876
RANCANG BANGUN PENYIMPANAN ENERGI LISTRIK PADA PHOTOVOLTAIC MENGGUNAKAN BATERAI LITHIUM UNTUK
APLIKASI DC HOUSE
Pujianto1*, Asepta Surya Wardhana1, Alfin Sahrin1 Astrie Kusuma Dewi1
1Teknik Instrumentasi Kilang, Politeknik Energi dan Mineral Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38 Cepu, Kabupaten Blora
*E-mail:pujianto1968@gmail.com
ABSTRAK
Baterai adalah sebuah sumber energi yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi listrik yang dapat digunakan sebagai sumber Arus Searah di rumah (DC house) seperti perangkat elektronik. Baterai ini di rancang dengan menggunakan baterai lithium-Ion yang dirangkai seri pararel sehingga bisa mendapatkan kapasitas sebesar 100Ah/12Volt DC. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam perancangan penyimpanan energi listrik dengan baterai lithium, yaitu Sistem Charging Cell Lithium harus tepat. Penggunaan arus keluar tidak boleh berlebihan dan dalam penyusunan rangkaian baterai tegangan harus sama. Untuk itu diperlukan suatu sistem yang berfungsi untuk memanajemen sebuah baterai yang lebih dikenal dengan Baterai Management System (BMS). Dalam penelitian ini penulis akan memanfaatkan energi matahari dari photovoltaic (PV) sebagai sumber utama dalam pengisian baterai yang di rancang. Dalam perancangan penyimpanan energi langkah pertama adalah memilih kapasitas baterai lithium yang berkapasitas dan tegangan yang sama. Hal ini di lakukan dengan menguji masing-masing baterai lithium dengan menggunakan alat Liitokala Lii 500. Hasil pengujian perancangan dilakukan dengan memberikan variasi beban mulai dari 35Watt, 100Watt, 200 Watt. Dari hasil penelitian diperoleh waktu discharging dari baterai sehingga mengetahui kemampuan dari baterai saat diberikan beban.
Kata Kunci: Photovoltaic, Lithium-ion, Baterai Management System (BMS), discharging
1. PENDAHULUAN
Sistem penyimpanan energi adalah serangkaian metode dan teknologi yang digunakan sebagai media menyimpan energi listrik, elektrokimia, kimia, mekanik (mekanis), termal (panas), angin, matahari dan aneka bentuk energi lainnya. Konsep desain di belakangnya adalah agar energi dapat disimpan sehingga energi dapat dimanfaatkan di lain waktu untuk melakukan operasi yang bermanfaat. Desain dan teknologi penyimpan energi yang paling banyak digunakan adalah sistem penyimpanan energi listrik. penggunaan energi terbarukan tidak langsung ketika energi tersedia, tetapi di waktu lain. Sebagai contoh, banyak sumber energi terbarukan (seperti angin, energi matahari atau energi matahari, pasang surut) tersedia secara berselang-seling (intermittent). Energi surya misalnya, siang hari tersedia, namun malam hari tidak ada. Maka kita membutuhkan teknologi penyimpanan energi listrik agar energi surya dapat digunakan pada malam hari.
Energi tersedia dalam beraneka bentuk, antara lain radiasi, kimia, mekanis, potensi gravitasi, potensial listrik, listrik, suhu tinggi, matahari, panas laten dan kinetik. Ada berbagai metode, perencanaan, teknologi serta sistem untuk menyimpan berbagai bentuk energi. Pilihan teknologi penyimpanan energi biasanya ditentukan oleh aplikasi, aspek keekonomian integrasi dalam sistem, dan ketersediaan sumber daya [1]. Ada 5 Teknologi Penyimpanan Energi antara lian: Penyimpan energi Baterai, Daya hidroelektrik terpompa ( PHES), Penyimpang energi Udara bertekanan (CAES), Penyimpan energi Thermal (CSP),
877
dan penyimpan Energi Hidrogen [1]. Dalam penelitian ini penulis memilih penyimpanan energi listrik berupa baterai.
Baterai (Battery) adalah sebuah sumber energi yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi listrik yang dapat digunakan seperti perangkat elektronik.
