Pemanfaat Energi Surya untuk Menggerakan Pompa Motor DC Yang Dikontrol Mikrokontroler I Wayan Arta Wijaya, Tjok Gede Indra Partha dan I GN Janardana Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana Jimbaran Badung Bali e-mail: artawijaya@ee.unud.ac.id Abstrak Kebutuhan utama bagi setiap makluk hidup, termasuk manusia adalah air. Diasumsikan kebutuhan air perorang sebanyak 100-150 liter perhari. Untuk mengangkat air yang permukaannya di bawah tempat yang dibutuhkan, diperlukan pompa untuk mengangkat air tersebut. Untuk menggerakan pompa dibutuhka energi listrik. Sumber energi alternatif yang memiliki potensi di Indonesia adalah tenaga matahari.. Dalam penelitian dirancang suatu sistem pengankat air menggunakan pompa motor DC yang dikontrol mikrokontroler atmega8535, bertujuan untuk mengetahui efisiensi dan unjuk kerja dari panel surya di bebani pompa motor DC dan untuk mengetahui debit air yang bisa diangkat selama sehari. Pada rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya menggunakan 4 buah modul panel surya. Pompa motor DC mengangkat air dari pukul 11.00-15.00 dengan daya listrik antara 54.23-76.32 Watt. Debit air yang bisa diangkat oleh pompa motor DC adalah sebanyak 8.478 liter/menit, dalam sehari air yang bisa diangkat sebanyak 2543.4 liter. Kata kunci: panel surya, pompa DC, debit air I. PENDAHULUAN Salah satu sumber energi alternatif yang memiliki potensi yang sangat besar di tanah air adalah energi surya / tenaga matahari. Tiap tahun matahari mengeluarkan energi sebesar 745 ribu triliun kwh energi matahari sampai ke bumi. Didukung oleh letak geografis Indonesia pada daerah khatulistiwa yang sangat potensial, yang mengakibatkan intensitas radiasi matahari yang bisa dimanfaatkan cukup merata sepanjang tahun. Berdasarkan data penyinaran yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, sumber energi surya di Indonesia memiliki intensitas ratarata sekitar 4.8 kwh/m2/hari dan provinsi Bali memiliki intensitas rata-rata sebesar 5.263 kwh/m2/hari. Hal ini sangat mungkin memanfaatkan energi matahari sebagai energi alternatif yang dapat digunakan bagi kehidupan manusia. Keunggulan energi matahari adalah bebas dari polusi, tersedia hampir dimana-mana dan terus menerus sepanjang tahun. Adapun salah satu pemanfaatan energi matahari adalah sebagai pembangkit listrik untuk penggerak pompa air. Berdasarkan data Badan Pusat Statistik Propinsi Bali tahun 2010 dengan jumlah penduduk di Bali sebanyak 3.146.999 jiwa dan jumlah penduduk di kabupaten Gianyar sebanyak 469.777 jiwa dengan kebutuhan air perorang di kabupaten Gianyar sebanyak 100-150 liter perhari[4]. Berdasarkan permasalahan yang muncul di masyarakat, dibuatlah suatu penelitian tentang rancang bangun sistem pengangkatan air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya untuk mengetahui debit air yang bisa diangkat selama sehari. Solarsel yang digunakan dalam penelitian ini, adalah berjenis Polycrystalline atau multi-crystalline (Si) yang berada di laboratorium workshop Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Karena keluaran dari solar cell tidak stabil (konstan) dibuatlah suatu sistem control, berupa regulator penyetabil tegangan agar motor DC mendapatkan tegangan yang konstan sehingga motor DC berkerja secara optimal. Bila pompa DC berkerja terus menerus hidup tanpa ada air yang diangkat, maka pompa DC akan cepat mengalami kerusakan. Sehingga di tambahkan sistem kontrol mikrokontroler atmega8535 pada pompa DC untuk mengontrol ketinggian air. Apabila ketinggian air tidak memenuhi syarat maka pompa DC tidak akan bekerja. II. A. Potensi Matahari KAJIAN PUSTAKA Indonesia merupakan daerah sekitar katulistiwa dan daerah tropis dengan luas daratan hampir 2 juta Km2, dikaruniai penyinaran matahari lebih dari 6 jam sehari atau 2.400 jam dalam setahun. Pada keadaan cuaca cerah permukaan bumi menerima sekitar 1000Wh/m2[2] Pemanfaatan energi surya sebagai sumber energi listrik di Indonesia ditargetkan akan mencapai 25 90
