BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Dasar Teori

2.1.1. Energi Surya

Radiasi adalah suatu bentuk energi yang dipancarkan oleh setiap benda yang

mempunyai suhu diatas nol mutlak, dan merupakan satu –satunya bentuk energi

yang dapat menjalar di dalam vacum angkasa luar. Karakteristik atau ciri dasar

radiasi adalah panjang gelombang penjalarannya. Semua benda memancarkan

radiasi dengan berbagai panjang gelombang ini disebut spectrum electromagnetic

[1].

Energi radasi yang dipancarkan oleh sinar matahari mempunyai besaran

yang tetap (konstan), tetapi kerena peredaran bumi mengelilingi matahari dalam

bentuk elips maka besaran konstan matahari bervariasi antara 1308 w/m2 dan

1398 w/m2 [2]. Radiasi matahari yang tersedia diluar atmosfer bumi atau yang

sering disebut konstanta matahari bervariasi sebesar 1353 w/m2 dikurangi

intensitas oleh penyerapan dan pemantulan oleh atmosfer sebelum mencapai

permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang

pendek (ultraviolet) sedangkan karbondioksida dan ua air menyerap sebagian

radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (infra merah). Selain

pengurangan radiasi bumi yang langsung oleh penyerapan tersebut, masih ada

radiasi yang terpisah-pisah oleh molekul-molekul gas, debu dan uap air dalam

atmosfer sebelum mencapai bumi yang disebut radiasi sebaran [1].

Beberapa faktor yang mempengaruhi penerimaan radiasi sinar matahari di

bumi :

1. Sudut datang sinar matahari. Sinar matahari datang tegak lurus akan

memberikan energi sinar yang lebih besar dibanding yang datangnya condong,

karena sinar tegak lurus akan menyinari wilayah yang lebih sempit dibanding

sinar yang datang condong.

2. Panjang hari, bergantung pada musim dan letak lintang suatu tempat.

3. Pengaruh atmosfer. Kejernihan atmosfer memberikan energi radiasi yang kuat,

semakin banyak bahan penyerapan sinar di atmosfer energi radiasi semakin

turun [3].

Konfersi energi yang digunakan dari lux ke w/m2 yaitu :

1 lux = 0,0079 w/m2 [3].

Data histori yang dikumpulkan selama beberapa periode waktu yang dapat

dimanfaatkan untuk mengetahui karakteristik radiasi matahari, dilakukan untuk

mempelajari hubungan karakteristik radiasi matahari dan energi output panel

surya. Nilai radiasi matahari dapat digunakan untuk menghitung output dari

sebuah skema PLTS yang digunakan [4] .

2.1.2. Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Pemanfaatan tenga matahari untuk pembangkitan listrik sebenarnya sudah

dilakukan sejak cukup lama yaitu sejak awal dekade 80-an namun aplikasinya

masih terbatas pada sistem berdaya kecil atau yang lebih dikenal dengan solar

home system (SHS). Sistem SHS biasanya memiliki kapasitas antara 25 sampai

50W sehingga kemampuannya untuk mencatu beban-beban listrik sangat terbatas.

Umumnya,sistem ini digunakan oleh masyarakat pedesaaan yang belum

terjangkau jaringan listrik PLN. Penduduk desa menggunakan SHS sebagai lampu

penerangan untuk menggantikan lampu tradisional yang berbahan bakar minyak

tanah. Penggunaan SHS tentu saja sangat bermanfaat karena mengurangi

penggunaan minyak tanah, mengurangi emisi karbon, lebih mudah digunakan,

lebih aman [5].

PLTS atau lebih dikenal dengan sel surya akan lebih diminati karena dapat

digunakan untuk berbagai keperluan yang relevan dan di berbagai tempat seperti

perkantoran, pabrik, gedung perkuliahan, perumahan dan lainnya. Di Indonesia

yang merupakan daerah tropis mempunyai potensi energi matahari sangat besar

dengan insolsi harian rata-rata 4,5 sampai 4,8 kWh/m2/hari. Energi listrik yang

dihasilkan sel surya sangat dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari yang

diterima oleh sistem. Ketersediaan listrik dan pemanfaatan energi listrik sel surya

secara maksimal sangat diperlukan hibridasi dengan jala-jala listrik PLN [6].

PLTS memanfaatkan cahaya matahari untuk menghasilkan listrik DC

(Direct Current), yang dapat diubah menjadi listrik AC (Alternating Current)

apabila diperlukan. PLTS pada dasarnya adalah pencatu daya dan dapat dirancang

untuk mencatu kebuuhan listrik yang kecil sampai dengan besar, baik secara

mandiri, maupun hybrid [7].

2.1.3. Sel Surya

Sel surya atau yang biasa disebut juga sel photovoltaic merupakan suatu P-

N junction dari silion kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect

dari bahan semikonduktor sehingga dapat menjadi energi listrik. Energi listrik

hasil dari sel surya tersebut berupa arus DC (Direct Current) dan bisa langsung

digunakan atau bisa juga menggunakan battery sebagai sistem penyimpanan

sehingga dapat digunakan pada saat dibutuhkan terutama pada malam hari [8]

Karakteristik utama pada panel surya terdiri dari open circuit (VOC), arus

hubung singkat (ISC), efek perubahan intensitas cahaya matahari, efek perubahan

temperatur serta karakteristik tegangan-arus (V-I characteristic) pada sel surya

[8].

