15
RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL
PENGGERAK PANEL SEL SURYA
BERBASIS PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER
Firmansyah Politeknik Swadharma
ABSTRAK
Ketergantungan penggunaan bahan bakar konvensional seperti minyak dan batu bara pada
hampir semua sektor kehidupan menyebabkan semakin menipisnya persediaan energi. Dalam upaya
mengatasi masalah ini, maka Pemerintah saat ini sedang menggalakkan pemanfaatan Energi Baru dan
Terbarukan (EBT) yang bersumber pada potensi alam yang tidak akan habis walaupun digunakan
terus menerus seperti energi angin dan energi matahari.
Untuk memanfaatkan potensi energi matahari maka saat ini sudah digunakan peralatan yang
biasa disebut dengan fotovoltaik atau solar cell atau panel sel surya. Besarnya potensi energi matahari
yang dapat diserap tergantung luas sel dan daya serap terhadap cahaya matahari. Daya serap bisa
dioptimalkan dengan membuat sistem kontrol penggerak panel sel surya yang akan bergerak mengikuti
arah gerak matahari sehingga sel-sel pada panel surya akan optimal menyerap cahaya matahari.
Politeknik Swadharma memiliki sebuah panel sel surya yang statis sehingga tidak optimal
menyerap cahaya matahari. Oleh karena itu, penelitian ini akan merancang sekaligus membangun
sistem kontrol penggerak panel sel surya sehingga panel yang statis tersebut dapat bergerak dinamis
mengikuti arah gerak matahari sehingga akan optimal menyerap cahaya matahari.
Kata Kunci: Master Plan, Rencana Strategis , Sistem Informasi Manajemen, Quantitative Strategic Planning Matrix
1.
LATAR BELAKANG
Energi merupakan salah satu masalah utama yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia. Hal ini mengingat energi merupakan salah satu faktor utama terjadinya pertumbuhan ekonomi suatu negara. Permasalahan energi menjadi semakin kompleks ketika pertumbuhan yang meningkat akan energi dari seluruh negara di dunia untuk menopang pertumbuhan ekonominya justru membuat persediaan cadangan energi konvensional menjadi sedikit.
Dalam upaya pencarian sumber energi baru sebaiknya memenuhi syarat yaitu menghasilkan jumlah energi yang cukup besar, biaya ekonomis dan tidak berdampak negatif terhadap lingkungan. Oleh karena itu pencarian tersebut diarahkan pada pemanfaatan energi matahari, energi angin, energi air.
Pada penelitian ini akan dirancang pemanfaatan sumber energi alternatif yaitu energi matahari yang berfungsi untuk mensuplai beban listrik pada Gedung
Laboraturium Teknik Elektro Politeknik Swadharma. Untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik, digunakan suatu alat yang bernama solar cell bisa disebut juga dengan modul panel surya. Energi listrik yang dihasilkan berupa arus listrik DC maka itu dibutuhkan inverter untuk mengubah arus listrik DC ke arus listrik AC.
Untuk dapat merealisasikan sistem tersebut dibutuhkan beberapa sensor peka cahaya yang membaca arah datangnya cahaya matahari dari beberapa sudut. Sudut yang paling kuat dari sensor peka cahaya tersebut diasumsikan sebagai sudut fokus arah datangnya sinar matahari, sehingga sudut dengan fokus terkuatlah yang akan diikuti oleh pergerakan / solar tracker ini.
ditengah-16
tengahnya. Kepekaan paling kuat dari LDR tersebut akan diikuti oleh pergerakan/ solar tracker, sehingga panel surya mendapatkan nilai resistansi. Dengan kondisi ini maka panel surya akan selalu mendapatkan sinar matahari secara optimal atau hampir mendekati nilai presisi dalam pergerakan arah cahaya matahari disepanjang hari apabila kondisi tidak mendung.
