## Jurnal Ilmiah Widya Teknik

## PROTOTYPE SISTEM KONTROL OTOMATIS PADA PEMBANGKIT LISTRIK ALTERNATIF TEGANGAN RENDAH
Michael Aditya Putra Pradana 1) , Tjendro 2)
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Kampus III Paingan, Maguwoharjo, Depok, Sleman,Yogyakarta. michaeladiitya@gmail.com 1 , tjendro@usd.ac.id 2

## ABSTRAK
Energi listrik merupakan energi yang paling banyak digunakan karena kemudahannya  dikonversi ke energi lain  semisal  kalor  atau  cahaya.  Pembangkit  listrik  alternatif  muncul  seiring  dengan  kemajuan  teknologi  sebagai jawaban  akan  peningkatan  penggunaan  energi  listrik  di  masyarakat.  Pembangkit  listrik  alternatif  dinilai  lebih ramah lingkungan karena menggunakan energi yang tersedia di alam yang merupakan energi terbarukan. Dalam pengaplikasiannya  pembangkit  listrik  alternatif  memerlukan  suatu  kontroler  yang  mampu  memanajemen  energi yang  dihasilkan.  Kontroler  ini  bertugas  mengatur  proses  penyimpanan  energi  serta  meregulasi  daya  keluaran sebelum disalurkan ke pengguna.
Prinsip  kerja  alat  ini  yaitu  mengatur  proses  penyimpanan  energi  listrik  yang  dihasilkan  oleh  pembangkit alternatif.  Media  penyimpanannya  berupa  baterai  yang  akan  diisi  secara  bergantian  sesuai  urutannya.  Baterai pertama  akan  diisi  sampai  penuh  terlebih  dahulu  baru  kemudian  beralih  ke  baterai  selanjutnya.  Metode  ini digunakan  supaya  memaksimalkan  kapasitas  media  penyimpanan  sehingga  tidak  akan  menggangu  suplai keluarannya.  Selain  itu  sistem  ini  memiliki  kemampuan  akan  menonaktifkan  proses  penggunaan  baterai (discharging)  pada  saat  proses  pengisian  (charging)  sedang  berlangsung.  Hal  ini  disebabkan  karena  pengisian baterai akan lebih cepat jika pada saat bersamaan baterai sedang tidak digunakan dan juga dapat memperpanjang umur pakai dari baterai tersebut.
Hasil  dari  penelitian  ini  adalah  sistem  yang  mampu  mengontrol  proses  pengisian  dan  pengosongan  media penyimpanan energi listrik dengan metode smart switching.
Kata kunci : energi listrik, pembangkit alternatif, charging , smart switching , baterai.

## I. Pendahuluan
Energi listrik merupakan salah satu sumber energi yang paling banyak digunakan dalam keseluruhan kegiatan manusia  [1].  Hal  yang  paling  mudah  dijadikan  contoh  yaitu  peralatan  rumah  tangga,  seperti  televisi,  kulkas,  atau bahkan charger hp.  Peralatan  tersebut  membutuhkan  energi  listrik  supaya  dapat  beroperasi.  Energi  listrik  dipilih karena  paling  mudah  ditransfer  ke  dalam  bentuk  energi  yang  lain,  sebagai  contoh  lampu  pijar  mengubah  energi listrik  menjadi  energi  cahaya  atau heater yang  berguna  untuk  mengubah  energi  listrik  menjadi  energi  panas. Kemudahan inlah yang menjadikan energi listrik mendominasi kebutuhan energi secara umum di masyarakat.
Pada  sistem  power  plant,  terdapat  istilah  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Hybrid  (PLTH).  PLTH  merupakan penggabungan dari dua atau lebih sub sistem pembangkit listrik yang terkoneksi satu sama lain membentuk sistem pembangkit  listrik  yang  lebih  besar  [2].  Contoh  pengaplikasian  PLTH  terdapat  di  di  Pantai  Baru,  Ngentak, Poncosari, Srandakan, Kabupaten Bantul, Yogyakarta yang menggabungkan dua pembangkit energi alternatif yaitu solar  cell dan  kincir  angin.  Penggabungan  dua  pembangkit  alternatif  ini  menciptakan  suatu  sistem  hybrid  yang bekerja  menopang  satu  sama  lain.  Instalasi  yang  diperlukan  pun  dapat  digunakan  bersamaan,  hal  inilah  yang membuat  biaya  pembangunan  PLTH  lebih  murah  jika  dibandingkan  dengan  jenis  pembangkit  listrik  lainnya  yang berdiri mandiri.
PLTH menggunakan baterai  sebagai  media penyimpanan energi  listrik. Terdapat sekitar  50 buah baterai  yang terdapat  pada PLTH Pantai  Baru.  Energi  yang  dihasilkan  oleh  PLTH  akan  langsung  disimpan  ke  baterai  –  baterai tadi  secara  bersamaan.  Metode  penyimpanan  ini  akan  menyimpan  energi  listrik  secara  merata  ke  semua  baterai. Namun  metode  ini  dinilai  memiliki  kelemahan  yaitu  tidak  dapat  memaksimalkan  kapasitas  penyimpanan  baterai sehingga kurang optimal dalam menyimpan energi listrik. Dapat dijelaskan pada saat proses penyimpanan tiba – tiba sumber  berhenti  menghasilkan  energi  listrik  maka  baterai  hanya  akan  terisi  setengah  dari  kapasitas  maksimalnya. Hal ini akan berdampak pada suplai daya keluaran  yang dihasilkan oleh baterai.
Melihat  permasalahan  di  atas,  maka  dibuatlah  prototype  alat  yang  mampu  mengoptimalkan  kapasitas penyimpanan  energi  listrik  pada  baterai.  Alat  ini  akan  bertugas  memanajemen  energi  yang  dihasilkan  oleh pembangkit  listrik menggunakan metode smart switching. Smart switching sendiri merupakan sistem yang bekerja memaksimalkan  kapasitas  penyimpanan  energi  listrik  pada  baterai.  Sistem  akan  menyimpan  energi  pada  baterai hingga  mencapai  kapasitas  maksimalnya.  Setelah  dicapai  nilai  maksimal  maka  sistem  akan  beralih  ke  baterai selanjutnya.  Kelebihan  lain  dari  sistem  ini  yaitu  mampu  mengatur  proses  pengisian  dan  pengosongan
(charge/discharge)  energi  pada  baterai.  Pada  saat  proses  pengisian  baterai  sedang  berlangsung  (charging),  baterai otomatis  tidak  dapat  digunakan  (discharging).  Hal  ini  dikarenakan  jika  baterai  mengalami  proses  charging  dan discharging pada waktu yang bersamaan maka akan memperpendek umur pakai dari baterai tersebut. Metode smart switching  diharapkan  selain  mampu  mengoptimalkan  kapasitas  penyimpanan  energi  listrik  juga  dapat memperpanjang umur pakai pada baterai.
Prototype  smart  switching  dikontrol  oleh  suatu  sistem  kontrol  elektro  mekanik  yang  terdiri  dari  relai  dan mikrokontroler  ATmega  8535  dengan  bahasa  C  sebagai  bahasa  pemrogamannya.  Mikrokontroler  ATMega  8535 bertindak  sebagai  otak  dari  alat  ini  dan  relay  sebagai  aktuatornya.  Kombinasi  keduanya  menciptakan  sistem  baru yang kemudian diberi nama smart switching. Pada dasarnya prototype ini dibuat untuk mengatasi persoalan tentang manajemen energi pada PLTH, khususnya yang menggunakan baterai sebagai media penyimpanan energi listriknya. Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan sistem smart switching pada proses manajemen energi pembangkit listrik tenaga hybrid (PLTH) dengan maksud mengoptimalkan kapasitas media penyimpanan energi listrik.

