BAB III PERANCANGAN
Perancangan pada tugas akhir ini dilakukan untuk memberikan solusi atas permasalahan yang ada di lapangan. Permasalahan yang ada dalam hal ini adalah penggunaan solar cell dalam memberikan solusi alternatif atas energy listrik selain menggunakan energy listrik dari PLN. Berikut adalah langkah – langkah yang dilakukan dalam perancangan untuk menghasilkan sebuah solusi atas masalah yang ada.
3.1 Pengamatan Awal Beban Energi Listrik Rumah Penduduk Pada tahap ini dilakukan studi pendahuluan dengan melihat kebutuhan total energi listrik yang diperlukan untuk menghidupkan peralatan-peralatan rumah tangga di rumah-rumah penduduk. Pada tahap ini dilakukan studi perhitungan kasar dari total energi yang dibutuhkan di rumah-rumah penduduk. Dengan mengasumsikan peralatan rata-rata rumah tangga tersebut antara lain adalah :
3.1 Tabel Peralatan Listrik Rumah Tangga No
Posisi
Fungsi
1 Lampu 30 Watt
Beranda Depan
Penerangan
1
30 Watt
2 Lampu 30 Watt
Ruang Tamu
Penerangan
1
30 Watt
3 Lampu 30 Watt
Ruang Keluarga
Penerangan
1
30 Watt
4 Lampu 20 Watt
Ruang Dapur
Penerangan
1
20 Watt
5 Lampu 20 Watt
Kamar Mandi
Penerangan
2
40 Watt
6 Lampu 30 Watt
Kamar Tidur
Penerangan
2
60 Watt
7 Air Conditioner 1/2 PK
Kamar Tidur
Lingkungan
2
860 Watt
8 Pompa Air
Ruang Pompa
Air Bersih
1
650 Watt
9 TV LCD 21 Inci
Ruang Keluarga
Hiburan
1
68 Watt
Kamar Tidur
Hiburan
2
100 Watt
10 Radio
Peralatan
27
Jumlah Daya Listrik
28 11 Kipas Angin
Ruang Keluarga
Lingkungan
1
103 Watt
12 Komputer
Ruang Kerja
Berkerja
1
140 Watt
13 Kulkas 120 Liter
Ruang Dapur
Makanan
1
50 Watt
14 Setrika
Ruang Keluarga
Berkerja
1
300 Watt
15 Magic Jar
Ruang Dapur
Makanan
1
65 Watt
16 Blender
Ruang Dapur
Makanan
1
130 Watt
15 Mesin Cuci
Ruang Dapur
Makanan
1
300 Watt
16 Dispenser
Ruang Dapur
Makanan
1
250 Watt
Total Daya
3226 Watt
Perlu diingat bahwa daya listrik sebesar 3226 watt adalah daya peak ketika seluruh peralatan tersebut sedang digunakan. Namun untuk kemudahan dalam perhitungan kebutuhan energi listrik maka dapat diasumsikan bahwa seluruh peralatan rumah tangga tersebut selalu hidup selama 24 jam
3.2 Perancangan Awal PLTS Sistem yang ingin dibangun, secara garis besar terdiri dari blok rangkaian seperti terlihat pada gambar dibawah ini :
Solar Charger / Pengisi Baterai
Baterai Lithium Ion
Automatic Circuit Breaker Solar Panel / PhotoVoltaic Cell
On Grid electricity / Jaringan listrik PLN
Automatic Circuit Breaker
Pure Sine Wave Inverter DC to AC
Gambar 3.1 Blok diagram PLTS
Peralatan elektronik rumah tangga
29 Secara garis besar, cara kerja sistem ini adalah :
PhotoVoltaic Cell akan mengubah sinar dan panas matahari menjadi listrik DC 12 Volt.
Listrik DC 12 Volt tersebut kemudian akan di konversi menjadi listrik AC 220 Volt oleh Pure Sine Converter.
Paralel dengan pengubahan listrik dari photovoltaic cell menjadi arus AC 220 Volt, arus DC 12 Volt yang tersisa kemudian akan di simpan ke dalam baterai lithium Ion dengan bantuan solar charger.
