1

SIZING PV-DG BERBASIS MATHEMATICAL PROGRAMMING PADA KONFIGURASI SERIAL SISTEM HIBRID

DI PT GERBANG MULTINDO NUSANTARA Unggul Budi Prasojo) Hendra Cordova2) Ridho Hantoro3)

Abstrak

Sistem Hibrid PV – DG, merupakan sebuah sistem pembangkit dengan dua buah sumber energi yang berbeda, dimana dalam penelitian kali ini digunakan sumber energi surya dan bahan bakar fosil. Jenis sumber energi terbarukan cukup bergantung terhadap lokasi plant, dimana pada penelitian ini secara ideal sistem hanya bergantung pada intensitas radiasi sebagai input PV karena DG difungsikan hanya sebagai sumber energi cadangan. Pada aplikasinya, tidak jarang terjadi oversizing sistem terhadap load dan radiasi matahari sehingga diperlukan sizing yang tepat yang dapat dibuktikan kebenaranya. Pada penelitian ini dihasilkan software simulasi dengan matlab dan nilai sizing minimum pada jumlah PV modul pada plant di PT Gerbang Multindo Nusantara sebanyak 4 buah dan baterai 24V dengan kapasitas sebesar 136.5819 Ah.

Kata kunci: Hibrid PV-DG, Pemodelan Matematis, Simulasi, Perhitungan Sizing.

Pendahuluan

Sistem hibrid energi terbarukan / Hybrid Renewable Energy System (HRES) menjadi aplikasi yang banyak dibutuhkan untuk pembangkit listrik di daerah terpencil. Aspek ekonomi dari teknologi ini cukup menjanjikan untuk dilibatkan dalam pengembangan kapasitas pembangkit tenaga listrik bagi negara-negara berkembang. Energi dari matahari dan angin tidak dapat habis, sesuai karakteristik geografis, dan berkontribusi mengurangi efek rumah kaca.

Investasi awal sistem energi matahari atau angin jauh lebih tinggi dibandingkan dengan generator mesin diesel dengan output yang sebanding, namun biaya operasional dan biaya perawatan selalu lebih rendah daripada generator mesin diesel. Penggunaan sendiri – sendiri dari kedua sistem tersebut dapat berakibat pada over sizing pada keandalan sistem, yang berpotensi membuat biaya desain menjadi lebih mahal dan berkurangnya efisiensi.

Pemodelan Sistem Hibrid PV – DG

Dalam penelitian ini, digunakan sistem hibrid dengan konfigurasi serial dimana kedua sumber energi baik PV maupun DG langsung menyuplai daya pada baterai melalui kontroler sehingga beban hanya mendapat suplai langsung dari baterai melalui inverter.

Jadi kegagalan pada baterai maupun inverter berakibat pada gagalnya suplai daya pada beban.

Gambar 1. Konfigurasi serial sistem hibrid PV – DG

Seperti pada gambar diatas, dapat terlihat

kelebihan dari konfigurasi ini antara lain tidak dibutuhkan switching AC power antara 2 sumber energi yang berbeda sehingga interface output lebih sederhana. Hal ini mengakibatkan supply daya pada beban AC cenderung stabil dan tidak terganggu saat generator dinyalakan. Konfigurasi ini juga merupakan konfigurasi yang paling sederhana sehingga memakan biaya relatif lebih sedikit dibandingkan konfigurasi lainya.

Konfigurasi ini juga memiliki beberapa kekurangan antara lain sizing inverter harus sesuai dengan beban puncak karena tidak dapat beroperasi secara parallel dengan generator. Kekurangan lain adalah baterai lebih sering diisi ulang (cycle lebih banyak) sehingga umur baterai cenderung lebih pendek, disamping itu kapasitas baterai yang besar dibutuhan untuk mengurangi depth of discharge karena pola pengisian yang cenderung lebih sering dan berulang-ulang. Pada konfigurasi ini efisiensi total dari sistem cenderung berkurang karena energi melalui baterai dan inverter. Kekurangan lain yang cukup fatal dari sistem ini adalah kegagalan pada inverter berdampak pada hilangnya suplai energi ke load.

Photovoltaics

Dalam sistem yang ditinjau dalam tugas akhir ini, digunakan 8 buah modul photovoltaic berjenis polycrystalline silicon yang dirangkai secara paralel untuk menyusun sebuah pv – array dengan 220 Wp di tiap modul. Berdasarkan datasheet produk, dapat diketahui bahwa modul dapat menghasilkan output daya sekitar 1.72 kW pada kondisi standar AM1.5.

