aplikasi sistem pompa air tenaga pv surya atap 2x150 wp
TRANSCRIPT
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021, Hlm. 149- 168,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X, doi: http://dx.doi.org/10.25105/jetri.v18i2.9345
Received 12 September 2020, revised 26 Januari 2021, accepted 17 Juni 2021
Aplikasi Sistem Pompa Air Tenaga PV Surya Atap
2x150 Wp Untuk Kantin Karfati Di Gedung E,
Universitas Trisakti
Chairul Gagarin Irianto, Maulasukma Widjaya, Ishak Kasim , Syamsir Abduh,
Dianing Novita Nurmala Putri*
Department of Electrical Engineering, Faculty of Industrial Engineering. Universitas
Trisakti, Jl. Kyai Tapa No.1 Grogol, Jakarta Barat
*E-mail: [email protected]@trisakti.ac.id
ABSTRACT
In this study, a simple, consumable water purification system with a photovoltaic (PV) solar
domestic ac motor has been designed and implemented in the Karfati canteen, E Building,
Campus A, Usakti. The single phase ac pump motor, 135Watt is used to transfer water from
the storage pool to the temporary storage tank and then filter it by gravity, it is flowed through
the pipe to the clean water storage tank before being distributed to ten canteen kiosk. The
optimum solar panel is chosen according to the calculation of the maximum power required
by the motor. The energy needs of the pump motor have been provided from solar panels and
batteries through an inverter. Fixed installation of solar pv panels on the roof of building E
facing 15 degrees north to optimize radiation efficiency of the system. The selection of an
inverter system that matches the characteristics of the ac pump engine is developed to ensure
the supply of the ac pump motor when it is started safely. Optimization of the solar PV water
pump system is equipped with an array of 2 2x150 Wp pv modules, 500 VA inverters, 100 Ah
batteries to supply 135 W, 220V, 50Hz pump engine power to produce clean water around
1000 liters per day in the Karfati canteen.
Keywords: solar power, pv panels, domestic pump engines, water filters
ABSTRAK
Dalam penelitian ini, sistem penjernihan air sederhana layak konsumsi dengan motor ac
domestik tenaga photovoltaic (PV) surya telah dirancang dan diterapkan di kantin Karfati
Gedung E, Kampus A, Usakti. Motor pompa ac satu fasa, 135 Watt digunakan untuk
memindahkan air baku dari kolam penampungan ke tangki penyimpanan sementara dan
selanjutnya memfiltrasinya secara grafitasi dialirkan melalui pipa ke tangki penyimpanan air
bersih sebelum didistribusikan ke sepuluh kiosk kantin. Panel surya optimum dipilih sesuai
perhitungan daya maksimum yang dibutuhkan motor. Kebutuhan energi motor pompa telah
disediakan dari panel surya dan baterai melalui inverter. pemasangan fix panel pv surya di
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
150
atap gedung E menghadap utara 15 derajat untuk mengoptimalkan radiasi efisiensi sistem.
Pemilihan system inverter yang sesuai karakteristik mesin pompa ac dikembangkan untuk
menjamin suplai motor pompa ac saat diasut dengan aman. Optimalisasi sistem pompa air
tenaga PV surya dilengkapi dengan array dari 2 modul pv 2x150 Wp, inverter 500 VA, baterai
100 Ah mencatu daya mesin pompa 135 W, 220V, 50Hz untuk memproduksi air bersih sekitar
1000 liter per hari di kantin Karfati.
Kata Kunci: tenaga surya, panel pv, mesin pompa domestik, filter air.
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
151
1. Pendahuluan
Penggunaan energi surya untuk pemompaan air pada instalasi penjernihan air
merupakan kebutuhan penting dimana jika mutu air baku yang tersedia tidak memadai
dari aspek kesehatan, kebersihan dan kesegaran. Meningkatnya permintaan air bersih
dan sehat di gedung-gedung perkantoran dan sekolah menambah minat dalam
penggunaan panel surya sebagai sumber energi bersih alternatif di kota-kota besar.
Bagian utama dari sistem pemompaan yang saat ini sering diterapkan sebagai aktuator
listrik adalah motor DC atau motor AC. Masalah-masalah biaya dan pemeliharaan
motor-motor ini telah mendorong industri untuk dilengkapi dengan motor induksi
yang dengan demikian merupakan alternatif baru.
Kegiatan disain ini melibatkan penyediaan air bersih untuk diaplikasikan pada
kantin Karfati di Gedung E Teknik Elektro Kampus A Universitas Trisakti, Grogol,
Jakarta Barat. Gedung E memiliki kolam penampungan air PAM bawah tanah di
halaman belakang gedung dekat dengan kios-kios kantin. Ada terdapat 10 sepuluh kios
kantin yang direncanakan bisa memanfaatkan air olahan dari sistem pemompaan air
bersih bertenaga PV surya dengan filter. Atap Gedung E yang luas dan bebas dari
bayangan merupakan tempat ideal untuk pemasangan panel surya dimana dari terbit
hingga terbenam matahari, panel surya selalu mendapat sinar matahari.