Ketika waktu malam tiba kemudian baterai secara otomatis akan memberikan energi yang telah di simpan pada waktu siang hari tadi, sehingga Listrik DC 12 Volt tersebut kemudian akan di konversi menjadi listrik AC 220 Volt oleh Pure Sine Converter.
Listrik tersebut kemudian akan dipergunakan oleh
peralatan-peralatan
elektronik listrik rumah tangga.
Apabila energi dari PLTS yang tersedia tidak cukup untuk menghidupkan peralatan-peralatan elektronik listrik rumah tangga, maka secara otomatis jaringan listrik PLN sebagai cadangan listrik akan secara otomatis mengambil alih dan memberikan energinya.
Secara illustrasi, sistem PLTS ini dapat diterapkan sebagai berikut :
Gambar 3.2 Ilustrsi penerapan PLTS di rumah tinggal
30 Dari hasil diagram blok diatas dapat dibuat skematik sebagai berikut :
Gambar 3.3 Skematik wiring PLTS rumah tinggal
Skematik dari komponen ini memiliki fungsi sebagai berikut :
Combiner berfungsi untuk menggabungkan banyak panel surya, namun pengaturan penggabungan dilakukan secara palarel sehingga tegangan tetap 12 volt namun arus listrik yang dihasilkan sangat besar.
Charge controller memastikan bahwa arus yang masuk ke dalam baterai tidak melebihi kapasitas yang ada sehingga memaksimalkan siklus hidup baterai.
Combiner juga berfungsi untuk menggabungkan banyak baterai, pengaturan penggabungan juga dilakukan secara pararel sehingga tegangan tetap 12 volt namun kapasitas menjadi sangat besar.
Meter digunakan untuk melihat apakah kapasitas baterai yang ada masih tersedia cukup atau bahkan kurang.
31
Circuit breaker akan berkerja ketika daya listrik yang telah dihasilkan oleh solar panel mencukupi untuk menghidupkan peralatan-peralatan listrik, paralel arus dari solar panel juga akan mengisi baterai.
Power inverter akan mengubah arus listrik DC 12 volt dari baterai menjadi AC 220 Volt yang dapat digunakan untuk menghidupkan peralatan-peralatan elektronik, namun apabila energi baterainya kurang atau bahkan tidak ada maka Power inverter tidak akan mengambil arus listrik dari baterai.
AC breaker panel berfungsi untuk memutus/menyambungkan system PLTS dengan aliran listrik PLN, sehingga apabila baterai kekurangan daya listrik akibat tidak optimalnya solar panel menghasilkan energi listrik maka peralatan elektronik akan langsung mengambil listrik dari jaringan listrik PLN secara otomatis.
3.3 Komponen Peralatan Pembangkit Energi Listrik Pada tahap ini dilakukan studi lanjutan dengan melihat peralatan-peralatan pembangkit listrik yang dibutuhkan berikut dengan spesifikasi yang ada. Dengan melihat asumsi dan perancangan di atas serta dengan melihat pengamatan energi yang dibutuhkan di maka ada 4 buah peralatan yang sangat penting untuk sebuah PLTS yaitu Panel solar Cell, Baterai, Charge Controller dan Power Inverter.
3.3.1
Panel Solar Cell Sunrise 140WP Untuk panel solar cell menggunakan merek Sunrise. Solar panel ini
merupakan modul 140 Watt fotovoltaik dengan Licensi dari Jepang. Solar cell ini memiliki effesiensi yang baik. Solar Cell ini dibuat dengan menggunakan sel dengan lapisan SiN. Solar cell ini cocok untuk memenuhi kebutuhan listrik pedesaan untuk rumah di daerah terpencil yang tidak memiliki akses ke jaringan PLN dan cocok untuk aplikasi industri terpencil seperti telemetri dan instrumentasi sistem. Produk ini menawarkan peningkatan efisiensi melalui penggunaan sel monocrystalline dan output daya nominal 12V, sehingga ideal untuk aplikasi pengisian daya baterai. Solar panel ini telah terbukti berkerja pada suhu tinggi dan didesain dengan kuat sehingga membuat produk ini tahan lama di
32 lapangan dan mudah untuk memasangnya. Berikut adalah poto dan spesifikasi dari panel solar cell tersebut :
Maximum Power (Pmax) 140W.
