SIMULASI APLIKASI SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM SEBAGAI SUMBER
ENERGI UNTUK SISTEM REVERSE OSMOSIS DI WILAYAH PESISIR PANTAI
ANISA AYU SOPHIA
NRP. 04211740000047
SIMULASI APLIKASI SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM SEBAGAI SUMBER
ENERGI UNTUK SISTEM REVERSE OSMOSIS DI WILAYAH PESISIR PANTAI
ANISA AYU SOPHIA
04211740000047
PEMBIMBING:
SUTOPO PURWONO FITRI, S.T., M.ENG., PH.D.
DR. ENG. ADI KURNIAWAN, S.T., M.T.
DEPARTEMEN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN
FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2020
SIMULATION OF THE SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM APPLICATION AS
AN ENERGY SOURCE FOR THE REVERSE OSMOSIS SYSTEM IN COASTAL
AREA
ANISA AYU SOPHIA
NRP. 04211740000047
SUPERVISORS:
SUTOPO PURWONO FITRI, S.T., M.ENG., PH.D.
DR. ENG. ADI KURNIAWAN, S.T., M.T.
DEPARTMENT OF MARINE ENGINEERING
FACULTY OF MARINE TECHNOLOGY
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
iii
iii
SIMULASI APLIKASI SOLAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM SEBAGAI
SUMBER ENERGI UNTUK SISTEM REVERSE OSMOSIS DI WILAYAH
PESISIR PANTAI
ANISA AYU SOPHIA
Tugas Akhir diajukan untuk memenuhi
salah satu syarat memperoleh gelar
Sarjana Teknik
(Departemen Teknik Sistem Perkapalan)
Fakultas Teknologi Kelautan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
TANGGAL DISETUJUI, MISAL AGUSTUS 2020
Halaman ini sengaja dikosongkan
vi
“Saya menyatakan bahwa Tugas Akhir berjudul Simulasi Aplikasi Solar Photovoltaic
System Sebagai Sumber Energi Untuk Sistem Reverse Osmosis di Wilayah Pesisir Pantai
ini adalah hasil penelitian saya sendiri yang merupakan bagian dari kegiatan Pengabdian
Kepada Masyarakat Dana Departemen ITS tahun 2020 dengan judul “Pemberdayaan
Masyarakat di Wilayah Kering Kritis Pesisir Pantai Jawa Timur Melalui Pemanfaatan
Teknologi Reverse Osmosis Untuk Peningkatan Penyediaan Air Bersih” kecuali kutipan
yang tercantum dalam daftar pustaka. Tugas Akhir ini belum diterima untuk gelar apapun
dan tidak secara bersamaan diserahkan untuk pencalonan gelar lainnya.”
Tanda Tangan
Nama
NRP.
Tanggal
: ……………………………..………
: ANISA AYU SOPHIA
: 04211740000047
: 4 MARET 2021
Halaman ini sengaja dikosongkan
viii
PENGHARGAAN
Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat rahmat serta
karunia-Nya yang masih bisa kami rasakan hingga saat ini, sehingga kami dimudahkan
dalam setiap langkah terutama dalam penyusunan tugas akhir yang berjudul “Simulasi
Aplikasi Solar Photovoltaic System Sebagai Sumber Energi untuk Sistem Reverse
Osmosis di Wilayah Pesisir Pantai”.
Dalam proses penyusunan tugas akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dan motivasi
dari berbagai pihak dari awal pengerjaan hingga akhirnya terselesaikan. Maka dari itu,
penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Syaiful Hidayat, Ibu Puji Astuti, Belvania Maulidhya Pasha, dan Caesar M.
Zachairel selaku keluarga penulis yang selalu mendukung dan memberikan
semangat kepada penulis setiap kegiatan dan aktivitas, serta selalu senantiasa
memenuhi kebutuhan penulis selama masa perkuliahan.
2. Bapak Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph.D. dan Dr. Eng. Adi Kurniawan,
S.T., M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir penulis atas bimbingan ilmu
kepada penulis.
3. Bapak Beny Cahyono, S.T., M.T., Ph.D. selaku kepala Departemen Teknik Sistem
Perkapalan FTK-ITS.
4. Bapak Prof. Semin, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen wali yang selalu memberikan
arahan dan motivasi selama penulis menempuh pendidikan dan perkuliahan.
5. Altheannisa Agatha Soraya dan M. Baghiz Firdausa selaku kedua sahabat penulis
yang selalu memberi dukungan, dan motivasi serta menyemangati penulis disaat
sedang mendapat masalah.
6. Teman seperjuangan kampus penulis yaitu Pradynda, Ifta, Elinnova, Devanda,
Anggih, Salsa, dan Wulan yang terus memberikan semangat dan dukungan kepada
penulis sepanjang proses studi di Departemen Teknik Sistem Perkapalan.
7. Seluruh keluarga besar Badrikara ’17 yang namanya tidak dapat disebutkan satu
persatu, selalu memberi dukungan serta semangat selama menempuh perkuliahan.
8. Seluruh kakak tingkat Voyage ’16 khususnya Danang Jawara dan Ida Bagus Krisna
yang selalu memberi dukungan, semangat, dan bantuan selama penulis menempuh
perkuliahan.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna.
Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat kepada para pembaca, bangsa, dan negara.
Surabaya, Februari 2021
Penulis
Halaman ini sengaja dikosongkan
x
ABSTRAK
Sistem Reverse-Osmosis (RO) saat ini banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan air
bersih terutama di remote area seperti pesisir pantai. Sumber energi yang digunakan
biasanya berasal dari generator atau PLN, namun karena komponennya membutuhkan
daya yang begitu besar, dibutuhkan sumber energi lain untuk menyalakan sistem RO
tersebut. Indonesia yang merupakan daerah tropis, dimana matahari bersinar sepanjang
tahun memiliki potensi energi surya yang besar. Energi surya dapat dimanfaatkan sebagai
pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dengan menggunakan panel surya. Keluaran
listrik dari panel surya ini tergantung dengan jumlah sel surya yang terpasang dan
besarnya radiasi sinar matahari yang menyinari panel surya tersebut. Semakin besar
energi cahaya yang diserap panel surya maka semakin besar energi listrik yang
dihasilkan. Pada penelitian kali ini, penulis telah mendesain Photovoltaic Reverse
Osmosis (PVRO) untuk reverse osmosis plan berkapasitas 100 m3/hari, dan dilanjutkan
dengan pemodelan dan simulasi menggunakan software MATLAB. Pada penelitian ini,
terdapat 4 kondisi yang dihitung yaitu penggunaan PV selama 6 jam, penggunaan PV
selama 6 jam dan baterai 4 jam, penggunaan PV selama 6 jam dan baterai 18 jam, dan
terakhir penggunaan PV selama 6 jam, baterai 4 jam, dan generator selama 14 jam. Pada
kondisi 1 didapatkan debit air sebanyak 22.942 m3 dari simulasi dan 25 m3 dari
perhitungan dengan penggunaan daya sebesar 298.56 kWh. Untuk kondisi 2 didapatkan
debit air sebanyak 36.775 m3 dari simulasi dan 41.67 m3 dari perhitungan dengan
penggunaan daya sebesar 478.5 kWh. Untuk kondisi 3 didapatkan debit air sebanyak
90.298 m3 dari simulasi dan 100 m3 dari perhitungan dengan penggunaan daya sebanyak
1148.4 kWh. Sedangkan untuk kondisi 4, jumlah debit air yang dihasilkan adalah 100 m3
berdasarkan perhitungan dan daya yang dibutuhkan adalah 1148.4 kWh.
Kata kunci
: Solar panel, reverse osmosis, simulasi
Halaman ini sengaja dikosongkan
xii
ABSTRACT
Reverse Osmosis (RO) systems are currently used to fulfill the needs of clean water,
especially in remote area such as coast. The source of energy used usually comes from
generator or PLN, but because of the components require much power, another energy
source is needed to powering the RO system. Indonesia, which is a tropical country,
where the sun shines all year around, has great potential of solar energy. Solar energy can
be used as a solar power plant using solar panel. The power produced by solar panels
depend on the amount of solar panel that been installed and the radiation shining the solar
panel. In this research, the author already design a Photovoltaic Reverse Osmosis
(PVRO) for a reverse osmosis plan with a capacity of 100 m3/day, followed by modeling
and simulation using MATLAB software. In this study, there are 4 conditions calculated,
which are PV using for 6 hours, PV using for 6 hours and batteries for 4 hours, PV using
for 6 hours and batteries for 18 hours, and finally using PV for 6 hours, batteries for 4
hours, and generator for 14 hours. In condition 1, the water discharge is 22.942 m3 from
simulation and 25 m3 from the calculation with a power consumption is 298.56 kWh. For
condition 2, the water discharge is 36.775 m3 from simulation and 41.67 m3 from
calculation with the power consumption is 478.5 kWh. For condition 3, the water
discharge is 90.298 m3 from the simulation and 100 m3 from the calculation with the use
of power is 1148.4 kWh. Whereas for condition 4, the amount of water produced Is 100
m3 based on calculation and the power required is 1148.4 kWh.
Keyword
: Solar panel, reverse osmosis, simulation
Halaman ini sengaja dikosongkan
xiv
DAFTAR ISI
PENGHARGAAN ......................................................................................................... ix
ABSTRAK...................................................................................................................... xi
ABSTRACT .................................................................................................................xiii
DAFTAR ISI ................................................................................................................. xv
DAFTAR TABEL ........................................................................................................ xix
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... xxi
DAFTAR SINGKATAN ........................................................................................... xxiv
DAFTAR SIMBOL ................................................................................................... xxvi
BAB 1
PENDAHULUAN ........................................................................................... 1
1.1
Latar Belakang ................................................................................................. 1
1.2
Rumusan Masalah ............................................................................................ 2
1.3
Tujuan............................................................................................................... 2
1.4
Batasan Masalah ............................................................................................... 2
1.5
Manfaat............................................................................................................. 3
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 4
2.1
Pendahuluan ..................................................................................................... 4
2.2
Studi Terkait ..................................................................................................... 4
2.3
Sel Surya (Photovoltaic) ................................................................................... 6
2.3.1
Material Sel Surya .................................................................................... 7
2.3.2
Parameter Sel Surya ................................................................................. 9
2.3.3
Aplikasi Pembangkit Sel Surya .............................................................. 10
2.4
Kemiringan dan Sudut pada Pemasangan Solar Panel .................................. 13
2.5
Teknologi Reverse Osmosis ........................................................................... 13
2.6
Sistem Solar Photovoltaic untuk Reverse Osmosis ........................................ 15
2.7
MATRIX LABORATORY (MATLAB) ....................................................... 15
2.7.1
Desain Solar Panel pada MATLAB ....................................................... 16
2.7.2
Desain Reverse Osmosis pada MATLAB .............................................. 16
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN.................................................................. 18
3.1
Pendahuluan ................................................................................................... 18
3.2
Research Flowchart ........................................................................................ 18
3.3
Identifikasi Masalah ....................................................................................... 19
3.4
Studi Literatur................................................................................................. 19
3.5
Pengumpulan Data ......................................................................................... 19
3.6
Studi Empiris Desain PV untuk RO ............................................................... 19
3.7
Perencanaan Solar Panel Roof........................................................................ 19
3.8
Pemodelan Sistem PV untuk RO pada MATLAB ......................................... 19
3.9
Validasi Data .................................................................................................. 19
3.10
Simulasi Sistem PV untuk RO ....................................................................... 20
3.11
Validasi Data .................................................................................................. 20
3.12
Hasil & Pembahasan ...................................................................................... 21
3.13
Kesimpulan dan Saran .................................................................................... 21
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN..................................................................... 22
4.1
Konsumsi Energi Sistem Reverse Osmosis .................................................... 23
4.2
Simulasi Energi .............................................................................................. 23
4.2.1
Menentukan Lokasi ................................................................................ 24
4.2.2
Analisa Energi ........................................................................................ 25
4.3
Simulasi Energi .............................................................................................. 28
4.3.1
Pemilihan Solar Cell ............................................................................... 28
4.3.2
Pemilihan Inverter .................................................................................. 28
4.3.3
Pemilihan MPPT ................................................................................... 29
4.3.4
Pemilihan Baterai ................................................................................... 29
4.4
Komponen Untuk 3 Phase ............................................................................. 31
4.4.1
Pemilihan Solar Cell .............................................................................. 31
4.4.2
Pemilihan Inverter .................................................................................. 31
4.4.3
Pemilihan MPPT ................................................................................... 32
4.4.4
Pemilihan Baterai ................................................................................... 33
4.5
Instalasi Sistem Solar Panel ........................................................................... 36
4.5.1
Energy Management............................................................................... 36
4.5.2
Perbandingan Kebutuhan Pada Setiap Kondisi ...................................... 39
4.5.3
Perbandingan Kapasitas Pada Setiap Kondisi ........................................ 40
4.5.4
Diagram Skema Sistem Solar Panel ....................................................... 41
4.6
Desain Solar Panel Roof................................................................................. 43
4.7
Layout Lahan Reverse Osmosis ..................................................................... 45
4.8
Permodelan Sistem ......................................................................................... 47
4.8.1
Permodelan Sistem PV ........................................................................... 47
xvi
4.8.2
Permodelan Komponen PV .................................................................... 49
4.8.3
Permodelan Motor Pompa ...................................................................... 51
4.9
Hasil Simulasi................................................................................................. 52
4.9.1
Hasil Simulasi Kondisi PV 6 Jam .......................................................... 52