Hampir semua perangkat elektronik yang portabel seperti handphone, laptop, dan maianan remote control menggunakan baterai sebagai sumber listriknya. Dengan adanya baterai, sehingga tidak perlu menyambungkan kabel listrik ke terimanal untuk dapat mengaktifkan perangkat elektronik kita sehingga dapat dengan mudah dibawa kemana-mana. Setiap baterai terdiri dari terminal positif (Katoda) dan terminal negatif (Anoda) serta elektrolit yang berfungsi sebagai penghantar. Output arus listrik dari baterai adalah arus searah atau disebut juga dengan arus DC (Direct Current). Pada umumnya, baterai terdiri dari 2 jenis utama yakni baterai primer yang hanya dapat sekali pakai (single use battery) dan baterai sekunder yang dapat diisi ulang (rechargeable battery). [2] Baterai yang dibahas pada rancangbangun ini adalah baterai yang dapat diisi ulang dan biasa digunakan pada kendaraan listrik atau penggunaan sumber DC di rumah-rumah. yaitu baterai Lithium ion.
Baterai Lithium-Ion mulai berkembang pada tahun 1912. Namun, baterai ini menjadi populer ketika Sony mengadopsinya pada tahun 1991. Baterai Li-ion merupakan baterai yang dapat dilepas (removeable). Baterai tipe ini sering kita lihat pada: laptop, tablet dan smartphone. Baterai Li-Ion ini merupakan istilah yang mengacu kepada materialnya saja, dimana yang sebenarnya ada banyak jenis Baterai Li-ion yang memiliki senyawa kimia yang berbeda [2].
Baterai lithium adalah baterai yang memiliki ketentuan lebih ribet daripada SLA (Solid Lead Acid). Li ion cell memiliki under voltage 2,7V dan upper volttage 4,2V. Jika lebih rendah daripada 2,7V maka akan drop, Jika lebih dari 4,2V maka akan panas dan berisiko meledak. Voltase dan Arus pengisian cell lithium juga tidak boleh berlebihan, harus tepat.
Berawal dari latar belakang inilah maka sistem charger baterai lithium membutuhkan perlakuan yang khusus.yaitu dengan menggunakan Baterai Manajemen System ( BMS) .
Battery management system (BMS) adalah perangkat yang digunakan untuk penyeimbang, pemantauan dan proteksi pada baterai yang disusun secara seri atau baterai susun. BMS dilengkapi dengan passive cell balancing, sensor tegangan setiap baterai, sensor arus, sensor suhu, Rangkaian proteksi untuk memutus arus.[3]. Fungsi sistem manajemen baterai meliputi:
• Penyeimbangan muatan (charge balancing),
• Penyeimbangan aktif (active balancing),
• Pemantauan suhu (temperature monitoring),
• Cut-off tegangan rendah (low-voltage cut-off),
• Pemantauan state of charge (SOC)
Dalam penelitian ini mengambil topik rancang bangun penyimpanan energi istrik pada photovoltaic menggunakan baterai lithium sebagai sumber DC house
.
2. METODE
2.1. Perancangan Sistem
Gambar 1 menunjukkan rangkaian urutan blok diagram dari sumber utama ( Fotovoltaik) ke Controller kemudian output dari controller menuju ke penyimpanan baterai yang di rancang dan langsung ke beban.[4]
878
Gambar 1. Blok diagram rangkaian
A. Photovoltaik/sel surya
Photovoltaik/panel surya adalah sumber listrik pada sistem pembangkit listrik tenaga surya, material semikonduktor yang mengubah secara langsung energi sinar matahari menjadi energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan PV berupa daya DC.
B. Charger Controller
Fungsi dari charger controller adalah mengatur voltage yang didapat dari panas matahari agar voltage yang masuk kedalam aki menjadi tidak berlebih.
C. Indikator Pengisian Baterai
Alat ini akan memonitor arus pengisian baterai. Jika sudah penuh akan menunjukkan 100 %
D. Baterai Management System (BMS)
Baterai Management System (BMS) di sini berfungsi untuk sebagai Charging Control, Current limiter, dan Discharger Controll serta sebagai Balance Charging E. Penyimpanan Energi (Baterai)
Alat ini merupakan hasil penelitian dari penulis dirancang dari beberapa baterai lithium yang di rangkain sedemikian rupa sehingga di dapatkan tegangan 12 V dan kapasitas 100 Ah.
