5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 TINJAUAN PUSTAKA
Materi tentang Pembangkit Listrik Tenaga Surya sudah banyak diangkat
sebagai judul untuk menyelesaikan studi di Jurusan Teknik Elektro. Tugas Akhir
Mahasiswa Teknik Elektro Universitas Negeri Padang misalnya, mengangkat
judul Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Dengan Menggunakan Solar Cell
100 WP Sebagai Sumber Energi Alternatif Pada Fakultas Teknik Universitas
Negeri Padang (Parulian Sitorus, 2010). Dalam tulisannya Parulian Sitorus tidak
memanfaatkan Tugas Akhirnya sebagai instrumen praktikum. Tugas akhir di
maksud hanya membatasi pada perakitan dan pengujian karateristik sistem
pembangkit listrik tenaga surya dengan menggunakan Solar Cell 100 WP pada
Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.
Tugas Akhir lainnya misalnya dibuat oleh mahasiswa Teknik Elektro
Universitas Negeri Gorontalo yang berjudul Optimalisasi Solar Home System
Sebagai Pembangkit Alternatif Skala Kecil Di Gorontalo (I Komang Subagio,
2005). Tugas Akhir ini bertujuan mengoptimalisasi pemanfaatan panel surya
dengan menentukan posisi modul surya yang baik dan merancang inverter
sehingga arus listrik yang dihasilkan bukan hanya untuk penerangan dengan
tegangan 12 V DC saja tetapi dapat pula digunakan untuk peralatan yang
menggunakan tegangan 220 V AC. Tugas akhir ini diterapkan pada bantuan
pemerintah berupa modul surya dengan output tegangan DC yang diaplikasikan
pada desa yang berada di pesisir pantai.
Dari penelusuran pustaka yang telah dilakukan, khususnya terkait dengan
materi pembangkit tenaga surya, belum ditemukan adanya perancangan alat
praktikum serta modul praktikum pembangkit tenaga surya. Referensi yang
5
ditemukan hanya sekedar memberikan teori singkat tentang pemanfaatan energi
matahari (surya) menjadi energi listrik dan belum mencantumkan kajian ataupun
pembahasan mengenai perancangan modul praktikum Pembangkit Listrik Tenaga
Surya seperti yang dilakukan dengan tugas akhir yang dibuat.
2.2 LANDASAN TEORI
2.2.1 ENERGI MATAHARI
Sang surya atau matahari merupakan bintang yang istimewa dan
mempunyai radius sejauh 6,96 x 105 km dan terletak sejauh 1,496 x 105 km dari
bumi. Besar jumlah energi yang dikeluarkan oleh matahari sukar dibayangkan.
Menurut salah satu perkiraan, inti sang surya merupakan suatu tungku termonuklir
bersuhu 100 juta derajat celcius setiap detik mengonversi 5 tonne materi menjadi
energi yang dipancarkan ke angkasa luas sebanyak 6,41 x 107 W/m2. (Suyitno,
2011)
Gambar 2.1 Bumi Menerima Radiasi Surya Matahari
(Suyitno, 2011)
2.2.2 RADIASI ENERGI MATAHARI
6
Energi Matahari merupakan sumber energi utama untuk proses–proses yang
terjadi di Bumi. Energi matahari sangat membantu berbagai proses fisis dan
biologis di Bumi. Radiasi adalah suatu proses perambatan energi (panas) dalam
bentuk gelombang elektromagnetik yang tanpa memerlukan zat perantara.
Energi Matahari bisa sampai ke permukaan Bumi adalah dengan cara radiasi
(pancaran), karena diantara Bumi dan Matahari terdapat ruang hampa (tidak ada
zat perantara), sedangkan gelombang elektromagnetik adalah suatu bentuk
gelombang yang dirambatkan dalam bentuk komponen medan listrik dan medan
magnet, sehingga dapat merambat dengan kecepatan yang sangat tinggi dan tanpa
memerlukan zat atau medium perantara. (ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni
2012)
Dari sekian banyak energi yang dikeluarkan matahari yang sampai ke Bumi
melalui melalui proses perambatan tadi kemudian diserap oleh Bumi. Energi yang
diserap ini akan menyebabkan suhu dari Bumi akan naik. Pada gilirannya, suhu
Bumi yang hangat atau panas ini akan memancarkan juga sebagian energinya,
sehingga energi yang diterima Bumi = energi yang diserap Bumi + energi yang
dipancarkan Bumi. (Suyitno, 2011)
2.2.3 RADIASI PADA PERMUKAAN
Radiasi yang jatuh pada permukaan material pada umumnya akan
mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Dari tiga proses ini maka material
akan memiliki refleksivitas (ρ), absorbsivitas (α), dan transmisivitas (τ).
Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi tersebut. Refleksi
tergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi secara umum
ada dua yaitu:
1. Refleksi spektakular, terjadi seperti pantulan sinar pada sebuah cermin
datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul.
2. Refleksi difussi, terjadi berupa pantulan ke segala arah
7
Transmisi memberikan nilai besar radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu
lapisan permukaan.
Kemampuan penyerapan (Absorbsivitas) dari
suatu
permukaan merupakan hal yang penting dalam pemanfaatan radiasi seperti pada
pemamfaatan radiasi surya. Sebagian besar cahaya menembus bahan tembus
cahaya, bagian flux cahaya yang dapat menembus ditentukan oleh faktor
transmisi.
Absorbsivitas memberikan nilai besarnya radiasi yang dapat diserap.
Misalnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Ketiga
proses tersebut diatas yaitu, absorbsi, refleksi, dan transmisi adalah hal yang
penting dalam proses pemanfaatan radiasi surya karena ini menyangkut efektifitas
pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya. Bagian yang diserap ini
menimbulkan panas dari permukaan tersebut. (Parulian Sitorus, 2010)
2.2.4 PEMANFAATAN ENERGI MATAHARI
Pada pelaksanaan pemanfaatan energi matahari, dapat dibedakan tiga cara.
Pertama adalah prinsip pemanasan langsung. Dalam hal ini sinar-sinar matahari
memanasi langsung benda yang akan dipanaskan, atau memanasi secara langsung
medium misalnya untuk menjemur pakaian, dan mengeringkan ikan bagi para
nelayan. Kedua pemanfaatan sinar matahari untuk memanasi suatu medium
dengan menggunakan kolektor surya. Dan cara ketiga adalah sinar atau energi
matahari dikonversi menjadi energi listrik menggunakan solar cell.
2.2.5 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS)
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) pada dasarnya adalah pecatu daya
(alat yang menyediakan daya), dan dapat dirancang untuk mencatu kebutuhan
listrik yang kecil sampai dengan besar, baik secara mandiri, maupun dengan
8
hybrid (dikombinasikan dengan sumber energi lain) baik dengan metode
Desentralisasi (satu rumah satu pembangkit) maupun dengan metode Sentralisasi
(listrik didistribusikan dengan jaringan kabel).
Pada siang hari modul surya/panel solar cell menerima cahaya matahari
yang kemudian diubah menjadi listrik melalui proses photovoltaic. Energi listrik
yang dihasilkan oleh modul surya dapat langsung disalurkan ke beban atau
disimpan dalam baterai sebelum digunakan ke beban. Dan arus searah DC (direct
current) yang dihasilkan dari modul surya yang telah tersimpan dalam baterai
sebelum digunakan ke beban terlebih dahulu.
Gambar 2.2 Skema Instalasi PLTS
(miftahelectric.blogspot.com, 21 Juli 2012)
Susunan komponen yang terdapat pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya
adalah sebagai berikut:
1. Modul Surya / Solar Cell (Photovoltaic)
Modul ini berfungsi merubah cahaya matahari menjadi listrik arus
searah (DC). Listrik tenaga matahari dibangkitkan oleh komponen yang
disebut solar cell, komponen ini mengkonversi energi matahari menjadi
energi listrik. Solar cell merupakan komponen vital yang terbuat dari bahan
semi konduktor. Tenaga listrik dihasilkan oleh satu solar cell sangat kecil,
maka beberapa solar cell harus digabung sehingga terbentuklah satuan
komponen yang disebut module. Pada aplikasinya karena tenaga listrik yang
dihasilkan oleh module ini masih kecil, maka dalam pemanfaatannya
9
beberapa modul digabungkan sehingga terbentuklah apa yang disebut array.
Perhatikan Gambar berikut ini.
