## SUMBER DAYA WIRELESS UNTUK MENGHASILKAN ENERGI LISTRIK TERBARUKAN

## Rahmad Hidayat
Jurusan Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Mandala Jalan Soekarno Hatta 597, Bandung 40286 E-mail: rhidayat4000@gmail.com
Abstrak  -- Industri  daya  dan  energi  tidak  terlepas  dari  peran  penting  gelombang  elektromagnetik. Tulisan  ini  memberikan  kajian  metode  pembangkitan  daya  listrik  melalui  sistem  transmisi  wireless. Perhatian  utamanya  ada  pada  empat  metode  karena  kepraktisannya  yaitu  induksi  elektromagnetik, kopling resonansi, laser dan penerimaan sinyal  frekuensi radio. Metode yang ada dibandingkan satu sama lain dalam beberapa aspek teknis. Tujuan penelitian ini adalah untuk memilah beberapa desain sesuai  metoda  pembangkitan  daya  listriknya  masing-masing,  dan  hasil  penelitian  ini  berupa  usulan metode yang paling menjanjikan untuk memanen energi listrik secara wireless dengan tingkat efisiensi yang baik yaitu  dengan menggunakan rectenna  sebagai bagian utama suatu sistem Wireless Power Transmission (WPT).
Kata Kunci: daya, energi, gelombang elektromagnetik, frekuensi radio, WPT
Abstract  -- Power  and  energy  industrial  cannot  be  separated  from  the  important  role  of electromagnetic  waves.  This  paper  provides  a  review  of  methods  of  power  generation  through wireless  transmission  systems.  Their  main  concerns  on  practicality  are  four  methods  i.e. electromagnetic  induction,  resonance  coupling,  laser  and  radio  frequency  signal  reception.  Existing methods compared to each other in some technical aspects. The purpose of this study is to sort out some of the design according to the each method of generating electrical power and the results of this study  is  a  proposal  of  the  most  promising  method  for  harvesting  electrical  energy  wirelessly  with  a good  level  of  efficiency.  Here,  it  used  rectenna  as  the  main  part  in  a  wireless  power  transmission system (WPT).
Keywords: power, energy, electromagnetic wave, radio frequency, WPT

## PENDAHULUAN
Permasalahan  energi  nasional  jangka pendek  yang  menjadi  perhatian  utama  saat  ini adalah  bagaimana  menyiapkan  sumber  energi selain  bahan  bakar  minyak  untuk  memenuhi kebutuhan  masyarakat  dan  industri  nasional. Kemudian  bagaimana  menemukan  sumberdaya energi yang secara alamiah tidak akan habis dan dapat  berkelanjutan  jika  dikelola  dengan  baik, merupakan isu penting dalam masalah energi ini. Terkait  hal  di  atas,  maka  menjadi  sesuatu  yang menarik  bagi  penulis  untuk  mengkaji  sistem transmisi  wireless  yang  tersedia  melimpah sebagai  salah  satu  potensi  sumber  daya  energi dimaksud dalam perannya membangkitkan sumber  energi  listrik  terbarukan  (Budiyanto, 2014).  Diharapkan  dengan  kajian  ini  akan  lebih mendorong  penelitian  mendalam  dalam  sistem transmisi  daya  wireless  guna  menyumbangkan pemikiran, analisis, purwarupa ataupun teori baru yang  dapat  menjadi  solusi  dalam  pembangkitan energi listrik terbarukan.
Terdapat  beberapa  cara  dalam  proses transmisi  energi  listrik  secara  wireless,  yaitu
dengan  induksi  elektromagnetik,  penerimaan sinyal frekuensi radio, resonansi dan sistem laser (Shinohara,  2010).  Hipotesisnya  adalah  bahwa jenis  metode  transmisi  dan  parameter  teknis yang dipilih berpengaruh langsung dan signifikan terhadap efisiensi sistem WPT yang dihasilkan.

