PLTS : Daya dan EnergiMasih melanjutkan tulisan terdahulu terkait PLTS, kali ini tulisan ini lebih mengkhususkan pada daya dan energi pada sistem PLTS (Photovoltaic). seperti yang telah saya sampaikan di tulisan sebelumnya bahwa PLTS adalah salah satu pembangkit non-konvensional yang mana agak berbeda dengan pembangkit konvensional lainnya. Salah satu hal yang sering kali salah persepsi dalam PLTS ini adalah terkait daya dan energi yang dihasilkan.

1. Irradiance

System Photovoltaic sangat bergantung pada sinar matahari untuk bisa menghasilkan listrik, artinya sistem ini hanya bisa menghasilkan listrik pada pagi-sore hari saja, malam tidak menghasilkan listrik. besarnya daya listrik yang dihasilkan pun bergantung pada tingkat irradiasi matahari, semakin besar nilai irradiasinya, semakin besar pula daya yang bisa dihasilkan.

Grafik di atas menampilkan gambaran nilai irradiasi matahari dalam sehari. dapat kita lihat bahwa nilai irradiasi berada di puncak sekitar jam 11 – 13 dengan nilai irradiasi sekitar 1000 W/m2. Dalam kondisi real dimana kondisi cuaca berawan, nilai irradiasi bisa sangat berfluktuatif.

Grafik di atas merupakan grafik monitoring irradiasi di suatu lokasi di salah satu pulau di NTT. bisa terlihat pada grafik tersebut, besarnya nilai irradiasi sangat berfluktuatif, hal ini dikarenakan kondisi berawan yang menutupi jalannya sinar matahari. Lalu apa pengaruhnya terhadap sistem PLTS?

Ambil contoh PLTS berkapasitas 100 kWp. Sering kali saya ditanya,

“Kenapa ini dayanya cuma xx kW (di bawah 100 kW), padahal kan kapasitasnya 100 kW?”

Kapasitas 100 kWp artinya pembangkit tersebut terdiri dari beberapa modul (PV array) yang dapat menghasilkan listrik dengan daya maksimum 100 kW pada kondisi STC, dimana kondisi STC adalah kondisi saat irradiasi 1000 W/m2, dan temperature 25 oC.

Nah dari grafik kita bisa tau bahwa daya 100 kW tersebut hanya terjadi di sekitar jam 11 -13 sedangkan di luar waktu tersebut daya yang dihasilkan akan lebih rendah. Pada jam 8 pagi, mungkin daya listrik yang dihasilkan hanya 30 kW, 3 siang daya listrik yang dihasilkan sekitar 50 kW. Bagaimana saat irradiasinya di atas 1000 W/m2? tentu saja dayanya akan bisa lebih dari 100 kW dalam kasus ini. 

Untuk mendapatkan nilai irradiasi yang optimum, solar module harus dihadapkan ke arah matahari. bila lokasi pemasangan berada di lintang selatan, solar module harus dihadapkan (dimiringkan) menghadap ke arah utara dan sebaliknya (lintang utara –>

menghadap ke selatan). kemiringan solar module disesuaikan dengan lokasi pemasangan. semakin dekat dengan khatulistiwa, semakin kecil sudut kemiringannya, semakin jauh, semakin besar pula kemiringannya. Oleh karena itu, jangan heran bila di eropa sana solar module dipasang sangat miring sedangkan di Indonesia cenderung hampir datar. Di eropa pemasangan solar module terkadang menggunakan support (penyangga) yang bisa mengikuti pergerakan matahari agar irradiasi yang didapat selalu optimal. Kenapa di Indonesia engga? karena lokasinya berbeda, perhitungannya pun berbeda, Indonesia yang berada di khatulistiwa lebih cocok menggunakan support module (penyangga) yang fixed (diam) karena lebih effisien.

b. temperature solar module

Berbeda halnya dengan irradiasi, temperature yang semakin tinggi justru menurunkan daya listrik yang dihasilkan Photovoltaic, seperti terlihat pada grafik di bawah ini.

