Rancang Bangun Prototip Konsentrator Surya dengan Pelacak Gerak Sinar Matahari

1

1.

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki 13.466 pulau. Namun, tidak semua pulau didukung dengan adanya ketersediaan fasilitas dasar, seperti listrik yang memadai. Sampai saat ini sebagian besar wilayah terutama pulau-pulau kecil dan pesisir belum tersedia sumberdaya listrik, sehingga listrik di daerah pulau-pulau kecil hanya menggunakan jenset dan dinyalakan pada malam hari saja. Hal ini menuntut masyarakat Indonesia untuk mengembangkan

berbagai macam alternatif listrik dengan teknologi yang lebih efektif dan efisien. Salah satu teknologi alternatif yang dapat digunakan adalah pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya, yaitu menggunakan matahari sebagai sumber panas. Salah satu keunggulan dari teknologi ini adalah tidak merusak lingkungan.

Sistem ini memusatkan energi sinar matahari dengan menggunakan cermin berbentuk parabola. Cermin tersebut diatur mengarah sinar matahari dan

memusatkan sinar matahari ke sebuah wadah yang berada di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Cermin parabolik ini berfungsi untuk menerima sinar matahari dan memindahkan panasnya ke cairan yang berada di dalam wadah. Panas yang terjadi mengakibatkan cairan di dalam mengembang dan menekan piston atau turbin dan menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik tersebut kemudian digunakan untuk memutar generator untuk menghasilkan listrik.

Pada saat ini pembangkit listrik dengan sistem konsentrator surya belum berkembang di Indonesia, padahal di negara-negara maju seperti Amerika dan Eropa sudah menggunakan teknologi ini untuk menghasilkan listrik, bahkan

Departemen Energi Amerika meramalkan bahwa pada tahun 2020 teknologi ini sangat berkembang di seluruh dunia dengan menghasilkan lebih dari 20 gigawatt daya listrik (Nrel, 2001). Harapannya dengan mengembangkan pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya ini dapat meningkatkan

kesejahteraan masyarakat pulau-pulau kecil.

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah merancang dan membuat prototip konsentrator surya yang mengikuti gerak matahari.

1.3. Manfaat Penelitian

Hasil penelitian ini merupakan penelitian awal dalam mendesain konsentrator surya. Bila dikembangkan dalam penelitian yang lebih besar nantinya dapat diaplikasikan pada ketersediaan listrik alternatif.

3

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tenaga Matahari

Tenaga matahari atau yang biasa disebut tenaga surya (solar energy) merupakan energi yang bersumber dari sinar matahari. Pemanfaatan energi surya dikelompokkan menjadi 2 (dua) kategori (Hardjasoemantri, 2002), yakni

pemanfaatan energi surya secara langsung dan tidak langsung. Pemanfaatan energi surya secara tidak langsung adalah berupa pemanfaatan biomassa untuk sumber energi. Energi surya yang sampai ke bumi, sebagian kecil akan

dikonversi menjadi energi kimia oleh tumbuhan melalui proses fotosintesis yang komplek. Produk akhir dari fotosintesis adalah biomassa, dengan demikian biomassa merupakan energi surya tak langsung.

Pemanfaatan energi surya secara langsung adalah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi utama secara langsung. Pemanfaatan energi surya harus mempertimbangkan sifat-sifat fisika dari sinar matahari. Lakitan (2002) mengatakan bahwa untuk mengkaji aspek fisika cahaya ada beberapa hal yang harus diperhatikan diantaranya: porsi serapan cahaya (absorptivity), porsi pantulan (reflectivity), porsi terusan (transmissivity), daya pancar (emissivity), aliran energi cahaya (radian flux), kerapatan aliran energi cahaya (radiant flux density), intensitas terpaan (irradiance) dan intensitas pancaran cahaya (emittance).

Tenaga surya pada dasarnya adalah sinar matahari yang merupakan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang yang tampak dan yang tidak tampak, yakni mencakup spektrum cahaya inframerah sampai dengan cahaya ultraviolet. Masing-masing spektrum cahaya matahari memiliki panjang

gelombang, frekuensi dan energi yang berbeda. Sinar matahari memiliki panjang gelombang (λ) antara 0,15 – 4 µm, dan hanya panjang gelombang (λ) antara 0,32 – 2 µm yang mampu menembus kaca transparan (Wisnubroto, 2004).

2.2. Sistem Konsentrasi Solar

Sistem konsentrasi solar menggunakan lensa atau kaca untuk mengkonsentrasi atau mengumpulkan energi dari matahari, menghasilkan temperatur yang cukup tinggi untuk menggerakkan turbin atau mesin uap untuk menghasilkan energi listrik. Menurut Seia (2009) sekarang ini, lebih dari 400 MW dihasilkan dari sistem ini yang beroperasi di Amerika Serikat, dan proyek-proyek dengan total lebih dari 8000 MW yang saat ini sedang dikembangkan.

Ada tiga teknologi sistem konsentrasi solar (Nrel, 2001), yaitu: (1) Dish engine, (2) Parabolic trough dan (3) Central receiver.

(1) Dish Engine

Sistem dish engine mentransfer energi matahari yang terkonsentrasi dengan efisiensi tinggi menjadi energi listrik. Bagian yang penting dari sistem dish engine terdiri dari (Cleanenergy, 2009): konsentrator berbentuk parabolik, sistem tracking, receiver, dan mesin (stirling dan generator).

Konsentrator berbentuk parabolik memantulkan dan mengkonsentrasi sinar matahari ke receiver yang terletak di titik fokus konsentrator. Sinar matahari diserap oleh receiver dan meneruskannya ke mesin. Mesin akan mengubah energi matahari menjadi energi mekanik dan generator akan

mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik. Menjaga agar pantulan sinar matahari ke titik fokus tetap terjaga, dish engine menggunakan dual-axis collector untuk men-tracking matahari. Setiap dish akan menghasilkan 5 sampai 30

5

kilowatt listrik tergantung pada sistem (Seia, 2009). Gambar 1 adalah Stirling Energy System 25 kW milik SunCatcherTM memiliki tinggi 38 kaki dan lebar 40 kaki.

Sistem dish engine memiliki karakteristik efisiensi tinggi, modularitas, operasi autonomous, dan hibrida yang melekat. Menurut (Solarpaces, 2001) dibandingkan dengan teknologi surya yang lainya, solar dish engine menunjukkan konversi energi matahari ke energi listrik dengan efisiensi tertinggi (29,4%). Oleh karena itu, dish engine memiliki potensi untuk menjadi salah satu sumber paling murah untuk energi terbarukan.

Gambar 1. Pembangkit listrik tenaga surya 25 kW dengan sistem dish engine milik SunCatcherTM (Seia, 2009)

(2) Parabolic Trough

Sistem parabolic trough menggunakan cermin yang berbentuk U atau melengkung yang memanjang untuk memusatkan energi matahari. Cermin tersebut memfokuskan energi matahari ke receiver yang berbentuk pipa berisi cairan (misalnya, minyak sintetis) yang memanjang di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Cairan panas tersebut digunakan untuk mendidihkan air di

generator uap konvensional dan menghasilkan listrik. Seia (2009) mengatakan cairan panas tersebut dapat mencapai temperatur 700° F. Gambar 2 adalah pengumpul Luz LS-3 digunakan pada pembangkit 80 MW SEGS IX di California yang memiliki panjang 325 kaki dan lebar 11 kaki dengan efisiensi konversi energi sekitar 24%.

Gambar 2. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem parabolic trough SEGS IX di California, Amerika Serikat (Seia, 2009)

(3) Central Receiver

Sistem central receiver ini menggunakan menara pembangkit yang dikelilingi oleh cermin-cermin yang ditempatkan di suatu area yang luas untuk mengumpulkan energi matahari dan memusatkannya ke bagian atas menara pembangkit dimana terdapat receiver yang ditempatkan di sana. Panas yang dihasilkan mencairkan garam yang kemudian dialirkan untuk memanaskan air. Uap yang dihasilkan dari air panas digunakan untuk memutar generator

konvensional dan menghasilkan energi listrik. Menurut (Seia, 2009) energi matahari yang terfokus digunakan untuk perpindahan cairan (800° F sampai

7

1000° F) untuk menghasilkan uap dan menjalankan generator pusat. Gambar 3 adalah PS20 milik Abengoa, pembangkit listrik 20 MW di Seville, Spanyol 1255 heliostat mengelilingi menara dengan tinggi 531 kaki.

Gambar 3. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem central receiver milik Abengoa di Seville, Spanyol (Seia, 2009)

Semakin banyak output sebuah sistem dapat menyediakan input solar yang diberikan. Sistem dish engine menunjukkan karakteristik yang paling baik, karena konsentrator dan kinerja mesinnya yang tinggi serta inersia panasnya rendah yang memungkinkan untuk lebih cepat melakukan start-up dibandingkan dengan sistem konsentrasi solar skala besar seperti central receiver atau parabolic trough (Pitz-Paal, 2007). Pada Gambar 4 menunjukkan energi listrik harian yang dihasilkan berdasarkan masukan matahari harian untuk setiap sistem konsentrator yang berbeda.

Gambar 4. Kinerja dari setiap sistem konsentrator (Pitz-Paal, 2007)

2.3. Sensor

Sensor adalah perangkat yang mengubah fenomena fisik menjadi sinyal elektronik (Kenny, 2005). Sensor menerima rangsangan dan meresponnya

dengan perubahan sinyal listrik dan merupakan jembatan antara dunia sebenarnya dengan perangkat elektronik.

Sensor tidak dapat berdiri sendiri. Biasanya sensor merupakan bagian dari suatu sistem yang lebih besar yang memiliki rangkaian pengkondisi sinyal dan bermacam-macam pemrosesan sinyal analog atau digital. Berdasarkan rangkaian pengkondisi sinyal, sensor dapat dibagi menjadi dua, yaitu pasif dan aktif. Sensor aktif memerlukan pemicu eksternal yang berupa rangkaian penyangga sensor, sehingga selalu ada arus yang melewati sensor. Contoh sensor aktif adalah termistor, Resistance Temperature Detector (RTD), dan strain gauges. Sensor pasif menghasilkan sinyal keluaran sendiri tanpa memerlukan rangkaian dan arus tambahan. Contohnya adalah thermocouple yang menghasilkan thermoelectric dan fotodioda yang menghasilkan photocurrent.

