4

BAB II

DASAR TEORI

Bab ini merupakan inti dari tugas akhir ini pembahasan perancangan meliputi

perangkat keras sistem pengeringan batang eceng gondok menggunakan Solar Crop

Drying, otomatisasi proses pengisian aki dengan panel surya, penggunaan kipas dan

heater yang dikontrol menggukan Arduino Mega dengan tambahan beberapa modul

seperti buck and boost, volt meter dan ampere meter, UBEC (Universal Battery

Elimination Circuit), relay, sensor tegangan, higrometer, DC to AC inverter, dan buzzer.

Sebagai alat pengering, solar crop drying telah banyak diteliti dan digunakan

oleh Universitas lain dan perusahaan yang berbasis mengolah bahan basah menjadi

bahan kering.

Tabel 2.1. Beberapa Penelitian Terdahulu Tentang Alat Pengering Surya

No. Judul Hasil Peneliti

1. Integrated Use

Of Solar

Energy For

Crop Drying

Menemukan beberapa pendekatan baru

dalam penerapan alat pengering bahan

organik untuk menghasilkan produk

kualitas tinggi dengan harga jual yang

kompetitif. (Farkas, 2011)[1]

Istvan Farkas,

Department of

Physics and

Proces Control,

Szent Istvan

University

2. A Review On

Indirect Solar

Dryers

Ulasan makalah ini difokuskan pada jenis

pengering surya. Dalam makalah ini juga

dipelajari sebuah studi komprehensif

tentang bagaimana pengering surya sebagai

sistem pengeringan energi matahari dan

berbagai modifikasi desain yang diterapkan

pada alat pengering menggunakan energi

matahari sesuai bahan yang akan

dikeringkan.[2]

Pranav C.

Phadke,

Pramod V

.Walke dan

Vilayatrai M.

Kriplani,

Raisoni College

of Engineering,

Nagpur, India

5

3. Design And

Construction

Of A Solar

Drying System

For Food

Preservation

Penerapan susunan alat pengering dengan

permukaan yang menghadap sinar matahari

dicat dengan warna hitam

yang mengandung (5%) kromium bubuk

untuk meningkatkan kemampuan menyerap

panas matahari.[3]

Abdulelah Ali

Al-Jumaah

dkk.,College of

Engineering

Jazan

University

4. Design and

Construction of

Forced

Convection

Indirect Solar

Dryer for

Drying

Moringa

Leaves

Metode konveksi pengering tenaga surya

yang dirancang dan dibangun

menggunakan bahan seadanya. Pengering

dibuat dan disusun sedemikian rupa untuk

mampu mengeringkan daun cukup cepat

sehingga tingkat pengeringan yang

diinginkan dapat dicapai dalam rangka

untuk memastikan kualitas daun kelor

kering yang unggul. [4]

S.K. Amedorme,

J. Apodi, and K.

Agbezudor,

Department of

Mechanical

Engineering,

KNUST,

Kumasi, Ghana

5. Design And

Evaluation Of

Solar Maize

Grain Dryer

With a Back-

up Heater

Efisiensi sistem pengering yang dibantu

dengan tenaga surya diperkirakan 57,7%

dengan laju pengeringan rata-rata dari

0.077kg / jam. Tetapi dengan menggunakan

back-up operasi efisiensi pemanasan solar

dryer dapat membantu hingga 17,8%.

Dalam keadaan seperti ini jelas bahwa

teknologi pengeringan tenaga surya modern

lebih cepat dari metode pengeringan

matahari terbuka. Pengering tenaga surya

yang dirancang juga memiliki keuntungan

yaitu kerusakan produk yang disebabkan

dari serangga, burung,tikus, mirko

organisme dan kondisi iklim yang

merugikan dapat berkurang. Serta waktu

pengeringan juga sangat berkurang.[5]

Tonui K.

Stephen

University of

Nairobi

School of

Engineering

6

Keterkaitan dengan penelitian sebelumnya adalah pembuatan alat pengering

menggunakan energi dari matahari sebagai sumber energi panas yang digunakan untuk

pengeringan. Pembeda dari penelitian yang sebelumnya adalah penambahan panel surya

untuk penggerak kipas dan mengisi akumulator. Akumulator berfungsi sebagai

cadangan tegangan bila tegangan yang dihasilkan oleh panel surya tidak sanggup

menggerakkan kipas dan sebagai sumber tegangan lampu bolam sebagai pemanas pada

solar crop drying.

