3 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Tenaga Matahari

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
3
4
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 proyekproyek 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
6
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.
8
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
10
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:
12
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.