PEMANFAATAN TENAGA SURYA SEBAGAI PENGGERAK POMPA AIR DC PADA TANAMAN HIDROPONIK

PEMANFAATAN TENAGA SURYA SEBAGAI PENGGERAK POMPA AIR DC PADA TANAMAN HIDROPONIK

SKRIPSI

POPPY HONORA 140308010

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2018

PEMANFAATAN TENAGA SURYA SEBAGAI PENGGERAK POMPA AIR DC PADA TANAMAN HIDROPONIK

SKRIPSI

POPPY HONORA 140308010

Skripsi sebagai Salah Satu Syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian

Universitas Sumatera Utara

Disetujui Oleh:

Komisi Pembimbing

(Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, PhD) NIP. 198005072008122001

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2018

ABSTRAK

POPPY HONORA: Pemanfaatan Tenaga Surya Sebagai Penggerak Pompa Air DC Pada Tanaman Hidroponik, dibimbing oleh Riswanti Sigalingging.

Fotovoltaik dimanfaatkan untuk mengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik yang dapat digunakan sebagai penggerak sirkulasi air.

Pemanfaatan tenaga surya sebagai penggerak pompa air DC (Direct Current) pada hidroponik dirancang dengan menggunakan beberapa alat diantaranya:

fotovoltaik 10 Wp jenis polycrystalline dan monocrystalline, DC stepdown LM 7812, serta pompa air DC 12 V. Penelitian ini dilakukan di Lantai 2 koridor Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan dengan ketinggian 12 mdpl dan terletak 3⁰ 55' Lintang Utara 98⁰ 65' Bujur Timur. Kebutuhan daya listrik untuk menggerakkan pompa air DC dengan daya 3,6 Watt mulai jam 09.00 s/d 15.00 WIB sebesar 25,2 Watt per hari. Pompa air DC dapat berfungsi secara optimal pada pukul 11.00 - 15.00 WIB dengan intensitas cahaya matahari rata-rata 373,71 - 310,65 W/m² pada suhu rata-rata 30⁰ - 33⁰C. Fotovoltaik dapat menghasilkan energi listrik harian untuk jenis monocrystalline sebesar 224,75 Wh dengan efisiensi 8,14% dan jenis polycrystalline dapat menghasilkan listrik 194,81 Wh dengan efisiensi 7,57%.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa PV monocrystalline lebih baik daripada PV polycrystalline.

Kata kunci: DC stepdown, fotovoltaik, hidroponik, pompa air DC ABSTRAC

POPPY HONORA: Utilization of Solar Power As Activator Pump DC on Hydroponics Plant, supervised by Riswanti Sigalingging.

Photovoltaics are used to convert sunlight energy into electrical energy, which can be used as a driver for water circulation. Utilization of solar power as a activator for DC (Direct Current) water pumps in hydroponics is designed using a number of devices: polycrystalline and monocrystalline 10 Wp photovoltaic’s, DC stepdown LM 7812, and DC 12V water pump. This research was conducted on the 2nd floor of the corridor Agricultural Engineering Study Program, Faculty of Agriculture, University of North Sumatra Medan, with a height of 12 meters above sea level and located 3⁰ 55' North Latitude 98⁰ 65' East Longitude.The need for electric power to drive a DC water pump with a power of 3.6 Watts starting at 09.00 to 15.00 WIB is 25.2 Watts per day. DC water pump can function optimally at 11.00 - 15.00 WIB with an average sunlight intensity of 373.71 - 310.65 W/m² at an average temperature of 30⁰ - 33⁰C. Photovoltaics can produce daily electrical energy for monocrystalline type of 224.75 Wh with an efficiency of 8.14% and polycrystalline type can produce 194.81 Wh electricity with 7.57%

efficiency. The results showed that monocrystalline PV was better than polycrystalline PV.

Keywords: DC stepdown, photovoltaic, hydroponics, DC water pump

iv

RIWAYAT HIDUP

Poppy Honora lahir di Padang Sidimpuan pada tanggal 20 Oktober 1996 dari ayah Ir. H. Syahril dan ibu Eva Nelly. Penulis merupakan putri ketiga dari tiga bersaudara.

Tahun 2014 penulis lulus dari SMA Swasta Nurul Ilmi Padang Sidimpuan dan pada tahun 2014 lulus seleksi masuk Universitas Sumatera Utara melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Nasional (SNMPTN). Penulis memilih Program Studi Keteknikan Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai anggota Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian (IMATETA) FP-USU. Penulis melaksanakan praktek kerja lapangan (PKL) di Pabrik Kelapa Sawit PT. Perkebunan Nusantara III Kebun Rambutan Tebing Tinggi dari tanggal 24 Juli sampai 24 Agustus 2017.

v

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “PemanfaatanTenaga Surya Sebagai Penggerak Pompa AirDC Pada Tanaman Hidroponik” yang merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan.

Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan ucapanterima kasih kepada kedua orang tua penulis yang telah membesarkan, memelihara dan mendidik penulis selama ini. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Ibu Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, Ph.D selakukomisi pembimbing yang telah banyak membimbing dan memberikan berbagai masukan, saran dan kritik yang bermanfaat bagi penulis, kepada semua staf pengajar dan pegawai di Program Studi Keteknikan Pertanian, serta semua rekan mahasiswa yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini dengan baik.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca yang bersifat membangun untuk kesempurnaan pada masa yang akan datang.

Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini bermanfaat bagi pihak yang membutuhkan.

Medan, Oktober 2018

Penulis

vi

DAFTAR ISI

Hal

ABSTRAK ... i

RIWAYAT HIDUP ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vi

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR LAMPIRAN ... viii

PENDAHULUAN ... 1

Latar belakang ... 1

Tujuan penelitian ... 4

Manfaatpenelitian... 4

Batasan penelitian ... 4

TINJAUAN PUSTAKA ... 5

Energi ... 5

Tenaga surya ... 6

Suhu ... 7

Intensitas cahaya matahari ... 7

Fotovoltaik matahari (PV) ... 8

Prinsip kerja fotovoltaik ... 10

Perancangan penggunaan fotovoltaik ... 10

Daya listrik ... 13

Energi listrik ... 14

DC Stepdown ... 15

Pompa air DC ... 15

Debit ... 19

Hidroponik ... 19

Karakteristik tanaman kangkung ... 20

Efisiensi fotovoltaik ... 21

METODOLOGI PENELITIAN ... 22

Waktu dan tempat penelitian... 22

Bahan dan alat ... 22

Metode penelitian ... 22

Perancangan alat ... 23

Prosedur penelitian ... 24

Parameter penelitian ... 26

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 28

Suhu ... 28

Intensitas cahaya matahari ... 29

Daya listrik ... 31

Energi listrik ... 33

Debit air ... 34

Pertumbuhan tanaman ... 36

Efisiensi fotovoltaik ... 39

KESIMPULAN DAN SARAN ... 41

Kesimpulan ... 41

vii

Saran ... 41 DAFTAR PUSTAKA ... 42 LAMPIRAN

viii

DAFTAR TABEL

No. Hal

1. Suhu rata-rata bulan Mei – Agustus 2018 ... 28

2.Jumlah intensitas cahaya matahari ... 29

3. Rata-rata daya fotovoltaik polycrystalline ... 31

4. Rata-rata daya fotovoltaik monocrystalline ... 31

5. Rata-rata energi listrik harian fotovoltaik ... 33

6. Debit bulan Mei – Juni 2018 ... 35

7. Debit bulan Juli – Agustus 2018 ... 35

8. Rata-rata efisiensi aktual dan teoritis ... 39

ix

DAFTAR GAMBAR

No. Hal

1. Grafik hubungan suhu dengan intensitas cahaya matahari... 30

2. Grafik pertambahan jumlah daun ... 37

3. Grafik lebar daun ... 37

4. Grafik tinggi tanaman ... 37

x

DAFTAR LAMPIRAN

No. Hal

1. Flowchart penelitian ... 44

2. Analisa kebutuhan fotovoltaik ... 45

3. Spesifikasi panel surya ... 47

4. Spesifikasi pompa air ... 48

5. Sudut pemasangan panel surya ... 49

6. Data daya intensitas dan energi ... 50

7. Rata-rata intensitas cahaya matahari di Tahun 2017 ... 66

8. Perhitungan daya listrik ... 67

9. Perhitungan energi listrik ... 70

10. Data debit dan head... 71

11. Perhitungan debit dan head ... 73

12. Data efisiensi panel surya ... 76

13. Perhitungan efisiensi ... 84

14. Data pertumbuhan tanaman ... 85

15. Gambar teknik hidroponik dengan tenaga surya ... 88

16. Dokumentasi penelitian ... 90

1

PENDAHULUAN

Latar belakang

Penggunaan energi listrik berbahan bakar fosil, telah menimbulkan dampak pemanasan global pada level yang sangat mengkhawatirkan, disertai kenaikan tarif dasar listrik yang sangat signifikan, persoalan ini perlu mendapat perhatian serius oleh pemerintah dan pihak swasta untuk bersinergi mencari solusinya, seperti efisiensi pemakaian energi listrik pada beban, pengurangan rugi-rugi daya (loses) di jaringan transmisi distribusi serta pemanfaatan energi terbarukan (renewable energy) yang ramah lingkungan (green energy) sebagai sumber energi listrik alternatif (Wijayanti, 2012).