Selain memanfaatkan sensor peka cahaya, alat ini juga didukung dengan beberapa rangkaian terkombinasi yang masing-masing berfungsi sebagai penyimpan energi listrik yang diterima oleh panel surya tersebut dalam hal ini diaplikasikan kedalam accumulator. Sebagai penggerak solar tracker digunakan motor DC terkopel gear box yang masing-masing track-nya digerakkan melalui sistem pemrograman pada PLC.
Tujuan Penelitian adalah sebagai berikut :
a. Merancang dan membangun panel surya sebagai sumber energi alternatif yang dapat digunakan untuk mensuplai beban di ruang Laboratorium Jurusan Teknik Elektro Politeknik Swadharma. b. Merancang dan membangun pengendali
pendeteksi posisi matahari agar panel surya dapat menyerap energi matahari secara optimal.
Adapun masalah yang terindentifikasi sebagai berikut:
a. Berapa banyak sensor penerima cahaya yang digunakan pada panel surya hingga didapat hasil yang presisi ?
b. Sistem kontrol apa yang digunakan pada rangkaian panel surya ?
c. Bagaimana rancangan kerangka mekanik pada panel surya ?
d. Berapa Daya yang dihasilkan pada dari output panel surya ?
Adapun batasan masalah dalam pengerjaan penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Jumlah sensor penerima cahaya dan limit switch yang digunakan menyesuaikan jumlah input pada PLC yaitu maksimal 8 input.
b. Penerapan Sistem kontrol yang digunakan pada rangkaian panel surya hanya bersifat open loop sehingga tidak ada standar output yg baku. c. Kerangka mekanik pada panel surya dirancang
hanya digerakkan jika ada perintah dari sistem kendali.
d. Output beban hanya mampu mensuplai tegangan 220 volt dengan daya maksimal hingga 600 watt.
2. LANDASAN TEORI 2.1. Sistem Kontrol
Dalam proses industri, sering dibutuhkan besaran-besaran yang memerlukan kondisi atau persyaratan yang khusus, seperti ketelitian yang tinggi, nilai yang konstan untuk selang waktu tertentu, nilai yang bervariasi dalam suatu rangkuman tertentu, perbandingan yang tetap antara 2 (dua) variabel, atau suatu besaran sebagai fungsi dari besaran lainnya. Jelas, kesemuanya itu tidak cukup dilakukan hanya dengan pengukuran saja, tetapi juga memerlukan suatu cara pengontrolan agar syarat-syarat tersebut dapat dipenuhi. Karena alasan inilah diperkenalkan suatu konsep pengontrolan yang disebut Sistem Kontrol.
Ada beberapa definisi yang harus dimengerti untuk lebih memahami Sistem Kontrol secara keseluruhan, yaitu: Sistem, Proses, Kontrol dan Sistem Kontrol. Definisi dari beberapa istilah tersebut adalah sebagai berikut:
a. SISTEM: Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-sama melakukan sesuatu untuk tujuan tertentu.
b. PROSES: Proses adalah perubahan yang berurutan dan berlangsung secara kontiniu dan tetap menuju keadaan akhir tertentu.
c. KONTROL: Kontrol adalah suatu kerja untuk mengawasi, mengendalikan, mengatur dan menguasai sesuatu
Maka Dapat disimpulkan Bahwa: Sistem kontrol (Control System) adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel atau parameter) sehingga berada pada suatu harga atau range tertentu. Secara sederhana bentuk blok diagram dari sistem kontrol tampak pada gambar 2.1
Gambar 2.1. Blok Diagram Sistem Kontrol
2.2. Programmable Logic Controller (PLC)
Definisi P rogr a mma ble Logic Controller menurut Capiel (1982) adalah sistem elektronik yang beroperasi secara digital dan didesain untuk pemakaian di lingkungan industri, dimana sistem ini menggunakan memori yang dapat diprogram untuk penyimpanan secara internal instruksi-instruksi yang mengimplementasikan fungsi-fungsi spesifik seperti logika, urutan, timer, counter dan operasi aritmatik untuk mengontrol mesin atau proses melalui modul-modul I/O digital maupun analog.