4.9.2
Hasil Simulasi Kondisi PV 6 Jam – Baterai 4 Jam................................. 54
4.9.3
Hasil Simulasi Kondisi PV 6 Jam – Baterai 18 Jam............................... 55
4.10
Perbandingan Hasil Antara Hitungan dan Simulasi ....................................... 57
4.11
Penghematan Energi Oleh PV ........................................................................ 58
BAB 5
KESIMPULAN ............................................................................................. 59
5.1
Gambaran Umum Penelitian .......................................................................... 59
5.2
Kesimpulan..................................................................................................... 59
5.3
Saran ............................................................................................................... 60
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 61
LAMPIRAN .................................................................................................................. 64
BIODATA PENULIS ................................................................................................... 79
Halaman ini sengaja dikosongkan
xviii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Ulasan Mengenai Penelitian Sebelumnya ........................................................ 3
Tabel 4.1 Rencana & Jadwal Kegiatan........................................................................... 22
Tabel 4.2 Spesifikasi Baterai Beban 1 Phase ................................................................. 30
Tabel 4.3 Spesifikasi Baterai Beban 3 Phase ................................................................. 34
Tabel 4.4 Konsumsi Energi Beban Lain......................................................................... 37
Tabel 4.5 Manajemen Energi Solar Panel Off-Grid ....................................................... 37
Tabel 4.6 Manajemen Energi Solar Panel On-Grid ....................................................... 37
Tabel 4.7 Manajemen Energi Solar Panel Hybrid .......................................................... 38
Tabel 4.8 Manajemen Energi Solar Panel Off-Grid ....................................................... 38
Tabel 4.9 Perbandingan Kebutuhan Komponen untuk Setiap Kondisi .......................... 40
Tabel 4.10 Perbandingan Kapaasitas untuk Setiap Kondisi ........................................... 41
Tabel 4.11 Parameter dan Dimensi Solar Panel Roof .................................................... 43
Tabel 4.12 Hasil Pengukuran Radiasi Matahari ............................................................. 52
Tabel 4.13 Hasil Debit Air Kondisi PV 6 Jam ............................................................... 53
Tabel 4.14 Hasil Debit Air Kondisi PV 6 Jam – Baterai 4 Jam ..................................... 54
Tabel 4.15 Hasil Debit Air Kondisi PV 6 Jam – Baterai 18 Jam ................................... 55
Tabel 4.16 Perbandingan Debit Air Antara Perhitungan dan Simulasi .......................... 57
Tabel 4.17 Penghematan Energi ..................................................................................... 58
Halaman ini sengaja dikosongkan
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Panel Surya ................................................................................................... 7
Gambar 2.2 Panel surya monokristal silikon.................................................................... 8
Gambar 2.3 Panel surya Polikristal Silikon...................................................................... 8
Gambar 2.4 Panel Surya Amorphous Silikon ................................................................... 9
Gambar 2.5 Prinsip Kerja PLTS Off-Grid...................................................................... 10
Gambar 2.6 Prinsip Kerja PLTS On-Grid ...................................................................... 12
Gambar 2.7 Skema Hybrid Photovoltaic Power System ................................................ 12
Gambar 2.8 Interaksi Radiasi Terhadap Permukaan Bumi ............................................ 13
Gambar 2.9 Proses Osmosis dan Reverse Osmosis ........................................................ 14
Gambar 2.10 Tampilan MATLAB ................................................................................. 17
Gambar 3.1 Alur Pengerjaan Tugas Akhir ..................................................................... 18
Gambar 3.2 Workflow MATLAB .................................................................................. 21
Gambar 4.1 Menentukan Lokasi Penelitian ................................................................... 24
Gambar 4.2 Beberapa Dara Pendukung dari NASA ..................................................... 24
Gambar 4.3 Grafik Data Iklim ....................................................................................... 25
Gambar 4.4 Lembar Kerja Analisa Energi RETScreen.................................................. 26
Gambar 4.5 Parameter Performa Sistem Solar Panel .................................................... 26
Gambar 4.6 Program Pergerakan Matahari Jawa Timur ................................................ 27
Gambar 4.7 Efisiensi Modul Solar ................................................................................. 27
Gambar 4.8 Spesifikasi Modul Suntech ......................................................................... 28
Gambar 4.9 Spesifikasi Teknis Solar Inverter Untuk Beban 1 Phase ............................ 29
Gambar 4.8 Analisa Energi RETScreen ......................................................................... 28
Gambar 4.9 Baterai Victron Energy Lithium-Ion HE .................................................... 30
Gambar 4.10 Analisa Energi RETScreen ....................................................................... 32
Gambar 4.11 Grafik Load Scheme ................................................................................. 39
Gambar 4.12 Grafik Perbandingan Distribusi Kapasitas................................................ 41
Gambar 4.13 Instalasi Sistem Solar Panel 1 Phase ........................................................ 42
Gambar 4.14 Instalasi Sistem Solar Panel 3 Phase PV-Battery ..................................... 42
Gambar 4.15 Instalasi Sistem Solar Panel 3 Phase PV-Generator................................. 43
Gambar 4.16 Solar Panel Roof Tampak Samping ......................................................... 44
Gambar 4.17 Solar Panel Roof Tampak Atas ................................................................ 44
Gambar 4.18 Solar Panel Roof Tampak Depan ............................................................. 45
Gambar 4.19 Reverse Osmosis Plan Tampak Samping Kiri .......................................... 45
Gambar 4.20 Reverse Osmosis Plan Tampak Atas ........................................................ 46
Gambar 4.21 Reverse Osmosis Plan Tampak Samping Kanan ...................................... 46
Gambar 4.22 Blok Diagram Sistem PVRO .................................................................... 47
Gambar 4.23 Script MATLAB untuk Model PV Grape Solar GS-S-410 ...................... 48
Gambar 4.24 Grafik I-V pada Kondisi Standar .............................................................. 48
Gambar 4.25 Grafik P-V pada Kondisi Standar ............................................................. 49
Gambar 4.26 Blok Diagram Sistem Photovoltaic .......................................................... 49
Gambar 4.27 Grafik Kapasitas Baterai Selama Mensuplai Beban ................................. 50
Gambar 4.28 Grafik Kapasitas Baterai Selama Mensuplai Beban ................................. 51
Gambar 4.29 Blok Diagram Sistem Reverse Osmosis .................................................. 51
Gambar 4.30 Grafik Keluaran Daya PV Per Jam ........................................................... 53
Gambar 4.31 Grafik Kapasitas Air yang Dihasilkan ...................................................... 54
Gambar 4.32 Grafik Kapasitas Air yang Dihasilkan ...................................................... 55
Gambar 4.33 Grafik Kapasitas Air yang Dihasilkan ...................................................... 56
Gambar 4.38 Grafik Perbandingan Kapasitas Antara Perhitungan dan Simulasi .......... 58
Halaman ini sengaja dikosongkan
DAFTAR SINGKATAN
PV
: Photovoltaic
RO
: Reverse Osmosis
FF
: Fill Factor
Halaman ini sengaja dikosongkan
DAFTAR SIMBOL
HB
- Radiasi langsung
HD
- Radiasi tersebar
HR
- Radiasi pantulan
Rb
- Rasio radiasi matahari langsung
Isc
- Short Current Circuit
Voc
- Open Circuit Voltage
I
- Current obtained from the cell
IL
- Photo current
I0
- Diode saturation current
V
- Voltage through the cell
Rs
- Series resistance
RSH
- Shunt resistance
q
- Electron charge
k
- Boltzmann’s constant
n
- Diode quality
T
- Temperature of the cell
Halaman ini sengaja dikosongkan
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Sekitar 1,2 miliar orang di seluruh dunia tidak memiliki akses air besih yang
memadai (WHO dan UNICEF, 2006). Konsumsi air harian per orang rata-rata adalah 50
L pada negara-negara berkembang dan melebihi 500 L pada negara-negara barat. Nilainilai ini mewakili total konsumsi rata-rata untuk semua kegiatan. Banyak dari kasus ini
adalah orang yang tinggal di komunitas terpencil di luar jaringan air utama. Jumlah
tersebut akan bertambah seiring bertambahnya pertumbuhan populasi dan pemanas
global (United Nations, 2007). Solusi alternatif diperlukan untuk orang-orang yang
tinggal di lokasi-lokasi ini.
Daerah-daerah yang kekurangan air bersih, mayoritas bertempat di daerah pesisir
pantai yang lebih mudah untuk mengakses air laut dan air payau. Untuk itu masyarakat
setempat dapat memanfaatkan sistem desalinasi menggunakan metode Reverse osmosis
(RO) skala kecil agar dapat memenuhi kebutuhan air bersih. RO adalah sistem desalinasi
yang memanfatkan membrane semi permeable dimana suatu tekanan tinggi diberikan
melampaui tarikan osmosis sehingga akan memaksa air melewati osmosis terbalik dari
bagian yang memiliki kepekatan tinggi ke bagian dengan kepekatan rendah.
Sistem RO sendiri mempunyai komponen yang sangat banyak dan beberapa
mempunyai daya yang begitu besar sehingga membutuhkan energi dan biaya yang besar
juga. Contohnya adalah high pressure pump untuk mendorong air melewati membrane
yang nantinya akan memisahkan kandungan garam dengan air. Pada kebanyakan sistem,
listrik berada pada persentase 35-50% dari total biaya operasional (Jeffrey, 2018). Sistem
RO pada remote area atau dalam kasus ini pada pesisir pantai, biasanya masih tergolong
skala kecil sehingga rata-rata sistem dinyalakan oleh generator. Contohnya, pada sistem
RO di Desa Sungai Lumpur, Kecamatan Cengal, Kabupaten OKI, Sumatera Selatan.
Energi yang dibutuhkan adalah 5000 watt untuk kapasitas 10 m3/hari dan menggunakan
genset dengan kapasitas 10 KVA atau 8 kW dengan fasilitas 3 phase dan tegangan 380
volt. Begitu pula sistem RO di wilayah komersial di Jakarta Selatan, berdasarkan tarif
dasar listrik yang sudah ditetapkan oleh Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral,
wilayah ini masuk dalam golongan I-4/TT atau industry skala besar. Mereka
mengeluarkan Rp996.74/kWh dan pajak air bawah tanah Rp8.900,00 per 1 m3 air minum
atau Rp150.6 juta untuk kapasitas 12.000 m3setiap harinya.
Indonesia yang merupakan daerah tropis, dimana matahari bersinar sepanjang
tahun memiliki potensi energi surya yang besar. Rata-rata radiasi Indonesia sekitar 4,8
kWh/m2 /hari (Direktorat Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi
(EBTKE), 2018). Energi surya dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenga
1
2
surya (PLTS) dengan menggunakan panel surya. Penggunaan panel surya akan merubah
energi matahari menjadi energi listrik, dimana keluaran dari panel surya ini tergantung
dengan jumlah sel surya yang terpasang dan besarnya radiasi sinar matahari yang
menyinari panel surya tersebut. Semakin besar energi cahaya yang diserap panel surya
tersebut. Semakin besar energi cahaya yang diserap oleh panel surya maka akan semakin
besar energi listrik yang dihasilkan.
Berkaca dari hal tersebut, penulis memiliki ide untuk mendesain sumber energi
dengan photovoltaic reverse osmosis (PVRO) menggunakan metode simulasi MATLAB
dan diharapkan hal tersebut dapat menghemat kebutuhan energi listrik yang sangat besar
untuk menyalakan sistem RO.
1.2
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang ada, dapat di tarik perumusan masalah sebagai
berikut:
1. Bagaimana desain PVRO untuk pengaplikasian pada reverse osmosis plan
kapasitas 100 m3/hari?
2. Bagaimana membuat model desain aplikasi PVRO menggunakan simulasi
MATLAB?
3. Bagaimana kinerja dari sistem RO yang disuplai energi oleh solar photovoltaic
melalui simulasi MATLAB?
1.3
Tujuan
Untuk menjawab semua pertanyaan yang terdapat pada perumusan masalah diatas,
penelitian ini memilliki tujuan sebagai berikut:
1. Untuk merancang PVRO pada reverse osmosis plan kapasitas 100 m3/hari.
2. Untuk membuat model desain aplikasi PVRO menggunakan simulasi
MATLAB.
3. Untuk mengetahui kinerja dari sistem RO yang disuplai energi oleh solar
photovoltaic melalui simulasi MATLAB.
1.4
Batasan Masalah
Agar tugas akhir ini menjadi terarah dan memberikan analisa permasalahan, maka
dilakukan pembatasan masalah yaitu:
1. Metode yang digunakan adalah metode simulasi menggunakan MATLAB.
2. Tidak melakukan perhitungan ekonomi dari sistem tersebut.
3
1.5
Manfaat
Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Sebagai acuan pengembangan teknologi untuk sistem reverse osmosis terutama
pada wilayah pesisir pantai.
2. Sebagai pengembangan penggunaan software untuk membantu simulasi
aplikasi PVRO.
3
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pendahuluan
Dalam bab ini, penulis menyajikan materi yang telah dirangkum terkait konsep
teori dasar yang mendukung penelitian kali ini. Materi yang telah dirangkum ini
merupakan hasil dari proses literature review dengan berbagai sumber referensi yaitu
berita, jurnal, buku, dan dokumen lainnya. Pada bab ini juga disajikan metode dan model
analisa yang akan digunakan untuk menjawab tujuan penelitian ini.
2.2
Studi Terkait
Berikut adalah beberapa penelitian terdahulu yang telah dilakukan dan dipandang
relevan dan dapat dijadikan pendukung dalam penelitian ini.
Tabel 2.1 Ulasan Mengenai Penelitian Sebelumnya
PEMANFAATAN TEKNOLOGI ENERGI SURYA DALAM
MEMENUHI KEBUTUHAN AIR BERSIH DI MARKAS TNI
PERBATASAN MARITIM: STUDI POS TNI AL, LABUAN
BAJO, NUSA TENGGARA TIMUR
Penulis
&
Nugroho Adi Sasongko, Universitas Pertahanan
Institusi:
Tahun:
2019
Ketersediaan air bersih adalah masalah utama diwilayah
Kabupaten Manggarai Barat, Nusa Tenggara Timur.
Sebagai bentuk upaya pemerintah untuk memperketat
pengawasan dan penjagaan perbatasan maritim Labuan
1.
Bajo, pemerintah membentuk Pos TNI Angkatan Laut.
Oleh karena itu, ketersedian air bersih sangat dibutuhkan
di daerah tersebut. Selain untuk memenuhi kebutuhan
masyarakat Labuan Bajo, meningkatkan sarana dan
Ulasan Singkat:
infrastruktur untuk mendatangkan para wisatawan yang
banyak, juga untuk memenuhi dukungan logistik markas
TNI AL. Untuk memenuhi kebutuhan air tersebut, maka
berikut penyelesaian yang diperkirakan dapat
menyelesaikan masalah, yakni pemetaan air bawah
tanah di desa Labuan Bajo dan pemompaannya dengan
menggunakan tenaga listrik dari hasil photovoltaic,
Pemetaan air bawah tanah dilakukan dengan
4
5
menggunakan metode geolistrik. Hasilnya adalah sistem
yang dibangun dapat dijadikan model pemompaan air
bawah tanah, utamanya di wilayah Kabupaten
Manggarai Barat yang memerlukannya. Kemudian air
bersih yang didapat akan diolah melalui proses Reverse
Osmosis untuk menghasilkan air siap minum.