2.1.3.1. Tegangan Open Circuit (VOC)

VOC adalah kapasitas tegangan maksimum yang dicapai saat arus sama

dengan nol sehingga pada saat tersebut daya keluaran adalah nol. Cara untuk

mencapai open circuit (VOC) yaitu dengan menghubungkan kutub positif dan

kutub negatif modul surya dengan voltmeter, sehingga akan terlihat tegangan

open circuit sel surya pada voltmeter [8].

2.1.3.2. Arus Short Circuit (ISC)

ISC adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh modul sel surya dengan cara

menge-short-kan kutub positif dengan kutub negatif pada modul surya. Dan nilai

ISC akan terbaca pada amperemeter. Arus yang dihasilkan modul surya dapat

menentukan seberapa cepat modul tersebut mengisi sebuah battery. Selain itu,

arus dari modul surya juga menentukan daya maksimum dari alat yang digunakan

[8].

2.1.3.3. Efek Perubahan Intensitas Cahaya matahari

Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diterima sel surya berkurang

atau intensitas cahayanya melemah seperti Gambar 2.1, maka besar tegangan dan

arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih

kecil dibandingkan penurunan arus listriknya [8].

Gambar 2.1 Kurva Tegangan-Arus Sel Surya Terhadap Intensitas.

2.1.3.4. Efek Perubahan Suhu pada Sel Surya

Sel surya akan bekerja secara optimum pada suhu konstan yaitu 250C. Jika

suhu disekitar sel surya meningkat melebihi 250C, maka akan mempengaruhi fill

factor sehingga tegangan akan berkurang seperti yang ditunjukkan pada Gambar

2.2. Selain itu, efisiensi sel surya juga akan menurun beberapa persen. Sedangkan

sebaliknya, arus yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan meningkatnya

suhu pada sel surya [8].

Gambar 2.2 Kurva Tegangan-Arus Pada Sel Surya Terhadap Perubahan

Suhu.

2.1.3.5. Karakteristik Tegangan-Arus pada Sel Surya

Penggunaan tegangan dari sel surya bergantung dari bahan semikonduktor

yang digunakan. Jika menggunakan bahan silikon, maka tegangan yang dihasilkan

dari setiap sel surya berkisar 0,5 V. Modul surya merupakan gabungan dari

beberapa sel surya yang dihubungkan secara seri dan paralel sehingga memiliki

karakteristik seperti Gambar 2.3. Tegangan dihasilkan dari sel surya bergantung

dari radiasi cahaya matahari. Untuk arus yang dihasilkan dari sel surya bergantug

dari luminasi (kuat cahaya) matahari, seperti pada saat cuaca cerah atau mendung

[8].

Gambar 2.3. Kurva Karakteristik V-I Pada Sel Surya

2.1.3.6. Koneksi Antar Modul Surya

Sbuah sel surya memiliki keterbatasan dalam menyuplai daya, sehingga

dalam aplikasi, sel surya jarang digunakan secara individual. Pada umumnya, sel-

sel yang identik dihubungkan secara seri dalam membuat sebuah modul agar

tegangan yang dihasilkan sel surya lebih besar dengan tegangan total sebesar VOC1

+ VOC2 namun arus yang dihasilkan tetap berdasarkan hukum Kirvhoff.

Sedangkan bila dua modul surya dirangkai secara paralel, besarnya tegangan yang

dihasilkan adalah tetap dengan arus total sebesar I1+I2 berdasarkan hukum

Kirchoff [8].

Pengaruh koneksi seri paralel pada modul surya terhadap kurva V-I dapat

dilihat pada Gambar 2.4 dibawah ini.

Gambar 2.4 Pengaruh Koneksi Seri Paralel Modul Surya Terhadap Kurva

Krakteristik I-V.

2.1.2. Jenis – Jenis Sel Surya

Pengembangan sel surya silikon terdiri atas pengembangan secara individu

maupun terpadu. Adapun pengembangan secara individu (Chip) yaitu :

1. Mono-Crytalline (Si)

Terbuat dari silikon kristal tunggal yang didapat dari peleburan silikon

dalam bentuk bujur. Sekarang Mono-Crystalline dapat dibuat setebal 200 mikron,

dengan nilai effisiensi sekitar 24% [9].

2. Poly-Crystalline/Multi-Crystalline (Si)

Terbuat dari peleburan silikon dalam tungku keramik, kemudian

pendinginan perlahan untuk mendapatkan bahan campuran silikon yang akan

muncul diatas lapisan silikon. Sel ini kurang efektif dibanding dengan sel Mono-

Crystalline (efektivitas 18%) tetapi biaya lebih murah [9].

3. Gallium Arsenide (GaAs)

Sel Surya III-V semikonduktor yang sangat efisien sekitar 25% [9].

Pengembangan sel surya silikon secara terpadu “Thin Film” yaitu :

1. Amorphous Silikon (a-Si)

Banyak dipakai pada jam tangan dan kalkulator, sekarang dikembangkan

untuk sistim bangunan terpadu sebagai pengganti tinted glass yang semi-

transparan [9].

2. Thin Film Silikon (tf-Si)

Terbuat dari Thin-Crystalline atau Poly-Crystalline pada grade bahan metal

yang cukup murah (Cladding System) [9].

