80 rancang bangun prototipe kompor energi surya

Rancang Bangun Prototipe Kompor Energi Surya.…………………………Muhaimin dan Teuku Hasanuddin
RANCANG BANGUN PROTOTIPE KOMPOR ENERGI SURYA
Muhaimin1 dan Teuku Hasanuddin1
1
Dosen Juruan Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhokseumawe
ABSTRAK
Penelitian ini merupakan pembuatan prototipe kompor tenaga surya, yang bertujuan untuk mendapatkan sebuat
data pemamfaatan energi surya sebagai bahan bakar untuk kebutuhan memasak .dari prototipe ini dihasilkan
arus rata-rata pengisian aki 3,75 A, memiliki kemampuan mengisi aki sebesar 30 Ah/hari. Gelombang inverter
yang dihasilkan memiliki amplitude dan frekwensi mendekati nilai sumber PLN yaitu 219 Volt, 51 Hz.,
prototipe kompor energi surya dapat dioperasikan selama 1,43 jam pada daya 300 Watt
Kata kunci: Inverter, sel surya, aki
I.
jika posisi sel surya (tegak lurus) terhadap sinar
matahari selain itu juga tergantung dari konstruksi sel
surya itu sendiri. Ini berarti bahwa sebuah sel surya
akan menghasilkan daya 0.6 V x 20 mA = 12 mW.
Bagi Indonesia upaya pemanfaatan energi
surya mempunyai berbagai keuntungan yang antara
lain adalah; 1) Energi ini tersedia dengan jumlah yang
besar di Indonesia, 2) Sangat mendukung kebijakan
energi nasional tentang penghematan, diversifikasi
dan pemerataan energi DAN 3) Memungkinkan
dibangun di daerah terpencil karena tidak
memerlukan transmisi energi maupun transportasi
sumber energi.
Sedangkan di Indonesia seharusnya sel surya ini
mendapatkan perhatian khusus, sebab Indonesia yang
merupakan daerah tropis dan di daerah katulistiwa
maka Indonesia mempunyai karakteristik angin yang
kurang baik (sangat fluktuatif) dibanding dengan
karakteristik angin di negara –negara Barat namun
sangat menguntungkan untuk energi matahari yang
rata-rata mendapat sinar matahari 6 jam dalam sehari
dengan cuaca yang sangat mendukung.
Upaya membuat prototipe konversi energi surya
menjadi energi panas sebagai sumber energi alternatif
kompor untuk memasak bagi keperluan ibu
tangga/keluarga serta andanya pengaturan panas (0100oC) sesuai dengan yang diinginkan. Prototipe
dengan sumber energi surya ini diharapkan
merupakan salah satu sumber energi alternatif
pengganti kompor berbahan bakar gas elpiji dan
kompor berbahan bakar minyak tanah. Merupakan
solusi alternati terhadap mahal dan langkanya gas
elpiji/minyak tanah bagi penduduk Propinsi NAD
khusunya dan indonesia dalam beberapa tahun
kedepan.
Mengingat Propinsi Aceh merupakan daerah
tropis dan mempunyai iklim yang sangat
menguntungkan untuk dikembangkan pemanfaatan
energi surya ini se-optimal mungkin sebab energi
surya adalah lebih baik dari segi ekonomi,
kelangsungan kelestarian dan amdalny. Prototipe
hasil penelitian ini merupakan pengembangan
keilmuan rekayasa bidang konversi energi sebagai
upaya pengembangan teknologi /sumber energi
terbarukan untuk kebutuhan penduduk /ibu rumah
PENDAHULUAN
Saat ini kebutuhan energi, khususnya energi
listrik (energi listrik adalah energi yang mudah
dikonrversikan ke dalam bentuk energi yang lain)
terus meningkat dengan pesat, bahkan di luar estimasi
yang diperkirakan. Hal ini sudah selayaknya sebagai
dampak meningkatnya seluruh aktivitas kehidupan
yang menggunakan energi listrik.
Bagi Indonesia masalah energi menjadi lebih
penting lagi artinya dan perlu mendapatkan
penanganan yang khusus karena; 1) Lebih kurang 80
% kebutuhan energi di Indonesia dipenuhi oleh
minyak bumi (data 2002), 2) Harga minyak dan
Konsumsi minyak bumi yang cenderung meningkat
dengan pesat setiap tahun, DAN 3) Banyaknya
sumber-sumber alternatif di Indonesia yang perlu
dikembangkan.