ON THE FEASIBILITY COMMUNITY-SCALE
PHOTOVOLTAIC-POWERED REVERSE OSMOSIS
DESALINATION SYSTEM FOR REMOTE LOCATIONS
Amy M, Bilton, Department of Aeronautics and
Penulis & Institusi:
Astronautics,
Massachusetts
Institute
of
Technology, Cambridge
Tahun:
2011
Reverse osmosis adalah metode desalinasi yang
layak digunakan untuk berbagai kondisi air pada
banyak negara. Namun, harga bahan bakar untuk
menyalakan generator terkadang lebih mahal
untuk beberapa daerah. Jika sistem diaplikasikan
2.
pada tempat yang tidak mempunyai sumber
matahari yang bagus, biaya pemasangan tidak
akan pulih meskipun selama masa kerja sistem.
Dengan modular design methodologies dan sistem
Ulasan Singkat:
control yang cerdas, hal ini sangat memungkinkan
jika biaya reverse osmosis dapat dikurangi dengan
memanfaatkan photovoltaic dan sistem PVRO
dapat diaplikasikan di skala yang lebih besar.
Kondisi lingkungan seperti kelembaban, tanah,
dan temperature juga sangat berpengaruh terhadap
desain sistem PVRO. Seperti tempat yang sering
hujan, maka perlakuan khusus harus ditambahkan
dalam aspek mendesain sistem RO.
PHOTOVOLTAIC REVERSE OSMOSIS – FEASIBILITY AND
A PATHWAY TO DEVELOP TECHNOLOGY
Leah C., Department of Mechanocal Engineering,
Penulis & Institusi:
Massachusetts
Institute
of
Technology,
Cambridge
3.
Tahun:
2010
Desalinasi dengan reverse osmosis bertenaga
Ulasan Singkat:
photovoltaic skala kecil dapat menyediakan air
bersih untuk masyarakat terpencil yang tidak
6
memiliki sumber daya alam yang memadai. Untuk
Langkah awal meningkatkan kelayakan sistem
PVRO, dikembangkan metodologi untuk
mengevaluasi kelayakan ekonomi. Hasilnya,
menunjukkan bahwa kelayakan ekonomi
merupakan fungsi lokasi yang kuat, dan
menunjukkan bahwa meningkatkan efisiensi
sistem PVRO dapat memperluas kelayakannya ke
lokasi yang saat ini tidak memadai. Dalam
makalah ini, disajikan model sistem PVRO yang
telah dikembangkan untuk mengevaluasi
controller dan hasil eksperimen awal yang
disajikan menunjukkan kesesuaian yang baik
dengan model yang sudah ada.
2.3
Sel Surya (Photovoltaic)
Kata “photovoltaic” berasal dari dua kata yaitu photo dan volta. Photo berarti
cahaya (berasal dari Bahasa Yunani yaitu phos, photos: cahaya) dan Volta (berasal dari
nama seorang fisikawan Italia yang hidup antara tahun 1745-1827 yang bernama
Alessandro Volta) yang berarti unit tegangan listrik. Dengan kata lain, arti photovoltaic
yaitu proses konversi cahaya matahari secara langsung untuk diubah menjadi listrik. Oleh
karena itu, kata photovoltaic biasa disingkat menjadi PV. Nama lain untuk sel
photovoltaic adalah solar cell, solar panel, solar array, dan photovoltaic panel (Septiana,
dkk. 2007).
Solar array adalah kelompok dari solar panel, dan solar panel adalah kelompok
dari solar cell. Solar cell merupakan elemen aktif (semikondukor) yang memanfaatkan
efek photovoltaic untuk mengubah energi surya menjadi energi listrik tanpa penggunaan
bagian-bagian mekanis yang bergerak dan tanpa penggunaan bahan bakar, contoh sel
photovoltaic bisa dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini. PV module terbuat dari potongan
silicon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khususu untuk membentuk dasar
dari sel surya. Sel surya pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0.3 mm yang
terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negative.
Semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai sifat konduktor dan isolator yang
baik. Contoh semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon dan germanium
(Kumara, 2012).
Ketika bahan semikonduktor (Silikon) yang permukaanya mempunyai tipe N dan
tipe P dan mendapatkan cahaya matahari maka, bahan semikonduktor tersebut
melepaskan sejumlah kecil listrik. Cahaya matahari terdiri dari partikel yang disebut
sebagai foton yang mempunyai sejumlah energy yang nilainya bergantung pada panjang
gelombang pada solar spectrum. Ketika foton menumbuk sel fotovoltaik maka cahaya
7
tersebut sebagian dipantulkan, diserap dan mungkin diteruskan. Cahaya matahari yang
diserap membangkitkan listrik. Ketika terjadi tumbukan, energi yang ada pada foton
dipindahkan ke elektron yang terdapat pada atom sel fotovoltaik yang merupakan bahan
semikonduktor.
Energi yang didapat dari foton, elektron melepaskan diri dari ikatan normal bahan
semikonduktor. Ketika elektron melepaskan diri dari ikatannya, lubang atau hole
terbentuk pada bahan semikonduktor. Ketika sel semikonduktor terhubung ke rangkaian
luar, maka elektron menyatu dengan hole dan menciptakan arus listrik. Semakin tinggi
jumlah cahaya matahri yang dipancarkan, semakin besar juga arus yang dihasilkan.
Gambar 2.1 Panel Surya (inaport1.co.id)
2.3.1 Material Sel Surya
Pada umumnya, sel surya terbuat dari material silikon. Material silikon yang
terbuat dari pasir dan merupakan salah satu elemen yang paling umum di bumi sehingga
tidak ada batas ketersediaan bahan baku. Beberapa material yang dipakai untuk solar
panel, yaitu:
1.
Monokristal Silikon
Monokristal silikon merupakan jenis sel surya yang materialnya berasal dari
silisium kristal tunggal yang berbentuk silinder yang ditarik dari cairan silisium dan jenis
sel surya yang memiliki efisiensi yang paling tinggi yaitu mencapai 16 - 25% (Narayana,
2010). Karena memiliki efisiensi yang tinggi, maka jenis ini sangat sesuai untuk
digunakan area yang memiliki ruang yang sempit.
8
Gambar 2.2 Panel surya monokristal silikon (icasolar.com)
2.
Polikristal Silikon
Polikristal silikon merupakan jenis sel surya yang materialnya berasal dari susunan
Kristal yang acak dengan efisiensi yang dimiliki sebesar 14-16% (Narayana, 2010). Jenis
ini terbuat dari coran silisium yang dipotong seperti bentuk bunga Kristal es, jenis ini
juga memiliki efisiensi yang tidak cepat menurun jika sinar matahari redup.
Gambar 2. 3 Panel surya Polikristal Silikon (builder.id)
3.
Amorphous Silikon
Amorphous silikon merupakan jenis sel surya yang memiliki tingkat efisiensi
paling rendah sebesar 9-14% dengan harga yang paling murah (Narayana, 2010). Jenis
ini juga biasanya digunakan pada alat-alat elektronik kecil berupa kalkulator dan jam
tangan.
9
Gambar 2. 4 Panel Surya Amorphous Silikon (builder.id)
2.3.2 Parameter Sel Surya
Dalam masa operasi maksimal sel surya juga dipengaruhi oleh beberapa parameter,
yaitu diantaranya:
1.
Ambient Air Temperature (Suhu)
Photovoltaic dapat bekerja maksimal apabila suhunya masih berada pada batas
normal yairu sebesar 25 derajat celcius. Namun, apabila suhunya lebih besar dari suhu
normal, maka akan menurunkan nilai tegangan yang diproduksi karena setiap kenaikan
suhu sebesar 1 derajat celcius dari 25 derajat, maka akan mengurangi nilai tegangan
berkisar 0,4 % dari keseluruhan energi yang diproduksi 8 atau akan menurun 2 kali lipat
yang digunakan untuk menaikkan suhunya setiap 10 derajat celcius.
2.
Radiasi Matahari
Radiasi matahari yang tertangkap di bumi dan berbagai lokasi bervariable akan
sangat tergantung terhadap kondisi spektrum cahaya matahari yang tertangkap di bumi.
Intensitas radiasi matahari akan sangat berpengaruh terhadap arus dan sedikit pada
tegangan yaitu apabila nilai intensitas radiasi matahari yang diserap oleh photovoltaic
semakin rendah, maka arusnya pun akan semakin rendah pula. Dengan hal tersebut dapat
menentukan titik Maximum Power Point dalam kondisi yang berada pada titik yang
semakin rendah juga.
3.
Kecepatan Tiupan Angin
Kecepatan angin bertiup adalah parameter photovoltaic yang dapat membantu
menurunkan suhu bidang permukaan photovoltaic yang berada disekitarnya.
10
4.
Kondisi Atmosfer Bumi
Kondisi atmosfir bumi ini seperti mendung, berawan, polusi, kabut, uap air udara,
dan jenis partikel debu udara lainnya akan sangat mempengaruhi sel surya dalam
penentuan hasil maksimal arus listriknya.
5.
Orientasi Sel Surya (Array)
Orientasi sel surya sangatlah penting karena dari photovoltaic (array) yang
dirangkai menghadap ke arah datangnya cahaya matahari secara optimal dapat 29
membuat sel surya menghasilkan energi yang maksimal. Dan apabila bidang sel surya
tidak dapat mempertahankan ketegak lurusannya dengan cahaya matahari, maka
diperlukan penambahan luas pada bidang panel surya karena perlu diketahui bahwa
bidang panel surya terhadap sinar matahari akan berubah setiap jamnya dalam sehari.
2.3.3 Aplikasi Pembangkit Sel Surya
Berdasarkan aplikasi dan konfigurasinya, secara garis besar pengaplikasian sel
surya diklarifikasi menjadi tiga yaitu sistem PLTS yang tidak terhubung dengan jaringan
(Off-grid PV plant), sistem PLTS On-grid, dan sistem PLTS Hybrid yaitu apabila PLTS
dalam penggunannya digabung dengan jenis pembangkit listrik lain. 14 Menurut IEEE
standard 929-2000 sistem PLTS dibagi menjadi tiga kategori, yaitu PLTS skala kecil
dengan batas 10 kW atau kurang, skala menengah dengan batas antara 10 kW hingga 500
kW, skala besar dengan batas di atas 500 kW (Omran, IEEE, 2000).
a)
Sistem PLTS Terpusat (Off-Grid)
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Terpusat (Off-Grid) merupakan sistem
pembangkit listrik yang memanfaatkan radiasi matahari tanpa terhubung dengan jaringan
PLN atau dengan kata lain satu-satunya sumber pembangkitnya yaitu hanya
menggunakan radiasi matahari dengan bantuan panel surya atau photovoltaic untuk dapat
menghasilkan energi listrik. Sistem PLTS Off-Grid sendiri juga hanya dimanfaatkan
untuk daerah yang tidak terjangkau pasokan listrik dari PLN seperti daerah pedesaan.
Berikut konfigurasi dari sistem PLTS Off-Grid:
Gambar 2. 5 Prinsip Kerja PLTS Off-Grid (ABB SACE, 2010)
11
Prinsip kerja sistem PLTS terpusat dapat dijelaskan sebagai berikut:
1.
2.
b)
Sel surya (photovoltaic) akan menghasilkan energi listrik pada siang hari dan
baterai akan menyimpan energi listrik tersebut. Dan penyimpanan energi listrik
dari photovoltaic ke dalam baterai dibantu dengan menggunakan` solar charge
controller dengan tujuan agar tidak terjadinya kelebihan dalam pengisian
(overcharge). Besar daya yang diproduksi dari photovoltaic sebesar 140 W/m2
yang didapatkan dari intensitas matahari maksimum yang diterima oleh
photovoltaic mencapai 1000 W/m2 dengan efisiensi cell sebesar 14%. Jadi, 15
besar daya yang dihasilkan dari PV sangat tergantung dari nilai intensitas
penyinaran matahari dan efisiensi cell nya.
Kemudian energi listrik yang tersimpan dalam baterai digunakan untuk memenuhi
kebutuhan beban AC. Namun, sebelum disuplai ke beban AC dari baterai, terlebih
dahulu tegangan DC pada sisi baterai dikonversikan ke tegangan AC melalui
inverter saat dibutuhkan.
Sistem PLTS Terinterkoneksi (On-Grid)
Sistem PLTS terinterkoneksi (On-Grid) atau yang disebut dengan Grid Connected
PV System adalah sistem pembangkit listrik yang memanfaatkan radiasi matahari untuk
menghasilkan listrik. Dan sesuai dengan namanya, maka sistem ini akan dihubungkan
dengan jaringan PLN dengan mengoptimalkan pemanfaatkan energi matahari melalui
modul surya atau photovoltaic module yang menghasilkan listrik semaksimal mungkin.
Sistem ini juga dianggap ramah lingkungan dan bebas emisi. Sistem PLTS
terinterkoneksi juga merupakan sebuah solusi Green Energy bagi masyarakat perkotaan
baik perkantoran maupun perumahan yang bertujuan untuk dapat memperkecil tagihan
rekening listrik dari PLN dan dapat memberikan nilai tambah kepada pemiliknya.
Berdasarkan Permen ESDM Nomor 49 Tahun 2018, energi yang dihasilkan oleh
solar panel nantinya akan otomatis memotong tagihan listrik pengguna maksimal 65%
dari total daya yang dihasilkan oleh solar panel.
Energi listrik pelanggan (kWh) = Jumlah kWh impor − 65% kWh ekspor
Artinya 1 Watt listrik yang dihasilkan oleh solar panel akan secara langsung
mengurangi tagihan listrik PLN maksimal 0,65 watt untuk bulan berikutnya. Sehingga
pengguna hanya membayar sisanya ditambah dengan biaya penggunaan listrik dari PLN.
Dengan demikian tagihan listrik akan lebih murah.