Pemasangan pompa surya adalah kerja yang kompleks, menggabungkan unsur
pekerjaan instalasi listrik dan mekanik, pemipaan air, dan konstruksi metal dan konkrit
bangunan. Untuk mengetahui bagaimana mengukur dan merancang sistem
pemompaan air panel surya dengan benar perlu diketahui dan dilengkapi dengan data
pendukung. Beberapa diantaranya adalah berapa volume dan kapan waktunya air
dibutuhkan; dari mana asal sumber air; berapa ukuran ketersediaan debit air [liter per
detik]; berapa jarak dan ketinggian pemompaan air; bagaimana mutu air [tingkat
kandungan lumpur atau mineral] yang dapat merusak pompa; berapa volume tangki
penyimpanan air dan bagaimana pengaturan tangki.
Lingkungan sekitar lokasi penelitian merupakan lokasi sementara untuk
kegiatan kerja bangunan, kantin, kios fotokopi, area parkir motor, dan area ramai lalu-
lalang mahasiswa, karyawan dan pekerja bangunan. Ukuran volume kolam
penampungan air cukup besar, jarang dikuras, tempat genangan air hujan, seringkali
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
152
air ditimba langsung oleh pekerja kantin dari atas lubang kolam penampungan
menggunakan ember dan tali. Kondisi saat ini kantin Karfati mendapatkan pasokan air
PAM, dari kolam penampungan bawah tanah gedung E, yang dipompakan ke tangki
penampungan air harian berkapasitas 5000 liter yang terletak di atap lantai 8 gedung
E. Karena air dipasok dari tangki penampungan harian dan yang berasal dari kolam
penampungan dimana kedua media simpanan air tersebut jarang dikuras, kualitas
airnya jelek, berlumpur dan sering mengandung kotoran yang jatuh di permukaan air
kolam penampungan. Hal ini menciptakan situasi berisiko tinggi bagi konsumen
kantin, karena air yang didapatkan terkontaminasi dan dapat menyebabkan penyakit
yang ditularkan melalui air apabila tidak dikelola dengan baik, salah satu upayanya
dengan filter air.
Melihat latar belakang kondisi sekitar dapat diidentifikasi permasalahan bahwa
tingkat kebersihan, kesehatan, dan mutu air bersih layak konsumsi perlu diperiksa
untuk kemudian diusulkan upaya perbaikannya
2. Metodologi Penelitian
Pompa PV terdiri dari sejumlah komponen dengan fungsi dan karakteristik kinerja
spesifik dari masing-masing komponen tersebut. Ada array pv yang mengubah energy
matahari langsung menjadi listrik dc. Pompa pv memiliki penggerak motor listrik
untuk menghasilkan output daya hisap dan dorong optimal. Baterai dirancang untuk
mampu menyimpan surplus energy solar selama periode cuaca cerah. Karakteristik-
karakteristik dari komponen-komponen pompa pv ini perlu disesuaikan untuk
mendapatkan kinerja sistem pompa pv solar yang optimal.
2.1 Sistem Pompa Air Tenaga PV Surya Atap
Pemompaan air tenaga surya didasarkan pada teknologi PV yang mengubah sinar
matahari menjadi listrik untuk memompa air.Panel PV terhubung ke motor (DC atau
AC) yang mengubah energi listrik yang dipasok oleh panel PV menjadi energi
mekanik yang diubah menjadi energi hidrolik oleh pompa. Kapasitas sistem pompa
surya untuk memompa air adalah fungsi dari tiga variabel utama: tekanan, aliran, dan
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
153
daya ke pompa. Untuk keperluan desain, tekanan dapat dianggap sebagai kerja yang
dilakukan oleh pompa untuk mengangkat sejumlah air ke tangki penyimpanan.Skema
dari sistem pemompaan air photovoltaic DC surya ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Blok diagram sistem pemompaan air PV dengan penyimpanan baterai
[1]
Pada penelitian pompa air bertenaga surya ini array terdiri dari susunan seri-paralel
unit modul panel PV. Susunan panel surya diletakkan pada atap gedung untuk
mendapatkan radiasi yang maksimal dari garis edar matahari.
2.2 PV Surya Untuk Kebutuhan Beban Dasar Pompa Air
Kebutuhan beban dasar system pv surya adalah dengan mengoperasikan pompa air
selama waktu pengisian tangki penampungan air hingga penuh.
Dengan memahami proses konversi energi dapat diketahui perhitungan kemampuan
PV surya menghasilkan daya output panel dengan memperhatikan parameter-
parameter faktor kinerja dan efisiensi sistem, seperti pada Tabel 1.