## METODE
Pada bagian ini dilakukan pemaparan dan uraian teknis sistem Wireless Power Transfer/WPT
melalui kopling induksi elektromagnetik,  kopling  resonansi,  sistem  laser dan  penerimaan  sinyal  frekuensi  radio  (Radio Frequency/RF). Setelah itu dari keempat metoda tersebut  dilakukan  komparasi  dan  analisis berbagai  aspek  teknis  terkait.  Data  sebagian diperoleh  dari  sumber  pustaka  penelitian  terkait dengan  variabel  utama  berupa  efisiensi  daya yang  sampai  pada  beban  ( load )  serta  beberapa variabel  elektrik  lain  terkait  sinyal  RF  seperti penguatan  ( gain )  dan  bandwidth  antena,  jarak jangkau    dan  frekeunsi  kerja  yang  akan  dapat dilihat  pada  tabel-tabel  yang  ada  kemudian sebagai instrumen komparasi.

## Induksi Elektromagnetik
Pada  transmisi  listrik  dengan  induksi elektromagnetik  ,  adanya  arus  listrik  ke  salah satu  kumparan  yang  berdekatan  menginduksi kekuatan  listrik  dalam  kumparan  lain  dengan fluks  magnetik  sebagai  medium.  Sementara dalam transmisi daya wireless melalui penerimaan  frekuensi  radio,  energi  gelombang radio  yang  dikirim  dan  diterima  menggunakan antena  dan  bentuk  gelombang  bolak-balik  dari frekuensi radio diubah menjadi bentuk gelombang  arus  searah/DC  (Direct  Current) dengan  menggunakan  rangkaian    penyearah ( rectifier ), dalam hal ini di sini tanpa menggunakan amplifier .

## Kopling Resonansi
Masalah  pada  teknik  transmisi  daya wireless    ini  adalah  bahwa  hasil  dari  teknik  ini yang  sangat  terbatas,  medan  magnet  kecil  yang mampu  hanya  pada  jarak  pendek.  Untuk membuatnya lebih efisien pada jarak jauh,  maka harus diambil pertimbangan cara kopling resonansi.  Resonansi  tercapai  antara  dua kumparan  ketika  medan  elektromagnetik  di sekitar  keduanya  berosilasi  pada  frekuensi  yang sama.  Hal  ini  dilakukan  dengan  menggunakan koil melengkung sebagai induktor, yang digabungkan dengan pelat kapasitansi.
Selama dua kumparan beresonansi, transfer  daya  antara  keduanya  akan  terus berlanjut.  Ketika  dua  kumparan  beresonansi pada  frekuensi  yang  berbeda,  tidak  ada  daya yang ditransfer antara keduanya.
Menurut  Mohan  (2013)  prinsipnya  adalah bahwa  "Dua  objek  resonan  dengan  frekuensi resonansi  yang  sama  cenderung  untuk  bertukar energi  secara  efisien,  sedangkan  untuk  benda resonan  asing  lainnya  interaksi  berlangsung lemah " .

## Gambar 1. Kopling Resonansi

## Beam Laser
Konsep beam (arah)  daya  laser  adalah transfer energi wireless berupa panas atau listrik dari satu lokasi ke lokasi lain dengan menggunakan  sinar  laser.  Daya  laser  dapat
ditransfer  melalui  udara  atau  ruang  atau  melalui serat optik sebagai sinyal komunikasi optik. Pada beam  laser  ini  dilakukan  transfer  daya  laser sehingga  energi  diterima  pada  bagian  penerima dan  mengubahnya  menjadi  energi  listrik. Beam laser  rentan  bagi  kesehatan  dan  juga  perlu kondisi line  of  sight atau  berhadapan  langsung antara  pemancar  dan  penerima,  juga  adanya redaman  yang  menyebabkan  kehilangan  energi akibat  penyerapan  di  media.  Kesemua  itu menjadi  kelemahan  sistem  ini.  Seperti  juga tenaga  surya,  di  mana  matahari  menyinari  sel photovoltaic  yang  mengubah  sinar  matahari tersebut  menjadi  energi,  pada  beam  laser  ini  sel fotovoltaik mengubah sinar laser menjadi energi.

## Penerimaan Frekuensi Radio
Sistem Transmisi Daya Wireless (Wireless Power  Transmission/WPT)  melalui  penerimaan sinyal  frekuensi  radio  merupakan  sistem  yang memanfaatkan  sumber  daya  wireless  berupa frekuensi  radio  yang  ada  di  sekitar  lingkungan yang bersumber dari berbagai pemancar gelombang  radio  yang  ditangkap  oleh  antena penerima WPT.