## II. Landasan Teori
II.1 Mikrokontroler ATMega 8535 [3].
AVR (Alf and Vegard’sRiscProcessor) merupakan  seri mikrokontroler CMOS 8-bit yang diproduksi oleh Atmel berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer) [4]. Chip AVR yang digunakan pada tugas akhir ini adalah ATmega8535.  Semua instruksi yang ada dalam mikrokontroler ini dieksekusi dalam satu siklus clock dan memiliki 32 register general-purpose , analog to digital converter (ADC), timer/counter fleksibel dengan mode compare , interupsi internal dan eksternal, serial USART , Progammable Watchdog Timer , dan power saving mode . II.1.1 Arsitektur Mikrokontroler ATmega8535 Mikrokontroler ATmega8535 memiliki arsitektur sebagai berikut : 1. 8 bit AVR berbasis RISC dengan performa tinggi dan konsumsi daya rendah.
2. Kecepatan maksimal 16 MHz.
3. Port IO sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, Port D .
4. Memori :
a. 8 KB Flash,
b. 512 byte SRAM,
c. 512 byte EEPROM.
5. Tiga buah Timer/Counter :
a. 2 buah 8 bit timer/counter , b. 1 buah 16 bit timer/counter ,
c. 4 kanal PWM.
6. 8 kanal ADC 8/10 bit.
7. Port USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter).
8. Port SPI (Serial Pheripheral Interface).
9. Komparator analog.
10. Watchdog Timer dengan osilator internal.
11. Enam pilihan sleep mode untuk penghematan daya. 12. Internal dan eksternal interupsi.
II.1.2 Deskripsi Mikrokontroler ATmega8535
Pin  Mikrokontroler  ATmega8535  terkonfigurasi  dengan  kemasan  40-pin  DIP  (dual  in-line  package).  Untuk memaksimalkan performa dan pararelisme, AVR menggnakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk  program dan data). Ketika sebuah instruksi sedang dikerjakan maka instruksi berikutnya diambil dari memori program. Konfigurasi pin dapat dilihat pada gambar 1.
Mikrokontroler ATmega 8535 memiliki konfigurasi Pin sebagai berikut [4]:
1. Power , VCC dan GND.
2. Port A (PA 0-7 ) merupakan pin IO dua arah dan berfungsi khusus sebagai pin masukan ADC.
3. Port B  (PB 0-7 )  merupakan  pin  IO  dua  arah  dan  berfungsi  khusus  sebagai  pin Timer/Counter ,  komparator analog dan SPI.
4. Port C (PC 0-7 ) merupakan pin IO dua arah dan berfungsi khusus.
5. Port D (PD 0-7 ) merupakan pin IO dua arah dan berfungsi khusus.
6. RESET adalah pin untuk mereset mikrokontroler.
7. XTAL1 dan XTAL2 adalah pin untuk external clock .
8. AVCC adalah pin pengelola tegangan untuk ADC.
9. AREF adalah pin masukan untuk tegangan referensi eksternal ADC.
Gambar 1. Konfigurasi Pin ATmega8535 [3]
Port A berfungsi sebagai input analog pada A/D converter dan Port I/O 8-bit dua arah. Port B, Port C, Port D adalah  suatu  port  I/O  dua  arah  dengan  resistor  internal pull-up (yang  dipilih  untuk  beberapa  bit). Pada  Rangkaian reset, waktu pengosongan kapasitor dapat dihitung dengan persamaan :
T = R x C … (1)
II.2 Solar Cell dan Kincir Angin II.2.1 Solar Cell [5]
Solar  Cell adalah  salah  satu  jenis  sensor  cahaya photovoltaic ,  yaitu  sensor  yang  dapat  mengubah  intensitas cahaya  menjadi  perubahan  tegangan  pada  outputnya.  Apabila  “ solar  cell ”  menerima  pancaran  cahaya  maka  pada kedua  terminal  outputnya  akan  mengeluar  tegangan  DC  yang  nilainya  bergantung  dari  banyaknya  sel  dalam  satu panel.  Banyaknya  sel  dalam  satu  panel  tergantung  pada  kebutuhan  energi  yang  ingin  dihasilkan  oleh  panel  surya tersebut, semakin banyak sel dalam suatu panel akan menghasilkan tegangan keluaran yang semakin besar pula. II.2.1.1 Prinsip Kerja Solar Cell
Prinsip  kerja  sel  surya  silikon  yaitu  berdasarkan  pada  konsep  semikonduktor p-n  junction .  Sel  terdiri  dari lapisan  semikonduktor  doping-n  dan  doping-p  yang  membentuk p-n  junction ,  lapisan  antirefleksi,  dan  substrat logam  sebagai  tempat  mengalirnya  arus  dari    lapisan  tipe-  n  (elektron)  dan  tipe-p  ( hole ).  Semikonduktor  tipe-n didapat  dengan  mendoping  silikon  dengan  unsur  dari  golongan  V  sehingga  terdapat  kelebihan  elektron  valensi dibanding  atom  sekitar.  Pada  sisi  lain  semikonduktor  tipe-p  didapat  dengan  doping  oleh  golongan  III  sehingga electron  valensinya  defisit  satu  dibanding  atom  sekitar.  Ketika  dua  tipe  material  tersebut  mengalami  kontak  maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p  akan  bermuatan  negatif.  Medan  elektrik  yan  terjadi  antara  keduanya  mendorong  elektron  kembali  ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction . Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.
Gambar 2. Struktur Solar Cell P-N Junction
Ketika junction tersebut disinari, photon atau cahaya yang mempunyai energi yang sama atau lebih besar dari pada lebar pita energi  material tersebut akan  menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan  meninggalkan hole pada  pita  valensi.  Elektron  dan hole ini  dapat  bergerak  dalam  material  sehingga menghasilkan  pasangan elektron-hole .  Apabila  ditempatkan  hambatan  pada  terminal  sel  surya,  maka  elektron  dari
area-n  akan  kembali  ke  area-p  sehingga  menyebabkan  perbedaan  potensial  dan  arus  akan  mengalir,  seperti ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Prinsip Kerja Solar Cell
II.2.1.2 Karakteristik Solar Cell
Tegangan yang dihasilkan oleh sel photovoltaic pada solar cell sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya. Sesuai dengan konstanta Plank : …. (2) dengan : E : Energi Solar cell (Watt)
h
: Konstanta Plank ( 6.6261.10 -34 Js) f : Frekuensi cahaya (Hertz)
Gambar 4. Spektrum Cahaya
Semakin kearah warna cahaya biru, maka semakin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas cahaya akan berpengaruh terhadap arus listrik. Jika photovoltaic diberi beban maka arus listrik yang timbul akan tergantung pada intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.
Total daya yang dihasilkan oleh solar cell adalah tegangan operasi dikalikan dengan  arus operasi saat ini. Solar cell  dapat  menghasilkan  arus  dari  voltase  yang  berbeda  –  beda  dikarenakan  pengaruh  dari  intensitas  cahaya  yang diterima. Berbeda dengan baterai yang cenderung menghasilkan arus dari voltase yang konstan.