MW pada tahun 2020. Selain untuk memenuhi listrik pedesaan, energi surya diharapkan juga mampu berperan sebagai salah satu sumber energi alternatif di wilayah perkotaan, yang dimanfaatkan untuk lampu penerangan jalan, penyediaan listrik untuk rumah peribadahan, sarana umum, sarana pelayanan kesehatan seperti rumah sakit, Puskesmas, Posyandu, dan Rumah Bersalin, Kantor Pelayanan Umum Pemerintah, hingga untuk pompa air (solar power supply for waterpump) yang digunakan untuk pengairan irigasi atau sumber air bersih[6]. B. Photovoltai[1] Photovoltaic (PV) adalah suatu sistem atau cara langsung (direct) untuk mentransfer radiasi matahari atau energi cahaya menjadi energi listrik. Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek photovoltaic. Efek photovoltaic adalah fenomena dimana suatu sel photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi listrik. Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu fenomena munculnya voltase listrik akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan atau cairan saat diexpose di bawah energi cahaya. Energi solar atau radiasi cahaya terdiri dari biasan foton-foton yang memiliki tingkat energi yang berbeda-beda. Perbedaan tingkat energi dari foton cahaya inilah yang akan menentukan panjang gelombang dari spektrum cahaya. Foton yang terserap oleh sel PV inilah yang akan memicu timbulnya energi listrik. Ilustrasi mekanisme sel PV secara sederhana ditunjukkan pada gambar 2.1 berikut ini: C. Pompa Gambar 2.1 Skema Sederhana Sistem Sel PV. Pompa adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengalirkan, memindahkan dan mensirkulasikan zat cair incompressible dengan cara menaikan tekanan dan kecepatan dari suatu tempat ke tempat lain, atau dengan kata lain pompa adalah alat yang merubah energi mekanik dari suatu alat penggerak (driver) menjadi energi potensial yang berupa head, sehingga zat cair tersebut memiliki tekanan sesuai dengan head yang dimilikinya [3]. 1. Prinsip Kerja Pompa Prinsip kerja pompa adalah menghisap dan melakukan penekanan terhadap fluida. Pada sisi hisap pompa (suction) elemen pompa akan menurunkan tekanan dalam ruang pompa sehingga akan terjadi perbedaan tekanan antara ruang pompa dengan permukaan fluida yang dihisap. Akibatnya fluida akan mengalir ke ruang pompa. Oleh elemen pompa fluida ini akan didorong atau diberikan tekanan sehingga fluida akan mengalir ke dalam saluran tekan (discharge) melalui lubang tekan[3].. Klasifikasi Pompa menurut prinsip dan cara kerjanya dapat diklasifikasikan menjadi 2 yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). 2. Jenis pompa berdasarkan letak penempatannya. Berdasarkan letak penempatan pompa dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu: Pompa Turbin Vertikal (Vertical Turbine Pump) dan Pompa Benam (Submersible Pump) Pompa benam merupakan pompa sentrifugal yang melekat ke motor listrik dan beroperasi terendam dalam air. Motor listrik dipasang satu poros dengan impeller. Kapasitas pompa ditentukan oleh lebarnya baling-baling impeller dan tekanan ditentukan oleh jumlah impeller. D. Regulator Regulator adalah rangkaian regulasi atau pengatur tegangan keluaran dari sebuah catu daya agar efek dari naik atau turunnya tegangan jala-jala tidak mempengaruhi tegangan catu daya sehingga menjadi stabil. E. Mikrokontroler [3] Mikrokontroler merupakan keseluruhan sistem komputer yang dikemas menjadi sebuah chip di mana di dalamnya sudah terdapat Mikroprosesor, I/O, Memori bahkan ADC, berbeda dengan Mikroprosesor yang berfungsi sebagai pemroses data. Mikrokontroller AVR (Alf and Vegard s Risc processor) memiliki arsitektur 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock atau dikenal dengan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing). Secara umum, AVR dapat dikelompokan ke dalam 4 kelas, yaitu keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing adalah kapasitas memori, peripheral dan fungsinya. III. METODE PENELITIAN Analisis data dilakukan secara deskritif, dengan analisa perhitungan pada data yang diperoleh dengan urutan sebagai berikut: 1. Menentukan jenis pompa DC berdasarkan debit air yang bisa diangkat sesuai dengan kebutuhan yang di perlukan. 