## Sistem Kontrol Pengisian Baterai pada Penerangan Jalan Umum Berbasis Solar Cell
Ihsan Auditia Akhinov 1 , Devi Handaya 2
1 Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Gajah Tunggal Jl. Gatot Subroto KM. 7, Komplek Industri Gajah Tunggal, Jatiuwung, Tangerang, Indonesia
2 Program Studi Teknik Mesin, Politeknik Negeri Jakarta Jl. Prof. Dr. G.A Siwabessy, Kampus Baru UI, Depok, Indonesia ihsan@poltek-gt.ac.id

## Abstrak
Penggunaan solar cell sebagai sumber tenaga listrik untuk Penerangan Jalan Umum (PJU) sudah banyak digunakan. Solar  cell menerima  energi  matahari  yang  penyinarannya  tidak  konstan.  Hal  ini  menjadikan  energi  matahari  yang disimpan ke dalam baterai dalam bentuk energi listrik akan mempengaruhi kualitas baterai dan lampu pada PJU. Untuk tetap  bisa  memanfaatkan  energi  matahari  yang  efisien,  diperlukanlah  sebuah  sistem  kontrol  yang  akan  mengatur tegangan dan arus menuju baterai dan lampu Light Emitting Diode (LED). Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan mengimplementasikan sistem  kontrol  pengisian  baterai pada PJU  berbasis solar cell. Perancangan sistem  kontrol  PJU otomatis ini berbasis analog  menggunakan DC boost converter XL6009E1. Dengan perancangan sistem kontrol, solar cell mampu  memberikan efisiensi daya  sampai 78% dan efisiensi penggunaan  lampu sampai 94%. Dengan demikian, diharapkan  masyarakat  tetap  dapat  beraktivitas  di  malam  hari  tanpa  perlu  dibebani  biaya  listrik  dan  sistem  otomatis dapat mempermudah penggunaan PJU di jalan umum.
Kata kunci: solar cell , PJU, otomatis, kontrol analog, efisiensi daya

## Abstract
The use of solar cell as a source of electricity for Public Street Lighting (PJU) has been widely used. The solar cell receives solar energy whose radiation is not constant. This makes the solar energy stored in the battery in the form of electrical  energy  will  affect  the  quality  of  the  battery  and  lights  in  the  PJU.  To  still  be  able  to  utilize  efficient  solar energy,  a  control  system  is  needed  that  will  regulate  the  voltage  and  current  to  the  battery  and  the  Light  Emmiting Diode  (LED)  lamp. This  study  aims  to  design  and  implement  a  battery  charging  control  system  on  solar  cell  based  PJU. The design  of  the  automatic  PJU  system  is  based  on  analog  and  DC  boost  converter  XL6009E1.  By  designing  a  control system, solar cells can provide power efficiency of up to 78% and efficient use of lights up to 94%. Thus, it is expected that the community can continue to  move at night  without  the need to be burdened with electricity and the automated system makes it easy to use PJU on public roads.
Keywords: solar cell, PJU, automatic, analog control, power efficiency

