LOMBA KARYA TULIS ILMIAH MAHASISWA

OPTIMASI PANEL SURYA DENGAN PENGARAH MATAHARI BERBASIS MIKROKONTROLER

DIUSULKAN OLEH :Ketua Kelompok :Chalidia Nurin Hamdani 2209100113 (Angkatan 2009)Anggota :Dhanar Hariyuanda 2209100069 (Angkatan 2009)

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRISURABAYA2011

HALAMAN PENGESAHANLOMBA KARYA TULIS ILMIAH MAHASISWA /LOMBA KARYA INOVATIF MAHASISWA

1. Judul : Optimasi Panel Surya dengan Pengarah Matahari Berbasis Mikrokontroler2. Kategori: ( ) LKTIM ( ) LKIM ( ) Bidang Pendidikan 3. Bidang Ilmu: IPA4. Ketua pelaksana kegiatan a. Nama Lengkap: Chalidia Nurin Hamdanib. NIM: 2209100113c. Jurusan/ Fakultas: Teknik Elektro / Fakultas Teknologi Industrid. Universitas/Institut/Politeknik: Institut Teknologi Sepuluh Nopembere. Alamat, Telp/Fax/HP: Keputih Perintis IA No. 38 Sukolilo Surabaya 087851371437f. Alamat Email: dansprenk_13@yahoo.co.id5. Anggota Pelaksana : 1 Orang6. Dosen Pendampinga. Nama Lengkap dan Gelar: Imam Arifin, ST. MT. b. NIP: 132233781c. Jurusan / Fakultas: Teknik elektro / Fakultas Teknologi Industrid. Universitas/Institut/Politeknik: Institut Teknologi Sepuluh Nopembere. Alamat, Telp/Fax/HP:

Surabaya, 29 Mei 2011

MenyetujuiDosen Pendamping Penulis

( Imam Arifin, ST, MT )(Chalidia Nurin Hamdani)NIP. 132233781NIM. 2209100113

Pembantu Rektor Bidang IIIKetua Jurusan

( Prof. Dr. Suasmoro )( Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng. ) NIP. 130890142NIP. 196510121990031003

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, hidayah, dan karunia-Nya sehingga penulisan karya tulis ilmiah dengan judul Optimasi Panel Surya dengan Pengarah Matahari Berbasis Mikrokontroler dapat diselesaikan. Penyusunan laporan ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan kali ini disampaikan terima kasih kepada: 1. Kepala Jurusan Teknik Elektro FTIITS, Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M. Eng atas bantuan moral maupun materiil yang telah diberikan.2. Imam Arifin, ST. MT. selaku dosen pembimbing atas bimbingan dan motivasi yang telah diberikan.3. Dosen-dosen Jurusan Teknik Elektro FTIITS yang telah memberikan ilmu dan saran.4. Keluarga besar Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), khususnya teman-teman bidang studi Sistem Pengaturan Jurusan Teknik Elektro FTIITS.5. Berbagai pihak yang telah membantu proses terselesaikannya karya tulis inovasi teknologi ini.Penulis berharap semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan dapat digunakan sebaik-baiknya baik bagi penulis pada khususnya dan bagi pembaca pada umumnya. Adapun banyak kekurangan dalam pembuatan karya tulis ini, tak lupa penulis mengharap kritik dan saran untuk perubahan yang lebih baik.

Surabaya , 29 Mei 2011

Penulis

DAFTAR ISI

Halaman Judul.. iLembar Pengesahan.. iiKata Pengantar............iiiDaftar Isi.....................ivAbstrak.. v

BAB IPENDAHULUAN.. 11.1. Latar Belakang1 1.2. Rumusan Masalah11.3. Tujuan.. 21.4. Batasan Masalah..2

BAB IIDASAR TEORI2.1. Panel Surya...32.2. Motor Servo..42.3. Microcontroller Atmega 8535..52.4. LDR .....6

BAB IIIPEMBAHASAN. 73.1. Deskripsi Karya.73.1.1. Deskripsi keseluruhan alat..73.1.2. Sensor cahaya.8 3.1.3. Aktuator....8 3.1.4 Mikrokontroler dan rangkaian 93.2. Cara kerja..10 3.2.1 Cara kerja pengarah matahari .. 10