Gambar 2.3 Panel Sel Surya
Sel surya atau photovoltaic adalah perangkat yang mengkonversi
radiasi sinar matahari menjadi energi listrik. Efek photovoltaic ini
ditemukan oleh Becquerel pada tahun 1839, dimana Becquerel mendeteksi
adanya tegangan foto ketika sinar matahari mengenai elektroda pada larutan
elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti menemukan untuk pertama kali sel surya
silikon berbasis p-n junction dengan efisiensi 6%. Sekarang ini, selsurya
silikon mendominasi pasar sel surya dengan pangsa pasar sekitar 82% dan
efisiensi lab dan komersil berturut-turut yaitu 24,7% dan 15%.
(ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni 2012)
Kepingan sel photovoltaic terdiri atas kristal silikon yang memiliki
dua lapisan silisium doped, yaitu lapisan sel surya yang menghadap ke
cahaya matahari memiliki doped negatif dengan lapisan fosfor, sementara
lapisan di bawahnya terdiri dari doped positif dengan lapisan borium.
Antara kedua lapisan dibatasi oleh penghubung p-n. Jika pada permukaan
sel photovoltaic terkena cahaya matahari maka pada sel bagian atas akan
terbentuk muatan-muatan negatif yang bersatu pada lapisan fosfor.
Sedangkan pada bagian bawah lapisan sel photovoltaic akan membentuk
muatan positif pada lapisan borium.
Kedua permukaan tersebut akan saling mengerucut muatan masingmasingnya jika sel photovoltaic terkena sinar matahari. Sehingga pada
kedua sisi sel photovoltaic akan menghasilkan beda potensial berupa
10
tegangan listrik. Jika kedua sisnya dihubungkan dengan beban berupa lampu
menyebabkan lampu akan menyala. Suatu kristal silikon tunggal
photovoltaic dengan luas permukaan 100 cm2 akan menghasilkan sekitar
1,5 W dengan tegangan sekitar 0,5 V tegangan searah (0,5 V-DC) dan arus
sekitar 2 A di bawah cahaya matahari dengan panas penuh (intensitas sekitar
1000W/m2). Perhatikan gambar berikut. (Parulian Sitorus, 2010)
Gambar 2.4 Karakteristik Sel Photovoltaic
(poohdandan.wordpress.com, 21 Juli 2012)
Prinsip
kerja
sel
surya
silikon
adalah
berdasarkan
konsep
semikonduktor p-n junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n
dan doping-p yang membentuk p-n junction, lapisan antirefleksi, dan
substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-n
(elektron) dan tipe-p (hole).
Gambar 2.5 Struktur Sel Surya Silikon PN-Junction
(zanjuma.blogspot.com, 21 Juli 2012)
Semikonduktor tipe-N didapat dengan men-doping silikon dengan
unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi
11
dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan
doping oleh golongan III sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding
atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak maka
kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n
akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif.
Medan elektrik yang terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali
ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini telah terbentuk p-n
junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah
terbentuk diode (penyearah).
Gambar 2.6 Cara Kerja Sel Surya
(zanjuma.blogspot.com, 21 Juli 2012)
Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau
lebih besar dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan
eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan
hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material
sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan
hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali
ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan
mengalir.
a) Performansi Sel Surya
Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya
diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya tersebut untuk
12
memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban
pada waktu yang sama.
Gambar 2.7 Karakteristik Kurva I-V Pada Sel Surya
(zanjuma.blogspot.com, 21 Juli 2012)
Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus
short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit
tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tergangannya
maksimum, disebut tegangan open circuit (Voc). Titik pada kurva I-V
yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya
maksimum (MPP). (ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni 2012)
b) Konversi Energi Photovoltaic
Energi radiasi dapat diubah menjadi arus listrik searah dengan
menggunakan lapisan-lapisan tipis dari silikon (Si) murni atau bahkan
semikonduktor lainnya. Pada saat ini silikon merupakan bahan
terbanyak dipakai. Silikon merupakan pula suatu unsur yang banyak
terdapat dialam. Untuk keperluan pemakaian sebagai semikonduktor,
silikon harus dimurnikan hingga suatu tingkat pemurnian yang tinggi
sekali. Bentuk kristalisasi demikian akan terjadi bilamana silikon cair
menjadi padat, hal mana disebabkan karena tiap atom silikon
mempunyai elektron valensi. Dengan demikian terjadi suatu bentuk
kristal dimana setiap atom silikon mempunyai jumlah 4 tetangga
terdekat. Tiap dua atom silikon yang bertetangga saling memiliki
13
salah satu elektron valensinya. Bentuk kristal menurut gambar 2.8
sering juga dinamakan kisi intan.