3. Cadmium Telluride (CdTe)

Terbentuk dari bahan materi Thin film Poly-Crystalline dengan nilai

effisiensi 16% [9].

4. Copper Indium Diselenide (CulnSe2/CIS)

Merupakan bahan dari film tipis Poly-Crystalline yang memiliki nilai

effisiensi 17,7% [9].

2.1.3. Faktor Pengoperasian Sel Surya

Pengoperasian maximum sel surya sangat tergantung pada :

a. Ambient Air Temperature

Sebuah sel surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap

normal (pada 25 0C), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal

pada PV sel akan melemahkan voltage (VOC). Setiap kenaikan temperatur sel

surya 1 0C (dari 25

0C) akan berkurang sekitar 0,5% pada total tenaga yang

dihasilkan atau melemah dua kali lipat untuk kenaikan temperatur sel per 10 0C,

dapat dilihat pada Gambar 2.5 [9].

Gambar 2.5. Effect of Cell Temperature on Voltage (V)

Menghitung besarnya daya yang berkurang pada saat temperatur di sekitar

panel surya mengalami kenaikan oC dari temperatur standarnya, dipergunakan

rumus sebagai berikut [10] :

Psaat t naik oC = 0,5%/

0C x PMPP x Kenaikan Temperatur (

oC) (2.1)

Keterangan :

Psaat t naik oC : Daya pada saat temperatur naik

oC dari temperatur

standarnya.

PMPP : Daya keluaran maksimum panel surya.

Daya keluaran maksimum panel surya pada saat temperaturnya naik

menjadi t oC dari temperatur standarnya diperhitungkan dengan rumus

sebagai berikut [10] :

𝑃 𝑃 (2.2)

PMPP saat naik menjadi C adalah daya keluaran maksimum panel surya pada saat

temperatur disekitar panel surya naik menjadi t C dari temperatur standarnya.

Faktor koreksi temperatur (Temperature Correction Factor) diperhitungkan

dengan persamaan sebagai berikut [10] :

(2.3)

b. Radiasi Solar Matahari (Insolation)

Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariabel, dan sangat

tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan

banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt (V), yang ditunjukan pada

Gambar 2.6 [9].

Gambar 2.6. Effect of Insolation Intensity on Current

c. Kecepatan Angin Bertiup

Kecepatan tiupan angin disekitar lokasi PV array dapat membantu

mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array [9].

d. Keadaan Atmosfir Bumi

Keadaan atmosfir bumi yaitu cerah, berawan, dan mendung serta jenis

partikel bumi seperti debu, asap, uapair udara (Rh), kabut dan polusi sangat

menentukan hasil maksimum arus listrik dari deratan PV juga sangat

mempengaruhi hasil energi maksimum arus listrik dari deretan modul surya [9].

e. Sudut Orientasi Matahari (Tilt Angel)

Dengan mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel

PV secara tegak lurus akan mendapatkan maksimum ± 1000 W/m2 atau 1 kW/m

2.

Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan

bidang PV, maka ekstra luasan bidang panel PV dibutuhlan (bidang panel berubah

terhadap PV sun altitude yang berubah setiap jam dalam sehari), seperti yang

ditunjukan pada Gambar 2.7 [9].

Gambar 2.7. Ekstra Luasan Panel PV Dalam Posisi Datar

Solar panel PV pada Equator (latitude = 0 derajat0 yang diletakkan

mendatar (tilt angel = 0) akan menghasilkan energi maksimum, sedangkan untuk

lokasi dengan latitude berbeda harus dicarikan “tilt angel” yang optimum.

Perusahaan BP solar telah mengembangkan sebuah software untuk menghitung

dan memperkirakan energim optimum dengan letak latitude, longitude dan

optimum tilt angel untuk setiap lokasi di seluruh dunia.

f. Peletakan modul solar cell

Penempatan panel surya yang optimal diperlukan untuk memperoleh

penyerapan energi surya yang optimal. Penempatan tersebut terdiri atas 5 cara,

yaitu:

1. Fixed Array

Penempatan dengan fixed array dilakukan dengan menempatkan panel

surya pada penyangga panel ataupun menyatu pada struktur atap. Penempatan ini

banyak digunakan karena kemudahan dalam instalasi maupun hemat biaya. Pada

cara ini diperlukan perhitungan sudut kemiringan (tilt angle) yang tepat yang

disesuaikan terhadap lokasi pemasangan. Latitude optimum pada 21 maret dan 21

September (Solstices). Perhitungan tersebut dengan menambahkan 23 pada sudut

latitude lokasi penempatan panel surya. Sudut altitude matahari juga berubah

secara konstan, untuk itu diperlukan perhitungan sudut deklinasi untuk posisi

matahari yaitu [9] :

Desember 21 = - 23.45 derajat

Maret 21 = 0 derajat

Juni 21 = + 23.45 derajat

September 21 = 0 derajat.

2. Seasonally Adjusted Tilting

Tilt angle pada cara penempatan ini dapat dirubah secara manual sesuai

sudut yang optimal tiap waktu. Peningkatan produksi energi dapat mencapai ± 5%

dengan merubah tilt angle setiap 3 bulan untuk daerah yang terletak pada Mid-

latitude.[9].

4. One Axis Tracking

Penempatan panel surya dengan pengerak otomatis dengan mengikuti

pergerakan matahari dari timur ke barat secara otomatis. Peningkatan efisiensi

daya keluaran panel surya mencapai 20% dibandingkan Fixed Arrays [9].

