Analisis Sudut Deviasi Arah Datang Sinar Matahari Terhadap Tingkat Efektifitas Arus Keluaran Pada Sel Surya Muhammad Fahmi Hakim 1), Aditya Kurniawan 2) Politeknik Kota Malang aditya@poltekom.ac.id Abstrak Daya output yang dihasilkan oleh sel surya saat ini pada umumnya hanya mencapai nilai maksimal pada waktu tertentu yaitu pada saat sinar matahari jatuh tegak lurus terhadap panel sel surya. Hal ini dikarenakan kaki penopang sel surya tidak bisa bergerak secara dinamis untuk mengikuti arah pergerakan sinar matahari. Selain itu, sel surya yang ada pada saat ini juga belum terintegrasi dengan suatu sistem yang mampu mendeteksi daya output maksimal yang bisa dihasilkan oleh sel surya tersebut. Output dari sel surya adalah berupa daya listrik yang akan dideteksi untuk mendapatkan nilai maksimalnya. Setelah menerima data tersebut, ATmega8535 akan memerintahkan driver motor DC untuk mengatur posisi kaki panel sel surya. Kemampuan dari kaki panel sel surya untuk bergerak itulah yang memungkinkan sel surya memperoleh posisi yang tepat sehingga mampu menghasilkan daya output yang maksimal. Kaki panel sel surya tersebut akan bergerak sepanjang hari sesuai dengan arah pergerakan matahari sehingga diperoleh daya output yang maksimal sepanjang hari. Kata Kunci driver motor DC, mikrokontroller ATmega8535, sel surya T I. PENDAHULUAN ERKAIT dengan pemanfaatan sel surya, tren yang sedang berlangsung di dunia saat ini bahwa energi listrik yang dihasilkan sel surya tersebut digunakan sebagai penerangan jalan dan taman, pembuka maupun penutup pintu gerbang, serta beberapa hal lain yang tidak membutuhkan energi listrik yang terlalu besar. Di Politeknik Kota Malang sedang diusahakan efisiensi dalam penggunaan energi listrik yang disuplai PLN untuk menekan biaya tagihan listrik sekaligus sebagai upaya untuk pemanfaatan sumber energi alternatif. Oleh karena itu, penggunaan sel surya di Politeknik Kota Malang dirasa cukup penting untuk menghasilkan listrik sebagai penerangan jalan dan taman. Daya output yang dihasilkan oleh sel surya saat ini pada umumnya hanya mencapai nilai maksimal pada waktu tertentu yaitu pada saat sinar matahari jatuh tegak lurus terhadap panel sel surya. Hal ini dikarenakan kaki penopang sel surya tidak bisa bergerak secara dinamis untuk mengikuti arah pergerakan sinar matahari. Selain itu, sel surya yang ada pada saat ini juga belum terintegrasi dengan suatu sistem yang mampu mendeteksi daya output maksimal yang bisa dihasilkan oleh sel surya tersebut. Dengan memperhatikan beberapa hal di atas maka pada penelitian kali ini akan dirancang suatu sistem yang mampu mendeteksi daya output untuk diintegrasikan pada sel surya. Setelah sel surya mampu menghasilkan daya output maksimal, maka sistem akan mengatur posisi panel surya dalam hal ini sudut kemiringinnya agar sel surya secara konstan menghasilkan daya output maksimal sepanjang hari. Sistem pendeteksi ini terdiri dari sensor LDR, avometer, mikrokontroler, driver motor DC, dan motor DC. Sel surya yang telah dilengkapi dengan sistem tadi akan diaplikasikan di Politeknik Kota Malang sebagai sumber energi alternatif bagi penerangan jalan. II. TINJAUAN PUSTAKA Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, yang mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Sel surya terdiri atas dua lapis bahan semikonduktor. Lapisan pertama bermuatan positif dan lapisan yang lain bermuatan negatif. Ketika