Gambar 2.8 Pengaturan Atom Dalam Kristal Silikon
(Abdul Kadir, 1995)
Struktur tiga dimensi menurut gambar 2.8 secara skematis
dengan bentuk dua dimensi, dalam gambar ini terlihat pula bahwa tiap
atom mempunyai empat tetangga terdekat. Kedua garis antara tiap
atom merupakan dua elektron valensi, satu buah dari masing-masing
atom. Tiap pasangan elektron valensi adalah suatu ikatan kovalensi,
yang pada asasnya merupakan hubungan yang mengikat atom-atom
Kristal. Pada sushu nol absolut (0˚K) semua ikatan kovalensi berada
dalam keadaan utuh dan lengkap. Bilamana suhu naik, atom-atom
akan mengalami keadaan getaran thermal. Getaran-getaran ini yang
meningkat dengan suhu, pada suatu saat dapat mengganggu beberapa
ikatan kovalensi.
Terganggunya ikatan valensi dalam kristal semikonduktor pada
suhu lingkungan biasa mempunyai beberapa akibat besar terhadap
sifat-sifat listrik kristal itu dan penting dalam penjelasan efek
photovoltaic. Dari gambar 2.9 terlihat bahwa terputusnya ikatan
valensi melepaskan sebuah elektron, yang dapat bergerak bebas dalam
kristal dan dapat berperanserta dalam proses hantaran. Cara hantaran
14
listrik dapat terjadi bila sebuah lubang yang terjadi karena pelepasan
elektron, diisi oleh elektron lain dari tetangganya, dan seterusnya.
Gambar 2.9 Struktur Atom 2 Dimensi
(Abdul Kadir, 1995)
Jika kristal itu diletakan dalam suatu medan listrik, maka
elektron-elektron bebas itu condong mengalir kearah melawan medan
sedangkan lubang-lubang yang terjadi akan memiliki arah yang
berlawanan. Lubang-lubang itu berperan sebagai partikel dengan
muatan positif. Dengan demikian seolah-olah dalam sebuah
semikonduktor terjadi dua arus dengan arah saling berlawanan.
Jumlah elektron yang mengalir dalam semikonduktor jauh lebih kecil
daripada yang merupakan konduktor. Sebagai perbandingan, dalam
bahan silikon murni, pada suhu ruangan biasa, terdapat kira-kira satu
pasangan elektron dan lubang atom. Untuk kebanyakan kristal logam
angka itu adalah satu persatu.
Gambar 2.10 Kristal Silikon Dalam Arsen
(Abdul Kadir, 1995)
15
2. Pengisi Baterai (Charge Controller)
Charge controller berfungsi mengatur lalu lintas listrik dari modul
surya ke baterai. Alat ini juga memiliki banyak fungsi yang pada dasarnya
ditujukan untuk melindungi
baterai.
Pengisi
baterai
atau
charge
controlleradalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus
searah DC yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. Charge
controller mengatur overcharging (kelebihan pengisian karena baterai sudah
penuh) dan kelebihan tegangan (overvoltage) dari panel surya. Kelebihan
tegangan dan pengisian akan mengurangi umur baterai. Charge controller
menerapkan teknologi Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengatur
fungsi pengisian baterai dan pembebasan arus dari baterai ke beban. Panel
surya 12 V umumnya memiliki tegangan output 16 - 21 V. Jadi tanpa
charge controller, baterai akan rusak oleh overcharging dan ketidakstabilan
tegangan. Baterai umumnya di-charge pada tegangan 14-14,7 V. Fungsi
detail dari charge controller antara lain:
a) Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari
overcharging, dan overvoltage. Apabila baterai dalam keadaan
kondisi sudah terisi penuh maka listrik yang disuplai dari modul
surya tidak akan dimasukan lagi pada baterai dan sebaliknya juga
jika keadaan kondisi baterai sudah kurang dari 30% maka charge
controller tersebut akan mengisi kembali baterai sampai penuh.