F. Display Tegangan
Display ini digunakan untuk mengukur besaran tegangan yang keluar dari penyimpanan energi (baterai)
Load/Beban
Beban ini berupa lampu penerangan
2.2. Desain Sistem
2.2.1. Penyimpanan Energi Listrik pada Potovoltaik dengan menggunakan Baterai Lithium
Sebelum mendesain kita menyiapkan bahan dan peralatan sebagai berikut:
a. Bahan: seperti : 1. Photovoltaik 2. Baterai lithium 3. BMS
4. Strip Plat Nikel
5. Slot Breaket holder (dudukan baterai) 6. Kabel
b. Peralatan seperti:
1. Solder/Spot welding 2. Timah
3. Alat Ukur Voltmeter 4. Alat ukur Amperemeter 5. Alat monitor pengisian
879
2.2.2. Langkah-langkah perakitan a. Pemilihan cell baterai
Pemilihan cell baterai dilakukan Karena setiap cell sangat menentukan performa dari keseluruhan baterai.Dalam proses pemilihan cell baterai ini dilakukan pengecekan charging dan discharging dari masing2 cell baterai. Lithium 18650 dengan menggunakan alat Littokala seperti pada gambar dibawah ini :
Gambar 2. Proses pengecekan kapasitas baterati lithium 18650 b. Memastikan bahan koneksi antar cell penggunakan pure nikel
Menggunakan pure nickel supaya tahan panas dan tidak korosi. Karena nickel plate penghubung antar cell dan sebagai penghantar arus listrik wajib untuk memenuhi standar layak aman yang bagus
Gambar 3. Pure nikel c. Proses welding
Apabila menggunakan nickel maka wajib alat menempelkannya adalah spot welding Tidak bisa nickel plate di solder tenol lalu tersambung ke ujung cell baterai. Keuntungan menempelkan dengan alat spot welding adalah radiasi panas sangat kecil, sehingga cell lebih aman dari panas. Beda dengan menggunakan solder yang dituntut harus panas tinggi dan itu berisiko melelehkan selotip pembungkus cell baterai lithium.
2.3. Proses Perakitan komponen baterai a. Menyiapkan Cell
Pastikan cell-cell sudah lolos uji kualitas. Jangan sampai sudah terlanjur dirakit permanen namun hanya hitungan beberapa minggu/ bulan baterai sudah drop karena kecolongan cell-cell yang kurang layak masuk dalam baterai pack.
880
Gambar 3. Skema kerugian cell yang tidak bagus
b. Menyiapkan holder/isolator cell
Holder ini bertujuan untuk menghindari arus pendek pada rangkaian cell yang akan di rangkai. minimal isolator di kutup + baterai. Karena dinding cell baterai yang berada lingkar luar kutup positif baterai, itu adalah negatif baterai, jadi dilarang terkelupas dan konslet.
c. Menyiapkan pure nikel
Ideal ketebalan nickel adalah 0.05mm , 0.1mm, 0.15mm hingga 0.2mm, sesuai dengan kebutuhan amper yang mengalir.
d. Menyiapkan susunan grup parallel dan serinya
Gambar 4. Susunan baterai yang dirangkai
Dalam proses ini masing masing baterai di lakukan perakitan dengan hubungan 3 S untuk mendapatkan tegangan 12 Volt DC
Gambar 5 Rangkaian 3 S
881
+ + - - + + - - + + - -
8 V 12 V 4 V
0 Tampak atas Tampak bawah
Gambar 5. Rangkaian baterai keseluruhan
Gambar 6. Proses Penyolderan/ welding dan pengukuran tegangan
2.3.2 Proses Charging dengan Photovoltaik
Lamanya waktu untuk mengisi baterai ini beragam, karena sangat tergantung dari besaran arus yang dimiliki baterai serta bagaimana metode pengisian yang dilakukan, kedua hal tersebut menjadi faktor penting untuk menentukan berapa lama pengisian baterai bisa dilakukan.
