SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 1 Nomor 1(C) Mei 2012

Pengukuran Arus dan Tegangan pada Sistem Pembangkit ListrikHybrid (Tenaga Angin dan Tenaga Matahari) MenggunakanAtmega 8535

Handjoko P. dan Satwiko S.

Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Negeri Jakarta, Jakarta Timur, Indonesia;

e-mail: h.permana@yahoo.com, sidopekso61@yahoo.com.au

Intisari: Energi yang dimanfaatkan dalam penelitian ini merupakan gabungan antara energi angin dan energi matahari.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui daya yang dihasilkan sistem pembangkit listrik gabungan energi angin dan

energi matahari (sistem hybrid). Pengukuran arus dan tegangan sistem hybrid dilakukan selama 24 jam setiap satu detik

kemudian dirata-ratakan setiap satu menit. Tegangan maksimum diperoleh sebesar 78 Volt, pada malam hari (tidak

ada tegangan yang dihasilkan modul surya). Tegangan maksimum yan dihasilkan sistem hybrid, pada saat turbin angin

dan modul surya bekerja adalah sebesar 71.8 Volt. Arus maksimum diperoleh sistem hybrid, pada saat turbin angin dan

modul surya bekerja adalah sebesar 5.9 Ampere. Tegangan dan Arus yang dihasilkan pada sistem hybrid (gabungan

energi angin dan energi matahari) lebih besar daripada tegangan yang dihasilkan oleh turbin angin atau modul surya

saja. Ketelitian data tegangan sebesar 0.024 V/bit, ketelitian data arus ialah sebesar 0.048 A/bit.

Kata kunci: sistem hybrid, turbin angin, modul surya

Received : 6 April 2012; Accepted : 25 April 2012

1 PENDAHULUAN

P ada saat ini, tidak ada aktivitas tanpa adanyaenergi, oleh karena itu energi sangat dibutuhkan.

Sebagian besar energi digunakan pada saat ini berasaldari fosil, tidak bisa diperbaharui (non-renewable en-ergy), yang tentunya akan habis jika digunakan se-cara terus menerus. Semakin menipisnya persediaanenergi fosil, menyebabkan banyak penelitian yang di-fokuskan pada energi alternatif atau energi yang da-pat diperbaharui (renewable energy). Pada saat inienergi listrik sangat dibutuhkan, sedangkan menurutdata International Energy Agency (IEA), tahun 2005,sektor kelistrikan adalah penyumbang terbesar emisikarbon dunia (41%), disusul transportasi (23%), in-dustri (19%), rumah tangga (7%), dan lain-lain (10%).Dimana emisi karbon tersebut yang menyebabkan pe-manasan global, dengandemikian, maka pemanfaatansumber energi terbarukan harus ramah lingkunganseperti pemanfaatan sumber energi matahari denganmenggunakan sel surya, pemanfaatan sumber energiangin dengan menggunakan turbin angin, dll.

Indonesia merupakan salah satu negara kepulauanterletak di garis khatulistiwa. Hal tersebut menye-babkan Indonesia memiliki potensi angin yang besarserta mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun,dengan demikian sangat menguntungkan bagi Indone-sia untuk pememanfaatan energi matahari dan energiangin sebagai sumber energi alternatif.

Salah satu ukuran performansi dari sel surya danturbin angin adalah efisiensi. Yaitu prosentasi pe-rubahan energi cahaya matahari menjadi energi listrik.Tetapi pada kenyataannya, efisiensi dari sel surya yangada saat ini masih rendah. Untuk sel surya jenismonocrystalline silicon efisiensinya 12-15%, jenis mul-tiycrystalline silicon 10-13%, amorphous silicon 6-9%.Untuk efisiensi turbin angin 30-40%.

Peningkatan efisiensi turbin angin dan sel surya da-pat diketahui dengan melakukan pengukuran berba-gai indikator seperti tegangan, arus dan daya keluarandari kedua alat tersebut. Dalam penelitian ini, pen-gukuran indikator-indikator tersebut akan dilakukandengan menggunakan Atmega 8535. Penggunaan At-mega 8535 dikarenakan Atmega 8535 tidak hanya da-pat mengukur arus dan tegangan, tetapi juga dapatmengakuisisi data dengan dihubungkan langsung kePC.