Proses pengisian baterai dan modul surya tersebut melalui charge
controller akan terus berulang secara otomatis (smart charging)
selama energi surya masih cukup untuk bias diproses oleh modul
surya (selama matahari terang benderang). Charge controller juga
berfungsi melindungi baterai ketika sedang mengalami proses
pengisian dari modul surya untuk menghindari arus berlebih dari
proses pengisian tersebut, yang akan menyebabkan kerusakan pada
16
baterai. Sehingga dengan cara tersebut baterai dalam pemakaiannya
memiliki usia yang lebih lama.
b) Mengatur arus yang dibebaskan atau diambil dari baterai agar
baterai tidak full discharge dan overloading.
c) Monitoring temperatur baterai
Charge controller biasanya terdiri dari satu input (dua terminal) yang
terhubung dengan output panel sel surya, satu output (dua terminal) yang
terhubung dengan baterai/aki dan satu output (dua terminal) yang terhubung
dengan beban. Arus listrik DC yang berasal dari baterai tidak mungkin
masuk ke panel surya karena biasanya ada dioda proteksi yang hanya
melewatkan arus listrik DC dari panel surya ke baterai, bukan sebaliknya.
Adapun dua jenis teknologi charge controller yang digunakan, yaitu :
a) PWM (Pulse Wide Modulation), seperti namanya menggunakan
lebar pulse dari on dan off electrical, sehingga menciptakan seakanakan sine wave electrical form.
Gambar 2.11 Charge Controller tipe PWM
(pvsolarchina.com, 21 Juli 2012)
b) MPPT (Maximun Power Point Tracker), yang lebih efisien
konversi DC to DC (Direct Current). MPPT dapat mengambil daya
maksimum dari panel surya. MPPT charge controller dapat
menyimpan kelebihan daya yang tidak digunakan oleh beban ke
dalam baterai, dan apabila daya yang dibutuhkan beban lebih besar
dari daya yang dihasilkan oleh panel surya, maka daya dapat
diambil dari baterai.
17
Gambar 2.12 Charge Controller tipe MPPT
(solar-wholesaler.com, 21 Juli 2012)
Contoh dari kelebihan MPPT adalah panel surya ukuran 120 W,
memiliki karakteristik Maximun Power Voltage 17,1 V dan
Maximun Power Current 7,02 A. Dengan charge controller selain
MPPT dan tegangan baterai 12,4 V berarti daya yang dihasilkan
adalah 12,4 V x 7,02 A = 87,05 W. Dengan MPPT, arus yang bisa
diberikan adalah sekitar 120 W : 12,4 V = 9,68 A.
(ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni 2012)
3. Baterai (Battery/Accumulator)
Baterai pada PLTS berfungsi untuk menyimpan arus listrik yang
dihasilkan oleh panel surya sebelum dimanfaatkan untuk mengoperasikan
beban. Beban dapat berupa lampu refrigerator atau peralatan elektronik dan
peralatan lainnya yang membutuhkan listrik DC.
Accumulator atau yang akrab disebut accu/aki adalah salah satu
komponen penting pada kendaraan bermotor. Selain berfungsi untuk
menggerakkan motor starter, aki juga berperan sebagai penyimpan listrik
dan sekaligus sebagai penstabil tegangan dan arus listrik kendaraan.
Menurut Syam Hardi akumulator ini berasal dari bahasa asing yaitu:
accu (mulator) = baterij (Belanda), accumulator = storange battery
(Inggris), akkumulator = bleibatterie (Jerman). Pada umumnya semua
18
bahasa-bahasa itu mempunyai satu arti yang dituju, yaitu “acumulate” atau
accumuleren.
Ini
semua
berarti
menimbun,
mengumpulkan
atau
menyimpan. Menurut Daryanto akumulator adalah baterai yang merupakan
suatu sumber aliran yang paling populer yang dapat digunakan dimanamana untuk keperluan yang beranekaragam. (ta_ptk_0808225_chapter2.pdf,
25 Juni 2012)
Menurut Rudolf Michael, akumulator dapat diartikan sebagai sel
listrik yang berlangsung proses elekrokimia secara bolak-balik (reversible)
dengan nilai efisiensi yang tinggi. Disini terjadi proses pengubahan tenaga
kimia menjadi tenaga listrik, dan sebaliknya tenaga listrik menjadi tenaga
kimia dengan cara regenerasi dari elektroda yang dipakai, yaitu dengan
melewatkan arus listrik dengan arah yang berlawanan di dalam sel-sel yang
ada dalam akumulator. (ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni 2012)
Saat pengisian tenaga listrik dari luar diubah menjadi tenaga listrik
didalam
akumulator
dan
disimpan
didalamnya.
