Desain Sistem Pompa Air Matahari untuk Pengairan di Karawang (Designing Solar Water Pumping Systems for Irrigation in Karawang)
Dian Budhi Santoso 1* , Jojo Sumarjo 2
1 Prodi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
2 Prodi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang *dian.budhi@ft.unsika.ac.id

## Abstrak
Permasalahan  saat  ini  Karawang  sebagian  lahannya  telah  menjadi  lahan  tidur  sehingga  mendorong  gerakan pertanian  dan  teknologi  pertanian  ramah  lingkungan,  banyaknya  lahan  tidur  bukan  dikarenakan  petani  tidak bersedia  menggarap  lahan  tersebut,  namun  disebabkan  oleh  kondisi  tidak  adanya  sumber  pengairan  terutama dimusim kemarau. Solusi tersebut dengan pembuatan sumber air kemudian mengangkat air tersebut dengan pompa air yang menggunakan sumber listrik dari PLN tetapi kurang efisien maka solusi hal tersebut dapat menggunakan sumber pembangkit  listrik dari  energi terbarukan,  seperti  sinar  matahari  (energi  surya).  Penerapan  Panel  Surya sebagai sumber energi listrik alternatif untuk pompa pengairan sawah di daerah Kabupaten Karawang sangatlah tepat mengingat potensi energi surya rata-rata di Indonesia cukup baik. Dalam penelitian ini digunakan pompa dc dengan  sistem  direct  photovoltaic,  sehingga  biaya  yang  dikeluarkan  lebih  efisien  karena  tanpa  storage  energy berupa  battery.  Namun  untuk  meningkatkan  efisien  penggunaan  sistem  ini  digunakan  water  storage  sehingga sistem ini maksimal dalam menyimpan air pada saat siang hari dan SWP tetap beroperasi pada saat malam hari dari cadangan air di water storage. Sistem ini mampu mengalirkan sampai kurang lebih 60 lpm dengan total head kurang lebih 35 meter dari permukaan tanah.
Kata kunci : solar water pump, renewable energy, direct photovoltaic,total head.

## 1. Pendahuluan
Kabupaten  Karawang  yang  dikenal  sebagai daerah  lumbung  padi  nasional  sejak  puluhan  tahun lalu akan kehilangan predikatnya, karena permasalahan  petani  dan  pertanian  di  kabupaten Karawang masih banyaknya lahan tidur. Pemanfaatan lahan tidur tersebut dengan memberdayaan masyarakat  serta  mendorong  gerakan  pertanian  dan teknologi  pertanian  yang  ramah  lingkungan. Meskipun demikian solusi tersebut merupakan solusi teoritis  yang  tidak  melihat  kondisi  lapangan, banyaknya  lahan  tidur  bukan  dikarenakan  petani tidak  bersedia  menggarap  lahan  tersebut,  namun disebabkan  oleh  kondisi  tidak  adanya  sumber pengairan  terutama  dimusim  kemarau.  Sehingga banyak  petani  yang  sengaja  membiarkan  lahan tersebut  terbengkalai.  Sebagai  solusi  yang  dapat  di andalkan  adalah  pembuatan  sumber  air  kemudian mengangkat  air  tersebut  dengan  pompa  air  yang menggunakan sumber listrik dari PLN. Permasalahan baru  akan  muncul  lagi  apabila  hal  ini  diterapkan, yaitu biaya produksi panen yang tinggi. Solusi yang paling efisien dengan memanfaatkan teknologi tepat guna  energi  terbaharukan  yang  ada  di  sekitar  lahan persawahan  petani.  (Sugiyanto,  B.  Tulung  Prayoga, & Andhi Akhmad Ismail)
Sumber  pembangkit  listrik  dari  energi terbarukan,  seperti  sinar  matahari  (energi  surya). Energi  dari  sinar  matahari  tersedia  melimpah  dan hampir  merata  di  seluruh  wilayah  Indonesia.  Alat (device) yang mampu merubah energi surya menjadi energi  listrik  secara  langsung  dikenal  dengan  sel surya  (solar  cell).  Sel  surya  sering  disebut  pula sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), sel PV (Department of agriculture, 2010).
Pada  tahun  2011,  Badan  Energi  Internasional menyatakan  bahwa  perkembangan  teknologi  energi surya  yang  terjangkau,  tidak  habis,  dan  bersih  akan memberikan keuntungan jangka panjang yang besar. Perkembangan  ini  akan  meningkatkan  keamanan energi  negara-negara  melalui  pemanfaatan  sumber energi  yang  sudah  ada,  tidak  habis,  dan  tidak tergantung pada impor, meningkatkan kesinambungan,  mengurangi  polusi,  mengurangi biaya  mitigasi  perubahan  iklim,  dan  menjaga  harga bahan  bakar  fosil  tetap  rendah  dari  sebelumnya. (Suharyadi 2016).
Penerapan Panel Surya sebagai sumber energi listrik  alternatif    untuk  pompa  pengairan  sawah  di daerah  Kabupaten  Karawang  sangatlah  tepat mengingat potensi energi surya rata-rata di Indonesia cukup  baik,  yakni  sekitar  4,5  kWh/m2/hari  yang dapat dimanfaatkan secara cuma-cuma. Energi surya sebesar 4,5 kWh/m2/ hari ini setara dengan 675 Wh
(watt-hour)  per-hari  yang  dihasilkan  oleh  modul  sel surya  kapasitas  100  Wp  (watt  peak)  dengan  luas permukaan  1  m2,  dan  konversi  efisiensi  sel  15%. (Abdalla, M. Kishta 2002)
Pada  perancangan  Solar  Water  Pump  System mengenai perhitungan spesifikasi minimum komponen  dalam  sistem,  berapa  lama  beban  dapat beroperasi,  dan  berapa  besar  sudut  kemiringan  dari panel  surya  sehingga  energi  radiasi  matahari  dapat diterima  secara  maksimal.  Hal  ini  bergantung  pada spesifikasi  arus,tegangan,  dan  frekuensi  operasi beban  (Zhou,  D.  and  Abdullah,  2017).  Solar  Water Pump  System  dapat  digunakan  untuk  memenuhi kebutuhan  air  didaerah  yang  kurangnya  pelayanan listrik  PLN,  dan menghemat listrik maupun  sebagai cadangan  energi  listrik  pada  saat  PLN  tidak beroperasi  sehingga  perairan  di  sawah  tidak mengalami  kekeringan  (Jhenkins  &  Kappali,  M, 2009)).