2 KAJIAN TEORI

2.1 Proses Konversi Energi MatahariMenjadi Energi Listrik

Proses konversi cahaya matahari menjadi listrik da-pat terjadi karena bahan penyusun sel surya berupasemikonduktor, yaitu semikonduktor jenis n danp. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduk-tor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebi-

c© 2012 SIMETRI 1108-32

Sutrisno & Soegijono/Pengukuran Arus dan . . . SIMETRI Vol.1 No.1(C) Mei’12

han muatan negatif. Sedangkan semikonduktor jenisp memiliki kelebihan hole, sehingga kelebihan muatanpositif.

Prinsip kerja sel surya adalah dengan meman-faatkan teori cahaya sebagai partikel. Energi yang di-pancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelom-bang V dirumuskan dengan persamaan E = hc/λ. De-ngan h adalah konstanta Plancks (6, 62×10−34 Js) danc adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3, 00 × 108m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwaphoton dapat dilihat sebagai sebuah partikel energiatau sebagai gelombang dengan panjang gelombangdan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan sebuahdivais semikonduktor yang memiliki permukaan yangluas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, ca-haya yang datang akan mampu dirubah menjadi energilistrik.

2.2 Energi Angin

Energi angin merupakan salah satu sumber energi ter-barukan dan energi ramah lingkungan karena relatiftidak menimbulkan emisi udara. keluaran daya dariwind generator dapat dinyatakan dengan fungsi nonlinear dari koefisien daya (power coefficient).

Daya angin yang tersedia adalah potensi energi an-gin di suatu lokasi dan dikoreksi dengan menggunakanfaktor pola energi, kE yang didefinisikan sebagai:

kE =daya angin tersedia

daya kecepatan rata-rata(1)

Pada turbin angin dikenal istilah Batasan Betz(Betz limit) yang menyatakan bahwa daya maksimumyang diserap oleh turbin angin tidak melebihi 59,3%dari daya angin yang tersedia

2.3 Perangkat Akuisisi Data

Mikrokontroler Mikrokontroler adalah single chipcomputer yang memiliki kemampuan untuk di pro-gram dan digunakan untuk tugas yang berorientasicontrol. Pada alat ini digunakan mikrokontroler je-nis AVR yaitu ATmega 8535 produksi ATMEL yangbersifat low cost dan high performance, dengan fituryang cukup lengkap, mudah di dapat, dan harga yangrelatif terjangkau.

Codevision AVR Codevision AVR merupakansalah satu perangkat lunak compiler C yang khususdigunakan untuk mikrokontroler keluaran AVR AT-MEL. Compiler C melaksanakan semua elemen daribahasa C ANSI, sesuai dengan yang diperbolehkanoleh arstektur AVR dengan beberapa fitur yang dita-mbahakan guna memaksimalkan dari arsitektur AVRdan kebutuhan. Untuk debugging embedded systemyang menggunakan komunikasi serial, IDE (Integrated

Development Environment) sudah memiliki built-ininternal.

3 EKSPERIMEN

Pada penelitian ini digunakan1 buah turbin angin tipehorizontal 3 sudu 300 Watt, buah modul surya poly-crystalline dan 3 buah modul monocrystalline, sertamikrocontroller Atmega 8535 sebagai alat untuk men-gakuisisi data. Modul surya disusun seperti Gambar 1,di mana ketiga modul surya monocrystalline disusunsecara paralel agar menghasilkan arus keluaran lebihbesar. Kemudian modul surya monocrystalline terse-but disusun secara seri dengan modul surya polycrys-talline untuk menghasilkan tegangan keluaran lebihbesar, kemudian dihubungkan dengan turbin angin,dan dirangkai seperti Gambar 2.

Gambar 1: Skema rancang bangun pemanfaatan modulsurya monocrystalline di FMIPA UNJ

Gambar 2: Skema rancang bangun pemanfaatan modulsurya monocrystalline di FMIPA UNJ

Keterangan:

• 1 = Modul surya

1108-33

Sutrisno & Soegijono/Pengukuran Arus dan . . . SIMETRI Vol.1 No.1(C) Mei’12

• 2 = Turbin angin

• 3,4 = Dioda bridge

• 5 = Kapasitor 16000 µF

• 6 = Sensor arus DCS-01

• 7 = Resistor 47Ω, 5 Watt

• 8 = Resistor 2Ω, 5 Watt

• 9 = Mikrokontroler, Atmega 8535

• 10 = Komputer

4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Keteletian Data Tegangan

Pembacaan tegangan dalam penelitian ini menggu-nakan rangkaian thevenin, dengan R1 merupakan re-sistor 350 KΩ, dan R2 merupakan resistor 10 KΩ.Vreffmikrokontroler adalah 5 volt dan ADC mikrokontroler10 bit, maka ketelitian data tegangan adalah 0.024V/bit.