Umumnya, dalam kondisi cerah dan panas (daerah khatulistiwa), temperature photovoltaic bisa mencapai 40-50 oC dan bukan hal yang mustahil temperaturenya bisa lebih tinggi dari itu. Losses (penurunan daya) akibat temperature ini bisa mencapai 5-12%.

c. MPPT

Masih pada grafik yang sama, grafik tersebut merupakan kurva karakteristik daya-tegangan pada photovoltaic. daya pada suatu photovoltaic bisa berubah tergantung

pada tegangan berapa dia dioperasikan, untuk mendapatkan daya puncak (maksimum) dibutuhkan controller dengan teknologi MPPT (Maximum Power Point Tracker). Bila pada suatu kondisi PLTS 100 kWp dengan irradiasi 1000 W/m2 dan temperature 25 oC namun daya listrik yang dihasilkan jauh lebih kecil dari 100 kW, sebagai contoh 50 kW, bisa jadi controller yang digunakan bukan MPPT atau tidak mengoperasikan photovoltaic pada kondisi optimalnya.

d. Losses

Selain daripada irradiasi, temperature, dan MPPT yang mempengaruhi daya pada photovoltaic (solar modul), dalam sistem PLTS dimana merupakan suatu gabungan beberapa photovoltaic (PV array), ada faktor lain yang mempengaruhi daya keluaran sistem seperti losses pada kabel, missmatch losses, controller/inverter losses, debu, dll (sory agak lupa dll nya).

Dalam suatu instalasi, losses pada kabel tidak bisa dihindari. pemilihan jenis kabel yang salah dan instalasi kabel yang tidak benar (tidak rapih) bisa memperbesar losses pada sistem. missmatch losses adalah losses yang timbul akibat adanya perbedaan karakteristik atau kondisi pada beberapa photovoltaic.

Controller/inverter merupakan komponen lain pada sistem PLTS yang mana jenis dan pemakaiannya berbeda-beda sesuai dengan jenis sistem PLTS yang dibuat. effisiensi inverter yang ada di pasaran saat ini berada di kisaran 93% – 98%. jenis grid inverter khususnya yang tanpa trafo (transformerless) memiliki effisiensi > 96 % (umum di pasaran), sedangkan tipe inverter Off Grid (with trafo) memiliki effisiensi >93 % (umum di pasaran).

Dalam salah satu e-book yang pernah saya baca (sorry, lupa judul dan pengarangnya), effisiensi sistem PLTS berada di kisaran 80%.

Energi

Energi yang dihasilkan oleh sistem PLTS dapat diperkirakan dengan mengetahui nilai irradiasi (irradiation, kWh/m2) dalam satu hari. nilai ini tentunya berubah-ubah setiap harinya, namun kita bisa memprediksi nilai tersebut dari data yang telah diperoleh oleh suatu lembaga khusus, seperti Data Meteorologi NASA. data-data tersebut bisa didapat melalui web ataupun software perancangan PLTS yang yelah telah menyediakan fasilitas tersebut. data diperoleh dengan memasukan titik koordinat lokasi tempat pemasangan PLTS.

Untuk Indonesia sendiri yang berada di daerah khatulistiwa, memiliki nilai irradiasi yang tinggi dengan  kisaran 3,5 – 6 kWh/m2. Dari data tersebut kita bisa mendapatkan

nilai ESH (Equal Sun Hours). simpelnya, suatu daerah dengan irradiasi rata-rata 4,8 kWh/m2, ESH-nya adalah 4,8 jam. Sehingga energi yang dihasilkan adalah :

Energi = Kapasitas Pembangkit x ESH x Effisiensi sistem.

Beberapa orang ahli yang saya temui lebih mensimpelkan lagi perhitungan tersebut untuk perhitungan kasar (awal) dalam memprediksi energi yang dihasilkan PLTS yaitu :

Energi = Kapasitas pembangkit x 4 Jam

4 jam merupakan asumsi nilai ESH x effisiensi sistem yang tentunya lebih cocok diterapkan di Indonesia yang memang sebagian besar daerahnya memiliki irradiasi > 4 kWh/m2.