Tabel 1 Model pembangkitan tenaga dengan baterai [3]
Parameter Efisiensi atau Faktor SHS
𝐴 Efisiensi konversi dari PV (kotoran, suhu dll) 0.12-0.14
𝐵 Efisiensi pengisian baterai 0.80-0.90
𝐼 Efisiensi inverter 1
𝐾𝑃𝑉 Faktor rugi-rugi array PV 0.7-0.9
Array panel
PV
Inverter
DC/ACMotor induksi 1-fasa
Tangki air
baku
Bak kolam air
baku
Filter air Tangki air
bersih
Baterai
Ah, Vdc
Radiasi
Matahari
Energi Surya → Energy Listrik → Energy Mekanik
Kantin Karfati
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
154
Parameter Efisiensi atau Faktor SHS
𝐾𝐵𝐶 Faktor kontrol dalam pengisian baterai 0.9
𝐾𝑃𝐴 Faktor rugi-rugi sirkuit
Rasio kinerja 0.90-0.95
K Rasio kinerja 0.60-0.70
Berdasarkan Tabel 1 dapat dirancang sistem pompa PV surya dengan bagaimana
mengetahui berapa jumlah panel pv dan kapasitas daya watt-peak per modul panel pv
yang dibutuhkan untuk memenuhi perkiraan beban harian dari pompa pv surya di
kantin Karfati.Selain parameter factor dan efisiensi panel juga perlu diperhatikan
spesifikasi elektrik dan fisik dari lembar panel pv dalam merancang sistem pompa pv
surya, seperti contoh pada Tabel 2.
Tabel 2 Spesifikasi panel surya 150 Wp
Spesifikasi Keterangan
Daya maksimum(Pmax) 150W
Tegangan pada Daya maksimum(Vmp) 17,6V
Arus pada Daya maksimum(Imp) 8.53A
Tegangan rangkaian terbuka (Voc) 22,6V
Arus Hubung Singkat(Isc) 9.01A
Temperature Sel kerja Nominal (NOCT) 45±2°C
Tegangan Sistem Maksimum 1000V
Sikring 11A
Berat 11Kg
Dimensi 1470x670x30mm
2.3.Inverter
Ukuran inverter harus dihitung sebagai total beban terhubung ke sistem panel PV.
Untuk beban arus bolak balik AC, konsumsi energi [Watt-jam] dihitung untuk setiap
alat, dan konsumsi daya total dari semua peralatan dijumlahkan pada saat kondisi kerja
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
155
mesin. Untuk daya nyata (VA) seperti yang ditunjukkan pada motor harus diubah
menjadi daya aktif dengan persamaan (1).
● 𝑃 = 𝑆 𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 𝜑
(1)
Dimana:
P adalah 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓,[W]
S adalah daya semu, [VA]
● 𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 𝜑 adalah faktor daya saat motor kondisi berputar
●
● Untuk mesin pompa dengan daya Watt jika faktor daya saat di-asut adalah sama
dengan 0,3 maka kebutuhan daya nyata adalah, [PC. Sen]
𝑆𝑎𝑠𝑢𝑡 =𝑃
0,3= 3,33 𝑃 (2)
1.1. Baterai yang dibutuhkan
Baterai memiliki peran menyediakan cadangan daya pada hari hujan/mendung serta
peran memasok daya untuk beban di malam hari.Karena itu, baterai harus memiliki
kapasitas yang bisa memasok tenaga listrik meski cuaca hujan terus berlangsung
selama beberapa hari.Kapasitas baterai harus ditentukan dengan mengandalkan aspek
yaitu keandalan catu daya dan faktor ekonomi.
Kapasitas penyimpanan baterai untuk sistem PV dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (3).
𝐵𝑘𝑊ℎ =𝐸𝑝∙𝑁𝑑∙𝑅𝐵
(𝐶𝐵𝐷∙𝑈𝐵∙𝛿𝐵𝐷) (3)
Dimana:
𝐵𝑘𝑊ℎ: Kapasitas baterai (kWh)
ELBd: Permintaan daya sehari (kWh/hari) daya tergantung pada baterai,(𝐸𝐿𝐵𝐷 =𝐸𝑃
𝐼)
𝑁𝑑: Jumlah hari tanpa sinar matahari kontinyu (3- 5)
𝑅𝐵: Desain margin baterai (1.0 - 1.3)
𝐶𝐵𝐷: Faktor degradasi (biasanya = 1.0)
𝑈𝐵: Kedalaman discharge yang tersedia (0,5 - 0,8)
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
156
𝛿𝐵𝐷Rasio drop tegangan saat discharge
2.4 Motor yang dibutuhkan
Mesin pompa air pada sistem PV biasanya adalah motor DC. Motor DC ini
menggunakan output DC dari panel PV secara langsung. Tetapi umumnya pilihan
pompa air yang tersedia di pasaran domestic untuk berbagai jenis aplikasi serta ukuran
kapasitas daya adalah pompa ac. Sedangkan aplikasi jenis pompa DC ukuran dayanya
lebih terbatas dan pabrik pembuatannya tidak ada di dalam negeri. Motor dc jenis sikat
memerlukan perawatan dan penggantian secara berkala karena komutator dan kontak
sikat geser yang mudah aus.Selain itu sistem jaringan utilitas adalah listrik ac oleh
karenanya pengoperasian motor dc diperlukan penyearah dari ac ke dc sehingga
pilihan motor dc menjadi lebih mahal.
Saat ini, motor induksi yang digerakkan dengan inverter kecepatan-variable adalah
motor standar untuk aplikasi pemompaan air tenaga surya. Hal ini karena motor ac
lebih simpel, lebih murah, dan mudah perawatannya serta lebih kuat dan andal
dibandingkan dengan motor DC (Vitorino, De Rossiter Corrêa, Jacobina, & Lima,
2011).