Pada tahun 2010 banyak negaratelah menyadari pentingnyapemanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan sebagaipengganti energi tidak terbarukanseperti minyak bumi, batubara dangas yang telah menimbulkandampak yang sangat merusakterhadap bumi, dengan semakinmenipisnya cadangan sumberenergi tidak terbarukan, makabiaya untuk penambangannya akanmeningkat, yang berdampak padameningkatnya harga jual kemasyarakat. Pada saat yang bersamaan, energi tidak terbarukanakan melepaskan emisi karbon ke atmosfir, yang menjadipenyumbang besar terhadap pemanasan global (Widayana, 2012).

Menurut Bachtiar (2006) dan Sigalingging dkk.(2016) jarak matahari dari bumi adalah 149 x 10⁶ km dan menghasilkan jumlah energi yang luar biasa banyaknya. Tenagasurya bisa dimanfaatkan dengan cara mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik secara langsung yang disebut dengan sel fotovoltaik.Indonesiamerupakan negara tropis dengan tingkat radiasi yang tinggi,

2 dan memiliki potensi energi yang berlimpah, ini menunjukkan dari total iradiasi global rata-rata adalah antara 2,111,9 - 2,427,53 W /m²/tahun dan rata-rata harian iradiasi sekitar 5,86 kWh/m² sehingga cocok sekali menggunakan sel surya sebagai sumber energi terbarukan.

Fotovoltaik sistem merupakan salah satu contoh perangkat yang mampu mengubah energi matahari menjadi energi listrik sehingga tidak lagi memanfaatkan bahan bakar minyak yang lambat laun akan habis, dengan kemajuan ilmu dan teknologi, terutama dibidangpengembangan sumber energi alternatif yang dikombinasikan dengan rangkaian elektronika pendukung lainnya, diharapkan dapat menciptakan suatu informasi baru dalam bidang energi alternatif, khususnya terkait dengan fotovoltaik sistem (Djaufani dkk.,2015).

Salah satu tantangan sistem fotovoltaik saat ini menurut Yamin (2016) adalah optimalisasi daya outputmodul. Masalah ini muncul karena intensitas matahari yang diterima dapat berbeda-beda. Hal ini bergantung pada kondisi cuaca dan posisi geografis suatu daerah, dalam prinsip kerja modul fotovoltaik diketahui bahwa terdapat pengaruh suhu modul fotovoltaik terhadap nilai arus dan tegangan output modul. Nilai arus dan tegangan output sangat mempengaruhi nilai efisiensi karena nilai efisiensi adalah perbandingan antar daya yang keluar serta daya yang masuk ke modul fotovoltaik.

Cuaca dapat mempengaruhi kinerja fotovoltaik yang tergantung pada sinar matahari. Kondisi iklim memiliki pengaruh yang signifikan pada jumlah energi matahari yang diterima oleh fotovoltaik dan dapatberpengaruh terhadap kinerja fotovoltaik,dalam sebuah penelitian mengenai kelayakan sistem fotovoltaik diperoleh hasil penelitian mengenai tegangan pada panel surya yang dimana jatuh

3 tegangan terbesar terjadi pada saat keaadaan mendung pada jam 16.00 WIB yaitu sebesar 4,76 % dan jatuh tegangan terkecil terjadi pada saat keadaan cerah pada jam 12.00 WIB yaitu sebesar 4,17%(Utomo, 2009).

Aplikasi teknologi fotovoltaik dibagi dalam dua kelompok yaitu pengkopelan atau menghubungkan secara langsung dan tidak langsung. Pada pengkopelan langsung energi listrik yang dihasilkan langsung digunakanolehbeban. Pada sistem ini, beban dilayani hanya bila tersedia energi matahari, untukpengkopelan tidak langsung, energi listrik yang diperoleh disimpan dalam baterai sehingga bilatidak tersedia energi matahari maka beban dapat dilayani sepanjang energi di dalam baterai mencukupi (Nadjib dan Teddy, 2011).

Efisiensi penggunaan panel surya sebagai penggerak pompa air berdasarkan penelitian Ariawan dkk.(2013) dengan melihat kemampuan pompa air DC (Direct Current) yang biasa dikenal dengan arus searah untuk dapat mengangkat air pada ketinggian tertentu dan banyak debit air yang dihasilkan mencapai 3,2 meter dan debit air 38% lebih besar dibanding pemakaian pompa AC (Alternating Current).Debitair yang diperkaya dengan nutrisi merupakan salah satu faktor penting dalam hidroponik, di mana metode budidaya tanaman hidroponik tidak memerlukan pemakaian peptisida beracun sehingga lebih ramah lingkungan dan sayuran yang dihasilkan pun lebih sehat.

Mengacu pada perkembangan ilmu dan teknologi pertanian maka kebutuhan modifikasi sistem hidroponik perlu dilakukan agar sistem hidroponik semakin baik, karena sistem hidroponik tidak bisa lepas dari air maka perlu dibuat

4 sistem pengatur sirkulasi air menggunakan tenaga surya. Tenaga surya bisa dijadikan solusi sebagai pemanfaatan energi terbarukan.

Tujuan penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan nilai daya, energi listrik dan efisiensi aktual dari fotovoltaik yang digunakan terhadappengaruh intensitas cahaya matahari sebagaisumber penggerak pompa air DC (Direct Current) pada tanaman hidroponik kangkung.

Manfaat penelitian

1. Sebagai bahan penulisan skripsi yang merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana di Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.

2. Hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat untuk masyarakat perkotaan agar bisa bercocok tanam dengan mudah guna meningkatkan pendapatan atau sebagai penyalur hobi.

Batasan penelitian

Batasan masalah dari penelitian ini adalah hanya untuk mendapatkan nilai efisiensi penggunaan fotovoltaikjenis polycrystalline dan monocrystallinesebagai penggerak pompa air DCpada tanaman hidroponik kangkung.

5

TINJAUAN PUSTAKA

Energi

Sumber-sumber energi utama dan digolongkan menjadi dua kelompok yaitu energi konvensional adalah energi yangdiambil dari sumber yang hanya tersediadalam jumlah terbatas di bumi dan tidakdapat diregenerasi. Sumber- sumber energi ini akan berakhir cepat atau lambat danberbahaya bagi lingkungan, dan energi terbarukan adalah energi yangdihasilkan dari sumber alami sepertimatahari, angin, dan air (Maysha dkk., 2013).

Beberapa manfaat dan kerugian dari pemanfaatan energi terbarukan menurut Sutomo dan Waluyo (2012)yaituenergi terbarukan tersedia secara melimpah, ramah lingkungan, sumber energi bisa dimanfaatkan secaracuma-cuma dengan investasi teknologiyang sesuai, tidak memerlukan perawatan yang banyakdibandingkan dengan sumber-sumberenergi konvensional dan dapat mengurangi biaya operasi, membantu mendorong perekonomian danmenciptakan peluang kerja, serta bebas dari fluktuasi harga pasar terbukabahan bakar fosil.

Kerugian dari penggunaan energi terbarukan adalah biaya awal yang besar, kehandalan pasokan sebagian besar energi terbarukan tergantung kepada kondisi cuaca. Pada saat ini energi konvensional menghasilkan lebih banyak volume yang bisa digunakan dibandingkan dengan energi terbarukan. Energi terbarukan merupakan teknologi yang masih berkembang. Masing-masing energi terbarukan memiliki kekurangan teknis dan sosial tersendiri (Prima, 2015).