Singkat cerita, bila saya membangun PLTS berkapasitas 100 kWp, perkiraan energi listrik yang bisa dihasilkan oleh sistem dalam satu hari adalah : 100 kWp x 4 jam = 400 kWh.

Contoh kasus

Suatu perusahaan ingin menggunakan solar module sebagai sumber energi untuk penerangan lampu jalan (PJU) miliknya. PJU tersebut menggunakan lampu dengan kapasitas 80 Watt yang menyala selama 12 jam dari jam 06.00 pm – 06.00 am. Berapa kapasitas modul surya yang harus dipasang?

Beban : 80 Watt x 12 jam = 960 Wh

Kapasitas modul : 960 Wh / 4 jam = 240 Wp

Simpel kan? namun setiap pendesain sistem biasanya memiliki pertimbangan sendiri, seperti :

Beban : 80 x 12 jam x 1,2 = 1152 Wh (nilai 1,2 merupakan pertimbangan losses/effisiesi)

Kapasitas modul : 1152 / 3,5 jam = 330 Wp

(nilai 3,5 jam dengan pertimbangan PJU yang berada di kota/dekat dengan bangunan mendapati shading/bayangan yang menurunkan nilai irradiasi).

* dalam kasus PJU selain solar modul dibutuhkan pula baterai dan charge controller, untuk perhitungannya kapan-kapan saja ya, klo lagi mood nulis, hehe..

Segitu saja dulu sedikit sharing saya terkait PLTS, maap bila ada yang keliru silahkan crosscheck dengan sumber lainnya.

Teknik Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Terpusatsebagai sumber energy pada dasarnya merupakan sistem pencatu daya, dimana outputnya berupa listrik arus searah (direct current, DC). Listrik yang dihasilkan, apabila diperlukan, dapat dirubah menjadi listrik bolak balik (alternating Current, AC) dengan menggunakan inverter dan dapat dimanfaatkan untuk segala macam keperluan. Berdasarkan kapasitasnya, sistem PLTS dapat digunakan mulai dari kapasitas yang kecil (puluhan watt) sampai dengan puluhan Mega Watt.Sedangkan dilihat dari segi keragaman sumber energinya, sistem PLTS dapat digunakan secara Stand Alone (hanya menggunakan PLTS sebagai satu-satunya pembangkit listrik), atau Hybrid (PLTS digabung dengan pembangkit listrik lainnya seperti genset, mikrohydro, tenaga angin atau bahkan disambungkan dengan jaringan PLN (Grid Connected).Dari teknis penerapannya sistem PLTS dapat diterapkan dengan sistem Sentralisasi (pembangkit listrik dipasang pada suatu tempat tertentu dan listrik yang dihasilkan didistribusikan kepada masyarakat melalui jaringan kabel distribusi). 

Teknik penerapan seperti ini umumnya digunakan untuk PLTS Hybrid, ataupun sistem Desentralisasi (pembangkit listrik dipasang pada setiap rumah penduduk yang membutuhkan. Listrik pedesaan dengan PLTS dimana letak rumah pedesaan sangat menyebar, umumnya menggunakan model ini. Dengan sistem ini tidak diperlukan jaringan kabel distribusi yang mahal). Komponen Utama PLTS adalah sebagai berikut:

A.     MODUL SURYAPhotovoltaics (PV), merupakan teknologi dimana cahaya diubah menjadi tenaga listrik. Dikenal sebagai metode untuk membangkitkan tenaga matahari dengan menggunakan solar sel dalam modul. Listrik terhubung dalam jumlah yang banyak sebagai solar photovoltaics arrays untuk mengubah energi matahari menjadi listrik. Solar sel menghasilkan arus langsung listrik dari cahaya, yang bisa digunakan untuk memberi tenaga peralatan atau untuk mengisi baterai kembali.Aplikasi praktis pertama dari photovoltaic adalah untuk memberi tenaga pengorbitan satelit dan kendaraan angkasa, serta kalkulator saku. Tapi sekarang ini mayoritas modul photovoltaic digunakan untuk tenaga pembangkit. Ada juga penggunaannya yang lain, yaitu emergency telepon di jalan, remote sensing dan lain-lain.

