1. Pendahuluan
Kebutuhan akan energi terbarukan yang ramah lingkungan semakin meningkat di Indonesia khususnya untuk penggunaan listrik dalam rumah tangga, hal ini dikarenakan konsumsi energi listrik saat ini masih bergantung pada bahan bakar fosil yang memiliki dampak buruk pada lingkungan serta ketersediaannya yang semakin terbatas. Banyak upaya yang dilakukan agar bisa beralih dari sumber energi yang tidak ramah lingkungan menuju sumber energi yang lebih ramah lingkungan serta dapat diperbaharui, seperti dilakukannya pengembangan untuk membangun pembangkit listrik dari berbagai sumber alternatif seperti energi panas bumi, energi angin, energi air, serta energi surya. Indonesia sendiri merupakan negara dengan iklim tropis yang cukup menerima sinar matahari, maka dari itu pemanfaatan energi surya dapat diaplikasikan sebagai salah satu alternatif sumber energi terbarukan. Terkait potensi energi surya yang cukup tinggi maka perlu adanya penelitian berkesinambungan dalam pemanfaatan energi tersebut sebagai sumber energi listrik alternatif [1], [2].
Dalam pemanfaatan sumber energi surya diperlukan panel surya sebagai alat untuk mengonversi energi yang didapat dari sinar matahari berupa partikel foton yang kemudian diubah menjadi elektron yang bergerak, pergerakan inilah yang akan menciptakan arus listrik sebagai sumber energi. Panel surya tersusun atas bahan semikonduktor crystalline silicon yang memiliki beberapa jenis seperti monokristal yang memiliki efisiensi sebesar 16-19%, lalu polikristal dengan efisiensi 13-17% dan jenis thin film dengan efisiensi 6-9% [3]. Dalam penelitian ini digunakan panel surya berjenis polikristal lalu diaplikasikan dalam sistem PLTS hybrid, dimana energi listrik yang dihasilkan panel surya yang berupa arus listrik DC akan disimpan di dalam baterai 12V lalu dikonversi oleh inverter menjadi listrik AC yang dapat digunakan sebagai sumber lsitrik pada rumah tangga. Pada sistem hybrid juga terdapat dua sumber kelistrikan dalam satu sistem yang saling mendukung satu sama lain, dalam hal ini sumber energi surya dipadukan dengan sumber listrik PLN yang akan menjadi sumber energi cadangan.
Dalam sistem PLTS hybrid terdapat kelemahan dalam hal kontinuitas penyediaan energi listrik antara kedua sumber listrik, seperti performa panel surya yang tidak maksimal akibat faktor cuaca yang menyebabkan panel tidak cukup mendapat sinar matahari, sehingga suplai energi ke baterai terhambat. Maka dari itu diperlukan sistem kontrol otomatis berupa saklar otomatis/ Automatic transfer switch untuk memindahkan aliran suplai dari sumber energi utama ke sumber energi cadangan sehingga kebutuhan listrik dapat tetap terpenuhi. Komponen utama dalam sistem kontrol ini menggunakan saklar elektronik/ relay untuk melakukan perpindahan aliran daya, baik dari panel surya maupun PLN [4].
Seringkali ditemukan masalah dalam aplikasi sistem PLTS hybrid, seperti terjadi kerusakan panel surya sehingga tidak dapat menyuplai daya dengan baik, tegangan baterai yang drop hingga penggunaan beban yang melebihi daya inverter. Untuk mencegah hal-hal tersebut terjadi maka diperlukan sistem monitoring untuk mengawasi kinerja sistem PLTS. Dengan menggunakan perangkat mikrokontroler serta memanfaatkan jaringan internet, maka proses monitoring dapat dilakukan secara jarak jauh dengan kondisi real time [5], [6].
2. Metode
2.1. Perancangan Perangkat Keras
Gambar 1. Diagram Kotak Perangkat Keras Sistem PLTS dan Kontrol Saklar Otomatis.
Pada Gambar 1, daya dari panel surya disimpan di dalam baterai VRLA 12V, jenis baterai ini terdiri dari 6 sel dengan batas tegangan discharge/ pengosongan sebesar 1,75V/
sel atau 10,5V untuk keseluruhan sel [7]. Modul LVD (Low Voltage Disconnect) berfungsi sebagai pemutus aliran daya dari baterai ke inverter ketika tegangan baterai di bawah tegangan yang sudah ditentukan. Inverter terhubung ke relay sebagai pengendali utama pada perpindahan aliran daya antara panel surya maupun listrik PLN. Timer relay delay sebagai pewaktu pada beban untuk menghindari beban menerima lonjakan daya awal yang besar pada saat inverter pertama kali dinyalakan.