12
Gambar 2. 6 Prinsip Kerja PLTS On-Grid (ABB SACE, 2010)
c)
Sistem PLTS Hybrid
Sistem hybrid adalah sistem yang menghubungkan sistem pembangkit listrik satu
dengan yang lain atau yang disebut berkolaborasi antara 2 atau lebih sistem pembangkit
dan biasanya sumber pembangkit yang digunakan untuk 16 sistem ini yaitu energi solar,
mikrohidro, energi angin, dan genset. Untuk itu, sistem hybrid dapat teriri dari PLTSGenset, PLTS-Mikrohidro, PLTS-Energi Angin, dan lainnya. Dan sistem hybrid sudah
banyak digunakan di Indonesia, baik PLTS-Genset, PLTS-Mikrohidro, maupun PLTS
energi angin-mikrohidro, akan tetapi sistem hybrid yang paling banyak digunakan yaitu
PLTS-Genset. Sistem hybrid PLTS-Genset ini umumnya menggunakan genset yang
tidak terhubung dengan jaringan PLN atau yang disebut dengan genset yang berdiri
sendiri.
Gambar 2. 7 Skema Hybrid Photovoltaic Power System (http://meeeservices.com)
13
2.4
Kemiringan dan Sudut pada Pemasangan Solar Panel
Dalam upaya memaksimalkan energi matahari yang diterima oleh solar panel,
dengan memposisikan panel pada posisi kemiringan yang optimal. Kemiringan pada
solar panel memungkinkan permukaan solar panel selalu berada tepat menghadap
matahari sepanjang tahun. Latitude penelitian akan berpengaruh terhadap radiasi yang
diterima oleh solar panel, oleh karena itu posisi optimum solar panel pada suatu lokasi
akan berbeda dengan lokasi lainnya. Dengan menyesuaikan sudut kemiringan optimum
per bulan dan per musim dapat meningkatkan energi sekitar 6,38%-7.74%, dibandingkan
dengan sudut kemiringan yang tetap (Tarek O.Kaddoura et. al, 2016). Data radiasi pada
permukaan horizontal NASA digunakan untuk menentukan kemiringan sudut yang
optimum, menggunakan aplikasi MATLAB. Pada penelitian ini, sudut kemiringan yang
dipakai adalah berdasarkan data sudut kemiringan yang terdapat pada RETScreen.
Gambar 2. 8 Interaksi Radiasi Terhadap Permukaan Bumi (R. Darussalam, et.al,
2016)
2.5
Teknologi Reverse Osmosis
Reverse osmosis (RO) adalah suatu metode pemurnian melalui membran semi
permeable di mana suatu tekanan tinggi diberikan melampaui tarikan osmosis sehingga
akan memaksa air melewati proses osmosis terbalik dari bagian yang memiliki kepekatan
tinggi ke bagian dengan kepekatan rendah. Selama proses ini terjadi, kotoran dan bahan
yang berbahaya akan dibuang sebagai air tercemar. Molekul air dan bahan mikro yang
lebih kecil dari pori-pori RO akan melewati pori-pori membran dan hasilnya adalah air
yang murni. RO menggunakan tekanan untuk mendorong larutan pekat melewati
membran RO menuju ke larutan yang encer, RO digunakan untuk memisahkan elemen
cairan dengan material yang terlarut didalamnya.
14
Gambar 2.9 Proses Osmosis dan Reverse Osmosis (caesarvery.com)
Pada sistem RO ini, air laut diberi tekanan agar air tawar yang terkandung di dalam
air laut keluar menembus dinding pemisah (membrane). Jumlah air masukan yang
dibuang menjadi brine pada proses ini berkisar antara 20 - 70 %, hal ini tergantung dari
kadar garam air masukan, tekanan dan jenis membran. Di dalam proses desalinasi air laut
dengan sistem Reverse osmosis (RO), tidak mungkin untuk memisahkan seluruh garam
dari air lautnya, karena akan membutuhkan tekanan yang sangat tinggi sekali. Oleh
karena itu, pada kenyataannya untuk menghasilkan air tawar maka air asin atau air laut
di pompa dengan tekanan tinggi ke dalam suatu modul membran RO yang mempunyai
dua buah outlet yakni outlet untuk air tawar yang dihasilkan dan outlet untuk air garam
yang telah dipekatkan (reject water / brine).
Berikut adalah komponen utama yang ada pada sistem RO:
2.1
Tangki Air Baku
Tangki ini berfungsi untuk menampung air laut yang akan digunakan untuk diolah
menggunakan Reverse Osmosis.
2.2 Pompa Clarifier/Feedwater Pump
Pompa ini digunakan untuk memompa air laut ke tangki air baku yang
spesifikasinya disesuaikan dengan kapasitas dan kebutuhan dari sistem RO itu sendiri.
Tipe pompa yang biasa digunakan adalah pompa sentrifugal.
2.3 Carridge Filter
Filter ini berfungsi sebagai penyaring untuk menjamin bahwa air yang akan masuk
ke proses penyaringan reverse osmosis benar – benar memenuhi syarat untuk air baku
pada sistem ini sehingga secara keseluruhan produk air dari unit pengolahan pendahuluan
ini diharapkan mempunyai kualitas yang dipersyaratkan. Komponen ini terbuat dari
sintesis selulosa, alat ini bisa menyaring kotoran di dalam air sampai ukuran partikel 0,1
mikron.
2.4 High Pressure Pump
Pompa ini berfungsi untuk memompa air baku dari tangki air baku ke membran
RO. Pompa ini memiliki tekanan yang tinggi sehingga air yang di pompa dapat
menembus dinding membran osmosis yang sangat sangat kecil pola membrannya.
15
2.5
RO Unit
Merupakan komponen inti dari pengolahan air ini yang terdiri dari selaput
membrane yang di gulung secara spiral (spiral wound) dengan pelindung kerangka luar
(vessel) yang tahan terhadap tekanan tinggi. Kapasitas membrane ini berbeda-beda
tergantung kebutuhan serta daya tahan membran ini juga tergantung dari air baku yang
akan di olah.
2.6
Sistem Solar Photovoltaic untuk Reverse Osmosis
Energi solar sudah banyak dipalikasikan, terutama untuk daerah yang terpencil dan
susah dijangkau oleh jaringan listrik pusat dan kebanyakan untuk pemenuhan sumber
daya air bersih. Penggunaan solar panel yang berbentk modul dapat dipasang diatap yang
kemudian disambungkan ke inverter untuk mengubah tegangan dari PV yang berbentuk
DC menjadi tegangan AC untuk kebutuhan listrik yang bisa dikombinasikan ke grid
listrik.
Modul solar penel merupakan sekumpulan modul untuk menghasilkan nilai
tegangan, arus dan daya tertentu yang saling dihubungkan secara seri, pararel maupun
keduanya. Jumlah modul yang dihubungkan seri ditentukan oleh nilai tegangan yang
dibutuhkan, jumlah modul yang dihubungkan pararel ditentukan oleh nilai arus yang
dibutuhkan. Perhitungan jumlah modul seri dapat ditentukan dengan persamaan;
𝐽𝑠 =
𝑉𝑖𝑛𝑣
𝑉𝑚𝑓
(1)
Sedangkan penentukan jumlah modul pararel dapat ditentukan dengan
persamaan;
𝐼
𝐽𝑝 = 𝐼𝑖𝑛𝑣
𝑚𝑓
2.7
(2)
MATRIX LABORATORY (MATLAB)
MATLAB adalah singkatan dari MATrix LABoratory. Pertama kali dibuat untuk
mempermudah penggunaan dua koleksi subrutin pada pustaka FORTRAN yaitu:
LINPACK dan EISPACK, dalam menangani komputasi matriks. Sejak itu, MATLAB
berkembang menjadi sebuah sistem yang interaktif sekaligus sebagai bahasa
pemrograman untuk keperluan-keperluan ilmiah, komputasi teknis, dan visualisasi.
Elemen data dasar MATLAB adalah matriks. Perintah-perintah diekspresikan dalam
bentuk yang sangat mirip dengan bentuk yang digunakan dalam matematika dan bidang
teknik. Contoh persamaan b=Ax, dengan A, b, dan x matriks, ditulis: b=A*x. Untuk
mendapat solusi x dari A dan b, tulis: x=A\b. Tidak diperlukan penulisan program khusus
untuk operasi-operasi matriks seperti perkalian matriks atau invers matriks. Oleh karena
16
itu bahasa MATLAB menyelesaikan masalah tersebut memerlukan waktu lebih cepat
dibanding waktu yang dibutuhkan bahasa pemrograman tingkat tinggi lain.
2.7.1 Desain Solar Panel pada MATLAB
Energi yang dihasilkan dari sistem Photovoltaic ditentukan berdasarkan estimasi
arus dan tegangan yang dihasilkan modul PV, dimana daya keluaran PV tergantung pada
karakteristik teknis dan parameter lingkungan. Model PV meliputi parameter listrik pada
kondisi standar, short circuit current (ISC), dan Open Circuit Voltage (VOC). Dalam
kondisi ideal Iph bernilai sama dengan Isc.
𝐼𝑝ℎ
𝑘𝑇
𝑉𝑂𝐶 = 𝑞 𝑙𝑛 ( 𝐼 + 1)
𝑂
(3)
Short circuit current (ISC) dan Open Circuit Voltage (VOC) masing –masing
merupakan arus dan tegangan maksimum dari sel surya. Fill factor (FF) merupakan
parameter menentukan daya maksimum dari sel surya juga sebagai rasio daya maksimum
dari sel surya dengan VOC dan ISC.
𝑃
𝐹𝐹 = 𝑉 𝑀𝑃
𝐼
𝑂𝐶 𝑆𝐶
(4)
Konversi energy PV dinyatakan sebagai rasio anatara energy keluaran yang
dihasilkan yaitu energy listrik terhadap energy matahari yang dipanarkan ke permukaan
solar panel, sehingga effisiensi energy dapat ditentukan dengan persamaan;
𝐼 𝑉 𝐹𝐹
𝜂𝑒𝑛 = 𝑠𝑐 𝐼𝑜𝑐
𝑖𝑛
(5)
Besarnya daya yang dihasilkan oleh solar panel merupakan hasil perkalian dari
tegangan rangkaian rebuke (VOC), arus hubung singkat (ISC), dan fill factor (FF), dapat
ditentukan dengan menggunakan rumus:
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑂𝐶 𝑥 𝐼𝑆𝐶 𝑥 𝐹𝐹
(6)
2.7.2 Desain Reverse Osmosis pada MATLAB
Pada penelitian ini proses Reverse Osmosis diterapkan pada unit seawater
desalination yang bertujuan untuk memisahkan komponen garam yang terkandung dalam
air laut dan menghasilkan keluaran berupa air tawar. Perubahan air laut menjadi air tawar
tersebut terajadi karena pada sistem Reverse Osmosis (RO) terdapat membran yang
diberikan tekanan besar oleh pompa hidraulik. Proses reverse osmosis pada tahap
pertama yaitu saat air laut masuk melalui RO pertama. Input atau masukan umpan
bertekanan dari sistem RO pertama didapat dari satu sistem pendukung yang disebut
dengan ultra filtration (UF) melalui pengirim sistem tersebut yaitu UF filtrate transfer
pump. Kemudian selanjutnya terdapat cartridge filter yang berfungsi untuk membuang
17
partikel yang berkukuran lebih dari 5 µm, karena jika partikel lebih dari ukuran tersebut
maka akan menyebabkan kerusakan pada elemen membran dan high pressure. Kemudian
pada proses selanjutnya terdapat membran yang berfungsi menghilangkan kadar garam
air laut yang merupakan proses penting dari plant tersebut.
Dalam engendalian Internal Model Control filter biasanya ditambah dengan
controller yang optimal untuk melemahkan efek dari proses-model ketidakcocokan dan
menghapus bagian frekuensi yang lebih tinggi dari kebisingan dalam sistem dalam
rangka untuk memenuhi spesifikasiyang kuat. Filter memainkan peran penting dalam
sistem karena ketidakpastian desain sistem sehingga sistem kontrol yang dirancang dapat
mencapai tujuan desain stabilitas kuat dan kinerja yang kuat. Filter dimodelkan sebagai
berikut dari teori sistem kontrol dasar :
1
𝐺𝑓(𝑠) = (1+Ʈ𝑓𝑠)𝑛
(7)
Ʈf dimana parameter filter adalah urutan filter. Urutan filter dipilih sedemikian sehingga
mendapatkan GIMC(s) yang tepat untuk mencegah aksi diferensial kontrol. Parameter
filter dalam desain dapat dipilih sebagai cara praktis untuk mendapatkan nilai G IMC,
maka nilai parameter filter sering dipengaruh oleh bentuk pemodelan dari komponen –
komponen dalam kinerja sistem RO itu sendiri, dalam desain, tetap satu-satunya
parameter I. Dalam aplikasi ini kita ingin mensimulasikan sistem dengan n=2 untuk
membuat GIMC(s) yang tepat. Gc didapat dari perkalian nilai total antara model
matematis High Pressure Pump dengan model matematis.
Gambar 2.10 Tampilan MATLAB (G2.com)
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1
Pendahuluan
Dalam bab ini, penulis memberikan gambaran tentang alur pengerjaan. Dimulai
dari perumusan & identifikasi masalah, studi literatur, pengumpulan data yang diperoleh
dari penelitian sebelumnya, studi empiris dari data lapangan, perancangan desain solar
panel roof, pemodelan dan simulasi menggunakan software PV, hasil dan pembahasan,
dan kesimpulan.
3.2
Research Flowchart
Adapun langkah pengerjaan dapat dilihat dari flowchart berikut ini:
Gambar 3. 1 Alur Pengerjaan Tugas Akhir
18
19
3.3
Identifikasi Masalah
Masalah atau topik yang akan dibahas diformulasikan atau dirumuskan pada tahap
ini. Pada penelitian ini, masalah yang akan dibahas adalah aplikasi solar photovoltaic
system sebagai sumber energi untuk sistem reverse osmosis di daerah pesisir pantai.
3.4
Studi Literatur
Studi Literatur dilakukan pada awal penelitian dengan tujuan untuk memperoleh
informasi awal dan dasar-dasar teori yang berkaitan dengan penelitian yang akan
dilakukan. Literatur dari penelitian ini dapat dicari melalui jurnal, buku, paper, makalah,
thesis dan tugas akhir yang telah dilakukan sebelumnya. Beberapa poin yang harus dicari
sebagai dasar pengerjaan penelitian ini yaitu: parameter utama untuk menentukan desain,
jenis PV, dan keluaran energi dari solar panel.