## I. P ENDAHULUAN
Penggunaan solar  cell sebagai  sumber  tenaga listrik  untuk  Penerangan  Jalan  Umum  (PJU)  pada dasarnya  telah  banyak  digunakan.  Suplai  energi yang  digunakan  pada solar  cell berasal  dari  foton yang  dihasilkan  oleh  matahari.  Besarnya  energi listrik yang dihasilkan tergantung pada jumlah foton yang  diterima.  Jumlah  foton  tersebut  tergantung pada  posisi  matahari  berdasarkan  waktu  dan keadaan cuaca [1], [2].
Secara  umum  sistem  PJU  berbasis solar  cell tersebut selalu melibatkan proses konversi tegangan, penyimpanan, dan penggunaan. Sinar matahari yang tidak  konstan  akan  mempengaruhi  besarnya tegangan  dan  arus  yang  dihasilkan  oleh solar  cell . Oleh  karena  itu,  konversi  tegangan  berguna  dalam proses  perubahan  besar  tegangan  yang  dihasilkan solar  cell sesuai  dengan  spesifikasi  baterai.  Untuk proses penyimpanan energi pada baterai, diperlukan pengontrolan  sehingga  tidak  terjadi over  charging . Hal  ini  senada  dengan  penelitian  yang  menyatakan bahwa besaran listrik yang dihasilkan dari solar cell
akan  mempengaruhi  umur  baterai  dan  lampu  LED sehingga diperlukan sebuah sistem kontrol tegangan dan arus [3].  Untuk proses penggunaan dari  energi yang  telah  disimpan  diperlukan  perangkat  yang mampu  mempertahankan  tegangan output seiring dengan  berkurangnya  kapasitas  pada  baterai.  Jenis baterai,  besarnya  tegangan,  dan  arus  pengisian, menjadi  patokan  dalam  pembuatan  dan  pemilihan spesifikasi  alat  untuk  dipakai  sebagai  salah  satu komponen  pada  PJU  seperti  regulator,  tegangan pengoperasian,  dan  daya  penerangan  lampu  [4].  Di sisi  lain,  tegangan  yang  dihasilkan  oleh solar  cell bervariasi  tergantung  intensitas  cahaya  yang diterima.  Nilai  tegangan  tertinggi  tersebut  dapat dilihat  dari  spesifikasi  modul solar  cell .  Besar tegangan  tersebut  akan  diatur  sesuai  dengan spesifikasi baterai. Kondisi baterai terisi penuh atau tidak  penuh  dapat  dilihat  dari  besar  tegangan  yang dihasilkan.  Jika  baterai  dalam  keadaan  penuh melakukan  pengisian,  akan  menyebabkan over charging . Untuk itu diperlukan sistem kontrol yang mengatur ON-OFF pengisian baterai [5], [6].
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melakukan perancangan  sistem  kontrol charger yang  akan diimplementasikan  pada  PJU  otomatis  berbasis panel  surya.  Sistem  kontrol  PJU  yang  dirancang berbasis  analog  menggunakan  2N3055  dan  7815 sebagai converter tegangan. Untuk proses penggunaan  energi  yang  disimpan  pada  baterai, sebelum  diteruskan  pada  penerangan  terleih  dahulu digunakan  DC booster XL6009E1.  Hal  ini  berbeda dengan  yang  dilakukan  kebanyakan  penelitian berbasis sistem digital
menggunakan mikrokontroler  dan  metode  PWM  ( Pulse  Width Modulation ) [7].

## II. M ETODE P ENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  menggunakan  metode eksperimen.  Setiap  proses  perancangan  dilakukan berdasarkan  hasil  eksperimen.  Setelah  dilakukan perancangan,  kemudian  dilakukan  pengambilan data  secara  langsung  pada  sistem  PJU  yang  telah dirancang.  Data  yang  dijadikan  sebagai  hasil perancangan  berupa  nilai  tegangan  dan  arus  yang didapat  pada  hasil  pengukuruan  ketika  dilakukan proses charging dan discharging pada  baterai. Perancangan  sistem  PJU  otomatis  berbasis solar cell ditunjukkan  pada  diagram  blok  Gambar  1 Diagram  tersebut  memperlihatkan  hubungan  setiap komponen pada perancangan sistem.
Solar  cell menghasilkan  tegangan  dan  arus dengan  tegangan  maksimum  untuk  jenis  solar  sel yang  tersedia  di  Indonesia  sebesar 17,6  V.
Regulator  diperlukan  untuk  menurunkan tegangan
Voltage
Regulator & Kit Charger
ACCU
Relay Sensor Cahaya Booster DC Solar Cell Lampu Penerangan Jalan

## Gambar 2. Diagram blok perancangan sistem PJU otomatis
yang  dihasilkan solar  cell .  Hasil  keluaran  dari regulator  akan  dikombinasikan  dengan  kit charger controller dan  diteruskan  ke  baterai.  Pengaturan keadaan  hidup  dan  matinya  lampu  dilakukan  oleh relai  yang  tersambung  dengan  sensor  cahaya. Lampu akan hidup pada saat malam hari (gelap) dan mati pada saat pagi hari (cerah) sampai sore hari.