2.1. Eceng Gondok

Eichornia Crassipes (Eceng Gondok ) hidup di daerah tropis maupun subtropis.

Eceng gondok digolongkan sebagai gulma perairan yang mampu menyesuaikan

diri terhadap perubahan lingkungan dan berkembang biak secara cepat. Tempat

tumbuh yang ideal bagi tanaman eceng gondok adalah perairan yang dangkal dan

berair keruh, dengan suhu berkisar antara 28-30ºC dan kondisi pH berkisar 4-12.

Di perairan yang dalam dan berair jernih di dataran tinggi, tanaman ini sulit

tumbuh. Eceng gondok mampu menghisap air dan menguapkanya ke udara melalui

proses evaporasi.(Ratnani, Hartati, & Kurniasari, 2010) [6]

Gambar 2.1. Populasi Eceng Gondok di Rawa Pening [7]

Danau dan sungai sebagai salah satu sumber air, saat ini tak dapat dipungkiri

telah banyak yang tercemar akibat bahan buangan yang mengandung logam berat, serta

banyak di antaranya mendapat gangguan gulma eceng gondok. Gulma merupakan

7

tumbuhan penggangu yang dapat berubah statusnya dalam berbagai habitat menurut

kepentingan manusia (Soerjani dalam Roekmijati, 1997). Oleh karena itu tantangan

bagi manusia untuk mengubah eceng gondok yang berstatus sebagai gulma

penggangu menjadi sumber daya yang berproduktifitas tinggi (Tosepu, 2012).[8]

Gambar 2.2. Batang Eceng Gondok [9]

2.2. Solar Crop Drying

Sistem pengeringan menggunakan energi matahari sudah tersedia secara bebas

sebagai pengganti bahan bakar konvensional untuk mengeringkan produk, dengan cara

menggunakan pasokan panas matahari. Karena permintaan bahan bakar konvensional

dapat mengurangi maka cara ini dapat menghemat biaya yang signifikan. Dan solar

crop drying ini sendiri adalah sebuah alat untuk mengkap panas yang diterima oleh

matahari secara efisien.

Pengering surya mengubah energi matahari menjadi panas yang bertujuan

menurunkan kadar air dari biji-bijian dan tanaman. Sebagian besar pengering surya

memiliki tiga komponen pengering utama:

• Sebuah ruang pengeringan di mana bahan organik / produk dikeringkan.

• Sebuah kolektor surya yang berfungsi untuk memanaskan udara. dan

• Beberapa jenis sistem aliran udara (buatan atau alami).

8

Udara disirkulasi oleh kipas, yang menggunakan 20-40W daya dari panel fotovoltaik,

generator, atau utilitas pusat. Udara dipanaskan oleh energi surya dan dialirkan dengan

kipas, kemudian udara panas tersebut mengalir ke bagian pengeringan bahan(Paul &

Obiero, 2013).[5]

Kolektor surya dapat dihubungkan ke ruang penyimpanan panas yang digunakan

sebagai tempat pengeringan. Sistem ini memproduksi udara panas dan dapat digunakan

untuk teknologi pengguna panas lainnya. Keuntungan dari sistem ini adalah dapat

memaksimalkan penggunaan energi sinar matahari. Kipas dalam hal ini berfungsi untuk

mengalirkan udara panas melalui pipa pengeringan, dan pada tempat pengeringan juga

dapat diberi tambahan panas oleh kompor minyak / gas jika itu perlu (Farkas, 2011).[1]

Perancangan dari ruang pengering tergantung pada banyak faktor seperti

produk yang akan dikeringkan, suhu yang diperlukan dan kecepatan udara kering bahan,

kuantitas produk kering dan kelembaban relatif udara yang lewat di atas

bahan (Al-jumaah, Asiri, Alshehri, Deash, & Al-hamzi, 2013). [3]