Gambar diatas merupakan tipikal kurva I-V pada solar cell. Sumbu X adalah tegangan output (V o ) dan sumbu Y adalah arus output (I o ). Penentuan kurva I-V diatur dalam Standar Test Conditiion (STC) dimana harus memenuhi beberapa  variabel  tertentu  yaitu  dalam  pengujiannya  solar  cell  harus  mendapatkan  sinar  matahari  1000  watt  per meter persegi radiasi atau disebut satu jam matahari puncak ( one peak sun hour ). Serta suhu solar cell harus berada pada  titik  25  derajat  celcius  atau  77  derajat  fahrenheit.  STC  mewakili  kondisi  optimal  dalam  lingkungan laboratorium.
Solar  cell  memiliki  beberapa  karkteristik  yang  berpengaruh  terhadap  kinerja  dari  solar  cell  itu  sendiri, diantaranya adalah :
 Maximum Power Point (V mp dan I mp ) Maximum Power Operation (V mp dan I mp ) adalah titik dimana daya yang dihasilkan oleh solar cell mencapai nilai maksimum saat berada pada kondisi operasionalnya. V mp dan I mp diukur saat solar cell diberi beban pada kondisi temperatur 25 derajat celcius dan radiasi 1000 Watt per meter persegi. Pada gambar 2.5, V mp bernilai 17,9 V dan I mp beernilai 0.56 A. jumlah daya pada batas maksmum ditentukan dengan mengkalikan V mp dan I mp , jadi nilai daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh solar cell adalah 10 Watt pada STC.
Daya pada solar cell akan menurun seiring dengan kenaikan voltase, hal ini dikarenakan arus akan menurun jika voltase pada keluaran melebihi nilai maximum power point .  Open Circuit Voltage (V oc ) Open Circuit Voltage adalah maksimum tegangan yang dapat dihasilkan solar cell pada saat daya sama dengan nol atau arusnya minimum mendekati nol. V oc diukur dengan  cara menghubungkan terminal positif dan negatif ke multitester tanpa diberi beban.
 Short Circuit Current (I sc )
Short Circuit Current adalah arus yang melalu solar cell pada saat tegangannya sama dengan nol (yaitu ketika solar cell terhubung singkat). Arus ini merupakan arus maksimum solar cell yang dapat dikeluarkan oleh output di bawah kondisi tidak berbeban. Daya pada saat I sc adalah nol Watt. Short circuit current dapat diukur dengan membuat koneksi langsung terminal positif dan negatif pada modul solar cell .
 Resistansi Beban
Hambatan beban turut berpengaruh juga terhadap karakteristik solar cell . Sebagai contoh adalah baterai yang akan digunakan sebagai beban. Baterai 2 cell (7,4 Volt) umumnya memiliki tegangan  antara 7 sampai 9 Volt. Untuk dapat mengisi baterai, solar cell  harus beroperasi lebih tinggi daripada  voltase baterai. Efisiensi tertinggi terjadi saat solar cell beroperasi di daerah maximum power point . Pada contoh diatas, tegangan baterai harus mendekati V mp . Apabila tegangan baterai menurun di bawah V mp , atau meningkat di atas V mp , maka efisiensinya akan berkurang.
 Intensitas Cahaya Matahari
Semakin besar intensitas cahaya matahari yang mengenai permukaan solar cell maka secara proporsional akan menghasilkan arus yang besar. Gambar 2.6 menunjukkan bahwa saat intensitas cahaya menurun maka daya yang dihasilkan pun juga cenderung menurun. Hal ini dipengaruhi oleh arus yangberubah sesuai dengan intensitas cahaya, sedangkan voltase tidak mengalami banyak perubahan karena pengaruh intensitas cahaya.
Gambar 6. Karakteristik I-V Curve Terhadap Intensitas Cahaya Matahari
 Solar Cell Temperature
Seperti  semua  perangkat  semikonduktor  lainnya, solar  cell juga  sensitif  terhadap  perubahan  suhu. Peningkatan  suhu  akan  mempengaruhi  hambatan  pada  semikonduktor,  sehingga  mempengaruhi  sebagian  besar parameternya.  Panas  akan  mengakibatkan  aliran  elektron  terganggu  sehingga  daya  yang  dihasilkan  akan  menurun seiring dengan peningkatan suhu solar cell . Gambar 2.7 mengilustrasikan bahwa saat suhu sel meningkat diatas 25 derajat celcius (suhu solar cell, bukan suhu udara) bentuk kurva I-Vnya tetap sama namun bergeser ke kiri. Dalam
solar  cell,  parameter  yang  paling  terpengaruh  oleh  peningkatan  suhu  adalah Open  Circuit  Voltage V oc sedangkan Short Circuit Current I sc akan cenderung stabil.
Gambar 2.7. Karakteristik I-V Curve terhadap Temperatur
 Shading/ Bayangan
Solar  cell merupakan  gabungan  dari  beberapa  silikon  yang  dirangkai  seri  untuk  menghasilkan  daya  yang diingnkan.  Satu  silikon  menghasilkan  0.46  Volt,  maka  untuk  membentuk  solar  cell  panel  12  volt  diperlukan    32 silikon yang dirangkai serial, hasilnya adalah 0,46 x 32 = 14,72.
Shading adalah kadaan dimana satu atau lebih sel silikon dari solar cell panel terhalang sesuatu sehingga sinar matahari  menjadi  terhalang. Shading akan  mengurangi  keluaran  daya  dari solar  cell .  Sel  yang  tidak  menerima cahaya  matahari  akan  meningkatkan  hambatan  pada  sel  tersebut.  Tentunya  pada  sistem  yang  dirangkai  serial,  jika ada satu sel yang meningkat resistansinya maka akan menurunkan tegangan keluaran dari solar cell . Shading dapat datasi  dengan  memasang bypass  diode yang  harus  diasang  searah  dengan  arah  arus. Bypass  diode berfungsi meneruskan arus pada saat sel terkena shading sehingga hambatan yang meningkat pada sell tidak akan berpengaruh pada  tegangan  keluaran solar  cell  panel .  Gambar  2.8  menunjukkan  karakteristik solar  cell terhadap  pengaruh shading ,  terlihat  saat  kondisi shading 100%  maka  daya  keluaran solar  cell sangat  berkurang  jika  dibandingkan dengan kondisi unshaded .
Gambar 8. Karakteristik I-V Curve terhadap Shading
Tabel 1 menunjukkan efek yang sangat ekstrim pengaruh shading pada satu sel dari modul solar cell single crystalline yang tidak memiliki internal bypass diode . Hal yang perlu diperhatikan dalam pemasangan adalah solar cell tidak boleh terhalang oleh shading.
Tabel 1. Efek Shading Pada Satu Sel Panel Surya
II.2.1.3 Spesifikasi Solar Cell PUL-10-P36 Solar cell yang digunakan pada alat ini memiliki spesifikasi sebagai berikut:
1. Solar Cell Type
: PUL 10-P36
2. Rated Maximum Power (P max ) : 10 W
3. Voltage at Pmax (V mp ) : 17.9 V 4. Current at Pmax (I mp ) : 0.56 A 5. Open - Circuit Voltage (V oc ) : 21.8 V
6. Sort  - Circuit Current (I sc ) : 0.61 A 7. Maximum System Voltage
: 1000 Vdc
8. Operation Temperature
: - 40° C to 85° C
9. Size per cells : 62.5mm x 27mm 10. Panel Area : 607,5 cm 2 11. Cell Configuration : Serial, 9 x 4 12. Weight : 0.91 Kg 13. Dimension : 280mm x 280mm x 23mm