5. Two Axis Tracking

Penempatan panel surya dengan pengerak otomatis dengan mengikuti

pergerakan matahari dari timur ke barat dan utara ke selatan secara otomatis.

Peningkatan efisiensi daya keluaran panel surya mencapai ±40% dibandingkan

Fixed Arrays [9].

2.1.4. Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Komponen-komponen untuk pembangkit listrik tenaga surya terdiri dari

berbagai macam komponen yaitu sebagai berikut :

1. Panel Surya

Besarnya daya sesaat yang dihasilkan panel surya diperoleh berdasarkan

data daya yang diterima permukaan panel terhadap daya keluaran panel surya.

Daya tersebut merupakan perkalian antara luas permukaan panel surya dengan

besarnya intensitas radiasi matahari sesaat yang diterima panel surya untuk waktu

tertentu. Adapun persamaan tersebut [11] sebagai berikut :

𝑃 (2.4)

Keterangan:

Pin : Daya masukan terhadap besarnya intensitas radiasi matahari (Watt)

Ir : Intensitas radiasi matahari (Watt/m2)

A : Luas permukaan panel surya (m2)

Tegangan keluaran atau output dari panel surya merupakan perkalian antara arus

hubung singkat (ISC), tegangan rangkaian terbuka (VOC) dan Fill Factor (FF).

Adapun persamaannya [12] adalah sebagai berikut :

𝑃 (2.5)

Keterangan:

POUT : Daya keluaran (Watt)

ISC : Arus Hubung Singkat (Ampere)

VOC : Tegangan Rangkaian Terbuka (Volt)

FF : Fill Factor

(2.6)

Keterangan:

VMPP : Tegangan Maximum Power Point (Volt)

IMPP : Arus Maximum Power Point (Ampere)

Berdasarkan persamaan 2.6 dan 2.7 diperoleh besarnya efisiensi dari sistem

pembangkitan daya panel surya yang merupakan perbandingan antara daya

keluaran dengan daya masukan panel surya. Adapun persamaan efisiensi sesaat

yang terukur [13] sebagai berikut:

(2.7)

Dengan demikian maka persamaan besarnya efisiensi pembangkitan sesaat

panel surya [11] adalah sebagai berikut :

(2.8)

Keterangan:

ηsesaat : Efisiensi sesaat panel surya (%)

P : Daya keluaran panel surya (Watt)

Ir : Intensitas radiasi matahari (Watt/m2)

A : Luas permukaan panel surya (m2)

Daya yang dibangkitkan PLTS (Watt Peak) dapat dihitung dengan

persamaan sebagai berikut [10] :

𝑃 𝑃 (2.9)

Keterangan:

PSI : Peak Solar Insulation (1000W/m2)

𝝶pv : Efisiensi panel surya (%)

Berdasarkan daya pembangkitan PLTS maka jumlah panel yang diperlukan

dalam pengembangan PLTS dihitung dengan persamaan sebagai berikut [10].

𝑃

(2.10)

Keterangan:

PMPP : Daya maksimum keluaran panel surya (Watt peak)

Pwatt peak : Daya pembangkitan (Watt peak)

Panel surya memiliki satu titik operasi yang menghasilkan maksimum pada

suatu kondisi tertentu. Oleh karena itu dalam implementasinya suatu PV

seharusnya dioperasikan pada kondisi ini. Pada kurva akan terdapat nilai tegangan

VMPP dan arus IMPP yang menghasilkan daya maksimum PMPP. Berdasarkan

karakteristik tersebut panel surya yang dibebani dengan tahanan sebesar RMPP

maka akan menghasilkan daya maksimum (PMPP). Namun apabila pembebanan

secara langsung dengan nilai tahanan beban yang tidak sama dengan RMPP maka

akan menyebabkan daya yang dibangkitkan oleh panel surya tidak maksimum

[14]. Adapun karakteristik pembebanan panel surya dapat diamati pada gambar

2.8 sebagai berikut.

Gambar 2.8. Pembebanan Panel Surya [12].

2. Baterai

Baterai adalah komponen PLTS yang berfungsi menyimpan energi listrik

yang dihasilkan oleh panel surya pada siang hari, untuk kemudian dipergunakan

pada malam hari dan pada saat cuaca mendung. Baterai yang dipergunakan pada

PLTS mengalami proses siklus pengisian (charging) dan pengosongan

(discharging) tergantung ada atau tidaknya sinar matahari. Selama ada sinar

matahari, panel surya akan menghasilkan energi listrik. Apabila energi listrik yang

dihasilkan lebih besar dari kebutuhan beban, maka energi akan dipergunakan

untuk mengisi baterai, sebaliknya selama energi listrik yang dihasilkan lebih kecil

dari kebutuhan beban, maka permintaan energi akan disuplai baterai. Ada dua

jenis baterai isi ulang yang dapat dipergunakan untuk sistem PLTS, yaitu baterai

Asam Timbal (Lead Acid) dan baterai Nikel-Cadmium, akan tetapi karena

memiliki efisiensi yang rendah dan biaya yang lebih tinggi, pembuatan baterai

Nikel-Cadmium lebih sedikit dipergunakan dalam sistem PLTS, sebaliknya

baterai Asam Timbal adalah baterai dengan efisiensi tinggi dengan biaya yang

lebih ekonomis. Hal ini membuat baterai Asam Timbal menjadi perangkat

penyimpan yang penting untuk beberapa tahun ke depan, terutama untuk sistem

PLTS ukuran menengah dan besar [10].