PROSES
17
Jenis PLC yang terkenal adalah Koyo, Honeywell, Siemens, Schneider Electric, Omron, Rockwell, General Electric, Panasonic dan Mitsubishi.
PLC merupakan elemen unit pengendali yang fungsi pengendaliannya dapat diprogram sesuai dengan keperluan. PLC yang digunakan kali ini adalah
Scheneider SR2B121BD konsep dasarnya tidaklah beda dengan PLC yang lain yaitu sebelum digunakan PLC diprogram terlebih dahulu agar proses pengendalian yang terjadi sesuai dengan yang diinginkan.
Gambar 2.2 PLC Scheneider SR2B121BD
Secara global, bahasa pemrograman yang digunakan pada PLC ada dua, yakni bahasa kode dan bahasa gambar.Bahasa kode sering kita jumpai dengan istilah code Mnemonic atau STL (Statement List). Sedangkan bahasa gambar sering kita jumpai dengan istilah ladder diagram atau diagram tangga.
a. Kode Mnemonic
Pada saat menyusun program PLC dengan menggunakan programming Console, tidak bisa melakukannya dengan menggunakan ladder diagram. Alasannya adalah karena kebanyakan programming console display tampilannya kecil, jadi layarnya tidak mencukupi untuk menyusun ladder diagram dan hanya cukup untuk menyusun program menggunakan STL atau mnemonic code. Maka di sinilah perlunya kita mempelajari STL atau mnemonic code. Akan tetapi ada juga programming console yang di desain khusus untuk bisa langsung menyusun program dengan menggunakan ladder diagram.
b. Ladder diagram
Ladder diagram digunakan saat kita membuat program PLC dengan menggunakan komputer. Ladder diagram lebih mudah untuk dipahami dibandingkan dengan kode mnemonic.Hal ini dikarenakan ladder diagram tampilannya mirip dengan wiring diagram. Alurnya bisa dilihat secara langsung tanpa harus
memahami banyak kode kode program seperti pada kode mnemonic.
2.3. Peralatan Input PLC a. Push Button
Push Button, dalam bahasa Indonesia disebut saklar tekan, pengertian saklar tekan adalah bentuk saklar yang paling umum dari pengendali manual yang dijumpai dalam dunia industri. Tombol tekan NO (Normally Open) menyambung rangkaian ketika tombol ditekan dan kembali pada posisi terputus ketika tombol dilepas. Tombol tekan NC(Normally Close) akan memutus rangkaian apabila tombol ditekan dan kembali pada posisi terhubung ketika tombol dilepaskan.
Gambar 2.4. Fisik Push Button
a. Limit Switch
Limit switch merupakan jenis saklar yang dilengkapi dengan katup yang berfungsi menggantikan tombol. Prinsip kerja limit switch sama seperti saklar push on yaitu hanya akan menghubung pada saat katubnya ditekan pada batas penekanan tertentu yang telah ditentukan dan akan memutus saat saat katub tidak ditekan. Limit switch termasuk dalam kata gori sensor mekanis yaitu sensor yang akan memberikan perubahan elektrik saat terjadi perubahan mekanik pada sensor tersebut. Penerapan dari limit switch adalah sebagai sensor posisi suatu benda (objek) yang bergerak.
18
Gambar 2.5. Fisik Limit Switch
b. LDR (Light Dependent Resistor)
LDR(Light Dependent Resistor) merupakan salah satu komponen elektronika yang dapat berubah resistansinya ketika mendeteksi perubahan intensitas cahaya yang diterimanya sehungga LDR dapat juga dikatakan sebagai sensor cahaya, karakteristik dari LDR ini ialah LDR akan berubah resistansinya / tahanannya ketika terjadi perubahan cahaya yang dideteksinya.