## A. Perancangan Lampu dan Baterai
Pemilihan  spesifikasi  komponen  dilakukan berdasarkan daya lampu yang digunakan. Dalam hal ini  spesifikasi  lampu  LED  (DC)  yang  digunakan adalah 12  V,  7  W.  Dengan  demikian,  kebutuhan arus  yaitu  sebesar  0,58  A  yang  diperoleh menggunakan  persamaan  arus  (I),  daya  (P),  dan tegangan (V) sebagai berikut:
(1)
Kemudian arus yang dibutuhkan  untuk menyalakan lampu  LED  selama  12  jam  dengan  asumsi  mulai menyala  ketika  pukul  18.00  WIB  sampai  dengan pukul 06.00 WIB yaitu sebesar 7 Ah yang diperoleh menggunakan persamaan berikut.
(2)
Dengan  demikian,  besarnya  kapasitas  baterai  yang dibutuhkan dalam sistem PJU otomatis ini sebesar > 7  Ah.  Pada  kenyataan  pengoperasiannya,  karena keadaan cuaca yang tidak konstan selama pengisian baterai,  maka  diperlukan  baterai  yang  mampu memberikan  suplai  lampu  menyala  selama  24  jam. Berdasarkan persamaan (2), perlu digunakan baterai yang mempunyai spesifikasi minimum sebesar 12 V, 14  Ah.  Karena  akumulasi  spesifikasi  minimum dengan faktor rugi-rugi daya yang terdapat di setiap baterai,  maka  dibutuhkan  baterai  12  V,  9  Ah. Adapun  spesifikasi  baterai  lebih  lengkapnya  yang digunakan  pada  penelitian  ini  dapat  dilihat  pada Tabel 1.

## Tabel 1. Spesifikasi baterai 12V/9Ah
Spesifikasi Nilai Spesifikasi Cycle Use 14,4 V – 15 V Standby Use 13,5 V – 13,8 V Initial Current < 2,7 A Tegangan maksimum ( Full) 12,75 V
Cycle  use pada  baterai menandakan  bahwa tegangan  untuk charging selama  proses charge - discharg e  secara  bersama  adalah  14,4  V  –  15  V, sedangkan  tegangan  pada  saat charging untuk standby use adalah 13,5 V – 13,8 V terjadi pada saat proses charge-discharge tidak  bersamaan.  Untuk initial  current (arus  pengisian)  pada  proses charge tidak boleh besar dari 2,75 A.

## B. Perancangan  Voltage  Regulator  dan  Sistem Kontrol Charger
Berdasarkan data spesifikasi pada Tabel 1, maka dibutuhkan  tegangan  pengisian  sebesar  13,5V-13,8 V. Hal ini dikarenakan lampu hanya menyala ketika keadaan gelap/malam ( discharge ), sedangkan proses charge memerlukan arus pengisian < 2,7 A.
Hasil  keluaran  aktual  tegangan  menggunakan multimeter  pada solar  cell sebesar  17,6  V. Dengan demikian  diperlukan  regulator  untuk  menurukan tegangan  tersebut  sesuai  dengan  spesifikasi  baterai sebesar 15 V. Untuk mengubah dari 17,6 V ke 15 V, digunakan  IC  7815.  Dikarenakan  IC  7815  hanya menghasilkan arus < 1 A, maka diperlukan penguat arus  menggunakan  transistor  2N3055.  Skema rangkaian  ekivalen  transistor  dan  sistem  regulator dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
Gambar 3. Rangkaian ekivalen transistor

## Gambar 4. Rangkaian regulator tegangan 15V/5A
Berdasarkan  Gambar  3,  maka  dapat  dihitung arus pengisian sebagai berikut.
(3) [ ] (4)
Keterangan:
= Tegangan pengisian ( collector ) = Tegangan antar basis dan emmiter = Tegangan basis = Tegangan baterai
= Arus basis = Arus pengisian ( collector )
= Hambatan dalam transistor
= Hambatan basis dan emitter = Hambatan dalam baterai
Pada saat pemakaian baterai secara berkelanjutan, tegangan pada baterai akan mengalami  penurunan  yang  akan  berpengaruh kepada  pencahayaan  dari  lampu.  Untuk  menjaga nilai  tegangan  pemakaian secara  terus menerus, maka digunakanlah booster DC XL6009E1.