4.2 Ketelitian Data Arus

Pembacaan arus dalam penelitian ini menggunakansensor arus DCS-01. Berdasarkan spesifikasi sensortersebut terdapat hubungan linear antara arus dantegangan yang terbaca, dimana 0 A berada pada titik2.5 V, dan setiap kenaikan 0.5 V menunjukan ke-naikan 5 V. Vreff mikrokontroler adalah 5 volt danbit mikrokontroler adalah 10 bit, maka ketelitian darisensor arus ini ialah 0.048A/bit.

4.3 Tegangan, Arus, dan Daya keluaran dariSistem Hybrid Secara Manual

Tegangan keluaran sistem hybrid Pada Gambar3, tegangan tertinggi yang diperoleh sebesar 78 volt,terjadi pada pukul 18:36:00 WIB. Berdasarkan peneli-tian sebelumnya telah didapatkan bahwa kecepatanangin pada saat itu sekitar 12 m/s. Pada saat itutegangan yang dihasilkan hanya dari turbin angin,sedangkan tegangan maksimum yang dihasilkan padasaat keduanya (turbin angin dan modul surya bek-erja) sebesar 71.8 volt, pada pukul 14:37:00 WIB.Sedangkan tegangan terendah adalah 0 volt, terjadipada malam hari, saat blade turbin tidak berputardan tidak ada sinar matahari yang mengenai modulsurya.

Arus sistem hybrid Berdasarkan Gambar 4 da-pat diketahui bahwa arus pada siang hari lebih besardibandingkan dengan arus pada pagi hari, sore hariataupun malam hari. Hal ini dikarenakan posisi mata-hari pada siang hari semakin tegak lurus dengan per-mukaan bumi, dengan demikian intensitas matahariyang mengenai modul surya akan lebih besar, sehingga

Gambar 3: Grafik tegangan sistem hybrid terhadap waktu

menghasilkan arus yang lebih besar pula. Ketidaksta-bilan arus dibeberapa titik pada Gambar 4 Menunu-jukan adanya arus listrik yang dihasilkan oleh turbinangin.

Arus maksimum terjadi pada pukul 11:06:00 WIBsebesar 5.9 ampere, sedangkan arus minimum yangdiperoleh sebesar 0 ampere, ketika matahari tidakbersinar dan blade turbin angin tidak berputar.

Gambar 4: Arus yang dihasilkan sistem hybrid

Daya yang dihasilkan sistem hybrid Gambar 5Menunjukan besarnya daya yang dihasilkan dari sis-tem hybrid. Daya maksimum yang diperoleh sebesar368.16 watt pada pukul 11:06:00 WIB, ketika tegan-gan yang dihasilkan sebesar 62.4 volt dan arus yangdihasilkan sebesar 5.9 ampere. Sedangkan daya mini-mum sebesar 0 watt, terjadi pada saat tidak ada sinarmatahari dan tidak ada angin yang menggerakan bladeturbin angin.

Besarnya arus dan tegangan keluaran dari sistemhybrid bergantung pada intensitas matahari menge-nai permukaan modul surya, temperatur pada modulsurya, kecepatan angin. Daya dihasilkan siang hari se-lalu lebih besar dari daya dihasilkan pada malam hari,ataupun pagi hari.

1108-34

Sutrisno & Soegijono/Pengukuran Arus dan . . . SIMETRI Vol.1 No.1(C) Mei’12

Gambar 5: Daya yang dihasilkan sistem hybrid

4.4 Tegangan, Arus dan Daya keluaran dariSistem Hybrid dengan Atmega 8535

Tegangan sistem hybrid dengan Atmega 8535Gambar 6 merupakan grafik tegangan keluaran darisistem hybrid dengan menggunakan atmega 8535.Grafik tegangan yang diukur secara manual lebih fluk-tuatif dibandingkan dengan grafik yang diukur de-ngan menggunakan atmega 8535, hal ini karena At-mega 8535 lebih stabil dibandingkan dengan multime-ter. Pada grafik tersebut, terlihat tegangan yang di-hasilkan pada malam hari sangat kecil, yaitu sebesar2.49 volt pada pukul 1:23:00 WIB, pada saat itu tegan-gan yang dihasilkan hanya dari turbin angin. sedan-gkan tegangan maksimum yang dihasilkan pada sis-tem hybrid, pada saat turbin angin dan modul suryabekerja adalah sebesar 45.73 volt pada pukul 13:54:00WIB. Tegangan minimum yang dihasilkan adalah 0volt, pada saat turbin angin dan modul surya tidakbekerja.