cahaya matahari masuk ke dalam sel, beberapa foton yang berasal dari sinar matahari diserap oleh atom di lapisan semikonduktor yang akan membebaskan elektron dari lapisan sel yang bermuatan negatif supaya mengalir melalui suatu rangkaian menuju ke lapisan sel yang bermuatan positif. Aliran elektron inilah yang menghasilkan arus listrik. Untuk meningkatkan kemampuan sel solar tersebut, beberapa individu sel surya digabung menjadi satu yang bernama modul. Ketika dua buah modul terhubung seri, tegangan yang dibangkitkan menjadi lebih besar dua kali lipat sedangkan arusnya tetap konstan. Ketika dua buah modul terhubung paralel, arus yang dihasilkan menjadi lebih besar dua kali lipat sedangkan tegangannya tetap konstan. Sebagai salah satu ukuran performansi solar cell adalah efisiensi. Yaitu prosentasi perubahan energi
cahaya matahari menjadi energi listrik. 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 A, dengan kekuatan radiasi solar matahari 1000 W/m2 = 1 Sun akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 ma/cm2 per sel surya. Pada bagian ini akan kita pelajari karakteristik piranti tiga terminal atau lebih dikenal sebagai transistor. Pada bagian ini kita akan pertamatama membahas transistor bipolar atau BJT (bipolar junction transistor). Berikutnya akan kita bahas transistor unipolar seperti misalnya FET (field-effect transistor). Dibandingkan dengan FET, BJT dapat memberikan penguatan yang jauh lebih besar dan tanggapan frekuensi yang lebih baik. Pada BJT baik pembawa muatan mayoritas maupun pembawa muatan minoritas mempunyai peranan yang sama pentingnya. Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis n-p-n dan jenis p-n-p. Untuk jenis n-p-n, BJT terbuat dari lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan tingkat doping yang relatif rendah, yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor tipe-n. Karena alasan sejarah pembuatannya, bagian di tengah disebut basis (base), salah satu bagian tipe-n (biasanya mempunyai dimensi yang kecil) disebut emitor (emitter) dan yang lainya sebagai kolektor (collector). Komparator berfungsi untuk membandingkan input yang diterima dari sensor dengan tegangan referensi. Jika input dari sensor lebih besar dari input tegangan referensi, maka output akan berlogika high. Sebaliknya, jika tegangan referensi lebih besar dari input sensor, maka output akan berlogika low. Komparator konvensional umumnya dapat menggunakan IC LM 324 atau LM 339 yang merupakan sebuah penguat operasional (op-amp). Perbedaan input positif dan input negatif menyebabkan keluaran pada pin output. Aki mampu mengubah tenaga kimia menjadi tenaga listrik. Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (discharging). Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia (charging). Besar ggl yang dihasilkan satu sel aki adalah 2 Volt. Sebuah aki mobil terdiri dari enam buah aki yang disusun secara seri, sehingga ggl totalnya adalah 12 Volt. Accu mencatu arus untuk menyalakan mesin (motor dan mobil dengan menghidupkan dinamo stater) dan komponen listrik lain dalam mobil. Pada saat mobil berjalan aki dimuati (diisi) kembali sebuah dinamo (disebut dinamo jalan) yang dijalankan dari putaran mesin mobil atau motor. Lampu LED merupakan lampu terbaru yang merupakan sumber cahaya yang efisien energinya. Ketika lampu LED memancarkan cahaya nampak pada gelombang spektrum yang sangat sempit, mereka dapat