## C. Perancangan Solar Cell
Arus  DC  yang  digunakan  untuk  menyalakan lampu LED DC sebesar 0,58 A, sehingga daya yang dibutuhkan  dalam  pemilihan  spesifikasi solar  cell , yaitu  10,44  W  yang  diperoleh  dari  persamaan berikut.
(5)
Akan  tetapi,  dalam  pengisian  baterai  yang menggunakan  sumber  DC,  akan  terdapat  rugi-rugi daya dalam pengisian sehingga arus pengisian lebih besar  dari  arus  pengosongan.  Selain  itu,  juga terdapat  keadaan  cuaca  yang  tidak  konstan  cerah, maka  digunakan solar  cell daya  50  Wp  dengan spesifikasi yang dapat dilihat pada Tabel 4.
R b ß . Ie V ce V be IC REGULATOR Solar Cell R accu ACCU
Source Voltage C1 D1 IC 78XX C2 2N3055 Accu Vb
Tabel 4. Spesifikasi solar cell 50 Wp Spesifikasi Nilai Voltage Max 17,5 V I Max 2,78 A V open circuit 21,6 V

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Implementasi Sistem
Rangkaian  yang  telah  dirancang  kemudian diimplementasikan  dengan  hasil  seperti  dapat dilihat  pada  Gambar  5,  sedangkan  implementasi pada  PJU  dapat  dilihat  pada  Gambar  6.  Pada  hasil percobaan  kondisi charging yang  dapat  dilihat  di Gambar  7,  Gambar  8,  dan  Tabel  8,  terdiri  dari keadaan tegangan dan arus pada baterai. Karaketeristik  tegangan  dan  arus  masukan  pada perangkat  masing-masing  sebesar  17,5  V  dan  2,78 A,  sedangkan  keluaran  dari  perangkat  tanpa  beban sebesar  14,5  V.  Keadaan  baterai  pada  saat  sebelum dilakukan charging sebesar  9,3  V.  Hasil  percobaan kondisi discharging dapat  dilihat  pada  Gambar  9, Gambar 10, dan Tabel 9.
Gambar 5. Rangkaian kontrol pada sistem PJU

## Gambar 6. Hasil implementasi PJU
Tabel 8. Data hasil pengukuran tegangan dan arus charging
No. Waktu (menit) Tegangan (V) Arus (A) 1 181 13,61 1,735 2 183 13,62 1,725 3 186 13,63 1,725 4 189 13,64 1,685 5 189 13,65 1,675 6 191 13,66 1,655 7 193 13,67 1,645 8 196 13,68 1,625 9 198 13,69 1,605 10 200 13,7 1,585 Rata-rata 13,65 1,66
Gambar 7. Hasil pengukuran tegangan pada kondisi charging baterai
Gambar 8. Hasil pengukuran arus pada kondisi charging baterai
Gambar 9. Hasil pengukuran tegangan pada kondisi discharging baterai
Gambar 10. Hasil pengukuran arus pada kondisi discharging baterai
Tabel 9. Data hasil pengukuran tegangan dan arus

## discharging
No. Waktu (menit) Tegangan (V) Arus (A) 1 93 12,25 0,816 2 96 12,24 0,817 3 99 12,23 0,819 4 104 12,22 0,819 5 105 12,21 0,821 6 109 12,2 0,822 7 115 12,18 0,821 8 120 12,16 0,82 9 132 12,12 0,82 10 141 12,1 0,823 Rata-rata 12,191 0,8198