Gambar 2.6a konstruksi LDR
Bila sebuah Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu ke dalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut. Namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga di kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu ukuran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. Harga ini ditulis dalam K/detik, untuk LDR tipe arus harganya lebih besar dari 200K/detik(selama 20 menit pertama mulai dari level cahaya 100 lux), kecepatan tersebut akan lebih tinggi pada arah sebaliknya, yaitu pindah dari tempat gelap ke tempat terang yang memerlukan waktu kurang dari 10 ms untuk mencapai resistansi yang sesuai dengan level cahaya 400 lux.
2.4. Peralatan Output PLC a. Motor DC
Motor DC (arus searah) merupakan perangkat eletromagnetik yang mengubah energy listrik menjadi energy mekanik. Energy mekanik ini digunakan untuk misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan dll. Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energy mekanik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet.
Gambar 2.7. Simbol Motor DC
Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 2.7b Prinsip kerja Motor DC
b. Relay
Relay adalah sebuah sakelar elektronik yang
dapat dikendalikan dari rangkaian elektronik lainnya. Relay terdiri dari 3 bagian utama, yaitu :
1) Koil : Lilitan
2) Common : Bagian yang tersambung dengan NC (dalam keadaan normal)
3) Kontak : Terdiri dari NC (Normaly Closed) dan NO (Normaly Open)
Bagian-bagian relay dapat diketahui dengan 2 cara, yaitu:
19
Gambar 2.8. Simbol Relay
3. PERANCANGAN 3.1. Perencanaan alat
Langkah pertama perancangan adalah membuat blok diagram sebagai acuan dalam melakukan perancangan modul I/O, adapun blok diagram tersebut dapat dilihat pada gambar 3.1a dibawah ini.
Gambar 3.1a. Blok Diagram Sistem Kendali Otomatis Modul Sel Surya
Gambar 3.1b. Blok Diagram Sistem Kendali Manual Modul Sel Surya
PLC menerima input berupa sinyal analog dari empat rangkaian sensor LDR, di dalam PLC input tersebut kemudian diproses dan menghasilkan output berupa tegangan 24 VDC yang berfungsi menggerakkan relay motor dan menghidupkan lampu indikator. Ketika
cahaya matahari redup dan tidak bisa dideteksi oleh rangkaian sensor LDR, maka pada kondisi demikian perlu dilakukan tindakan manual untuk mengatur posisi sel surya agar tetap mengikuti cahaya matahari. Oleh karena itu dalam modul ini dilengkapi juga rangkaian kontrol manual untuk mengantisipasi kondisi seperti tersebut sebelumnya. Cara kerja rangkaian kontrol manual tidak berbeda jauh dengan kontrol otomatis, hanya mengganti peralatan input saja menggunakan push button. Seperti tampak pada gambar 3.1b
Dalam sistem kontrol modul sel surya ini, output tegangan VDC dari panel sel surya dimanfaatkan untuk mengisi Accu, menghidupkan sistem kontrol PLC, mensuplai tegangan bagi koil relay, common limit switch lampu indikator dan sebagai suplai tegangan bagi sumber listrik emergency di laboratorium Politeknik Swadharma Tangerang. Sebagaimana terlihat pada gambar 3.1c
Gambar 3.1c. Blok Diagram output Sel Surya
2. Prinsip Kerja Mekanisme Modul Sel Surya Pada Mekanika Modul Sel Surya terdapat dudukan sel surya yang bisa berputar ke kanan dan ke kiri. Perputaran dudukan sel surya tersebut digerakkan oleh motor yang mendapat tegangan beserta perintah dari PLC dan push button yang berada di panel sel surya. PLC memberi perintah jika mendapat sinyal tegangan dari sensor peka cahaya yang berada di mekanisme solar sel.