9

Setiap sensor memiliki karakteristik tertentu. Karakter ini menentukan baik buruknya sebuah sensor pada aplikasi tertentu. Karakter ini pula menentukan rangkaian yang digunakan sebagai penyangga sensor. Beberapa karakter penting diantaranya (Carr,1993):

(1) Transfer Function

Transfer Function merupakan hubungan fungsi antara sinyal masukan fisik dan sinyal keluaran elektris. Biasanya, hubungan ini digambarkan sebagai grafik antara sinyal masukan dan keluaran.

(2) Sensitivitas

Sensitivitas merupakan rasio antara perubahan kecil dalam sinyal elektris terhadap perubahan kecil pada sinyal fisik dan dapat diekspresikan sebagai fungsi turunan Transfer Function terhadap sinyal fisik. Satuan yang biasa digunakan adalah volt/Kelvin, milivolt/kilopascal, dsb. Contoh, sebuah termometer akan memiliki sensitivitas tinggi apabila perubahan suhu kecil di lingkungan akan mengakibatkan perubahan tegangan yang tinggi; perubahan tegangan yang signifikan memudahkan pengamatan terhadap sinyal elektris.

(3) Span atau Dynamic Range

Rentang masukan sinyal fisik yang bisa dikonversi ke dalam bentuk sinyal elektris. Sinyal fisik diluar rentang ini diperkirakan memiliki akurasi yang sangat rendah. Satuan yang digunakan antara lain kelvin, pascal, newton. (4) Accuracy atau Uncertainty

Merupakan perkiraan kesalahan terbesar antara sinyal keluaran sebenarnya dan sinyal keluaran ideal. Accuracy merupakan istilah kualitatif, berbeda

dengan uncertainty yang bersifat kuantitatif. Contoh, sebuah sensor memiliki akurasi yang lebih tinggi ketika uncertainty sebesar 1% dibandingkan dengan uncertainty 3%.

(5) Hysteresis

Beberapa sensor tidak kembali ke nilai semula ketika terjadi rangsangan naik atau turun. Besarnya kesalahan yang diperkirakan dalam kuantitas yang diukur merupakan Hysteresis

(6) Nonlinearity

Terkadang juga disebut linearity, merupakan penyimpangan maksimum dari Transfer Function linear terhadap Dynamic Range.

(7) Noise

Beberapa sensor menghasilkan noise bersamaan dengan sinyal keluaran. Beberapa kasus menunjukkan noise pada sensor lebih kecil dibandingkan dengan noise pada rangkaian elektronik selanjutnya.

2.4. Light Dependent Resistor (LDR)

Light Dependent Resistor (LDR) adalah suatu bentuk komponen yang mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya. LDR merupakan sebuah sensor jenis semikonduktor yang dibuat dari Kadmium sulfida (CdS) dan Kadmium selenida (CdSe). Sebuah LDR terdiri dari sebuah piringan bahan semikonduktor dengan dua buah elektroda pada permukaanya. LDR tergantung pada cahaya, artinya nilai hambatannya akan berubah-ubah bila terkena cahaya yang diterima (Sitorus, 2008).

Karakteristik LDR terdiri dari dua macam, yaitu laju recovery dan respon spectral:

11

(1) Laju Recovery

Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu ke dalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa diamati bahwa nila resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut, namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga pada kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu.

(2) Respon Spektral

LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya. Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik, yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak.

2.5. Motor Direct Current (DC)

Motor DC merupakan motor arus searah yang menggunakan arus langsung satu arah (direct-unidirectional). Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Motor DC memiliki tiga komponen utama

(energyefficiencyasia, 2006): (1) 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. Motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.

(2) 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. (3) 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.

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya.

13

3. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian

Persiapan dan pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan Desember 2011. Kegiatan penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu pembuatan alat dan uji coba alat. Pembuatan dan uji coba alat dilakukan di

Workshop Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu

Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Proses yang bertujuan untuk melihat kinerja dari alat yang dibuat dan juga pengambilan data parameter yang mempengaruhi kinerja suatu alat dilakukan pada tanggal 19-30 Desember 2011 yang termasuk pada Musim penghujan.

3.2. Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan alat dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Alat-alat yang digunakan.

No Nama Alat Fungsi

1 Seperangkat Komputer dengan sistem operasi Windows 7

Merancang perangkat keras dan lunak serta pengolahan data

2 Solder listrik 45 watt Menyolder antar komponen

3 Multimeter Digital Sanwa CD Mengukur voltase, hambatan dan koneksi komponen

4 Gerinda Listrik Memotong PCB dan besi

5 Obeng Membuka dan memasang baut

6 Bor Listik Melubangi parabola

7 Matlab 2010 Mengolah data hasil uji coba

8 Lem Aibon Merekatkan alumunium foil

Bahan yang digunakan dalam pembuatan alat ini dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Bahan-bahan yang digunakan

No Nama Bahan Jumlah

1 Parabola bekas 1 buah

2 Motor wiper 1 buah

3 Alumunium foil 1 buah

4 Rantai sepeda bekas 1 buah

5 Gear sepeda bekas 1 buah

6 LDR 2 buah

7 IC NE 555 1 buah

8 IC LM 741 2 buah

9 Trafo CT 1 buah

10 Trimpot 10K 5 buah

11 Trimpot 100K 1 buah

12 PCB 1 buah

13 Sakelar 2 buah

14 Relay 4 buah

15 Regulator 12V 1 buah

16 Led 1 buah

17 Resistor 150 ohm 1 buah

18 Resistor 1K 3 buah

19 Resistor 66K 2 buah

20 Resistor 10K 3 buah

21 Resistor 4K 4 buah

22 Kapasitor 1uF 3 buah

23 Kapasitor 100uF 1 buah

24 Kapasitor 1nF 1 buah

25 Dioda 11 buah

26 Transistor 7 buah

3.3. Diagram Sistem

Diagram sistem alat terdiri dari catu daya yang berfungsi memberikan tegangan kepada unit elektronik, selanjutnya unit elektronik akan mengendalikan

15

sensor suhu dan motor DC (Gambar 5). Sensor cahaya berfungsi untuk mencari intensitas cahaya matahari yang terbesar. Motor DC berfungsi untuk menggerakkan konsentrator ke arah intensitas matahari yang terbesar.

Gambar 5. Diagram alir sistem alat

3.4. Diagram Alir Pengerjaan Alat

Pengerjaan alat disusun ke dalam beberapa tahap yang mencakup persiapan, perumusan masalah, perancangan model, pengujian model, perancangan perangkat, integrasi perangkat, dan pengujian sistem hingga memenuhi syarat (Gambar 6). Perancangan model meliputi pembuatan desain dan pemilihan bahan yang akan digunakan. Pemilihan bahan yang tepat sangat mempengaruhi kinerja dan daya tahan alat. Apabila kinerja dari model belum dapat bekerja secara optimal maka perlu dilakukan perubahan pada desain yang telah dibuat, sedangkan apabila model sudah berjalan secara optimal maka lanjut ke tahap berikutnya, yaitu pembuatan alat. Pembuatan alat mencangkup pembuatan reflektor, pembuatan unit mekanik, dan pembuatan unit elektronik. Bagian-bagian yang telah dibuat pada tahap sebelumnya diintegrasikan menjadi alat konsentrator surya. Selanjutnya dilakukan uji coba yang mencakup pengambilan parameter yang mempengaruhi kinerja alat konsentrator surya.

Catu Daya

Sensor Cahaya Motor DC

Reflektor Unit Elektronik

Gambar 6. Diagram alir pengerjaan alat Mulai

Persiapan

Perancangan Model Perumusan Masalah

Tidak

Model Sesuai

Perancangan Perangkat

Integrasi Perangkat

Uji Coba

Berhasil Ya

Ya

Tidak

17

3.5. Rancangan Alat

Rancang bangun konsentrator surya terbagi dalam tiga bagian, yaitu reflektor, unit mekanik, dan unit elektronik (Gambar 7).

Gambar 7. Desain alat

Reflektor

Reflektor pada rancang bangun alat ini berbentuk parabola berdiameter 50 cm dengan kedalaman 5 cm dengan dilapisi alumunium foil. Alumunium foil dipilih sebagai bahan reflektor karena murah dan ringan. Reflektor berfungsi untuk memantulkan cahaya matahari menuju titik fokus (Gambar 8).

Gambar 8. Pantulan radiasi matahari pada reflektor

Unit Mekanik

Unit mekanik terdiri dari motor DC, gear, dan rantai (Gambar 9). Unit mekanik ini berfungsi untuk menggerakkan reflektor pada saat reflektor bergerak mengikuti pergerakan matahari. Motor DC yang digunakan memiliki spesifikasi 12 V, 1 A dengan torsi 12 Nm. Gear dan rantai yang dipakai didapat dari sepeda bekas.

19

Unit Elektronik

Unit elektronik berfungsi mengontrol sensor cahaya dan motor DC. Unit elektronik mendapat tegangan 5 V dari catu daya (Gambar 10). Tegangan yang diperoleh oleh catu daya berasal dari tegangan PLN, kemudian tegangan PLN diubah oleh trafo CT menjadi 12 V. Tegangan 12 V ini akan diubah menjadi 5 V oleh regulator 7805.

Gambar 10. Rangkaian Catu daya

Di dalam unit elektronik terdapat rangkaian pembangkit sinyal (Gambar 11) dan penguat tegangan (Gambar 12). Rangkaian pembangkit sinyal berfungsi untuk menghasilkan sinyal yang digunakan untuk mengendalikan motor DC. Rangkaian penguat tegangan berfungsi untuk meningkatkan tegangan agar sensor cahaya dapat berfungsi dengan baik.

Gambar 11. Rangkaian pembangkit sinyal

Gambar 12. Rangkaian penguat tegangan

3.6. Proses Uji Coba Alat

Proses uji coba alat dilakukan dengan cara meletakkan alat di bawah sinar matahari tanpa terhalang oleh pohon atau gedung. Selama proses tersebut dilakukan pengukuran sudut putar alat dan suhu pada titik fokus. Pengambilan data-data

21

tersebut dilakukan pada saat matahari terbit (pukul 06.00 WIB) sampai dengan matahari terbenam (pukul 18.00 WIB). Suhu diukur menggunakan thermocouple dengan pencatatan setiap 1 jam. Sudut diukur dengan menggunakan busur derajat dengan pencatatan setiap 1 jam.

