## PENERAPAN TEKNOLOGI POMPA AIR BERTENAGA SURYA UNTUK LAYANAN MASYARAKAT PESANTREN
1* Aripriharta, 2 Anik Nur Handayani, 3 Nandang Mufti, 4 Muladi, 5 Agusta Rakhmat Taufani, 6 Adim Firmansah, 7 Kusmayanto Hadi Wibowo, 8 Mery Nur
Laili, 9 Jade Rosida Larasati Universitas Negeri Malang
*e-mail: aripriharta.ft@um.ac.id
Abstrak: Dalam  studi  ini,  MPPT  digunakan  untuk  mendapatkan  output  daya maksimum  panel  surya.  Selain  itu,  ada  rangkaian  konverter  buck-boost  yang digunakan untuk mengatur tegangan output panel surya untuk pompa air. Buck- Boost  Converter  dalam  sistem  ini  menggunakan  algoritma  P&O  untuk mendapatkan  duty  cycle  yang  diinginkan.  Sistem  yang  diusulkan  telah  diuji menggunakan simulasi Matlab / Simulink dan juga percobaan pompa air tenaga surya.  Setelah  pengujian,  PV  dapat  mencapai  nilai  maksimum  dengan  iradiasi yang berbeda. Selain itu, tegangan output pada konverter dapat mengisi baterai. Sistem ini dapat menjadi solusi untuk ketersediaan air bersih di daerah terpencil yang masih belum terjangkau listrik.
Kata kunci: MPPT, Konverter Buck-Boost, Pompa Air Surya, Panel Surya
Abstract: In this study, MPPT is used to get the maximum power output of solar panels. In addition, there is a buck-boost converter circuit that is used to regulate the output voltage of solar panels for water pumps. Buck-Boost Converter in this system uses the P&O algorithm to get the desired duty cycle. The proposed system has been tested using a Matlab / Simulink simulation and also a solar water pump experiment.  After  testing,  PV  can  reach  its  maximum  value  with  different irradiations. In addition, the output voltage on the converter can charge the battery. This system can be a solution for the availability of clean water in remote areas that are not yet affordable by electricity.
Keywords: MPPT, Buck-Boost Converter, Solar Water Pump, Solar Panel

## PENDAHULUAN
Indonesia adalah negara tropis yang memiliki beberapa musim, salah satunya adalah musim kemarau. Berdasarkan data dari Badan Penanggulangan Bencana Daerah  (BPBD)  pada  tahun  2018,  kekeringan  selama  musim  kemarau  di Lamongan menyebabkan 40 desa di 10 kecamatan mengalami daerah krisis air bersih. Daerah yang mengalami kekeringan diantaranya Tikung, Sugio, Mantup, Kembangbahu, Sarirejo, Modo, Bluluk, Sukorame, Kedungpring, dan Sukodadi, Suprapto (2018).
Meskipun daerah tersebut sering mengalami kekeringan, potensi swadaya dalam air bersih di Lamongan cukup memadai. Solusi yang ditawarkan saat ini
adalah  mendistribusikan  bantuan  air  ke  daerah-daerah  yang  mengalami kekeringan.  Solusi  lain  yang  menjanjikan  yaitu  dengan  mengembangkan teknologi  dalam  bentuk  pompa  air  tenaga  surya  berbasis  MPPT.  Mafatihul Huda,  Mantup,  Pondok  Pesantren  Lamongan  adalah  salah  satu  lokasi  yang cocok,  di  mana  tempat  tersebut  membutuhkan  pasokan  air  bersih  untuk kebutuhan sehari-hari siswa.
Sistem yang telah ada memiliki efisiensi yang relatif rendah, sehingga daya yang  dihasilkan  oleh  panel  surya  dan  kinerja  pompa  air  tidak  optimal. Berdasarkan hal tersebut, fokus pengembangan fotovoltaik (PV) saat ini adalah meningkatkan efisiensi daya dan biaya pemasangan (Hosseini, 2018). Investasi sistem PV dapat dikembalikan dengan cepat jika sistem dapat memanen energi maksimum.  Mengintegrasikan  PV  dengan  pelacakan  titik  daya  maksimum (MPPT) adalah cara untuk mengoptimalkan sistem PV. Karakteristik modul PV adalah nonlinier, di mana perubahan titik daya maksimum (MPP) PV tergantung pada  kondisi  lingkungan.  Pengaruh  utama  adalah  radiasi  matahari  dan  suhu (Sher, 2015).