## 2. Perancangan Sistem

## 2.1 Kebutuhan Air Harian
Dalam  merancang  solar  water  pump,  langkah pertama  yang  harus  dilakukan  adalah  menentukan total  jumlah  air  yang  dibutuhkan  dalam  satu  hari. Untuk  menentukan  kebutuhan  air  harian  perlu dihitung berapa luas lahan yang akan dialiri air.

## 2.2 Kapasitas Tangki Penyimpanan
Kapasitas  tangki  penyimpanan  air  bergantung kepada  iklim  dan  penggunaan.  Kapasitas  tangki pnyimpanan  harus  sama  dengan  penggunaan  air  3 hari  untuk  musim  penghujan  sampai  10  hari  untuk musim kemarau.
Sebuah  tangki  penyimpanan  air  biasanya merupakan elemen penting dalam sistem pompa air bertenaga surya yang layak secara ekonomi. Tangki dapat  digunakan  untuk  menyimpan  cukup  air selama  produksi  energi  puncak  untuk  memenuhi kebutuhan  air  jika  terjadi  masalah  cuaca  atau masalah  dengan  sistem  tenaga.  Idealnya,  tangki harus  berukuran  untuk  menyimpan  setidaknya persediaan  air tiga hari.  Beberapa  tangki mungkin diperlukan jika volume air yang sangat besar harus disimpan.  Area  dimana  tangki  ditempatkan  harus dilucuti dari semua bahan organik, puing, akar, dan benda tajam, seperti batuan (Jorge, M. Huat – Elias. 1988).
Oleh  karena  itu  penerapan  panel  surya  untuk sistem  pompa  pengairan  sawah  di  Kabupaten Karawang  merupakan  solusi  yang  tepat.  Sel  surya (cell photovoltaic) akan lebih diminati karena dapat digunakan  untuk  berbagai  keperluan  yang  relevan dan di berbagai tempat seperti perkantoran, pabrik, perumahan,  dan  khususnya  untuk  pesawahan. Dalam perancangan desain optimal kapasitas panel surya  untuk  sistem  pompa  pengairan  sawah    ini
akan  memanfaatkan  sistem  pembangkit  listrik tenaga surya dengan teknologi tepat guna yang ada di sekitar lahan persawahan petani.
2.3 Spesifikasi Panel Surya
Panel  Photovoltaic  (PV)  sering  digunakan untuk operasi pertanian, terutama di daerah terpencil atau  di  mana  penggunaan  sumber  energi  alternatif diinginkan.  Menghasilkan  listrik  yang  memadai secara langsung dari radiasi matahari (sinar matahari) untuk  menyalakan  sistem  penyiraman  ternak  dan irigasi.  Manfaat  penggunaan  energi  matahari  untuk sistem pompa air pertanian adalah bahwa kebutuhan air  meningkat  untuk  ternak  dan  irigasi  cenderung bertepatan  dengan  peningkatan  musiman  energi matahari yang masuk. Bila dirancang dengan benar, sistem PV ini juga dapat menghasilkan penghematan biaya  jangka  panjang  yang  signifikan  dan  jejak lingkungan  yang  lebih  kecil  dibandingkan  dengan sistem tenaga konvensional (Boehman, A. 2015).
Setiap  modul  PV  memiliki  arus  dan  tegangan output  yang  berbeda.  Saat  kita  menghubungkan modul secara seri maka akan meningkatkan tegangan. Jika  dihubungkan  secara  parallel  maka  akan meningkatkan total arus. Dengan demikian, spesifikasi panel surya harus lebih tinggi dibandingkan  dengan  spesifikasi  pompa  atau  beban (Source, S. W.(n.d).
2.4 Total Dinamic Head (TDH) dan Pompa
TDH merupakan total jarak pompa memindahkan air melalui sumbu vertical atau jumlah tekanan yang harus diatasi pompa untuk menggerakkan air sampai ketinggina tertentu.
Pompa yang menggunakan sistem PV biasanya sumber  tenaga  dari  motor  dc.  Motor  ini menggunakan  output  dc  dari  panel  PV  secara langsung.  Motor  dengan  arus  alternatif  (ac) terkadang digunakan, namun membutuhkan sistem kontrol  yang  lebih  kompleks.  Mereka  juga menghasilkan ketersediaan energi yang kurang total karena  kerugian  listrik  yang  diakibatkan  ketika inverter  digunakan  untuk  mengubah  listrik  dc menjadi  ac.  Karena  motor  dc  tidak  memerlukan inverter,  gunakan  sistem  kontrol  yang  kurang kompleks,  dan  menghasilkan  lebih  banyak ketersediaan energi, mereka biasanya dipasangkan dengan  pompa  bertenaga  surya  (Chandel,  S.S, 2007).
Jenis konfigurasi dan pemasangan pompa bisa  berupa  submersible,  surface  mount,  atau floating,  tergantung  pada  sumber  air.  Pompa bertenaga surya dicirikan sebagai pompa perpindahan positif (misal; Diafragma, piston, atau rotor heliks) atau pompa  sentrifugal.  Karakteristik TDH  dan  flow  rate  untuk  pompa  tertentu  dapat ditemukan  dalam  spesifikasi  produsen  pompa (Duane, G. Chadwick. 1980).