Sedangkan
saat
pengosongan, tenaga di dalam akumulator diubah lagi menjadi tenaga listrik
yang digunakan untuk mencatu energi dari suatu peralatan listrik. Dengan
adanya proses tersebut akumulator sering dikenal dengan elemen primer dan
sekunder.
Gambar 2.13 Baterai atau Aki
19
a. Jenis Jenis Aki
Aki terdiri dari beragam jenis:
a) Aki Basah
Hingga saat ini aki yang populer digunakan adalah aki model
basah yang berisi cairan asam sulfat (H2SO4). Ciri utamanya
memiliki lubang dengan penutup yang berfungsi untuk menambah air
aki saat kekurangan akibat penguapan saat terjadi reaksi kimia antara
sel dan air aki. Sel-selnya menggunakan bahan timbal (Pb).
Kelemahan aki jenis ini adalah pemilik harus rajin memeriksa
ketinggian level air aki secara rutin. Cairannya bersifat sangat korosif.
Uap air aki mengandung hidrogen yang cukup rentan terbakar dan
meledak jika terkena percikan api. Memiliki sifat self-discharge
paling besar dibanding aki lain sehingga harus dilakukan penyetruman
ulang saat ia didiamkan terlalu lama.
b) Accumulator Hybrid
Pada dasarnya aki hybrid tak jauh berbeda dengan aki basah.
Bedanya terdapat pada material komponen sel aki. Pada aki hybrid
selnya menggunakan low-antimonial pada sel (+) dan kalsium pada
sel (-). Aki jenis ini memiliki performa dan sifat self-discharge yang
lebih baik dari aki basah konvensional.
c) Accumulator Calcium
Kedua selnya, baik (+) maupun (-) mengunakan material
kalsium. Aki jenis ini memiliki kemampuan lebih baik dibanding aki
hybrid. Tingkat penguapannya pun lebih kecil dibanding aki basah
konvensional.
d) Aki Bebas Perawatan (Maintenance Free / MF)
Aki jenis ini dikemas dalam desain khusus yang mampu
menekan tingkat penguapan air aki. Uap aki yang terbentuk akan
mengalami kondensasi sehingga dan kembali menjadi air murni yang
20
menjaga level air aki selalu pada kondisi ideal sehingga tak lagi
diperlukan pengisian air aki. Aki jenis ini biasanya terbuat dari basis
jenis aki hybrid maupun aki kalsium.
e) Aki Tertutup (Accumulator Sealed)
Aki jenis ini selnya terbuat dari bahan kalsium yang disekat oleh
jaring berisi bahan elektrolit berbentuk gel. Dikemas dalam wadah
tertutup rapat. Aki jenis ini kerap dijuluki sebagai aki kering. Sifat
elektrolitnya memiliki kecepatan penyimpanan listrik yang lebih baik.
Karena sel terbuat dari bahan kalsium, aki ini memiliki kemampuan
penyimpanan listrik yang jauh lebih baik seperti pada aki jenis
kalsium pada umumnya. Pasalnya aki ini memiliki self-discharge
yang sangat kecil sehingga aki sealed ini masih mampu melakukan
start saat didiamkan dalam waktu cukup lama.
Kemasannya yang tertutup rapat membuat aki jenis ini bebas
ditempatkan dengan berbagai posisi tanpa khawatir tumpah. Namun
karena wadahnya tertutup rapat pula aki seperti ini tidak tahan pada
temperature tinggi sehingga dibutuhkan penyekat panas tambahan jika
ia diletakkan di ruang mesin.
Tetapi pada umumnya aki bisa dipilah hanya menjadi tiga jenis.