3.5
Pengumpulan Data
Setelah mengetahui langkah-langkah untuk menghitung penghematan energi
dengan pengaplikasian solar sel diatas, maka selanjutnya adalah mencari data-data yang
diperlukan dalam melakukan penelitian ini. Data dapat diperoleh dari studi lapangan
maupun tugas akhir yang sudah pernah dilakukan sebelumnya, pada tugas akhir kali ini
menggunakan data dari hasil penelitian sebelumnya mengenai reverse osmosis.
3.6
Studi Empiris Desain PV untuk RO
Pendekatan berdasarkan penelitian sebelumnya terkait reverse osmosis untuk
wilayah pesisir pantai dengan kapasitas 100 m3/hari.
3.7
Perencanaan Solar Panel Roof
Dalam perencanaan solar panel roof harus diperhatikan juga luas lahan dan
kapasitas dari reverse osmosis plan.
3.8
Pemodelan Sistem PV untuk RO pada MATLAB
Setelah mendesain solar panel roof, yang harus dilanjutkan selanjutnya adalah
menggunakan software MATLAB untuk pemodelan sistem PV yang sudah di desain dan
dipasangkan dengan sistem RO.
3.9
Validasi Data
Setelah pemodelan, dilakukan pemeriksaan apakah hasil masih dalam kategori
aman menurut standar yang telah ditetapkan. Apabila hasilnya masih tergolong aman,
maka akan dilanjutkan ke simulasi.
20
3.10 Simulasi Sistem PV untuk RO
Setelah mealukan modeling, selanjutnya adalah melakukan running simulasi
dengan software MATLAB. Running dilakukan pada setiap variable PV untuk
menganalisis desain yang lebih baik untuk sistem RO tersebut.
Gambar 3.2 menunjukkan bagaimana proses kerja software MATLAB dalam
mensimulasi sistem PV untuk RO pada proyek yang akan direncanakan.
Gambar 3.2 Workflow MATLAB
3.11 Validasi Data
Setelah simulasi, dilakukan pemeriksaan apakah hasil masih dalam kategori aman
menurut standar yang telah ditetapkan, apabila hasilnya masih tergolong aman, maka
21
dapat dilanjut ke analisa dan pembahasan. Jika hasilnya tidak sesuai dengan standar,
maka akan dilakukan upaya pencegahan atau perbaikan untuk pemulihan.
3.12 Hasil & Pembahasan
Pada tahapan ini akan dilakukan proses perhitungan sesuai dengan data yang
diperoleh dari tahapan sebelumnya. Data yang dianalisa adalah keluaran air yang
dihasilkan dengan variable perbandingan jumlah PV dan jenis PV.
3.13 Kesimpulan dan Saran
Seluruh proses telah selesai, pada tahap terakhir ini akan ditarik kesimpulan dari
hasil penelitian ini untuk menjawab tujuan dari penelitian. Sehingga dari kesimpulan
tersebut dapat dijadikan acuan untuk penelitian lebih lanjut. Terakhir penulis akan
memberikan saran pada penelitian kali ini mengenai kekurangan serta rekomendasi agar
berguna bagi penelitian selanjutnya.
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Metode penelitian dan rencana kegiatan pada tugas akhir secara lengkap dapat
dilihat pada tabel 4.1 dengan Langkah-langkah sebagai berikut:
Tabel 4. 1. Rencana & Jadwal Kegiatan
No
1
2
3
4
5
6
Rencana
Kegiatan
Identifikasi dan
Perumusan
Studi Literatur
Pengumpulan
Data
Studi Empiris
Desain PV untuk
RO
Perencanaan
Solar Panel Roof
Pemodelan
Sistem PV untuk
RO pada
MATLAB
7
Validasi Data
8
Simulasi Sistem
PV untuk RO
9
Validasi Data
10
11
12
1
Bulan 1
2 3
4
Hasil &
Pembahasan
Kesimpulan dan
Saran
Penyusunan
Laporan
22
Bulan 2
Bulan 3
Bulan 4
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
23
4.1
Konsumsi Energi Sistem Reverse Osmosis
Konsumsi energi yang dihasilkan pada sistem reverse osmosis dapat ditentukan
dengan kalkulasi yang peneliti lakukan berdasarkan data yang didapatkan dari penelitian
sebelumnya. Karena adanya perbedaan ukuran phase yang menyebabkan perbedaan
konsumsi energi pada setiap beban, maka perhitungan antara beban 1 phase dan 3 phase
dibedakan:
Beban 1 phase
Merk
Type
Power
Tegangan
Unit
= Pompa Feedwater
= McKarlen
= SPA10
= 750 W
= 220 Volt
=1
Daya
= Power x Unit
= 750 W
Safety Factor
= Daya/0.8
= 937.5 W
Beban 3 phase
Merk
Type
Power
Tegangan
Unit
= Pompa Ultrafiltrasi
= Grundfos
= CRT 16-6 A
= 5 kW
= 380 Volt
=1
Beban 3 phase
Merk
Type
Power
Tegangan
Unit
= Pompa High Pressure
= Grundfos
= BMPE 10,2 R
= 30 kW
= 380 Volt
=1
Daya
= Power x Unit
= 35 kW
Safety Factor
= Daya/0.8
= 43.75 kW
= 43750 W
4.2
Simulasi Energi
Dalam simulasi yang dilakukan menggunakan RETScreen Clean Energy Project
Analysis Software. Simulasi menentukan dimana proyek dilaksanakan, dan analisa energi
24
yang dihasilkan.
4.2.1 Menentukan Lokasi
Dalam simulasi hal pertama yang harus dilakukan adalah menentukan lokasi.
Lokasi penelitian dilakukan di Pacitan, Jawa Timur, Indonesia.
Gambar 4.1. Menentukan Lokasi Penelitian (RETScreen)
Dalam penentuan lokasi di software RETScreen beberapa data pendukung seperti
zona iklim, suhu udara, curah hujan, radiasi matahari, tekanan atmosfer, laju angin, dan
suhu bumi didapatkan dari NASA. Penentuan lokasi menampilkan data-data diatas yang
nantinya digunakan untuk analisa energi pada sub-bab selanjutnya. Data-data ditampilkan
dalam 1 tahun setiap bulannya.
Gambar 4.2. Beberapa Data Pendukung dari NASA (RETScreen)
25
Gambar 4.3. Grafik Data Iklim (RETScreen)
Pada grafik dan data diatas diketahui bahwa radiasi tinggi matahari terjadi pada
bulan Agustus hingga Oktober dengan puncaknya terjadi pada bulan September dengan
nilai 6,07 kWh/m2/d. Tingginya radiasi matahari pada bulan-bulan tersebut dapat
dimanfaatkan dan dioptimalkan untuk energi dari solar panel. Sedangkan radiasi rendah
matahari terjadi pada bulan Juni dengan nilai 4,82 kWh/m2/d.
4.2.2 Analisa Energi
Analisa energi merupakan salah satu bagian dari Software RETScreen Clean
Energy Project Analysis yang bertujuan untuk mengevaluasi penelitian yang dilakukan.
Dalam upaya memaskimalkan penyerapan sinar matahari oleh solar panel,
direkomendasikan untuk menggunakan kemiringan optimal pada pemasangan modul
solar panel ketimbang memasangnya secara horizontal. Selain untuk mengoptimalkan
penyerapan solar, kemiringan pada modul solar berguna untuk pembersihan mandiri dari
debu polusi di permukaan modul solar dengan menggunakan air hujan, karena rugi yang
ditimbulkan pada modul solar yang kotor akan lebih besar ketimbang pemasangan modul
solar dengan tidak menggunakan sudut yang optimal (ESMAP, 2017).
Pacitan sendiri terletak pada bagian bawah garis khatulistiwa, oleh karena itu
modul solar harus diarahkan menghadap utara baik dengan menggunakan kemiringan
diatur maupun tetap. Dalam menentukan tingkat kemiringan modul solar peniliti
menggunakan jurnal yang diterbitkan oleh Energy Sector Management Asistance
Program (ESMAP).
26
Gambar 4.4. Lembar Kerja Analisa Energi RETScreen (REScreen)
Gambar 4.5. Parameter Performa Sistem Solar Panel (ESMAP, 2017)
27
Azimuth merupakan sudut kompas matahari saat bergerak melalui langit dari timur
ke barat. Dalam menentukan azimuth matahari, peneliti menggunakan Sun Path Chart
Program from University of Oregon dengan memasukan latitude dan longitude Surabaya.
Gambar 4.6. Program Pergerakan Matahari Jawa Timur (solardat.uoregon.edu)
Pemilihan modul solar harus mempertimbangkan beberapa faktor penting yang
mempengaruhi keluaran yang dihasilkan modul solar, salah satunya adalah effisiensi.
Peniliti memilih mono-silicon sebagai modul solar yang dipakai selain karena memiliki
effisiensi yang tinggi (14 - 17%) dibandingkan yang lainnya, mono-silicon juga sangat
banyak dipakai dan digunakan dalam proyek besar seperti yang peneliti lakukan.
Gambar 4.7. Effisiensi Modul Solar (panelsuryaindonesia.com)
28
4.3
Simulasi Energi
Komponen untuk 1 phase pada sistem reverse osmosis adalah pompa feed water,
sehingga perlu dicari untuk kebutuhan solar cell, MPPT, Inverter, dan baterai untuk
memenuhi beban tersebut.
4.3.1 Pemilihan Solar Cell
Untuk beban 1 phase, peneliti memilih modul solar yang memiliki kapasitas energi
yang sudah tersedia di software RETScreen. Adapun solar cell ysng digunakan adalah
sebagai berikut:
• Merk
: Suntech
• Tipe
: STP 2655-20Web
• Maximum power
: 265 W
• Open circuit voltage (Voc) : 38.1 V
• Short circuit current (Isc)
: 9.77 A
• Efisiensi
: 16.3%
4.3.2 Pemilihan Inverter
Inverter berfungsi mengubah arus searah menjadi arus bolak balik. Inverter yang
berhubungan langsung dengan beban listrik mempunyai kapasitas kerja dalam satuan
watt. Penentuan kapasitas inverter harus berdasarkan spesifikasi input beban. Victron
Energy Inverter Easy Solar 24/3000/70-50 menjadi produk yang dipilih oleh peneliti
untuk penelitian ini.
• Merk
: Victron Energy
• Tipe
: Inverter Easy Solar 24/3000/70-50
• Input voltage
: 24 V
• Peak power
: 6000 W
• Efisiensi
: 95%
Gambar 4.8. Analisa Energi RETScreen (RETScreen)
29
4.3.3 Pemilihan MPPT
Maximum Power Point Tracking (MPPT) adalah sebuah sistem elektronik yang
harus ada pada sebuah sistem PV agar sistem dapat menghasilkan daya
maksimal. MPPT bukanlah sebuah sistem tracking mekanik yang digunakan untuk
mengubah posisi modul terhadap posisi matahari untuk mendapatkan energi
maksimum. Di dalam sistem PV, rangkaian MPPT berada pada sisi Charge
Controller dan Inverter. Untuk beban 1 phase, MPPT yang dipilih adalah Victron Energy
Smart Controller 150/70 spesifikasi sebagai berikut:
•
Merk
: Victron Energy
•
Tipe
: Smart Controller 150/70 VE Can
•
Tegangan
: 24 V
•
Arus
: 70 A
•
Efisiensi
: 98%
4.3.4 Pemilihan Baterai
Baterai digunakan untuk menyimpan kelebihan daya yang dihasilkan oleh PV
selama siang hari dan dapat digunakan pada malam hari untuk mensuplai beban disaat
PV tidak mendapat radiasi matahari.
Min. Battery Power
= Tot. Power x Time
= 937.5 W x 18
= 16875 Watthour
Voltage Use
= 24 V
AH Required
= Min. Battery Power/Voltage Use
= 16875/24
= 703.125 AH
30
Tabel 4. 2. Spesifikasi Baterai Beban 1 Phase
Brand
Victron Energy
Type
Lithium-ion HE
Nominal Voltage
24
Volt
Rate Capacities
200
AH
Weight
28.6
kg
Dimension
Height
355
mm
Length
362
mm
Width
193
mm
Jumlah baterai yang dibutuhkan
= AH required/AH battery
= 703.125/200
= 3.52
= 4 dipasang secara parallel
Gambar 4.9. Baterai Victron Energy Lithium-Ion HE (victronenergy.com)
31
4.4
Komponen Untuk 3 Phase
Komponen untuk 3 phase pada sistem reverse osmosis adalah pompa
ultrafiltration dan pompa high pressure, sehingga perlu dicari untuk kebutuhan solar cell,
MPPT, Inverter, dan baterai untuk memenuhi beban tersebut.
4.4.1 Pemilihan Solar Cell
Karena besarnya konsumsi energi untuk beban 3 phase, peneliti memilih modul
solar yang memiliki kapasitas energi yang terbesar dan sudah tersedia di software
RETScreen. Modul solar yang dipilih adalah Grape Solar GS-S-410-Platinum dengan
spesifikasi:
•
Merk
: Grape Solar
•
Tipe
: GS-S-410 Platinum
•
Maximum power
: 410 W
•
Open circuit voltage (Voc)
: 61.1 V
•
Short circuit current (Isc)
: 8.77 A
•
Efisiensi
: 18%
4.4.2 Pemilihan Inverter
Inverter berfungsi mengubah arus searah menjadi arus bolak balik. Inverter
yang berhubungan langsung dengan beban listrik mempunyai kapasitas kerja dalam
satuan watt. Penentuan kapasitas inverter harus berdasarkan spesifikasi input beban.
Untuk beban 3 fase, inverter yang dipilih adalah:
•
Merk
: Victron Energy
•
Tipe
: Phoenix Inverter 48/5000
•
Input voltage
: 48 V
•
Peak power
: 10000 W
•
Efisiensi
: 95%
Karena daya dari beban yang besar, berikut dilakukan perhitungan untuk
menentukan jumlah inverter agar semua beban dapat tersuplai.