Energi matahari merupakan bentuk energi terbarukan (renewable energy) yang menjadiasal muasal energi terbarukan yang lain. Sifat terbarukan adalah energi matahari dapat diperbaharui dan tidak akan habisselama masih ada cahaya

6 matahari di alam.Energi matahari dapat dimanfaatkan dalam dua klasifikasi yaitu secara alamiah dan buatan. Pemanfaatan energi matahari secara buatan dikelompokkan dalam dua bentuk energi yaitu energi listrik dan energi termal.

Pemanfaatan tenaga surya, sepertipenggunaan energi panas matahari serta energi cahaya matahari. Orientasi peralatan yang digunakan untuk mengkonversi atau menyerap energi dari matahari yaitu penggunaan modul surya fotovoltaik (PV) yang mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik (Widayana, 2012).

Tenaga surya

Matahari terdiri dari gas panas dengan diameter 1,39x10⁹m. Jarak mataharidari bumi kira-kira 1,5x10⁸km dengan temperatur efektif 5760 K. Jumlah energi keluaran matahari adalah 3,8x10²⁰ MW atau setara dengan 63 MW/m² pada permukaannya. Energi ini dipancarkan ke segala arah dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan kecepatan 3x10⁵ km/detik pada ruang hampa.Sejumlah daya matahari yang menimpa suatu luasan di permukaan bumi disebut iradiasi matahari (solar irradiance). Besaran ini adalah ukuran intensitas cahaya matahari dengan satuan W/m². Besarnya iradiasi matahari di atmosfer terluar bumi adalah 1,36 kW/m² (Prima, 2015).

Maysha dkk. (2013) menyatakan radiasi yang dipancarkan matahari akan diterima permukaan bumi. Radiasi surya menjadi sumber energi utama untuk proses-proses fisika atmosfer. Proses-proses fisika atmosfer tersebut menentukan keadaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi. Pada hari yang cerah, iradiasi matahari yang mencapai permukaan bumi adalah 1kW/m². Penerimaan radiasi surya dipermukaan bumi sangat bervariasi, di mana radiasi surya yang diterima bumi tergantung dari tempat dan waktu.

7 Suhu

Suhu adalah tingkat atau derajat panas dari kegiatan molekul dalam atmosfer yang dinyatakan dengan skala celcius, fahrenheit, dan reamur. Alat yang digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer. Salah satu faktor yang mempengaruhi tinggi rendahnya suhu udara suatu daerah adalah sudut datangnya matahari, tinggi rendahnya tempat, angin dan awan.Posisi matahari yang berada di atas garis katulistiwa yang terjadi di bulan Juni. Kota Medan memiliki suhu minimum berkisar 23,0 – 24,1 ⁰C dan suhu maksimum berkisar 30,6 – 33,1 ⁰C (Prima, 2015; Utomo, 2009).

Sutomo dan Waluyo (2012) pada keadaan cuaca cerah matahari sebagai sumber energi utama yang memancarkan energi, bumi dapat menerima sekitar 1000 Watt energi matahari per-meter persegi. Kurang dari 30% energi tersebut dipantulkan kembali ke angkasa, 47% dikonversikan menjadi panas, 23%

digunakan untuk seluruh sirkulasi kerja yang terdapat di atas permukaan bumi, sebagaian kecil 0,25% ditampung angin, gelombang dan arus dan yang sangat kecil 0,025% disimpan melalui proses fotosintesis di dalam tumbuh-tumbuhan.

Indonesia tergolong sedang untuk penerimaan intensitas cahaya matahari yaitu berkisar 10% - 51% dari 1000W/m² energi matahari.

Intensitas cahaya matahari

Kota Medan terletak antara 3° 30' – 3° 43' Lintang Utara 98º 35' - 98º 44' Bujur Timur. Kota Medan 2,5 – 37,5 m di ataspermukaan laut.Wijayanti (2012) dalam penelitiannya mengenai letak dan sudut kemiringan untuk penerimaan radiasi surya secara manual dapat ditentukan dengan menghitung panjang hari dan sudut datang. Perbedaan tempat menurut letak lintang di samping menyebabkan

8 perbedaanpenerimaan kerapatan fluks radiasi surya, dan perbedaan periode penerimaannya yang disebut panjang hari.

Sudut datang radiasi surya dan panjang hari tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut:

os z sin sin os os os h ... (1) Keterangan :

z Ф h

= Sudut antara garis normal dengan sinar datang(˚)

=Letak lintang (˚)

= Sudut waktu(˚)

= Sudutdeklinasi surya (˚)

Sudut deklinasi surya dapat ditentukan tergantung oleh waktu atau tanggal (n) yang dapat dihitung dengan:

sin { ( n } ... (2) Keterangan:

n = Nomor hari dalam setahun (Julian day) Sudut waktu dapat ditentukan dengan:

h - tg^- Ф tg^- ... (3) (Wijayanti, 2012).

Fotovoltaik matahari (PV)

Fotovoltaik (PV) merupakan teknologi berdasarkan semi-konduktor dalamkondisi padat yang mengkonversi energicahaya matahari secara langsung menjadienergi listrik tanpa ada bagian yang berputar,tidak menimbulkan kebisingan, dan tanpamengeluarkan gas buangan.Jumlah energi listrik yang dihasilkan olehmodul fotovoltaik bergantung kepada tenaga surya yang tersedia

9 dantergantung kepada arah modul surya terhadap matahari. Hal yangmempengaruhi performa dari fotovoltaik adalah kondisi klimatologi yang dimaksud meliputi temperatur dan radiasi matahari (Firman dkk., 2017).

Sel dapat bervariasi dalam ukuran dari 0,5 inci sampai 4 inci,satu sel dapat menghasilkan 1 atau 2 Watt, besarnya nominal Watt tertinggi yang dihasilkan oleh fotovoltaik disebut Watt peak (Wp). Secara fisik ukuran sel surya adalah kecil hanya beberapa sentimeter dan daya yang dihasilkan rendah, untuk mendapatkan daya yang besar, beberapa sel surya disambung dalam rangkaian seri dan paralel sehingga membentuk kumpulan sel surya. Kumpulan ini disebut modul surya, untuk sistem yang memerlukan daya lebih besar, beberapa modul surya disusun sehingga membentuk solar array. Penyambungan beberapa modul surya dilakukan baik secara seri maupun paralel untuk menghasilkan arus dan tegangan yang dikehendaki (Safrizal, 2017).

Solar cell memiliki jenis yang berbeda tergantung dari bahan yang dipakai. Bahan yang dipakai solar cellmembedakan kualitas dari solar cell yaitu kualitas tegangan dan arus. Material terpenting dalam sel surya crystalline yaitu silikon. Berdasarkan bahan silikon untuk pembetukan SPV dibagi dua yaitumonocrystaline danpolycrystaline.Khair dan Rosma (2018) dalam penelitiannya memperoleh bahwa penggunaan SPV jenis monocrystalline lebih baik dengan efisiensi 15-20% dibandingkan jenis polycrystalline dengan efisiensi 13-18% walaupun dipengaruhi oleh sudut kemiringan dan kondisi cuaca yang berbeda.

Nilai tegangan dan daya dapat dimaksimalkan dengan aturan sebagai berikut,(1) untuk mendapatkan tegangan keluaran yang dua kali lebih besar dari

10 tegangan keluaran sel fotovoltaik, maka dua buah sel fotovoltaik harus dihubungkan secara seri,(2) untuk mendapatkan arus keluaran yang dua kali lebih besar dari arus keluaran sel fotovoltaik, maka dua buah sel fotovoltaik harus dihubungkan secara paralel,(3) untuk mendapatkan daya keluaran yang dua kali lebih besar dari daya keluaran sel fotovoltaik dengan tegangan yang konstan maka dua buah sel fotovoltaik harus dihubungkan secara seri dan paralel (Safrizal, 2017).

Prinsip kerja fotovoltaik

Fotovoltaik terdiri dari minimal 2 lapisan semi-konduktor. Satu lapisan yang mengandung muatan positif, muatan yang lain negatif. Sinarmatahari terdiri dari partikel kecil dari energi matahari yang disebut foton, saat PV terkena sinar matahari banyak dari foton yang tercermin, menembus, atau diserap oleh sel surya, pada saat foton yang diserap oleh lapisan negatif dari PV sudah mencukupi, elektron dibebaskan dari bahan semikonduktor negatif. Elektron ini dibebaskan secara alami bermigrasi ke lapisan positif menciptakan suatu tegangan yang berbeda, ketika 2 lapisan yang terhubung ke beban eksternal, elektron mengalir melalui sirkuit menciptakan listrik (Abbas dkk., 2015).

