## PEMILIHAN KAPASITAS BATERAI PENYIMPAN ENERGI LISTRIK DARI ENERGI SURYA
Bambang Irawan 1 *, Samsul Hadi 1 , Fatkhur Rohman 1 , Mahros Darsin 2
1 Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Malang
2 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember
Email: *bambang.irawan@polinema.co.id

## ABSTRACT
This paper is concern on the using of some solar batteries for storing the energy from the solar  panel.  The  battery  used  is  a  100  WP  solar  cell  with  the  appliances.  Research  was carried  out  in  an  open  air  with  real  condition  without  treatment  for  two  months continuously during hot dry season in Malang city, Indonesia. It is concluded that emerged energy from the solar panel was 550 WH or equal to 12 V of 45 AH. During the electric charging from solar panel to the battery, the flowing current vary between 2 A to 6 A. The battery charging only started after 7 am when the voltage was above 12 V. For the solar panel 100 WP to use battery with the storage capacity above 40 AH.
Keywords: battery, solar panel, energy

## PENDAHULUAN
Saat  sekarang  banyak  orang  yang  mulai tertarik  pada  energi  terbarukan  terutama  yang melimpah  dan  tidak  beli  hanya  bermodalkan  alat saja.  Dengan  memakai  alat  yang  lengkap  sinar surya sudah bisa diubah menjadi energi listrik dan tidak terhabiskan sepanjang masa. Sebagai negara tropis, sebagian besar wilayah Indonesia mendapatkan  intensitas  yang  cukup  radiasi matahari  dengan  radiasi  harian  rata-rata  sekitar  4 kWh  /m 2 (Handayani  dan  Ariyani,  2012). Kendala  besar dari pemakaian  listrik dari sumber energi  surya  adalah  adanya  surya  hanya  di  siang hari  sedangkan  pemakaiannya  yang  banyak  di malam  hari  sehingga  ada  kekurangan  yang signifikan.  Dengan  adanya  kekurangan  tersebut maka  pemanfaatan  energi  surya  kurang  begitu banyak.
Riset  eksperimen  yang  telah  dilakukan sesuai dengan  yang telah dipasang dan dilakukan oleh  masyarakat yaitu dengan  memakai solar cell untuk mengubah energi surya menjadi listrik serta baterai  atau  accu  untuk  menyimpan  energi. Berapakah  kapasitas  baterai  yang  baik  untuk menyimpan  energi  listrik  supaya  tidak  terlalu banyak energi listrik dari panel surya terbuang.
Menururt Reid and Wynn (2015), penyimpanan  dengan  baterai  adalah  salah  satu yang  penting  dalam  produk  listrik yang dibangkitkan oleh solar energi. Solusi penyimpanan yang tersedia saat ini masih relative mahal  maka  sebaiknya  listrik  diubah  menjadi bentuk  energi  lain  dan  kemudian  baru  diubah kembali menjadi energi listrik.
Zhao et. al (2018) berpendapat bahwa sistem penyimpanan  energi  dianggap  solusi  paling penting  untuk  menghadapi  tantangan  adanya pemakaian  listrik  dari  sumber  energi  surya. Mempertimbangkan berbagai jenis alat penyimpan energi diperlukan untuk mengembangkan  proyek  pembangkit  energi, terutama  dalam  membangun  proyek  listrik berbasis sumber daya terbarukan.
Menurut  Moustafa  et.  al  (2014)  bahwa u kuran bank baterai dapat dihitung sesuai dengan langkah-langkah  berikut:  (i)  menententukan  daya listrik  per  hari  yang  dapat  diproduksi  oleh  panel surya,  (ii)  menettentukan  kemampuan  pengisian baterai  maksimum  untuk  80%  kapasitas  baterai dalam  satuan  AH,  (iii)  menghitung  dan  pilih baterai  yang  dibutuhkan  dalam  W  jam,  dan  (iv) menghitung  jumlah  baterai  yang  dibutuhkan. Menurut  Fathima  and  Palanisamy  (2015),  baterai timbal-asam memiliki biaya investasi terkecil dan periode  pengembalian  modal  terpendek  namun baterai  NaS  mengungguli  baterai  timbal-asam pada karakteristik State of  Charge ( SOC) dengan Net  Present  Value ( NPV)  tertinggi.  Sementara, baterai  Li-ion  lebih  tangguh  dan  sangat  efisien tapi biaya investasinya tinggi.