Gambar 2.3. Cara Kerja Solar Crop Drying [3]

9

Gambar 2.4. Sumber Skema Alat

(sumber: Design and Construction of a Solar Drying System for Food

Preservation,2013)[3]

Dari gambar 2.4 dapat kita simpulkan bahwa solar crop drying mengalirkan

kalor yang diterima oleh matahari melalui atas dan bawah, dengan cara mengalirkan

udara panas yang terkumpul pada pipa. Dalam penelitian kali ini menambahkan panel

surya sebagai sumber tegangan penggerak kipas untuk mengalirkan udara panas melalui

pipa (Akarslan, 2012).[10]

Alasan pada tugas akhir ini menggunakan solar crop drying tipe Distributed

Indirect adalah agar eceng gondok tidak terkena sinar matahari langsung dan

mendapatkan tambahan udara panas dari tempat penyalur panas yang telah dibuat. Jadi

hasil yang diharapkan adalah eceng kering dengan waktu penjemuran yang lebih singkat

dan kualitas yang lebih baik.

2.3. Solar Cell

Panel surya / solar cell adalah perangkat untuk menerima cahaya dan kalor yang

dihasilakan oleh matahari melalui semikonduktor dan mengubahnya menjadi energi

listrik. Fenomena memproduksi tegangan dan arus dengan cara ini dikenal sebagai efek

fotovoltaik. Intensitas cahaya matahari di permukaan bumi adalah sekitar seribu watt

10

per meter persegi. Sehingga area yang digunakan oleh sel-sel dalam medan fotovoltaik

sistem mungkin relatif besar meskipun konversi kalor maksimal dari matahari ke energi

listrik hanya berkisar 30%.

Gambar 2.5. Solar Cell Polycrystalline [11]

Bahan bakar untuk panel surya yaitu sinar matahari yang dapat diperoleh secara

bebas dan melimpah. Karena intensitas sinar matahari maksimal yang masuk ke

permukaan bumi sekitar seribu watt per meter persegi maka bagian sel-sel dalam daya

fotovoltaik sistem mungkin relatif besar, dan harus dipertimbangkan dalam perhitungan

adalah perbandingan biaya listrik yang dihasilkan. Faktor utama yang menentukan

apakah sel surya akan digunakan untuk memasok listrik dalam situasi tertentu adalah

biaya per unit output relatif terhadap sumber daya alternatif, untuk memperoleh,

memasang, dan mengoperasikan sistem fotovoltaik panel surya. (White, 1983)[12]

Ada beberapa jenis sel surya yang dijual di pasaran. Jenis pertama, yang terbaik

saat ini, adalah jenis monokristalin. Panel ini memiliki efisiensi 12-14%. Jenis kedua

adalah jenis polikristalin atau multikristalin, yang terbuat dari kristal silikon dengan

efisiensi 10-12%. Jenis ketiga adalah silikon jenis amorphous, yang berbentuk film

tipis. Efisiensinya sekitar 4-6%. Sel surya jenis ini banyak dipakai di mainan anak-anak,

jam dan kalkulator. Yang terakhir adalah panel surya yang terbuat dari GaAs (Gallium

Arsenide) yang lebih efisien pada temperatur tinggi. (Damastuti, 1997)[13]

11

Tabel 2.2. Data dari percobaan panel surya yang diuji dari segala kondisi cuaca:

Panel surya yang akan digunkan untuk alat yang dibuat sama dengan panel surya

yang digunakan untuk percobaaan diatas yaitu menggunakan tipe Polycrystalin tipe

SRM-50D, 50 WP, dimensi 629 × 535 × 28 dalam satuan mili meter. Tegangan

keluaran maksimal pada panel surya adalah 19,605 volt. Hal tersebut akan

mengakibatkan baterai akan rusak oleh over-charging dan ketidak stabilan tegangan.

Karena pada umumnya baterai di-charge pada tegangan 14 - 14.4 volt. Jadi dibutuhkan

solar charge controller untuk mengontrol kestabilan tegangan pengisian pada baterai.

Dalam perancangan kali ini solar charge controller digantikan dengan buck and boost

converter karena dari segi penggunaan serta harga yang lebih efisien.