BAB IVANALISA ALAT ...11BAB V PENUTUP ..135.1. Kesimpulan ..135.2. Saran 13DAFTAR PUSTAKA 21

Abstrak

Energi alternatif merupakan hal yang paling diperhatikan dunia saat ini. Salah satu energy alternative yang sebenarnya berpotensial saat ini adalah energi cahaya matahari, terutama di daerah tropis yang mendapat sinar matahari sepanjang tahun seperti di Indonesia. Namun, penggunaan panel surya sebagai alat pengkonversi energi matahari menjadi energi listrik masih kurang optimal karena kita tahu posisi matahari selalu berpindah-pindah sepanjang hari. Untuk itu digunakan pengarah matahari agar posisi panel surya selalu tegak lurus dengan datangnya sinar matahari sehingga intensitas cahaya matahari yang ditangkap dengan optimal dan konstan sepanjang hari. Oleh karena itu, dari inovasi teknologi yang berjudul Optimasi Panel Surya dengan Pengarah Panel Surya berbasis mikrokontroler diharapkan dapat meningkatkan kinerja dari sel surya konvensional.

BAB IPENDAHULUAN1.1 Latar BelakangSecara umum energi dapat dikategorikan menjadi dua macam yaitu energi tak terbarukan dan energi terbarukan. Energi tak terbarukan seperti energi fosil yang saat ini banyak digunakan sebagai sumber energi listrik dunia jumlahnya semakin menipis. Sedangkan jumlah penduduk dunia semakin meningkat sehingga kebutuhan energy listrik pun juga akan terus meningkat.Kondisi tersebut diperparah dengan adanya industrialisasi besar-besaran yang terjadi di berbagai Negara di dunia dengan maksud meningkatkan perekonomian mereka masing-masing. Industrialisasi tersebut tentunya membutuhkan energi sebagai penggerak kerja mereka dan energy yang banyak digunakan adalah energy fosil. Penggunaan energy fosil secara besar-besaran menimbulkan dampak negatif pada lingkungan yang pada akhirnya mengakibatkan global warming seperti yang telah terjadi saat ini. Problem ini dikenal sebagai Trilemma-3E yaitu Energi-Environment-Economy. Pemanfaatan energy cahaya matahari adalah salah satu jawaban dari persoalan di atas. PLTS atau Pembangkit LIstrik Tenaga Surya merupakan pembangkit listrik yang sangat berpotensial untuk digunakan sebagai energy alternative pengganti energy fosil terutama di negara-negara beriklim tropis yang mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun. Indonesia merupakan salah satu negara yang beriklim tropis dan dilalui oleh garis khatulistiwa, sehingga potensi pemanfaatan PLTS sangat besar.Namun, salah satu kendala pemanfaatan PLTS adalah adanya pergerakan dari matahari sebagai sumber utama dari PLTS itu sendiri, sehingga terkadang dibutuhkan kerja ekstra yaitu memindahkan posisi panel surya sesuai arah matahari untuk bisa mengoptimalkan kinerja panel surya. Inovasi teknologi yang berjudul Optimasi Panel Surya dengan Pengarah Matahari Berbasis Mikrokontroler diharapkan bisa meningkatkan kinerja dan efisensi panel surya konvensional di PLTS. 1.2 Perumusan Masalah 1. Bagaimana cara meningkatkan efisiensi panel surya2. Bagaimana pengaruh arah datang matahari terhadap peningkatan efisiensi panel surya3. Bagaimana mengatur posisi panel surya terhadap posisi matahari dengan menggunakan pengarah matahari 1.3 TujuanInovasi teknologi yang berjudul Optimasi Panel Surya dengan Pengarah Matahari Berbasis Mikrokontroler bertujuan untuk mengadakan perbaikan kinerja panel surya konvensional sehingga bisa dimanfaatkan dengan maksimal.

1.4 Batasan MasalahKarya tulis ini hanya membahas pembuatan dan pengaplikasian pengarah matahari sebagai alat penunjang untuk meningkatkan kinerja panel surya.

BAB IIDASAR TEORI2.1 Panel Surya Panel surya terdiri dari beberapa sel surya. Cara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semikonduktor, terjadi pelepasan elektron. Apabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan jumlah gaya-gaya pada bahan.

Gambar 1. Struktur Panel Surya

Gaya tolak antar bahan semi-konduktor, menyebabkan aliran medan listrik (efek fotovoltaik) dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada instrumen.

