BAB III PERANCANGAN. 3.1 Tabel Peralatan Listrik Rumah Tangga

Transkripsi

1 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 Peralatan Posisi Fungsi Jumlah Daya Listrik 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 Watt 8 Pompa Air Ruang Pompa Air Bersih Watt 9 TV LCD 21 Inci Ruang Keluarga Hiburan 1 68 Watt 10 Radio Kamar Tidur Hiburan Watt 27

2 28 11 Kipas Angin Ruang Keluarga Lingkungan Watt 12 Komputer Ruang Kerja Berkerja Watt 13 Kulkas 120 Liter Ruang Dapur Makanan 1 50 Watt 14 Setrika Ruang Keluarga Berkerja Watt 15 Magic Jar Ruang Dapur Makanan 1 65 Watt 16 Blender Ruang Dapur Makanan Watt 15 Mesin Cuci Ruang Dapur Makanan Watt 16 Dispenser Ruang Dapur Makanan 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 On Grid electricity / Jaringan listrik PLN Solar Panel / PhotoVoltaic Cell Automatic Circuit Breaker Pure Sine Wave Inverter DC to AC Automatic Circuit Breaker Peralatan elektronik rumah tangga Gambar 3.1 Blok diagram PLTS

3 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

4 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.

5 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 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

6 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 / $ Gambar 3.4 Panel Solar Cell Sunrise 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

7 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) 20h Rate: 100Ah, 10h Rate: 90Ah, 3h Rate: 76Ah, 1h Rate: 56Ah Internal Resistance (25degC) Fully Charged Battery: 5 mω Temp. dependency of capacity (20h rate) 40 : 102%, 25 : 100%, 0 : 85%, -15 : 65% Self Discharge (25degC) After 3 Months: 91%, After 6 Months: 82%, After 12 Months: 64% Dimensions (H x W x L) 210 x 173 x 407mm (Total Height: 236mm) Weight kg 29 Harga Rp / $ Gambar 3.5 Baterai VRLA 100AH

8 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

9 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

10 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 : 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 Watt x 1 Jam : 3226 WH Kapasitas Baterai Total kebutuhan daya konsumen selama 14 jam : 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)

11 37 Dan Eac = Pac T Eac = VRMS PF IRMS T (3.2) Dimana: Pac Eac = Kebutuhan Daya Konsumen (Watt) = 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 = / (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 = (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

12 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) 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 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

13 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 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 = buah ( Pembulatan menjadi 66 buah panel ) 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 = buah ( Pembulatan menjadi 28 buah )

14 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 = buah ( Pembulatan menjadi 1 buah )