3.7. Variabel Penelitian

Sinar matahari datang membentuk sudut terhadap permukaan bumi. Sudut tersebut berubah setiap saat karena perputaran bumi pada porosnya dan gerak bumi yang mengelilingi matahari dengan sudut kemiringan 23,5°. Berikut beberapa sudut yang dibentuk (Gambar 13).

dimana:

δ: Sudut deklinasi matahari terhadap garis equator (lintang selatan bernilai negatif) ω: Sudut jam, perpindahan sudut matahari setiap jam sebesar 15° (pagi positif,

siang negatif

θz: Sudut zenith matahari, sudut antara garis vertikal dengan matahari

αs: Sudut ketinggian matahari terhadap bidang horizontal

γs: Sudut azimuth matahari terhadap bidang horizontal (diukur dari arah utara)

Sudut deklinasi (δ) dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Dufie & William, 1991):

.………(1) dimana n adalah jumlah hari ke-n dalam tahun tersebut.

Sudut zenith (θz) dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Dufie &

William, 1991):

………..(2) Dimana Φ: Sudut lintang tempat tersebut (lintang selatan bernilai negatif)

Sudut ketinggian matahari (αs) dan sudut zenith (θz) membentuk sudut

siku-siku:

23

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Rancang Bangun

Penelitian ini menghasilkan prototip alat konsentrator surya (Gambar 14) yang berfungsi untuk memantulkan sinar matahari ke satu titik fokus sehingga dihasilkan panas yang tinggi. Agar pantulan yang dihasilkan maksimal, alat ini dilengkapi dengan sistem yang dapat mengikuti gerak matahari. Alat konsentrator surya ini memiliki tiga bagian utama, yaitu reflektor, unit mekanik, dan unit elektronik.

Gambar 14. Prototip alat konsentrator surya

Reflektor

Reflektor berfungsi untuk memantulkan sinar matahari yang masuk ke permukaan bumi menuju titik fokus (Gambar 15). Reflektor memiliki dimensi diameter (D) 50 cm dan kedalaman parabola (d) 5 cm dengan titik fokus (f) 31,25

50 cm 31,25

cm. Titik fokus (f) reflektor tersebut dicari dengan menggunakan rumus (Dufie & William, 1991):

……….(8)

Gambar 15. Reflektor konsentrator surya

Kerangka reflektor dibuat dengan menggunakan alumunium foil karena ringan dan murah. Kerangka lengkung reflektor dibuat dari parabola bekas. Berikut beberapa bahan untuk reflektor beserta keunggulan dan kekurangannya (Rahardjo, 2008):

 Cermin

Keunggulan: reflektifitas sangat baik Kekurangan: berat, susah dibentuk

 Stainless steel

Keunggulan: ringan, mudah dibentuk, reflektifitas baik

Kekurangan: mahal, perlu proses lanjutan untuk mendapatkan reflektifitas yang baik (dipoles)

 Alumunium foil

25

Keunggulan: sangat ringan, mudah dibentuk, refleksifitas baik, tidak perlu proses lanjutan, murah

Kekurangan: mudah berubah bentuk, mudah sobek

Melihat dari beberapa keunggulan dan kekurangan tiap material, maka dipilih alumunium foil sebagai material reflektor. Kekurangan dapat diatasi saat pemasangan dengan ketelitian agar alumunium foil tidak sobek.

Pada reflektor terdapat dua buah sensor cahaya yang berfungsi mendeteksi cahaya matahari (Gambar 16). Sensor cahaya yang digunakan adalah Light Dependent Resistors (LDR). LDR adalah suatu bentuk komponen yang

mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya, dimana nilai hambatannya akan berubah-ubah bila terkena cahaya yang diterima.

LDR-1 berfungsi untuk kontrol dari alat. Apabila cahaya terang, maka alat akan berfungsi dan sebaliknya. LDR-2 berfungsi untuk mencari cahaya matahari. Di belakang LDR-2 diletakkan sebuah papan dengan tinggi 15 cm untuk menghasilkan bayangan. Papan ini diletakkan menghadap arah terbitnya matahari, yaitu timur. Bayangan yang dihasilkan papan berfungsi untuk menutup LDR-2 sehingga resistansinya berubah. Bayangan tersebut akan berubah seiring dengan pergerakan matahari.

Gambar 16. LDR pada reflektor

Unit Mekanik

Unit mekanik berfungsi untuk menggerakkan reflektor mengikuti gerak matahari. Unit mekanik ini terdiri dari motor DC, gear, per dan rantai (Gambar 17). Motor DC dikaitkan langsung pada gear yang telah terkait juga oleh rantai. Rantai yang terkait pada gear kemudian dikaitkan pada parabola yang berfungsi sebagai reflektor.

Gambar 17. Unit mekanik pada konsentrator surya

LDR-2

LDR-1

Rantai Per

Motor Gear

Penghasil Bayangan

27

Motor DC memiliki 2 buah supply, yaitu supply dari tegangan positif (Vcc) dan supply ground (0). Pada dasarnya putaran motor DC akan berbalik seandainya supply yang menempel pada motor tersebut dibalik kutub positif (+) dan kutub negatifnya (-). Apabila LDR-2 mendapatkan cahaya, maka ia akan memberikan pulsa output positif sampai LDR-2 tidak menerima cahaya lagi. Output pulsa tersebut akan bekerja pada koil relay sehingga terbentuk medan magnet pada koil yang menarik contact relay dari posisi Normally Close (NC) ke Normally Open (NO). Hal ini menyebabkan motor DC bergerak ke suatu arah.

Unit Elektronik

Unit elektronik berfungsi mengontrol sensor cahaya dan motor DC (Gambar 18). Unit elektronik mendapat tegangan 5 V dari catu daya. Tegangan yang diperoleh oleh catu daya berasal dari tegangan AC dari PLN 220 V,

kemudian tegangan PLN diubah oleh trafo CT menjadi tegangan AC 12 V. Tegangan AC 12 V akan diubah menjadi tegangan positif (+) DC 12 V oleh diode bridge. Tegangan DC 12 V ini akan diubah menjadi tegangan 5 V oleh regulator 7805. Tegangan 5 V inilah yang digunakan untuk memfungsikan rangkaian elektronik pada alat konsentrator surya.

Gambar 18. Unit elektronik pada alat konsentrator surya Di dalam unit elektronik terdapat rangkaian pembangkit sinyal dan penguat tegangan. Rangkaian pembangkit sinyal berfungsi untuk menghasilkan sinyal yang digunakan untuk menggerakkan motor DC. Rangkaian penguat tegangan berfungsi untuk meningkatkan tegangan agar sensor cahaya dapat berfungsi dengan baik.

4.2. Hubungan antara Sudut dan Suhu

Perubahan sudut yang mengikuti matahari diperlukan agar reflektor senantiasa selalu menghadap matahari. Hal ini diperlukan supaya pantulan cahaya matahari oleh reflektor selalu jatuh pada titik fokusnya. Sudut yang dibentuk oleh reflektor terhadap sumbu vertikal adalah sudut reflektor. Sudut reflektor bernilai 55° saat menghadap ke arah timur dan bernilai 135° saat menghadap ke arah barat. Perubahan maksimal sudut yang dapat dibentuk dari alat ini adalah sebesar 80°. Kemiringan sudut reflektor tersebut dirancang karena motor DC tidak kuat memutar reflektor untuk mengikuti pergerakan matahari. Sebaiknya

Rangkaian

Penguat Tegangan

Rangkaian

Pembangkit Sinyal Rangkaian Catu Daya

29

menggunakan motor servo dengan torsi yang lebih tinggi agar mampu memutar reflektor dan memiliki putaran yang halus.

Sudut awal yang dibentuk oleh reflektor adalah sebesar 55°, yaitu sekitar pukul 09.30 WIB. Pukul 06.00-09.00 WIB tidak terjadi perubahan sudut. Pada pukul 10.00 WIB sudut mengalami perubahan sebesar 5° menjadi 60°. Perubahan sudut tersebut konstan sebesar 15° sampai reflektor mencapai kemiringan sebesar 135° pada pukul 15.00 WIB dan sudut akan tetap sama sampai pukul 18.00 WIB (Lampiran 1).

Besarnya intensitas matahari sangat mempengaruhi kinerja dari alat konsentrator surya ini. Semakin besar intensitas matahari yang diterima reflektor, maka pantulan yang akan difokuskan menuju titik fokus juga akan semakin besar, sehingga suhu yang diterima oleh receiver juga lebih besar. Selain besarnya intensitas matahari, bahan dari reflektor yang digunakan juga sangat

mempengaruhi suhu yang diperoleh. Nilai suhu yang diperoleh dari hasil

pengamatan berubah-ubah tiap harinya tergantung dari besarnya intensitas cahaya matahari yang diterima. Suhu yang diperoleh dari hasil pengujian selama enam hari berkisar antara 23,5 – 62,5 °C (Lampiran 2).

Hubungan antara sudut terhadap suhu tidak terlalu berpengaruh nyata (Gambar 19). Kondisi alam lebih mempengaruhi perubahan suhu yang terjadi. Pengambilan data pada hari 1 sampai 5 cuaca mendung dan berawan, hal ini menyebabkan intensitas matahari berkurang karena matahari tertutup oleh awan. Cuaca yang cerah hanya terjadi pada pengambilan data hari ke-6, sehingga didapat suhu yang paling tinggi selama pengambilan data.

Gambar 19. Grafik hubungan antara sudut dan suhu

Secara kesuluruhan hasil pengukuran sudut yang mengikuti pergerakan matahari setiap 1 jam selama enam hari adalah konstan sebesar 15°. Hal ini sesuai dengan teori mengenai sudut jam matahari (ω), yaitu matahari bergerak sebesar 15° setiap 1 jam (Dufie & William, 1991). Nilai suhu keseluruhan yang didapat dari alat ini kurang maksimal. Hal ini disebabkan oleh kondisi cuaca pada saat pengambilan data adalah musim hujan. Selain itu juga disebabkan oleh bahan dari reflektor yang seharusnya dari cermin diganti dengan alumunium foil. Nilai suhu yang seharusnya adalah lebih dari 100 °C karena pada suhu tersebut merupakan nilai titik didih air. Sebaiknya bahan dari reflektor menggunakan cermin yang dibentuk mengikuti bentuk dari reflektor. Aplikasi selanjutnya untuk alat ini adalah digunakan untuk mendidihkan air yang akan menghasilkan uap untuk menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

31

5.

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Prototip pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya telah dikembangkan, namun alat ini masih kurang mampu menghasilkan suhu yang maksimal, suhu yang mampu dicapai oleh alat ini sebesar 62,50 C. Walaupun demikian, hasil rancang bangun prototip konsentrator surya yang dikembangkan telah mampu mengikuti pergerakan dari matahari dengan perubahan sudut konstan 15° setiap 1 jam dengan range perubahan sudut maksimal 800. Hubungan antara sudut terhadap suhu tidak terlalu berpengaruh nyata. Kondisi alam lebih mempengaruhi perubahan suhu yang terjadi.

