-teman seperjuangan penulis EN-6C angkatan 2011. 12. Rekan-rekan di Politeknik Negeri Medan khususnya Program Studi Teknik Konversi Energi Angkatan 2011. Walaupun penulis sudah berupaya semaksimal mungkin, namun penulis juga menyadari bahwa kemungkinan terdapat kekurangan dalam laporan ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritikan yang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan ini di masa yang akan datang. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya. Medan, 12 Juli 2014 Hormat Penulis, Fernando Manalu NIM. 1105052063 v

DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR... LEMBAR PERSETUJUAN... LEMBAR PENGESAHAN... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... INTISARI... ABSTRAK... i ii iii iv vi ix xiii xiv xv BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Rumusan Masalah... 2 1.3. Tujuan Tugas Akhir... 2 1.4. Manfaat Tugas Akhir... 3 1.5. Teknik Pengumpulan Data... 3 1.6. Sistematika Pembahasan... 3 BAB 2 DASAR TEORI... 5 2.1. Panel surya... 5 2.2.1. Sejarah penemuan sel surya... 6 2.2.2. Prinsip kerja sel surya... 6 2.2. Charge Controller... 12 vi

2.3. Baterai... 13 2.3.1. Pengertian baterai... 13 2.3.2. Sejarah baterai... 14 2.3.3. Prinsip kerja baterai... 15 2.3.4. Jenis baterai... 15 2.3.5. Cara kerja baterai... 18 2.3.5.1. Saat baterai mengeluarkan arus... 18 2.3.5.2. Saat baterai menerima arus... 19 2.3.6. Pengisian baterai... 19 2.4. Inverter 1 Fasa... 21 2.4.1. Prinsip kerja inverter 1 fasa... 22 2.4.1.1. Inverter 1 fasa jembatan penuh... 22 2.4.2. Pengaturan tegangan keluaran inverter 1 fasa... 26 2.4.2.1. Single pulse width modulation, SPWM... 26 2.5. Sekering... 30 2.6. Lampu Hemat Energi (LHE)... 30 2.7. Dioda Bypass... 32 2.8. Kabel Instalasi Pada Panel Surya... 33 2.9. Kedudukan Bumi Terhadap Matahari... 33 BAB 3 PERANCANGAN ALAT... 35 3.1. Cara Kerja Sistem... 35 3.1.a. Cara kerja system 80W... 35 3.1.b. Cara kerja system 900W (sebagai perbandingan)... 37 3.2. Perhitungan Spesifikasi Komponen... 39 3.3. Lama Pengisian Baterai... 40 3.4. Perhitungan Biaya... 41 3.5. Perhitungan Spesifikasi Komponen Untuk Beban 80 Watt... 42 3.6. Perhitungan Biaya Operasional... 44 3.7. Sketsa Rumah... 46 vii

3.8. Alat dan Bahan yang Digunakan... 50 3.8.1. Alat yang digunakan... 51 3.8.2. Bahan dan komponen yang digunakan... 51 3.9. Posisi Sel Surya... 53 3.10. Kontrol Pengisian Baterai... 54 BAB 4 PENGUJIAN DAN HASIL PEMBAHASAN... 56 4.1. Analisa Pengujian dan Pengukuran... 56 4.1.1. Pengujian tegangan open circuit panel surya... 56 4.1.2. Pengujian pengisian baterai... 60 4.1.3. Pengujian pada beban nol... 64 4.1.4. Pengujian pembebanan lampu... 69 4.2. Waktu Kemampuan Melayani Beban 80W... 71 4.3. Analisa Beban Penerangan Rumah... 71 4.4. Pengujian Posisi Panel Surya... 72 4.5. Pengujian Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Keluaran Inverter... 76 4.5.1. Beban resistif... 77 4.5.2. Beban lampu TL... 84 4.5.3. Beban dinamik... 87 4.5.4. Lampu pijar... 90 4.5.5. Lampu hemat energy... 92 4.5.6. Beban RL... 95 4.5.7. Efisiensi total... 98 BAB 5 PENUTUP... 100 5.1. Kesimpulan... 100 5.2. Saran... 101 DAFTAR PUSTAKA viii

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Modul panel surya... 5 Gambar 2.2. Diagram kerja sel surya... 7 Gambar 2.3. Efek medan listrik dalam sebuah sel surya... 8 Gambar 2.4. Operasi dari sebuah sel surya... 8 Gambar 2.5. Struktur dasar dari sebuah sel surya... 9 Gambar 2.6. Charge controller sundaya... 12 Gambar 2.7. Baterai (akumulator)... 13 Gambar 2.8. Baterai kering... 14 Gambar 2.9. Inverter 1 fasa... 21 Gambar 2.10. Inverter satu fasa jembatan penuh... 23 Gambar 2.11. Rangkaian inverter 12V(DC) / 220V(AC)... 24 Gambar 2.12. Modulasi lebar pulsa tunggal... 27 Gambar 2.13. Rangkaian inverter 150W... 28 Gambar 2.14. Bagian output inverter 150W... 29 Gambar 2.15. Bagian input inverter... 29 Gambar 2.16. Sekering... 30 Gambar 2.17. Bentuk lampu hemat energi... 30 Gambar 2.18. Dioda Bypass... 32 ix