## II.2.2 Kincir Angin
Kincir  angin  adalah  sebuah  alat  yang  di  desain  sedemikian  rupa  sehingga  mampu  memanfaatkan  kekuatan angin  kemudian  mengubah  energi  angin  tersebut  menjadi  energi  mekanik.  Energi  mekanik  yang  dihasilkan  kincir angin kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan generator yang kemudian dapat menghasilkan energi listrik.
Konsep  kincir  angin  sederhana  yaitu  dengan  menghubungkan  poros  generator  dengan  baling  –  baling.  Saat baling  –  baling  berputar  karena  pergerakan  angin,  poros  generator  juga  akan  ikut  berputar.  Ada  juga  kincir  angin yang  menggunakan gearbox untuk  menghasilkan  putaran  generator  yang  lebih  cepat  daripada  putaran  baling  – balingnya. Bagian – bagian pada kincir angin sederhana dapat dilihat pada gambar 9 di bawah ini.

## Gambar 9. Konfigurasi Kincir Angin Sederhana
Energi listrik  yang dihasilkan oleh koncir angin sepenuhnya sangat tergantung dari spesifikasi  generator  yang digunakan. Generator DC dengan spesifikasi 12V/2A akan menghasilkan tegangan keluaran maksimal 12 Volt, dan arus  maksimalnya  1  Ampere.  Daya  maksimal  yang  dapat  dihasilkan  oleh  generator  tersebut  yaitu  12V  x  1A  =  12 Watt.  Tegangan  keluaran  berbanding  lurus  dengan  kecepatan  putar  generator  atau Rotation  Per  Minute (RPM), semakin cepat putarannya maka tegangannya semakin meningkat. Sedangkan arus keluaran tergantung pada beban yang dihubungkan dengan generator, semakin besar beban yang terhubung maka arus dihasilkan akan semakin besar
juga. Namun jika arus yang ditarik beban melebihi kapasitas yang dihasilkan generator, maka akan mengakibatkan panasnya kumparan dan dapat membakar generator.
Spesifikasi kincir angin yang digunakan dalam alat ini yaitu :
1. Tegangan Keluaran (V o ) : 12 Volt
2. Arus Keluaran (I o ) : 0.5 Ampere 3. Daya Maksimal (P) : 6 Watt 4. RPM Maksimal : 450 5. Jumlah Sudu : 3 Buah 6. Daerah Tangkapan Angin : 100 cm 2 /sudu
II.2.3 Baterai [6]
Baterai  adalah  perangkat  elektronika  yang  dapat  merubah  energi  kimia  menjadi  energi  listrik.  Setiap  baterai memiliki terminal positif (Anoda) dan terminal negatif (Katoda) serta elektrolit yang berfungsi sebagai penghantar. Output arus listrik dari baterai adalah arus searah atau disebut juga dengan arus DC ( Direct Current ). Jika anoda dan katoda dihubungkan ke beban, maka akan ada arus yang mengalir dari anoda ke beban kemudian ke katoda. Aliran arus dari anoda ke katoda disebabkan oleh beda potensial antara anoda dan katoda. Sesuai dengan prinsip arus listrik dimana  arus  listrik  akan  mengalir  dari  potensial  tinggi  ke  potensial  rendah.  Jika  diantara  anoda  tidak  terdapat perbedaan  potensial  lagi  maka  arus  tidak  dapat  mengalir.  Kondisi  ini  dinamakan  dengan  habisnya  energi  yang tersimpan pada baterai.
Pada  umumnya,  baterai  terdiri  dari  dua  jenis  utama  yaitu  baterai  primer  yang  hanya  dapat  digunakan  sekali ( single  use  battery )  dan  baterai  sekunder  yang  dapat  diisi  ulang  ( rechargeable  battery ).  Salah  satu  baterai  yang dapat diisi ulang addalah jenis baterai Lithium-ion  Polimer (Li-Po). Baterai Li-Po  merupakan jenis baterai terbaru jika  dibandingkan  dengan  jenis  –  jenis  baterai rechargeable sebelumnya  seperti Nikel-Cadmium (Ni-Cd), Nikel- Metal  Hydride (Ni-MH),  atau Lithium-Ion (Li-Ion).  Li-Po  merupakan  pengembangan  dari  Li-ion  yang  didasarkan pada pengembangan elektrokimia. Li-Po mengandung elektrolit polimer yang berbentuk gel bukan cairan elektrolit yang  umum.  Hasilnya  berupa  sel  “plastik”  yang  secara  teoritis  bisa  lebih  fleksibel,  dapat  dibuat  dalam  berbagai bentuk tanpa resiko kebocoran elektrolit. Kelebihan dari LI-Po jika dibandingkan dengan Ni-Cd dan Ni-MH adalah ukurannya  yang  relatif  kecil  namun  kapasitasnya  penyimpanannya  besar.  Serta  mampu  men-discharge  arus  yang besar yang umumnya digunakan untuk supply motor.
Seperti  halnya  baterai  Ni-MH,  baterai  Li-Po  lebih  ramah  lingkungan  karena  tidak  mengandung  zat  berbahaya Cadmium.  Akan  tetapi  baterai  Li-Ion  tidak  berbahaya,  melainkan  tetap  mengandung  sedikit  zat  berbahaya  yang dapat merusak kesehatan manusia dan lingkungan hidup jika dibuang tanpa didaur ulang ( recycle ) terlebih dahulu. Hal  ini  dikarenakan  baterai  Li-Po  mudah  terbakar  jika  tersulut  api.  Perawatan  baterai  Li-Po  tidak  jauh  berbeda dengan  baterai  Li-Ion.  Penanganannya  harus  ekstra  hati  –  hati  mengingat  sifatnya  yang  " liquid "  dengan  tekanan yang cukup keras bisa menyebabkan bentuk baterai berubah.
Gambar 10. Baterai Lithium-ion Polimer (Li-Po)
Baterai Li-Po memiliki beberapa istilah umum yang menggambarkan spesifikasi dari baterai tersebut. Misalkan pada baterai Li-Po tertulis : “ 7.4V / 1800mAh / 20C / 2S1P “ keterangan : a. V ( Voltage ) - Menunjukkan tegangan keluaran baterai.
b. mAH ( mili Ampere hours ) - Menunjukkan kemampuan baterai dalam mensuplai arus dalam satu jam.
c. C ( Capacity ) - Menunjukan nilai kapasitas baterai.
d. 2S1P (2 Sel 1 Pararel) - Menunjukkan  jumlah sel dan konfigurasi susunan sel dalam pak baterai. Baterai Li-Po yang memiliki spesifikasi seperti yang tertulis diatas dapat mensuplai dengan tegangan keluaran 7.4 dan arus maksimal 1800mAh atau dengan daya 13.32 Watt selama satu jam. Jika arus yang dikeluarkan kurang dari nilai suplai arus (mAh) maka daya tahan baterai akan lebih lama. Sebagai contoh jika baterai hanya mensuplai arus 500mAh maka baterai dapat bertahan selama 3 jam 36 menit (1800mAh/500mA = 3.6H). sedangkan nilai 20C
menunjukkann kemampuan melepas arus sesaat yaitu sebesar 20Cx1800mAh = 36.000mA = 36A. Arus tersebut ini dapat dikeluarkan oleh baterai dalam waktu sesaat dan setelah itu energi yang tersimpan dalam baterai akan habis. Dengan demikian daya sesaat yang dapat dikeluarkan baterai adalah 7.4V x 36A = 266.4 Watt.