## Dasar Teori
Energi surya diubah menjadi energi listrik dengan melalui solar cell.
Menurut Ariani (2014) bahwa menghitung energi adalah seperti berikut:
S = I.Eo 1) Dimana  S   = energi total
I    = daya dari matahari  di permukaan bumi (1000 W/m 2 ) Eo = factor koreksi (tergantung sudut dan waktu)
Menurut Moustafa et al. (2014) bahwa, E = T CF .T SS .W P 2) Dimana  E    = Energi listrik setiap panel (WH/hari) T CF = factor koreksi suhu, TSS = rata-rata puncak panas jam/hari, WP = energi setiap panel solar dlm Watt jam.
Arus dari panel surya dapat dihitung seperti berikut:
I TSC = N P , I SC 3) Dimana  I TSC = total arus dari semua panel solar
N P = jumlah panel solar
I SC = arus setiap panel solar.
Daya keluar harian dapat dihitung seperti berikut:
E DS = E P . N P . η B .η INV
4)
Dimana  E DS = daya keluaran harian dari solar panel dalam  WH/hari
EP    = daya listrik keluaran setiap panel dalam WH/hari NP   =  jumlah solar panel, η B     = efisiensi baterai,
η INV = efisiensi inverter.
Kapasitas baterai menurut Kusum (2018) adalah
Q = (P – t.n)/V 5) Dimana  Q = kasitas baterai P  = total daya baterai t   = total pemakaian per hari n  = berapa kali pemakaian V = tegangan baterai nominal
Fraksi pengurangan kapasitas baterai adalah:
F CS = E CS /E D 6) dimana   Ecs = total kapasitas (kWh/year) ED =  total permintaan listrik (kWh/year).

## METODOLOGI PENELITIAN
Alat dan Metode Penelitian Alat Penelitian
1. Solar cell 50 WP sebanyak 2 lembar dengan tegangan yang keluar langsung sebesar maksimum bisa 21,5 volt.
2. Penstabil tegangan untuk 200 Watt
3. Pengukur tegangan dan arus otomatis
4. Baterai atau accu jenis lead (Pb) 12 vol 3 biji, 20 AH, 40 AH dan 60 AH.
5. Perubah dari DC ke AC (conventer/inventer), maksimum 500 Watt.
6. Beban berupa lampu yang berukuran 100 W sebanyak 3 biji.
7. Termometer.

## Metode Penelitian
Penelitian  ini  dilakukan  dikota  Malang,  alat solar cell dipasang di atas Gedung lantai 8 dengan kemiringan  tegak  lurus  sinar  matahari  dan  solar cell  dipasang  parallel.  Susunan  pemasangan  alat dilakukan seperti Gambar 1 di bawah ini.

## Gambar 1. Rangkaian alat penelitian
Catatan nomor pada alat pada gambar sesuai dengan nomor urut pada alat yang dipakai
Pengambilan data dilakukan seperti berikut:
a. Merangkai alat Alat dirangkai sesuai dengan desain awal seperti pada Gambar 1.
b. Mengambil data Pengambilan data dilakukan beberapa kali untuk penyimpanan dengan jenis baterai yang berbeda dan beberapa kali untuk jenis pembebanan. Pengambilan data ini dilakukan selama 2 bulan terus menerus.
c. Data tegangan dan arus listrik dijadikan daya (Watt)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian yang dilakukan selama 2 bulan di musim  kemarau  sehingga  tidak  ada  hujan  sama sekali  tetapi  tetap  terjadi  awan  yang  tidak  begitu tebal  namun  hal  ini  dapat  mengurangi  intensitas cahaya  surya.  Dengan  demikian  maka  penelitian ini  bukan  berdasarkan  teoritis  tapi  berdasarkan keadaan nyata di lapang.
Data hasil penelitian berupa Tabel 1
kemudian dibuat grafik seperti pada Gambar 2.

