I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Ketersediaan energi dunia terutama minyak bumi semakin menipis. Kondisi

ini menuntut kita untuk mencari energi alternatif yang dapat memenuhi kebutuhan

sehari-hari. Beberapa alternatif pengganti minyak bumi antara lain energi angin,

air, nuklir, biomassa, dan cahaya matahari. Energi matahari adalah salah satu

alternatif yang tidak polutif, dan gratis.

Energi matahari yang muncul sebagai salah satu yang menjanjikan sumber

energi yang berkelanjutan. Sebuah pembangkit energi matahari digunakan untuk

memanfaat kan energi matahari dan mengubah energi matahari menjadi suatu

produk dalam hal ini adalah energi listrik. Secara teoritis, seluruh dunia hanya

membutuhkan 1% dari energi matahari untuk dapat mencukupi seluruh kebutuhan

energi di bumi.

Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di

Indonesia, radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan berturut-turut sebagai

berikut: untuk kawasan Barat dan Timur Indonesia dengan distribusi penyinaran

di Kawasan Barat Indonesia sekitar 4,5 kWh/m2 per hari dengan variasi bulanan

sekitar 10% dan di Kawasan Timur Indonesia sekitar 5,1 kWh/m2 per hari dengan

variasi bulanan sekitar 9%. Dengan demikian, potensi energi matahari rata-rata

Indonesia sekitar 4,8 kWh/m2 per hari dengan variasi bulanan sekitar 9%

(Kementrian ESDM, 2011).

1

Penggunaan energi listrik semakin lama semakin meningkat, namun

peningkatan kebutuhan energi listrik ini perlu diimbangi dengan upaya pencarian

sumber energi baru. Salah satu upaya kearah itu yaitu dengan memanfaatkan

energi surya.

Untuk memanfaatkan potensi energi surya tersebut, ada 2 (dua) macam

teknologi yang sudah diterapkan, yaitu teknologi energi surya termal dan energi

surya fotovoltaik. Energi surya termal pada umumnya digunakan untuk memasak

(kompor surya), mengeringkan hasil pertanian (perkebunan, perikanan,

kehutanan, tanaman pangan) dan memanaskan air. Energi surya fotovoltaik

digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik, pompa air, televisi, telekomunikasi,

dan lemari pendingin di Puskesmas dengan kapasitas total ± 6 MW (Kementerian

ESDM, 2011).

Pemanfaatan energi surya khususnya dalam bentuk SHS (solar home

systems ) sudah mencapai tahap semi komersial. Komponen utama suatu SESF

adalah, Sel fotovoltaik (mengubah penyinaran matahari menjadi listrik), Balance

of system (BOS), Unit penyimpan energi (baterai) dan peralatan penunjang lain

seperti: inverter untuk pompa, sistem terpusat, dan sistem hybrid (Kementrian

ESDM, 2011).

Radiasi termal muncul sebagai media yang penting dalam mekanisme

transfer energi dari berbagai sistem praktis seperti exchangers panas , boiler dan

tenaga surya. Energi matahari yang dibedakan dalam dua bentuk, radiasi yang

tersebar dan radiasi langsung. Untuk mendapatkan suhu yang tinggi memerlukan

konsentrasi matahari yang besar, untuk itu di butuhkan desain sistem, seperti

2

reflektor parabola, system tracking agar mendapatkan konsentrasi matahari yang

tinggi. Banyak penelitian yang berkaitan dengan konsentrator parabola yang

ditemukan.

Radiasi matahari yang cukup besar dibutuhkan agar dapat memanaskan

cairan yang akan digunakan dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya Termal

(PLTSt) dan untuk mendapatkan radiaai yang cukup diperlukan desain sistem,

seperti reflektor parabola, dan sisterm penjejakan (tracking system) yang baik.

Oleh karena itu penulis mencoba untuk merancang sistem penjejakan semi

mekanis untuk kolektor surya agar mendapatka panas yang cukup untuk

memanaskan cairan pada yang digunakan dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Termal (PLTSt).

B. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah merancang suatu system tracking semi mekanis

untuk solar collector yang sederhana untuk diaplikasikan di daerah pesisir supaya

dapat selalu pointing ke arah matahari.

C. Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:

1. Memberikan informasi mengenai potensi energi surya yang dapat

dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik dengan solar concentrator.

3

2. Memberikan informasi secara teknis mengenai besarnya energi yang

diperlukan untuk membentuk energi listrik.

4

II. KERANGKA PEMIKIRAN

A. Kerangka Pemikiran

Matahari memiliki jarak 150 juta kilometer dari bumi, dan menyediakan

energi yang dibutuhkan oleh kehidupan di bumi ini secara terus-menerus

(Mulyono, 2007: 47). Energi yang dibebaskan oleh matahari setiap detiknya

menurut perhitungan para ahli, adalah ekuivalen dengan konversi massa hidrogen

yang besarnya adalah 4,2x10 ton/detik, yang ekuivalen dengan 1,2x10 KW

(Daryanto, 2007).