Gambar 3.1. Komponen sistem konversi energi surya menjadi energi listrik bolak-balik satu fasa sistem 80W... 35 Gambar 3.2. Komponen sistem konversi energi surya menjadi energi listrik bolak-balik satu fasa... 37 Gambar 3. 3. Blok diagram sistem konversi tenaga surya... 38 Gambar 3. 4. Denah rumah... 47 Gambar 3. 5. Sistem energi surya 80W... 50 Gambar 3. 6. Tampilan depan charge controller... 54 Gambar 3. 7. Rangkaian dari kontrol pengisian baterai... 54 Gambar 4. 1. Grafik pengukuran tegangan open circuit... 59 Gambar 4. 2. Grafik pengukuran arus pengisian baterai... 63 Gambar 4. 3. Grafik tegangan panel surya... 67 Gambar 4. 4. Grafik tegangan input inverter... 67 Gambar 4. 5. Grafik tegangan output inverter... 68 Gambar 4. 6. Grafik tegangan open circuit panel surya 80 WP... 73 Gambar 4. 7. Grafik tegangan open circuit panel surya 80 WP... 74 Gambar 4. 8. Grafik tegangan open circuit panel surya 80 WP... 75 Gambar 4. 9. Rangkaian pengukuran... 76 Gambar 4.10. Gelombang arus keluaran inverter beban resistif 50 W... 77 Gambar 4.11. Gelombang tegangan keluaran inverter beban resistif 50 W. 78 Gambar 4.12. Gelombang arus keluaran inverter beban resistif 60 W... 78 Gambar 4.13. Gelombang tegangan keluaran inverter beban resistif 60 W. 79 x

Gambar 4.14. Gelombang arus keluaran inverter beban resistif 70 W... 79 Gambar 4.15. Gelombang tegangan keluaran inverter beban resistif 70 W. 80 Gambar 4.16. Gelombang arus keluaran inverter beban resistif 80 W... 80 Gambar 4.17. Gelombang tegangan keluaran inverter beban resistif 80 W. 81 Gambar 4.18. Gelombang arus keluaran inverter beban resistif 90 W... 81 Gambar 4.19. Gelombang tegangan keluaran inverter beban resistif 90 W. 82 Gambar 4.20. Gelombang arus keluaran inverter beban resistif 100 W... 82 Gambar 4.21. Gelombang tegangan keluaran inverter beban resistif 100 W 83 Gambar 4.22. Gelombang arus keluaran inverter lampu TL 20 W... 85 Gambar 4.23. Gelombang tegangan keluaran inverter lampu TL 20 W... 85 Gambar 4.24. Gelombang arus keluaran inverter lampu TL 40 W... 86 Gambar 4.25. Gelombang tegangan keluaran inverter lampu TL 40 W... 86 Gambar 4.26. Gelombang arus keluaran inverter kipas angin speed rendah 88 Gambar 4.27. Gelombang tegangan keluaran inverter kipas angin speed rendah... 88 Gambar 4.28. Gelombang arus keluaran inverter kipas angin speed cepat.. 89 Gambar 4.29. Gelombang tegangan keluaran inverter kipas angin speed cepat... 89 Gambar 4.30. Gelombang arus keluaran inverter lampu pijar... 90 Gambar 4.31. Gelombang tegangan keluaran inverter lampu pijar... 91 Gambar 4.32. Gelombang arus keluaran inverter LHE 98 W... 92 Gambar 4.33. Gelombang tegangan keluaran inverter LHE 98 W... 93 xi

Gambar 4.34. Gelombang arus keluaran inverter LHE 56 W... 93 Gambar 4.35. Gelombang tegangan keluaran inverter LHE 56 W... 94 Gambar 4.36. Gelombang tegangan keluaran inverter beban RL... 97 Gambar 4.37. Gelombang arus keluaran inverter beban RL... 97 xii

DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Cash flow pemakaian energi listrik... 45 Tabel 3.2. Tabel matriks pembiayaan komponen untuk berbagai daya... 46 Tabel 3.3. Daftar alat yang digunakan... 51 Tabel 3.4. Daftar bahan yang digunakan... 52 Tabel 3.5. Daftar komponen yang digunakan... 53 Tabel 4.1. Data hasil pengukuran tegangan open circuit panel surya... 56 Tabel 4.2. Data hasil pengukuran pada pengisian baterai... 60 Tabel 4.3. Data hasil pengukuran pada beban nol... 64 Tabel 4.4. Data hasil pengukuran pada saat pembebanan secara bertahap... 69 Tabel 4.5. Data Tegangan Panel 80 Wp... 72 Tabel 4.6. Data Tegangan Panel 80 Wp... 73 Tabel 4.7. Data Tegangan Panel 80 Wp... 74 Tabel 4.8. Hasil pengukuran tegangan dan arus beban resistif... 77 Tabel 4.9. Hasil Pengukuran tegangan dan arus beban lampu TL... 84 Tabel 4.9. Hasil pengukuran tegangan dan arus beban dinamik... 87 Tabel 4.10. Hasil pengukuran tegangan dan arus beban lampu pijar... 90 Tabel 4.11. Hasil pengukuran tegangan dan arus beban lampu hemat energi 92 Tabel 4.12. Hasil pengukuran tegangan dan arus beban RL... 96 xiii

INTISARI Energi surya dapat diubah menjadi energi listrik bolak balik satu fasa. Penekanannya terletak pada konversi arus searah menjadi arus bolak balik. Daya beban dirancang sebesar 80W yang dapat melayani selama 6 jam. Sel surya yang dipakai jenis amorphous silicon sebanyak dua lembar dengan masing-masing berkapasitas 80Wp (Watt Peak). Tegangan output dari sel surya dihubungkan ke charge controller dan tegangan output dari charge controller dihubungkan ke baterai. Tegangan output dari baterai menjadi input untuk inverter satu fasa yang outputnya berupa tegangan bolak balik satu fasa yang besarannya 220V. Output dari inverter melayani beban berupa lampu hemat energi yang keseluruhan dayanya sebesar 80W. Data yang diambil sebagai hasil pengamatan adalah pengukuran tegangan open circuit panel surya, pengujian dan pengukuran arus pengisian baterai, pengujian posisi panel surya, pengujian pembebanan lampu dan berbagai jenis beban. Kata Kunci: Sel Surya, Tegangan, Arus xiv

ABSTRAK The solar energy van be converted into electrical energy alternating single phase. The emphasis is on converting direct current into alternating current. Power load on the final report is designed for 80 W which can serve for 6 hours. Solar cells are used as two kinds of amorphous silicon sheet with each 80 Wp (Watt Peak) capacity. The output voltage of the solar cells is connected to the charge controller and the output voltage of the charge controller is connected toi the battery. The output voltage of the battery becomes the input to the phase inverter output in the form of alternating voltage single phase 220 V, which amount. The output of the inverter serving the burden of overall energy saving lamp of 80W. Data taken as a result of the observation is the measurement of the open circuit voltage of solar panels, testing position, load testing lights and various types of loads. Keyword: solar cells, Voltage, Circuit xv

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah energi tampaknya akan tetap menjadi topik yang hangat sepanjang peradaban umat manusia. Upaya mencari sumber energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar fosil masih tetap ramai dibicarakan. Ada beberapa energi alam sebagai energi alternatif yang bersih, tidak berpolusi, aman dan dengan persediaan yang tidak terbatas. Di antaranya adalah energi surya, angin, gelombang dan perbedaan suhu air laut. Di masa yang akan datang, dengan adanya kebutuhan energi yang makin besar, penggunaan sumber energi listrik yang beragam tampaknya tidak bisa dihindari. Oleh sebab itu, pengkajian terhadap berbagai sumber energi baru tidak akan pernah menjadi langkah yang sia-sia. Listrik merupakan energi yang paling banyak digunakan oleh masyarakat dalam kehidupannya. Listrik dimanfaatkan untuk mensuplai berbagai peralatan mulai dari penerangan, alat informasi, lemari es, kipas angin dan lain-lain. Sehingga dengan peralatan tersebut manusia dapat meringankan tugas-tugas yang dikerjakannya sehari-hari. Kenyataan yang ada bahwa tidak semua masyarakat di Indonesia dapat menikmati listrik, banyak daerah-daerah yang belum bisa merasakan fasilitas negara ini. Terutama di daerah terpencil, padahal sebagai warga negara, mereka berhak untuk menikmati fasilitas tersebut. Tetapi untuk menyediakan listrik melalui jaringan PLN ke suatu daerah terpencil cukup sulit apalagi jika daerah tersebut terlalu jauh dari pusat kota sehingga biaya yang dibutuhkan cukup besar. Dengan latar belakang ini, penulis berminat untuk membuat suatu sistem, Rancang Bangun Sistem Kinerja Listrik Energi Surya Satu Fasa Bolak Balik 80W, 220V, 50Hz. 1