## Gambar 2. Blok Sistem WPT
Pada  sistem  transmisi  ini  digunakan  blok rectenna  (rectifier  antenna)  yang  terdiri  dari  sub bagian    antena  untuk  menangkap  sinyal frekuensi  radio  (RF)  yang  diinginkan  dan  sub bagian  catu  daya  ( power  supply )  guna  proses penyearahan sekaligus penyaringan dan regulasi untuk  menghasilkan  output  DC  yang  diinginkan. Matching  impedance  merupakan  bagian  internal sistem  antena  yang  berfungsi  untuk  proses penyepadanan impedansi antara saluran transmisi  dan penyearah  ( rectifier ).  Keluaran  DC dapat  langsung  diberikan  kepada  beban  atau juga  disimpan  ke  suatu  batere  tertentu  sebagai perangkat storage . Antena yang dapat digunakan untuk aplikasi WPT dapat dari berbagai jenis.
Rectenna Rectenna adalah konsep kombinasi rangkaian penyearah dan antena. Nama rectenna  pertama  diperkenalkan  oleh  W.C. Brown dari Raytheon Company pada awal 1960- an . Padanya,  sebuah  low-pass  filter  akan meloloskan  frekeunsi  rendah  yang  diinginkan, kemudian  setelah  proses matching impedansi, bagian rectifier berupa dioda penyearah mengubah energi wireless yang diterima menjadi sinyal  DC.  Akhirnya  sebuah  filter  memblokir harmonisa  urutan  tinggi  yang  dihasilkan  oleh dioda  untuk  memperoleh  efisiensi  tinggi  dari proses  konversi  energi  tersebut.  Efisiensi  di  sini merupakan  parameter  yang  paling  penting  dari alat tersebut.
Sebuah rectenna sederhana dapat dibangun  dari  dioda  Schottky  ditempatkan  di antara  antena  seperti  Gambar  3.  Dioda  barrier Schottky  (GaAs-W,  Si  dan  GaAs)  digunakan pada  rangkaian  penyearah  karena  memiliki waktu  recovery  mundur  lebih  cepat  dan  drop tegangan  maju  jauh  lebih  rendah  dan  memilii karakteristik  RF  yang  baik. Dioda  Schottky dengan tegangan ambang 230mV dan kapasitansi  dioda  dari  0.26pF  dapat  digunakan untuk  rectifier.  Sedang  C  berfungsi  sebagai kapasitor  pengisian.  Pada  frekuensi  microwave, kapasitansi  non  linier  dioda  mengatur  transfer daya  maksimum  untuk  beban  dan  amplitudo keluaran  rectifier  sebagai  impedansi  masukan perubahan rectifier terhadap frekuensi .
Gambar 3. Dioda Schottky pada Rectenna (Sharma dan Singhal, 2015)
Antena  yang  digunakan  dalam  rectenna dapat  dipraktekkan  untuk  loop,  dipole  ½  ,  horn, Yagi-Uda  atau  mikrostrip.  Untuk  frekuensi  ISM, antena  slot  juga  dapat  menjadi  satu  alternatif (Farizqi  dan  Alaydrus,  2014).  Termasuk  jenis mikrostrip,  salah  satu  pertimbangan  desainnya ada  pada  aspek  pola  radiasi  (Hidayat,  2015). Antena patch dipole memiliki efisiensi tertinggi di antara  semua.  Namun  penggunaannya  dapat juga  berupa  antena  parabola  dan  untuk  tujuan bergerak  ( mobile )  digunakan  susunan  antena bertingkat.  Sebagian  besar  MPT  (Microwave
Power  Transfer)  menggunakan  band  2,45  GHz atau  5,8  GHz  yang  dialokasikan  oleh  regulasi radio  ITU-R.  Pada  sistem  ini  dibutuhkan  antena diameter  besar  untuk  menerima  daya.  Hal  ini memiliki efisiensi lebih dari 90% sehingga  efisien dalam  pendekatan  meski  dengan  konstruksi antena yang sulit didekati (Chaitanya dan Kumar, 2013).
Tabel 1.  Kinerja Rectenna Jenis Rectenna Frekuensi kerja (GHz) Efisiensi konversi puncak terukur (%) Dipol cetak 2,45 85 Patch sirkular 2,45 81 Dual rhombik cetak 5,60 78 Patch segiempat 8,51 66