## METODE
Secara umum, ada dua kategori metode MPPT, yaitu metode MPPT online dan MPPT  offline.  Setiap  metode  memiliki  kelebihannya.  MPPT  offline  terbagi menjadi  Fractional  Short  Circuit  Current  (FSCC)  dan  Fractional  Open  Circuit Voltage  (FOCV).  Metode  offline  lebih  sederhana,  namun  tidak  dapat  melacak MPP yang sebenarnya. MPPT online terbagi menjadi Perturb and Observe (P&O) dan Incremental Conductance (IC). Metode tersebut dapat melacak MPP yang sebenarnya, tetapi ada osilasi daya di sekitar nilai MPP. Pemilihan metode MPPT harus mengikuti penerapannya.
Ada juga pengembangan metode MPPT menggunakan kecerdasan buatan (AI),  seperti  MPPT  berbasis  Particle  Swarm  Optimization  (PSO)  dan  MPPT berbasis  Fuzzy.  Dalam  (Efendi,  2018  dan  Haji  D,  2018),  keunggulan  MPPT berdasarkan  AI  adalah  modul  PV  dapat  mencapai  MPP  dengan  cepat  pada perubahan radiasi matahari dan suhu. Namun, P&O adalah metode yang sering digunakan  dalam  industri  karena  metode  ini  sederhana  dan  mudah diimplementasikan (Farhat, M. 2016).
Pada  studi  ini,  sistem  pompa  air  tenaga  surya  MPPT  yang  diusulkan diimplementasikan  menggunakan  Algoritma  P&O.  Sebagai  dukungan  untuk MPPT, konverter buck-boost digunakan untuk pengatur tegangan sehingga titik kerja  panel  surya  tetap  pada  kondisi  titik  daya  maksimum.  Alur  pembahasan dalam makalah ini sebagai berikut, bagian 2 menjelaskan penelitian terkait yang
membahas  MPPT.  Sistem  yang  diusulkan  dijelaskan  pada  Bagian  3.  Bagian  4 membahas hasil dan analisis penelitian, kesimpulan dijelaskan dibagian 5.
Taha  (1996),  membahas  penggunaan  MPPT  untuk  kontrol  motor  induksi pada  pompa  submersible,  kecepatan  motor  bervariasi  dalam  memanfaatkan daya maksimum yang tersedia, tergantung pada radiasi matahari.
Sistem  Kendaraan  Listrik  juga  menerapkan  teknik  MPPT.  Salah  satunya adalah  pengisian  baterai  berbasis  panel  surya  dalam  waktu  singkat,  dimana menurut Krishna (2015), menggunakan protokol pengisian cepat CHadeMO DC.
Noppadol (2007), pompa air menggunakan photovoltaic arrays bertenaga inverter sangat populer di daerah terpencil. MPPT dalam sistem ini digunakan untuk beban pompa AC. Sistem menggunakan mikrokontroler sebagai pemroses utama sehingga memiliki fleksibelitas yang tinggi dalam komputasi.
Dalam makalahnya Aripriharta (2012), motor induksi tiga fasa dengan rotor sangkar  disuplai  dengan  FSTPI  SVPWM.  Implementasinya  adalah  pompa sentrifugal berdasarkan kontrol vektor fluks sensorless. Sensor yang digunakan adalah  sensor  kecepatan  dan  transduser.  Sistem  ini  berfungsi  menggerakkan motor  induksi  sangkar  tupai  yang  termasuk  dalam  tipe  motor  ACAripriharta dkk (2011).
Salah satu teknik MPPT yang dikembangkan adalah FOCV. Teknik MPPT beroperasi berdasarkan nilai MPP yang terjadi pada 0,7 hingga 0,8 kali Tegangan Sirkuit  Terbuka  (Voc).  Penelitian  Haris,  (2017)  mensimulasikan  dua  algoritma MPPT, yaitu Algoritma P&O dan Algoritma FOCV berdasarkan Pengontrol PI. Hasil  simulasi  adalah  bahwa  sistem  tidak  memerlukan  sensor  arus  pada algoritma PI FOCV sehingga dapat mengurangi biaya investasi.
Semua  studi  ini  telah  berhasil  menerapkan  teknik  MPPT.  Berbeda  dari pekerjaan terkait, teknik MPPT yang digunakan dalam penelitian ini tidak rumit. Teknik  MPPT  digunakan  untuk  mengoptimalkan  daya  PV  yang  mensuplai pompa air DC.
Sistem Yang Diusulkan
Gambar 1. Blok diagram pompa air bertenaga surya berbasis MPPT
Sistem  yang  diusulkan  dalam  penelitian  ini  ditunjukkan  untuk menghasilkan daya maksimum dari panel surya sebagai masukan pompa air dc bertenaga  surya  berbasis  MPPT  (Maximum  Power  Point  Tracking).  Gambar  1
menunjukkan komponen yang digunakan dalam desain sistem termasuk panel surya, konverter, baterai, dan pompa air dc.
Algoritma P&O digunakan untuk menentukan penambahan tegangan atau referensi reduksi sehingga didapatkan nilai MPPT yang diinginkan. Daya yang dihasilkan disimpan dalam baterai yang digunakan sebagai catu daya pompa air dc di malam hari.

