## RANCANG BANGUN SISTEM PEMANENAN ENERGI TERBARUKAN OFF-GRID MENGGUNAKAN PANEL SURYA DAN PIKOHIDRO

## Novan Akhiriyanto
Teknik Instrumentasi Kilang, PEM Akamigas Email: novan.akhiriyanto@esdm.go.id

## ABSTRAK
Kata kunci: off-grid,
hybrid,  pembangkit  PV surya, picohydro, ketinggian air Sistem irigasi di beberapa lahan pertanian Kabupaten Blora sudah memiliki sumur air  dengan  menggunakan  pompa  air  di  tengah  lahan  pertanian,  sehingga membutuhkan listrik melalui jaringan listrik (PLN) yang disalurkan melalui kabel panjang  dari  warga  terdekat.  Untuk  mengatasi  masalah  ini,  diperlukan  sistem energi  off-grid  di  luar  jaringan.  Tujuan  dari  penelitian  yang  diusulkan  adalah bagaimana  merancang  sistem  pemanenan  energi  hybrid  off-grid  berbasis pembangkit  solar  PV  dan  pikohidro,  khususnya  kinerja  pikohidro  sebagai kompensasi energi yang dihasilkan dari energi potensial yang terakumulasi dalam penyimpanan air. alat pikohidro sehingga mampu menghasilkan energi aliran air dari outlet tangki air ke pengguna air tawar. Agar energi aliran air dapat secara optimal  menggerakkan  turbin  kecil  di  pikohidro,  parameter  penting  yang mempengaruhi tegangan yang dihasilkan oleh pikohidro adalah ketinggian air di dalam  tangki.  Tegangan  tertinggi  yang  dihasilkan  oleh  picohydro  pada  sistem prototipe  adalah  9,4  Volt.  Secara  umum  prototipe  telah  selesai  dan diimplementasikan,  namun  masih  membutuhkan  alat  konverter  DC-DC  untuk pengisian daya dari pikohidro ke baterai 12V.

## ABSTRACT
Keywords : off-grid,
hybrid, solar PV generation,  picohydro, water level The irrigation system in several Blora Regency agricultural areas already has water  wells  using  water  pump  in  the  middle  of  farming  fields,  so  it  requires electricity through the grid (PLN) which is distributed through long cables from closest  residents.  To  solve  this  problem,  it  requires  an  off-grid  energy  system outside the grid. The objective of proposed research is how to design a hybrid off-grid energy harvesting system based on solar PV generation and picohydro, especially  picohydro  performance  as  compensating  energy  generated  from potential energy accumulated in water storage.In this study, the aim is to utilize the picohydro device so that it is able to generate the energy of the water flow from the water tank outlet to fresh water users. So that the energy of water flow can  optimally  drive  small  turbines  in  picohydro,  significant  parameters  that affect  the  voltage  generated  by  picohydro  are  the  water  level  in  the  tank.  The highest voltage generated by picohydro in the system prototype is 9.4 Volts . In general, the prototype have been completed and implemented, but still requires DC-DC converter device for charging from picohydro to the battery in 12V.