Pada umumnya satu sel surya dapat menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 - 1 V dan arus short-circuit dalam skala milliamper per cm². Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanyaterdiri dari 28-36 sel surya dan total menghasilkan tegangan DC sebesar 12 Vdalam kondisi penyinaran standar.

Perancangan penggunaan fotovoltaik

11 Menurut Bachtiar (2006) dan Safrizal (2017)perencanaan dilakukan oleh calon pemakai listrik tenaga surya harus memperhitungkan dan merencanakan secara matang dan teliti besarnya kebutuhan minimum energi listrik yang diperlukan sebelum membeli komponen–komponen sistem pembangkit energi listrik tenaga surya. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari pembelian komponen yang tidak sesuai dengan kebutuhan. Mengingat harga investasi awal sistem pembangkit listrik ini relatif mahal, untuk menentukan ukuran sel surya pada sistem energi matahari dengan kapasitas maksimum 1000 Watt, langkah- langkah perencanaan penggunaan fotovoltaikadalah sebagai berikut :

1. Menentukanarusbeban total dalam Amper-Jam (Ah)

Amper-jam dari peralatan dihitung dalam DC amper-jam per hari. Arus beban dapat ditentukan dengan membagi rating Watt dari berbagai alat yang menjadi beban dengan tegangan operasi sistem PV nominal, dengan rumus:

total e an _operasi ^att am pakai sehari ... (4) Keterangan:

total e an = Arus total beban (Ah) 2. Menentukan faktor keamanan sistem

Sistem pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dengan daya 1000 Watt ke bawah, nilai1,20 harus ditambahkan ke pembebanan sebagai faktor keamanan, sehingga :

otal e an dan faktor keamanan total e an ... (5) 3.Menentukan jam matahari ekivalen (Equivalent Sun Hours, ESH)

12 Jam matahari ekivalen suatu tempat ditentukan berdasarkan peta radiasi harian rata-rata (insolasi) matahari terburuk, untuk wilayah Barat Indonesia adalah 4,5 jam.

4.Menentukan Kebutuhan Arus Total Panel Surya

total panel

total e an

... (6) 5.Menentukan susunan modul optimal untuk panel surya

Penentuan susunan modul optimal dengan langkah berikut:

Jumlah modul yang tersusun secara paralel adalah :

∑

odul _aralel total panel

op modul ... (7) Keterangan:

= Arus total panel

= Arus operasi modul

Jumlah modul yang tersusun secara seri ditentukan oleh :

∑

odul _eri ^sistem

modul ... (8) Keterangan:

= Tegangan nominal sistem

= Tegangan nominal modul Menentukan total modul yang diperlukan adalah:

otal modul odul_paralel odul_seri... (9) 6.Kapasitas modul surya

anel surya

... (10) Keterangan :

13 E_T

IM FP

= Energi total beban (Wh) = Insolasi matahari (kWh/m²) = Faktor Penyesuaian (1,1) (Bachtiar, 2006).

Daya listrik

Pengujian yang dilakukan oleh Prima (2015) dilakukan dalamkurun waktu 3 hari dengancara mengukur di paralel, untuk pengukuran diwaktupagi hari dengan intensitasyang tinggi rata-ratamenghasilkan tegangan 18 Vdan arus sekitar 2,6 A dansore hari rata-ratamenghasilkan tegangan 17 Vdan arus sekitar 0,28 A cukup jauh perbedaan antara pagi dan sore.

Penelusuran daya maksimum dengan intensitas cahaya matahari untuk daerah Surabaya, yang dimana data tersebut diambil tanggal 10 Mei 2012 pada jam 08.00 WIB-16.00 WIB. Penelusuran daya maksimum dengan menggunakan modul PV BPSX-60 dapat menghasilkan daya maksimal 59,4 Watt pada keadaan standard condition (intensitas cahaya matahari 1000W/m² dan temperatur 25⁰C).

Daya maksimum yang diperoleh mengikuti keadaan lingkungan yang berubah- ubah(Pebriningtyas dkk., 2013).

Dalam penelitian analisa radiasi oleh Firman dkk.(2017) untuk mengukur tegangan solar cell dengan menggunakan voltmeter dengan cara terminal positif dari solar celldihubungkan dengan terminal positif pada multimeter dan terminal negatif multimeter akan terbaca tegangan yang dihasilkan oleh solar cell. Hasil pengukuran arus dan tegangan dikalikan, maka diperoleh daya yang dihasilkan oleh solar cell(P_out)seperti pada persamaan dibawah ini:

... (11)

14 Keterangan:

Pout

V I

= Daya keluaran (W)

= Tegangan (V)

= Kuat arus (A)

Hasil pengukuran daya listrik yang diperoleh dari matahari merupakan perkalian dari intensitas cahaya matahari dengan luas modul (P_in) seperti dengan

persamaan di bawah ini:

... (12) Keterangan:

Pin

= Daya masukan (W)

= Intensitas cahaya matahari (W/m²)

= Luas modul (m²) (Firman dkk., 2017).

Energi listrik

Energi listrik merupakan salah kebutuhan masyarakat modern yang sangat penting dan vital. Ketiadaan energi listrik akan mengganggu keberlangsungan aktivitas manusia. Energi listrik yang disediakan oleh Perusahaan Listrik Negara (PLN) akan berkurang sehingga terjadi pemadaman listrik bergilir.Solusi yang tepat untuk mengatasi penghematan energi listrik tersebut adalah mengubah cahaya matahari yang melimpah menjadi energi listrik menggunakan teknologi fotovoltaik (Bachtiar, 2006).

Safrizal (2017) dalam penelitian mengenai rancangan panel surya sebagai sumber listrik di Fakultas Sains di Jepara diperoleh kebutuhan energi listrik dalam 24 jam sebesar 383,294 kWh. Berdasarkan perhitungan yang dilakukan maka

15 diperoleh PLTS mampu membangkitkan energi listrik rata-rata harian sebesar 418,59 kWh, sehingga dapat mencukupi kebutuhan listrik pada Fakultas Sains.

Perhitungan energi listrik dapat menggunakan persamaan di bawah ini:

t ... (13) Keterangan :

E P t

= Energi yang dihasilkan fotovoltaik (Wh)

= Daya (W)

= Waktu (h) (Safrizal, 2017).

DC stepdown

DCstepdown hanya berfungsi untuk menurunkan tegangan DC menjadi 12 V dengan menggunakan rangkaian DC-DC stepdown dengan LM2576-12, selain LM2576 bisa juga menggunakan LM7812,akan tetapi LM7812 memiliki maksimum arus 1 A, dibandingkan LM2576 dengan maksimum arus 3 A.

Rangkaian di letakkan pada kotak yang dibuat lubang dibawah dimana kabel hijau adalah dari panel surya, sedangkan kabel merahhitam akan terhubung dengan pompa (Gozali, 2016).

Penilitian yang dilakukan Puspaningrum dkk. (2013) berdasarkan pengukuran switching regulatorjenis IC LM2596 untuk suplai daya dalam meningkatkan kinerja pada quadcopteruntuk 3,3 Vmampu memenuhi kebutuhan daya setiap subsistem yang ada pada nanosatelit berdasarkan hasil pengukuran, yaitu daya keluaran pada switching regulator keluaran 3,284 Vuntuk switching regulator 5 V mampu memenuhi kebutuhan daya setiapsubsistem yang ada pada

16 nanosatelit berdasarkan hasil pengukuran yaitu 4,994 V maka dengan demikian sudah sesuai dengan tegangan yang dibutuhkan pada subsistem pada nanosatelit.

Pompa air DC

Pompa adalah suatu peralatan mekanik yang digerakkan oleh tenaga mesin untuk memindahkan cairan melalui pipa dari suatu tempat ke tempat lain apabila terdapat perbedaan tekanan.Head pompa adalah energi yang diberikan ke dalam fluida dalam bentuktinggi tekan (pressure head), dimana tinggi tekan merupakan ketinggian fluidaharus naik untuk memperoleh jumlah energi yang sama dengan satuan bobot fluida pada kondisi yang sama untuk mengalirkan zat cairyang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan yang dinyatakan dalam satuan panjang (Irwansyah dan Istardi, 2014).