Pertama, aki konvensional atau dikenal dengan istilah aki basah yang
memerlukan penambahan air atau elektrolit yang relatif lebih sering. Kedua
aki hybrid yang tergolong low maintenance. Jenis aki ini perawatannya
dianggap lebih mudah karena penambahan air aki cukup antara tiga hingga
beberapa bulan sekali. Dan ketiga, aki jenis MF atau maintenance free yang
tidak perlu penambahan air aki sama sekali.
Perbedaan utama dari teknologi ketiga jenis aki tersebut terletak pada
intensitas penguapan cairan di dalam aki. Sementara besar-kecilnya
penguapan, sangat ditentukan kandungan bahan kimia. Singkatnya,
persentase kandungan antara timbal (Pb) dan kalsium (Ca), inilah yang
21
membedakan jenis aki konvensional, hybrid maupun MF. Penambahan Ca
menghasilkan penguapan pada aki dapat ditekan sekecil mungkin. Kalsium
memegang peranan penting untuk mengurangi terjadinya penguapan
elektrolit secara berlebihan. Perbedaan teknologi dan komposisi itu pula
yang menjadikan harga ketiga jenis aki tersebut berbeda. Tipe MF memiliki
harga paling mahal dibandingkan jenis lainnya.
Pada teknologi aki konvensional, rata-rata setiap sel positif dan negatif
memiliki kandungan timbal (Pb) sebanyak 2,5%. Untuk hibryd, kandungan
Pb berkurang menjadi 1,7% di sel positifnya. Sedangkan sel negatifnya
1,7% tetapi telah dicampur dengan Ca. Khusus aki MF, kandungan Pb sel
positifnya tetap 1,7%, namun sel negatifnya tidak mengandung Pb karena
telah digantikan oleh Ca sebanyak 1,7%. (ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25
Juni 2012)
Dari proses pencampuran bahan antara timbal dan kalsium, dapat
diketahui tingkat perawatan aki. Semakin banyak kalsium digunakan,
semakin bebas dari perawatan.
b. Proses Elektrokimia Akumulator
1. Pembangkitan Arus
Apabila sebuah elektroda dicelupkan ke dalam larutan elektrolit
maka ion-ion partikel listrik didorong dari elektroda ke dalam
elektrolit yang hasilnya dinamakan tekanan larutan. Dalam hal ini
elektroda-elektroda timah melepaskan 2 elektron ke dalam elektrolit,
sebagai akibat pelepasan ion positif timah, muatan negatif
berada/tinggal di elektroda timah. Dalam sebuah sel penyimpanan,
perbedaan potensial atau voltase ini adalah 2 V, gambaran tersebut
dimana oleh partikel muatan (ion timah) dilepas kedalam elektrolit
sangat
cepat
sehingga
mengakibatkan
kondisi
baru
pada
keseimbangan dengan elektrolit karena muatan negatif tinggal pada
22
elektroda timah dan berusaha mendorong kembali ion positif tempat
dimasuki elektrolit.
Tenaga pengembalian ini secara tepat untuk tekanan larutan
membuat kondisi keseimbangan baru. Hanya ketika sel diperlukan
untuk mengemudikan arus listrik, keseimbangan antara tekanan
larutan dan atraksi pengembalian berjalan serta penambahan partikel
muatan ke dalam dan keluar elektrolit pada elektroda.
Gambar 2.14 Skema Bagian Accumulator
(ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni 2012)
2. Proses pengisian elektrokimia
Pada akumulator diisi pada kedua elektroda positif dan negatif
yang terdiri dari timah sulfat ( PbSO warna putih). Elektrolit adalah
asam sulfat lemah dengan berat jenis 1,12 Kg per liter. Disusun sekitar
17 % asam sulfat murni dan sekitar 83 % air.
Sebagai akibat hasil komponen asam sulfat, penghantaran listrik
yang cukup ke dalam elektrolit dapat ditentukan, air murni tidak dapat
menghantarkan arus listrik. Jika sel timah bermuatan maka kedua
elektrodanya dihubungkan ke sumber yang sesuai pada arus langsung.
Sumber arus pengisian membawa elektron-elektron dari elektroda
positif dan mendorongnya ke elektroda negatif. Oleh karena elektronelektron didorong ke dalam elektroda negatif oleh sumber pengisisn
23
arus timah bervalensi nol yang dibentuk pada elektroda negatif dari
dua valensi positif atom timah, memecah molekul timah sulfat
(PbSO4). Pada waktu bersamaan muatan negatif ion sulfat (SO)
dilepas dari elektroda negatif ke dalam elektrolit.