## PENDAHULUAN
Sebagian  besar  wilayah  Kabupaten  Blora  adalah  wilayah  rawan  kekeringan.  Dengan menggunakan metode pengambilan sampel (teknik stratified random sampling), rawan kekeringan di Kabupaten Blora telah diteliti oleh memperoleh hasil bahwa rawan kekeringan untuk tingkat rendah seluas 15.922,67 Ha (20,58%), untuk  tingkat  sedang seluas 56.212,22 Ha (72,65%) dan untuk tingkat tinggi seluas 5.232,42 ha (6,76%) (Nuraini & Priyana, 2022).
Kecamatan Sambong memiliki tingkat rawan kekeringan sedang seluas 1.839,18 Ha dan tinggi  seluas  694,87  Ha.  Sedangkan  untuk  tingkat  rawan  kekeringan  rendah  tidak  ada.  Lahan persawahan Kecamatan Sambong didominasi oleh sawah tadah hujan seluas 982 Ha yang hanya mampu sekali panen tiap tahunnya (Badan Pusat Statistik Kabupaten Blora, Sep. 26, 2022). Secara khusus,  Desa  Temengeng  terletak  di  wilayah  barat  Kecamatan  Sambong  berbatasan  dengan Kecamatan  Bogorejo.  Desa  ini  memiliki  tingkat  rawan  kekeringan  tinggi  pada  sebagian  kecil wilayahnya.
Sebenarnya  Desa  Temengeng  memiliki  beberapa  sumur  dari  mata  air  (sendang)  yang berada di dalam area persawahan. Sumur sendang ini biasanya digunakan oleh warga untuk irigasi lahan  sawah  tadah  hujan  saat  musim  kemarau.  Selama  ini,  para  warga  memanfaatkan  sumur sendang sebagai sumber air secara manual, karena memerlukan instalasi kabel yang panjang jika menggunakan pompa air yang dioperasikan dari jaringan PLN, mengingat lokasi sendang jauh dari rumah  warga  terdekat.  Sehingga  memerlukan  sumber  energi  listrik  off-grid  agar  dapat mengoperasikan pompa air di area sendang ini.
Pemanfaatan energi terbarukan berupa energi surya melalui sistem PLTS  berbasis panel surya fotovoltaik telah banyak digunakan dalam mensuplai energi listrik dengan beban pompa air. PLTS digunakan sebagai energi listrik untuk beban pompa air dalam sistem irigasi pertanian pada lahan rawan kekeringan. Namun, saat ini teknologi sel PV yang digunakan dalam sistem PLTS berbasis  PV  monokristalin  masih  memiliki  efisiensi  sampai  dengan  27,6%  dalam  tahap  riset, sedangkan di pasaran pastinya lebih kecil dari itu (Smith et al., 2021). Agar dapat mengoptimalkan energi terbarukan yang berasal dari alam dengan kondisi alam yang telah dijelaskan di atas, maka dalam penelitian ini mengusulkan menambahkan perangkat pikohidro yang saat ini banyak dijual di  pasaran,  salah  satunya  yaitu  mini-microhydro  model  F50-12V  untuk  dapat  memanen  energi berupa aliran air yang berasal dari keluaran (outlet) tandon penampung air.
Perangkat pikohidro F50-12V telah digunakan dalam penelitian sebagai pembangkit listrik skala  mikro  dengan  fokus  pada  analisis  variasi  ketinggian  tangki  terbatas  sampai  1,6  meter menghasilkan tegangan 8,97 Volt dan daya mencapai 61,52 Watt (Ariansyah & Sariman, 2021). Dengan adanya perangkat pikohidro ini maka memungkinkan energi listrik yang terpakai melalui pompa  air  untuk  mengalirkan  air  dari  sumur  ke  tangki  diubah  kembali  menjadi  energi  listrik kemudian disimpan dalam baterai sehingga diharapkan efisiensi sistem semakin meningkat.
Penelitian  mengenai  perangkat  pikohidro  F50-12V  ini  telah  dilakukan  dalam  studi investigasi kinerja pikohidro dengan melakukan identifikasi spesifikasi perangkat pikohidro terdiri dari parameter turbin,  dimensi  dan ukuran sudu-sudu. Untuk mencari daya listrik  yang tersedia maka  terlebih  dahulu  menetapkan  perubahan  tekanan  (pressure  drop)  antara  inlet  dan  outlet perangkat  pikohidro.  Kemudian  perubahan  tekanan  ini  dikalikan  dengan  debit  aliran  air  yang mengalir  pada  turbin  dalam  pikohidro,  sehingga  didapatkan  daya  listrik  tersedia.  Daya  ini
dibandingkan dengan daya listrik keluaran melalui perkalian antara arus dan tegangan keluaran yang dihasilkan sehingga menghasilkan efisiensi pikohidro (Tarkono & Ali, 2016).
Dari hasil percobaan investigasi kinerja ini didapatkan kesimpulan bahwa kecepatan putar turbin  antara  kondisi  aktual  dan  teoritis  memiliki  nilai  yang  hampir  sama.  Laju  aliran  air  yang berbanding  lurus  secara  langsung  dengan  debit  aliran  air  memiliki  kontribusi  yang  signifikan, sehingga peningkatan laju aliran air memperbesar daya listrik keluaran yang dibangkitkan. Untuk menghasilkan tegangan keluaran perangkat pikohidro mencapai 12V maka dibutuhkan debit aliran air minimal sebesar 5,8 liter/min. Namun skema yang digunakan dalam percobaan ini masih belum mengintegrasikan dengan sistem pembangkitan energi terbarukan lainnya (hibrid). Percobaan ini hanya  untuk  mengetahui  parameter-parameter  yang  mempengaruhi  kinerja  keluaran  perangkat pikohidro.
Dari  uraian-uraian  tersebut,  ditemukan  ide  bagaimana  memanfaatkan  energi  terbarukan secara  optimal  melalui  suatu  sistem  pemanenan  energi  secara  hibrid  menggunakan  PLTS  dan pikohidro  untuk  diterapkan  pada  area  persawahan  agar  memudahkan  akses  para  warga mendapatkan  air  untuk  irigasi  persawahannya.  Maka  penelitian  ini  bertujuan  untuk  merancang suatu sistem energi terbarukan hibrid secara off-grid menggunakan PLTS dan pikohidro agar dapat memasok energi listrik yang digunakan untuk mengoperasikan pompa air di area persawahan tadah hujan  yang  memiliki  sumur  mata  air  (sendang)  di  dalamnya  agar  memudahkan  akses  warga mendapatkan air. Walaupun memiliki kapasitas kecil, namun dengan adanya pembangkit sekunder pikohidro ini diharapkan dapat meningkatkan efisiensi kinerja sistem untuk membangkitkan energi listrik dengan memanen energi potensial air skala kecil dalam tangki.