2.5 Tangki Penampungan Air yang Dibutuhkan dan Unit Filter Air
Untuk mendapatkan air bersih dari air baku dengan memanfaatkan filter komersil
disediakan dua tangki air masing-masing memiliki kapasitas 250 liter. Tangki pertama
(atau 1) berfungsi sebagai tangki penyimpanan sementara air baku yang dipompa dari
kolam penampungan air pam dan tangki kedua (2) untuk menyimpan air bersih hasil
filtrasi. Untuk mencukupi kebutuhan air bersih harian kantin Karfati maka kedua
tangki air ini harus selalu dalam kondisi penuh terisi air.Tangki-tangki ini cukup besar
menampung lebih banyak volume air yang diperlukan mengingat desain sistem baru
dibangun dari belum ada serta mengantisipasi kebutuhan masa depan.
Perkiraan jumlah air yang dipompa setiap hari didasarkan dari hasil akumulasi
kebutuhan air setiap kiosk dikalikan dengan jumlah kiosk yang beroperasi di kantin
Karfati.Dari sini dapat ditentukan jumlah total air yang perlu dipompa adalah sekitar
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
157
1000 liter/hari. Dalam perkiraan jadwal air, pompa akan bekerja selama 1 - 2 jam setiap
hari dalam dua tahapan kerja yaitu tahap pengisian tangki 1 dan tahap filtrasi dan
pengisian tangki 2. Pada tahap pertama air pam dari kolam penyimpanan didorong
dengan pompa air menuju tangki 1 yang membutuhkan waktu 18 menit.Kemudian,
pompa dimatikan secara otomatis ketika tangki 1 terisi penuh.Pada tahap dua adalah
tahapan filterisasi, air baku dari tangki 1 dialirkan secara gravitasi melewati filter air
untuk mendapatkan air bersih yang kemudian hasil filterisasi air seluruhnya ditampung
di tangki 2. Ketika tangki 2 telah penuh terisi selanjutnya pompa dinyalakan kembali
untuk mengangkat air baku dan mengisi hingga penuh tangki 1, demikian seterusnya
tahapan filterisasi dan pengisian kembali dilaksanakan secara berulang.
Setiap awal hari tangki 1 dan tangki 2 masing-masing berisi air baku dan air bersih
sebanyak 250 liter. Air Bersih dari tangki 2 ini siap disalurkan melalui pipa ke kiosk
kantin untuk persiapan memasak dan mencuci bahan-bahan makanan dan peralatan
memasak.Pada waktu tertentu, jumlah air bersih yang dibutuhkan kantin minimum
yaitu pada sore dan malam hari atau hari libur.Pada saat itu, tangki-tangki berada pada
volume maksimum dan atau dilakukan pengurasan tangki untuk menjaga kebersihan
tangki dan kesehatan air bersih di kantin Karfati.
2.6 Hari Otonomi (Nd)
"Otonomi hari" adalah jumlah hari berawan atau hujan yang terus-menerus ketika
tingkat iradiasi tidak mencukupi untuk memberikan tingkat radiasi yang memadai ke
panel dalam sistem fotovoltaik surya, maka tingkat pengisian daya tidak cukup untuk
memberikan tenaga bagi permintaan selama periode tersebut.
3 Hasil dan Pembahasan
Lokasi penelitian Instalasi penjernihan air pv surya berdasarkan pada data
penyinaran matahari dengan software Sunearthtool pada tanggal 20 Juli 2017
diketahui bahwa lokasi pv surya berada pada koordinat Meridian / Greenwich Time
Mean +7, elevasi 59,340, azimuth, 331,250, lintang selatan 61681794, dan bujur timur
106,79146530.
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
158
3.1 Peta Lokasi Penelitian
Lokasi penelitian berada di bagian selatan khatulistiwa ini menyebabkan panel pv
surya harus dipasang menghadap utara untuk menangkap jumlah energy matahari yang
optimal sepanjang hari.Untuk gambar teknik denah terlampir seperti Gambar 2.
=Inverter
Baterai
Toren 1
Toren 2
Kabel ac 1-fasa, 50 m
Kabel dc, 50 m
Pipa air baku 0.5 inc, 50 m
Pipa air baku 0.5 inc,
30 m
Lantai 2
Lantai 1
Lantai 3
Lantai 8
Atap Gedung E
Bak penampungan
air baku Gd. E
Note :
Toren 1 tangki berisi air baku
Toren 2 tangki berisi air bersih hasil filterisasi air baku
Filter air
Mesin pompa air
ac 125 W, 220V
MCB
Pipa air bersih 0.5 inc, 9,420 m
Gambar 2 Skema sistem pemompaan air pv surya atap Gedung E
3.2 Kapasitas Energi Matahari Yang Tersedia
Untuk mendesain sistem pompa air bertenaga surya, perlu dihitung energi matahari
yang tersedia.Satuan data iradiasi yang digunakan untuk perancangan sistem PV harus
dikonversi menjadi kWh/m2/hari. Umumnya data iradiasi minimum digunakan untuk
memperkirakan secara konservatif energi yang tersedia dari matahari.Rata-rata iradiasi
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
159
rata-rata bulanan digunakan untuk menghitung kapasitas susunan dan baterai PV untuk
memastikan catu daya yang stabil sepanjang tahun.Data radiasi matahari untuk
wilayah Jakarta berdasarkan NASA Surface Meteorology and Surya Energy dengan
posisi lokasi pada Lokasi garis lintang utara - 6.3520 dan bujur timur 106,8930 selama
dua belas bulan diperoleh adalah 4,76 kWh/m2/hari. Berdasarkan nilai rata-rata
tahunan untuk lokasi adalah 4,76 kWh/m2/hari dan ini digunakan dalam desain sistem
suplai pemompaan tenaga surya.