1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas, dimana untuk memasang jaringan listrik PLN ke suatu daerah membutuhkan biaya yang besar apalagi daerah tersebut jauh dari kota padahal mereka berhak untuk menikmati fasilitas listrik, maka dengan alasan itulah pada proposal tugas akhir ini penulis akan membuat sistem dan merancang, Rancang Bangun Sistem Kinerja Listrik Energi Surya Satu Fasa Bolak-Balik 80W, 220V, 50Hz. Adapun hal-hal yang menjadi rumusan masalah dalam penulisan proposal tugas akhir ini adalah : 1. Bagaimana merancang bangun sistem konversi energi surya menjadi energi listrik bolak-balik satu fasa? 2. Berapakah biaya pembangunan sistem konversi energi surya menjadi energi listrik bolak-balik sebesar 900 watt, 220 volt, 50 Hz? ( dihitung sebagai pembanding) 3. Berapakah biaya yang dibutuhkan untuk memasang jaringan listrik PLN sejauh satu kilometer untuk suatu rumah dengan daya beban 900 VA? 1.3. Tujuan Tugas Akhir Tujuan penulisan ini adalah : 1. Memanfaatkan sumber daya alam yaitu energi matahari untuk menghemat pemakaian energi bahan bakar yang dapat menimbulkan polusi udara dan mencegah global warming yang sedang ramai dibicarakan. 2. Mempelajari sistem konversi energi dari energi cahaya menjadi energi listrik agar dapat dikembangkan nantinya pada suatu saat. 3. Ingin membuktikan energi surya bisa dikonversikan ke energi listrik bolak-balik dan diharapkan nantinya aplikasi dari tugas akhir ini dapat diterapkan di masyarakat luas. 4. Menerapkan penggunaan tenaga surya sebagai sumber listrik di daerah terpencil yang sama sekali belum tersentuh jaringan listrik. 2

1.4. Manfaat Tugas Akhir Manfaat dari penulisan ini adalah : 1. Mengurangi pemakaian energi bahan bakar fosil untuk menghasilkan energi listrik sehingga dapat mengurangi tingkat polusi yang diakibatkan penggunaan bahan bakar fosil tersebut. 2. Diharapkan agar energi listrik yang dihasilkan oleh sel surya dapat digunakan untuk peralatan rumah tangga dalam arus bolak-balik (AC). 3. Mampu memilih kebijakan dalam memakai energi khususnya energi listrik PLN, energi listrik dari generator set dan energi listrik dari energi surya. 4. Rangkaian eksperimen dapat dibakukan sebagai rangkaian konversi yang terpadu dan berdaya guna bagi yang berminat tentang bidang yang dikaji. 1.5. Teknik Pengumpulan Data Untuk melengkapi data yang diperlukan dilakukan beberapa cara, dalam hal ini tim penulis melakukan dengan : 1. Metoda Kepustakaan, tim penulis membaca buku-buku yang dapat dijadikan referensi sebagai pendukung dari masalah yang dibahas. 2. Metoda Konsultasi, penulis langsung berkonsultasi dengan dosen pembimbing mengenai pembuatan proyek dan penulisan tugas akhir ini. 1.6. Sistematika Pembahasan Laporan tugas akhir ini ditujukan untuk memaparkan hasil perancangan, perakitan dan pengujian sistem yang dibuat. Untuk mempermudah pemahaman, maka penulis menyusun tugas akhir ini dalam beberapa bab yang masing-masing bab mempunyai hubungan yang saling terkait dengan bab yang lain. Bab yang terkandung dalam laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 3

BAB 1 PENDAHULUAN Dalam bab ini berisikan mengenai Latar Belakang, Rumusan Masalah, Tujuan Tugas Akhir, Manfaat Tugas Akhir, Teknik Pengumpulan Data, dan Sistematika Pembahasan. BAB 2 DASAR TEORI Dalam bab ini berisi tentng teori singkat dan teori pendukung yang dapat menunjang perancangan dan pembuatan, Rancang Bangun Sistem Kinerja Listrik Energi Surya Satu Fasa Bolak-Balik 80W, 220V, 50Hz. BAB 3 PERANCANGAN ALAT Dalam bab ini berisi tentang perancangan sistem, tata cara dan tata letak komponen dalam perancangan dan pembuatan model sistem konversi energi surya menjadi energi listrik bolak-balik satu fasa, 80W, 220V, 50Hz. BAB 4 PENGUJIAN DAN HASIL PEMBAHASAN Dalam bab ini berisi tentang beberapa data dan analisa pengukuran, pengujian posisi panel surya dan pengujian pembebanan inverter. BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Dalam bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari keseluruhan pembahasan dan perancangan model sistem konversi energi surya menjadi energi listrik bolak-balik satu fasa, 80W, 220V, 50Hz. 4