memproduksi cahaya putih. Hal ini sesuai dengan kesatuan susunan merah-biru-hijau atau lampu LED biru berlapis fosfor. Lampu LED bertahan dari 40.000 hingga 100.000 jam tergantung pada warna. Lampu LED digunakan untuk banyak penerapan pencahayaan seperti tanda keluar, sinyal lalulintas, cahaya dibawah lemari, dan berbagai penerapan dekoratif. III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM Kebutuhan torsi motor pada tiap aksis adalah sebagai berikut, dengan asumsi aksis x adalah aksis yang sejajar dengan sumbu gerak matahari, dan aksis y adalah aksis yang sejajar dengan sudut gerak inklinasi matahari sebesar maksimum 23.5. Sel surya yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut: Spesification PM (Watt Peak) Value 50W VOC (Voltage Open Circuit) 21.6V ISC (Current Short Circuit) 2.98A VMP (Voltage Max Peak) 17.6V IMP (Current Max Peak) 2.85A Max system voltage Pola kalkulasi energi tenaga surya Nama Peralatan Listrik Pola kalkulasi energi tenaga surya Asumsi Jumlah Volt Wattage penggunaan (dalam jam) / hari 1000V watt hour (wh)/hari Discharge current total Lampu 2 12 5 Watt 8 10 0,83 Total 10 0,83 Perhitungan kebutuhan WP sel surya dan kapasitas dry cell berdasarkan konsumsi watt per hari: Kebutuhan Watt Spesifikasi panel surya Asumsi waktu efektif konversi sel Output power (Watt Peak) /panel max power Voltage Current charging (Short Circuit Current) Charging capacity Jumlah sel surya Spesifikasi Dry Cell Ampere Hour/battery jumlah Battery Total Kapasitas battery 10 watt hour/hari 4 jam 50 wp 17,6 V 2,8 A 200 watt hour 1 buah 17,5 Ah 1 buah 17,5 Ah Pola pengisian dan pengosongan pada solar cell (charging) dan (discharging) dengan skema pengisian:
Jml battery Life cycle (jam) DISCHARGING Metode full Metode partial Metode shallow 1 1 1 240 120 72 RECHARGING TIME (Full discharge) 35,2 70,4 105,6 140,8 176 211,2 246 281,6 316,8 352 0 0 0 31,2 66,4 101,6 136,8 172 207,2 242 277,6 312,8 348 RECHARGING CURRENT (full discharge) 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6-0,24752-0,24752-0,24752 0,568 0,5682 0,568 0,5682 0,568 0,568 0,57 0,247525 0,247525 0,247525 RECHARGING TIME (shallow discharge) 10,56 21,12 31,68 42,24 52,8 63,36 73,9 84,48 95,04 105,6 0 0 0 6,56 17,12 27,68 38,24 48,8 59,36 69,9 80,48 91,04 101,6 RECHARGING CURRENT (shallow discharge) 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6-0,07426-0,07426-0,07426 0,568 0,5682 0,568 0,5682 0,568 0,568 0,57 0,074257 0,074257 0,074257 Standard deviation : 0,058534,3 d. Scatter data kondisi kemiringan 3 0 IV. ANALISIS DATA A. Analisis Hubungan Dua Variabel (Sudut Deviasi dan Arus Keluaran) Sudut deviasi yang disampling adalah sudut 0 0 sampai dengan 15 0. Sedangkan arus keluaran adalah arus hubung singkat I SC. a. Scatter data kondisi kemiringan 0 0 Standard deviation : 0,061943,3 e. Scatter data kondisi kemiringan 4 0 Standard deviation : 0,05298 Mean : 21,4946 Nilai maximum : 21,59,4 b. Scatter data kondisi kemiringan 1 0 Standard deviation : 0,057303 Mean : 21,0918 Nilai maximum : 21,19 f. Scatter data kondisi kemiringan 5 0 Standard deviation : 0,058534,3 c. Scatter data kondisi kemiringan 2 0 Standard deviation : 0,026758 Mean : 21,0454 Nilai maximum : 21,09 g. Scatter data kondisi kemiringan 6 0 Standard deviation : 0,011503 Mean : 21,015