5.2. Saran

Hal yang perlu dilakukan untuk penelitian selanjutnya adalah membuat mesin uap atau stirling yang mampu mengubah energi panas menjadi gerak dan juga generator untuk mengubah energi gerak menjadi listrik.

HENKY WIBOWO

SKRIPSI

DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN

FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2012

ii

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi yang berjudul :

RANCANG BANGUN PROTOTIP KONSENTRATOR SURYA DENGAN PELACAK GERAK SINAR MATAHARI

Adalah benar merupakan hasil karya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Semua sumber data dan informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan manapun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka dibagian akhir skripsi.

Bogor, Maret 2012

Henky Wibowo C54063131

iii

Pelacak Gerak Sinar Matahari. Dibimbing oleh INDRA JAYA

Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki 13.466 pulau. Namun, tidak semua pulau didukung dengan adanya ketersediaan fasilitas dasar, seperti listrik yang memadai. Sampai saat ini sebagian besar wilayah terutama pulau-pulau kecil dan pesisir belum tersedia sumberdaya listrik, sehingga listrik di daerah pulau-pulau kecil hanya menggunakan jenset dan dinyalakan pada malam hari saja. Salah satu teknologi alternatif yang dapat digunakan adalah pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya, yaitu menggunakan matahari sebagai sumber panas. Tujuan penelitian ini adalah merancang dan membuat prototip konsentrator surya.

Persiapan dan pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan Desember 2011. Kegiatan penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu pembuatan alat dan uji coba alat. Pembuatan dan uji coba alat dilakukan di Workshop Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Proses yang bertujuan untuk melihat kinerja dari alat yang dibuat dan juga pengambilan data parameter yang mempengaruhi kinerja suatu alat dilakukan pada tanggal 19-30 Desember 2011 yang termasuk pada Musim penghujan.

Penelitian ini menghasilkan prototip alat konsentrator surya yang berfungsi untuk memantulkan sinar matahari ke satu titik fokus sehingga dihasilkan panas yang tinggi. Alat konsentrator surya ini memiliki tiga bagian utama, yaitu reflektor, unit mekanik, dan unit elektronik. Agar pantulan yang dihasilkan maksimal, alat ini dilengkapi dengan sistem yang dapat mengikuti gerak matahari.

Hasil uji coba kinerja alat mencakup pengukuran sudut dan suhu. Hasil perubahan sudut tersebut konstan sebesar 15° sampai reflektor mencapai kemiringan sebesar 135° pada pukul 15.00 WIB dan sudut akan tetap sama sampai pukul 18.00 WIB. Nilai suhu yang diperoleh dari hasil pengamatan berubah-ubah tiap harinya tergantung dari besarnya intensitas cahaya matahari yang diterima. Suhu yang diperoleh dari hasil pengujian selama enam hari

berkisar antara 23,5 – 62,5 °C. Hubungan antara sudut terhadap suhu tidak terlalu berpengaruh nyata karena kondisi alam lebih mempengaruhi perubahan suhu yang terjadi.

Prototip pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya telah dikembangkan, namun alat ini masih kurang mampu menghasilkan suhu yang maksimal, suhu yang mampu dicapai oleh alat ini sebesar 62,50 C. Walaupun demikian, hasil rancang bangun prototip konsentrator surya yang dikembangkan telah mampu mengikuti pergerakan dari matahari dengan perubahan sudut konstan 15° setiap 1 jam dengan range perubahan sudut maksimal 800.

iv

© Hak cipta milik IPB, tahun 2012

Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB

2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian/seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB

v

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Ilmu Kelautan pada Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

HENKY WIBOWO C54063131

DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN

FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2012

vi

Judul Skripsi : RANCANG BANGUN PROTOTIP KONSENTRATOR SURYA DENGAN PELACAK GERAK SINAR

MATAHARI

Nama Mahasiswa : Henky Wibowo Nomor Pokok : C54063131

Departeman : Ilmu dan Teknologi Kelautan

Menyetujui, Dosen Pembimbing

Utama

Prof. Dr. Indra Jaya NIP. 19610410 198601 1 002

Mengetahui,

Ketua Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan

Tanggal Lulus :

Prof. Dr. Ir. Setyo Budi Susilo, M. Sc NIP. 19580909 198303 1 003

vii

Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat, hidayah, serta inayah yang diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul “Rancang Bangun Prototip Konsentrator Surya dengan Pelacak Gerak Sinar Matahari”dapat diselesaikan dengan baik.

Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada :

1. Kedua orang tua beserta keluarga besar yang selalu memberikan dukungan, doa dan nasihat yang tiada hentinya kepada penulis 2. Bapak Prof. Dr. Indra Jaya selaku dosen pembimbing yang telah

membantu penulis dalam menyesaikan tugas akhir.

3. Bapak Dr. Henry M. Manik, S. Pi, MT selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukkan.

4. Bapak/Ibu dosen dan staf penunjang Departemen ITK atas ilmu dan bantuannya selama penulis menyelesaikan studi di IPB.

5. Teman-teman dan seluruh anggota Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) di Workshop Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Fakultas

Perikanan, Institut Pertanian Bogor atas bantuan dan semangat yang telah diberikan selama penulis melaksanakan penelitian.

6. Teman-teman seperjuangan ITK 43 dan seluruh warga ITK.

7. Teman-teman Pondok Wina atas kebersamaannya selama di Bogor. 8. Teman-teman SMA yang selalu memberikan semangat.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu saran dan kritik sangat diharapkan demi kesempurnaan skripsi ini.

viii

Akhir kata penulis berharap skripsi ini dapat berguna bagi diri sendiri maupun orang lain.

Bogor, Maret 2012

ix

Halaman DAFTAR TABEL ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii 1. PENDAHULUAN ... 1

1.1.Latar Belakang ... 1 1.2.Tujuan ... 2 1.3. Manfaat Penelitian ... 2 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 3

2.1. Tenaga Matahari ... 3 2.2. Sistem Konsentrasi Solar ... 4 2.3. Sensor ... 8 2.4. Light Dependent Resistor (LDR) ... 10 2.5. Motor Direct Current (DC) ... 11 3. METODOLOGI PENELITIAN ... 13

3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian ... 13 3.2. Alat dan Bahan ... 13 3.3. Diagram Sistem ... 14 3.4. Diagram Alir Pengerjaan Alat ... 15 3.5. Rancangan Alat ... 17 3.6. Proses Uji Coba Alat ... 20 3.7. Variabel Penelitian ... 21

4. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 23 4.1. Hasil Rancang Bangun ... 23 4.2. Hubungan antara Sudut dan Suhu ... 28

5. KESIMPULAN DAN SARAN ... 31 5.1. Kesimpulan ... 31 5.2. Saran ... 31

x

DAFTAR PUSTAKA ... 32

LAMPIRAN ... 34

xi

DAFTAR TABEL

Halaman

1. Alat-Alat yang Digunakan ... 13 2. Bahan-Bahan yang Digunakan ... 14

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1. Pembangkit listrik tenaga surya 25 kW dengan sistem dish engine milik SunCatcherTM ... 5 2. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem parabolic trough SEGS IX di California, Amerika Serikat ... 6 3. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem central receiver milik

Abengoa di Seville, Spanyol ... 7 4. Kinerja dari setiap sistem konsentrator ... 8 5. Diagram alir sistem alat ... 15 6. Diagram alir pengerjaan alat ... 16 7. Desain alat ... 17 8. Pantulan radiasi matahari pada reflektor ... 18 9. Unit mekanik alat konsentrator surya ... 18 10. Rangkaian Catu daya ... 19 11. Rangkaian pembangkit sinyal ... 20 12. Rangkaian penguat tegangan ... 20 13. Sudut-sudut pada sinar matahari terhadap bumi ... 21 14. Alat konsentrator surya ... 24 15. Reflektor konsentrator surya ... 25 16. LDR pada reflektor ... 26 17. Unit mekanik pada konsentrator surya ... 27 18. Unit elektronik pada alat konsentrator surya ... 28 19. Grafik hubungan antara sudut dan suhu ... 30

xiii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1. Grafik sudut selama enam hari ... 35 2. Grafik suhu selama enam hari ... 36 3. Data hasil uji coba alat ... 37 4. Skema rangkaian elektronik ... 39

1

1.

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki 13.466 pulau. Namun, tidak semua pulau didukung dengan adanya ketersediaan fasilitas dasar, seperti listrik yang memadai. Sampai saat ini sebagian besar wilayah terutama pulau-pulau kecil dan pesisir belum tersedia sumberdaya listrik, sehingga listrik di daerah pulau-pulau kecil hanya menggunakan jenset dan dinyalakan pada malam hari saja. Hal ini menuntut masyarakat Indonesia untuk mengembangkan

berbagai macam alternatif listrik dengan teknologi yang lebih efektif dan efisien. Salah satu teknologi alternatif yang dapat digunakan adalah pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya, yaitu menggunakan matahari sebagai sumber panas. Salah satu keunggulan dari teknologi ini adalah tidak merusak lingkungan.

Sistem ini memusatkan energi sinar matahari dengan menggunakan cermin berbentuk parabola. Cermin tersebut diatur mengarah sinar matahari dan

memusatkan sinar matahari ke sebuah wadah yang berada di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Cermin parabolik ini berfungsi untuk menerima sinar matahari dan memindahkan panasnya ke cairan yang berada di dalam wadah. Panas yang terjadi mengakibatkan cairan di dalam mengembang dan menekan piston atau turbin dan menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik tersebut kemudian digunakan untuk memutar generator untuk menghasilkan listrik.

Pada saat ini pembangkit listrik dengan sistem konsentrator surya belum berkembang di Indonesia, padahal di negara-negara maju seperti Amerika dan Eropa sudah menggunakan teknologi ini untuk menghasilkan listrik, bahkan

Departemen Energi Amerika meramalkan bahwa pada tahun 2020 teknologi ini sangat berkembang di seluruh dunia dengan menghasilkan lebih dari 20 gigawatt daya listrik (Nrel, 2001). Harapannya dengan mengembangkan pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya ini dapat meningkatkan

kesejahteraan masyarakat pulau-pulau kecil.

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah merancang dan membuat prototip konsentrator surya yang mengikuti gerak matahari.

1.3. Manfaat Penelitian

Hasil penelitian ini merupakan penelitian awal dalam mendesain konsentrator surya. Bila dikembangkan dalam penelitian yang lebih besar nantinya dapat diaplikasikan pada ketersediaan listrik alternatif.