Selain menyimpan energi, baterai juga menyediakan energi penting lainnya

untuk PV sistem, termasuk kemampuan untuk menyediakan lonjakan arus yang

lebih tinggi dari pada sumber dari PV array. Kapasitas baterai umumnya

dinyatakan dalam Ah (Ampere hour) [12]. Contohnya untuk baterai dengan

kapasitas arus 45Ah, maka baterai tersebut dapat mencatu arus 45A selama 1 jam.

Kapasitas baterai dalam suatu perencanaan PLTS dipengaruhi pula oleh faktor

autonomy, yaitu keadaan baterai dapat menyuplai beban secara menyuluruh ketika

tidak ada energi yang masuk dari panel surya [12]. Besarnya kapasitas total

baterai (Ah) yang dibutuhkan dalam suatu sistem PLTS dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut [12] :

𝑁

(2.11)

Keterangan:

𝐸𝐿 : Pemakaian Energi Listrik (Wh)

𝑏 : Tegangan Baterai yang Digunakan Pada Sistem (V)

%𝑀 𝑥 𝑂 : Persentasi Nilai DOD Maksimum yang Dapat Digunakan

TCF : Temperature Correction Faktor

: Autonomy Days (hari)

Terdapat suatu ketentuan yang membatasi tingkat kedalaman pengosongan

maksimum pada baterai yang disebut DOD (Depth of Discharge). DOD biasanya

dinyatakan dalam persentase (%). Misalnya, suatu baterai memiliki DOD 80%, ini

berarti bahwa hanya 80% dari energi yang tersedia yang dapat digunakan dan

20% tetap berada dalam cadangan. Pengaturan DOD berperan dalam menjaga usia

pakai (life time) dari baterai tersebut. Semakin dalam DOD yang diberlakukan

pada suatu baterai, maka semakin pendek pula usia pakai dari baterai tersebut

[15].

3. Inverter

Inverter berfungsi untuk merubah arus dan tegangan listrik DC (direct

current) yang dihasilkan array PV menjadi arus dan tegangan listrik AC

(Alternating current). Inverter yang digunakan adalah inverter dengan kapasitas

tergantung dari kapasitas daya modul surya dengan tegangan keluaran AC 220

Volt [7].

Bentuk gelombang yang dihasilkan, inverter dikelompokkan menjadi tiga

yaitu inverter dengan gelombang keluaran berbentuk square, modified dan true

sine wave. Inverter yang terbaik adalah yang mampu menghasilkan gelombang

sinusoidal murni atau true sine wave yaitu bentuk gelombang yang sama dengan

bentuk gelombang dari jaringan listrik (grid utility). Pemilihan kapasitas inverter

yang dibutuhkan harus mampu menerima besarnya arus dari baterai dan saat

beban puncak pemakaian energi. Perhitungan kapasitas inverter bertujuan agar

suplai energi listrik hasil konversi sesuai dengan kebutuhan beban listrik.

Perhitungan kapasitas inverter berdasarkan beban puncak yang harus disuplai

serta dihitung dengan menambahkan faktor future margin, error margin dan

capacity factor seperti persamaan sebagai berikut [15] :

𝑃

(2.12)

Keterangan:

𝑃 : Kapasitas minimum inverter (W)

𝐸𝐿BP : Pemakaian beban puncak (W)

𝑀 : Future Margin (%)

𝐸𝑀 : Error Margin (%)

: Capacity Factor (%)

4. Charger Controller

Charger Controller adalah perangkat elektronik yang digunakan untuk

mengatur pengisian arus searah dari panel surya ke baterai dan mengatur

penyaluran arus dari baterai ke peralatan listrik (beban) dan indikator pada

Charger Controller yang akan memberikan informasi mengenai kondisi baterai

sehingga pengguna PLTS dapat mengendalikan konsumsi energi menurut

ketersediaan listrik yang terdapat di dalam baterai. Charger Controller mempunyai

kemampuan untuk mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah penuh terisi

maka secara otomatis pengisian arus dari panel surya berhenti. Cara deteksi

adalah melalui monitor level tegangan baterai. Charger controller akan mengisi

baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan telah

mencapai level terendah, maka baterai akan diisi kembali [16].

2.1.5. Sistem Pada PLTS

Sistem PLTS umumnya diklasifikasikan menurut konfigurasi komponennya.

Pada prinsipnya ada dua klasifikasi sistem PLTS, yaitu PLTS yang terhubung

dengan jaringan listrik (PLTS-Grid Connected) dan PLTS yang berdiri sendiri

(stand alone) [10].

2.1.5.1. PLTS-Grid Connected

Sistem PLTS-Grid Connected pada dasarnya adalah menggabungkan PLTS

dengan jaringan listrik (PLN). Komponen utama dalam sistem ini adalah inverter,

atau Power Conditioning Unit (PCU). Inverter inilah yang berfungsi untuk

mengubah daya DC yang dihasilkan oleh PLTS menjadi daya AC sesuai dengan

persyaratan dari jaringan listrik yang terhubung (utility grid). PLTS grid

connected ditunjukan pada Gambar 2.9 :

Gambar 2.9. Diagram Sistem Hybrid PLTS-Grid Connected [10].