Gambar 2. Aliran foton pada Sel Surya

Semua sel surya memerlukan cahaya untuk menyerap foton-foton ke dalam struktur sel sehingga menghasilkan elektron-elektron via efek fotovoltaik. Pada bagian silikon tipe-n, elektron sebagai pembawa arus, sedangkan di silikon tipe-p, lubang merupakan pembawa arus. Bagian utama perubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian, masing- masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari sel surya. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spectrum radiasi panas matahari mempunyai. panjang gelombang 10-7 s/d 10-5, frekuensi 1014 s/d 1015 Hz dan energi foton 10-1 s/d 101 eV. Oleh karena itu absorber disini diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang berasal dari cahaya matahari (Beisser, 1968). Energi panas matahari hanya tersedia 10 11 jam per hari. Sel surya merupakan suatu bahan semikonduktor, yang mengabsorbsi energi cahaya matahari secara langsung menjadi energi listrik,melalui 3 tahapan, yaitu : a) Absorpsi cahaya matahari oleh material semikonduktor b) Membangkitkan dan memisahkan daerah bebas positip dan negatip dari sel surya sehingga menghasilkan beda potensial. c) Mentransfer hasil pemisahan melalui terminal listrik ke beban berupa arus listrik.

Tentu saja agar efisiensi dari sel surya bisa tinggi maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan rekombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya. Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka absorber harus memiliki energi pembebas elektron dengan range yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai energi yang bermacam macam tersebut.

2.2 Motor Servo Motor Servo terdiri dari sebuah motor DC, serangkaian gear, sebuah potensiometer, sebuah output shaft dan sebuah rangkaian kontrol elektronik. Biasanya, motor servo berbentuk kotak segi empat dengan sebuah output shaft motor dan konektor dengan 3 kabel yaitu power, kontrol dan ground. Gear motor servo ada yang terbuat dari plastic, metal atau titanium. Didalam motor servo terdapat potensiometer yang digunakan sebagai sensor posisi. Potensiometer tersebut dihubungkan dengan output shaft untuk mengetahui posisi aktual shaft. Ketika motor dc berputar, maka output shaft juga berputar dan sekaligus memutar potensiometer. Rangkaian kontrol kemudian dapat membaca kondisi potensiometer tersebut untuk mengetahui posisi aktual shaft. Jika posisinya sesuai dengan yang diinginkan, maka motor dc akan berhenti. Sudut operasi motor servo (Operating Angle) bervariasi tergantung jenis motor servo.

Gambar 3. Gerak pada Motor Servo

2.3 Microcontroller Atmega 8535 ATMEGA8535 memiliki 4 buah port input/output 8 bit, yaitu PORTA, PORTB, PORTC, dan PORTD. Selain sebagai input/output masing masing port juga memiliki fungsi yang lain. PORTA dapat difungsikan sebagai ADC (Analog to Digital Converter), PORTB dapat difungsikan sebagai SPI (Serial Peripheral Interface) communication. Fitur yang tersedia pada ATMega 8535 adalah : Frekuensi clock maksimum 16 MHz Jalur I/O 32 buah, yang terbagi dalam PortA, PortB, PortC dan PortD Analog to Digital Converter 10 bit sebanyak 8 input Timer/Counter sebanyak 3 buah CPU 8 bit yang terdiri dari 32 register Watchdog Timer dengan osilator internal SRAM sebesar 512 byte Memori Flash sebesar 8 Kbyte dengan kemampuan read while write Interrupt internal maupun eksternal Port komunikasi SPI EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi Analog Comparator Komunikasi serial standar USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps

Gambar 4. Mikrokontroler Atmega 8535

2.5. LDR Resistansi LDR akan berubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada disekitarnya. Dalam keadaan gelap resistansi LDR sekitar 10M dan dalam keadaan terang sebesar 1K atau kurang. LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti nergy nergy . Dengan bahan ini energy dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan.