## Tabel 4.1 Data hasil penelitian rata-rata dalam dua bulan musim kemarau
No Pukul Tegangan (Volt) Arus listrik (Amper) Daya (Watt) 1 06.00 0 0 0 2 07.00 12,0 2 24 3 08,00 12,5 3 37,5 4 09.00 12,5 3,5 43,75
5 10.00 13 4 52 6 11.00 13 5,5 71,5 7 12.00 13 6 78 8 13.00 13 5,5 71,5 9 14.00 13 5 65
10 15.00 13 4,5 58,5 11 16.00 12,5 3 37,5 12 17.00 12.0 1 12 13 18.00 0 0 0
Gambar 2.  Tegangan (V) dan arus (A) yang dihasilkan panel surya
Gambar 2 menunjukkan grafik dari tegangan dan  arus  listrik  yang  dihasilkan  oleh  panel  surya selama  satu  hari.  Terlihat  bahwa  mulai  pukul  6 pagi  belum  ada  sinar  surya  yang  menyentuh  ke panel  surya  sehingga  belum  menghasilkan  listrik sama sekali. Mulai pukul 7 pagi sinar surya sudah mengenai  permukaan  panel  sehingga  sudah menghasilkan  listrik,  selanjutnya  semakin  siang semakin terang/panas sehingga tegangan dan arus listrik  jadi  membesar.  Setelah  pukul  12  sinar matahari  sudah  condong  ke  barat  akibatnya kekuatan  sinar  surya  menurun  sehingga tegangan dan  kuat  arus  menurun  sampai  pukul  18.00  nol lagi.
Daya  listrik  yang  dihasilkan  oleh  panel surya  seperti  Gambar  3,  minimum  nol  dan maksimum  rata-rata  bisa  mencapai  hampir  80 Watt.  Daya  adalah  perkalian  dari  volt  dengan amper  maka  gambar  ini  merupakan  bentuk  daya dari Gambar 2.

## Gambar 3. Daya yang dihasilkan panel surya
Energi  pada  Gambar  4  didapatkan  dari rata-rata  daya  setiap  satu  jam  dikalikan  dengan waktu  satu  jam.  Gambar  ini  didapat  dari  daya pada  Gambar  3  yang  di  rata-rata  setiap  jamnya kemudian  dikalikan  waktu,  sehingga  bentuk gambarnya  seperti  Gambar  3.  Bila  energi  ini ditotal  selama  satu  hari  sebesar  lebih  kurang  550 Watt  jam  (WH).  Dengan  demikian  maka  baterai yang  menampung  energi  ini  harus  dibuat  lebih besar dari 550 WH.

## Gambar 4 Energi yang dihasilkan oleh panel yang masuk ke baterai
Sesuai  dengan  beberapa  persamaan  diatas bahwa  besaran  dari  gambar  5  merupakan besarnya energi pada Gambar 4 dibagi dengan 12 volt. Mengapa dibagi sebesar itu karena tegangan baterai  yang  dipakai  untuk  menyimpan  energi listrik  sebesar  12  volt.  Bila  dijumlahkan ketinggian grafik tersebut hasilnya sekitar 45 AH. Dalam  satu  hari  penuh  panel  surya  bisa menghasilkan  energi  listrik  dan  siap  dimasukkan ke  baterai  atau  dipakai  langsung  sebesar  45  AH. Untuk  menghindari  kelebihan  pengisian  ke baterai maka dibuat kapasitas batrainya jauh lebih besar  dari  surya  panel  sehingga  tidak  ada  energi yang terbuang.