2. Menentukan pemasangan dan jumlah panel surya yang akan digunakan pada rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya 3. Pengukuran debit air yang bisa diangkat oleh pompa DC 4. Daya total yang dibutuhkan pada rancang bangun tenaga surya 91
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Berisikan hasil pengukuran, perhitungan dan analisan dari rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya. A. Rancang Bangun Pompa Air Menggunakan Motor DC Dengan Sumber Listrik Tenaga Surya Memakai Mikrocontroller Panel Surya Regulator 12 Volt 10 Amp Regulator 12 Volt 1.5 Amp Regulator 5 Volt 1.5 Amp Relay DC 12 Volt 10 Amp Sensor Tegangan LCD Gambar 4.1 Diagram Blok Hardware Pada gambar 4.1 dapat dijelaskan bahwa output dari panel surya dibebani dengan regulator 12 Volt/10 Amp, 12 Volt/1.5 Amp, dan regulator 5 Volt/1.5 Amp. Regulator 12 Volt/10 Amp dibebani dengan pompa DC sedangkan regulator 12 Volt/1.5 Amp dibebani dengan relay DC 12 volt yang nantinya digunakan sebagai driver relay pompa DC atau digunakan sebagai saklar ON/OFF pada pompa DC. Regulator 5 Volt/1.5 Amp dibebani dengan sensor tegangan, LCD dan sensor ultrasonik pada Water Level Control (WLC). c d f Pompa DC 12 Volt / 5Amp Mikro Atmega 8535 Water Level Control B. Pengujian Dan Pembahasan Rancang Bangun Pompa Air Menggunakan Motor DC Dengan Sumber Listrik Tenaga Surya Pengujian dan pembahasan rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya memakai mikrocontroller dilakukan dengan menguji tiap bagian yang dibuat meliputi: 1. Pengujian Rangkaian Panel Surya 2. Regulator 12 Volt 3. Regulator 5 Volt 4. LCD 16 x 2 5. Sensor Tegangan 6. Water Level Control (WLC) 1. Pengujian Dan Pembahasan Panel Surya Panel surya merupakan suatu komponen yang digunakan untuk mengkonversi sinar matahari menjadi energi listrik dengan cara melepaskan elektron bebas kedalam suatu atom. Rangkaian pengujian untuk tegangan dan arus panel surya dibebani dengan tahanan 1 ohm dapat dilihat pada gambar 4.3. Gambar 4.3 Rangkaian Pengukuran Tegangan Panel Surya Dengan Beban 1 Ohm 2. Regulator 12 Volt Yang Dibebani Dengan Pompa DC Pompa DC merupakan alat yang digunakan untuk men gangkat air dengan penggerak motor DC. a b e g h Gambar 4.4 Diagram Blok Regulator 12 Volt Yang Dibebani Dengan Pompa DC Gambar 4.2 Realisasi Alat Keterangan gambar: a. Input panel surya b. Rangkain regulator 12 Volt beban Pompa c. Rangkain regulator 12 Volt dan regulator 5 Volt d. Rangkain sensor tegangan e. Rangkain relay 12 Volt f. Rangkain mikrocontroller g. Rangkain LCD 2x16 h. Sensor ultrasonik i. Pompa DC 12 Volt/5 Amp i 3. Regulator 5 Volt Yang Dibebani Dengan Sistem Control Mikrocontroller Mikrocontroller merupakan komponen yang digunakan sebagai control dan pengolahan data pada sistem rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya. Gambar 4.5 Diagram Blok Pengukuran Tegangan Regulator 5 Volt Yang Dibebani Dengan Mikrocontroller 92