Gambar 5. LDR

BAB IIIPEMBAHASAN3.1. Deskripsi Karya3.1.1. Deskripsi Keseluruhan AlatPanel surya merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang menghasilkan polutan dan ramah lingkungan, tetapi sampai saat ini kinerja dan efisiensi dari panel surya masih rendah. Inovasi teknologi yang berjudul Optimasi Panel Surya dengan Pengarah Matahari Berbasis Mikrokontroler adalah upaya untuk melakukan optimasi kinerja panel surya dan pengoperasiannya dalam mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik.Dalam inovasi teknologi ini, optimasi kinerja panel surya dan pengoperasiannya didapatkan dengan cara membuat suatu sistem panel surya yang dilengkapi dengan pengarah matahari yang bertujuan agar panel surya dapat mengikuti gerak matahari secara otomatis. Pengarah matahari ini terdiri dari komponen elektronik yaitu microcontroler, LDR dan motor servo yang disusun sedemikian rupa sehingga posisi panel surya selalu tegak lurus dengan arah datangnya cahaya matahari.

Gambar 6. Keseluruhan Alat

3.1.2 Sensor Cahaya LDR adalah sebuah resistor yang nilainy berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya yang diterima. LDR akan mempunyai hambatan yang besar ketika menerima itensitas cahaya yang kecil atau terkena cahaya redup, sedangkan LDR akan mempunyai hambatan yang kecil ketika menerima intensitas cahaya yang besar atau terkena cahaya terang.Untuk mengarahkan sel surya agar selalu tegah lurus dengan matahari perlu sebuah sensor untuk mendeteksi berapa derajat simpangan matahari terhadap sumbu tegak lurus sel surya, maka dari itu sensor LDR di tempatkan pada objek berbentuk bola dan disamping LDR diberi sebuah pelindung yang berbemtuk pipa agar hanya salah satu LDR yang terkena cahaya matahari secara langsung.

Gambar 7. Rancangan Sensor LDR

Dari desain sensor LDR diatas, hanya alah satu LDR saja yang terkena cahaya matahari secara langsung, jadi hanya ada satu LDR dengan nilai hambatannya paling kecil yang tegak lurus dengan matahari pada saat itu. Karena microcontroller tidak dapat memproses langsung nilai hambatan tersebut maka nilai hambatan perlu dikonversi terlebih dahulu sehingga microcontroller dapat mengolahnya. Pada intinya sensor ini membaca sudut persimpangan matahari yang mana dapat memberikan inputan terhadap motor servo.3.1.3 Aktuator Aktuator yang dipakai pada alat ini adalah sebuah motor servo. Motor servo merupakan salah satu motor listrik yang bergerak dengan sudut tertentu. Motor servo dikendalikan dengan cara mengirimkan sebuah pulsa yang lebar pulsanya bervariasi. Pulsa tersebut dimasukkan melalui kabel kontrol motor servo. Sudut atau posisi shaft motor servo akan diturunkan dari lebar pulsa. Biasanya lebar pulsanya antara 1.1 ms sampai 1.9 ms dengan periode pulsa sebesar 20 mS. Berarti untuk mengerakan panel surya agar selalu tercakup oleh cahaya matahari, motor servo di beri input pulsa tertentu oleh microcontroller, sehinga terjadi simpangan sudut panel surya yang sesuai dengan simpangan sudut matahari yang di baca oleh sensor cahaya.

Gambar 8. Simulasi Pergerakan Panel Surya

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa motor servo dapat menggerakkan sel surya beberapa derajat sesuai yang dibaca oleh sensor cahaya, agar panel surya selalu tercakupi cahaya matahari sehingga intensitas cahaya matahari yang diterima panel surya lebih kontinyu daripada panel surya yang diam.3.1.4 Microcontroller dan RangkaianDi dalam alat ini microcontroller berfungsi sebagai alat untuk menerima data berupa tegangan dari rangkaian sensor LDR melalui port ADC. Setelah didapatkan data berupa tegangan kemudian data diproses yang selanjutnya microcontroller akan mengeluarkan output berupa pulsa-pulsa tertentu untuk menggerakkan motor servo beberapa derajat, agar panel surya selalu tercakup dengan arah matahari6.