Sebagian energi tersebut di transmisikan ke bumi dengan cara radiasi

gelombang elektromagnetik. Radiasi menjalar dengan kecepatan cahaya (3*

108m/s) dalam bentuk gelombang yang mempunyai panjang gelombang yang

berbeda-beda. Peristiwa ini akan berhenti jika hidrogen dalam reaksi inti habis

(Daryanto, 2007).

Ada beberapa jenis teknik pemanfaatan surya yang tersedia saat ini .Namun,

masing-masing dari mereka memiliki perberbedaan konsep dan memiliki

keuntungan masing-masing. Analisis dan perbandingan antara teknologi yang

berbeda akan membantu dalam menetukan teknologi yang paling efisien dan

tepat diberikan dalam kondisi tertentu (Chu,2011).

5

Gambar 1. Teknologi pemanfaatan energi matahari.

Sistem tenaga matahari terkonsentrasi (CSP) menggunakan cermin atau

lensa untuk memfokuskan atau mngumpulkan area sinar matahari yang luas atau

energi panas matahari ke sebuah area atau luasan yang kecil. Daya listrik yang

dihasilkan adalah ketika cahaya yang terkonsentrasi diubah menjadi panas yang

menggerakkan heat engine ( biasanya turbin uap ) yang terhubung ke sebuah

pembangkit listrik generator (Chu,2011).

Gambar 2. Contoh Concentrated Solar Power.

Tidak seperti sel surya fotovoltaik, konversi energi dari sinar matahari listrik

oleh sistem CSP didasarkan pada aplikasi mesin panas (heat engine), daripada

efek fotovoltaik yang langsung mengubah energi foton menjadi energi listrik

(Chu,2011).

6

Gambar 3. Ilustrasi mekanisme kerja CSP.

Gambar di atas menggambarkan bagaimana sebuah sistem kerja parabola

CSP yang biasa digunakan. Kolektor berkonsentrasi bawah sinar matahari,

mengumpulkan dan menyimpan energi panas. Lalu, menghasilkan energi panas

yang digunakan untuk menghasilkan uap untuk menggerakkan heat engine untuk

menghasilkan listrik (Chu,2011).

Sebagian besar listrik yang dihasilkan saat ini adalah oleh heat engine yang

digerakan oleh pembakaran bahan bakar dari fosil atau hydropower. Efisiensinya

dibatasi oleh hukum termodinamika. Teori efisiensi maksimum yang dapat

dicapai ditentukan oleh Siklus Carnott, yang menyatakan bahwa efisiensi mesin

panas ditentukan oleh perbedaan antara suhu terendah dan tertinggi yang dicapai

di satu siklus seperti yang ditunjukkan di bawah (Chu,2011).

Gambar 4. Siklus Carnott.

7

(1)

(2)

Tc adalah suhu pada bagian yang dingin dan Th adalah suhu pada bagian

yang panas (Chu,2011).

Kolektor terkonsentrasi memiliki berbagai kelebihan bila dibandingkan

dengan tipe pelat datar biasa, antara lain:

1. Fluida kerja yang bisa mencapai temperatur yang lebih tinggi bila

dibandingkan dengan sistem konsentrator plat datar dengan

permukaan yang sama saat mengumpulkan energi matahari. Ini

berarti bahwa termodinamika yang lebih tinggi dapat tercapai. 

2. Efisiensi termal lebih baik karena memiliki relativitas heat loss

(kehilangan panas) yang kecil pada bagian penerima panas

(receiver).

3. Biaya yang diperlukan untuk per satuan luas kolektor lebih murah

bila dibandingkan dengan konsentrator plat datar.

4. Karena luas permukaan penerima yang kecil dalam mengumpulkan

energi matahari,maka teknik selective surface treatment dan isolasi

vakum digunakan untuk mengurangi heat loss dan menigkatkan

efisiensi.

Kekurangan dari konsentrator ini adalah:

1. Sistem konsentrator mengumpulkan sedikit radiasi yang tersebar

tergantung pada rasio konsentrator.

8

(3)

2. Dibutuhkan sistem tracking agar konsentrator dapat mengikuti arah

matahari.

3. Permukaan pemantul cahaya akan kehilangan reflektansinya ,

sehingga dibutuhkan pembersihan dan perbaikan secara periodik.

Konsentrator surya akan menangkap radiasi yang lebih banyak apabila

diaplikasikan di daerah dengan awan yang sedikit bila dibandingkan dengan

konsentrator pelat datar. Ini jauh lebih lebih baik untuk mengadopsi

berkonsentrasi kolektor di daerah kering atau semi gersang (Chu,2011).