## Bandwidth Rectenna
Terdapat  dua  kategori  utama  band  kerja rectenna  yaitu  narrowband  (band  sempit)  dan rectenna  wideband  (band  luas).  Telah  banyak rectenna narrowband yang dikembangkan seperti rectenna patch dual-polarisasi pada 2,4 GHz dan rectenna 5,8 GHz dengan efisiensi konversi yang tinggi  telah  dirancang  oleh  McSpadden  masing- masing  pada  tahun  1994  dan  1998.  Namun, masih  sangat  sedikit  rectenna  wideband  telah dikembangkan  untuk  menghasilkan  energi  dari wireless. Jenis wideband ini dapat mengumpulkan  energi  dari  sistem  operasi  pada frekuensi  yang  berbeda  untuk  memaksimalkan daya output pada lokasi tertentu.

## Efisiensi Rectenna
Efisiensi  sistem  rectenna  pada  dasarnya sama  dengan  fungsi  transfer  yang  ada.  Definisi umum dari efisiensi  ( η ) digunakan disini sebagai rasio daya output Pout terhadap daya input Pin
η  = Pout / Pin (1)
Efisiensi ( η ) konversi seluruh sistem adalah daya DC  di  ujung  penerima  terhadap  daya  input  AC yang  ditangkap  antena.  Efisiensi  ini  sangat bergantung  pada  rapat  daya Pd yang terdistribusi  di  bagian  permukaan  penerima. Rapat  daya  maksimum  yang  terjadi  dapat dituliskan sebagai:
(2)
dimana Pt adalah  daya  kirim, Gt and Gr merupakan  penguatan  (gain)  antena  transmitter dan  receiver  antenna,  dan  R  adalah  jarak.  Area permukaan efektif antena adalah Aeff adalah :

(3)
Sehingga daya yang diterima antena menjadi:
P in = P d . A eff (4)
Karena  keluaran  rectenna  merupakan  daya  DC maka  daya  keluaran  dapat  diperoleh  dari tegangan keluaran yang dihasilkan pada beban:
(5)
Sehingga efisiensi rectenna diperoleh sebagai:
* + (6)
Efisiensi  rectenna  untuk  berbagai  dioda  pada frekuensi  yang  berbeda  ditunjukkan  pada  Tabel 2. (Mohan, 2013)
Tabel 2.  Efisiensi berbagai rectenna Frekuensi (GHz) Dioda schottky Efisiensi (%) Terukur Terhitung 2,45 GaAs-W 92,5 90,5 5,80 Si 82,0 78,3 8,51 GaAs 62,5 66,2

## Penyepadan Impedansi
Penyepadanan (matching) impedansi adalah  teknik  yang  digunakan  dalam  sistem transfer  daya  dan  sistem  komunikasi  untuk meningkatkan efisiensi sistem. Biasanya mencakup jaringan penyepadan berupa rangkaian LC untuk meminimalkan rasio reflect si daya  ke  sumber  daya  system  (Gupta  et  al., 2012).
Gambar 4. Konsep penyepadan impedansi
Daya  yang  ditransfer  ke  beban  mencapai maksimum ketika:
Zsumber  =  Z*beban,  seperti  pada  Persamaan (8).  Oleh  karena  itu,  rangkaian  dianggap sepadan  (matching)  dan  efisiensi  maksimum dicapai  ketika  impedansi  beban  (Z Load )  dari  arah pandang  sumber  sepadan  dengan  impedansi sumber (Z Source ) dan sebaliknya.
[ ] (7) (8)
Pada Gambar 4 terlihat bahwa daya ditransfer ke beban  seperti  Persamaan  (7)  dengan  impedansi sumber  daya  dinamakan  sebagai  Z Source dan impedansi beban sebagai Z Load .
Rangkaian Impedansi yang sepadan dapat dianggap  sebagai  jaringan  dua  port  yang  dapat digambarkan  dengan  Persamaan  (9).  Kondisi sepadan  tercapai  ketika  parameter  memenuhi Persamaan (10) dan (11).
( )   ( ) ( ) (9) (9)
√ (10)
√ (11)
Pada  aplikasi  ini  penyepadanan  impedansi ( matching impedance ) dapat menerapkan penyepadan  ½  untuk  mendapatkan  harga impedansi  masukan  penyearah  sebesar  50  . Dan  untuk  penyearah  ( rectifier )  umumnya digunakan dioda Schotky.