## Gambar 11. Konfigurasi Baterai
Konfigurasi  baterai  biasanya  dikelompokkan  menjadi  dua  yaitu  serial  dan  pararel.  Susunan  serial  digunakan untuk  meningkatkan  tegangan  dan  susunan  paralel  digunakan  untuk  meningkatkan  arus  [13].  Gambar  11  di  atas menunjukkan dua pengaturan tersebut.
Gambar  konfigurasi  baterai  atas  menunjukkan  susunan  paralel.  Empat  baterai  yang  disusun  secara  paralel bersama-sama akan  menghasilkan  tegangan  satu sel, tetapi  arus  yang  mereka suplai akan  menjadi empat  kali lipat dari satu sel.  Arus adalah tingkat dimana  muatan listrik  melewati sirkuit dan diukur dalam satuan ampere. Baterai memiliki nilai dalam amp-hours, yaitu kemampuan baterai mensuplay arus dalam satu jam.
Gambar  konfigurasi  bawah  menunjukkan  susunan  serial.  Empat  baterai  secara  seri  bersama-sama  akan menghasilkan arus satu sel, tetapi tegangan yang mereka suplai akan empat kali lipat dari satu sel. Tegangan adalah ukuran energi per satuan muatan dan diukur dalam volt. Dalam baterai, tegangan menentukan seberapa kuat elektron didorong melalui sirkuit, seperti tekanan menentukan seberapa kuat air didorong melalui selang.
Bayangkan baterai yang ditunjukkan pada gambar yang memiliki nilai sebesar 1,5 volt dan 500 milliamp-hours. Empat baterai susunan paralel akan menghasilkan 1,5 volt dan 2.000 milliamp-hours. Empat baterai disusun secara seri akan menghasilkan 6 volt di 500 milliamp-hours. Pada umumnya baterai yang memiliki nilai amps-hours lebih tinggi memiliki kapasitas yang lebih besar.
Spesifikasi baterai yang digunakan pada alat ini yaitu :
1. Tegangan Keluaran (V) : 7.4 Volt
2. Arus keluaran maksimal (mAh)
: 1800 mAh
3. Jumlah sel dan konfigurasi
: 2 Sel / Pararel
III. Metode Penelitian III.1 Perancangan Sistem Secara Keseluruhan