2.1.5.2. PLTS Berdiri Sendiri (Stand Alone)

Sistem PLTS yang berdiri sendiri (stand alone) dirancang beroperasi

mandiri untuk memasok beban DC atau AC. Jenis sistem ini dapat diaktifkan oleh

array photovoltaic saja, atau dapat menggunakan sumber tambahan energi lain,

seperti air, angin dan mesin diesel. Baterai digunakan pada kebanyakan sistem

PLTS yang berdiri sendiri untuk penyimpanan energi. Gambar 2.10 menunjukkan

diagram dari PLTS yang berdiri sendiri.

Gambar 2.10. Diagram Sistem PLTS Berdiri Sendiri Dengan Baterai [10].

2.1.6. Kapasitas Komponen PLTS

Pembangkit Listrik Tenaga Suraya memiliki kapasitas – kapasitas disetiap

koponennya yaitu sebagai berikut :

2.1.6.1. Jumlah Panel Surya

Jumlah panel surya dipengaruhi oleh bermacam faktor yang harus

diperhitungkan yaitu sebagai berikut :

A. Menghitung perkiraan energi yang dapat disuplai berdasarkan luas area PLTS

Energi yang dapat dihasilkan berdasarkan luas area PLTS dapat dihitung

menggunakan persamaan sebagai berikut [10] :

𝐸 𝑃 (2.13)

Keterangan :

EL : Energi yang dapat dihasilkan

PVarea : Luas Area PLTS

𝝶pv : effisiensi Panel Surya

TCF : Temperature Correction factor

𝝶out : effisiensi inverter

B. Menghitung Daya yang Dibangkitkan PLTS (Watt peak)

Dari perhitungan area array, maka besar daya yang dibangkitkan PLTS

(Watt peak) dapat diperhitungkan dengan persamaan sebagai berikut :

𝑃 𝑃 (2.14)

Keterangan :

PSI : Peak Solar Insolation 1000 W/m2

ηPV : Efisiensi panel surya

Selanjutnya berdasarkan besar daya yang akan dibangkitkan (Wpeak), maka

jumlah panel surya yang diperlukan, diperhitungkan dengan persamaan sebagai

berikut :

𝑃

(2.15)

Keterangan :

Pwatt peak : Daya yang dibangkitkan (Wp).

PMPP : Daya maksimum keluaran (output) panel surya (W).

Untuk memperoleh besar tegangan, arus dan daya yang sesuai dengan

kebutuhan, maka panel-panel surya tersebut harus dikombinasikan secara seri dan

paralel dengan aturan untuk memperoleh tegangan keluaran yang lebih besar dari

tegangan keluaran panel surya, maka dua buah (lebih) panel surya harus

dihubungkan secara seri, untuk memperoleh arus keluaran yang lebih besar dari

arus keluaran panel surya, maka dua buah (lebih) panel surya harus dihubungkan

secara paralel, untuk memperoleh daya keluaran yang lebih besar dari daya

keluaran panel surya dengan tegangan yang konstan maka panel-panel surya harus

dihubungkan secara seri dan pararel.

C. Kapasitas Charger Controller

Charger Controller diperlukan untuk melindungi baterai dari pengosongan

dan pengisian berlebih. Masukan atau keluaran untuk Charge controller

disesuaikan dengan arus (IMPP) keluaran array dan tegangan baterai VB.

D. Kapasitas Baterai

Besar kapasitas baterai yang dibutuhkan untuk memenuhi konsumsi energi

harian menurut [10], dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

𝑁

(2.16)

Keterangan :

I : Kapasitas baterai (Ah).

AD : Hari-hari otonomi (hari).

EL : Konsumsi energi harian (kWh).

Vbaterai : Tegangan baterai (Volt).

TCF : Faktor temperatur

DOD : Kedalaman maksimum untuk pengosongan baterai.

E. Kapasitas Inveter

Pada pemilihan inverter, diupayakan kapasitas kerjanya mendekati

kapasitas daya yang dilayani. Hal ini agar efisiensi kerja inverter menjadi

maksimal.

2.1.7. Aspek Biaya

Aspek biaya yang perlu diperhatikan dalam pembuatan pembangkit listrik

tenaga surya ini ada beberapa macam, yaitu sebagai berikut :

2.1.7.1. Biaya Siklus Hidup (Life Cycle Cost)

Biaya siklus hidup suatu sistem adalah semua biaya yang dikeluarkan oleh

suatu sistem, selama kehidupannya. Biaya siklus hidup (LCC) pada sistem PLTS

ditentukan oleh nilai sekarang dari biaya total sistem PLTS yang terdiri dari biaya

investasi awal, biaya jangka panjang untuk pemeliharaan dan operasional serta

biaya penggantian [10]. Biaya siklus hidup (LCC) dapat dihitung menggunakan

persamaan sebagai berikut :

𝐿 𝑀 (2.17)

Keterangan :

𝐿 : Biaya siklus hidup (life cycle cost).

: Biaya investasi awal adalah biaya awal yang dikeluarkan untuk

pembelian komponen-komponen PLTS, biaya instalasi dan biaya lainnya.

𝑀𝑃𝑊 : Biaya nilai sekarang untuk total biaya pemeliharaan dan operasional

selama n tahun atau selama umur proyek.