4. Regulator 5 Volt Yang Dibebani Dengan Liquid Cristal Display (LCD ) Liquid Cristal Display (LCD) merupakan komponen yang digunakan untuk menampilkan data pada sistem rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya baik hasil pengukuran maupun output sensor. Diagram blok pengukuran tegangan Liquid Cristal Display (LCD) dapat dilihat pada gambar 6. sebagai indikator ketinggian air pada bak penampung dan sebagai sensor pada relay untuk melakukan kerja ON/OFF pada pompa DC. Diagram blok water level control (WLC) dapat dilihat pada gambar 4.9. Gambar 4.6 Diagram Blok Pengukuran Tegangan Regulator 5 Volt Yang Dibebani Dengan Liquid Cristal Display (LCD) 5. Pengujian dan Pembahasan ADC Dari Mikrokontroler Pengujian dan pembahasan ADC pada mikrokontroler digunakan pada pembacaan sensor tegangan. Pengujian ini dilakukan agar sensor tegangan dapat dipastikan bekerja dengan baik. Diagram blok pengujian ADC dari Mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 7. + - Trimpot Variable Resistor Multimeter LCD 2x16 PBO1, PBO2,..PBO7 Mikrocontroler Gambar 4.7 Diagram Blok Pengujian ADC Pada Mikrokontroler 6. Pengujian dan Pembahasan LCD LCD merupakan suatu komponen alat yang digunakan untuk menampilkan output dari hasil pengukuran dan pengujian komponen-komponen lainnya dalam bentuk digital. LCD yang digunakan dalam penelitian rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya bertipe. Diagram blok pada pengujian LCD dapat dilihat pada gambar 4.8. LCD 2x16 PB0.PB1..PBO7 Mikrocontroller Gambar 4.8 Diagram blok Pengujian LCD 7. Pengujian dan Pembahasan Water Level Control (WLC) Water level control (WLC) merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengetahui ketinggian air pada suatu tempat. Water level control (WLC) disini digunakan Gambar 4.9 Diagram Blok Dari Water Level Control (WLC). Berdasarkan gambar 4.9 diagram blok dari water level control (WLC), bahwa pada rangkaian water level control hanya menggunakan sistem pemancaran gelombang ultrasonik yang nantinya dipantulkan kembali. Hasil pantulan tersebut nantinya didapatkan jarak dari permukaan air ke sensor ultrasonik. Jarak yang didapat nantinya digunakan sebagai penanda pompa bekerja atau tidak C. Analisa Rancang Bangun Pompa Air Menggunakan Motor DC Dengan Sumber Listrik Tenaga Surya Pada rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya memakai mikrocontroller menggunakan 4 buah modul panel surya. Panel surya yang digunakan adalah berjenis Poly-crystalline atau multi-crystalline (Si) yang berada di laboratorium work shop Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Pengukuran pada rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya dilakukan setiap 1 jam sekali dari pukul 07.00-18.00 untuk mengetahui keluaran dari panel surya dengan alat ukur Multimeter. Panel surya dibebani dengan regulator 12 Volt/ 10 Amp, regulator 12 Volt/ 1.5 Amp dan regulator 5 Volt/ 1.5 Amp. Regulator 12 Volt/ 10 Amp menggunakan IC7812 dan 4 buah transistor 2N3055 dengan output tegangan sebesar 11.73 Volt yang dibebani dengan pompa DC. Sedangkan regulator 12 Volt/ 1.5 Amp menggunakan IC7812 dengan output tegangan sebesar 11.73 dan arus sebesar 1.278 Amp dibebani dengan relay DC 12 Volt digunakan untuk driver relay pompa DC. Regulator 5 Volt/ 1.5 Amp menggunakan IC7805 dengan output tegangan 4.92 Volt dan arus 1.265 Amp. Regulator 5 Volt dibedani dengan microcontroller, LCD dan sensor ultrasonik HY- SRF05. Pada sistem control menggunakan mikrocontroller, dengan kebutuhan tegangan sebesar 4.92 Volt dan arus sebesar 0.006 Amp jadi konsumsi daya sebesar 0.0295 Watt. Pada LCD ditampilkan hasil pengukuran tegangan dari sensor tegangan dan jarak air ke sensor ultrasonik. Dengan konsumsi daya listrik sebesar 0.196 Watt, tegangan sebesar 4.90 Volt dan arus sebesar 93