3.3 Kapasitas Tangki Penampungan Air yang Dibutuhkan dan Filter
Perkiraan jumlah air yang dipompa setiap hari adalah sekitar 1000 liter.Ini
didasarkan pada perkiraan bahwa setiap kiosk kantin membutuhkan 80 – 100 liter air
sehari, dikalikan dengan total 10 kiosk makanan dan minuman. Dalam perkiraan
jadwal air, pompa akan bekerja selama 1 - 3 jam setiap hari dalam dua tahapan kerja
yaitu tahap pengisian tangki 1 waktu yang dibutuhkan mesin pompa air adalah 18
menit dan tahap filterisasi air dan menampungnya ke tangki 2 hingga penuh waktu
yang dibutuhkan adalah 12 menit. Pada tahapan pertama, pompa mengisi tangki 1,
penyimpan sementara air baku, dengan air pam hingga penuh. Kemudian, pompa
dimatikan secara otomatis ketika tangki 1 terisi penuh. Pada tahap dua adalah tahapan
filterisasi, air baku dari tangki 1 dialirkan secara gravitasi melewati filter air untuk
mendapatkan air bersih yang kemudian hasil filterisasi air seluruhnya ditampung di
tangki 2. Ketika tangki 2 telah penuh terisi selanjutnya pompa dinyalakan kembali
untuk mengangkat air baku dan mengisi hingga penuh tangki 1, demikian seterusnya
tahapan filterisasi dan pengisian kembali dilaksanakan secara berulang.
Selain pencatatan hasil parameter kinerja sistem kelistrikan penjernihan air baku
tenaga pv surya atap juga didapat kinerja unit filter air yaitu lama waktu filtrasi air
baku dari tangki 1 secara gravitasi melalui filter ke tangki 2 adalah selama 12 menit.
Dengan demikian, untuk memfiltrasi air baku dengan volume 250 liter dibutuhkan
waktu 12 menit, atau laju volume filtrasi adalah 41,67 liter per menit. Dengan
demikian, waktu yang dibutuhkan filter untuk menjernihkan air baku 1000 liter per
hari adalah 48 menit.
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
160
3.4 Desain Sistem Pompa Air Tenaga PV Surya Atap
Pada penelitian ini array terdiri dari susunan paralel dua unit modul panel PV.
Array diletakkan pada atap lantai 8 Gedung E untuk mendapatkan radiasi yang
maksimal dari garisedar matahari, seperti pada Gambar 19. Array ini terdiri dari dua
modul masing-masing 150 Wp, 12V DC dimana terminal-terminal 2 unit modul
dihubungkan paralel melalui kabel MC4 untuk menghasilkan sistem listrik 12 Volt
dc. Untuk memparalelkan terminal positif dan negative diantara dua modul pv
digunakan 2 unit joint kit MC 4, seperti terlihat Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 3 (a) Instalasi Array 2 unit modul pv, (b) Hubungan Paralel Terminal 2
Modul PV dan 2 Unit Joint Kit MC 4 [icasolar]
3.5 Kapasitas Inverter yang diperlukan
Array panel surya dihubungkan melalui kabel dc ke inverter dan baterai di lantai 3
sepanjang 50 meter. Kabel dc terdiri dari konduktor tembaga 2 x 6 mm2, jenis kabel
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
161
PV outdoor yang tahan terhadap cuaca. Kapasitas output inverter dc – ac adalah 500
VA, 220 V, 50 Hz, dan 1 unit baterai 100 Ah, 12V dc, seperti terlihat Gambar 4.
(a)
(b)
Gambar 4 (a) Instalasi perangkat inverter dan baterai, (b) Diagram Pengkabelan
Sistem Off-Grid Cerdas [icasolar]
Selanjutnya, inverter dan baterai dihubungkan dengan kabel ac NYA 1 x 6 mm2
hitam (negative) dan 1 x 6 mm2 merah (positif) sepanjang 1 meter.
3.6 Kapasitas Baterai yang Dibutuhkan
Dalam menentukan kapasitas baterai system pompa pv surya adalah dengan
menghitung berapa energi per hari yang dibutuhkan untuk 10 kiosk kantin Karfati. Jika
kebutuhan air setiap kiosk 100 liter maka jumlah air bersih total untuk kantin adalah
1000 liter per hari. Mesin pompa air 135 Watt mampu mengangkat air dari kolam
penampungan dan mengisi penuh tangki air kapasitas 250 liter selama waktu 18 menit.