Type Cell Monocrystalline
Voltage at Pmax (Vmp) 18.0V
Current at Pmax (Imp) 7.78A
Short circuit current (Isc) 8.40A
Open circuit voltage (Voc) 22.2V
Maximum system voltage 1000Vdc
Number of cells 36 cells
Dimensions +-(mm) 1210 x 808 x 35
Weight (kg) 12
Harga Rp. 2.800.000 / $ 220.39
Gambar 3.4 Panel Solar Cell Sunrise
3.3.2
Baterai Panasonic VRLA 100AH Baterai Panasonic VRLA merupakan baterai isi ulang yang dirancang
untuk memberikan kinerja luar biasa dalam kondisi overcharge, overdischarge, serta getaran dan shock. Dengan bentuk yang kecil baterai ini dapat menghemat
33 ruang yang tersedia. Penggunaan epoxi khusus untuk segel, dan jalur listrik serta konstruksi penutup, menjamin bahwa baterai ini akan memastikan tidak adanya kebocoran dan memungkinkan mereka untuk digunakan dalam posisi apapun. Berikut adalah poto dan spesifikasi dari baterai tersebut :
Nominal Voltage
12V
Rated Capacity 20h
100Ah
Terminal
M8 threaded post
Capacity (25degC)
Internal Resistance (25degC)
Temp. dependency of capacity 40 ℃: 102%, 25 ℃: 100%, 0 ℃: 85%, -15
20h Rate: 100Ah, 10h Rate: 90Ah, 3h Rate: 76Ah, 1h Rate: 56Ah Fully Charged Battery: 5 mΩ ℃: 65%
(20h rate)
After 3 Months: 91%, After 6 Months:
Self Discharge (25degC)
Dimensions (H x W x L)
Weight kg
29
Harga
Rp. 2.100.000 / $ 165.29
82%, After 12 Months: 64% 210 x 173 x 407mm (Total Height: 236mm)
Gambar 3.5 Baterai VRLA 100AH
34 3.3.3
Charge Controller LS2024R Landstar charge controller adalah sebuah pengisi baterai otomatis yang
telah mengadopsi teknik digital canggih dan beroperasi secara otomatis. Controller ini menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) ketika dalam masa pengisian baterai. Hal tersebut tentunya dapat meningkatkan masa pakai baterai. Proses pengisian telah dioptimalkan untuk baterai yang tahan lama dan peningkatan kinerja sistem. Self-diagnostik yang komprehensif dan fungsi perlindungan elektronik dapat mencegah kerusakan dari kesalahan instalasi atau kesalahan sistem. Controller ini juga dapat mengenali sistem tegangan saat start up. Jika tegangan baterai lebih kecil dari 18V, maka secara otomatis controller ini akan mengenali sistem baterai 12V, dan Jika tegangan baterai lebih besar dari 18V, maka controller ini akan mengenali sistem baterai 24V. Berikut adalah poto dan fitur-fitur dari controller tersebut :
Intelligent System Optimum Control
High efficient Series PWM charging with temperature compensation
Compact size
Use MOSFET as electronic switch, without any mechanical switch
Digital LED menu, only one key solve all setting simply
Load status display
Gel, Sealed and Flooded battery type option
Big terminals and big distance between terminals（10A/6 mm2 ,15A,20A/10 mm2）
Electronic protection: Overheating, over charging, over discharging, overload, and short circuit
Reverse polarity protection: Any combination of solar module and battery
Gambar 3.6 Baterai Charge Controller
35 3.3.4
Power Inverter 6KW VMI-P6000 Inverter
ini berkerja dengan teknik True sine wave inverter. Teknik
diperlukan terutama untuk beban-beban yang masih menggunakan motor agar bekerja lebih mudah, lancar dan tidak cepat panas. Oleh karena itu dari sisi harga maka true sine wave inverter adalah yang paling mahal diantara yang lainnya karena dialah yang paling mendekati bentuk gelombang asli dari jaringan listrik PLN. Sedangkan untuk inverter yang menggunakan teknik square wave inverter maka beban-beban listrik yang menggunakan kumparan / motor tidak dapat bekerja sama sekali. Berikut adalah poto dan fitur-fitur dari Inverter tersebut :
Packaging Detail: CARTONS/PLATES
Micro CPU processor control
Pure Sine Wave Form AC Out Put;
Low Self consumetion,less 1.2A,real
Work with AC Equipment widely,such as Aircondition,refrigeratory,Pump,TV,Light,Fan and so on, depending on the size of the inverter.