Menurut persamaan Bernauli, ada 4 macam head (energi) fluida yaitu : 1. Head tekanan

Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat perbedaan tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair.Head tekanan dapat dihitung dengan:

... (14) Keterangan:

γ

= Tekanan (N/m²)

= Berat per satuan volume zat cair (N/m³) 2. Head kecepatan

Head kecepatan adalah energi kecepatan zat cair terhadap luas penampang saluran.Head kecepatan dapat dihitung dengan:

_g ... (15)

17 Keterangan:

g

= Kecepatan aliran fluida (m/s)

= Percepatan gravitasi (m/s²) 3. Head statis

Head statis total adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi inlet dan juga outlet, dengan rumus:

h -h ... (16) Keterangan:

= Ketinggian pipa inlet (m)

= Ketingian pipa outlet (m) 4. Head loss

Head loss total adalah jumlah keseluruhan kerugian energi yang terjadi akibat fluida bergesekan dengan pipa dan komponen tambahan dalam sistem perpipaan.Head loss terbagi dua, yaitu:

- Head loss mayor

Head loss mayor atau H gesekan merupakan kerugian energi karena fluida bergesekan dengan pipa. H gesekan dapat dihitung dengan:

f _g ... (17) Keterangan:

f L D V² g

= Koefisien kerugian gesek (1,978)

= Panjang pipa (m)

= Diameter pipa (m)

= Kecepatan aliran fluida (m/s)

= Percepatan gravitasi (m/s²)

18 - Headloss minor

Pada saat aliran fluida mengalami gangguan aliran yang menyebabkan kurangnya energi aliran, hal ini dapat disebut sebagai head kerugian dalam jalur pipa. Secara umum dapat dirumuskan sebagai berikut:

v _g ... (18) Keterangan:

f

g

= Koefisien kerugian gesek (1,978)

= Kecepatan aliran fluida (m/s)

= Percepatan gravitasi (m/s²) Total head loss dapat dihitung dengan rumus:

_f ... (19) Penentuanhead pompa dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut : ... (20) Keterangan:

H = Head total pompa (m) (Irwansyah dan Istardi, 2014).

Berdasarkan pengukuran dan perhitungan tegangan dan arus regulator 12 V yang dibebani dengan pompa DC, pompa dapat mengangkat air dari pukul 10.00 – 15.00. Kebutuhan tegangan pompa untuk bekerja secara optimal adalah sebesar 12 V dan arus sebesar 5 A, sehingga total daya yang dibutuhkan pompa adalah sebesar 60 Watt.Debit air yang dapat diangkat oleh pompa DC dengan ketinggian pipa 0,5 m sebanyak 45 liter/menit, dalam waktu 1 jam pompa DC

19 dapat mengangkat air sebanyak 2700 liter dan pompa DC dapat bekerja secara maksimal selama 6 jam (Ariawan dkk., 2013).

Debit

Berdasarkan penelitian Nawarisa (2017) debit air selama 6 jam pada fase tengah (13-20 hari) untuk debit awal rata-rata yaitu 7,013 x 10^-4l/dtk dan debit akhir rata-rata 6,380 x 10^-4 l/dtk, sedangkan pada fase akhir (21-30 hari) untuk debit awal rata-rata adalah 7,013 x 10^-4l/dtk dan debit akhir rata-rata sebesar 6,226 x 10^-4l/dtk, hal ini disebabkan debit aliran air pada talang yang melewati setiap outlet akan terhalang oleh perakaran tanaman sehingga debit akhir akan lebih kecil daripada debit awal, dan dipengaruhi juga oleh kebutuhan air tanaman yang semakin meningkat, sehingga debit akhir akan semakin kecil.

Debit airdapatdihitung dengan persamaan sebagai berikut:

... (21) Keterangan:

Q = Debit (m³/dtk) V = Volume fluida (m³)

t = Waktu fluida mengalir (dtk) Hidroponik

Hidroponik adalah budidaya menanam dengan memanfaatkan air tanpa menggunakan tanah dengan menekankan pada pemenuhan kebutuhan nutrisi bagi tanamanyang media tanam dapat dibuat secara bertingkat atau vertikultur.

Kebutuhan air pada hidroponik lebih sedikit daripada kebutuhan air pada

20 budidaya dengan tanah maka cocok diterapkan pada daerah yang memiliki pasokan air yang terbatas, prinsipnya sistem hidroponik tidak melibatkan media tumbuh, tetapi merendam akar dalam larutan nutrisi yangdiangin- anginkan(Gozali, 2016).

Penentuan kecepatan masuknya larutan nutrisi ke talang perlu pengamatan rutin, jika akar tanaman semakin banyak, kecepatan aliran nutrisi otomatis berkurang. Tanaman yang paling dekat dengan inlet akan banyak menyerap nutrisi dan oksigen, sehingga mempengaruhi pertumbuhan dan produktivitas tanaman, untuk meminimalkan efek negatiftersebut, panjang talang sebaiknya tidak lebih dari 12 m dan lebar minimun 14 cm (Nawarisa, 2017).

Karakteristik tanaman kangkung

Klasifikasi ilmiah tanaman kangkung menurut (Edi dan Julistia, 2010) adalah sebagai berikut:

Kingdom = Plantae

Divisio = Spermatophyta

Kelas = Magnoliopsida

Ordo = Solanales

Famili = Convolvulaceae

Genus = Ipomoea

Spesies = Ipomoea reptans

Penelitian analisis kadar kalsium, air dan besi pada tanaman kangkung oleh Margono (2009) panen dilakukan setelah berumur 20 hari setelah tanam, dengan cara mencabut tanaman sampai akarnya ataumemotong pada bagian pangkal tanaman sekitar 2 cm di atas permukaan tanah. Proses pemanenan baik

21 tanaman kangkung dilakukan pada pagi hari, hal ini dilakukan untuk menjaga agar kelembapan tanaman panen tetap tinggi. Tanaman dipanen dengan tinggi berkisar 20-25 cm, dan helai daun berkisar 5-20 helai dengan lebar daun 1-3 cm.

Efisiensi fotovoltaik

Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara daya maksimum yang dihasilkan modul surya dan daya yang diperoleh dari energi matahari. Efisiensi modul surya tergantung radiasi matahari yang ada. Semakin rendah radiasi matahari semakin rendah pula efisiensinya. Efisiensi digunakan untuk memprediksi daya keluaran modul surya bila diketahui intensitas cahaya matahari dan luas modul surya (Nadjib dan Teddy, 2011).

Efisiensi dari panel dihitung dengan persamaan di bawah ini:

... (22) Keterangan:

= Efisiensi panel surya (%)

= Daya keluaran (W)

= Daya yang diterima (W) (Fahiswara, 2015).

Fahiswara (2015) dalam penelitiannya dengan melakukan simulasi sistem pompa air sel surya dengan menggunakan pompa air sentrifugal, dari hasil simulasi diperoleh tegangan optimal untuk sel surya sebesar 318 V dan diperoleh volume air sebesar 9,78 liter, daya keluaran PV rata-rata 521 Watt, dengan efisisensi rata-rata 71,8%, slip rata-rata 4,71% dan debit air rata-rata 24,4 liter/menit.

22

METODOLOGI PENELITIAN

Waktu dan tempat penelitian

Penelitian inidilaksanakan pada bulan MeisampaiAgustus 2018di Lantai 2 koridor Program Studi Keteknikan PertanianFakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan dengan ketinggian 12 meter diatas permukaan laut (mdpl) dan terletak 3⁰55' Lintang Utara 98⁰65' Bujur Timur.

Alat dan bahan

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah panel surya 10Wp jenis monocrystalline dan jenis polycrystalline,pompa air DC, DCstepdown, gelas ukur nutrisi, pipa paralon, pipa PVC, ember larutan nutrisi, elbow, pipa TE, dop, baut, seng bening, besisiku, tiang besi, alat tulis, kamera digital, kalkulator, mistar, selang plastik, nett pot, termometer, solar power meter.

Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bibit tanaman kangkung, larutan nutrisi ABmix, dan rockwool.

