Pengontrolan Catu Daya Cadangan Dengan Panel Surya Pada Smart Traffic Light

Transkripsi

1 Pengontrolan Catu Daya Cadangan Dengan Panel Surya Pada Smart Traffic Light Noveri Lysbetti Marpaung #1, Edy Ervianto #2, Nurhalim #3, Rahyul Amri #4 # Electrical Engineering Department, University of Riau Jl. Soebrantas Km 12,5 Panam Pekanbaru, Indonesia 1 noveri.marpaung@lecturer.unri.ac.id 2 edy.ervianto@unri.ac.id 3 nurhalim@lecturer.unri.ac.id 4 rahyul.amri@lecturer.unri.ac.id Abstrak Indonesia saat ini merupakan salah satu negara dengan populasi penduduk yang padat. Ditambah lagi dengan penggunaan kendaraan yang banyak menyebabkan kemacetan di Kota Pekanbaru. Pemadaman listrik menjadi salah satu penyebab kemacetan karena lampu lalu lintas tidak bekerja dengan baik. Tujuan penelitian untuk menganalisa pengontrolan catu daya cadangan dengan menggunakan Panel Surya(PV) dan Boost Converter, untuk menjaga agar lampu lalu lintas tetap menyala ketika listrik dari Perusahaan Listrik Negara(PLN) tidak aktif. Beban berupa prototype Smart Traffic Light(STL) sebesar 75,9Watt dengan pengontrolan PLC dan baterai 12V dengan kapasitas 7Ah, diisi dari energi Tenaga Surya. Waktu pengisian baterai selama 11 jam dari tegangan baterai 9,5V sampai 13,3V dan tegangan charger baterai 9,8V sampai 13,8V dengan kondisi arus 10% dari kapasitas baterai (0,7A). Ketika sumber PLN padam, relai bekerja dan sumber beban otomatis berpindah ke baterai. Agar bekerja lebih efisien, tegangan keluaran PV dihubungkan dengan rangkaian Boost Converter untuk menghasilkan keluaran 24V dan minimal 13V. masukan maksimal PV 22V dengan Duty Cycle minimal 11,3% menghasilkan keluaran 24,8V. Sedangkan tegangan masukan minimum PV 13V supaya Boost Converter bekerja, dengan Duty Cycle minimal 46% menghasilkan tegangan keluaran 24,1V. Perbedaan rata-rata keluaran Boost Converter adalah sebesar 3,33%. Baterai dapat mensuplai beban 75,9W dengan tegangan keluaran inverter 198VAC selama 1jam dan beban 40Watt dapat disuplai selama 1jam 40menit dengan tegangan keluaran inverter 205VAC. Waktu perpindahan dari PLN ke baterai sebesar 0,08s. Waktu perpindahan dari baterai ke PLN selama 0,14s. Penelitian ini telah bekerja dengan baik dan PV bisa mensuplai STL selama listrik PLN padam. Kata kunci Panel Surya, Baterai, Boost Converter, PLC, Pensaklaran. I. PENDAHULUAN Ketersediaan listrik yang memadai dan berkesinambungan pada saat ini, sangat dibutuhkan oleh seluruh lapisan masyarakat. Kebanyakan listrik di Indonesia sampai sekarang ini, masih disuplai oleh Perusahaan Listrik Negara (PLN). Jadi, sumber energi listrik PLN sendiri, sebaiknya harus selalu tersedia. Agar tersedianya sumber energi yang cukup untuk mensuplai listrik kebutuhan masyarakat ini, berbagai upaya dilakukan agar energi listrik tetap bisa digunakan tanpa ada kendala pemadaman. Pemadaman sendiri terjadi akibat beberapa hal seperti sumber energi dari pembangkit yang masih kurang (baik dari segi kuantitas maupun kuantitas), perawatan peralatan listrik yang dilaksanakan belum secara berkala, gangguan pada transmisi atau pembangkit yang terjadi, sambaran petir, dan sebagainya. Dalam hal ini, salah satu pemakaian listrik yang paling umum bagi masyarakat di Kota Pekanbaru yaitu pada lampu lalu lintas. Lampu lalu lintas digunakan agar menghindari kemacetan di jalan, terutama di kota-kota maju yang memiliki populasi penduduk yang padat. Saat ini, ada juga lampu lalu lintas yang bekerja dengan sistem pewaktuan berdasarkan jumlah kepadatan kendaraan. Lampu lalu lintas ini disebut Smart Traffic Light. Dalam beberapa kasus, pemadaman listrik yang terjadi, mengakibatkan tidak berfungsinya lampu lalu lintas secara optimal. Agar Smart Traffic Light dapat bekerja dengan baik dan persediaan daya harus selalu ada, maka diperlukan persediaan daya