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 SCC dengan MPPT
Dari  hasil  pengujian  diperoleh  data  seperti terlihat pada gambar 2. yang menunjukkan nilai daya dan  tegangan  dari  SCC  dengan  algoritma  MPPT. Terlihat  disana  bahwa  peak hour  terjadi  pada  pukul 10.00 WIB sebesar 17,5 Volt untuk tegangan dan 4,1 Watt untuk daya listrik yang dihasilkan.
Gambar  3.1  Grafik  daya  dan  tegangan  SCC dengan MPPT

## 3.2 SCC Non MPPT
Pada  SCC non  MPPT  didapatkan hasil  seperti ditunjukkan pada Gambar 4. 12 dan table 4. 2 dimana nilai  tegangan  tertinggi  terjadi  pada  pukul  13.00  – 14.00 WIB dengan nilai sebesar 20 Volt.
Gambar  3.2  Grafik  tegangan  menggunakan SCC non MPPT

## 4. Kesimpulan dan Saran
Desain Solar Water Pump dengan sistem direct ini mampu mengalirkan air dari dalam tanah menuju ke persawahan dengan kecepatan 60 lpm dengan total head  kurang  lebih  35  meter.  Diharapkan  dengan adanya  desain  sistem  ini  dapat  membantu  petani dalam melakukan pengairan sawahnya.

## Daftar Pustaka:
A. Ismail, C. Soh, L. Cronin, M. Lisewski, N., Jo & R.  Vagani.  2012.  Solar  Water  Pump  System Tsavo East National Park Kenya. Department of  Electrical  and  Electronic  Engineering Imperial College London.
Abdalla, M. Kishta. 2002. Designing, modeling and testing  a  solar  water  pump  for  developing countries. Iowa State University.
Boehman,  A.  2015.  Solar  powered  irrigation system  design  review  5.  The  University  of Michigan.
Chandel, S.S., Nagaraju Naik, M., and Chandel, R. 2007.  Review  of  solar  photovoltaic  water pumping system technology for irrigation and community  drinking  water  supplies.  Journal homepage. National institute of technology.
Department  of agriculture. 2010.  Design of  Small
Photovoltaic (PV) Solar-Powered Water Pump Systems.  2010.  Portland,  Oregon.  Technical note no.28.
Duane,  G.  Chadwick.  1980.  Design  of  a  cost effective  solar  powered  water  pump.  Paper
569.
Jhenkins, T. Design solar water pumping system for livestock. NM state University.
Jorge, M.  Huat  –  Elias.  1988.  Solar Power Water Pump Improvements. International Journal.
Kappali, M. 2009. Reduction of Panel Size and Cost in Solar Pumping in Multi-Floored Buildings. International  Journal  of  Recent  Trends  in Engineering, Vol. 1, No. 4.
Sugiyanto, B., Tulung Prayoga., & Andhi Akhmad
Ismail.  Rancang  bangun  pompa  air  tenaga angin  untuk  pengairan  sawah  menggunakan vertical  wind  turbine  tipe  savonius.  Jurnal Teknologi.
Suharyadi. 2016. Penggunaan pompa dengan mesin berbahan  bakar  LPG  sebagai  sarana  irigasi tanaman  padi.  Skripsi.  Tidak  dipublikasikan. Bandar Lampung : Universitas Lampung
Zhou,  D.  and  Abdullah.  2017.  The  acceptance  of solar  water  pump  technology  among  rural farmers  of  northern  Pakistan  :  A  structural equation model. Research article. Food science and Technology.
Sources, S. W. (n.d.). Designing Solar Water Pumping Systems for Livestock . 1–12.