Inverter Voltage
Inverter Ampere
= 48 V
= Power/Voltage
= 10000/48
= 208.3 A
32
Konfigurasi Inverter
Ampere Required
= Power/Inverter Voltage
= 43750/48
= 911.46 A
Inverter Amount
= Ampere required/Inverter Ampere
= 4.375
= 5 buah dipasang secara paralel
Gambar 4.10. Analisa Energi RETScreen (RETScreen)
4.4.3 Pemilihan MPPT
Maximum Power Point Tracking (MPPT) adalah sebuah sistem elektronik yang
harus ada pada sebuah sistem PV agar sistem dapat menghasilkan daya
maksimal. MPPT bukanlah sebuah sistem tracking mekanik yang digunakan untuk
mengubah posisi modul terhadap posisi matahari untuk mendapatkan energi
maksimum. Di dalam sistem PV, rangkaian MPPT berada pada sisi Charge
Controller dan Inverter. Pada beban 3 fase, MPPT yang dipilih adalah sebagai berikut:
• Merk
: Victron Energy
• Tipe
: Blue Solar Charge Controller MPPT 150/100 VE. Can
• Tegangan
: 48 V
• Arus
: 100 V
• Nominal PV Power
: 4350 W
• Efisiensi
: 98%
Sama seperti inverter, dikarena daya dari beban 3 fase yang besar, berikut
dilakukan perhitungan untuk menentukan jumlah MPPT agar semua beban dapat
tersuplai.
MPPT Voltage
= 48 V
MPPT Ampere
= 100 A
33
Konfigurasi MPPT
Ampere Required
= Power/MPPT Voltage
= 43750/48
= 911.5 A
MPPT Amount
= Ampere Required/MPPT Ampere
= 9.11
= 10 buah dipasang secara parallel
4.4.4 Pemilihan Baterai
Baterai digunakan untuk menyimpan kelebihan daya yang dihasilkan oleh PV
selama siang hari dan dapat digunakan pada malam hari untuk mensuplai beban disaat
PV tidak mendapat radiasi matahari. Berikut adalah spesifikasi baterai yang dipilih
untuk beban 3 fase:
Tabel 4. 3. Spesifikasi Baterai Beban 3 Phase
Brand
XANTREX
Type
Lithium-ion 300 AH 24 V
Nominal Voltage
24
Volt
Rate Capacities
300
AH
Weight
72.6
kg
Height
281.9
mm
Length
609.6
mm
Width
330.2
mm
Dimension
Untuk kondisi 3 fase ini, jumlah baterai dan PV tergantung dengan lama
pemakaian dari PV. Karena itu dihitung 2 kondisi dimana kondisi pertama adalah
penggunaan PV selama 6 jam dan baterai selama 18 jam, sedangkan kondisi kedua
adalah penggunaan PV selama 6 jam, baterai 4 jam, dan sisa 14 jam akan disuplai oleh
generator.
34
a. Kondisi PV-Baterai
Ampere Inverter
AH required
= 208.3 A
= Ampere x Hour
= 208.3 A x 18 H
= 3750
= 3800 AH
Kebutuhan Baterai
Seri
= Voltage Use/Voltage Battery
=2
Paralel
= AH required/rate capacities
= 12.67
= 13
Kebutuhan PV
Waktu Penggunaan
= 6 jam
Charge Current
= AH required/waktu penggunaan
= 633.3 A
Jumlah PV untuk charge= Charge Current/PV current
= 633.3/8.15
= 77.7
= 78 unit
Jumlah PV untuk beban = Ampere Inverter/PV current
= 208.3/8.15
= 25.56
Total Kebutuhan PV
= PV untuk beban + PV untuk charging
= 104 unit
Karena ada 5 inverter, maka:
Total Baterai
= Baterai Paralel x 5
= 65 paralel
= 2 seri
Total PV
= 26 unit
= Total PV x 5
= 104 X 5
= 520 unit
35
b. Kondisi PV-Genset
Ampere Inverter
= 208.3 A
AH required
= Ampere x Hour
= 208.3 A x 4 H
= 833.33
= 840 AH
Kebutuhan Baterai
Seri
= Voltage Use/Voltage Battery
=2
Paralel
= AH required/rate capacities
= 2.8
=3
Kebutuhan PV
Waktu Penggunaan
= 6 jam
Charge Current
= AH required/waktu penggunaan
= 140 A
Jumlah PV untuk charge= Charge Current/PV current
= 140/8.15
= 17.17
= 18 unit
Jumlah PV untuk beban = Ampere Inverter/PV current
= 208.3/8.15
= 25.56
Total Kebutuhan PV
= PV untuk beban + PV untuk charging
= 44 unit
Karena ada 5 inverter, maka:
Total Baterai
= 26 unit
= Baterai Paralel x 5
= 15 paralel
= 2 seri
36
Total PV
= Total PV x 5
= 44 X 5
= 220 unit
Untuk kondisi PV-Generator, maka dibutuhkan generator yang digunakan
untuk mensuplai beban reverse osmosis pada malam hari. Generator yang dipilh
adalah sebagai berikut:
•
Merk
: Caterpillar
•
Tipe
: XQ45
•
Power rate : 45 kW
•
Frekuensi : 60 Hz
•
Tegangan : 206 – 600 V
4.5
Instalasi Sistem Solar Panel
Diketahui dari pemanfaatan energi sistem solar panel pada ketiga kondisi bahwa
energi yang dihasilkan oleh solar panel sudah dapat memenuhi seluruh kebutuhan
konsumsi energi yang dibutuhkan oleh sistem reverse osmosis, namun karena terbatasnya
lahan, dibuat banyak kondisi terhadap pemasangan solar panel.
Sistem solar panel merupakan energi terbarukan yang bersifat intermiten atau tidak
terus menerus dapat menghasilkan energi (tidak stabil). Sistem solar panel menghasilkan
energi ketika cuaca cerah atau terdapat cahaya yang masuk namun ketika langit mendung
dan tidak ada cahaya yang masuk, solar panel tidak menghasilkan energi secara maksimal
bahkan tidak menghasilkan energi sekalipun.
Sehingga peneliti memilih untuk menggunakan baterai untuk menyimpan energi
yang dihasilkan oleh sistem solar panel saat siang hari dan energi yang tersimpan
digunakan pada malam hari, ini dapat mengurangi ketidakstabilan energi yang
didistribusikan kebeban. Sehingga sistem instalasi yang digunakan pada penelitian kali
ini adalah antara solar panel dengan baterai atau solar panel dan baterai dengan generator.
4.5.1 Energy Management
Solar panel tidak dapat menghasilkan energi secara continuous. Solar panel akan
menghasilkan energi ketika ada cahaya/matahari yang menyinari (siang hari), namun
ketika kondisi tidak ada nya cahaya/matahari yang menyinari (malam hari) solar panel
tidak dapat menghasilkan energi begitupun ketika cahaya yang menyinari kurang/redup
(mendung/hujan). Energi managemen diperlukan untuk mengatur kapan energi dari PV
mensupali beban secara penuh ataupun sebagian dan kapan energi dari generator
mensuplai beban.
Tabel 4.4. Konsumsi Energi Beban Lain
Other Loads
Yard Lighting + Controller =
Energy
Unit
4.1
kW
37
Tabel 4.5. Manajemen Energi Solar Panel Off-Grid
Load scheme
Power scheme
Power scheme
RO
Off-Grid (daytime only) - PV 6 jam
Off-Grid
Daytime
PV Power 100%
319.80
Pump
210.0
Lighting + Controlling
24.60
Remaining Energy
21.24
Sistem Off-Grid pada solar panel tidak terhubung dengan jaringan PLN yang
digunakan pada malam hari, namun untuk siang hari 100% menggunakan energi yang
dihasilkan oleh solar panel. Dapat dilihat pada tabel diatas bahwa energi yang dihasilkan
solar panel sebesar 319.8 kWh dapat memenuhi kebutuhan energi pada semua beban.
Tabel 4.6. Manajemen Energi Solar Panel On-Grid
Off-Grid (daytime only) - PV 6 jam, Baterai 4
jam
Daytime
PV Power 100%
541.20
Pump
262.50
Lighting + Controlling
24.60
Remaining Energy
254.10
Off-Grid
Battery Power
254.10
Pump
175.00
Lighting + Controlling
16.40
Remaining Energy
62.70
Sistem Off-Grid pada solar panel dengan baterai dibagi dengan penggunaan solar
panel selama 6 jam dan baterai selama 4 jam saat matahari masih redup. Dapat dilihat
pada tabel diatas bahwa energi yang dihasilkan solar panel sebesar 541.2 kWh dapat
memenuhi kebutuhan energi pada semua beban, sisa energi akan disimpan di baterai dan
dapat dilihat pula bahwa energi dalam baterai sebesar 254.1 kWh dapat memenuhi
38
kebutuhan energi semua beban.
Tabel 4.7. Manajemen Energi Solar Panel Hybrid
Hybrid - PV 6 jam, Baterai 4 jam, Generator 14
jam
Daytime
PV Power 100%
541.20
Pump
262.50
Lighting + Controlling
24.60
Remaining Energy
254.10
Battery Power
254.10
Pump
175.00
Lighting + Controlling
16.40
Remaining Energy
62.70
Hybrid
Nightime
Generator
Pump
612.50
Lighting + Controlling
57.40
Sistem Hybrid pada solar panel terhubung dengan generator yang digunakan pada
malam hari. Dapat dilihat pada tabel diatas bahwa energi yang dihasilkan solar panel
sebesar 541.2 kW dapat memenuhi kebutuhan energi pada kondisi beban dan masih
terdapat sisa untuk disimpan di baterai untuk digunakan saat matahari sedang redup. Pada
malam hari, beban disuplai menggunakan generator.
Tabel 4.8. Manajemen Energi Solar Panel Off-Grid
Off-Grid - PV 6 jam, Baterai 18 jam
Daytime
PV Power 100%
1279.20
Pump
262.50
Lighting + Controlling
24.60
39
Remaining Energy
992.10
Nightime
Off-Grid
Pump
787.50
Lighting + Controlling
73.80
Remaining Energy
130.80
Power Ouput (kWh)
Sistem Off-Grid pada solar panel tidak terhubung dengan generator maupun PLN,
pada malam hari, sistem Off-Grid menggunakan baterai untuk menyimpan energi sisa
pemakaian pada siang hari. Dapat dilihat pada tabel diatas bahwa energi yang dihasilkan
solar panel sebesar 1279.2 kW dapat memenuhi kebutuhan energi pada kondisi beban dan
masih terdapat sisa untuk disimpan di baterai untuk digunakan saat malam hari. Pada
malam hari, daya dari baterai masih dapat menyuplai semua kebutuhan beban dan bahkan
masih terdapat sisa yang dapat digunakan saat matahari redup.
1500.00
1000.00
500.00
0.00
On-Grid no
battery
On-Grid with
Battery
Hybrid
Off-Grid
PV-Pump
PV-Lighting + Controlling
Battery-Daytime Lighting + Controlling
Battery-Daytime Pump
Battery Charge
Generator-Pump
Generator-Lighting
Battery-Nightime Pump
Battery-Nightime Lighting + Controlling
Gambar 4.11. Grafik Load Scheme (Dokumentasi Pribadi)
4.5.2 Perbandingan Kebutuhan Pada Setiap Kondisi
Karena ada banyak kondisi dalam pemasangan solar panel untuk reverse
osmosis ini, maka dibuatlah tabel agar mudah dibaca dan dibandingkan. Berikut adalah
tabel merk dan jumlah dari kondisi 1 fase, 3 fase dengan baterai, 3 fase dengan generator,
dan 3 fase tanpa baterai (hanya menggunakan PV).
40
Tabel 4.9. Perbandingan Kebutuhan Komponen untuk Setiap Kondisi
1 Phase
3 Phase (PV
with Battery)
3 Phase
(Hybrid)
3 Phase (PV
Only)
Merk Solar
Panel
Suntech
STP2655 –
20/Web
Grape Solar GSS-410-Platinum
Grape Solar GSS-410-Platinum
Grape Solar GSS-410-Platinum
Jumlah
Solar Panel
20
520
220
130
Merk
Inverter
Victron Energy
Inverter Easy
Solar
24/3000/70-50
Victron Energy
Phoenix Inverter
48/5000
Victron Energy
Phoenix Inverter
48/5000
Victron Energy
Phoenix Inverter
48/5000
Jumlah
Inverter
1
5
5
5
Victron Energy
Smart Solar
Charge
Controller
150/70 VE.Can
Victron Energy
Blue Solar
Charge
Controller
MPPT 150/100
VE. Can
Victron Energy
Blue Solar
Charge
Controller
MPPT 150/100
VE. Can
Victron Energy
Blue Solar
Charge
Controller
MPPT 150/100
VE. Can
Jumlah
MPPT
1
10
10
10
Merk
Battery
Victron Energy
Lithium-Ion
HE
XANTREX
Lithium-Ion
300AH 24V
XANTREX
Lithium-Ion
300AH 24V
XANTREX
Lithium-Ion
300AH 24V
Jumlah
Battery
4
130
30
-
Merk MPPT
4.5.3 Perbandingan Kapasitas Pada Setiap Kondisi
Berikut adalah kapasitas debit air yang dihasilkan pada setiap kondisi. Terdaopat
4 kondisi sebagai perbandingan yaitu penggunaan PV selama 6 jam, PV 6 jam dan baterai
4 jam, PV 6 jam dan baterai 18 jam, dan PV-Generator.
41
Tabel 4.10. Perbandingan Kapasitas untuk Setiap Kondisi
Off-Grid (daytime
only) - PV 6 jam
Off-Grid (daytime
only) - PV 6 jam
Baterai 4 jam
Hybrid
Off-Grid- PV
6 jam Baterai
18 jam
Capacity (m3)
25.00
41.67
100.00
100.00
From PV (m3)
25.00
25.00
25.00
25.00
0
16.67
16.67
75.00
0
0
58.33
0
From
(m3)
Battery
From
Generator (m3)
Distribusi Kapasitas Reverse Osmosis
100
80
60
40
20
0
PV 6 jam
PV 6 jam - Baterai
4 jam
Capacity (m3)
From PV
Hybrid
From Battery
PV 6 jam - Baterai
18 jam
From Generator
Gambar 4.12. Grafik Perbandingan Distribusi Kapasitas
4.5.4 Diagram Skema Sistem Solar Panel
Dalam instalasi sistem solar panel didapatkan bahwa inslatasi menggunakan
sistem off-grid dan hybrid yang membutuhkan dukungan energi lain selain solar panel
sendiri yaitu generator dan baterai. Diagram skema ini dibuat menggunakan software
AutoCAD. Konfigurasi diagram skema sistem solar panel tersebut dapat dilihat pada
gambar dibawah.