## Gambar 5 Pengisian ke baterai (AH)
Percobaan  pengisian  arus  listrik  dengan memakai  baterai  divariasi  yaitu  20  AH,  40  AH dan  60  AH.  Baterai  ini  semuanya  baru  dan  diisi mulai pagi sambil diberi beban hasilnya adalah:
1. Untuk  baterai  20  AH  dibebani  lampu 100 W tidak bisa nyala, sekitar pukul 10 lampu  nyala  tapi  nyalanya  hanya berkedip. Jika dibebani 200 W baru bisa nyala  berkedip  setelah  sekitar  pukul  12.
Ketika  dibebani  300  W  baru  bisa menyala berkedip pada pukul 13.30.
2. Untuk  baterai  40  AH  dibebani  lampu 100 W tidak dapat menyala, baru sekitar pukul  9  lampu  menyala  tapi  hanya berkedip  terus.  Ketika  dibebani  200  W baru  dapat  menyala  berkedip  setelah sekitar  pukul  10.  Sedangkan jika dibebani  300  W  baru  bisa  menyala berkedip pada pukul 12.00.
3. Untuk  baterai  60  AH  dibebani  lampu 100  W  tidak  dapat  menyala,  sedangkan sekitar  piukul  9  lampu  menyala  tapi berkedip terus. Jika dibebani 200 W baru dapat  menyala  berkedip  setelah  sekitar pukul 10. Terakhir, jika dibebani 300 W baru dapat menyala berkedip pada 11.30.
Nyala lampu sangat singkat karena tegangan yang  masuk  ke  inverter  dibatasi  minimum  11 volt,  bila  tegangan  baterai  di  bawah  harga tersebut  lampu  sudah  tidak  menyala.  Kalau bebannya lampu DC maka waktu pemakaian akan jauh  lebih  lama  karena  bolam  bisa  menerima langsung  tegangan  dari  baterai  tanpa  melalui inverter.  Perlu  diketahui  bahwa  inverter  juga mempunyai  nilai  koefisien  untuk  mengubah  DC ke  AC.  Untuk  baterai  yang  berkapasitas  kecil energi  akan  habis  untuk  mengatasi  koefisien inverter.
Dari percobaan tersebut menunjukkan bahwa  pemilihan  baterai  sebaiknya  yang  jauh melampui dari kemampuan pengisian panel surya. Mengingat  bahwa  baterai  barupun  tidak  dapat bekerja  100%  apalagi  kalau  baterai  sudah  lama. Pada  umumnya  baterai  jenis  lead  umurnya  dapat sampai 3 tahun.
Pengisian  baterai  20  AH  tanpa  beban dimulai  pagi  hari  akan  penuh  pada  jam  13  siang, baterai  40  AH  satu  setengah  hari  dan  untuk  60 AH  bisa  dua  hari.  Pengisian  listrik  ke  baterai lebih  lama  dari  kapasitasnya  karena  arus  yang masuk ke baterai arusnya tidak konstan dan selalu berubah.

## KESIMPULAN
Dari analisis dan pembahasan sebelumnya, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai brikut:
1. Energi  yang  dapat  dihasilkan  panel  surya 100  WP  adalah  sekitar  550  WH  atau  untuk tegangan 12 volt sebesar 45 AH.
2. Pengisian  listrik  dari  panel  surya  ke  baterai arusnya  bervariasi  mulai  dari  yang  rendah sekitar 2 A  sampai yang tinggi sekitar 6 A.
3. Pengisian baterai bisa dilakukan setelah jam 07.00 karena pengisian bisa dilakukan kalua tegangannya sudah > 12 Volt.
4. Untuk  panel  surya  100  WP  sebaiknya memakai baterai dengan kapasitas di atas 40 AH.
Untuk  riset  beikutnya  beberapa  catatan penting untuk ditindaklanjuti:
1. Untuk  mempertinggi  efisiensi  sebaiknya beban langsung pakai DC sehingga tidak ada pengurangan daya dengan adanya inverter.
Sebelum memasang pembangkit listrik  tenaga  surya  sebaiknya  dihitung dengan  cermat  mengingat  umur  baterai hanya 3 tahun.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] R. Ariane, 2014, Calculating the solar energy of  a  flat  plate  collector,  Undergraduate Journal  of  Mathematical  Modeling,  Volume 6 | 2014 Fall Issue 1 | Article 1.
[2] M.  Moustafa,  M  Essam  E.  El-bokl,  2014, Solar energy or river Nile cruisers, Brodogradnja/Shipbuilding Volume 65 Number 2.
[3] K.  L.  Tharani1,  R.  Dahiya,  2018,  Choice  of battery energy storage for a hybrid renewable energy system, Turkish Journal Of Electrical Engineering  &  Computer  Sciences,  (2018) 26: 666-676).
[4] H.  Fathima  and  K.  Palanisamy,    2015, Optimized  sizing,  selection,  and  economic analysis  of  battery  energy  storage  for  grid- connected wind-PV hybrid system,
Modelling  and  Simulation  in  Engineering, Volume  2015,  Article  ID  713530,  16  pages, doi.org/10.1155/2015/713530.
[5] Handayani  N.  A.  and  D.  Ariyanti,  2012, Potency  of  solar  energy  applications  in Indonesia,  Int.  Journal  of  Renewable  Energy Development, 1 (2) 2012: 33-38.
[6] G.  Reid  1,†  and  Gerard  Wynn,  2015,    The future of solar power in the United Kingdom,
Energies 2015, 8, 7818-7832; doi:10.3390/en8087818. [7] H.  Zhao,  S.  Guo  and  H.  Zhao,  2018, Comprehensive  performance  assessment  on various  battery  energy  storage  systems, Energies 2018, 11, 2841; doi:10.3390/en11102841.