2.4. Buck and Boost Converter

Buck-boost converter adalah jenis DC-to-DC converter yang berfunsi sebagai

penyetabil tegangan keluaran serta dapat menaikkan dan menurunkan tegangan

keluaran. Tegangan masukan minimum pada buck-boost converter adalah 3V. Hal ini

setara dengan converter flyback menggunakan satu induktor bukan trafo.

12

Gambar 2.6. Buck and Boost Converter

Buck-boost (step-down dan step-up) konverter banyak digunakan dalam

Industrial Personal Computers (IPCs), Poin-Of-Sale (POS) sistem, dan otomotif start-

stop system. Dalam aplikasi ini, tegangan input bisa lebih tinggi atau lebih rendah dari

tegangan output yang diinginkan. Buck-boost converter memiliki output negatif

tegangan yang terhubung dengan ground. Single End Primary inductor Convertor

(SEPIC), Zeta converter, dan two switch buck-boost converters memiliki keluaran

positif atau non-inverting output. Namun, dibandingkan dengan basic inverting buck

and boost converter, ketiga topologi non-inverting memiliki komponen daya tambahan

dan mengurangi efisiensi. (Haifeng, 2014)[14]

Persamaan mode buck:

(2.1)

Dimana:

L = Jumlah besaran lilitan

Vinmax = Tegangan input maksimum

Vout = Tegangan output yang diinginkan

Iout = Diinginkan arus keluaran maksimum

Fsw = Frekuensi switching dari konverter

Kind = koefisien estimasi arus

Sebuah estimasi arus yang baik untuk induktor adalah 20% sampai 40% dari

arus keluaran, atau 0,2 < Kind < 0,4.

L > Vout × (Vinmax - Vout)

Kind × Fsw × Vinmax ×Iout

13

Persamaan mode boost:

(2.2.)

Dimana:

L = Jumlah besaran lilitan

Vinmin = Tegangan input minimum

Vout = Tegangan output yang diinginkan

Iout = Diinginkan arus keluaran maksimum

Fsw = Frekuensi switching dari konverter

Kind = Koefisien estimasi

Sebuah estimasi yang baik untuk saat ini induktor adalah 20% sampai 40% dari arus

keluaran, atau 0,2 < Kind < 0,4.(Michael, 2012)[15]

Gambar 2.7. Skema Rangkaian Buck and Boost [15]

2.5. Aki atau Accumulator

Akumulator (accu, aki) adalah sebuah alat yang dapat menyimpan energi

(umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Contoh-contoh akumulator adalah

baterai dan kapasitor. Pada umumnya di Indonesia, kata akumulator (sebagai aki atau

accu) hanya dimengerti sebagai "baterai" mobil. Sedangkan di bahasa Inggris, kata

accumulator dapat mengacu kepada baterai, kapasitor, kompulsator, dan lain-lain.

L > Vinmin

2 × (Vout – Vinmin)

Fsw × Kind × Iout × Vout2

14

Di dalam standar internasional setiap satu cell akumulator memiliki tegangan

sebesar 2 volt. sehingga akumulator 12 volt, memiliki 6 cell sedangkan akumulator 24

volt memiliki 12 cell. Akumulator merupakan sel yang banyak kita jumpai karena

banyak digunakan pada sepeda motor maupun mobil. Aki temasuk sel sekunder, karena

selain menghasilkan arus listrik, akumulator juga dapat diisi arus listrik kembali. secara

sederhana akumulator merupakan sel yang terdiri dari elektrode Pb sebagai anode dan

PbO2 sebagai katode dengan elektrolit H2SO4.

Gambar 2.8. Aki 12V 10A

Pada pembuatan solar crop drying yang dibuat sekarang ini menggunakan

akumulator motor dengan tegangan 12V dan arus 10AH (Ampere Hour). Penggunaan

akumulator untuk menjadi sumber tegangan suatu sistem memiliki perhitungan.

