Rancang Bangun Sistem Kontrol Penggerak Panel Sel Surya

JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
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.
Sensor peka cahaya dibagi menjadi dua blok
yang berfungsi sebagai sensor pencari arah penggerakan
cahaya matahari dan sebagai sensor fokus yang
menandakan adanya cahaya matahari pertama untuk
diberikan sinyal kepada sistem rangkaian yang ada
didalam panel kontrol dan ditempatkan ditengah-
15
JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
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.
a.
b.
Tujuan Penelitian adalah sebagai berikut :
Merancang dan membangun panel surya sebagai
sumber energi alternatif yang dapat digunakan
untuk mensuplai beban di ruang Laboratorium
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Swadharma.
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.
2.1.
LANDASAN TEORI
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
OUTPUT
INPUT
PROSES
Gambar 2.1. Blok Diagram Sistem Kontrol
2.2.
Programmable Logic Controller (PLC)
Definisi Programmable 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 modulmodul I/O digital maupun analog.
16
JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
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.
memahami banyak kode kode program seperti pada kode
mnemonic.
2.3.
a.
Peralatan Input PLC
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 2.2 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
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.
Prinsip kerja limit switch diaktifkan dengan
penekanan pada tombolnya pada batas/ daerah yang telah
ditentukan sebelumnya sehingga terjadi pemutusan atau
penghubungan rangkaian dari rangkaian tersebut. Limit
switch memiliki dua kontak yaitu NO (Normally Open)
dan kontak NC (Normally Close) dimana salah satu
kontak akan aktif jika tombolnya tertekan.
17
JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
2.4.
a.
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.
Peralatan Output PLC
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 2.6a 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.
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:
1)
Dengan cara melihat isi dalam relay tersebut
2)
Dengan menggunakan multimeter (Ohm)
18
JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
Gambar 2.8. Simbol Relay
3.
3.1.
PERANCANGAN
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.
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 3.1a. Blok Diagram Sistem Kendali Otomatis
Modul Sel Surya
Gambar 3.1c. Blok Diagram output Sel Surya
2.
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
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.
Pada rangka sel surya juga terdapat limit switch
untuk membatasi gerakan papan sel surya. Limit switch
bekerja dengan memberi sinyal ke PLC untuk memberi
perintah kepada motor berhenti bila mengenainya,
tampak seperti pada gambar 3.2a.
19
JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
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 3.2a. 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 3.2d 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 3.2b. 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
Gambar 3.2e. Solar Sel Arah Tengah
Pada saat matahari sampai di sebelah barat dan sel
surya menyentuh limit swith, maka relay motor sebelah
barat terputus. Sehingga kontak relay dan tegangan dari
battery akan menghentikan gerakkan motor DC ke arah
barat. Kondisi ini akan terus berlangsung sampai
matahari terbenam, dan ketika matahari terbenam PLC
akan memberi perintah kepada relay motor , motor
terhubung dengan battery dan berputar ke arah timur
mengembalikan sel surya pada posisi awal sampai
mengenai limit switch di sisi timur.
20
JURNAL SWATEKNOLOGI VOL. 2 NO. 2
b.
c.
d.
Sistem kontrol penggerak manual dan otomatis dapat
berfungsi secara optimal.
Pergerakan kerangka mekanik modul sel surya
bekerja sesuai instruksi dari sistem control.
Output yang dihasilkan oleh panel surya setelah
diubah melalui inverter menghasilkan tegangan 220
volt dan daya maksimum 565 watt.
DAFTAR PUSTAKA
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.
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
Alternatif. Elektro UB. Malang
Zuhal. 1992. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan
Elektronika Daya. PT Gramedia Pustaka
Utama. Jakarta.
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.
21