Gambar 6: Grafik Tegangan Keluaran Sistem Hybrid

Arus sistem hybrid dengan Atmega 8535Grafik arus pada Gambar 7 memiliki pola yang samadengan grafik tegangan pada Gambar 6. Pola grafikarus pada Gambar 7 berbeda dengan pola arus padaGambar 4, hal ini karena sensor arus DCS-01 memi-

liki ketelitian yang cukup besar, yaitu 0.048 A/bit, se-hingga arus yang terbaca pada Atmega 8535 lebih sta-bil dibandingkan dengan arus yang terbaca pada mul-timeter. Pada malam hari, arus hanya muncul padapukul 00:00:00 WIB, sebesar 0.05 ampere. Arus min-imum terjadi pada saat matahari tidak bersinar danblade tidak berputar.

Gambar 7: Grafik Keluaran Arus Pada Sistem HybridMenggunakan Atmega 8535

Daya sistem hybrid dengan Atmega 85 Gambar8 Merupakan grafik daya keluaran pada sistem pem-bangkit listrik hybrid. Pola grafik gambar 8 hampirsama dengan pola grafik pada gambar 6 dan 7. Dayayang dihasilkan pada sistem hybrid dengan Atmega8535 lebih kecil dibandingkan daya yang dihasilkansecara manual, hal ini dikarenakan arus yang terbacaAtmega 8535 lebih kecil, daripada arus yang terbacaoleh multimeter. Lebih kecilnya arus tersebut dise-babkan oleh sensor arus DCS-01 yang sensitif terhadaptemperatur. Daya maksimum yang dihasilkan sistemhybrid dengan Atmega 8535 adalah 40.61 watt, padapukul 13:54:00 WIB.

5 KESIMPULAN

1. Arus dan tegangan dihasilkan sistem pembangkitlistrik pada siang hari lebih didominasi oleh arusdan tegangan dari modul surya dibandingkanyang dihasilkan turbin angin

2. Tegangan maksimum diperoleh sebesar 78 volt,pada malam hari (tidak ada tegangan yang di-hasilkan modul surya)

3. Tegangan maksimum dari perolehan data di-hasilkan pada sistem hybrid, saat turbin angindan modul surya bekerja adalah sebesar 71.8 volt

1108-35

Sutrisno & Soegijono/Pengukuran Arus dan . . . SIMETRI Vol.1 No.1(C) Mei’12

Gambar 8: Grafik daya keluaran pada sistem hybrid de-ngan Atmega 8535

4. Arus maksimum diperoleh pada data sistem hy-brid, pada saat turbin angin dan modul suryabekerja adalah sebesar 5.9 ampere.

5. Arus dan tegangan diperoleh data dari sistempembangkit listrik lebih besar dari arus dentegangan diperoleh dari energi matahari saja atauenergi angin saja.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Ariantii, E., 2000, Studi Eksperimen KarakteristikArus-Tegangan Sel Surya Silikon, Skripsi, UniversitasNegeri Jakarta, Jakarta

[2] Arief, B., 2009, Modul Praktikum Mikrokontroler, JurusanFisika, Universitas Negeri Jakarta

[3] Burton, T. dkk., 2001, Wind Energy Handbook, JohnWiley & Sons, Chichester

[4] Halim, A., 2001, Photovoltaic Power System: Harapan danKenyataan Dimensi Waktu Sains Dan Teknologi, ISEECS

[5] Markvart, T., 1996, Sizing of hybrid PV-wing energysystems, Solar Energy, 59 (4), 277-281, England

[6] Yang, H., 2007, Optimal sizing method for stand-alonehybrid solar-wind system with LPSP technology by usinggenetic algorithm, Department of Building ServicesEngineering, China

1108-36