42
Gambar 4.13. Instalasi Sistem Solar Panel 1 Phase
Gambar 4.14. Instalasi Sistem Solar Panel 3 Phase PV-Battery
43
Gambar 4.15. Instalasi Sistem Solar Panel 3 Phase PV-Generator
4.6
Desain Solar Panel Roof
Setelah mendapatkan beberapa parameter dan dimensi untuk merancang desain
solar panel roof, peneliti melakukan proses perancangan solar panel roof dengan
menggunakan software SketchUp. Beberapa dimensi dan parameter yang diperhatikan
dalam perancangan solar panel roof antara lain;
Tabel 4.11. Parameter dan Dimensi Solar Panel Roof
Parameter
Nilai/Besar
Satuan
Panjang
40.4
Meter (m)
Lebar
26.5
Meter (m)
Tingi tiang terendah
4
Meter (m)
Luas atap
1070.6
Meter kuadrat (m²)
Kemiringan Atap
12
Derajat (º)
44
Gambar 4.16. Solar Panel Roof Tampak Samping
Gambar 4.17. Solar Panel Roof Tampak Atas
45
Gambar 4.18. Solar Panel Roof Tampak Depan
4.7
Layout Lahan Reverse Osmosis
Pembuatan desain Layout dan penempatan Solar Panel Roof mengacu pada lokasi
lahan reverse osmosis di Pacitan akan menggunakan software Sketchup.
Gambar 4.19. Reverse Osmosis Plant Tampak Samping Kiri
Gambar 4.27 merupakan gambar Reverse Osmosis Plant yang sudah
teraplikasikan solar panel roof. Solar panel roof menutupi keseluruhan pompa reverse
osmosis, baterai, inverter, dan MPPT. Gambar 28 adalah layour keseluruhan tampak
atas yang dapat terlihat solar collector area dengan panjang 40.4 m dan lebar 26.5 m,
46
jadi total keseluruhan solar collector area sebesar 1070.6 m2.
Gambar 4.20. Reverse Osmosis Plant Tampak Atas
`Pada gambar 4.29 solar panel roof memiliki 3 kolom memanjang. Kita juga dapat
melihat tinggi antar kolom berbeda-beda dan lebih tinggi mengarah ke depan, ini
dikarenakan solar panel roof memiliki kemiringan atap sebesar 12º dengan tinggi pilar
terpendek adalah 4 m dan tertinggi 7.1 m.
Gambar 4.21. Reverse Osmosis Plant Tampak Samping Kanan
47
4.8
Permodelan Sistem
Pada bab ini akan dijelaskan model dari berbagai elemen pada sistem dengan
tujuan untuk simulasi dengan software MATLAB. Pertama, permodelan untuk sistem
PV, kemudian dilanjut dengan MPPT, baterai, dan inverter. Kemudian dilanjutkan
dengan model sistem reverse osmosis yaitu pompa feedwater, pompa ultrafiltrasi, pompa
high pressure, dan membran. Setelah itu akan dicari output debit air yang dihasilkan oleh
sistem reverse osmosis berdasarkan setiap kondisi PV.
Gambar 4.22. Blok Diagram Sistem PVRO
4.8.1 Permodelan Sistem PV
Model dari sistem PV ini berdasarkan pada model dari Walker. Perhitungan utama
untuk mendapat arus dan tegangan dari sel adalah :
𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑠)
𝑉+𝐼𝑅𝑠
) − ( 𝑅𝑠ℎ )
𝑛𝐾𝑇
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 𝑒𝑥𝑝 (
𝐼
𝐼𝐿
𝐼0
𝑉
𝑅𝑠
𝑅𝑆𝐻
𝑞
𝑘
𝑛
𝑇
(8)
= 𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 𝑜𝑏𝑡𝑎𝑖𝑛𝑒𝑑 𝑓𝑟𝑜𝑚 𝑡ℎ𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙 (𝐴)
= 𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 (𝐴)
= 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 (𝐴)
= 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑡ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ 𝑡ℎ𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙 (𝑉)
= 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒s 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 (𝛺)
= 𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 (𝛺)
= 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 (𝐶)
= 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛 ′ 𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 ( 𝑚2𝑘𝑔/𝑠2𝐾 )
= 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑒 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦/𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟
= 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑜𝑓 𝑡ℎ𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙 (𝐾)
Input dari PV array adalah data cuaca dan parameter PV untuk menghitung daya
keluaran efektif dalam Watt. Persamaan terebut menggunakan insolasi data harian dan
referensi spek PV untk menentukan radiasi efektif pada setiap interval. Kemudian
dikalikan dengan daya dari array dan kerugian output pada setiap interval.
PV Powert
= Daily insolation x Pv Profilet x Array Rating x (1-losses)
(9)
Script MATLAB berikut akan menunjukkan perhitungan dari semua parameter
dan membuat beberapa perhitungan sebagai berikut.
48
Gambar 4.23. Script MATLAB untuk Model PV Grape Solar GS-S-410
Kurva I-V
9
8
7
Arus (I)
6
5
4
3
2
1
0
1
10
20
30
40
Tegangan (V)
Gambar 4.24. Grafik I-V pada Kondisi Standar
50
49
Kurva P-V
450
400
350
Daya (P)
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
Tegangan (V)
Gambar 4.25. Grafik P-V pada Kondisi Standar
Gambar 4.24 dan 4.25 menunjukkan kurva I-V dan P-V hasil simulasi. Nilai I
didapatkan dari Isc dan nilai V didapatkan dari Voc. Nilai lain yang dibuat konstan
diantaranya Konstanta Boltzman (K) = 1.381-23 dan muatan elektron (q) = 1.602-19.
4.8.2 Permodelan Komponen PV
Gambar 4.26. Blok Diagram Sistem Photovoltaic
Perhitungan energi didasarkan pada metode perhitungan Coulomb dimana arus
mengalir dihitung. Perhitungan menggunakan metode diskrit iterasi dimana nilai dari
iterasi sebelumnya digunakan untuk menghitung setiap komponen berikutnya. Setiap
komponen dari model, memiliki persamaannya sendiri yang berkontribusi pada simulasi
sistem.
Perhitungan MPPT menggunakan output PV array, tegangan baterai, dan
parameter input untuk menghitung keluaran arus MPPT dalam Ampere.
(10)
50
Setelah mendapatkan arus dan tegangan dari baterai, langkah selanjutnya adalah
mencari arus keluaran dari MPPT, persamaan untuk mencari arus tersebut adalah dengan
mengalikan tegangan dan arus dari keluaran PV kemudian dibagi dengan tegangan MPPT
dan efisiensi MPPT.
𝑉𝑝𝑣 𝑥 𝐼𝑝𝑣
𝐼𝑚𝑝𝑝𝑡 = 𝑉𝑚𝑝𝑝𝑡 𝑥 𝐸𝑓𝑓.𝑚𝑝𝑝𝑡
(11)
Perhitungan inverter menggunakan daya beban, tegangan baterai yang
sebelumnya, dan parameter input inverter untuk menghitung masukan arus inverter
dalam Ampere.
(12)
Untuk mencari charge capacity, dapat dicari dengan mengalikan efisiensi MPPT,
Vop, dan arus dari MPPT.
𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑐𝑎𝑝 = 𝐸𝑓𝑓. 𝑚𝑝𝑝𝑡 𝑥 𝑉𝑜𝑝 𝑥 𝐼𝑚𝑝𝑝𝑡
(13)
Kapasitas Baterai Selama Mensuplai Beban
160000
Battery Power (Watt)
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
15.00
16.00
17.00
18.00
Jam
Gambar 4.27. Grafik Kapasitas Baterai Selama Mensuplai Beban
Dari grafik dapat dilihat bahwa pada jam ke 7 atau pukul 15.00, daya baterai yang
terisi adalah 139645.7 Watt dan semakin menurun karena PV tidak menyuplai baterai
setelah 6 jam. Penurunan kapasitas baterai tersebut dikarenakan baterailah yang
digunakan untuk mensuplai beban RO selama 4 jam. Sisa kapasitas baterai terakhir pada
pukul 18.00 adalah 8395.7 Watt.
51
Kapasitas Baterai Selama Mensuplai Beban
Battery Power (Watt)
800000
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
08.00
07.00
06.00
05.00
04.00
03.00
02.00
01.00
00.00
23.00
22.00
21.00
20.00
19.00
18.00
17.00
16.00
15.00
0
Jam
Gambar 4.28. Grafik Kapasitas Baterai Selama Mensuplai Beban
Sama seperti kondisi PV 6 jam- baterai 4 jam, pada kondisi ini dapat dilihat bahwa
pada jam ke 7 atau pukul 15.00, daya baterai yang terisi adalah 752145.7 Watt dan
semakin menurun karena PV tidak menyuplai baterai setelah 6 jam. Penurunan kapasitas
baterai tersebut dikarenakan baterailah yang digunakan untuk mensuplai beban RO
selama 18 jam. Pada jsm 08.00 sisa kapasitas baterai adalah 8395.687 Watt.
4.8.3 Permodelan Motor Pompa
Gambar 4.29. Blok Diagram Sistem Reverse Osmosis
Untuk mencari daya hidrolik, dapat diperoleh dari membagi keluaran inverter
dengan efisiensi motor.
𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐
𝑃 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐 = 1000 𝑥 𝑒𝑓𝑓.𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
dimana
Pelectric = didapatkan dari output inverter (watt)
Eff. motor
= 0.7
(14)
52
Untuk debit yang dapat dihasilkan oleh sistem, dapat diperoleh dari :
𝑄 = 𝑃ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐 𝑥 1714 𝑥 𝑒𝑓𝑓. 𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒/𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒
(15)
dimana
Q
= debit air yang dihasilkan (liter)
Eff. engine
= 0.7
P
= tekanan (psi)
Untuk perhitungan debit pada saat recovery, dapat dicari dengan mengalikan laju
aliran dari pompa dengan recovery ratio.
𝑄𝑝 = 𝑄𝑓 𝑥 𝑌
(16)
dimana
Qf
= laju aliran dari outlet pompa (liter)
Y
= recovery ratio (0.675)
4.9
Hasil Simulasi
Pada bab ini akan dijelaskan hasil dari simulasi sistem berdasarkan setiap kondisi
dari management energy yaitu PV 6 jam, PV 6 jam – baterai 4 jam, dan PV 6 jam – baterai
18 jam. Input dari PV sendiri adalah radiasi matahari dan temperatur sel PV. Radiasi di
dapat dari pengukuran menggunakan Solar Power Meter pada 28 Januari – 2 Februari
2021 di Pakisaji, Malang dari pukul 09.00 – 14.00 WIB.
Tabel 4.12. Hasil Pengukuran Radiasi Matahari
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
2
Iradiasi (W/m )
715.85
791.82
875.53
935.88
829.15
14.00
731.82
4.9.1 Hasil Simulasi Kondisi PV 6 Jam
Pada kondisi ini, beban reverse osmosis hanya disuplai oleh PV tanpa
menggunakan baterai. PV berjumlah 130 buah dan mulai menyuplai beban RO pukul
09.00-14.00.
53
Power PV Panels (Watt)
Power Output
48000
46000
44000
42000
40000
38000
36000
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
Hour
Gambar 4.30. Grafik Keluaran Daya PV Per Jam
Dalam grafik ditunjukkan bahwa pada 1 jam pertama yaitu antara pukul 09.0010.00, daya yang dikeluarkan PV adalah 41500 W dan semakin besar seiring dengan
semakin besarnya pula iradiasi matahari. Puncaknya adalah di jam ke 4 atau pukul 12.00
yaitu sebesar 45750 W. Kemudian daya yang dikeluarkan kembai turun seiring dengan
iradiasi matahari yang menurun, dan pada pukul 14.00, daya yang dihasilkan adalah
40000 W.
Tabel 4.13. Hasil Debit Air Kondisi PV 6 Jam
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
Total
Debit air dari PV (liter)
3736.443045
3736.443045
3951.171248
4104.539125
3831.027607
3583.056287
22942.68
54
Debit air dari PV
4200
Debit
4000
3800
3600
3400
3200
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
Jam
Gambar 4.31. Grafik Kapasitas Air yang Dihasilkan
Berdasarkan grafik, dapat dilihat bahwa pada pukul 09.00-10.00 atau 1 jam
pertama, debit air yang dihasilkan adalah sekitar 3750 liter dan semakin meningkat
seiring meningkatnya iradiasi matahari. Debit air maksimal yang dihasilkan berada pada
pukul 12.00 yaitu 4100 liter dan kembali menurun seiring dengan menurunnya iradiasi
matahari. Kapasitas total debit air yang dihasilkan selama 6 jam adalah 22.942 m3 atau
22942 liter.
4.9.2 Hasil Simulasi Kondisi PV 6 Jam – Baterai 4 Jam
Pada kondisi ini, beban reverse osmosis hanya disuplai oleh PV dan baterai. PV
berjumlah 220 buah mulai menyuplai beban RO pukul 09.00-14.00 dan dilanjutkan
baterai pada pukul 14.00-18.00.
Tabel 4.14. Hasil Debit Air Kondisi PV 6 Jam – Baterai 4 Jam
Debit air dari
Debit air dari
PV (liter)
baterai (liter)
09.00
3736.443
10.00
3736.443
11.00
3951.1712
12.00
4104.5391
13.00
3831.0276
14.00
3583.0563
3458.00723
15.00
3458.00723
16.00
3458.00723
17.00
3458.00723
18.00
13832.0289
Total
22942.68
55
Debit Air yang Dihasilkan
4200
4000
Debit
3800
3600
3400
3200
3000
09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00
Jam
Debit air dari PV
Debit air dari baterai
Gambar 4.32. Grafik Kapasitas Air yang Dihasilkan
Berdasarkan grafik, dapat dilihat bahwa pada 6 jam pertama yaitu pukul 09.0014.00, beban masih disuplai menggunakan PV dan menghasilkan debit air total sebesar
22942 liter. Pada jam ke 7-10 atau pukul 14.00-17.00, sistem RO mulai disuplai oleh
baterai. Total debit air yang dihasilkan selama 10 jam adalah 36.775 m3 atau 36775 liter
dan debit air yang dihasilkan oleh baterai selama 4 jam adalah 13.832 m3
4.9.3 Hasil Simulasi Kondisi PV 6 Jam – Baterai 18 Jam
Pada kondisi ini, beban reverse osmosis hanya disuplai oleh PV dan baterai. PV
berjumlah 520 buah dan mulai menyuplai beban RO pukul 09.00-14.00 dan sisanya akan
disuplai oleh baterai selama 18 jam.