Pokok-pokok mengenai energi telah
dicantumkan dalam Kebijakan Energi Nasional yang
tujuan dari kebijakan tersebut adalah penghematan
bahan bakar minyak bumi dan pengembangan
sumber-sumber energi alternatif lainnya.
Energi matahari dapat dimanfaatkan dengan
berbagai cara yang berlainan bahan bakar minyak
adalah hasil fotosintesis, tenaga hidro elektrik adalah
hasil sirkulasi hujan tenaga angin adalah hasil
perbedaan suhu antar daerah dan sel surya (sel
fotovoltaik) yang menjanjikan masa depan yang cerah
sebagai sumber energi listrik.
Karena sel surya sanggup menyediakan
energi listrik bersih tanpa polusi, mudah dipindah,
dekat dengan pusat beban sehingga penyaluran energi
sangat sederhana serta sebagai negara tropis,
Indonesia mempunyai karakteristik cahaya matahari
yang baik (intensitas cahaya tidak fluktuatif)
dibanding tenaga angin seperti di negara-negara 4
musim, utamanya lagi sel surya relatif efisien, tidak
ada pemeliharaan yang spesifik dan bisa mencapai
umur yang panjang serta mempunyai keandalan yang
tinggi.
Dalam keadaan cuaca yang cerah, sebuah sel
surya akan menghasilkan tegangan konstan sebesar
0.5 V sampai 0.7 V dengan arus sekitar 20 mA dan
jumlah energi yang diterima akan mencapai optimal
80
Jurnal Litek Volume 8 Nomor 2, September 2011: hal. 80-85
tangga di Indonesia dengan biaya operasional dan
biaya perawatan yang murah, dapat digunakan oleh
kalangan industri yang memerlukan peralatanperalatan pemrosesan dengan menggunakan suhu.
Khususnya dapat digunakan untuk menunjang dan
mendukung
proses
pembelajaran
konversi
energi/energi terbarukan di Politeknik Negeri
Lhokseumawe.
II.
Topologi Inverter Sebagai Sumber Tegangan
Terkendali (VSI)
Pada kondisi operasional sistem PV stand
alone, inverter merupakan inverter tegangan
terkendali. Tujuan pengontrolan inverter untuk
menjaga amplituda dan frekwensi tegangan keluaran
inverter stabil. Topologi inverter yang umum
digunakan pada sister PV stand alone ditunjukkan
dalam gambar 2.[5][6].
TINJAUAN PUSTAKA
Sel PV, Modul dan Array
DC
=
Umumnya sel surya dikombinasikan sesuai
dengan rating tegangan dan arus yang diinginkan.
Pembentukan suatu modul tegangan sel surya
dihubungkan secara seri. Suatu group dari sel surya
disebut modul photovoltaic. PV array merupakan
kumpulan dari modul photovoltaic yang saling
dihubungkan untuk membangkitkan tenaga listrik. PV
array dapat terdiri dari satu modul sampai ribuan
modul photovoltaice, variasi daya keluaran dari
beberapa Watt sampai Mega Watt tergantung jumlah
modul yang digunakan. Rating daya modul
dinyatakan sebagai daya keluaran modul pada nilai
radiasi cahaya matahari 1000 W/m2 pada temperatur
25 o C ( pada tengah hari yang cerah –mendekati
sore) [1].
(a)
=
pom pa
P e n g o n tr o la n
m u a ta n
lis tr ik
Kedua topologi umum inverter, terisolasi
atau tidak terisolasi dapat bekerja dalam kondisi arus
kontinyu atau arus tidak kontinyu. Pada kondisi
operasional arus kontinyu, induktor tegangan
masukan dan induktor tegangan keluaran harus
dioperasikan dalam mode arus kontinyu. Kondisi
operasional arus tidak kontinyu, salah satu induktor
harus dalam mode arus tidak kontinyu. Salah satu
keuntungan kondisi operasional arus tidak kontinyu
dapat digunakan ukuran induktor yang kecil.
B eb an
b. Sistem dengan baterai
Pengontrolan
muatan
listrik
Inverter
DC/AC
V o lta ge B o o st
E le m e n t
(b)
Gambar 2. Topologi umum inverter pada sistem PV,
(a). Konverter Boost seri dengan PWM inverter , (b)
PWM inverter seri dengan transformator isolasi 50
Hz
B a te ra i
Solar
array
AC
=
a. Sistem tanpa baterai
S o la r
a rra y
DC
In ve rtin g
E le m e n t
Sistem PV yang paling umun digunakan
untuk aplikasi disebut stand alone, karena dapat
lansung digunakan untuk mengendalikan beban.