3

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tenaga Matahari

Tenaga matahari atau yang biasa disebut tenaga surya (solar energy) merupakan energi yang bersumber dari sinar matahari. Pemanfaatan energi surya dikelompokkan menjadi 2 (dua) kategori (Hardjasoemantri, 2002), yakni

pemanfaatan energi surya secara langsung dan tidak langsung. Pemanfaatan energi surya secara tidak langsung adalah berupa pemanfaatan biomassa untuk sumber energi. Energi surya yang sampai ke bumi, sebagian kecil akan

dikonversi menjadi energi kimia oleh tumbuhan melalui proses fotosintesis yang komplek. Produk akhir dari fotosintesis adalah biomassa, dengan demikian biomassa merupakan energi surya tak langsung.

Pemanfaatan energi surya secara langsung adalah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi utama secara langsung. Pemanfaatan energi surya harus mempertimbangkan sifat-sifat fisika dari sinar matahari. Lakitan (2002) mengatakan bahwa untuk mengkaji aspek fisika cahaya ada beberapa hal yang harus diperhatikan diantaranya: porsi serapan cahaya (absorptivity), porsi pantulan (reflectivity), porsi terusan (transmissivity), daya pancar (emissivity), aliran energi cahaya (radian flux), kerapatan aliran energi cahaya (radiant flux density), intensitas terpaan (irradiance) dan intensitas pancaran cahaya (emittance).

Tenaga surya pada dasarnya adalah sinar matahari yang merupakan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang yang tampak dan yang tidak tampak, yakni mencakup spektrum cahaya inframerah sampai dengan cahaya ultraviolet. Masing-masing spektrum cahaya matahari memiliki panjang

gelombang, frekuensi dan energi yang berbeda. Sinar matahari memiliki panjang gelombang (λ) antara 0,15 – 4 µm, dan hanya panjang gelombang (λ) antara 0,32 – 2 µm yang mampu menembus kaca transparan (Wisnubroto, 2004).

2.2. Sistem Konsentrasi Solar

Sistem konsentrasi solar menggunakan lensa atau kaca untuk mengkonsentrasi atau mengumpulkan energi dari matahari, menghasilkan temperatur yang cukup tinggi untuk menggerakkan turbin atau mesin uap untuk menghasilkan energi listrik. Menurut Seia (2009) sekarang ini, lebih dari 400 MW dihasilkan dari sistem ini yang beroperasi di Amerika Serikat, dan proyek-proyek dengan total lebih dari 8000 MW yang saat ini sedang dikembangkan.

Ada tiga teknologi sistem konsentrasi solar (Nrel, 2001), yaitu: (1) Dish engine, (2) Parabolic trough dan (3) Central receiver.

(1) Dish Engine

Sistem dish engine mentransfer energi matahari yang terkonsentrasi dengan efisiensi tinggi menjadi energi listrik. Bagian yang penting dari sistem dish engine terdiri dari (Cleanenergy, 2009): konsentrator berbentuk parabolik, sistem tracking, receiver, dan mesin (stirling dan generator).

Konsentrator berbentuk parabolik memantulkan dan mengkonsentrasi sinar matahari ke receiver yang terletak di titik fokus konsentrator. Sinar matahari diserap oleh receiver dan meneruskannya ke mesin. Mesin akan mengubah energi matahari menjadi energi mekanik dan generator akan

mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik. Menjaga agar pantulan sinar matahari ke titik fokus tetap terjaga, dish engine menggunakan dual-axis collector untuk men-tracking matahari. Setiap dish akan menghasilkan 5 sampai 30

5

kilowatt listrik tergantung pada sistem (Seia, 2009). Gambar 1 adalah Stirling Energy System 25 kW milik SunCatcherTM memiliki tinggi 38 kaki dan lebar 40 kaki.

Sistem dish engine memiliki karakteristik efisiensi tinggi, modularitas, operasi autonomous, dan hibrida yang melekat. Menurut (Solarpaces, 2001) dibandingkan dengan teknologi surya yang lainya, solar dish engine menunjukkan konversi energi matahari ke energi listrik dengan efisiensi tertinggi (29,4%). Oleh karena itu, dish engine memiliki potensi untuk menjadi salah satu sumber paling murah untuk energi terbarukan.

Gambar 1. Pembangkit listrik tenaga surya 25 kW dengan sistem dish engine milik SunCatcherTM (Seia, 2009)

(2) Parabolic Trough

Sistem parabolic trough menggunakan cermin yang berbentuk U atau melengkung yang memanjang untuk memusatkan energi matahari. Cermin tersebut memfokuskan energi matahari ke receiver yang berbentuk pipa berisi cairan (misalnya, minyak sintetis) yang memanjang di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Cairan panas tersebut digunakan untuk mendidihkan air di

generator uap konvensional dan menghasilkan listrik. Seia (2009) mengatakan cairan panas tersebut dapat mencapai temperatur 700° F. Gambar 2 adalah pengumpul Luz LS-3 digunakan pada pembangkit 80 MW SEGS IX di California yang memiliki panjang 325 kaki dan lebar 11 kaki dengan efisiensi konversi energi sekitar 24%.

Gambar 2. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem parabolic trough SEGS IX di California, Amerika Serikat (Seia, 2009)

(3) Central Receiver

Sistem central receiver ini menggunakan menara pembangkit yang dikelilingi oleh cermin-cermin yang ditempatkan di suatu area yang luas untuk mengumpulkan energi matahari dan memusatkannya ke bagian atas menara pembangkit dimana terdapat receiver yang ditempatkan di sana. Panas yang dihasilkan mencairkan garam yang kemudian dialirkan untuk memanaskan air. Uap yang dihasilkan dari air panas digunakan untuk memutar generator

konvensional dan menghasilkan energi listrik. Menurut (Seia, 2009) energi matahari yang terfokus digunakan untuk perpindahan cairan (800° F sampai

7

1000° F) untuk menghasilkan uap dan menjalankan generator pusat. Gambar 3 adalah PS20 milik Abengoa, pembangkit listrik 20 MW di Seville, Spanyol 1255 heliostat mengelilingi menara dengan tinggi 531 kaki.

Gambar 3. Pembangkit listrik tenaga surya dengan sistem central receiver milik Abengoa di Seville, Spanyol (Seia, 2009)

Semakin banyak output sebuah sistem dapat menyediakan input solar yang diberikan. Sistem dish engine menunjukkan karakteristik yang paling baik, karena konsentrator dan kinerja mesinnya yang tinggi serta inersia panasnya rendah yang memungkinkan untuk lebih cepat melakukan start-up dibandingkan dengan sistem konsentrasi solar skala besar seperti central receiver atau parabolic trough (Pitz-Paal, 2007). Pada Gambar 4 menunjukkan energi listrik harian yang dihasilkan berdasarkan masukan matahari harian untuk setiap sistem konsentrator yang berbeda.

Gambar 4. Kinerja dari setiap sistem konsentrator (Pitz-Paal, 2007)

2.3. Sensor

Sensor adalah perangkat yang mengubah fenomena fisik menjadi sinyal elektronik (Kenny, 2005). Sensor menerima rangsangan dan meresponnya

dengan perubahan sinyal listrik dan merupakan jembatan antara dunia sebenarnya dengan perangkat elektronik.

Sensor tidak dapat berdiri sendiri. Biasanya sensor merupakan bagian dari suatu sistem yang lebih besar yang memiliki rangkaian pengkondisi sinyal dan bermacam-macam pemrosesan sinyal analog atau digital. Berdasarkan rangkaian pengkondisi sinyal, sensor dapat dibagi menjadi dua, yaitu pasif dan aktif. Sensor aktif memerlukan pemicu eksternal yang berupa rangkaian penyangga sensor, sehingga selalu ada arus yang melewati sensor. Contoh sensor aktif adalah termistor, Resistance Temperature Detector (RTD), dan strain gauges. Sensor pasif menghasilkan sinyal keluaran sendiri tanpa memerlukan rangkaian dan arus tambahan. Contohnya adalah thermocouple yang menghasilkan thermoelectric dan fotodioda yang menghasilkan photocurrent.

9

Setiap sensor memiliki karakteristik tertentu. Karakter ini menentukan baik buruknya sebuah sensor pada aplikasi tertentu. Karakter ini pula menentukan rangkaian yang digunakan sebagai penyangga sensor. Beberapa karakter penting diantaranya (Carr,1993):

(1) Transfer Function

Transfer Function merupakan hubungan fungsi antara sinyal masukan fisik dan sinyal keluaran elektris. Biasanya, hubungan ini digambarkan sebagai grafik antara sinyal masukan dan keluaran.

(2) Sensitivitas

Sensitivitas merupakan rasio antara perubahan kecil dalam sinyal elektris terhadap perubahan kecil pada sinyal fisik dan dapat diekspresikan sebagai fungsi turunan Transfer Function terhadap sinyal fisik. Satuan yang biasa digunakan adalah volt/Kelvin, milivolt/kilopascal, dsb. Contoh, sebuah termometer akan memiliki sensitivitas tinggi apabila perubahan suhu kecil di lingkungan akan mengakibatkan perubahan tegangan yang tinggi; perubahan tegangan yang signifikan memudahkan pengamatan terhadap sinyal elektris.

(3) Span atau Dynamic Range

Rentang masukan sinyal fisik yang bisa dikonversi ke dalam bentuk sinyal elektris. Sinyal fisik diluar rentang ini diperkirakan memiliki akurasi yang sangat rendah. Satuan yang digunakan antara lain kelvin, pascal, newton. (4) Accuracy atau Uncertainty

Merupakan perkiraan kesalahan terbesar antara sinyal keluaran sebenarnya dan sinyal keluaran ideal. Accuracy merupakan istilah kualitatif, berbeda

dengan uncertainty yang bersifat kuantitatif. Contoh, sebuah sensor memiliki akurasi yang lebih tinggi ketika uncertainty sebesar 1% dibandingkan dengan uncertainty 3%.

(5) Hysteresis

Beberapa sensor tidak kembali ke nilai semula ketika terjadi rangsangan naik atau turun. Besarnya kesalahan yang diperkirakan dalam kuantitas yang diukur merupakan Hysteresis

(6) Nonlinearity

Terkadang juga disebut linearity, merupakan penyimpangan maksimum dari Transfer Function linear terhadap Dynamic Range.

(7) Noise

Beberapa sensor menghasilkan noise bersamaan dengan sinyal keluaran. Beberapa kasus menunjukkan noise pada sensor lebih kecil dibandingkan dengan noise pada rangkaian elektronik selanjutnya.