## Kajian Pustaka
Sistem  PLTS  off-grid  merupakan  sistem  PLTS  berdiri  sendiri  (stand-alone)  yang beroperasi tanpa terhubung dengan jaringan PLN [7], sehingga kebutuhan minimal untuk sistem PLTS ini terdiri dari modul surya, Solar Charge Controller (SCC), baterai dan peralatan proteksi listrik.  Penentuan  kapasitas  minimal  modul  surya  tergantung  dari  kapasitas  beban  yang  akan disuplai  dan  berdasarkan  data  potensi  iradiasi  matahari  per  luasan  per  hari  atau  kWh/m2/day. Kapasitas minimal modul surya ini ditentukan oleh tegangan dan arus pada daya maksimumnya (Vmax dan Imax) atau biasanya termuat dalam nameplate modul surya dengan istilah Vmpp dan Impp.  Misalnya  modul  surya  kapasitas  100  Wp,  maka  Vmax  =  17,8  V  dan  Imax  =  5,62  A. Kapasitas daya maksimum modul surya diperoleh dari hasil perkalian Vmax dan Imax sehingga Pmax-PV = 100,04 W.
Pemilihan baterai secara praktis biasanya ditentukan oleh tegangan operasi sistem PLTS yang  tergantung  tegangan  operasi  SCC  yang  dipilih  serta  kapasitas  nominal  baterai  itu  sendiri dengan  mengasumsikan  Peak  Sun  Hour  (PSH)  secara  umum  terjadi  selama  5  jam  per  harinya. Sedangkan  penentuan  SCC  perlu  memiliki  spesifikasi  tegangan  dan  arus  masukan  maksimum harus lebih besar 1,25 kali tegangan open circuit (VOC) dan arus short circuit (ISC) modul surya (Latasya et al., 2019).
Parameter  penting  lainnya  terkait  WPS  adalah  tekanan  hidrostatis  tangki  penyimpanan yang tergantung pada ketinggian air dalam tangki penyimpanan. Tekanan hidrostatis akan menjadi lebih  besar  saat  level  air  dalam  tangki  lebih  tinggi,  begitu  juga  sebaliknya.  Sedangkan  tekanan hidrodinamis akan selalu mengalami penurunan tekanan atau pressure drop (ΔP) yang biasanya
juga disebut headloss (hL). Secara praktis, untuk semua jenis aliran fluida laminar atau turbulen pada jenis pipa sirkular  atau non sirkular dengan permukaan dalam yang halus  atau kasar pada posisi  horizontal  atau  miring,  rugi-rugi  mayor  atau  minor  untuk  penurunan  tekanan  (∆P)  dapat diperoleh  melalui  persamaan  Darcy-Weisbach  dengan  tekanan  dinamis  dipengaruhi  oleh  massa jenis fluida dan kecepatan aliran, faktor gesekan Darcy, panjang pipa dan diameter pipa (Hayati et al., 2021).

## METODE
Penelitian  ini  menggunakan  metode  eksperimental  di  lapangan  sehingga  menghasilkan purwarupa  peralatan  sistem.  Penelitian  berlokasi  di  Desa  Temengeng,  Kecamatan  Sambong, Kabupaten Blora Jawa Tengah.  Agar purwarupa  peralatan dapat  terwujud, maka konsep secara empiris  perlu  diterapkan  dengan  terlebih  dahulu  melakukan  studi  pustaka.  Secara  paralel  juga melakukan survei lapangan di lokasi penelitian mulai dari jarak pembayangan pohon sekitar sumur sendang  terhadap  modul  surya,  menentukan  titik  koordinat  untuk  mendapatkan  potensi  iradiasi matahari melalui simulasi Homer dan mengukur ketinggian kedalaman sumur sendang. Kemudian melakukan perencanaan dan desain sistem serta merinci kebutuhan bahan dan alat utama sistem terdiri dari modul surya, tangki air, konstruksi menara penyangga tangki sesuai  desain,  baterai, SCC,  perpipaan  dan  perangkat  pikohidro.  Pengumpulan  data  kebutuhan  air  dilakukan  secara kualitatif berupa wawancara dengan para warga yang menggarap lahan persawahan sekitar sumur sendang beserta Kepala Desa dan Pejabat Perangkat Desa yang  menangani pengairan di sekitar sumur sendang tersebut.

## Pemodelan Sistem
Sistem yang diterapkan dalam penelitian menggunakan konfigurasi penyambungan sistem DC  (DC  coupling)  agar  mampu  mengoptimalkan  efisiensi  sistem  dengan  meminimalisir penggunaan perangkat konverter daya (Sihite et al., 2012). Aliran energi dari sumber utama PLTS kemudian diserap oleh pompa DC kemudian disimpan di tangki air sebagai water pumped storage (WPS) sehingga energi potensial air tersimpan dalam tangki dapat diubah kembali menjadi energi listrik melalui pikohidro saat air mengalir digunakan oleh para warga.
Dalam hal ini, konsep pemanenan energi dari iradiasi matahari dan energi potensial WPS diusulkan,  walaupun  untuk  saat  ini,  pikohidro  hanya  mampu  membangkitkan  energi  listrik maksimal sebesar 10 W per unit. Untuk memperbesar peluang pembangkitan daya oleh pikohidro, maka pikohidro dipasang 3 unit dengan percabangan tee. Model perancangan sistem ditunjukkan pada gambar di bawah.