Metode penelitian

Metode penelitian yang digunakan pada penelitian ini adalah metode observasi lapangan dan analisis data. Data yang digunakan dalam penelitian ini meliputidata primer dan data sekunder. Data primer diperoleh dengan melakukan perhitungan daya secara langsung. Data sekunder diperoleh dari Badan Meteoroloi Klimatologi dan Geofisika Sumatera Utara.

Dalam penelitian ini akan dilakukan pengujian denganmembandingkan daya hasil fotovoltaik terhadap lamawaktu penyinaran mataharisehingga dapat menggerakkan pompa air DC hidroponiktanaman kangkung. Perlakuan yang

23 diberi adalah penggunaan sekaligusfotovoltaikberbeda jenis dandiberi simbol (F)yangterdiri dari 2 jenis yaitu:

F1 = Fotovoltaikpolycrystalline F2 = Fotovoltaikmonocrystalline

Untuk flowchart pada penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran (1).

Perancangan alat

Perancangan alat dilakukan untuk menghindari pemakaian komponen yang tidak sesuai dengan kebutuhan sehingga alat dapat berfungsi secara optimal.

1.Rancangan struktural

Rancangan struktural terdiri dari beberapa komponen, yaitu:

a. Panel surya (Solar array)

Solar array merupakan kumpulan dari beberapa modul surya yang disusun dan berfungsi untuk mengubah sinar matahari sebagai energi listrik. Panel surya yang digunakan adalah 10 Wp, spesifikasi panel surya pada Lampiran(3) dan sudut pemasangan panel surya pada Lampiran (5).

b. DC stepdown

DC stepdownyang digunakan sebagai penurun tegangan sehingga pompa air tidak mengalami kerusakan karena tegangan yang terlalu tinggi adalah LM 7812.

c. Pompa air DC

Berfungsi untuk memindahkan cairan melalui pipa dari suatu tempat ke tempat lain danmengalir apabila terdapat perbedaan tekanan.

Spesifikasi pompa DC dapat dilihat pada Lampiran (4).

24 d. Rangka

Rangka hidroponik terdiri dari pipa paralon 2,5 inci, pipa PVC 1,5 inci, dan elbow dengan ukuran 0,75 inci dan 1,5 inci, untuk rangka bangunan terdiri dari atap yang berbahan seng bening, konstruksi penyangga hidroponik dan atap yang terbuat dari pipa 0,75 inci, untuk penyangga fotovoltaik digunakan tiang besi, dan penyambung antara rangka pipa dengan menggunakan lem pipa.

2.Analisis data dan perhitungan

Analisis data dilakukan untuk menentukan jumlah modul fotovoltaikyang akan digunakan untuk menggerakkan pompa air DC.

Perhitungan jumlah modul ini dapat dilihat pada Lampiran (2).

Setelah analisis teknik diperoleh dimensi kemudian dibuat dan dibentuk dengan gambar teknik yang dapat dilihat pada Lampiran (15).

Prosedur penelitian

A. Pembuatan kontruksi hidroponik

1.Menyiapkan bahan untuk pembuatan konstruksi hidoponik yang akan di letakkan pada ketinggian 12 mdpl di mana untuk posisi hidroponik menghadap 6⁰ ke utara,dan posisi tiang fotovoltaik menghadap 15⁰ ke barat.

2.Merancang konstruksi hidroponik.

3.Meletakkan 4 talang pipa PVC yang masing-masing memiliki 13 lubang tanam dengan jarak antar lubang 5 cm.

4.Mengatur posisi yang sama pada talang untuk setiap perlakuan.

5.Menggabungkan antara talang dengan pipa elbow.

25 6.Memasang selang plastik pada tiap ujung talang.

7.Meletakkan ember dibawah selang sebagai wadah penampungair dan nutrisi

8.Mendirikan rumah atap plastik.

9.Meletakkan tiang penyangga dengan posisi di sisi samping hidroponik.

10.Memasang solar array pada tiang penyangga.

11.Menyambungkan kabel solar array dengan DCstepdown pada tiang penyangga dan dilanjutkan ke pompa air DC.

B. Pelaksanaan persemaian

1.Menyediakan tempat persemaian berupa wadah plastik berukurandan rockwool sebagai tempat persemaian.

2.Membasahi rockwool dengan air sampai lembab.

3.Menaburkan benih di atas media rockwool dengan jarak tidak terlalurapat.

4.Menutup tempat persemaian dengan plastik hitam agar tidak terkena sinar matahari secara langsung.

5.Memindahkan tanaman kangkungyang berumur 7 -8 hari dan memiliki 4 daun ke nett pot lalu meletakkannyake talang.

C. Pelaksanaan penelitian

1. Mengisi emberdengan larutan nutrisi (13 liter air dan 130 ml nutrisi).

2. Memindahkan tanaman dari persemaian ke talang.

3. Mengaktifkan pompa agar nutrisi mengalir di dalam talang.

4. Mengairi tanaman kangkungdimulai padapukul 09.00– 15.00 WIB.

5. Menghitung dayadan intensitas cahaya matahari dengan menggunakan solar power metersetiap jam.

26 6. Menghitung debit air yang dapat diangkat oleh pompa setiap jam.

7. Melakukan pengamatan pada tanaman kangkungsetiap 2 hari sekali sampai panen (20 hari) dengan pengambilan sampleuntuk setiap talang sebanyak 6 sample, 2 sample di awal, di tengah, dan di akhir talang, dengan langkah-langkah sebagai berikut:

a. Menghitung jumlah daun yang mekar pada tanaman kangkung.

b.Mengukur lebar daun tanaman kangkung dengan mistar.

c. Mengukur tinggi tanaman kangkung dari pangkal batang tanaman pada permukaan media tanam sampai ujung daun tertinggi.

8. Membandingkan efisiensi dari penggunaan fotovoltaik jenis monocrystalline dan polycrystalline.

Parameter penelitian 1. Suhu

Pengukuran suhu lingkungan dilakukan setiap jam selama penelitian berlangsung dengan menggunakan termometer.

2. Intensitas cahaya matahari

Pengukuran intensitas cahaya dapat dilakukan dengan pengukuran secara langsung dengan alat solar power meter sedangkan pengukuran intensitas cahaya matahari secara teoritis menggunakan data yang diperoleh dari Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) periode 1 tahun terakhir (2017).

3. Daya listrik

Daya listrik yang menjadi parameter terdiri dari daya teoritis dan daya aktual dengan pengukuran secara langsung setiap jamyang terdiri dari 3 data

27 yaitu; 10 menit sebelum waktu pengukuran, waktu pengukuran, dan setelah waktu pengukuran pada panel surya dengan (Persamaan11 dan 12).

4. Energi listrik

Untuk perhitungan energi listrik yang dihasilkanfotovoltaikyangdigunakan untuk menggerakkan pompa dapat dihitung dengan menggunakan (Persamaan 13).

5. Debit air

Perhitungan debit air dengan menggunakan pompa air DC selama sikluspemberianair pada hidroponik dengan metode gravimetrik (Persamaan 21).

6. Pertumbuhan tanaman

Pengamatan pertumbuhan tanaman meliputi pengamatan jumlah daun, lebar daun, dan tinggi tanaman kangkung yang diamati setiap 2 hari sekali selama 20 hari.

7. Efisiensi fotovoltaik

Efisiensi aktual dari fotovoltaikdapat dihitung dengan perbandingan daya keluaran modul surya terhadapdaya yang diterima olehmodul surya(Persamaan22).

28

HASIL DAN PEMBAHASAN

Suhu

Hasil penelitian pemanfaatan tenaga surya sebagai penggerak pompa air DC pada tanaman hidroponik dengan pengukuran secara langsung pada bulan Mei sampai Agustus 2018 yang dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Suhu rata-rata pada bulan Mei - Agustus 2018 Pukul

Suhu

Rata-rata (⁰C) Mei

(⁰C)

Juni (⁰C)

Juli (⁰C)

Agustus (⁰C)

09.00 27 30 28 28 28

10.00 29 30 30 28 29

11.00 31 32 30 30 30

12.00 32 33 31 32 32

13.00 32 33 33 33 33

14.00 32 32 32 31 31

15.00 30 31 30 30 30

Rataan 30,7 31,7 29,8 30,2 30

Salah satu faktor yang menjadi pertimbangan intensitas cahaya matahari adalah temperaturudara. Tingkat suhu dapat mempengaruhi kinerja dari fotovoltaik. Idealnya fotovoltaik bekerja pada temperatur standar 25⁰C. Seiring dengan meningkatnya suhu maka efisiensi kerja juga akan menurun, di Tabel 1 dapat dilihat suhu rata-rata pada waktu penelitian berkisar 28⁰ – 33⁰C, yang pada umumnya suhu rata-rata Indonesia menurut Prima (2015) berkisar 25⁰ – 35⁰C.