## Transfer Daya Gelombang Mikro
Prinsip  transfer  daya  gelombang  mikro (Microwave Power Transfer/MPT) pertama diperkenalkan  oleh  William  C.  Brown,  pelopor dalam  teknologi  transmisi  daya  wireless  yang telah  merancang,  mengembangkan  unit  dan menunjukkan  bagaimana  daya  dapat  ditransfer melalui  ruang  bebas  oleh  microwave.  Konsep sistem transmisi daya wireless dijelaskan dengan diagram  blok  fungsional  yang  ditunjukkan  pada Gambar 5.  Pada  sisi  pengirim,  sumber  daya gelombang mikro  menghasilkan daya mikrowave dan  daya  keluaran  dikontrol  oleh  rangkaian kontrol elektronik.
Sirkulator waveguide  ferit yang melindungi sumber  gelombang  mikro  dari  daya  pantul tercermin  terhubung  dengan  sumber  daya microwave  melalui  adaptor  coax-waveguide. Tuner menyepadankan impedansi antena pemancar  dan  sumber  microwave.  Sinyal  yang diredam  kemudian  dipisahkan  berdasarkan  arah dari  propagasi  sinyal  dengan  suatu directional coupler .  Antena  pengirim  memancarkan  daya seragam  melalui  ruang  bebas  menuju  rectenna tersebut.
Di sisi penerima, rectenna menerima daya yang ditransmisikan dan mengubah daya microwave  menjadi  sinyal  DC.  Rangkaian
penyepadan  impedansi  dan  filter  disediakan untuk  mengatur  agar  impedansi  keluaran  dari sumber sinyal sama dengan rangkaian penyearah.  Rangkaian  penyearah  berupa  dioda barrier    Schottky  mengubah  energi  listrik microwave  yang  diterima  menjadi  sinyal  DC (Mohammed et al., 2010).

## Gambar 5. Konfigurasi MPT
Banyak  sistem  transmisi  microwave yang menggunakan  band  ISM  (Industrial,  Scientific and  Medicine)    yaitu  pada  2,45  GHz  atau  5,8 GHz.  Pilihan  lain  pada  frekuensi  8,5  GHz,  10 GHz  dan  35  GHz.  Efisiensi  tertinggi  lebih  dari 90%  dicapai  pada  2,45  GHz  antara  semua frekuensi tersebut.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Telah  dilakukan  penggambaran  beberapa desain rectenna seperti penyepadanan impedansi  dan  efisiensi  konversi  rectenna.  Juga telah ditunjukkan bahwa rectenna dapat memanen  energi  wireless  dengan  efisien  dalam kondisi tertentu dan memiliki potensi besar untuk menjadi  pemasok  listrik  untuk  beberapa  aplikasi khusus.  Berdasarkan  studi  yang  ada  di  atas, komparasi  tiga  jenis  metode  transmisi  WPT terlihat sebagaimana Tabel 3.

## Tabel 3. Komparasi karakteristik WPT
Gelombang radio Kopling resonansi Kopling induktif Kuat medan medan listrik resonansi medan magneti k Metode antena resonator koil Efisiensi rendah-tinggi tinggi tinggi Jarak pendek- panjang sedang pendek Daya rendah-tinggi tinggi tinggi Keselamat an kerja medan listrik - medan magneti k Regulasi gelombang radio dalam diskusi dalam diskusi
Untuk  perolehan    efisiensi  rendah  pada sistem  transmisi  daya  wireless  berjarak  jauh, dapat  diupayakan  perbaikan  efisiensi  untuk menuju 100% melalui gelombang radio. Kemudian  berdasarkan  data  teknis  masing- masing sistem WPT yang diuraikan dalam tulisan ini,  ada  beberapa  hal  yang  perlu  digarisbawahi bahwa setidaknya terdapat beberapa keuntungan pemakaian  rectenna yaitu adanya lifetime yang hampir  tak  terbatas  dan  tidak  perlu  diganti  serta merupakan teknologi ramah lingkungan. Keuntungan  lainnya  adalah  adanya  kemampuan transfer  daya  listrik  yang  dihasilkan  ke  semua arah yang diinginkan. Faktor ini dite
ntukan oleh pengarahan (direktivitas) antena yang didesain. Kemudian juga aspek lain dari desain  antena pada rectenna yang meliputi penguatan,  pola  radiasi,  rentang  frekuensi  dan bandwidth  antena  serta  rasio  daya  refleksi  yang dihasilkan. Filter, rectifier dan matching impedance yang  dipakai  juga  tidak  terlepas  dari perhatian perancangan.