## Spesifikasi PV
Desain  pompa  air  tenaga  surya  dapat  menggunakan  salah  satu  jenis  PV sesuai penelitian Alfasolar, dengan spesifikasi yang ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 . Spesifikasi PV Type of PV Pmax (Wp) Isc (A) Voc (V) Ipmax (A) Vpmax (V) SunPower SPR-X20- 250-BLK 250 6.2 50.93 5.84 42.8 Lumos LS250-60M 250 8.78 37.3 8.31 30.1 Sunperfect Solar CRM250S156P-60 250 8.56 37.8 8.06 31
Kondisi iradiasi matahari di Lamongan dalam setahun dapat dilihat pada Gambar 2, iradiasi matahari tertinggi terjadi pada bulan November sebesar 6.33 kWh/m 2 .  Iradiasi  matahari  terendah  terjadi  pada  bulan  Januari  sebesar  4.01 kWh/m 2 .
Gambar 2. Iradiasi matahari
Gambar 3. Rangkaian konverter buck-boost
Gambar 4. Kurva pompa

## Konverter DC-DC
Dalam  penelitian  ini  digunakan  konverter  buck-boost  yang  terdiri  dari induktor,  dioda,  MOSFET,  dan  kapasitor.  Nilai  parameter  duty  cycle  (D), kapasitor (C), dan induktor (L) dapat dicari menggunakan rumus berikut:
 Duty Cycle (D)
D = V dc V dc + V mp (1)
 Kapasitor (C)
C = I mp *(1-D) ∆V * f s (2)  Induktor (L)
L = V mp * D ∆I L * f s (3)
Dimana  Vmp  adalah  tegangan  maksimum  ketika  daya  maksimum,  Vdc adalah tegangan input, Imp adalah arus maksimum ketika daya maksimum, fs adalah frekuensi switching , ∆V adalah ripple tegangan kapasitor, dan ∆V adalah ripple arus induktor.

## Pompa Air
Jenis  pompa  air  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  pompa  air panel surya DC STEC 180 W. Spesifikasi pompa air tersebut ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi pompa air dc bertenaga surya STEC 180 W
Parameter Nilai Model LSWQB 12 V Aliran (Maks.) 1.5 M 3 / H Kedalaman (Maks.) 15 M Daya 180 W Saluran keluar 1 Inchi Tegangan 12 V