Perhitungan bila mengggunakan akumulator 12V dan arus 10A:

Tegangan akumulator (Va) = 12V

Arus ai (Ia) = 10A

Daya pakai (Pw) = 90 watt

Daya Aki : Pa = Va × Ia

Pa = 12 × 10

Pa = 120 watt (2.3)

15

Lama pemakaian Aki: Ta = 𝐏𝐚

𝐏𝐰

Ta = 𝟏𝟐𝟎

𝟗𝟎

Ta = 1,33 jam - dieffisiensi Aki sebesar 20 %

Ta = 80 – 16

Ta = 64 menit / 1 jam (2.4)

Jadi dapat disimpulkan bahwa akumulator dapat digunakan dari full hingga

habis jika diberi daya pakai 90 watt adalah 1 jam atau sekitar 64 menit.

Kemudian pengisian akumulator juga menggunakan rumus perhitungan secara teoritis.

Misal:

Pengisian akumulator motor bertegangan 12V dengan arus 10 AH dengan

tegangan keluaran dari Solar Charge Controller 12V dengan arus 500 mA

Rumus teori:

Waktu pengisian = 𝐀𝐫𝐮𝐬 𝐚𝐤𝐢

𝐀𝐫𝐮𝐬 𝐩𝐞𝐧𝐠𝐢𝐬𝐢𝐚𝐧 × 20%

= 𝟏𝟎𝐀

𝟎,𝟓 𝐀 × 20%

= 20 + 4

= 24 jam (2.5)

(NB: 20% dari hasil perhitungan waktu pengisian)

Dalam perancangan alat kali ini pengisian akumulator hanya dilakukan ketika

cuaca panas. Karena akumulator hanya digunakan waktu cuaca benar mendung dan

tidak menghasilkan tegangan 12 V. Dan bila mendapat keadaan dimana akumulator

tidak dapat dicas dengan panel surya, maka pengisian akumulator dapat dilakukan

dengan menggunakan adaptor AC to DC.

2.6. Heater

Electrical Heating Element (elemen pemanas listrik) banyak dipakai dalam

kehidupan sehari-hari, baik didalam rumah tangga ataupun peralatan dan mesin

16

industri. Bentuk dan tipe dari Electrical Heating Element ini bermacam macam

disesuaikan dengan fungsi, tempat pemasangan dan media yang akan di panaskan.

Panas yang dihasilkan oleh elemen pemanas listrik ini bersumber dari kawat

ataupun pita yang memilikai hambatan listrik tinggi (Resistance Wire) yang kemudian

di teruskan oleh kipas sehingga panas yang dihasilkan dapat mengalir ke dalam ruangan

Gambar 2.9. Incubator Heater 220V 60 watt

Pada penelitian kali ini jenis pemanas yang digunakan adalah incubator heater

AC 220V 60 watt. Fungsi pemanas pada penelitian ini hanya digunakan pada saat hujan

dan hanya sebagai penjaga suhu ruang agar tidak turun dengan dastis.

2.7. Volt Meter dan Ampere Meter

Volt meter dan ampere meter ini digunakan sebagai alat ukur untuk mengukur

tegangan dan arus. Tegangan input pada modul agar bekerja mulai dari 4,5 sampai 30V

dengan arus masukan minimal 0,02A. Modul ini dapat mengukur tegangan sebesar 0

sampai 100V DC dan arus 0 sampai 10A. Dan pada tugas akhir kali ini volt meter dan

ampere meter digunakan untuk mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan oleh panel

surya dan akumulator.

17

Gambar 2.10. Volt Meter dan Ampere Meter

2.8. UBEC

UBEC (Universal Battery Elimination Circuit) adalah mode swicth DC/DC

regulator, mengeluarkan tegangan yang konstan dan aman untuk receiver, gyro dan

servo. Karena memiliki keluaran tegangan kecil yang konstan, maka UBEC cocok

digunakan untuk regulator arduino.

Gambar 2.11. Hobbywing UBEC

Tegangan keluaran dari UBEC mempunyai tegangan keluaran sebesar 5V 3A

atau 6V 3A yang dipilih dengan menukarkan posisi jumper. Keunggulan UBEC ini

adalah menggunakan IC yang canggih untuk switch mode DC to DC regulator. Fungsi

UBEC pada tugas akhir ini adalah sebagai converter tegangan DC to DC dari 12 V dari

akumulator ke 5 V sebagai tegangan masukan pada arduino.