Nilai maximum : 21,03 h. Scatter data kondisi kemiringan 7 0 Standard deviation : 0,141806 Mean : 20,7202 Nilai maximum : 20,99 Nilai minimum : 20,5 i. Scatter data kondisi kemiringan 8 0 Standard deviation : 0,104335 Mean : 19,7754 Nilai maximum : 19,99 Nilai minimum : 19,6 m. Scatter data kondisi kemiringan 12 0 Standard deviation : 0,084525 Mean : 20,443 Nilai maximum : 20,59 Nilai minimum : 20,3 j. Scatter data kondisi kemiringan 9 0 Standard deviation : 0,108556 Mean : 19,5057 Nilai maximum : 19,69 Nilai minimum : 19,3 n. Scatter data kondisi kemiringan 13 0 Standard deviation : 0,086198 Mean : 20,2468 Nilai maximum : 20,39 Nilai minimum : 20,1 k. Scatter data kondisi kemiringan 10 0 Standard deviation : 0,057 Mean : 19,28 Nilai maximum : 19,39 Nilai minimum : 19,2 o. Scatter data kondisi kemiringan 14 0 Standard deviation : 0,056301 Mean : 20,1028 Nilai maximum : 20,19 Nilai minimum : 20 l. Scatter data kondisi kemiringan 11 0 Standard deviation : 0,059 Mean : 19,2 Nilai maximum : 19,29 Nilai minimum : 19,1 p. Scatter data kondisi kemiringan 15 0 Standard deviation : 0,056 Mean : 19,1
Nilai maximum : 19,19 B. Hasil Analisis Setelah didapatkan mean (rata rata) data pada tiap kemiringan sudut sebanyak 100 repetisi maka dapat digambarkan sebagai berikut pada tabel di bawah, bentuk grafik dan tren. derajat Min yaitu 15-0 = 15 derajat dan nilai efisiensi tertinggi terendah yaitu 99,51% - 88,42% = 11,10% V. REFRENCE AND CITATION REFERENCES Bendersky, D.A, J. M Santos. 2005. Robot Formations as an Emergent Collective Task using Target-following Behavior. From, (https://blacxcode.wordpress.com/2010/08/24/helloworld/, diakses tanggal 25 juli 2011). Blacxcode. 2010. Built and Design With Microcontroller AVR. From, (https://blaxcode.wordpress.com/2010/08/24/helloword/, diakses tanggal 29 juli 2011). Derajat kemiringan VOC (Voltage Open Circuit) 0 21,4946 1 21,402 2 21,2943 3 21,1871 4 21,0918 5 21,0454 6 21,015 7 20,7202 8 20,443 9 20,2468 10 20,1028 11 19,7754 12 19,5057 13 19,2843 14 19,1964 15 19,0979 mean derajat kemiringan = 7,5 mean VOC = 20, 43142. Koefisien Pearson yang didapatkan adalah -0,98249. Derajat kemiringan VOC (Voltage Open Circuit) VOC Maksimum / VOC (persen) 0 21,4946 99,51% 1 21,402 99,08% 2 21,2943 98,58% 3 21,1871 98,09% 4 21,0918 97,65% 5 21,0454 97,43% 6 21,015 97,29% 7 20,7202 95,93% 8 20,443 94,64% 9 20,2468 93,74% 10 20,1028 93,07% 11 19,7754 91,55% 12 19,5057 90,30% 13 19,2843 89,28% 14 19,1964 88,87% 15 19,0979 88,42% Untuk mengetahui penurunan efisiensi tiap derajat maka lebih dahulu kita hitung untuk range derajat 0 15 dan nilai efisiensi 88,42% - 99,51% maka dapat dilakukan dengan perhitungan range derajat Maks Ibnu, Muhammad. 2003. Rangkaian Listrik. Yogyakarta: Gava Media. Manji, J.F. 2005. Robots Facilitate Highspeed Welding. From, (http://www.roboticsonline.com/public/articles/archiv edetails.cfm?id=146, diakses tanggal 7 agustus 2011). Miller, J.C. and J.N. Miller. 1993. Pengendalian Lengan Robot ROB3 Berbasis Mikrokontroler AT89C51 Menggunakan Tranduser Ultrasonik, ThirdEdition. New York: Ellis Horword PTR Prentice Hall. Muhsin, Muhammad. 2004. Operational Amplifier. Yogyakarta: PustakaAndira. Rusmadi, Dedy. 1995. Mengenal Komponen Elektronika. Bandung: Pionir Jaya. Wardana, Lingga. 2006. Analisa Rangkaian Listrik. Jakarta: Andi Media. Daryl Brian Arnall, 2008. Analysis of the Coefficient of Variation of Remote Sensor Readings in Winter Wheat, and Development of a Sensor Based Mid-season Nitrogen Recommendation for Cotton