Gambar 1. menunjukkan tiga konfigurasi dari sistem
PV stand-alone [2].
m o to r
DC
=
Sistem photovoltaic (PV)
s o la r
a rra y
DC
AC
Beban
AC
Kualitas Inverter
Beban
DC
Kualitas Inverter merupakan penentu dari
kualitas daya yang dihasilkan oleh suatu sistem.
Inverter berfungsi merubah tegangan DC baterai atau
rangkaian rectifier-charger menjadi tegangan AC,
sinyal atau gelombang output berbentuk kotak setelah
Baterai
c. Sistem dengan baterai dan inverter
Gambar 1. Tiga konfigurasi sistem PV Stand Alone
81
Rancang Bangun Prototipe Kompor Energi Surya.…………………………Muhaimin dan Teuku Hasanuddin
melalui pembentukan gelombang dan rangkaian filter.
Tegangan output yang dihasilkan harus stabil baik
amplitudo tegangan maupun frekuensinya. Inverter
yang digunakan secara umum ada dua macam yaitu :
1. Inverter dengan frekuensi dengan tegangan
konstan atau CVCF (Constant Voltage Constant
Frequency). Pada umumnya Inverter ini
digunakan untuk peralatan-peralatan elektronika
atau peralatan listrik satu fasa.
2. Inverter dengan frekuensi dan tegangan berubahubah. Pada umumnya Inverter ini digunakan
pada pemakaian khusus seperti pada motor listrik
tiga fasa dengan sumber tegangan DC.
Aplikasi penetapan pada modul sel surya merupakan
sistem sun seeker (penjejak posisi matahari) dan
memungkinkan dilakukan pengaturan suhu.
Kebanyakan rangka kaki modul sel surya
dibuat tetap (permanen) sehingga tidak dapat
bergerak maka sel surya tidak bisa menghasilkan
listrik secara optimal, karena praktis dalam sehari
hanya satu sampai dua jam saja posisinya tegak lurus
terhadap posisi matahari, sehingga diharapkan
pemasangan modul sel surya menghadap ke barat
untuk menampung sinar matahari pada jam 13.00
sampai 14.00 yang dianggap paling kuat. Pada sudud
90 derajat.
Agar panel sel surya tersebut senantiasa
dapat menghadap dengan sudut ke posisi matahari
yang selalu berubah bisa dipasang sistem sun seeker
yang akan membuat modul sel surya mengikuti jejak
sinar matahari.
III.
Solar
array
6.
IV.
Tungku pemanas
HASIL DAN PEMBAHASAN
Adapun bagian-bagian prototipe kompor
energi surya yang dilakukan pengujian adalah :
a. Pengujian sel surya
b. Pengujian MPPT
c. Pengujian Inverter
d. Pengujian elemen pemanas
e. Pengujian keseluruhan sistem
Pengujian Sel Surya
Pengujian sel surya dimaksudkan untuk
mendapatkan data kecepatan pengisian baterai atau
besaran arus pengisian baterai selama 12 jam atau
pada saat siang hari . Dari data tersebut dapat
ditentukan keefektifan dari sel surya dalam pengisian
baterai. Rangkaian pengujian separti pada gambar 4.
pelaksanaan pengujian dan pengukuran nilai arus
pengisian masing-masing diulang pelaksanaannya
selama 5 (lima kali pengulangan).
Waktu pengujian dilaksanakan mulai dari
jam 08.00 sampai dengan jam 16.00 Wib. Hasil
pengujin dan nilai pengukuran ditunjukkan dalam
tabel 1 dan nilai-ratanya pada tabel 2.
A
Sel Surya
METODE PENELITIAN
Pengontrolan
muatanlistrik
Inverter
DC/AC
Baterai
Pengaturan
suhu
Gambar 4. Rangkaian pengujian sel surya
Kompor
energi surya
Tabel 1. Hasil pengujian sel surya
No
1
MPPT
Baterai
Gambar 3. Blok diagram sistem yang direncanakan.
2
Gambar 3 menunjukkan blok diagram sistem
yang direncanakan pada pelaksanaan penelitian,
dimana sistem terdiri dari:
1. Panel sel surya
2. Modul MPPT/bagian dari pengendali muatan
foton ke permukaan panel sel surya
3. Batere berfungsi sebagai sumber listrik
cadangan dari modul sel surya, yang dapat
digunakan pada sore hari atau malam hari.
4. Modul inverter yang berfungsi untuk
mengubah tegangan arus searah menjadi
tegangan arus bolak – balik.
