Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) merupakan salah satu alternatif sumber listrik yang semakin populer belakangan ini. Namun, energi surya tidak tersedia setiap saat (tidak pada malam hari ataupun ketika cuaca mendung). Oleh karena itu, dibutuhkan suatu bentuk penyimpanan energi listrik yang dapat mendistribusikan beban listrik dalam jangka waktu satu ataupun beberapa hari. Pada umumnya, kita menggunakan baterai yang berkapasitas tinggi untuk menyimpan energi surya, tetapi metode ini tidak optimal, karena (i) baterai berkapasitas tinggi tidak murah, untuk membeli baterai berkapasitas 5 kWh (1 kwh = 3,6 $\times$ 106 J) diperlukan biaya sekitar Rp.100 juta, (ii) baterai memiliki massa hidup yang relatif sangat singkat (sekitar 5-10 tahun), dan kinerjanya menurun seiring waktu, dan (iii) baterai tidak begitu ramah lingkungan. Pada soal ini, kita meninjau cara penyimpanan energi alternatif yang mungkin kedengaran agak aneh, tetapi semakin lama semakin banyak orang yang tertarik untuk mengaplikasikannya, yaitu energi potensial. Pada suatu bidang miring yang lapang (misalnya lereng bukit) dengan kemiringan $\theta$ = 10$^{\circ}$, terdapat kereta api (massa satu gerbong kereta $m$ = 105 kg) yang bergerak naik (menyimpan energi) dan turun (mendistribusikan energi). Untuk soal ini, gunakan $g$ = 9,8 m/s2, sin 10$^{\circ}$ = 0,174, dan cos 10$^{\circ}$ = 0,985. (a) Berapa energi potensial yang dimiliki oleh satu gerbong kereta yang telah bergerak naik pada rel sepanjang 1 km? Energi potensial ini ekuivalen dengan berapa banyak baterai 5 kWh yang terisi penuh? (b) Tentunya, metode penyimpanan energi ini tidak efektif untuk PLTS skala kecil (satu atau beberapa rumah), karena akan sangat memberatkan pada investasi tetap (seperti pembelian lahan, pembangunan rel dan lokomotif, dan infrastruktur lainnya). Seharusnya sistem ini menggunakan paling minimum 20 gerbong yang bergerak naik dan turun. Apabila rata-rata konsumsi listrik satu rumah adalah 200 W, berapa banyak rumah yang listriknya bisa tersuplai apabila pendistribusian energi (discharge) terjadi dalam tempo satu hari? (c) Panel solar berukuran 1 m $\times$ 1 m dapat memberikan daya listrik sebesar $P$($t$) = $P_{0}$ sin ( 2$\pi$ $t$), $T$ di mana $t$ adalah waktu sejak terbitnya matahari, $T$ = 1 adalah periode rotasi bumi, dan $P_{0}$ = 200 W adalah daya maksimum panel solar (pada siang hari ketika matahari tepat berada di atas kepala). Berapa banyak panel solar yang harus dipasang untuk menyimpan energi listrik (charge) pada 20 gerbong kereta dalam tempo satu hari? Anggap cuaca tidak pernah mendung. (d) Untuk kasus yang lebih realistik, terdapat energi yang hilang (terdisipasi) dari proses konversi energi listrik mekanik dan gesekan pada gerbong kereta terhadap rel. Efisiensi konversi energi listrik (dari panel surya) ke energi gerak kereta adalah $\eta_{1}$ = 0,8 dan efisiensi konversi energi gerak kereta ke energi listrik (untuk konsumsi listrik) $\eta$. Koefisien gesek kereta terhadap relnya adalah $\mu$ = 0,05. Berapa efisiensi total untuk satu siklus penyimpanan energi listrik (charge) yang dilanjutkan dengan distribusi energi listrik (discharge)?  a. Berapa energi potensial yang dimiliki oleh satu gerbong kereta yang telah bergerak naik pada rel sepanjang 1 km? Energi potensial ini ekuivalen dengan berapa banyak baterai 5 kWh yang terisi penuh? b. Tentunya, metode penyimpanan energi ini tidak efektif untuk PLTS skala kecil (satu atau beberapa rumah), karena akan sangat memberatkan pada investasi tetap (seperti pembelian lahan, pembangunan rel dan lokomotif, dan infrastruktur lainnya). Seharusnya sistem ini menggunakan paling minimum 20 gerbong yang bergerak naik dan turun. Apabila rata-rata konsumsi listrik satu rumah adalah 200 W, berapa banyak rumah yang listriknya bisa tersuplai apabila pendistribusian energi (discharge) terjadi dalam tempo satu hari? c. Panel solar berukuran 1 m $\times$ 1 m dapat memberikan daya listrik sebesar $P$($t$) = $P_{0}$ sin ( 2$\pi$ $t$), $T$ di mana $t$ adalah waktu sejak terbitnya matahari, $T$ = 1 adalah periode rotasi bumi, dan $P_{0}$ = 200 W adalah daya maksimum panel solar (pada siang hari ketika matahari tepat berada di atas kepala). Berapa banyak panel solar yang harus dipasang untuk menyimpan energi listrik (charge) pada 20 gerbong kereta dalam tempo satu hari? Anggap cuaca tidak pernah mendung. d. Untuk kasus yang lebih realistik, terdapat energi yang hilang (terdisipasi) dari proses konversi energi listrik mekanik dan gesekan pada gerbong kereta terhadap rel. Efisiensi konversi energi listrik (dari panel surya) ke energi gerak kereta adalah $\eta_{1}$ = 0,8 dan efisiensi konversi energi gerak kereta ke energi listrik (untuk konsumsi listrik) $\eta$. Koefisien gesek kereta terhadap relnya adalah $\mu$ = 0,05. Berapa efisiensi total untuk satu siklus penyimpanan energi listrik (charge) yang dilanjutkan dengan distribusi energi listrik (discharge)?