## Gambar 1. Model Rancang Bangun Sistem

## Perangkat Pikohidro yang Digunakan
Generator  pikohidro  F50-12V  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  memiliki  spesifikasi tegangan keluaran DC maksimal 12 V, arus listrik ≥ 200mA dan mampu membangkitkan daya maksimal 10 W. Dimensi fisik generator pikohidro ini memiliki diameter outlet dan inlet luar 20 mm,  diameter  turbin  sekitar  49  mm  dan  lebar  turbin  sekitar  32  mm,  seperti  ditunjukkan  pada gambar di bawah.
Gambar 2. Dimensi Fisik Pikohidro F50-12V (Shenzhen Global Technology Co., Ltd)
Pikohidro  yang  sejenis  dengan  F50-12V  banyak  tersedia  di  pasaran.  Jenis  F50  memiliki varian  spesifikasi  tegangan  5  V,  12  V  dan  80  V.  Pertimbangan  menggunakan  F50-12V  karena disesuaikan  dengan  tegangan  sistem  purwarupa  serta  tidak  perlu  menambahkan  pengubah tegangan DC agar meminimalisir rugi-rugi sistem. Karakteristik tekanan air terhadap debit air dan tegangan yang dibangkit pikohidro F50-12V dapat dilihat pada gambar di bawah.
Gambar 3. Karakteristik Tekanan Air terhadap Debit Air dan Tegangan, diolah (Shenzhen Global Technology Co., Ltd)
Dari  data  diolah  karakteristik  pada  grafik  di  atas,  untuk  model  F50-5V  menghasilkan tegangan 5 V pada tekanan air sebesar 0,1 MPa dengan debit sebesar 0,1 L/min sedangkan untuk model  F50-80V  menghasilkan  tegangan  80  V  pada  tekanan  air  sebesar  1,2  MPa  dengan  debit sebesar 26 L/min.
Menurut  percobaan  yang  dilakukan  oleh,  model  F50-12V  dapat  mencapai  tegangan  yang dibangkitkan sebesar 12,03 V pada debit sebesar 5,8 L/min dengan perbedaan tekanan air yang sama  di  sisi  inlet  dan  outlet  turbin  pikohidro  (Marwani  et  al.,  2021).  Maka  dapat  disimpulkan bahwa  tekanan  air  sebelum  dan  sesudah  turbin  pikohidro  tidak  terlalu  berpengaruh,  namun tegangan yang dibangkitkan oleh pikohidro sangat dipengaruhi oleh debit aliran air.

## Perpipaan yang digunakan
Secara umum, perpipaan yang digunakan dalam purwarupa ini adalah pipa dengan diameter ¾ inci. Namun untuk pipa vertikal dari outlet tangki ke kran keluaran air menggunakan beberapa alternatif perubahan diameter melalui komponen pipa pengubah diameter secara gradual (v-sock) atau pipa reducing socket gradual yang banyak tersedia di pasaran. Ilustrasi v-sock yang digunakan ditunjukkan pada gambar di bawah.
Gambar 4. V-sock yang Digunakan (Rucika) Pemilihan v-sock yang digunakan mempertimbangkan banyaknya ketersediaan di pasaran yang umum digunakan yaitu ¾” x 2”. Perubahan diameter pipa ini disebut “pipa adapter”. Tujuan merubah diamater pipa agar diperoleh debit aliran air yang lebih kencang, mengingat tangki hanya memiliki  elevasi  dari  tanah  setinggi  3,2  m  sehingga  penurunan  tekanan  (∆P)  tidak  terlalu berpengaruh dari outlet tangki ke kran keluaran air.
Menurut (Marwani et al., 2021) daya yang dibangkitkan oleh pikohidro merupakan perkalian antara penurunan tekanan (∆P) hidrostatis dan debit aliran (Q) hidrodinamis. Persamaan daya yang dapat dibangkitkan oleh pikohidro (Pavail) sebagai berikut:

## P_avail=ΔP×Q (1)
Penurunan  tekanan  hidrodinamis  mempengaruhi  debit  aliran,  dengan  menganggap penurunan  tekanan  hidrostatis  tidak  terlalu  berpengaruh  atau  diabaikan  karena  elevasi  pendek tangki  ke  kran  keluaran  dan  koefisien  gesek  (f)  sama  di  semua  komponen  perpipaan  karena
menggunakan bahan pipa PVC yang sama serta massa jenis (ρ) sama karena menggunakan fluida air sehingga jika menggunakan persamaan Darcy-Weisbach maka diperoleh kecepatan aliran (v ̅):
∆P=f L/D (ρv ̅_av^2)/2 → v ̅ ≈√ (D/L) (2)
Dari persamaan (2) di atas, dapat diketahui bahwa nilai v ̅ sangat tergantung dari diameter (D)  dan  panjang  pipa  (L).  Pipa  adapter  digunakan  dalam  sistem  agar  memungkinkan  dapat memperkencang aliran air yang mempengaruhi daya yang dapat dibangkitkan oleh pikohidro. Dari uraian-uraian di atas, maka desain awal ditunjukkan pada gambar di bawah.
Gambar 5. Pemasangan Pipa Adapter dan Pikohidro dalam Purwarupa Desain ini menggunakan 1 unit pipa adapter dan 3 unit pikohidro (PH-1, PH-2 dan PH-3) melalui percabangan tee pada perpipaan vertikal antara outlet tangki dan kran keluaran air.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Secara  paralel  dilakukan  survei  di  lapangan,  yaitu  sumur  sendang  Desa  Temengeng, Kecamatan Sambong, Blora Jawa Tengah. Dari model sistem sebelumnya, kemudian dibuat model di  aplikasi  simulasi  Homer.  Tujuan  mensimulasikan  sistem  ini  di  aplikasi  Homer  agar  dapat memperoleh data potensi energi iradiasi matahari yang merujuk pada data NASA berdasarkan titik koordinat yang ditentukan oleh pengguna. Skema pemodelan melalui aplikasi Homer dapat dilihat pada gambar di bawah.