𝑃𝑊 : Biaya nilai sekarang untuk biaya penggantian yang harus dikeluarkan

selama umur proyek. Contohnya adalah biaya untuk penggantian baterai.

Nilai sekarang biaya tahunan yang akan dikeluarkan beberapa waktu

mendatang (selama umur proyek) dengan jumlah pengeluaran yang tetap, dihitung

dengan persamaan sebagai berikut [10] :

𝑀 [

] (2.18)

Keterangan:

𝑀𝑃𝑊 : Nilai sekarang biaya tahunan selama umur proyek

: Biaya tahunan

: Tingkat diskonto

: Umur proyek

2.1.7.2. Faktor Diskonto

Perbandingan yang valid antara penerimaan-penerimaan di masa mendatang

dengan pengeluaran dana sekarang adalah hal yang sulit dilakukan karena ada

perbedaan nilai waktu uang. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan

konsep nilai waktu uang (time value of money). Berdasarkan konsep tersebut

maka penerimaan-penerimaan di masa mendatang didiskontokan ke nilai sekarang

sehingga dapat dibandingkan dengan pengeluaran pada saat ini. Faktor diskonto

(discount factor) adalah faktor yang digunakan untuk mengkonversi penerimaan-

penerimaan di masa mendatang menjadi nilai sekarang, sehingga dapat

dibandingkan dengan pengeluran pada masa sekarang [10]. Tingkat diskonto yang

digunakan untuk mengkonversi penerimaan-penerimaan tersebut dapat berupa

tingkat suku bunga pasar (tingkat suku bunga bank). Adapun persamaan faktor

diskonto adalah sebagai berikut :

(2.18)

keterangan:

: Faktor diskonto

: Tingkat diskonto

: Umur proyek

2.1.7.3. Biaya Energi (Cost of Energy)

Biaya energi merupakan perbandingan antara biaya total per tahun dari

sistem dengan energi yang dihasilkannya selama periode yang sama. Berdasarkan

sisi ekonomi, biaya energi PLTS berbeda dari biaya energi untuk pembangkit

konvensional [10]. Hal ini karena biaya energi PLTS, dipengaruhi oleh biaya-

biaya seperti :

1. Biaya awal (biaya modal) yang tinggi.

2. Tidak ada biaya untuk bahan bakar.

3. Biaya pemeliharaan dan operasional rendah.

4. Biaya penggantian rendah (terutama hanya untuk baterai).

Perhitungan biaya energi suatu PLTS ditentukan oleh biaya siklus hidup

(LCC), faktor pemulihan modal (CRF) dan kWh produksi tahunan PLTS. Biaya

energi (cost of energy) PLTS diperhitungkan dengan persamaan (2.13) sebagai

berikut :

𝑂𝐸

(2.19)

keterangan:

𝑂𝐸 : Cost of Energi atau biaya energi (Rp/kWh)

𝐿 : Biaya siklus hidup (life cycle cost)

: Faktor pemulihan modal

𝑘𝑊h : Energi yang dibangkitkan tahunan (kWh/tahun)

2.1.8. Faktor Pemulihan Modal (Capital Recovery Factor)

Faktor pemulihan modal adalah faktor yang dipergunakan untuk

mengkonversikan semua arus kas biaya siklus hidup (LCC) menjadi serangkaian

pembayaran atau biaya tahunan dengan jumlah yang sama [10]. Faktor pemulihan

modal dapat dihitung menggunakan persamaan :

(2.20)

keterangan:

: Faktor pemulihan modal

: Tingkat diskonto

: umur proyek

2.1.9. Waktu Pengembalian Investasi ( Payback period)

Payback Period adalah periode lamanya waktu yang dibutuhkan untuk

mengembalikan nilai investasi melalui penerimaan-penerimaan yang dihasilkan

oleh proyek (investasi). Sedangkan Discounted Payback Period adalah periode

pengembalian yang didiskonkan [7]. Teknik DPP dirumuskan sebagai berikut [7] :

𝑁𝑃 ∑

𝑀

(2.21)

Keterangan :

NCFt : Net Cash Flow periode tahun ke-1 sampai tahun ke-n.

M : Initial Investment ( Investasi awal).

I : Discount factor.

n : Umur investasi

Semakin pendek payback periode dari periode yang disyaratkan

perusahaan maka proyek investasi tersebut makin bagus dan dapat diterima.

2.2 Kajian Pustaka

Penelitian lainnya dilakukan oleh Jati (2011) tentang Studi pemanfaatan

PLTS Hibrid dengan PLN di Villa Adleson Ubud. Unjuk kerja PLTS di Vila

Adleson yang berkapasitas 1,56 kwp, rata-rata energi yang dihasilkan adalah

Unjuk kerja PLTS di vila Adleson yang berkapasitas 1,56 kwp, rata-rata energi

yang dihasilkan adalah 3,37 kWh/hari atau 1.230 kWh/tahun. Total energi yang

dimanfaatkan oleh beban pada sistem hybrid PLTS dengan PLN sebanyak 70

persen dari PLTS dan 30 persen dari PLN. Energi yang dihasilkan oleh PLTS

sangat tergantung terhadap cuaca dan tidak terpengaruh oleh profil beban. Sejak

dioperasikan sistem hibrid PLTS dengan PLN di Vila Adleson belum pernah

kapasitas baterai sampai kurang dari atau sama dengan 30 persen dari kapasitas

maksimumnya sehingga kerja pararel PLTS dan PLN belum pernah terjadi [7].