## Gambar 12. Diagram Blok Sistem
Daya yang dihasilkan oleh solar cell dan kincir angin akan diregulasi dan dihitung besaran dayanya oleh input regulator .  Daya yang telah teregulasi tersebut akan digunakan untuk mengisi baterai penyimpanan ( Charge ). Jika
ada  beban  yang  terpasang,  maka  daya  yang  tersimpan  pada  baterai  akan  digunakan  untuk  mensuplai  beban ( Discharge ). Proses Charge/Discharge ini dilakukan oleh relay dengan ketentuan baterai yang sedang dalam proses pengisian  tidak  dapat  digunakan/dikosongkan,  begitu  juga  sebaliknya.  Daya  dari  baterai  yang  tersalur  ke  beban terlebih  dahulu  akan  disesusuaikan  dengan  kebutuhan  beban  dan  dihitung  besaran  dayanya  oleh output  regulator . Besaran  daya  hasil  perhitungan input  regulator dan output  regulator akan  dikirimkan  ke  mikrokontroler  untuk ditampilkan  pada  LCD. Push  button digunakan  uuntuk  memilih  menu  tampilan  pada  LCD  diantaranya  tampilan daya  yang  dihasilkan  sumber,  tampilan  status  pengisian  baterai,  tampilan  daya  yang  tersimpan  dalam  baterai,  dan tampilan daya yang dipakai oleh beban.
III.2 Perancangan Perangkat Keras III.2.1 Rangkaian Sistem Minimum ATMEGA 8535

## Gambar 13. Sistem Minimum ATMEGA 8535
Rangkaian sistem minimum berfungsi sebagai I/O untuk mengolah data dari input/output regulator, baterai dan push button . Mikrokontroler memerlukan sistem minimum yang terdiri dari rangkaian eksternal yaitu rangkaian reset dan rangkaian osilator. Penggunaan port pada mikrokontroler disesuaikan dengan kebutuhan alat. Port yang digunakan yaitu PortA, PortB, PortC, dan PortD. Port A digunakan sebagai ADC untuk mengukur masukan dari input/output regulator dan baterai. PortB digunakan sebagai port masukan dari push button sekaligus port keluaran ke led indikator. PortC digunakan sebagai pengatur interface pada LCD. PortD digunakan untuk mengatur proses switcing pada relay . Penggunaan Port I/O dapat dilihat pada tabel 2.
Tabel 2. Penggunaan Port Mikrokontroler

## III.2.2 Rangkaian Input Regulator
Alat  kontrol  otomatis  ini  dirancang  dengan  spesifikasi  yang  dapat  menggunakan  dua  atau  lebih  sumber pembangkit  listrik  alternatif,  dalam  penelitian  ini  pembangkit  listrik  yang  digunakan  yaitu  panel  surya  dan  kincir angin.  Pembangkit  yang  dipakai  adalah  pembangkit  yang  menghasilkan  tegangan  DC  langsung  tanpa  harus menggunakan  konverter.  Daya  yang  dhasilkan  oleh  masing  –  masing  sumber  akan  disatukan  dalam  rangkaian voltage  tapping .  Sesuai  dengan  rancangan  awal  bahwa  dalam  pembangkitan  daya  disini  tidak  mencari  amplitudo yang tinggi dari tegangan yang dihasilkan oleh sumber, maka dari masing – masing sumber akan disatukan terminal positifnya,  sehingga  tegangan  yang  masuk  ke  alat  merupakan  tegangan  tertinggi  di  antara  kedua  sumber  tersebut. Sedangkan arus yang masuk merupakan arus hasil penambahan dari sumber pertama dan sumber kedua. Rangkaian ini  tak  ubahnya  seperti  dua  buah  baterai  yang  dihubungkan  secara  pararel.  Sebelum  sumber  masuk  ke  rangkaian voltage tapping , masing – masing sumber diberi pengaman dioda untuk menghalangi arus balik yang dapat merusak pembangkit listrik.
Gambar 14. Rangkaian input regulator