## Gambar 6. Skema Pemodelan melalui Homer

## Penentuan Modul Surya
Sumur sendang Desa Temengeng yang dijadikan sebagai lokasi penelitian terletak di titik koordinat  7°05'35.8"S  111°30'23.9"E.  Titik  koordinat  ini  kemudian  menjadi  masukan  untuk memperoleh data potensi iradiasi matahari melalui aplikasi simulasi Homer, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah.
Gambar 7. Lokasi Pemasangan PLTS melalui Simulasi Homer
Setelah  memasukkan  titik  koordinat  lokasi  pemasangan  PLTS  di  aplikasi  Homer, kemudian aplikasi ini akan mulai mengunduh data iradiasi matahari melalui basis data NASA yang diperoleh selama lebih dari 22 tahun (Juli 1983 – Juni 2005) dengan selang waktu rerata bulanan. Dapat dilihat dalam gambar bahwa radiasi dan indeks kecerahan (clearness index) pada Agustus – November  relatif  lebih  tinggi  dibanding  bulan-bulan  lainnya,  seperti  ditunjukkan  gambar  di bawah.
Gambar 8. Potensi Energi Iradiasi Matahari Desa Temengeng
Dari  data  ini  bisa  disimpulkan  bahwa  memang  pada  bulan  Agustus  –  November  tiap tahunnya,  Desa  Temengeng  dapat  dikatakan  mengalami  musim  kemarau  atau  kekeringan, sehingga  para  warga  memanfaatkan  sumur  sendang  pada  bulan-bulan  tersebut.  Data  iradiasi matahari  secara  rerata  tahunan  mencapai  5,26  kWh/m2/hari  dengan  iradiasi  matahari  minimal terjadi pada bulan Januari sebesar 4,81 kWh/m2/hari.
Pertimbangan pemilihan kapasitas modul surya ditentukan oleh beban utama dalam sistem. Beban  paling  dominan  dalam  sistem  ini  adalah  pompa  DC  dengan  spesifikasi  tercantum ditunjukkan pada tabel di bawah.
Tabel 1. Spesifikasi Pompa DC Spesifikasi Keterangan Daya 180 W Tegangan 12 V Aliran maks. 1,5 m 3 /jam Diameter Outlet 1 inci Suction maks. 5 m Head maks. 15 m
Beban pompa DC (Ppump) sebesar 180 W dengan tegangan 12 V serta aliran maksimal mencapai Qpump = 1,5 m3/jam. Tangki yang digunakan memiliki spesifikasi volume 1050 L atau volume  tangki  (Vtank)  bisa  diasumsikan  sebesar  1000  L  (1  m3)  jika  mencapai  ketinggian  air maksimal dalam tangki. Sedangkan berdasarkan wawancara di lapangan, kebutuhan air 4 x 25 L =  100  L/warga  dalam  sehari  sehingga  jika  sumur  sendang  dibutuhkan  untuk  50  warga,  maka kebutuhan air (Vday) menjadi 5000 L/hari atau 5 m3/hari. Pengisian air dalam tangki untuk sehari, maka membutuhkan energi listrik sebesar:
E_day=(V_day × 〖 P 〗 _pump)/Q_pump =(5 × 180)/1,5=600 Wh (3)
Tangki perlu diisi lima kali diisi penuh dalam sehari. Total kebutuhan energi listrik sebesar 600 Wh atau 0,6 kWh dalam sehari. Rugi-rugi tipikal yang terjadi pada PLTS adalah (Ramadhani, 2018):
a. Rugi-rugi modul surya = 11,5%;
b. Rugi-rugi charge controller atau SCC = 3%;
c. Rugi-rugi inverter baterai = 6%;
d. Rugi-rugi pengkabelan = 2%; dan
e. Rugi-rugi baterai jenis asam timbal atau Lead Acid (LA) = 15%.
Maka  dari  uraian  di  atas,  didapatkan  rugi-rugi  PLTS  (%Ploss)  mencapai  31,5%,  tanpa memasukkan rugi-rugi inverter baterai karena dalam purwarupa ini tidak menggunakan inverter baterai. Total kebutuhan energi listrik terhadap modul surya (EPV) sebesar:
E_PV=E_day/(100%- 〖 %P 〗 _loss )=(0,6 kWh)/(68,5%) ≈ 0,88 kWh(4)
Berdasarkan  data  pada  Gambar  3,  iradiasi  matahari  minimal  (min  SIrr)  sebesar  4,81 kWh/m2/hari, maka kapasitas modul surya (PPV) sebesar:
P_PV=(E_PV×S_STC)/min⁡ 〖 S_Irr 〗 =(0,88×1000)/4,81 ≈ 183 Wp (5)
Dengan  SSTC  adalah  iradiasi  matahari  dalam  kondisi  uji  baku  atau  Standard  Test Condition (STC) yang biasanya tercantum dalam nameplate di belakang modul surya.
Dari persamaan (3) di atas, maka modul surya yang digunakan minimal memiliki kapasitas sebesar  183  Wp.  Modul  surya  dengan  kapasitas  183  Wp  tidak  ada  di  pasaran,  sehingga  perlu melakukan penyesuaian menjadi 200 Wp yang banyak tersedia di pasaran. Namun pertimbangan mengenai sebaran irradiasi matahari harian yang dinyatakan dalam istilah Peak Sun Hour (PSH), secara praktis biasanya PSH sebesar 5 jam dalam sehari.
Sehingga  pemilihan  modul  surya  dengan  kapasitas  250  Wp  sangat  dianjurkan,  karena masih dalam batas toleransi perhitungan persamaan (5). Penetapan memilih kapasitas modul surya 250  Wp  juga  mempertimbangkan  adanya  beban  lainnya  seperti  beban  penerangan  kecil  untuk menerangi sumur sendang tersebut. Jika memilih kapasitas modul surya berlebihan maka timbul biaya investasi yang lebih besar, sedangkan jika memilih kapasitas modul surya kurang dari 180 atau  kapasitas  modul  surya  150  Wp  maka  tidak  memenuhi  perhitungan  dalam  persamaan  (5). Modul surya yang dipilih memiliki spesifikasi ditunjukkan pada tabel di bawah.
Tabel 2. Spesifikasi Modul Surya Spesifikasi Keterangan Jenis fotovoltaik kristalin  Polikristalin Daya maks. ( P max ) 250 Wp Tegangan maks. ( V mp ) 30,3 V Arus maks. ( I mp ) 8,25 A Tegangan open cct ( V OC ) 36,3 V Arus short cct ( I SC ) 8,75 A Dimensi 1640x992x35 mm Berat 17,5 kg