## B. Analisis
Hasil  pengujian  pada  kondisi charging pada Tabel  8  menunjukan  bahwa  hambatan  dalam perangkat  yang  dibuat  adalah .  Hal  ini berdasarkan  pada  prinsip  hukum  Kirchoff  tegangan (KVL)  antara  perangkat charging dan  baterai.  Jika dilihat  dari  daya  masukan  sebesar  48,65  W, sedangkan tegangan yang dikeluarkan oleh perangkat charging sebesar  14,5  V  dengan  arus mendekati  sama  dengan  arus  masukannya,  maka daya  keluaran  adalah  39,2  W.  Dengan  demikian terdapat  selisih  daya  sebesar  10,8  W  dan  efisiensi daya yang didapat sebesar 78% dari 50 W keluaran solar cell . Untuk nilai hambatan dalam, tidak terlalu berpengaruh terhadap besarnya daya pemakaian.
Pada  kondisi discharging ,  terjadi  peningkatan arus  pemakaian  berbanding  terbalik dengan tegangan charging sesuai  dengan  Tabel  9.  Hal  ini dipengaruhi  oleh booster DC  XL6009E1  yang memiliki  efisiensi  sebesar  94%  [8].  Dengan demikian,  tegangan  keluaran  yang  digunakan  oleh lampu  sebesar  12,85  V  (berdasarkan  penentuan pada booster )  dengan  arus  didapatkan  sebesar  0,71 A,  sedangkan  arus  masukkan  yang  didapatkan sebesar  0,76  A.  Berdasarkan  pembuktian  tersebut, maka  dapat  dilihat  bahwa  terdapat  kenaikan  arus pada saat discharging .

## IV. K ESIMPULAN
Konsep charging  control untuk solar  cell yang digunakan  pada  PJU  otomatis  berbasis  analog berhasil dirancang dengan efisensi penerimaan daya
mencapai 78% dan efisiensi penggunaan listrik pada lampu mencapai 94%. Hal ini dapat menjadi sebuah alternatif  pengganti  sistem solar  cell  control berbasis  digital  maupun DC/DC  step  down yang selama  ini  digunakan  pada  umumnya.  Perancangan PJU  otomatis  berbasis solar  cell tersebut  dapat dimanfaatkan  sebagai  energi  alternatif  terbarukan yang  dapat  digunakan  masyarakat  sehingga  dapat mengurangi  beban  biaya  untuk  dapat  menikmati penerangan jalan.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Ucapan  terima  kasih  disampaikan  kepada  PT. Semen Grobogan yang telah memfasilitasi penelitian  ini  sehingga  bisa  terlaksana  dengan  baik di lokasi yang menjadi target kebutuhan penerangan jalan untuk membantu aktivitas masyarakat.

## R EFERENSI
[1] X.  Long,  R.  Liao,  and  J.  Zhou,  “Low-cost  charge collector of photovoltaic power conditioning system based  dynamic  DC/DC  topology,” IET  renewable power generation , vol. 5 no. 2, pp.167-174, 2011.
[2] J.  E.  Putro,  C.  R.  Handoko,  H.  Widodo,  M.  B. Rahmat,  and  A.  Z.  Arfianto,  “Pemanfaatan Teknologi Tenaga Matahari sebagai Sumber Energi bagi  Petani  Porang  di  Magetan,”  in Seminar MASTER PPNS , vol. 2, no. 1, pp. 177-180, 2017.
[3] D. Suhardi, “Prototipe Controller Lampu Penerangan LED (Light Emitting Diode)
Independent Bertenaga Surya,” Jurnal Gamma, vol. 10, no. 1, 2015.
[4] I. Setiono, “Akumulator, Pemakaian dan Perawatannya,” METANA, vol. 11, no. 01, 2015.
[5] K.  Hasto  and  M.  A.  Margono,  “DC  to  DC Converter  Untuk  Sistem  Charger  Accumulator Otomatis  Energi  Solar  cell,” Jurnal  Ilmiah Teknosains , vol. 4, no. 1, 2018.
[6] Z.  Abidin,  “Perancangan  dan  Implementasi Rangkaian  Charger  pada  Pembangkit  Sell  Surya untuk  Aplikasi  Rumah  Tangga  (Scheme  and Implementation  Network  Charger  Generating  Of Sell  Surya  For  The  Application  of  Household),” POLI REKAYASA, vol. 5, no. 1, pp. 1-6, 2009.
[7] K. Liu and J. Makaran, “Design of a solar powered battery  charger,” IEEE Electrical  Power  &  Energy Conference (EPEC) , pp. 1-5, 2009.
[8] “XL6009 data sheet,” DC Boost Converter.