Gambar 9. Rangkaian Mikrokontroler3.2. Cara K

3.2. Cara Kerja3.2.1. Cara Kerja Pengarah MatahariCara Kerja dari alat ini yang pertama adalah sensor cahaya mendeteksi sinar matahari, karena LDR di susun menyerupai setengah bola dan disamping LDR diberi sebuah pipa kecil maka hanya ada salah satu sensor saja yang terkena matahari secara langsung . Sensor LDR yang terkena sinar matahari mempunyai variasi hambatan yang berbeda-beda bergantung pada intensitas sinar matahari yang di terima LDR. Dari data yang berupa hambatan tersebut kemudian di konversi sedemikian rupa sehingga menjadi data tegangan. Tegangan yang dihasilkan dari masing-masing LDR selanjutnya dihubungkan menuju port ADC pada microcontrol, hasil tegangan dari masing-masing LDR di bandingkan dan di cari nilai tegangan yang paling besar, tegangan yang paling besar menunjukan intensitas matahari yang paling besar dan menunjukan letak matahari. Setelah letak matahari di temukan selanjutnya microcontroller mengintruksi kepada motor servo untuk bergerak berapa derajat sesuai dengan arah datang sinar matahari. Dengan cara ini panel surya akan selalu tegak lurus dengan arah sinar datangnya matahari sehingga efisiensi dari sel surya akan meningkat.

Gambar 10. Prinsip Kerja Sistem Pengarah Matahari

BAB IVANALISA ALAT

Sel surya yang biasanya dijual di pasaran :Dimensi= (350 x 538 x 35) mmDaya keluaran maksimal (Pmax)= 20 Watt peakTegangan maksimal (Vmp)= 21.60 VoltArus maksimal= 1.25 ATegangan = 12 voltTipe sel= Polycrstalline SiliconBerat = 2.6 kgHarga= Rp 895.000

Bila kita ingin membuat PLTS sederhana dengan hasil daya 100 Watt maka dibutuhkan 5 panel surya dengan kapasitas masing-masing 20 WP. Oleh karena itu dibutuhkan biaya sekitar Rp 1. 790.000 untuk panel suryanya saja. Biaya untuk pengarah matahari :1. 1 buah motor servo (torsi 5kg.cm)= Rp. 250.000 2. Rangkaian elektronika= Rp. 100.0003. +Rangkaian mekanik= Rp. 100.000Rp. 450.000

Keunggulan adanya pengarah matahari ini adalah dengan daya 100 W tersebut kita bisa menambah penggunaan daya hingga 3-4 jam per hari tanpa harus ada kerja tambahan memindah-mindahkan posisi panel surya. Panel surya konvensional tanpa pengarah matahari hanya bisamenyerap energy cahaya matahari efektif selama 5-6 jam per hari sehingga daya yang bisa dipakai selama 1 hari adalah 5-6 jam. Dengan adanya pengarah matahari ini, panel surya bisa menyerap energy cahaya matahari efektif hingga 9-10 jam per hari sehingga kita bisa menggunakan daya output selama 9-10 jam per hari. Terbukti bahwa penggunaan pengarah matahari dapat meningkatkan kinerja panel surya dan pengoperasiannya dibanding dengan panel surya konvensional.

BAB VPENUTUP5.1 KesimpulanPenggunaaan pengarah matahari dapat meningkatkan kinerja panel surya. Pengarah matahari ini akan bekerja secara otomatis memposisikan panel surya sesuai arah datangnya cahaya matahari sehingga potensi sinar matahari dapat dimanfaatkan secara maksimum mulai dari terbitnya matahari sampai tenggelamnya matahari. Dengan mengoptimalkan potensi cahaya matahari maka panel surya dapat menghasilkan daya output dengan durasi waktu yang lebih lama dibandingkan dengan panel surya konvensional tanpa harus melakukan kerja tambahan yaitu mengatur posisi panel surya terhadap matahari. Dengan pengarah sel surya yang terdiri dari motor servo, LDR dan microcontroller menjaga posisi panel surya, tentu saja akan diperlukan biaya tambahan. Namun biaya tambahan tersebut relatif lebih kecil dibandingkan dengan keuntungan yang didapat yaitu penambahan durasi daya output panel surya sebesar 4-5 jam per hari.

5.2 SaranDalam penerapan pengarah sel surya sebaiknya digunakan untuk plts dengan hasil daya lebih dari 50 watt, karena motor servo dan microcontroller juga membutuhkan daya. Bila diterapkan di PLTS yang daya keluarannya di bawah 50 watt maka penggunaan pengarah sel surya tidak efektif.

DAFTAR PUSTAKA

iv