Surya termal adalah teknologi  konversi  energi radiasi matahari menjadi

energi panas / termal denganmenggunakan alat pengumpul panas atau dikenal

sebagai  kolektor surya. Kolektor surya merupakan piranti utama dalam sistem

surya termal yang berfungsi mengumpulkan dan menyerap radiasi sinar matahari

yang kemudian mengkonversinya menjadi energi panas. Ketika cahaya matahari

menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan

kembali ke lingkungan dan sebagian besar lagi akan diserap dan diubah menjadi

panas. Panas tersebut dipindahkan kepada fluida (air atau udara) yang bersikulasi

di dalam kolektor surya kemudian dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi yang

membutuhkan panas (Kementerian ESDM, 2012). 

Beberapa contoh pemanfaatan teknologi surya termal antara lain ;

1. Pemanas air rumah tangga / bangunan (Solar water heater)

2. Pengering hasil pertanian / perkebunan / kelautan (solar drying)

3. Penyuling air (Distilasi / desalinasi)

4. Pendinginan (solar cooling)

9

5. Memasak ( solar cooking)

6. Pembangkit listrik (Solar thermal power plant)

Jenis kolektor surya bermacam-macam tergantung pada besarnya suhu

termal yang dihasilkan dan tujuan penggunaannya. Misalkan untuk sistem

pemanas air tenaga surya pada rumah tangga/bangunan cukup menggunakan

kolektor surya jenis plat datar yang menghasilkan panas dibawah 100 0C

sedangkan jika ingin memanfaatkan teknologi surya termal untuk pembangkit

listrik atau pendinginan (AC/kulkas) maka dibutuhkan jenis kolektor surya yang

menggunakan teknologi tabung hampa atau konsentrator yang dapat

menghasilkan energi panas dengan suhu yang sangat tinggi (Kementerian ESDM,

2012). 

Sistem tracking diperlukan untuk kolektor agar dapat mengikuti matahari

untuk mengumpulkan langsung radiasi matahari ke bagian penerima yang kecil.

Rasio konsentrasi yang tinggi dari kolektor tidak bisa bekerja tanpa sistem

penjejakan (tracking). Berbagai bentuk mekanisme penjejakan bervariasi mulai

dari sederhana sampai rumit. Sistem penjejakan dapat dibagi menjadi dua kategori

besar, yaitu mekanik dan listrik (sistem elektronik). Sistem elektronik tersebut

umumnya menunjukkan tingkat reliabilitas dan akurasi yang tinggi.

Empat kategori dalam pembagian macam-macam tipe konsentrator, yaitu:

1. Parabolic trough collectors (PTC)

2. Linear Fresnel collectors (LFR)

3. Solar towers (Heliostat field collectors)

4. Parabolic dish reflectors (PDR)

10

Parabolic Dish Reflector memfokuskan dalam penjejakan matahari pada

dua sumbu, mengkonsentrasikan energi matahari pada titik tengah dari parabola.

Parabola harus mengikuti martahari sepenuhnya agar dapat memantulkan radiasi

pada penerima panas.

Gambar 5. Parabolic dish solar concentrator.

Penerima panas energi matahari mengubah energi panas pada fluida yang

bersirkulasi. Energi panas tersebut diubah ke energi listrik menggunakan mesin

generator yang terhubung secara langsung dengan penerima panas ataupun

disalurkan melaui pipa ke sistem pengubah energi. Sistem parabolic dish dapat

mencapai suhu lebih dari 1500 oC.

Parabolic dish memiliki beberapa kelebihan, yaitu:

1. Sistem kolektor paling efisien karena selal mengikuti matahari.

2. Memiliki rasio konsentrasi 600-2000.

3. Efisien dalam penyerapan panas dan sistem perubahan energinya.

4. Kolektor yang modular dan penerima dapat berfungsi secara

independent atau sebagai bagian dari sistem yang lebih besar.

11

Posisi matahari sangat penting diketahui untuk melakukan perhitungan

lebih lanjut dalam pemanfaatan sistem energi surya. Matahari memiliki ketinggian

dan posis dimana, ketinggian matahari atau elevasi (γs) dan azimuth matahari (αs)

mendefinisikan posisi matahari. Ketinggian matahari didefinisikan sebagai sudut

antara pusat matahari dan horizontal dilihat oleh pengamat. Sudut azimuth

matahari menggambarkan sudut antara utara geografis dan vertikal melalui pusat

matahari (Kazmerski, 2012).