Gambar 2. Diagram kotak perancangan sistem monitoring
Sistem monitoring pada Gambar 2 terdiri dari arduino uno sebagai pembaca sensor tegangan dan arus. Sensor tegangan terdiri dari 2 resistor pembagi tegangan yang masing- masing bernilai 30kΩ dan 7,5kΩ dengan tegangan input 0-25 VDC. Sensor tegangan ini digunakan sebagai pembaca tegangan pada panel surya dan tegangan pada baterai. Sensor arus SCT-013 yang berbentuk clamp digunakan sebagai pembaca nilai arus pada beban, penggunaannya dengan cara dijepit ke salah satu kabel fasa/ netral. Sedangkan ESP32 digunakan sebagai pengirim data dari Arduino ke platform IoT Thingspeak melalui jaringan internet [8].
2.2. Rangkaian Alat
2.2.1. Rangkaian Saklar Otomatis
Gambar 3. Realisasi Sistem Saklar Otomatis.
Panel surya yang digunakan pada gambar 3 berukuran 20wp (watt peak). Lalu rangkaian saklar otomatis ditempatkan pada panel box listrik berukuran 30 x 40 x 18 cm.
2.2.2. Rangkaian Sistem Monitoring
Gambar 4. Sistem Monitoring.
Pada sistem monitoring, sensor tegangan sebagai pembaca tegangan keluaran panel surya dan tegangan baterai, sedangkan sensor arus SCT-013 untuk membaca nilai arus pada beban. Arduino sebagai penerima nilai sensor kemudian meneruskan nilai ke ESP32, setelah dikirim ke ESP32, nilai sensor akan diupload ke website Thingspeak.
Gambar 5. Flowchart/ Gaftar Alir Keseluruhan Sistem.
Gambar 3 menampilkan alur kerja keseluruhan sistem. Daya dari panel surya disimpan di dalam baterai 12V. Modul LVD memutus aliran daya dari baterai ke inverter ketika tegangan baterai di bawah 10,5V dan kembali terhubung pada tegangan 12V.
Inverter terhubung ke kontak normally open pada relay MK2P, ketika inverter mati, maka kontak relay yang semula pada normally open akan beralih ke normally close yang terhubung ke sumber listrik PLN dan menyebabkan PLN aktif menyuplai beban. Pada sistem monitoring, arduino uno membaca sensor tegangan dan arus yang berupa data sinyal analog. Sensor tegangan digunakan untuk mengukur besaran tegangan pada panel surya dan tegangan pada baterai sedangkan sensor arus SCT-013 digunakan untuk mengukur besaran arus yang digunakan oleh beban. Nilai-nilai yang sudah berhasil dikumpulkan oleh Arduino kemudian dikirim ke ESP32 melalui komunikasi serial pada pin digital arduino dan ESP32 dengan metode pengiriman berbasis teks JSON (JavaScript Object Notation). Setelah data diterima oleh ESP32, kemudian dikirim ke platform IoT Thingspeak dengan memanfaatkan koneksi internet sehingga proses monitoring dapat dilakukan secara jarak jauh.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Pengujian Saklar Otomatis
Gambar 6. Kondisi Inverter Aktif.
Gambar 6 menunjukkan ketika indikator tegangan baterai sebesar 12,1V yang tertera pada modul LVD. Relay MK2P akan mengaktifkan kontak normally open yang terhubung ke inverter dan menyebabkan inverter aktif. Tetapi aliran listrik dari inverter tidak langsung terhubung ke beban, melainkan di tunda selama 5 detik oleh timer delay relay H3Y sampai inverter bekerja dengan baik guna menghindari noice pada saat inverter pertama kali dinyalakan. Lalu beban yang berupa lampu LED berwarna putih menerima pasokan listrik dari inverter sehingga lampu LED menyala. Selain itu, relay MY2N yang terhubung ke saklar inverter, yang semula dalam kondisi normally open menjadi normally close, sehingga inverter dapat mati dan menyala secara otomatis ketika MY2N mendapat tegangan input dari baterai melalui modul LVD. Lampu indikator berwarna hijau sebagai penunjuk bahwa kondisi inverter aktif menyuplai beban.
Untuk pengujian, dilakukan percobaan sebanyak 5 kali dan dilakukan pengamatan kinerja sistem saklar otomatis pada saat kondisi tegangan baterai di atas 12V.
Hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini.
Tabel 1. Pengujian Saat Tegangan Baterai >12V.
Percobaan ke- Kondisi inverter Kondisi PLN Keberhasilan
1 Hidup Mati
2 Hidup Mati
3 Hidup Mati
4 Hidup Mati
5 Hidup Mati
Dari table di atas, proses perpindahan pasokan daya dari PLN ke inverter dapat berjalan dengan baik. Pada saat tegangan baterai di atas 12V, inverter akan menyuplai listrik ke beban sehingga PLN tidak aktif.
Gambar 7. Kondisi Inverter Mati.