Tabel 4.15. Hasil Debit Air Kondisi PV 6 Jam – Baterai 18 Jam
Debit air dari
PV (liter)
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
3736.443
3736.443
3951.171
4104.539
3831.028
3583.056
Debit air dari
baterai (liter)
3458.007
3458.007
3458.007
56
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
Total
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
3458.007
67355.32
22942.68
Debit Air yang Dihasilkan
4200
4000
Debit
3800
3600
3400
3200
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
3000
Jam
Debit air dari PV
Debit air dari baterai
Gambar 4.33. Grafik Kapasitas Air yang Dihasilkan
Berdasarkan grafik, dapat dilihat bahwa pada 6 jam pertama yaitu pukul 09.0014.00, beban masih disuplai menggunakan PV dan menghasilkan debit air total sebesar
22.942 m3. Pada jam ke 7-24, sistem RO mulai disuplai oleh baterai. Total debit air yang
dihasilkan selama 24 jam adalah 90.298 m3 atau 90298 liter dan debit air yang dihasilkan
oleh baterai selama 18 jam adalah 67.355 m3.
57
4.10 Perbandingan Hasil Antara Hitungan dan Simulasi
Terdapat perbedaan antara debit air yang dikeluarkan oleh sistem reverse osmosis
menggunakan perhitungan dan menggunakan simulasi MATLAB. Perbedaan tersebut
disebabkan oleh input PV yaitu iradiasi matahari yang selalu berubah-ubah tiap jam nya.
Sedangkan pada perhitungan, iradiasi matahari tidak diperhitungkan atau dianggap
konstan pada nilai 1000 W/m2 dan temperatur 25 oC yang merupakan kondisi ideal untuk
PV.
Tabel 4.16. Perbandingan Debit Air yang Dihasilkan Antara Perhitungan dengan
Simulasi
Debit air
perhitungan (m3)
Debit air simulasi
(m3)
PV 6 jam
PV 6 jam - baterai
4 jam
PV 6 jam - baterai
18 jam
25
41.67
100
22.942
36.775
90.298
Perbandingan Kapasitas Perhitungan dan
Simulasi
120
Kapasitas
100
80
60
40
20
0
PV 6 jam
PV 6 jam - Baterai 4 jam PV 6 jam - Baterai 18 jam
Capacity (perhitungan)
Capacity (simulasi)
Gambar 4.34. Grafik Perbandingan Kapasitas Antara Perhitungan dan Simulasi
Berdasarkan tabel dan grafik, dapat dilihat bahwa kapasitas debit air yang
dihasilkan dari perhitungan lebih besar daripada pada simulasi. Hal ini dikarenakan
pengaruh iradiasi matahari yang selalu berubah-ubah dan membuat PV tidak dapat selalu
mengeluarkan daya maksimalnya.
58
4.11 Penghematan Energi Oleh PV
Dalam instalasi PV, terdapat pengurangan energi yang dibutuhkan baik oleh PLN
maupun generator dalam menyuplai beban. Penghematan ini dihitung berdasarkan
kebutuhan energi sistem reverse osmosis setiap kondisi dibandingkan dengan energi yang
dihasilkan oleh PV selama 6 jam. Rata-rata penghematan energi akibat PV adalah
94.93%.
Pemakaian 6 Jam
Pemakaian 10 Jam
Pemakaian 24 Jam
Tabel 4.17. Penghematan Energi
Daya yang Dibutuhkan
Daya dari PV
PLN / Generator
Selama 6 Jam
(kWh)
(kWh)
270
255
450
432
1080
Penghematan Rata-Rata
1020
Penghematan
94.44%
95.89%
94.44%
94.93%
59
BAB 5
KESIMPULAN
5.1
Gambaran Umum Penelitian
Latar belakang dari penelitian ini adalah banyaknya masyarakat daerah remote
area yang kekurangan akses air bersih, sehingga masyarakat setempat memanfaatkan
sistem desalinasi untuk memenuhi kebutuhan air bersih. Sistem RO sendiri mempunyai
komponen yang sangat banyak dan beberapa mempunyai daya yang begitu besar
sehingga membutuhkan energi dan biaya yang besar juga sehingga energi terbarukan
diperlukan untuk menghemat pengeluaran biaya. Indonesia merupakan daerah tropis,
sehingga energi surya dapat dimanfaatkan untuk menyuplai beban reverse osmosis.
Hasil dari penelitian ini adalah didapatkan desain PVRO untuk pengaplikasian
pada reverse osmosis plant kapasitas 100 m3/hari, model desain aplikasi PVRO
menggunakan simulasi MATLAB, dan mengetahui kinerja sistem RO yang disuplai
energi oleh solar photovoltaic melalui simulasi MATLAB.
5.2
Kesimpulan
Berdasarkan data yang diperoleh dan analisa yang dilakukan pada penelitian
ini maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Desain solar panel roof memiliki panjang 40.4 meter, lebar 26.5 meter, tinggi
tiang terendah 4 meter, dan luas atap (solar collector area) sebesar 1070.6
meter2. Solar panel roof memiliki kemiringan atap sebesar 12º untuk
memaksimalkan sinar matahari yang masuk ke modul solar panel.
2. Desain aplikasi PVRO menggunakan simulasi MATLAB dilakukan dengan
memasukkan data iradiasi matahari yang dilakukan melalui pengambilan sample
menggunakan solar power meter. Data yang didapatkan dari PV adalah arus dan
voltase yang digunakan untuk menghitung arus keluaran MPPT atau battery
charger. Hasil dari arus MPPT digunakan untuk menghitung arus keluaran dari
inverter, dan hasilnya digunakan untuk menghitung kebutuhan daya reverse
osmosis. Perhitungan daya hidrolik didapatkan dari hasil output inverter, dan
hasil dari daya tersebut dapat digunakan untuk mencari debit air yang dihasilkan
sistem.
3. Penggunaan PV sejumlah 130 unit, untuk kondisi PV 6 jam menghasilkan debit
air sebanyak 22.942 m3, yang mana hasil tersebut masih kurang jika
dibandingkan dengan hasil dari perhitungan sebesar 25 m3. Kondisi ini
membutuhkan daya sebesar 298.56 kWh. Pada kondisi PV 6 jam – baterai 4 jam,
PV yang digunakan sebanyak 220 unit dan 30 unit baterai, dapat menghasilkan
debit air sebanyak 36.775 m3 sedangkan menurut perhitungan adalah 41.67 m3
dan membutuhkan daya sebesar 478.5 kWh. Untuk kondisi PV 6 jam – baterai
18 jam, membutuhkan 520 unit PV dan 130 unit baterai, dapat menghasilkan
90.298 m3 debit air sedangkan menurut perhitungan adalah 100 m3 dan
60
membuthkan daya sebesar 1148.4 kWh. Sedangkan untuk kondisi PV-Generator,
jumlah debit air yang dihasilkan adalah 100 m3 berdasarkan perhitungan dan
daya yang dibutuhkan adalah 1148.4 kWh. Perbedaan debit air ini dikarenakan
pengaruh radiasi matahari yang tidak menentu.
5.3 Saran
Berdasarkan hasil analisa data dan perbandingan dengan penelitian sebelumnya,
terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan sehingga menjadi bahan evaluasi agar
kedepannya terdapat perbaikan dan penelitian yang lebih dalam. Beberapa hal yang
perlu diperhatikan antara lain:
1.
2.
Menambahkan sistem PVRO dengan wind turbine atau wave farm sebagai
alternatif energi untuk menghemat jumlah PV yang dibutuhkan sekaligus
menghemat lahan.
Melakukan pengukuran radiasi matahari selama minimal 1 bulan untuk
mendapatkan data yang lebih valid.
61
DAFTAR PUSTAKA
A Seoudy, H A Lotfy, and I Saleh (2008). “Simulation of A Reverse Osmosis Seawater
Desalination Plant, Part 1: Theoretical Modeling Of A Real Plant And Its
Validation”. Military Technical College Kobry El-Kobbah, Cairo, Egypt.
A.M. Thomson (2003). ”Reverse-Osmosis Desalination of Seawater Powered by
Photovoltaics”. Loughborough University.
Anonim (2010). ”Technical Application Paper No. 10 Photovoltaic Plans”. Italia: ABB
SACE.
Cheah Foong Sing (2004). “Photovoltaic Reverse Osmosis Desalination System”. U.S.
Department of the Interior Bureau of Reclamation.
Ditya, Danang Jawara (2020). “Desain Sistem Desalinasi Menggunakan Metode Reverse
Osmosis di Wilayah Pesisir Pantai”. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
Garud, et al (2011). ”A Short Review on Process and Applications of Reverse Osmosis”.
Journal of Enviromental Research and Technology. Vol. 1.
Kusindriani
N.
(2020).
“Daftar
Tarif
Dasar
Listrik
Terbaru
2020”
https://www.cekaja.com/info/daftar-tarif-dasar-listrik-terbaru-2020-besertarumus-penghitungannya/ diakses pada tanggal 8 September 2020.
Nashed Amir (2014), “High Recovery Rate Solar Driven Reverse Osmosis and
Membrane Distillation Plants for Brackish Groundwater Desalination in Egypt”.
School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering Faculty of
Engineering University of New South Wales Sydney, Australia.
Oi Akihiro (2005) “Design and Simulation of Photovoltaic Water Pumping System”.
Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo.
Pangestuningtyas D.L. (2013). “Analisis Pengaruh Sudut Kemiringan Panel
SuryaTerhadap Radiasi Matahari yang Diterima Oleh Panel Surya Tipe Larik
Tetap”. Semarang. Universitas Diponegoro.
Quanschning, Volker (2005). “Understanding Renewable Energy Systems”. Ukraina.
Rannels, James (2001). “Solar Energy Materials and Solar Cells”. p. 65.
62
World Health Organization and UNICEF (2006). “Meeting the MDG drinking water and
sanitation target”. https://www.who/int/water_sanitation_health.pdf diakses pada
7 Agustus 2020.
Zhang Jin (2015), “Computational Modelling and Evaluation of Reverse Osmosis and
Forward Osmosis Water Treatment Technologies Integrated with CCHP Waste
Heat”. Stanford University.
63
Halaman ini sengaja dikosongkan
64
LAMPIRAN
Lampiran 1 Data Radiasi Matahari Tanggal 28 Januari – 2 Februari 2021
Kamis
Jumat
Sabtu
Minggu
Senin
Selasa
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
646.7
653.6
822.3
786.2
690.1
696.2
885.4
443.7
883
879.6
859.1
800.1
962.2
454.8
968
964.4
942.4
961.4
403.8
711.5
1190
1054
1131
1125
488.1
563
1039
1048
1014
822.8
382.2
969.8
350.2
987.7
973.7
727.3
Lampiran 2 Kapasitas Baterai Kondisi PV 6 Jam – Baterai 4 jam
Kapasitas Baterai
15.00
16.00
17.00
18.00
139645.7
95895.7
52145.7
8395.7
Lampiran 3 Kapasitas Baterai Kondisi PV 6 Jam – Baterai 4 jam
Kapasitas Baterai
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
752145.7
708395.7
664645.7
620895.7
577145.7
533395.7
489645.7
445895.7
402145.7
358395.7
314645.7
270895.7
227145.7
183395.7
139645.7
65
06.00
07.00
08.00
Lampiran 4 Script PVRO MATLAB
95895.69
52145.69
8395.687
66
67
68
69
70
71
72
73
74
Lampiran 5 Spesifikasi Modul Suntech
Lampiran 6 Spesifikasi Victron Energy Inverter Easy Solar 24/3000/70-50
75
Lampiran 7 Spesifikasi Victron Energy Smart Controller 150/70 VE. Can
Lampiran 8 Spesifikasi Victron Energy Lithium-ion HE
76
Lampiran 9 Spesifikasi Modul Grape Solar
Lampiran 10 Spesifikasi Victron Energy Phoenix Inverter 48/5000
77
Lampiran 11 Spesifikasi Victron Blue Solar Charge Controller MPPT 150/100 VE.
Can
Lampiran 12 Spesifikasi XANTREX Lithium Ion 300 AH 24V
78
Lampiran 13 Spesifikasi Generator Caterpillar XQ45
79
BIODATA PENULIS
Penulis mempunyai nama lengkap Anisa Ayu Sophia Dewi
dan biasa dipanggil Sophie. Dilahrikan di Kota Malang pada
tanggal 28 Februari 2000. Penulis merupakan anak pertama
dari tiga bersaudara. Penulis telah menyelesaikan jenjang
pendidikan formal di SD NU Kepanjen (2006-2012), MTs
Negeri 1 Malang (2012-2014), dan SMA Negeri 3 Malang
(2014-2017). Penulis melanjutkan Pendidikan tinggi di
Departemen Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi
Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember dengan
bidang studi Marine Machinery and System (MMS) dengan
NRP 04211740000047. Penulis pernah menjalani Kerja
Praktik di PT. Orela Shipyard untuk mempelajari proses
repair kapal MT. Lintas IX sekaligus mempelajari proses inspeksi kapal. Kerja Praktik II
dilakukan di Kangean Energy Indonesia Ltd. dan ditempatkan di divisi Production.
Disana penulis mempelajari proses pengeboran gas hingga distribusi, proses
maintenance, dan health and safety environment. Selama masa perkuliahan, penulis aktif
dan berpengalaman dalam berbagai organisasi serta kepanitiaan. Penulis pernah menjadi
Staff Hubungan Luar Himpunan Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan (Himasiskal)
periode 2019-2020, dan dilanjutkan dengan menjadi Wakil Kepala Departemen
Hubungan Luar Himasiskal periode 2020-2021. Selain itu penulis pernah menjadi
Sekretaris Short Course Sertifikasi Insinyur Profesional 2019 yang diadakan Ikatan
Alumni Fakultas Teknologi Kelautan (ALFATEKELITS), dan Sekretaris pelatihan
Microsoft Project yang diadakan iMarest. Selain kegiatan kepanitiaan, ada beberapa
pelatihan yang penulis ikuti semasa perkuliahan yaitu Character Building Himasiskal,
LKMM Pra TD, Pelatihan AutoCAD Basic, dan Pelatihan MATLAB Basic.
Anisa Ayu Sophia
04211740000047
Sophiadewi12@gmail.com