2.4. Light Dependent Resistor (LDR)

Light Dependent Resistor (LDR) adalah suatu bentuk komponen yang mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya. LDR merupakan sebuah sensor jenis semikonduktor yang dibuat dari Kadmium sulfida (CdS) dan Kadmium selenida (CdSe). Sebuah LDR terdiri dari sebuah piringan bahan semikonduktor dengan dua buah elektroda pada permukaanya. LDR tergantung pada cahaya, artinya nilai hambatannya akan berubah-ubah bila terkena cahaya yang diterima (Sitorus, 2008).

Karakteristik LDR terdiri dari dua macam, yaitu laju recovery dan respon spectral:

11

(1) Laju Recovery

Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu ke dalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa diamati bahwa nila resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut, namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga pada kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu.

(2) Respon Spektral

LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya. Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik, yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak.

2.5. Motor Direct Current (DC)

Motor DC merupakan motor arus searah yang menggunakan arus langsung satu arah (direct-unidirectional). Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Motor DC memiliki tiga komponen utama

(energyefficiencyasia, 2006): (1) 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. Motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.

(2) 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. (3) 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.

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya.

13

3. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian

Persiapan dan pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan Desember 2011. Kegiatan penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu pembuatan alat dan uji coba alat. Pembuatan dan uji coba alat dilakukan di

Workshop Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu

Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Proses yang bertujuan untuk melihat kinerja dari alat yang dibuat dan juga pengambilan data parameter yang mempengaruhi kinerja suatu alat dilakukan pada tanggal 19-30 Desember 2011 yang termasuk pada Musim penghujan.

3.2. Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan alat dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Alat-alat yang digunakan.

No Nama Alat Fungsi

1 Seperangkat Komputer dengan sistem operasi Windows 7

Merancang perangkat keras dan lunak serta pengolahan data

2 Solder listrik 45 watt Menyolder antar komponen

3 Multimeter Digital Sanwa CD Mengukur voltase, hambatan dan koneksi komponen

4 Gerinda Listrik Memotong PCB dan besi

5 Obeng Membuka dan memasang baut

6 Bor Listik Melubangi parabola

7 Matlab 2010 Mengolah data hasil uji coba

8 Lem Aibon Merekatkan alumunium foil

Bahan yang digunakan dalam pembuatan alat ini dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Bahan-bahan yang digunakan

No Nama Bahan Jumlah

1 Parabola bekas 1 buah

2 Motor wiper 1 buah

3 Alumunium foil 1 buah

4 Rantai sepeda bekas 1 buah

5 Gear sepeda bekas 1 buah

6 LDR 2 buah

7 IC NE 555 1 buah

8 IC LM 741 2 buah

9 Trafo CT 1 buah

10 Trimpot 10K 5 buah

11 Trimpot 100K 1 buah

12 PCB 1 buah

13 Sakelar 2 buah

14 Relay 4 buah

15 Regulator 12V 1 buah

16 Led 1 buah

17 Resistor 150 ohm 1 buah

18 Resistor 1K 3 buah

19 Resistor 66K 2 buah

20 Resistor 10K 3 buah

21 Resistor 4K 4 buah

22 Kapasitor 1uF 3 buah

23 Kapasitor 100uF 1 buah

24 Kapasitor 1nF 1 buah

25 Dioda 11 buah

26 Transistor 7 buah

3.3. Diagram Sistem

Diagram sistem alat terdiri dari catu daya yang berfungsi memberikan tegangan kepada unit elektronik, selanjutnya unit elektronik akan mengendalikan

15

sensor suhu dan motor DC (Gambar 5). Sensor cahaya berfungsi untuk mencari intensitas cahaya matahari yang terbesar. Motor DC berfungsi untuk menggerakkan konsentrator ke arah intensitas matahari yang terbesar.

Gambar 5. Diagram alir sistem alat

3.4. Diagram Alir Pengerjaan Alat

Pengerjaan alat disusun ke dalam beberapa tahap yang mencakup persiapan, perumusan masalah, perancangan model, pengujian model, perancangan perangkat, integrasi perangkat, dan pengujian sistem hingga memenuhi syarat (Gambar 6). Perancangan model meliputi pembuatan desain dan pemilihan bahan yang akan digunakan. Pemilihan bahan yang tepat sangat mempengaruhi kinerja dan daya tahan alat. Apabila kinerja dari model belum dapat bekerja secara optimal maka perlu dilakukan perubahan pada desain yang telah dibuat, sedangkan apabila model sudah berjalan secara optimal maka lanjut ke tahap berikutnya, yaitu pembuatan alat. Pembuatan alat mencangkup pembuatan reflektor, pembuatan unit mekanik, dan pembuatan unit elektronik. Bagian-bagian yang telah dibuat pada tahap sebelumnya diintegrasikan menjadi alat konsentrator surya. Selanjutnya dilakukan uji coba yang mencakup pengambilan parameter yang mempengaruhi kinerja alat konsentrator surya.

Catu Daya

Sensor Cahaya Motor DC

Reflektor Unit Elektronik

Gambar 6. Diagram alir pengerjaan alat Mulai

Persiapan

Perancangan Model Perumusan Masalah

Tidak

Model Sesuai

Perancangan Perangkat

Integrasi Perangkat

Uji Coba

Berhasil Ya

Ya

Tidak

17

3.5. Rancangan Alat

Rancang bangun konsentrator surya terbagi dalam tiga bagian, yaitu reflektor, unit mekanik, dan unit elektronik (Gambar 7).

Gambar 7. Desain alat

Reflektor

Reflektor pada rancang bangun alat ini berbentuk parabola berdiameter 50 cm dengan kedalaman 5 cm dengan dilapisi alumunium foil. Alumunium foil dipilih sebagai bahan reflektor karena murah dan ringan. Reflektor berfungsi untuk memantulkan cahaya matahari menuju titik fokus (Gambar 8).

Gambar 8. Pantulan radiasi matahari pada reflektor

Unit Mekanik

Unit mekanik terdiri dari motor DC, gear, dan rantai (Gambar 9). Unit mekanik ini berfungsi untuk menggerakkan reflektor pada saat reflektor bergerak mengikuti pergerakan matahari. Motor DC yang digunakan memiliki spesifikasi 12 V, 1 A dengan torsi 12 Nm. Gear dan rantai yang dipakai didapat dari sepeda bekas.

19

Unit Elektronik

Unit elektronik berfungsi mengontrol sensor cahaya dan motor DC. Unit elektronik mendapat tegangan 5 V dari catu daya (Gambar 10). Tegangan yang diperoleh oleh catu daya berasal dari tegangan PLN, kemudian tegangan PLN diubah oleh trafo CT menjadi 12 V. Tegangan 12 V ini akan diubah menjadi 5 V oleh regulator 7805.

Gambar 10. Rangkaian Catu daya

Di dalam unit elektronik terdapat rangkaian pembangkit sinyal (Gambar 11) dan penguat tegangan (Gambar 12). Rangkaian pembangkit sinyal berfungsi untuk menghasilkan sinyal yang digunakan untuk mengendalikan motor DC. Rangkaian penguat tegangan berfungsi untuk meningkatkan tegangan agar sensor cahaya dapat berfungsi dengan baik.

Gambar 11. Rangkaian pembangkit sinyal

Gambar 12. Rangkaian penguat tegangan

3.6. Proses Uji Coba Alat

Proses uji coba alat dilakukan dengan cara meletakkan alat di bawah sinar matahari tanpa terhalang oleh pohon atau gedung. Selama proses tersebut dilakukan pengukuran sudut putar alat dan suhu pada titik fokus. Pengambilan data-data

21

tersebut dilakukan pada saat matahari terbit (pukul 06.00 WIB) sampai dengan matahari terbenam (pukul 18.00 WIB). Suhu diukur menggunakan thermocouple dengan pencatatan setiap 1 jam. Sudut diukur dengan menggunakan busur derajat dengan pencatatan setiap 1 jam.

3.7. Variabel Penelitian

Sinar matahari datang membentuk sudut terhadap permukaan bumi. Sudut tersebut berubah setiap saat karena perputaran bumi pada porosnya dan gerak bumi yang mengelilingi matahari dengan sudut kemiringan 23,5°. Berikut beberapa sudut yang dibentuk (Gambar 13).

dimana:

δ: Sudut deklinasi matahari terhadap garis equator (lintang selatan bernilai negatif) ω: Sudut jam, perpindahan sudut matahari setiap jam sebesar 15° (pagi positif,

siang negatif

θz: Sudut zenith matahari, sudut antara garis vertikal dengan matahari

αs: Sudut ketinggian matahari terhadap bidang horizontal

γs: Sudut azimuth matahari terhadap bidang horizontal (diukur dari arah utara)

Sudut deklinasi (δ) dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Dufie & William, 1991):

.………(1) dimana n adalah jumlah hari ke-n dalam tahun tersebut.

Sudut zenith (θz) dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Dufie &

William, 1991):

………..(2) Dimana Φ: Sudut lintang tempat tersebut (lintang selatan bernilai negatif)

Sudut ketinggian matahari (αs) dan sudut zenith (θz) membentuk sudut

siku-siku:

23

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Rancang Bangun

Penelitian ini menghasilkan prototip alat konsentrator surya (Gambar 14) yang berfungsi untuk memantulkan sinar matahari ke satu titik fokus sehingga dihasilkan panas yang tinggi. Agar pantulan yang dihasilkan maksimal, alat ini dilengkapi dengan sistem yang dapat mengikuti gerak matahari. Alat konsentrator surya ini memiliki tiga bagian utama, yaitu reflektor, unit mekanik, dan unit elektronik.

Gambar 14. Prototip alat konsentrator surya

Reflektor

Reflektor berfungsi untuk memantulkan sinar matahari yang masuk ke permukaan bumi menuju titik fokus (Gambar 15). Reflektor memiliki dimensi diameter (D) 50 cm dan kedalaman parabola (d) 5 cm dengan titik fokus (f) 31,25

50 cm 31,25

cm. Titik fokus (f) reflektor tersebut dicari dengan menggunakan rumus (Dufie & William, 1991):

……….(8)

Gambar 15. Reflektor konsentrator surya

Kerangka reflektor dibuat dengan menggunakan alumunium foil karena ringan dan murah. Kerangka lengkung reflektor dibuat dari parabola bekas. Berikut beberapa bahan untuk reflektor beserta keunggulan dan kekurangannya (Rahardjo, 2008):

 Cermin

Keunggulan: reflektifitas sangat baik Kekurangan: berat, susah dibentuk

 Stainless steel

Keunggulan: ringan, mudah dibentuk, reflektifitas baik

Kekurangan: mahal, perlu proses lanjutan untuk mendapatkan reflektifitas yang baik (dipoles)

 Alumunium foil

25

Keunggulan: sangat ringan, mudah dibentuk, refleksifitas baik, tidak perlu proses lanjutan, murah

Kekurangan: mudah berubah bentuk, mudah sobek

Melihat dari beberapa keunggulan dan kekurangan tiap material, maka dipilih alumunium foil sebagai material reflektor. Kekurangan dapat diatasi saat pemasangan dengan ketelitian agar alumunium foil tidak sobek.