Sebagai hasil dari rotasi aksial bumi dan revolusi mengelilingi matahari,

matahari terus berubah posisinya di langit. Gerakan matahari ini menentukan

jumlah pertemuan energi matahari pada kolektor yang terletak di permukaan

bumi. Luas kolektor surya terkena radiasi matahari langsung tergantung pada

sudut antara matahari dan kolektor. Demikian pula, lamanya waktu untuk

mengumpulkan energi (panjang hari) surya tergantung pada gerakan matahari di

langit (Kazmerski, 2012).

Sudut matahari seperti deklinasi, ketinggian matahari dan azimut matahari

dapat diturunkan dengan menggunakan Gambar 5.

Gambar 6. Geometri surya untuk permukaan miring pada lokasi tertentu.

12

cos θ = sin δ sin ϕ cos β − sin δ cos ϕ sin β cos γ + cos δ

cos ϕ cos β cos ω + cos δ sin ϕ sin β cos γ cos ω +

cos δ sin β sin γ sin ω

Selain itu, sudut datang dapat berhubungan dengan sudut matahari oleh

cos θ = cos ας cos β − sin ας sin β cos(γς − γ)

deklinasi surya (δ) adalah sudut yang dibentuk oleh garis dari pusat bumi ke

pusat matahari pada hari tertentu dan permukaan yang dilalui khatulistiwa bumi.

Nilai sudut deklinasi berkisar 0◦ pada equinox musim semi, + 23.45◦ pada titik

balik matahari musim panas, 0◦ di equinox musim gugur, 23.45◦ pada titik balik

matahari musim dingin. Persamaan. (6) digunakan untuk menghitung deklinasi

matahari. Deklinasi hari tertentu (n) (Kazmerski, 2012).

δ = 23.45 sin(360248+n

365 )ketinggian matahari (ας) dan sudut azimut (γς) dapat Dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut dan lintasan yang tepat dari matahari dapat

ditemukan (Kazmerski, 2012).

sin ας = sin ϕ sin δ + cos ϕ cos ω cos θ

sin γς =

cosδ sin ωcos ας

13

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

III. METODE PENELITIAN

A. Tempat dan Waktu

Penelitian ini akan dilaksanakan di Laboratorium Teknologi Pertanian,

Fakultas Pertanian, Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto, (110 meter di

atas permukaan laut), dan Pesisir pantai, Cilacap. Penelitian akan dilaksanakan

mulai bulan April sampai ... 2015.

B. Materi Penelitian

1. Bahan

2. Alat

Alat yang digunakan dalam peneltian ini adalah seperangkat komputer,

piranometer, termometer dan alat tulis.

C. Rancangan Percobaan

Rancangan percobaan lapangan yang digunakan adalah

D. Variabel Pengamatan

1. Variabel pengamatan pada penelitian ini adalah:

a. Variabel yang diukur meliputi iradiasi surya dan suhu (lingkungan dan

liquid).

14

b. Variabel yang dihitung meliputi iradiasi surya sesaat, sudut datang matahari

dan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan listrik.

E. Pelaksanaan Penelitian

1. Pelaksanaan Penelitian

a.Tahap persiapan

b.Tahap percobaan lapang

Tahap percobaan lapang yang dilakukan yaitu dengan mempersiapkan

fluida yang akan digunakan. Mengukur iradiasi surya dan lama pemanasan fluida

dalam konsentrator hingga mencapai suhu yang telah ditentukan.

c.Tahap pengukuran dan perhitungan

1) Pengukuran

Pengukuran yang dilakukan pada penelitian ini meliputi:

a) Pengukuran iradiasi surya dengan menggunakan piranometer.

b) Pengukuran suhu yang meliputi suhu fluida dan suhu lingkungan.

2) Perhitungan

Perhitungan yang dilakukan pada penelitian ini meluputi:

a) Perhitungan sudut datang surya

b) Perhitungan sudut deklinasi

F. Analisis Data

Analisis data yang dilakukan pada penelitian ini meliputi:

15

1. Iradiasi surya sesaat

Pengukuran iradiasi surya sesaat dilakukan dengan menggunakan alat

piranometer dalam satuan mV. Untuk mengkonversi mV ke W/m2 yaitu dengan

mengalikan data yang dicatat dengan faktor konversi dari piranometer sebesar

10007

.

2. Sudut datang sinar surya

Perhitungan sudut datang sinar surya dilakukan dengan menggunakan

persamaan, berikut:

a. Sudut deklinasi

Perhitungan sudut deklinasi menggunakan persamaan (6).

b. Sudut datang sinar surya

Perhitungan sudut datang sinar surya menggunakan persamaan (4).

G. Jadwal Pelaksanaan

Penelitian ini dilakukan selama ... bulan untuk percobaan dengan rinciannya

sebagai berikut:

Tabel 3. Jadwal Pelaksanaan PenelitianNo Kegiatan Bulan ke-

1. Persiapan

2. Pelaksanaan percobaan

3. Analisis data

5. Penulisan laporan

16