Saving 12% Power at least on the basic of Saving Mode;
Full Rang of Intelligent Protection, overload, overcurrent, overvoltage, overheat, short circuit, low voltage and so on;
Votlage and Frequency Out Put are adjstable;
Votagle and Frequency is Optional:220V/110V+-10%,50/60Hz;
With RS232 Communications Function are optional;
DC input Voltage,12V/24V/48V/120V/220VDC are optional
Two phase output of one inverter,220V/110VAC 50/60Hz are opional
Gambar 3.6 Sine Wave Power Inverter 6KW
36 3.4 Perancangan Teoritis Kebutuhan Jumlah Peralatan Setelah dilakukan pengamatan baik untuk menentukan total daya yang digunakan oleh semua peralatan-peralatan rumah tangga. Kemudian dilakukan analisa lanjutan untuk melihat kebutuhan jumlah dari sistem solar cell tersebut, baik jumlah baterai, Inverter, Charge Controller, maupun jumlah Panel solar cell tersebut. Perancangan dilakukan secara teoritis sehingga dapat menentukan jumlah kapasitas baterai, jumlah solar panel dan peralatan yang akan digunakan berdasarkan analisis beban kerja dari sistem solar cell tersebut. Beban kerja disini diasumsikan peralatan tersebut digunakan selama 24 Jam nonstop sehingga dapat diperoleh perhitungan secara teoritis sebagai berikut :
3.4.1
Baterai Cara menghitung kebutuhan baterai yang diperlukan adalah dengan
menghitung terlebih dahulu jumlah energi total yang digunakan oleh peralatanperalatan listrik rumah tangga tersebut. Kemudian energi tersebut dihitung dengan menggunakan satuan waktu (hour) ketika energi utama tidak dapat digunakan (Solar cell). Maka kapasitas baterai akan didapatkan dengan cara mengubah total dayaenergi menjadi arus yang dapat dikeluarkan oleh baterai dalam satuan waktu (hour).
Energi Load per Hour Total daya Peralatan rumah tangga
@3226 Watt x 1 Jam
: 3226 WH
Kapasitas Baterai Total kebutuhan daya konsumen selama 14 jam
x @3226
: 45.164 WH
(dimana matahari tidak bersinar selama 12 jam di malam hari dan 1 jam tambahan masing-masing untuk peralihan waktu di pagi dan sore hari) Untuk menghitung kapasitas (AH) dari baterai, dilakukan perhitungan sebagai berikut:
Pac = VRMS × IRMS × PF…………………………………………………………(3.1)
37
Dan
Eac = Pac × T Eac = VRMS × PF × IRMS × T……………………………………………………(3.2)
Dimana: Pac
= Kebutuhan Daya Konsumen (Watt)
Eac
= Kebutuhan Energi Konsumen (WH)
VRMS
= Tengangan Sistem ( 12 V)
IRMS
= Arus listrik yang disupplai (A)
PF
= Asumsi Faktor konversi energi Baterai (Power Factor 0,9)
T
= Waktu (Jam)
Sehingga : IRMS × T = Eac / (VRMS × PF) IRMS × T = 45164 / (12 × 0,9) IRMST = 4182 AH Pembulatan dilakukan menjadi 4182 AH Dimana: IRMST
= Beban Arus listrik dalam sistem persatuan waktu (AmpereHour)
Namun dengan mengasumsikan nilai efisiensi kerja inverter tersebut sebesar 90% (sisanya terbuang menjadi panas), maka perlu ditambahkan kembali nilai kapasitas baterai sebesar 10% dari nilai AH yang telah didapat sehingga perhitungannya adalah sebagai berikut :
Load Ampere Hour
= 4182 + (10% × 4182 ) = 4600,2 AH