## III.2.3 Rangkaian Charge Discharge
Rangkaian Charge/Discharge dapat  dikatakan  rangkaian  terpenting  dari  alat  ini.  Proses  otomatisasi  pengisian dan pemakaian baterai dikontrol dari sini. Charge/Dscharge terdiri dari rangkaian  modul relay dan satu rangkaian lagi dengan beberapa port yang akan dihubungkan dengan rangkaian lain seperti input/output regulator dan baterai. Penyaklaran pada proses Charge dan proses Discharge dilakukan oleh modul relay . Pengisian baterai dihubungkan dengan  dengan Port  Normally  Close (NC),  Pengosongan  baterai  dihubungkan  dengan Port  Normally  Open (NO), sedangkan Port COM dihubungkan dengan baterai. Dengan demikian, pada keadaan normal baterai akan diisi jika sumber  menghaslkan  daya  berapapun  besarnya  walaupun  akan  berpengaruh  pada  pada  waktu  pengisian  baterai. Relay dikontrol langsung dari  mikrokontroler, saat  mikro memberikan  masukan  “0” atau logika rendah  maka Port COM  akan  terhubung  dengan  Port  NC,  sedangkan  saat  mikrokontroler  memberkan  masukan  “1”  maka  relay  akan terhubung ke Port NO. Channel K1 – K3 terhubung dengan Batt 1 – Batt 3, sedangkan channel K4 digunakan untuk mem bypass daya ke dummy load jika baterai sudah terisi penuh. Dummy load dipasang di port unregulated output .
Gambar 15. Rangkaian charge discharge
III.2.4. Rangkaian Output Regulator Output regulator merupakan bagian akhir yang mengatur penggunaan daya dari baterai. Rangkaian ini termasuk digunakan  saat  proses discharging berlangsung.  Daya  dari  baterai  akan  diregulasi  terebih  dahulu  oleh output regulator dan disesuaikan dengan kebutuhan beban.

## II.2.5 Rangakaian LCD
LCD memegang peranan penting karena digunakan untuk menampilkan data yang terdapat pada keseluruhan alat ini. Data  tersebut  berupa  hasil  monitoring  pada  beberapa  bagian  alat  ini  seperti  daya  yang  dihasilkan  sumber,  status pengisian  baterai,  status  kapasitas  baterai,  hingga  daya  keluaran  yang  digunakan  beban.  LCD  juga  menampilkan menu – menu yang dapat dipilih oleh user untuk dapat dieksekusi oleh alat.