## Desain Pompa Air Bertenaga Surya
1. Tangki Air: Total kapasitas penyimpanan air adalah 500 L, mendekati 133 galon.
2. Desain Laju Aliran: Laju aliran pompa didasarkan pada perkiraan kebutuhan air harian dibagi dengan jumlah jam puncak matahari per hari (5.063).
133 𝑔𝑎𝑙𝑜𝑛 5.063 𝑗𝑎𝑚 × 60 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒𝑠 𝑗𝑎𝑚 = 0.437 𝑔𝑝𝑚
3. Total  Dynamic  Head  (TDH): Vertical  Lift  (VL)  adalah  jarak  vertikal  dari permukaan air di sumur ke tangki penyimpanan. Tekanan puncak adalah tekanan pada titik pengiriman di tangki (misalnya, tekanan puncak (PH) = 0). Friction Loss (FL) adalah kehilangan tekanan karena gesekan air ketika mengalir melalui pipa. FL dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu ukuran pipa (diameter dalam), laju aliran, panjang pipa, dan kekasaran pipa diperkirakan bahwa panjang pipa dari sumber air ke tangki adalah 90 kaki. Dari tabel FL, kerugian gesekan maksimal untuk pipa ¾ inci yang membawa 0,437 gpm sebesar 0,28 ft per 100 ft pipa.
FL = 90ft /100 ft x 0.28 ft = 0.1204 ft TDH = VL + PH + FL = 43 ft + 0 + 0.1204 ft = 43.1204 ft
4. Pemilihan  Pompa  dan  Persyaratan  Daya  Terkait: Pompa  dipilih  dengan membandingkan laju aliran dan TDH yang telah dihitung di atas kurva pompa pada Gambar 4. Daya puncak yang dibutuhkan oleh pompa adalah 170 W, sehingga dapat digunakan  satu  panel  surya  220  WP.  Berdasarkan  tabel  2,  pompa  memiliki  laju aliran 1500 L / Jam. Penyimpanan air dengan kapasitas 500 L dapat diisi penuh dari kondisi kosong dalam waktu 20 menit. Pengisian tangki dilakukan empat kali dalam satu hari.
5. MPPT: Dalam penelitian ini, untuk menghasilkan daya keluaran panel surya yang maksimal digunakan spesifikasi MPPT sebagai berikut:
Tabel 3. Spesifikasi TS-MPPT-30 solar controller
Spesifikasi TS-MPPT-30 solar controller Arus Baterai Maksimum 30 amps Daya Masukan Maksimum 400 Watts Efisiensi Puncak 99% Tegangan 12 VDC V OC 8-72 VDC Konsumsi Daya Perangkat 2.7 Watts Tegangan Operasi Baterai 150 VDC Proteksi Lonjakan Sesaat 4500 ts/port
6. Baterai :    Gambar  5  menunjukkan  aplikasi  perhitungan  surya  untuk  menentukan kapasitas  baterai  yang  dibutuhkan.  Aplikasi  tersebut  mampu  menampilkan  total daya yang digunakan per hari, per minggu, jumlah panel surya yang disarankan, dan  kapasitas  baterai  yang  direkomendasikan.  Spesifikasi  pompa  air  dan  sistem konfigurasi modul PV diperlukan sebagai data masukan aplikasi.
Gambar 5. Aplikasi perhitugan surya
HASIL & PEMBAHASAN
Pengujian  pompa  air  tenaga  surya  berbasis  MPPT  dilakukan  dengan  simulasi Matlab dan percobaan langsung eksperimental. Rangkaian simulasi ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 . Simulasi pompa air DC bertenaga surya berbasis MPPT
Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 adalah output tegangan, arus dan daya menggunakan  MPPT.  Di  mana  radiasi  adalah  1000  W  /  m2  menghasilkan tegangan sebesar 18.61 V, arus 11.91 A dan daya sebesar 217.3 W. Ketika radiasi adalah 700 W / m2 menghasilkan tegangan sebesar 15.65 V dengan arus 10.09 A, dan daya sebesar 156.8 W. Perubahan radiasi mempengaruhi besarnya tegangan dan arus keluaran.
Gambar 7. Tegangan keluaran MPPT hasil simulasi
Gambar 8. Arus keluaran MPPT hasil simulasi

## Gambar 9. Daya keluaran MPPT hasil simulasi
Tabel 4 menunjukkan hasil simulasi menggunakan Matlab. PV yang telah terintegrasi dengan MPPT menghasilkan tegangan dan daya yang sesuai dengan nilai  MPP  PV.  PV  dapat  mencapai  nilai  maksimum  dengan  iradiasi  yang berbeda.  Tegangan  output  konverter  dapat  mengisi  baterai  karena  besarnya diatas 12 V.
Dalam penelitian ini kami menggunakan tiga jenis PV, termasuk SunPower SPR-X20-250-BLK, Lumos LS250-60M, dan Sunperfect Solar CRM250S 156P-60. algoritma  P&O  masih  memiliki  kinerja  yang  baik  dalam  mencapai  titik  daya maksimum dengan jenis PV yang disimulasikan.
Tabel 4. Spesifikasi TS-MPPT-30 solar controller PV Irr Pmp Vmp Ppv Vpv Pout Vout SunPower SPR-X20- 250-BLK 1000 250 42.8 248.8 42.82 226.9 18.82 900 224.6 42.51 223.8 42.75 204.1 17.84 800 199.4 42.7 198.6 42.71 181.2 16.81 700 174.1 42.57 173.2 42.57 158 15.7 Lumos LS250-60M 1000 250.1 30.1 249.4 30.09 221.8 18.61 900 226.1 30.04 225.5 30.23 201 17.72 800 201.8 30.34 201.2 30.32 179.7 16.76 700 177.2 30.41 176.6 30.41 158.1 15.72 Sunperfect Solar CRM250S156P-60 1000 249.9 31 248.9 31.01 217.3 18.61 900 225.1 30.89 224.5 31.06 200.5 17.7 800 200.4 31.04 199.7 31.09 178.8 16.71 700 175.5 31.03 174.8 31.08 156.8 15.65
Gambar  10  menunjukkan  desain  pompa  solar  berdasarkan  MPPT. Komponen yang digunakan adalah panel surya, rangkaian MPPT, pompa DC, dan tangki air.
Gambar 10. Desain instalalsi pompa air bertenaga surya berbasis MPPT Setelah menghitung desain dan  melakuan simulasi,  sistem  menghasilkan kinerja  yang  baik.  Sistem  yang  diusulkan  juga  divalidasi  melalui  percobaan. Gambar 11 menunjukkan proses instalasi sistem di lokasi.
Gambar 11. Pemasangan PV
Sistem  yang  diusulkan  diuji  telah  menunjukkan  kinerja  yang  baik  dalam mengubah  kondisi  lingkungan.  Berdasarkan  tabel  5,  pukul  10  dan  11  pagi dihasilkan  tegangan  Voc  sebesar  18,8  VDC  dan  Isc  1,8  ADC.  Tegangan  pada beban sebesar 200 VAC dan arus pada beban 0 AAC, dimana PV mengisi daya baterai.