Dikarenakan kita menghitung Ampere Hour tidak secara ideal ( yaitu ketika baterai tidak boleh sampai habis ) sehingga nilai DOD (Depth of
38 Discharge) yang mempengaruhi masa hidup baterai ( battery life Cycle ) kita harus perhitungkan. Baterai Panasonic VRLA 100AH memiliki rating tegangan maksimum 12 Volt dengan kapasitas sebesar 100 AH. Maka kapasitas yang dapat dihitung hanya sebesar 80% dari 100 AH saja (20% untuk menghindari DOD). Sehingga :
Load Ampere Hour dengan DOD
= 4600,2 + (20% × 4600,2 ) = 5520,2 AH
Sehingga total baterai yang dibutuhkan berdasarkan beban yaitu Total Baterai
= Load Ampere Hour / Kapasitas Baterai = 5520,2 AH / 100 AH = 55,202 Baterai (pembulatan menjadi 56 Baterai)
3.4.2
Panel Solar Cell Cara menghitung kebutuhan panel solar cell yang diperlukan adalah
dengan menghitung terlebih dahulu jumlah energi total yang digunakan oleh peralatan-peralatan listrik rumah tangga tersebut, ditambah dengan kebutuhan energi yang digunakan untuk mengisi baterai.
Energi Load per Hour Total daya Peralatan rumah tangga
@3226 Watt x 1 Jam
: 3226 WH
Energi Baterai per Hour Total arus listrik untuk pengisian baterai 14 Jam
: 5520,2 AH
Karena solar cell tersebut hanya dapat berkerja efektif 10 jam saja (jam 7 Pagi – 5 sore) dapat dihitung total daya yang dibutuhkan untuk mengisi baterai selama 10 jam. Yaitu sebagai berikut :
Arus untuk charging Baterai
= Total arus listrik baterai / 10 jam pengisian = 5520, 2 AH / 10 Jam
39 = 552,02 AH
Dengan rumus awal :
Eac = VRMS × IRMS × T × PF Eac = 12Volt x 552,02 AH x 0,9 Eac =5961,81 WH
Maka total energi yang dibutuhkan adalah :
Etotal
= Ebaterai + Eperalatan = 5961,81 WH + 3226 WH = 9187,81 WH
Dengan solar panel sunrise mampu menghasilkan output 140 WH, Sehingga dapat dilakukan perhitungan secara manual jumlah solar panel yang diperlukan adalah :
Jumlah Solar Panel
= Total Energi yang dibutuhkan / Pmax Solar cell = 9187,81 WH / 140 WH = 65.62 buah ( Pembulatan menjadi 66 buah panel )
3.4.3
Charge Controller Cara menghitung kebutuhan charge controller yang diperlukan adalah
dengan melihat beban maksimum yang diperbolehkan pada alat tersebut (Charge Controller LS2024R memiliki beban maksimumsebesar 20 Ampere) terlebih dahulu. Jumlah arus listrik total yang digunakan oleh sistem baterai untuk mengisi baterai tersebut adalah sebesar 552,02 AH, sehingga perhitungannya menjadi :
Jumlah Charge Controller
= Total arus listrikbaterai / Max Charge Controller = 552,02 A / 20 A = 27.601buah ( Pembulatan menjadi 28 buah )
40 3.4.4
Power Inverter Cara menghitung kebutuhan Inverter yang diperlukan adalah dengan
melihat beban maksimum yang diperbolehkan pada alat tersebut terlebih dahulu, dimana Power Inverter 6KW VMI-P6000 memiliki beban maksimum sebesar 6 KW. Jumlah energi listrik total yang pergunakan oleh sistem perlalatan listrik rumah tanggaselama 1 jam adalah sebesar 3226 WH, sehingga perhitungannya menjadi :
Jumlah Inverter
= Total energi listrik / Max Power Inverter = 3226 W / 6000 W = 0.537 buah ( Pembulatan menjadi 1 buah )