Pada reflektor terdapat dua buah sensor cahaya yang berfungsi mendeteksi cahaya matahari (Gambar 16). Sensor cahaya yang digunakan adalah Light Dependent Resistors (LDR). LDR adalah suatu bentuk komponen yang

mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya, dimana nilai hambatannya akan berubah-ubah bila terkena cahaya yang diterima.

LDR-1 berfungsi untuk kontrol dari alat. Apabila cahaya terang, maka alat akan berfungsi dan sebaliknya. LDR-2 berfungsi untuk mencari cahaya matahari. Di belakang LDR-2 diletakkan sebuah papan dengan tinggi 15 cm untuk menghasilkan bayangan. Papan ini diletakkan menghadap arah terbitnya matahari, yaitu timur. Bayangan yang dihasilkan papan berfungsi untuk menutup LDR-2 sehingga resistansinya berubah. Bayangan tersebut akan berubah seiring dengan pergerakan matahari.

Gambar 16. LDR pada reflektor

Unit Mekanik

Unit mekanik berfungsi untuk menggerakkan reflektor mengikuti gerak matahari. Unit mekanik ini terdiri dari motor DC, gear, per dan rantai (Gambar 17). Motor DC dikaitkan langsung pada gear yang telah terkait juga oleh rantai. Rantai yang terkait pada gear kemudian dikaitkan pada parabola yang berfungsi sebagai reflektor.

Gambar 17. Unit mekanik pada konsentrator surya

LDR-2

LDR-1

Rantai Per

Motor Gear

Penghasil Bayangan

27

Motor DC memiliki 2 buah supply, yaitu supply dari tegangan positif (Vcc) dan supply ground (0). Pada dasarnya putaran motor DC akan berbalik seandainya supply yang menempel pada motor tersebut dibalik kutub positif (+) dan kutub negatifnya (-). Apabila LDR-2 mendapatkan cahaya, maka ia akan memberikan pulsa output positif sampai LDR-2 tidak menerima cahaya lagi. Output pulsa tersebut akan bekerja pada koil relay sehingga terbentuk medan magnet pada koil yang menarik contact relay dari posisi Normally Close (NC) ke Normally Open (NO). Hal ini menyebabkan motor DC bergerak ke suatu arah.

Unit Elektronik

Unit elektronik berfungsi mengontrol sensor cahaya dan motor DC (Gambar 18). Unit elektronik mendapat tegangan 5 V dari catu daya. Tegangan yang diperoleh oleh catu daya berasal dari tegangan AC dari PLN 220 V,

kemudian tegangan PLN diubah oleh trafo CT menjadi tegangan AC 12 V. Tegangan AC 12 V akan diubah menjadi tegangan positif (+) DC 12 V oleh diode bridge. Tegangan DC 12 V ini akan diubah menjadi tegangan 5 V oleh regulator 7805. Tegangan 5 V inilah yang digunakan untuk memfungsikan rangkaian elektronik pada alat konsentrator surya.

Gambar 18. Unit elektronik pada alat konsentrator surya Di dalam unit elektronik terdapat rangkaian pembangkit sinyal dan penguat tegangan. Rangkaian pembangkit sinyal berfungsi untuk menghasilkan sinyal yang digunakan untuk menggerakkan motor DC. Rangkaian penguat tegangan berfungsi untuk meningkatkan tegangan agar sensor cahaya dapat berfungsi dengan baik.

4.2. Hubungan antara Sudut dan Suhu

Perubahan sudut yang mengikuti matahari diperlukan agar reflektor senantiasa selalu menghadap matahari. Hal ini diperlukan supaya pantulan cahaya matahari oleh reflektor selalu jatuh pada titik fokusnya. Sudut yang dibentuk oleh reflektor terhadap sumbu vertikal adalah sudut reflektor. Sudut reflektor bernilai 55° saat menghadap ke arah timur dan bernilai 135° saat menghadap ke arah barat. Perubahan maksimal sudut yang dapat dibentuk dari alat ini adalah sebesar 80°. Kemiringan sudut reflektor tersebut dirancang karena motor DC tidak kuat memutar reflektor untuk mengikuti pergerakan matahari. Sebaiknya

Rangkaian

Penguat Tegangan

Rangkaian

Pembangkit Sinyal Rangkaian Catu Daya

29

menggunakan motor servo dengan torsi yang lebih tinggi agar mampu memutar reflektor dan memiliki putaran yang halus.

Sudut awal yang dibentuk oleh reflektor adalah sebesar 55°, yaitu sekitar pukul 09.30 WIB. Pukul 06.00-09.00 WIB tidak terjadi perubahan sudut. Pada pukul 10.00 WIB sudut mengalami perubahan sebesar 5° menjadi 60°. Perubahan sudut tersebut konstan sebesar 15° sampai reflektor mencapai kemiringan sebesar 135° pada pukul 15.00 WIB dan sudut akan tetap sama sampai pukul 18.00 WIB (Lampiran 1).

Besarnya intensitas matahari sangat mempengaruhi kinerja dari alat konsentrator surya ini. Semakin besar intensitas matahari yang diterima reflektor, maka pantulan yang akan difokuskan menuju titik fokus juga akan semakin besar, sehingga suhu yang diterima oleh receiver juga lebih besar. Selain besarnya intensitas matahari, bahan dari reflektor yang digunakan juga sangat

mempengaruhi suhu yang diperoleh. Nilai suhu yang diperoleh dari hasil

pengamatan berubah-ubah tiap harinya tergantung dari besarnya intensitas cahaya matahari yang diterima. Suhu yang diperoleh dari hasil pengujian selama enam hari berkisar antara 23,5 – 62,5 °C (Lampiran 2).

Hubungan antara sudut terhadap suhu tidak terlalu berpengaruh nyata (Gambar 19). Kondisi alam lebih mempengaruhi perubahan suhu yang terjadi. Pengambilan data pada hari 1 sampai 5 cuaca mendung dan berawan, hal ini menyebabkan intensitas matahari berkurang karena matahari tertutup oleh awan. Cuaca yang cerah hanya terjadi pada pengambilan data hari ke-6, sehingga didapat suhu yang paling tinggi selama pengambilan data.

Gambar 19. Grafik hubungan antara sudut dan suhu

Secara kesuluruhan hasil pengukuran sudut yang mengikuti pergerakan matahari setiap 1 jam selama enam hari adalah konstan sebesar 15°. Hal ini sesuai dengan teori mengenai sudut jam matahari (ω), yaitu matahari bergerak sebesar 15° setiap 1 jam (Dufie & William, 1991). Nilai suhu keseluruhan yang didapat dari alat ini kurang maksimal. Hal ini disebabkan oleh kondisi cuaca pada saat pengambilan data adalah musim hujan. Selain itu juga disebabkan oleh bahan dari reflektor yang seharusnya dari cermin diganti dengan alumunium foil. Nilai suhu yang seharusnya adalah lebih dari 100 °C karena pada suhu tersebut merupakan nilai titik didih air. Sebaiknya bahan dari reflektor menggunakan cermin yang dibentuk mengikuti bentuk dari reflektor. Aplikasi selanjutnya untuk alat ini adalah digunakan untuk mendidihkan air yang akan menghasilkan uap untuk menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

31

5.

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Prototip pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya telah dikembangkan, namun alat ini masih kurang mampu menghasilkan suhu yang maksimal, suhu yang mampu dicapai oleh alat ini sebesar 62,50 C. Walaupun demikian, hasil rancang bangun prototip konsentrator surya yang dikembangkan telah mampu mengikuti pergerakan dari matahari dengan perubahan sudut konstan 15° setiap 1 jam dengan range perubahan sudut maksimal 800. Hubungan antara sudut terhadap suhu tidak terlalu berpengaruh nyata. Kondisi alam lebih mempengaruhi perubahan suhu yang terjadi.

5.2. Saran

Hal yang perlu dilakukan untuk penelitian selanjutnya adalah membuat mesin uap atau stirling yang mampu mengubah energi panas menjadi gerak dan juga generator untuk mengubah energi gerak menjadi listrik.

32

Carr, J.J. 1993. Sensor and Circuits. TR Percentice Hail, Englewood Cliffs, New Jersey

Cleanenergy. 2009. Sun Powered Stirling-Dish System.

www.cleanergyindustries.com/.../Sun%20powered%20Stirling-Dish%20system-161_GB.pdf [Diakses tanggal 20 September 2010].

Dufie, A. J., dan William, A. 1991. Solar Engineering of Thermal Processes. 2nd. ed. Hal. 1-212. John Willey & Sons, Inc. New York

Energyefficiencyasia. 2006. Peralatan Energi Listrik: Motor Listrik.

http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/Chapter%20-%20Electric%20motors%20(Bahasa%20Indonesia).pdf [Diakses tanggal 26 November 2011].

Hardjasoemantri, K. 2002. Hukum Tata Lingkungan. Edisi VII. Gadjah Mada University Press. Yogyakarta.

Kenny, T. 2005. Sensor Fundamentals. Hal.1-20. In. J.Wilson (ed.). Sensor Technology Handbook. Elsevier. Oxford.

Lakitan, B. 2004. Dasar-Dasar Klimatologi. PT Raja Grafindo Persada. Jakarta. Nrel. 2001. Concentrating Solar Power: Energy From Mirrors.

http://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28751.pdf [Diakses tanggal 7 Oktober 2010]

Pitz-Paal, R. 2007. High Temperature Solar Concentrators.

http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C08/E6-106-06-00.pdf [Diakses tanggal 7 Oktober 2010]

Rahardjo, J. 2008. Perencanaan Boiler Tenaga Surya. Skripsi. Jurusan Teknik Mesin. Fakultas Teknologi Industri. Universitas Kristen Petra. Surabaya

Seia, 2009. Concentrating Solar Power: Utility-Scale Solutions for Pollution-Free Electricity. http://seia.org/galleries/pdf/factsheet_csp.pdf [Diakses tanggal 7 Oktober 2010]

Sitorus, S. A. 2008. Sistem Keamanan Ruangan dengan Sensor LDR dan Handphone. Tugas Akhir. Program Studi D-3 Fisika Instrumentasi. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Sumatra Utara. Medan.