## Penentuan SCC
Dalam pemilihan SCC berdasarkan (Ramadhani, 2018) mempertimbangkan tegangan dan arus maksimal masukan SCC. Untuk tegangan maksimal masukan (Vmax, in) dan arus maksimal masukan (Imax, in) sebesar:
V_(max, in)>1,25 × V_OC ≈ 45,37 V (6) I_(max, in)>1,25 × I_SC ≈ 10,93 A (7)
Nilai  VOC  dan  ISC  berdasarkan  Tabel  2  di  atas,  sedangkan  nilai  konstanta  1,25 merupakan batas aman yang dipertimbangkan dalam pemilihan SCC. Biasanya spesifikasi SCC yang  sangat  berpengaruh  adalah  Imax,  in  sebesar  10,93  A,  sehingga  jika  SCC  yang  digunakan memiliki spesifikasi 10 A, maka SCC tidak akan bekerja, berdasarkan perhitungan persamaan (7) maka membutuhkan SCC dengan arus minimal 10,93 A. Dalam penelitian ini menggunakan SCC 20 A, karena yang tersedia di pasaran kelipatan 10 A, yaitu 10 A, 20 A dan 30 A untuk sistem kecil.
Sedangkan Vmax, in telah ditentukan dalam spesifikasi SCC misalnya SCC 12 – 24 V 20 A, maka Vmax, in sebesar 48 V. Hal ini telah memenuhi perhitungan persamaan (6).
Baterai yang Digunakan
Penentuan  baterai  berjenis  asam  timbal  (LA)  karena  pada  umumnya  banyak  tersedia  di pasaran dan lebih murah dibanding jenis baterai lainnya (NiMH, NiCd atau Lithium), walaupun sebenarnya  baterai  jenis  LA  ini  tidak  ramah  lingkungan.  Pemilihan  baterai  tergantung  dari kapasitas modul surya yang digunakan (PPV, det) sebesar 250 Wp, dengan mempertimbangkan PSH  tipikal  sebesar  5  jam  dan  Depth  of  Discharge  (DOD)  tipikal  untuk  baterai  LA  agar memperpanjang umur teknis atau siklus pengisian daya (charging) sebesar 70%, maka kapasitas baterai LA (Cbatt) dengan tegangan baterai (vbatt) 12 V yang digunakan sebesar:
C_batt=70%×(P_(PV,det)×PSH)/v_batt (8) C_batt=70% × (250 × 5 )/(12 ) ≈ 72,92 Ah
DOD adalah jumlah muatan/energi yang dikeluarkan atau dipakai (discharge) dari baterai. Sehingga jika DOD 70% maka berarti baterai ini telah melepaskan muatannya sebesar 70% dari rating 100% baterai. Pada kondisi ini, kapasitas baterai tersisa 30% untuk kembali mengisi daya (charging) yang disebut State of Charge (SOC). Dari persamaan (6), menghasilkan energi baterai diperoleh dari perkalian vbatt sebesar 12 V dengan kapasitas Cbatt sebesar 72,92 Ah sebesar 875 Wh.
Baterai yang digunakan memiliki spesifikasi tegangan vbatt sebesar 12 V dengan kapasitas Cbatt sebesar 70 Ah, sehingga energi baterai yang dapat digunakan diperoleh dari perkalian antara vbatt dan Cbatt sebesar 840 Wh. Hal ini mendekati spesifikasi baterai sesuai dengan perhitungan di atas. Pertimbangan menggunakan baterai 12 V 70 Ah ini juga untuk mengantispasi kondisi jika rentang PSH di lapangan selama 4 – 5 jam, yaitu antara 700 Wh – 875 Wh.

## Desain Purwarupa Sistem
Pembangunan  purwarupa  dimulai  dengan  perancangan  alat  melalui  perangkat  lunak khusus gambar 3D (Atmani & Rohman, 2021). Kemudian direalisasikan desain tersebut dengan ketinggian  tangki  dari  permukaan  tanah  setinggi  3,2  m.  Komponen  baterai,  SCC  dan  peralatan proteksinya berada di dalam kotak panel listrik menggantung di bawah tangki. Ilustrasi tangki yang digunakan ditunjukkan pada gambar di bawah.