Jadi kebutuhan energy pompa untuk mengisi dua tangki selama dua periode waktu
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
162
pengisian air baku dan dua periode waktu filtrasi air adalah 18 menit dikalikan dengan
empat periode waktu sama dengan 72 menit yaitu 135W x 1,2 jam atau 162 watt-jam.
Dengan persamaan () ditentukan kapasitas baterai, jika diketahui permintaan energy
beban untuk mengoperasikan mesin pompa air, EL = 162 Watt-jam/hari [Ep = EL] dan
dipilih parameter factor dan efisiensi diantaranya adalah: 𝐼 = 0,9 ; 𝑁𝑑= 3; 𝑅𝐵 = 1.0;
𝐶𝐵𝐷 = 1.0; 𝑈𝐵 = 0.5 dan 𝛿𝐵𝐷: 1.0
Maka, 𝐵𝑊ℎ =𝐸𝑝∙𝑁𝑑∙𝑅𝐵
(𝐶𝐵𝐷∙𝑈𝐵∙𝛿𝐵𝐷)=
162×3×1
(1×0.5×1)= 972 𝑊ℎ.
Berarti, kapasitas baterai yang dibutuhkan adalah 972 Wh. Jika tegangan baterai 12 V
maka kapasitas arus adalah 𝐼𝑉𝐴−ℎ =972
12= 81𝐴. Dengan demikian, dipilih kapasitas
baterai yang tersedia di pasaran adalah 100 Ah, 12 V dc.
3.7 Kapasitas Motor yang Dibutuhkan
Dari terminal output ac inverter ditarik kabel NYM 2 x 2,5 mm2 sepanjang 1 meter
ke stop kontak. Dari stop kontak pada lantai 3 ini dihubungkan ke mesin pompa air
menggunakan kabel NYM 2 x 1,5 mm2 sepanjang 36 meter dan dipisahkan melalui
MCB, 4 Ampere, 220 Volt yang terdapat di ruang instalasi kabel lantai dasar gedung
E, seperti pada Gambar 5 a) dan b).
(a) (b)
Gambar 5 (a) Instalasi mesin pompa air, dan (b)MCB 1-fasa.
Pompa air yang dipilih untuk ukuran dan tipenya adalah pompa air listrik
otomatis sumur dangkal Shimizu PS135E, 1 fasa, 220 V, 50 Hz, 1,3 A, 2900 ppm, arus
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
163
start 4 kali arus nominal. Jenis pendorongnya adalah pompa sentrifugal dengan motor
ac dirancang untuk digunakan dalam sistem pengiriman air menggunakan pipa paralon
dengan laju aliran hingga 28 liter/menit dan daya dorong maksimum 9.0 m,
temperature air maksimum 400C. Dilengkapi fitur elektrik dan mekanik dengan
kapasitor 8 mikro-F/450V, saklar tekanan on-off 1,1-1,8 kgf/cm3 , dan proteksi termal.
Output harian tipikal adalah antara 1000 liter. Konsumsi daya maksimum terukur
adalah 150W dan kebutuhan dayanya hanya 135W [2].
Dari Gambar 2 diketahui bahwa kolam air baku yang berada di halaman
belakang Gedung E mendapatkan suplai air baku dari pipa PAM yang dilanggan oleh
pihak universitas.
Gambar 6 Bagian penutup kolam penampungan air baku dari PAM
Dimensi kolam penampungan air baku adalah panjang 4,35 meter, lebar 2,14
meter dan ditanam pada kedalaman 2,92 meter di bawah tanah. Untuk menaikkan air
baku dari kolam penampungan ke intake mesin pompa air ac digunakan pipa air 0,5
inchi sepanjang 9 meter, dari output pompa kemudian air baku didorong ke tangki 1
di lantai 3 menggunakan pipa sepanjang 14 meter, seperti pada Gambar 7.
(a) (b)
Gambar 7 (a) Pemipaan tangki 1 penyimpanan air baku di lantai 3, (b) Pemipaan
unit Filter dan tangki 2 penyimpanan air bersih di lantai 2 gedung E
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
164
Proses filterisasi air dilakukan dengan mengalirkan air baku dari tangki 1 ke filter,
seperti pada Gambar 7 (a), Air diturunkan secara gravitasi dengan pipa sepanjang 8
meter, kemudian air yang keluar dari filter dialirkan ke tangki 2 melalui pipa ukuran
0,5 inchi sepanjang 0,84 meter, seperti pada Gambar 7 (b). Akhirnya dari tangki 2 air
bersih siap disalurkan secara gravitasi ke kantin melalui pipa 0,5 inchi sepanjang 9,42
meter.
Untuk mencegah luberan air bersih di tangki 2 perlu dirancang perangkat buka-
tutup saluran pengisian air bersih pada tangki 2 dengan menggunakan
pelampung pembatas permukaan air, seperti pada Gambar 8.
Pipa pengisian air bersih
Pelampung pembatas
Gambar 8 Sistem pengaturan air bersih tangki 2 dengan pelampung pembatas
permukaan air.