20
Gambar 3.2a. Sel Surya menghadap timur, cahaya matahari mengenai sensor pembatas
Setelah berada pada posisi awal saat matahari mulai bergerak naik dan nantinya fokus cahaya matahari berada pada sensor penggerak sisi barat, maka rangkaian LDR Penggerak sisi barat yang mendapat cahaya matahari yang akan memberi sinyal ke PLC dan PLC akan mengoperasikan relay motor sesuai LDR yang bekerja. Sehingga kontak relay terhubung dan tegangan dari battery akan menggerakkan motor DC ke arah barat, hingga sampai pada posisi sel surya tepat menghadap matahari.
Gambar 3.2b. Matahari mengenai Sensor penggerak di sisi barat
Perputaran motor ke arah barat akan berhenti ketika fokus cahaya matahari jatuh pada sensor pembatas, dikarenakan rangkaian LDR pada sensor pembatas memberikan sinyal ke PLC dan PLC akan memberikan perintah pada relay motor sesuai LDR yang bekerja. Sehingga kontak relay terputus dan tegangan dari battery dan motor DC ke arah barat berhenti pada saat posisi sel surya tepat menghadap matahari. Seperti tampak pada gambar 3.2c.
Gambar 3.2c Matahari mengenai Sensor pembatas
Untuk mencegah terjadinya kesalahan akibat kedua sensor atau semua sensor mendapat cahaya secara bersamaan, maka dibuatlah rangkain interlocking antara ke tiga sensor tersebut. Sehingga sensor LDR yang mendapat cahaya matahari lebih dahulu yang akan memberi sinyal ke PLC dan PLC akan mengoperasikan relay motor sesuai rangkaian LDR yang bekerja.
Gambar 3.2d Fokus cahaya Matahari mengenai dua Sensor sekaligus
Proses tersebut di atas akan terus berlangsung selama matahari mengalami perpindahan posisi pada siang hari. sehingga akan didapati bahwa sel surya terus bergerak mengikuti perpindahan matahari secara kontinyu sampai sel surya berada pada sisi barat dimana sudah tidak bisa bergerak lagi karena menyentuh limit switch di sisi barat modul sel surya.
Gambar 3.2e. Solar Sel Arah Tengah
21
Gambar 3.2f. Sel Surya Arah barat
Gambar 3.2g. Sel Surya menghadap barat, sel surya mengenai limit switch
Modul panel sel surya yang dipakai dalam penelitian ini adalah modul buatan pabrik yang dijual di pasar, modul ini memiliki 36 cell yang mampu menghasilkan tegangan hingga 19 volt DC daya hingga 50 watt.
Gambar 3.3. Modul Sel Surya
4. KESIMPULAN
Setelah melalui proses perencanaan, pembuatan alat dan dilanjutkan pada tahap pengujian alat secara keseluruhan, maka dapat kami simpulkan sebagai berikut:
a. Input 4 buah sensor pendeteksi cahaya berfungsi dan mampu mendeteksi arah datang cahaya matahari.
b. Sistem kontrol penggerak manual dan otomatis dapat berfungsi secara optimal.
c. Pergerakan kerangka mekanik modul sel surya bekerja sesuai instruksi dari sistem control.
d. Output yang dihasilkan oleh panel surya setelah diubah melalui inverter menghasilkan tegangan 220 volt dan daya maksimum 565 watt.
DAFTAR PUSTAKA
Bolton, William. 2006. Programmable Logic
Controllers. Technology and Engineering.
Newnes.
Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral.
2008.
Pemanfaatan
Energi
Surya
Di
Indonesia.
Kadir, Abdul. 1990. Energy. Universitas Indonesia.
Jakarta.
Lubis, Abubakar. 2006. Listrik Tenaga Surya
Fotovoltaik. BPPT Press. Jakarta.
Robert, Simon. 1996. Solar Elctricity, A Partial
Guide to Designing and Installing Small
Photovoltaic System.
Prentice Hill. New
York.
Sarker, M.R.I; Pervez, Md Riaz; and Beg, R.A.
2008. Design, Fabrication and Experimental
Study of a Novel Two-Axis Sun Tracker.
Department of Mechanical Engineering.
Bangladesh.
Wibawa, Unggul. 2006. Sumber Daya Energi