Suhu tertinggi terjadi pada bulan Juni dengan rata-rata 31,7⁰C dan selama pengukuran pada pukul 09.00 – 15.00 WIB diperoleh suhu berkisar 30⁰ – 33⁰C yang di mana suhu tertinggi terjadi pukul 12.00 – 13.00 WIB dengan hasil pengukuran 33⁰C dan kondisi lingkungan yang cerah. Kota Medan memiliki suhu minimum berkisar 23,0 – 24,1 ⁰C dan maksimum 30,6 – 33,1 ⁰C (Utomo, 2009).

29 Intensitas cahaya matahari

Intensitas cahaya matahari pada pukul 09.00 – 15.00 WIB mengalami perubahan setiap jam. Pengambilan data secara langsung dimulai pada bulan Mei sampai Agustus 2018,untuk intensitas cahaya matahari rata-rata dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Intensitas cahaya matahari rata-rata pada bulan Mei - Agustus 2018 Pukul

Intensitas Cahaya Matahari

Rataan (W/m²) Mei

(W/m²)

Juni (W/m²)

Juli (W/m²)

Agustus (W/m²)

09.00 184,94 244,15 202,37 210,42 210,47

10.00 341,75 272,87 325,24 272,58 303,11

11.00 400,54 386,57 355,70 352,03 373,71

12.00 451,58 509,73 444,99 469,57 468,96

13.00 420,80 541,28 499,95 512,33 493,59

14.00 293,57 432,05 428,18 426,08 394,97

15.00 213,94 344,64 333,53 350,51 310,65

Total 2758,70 3241,02 3034,95 3063,09 3024,44

Rataan 368,38 463,00 433,42 437,58 432,06

Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa intensitas cahaya matahari yang tertinggi dimulai dari pukul 11.00 WIB sampai pukul 14.00 WIB. Intensitas cahaya matahari tertinggi diperoleh pada bulan Juni dengan total intensitas cahaya matahari sebesar 3241,02W/m² dimana pada pukul 13.00 WIB merupakan intensitas tertinggi yaitu 541,28W/m² dengan suhu 33⁰C yang dapat dilihat pada Tabel 1, sedangkan intensitas cahaya matahari terendah diperoleh pada bulan Mei sebesar 184,94W/m² pada pukul 09.00 WIB dengan suhu 27⁰C.

Intensitas cahaya matahari pada bulan Mei – Juni 2018 cukup berbeda dengan tahun 2017, di mana pada Tabel 2 di bulan Juni tahun 2018 intensitas sebesar 3241,02W/m² dengan suhu rata-rata 31,7⁰C, dan di tahun 2017 sebesar 2471,4 W/m² dengan suhu rata-rata 28,3 ⁰C, untuk data rata-rata intensitas cahaya

30 bulan Mei-Juni 2017 dapat dilihat padaLampiran 7, maka dapat diketahui bahwa intensitas cahaya matahari dan suhu semakin meningkat setiap tahun.

Menurut Prima (2015) perbedaan intensitas cahaya matahari setiap bulandisebabkan posisi matahari yang tidak berada di atas garis katulistiwa dan kondisi lingkungan yang memiliki banyak polusi dan asap sehingga dapat menghalangi cahaya matahari. Efek rumah kacaatau naiknya suhu bumi karena meningkatnya kandungan karbon dioksida di atas atmosferyang bersifat lokal merupakan penyebab berkurangnya pancaran intensitas cahaya matahari serta saat posisi matahari berada di atas garis katulistiwa yang terjadi di bulan Juni.

Berdasarkan Tabel 1 dan 2 intensitas cahaya matahari semakin tinggi apabila suhu tinggi. Rata-rata intensitascahaya matahari dan suhu selama 7 jam pada bulan Mei - Agustus 2018 disajikan pada Gambar 1, yang menunjukkan bahwa perubahansuhuhingga 33⁰C dengan peningkatan intensitas cahaya matahari hingga541,28 W/m². Intensitas cahaya matahari tertinggi di bulan Juni, dan terendah di bulan Mei berkisar 184,94 - 541,28 W/m² pada suhu 27⁰ – 33⁰C.

Sutomo dan Waluyo (2012) menyatakan bahwa pada umumnya Indonesia tergolong sedang untuk penerimaan intensitas cahaya matahari yaitu berkisar 10%

- 51% dari 1000W/m² energi matahari.

0 100 200 300 400 500 600

27 28 29 30 31 32 33

Intensitas cahaya matahari (W/m2)

Suhu (⁰C)

Bulan Mei Bulan Juni Bulan Juli Bulan Agustus

Gambar 1. Hubungan suhu dengan intensitas cahaya matahari pada bulan Mei

31 Daya listrik

Daya listrik fotovoltaik dengan pengukuran secara langsung (aktual) dan perhitungan secara teori (teoritis) dari bulan Mei sampai denganAgustus 2018 untuk daya listrik rata-rata yang dihasilkan oleh fotovoltaik polycrystaline(F1) dan fotovoltaik monocrystaline(F2)dapat dilihat pada Tabel 3 dan 4.

Tabel 3. Daya rata-ratafotovoltaik(F1) bulan Mei – Agustus 2018 Pukul

Daya Aktual F1 Daya Teoritis F1

Mei (W)

Juni (W)

Juli (W)

Agustus (W)

Mei (W)

Juni (W)

Juli (W)

Agustus (W) 09.00 2,66 2,36 2,22 2,06 10,09 10,09 10,09 10,09 10.00 3,46 2,95 3,06 2,70 10,09 10,09 10,09 10,09 11.00 4,15 4,12 4,17 3,65 10,09 10,09 10,09 10,09 12.00 5,02 5,14 5,00 4,95 10,09 10,09 10,09 10,09 13.00 4,73 5,40 5,33 5,42 10,09 10,09 10,09 10,09 14.00 4,08 4,44 4,76 5,00 10,09 10,09 10,09 10,09 15.00 3,51 3,76 3,11 4,11 10,09 10,09 10,09 10,09 Total 27,61 28,17 27,65 27,89 70,63 70,63 70,63 70,63 Rataan 3,94 4,02 3,95 3,98 10,09 10,09 10,09 10,09 Tabel 4. Daya rata-ratafotovoltaik(F2)bulan Mei – Agustus 2018

Pukul

Daya Aktual F2 Daya Teoritis F2

Mei (W)

Juni (W)

Juli (W)

Agustus (W)

Mei (W)

Juni (W)

Juli (W)

Agustus (W) 09.00 3,16 2,90 2,37 2,37 10,20 10,20 10,20 10,20 10.00 4,15 3,74 3,50 3,05 10,20 10,20 10,20 10,20 11.00 4,65 5,12 4,93 4,62 10,20 10,20 10,20 10,20 12.00 5,57 5,06 5,97 5,98 10,20 10,20 10,20 10,20 13.00 5,37 6,40 6,12 6,66 10,20 10,20 10,20 10,20 14.00 4,65 5,29 5,41 5,83 10,20 10,20 10,20 10,20 15.00 4,00 4,32 3,61 3,91 10,20 10,20 10,20 10,20 Total 31,55 32,82 31,91 32,42 71,40 71,40 71,40 71,40 Rataan 4,50 4,69 4,55 4,63 10,20 10,20 10,20 10,20

Total daya tertinggi berdasarkan Tabel 3 dan 4 adalah pada bulan Juni dengan pemakaian fotovoltaik polycrystalline(F1) diperoleh daya aktual28,17 W dan daya teoritis 70,63 W, untuk fotovoltaik monocrystalline(F2) daya aktual sebesar 32,82 W dengan daya teoritis 71,40 W. Daya keluaran fotovoltaik dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari, di mana pada Tabel 2 intensitas

32 cahaya matahari tertinggi terjadi pada bulan Juni sebesar 2672,07 W/m². Daya teoritis yang dihasilkan lebih besar daripada daya aktual dari setiap perlakuan (F1) dan (F2)karena dalam perhitungan daya secara teoritis hanya menghitung daya keluaran berdasarkan tegangan dan kuat arus yang terdapat pada spesifikasi fotovoltaik.