Bila air bersih di tangki 2 penuh, pelampung akan bekerja mendorong katup/klep untuk
menutup aliran air bersih dari atas turun ke bawah mengisi tangki 2. Bila air bersih di
tangki 2 berkurang, pelampung turun membuka katup dan menurunkan/mengalirkan
air dari tangki 1 melalui filter air.
3.8 Kinerja Sistem Pompa Air Tenaga PV Surya Atap dan Penjernihan Air
Untuk mengangkat air dari kolam penampungan dan mengisi penuh tangki
penampungan air dengan kapasitas 250 liter, waktu yang dibutuhkan mesin pompa air
adalah 18 menit. Dengan demikian, kemampuan mesin pompa air adalah 13,89 liter
per menit. Selama periode pengisian tangki air oleh mesin pompa air dilakukan
pencatatan yang tertera pada alat instrumen pengukur besaran listrik inverter dan
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
165
kondisi lingkungan sekitar instalasi penjernihan air PAM tenaga panel surya atap,
menunjukkan hasil seperti pada Tabel 3.
Tabel 3 Hasil pengukuran kinerja sistem penjernihan air PAM tenaga panel surya
atap
No. Pinput
inverter
(Watt)
Pout
Inverter
(% dari
500VA)
Voutput
inverter
(Volt-ac)
Vbaterai
(Volt-
dc)
Temperatur
e
( 0C)
1. 140 56 219 12 40
Dimana :
Pinput inverter: adalah daya input dari PV ke inverter
Pout Inverter: adalah daya output dari 2 unit PV – inverter yang disuplai ke motor
pompa airdan rugi-rugi instalasi listrik
Voutput inverter: adalah tegangan output inverter saat menyuplai mesin pompa air
Vbaterai: adalah tegangan terminal baterai saat pembebanan oleh pompa air
Berdasarkan data Tabel 2 dapat diketahui kinerja dua unit pv surya dalam proses
konversi energy listrik dari energy surya. Dari pembacaan pada fitur pengukuran unit
inverter diketahui bahwa daya yang dipasok array pv ke inverter adalah 140 Watt
sedangkan daya output inverter (termasuk rugi-rugi inverter) yang dikirim ke mesin
pompa sebesar 0,56 x 500VA pada faktor daya 0,65 adalah 0,56 × 0,65 × 500 𝑉𝐴 =
196𝑤𝑎𝑡𝑡.
4 Kesimpulan
1. Output sistem pompa solar sangat tergantung pada desain sistem yang baik
yang berasal dari pemilihan lokasi yang akurat dan data permintaan kebutuhan
air bersih konsumen. Oleh karena itu penting untuk membuat asumsi yang
akurat mengenai permintaan/pola konsumsi air dan ketersediaan air termasuk
ketersediaan air baku di bak penampungan air pam.
2. Dengan pompa surya dan variasi harian dalam pembangkit listrik tenaga surya
mengharuskan penyimpanan surplus air yang dipompa pada hari-hari cerah
untuk digunakan pada hari-hari berawan.Hal ini karena energi surya perlu
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
166
disediakan baik selain dalam bentuk listrik pada baterai atau air yang
dipompakan dalam tangki penyimpanan.
3. Pada sistem pemompaan tenaga PV surya dapat memanfaatkan keuntungan
pemakaian baterai. Keuntungan baterai bisa berfungsi juga sebagai stabilisator
tegangan yang andal karena mampu menjaga tegangan system 12 volt, atau
pada range tegangan antara 9 – 15 volt. Baterai sebagai, misalnya stabilisator
tegangan, yaitu dimana variasi tegangan bisa dimanfaatkan juga sekaligus
sebagai pembatas pemakaian daya. Hasilnya Peralatan listrik bisa tetap
beroperasi sesuai dengan rating daya dan lebih efisien serta masa pakainya
lebih panjang.
4. Modul surya dijamin untuk berproduksi selama 20-25 tahun.Kolam
penampungan air baku dengan konstruksi beton mampu bertahan lebih dari 30
tahun.Umur pakai yang diharapkan dari rangkaian kendali adalah 5-10 tahun
dan konverter listrik adalah 10-12 tahun. Umur pompa dapat bervariasi dari 5
- 10 tahun (dan banyak yang dirancang untuk dapat diperbaiki di lapangan).
Tangki air Polyethylene adalah 10–15 tahun. Selain kerusakan pada pompa
atau perangkat kendali, satu-satunya perawatan yang biasanya diperlukan
adalah membersihkan modul surya setiap 2-4 minggu. Tugas ini jelas dapat
dilakukan dengan mudah dan murah oleh pekerja lokal yang tidak perlu
memiliki keterampilan khusus.
5. Berdasarkan perkiraan jadwal air, pompa bekerja selama 1 - 2 jam per hari
dalam dua tahapan kerja yaitu tahap pengisian tangki 1 waktu yang dibutuhkan
mesin pompa air adalah 18 menit dan tahap filterisasi air untuk mendapatkan
air bersih dan sekaligus menampungnya ke tangki 2 hingga penuh untuk
menghasilkan 1000 liter per hari di kantin Karfati.