Sel surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silikon, yang berperan sebagai insulator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Sebuah silikon sel surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari lapisan atas silikon tipe n (Silicon doping of Phosphorous), dan lapisan bawah silikon tipe p (Silicon doping of Boron). Elektron-elektron bebas terbentuk dari jutaan photon atau benturan atom pada lapisan penghubung menyebabkan terjadinya aliran listrik.Kecepatan tiup angin di sekitar lokasi PV array dapat membantu mendinginkan permukaan temperature kaca-kaca PV Array.Keadaan atmosfir bumi; berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara (Rh), kabut, dan polusi sangat menentukan hasil maksimum arus listrik dari deretan PV.Orientasi dari rangkaian PV (Array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan PV dapat menghasilkan energi maksimum arus listrik dari deretan PV.Orientasi dari rangkaian PV (array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan PV dapat menghasilkan energi maksimum. Selain arah orientasi, sudut orientasi (tilt angle) dari panel/deretan PV juga sangat mempengaruhi hasil energi maksimum. Untuk lokasi yang terletak di belahan utara latitude, maka panel/deretan PV sebaiknya diorientasikan ke selatan. Orientasi ke timur-barat walaupun juga dapat menghasilkan sejumlah energi dari panel-panel/deretan PV, tetapi tidak akan mendapatkan energi matahari optimum.Agar dapat memperoleh sejumlah voltage atau ampere yang dikehendaki, maka umumnya masing-masing sel surya dikaitkan satu sama lain baik secara hubungan seri ataupun secara paralel untuk membentuk suatu rangkain PV yang disebut modul. Sebuah modul PV umumnya terdiri dari 36 sel surya, dan 72 sel.Beberapa modul PV dihubungkan untuk membentuk satu rangkaian tertenntu disebut PV Panel, sedangkan jika berderet-deret modul PV dihubungkan secara baris dan kolom disebut PV Array.

Hubungan sel-sel surya dalam modul dapat dilakukan secara seri untuk mendapatkan varian voltage umumnya 12 V, dan secara paralel untuk mendapatkan varian “arus listrik” (current).

Hubungan modul-modul PV array juga dapat dihubungkan secara seri untuk mendapatkan voltage yang tinggi, dan dihubungkan secara paralel untuk mendapatkan amps yang besar.

Aliran listrik yang didapat dari panel PV akan berupa listrik DC-direct current, kemudian disimpan ke accu, dan sebagian listrik DC diubah ke AC-alternating current dengan alat inverter untuk dipakai dengan alat rumahtangga, seperti lemari es, TV, lampu, pompa air, dsb. Kemudian sebagian DC dapat dipakai langsung untuk sebagian alat dengan spesifikasi DC. Insolation solar matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt.  Dibawah ini ada beberapa jenis sel surya, beberapa diantaranya:

a.      Mono-CrystallineTerbuat dari silikom kristal tunggal yang didapat dari peleburan silikon dalam bentuk bujur. Mono-crystalline dapat dibuat setebal 200 mikron, dengan nilai efisiensi sekitar 24%.

b.     B. Poly-crystalline/multy-crystallineDibuat dari peleburan silikon dalam tungku keramik, kemudian pendinginan perlahan untuk mendapatkan bahan campuran silikon yang akan timbul di atas lapisan silikon. Sel ini kurang efektif dibandingkan dengan sel poly-crystalline (efektifitas 18%), tetap biaya lebih murah.

http://gdmenergy.com/images/artikel_foto/poly_modul1.jpgc.      Gallium Arsenide

Sel surya III-IV semikonduktor yang sangat efisien sekitar 25%d.      Sel Surya silikon terpadu “Thin Film”:

1.     Amorphous silikonSebagai pengganti tinted glass yang semi transparan.

2.     Thin Film SilikonDibuat dari thin-crystalline atau poly-crystalline pada bahan metal yang cukup murah (cladding sistem)