Gambar 7 menunjukkan keadan pada saat tegangan baterai di bawah 10,5V.
modul LVD akan memutus aliran listrik dari baterai yang membuat kondisi kontak relay MY2N menjadi normally open sehingga membuat saklar inverter dalam kondisi off. Karena tidak adanya aliran listrik di kontak relay MK2P, maka posisi kontak kembali lagi menjadi normally close yang tersambung oleh sumber listrik PLN dan beban terhubung langsung ke sumber listrik PLN. Sementara lampu indikator dalam keadaan mati. Pengujian pada Tabel 2 menunjukkan keadaan inverter dan PLN pada saat tegangan baterai di bawah 10,5V.
Tabel 2. Pengujian Saat Tegangan Baterai <10,5V.
Percobaan ke- Kondisi inverter Kondisi PLN Keberhasilan
1 Mati Hidup
2 Mati Hidup
3 Mati Hidup
4 Mati Hidup
5 Mati Hidup
Dari Tabel 2, proses perpindahan pasokan daya dari inverter ke PLN dapat berjalan dengan baik pada saat tegangan baterai di bawah 10,5V.
3.2. Pengujian Sensor
3.2.1. Pengujian Sensor Tegangan
Tabel 3. Pengujian Sensor Tegangan pada Panel Surya dan Baterai.
Tabel 3 merupakan hasil pengujian sensor tegangan untuk mengukur tegangan keluaran pada panel surya dan tegangan pada baterai. Pengujian ini dilakukan pada pukul 10:00-14:00 siang saat penyinaran matahari optimal. Untuk menghitung besaran error antara hasil pengukuran alat ukur dengan hasil pembacaan sensor adalah sebagai berikut.
Error = [(|Nilai alat ukur - Nilai sensor|) / Nilai sensor] x 100 Jam
Panel Surya Baterai
Multimeter (V)
Sensor Tegangan(V)
Error(%) Multimeter (V)
Sensor Tegangan(V)
Error(%)
10:00 19,66 19,74 0,40 12,70 12,80 0,78
10:30 19,86 20,13 1,34 12,95 13,10 1,15
11:00 19,85 20,15 1,48 12,55 12,78 1,80
11:30 19,50 19,66 0,81 12,50 12,65 1,19
12:00 19,50 19,93 2,15 12,40 12,55 1,20
12:30 20,30 20,80 2,40 12,40 12,53 1,04
13:00 19,95 20,05 0,49 12,40 12,55 1,20
13:30 20,31 20,47 0,78 12,40 12,62 1,74
14:00 18,10 18,20 0,54 12,40 12,57 1,35
3.2.2. Pengujian Sensor Arus
Hasil pengujian sensor arus dilakukan dengan beban laptop ±45 Watt, dengan hasil yang tertera pada tabel di bawah ini.
Tabel 4. Pengujian Sensor Arus.
Tang Ampere (A) Sensor Arus(V) Error(%)
0,111
0,12 7,50
0,12 7,50
0,11 0,90
0,13 14,60
0,11 0,10
0,10 1
0,10 11
0,10 11
0,09 23,30
3.3. Pengujian Website Thingspeak
Hasil pembacaan sensor tegangan dan sensor arus yang sudah terkirim ke ESP32 akan di upload ke website Thingspeak dengan memanfaatkan koneksi internet. Pada Gambar 8 tertera hasil sensor tegangan pada panel surya dan tegangan baterai, sementara Gambar 9 merupakan hasil sensor arus dan perhitungan daya pada beban. Hasil dapat dipantau secara jarak jauh dengan delay waktu upload sebesar 15 detik.
Gambar 8. Tampilan Grafik Tegangan Panel dan Baterai pada website Thingspeak.
Gambar 9. Tampilan Grafik Arus dan Daya pada Beban.
4. Kesimpulan
Pada pengujian sistem saklar otomatis, didapat tingkat keberhasilan sebesar 100%
untuk mengatur peralihan 2 sumber, yaitu panel surya dan PLN dengan tegangan cutoff pada baterai sebesar 10,5V untuk mematikan inverter sehingga beban disuplai oleh PLN.
Sementara tegangan reconnect baterai sebesar 12V untuk mengaktifkan kembali inverter.
Sebelum inverter aktif, relay delay timer bekerja sebagai penunda waktu sampai inverter bekerja dengan baik guna menghindari noise gelombang AC saat pertama kali inverter dinyalakan.
Pada pengujian tegangan keluaran panel surya, didapatkan besar tegangan optimal pada saat siang hari pukul 10:00-14:00 dengan tegangan puncak mencapai 20,31V.
Hasil pembacaan sensor tegangan dan arus oleh Arduino dikirim ke ESP32 dengan memanfaatkan serial komunikasi pada pin digital dengan menggunakan library Arduino JSON . ESP32 dapat mengirim hasil sensor dari arduino ke website Thingspeak dalam bentuk grafik dengan delay waktu pengiriman nilai sebesar 15 detik.