33

Solarpaces. 2001. Solar Dish-Engine.

www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_dish.pdf [Diakses tanggal 20 September 2010]

Wisnubroto, S. (2004). Meteorologi Pertanian Indonesia. Fakultas Pertanian. Universitas Gajah Mada. Yogyakarta.

34

35

37

Lampiran 3. Data hasil uji coba

Hari/ Tanggal: Senin, 19 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 28.4 55

07.00 32 55

08.00 34.1 55

09.00 31.3 55

10.00 34.2 65

11.00 33.7 80

12.00 35 95

Hari/ Tanggal: Selasa, 20 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 29.3 55

07.00 30.7 55

08.00 32.1 55

09.00 32.3 55

10.00 30.1 60

11.00 29.6 75

12.00 29.2 90

Hari/ Tanggal: Senin, 26 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 23.5 55

07.00 23.7 55

08.00 31.5 55

09.00 32.9 55

10.00 30.3 60

11.00 30.5 75

Hari/ Tanggal: Selasa, 27 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 24.7 55

07.00 24.9 55

08.00 32.5 55

09.00 34.1 55

10.00 31.6 65

11.00 31.9 80

12.00 28.8 95

13.00 29.6 110

14.00 38 125

15.00 34 135

16.00 28.5 135

17.00 28 135

18.00 27.8 135

Hari/ Tanggal: Rabu, 28 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 24.1 55

07.00 29.7 55

08.00 32.3 55

09.00 42 55

10.00 44.7 60

11.00 47.9 75

12.00 48.9 90

13.00 33 105

14.00 34.5 120

15.00 32.4 135

16.00 28.1 135

17.00 27.5 135

39

Hari/ Tanggal: Jumat, 30 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 29.7 55

07.00 35.8 55

08.00 41.7 55

09.00 53.6 55

10.00 62.5 60

11.00 53.2 75

12.00 60.4 90

13.00 52.1 105

14.00 34.4 120

15.00 31.2 135

16.00 27.4 135

17.00 27.1 135

18.00 26.6 135

40

Penulis dilahirkan di Jakarta, 18 Februari 1988 dari Ayah Sugiyono dan Ibu Siti Asiyah. Penulis adalah anak pertama dari tiga bersaudara. Tahun 2006 Penulis

menyelesaikan pendidikan di Sekolah Menengah Atas Negeri (SMAN) 1 Tangerang.

Pada tahun 2006 Penulis diterima sebagai mahasiswa Institut Pertanian Bogor melalui jalur masuk USMI (Undangan Seleksi Masuk IPB) dan tahun 2007 diterima sebagai mahasiswa Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan.

Selama kuliah di Institut Pertanian Bogor, penulis menjadi Asisten mata kuliah Dasar-Dasar Instrumentasi Kelautan tahun ajaran 2008-2009 dan tahun ajaran 2009-2010 dan Asisten mata kuliah Instrumentasi Kelautan tahun ajaran 2009-2010. Selain itu Penulis juga aktif dalam organisasi HIMITEKA IPB

sebagai wakil ketua II periode 2008-2009, HIMITEKA IPB sebagai anggota divisi hubungan luar dan komunikasi periode 2009-2010, dan MIT (Marine Instrument and Telemetry) sebagai anggota divisi hardware periode 2009-2010.

Untuk menyelesaikan studi di Institut Pertanian Bogor, penulis membuat skripsi yang berjudul Rancang Bangun Prototip Konsentrator Surya dengan Pelacak Gerak Sinar Matahari.

RANCANG BANGUN PROTOTIP KONSENTRATOR SURYA

DENGAN PELACAK GERAK SINAR MATAHARI

HENKY WIBOWO

SKRIPSI

DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN

FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2012

32

Carr, J.J. 1993. Sensor and Circuits. TR Percentice Hail, Englewood Cliffs, New Jersey

Cleanenergy. 2009. Sun Powered Stirling-Dish System.

www.cleanergyindustries.com/.../Sun%20powered%20Stirling-Dish%20system-161_GB.pdf [Diakses tanggal 20 September 2010].

Dufie, A. J., dan William, A. 1991. Solar Engineering of Thermal Processes. 2nd. ed. Hal. 1-212. John Willey & Sons, Inc. New York

Energyefficiencyasia. 2006. Peralatan Energi Listrik: Motor Listrik.

http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/Chapter%20-%20Electric%20motors%20(Bahasa%20Indonesia).pdf [Diakses tanggal 26 November 2011].

Hardjasoemantri, K. 2002. Hukum Tata Lingkungan. Edisi VII. Gadjah Mada University Press. Yogyakarta.

Kenny, T. 2005. Sensor Fundamentals. Hal.1-20. In. J.Wilson (ed.). Sensor Technology Handbook. Elsevier. Oxford.

Lakitan, B. 2004. Dasar-Dasar Klimatologi. PT Raja Grafindo Persada. Jakarta. Nrel. 2001. Concentrating Solar Power: Energy From Mirrors.

http://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28751.pdf [Diakses tanggal 7 Oktober 2010]

Pitz-Paal, R. 2007. High Temperature Solar Concentrators.

http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C08/E6-106-06-00.pdf [Diakses tanggal 7 Oktober 2010]

Rahardjo, J. 2008. Perencanaan Boiler Tenaga Surya. Skripsi. Jurusan Teknik Mesin. Fakultas Teknologi Industri. Universitas Kristen Petra. Surabaya

Seia, 2009. Concentrating Solar Power: Utility-Scale Solutions for Pollution-Free Electricity. http://seia.org/galleries/pdf/factsheet_csp.pdf [Diakses tanggal 7 Oktober 2010]

Sitorus, S. A. 2008. Sistem Keamanan Ruangan dengan Sensor LDR dan Handphone. Tugas Akhir. Program Studi D-3 Fisika Instrumentasi. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Sumatra Utara. Medan.

33

Solarpaces. 2001. Solar Dish-Engine.

www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_dish.pdf [Diakses tanggal 20 September 2010]

Wisnubroto, S. (2004). Meteorologi Pertanian Indonesia. Fakultas Pertanian. Universitas Gajah Mada. Yogyakarta.

34

35

Lampiran 3. Data hasil uji coba

Hari/ Tanggal: Senin, 19 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 28.4 55

07.00 32 55

08.00 34.1 55

09.00 31.3 55

10.00 34.2 65

11.00 33.7 80

12.00 35 95

Hari/ Tanggal: Selasa, 20 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 29.3 55

07.00 30.7 55

08.00 32.1 55

09.00 32.3 55

10.00 30.1 60

11.00 29.6 75

12.00 29.2 90

Hari/ Tanggal: Senin, 26 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 23.5 55

07.00 23.7 55

08.00 31.5 55

09.00 32.9 55

10.00 30.3 60

11.00 30.5 75

Hari/ Tanggal: Selasa, 27 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 24.7 55

07.00 24.9 55

08.00 32.5 55

09.00 34.1 55

10.00 31.6 65

11.00 31.9 80

12.00 28.8 95

13.00 29.6 110

14.00 38 125

15.00 34 135

16.00 28.5 135

17.00 28 135

18.00 27.8 135

Hari/ Tanggal: Rabu, 28 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 24.1 55

07.00 29.7 55

08.00 32.3 55

09.00 42 55

10.00 44.7 60

11.00 47.9 75

12.00 48.9 90

13.00 33 105

14.00 34.5 120

15.00 32.4 135

16.00 28.1 135

17.00 27.5 135

Hari/ Tanggal: Jumat, 30 Desember 2011 Jam Suhu (°C) Sudut (°)

06.00 29.7 55

07.00 35.8 55

08.00 41.7 55

09.00 53.6 55

10.00 62.5 60

11.00 53.2 75

12.00 60.4 90

13.00 52.1 105

14.00 34.4 120

15.00 31.2 135

16.00 27.4 135

17.00 27.1 135

18.00 26.6 135

iii

Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki 13.466 pulau. Namun, tidak semua pulau didukung dengan adanya ketersediaan fasilitas dasar, seperti listrik yang memadai. Sampai saat ini sebagian besar wilayah terutama pulau-pulau kecil dan pesisir belum tersedia sumberdaya listrik, sehingga listrik di daerah pulau-pulau kecil hanya menggunakan jenset dan dinyalakan pada malam hari saja. Salah satu teknologi alternatif yang dapat digunakan adalah pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya, yaitu menggunakan matahari sebagai sumber panas. Tujuan penelitian ini adalah merancang dan membuat prototip konsentrator surya.

Persiapan dan pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan Desember 2011. Kegiatan penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu pembuatan alat dan uji coba alat. Pembuatan dan uji coba alat dilakukan di Workshop Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Proses yang bertujuan untuk melihat kinerja dari alat yang dibuat dan juga pengambilan data parameter yang mempengaruhi kinerja suatu alat dilakukan pada tanggal 19-30 Desember 2011 yang termasuk pada Musim penghujan.

Penelitian ini menghasilkan prototip alat konsentrator surya yang berfungsi untuk memantulkan sinar matahari ke satu titik fokus sehingga dihasilkan panas yang tinggi. Alat konsentrator surya ini memiliki tiga bagian utama, yaitu reflektor, unit mekanik, dan unit elektronik. Agar pantulan yang dihasilkan maksimal, alat ini dilengkapi dengan sistem yang dapat mengikuti gerak matahari.

Hasil uji coba kinerja alat mencakup pengukuran sudut dan suhu. Hasil perubahan sudut tersebut konstan sebesar 15° sampai reflektor mencapai kemiringan sebesar 135° pada pukul 15.00 WIB dan sudut akan tetap sama sampai pukul 18.00 WIB. Nilai suhu yang diperoleh dari hasil pengamatan berubah-ubah tiap harinya tergantung dari besarnya intensitas cahaya matahari yang diterima. Suhu yang diperoleh dari hasil pengujian selama enam hari

berkisar antara 23,5 – 62,5 °C. Hubungan antara sudut terhadap suhu tidak terlalu berpengaruh nyata karena kondisi alam lebih mempengaruhi perubahan suhu yang terjadi.

Prototip pembangkit listrik yang menggunakan sistem konsentrator surya telah dikembangkan, namun alat ini masih kurang mampu menghasilkan suhu yang maksimal, suhu yang mampu dicapai oleh alat ini sebesar 62,50 C. Walaupun demikian, hasil rancang bangun prototip konsentrator surya yang dikembangkan telah mampu mengikuti pergerakan dari matahari dengan perubahan sudut konstan 15° setiap 1 jam dengan range perubahan sudut maksimal 800.