18

2.9. Arduino Mega

Arduino Mega 2560 adalah modul pengembangan mikrokontroller yang berbasis

Arduino dengan menggunakan chip ATmega 2560. Board ini memiliki pin I/O yang

cukup banyak, sejumlah 54 buah digital I/O pin (15 pin diantaranya adalah PWM), 16

pin analog input, 4 pin UART (serial port hardware). Arduino Mega 2560 dilengkapi

dengan sebuah osillator 16 MHz, sebuah port USB, power jack DC, ICSP header, dan

tombol reset.

Gambar 2.12. Arduino Mega 2560 [16]

Arduino Mega 2560 juga memiliki polyfuse resettable yang melindungi port

USB komputer dari short dan overcurrent. Meskipun kebanyakan komputer

menyediakan perlindungan internal mereka sendiri, sekering menyediakan lapisan

perlindungan ekstra. Jika lebih dari 500 mA diterapkan ke port USB, sekering akan

secara otomatis memutus koneksi atau melepaskan overload.(RobotShop, 2011)[16]

2.10. Relay

Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan

komponen Elektromekanika yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet atau

Coil dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch). Relay menggunakan Prinsip

Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar sehingga dengan arus listrik yang

kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi.

19

Gambar 2.13. Relay 12V

Pada tugas akhir kali ini rela berfungsi sebagai saklar otomatis untuk kipas DC

dan heater yang dikontrol oleh arduino.

2.11. Sensor Tegangan

Prinsip kerja modul sensor tegangan yaitu didasarkan pada prinsip penekanan

resistansi, dan dapat membuat tegangan input berkurang hingga 5 kali dari tegangan

asli. Sehingga, sensor hanya mampu membaca tegangan maksimal 25 V bila diinginkan

Arduino analog input dengan tegangan 5 V, dan jika untuk tegangan 3,3 V, tegangan

input harus tidak lebih dari 16.5 V.

Gambar 2.14. Sensor Tegangan

Sensor tegangan akan digunakan sebagai pembaca tegangan. Dan sebagai

indikator kapan kipas dan heater akan menyala.

20

2.12. Hygrometer

Higrometer (hygrometer) adalah perangkat untuk megukur tingkat kelembapan

dan suhu udara. Beberapa higrometer standar hanya mampu menginformasikan dua

keadaan seperti pada kondisi udara kering atau basah. Sedangkan jenis higrometer

lainnya merupakan bagian dari perangkat yang disebut humidistats, yang digunakan

untuk mengontrol kadar kelembaban udara.

Gambar 2.15. Hygrometer Digital

Higrometer yang digunakan pada tugas akhir ini berfungsi untuk mengukur suhu

dalam dan luar serta kelembapan pada ruang pengeringan solar crop drying.

2.13. DC to AC Inverter

Inverter adalah perangkat elektronika yang dipergunakan untuk mengubah

tegangan DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternating Curent). Output suatu

inverter dapat berupa tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus (sine wave),

gelombang kotak (square wave) dan sinus modifikasi (sine wave modified). Sumber

tegangan input inverter dapat menggunakan battery, tenaga surya, atau sumber tegangan

DC yang lain. Pada tugas akhir ini DC to AC inverter digunakan untuk megubah

tegangan 12 V DC pada akumulator menjadi tegangan 220 V AC sebagai tegangan

masukan pada heater.

21

Gambar 2.16. DC to AC Inverter

2.14. Buzzer

Buzzer adalah komponen elektronika yang dapat mengubah sinyal listrik

menjadi getaran suara. Tegangan masukan buzzer berkisar antara 3 – 30 V tergantung

tipe buzzer apa yang digunakan.

Gambar 2.17. Buzzer DC

Fungsi buzzer pada tugas akhir ini adalah sebagai alarm ketika tegangan pada

akumulator kurang dari 10 V. Jadi ketika tegangan akumulator kurang dari 10 V dan

pada saat buck-boost tidak melakukan pengisian pada akumulator maka buzzer akan

berbunyi sebagai pertanda bahwa tegangan pada akumulaot kurang dari 10 V.