Pengoperasian sel surya sangat tergantung pada:a.      Ambient air temperatureb.     Radiasi solar matahari (insolation)c.      Kecepatan angin bertiupd.     Keadaan atmosfir bumie.      Orientasi panel atau array PVf.      Posisi letak sel surya (array) terhadap matahari (tilt angle)

Modul Surya Photovoltaik atau biasa disebut juga Solar Modul merupakan rangkaian dari Sel Surya (Solar Cell) dengan daya output tertentu sesuai dengan standar internasional. Pengukuran daya solar modul yang tercantum pada spesifikasi teknis hanya dapat dilakukan di Laboratorium dengan besaran sebagai berikut: Standar International pengukuran output solar modul:

a.      Illumination (cahaya) 1 kW/m² pada distribusi spectral AM 1,5.b.     Temperatur cell 25°Cc.      Daya puncak solar modul Wp (Watt peak).

B.    ControllerPeralatan Controller berfungsi untuk melindungi batere dari pengisian (charging) yang berlebihan dan pemakaian (discharging) batere yang berlebihan yang mengakibatkan batere cepat rusak. Untuk melindungi batere supaya tidak cepat rusak Controller memutus hubungan antara modul surya dan batere sebelum batere mencapai tahap penguapan air accu (Casing) yang menandakan batere penuh dan pada saat batere hampir kosong dimana sifat air accu akan berubah dari sulphuric acid menjadi air, Controller memutus hubungan antara batere dengan beban (lampu).Pemilihan kapasitas Controller ditentukan dengan Tegangan Nominal dan Arus Input/Output Sitem. Baterai Control Unit biasanya juga disebut Controller atau regulator.

i.       Cara Kerja ControllerController berfungsi untuk melindungi batere dari pengisian yang terlalu penuh atau melebihi kapasitas baterai dan melindungi bateraidari pemakaian yang berlebihan atau kapasitas batere menjadi habis. Controller harus memutus hubungan antara beban dan batere sebelum

kapasitas batere habis.Pembuatan Controller  supaya berfungsi dengan baik tergantung desain dari produsen.

ii.     Arus input dan Output ControllerArus input Controller minimum adalah besarnya arus yang masuk dari solar modul ke controller. Pada umumnya perencanaan controller mempunyai batas maksimum arus input yang diperbolehkan. Misalnya, untuk stasiun pengisian Solar modul 50Wp menghasilkan arus hubung singkat ± 25 A. sehingga controller dibuat 30 A, supaya controller aman

  

C.    BATERAI/ACCUBaterai pada sistemPLTS Terpusat yang lebih tepat berfungsi sebagai penyimpanan energi listrik secara kimiawi di siang hari dan berfungsi sebagai catudaya di malam hari. Baterai terdiri dari sejumlah sel elektronik dan akan memproduksi arus listrik bila ada beban di antara kedua elektroda.

D.    Inverter 

Inverter memiliki fungsi untuk merubah tegangan DC dari panel dan baterai menjadi tegangan AC sehingga dapat digunakan oleh pengguna yang sebelumnya disalurkan melalui jaringan distribusi sebelum sampai kerumah warga.

Apabila anda tinggal di sebelah bumi bagian Utara (Medan, Aceh, Kuala Lumpur), maka solar panel

anda harus menghadap selatan. Cara menentukan arah Selatan asal dari sinar matahari mirip

seperti langkah-langkah di atas. Perbedaannya adalah bayangan anda akan menunjuk ke Utara,

sehingga arah Selatan adalah arah yang berlawanan dari bayangan anda.

Menentukan Sudut Kemiringan Solar Panel

Solar Panel akan lebih maksimal menghasilkan energi listrik jika sinar matahari jatuh tegak lurus

mengenai permukaan solar panel seperti diagram di bawah.

Untuk wilayah Indonesia, kota kota yang terletak di sekitar garis khatulistiwa, solar panel

akan lebih efisien jika diposisikan pada sudut 20-30 derajat dari tanah.

Sedangkan untuk kota-kota di wilayah Australia, solar panel lebih efisien diarahkan pada sudut 30-

40 derajat dari tanah.