cadangan yang mampu menggantikan pasokan daya dari PLN. Pasokan daya cadangan bisa didapat dari Panel Surya yang disimpan di baterai. Baterai mampu menyimpan daya yang dihasilkan oleh Panel Surya, dengan kapasitas sesuai keperluan penggunaan beban. Sebagai salah satu energi terbarukan yang cukup banyak digunakan, Panel Surya menjadi sumber energi alternatif yang mampu menggantikan PLN apabila terjadi pemadaman. Namun tegangan keluaran Panel Surya tidak stabil dan sangat bergantung pada cuaca. Oleh karena itu, penulis merancang catu daya dengan pensaklaran menggunakan Boost Converter sebagai rangkaian penaik tegangan keluaran dari Panel Surya. Tujuan penelitian adalah menganalisa pengontrolan dari catu daya cadangan dengan menggunakan Panel Surya dan Boost Converter untuk menjaga agar Smart Traffic Light tetap menyala ketika listrik dari Perusahaan Listrik Negara (PLN) tidak aktif. 145

2 Pada dasarnya batasan masalah dalam penelitian ini, berupa : 1. Pengontrolan catu daya switching tipe Boost Converter dari Panel Surya ke baterai. 2. Tidak membahas tentang Konversi Energi surya lebih detail. Perumusan masalah penelitian ini adalah : 1. Menganalisa pengontrolan catu daya yang bersumber dari Panel Surya yang disimpan di baterai sehingga keluarannya sesuai dengan kebutuhan lampu lalu lintas agar mampu menjadi sumber cadangan apabila terjadi kegagalan daya dari Jala-jala PLN. 2. Menentukan tegangan minimal baterai dan Panel Surya untuk mensuplai beban lampu lalu lintas. A. Energi Surya II. TINJAUAN PUSTAKA Referensi [1] menyatakan bahwa energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi pancaran matahari. Suplai Energi Surya dari sinar matahari, yang diterima oleh permukaan bumi mencapai 3x1.024 Joule per tahun (setara dengan 2x1.017 Watt). Indonesia berpotensi untuk menjadikan sel surya sebagai salah satu sumber energi masa depannya mengingat posisi Indonesia pada daerah khatulistiwa. Dalam kondisi puncak atau posisi matahari tegak lurus, sinar matahari yang jatuh di permukaan Panel Surya di Indonesia seluas 1 m 2, mampu mencapai 900 hingga Watt. Total intensitas penyinaran per hari di Indonesia mencapai watt hour/m 2, yang membuat Indonesia tergolong kaya sumber energi matahari [2]. Intensitas radiasi matahari di Indonesia, dapat dilihat pada Gambar 1. B. Sel Surya Sel Surya (Solar Cell) atau photovoltaic cell adalah alat untuk mengkonversi tenaga matahari menjadi energi listrik. Photovoltaic (PV) adalah teknologi yang berfungsi untuk mengubah radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung. PV biasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut Modul. Dalam sebuah Modul surya, terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun secara seri maupun parallel [4]. Sel surya bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semi-konduktor tipe-p dan tipe-n. Semi-konduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif) dan tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Gambar 1. Peta Radiasi Surya di Indonesia [3] Ketika energi cahaya matahari (foton) mengenai sel, elektron terlepas dari atom yang ada dalam material semi-konduktor. Elektron berpindah dari pita valensi menuju pita konduksi dan meninggalkan hole pada pita valensi, disebut efek photovoltaic. Akibat dari aliran elektron dan hole ini, maka terbentuk medan listrik. Sejumlah Modul umumnya terdiri dari 36 sel surya atau 33 sel dan 72 sel. Modul-modul ini kemudian dirangkai menjadi Panel Surya. Panel Surya yang dihubungkan secara baris dan kolom, disebut dengan Array. Pengoperasian maksimum Panel Surya sangat bergantung pada temperatur, insolation, kecepatan angin, keadaan atmosfer dan peletakan Panel Surya [5]. C. Switching Mode Power Supply Switching Mode Power Supply (SMPS) adalah power supply yang tegangan keluarannya dapat diatur sesuai kebutuhan beban. SMPS yang digunakan dalam penelitian ini adalah Boost Converter. 146