5. Modul pengaturan suhu pada nilai yang
ditetapkan
3
4
82
W a k tu (W ib )
08.00
08.00
08.00
08.00
08.00
10.00
10.00
10.00
10.00
10.00
12.00
12.00
12.00
12.00
12.00
14.00
14.00
14.00
14.00
14.00
A ru s ( A )
2.83
2.84
2.84
2.84
2.85
4.03
4.04
4.04
4.04
4.05
4.07
4.08
4.08
4.08
4.09
4.06
4.06
4.06
4.06
4.05
Jurnal Litek Volume 8 Nomor 2, September 2011: hal. 80-85
Tabel 2. Nilai rata-rata hasil pengujian sel surya
No
1
2
3
4
5
W aktu (W ib)
08.00
10.00
12.00
14.00
16.00
Tabel 4. Data hasil pengujian inverter
No
Arus (A)
2.84
4.04
4.08
4.06
3.74
1
Jenis
Gelombang
input
Bentuk
V
V (Volt)
F(H)
12,7
0
t
2
Pengujian MPPT
Gelombang
output
V
218
51
t
Pengujian
ini
dimaksudkan
untuk
mendapatkan ketepatan dari posisi sel-sel surya
Terhadap sinar matahari. Diinginkan posisi sel surya
mengikuti pergerakan dari matahari. Pergerakan sel
surya dilakukan secara manual dengan menentukan
posisi derajat kemiringan sel surya terhadap sinar
matahari berpedoman kepada waktu/jam. Rangkaian
pengujian seperti dalam gambar 5 dan data hasil
pengujian seperti ditunjukkan dalam tabel 3.
Pengujian Elemen Pemanas
Pengujian ini dimaksudkan untuk melihat
berapa besar arus yang dibutuhkan untuk sebuah
elemen pemanas sehingga elemen tersebut membara (
kemerah merahan). Ini sangat diperlukan untuk
menentukan berapa lama prototipe kompor energi
surya tersebut dapat bekerja, yang mana sangat
tergantung kepada kemampuan dari sel surya dalam
mengisi baterai.
s e l s u ry a
Data hasil pengujian elemen pemanas ditunjukkan
dalam tabel 5.

Tabel 5. Data pengujian elemen pemanas
No
Indikator
(warna)
MPPT
1
2
Gambar 5. Rangkaian pengujian MPPT
W aktu (W ib)
08.00
10.00
12.00
14.00
16.00
Arus
listrik
(A)
1,3
1,2
5
220
Pengujian Keseluruhan Sistem Kompor Energi
Surya
Tabel 3. Data hasil pengujian MPPT
No
1
2
3
4
5
Warna dasar
Kemerah
merahan
Waktu
(detik)
Untuk menentukan bahwa prototipe telah
bekerja sesuai dengan spesifikasi yang ditetapka perlu
dilakukan pengujian. Nilai rata-rata hasil pengujian
ditunjukkan dalam tabel 6.
Kemiringan (Derajat)
60
30
0
-30
3.74
Tabel 6.Nilai rata-rata hasil pengujian
No Jam Posisi panel V
(Wib) (derajat)
(V)
Pengujian Inverter
Pengujian inverter dilakukan untuk melihat
tegangan keluaran yang dihasilkan apakah sudah
sesuai dengan standar PLN yaitu 220 Volt dan
frekwensi 50 Hz. Pada prinsipnya sebuah inverter
adalah sebuah peralatan yang mampu merubah
tegangan DC menjadi tegangan AC. Tegangan
keluaran diusahakan sedekat mungkin dengan
tegangan jala-jala PLN .
1
2
3
4
5
08.00
10.00
12.00
14.00
16.00
60
30
0
-30
-60
12.7
12.7
12.7
12.7
12,7
I
(A)
Daya DC
inverter
(W)
Tengangan
AC Inverter
(V)
2,84
4,04
4,08
4.06
3,74
36,068
51,308
51,816
51,562
47,498
218
219
218
218
219
Dalam bentuk grafik Waktu versus
ditunjukkan dalam gambar 6
83
Arus listrik
Rancang Bangun Prototipe Kompor Energi Surya.…………………………Muhaimin dan Teuku Hasanuddin
6
300
4
Tegangan
Inverter(V
)
200
2
Arus
Panel
0
100
08.00 10.00 12.00 14.00 16.00
0
08.00 10.00 12.00 14.00 16.00
Gambar 6. grafik waktu versus arus listrik
Dalam bentuk grafik Waktu versus
ditunjukkan dalam gambar 7.