6. Setiap awal hari tangki 1 berisi air baku dan tangki 2 berisi air bersih masing-
masing sebanyak 250 liter; air bersih diambil langsung dari keran melalui
saluran pemipaan. Pada titik tertentu, jumlah air bersih yang dibutuhkan kantin
minimum ketika sore atau malam hari atau hari-hari libur. Ketika ini terjadi,
tangki-tangki berada pada volume maksimum saat itu.
Chairul Gagarin Irianto, dkk. “Aplikasi sistem Pompa Air Tenaga Surya …”
167
7. Untuk memompa air dan mengisi penuh tangki penampungan air dengan
kapasitas 250 liter, waktu yang dibutuhkan mesin pompa air adalah 18 menit.
Dengan demikian, kemampuan mesin pompa air adalah 27,77 liter per menit.
Kinerja unit filter air yaitu lama waktu filtrasi air baku dari tangki 1 secara
gravitasi melalui filter ke tangki 2 adalah selama 12 menit. Dengan demikian,
untuk memfiltrasi air baku dengan volume 250 liter dibutuhkan waktu 12
menit, atau laju volume filtrasi adalah 41,67 liter per menit.
8. Jenis motor ac yang paling sederhana dan murah adalah motor induksi sangkar
tupai 135 Watt, 220 Volt, 50 Hz yang digunakan untuk aplikasi pv surya.
9. Baterai memiliki peran menyediakan cadangan daya pada hari hujan /
mendung serta peran memasok daya untuk beban di malam hari. Karena itu,
baterai harus memiliki kapasitas yang bisa memasok tenaga listrik meski cuaca
hujan terus berlangsung selama beberapa hari. Kapasitas baterai harus
ditentukan dengan mengandalkan aspek yaitu keandalan catu daya dan faktor
ekonomi.Kapasitas baterai yang dibutuhkan adalah 100 Ah, 12 Vdc
10. inverter (termasuk rugi-rugi inverter) yang dikirim ke mesin pompa sebesar
0,56 x 500VA pada faktor daya 0,65 adalah 0,56 × 0,65 × 500 𝑉𝐴 =
196𝑤𝑎𝑡𝑡.
Daftar Pustaka
[1]. S.S. Chandel, M. Nagaraju Naik, Rahul Chandel, Review of solar photovoltaic
water pumping system technology for irrigation and community drinking water
supplies, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.0831364-0321/&2015 Elsevier
Ltd. All rights reserved
[2]. International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol.4, No.2, April
2012, Application of Solar Powered Automatic Water Pumping, in Turkey, Mahir
DURSUN and Semih OZDEN
[3]. NSW Office of Environment and Heritage, Solar-powered pumping in
agriculture: A guide to system selection and design, ISBN: 978-0-9942464-1-7,
August 2014.
[4]. DEPARTMENT OF ENERGY RENEWABLE ENERGY MANAGEMENT
BUREAU, GUIDELINE for Application of Photovoltaic Power Generation
System, Japan International Cooperation Agency (JICA). June 2009.
Jetri: Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, Vol. 18, No. 2, Februari 2021,
P-ISSN 1412-0372, E-ISSN 2541-089X
168
[5]. Evangelia Gkeredaki, Autonomous Photovoltaic-Powered Reverse Osmosis For
Remote Coastal Areas, Master Of Science In Sustainable Energy Technology,
Sanitary Engineering Section, Department Of Water Management Faculty Of
Civil Engineering And Geosciences Delft University Of Technology, Delft, June
2011.
[6]. ICA Solar, Presentasi Sistem PLTS di Trisakti, Jakarta, 22 November 2017
[7]. Vera Irene Martina Riani, “Perencanaan Konsentrator Surya Untuk Fotovoltaik
360 Wp Pada Jendela Ruang Sidang Lantai 2 Gedung E Universitas Trisakti“,
Tugas Akhir Sarjana S1. Universitas Trisakti, Jakarta, 2017.
[8]. Wan Muhammad Fauzi, “Perencanaan PLTS Hibrid PLN Dalam Melayani Beban
Penerangan Workshop Dalam Bentuk Purwarupa”, Tugas Akhir Sarjana S1.
Universitas Trisakti, Jakarta, 2017.
[9]. Akihiro Oi DESIGN AND SIMULATION OF PHOTOVOLTAIC WATER
PUMPING SYSTEM, A Thesis Presented to the Faculty of California Polytechnic
State University, San Luis Obispo, September 2005.
[10]. S. Abouda, F. Nollet, A. Chaari, N. Essounbouli, Y. Koubaa, Direct Torque
Control - DTC of Induction Motor Used for Piloting a Centrifugal Pump Supplied
by a Photovoltaic Generator, World Academy of Science, Engineering and
Technology, International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic
and Communication Engineering Vol:7, No:8, 2013
[11]. Waqas Hassan, Farrukh Kamran, A hybrid PV/utility powered
irrigation water pumping system for rural agricultural areas, ELECTRICAL &
ELECTRONIC ENGINEERING | RESEARCH ARTICLE, Cogent Engineering
(2018), 5: 1466383.