Berdasarkan Tabel 3 terlihat bahwa daya listrik aktual tertinggi yang dihasilkan oleh fotovoltaik polycrystalline (F1) sebesar 5,42 Wattdi bulan Agustuspukul 13.00 WIB, untuk contoh perhitungan daya dapat dilihat pada Lampiran 8. Intensitas cahaya matahari pada pukul 13.00 WIB berdasarkan Tabel 2di bulan Juni merupakan intensitas tertinggi dengan suhu 33⁰C, akan tetapi daya yang dihasilkan lebih rendah daripada di bulan Agustus yang disebabkan pengaruh suhu dan intensitas yang semakin tinggi akan menyebabkan permukaan fotovoltaik menjadi panas sehingga akan mengurangi kemampuan sel-sel surya untuk mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik di mana fotovoltaik dapat berfungsi secara optimal pada kondisi standar yaitu intensitas cahaya matahari 1000 W/m² dan suhu 25⁰C(Pebriningtyas dkk., 2013).

Daya listrik aktual tertinggi pada Tabel 4 yang dihasilkan oleh fotovoltaik monocrystalline (F2) terjadi di bulan Agustus pukul 13.00 WIB yaitu 6,66 Watt, di mana daya yang dihasilkan oleh (F1) dan (F2) berdasarkan Tabel 3 dan 4 memiliki perbedaan daya yang disebabkan karena proses pembuatan tiap fotovoltaik,untuk pembuatan fotovoltaik polycrystalline (F1) dengan cara pengecoran silikon, sehingga struktur kristal di dalamnya menjadi acak dan tidak berikatan. Fotovoltaik monocrystalline (F2) dibuat dengan pengirisan silkon sehingga kondisi struktural silikon yang seragam sangat ideal untuk pergerakan

33 elektron sehingga daya keluaran relatif lebih tinggi. Hal ini sesuai dengan literatur

Khair dan Rosma (2018) yang menyatakan bahwa (F2) lebih baik daripada (F1) karena efek proses pembuatanyang berbeda dan kemurnian material, serta faktor luar meliputi intensitas matahari dan temperatur sel.

Berdasarkan Tabel 3 pompa air DC dengan daya 3,6 Watt per jam dapat bergerak secara optimal untuk pemakaian fotovoltaik polycrystalline (F1) dimulai pada pukul 11.00 – 14.00 WIB, sedangkan fotovoltaik monocrystalline (F2) pada pukul 11.00 – 15.00 WIB. Daya yang diperoleh berbeda setiap jam seiring dengan perubahan intensitas matahari yang semakin tinggi seperti pada Tabel 2.

Pebriningtyas dkk. (2013) menyatakan bahwa daya maksimum keluaran dari fotovoltaik mengikuti keadaan yang berubah-ubah dan daya listrik juga mengalami penurunan sampai 0,5%/⁰C.

Energi listrik

Berdasarkan hasil penelitian mengenai energilistrik yang yang dihasilkan oleh fotovoltaikpolycrystalline(F1) dan fotovoltaik monocrystalline (F2)pada bulan Mei, Juni, Juli dan Agustus 2018 dengan rata-rata energi listrik per hari (Wh) dapat dilihat pada Tabel 5.

Tabel 5. Rata-rata energi listrik harianfotovoltaik pada bulan Mei – Agustus 2018 Bulan

Energi listrik F1 Energi listrik F2 Aktual

(Wh)

Teoritis (Wh)

Aktual (Wh)

Teoritis (Wh)

Mei 193,27 376,74 220,85 387,03

Juni 196,70 393,05 229,74 457,17

Juli 194,18 370,51 221,48 434,42

Agustus 195,09 321,86 226,94 325,57

Total 779,24 1462,16 899,01 1604,19

Rataan 194,81 365,54 224,75 401,04

Dari Tabel 5 dapat dilihat bahwa rata-rata energi listrik yang dihasilkan dari fotovoltaik polycrystalline (F1) adalah 194,81 Whdengan energi teoritis

34 401,04 Wh. Energi listrik aktual terbesar diperoleh di bulan Juni yaitu 196,7 Whdengan energi teoritis 229,74 Wh, di mana intensitas cahaya matahari yang tertinggi pada Tabel 2 adalah bulan Juni yaitu 2672,07 W/m². Semakin besar intensitas cahaya matahari yang diterima oleh fotovoltaik maka energi yang dihasilkan juga tinggi karena silikon berperan sebagai isolator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas.

Rata-rata energi listrik aktual yang dihasilkan dari fotovoltaik monocrystalline (F2) pada Tabel 5 adalah 224,75 Whdengan energi teoritis 401,04 Wh. Energi listrik aktual terbesar dihasilkan di bulan Juni yaitu 229,74 Whdengan energi listrik teoritis sebesar 457,17 Wh. Berdasarkan Tabel 5 dapat dilihat bahwa energi yang dihasilkan oleh (F1) lebih rendah daripada (F2). Hal ini disebabkan daya yang dihasilkan oleh (F1) juga rendah seperti pada Tabel 3, maka untuk pemakaian fotovoltaik jenis monocrystalline lebih unggul daripada jenis polycrystalline.

Pemakaian setiap pompa air DC dengan kebutuhan energi listrik 25,2 Watt per hari pada Lampiran 2, untuk fotovoltaik jenis polycrystalline (F1)pada Tabel 5 dapat menghasilkan energi listrik rata-rata setiap hari yaitu194,81 Wh per hari, dan untuk fotovoltaikjenis monocrystaline(F2) menghasilkan energi listrik rata- rata sebesar 224,75 Whper hari. Energi listrik yang dibutuhkan setiap pompa air DCselama 7 jam operasi maka sudah tercapai dengan demikian energi listrik yang tidak terpakai sebesar 169,61 Whdari F1 dan 199,55 Wh untuk F2.

Debit air

Hasil data debit awal dan debit akhir pada pemberian air tanaman sistem hidroponik dengan pompa air DC yang dapat dilihatpada Tabel 6 dan 7.

35 Tabel 6. Debit pada bulan Mei - Juni 2018

Jenis fotovoltaik

Debit awal rata-rata (m³/dtk)

Debit akhir rata-rata (m³/dtk)

Rata-rata (m³/dtk)

Headrata- rata (m) (F1) 5,21 x 10^-7 2,25 x 10^-7 3,73 x 10^-7 0,30 (F2) 5,21 x 10^-7 2,16 x 10^-7 3,68 x 10^-7 0,30 Tabel 7. Debit pada bulan Juli - Agustus 2018

Jenis fotovoltaik

Debit awal rata-rata (m³/dtk)

Debit akhir rata-rata (m³/dtk)

Rata-rata (m³/dtk)

Headrata- rata (m) (F1) 5,21 x 10^-7 3,12 x 10^-7 4,16 x 10^-7 0,30 (F2) 5,21 x 10^-7 2,73 x 10^-7 3,97 x 10^-7 0,30

Dari Tabel 6 dan 7 dapat dilihat bahwa debit awal rata-rata yang diberikan sama untuk setiap perlakuanselama 20 hari tetapi nilai debit tertinggi di bulan Juli – Agustus dengan debit rata-rata 4,16 x 10^-7m³/dtk untuk (F1) dan3,97 x 10^-

7m³/dtk (F2). Debit terendah terjadi pada bulan Mei – Juni 2018di mana pompa air DC dapat mengangkat air rata-rata sebesar 3,73 x 10^-7m³/dtk(F1)dan(F2) yaitu 3,68 x 10^-7m³/dtk dengan total head0,30m.Head rata-rata yang diperlukan untuk mengangkat air adalah 0,30 m, ketinggian maksimal pompa air DCpadaLampiran 4 yaitu 3 m maka sudah mencukupi kebutuhan head.

Perbedaandebit pada bulan Mei –Junidengan bulan Juli – Agustus 2018 karena pengaruh intensitas cahaya mataharidi Tabel 2, dan daya keluaran fotovoltaik pada Tabel 3 dan 4 tertinggi jatuh di bulan Juni, sehingga menyebabkan pompa air DC mengalami pemanasan yang mengakibatkan kerja alat berkurang, di manapompa membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mengangkat air. Ariawan dkk. (2013) menyatakan bahwa debit mengalami penurunan karena dipengaruhi pompa air yang mengalami penurunan kinerja diakibatkan pemanasan pada pompa.