Selain itu tegangan untuk pengisian baterai juga membutuhkan tegangan yang lebih tinggi dari tegangan baterai, tujuannya agar terjadi beda potensial antara alat pengisian dengan baterai yang akan diisi tersebut. [6]
Dalam penelitian ini sumber tegangan yang digunakan untuk pengisian baterai ini menggunakan Photovoltaik dengan kapasitas 160 wP. Data Photovoltaik:
882 Polycristaline solar modul
Maximum power( P max) 160 W
Maximum power current ( I mp) 8,77 A Maximum power Voltage ( V mp) 18,24 V Open circuit Voltage ( Voc) 21,8 V Short circuit current ( Isc) 9,30 A
Data pengisian baterai dengan photovoltaic:
Hari 2
No Jam Photovoltaik
1 9.00 V = 14,3 V I =7, 4 Ampere 2 10.00 V = 14,4V
I = 7,7 Ampere 3 11.00 V = 14,5V
I = 7,7 Ampere 4 12.00 V = 15,4V
I = 7,9 Ampere 5 13.00 V = 15,2V
I = 7,8 Ampere 6 14.00 V = 14,1 V
I = 7,6 Ampere
Dari data tersebut di dapatkan arus pengisian rata-rata dari photovoltaic sebesar 7,44 A. dan tegangan rata-rata 14,59 Volt/DC. Dibutuhkan waktu 16 jam
Hari 1
No Jam Photovoltaik
1 09.00 V = 14,3 V I = 7,8 Ampere 2 10.00 V = 14.3 V
I = 7,8 Ampere 3 11.00 V = 14,6 V
I = 7,3 Ampere 4 12.00 V = 15,3 V
I = 7,1 Ampere 5 13.00 V = 15,2 V
I = 7,1 Ampere 6 14.00 V = 14,3 V
I = 7 Ampere 7 15.00 V = 114,2 V
I = 7 Ampere 8 16.00 V = 14,2 V
I = 7 Ampere
883
Gambar 7 Proses charging baterai
2.4. Pengujian Penyimpan energi listrik hasil rancangan
Setelah proses perancangan alat selesai, maka tahap selanjutnya adalah tes hasil perancangan baterai . pada tahab ini baterai yang sdh di rancang akan discharging/pengurasan daya dengan menggunakan beban lampu penerangan dengan 3 variasi beban yang berbeda, yaitu :
1. Beban 35 Watt 2. Beban 100 Watt 3. Beban 150 Watt
Berikut adalah beban yang akan digunakan untuk proses discharging a. Percobaan Discharging pada beban 35 Watt (Lampu )
Hari Pertama Hari kedua
Hari ketiga
No Jam V I Daya
1 09.00 11,8 2,97 35,05
2 10.00 11,8 2,97 35,05
3 11.00 11,8 2,97 35,05
4 12.00 11,8 2,97 35,05
5 13.00 11,8 2,97 35,05
6 14.00 11,78 2,97 34,99
7 15.00 11,78 2,97 34,99
8 16.00 11,76 2,97 34,93
9 17.00 11,76 2,97 34,93
10 18.00 11,76 2,95 34,69
11 19.00 11,76 2,95 34,69
12 20.00 11,75 2,95 34,66
13 21.00 11,75 2,92 34,31
14 22.00 11,75 2,91 34,19
15 23.00 11,75 2,91 34,19
16 24.00 11,75 2,89 33,96
17 01.00 11,74 2,88 33,81
18 02.00 11,74 2,88 33,81
19 03.00 11,73 2,87 33,67
20 04.00 11,73 2,87 33,67
21 05.00 11,73 2,87 33,67
22 06.00 11,74 2,83 33,22
23 07.00 11,73 2,83 33,20
24 08.00 11,73 2,82 33,08
1 09.00 10,58 2,82 29,84
2 10.00 10,58 2,82 29,84
3 11.00 10,57 2,81 29,70
4 12.00 10,57 2,81 29,70
5 13.00 10,56 2,8 29,57
6 14.00 10,56 2,8 29,57
7 15.00 10,56 2,7 28,51
8 16.00 10,55 2,7 28,49
9 17.00 10,55 2,7 28,49
1 09.00 10,37 2,57 26,65
2 10.00 10,23 2,57 26,29
3 11.00 10,19 2,5 25,48
4 12.00 9,81 2,4 23,54
5 13.00 9,79 2,29 22,42
884
Hari ketiga jam 13.00 ( blok warna kuning) lampu padam. pada tegangan 9,79 , Arus 2,29 Ampere.