## SIMPULAN
Pompa dc surya berbasis MPPT untuk pasokan air bersih di pondok pesantren Mafatihul Huda telah diuji dan dipasang. Dengan menggunakan MPPT, panel surya dapat menghasilkan daya maksimum. Algoritma P&O digunakan untuk menentukan nilai duty cycle yang mampu menghasilkan titik daya maksimum. PV  dapat  mencapai  nilai  maksimum  dengan  iradiasi  yang  berbeda.  Tegangan output konverter dapat mengisi baterai dengan baik.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini didukung oleh Dikti
dibawah nomor kontrak DRPM/20.3.279/UN32.14.1/PM/2019.

## DAFTAR PUSTAKA
Suprapto. (2018). Sudah tidak ada sumber air di desa yang terkena kekeringan.
Waduk dan embung di desa itu sudah kering, news.detik.com, dilihat 15 September 2019, https://news.detik.com/berita-jawa-timur/d-
4216449/kekeringan-di-lamongan-meluas-40-desa-butuh-air-bersih.
Jaipal & Ramesh, T. (2002). ‘Solar Powered Based Water Pumping System Using Perturb  and  Observation  MPPT  Technique’,  IEEE  International  Student Conference on Electrical, Electronic and Comp. Science, hh. 1-6.
Taha,  M,  S,  Suresh,  K  (1996).  ‘Maximum  Power  Point  Tracking  Inverter  for Photovoltaic  Source  Pumping  Aplications’,  IEEE  International Confonference PEDES, hh. 883-886.
Krishna,  P,  V  (2015).  ‘Standalone  DC  Level-1  EV  Charging  using  PV/Grid Infrastructure, MPPT Algorithm and CHAdeMO Protocol’, IECON2015- Yokohama, November 9-12, hh. 5408-5414.
Noppadol,  K  &  Phaophak,  S.  (2007).  ’Application  of  Maximum  Power  Point Tracker  with  Self-organizing  Fuzzy  Logic  Controller  for  Solar-powered Traffic Lights’, IEEE International Conference PEDS, hh. 642-646.
Aripriharta,  Hayati,  R,  N  &  Utomo,  N,  T.  (2012).  ‘  SVPWM  FSTPI  sebagai Penggerak  Motor  Induksi  Tiga  Fasa  Rotor  Sangkar  Berbasis  Metode Sensorless Vector Control’, EECCEIS2012, hh. 1-5.
Aripriharta & Hayati, R, N (2011). ‘Sensorless Flux Vector Control of Induction Motor for Driving Centrifugal Pump’, Seminar On Electrical Engineering, Informatics, and Its Education, hh. 1-5.
Alfasolar GmbHAhrensburger Str. 4 –6, 30659 HannoverGeschäftsführer: Dipl.- Ing.  M.  Denz  (CEO)  /  Dipl.-Kfm.  K.-W.  Hoffmann  (CFO)Amtsgericht Hannover HRB 544 55Gerichtsstand und Sitz: Hannover.
Vtas,  P  &  Pal,  Y.  (2017)  ‘Solar  PV  array  buck-boost  converter  fed  single  phase induction motor drives for water pumping’, International Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control (ICICIC), pp. 1-5.