3 Boost Converter adalah Konverter DC-DC yang menghasilkan tegangan keluaran DC yang lebih tinggi dari tegangan masukan DC. Boost-converter memanfaatkan sifat induktor terhadap guncangan listrik berfrekuensi tinggi dan bekerja dengan adanya denyut-denyut tegangan. Rangkaian Boost Converter, ditunjukkan Gambar 2. Gambar 4. Pin Arduino Uno Rev. 3 [8] III. HASIL PENGUJIAN Gambar 2. Rangkaian Boost Converter [6] Ripple tegangan dari keluaran Boost Converter dapat dilihat pada gambar 3. Gambar 3. tegangan Ripple Boost Konverter [6] Dimana : persamaan 1 persamaan 2 Prinsip kerja prototype secara umum adalah memberikan suplai pada Smart Traffic Light (STL) dengan penambahan Panel Surya. Dengan penambahan Panel Surya, maka digunakan catu daya switching, yang mampu mengatur tegangan baterai sebagai penyimpan energi apabila tegangan pada Panel Surya tidak mampu mensuplai beban. Pada dasarnya, STL disuplai oleh Jalajala PLN, Namun karena sering terjadi gangguan listrik maka digunakan sumber catu daya cadangan untuk mendukung agar STL tetap bekerja walaupun listrik padam. Dalam hal ini, catu daya cadangan berasal Panel Surya. Namun tegangan Panel Surya tidak bisa langsung mensuplai beban, jadi dibutuhkan rangkaian catu daya yang dapat mensuplai STL. Blok diagram penelitian, dapat dilihat pada Gambar 5. PLN Kendali Switching Beban (220 V AC ) Pada saat t on, induktor akan mengisi (V L ) dan arus akan di-ground-kan sehingga Arduino Uno Inverter V L = V d persamaan 3 D. Arduino Uno Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328, memiliki 14 pin digital input/output (dimana 6 pin dapat digunakan sebagai keluaran PWM), 6 input analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP, dan tombol reset. Uno dibangun berdasarkan apa yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler, sumber daya bisa menggunakan power USB (jika terhubung ke komputer dengan kabel USB) dan juga dengan adaptor atau baterai. Uno dalam bahasa Italia berarti satu, alasan diberi nama tersebut adalah untuk menandai peluncuran Arduino 1.0. Uno dan versi 1.0 akan menjadi versi referensi dari Arduino, dan akan terus berkembang.pin Arduino Uno Rev. 3, dapat dilihat pada Gambar 4. Panel Surya Boost Converter Rangkaian Chaarger Gambar 5. Blok diagram penelitian Baterai (12V 7Ah) Pada saat tegangan Panel Surya (PV) mencapai 9,5V maka PV dapat menghasilkan tegangan yang cukup untuk menjalankan catu daya. Catu daya bekerja sebagai penghantar untuk pengisian baterai melalui Boost Converter. Beban kemudian disuplai melalui inverter dari baterai. Beban yang digunakan adalah prototype STL, dengan sistem pengontrolan PLC dan tegangan kerja 220 V AC. minimal pengisian baterai adalah 14 Volt, kemudian tegangan ini dinaikkan oleh Boost Converter hingga menghasilkan tegangan 24,8V. Berdaarkan name plate baterai, tegangan charger baterai berkisar antara 13,8 14,4 Volt. Sedangkan tegangan minimal pada keseluruhan alat untuk dapat bekerja adalah 9,5 Volt. 147

4 Sumber utama pada perancangan ini adalah Jala-jala PLN. Apabila Jala-jala PLN tidak ada, maka switching bekerja dan berpindah pada inverter, kemudian kembali lagi jika Jala-jala PLN sudah aktif kembali. Mikrokontroler Arduino bertugas sebagai pengatur switching dan PWM pada catu daya ini. A. Pengujian Panel Surya Panel Surya yang digunakan pada perancangan ini memiliki spesifikasi seperti pada Gambar 6. Nilai tegangan masukan PV selalu berubah sesuai dengan tegangan keluaran PV, dilakukan pada tanggal 21 Januari Grafik tegangan keluaran Panel Surya, dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 6. Spesifikasi Panel Surya Gambar 7. Grafik tegangan keluaran Panel Surya B. Pengujian Boost Converter