## Gambar 9. Tangki yang Digunakan
(Penguin General Tank)
Berdasarkan gambar di atas, spesifikasi tangki yang digunakan memiliki tinggi tangki 1,42 m, diameter 1,05 m, kapasitas volume 1050 L dengan berat kosong 26 kg. Jika tangki terisi penuh 1000 L, maka berat total tangki sekitar 1026 kg atau 1,026 Ton.
Jika  ditambahkan  dengan  modul  surya  seberat  17,5  kg  dan  baterai  seberat  22  kg.  Maka tower  purwarupa  harus  mampu  menyangga  beban  sekitar  1.066  kg,  karena  perlu  juga mempertimbangkan berat kosong panel listrik dan SCC MPPT walaupun dapat diabaikan karena relatif ringan.
Modul  surya  dipasang  dengan  sudut  kemiringan  sekitar  10o  menghadap  ke  arah  utara, sehingga 2 tiang penyangga modul surya lebih tinggi dibanding 2 tiang penyangga lainnya. Desain purwarupa sistem beserta penerapannya dapat dilihat pada gambar di bawah.

## Gambar 10. Desain Purwarupa Sistem dan Penerapan

## Pengujian Purwarupa
Parameter  yang  diuji  dalam  purwarupa  ini  adalah  tegangan  yang  dibangkitkan  oleh pikohidro  sebagai  pemanen  energi  listrik  skala  kecil.  Parameter  ini  diukur  dan  diambil  sebagai data hasil pengujian karena uji tanpa beban generator. Pikohidro dipasang sebanyak 3 unit sesuai Gambar 5, yaitu PH-1, PH-2 dan PH-3. Jenis pipa adapter yang diujicobakan disesuaikan dengan jenis diameter pipa yang banyak tersedia pada umumnya di pasaran, yaitu (Aditya, 2022): 1. Tanpa variasi perubahan diameter pipa atau pipa diameter ¾” dengan panjang 195 cm;
2. Pipa adapter ¾”   1½”   ¾” dengan panjang 160 cm;
3. Pipa adapter ¾”   2”   ¾” dengan gradasi v-sock decreaser 2”   1½”   ¾” pada sisi keluaran ke PH-1 untuk meminimalisir hentakan aliran air dan panjang pipa adapter 160 cm.
Percobaan dilakukan saat tinggi air dalam tangki 119 cm dan 35 cm, saat ketinggian air maksimal dan minimal (Murtadlo et al., 2020). Kran keluaran air menggunakan ball valve dengan diameter outlet valve ¾”. Pengujian dilakukan dengan 3 jenis percobaan, yaitu:
1. Saat kran keluaran air dibuka semuanya;
2. Saat kran keluaran air dibuka di sisi percabangan PH-2 saja, sehingga sisi percabangan PH-3 tidak ada aliran;
3. Saat kran keluaran air dibuka di sisi percabangan PH-3 saja, sehingga sisi percabangan PH-2 tidak ada aliran.
Saat kran keluaran air dibuka semuanya, maka tegangan yang dibangkitkan oleh PH-2 dan PH-3 sangat kecil < 4 Volt, sehingga bisa diabaikan. Parameter tegangan yang dibangkitkan oleh PH-1 ditunjukkan oleh tabel di bawah.
Tabel 3. Tegangan yang Dibangkitkan PH-1
Pipa Adapter Level Air [cm] Tegangan PH-1 [Volt] 1 119 9,2 2 119 9,3 3 119 9,4 1 35 7,4 2 35 7,8 3 35 7,8
Dengan pipa adapter 1 adalah pipa tanpa variasi  perubahan diameter ¾”, pipa adapter 2 adalah pipa variasi perubahan diameter ¾”   1½”   ¾” dan pipa adapter 3 adalah pipa variasi perubahan diameter ¾”   2”   ¾”.
Ujicoba  saat  keluaran  air  dibuka  di  sisi  percabangan  PH-2  saja,  sehingga  di  sisi percabangan PH-3 tidak ada aliran atau tegangan PH-3 = 0, ditunjukkan pada tabel di bawah.
Tabel 4. Tegangan yang Dibangkitkan oleh PH-1 dan PH-2
Pipa Adapter Level Air [cm] Tegangan PH-1 [Volt] Tegangan PH-2 [Volt] 1 119 6,4 7,8 2 119 6,5 7,8 3 119 6,6 8,1 1 35 5,5 6,7 2 35 6 6,6 3 35 5,6 6,7
Sedangkan ujicoba saat keluaran air dibuka di sisi percabangan PH-3 saja, sehingga di sisi percabangan PH-2 tidak ada aliran atau tegangan PH-2 = 0, ditunjukkan pada tabel di bawah.
Tabel 5. Tegangan yang Dibangkitkan oleh PH-1 dan PH-3
Pipa Adapter Level Air [cm] Tegangan PH-1 [Volt] Tegangan PH-3 [Volt] 1 119 6,6 5,9
2 119 6,6 7,2 3 119 7,2 6,7 1 35 5,7 5,2 2 35 5,6 5,3 3 35 5,8 5,3