## KESIMPULAN
Pembahasan  rinci  pada  efisiensi  rectenna menunjukkan  bahwa  untuk  mencapai  efisiensi konversi  energi  yang  tinggi,  banyak  parameter yang  harus  diperhitungkan  yang  meliputi  jenis antena  dan  saluran  transmisi  yang  dipilih, kesepadanan  impedansi  antena  dan  penyearah, karakteristik  dioda  Schottky  serta  filter  lolos rendah yang dipilih.
Jenis  dan  desain    antena  pada  rectenna juga  merupakan  satu  faktor  penting  penentu performa  efisiensi  WPT  yang  terbentuk.  Untuk keperluan  sampai  dengan  jarak  jauh  maka  WPT melalui  gelombang  radio  adalah  pilihan  jenis mode transmisi yang paling baik dan lebih hemat untuk berbagai aplikasi dengan efisiensi tinggi.
Untuk  pengembangan  ke  depan  dapat dilakukan  kajian  lebih  dalam    pemanfaatan frekuensi  radio  tidak  berbayar  (ISM)  untuk mendapatkan perolehan efisiensi setinggi mungkin  dengan  antena  berpenguatan (gain) tinggi  pada  sistem  microwave  sehingga  jarak jangkau  semakin  dapat  ditingkatkan  dalam pembangkitan sumber daya listrik terbarukan ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Budiyanto,  S.  Penggunaan  LTE  sebagai  Media Interoperabilitas  Antar  Generasi  Komunikasi Nirkabel  yang  Berbeda. SINERGI .  2014;  18 (3): 180-185.
Chaitanya,  T.K.  dan    Kumar,  R.R . Power Transmission  through  Wireless Medium.
International  Journal  of  Engineering  Trends and  Technology  (IJETT). 2013;  4  (5):  1334-
1336.
Farizqi,  R.,    Alaydrus,  Mudrik.  Rancang  Bangun Antena Slot Waveguide. Jurnal Teknik Elektro 2014; 5 (1): 1-8.
Gupta,  D.,  Islam,  M.S.,  Nuronnabi,  K.M., Hossain,  M.S.  dan  Hasan,  M.Z.  Design  & Implementation  of  Cost  Effective  Wireless Power Transmission Model: Good Bye Wires. International Journal of Scientific and Research Publications . 2012; 2 (12): 1-9. Hidayat,  R.    Model,  Simulasi  dan  Analisis  Pola Radiasi  Susunan  Uniform  Antena  Mikrostrip,
Jurnal Isu Teknologi, STTM,  Bandung . 2015; 9 (1): 3-11.
Mohammed, S.S. Ramasamy, K. dan
Shanmuganantham, T. Wireless Power Transmission-A Next Generation Power
Transmission System. International Journal of Computer Applications (0975-8887). 2010; 1 (13): 100-103. Mohan, C., Raj, M.K. Wireless Power Transmission  &  Charging  of  Batteries  in Multiple  Electronic  Accessories. International Journal of Science, Engineering and Technology  Research  (IJSETR). 2013;  2  (1): 8-17.
Sharma, R. dan Singhal, P.K. Loop Antenna and Rectifier Design for RF Energy Harvesting at 900MHz. International  Research  Journal  of Engineering  and  Technology  (IRJET). 2015;
2 (4): 1214-1218.
Shinohara,  N.  Beam  Efficiency  of  Wireless Power  Transmission  via  Radio  Waves  from Short    Range    to    Long  Range. Journal  of The  Korean  Institute  of  Electromagnetic Engineering  and  Science .  2010;  10  (4):  224- 230.