Pengujian dimulai dengan memberikan tegangan masukan pada Boost Converter dari 12 V hingga 22 V. Hasil dari pengujian dapat dilihat pada Tabel I. TABEL I PENGUJIAN TEGANGAN BOOST CONVERTER Masukan Duty Cycle Teori Error 12 11, , , , ,8 43,5 24 3, ,8 39,5 24 3, ,8 35,4 24 3, ,8 31,5 24 3,33 Masukan Duty Cycle Teori Error 18 24,8 27,4 24 3, ,8 23,4 24 3, ,8 19,4 24 3, ,8 15,3 24 3, ,8 11,3 24 3,33 keluaran minimal Boost Converter 13V dengan Duty Cycle minimal 46% menghasilkan tegangan keluaran sebesar 24,1 V. masukan maksimal Panel Surya 22 V dengan Duty Cycle minimal 11,3% menghasilkan tegangan keluaran 24,8 V. Batas tegangan keluaran maksimum dari Boost Converter saat pengujian adalah 24,8V, sedangkan tegangan yang dibutuhkan adalah 24V. keluaran tetap stabil meskipun tegangan masukan berubah nilainya. Perbedaan rata-rata tegangan keluaran Boost Converter dari perhitungan teori dan praktek adalah sebesar 3,33%. C. Pengujian Charger Baterai Pengujian tegangan charger baterai dilakukan dengan memberi tegangan masukan baterai dari 12V sampai 30V. tegangan charger baterai diatur agar tetap konstan sebesar 14,4V sesuai dengan tegangan pengisian baterai. Hasil pengujian tegangan charger baterai, ditunjukkan Tabel II. TABEL II HASIL PENGUJIAN TEGANGAN CHARGER BATERAI Masukan 12 9,1 0, ,6 0, , ,8 0, , ,8 0, ,3 0, ,4 0, ,4 0, ,4 0, ,4 0, ,4 0, ,4 0, ,4 0,7 Arus Pengisian (A) Pada pengujian tegangan baterai, diperoleh keluaran tegangan sebesar 14,4V dengan masukan antara 12V sampai 30V. Baterai penuh ketika tegangan mencapai 14,4V. Arus pengisian charger sebesar 0,7A. Sampai baterai terisi penuh maka arus menjadi 0A. Lama waktu pengisian baterai dari tegangan 9,5V sampai penuh yaitu 13,3V, dapat dilihat pada Tabel III. 148

5 TABEL III LAMA WAKTU PENGISIAN BATERAI Waktu Pengisian Charger Baterai ,8 9, , ,8 10, ,0 10, ,4 11, ,6 11, ,0 12, ,4 12, ,6 12, ,9 12, ,4 13, ,8 13,3 Pengisian baterai dilakukan dari pukul WIB pada tanggal 28 Januari 2017 selama 11 jam dari tegangan baterai 9,5V hingga mencapai 13,3V dan tegangan charger baterai 9,8V hingga mencapai 13,8V dengan kondisi arus 10% dari kapasitas baterai yaitu 0,7A. D. Inverter Inverter yang digunakan pada penelitian ini adalah inverter dengan tegangan kerja 12V DC /220V AC dengan kapasitas maksimum 80W/220V AC. Kapasitas beban maksimum inverter adalah ±80 Watt. Pada saat kondisi baterai penuh, inverter menghasilkan tegangan 260 V AC dalam kondisi tanpa beban dan hanya bekerja pada saat tegangan Panel Surya 9,5 Volt karena suplai Arduino langsung dari Panel Surya sebagai pengatur kerja alat keseluruhan. Ketika diberi beban 40 Watt, tegangan keluaran inverter berubah menjadi 205V AC dan 198V AC untuk beban prototype sebesar 75,9 Watt. Untuk gelombang tegangan dari inverter dapat dilihat pada Gambar 8. oleh baterai 12V dengan kapasitas 7Ah. Hasil pengujian beban STL oleh baterai, dapat dilihat pada Tabel IV. TABLE IV PENGUJIAN BEBAN PROTOTYPE SMART TRAFFIC LIGHT OLEH BATERAI Mula Baterai 12,8 Waktu (Menit) Baterai (VDC) Beban (VAC) 0 12, , , , ,8 173 Dari Tabel IV, diperoleh tegangan baterai habis dan tidak dapat mensuplai beban pada tegangan 9,8V pada menit ke-60 (1 jam). F. Pengujian Waktu Pindah Antar Sumber Penelitian ini menggunakan dua sumber listrik yaitu sumber dari tegangan jala-jala PLN dan sumber dari Panel Surya. Jadi, dibutuhkan waktu untuk pergantian sumber, pada saat salah satu sumber mati dengan menggunakan relai jenis DPDT (Double Pole Double Throw), yang dipasang dengan pengaturan switching melalui Arduino. Pengujian waktu pindah dilakukan menggunakan stopwatch. Hasil pengujian waktu pindah antar sumber dapat dilihat pada Tabel V. TABEL V PENGUJIAN WAKTU PINDAH ANTAR SUMBER No. Parameter Waktu Pindah (s) 1 PLN Baterai 0,08 2 Baterai PLN 0,14 Dari Tabel V, waktu