Pengembalian investasi pada PLTS yang di hibrid dengan PLN di Vila

Adleson adalah tergantung dari asumsi inflasi yang diperkirakan. Penelitian ini

pengembalian investasi terjadi di tahun ke 25. Besar kecilnya investasi akan

berpengaruh terhadap harga energi per kWh. Makin besar investasi makin tinggi

harga energi yang didapat dari sistem, dengan energi yang dihasilkan per tahun

sama yaitu 1.230 kWh/tahun. Dari hasil perhitungan dengan nilai investasi yang

berbeda mendapatkan harga energi yang berbeda pula [7].

Penelitian lainnya dilakukan oleh Permana Hasno (2014) tentang studi

potensi pembangkit listrik tenaga surya sebagai energi pendukung pada sistem

kelistrikan di hotel the royale krakatau cilegon. Dengan luas area sebesar 180 m2

mampu mengahasilkan pembangkitan panel surya sebesar 25,5 kW dengan

kapasitas panel surya sebesar 180 Wp, Sistem PLTS yang akan dikembangkan

untuk menghasilkan pembangkitan sebesar 25,5 kW menggunakan panel surya

sebanyak 143 buah, dengan susunan rangkaian seri panel surya sebanyak 13 buah

dan rangkaian paralel sebanyak 11 buah [17].

Dirancang PLTS pada bangunan hotel dengan sistem stand alone dengan

pembangkitan 25,5 kW, dengan kapasitas inverter sebesar 5 kW dan kapasitas

batere sebesar 235Ah dengan nominal tegangan 12 V. Dari segi aspek teknis

berdasarkan rata-rata potensi radiasi matahari dan hasil pengujian sistem PLTS

dengan software PvSyst dengan menghasilkan energi suplai sepanjang tahun

2009-2012 sebesar 106,189 MW dengan tingkat keandalan atau solar fraction

sebesar 0,883, layak dibangun PLTS dilingkungan hotel dengan energi

pembangkitan PLTS sebesar 25,5 kW sebagai energi pendukung kelistrikan

dilingkungan hotel. Dari segi aspek ekonomis baiaya energi PLTS yang akan

dikembangkan di Hotel The Royale Krakatau sebesar $0,579 kWh dengan biaya

investasi awal sebesar $106768 untuk masa hidup PLTS 25 tahun dengan waktu

pengembalian investasi selama 15 tahun [17].

Penelitian dan kajian selanjutnya dilakukan oleh Rasional Sitepu dan Albert

Gandhi (2013) tentang kajian potensi pembangkit listrik tenaga surya pada atap

gedung kota surabaya : studi kasus gedung perkuliahan. Dari hasil pengumpulan

data satelit diperoleh bahwa Kampus UKWMS Jalan Kalijudan 37, yang berada di

kota Surabaya, Negara Republik Indonesia, dan Wilayah Benua Asia mempunyai

letak geografis pada 7,20 Lintang Selatan, 112,8

0 Bujur Timur, dan pada

ketinggian 5 meter diatas permukaan laut, dengan zona waktu GMT+8. Atap

Gedung D UKWMS kampus Kalijudan menghadap timur, ddengan kemiringan

300. Luas atap yang dapat dimanfaatkan sebagai panel surya sebesar 350 m

2.

Gedung tersebut digunakan untuk perkuliahan sehingga beban listriknya pada

umumnya hanya mesin penyejuk udara, lampu, computer dan LCD proyektor

serta pengeras suara [18].

Kajian ini telah memaparkan kajian simulasi suatu sistem PLTS pada kota

Surabaya, tepatnya pada lokasi kampus UKWMS Kalijudan 37. Pada lokasi

tersebut terdapat potensi energi matahari sebesar 1720,5 kWh/m2/tahun atau rata-

rata sebesar 4,7kWh/m2/hari. Jika di konversi ke listrik dengan panel surya maka

atap Gedung D kampus UKWMS berpotensi sebagai tempat PLTS dengan

kapasitas 33 mWh/tahun, dan langsung dihubungkan ke jala-jala (grid). Sistem

tersebut terdiri dari 285 unit panel surya @100Wp dan 5 unit Inverter AC @4,2

KWh dengan asumsi biaya investasi berasal dari dana pinjaman yang bunganya

5% per tahun. Informasi dalam penelitian ini masih menggunakan scenario dasar

[18].

Berdasarkan hasil kajian pada penelitian-penelitian sebelumnya, maka pada

penelitian ini membahas tentang studi potensi pembangkit listrik tenaga surya

sebagai energi pendukung kelistrikan di Gedung Perkuliahan Universitas Sultan

Ageng Tirtayasa. Penelitian ini mencakup bagaimana cara menghitung kapasitas

masing masing komponen PLTS yang dibutuhkan sehingga energi yang

dihasilkan dapat lebih optimal, mendapatkan nilai kontribusi PLTS terhadap

sistem kelistrikan di Gedung Perkuliahan Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

serta aliran energi dari sistem PLTS yang dirancang. Penelitian ini memanfaatkan

software PVsyst untuk mensimulasikan besarnya energi yang dihasilkan PLTS

dan kemampuan PLTS untuk menyuplai kebutuhan energi. Hasil simulasi tersebut

akan dijadikan bahan analisa sistem PLTS secara teknis, ekonomis dan

lingkungan.