## Gambar 16. Rangkaian output regulator
Gambar 17. Rangkaian LCD

## II.2.6 Perancangan Perangkat Lunak
Software merupakan  sekumpulan  instruksi  yang  harus  diproses  oleh  mikrokontroler  untuk  mengatur  sistem kerja  alat  ini  secara  keseluruhan.  Dapat  diartikan  bahwa software merrupakan  jalan  pikiran  alat  ini  seadangkan mikrokontroler  merupakan  otaknya.  Perancangan  software  menggunakan  program  CV  AVR  dengan  bahasa pemograman  C.  Software  akan  menghasilkan  tampilan  yang  berbeda  –  beda  pada  LCD  sesuai  dengan  menu instruksi  yang  dijalankan.  Terdapat  empat  menu  utama  yang  terdapat  pada software ini  yaitu  menu  “ Source ”, “ Battery ”, “ Charging ”, dan “ Load ”. Setiap menu memiliki spesifikasi tugas yang sesuai dengan namanya. Keempat menu  dapat  dioperasikan  oleh user melalui  LCD  dan push  button .  Spesifikasi  tugas  dari  masing  -  masing  menu ditunjukkan pada tabel 3.4 di bawah ini.
Tabel 3. Spesifikasi Menu
Gambar 18. Sistem Kerja Menu Program
Menu  dioperasikan  oleh user melalui push  button sebagai masukan  untuk  menjalankan  instruksi  program  dan keluaran atau hasil dari proses instruksi program akan ditampilkan melalui LCD. Diluar dari keempat menu diatas terdapat tampilan “ home display ” atau tampilan yang akan muncul di LCD  jika user tidak masuk ke dalam menu tertentu. Home  Display juga  berfungsi  sebagai  tampilan  homescreen  pada  LCD.  Jika  user  menekan  tombol  menu, maka tampilan menu akan ditampilkan pada LCD dengan urutan “ Source ”, “ Battery ”, “ Battery ”, kemudian “ Load ”. Jika  user  ingin  kembali  ke  menu  “ Home  Display ”  maka  tinggal  menekan  tombol  kembali  untuk  menjalankan instruksinya.
Menu battery  charging merupakan  menu  pengisian  baterai  yang  menggunakan  sistem smart  switching pada proses  pengisiannya. Smart  switching sendiri  merupakan  sistem  yang  mengutamakan  pengisian  pada  satu  baterai saja  sampai  penuh  baru  kemudian  beralih  ke  baterai  berkutnya.  Urutan  prioritas  pengisian  baterai  dimulai  dari baterai 1, baterai 2, kemudian yang terakhir adalah baterai 3. Jika kondisi ketiga baterai kosong maka baterai 1 akan diprioritaskan  untuk  diisi  pertama  kali,  saat  baterai  1  penuh  maka  pengisian  beralih  ke  baterai  2,  dan  begitu seterusnya  hingga  baterai  3.  Sistem  smart  switching  digunakan  untuk  mengoptimalkan  pengisian  baterai  disaat sumber menghasilkan daya yang terbatas sehingga paling tidak terdapat satu baterai yang terisi penuh. Waktu yang diperlukan  untuk  mengisi  satu  baterai  hingga  penuh  akan  lebih  cepat  daripada  jika  harus  mengisi  ketiga  baterai secara bersamaan. Jika ketiga baterai diisi secara bersama dan disaat yang bersamaan sumber berhenti menghasilkan daya  maka  kapasitas  ketiga  baterai  tersebut  hanya  terisi  setengahnya  saja,  hal  inilah  yang  nantinya  berpengaruh terhadap  suplai  daya  ke  beban.  Sebagai  contoh,  tegangan  pada  saat  kapasitas  baterai  terisi  penuh  yaitu  7,4V,  jika
kapasitas baterai baru terisi setengah maka tegangan pada baterai hanya sebesar 3,7V. Tegangan 3,7V ini tidak akan mampu  mensuplai daya  ke beban  yang  mengharuskan  tegangan  keluarannya berada pada level tegangan 5V. pada saat user memilih  untuk  memulai  pengisian  baterai,  sistem  akan  mengecek  sumber  terlebih  dahulu,  apakah menghasilkan  daya  atau  tidak.  Jika  ternyata  sumber  tidak  menghasilkan  daya,  maka  akan  muncul  peringatan “Sources Is Not Available!”. Peringatan tersebut juga akan muncul saat pengisian sedang berlangsung dan sumber tidak menghasilkan daya.
Sistem  pendeteksi  kapasitas  baterai  dilakukan  dengan  cara  mengukur  tegangan  yang  terdapat  pada  masing  – baterai.  Tegangan  pada  baterai  saat  kapasitasnya  penuh  adalah  7,4  Volt.  Nilai  tersebut  jika  dikonversikan  dalam persen  maka  akan  bernilai  100%.  Sedangkan  tegangan  baterai  saat  kondisi  kosong  yaitu  mendekati  0  Volt.  Dari persen  kapasitas  baterai  tersebut  dibuatlah  logika  kapasitas  baterai.  Jika  kapasitas  baterai  kurang  dari  20%  maka akan dianggap berlogika “L” ( low ), hal ini didasarkan pada standar kapasitas minimum baterai yang harus dicharge ulang.  Baterai  jenis  Li-Po  sebaiknya  diisi  ulang  pada  saat  kapasitas  baterai  tinggal  20%,  jika  pengisian  dilakukan saat baterai benar – benar habis maka berpotensi dapat memperpendek umur baterai. Saat kapasitas baterai lebih dari 95% maka akan dianggap berlogika “H” ( high ), saat kapasitas baterai mencapai logika H maka pengisian dihentikan. Jika  pengisian  tetap  dilanjutkan  maka  berpotensi  merusak  internal  baterai  karena overcharging .  Pada  dasarnya baterai  tidak  dapat  diisi  100%  karena  pola  pengisian  –  pengosongan  yang  berulang  –  ulang  mengakibatkan menurunnya kapasitas baterai. Pengisian baterai dilakukan saat baterai berlogika “L” sampai mencapai logika “H”. jika semua baterai telah berlogika “H” maka daya dari sumber akan langsung di- bypass ke beban. Smart switching diharapkan  mampu  meningkatkan  efisiensi  penyimpanan  daya  yang  dihasilkan  oleh  sumber.  Sistem  kerja  menu charging disajikan pada flowchart dibawah ini.
Gambar 19. Flowchart Menu Charging
IV. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Berdasarkan perancangan yang telah dibuat, dari hasil simulasi yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan:
1. Sistem smart switching telah berjalan sesuai perancangan yang diinginkan, dimana proses charging baterai bergantian sesuai dengan prioritas pengisian baterai.
Gambar 20. Simulasi Smart Switching
2. Sistem  dapat  menampilkan  parameter  –  parameter  yang  terdapat  pada  sistem  antara  lain  daya  yang dihasilkan sumber, kapasitas baterai, dan daya yang digunakan oleh beban.

## Gambar 21. Simulasi Parameter Sistem
3. Sistem  dapat  memberikan  peringatan  apabila  pada  saat  proses  pengisian  sumber  berhenti  menghasilkan daya.
Gambar 22. Simulasi Peringatan
V. Kesimpulan
Sistem  yang  mampu  mengontrol proses pengisian dan pengosongan  media penyimpanan  energi listrik  dengan metode smart switching.

## Daftar Pustaka
1. Saepudin, Aep., 2015, Langkah Strategis Mengatasi Krisis Energi Listrik ,
http://www.alpensteel.com/article/131-225-pemadaman-listrik/1329-langkah-strategis-mengatasi-krisis-energi- listrik , diakses pada 5 April 2015.
2. Purnamasari, Ratih., 2013,
Listrik Tenaga Angin Dan Surya Menghidupi Pantai Ini , http://teknologi.kompasiana.com/terapan/2013/11/06/listrik-tenaga-angin-dan-surya-menghidupi-pantai-ini- 605650.html , diakses pada 5 April 2015.
3. Anonim, 2015, Datasheet Mikrokontroler ATmega8535 . USA: ATMEL. Hal 3
4. M. Ary Heryanto, Wisnu  Adi P., 2008, Pemrograman  Bahasa  C  untuk  Mikrokontroler Atmega8535 . Penerbit Andi. Yogyakarta.
5. Luque.  Antonio, Hegedus  Steven, 2011, Handbook of Photovoltaic Science and  Engineering, Second Edition. John Wiley & Sons.
6. Linden. David, Reddy. Thomas B, Handbook of Batteries, Third Edition, Mc Graw-Hill Handbook.