perpindahan dari PLN ke baterai sebesar 0,08 s. Sebaliknya waktu perpindahan dari baterai ke PLN selama 0,14 s. IV. KESIMPULAN Gambar 8. Gelombang Inverter E. Pengujian Suplai Beban oleh Baterai Pengujian ini dilakukan unuk mengetahui seberapa lama ketahanan baterai dalam mensuplai beban melalui inverter. Beban berupa prototype Smart Traffic Light 75,9W, dapat disuplai selama 1 jam dan beban 40 Watt, dapat disuplai selama 1 jam 40 menit 1. keluaran minimal Boost Converter 13V untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 24,1V. 2. masukan maksimal Panel Surya 22 V dengan Duty Cycle minimal 11,3% menghasilkan tegangan keluaran 24,8 V. Sedangkan tegangan masukan minimum Panel Surya 13V supaya Boost Converter bekerja, dengan Duty Cycle minimal 46% menghasilkan tegangan keluaran 24,1 V. 3. Perbedaan rata-rata tegangan keluaran Boost Converter dari perhitungan teori dan praktek adalah sebesar 3,33%. 149

6 4. Waktu pengisian baterai 12V 7Ah adalah selama 11 jam dari tegangan baterai 9,5V hingga mencapai 13,3V dan tegangan charger baterai 9,8V hingga mencapai 13,8V dengan kondisi arus 10% dari kapasitas baterai yaitu 0,7A. 5. Baterai 12V dengan kapasitas 7Ah dapat mensuplai beban 75,9W dengan tegangan keluaran inverter 198 V AC selama 1 jam dan beban 40 Watt dapat disuplai selama 1 jam 40 menit dengan tegangan keluaran inverter 205 V AC. 6. Waktu perpindahan dari PLN ke baterai sebesar 0,08 s dan waktu perpindahan dari baterai ke PLN selama 0,14 s. Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Indonesia. [13] Gurning, Juli Mansen, Rancang bangun prototype Automatic Transfer Switch (ATS) Untuk Beban Kategori 2E Pada Puskesmas Rawat Inap Berbasiskan Mikrokontoroller ATMega16, Teknik Elektro, Universitas Riau. DAFTAR PUSTAKA [1] Yuliarto. Brian, Teknologi Sel Surya untuk Energi Masa Depan, Energy Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Jepang, [Online]. Available: Akses 18 Oktober [2] Jatmiko, dkk, 2010, Pemanfaatan Sel Surya dan Lampu LED untuk Perumahan, Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi Terapan, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah, Surakarta. [3] Vetri Nurliyanti, dkk, 2012, Pembuatan Peta Potensi Energi Surya. Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konversi Energi. [4] Paiman, Mikri Romario, 2016, Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Surya di Desa Talawaan. Politeknik Negeri Manado. [5] Wiryadinata, Romi, dkk, 2013, Studi Pemanfaatan Energi Matahari di Pulau Panjang Sebagai Pembangkit Listrik Alternatif, Jurnal Ilmiah Setrum Vol. 2, No. 1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Cilegon. [6] Husodo, Budi Yanto, 2012, Elektronika Daya, Pusat Pengembangan Bahan Ajar, UMB. [7] Marpaung, N. l., 2016, Prototype of Switch Control Battery Charger on Power Electricity Generation by Hybrid Generator, 1 st International Conference on Electrical Engineering and Informatics, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru. [8] Octopart, 2014, Arduino Uno Rev 3, [Online]. Available: pdf, Akses 18 Oktober [9] Effendi, Jodie Satria, dkk, 2015, Perancangan Dan Implementasi Catu Daya PC Dengan Sistem Penyimpanan Daya Pada Baterai, D3 Teknik Telekomunikasi Fakultas IlmuTerapan Telkom University. [10] Wibisono, Guruh, 2011, Rancang Bangun Catu Daya Tenaga Surya Untuk Audio Mobil (Hardware), EEPIS Final Project. [11] Woryanto, Giri, dkk, 2013, Rancang Bangun Battery Charge Controller Dual Sumber Suplai Beban Dengan PLTS dan PLN Berbasis Mikrokontroler, Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan Vol. 1, No. 2, Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung. [12] Shahab, Rianti Mawarni, Rancang Bangun Sistem Pengendali Pengisian Muatan Baterai dengan Tenaga Surya Sebagai Catu Daya Base Transceiver Station (BTS) GSM, 150