beban 22,42 Watt. Waktu discharging pada beban lampu 35 Watt berdasarkan hasi percobaan adalah 38 Jam
Gambar 8 Discharging beban 35 Watt b. Percobaan Discharging pada beban 100 Watt
Hari ke 1
No Jam V I Daya
1 14.00 11,78 6,78 80
2 15.00 11,78 6,78 80
3 16.00 11,74 6,72 79
4 17.00 11,65 6,63 77
Hari ke 2
No Jam V I Daya
1 09.00 10,7 6,7 72
2 10.00 10,4 6,6 69
3 11.00 10,2 6,5 66
4 12.00 10,1 6,5 66
5 13.00 10 6,3 63
6 14.00 9,96 6,3 63
7 15.00 9,82 6,3 62
8 16.00 9,66 6,1 59
Hari ke 3
No Jam V I Daya
1 10.00 9,68 6,3 61
2 11.00 9,3 6 56
3 12.00 9,1 5,7 52
Berdasarkan data tersebut diatas, waktu yang di butuhkan saat di bebani 100 watt adalah 15 jam
885
Gambar 9 Discharging pada beban 100 Watt c. Percobaan Discharging pada beban 200 Watt
Hari ke 1
No Jam V I Daya
1 10.00 11,99 15,47 185,49
2 11.00 11,04 14,03 154,89
3 12.00 10,31 12,07 124,44
4 13.00 9,95 11,33 112,73
5 14.00 9,56 11,04 105,54
6 15.00 9,24 10,90 100,72
Berdasarkan percobaan tersebut diatas waktu yang dibutuhkan pada beban 200 watt sampai lampu padam adalah 6 jam
Gambar 10. Discharging pada beban 200 Watt 3. PEMBAHASAN
Dari hasil percobaan pada 3 jenis beban yang berbeda didapatkan hasil sebagai berikut:
No Beban Vmin Imin Lampu Waktu/jam
1 35 Watt 9,78 2,29 Padam 38 Jam
2 100 Watt 9,1 5,7 Padam 15 Jam
3 200 Watt 9,24 10,09 Padam 6 Jam
4. SIMPULAN
1. Karena sumber utama saat proses charging adalah menggunakan photovoltaic, sehingga besarnya arus yang masuk pada penyimpan energi istrik/baterai sangat tergantung pada
886
kondisi cuaca,sehingga memerlukan waktu yang cukup lama, dan kelebihannya adalah sumber charging tidak perlu beli/gratis
2. Untuk Proses Discharging pada 3 beban yang bervariasi didapatkan hasil sebagai berikut:
Untuk beban 35 watt dibutuhkan waktu 38 jam sampai ampu tersebut padam. Pada beban 100 watt dibutuhkan waktu 15 jam sampai lampu padam, serta pada pembebanan 200 watt diperlukan waktu 6 jam sampai lampu padam.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] https://www.omazaki.co.id/sistem-penyimpanan-energi/
[2] http://eprints.umm.ac.id/37347/3/jiptummpp-gdl-abdulqowia-51556-3-bab2.pdf https://www.electricisart-bogipower.com/2016/10/bms-adalah-mengenal-bms-pada baterai.html
[3] Desain Sistem Charger untuk baterai berkapasitas 650 mAh menggunakan Sel Surya, Rahmi Mudia Alti dkk. Jurnal ISSN(e) Vol 6 No 2 Nov 2020
[4] temonsoejadi | Seuntai mutiara nan maha luhur, sehatkan hati, segarkan ruhani, raih kehidupan imani Jurnal.ISSN:2503-0221 Elektra Vol 4 No 2 Juli 2019. Oleh Indah Susanti Cs “Analisa penentuan kapasitas baterai dan pengisianya pada mobil listrik”
[5] Larminie, James and Lowry, John, Electric vehicle Technology Explained, John, 2003