Arus
Inverter
(A)
Gambar 10. Grafik waktu versus tegangan,arus dan
daya inverter
Daya listrik
Pembahasan
300
250
200
150
100
50
0
Tabel 2 adalah tabulasi data untuk nilai ratarata hasil pengujian. Dari hasil pengukuran tersebut
dapat dilihat bahwa arus yang dihasilkan sel surya
untuk mengisi baterai cukup besar dengan arus
maksimum sebesar 4,08 Ampere yang didapat pada
pengukuran jam 12.00 Wib.
Sedangkan arus
pengisian paling kecil adalah 2,84 Amper yang
terukur pada jam 8.00 Wib. Rata –rata arus pengisian
3,75 Ampere , dengan tegangan tamba beban sel
surya sebesar 19,9 Volt memungkinkan arus dari sel
surya akan mengisi baterai aki. Dengan arus
pengisian rata-rata 3,75 Ampere/ hari dan aki yang
digunakan adalah aki 2 x 32 Ah, hingga dari data
tersebut dapat dihitung waktu pengisian adalah :
Daya DC
Daya AC
Gambar 7. grafik waktu versus daya listrik
5
4
t = 64/3,75 = 17 Jam
Arus Panel
3
2
Dalam satu hari dihitung selama delapan jam, aki
akan diisi ulang sebesar 3,75 x 8 = 30 Ah.
Keadaan ini menunjukkan bahwa sel surya
hanya mampu mengisi 47 % dari total kapasitas aki.
Untuk mengisi penuh aki diperlukan lebih dari dua
hari dengan asumsi cuaca cerah. Hal ini menunjukkan
pengisian aki belum efektif. Ketidak efektifan ini
disebabkan oleh keadaan cuaca yang tidak begitu
cerah pada saat percobaan, dengan mengingat
kapasitas dari sel surya masing-masingnya 4 Ampere.
Dari tabel 4 menunjukkan gelombang output
yang dihasilkan oleh inverter mendekati gelombang
dari sumber PLN, yaitu pada variabel frekwensi dan
amplitude nya yaitu sebesar 219 Volt , 50 Hz.
Kesamaan ini memberikan arti yang positip
mengingat beban yang diberikan dan diproduksi
sesuai dengan rating tegangan PLN.
Dari tabel 6 juga terlihat nilai rata-rata hasil
pengukuran tegangan keluaran yang dihasilkan
inverter yang rata-ratanya 218,3 Volt, ini dikarenakan
kompor listrik yang digunakan pada saat pengambilan
data di set pada daya 300 Watt. Arus yang diserap
sebesar 1,2 Ampere pada sisi keluaran inverter maka
dapat dihitung arus pada sisi inputnya sebesar 21 Ah.
Arus sebesar 21 Ah ini dan kapasitas pengisian aki 30
Ah, maka kompor tersebut dapat digunakan dalam
satu hari selama 1,43 jam .
Arus
Inverter
1
0
60
30
0
-30 -60
Gambar 8. grafik sudut panel sel surya versus Arus
listrik
300
250
200
150
Daya DC
100
Daya AC
50
0
60
30
0
-30
-60
Gambar 9. Grafik sudut panel sel surya versus Daya
Listrik
84
Jurnal Litek Volume 8 Nomor 2, September 2011: hal. 80-85
V.
1.
2.
3.
KESIMPULAN
Arus rata-rata pengisian aki 3,75 A . memiliki
kemampuan mengisi aki sebesar
30 Ah/hari.
Gelombang inverter yang dihasilkan memiliki
amplitude dan frekwensi mendekati nilai sumber
PLN yaitu 219 Volt, 51 Hz.
Dengan beban 300 Watt, prototipe kompor
energi surya dapat dioperasikan selama 1,43 jam.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Y. M. Chen, C. Wu, 2001, Determination Of
The Solar Cell Panel Installation Angle, IEEE.
[2].
J. M. A. Myrzik, 2001, Novel Inverter
Topologies For Single Stand-Alone Or Grid
Connected Photovoltaic System, IEEE PEDS.
[3]. S. El-Barbari, W. Hofmann, 2001, Control Of A
4 Loeg Inverter For Stand – Alone
Photovoltaic System, IEEE.
[4]. N.
Khaentung, P. Sirisuk, W. Kuratach, 2003,
A Novel ANFIS Controller For Maximum
Powe Point Tracking In Photovoltaic System,
IEEE.
[5]. R. Saleh, E.E. El-Kholy, 2003, Agenetic
Algoritm-Based Novel Speed Controller For
Induction Motor Drive, IEEE.
[6]. Internet source,
Tecnical Brief.
2004, Solar Photovoltaic,
85