0.040 Amp. Water level control (WLC) menggunakan sensor ultrasonik jenis HY- SRF05 sebagai sensor pada penanda ketinggian air dengan jarak yang bisa di deteksi oleh sensor ultrasonik HY- SRF05 adalah sejauh 300 cm dengan persentase kesalahan pengukuran sebesar 0.33% sampai 0.66% atau sekitar 1-2 cm. Bak penampungan air (tandon) menggunakan drum dengan tinggi 90 cm dan diameter 60 cm. Berdasarkan hasil penelitian rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya diatas, pompa DC dapat bekerja ketika mendapatkan supply daya listrik sebesar 39.042-76.32 Watt (Tabel 4.5) dari pukul 09.00-16.00. Pompa DC dapat mengangkat air ketika mendapatkan supply daya listrik sebesar 54.23-76.32 Watt pada pukul 11.00-15.00 dengan haed pompa setinggi 300 cm. Pompa DC akan dapat mengangkat air apabila daya yang dibutuhkan oleh pompa DC terpenuhi dengan tegangan maksimum sebesar 12 Volt. Aplikasi pompa DC digunakan pada saat musim kemarau dengan pemakaian pada pagi hingga sore hari dengan sistem tendon yang nantinya air yang ditampung pada tendon dapat digunakan pada malam hari sedangkan untuk malam hari sistem pompa DC tidak dapat bekerja. Total konsumsi daya listrik untuk rancang bangun tenaga surya memakai mikrocontroller adalah sebesar 61.128 Watt. Debit air yang bisa diangkat oleh pompa DC adalah sebanyak 8.478 liter/menit jadi selama 1 jam pompa DC dapat mengangkat air sebanyak 508.68 liter. Karena pompa DC dapat bekerja secara maksimal selama 5 jam maka dalam sehari air yang bisa diangkat oleh pompa DC sebanyak 2543.4 liter. Berdasarkan data Badan Pusat Statistik Propinsi Bali tahun 2010 dengan jumlah penduduk di Bali sebanyak 3.146.999 jiwa dan jumlah penduduk di kabupaten Gianyar sebanyak 469.777 jiwa maka dapat diasumsikan kebutuhan air perorang di kabupaten Gianyar sebanyak 100-150 liter perhari (Standar kebutuhan air domestik dari Departemen Pemukiman dan Prasarana Wilayah tahun 2003 dan SNI tahun 2002). Karena kebutuhan air perorang sebanyak 100-150 liter/hari maka dengan untuk rancang bangun tenaga surya sudah dapat memenuhi kebutuhan untuk 15 orang dalam satu kepala keluarga (KK). V. KESIMPULAN buah modul panel surya berjenis Poly-crystalline atau multi-crystalline (Si). Berdasarkan penelitian yang dilakukan selama 7 hari didapatkan daya maksimum dari 4 buah modul panel surya adalah sebesar 131.86 Watt. Jadi dapat disimpulkan bahwa panel surya yang digunakan dapat dibebani dengan pompa DC. 2. Debit air yang bisa diangkat oleh pompa DC adalah sebanyak 8.478 liter/menit dengan delivery head sejauh 300 Cm. Jadi selama 1 jam pompa DC dapat mengangkat air sebanyak 508.68 liter. Karena pompa DC dapat bekerja secara maksimal selama 5 jam dengan kondisi cuaca cerah maka dalam sehari air yang bisa diangkat oleh pompa DC sebanyak 2543.4 liter. 3. Total konsumsi daya listrik untuk rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya memakai mikrocontroller adalah sebesar 61.128 Watt. B. Saran 1. Apabila ingin sistem rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya bekerja pada malam hari maka perlu ditambahkan sumber penyimpan energi listrik (Baterai) yang nantinya bisa digunakan untuk back up sistem pada malam hari 2. Untuk mendapatkan Maksimum peak sun hour per day dari panel surya perlu ditambahkan tracker pada sistem rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya Referensi [1] Messenger, R A., Ventre, J. 2004. Photovoltaic Systems Engineering Second Edition. CRC Press LLC [2] Damastuti, A,P, 2011. Pembangkit Listrik Tenaga Surya, http:// www.panelsurya.com (diakses pada 5 April 2012) [3] Sularso. 2004. Pompa Dan Komperesor : Pemilihan, Pemakaian Dan Pemeliharaan. Bandung: PT Pradnya Paramita. [4] Wardana Lingga. 2006. Belajar Sendiri Mikrokontroler AVR Seri ATMega8535 Simulasi, Hardware dan Aplikasi. Yogyakarta : Andi. [5].2010. Luas Wilayah, Jumlah Rumah Tangga, dan Jumlah Penduduk Hasil Sensus Penduduk Menurut Kabupaten/Kota di Bali. http://bali.bps.go.id/bali2.rss (diakses pada 10/1/2012) [6]. 2009. Kinerja Sektor ESDM Tahun 2009. Http: //www. isdm.go.id. Minggu, 31 Januari 2012. A. Kesimpulan 1. Pada rancang bangun pompa air menggunakan motor DC dengan sumber listrik tenaga surya menggunakan 4 94