## KESIMPULAN
Dari data ujicoba pada Tabel 4 – 6, parameter tegangan yang dibangkitkan oleh pikohidro tergantung dari ketinggian air dalam tangki dan jenis pipa adapter yang dipasang. Tegangan yang dibangkitkan juga sangat bergantung dari kondisi tiap pikohidro walaupun sudah melewati standar pabrikan  untuk  dipasarkan,  terutama  adanya  gesekan  poros  dengan  pusat  turbin  akibat  kotoran atau korosi.
Pada percobaan awal tanpa memasang percabangan pipa tee untuk PH-2 dan PH-3 dengan menggunakan kran keluaran air biasa, sehingga outlet kran memiliki diameter ½” menunjukkan bahwa pipa adapter 1 menghasilkan tegangan PH-1 sebesar 7,4 V dan pipa adapter 3 menghasilkan tegangan  PH-1  sebesar  11,42  V  bahkan  saat  ketinggian  air  dalam  tangki  terendah.  Sehingga diameter  keluaran  kran  juga  dan  percabangan  tee  juga  ikut  mempengaruhi  tegangan  yang dibangkitkan oleh pikohidro.
Secara umum, penggunaan jenis pipa adapter 3 memberikan hasil tegangan terbesar pada semua ketinggian air dalam tangki. Tegangan yang dibangkitkan pikohidro pada PH-1 saat semua kran dibuka sebesar 9,4 V saat ketinggian air dalam tangki 119 cm.
Dari hasil percobaan yang diperoleh, maka perlu menambahkan perangkat konverter DC- DC agar tegangan yang dibangkitkan oleh pikohidro dapat disesuaikan dengan tegangan baterai 12 V agar mampu mengisi daya dari pikohidro selain dari PLTS.
Pembukaan semua kran akan memperkencang kecepatan aliran air sehingga tegangan yang dibangkitkan  lebih  besar  dibanding  kran  ditutup  salah  satu.  Hal  ini  disebabkan  aliran  air  bisa mencapai kondisi laminar pada titik setelah penyempitan diameter pipa adapter dan percabangan tee, walaupun telah diantisipasi dengan memberikan jarak antar titik-titik tersebut sepanjang 20 cm (min. L = 5D, atau sekitar 12,7 cm).

## DAFTAR PUSTAKA
Aditya, F. D. (2022). Analisa Pengaruhlaju Aliran Air Terhadap Efektifitas Kondensor Ac Mobil . Ariansyah, M. D., & Sariman, S. (2021). Analisa Performa Pompa Air DC 12V 42 Watt terhadap Variasi Kedalaman Pipa Menggunakan Baterai dengan Sumber Energi dari Matahari. Jurnal Syntax Admiration , 2 (6), 1083–1102.
Atmani,  A.  K.  P.,  &  Rohman,  M.  A.  (2021).  Rekonstruksi  3D  Landmark  Memvisualisasikan Perkampungan  Peradaban  Kuno  Situs  Liyangan  Temuan  Balai  Arkeologi  Yogyakarta. Rekam: Jurnal Fotografi, Televisi, Animasi , 17 (2), 175–186.
Hayati, N., Purwanto, A., & Muladi, E. (2021). Pengaruh Diameter Knee pada Headloss Aliran Berbasis  Monogram,  CAD  dan  CAE. Journal  Of  Mechanical  Engineering  Manufactures Materials And Energy , 5 (2), 194–201.
Latasya, Z., Sara, I. D., & Syahrizal, S. (2019). Analisis Rancangan Pembangkit Listrik Tenaga
Surya  (Plts)  Off-Grid  Terpusat  Dusun  Ketubong  Tunong  Kecamatan  Seunagan  Timur Kabupaten Nagan Raya. Jurnal Komputer, Informasi Teknologi, Dan Elektro , 4 (2).
Marwani, M., Kadir, M. Z., & Putra, R. E. (2021). Investigation Performance Of Pico Hydro Water Pipe Turbine. Indonesian Journal of Engineering and Science , 2 (3), 49–55.
Murtadlo, M. Z. I., Imaduddin, I. R., Herlina, A., & Salim, A. T. A. (2020). Perancangan Kontrol Fuzzy Mamdani Untuk Ketinggian Pusaran Air Pada Basin Silinder Gravitation Water Vortex Power  Plant. JEECAE  (Journal  of  Electrical,  Electronics,  Control,  and  Automotive Engineering) , 5 (2), 1–7. Nuraini, R., & Priyana, Y. (2022). Analisis Tingkat Rawan Kekeringan Lahan Pertanian Sawah Di Kabupaten Blora Tahun 2020 . Universitas Muhammadiyah Surakarta. Ramadhani,  B.  (2018).  Instalasi  pembangkit  listrik  tenaga  surya  Dos  &  Don’ts. Deutsche Gesellschoft  Fur  Internationale  Zusammenarbeit  (GIZ)  GmbH  Energising  Develovment (Endev) Indonesia Jakarta , 23–28.
Sihite, P. B., Santoso, M. I., & Pramudyo, A. S. (2012). Perancangan Mysql Cluster Menggunakan Mikrotik RB750 Sebagai Node Database Management. Susunan Panitia , 95.
Smith, B. L., Woodhouse, M., Horowitz, K. A. W., Silverman, T. J., Zuboy, J., & Margolis, R. M. (2021). Photovoltaic  (PV)  module  technologies:  2020  benchmark  costs  and  technology evolution framework results . National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States).
Tarkono,  T.,  &  Ali,  H.  (2016). Pemanfaatan  Limbah  Pabrik  Kelapa  Sawit  Sebagai  Material Teknik .