Pada elektroda positif timah bivalensi diubah ke dalam bentuk
tetravalensi timah positif melalui pemindahan elektron. Tetravalensi
positif dikombinasikan dengan oksigen yang dilepas dari air (H2O) ke
bentuk timah peroxida (PbSO4). Pada waktu yang sama ion-ion
dilepas selama proses oksidasi, SO memasuki elektrolit dan elektrode
negatif, sebagai hasil proses pengisian. Untuk itu ion + H2O dan SO
dalam elektrolit ditambah, asam sulfat baru terbentuk dan berat jenis
elektrolit meningkat. Sesudah timah sulfat pada elektoda positif
diubah ke timah peroxida dan timah sulfat pada elektroda negatif
diubah ke logam timah maka proses pengisian telah lengkap. Sel
timah penyimpan arus dapat diputuskan sekarang dari sumber.
Sebagai hasil proses pengisian arus, energi listrik terbentuk ke dalam
sel telah diubah menjadi energi kimia dan disimpan.
3. Proses pengaliran arus pada beban
Apabila dua terminal sel timah penyimpan dihubungkan satu
sama lain melalui sebuah beban listrik (misalkan lampu), elektron
mengalir dari elektroda negatif melalui beban kemudian ke elektroda
positif karena perbedaan potensial antar terminal. Sebagai akibat
influk elektron-elektron, tetravalensi timah positif dalam elektroda
positif
diubah
ke
bivalen
timah
positif
dan
ikatan
yang
menghubungkan tetravalen timah positif ke atom oksigen pecah.
Atom oksigen dilepas dan bergabung dengan ion hidrogen + H dibawa
dari asam sulfur ke bentuk air.
Pada elektroda negatif bivalen timah positif juga telah dibentuk
sebagai akibat pergerakan elektron dari logam timah ke elektroda
24
positif. Bivalen ion sulfat negatif dari asam, sulfat merupakan
kombinasi dengan bivalen timah positif pada kedua elektroda, lalu
timah sulfat (PbSO4) dibentuk sebagai produk pengaliran pada kedua
elektroda. Kedua elektroda kembali ke kondisi semula, energi kimia
disimpan dalam sel yang telah diubah kembali ke dalam energi dan
telah dibalik dalam bentuk ini. (ta_ptk_0808225_chapter2.pdf, 25 Juni
2012)
4. Inverter
Untuk kebutuhan listrik AC, energi listrik yang disimpan di baterai
dirubah menjadi listrik AC menggunakan Inverter. Inverter adalah
perangkat elektrik yang digunakan untuk mengubah arus listrik searah (DC)
menjadi arus listrik bolak balik (AC). Inverter mengkonversi arus DC 12-24
V dari perangkat seperti baterai, panel surya/solar cell menjadi arus AC
220 V.
Gambar 2.15 Inverter
Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan inverter:
1. Kapasitas beban dalam Watt, usahakan memilih inverter yang
beban kerjanya mendekati dengan beban yang hendak kita gunakan
agar effisiensi kerjanya maksimal.
2. Input DC 12 V atau 24 V.
3. Sinewave ataupun square wave outuput AC.
True sine wave inverter diperlukan terutama untuk beban-beban yang
masih menggunakan motor agar bekerja lebih mudah, lancar dan tidak cepat
25
panas. Oleh karena itu dari sisi harga maka true sine wave inverter adalah
yang paling mahal diantara yang lainnya karena dialah yang paling
mendekati bentuk gelombang asli dari jaringan listrik PLN. Sedangkan pada
square
wave
inverter
beban-beban
listrik
yang
menggunakan
kumparan/motor tidak dapat bekerja sama sekali.
Rugi-rugi/loss yang terjadi pada inverter biasanya berupa dissipasi daya dalam
bentuk panas. Pada umumnya efisiensi inverter adalah berkisar 50-90%
tergantung dari beban outputnya. Bila beban outputnya semakin mendekati beban
kerja
inverter
yang
tertera
maka
efisiensinya
semakin
besar.
(http://www.panelsurya.com, 25 Juni 12)
26