Pada photovoltaic, daya didapat dari hasil kali arus (Isc) yang timbul akibat radiasi matahari yang mengenai cell dan tegangan (Voc) yang ada pada

!"#$%&'()*+)"& #$,-.&$,)&/0*+1+2$#+3,& .(.#"!.4&5'"&20**",#& .#$#"&31&'(6*+)& .(.#"!& #"2',3%37(& +.&#'"&*".0%#&31&$2#+8+#+".&+,&$&,0!6"*&31&*"."$*2'&$*"$.9&.02'&$.:&&

;)8$,2".& +,& "%"2#*+2$%& /3<"*& 23,8"*.+3,& #'*307'& #'"& $8$+%$6+%+#(& 31& ,"<& /3<"*&"%"2#*3,+2.&<'+2'&'$8"&%")&#3&+!/*38")&"11+2+",2(9&.(.#"!&=0$%+#(&$,)&*"%+$6+%+#(&&

>"8"%3/!",#&31&8"*.$#+%"&'(6*+)&","*7(&.(.#"!&.+!0%$#+3,&.31#<$*"&& ?3,#+,0+,7&$)8$,2".&+,&#'"&!$,01$2#0*+,7&/*32"..&$,)&"11+2+",2(&31&/'3#383%#$+2.&$,)&<+,)&#0*6+,".&&

5'"&)"8"%3/!",#&31&+!/*38")&.(.#"!&23!/3,",#.&.02'&$.&6+@)+*"2#+3,$%&23,8"*#"*.&& ;)8$,2")&!3)0%$*%(&"A/$,)$6%"&'(6*+)&.0//%(&<+#'&;?@230/%")&23!/3,",#.&& >"8"%3/!",#&31&+!/*38")9&)""/@2(2%"9&%"$)&$2+)&6$##"*+".&& ;8$+%$6+%+#(&31&!3*"&"11+2+",#&$,)&*"%+$6%"&;?&$,)&>?&$//%+$,2".9&<'+2'&2$,&*"238"*&#'"+*&$))+#+3,$%&23.#&38"*&#'"+*&"A#",)")&3/"*$#+3,$%&%+1"#+!"&&&

3.2. Hybrid energy system configurations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

&&H+74&I4&E"*+".&FK@)+"."%&'(6*+)&.(.#"!&CL'+2'#9&MNNOD&

3.2.1. Advantages of series hybrid energy systems P3& .<+#2'+,7& 31& ;?& /3<"*& 6"#<"",& #'"& )+11"*",#& ","*7(& .30*2".& +.& *"=0+*")& <'+2'&.+!/%+1+".&#'"&30#/0#&+,#"*1$2"&&

5'"&/3<"*&.0//%+")&#3&#'"&%3$)&+.&,3#&+,#"**0/#")&<'",&#'"&)+"."%&7","*$#3*&+.&.#$*#")&& 5'"& ",7+,"@)*+8",& 7","*$#3*& 2$,& 6"& .+Q")& #3& 6"& 3/#+!$%%(& %3$)")& <'+%"& 2'$*7+,7& #'"&6$##"*(&6$,-9&0,#+%&$&6$##"*(&.#$#"@31@2'$*7"&31&OI@RIS&+.&*"$2'")4&&

& R

1) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya Indonesia 60111, email: ung.prasojo@gmail.com 2) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya Indonesia 60111, email: hcordova@ep.its.ac.id 3) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya Indonesia 60111, email: hantoro@ep.its.ac.id

 

2

semikonduktor yang besarnya dapat dipengaruhi temperatur yang keduanya dipengaruhi oleh fill factor. Pada sistem ini, input dari baterai charge hanya arus, dimana

!!" = !!.!!"!

!! (1) pada sistem nonMPPT.

Gambar 2. Intensitas Radiasi pada Real Plant

Baterai

Pada sistem ini, deep cycle battery berperan sebagai penyimpan energi dimana baterai mengkonversi energi listrik menjadi energi kimia yang dapat disimpan dan dapat dikonversi kembali menjadi energi listrik saat dibutuhkan. Dalam sistem ini, digunakan baterai dengan tipe Lead-Acid dengan kapasitas 2x12 V 2x200 Ah dengan jumlah cell masing – masing baterai sebanyak 6 buah.

Pemodelan pada komponen ini didasarkan pada tegangan baterai yang merepresentasikan kapasitas. Pada kenyataanya tegangan pada cell baterai sedikit dipengaruhi oleh temperatur dan kapasitas baterai juga akan berkurang karena adanya self discharge, sehingga diperlukan pemodelan yang mencakup beberapa faktor tersebut. Pemodelan matematis pada baterai dapat ditulis dengan persamaan

!(!) = !! + !! !" (2) dengan C sebagai kapasitas pada waktu yang ditentukan, C0 sebagai kapasitas awal baterai, dan Im sebagai arus charge yang bernilai postif saat charging dan negatif saat discharging. Dengan self discharge yang bergantung pada kapasitas baterai sebesar

!!"(!) = 0.001(70 + (3!(!))) (3) didapatkan bahwa kapasitas pada baterai berubah untuk setiap waktu.

Gambar 3. Grafik konversi kapasitas dan tegangan

pada baterai

Dari persamaan – persamaan diatas, dapat dicari

tegangan berdasarkan grafik kapasitas yang sebenarnya pada tiap cell dan tegangan pada baterai 12V diatas dengan curve fit sehingga didapat persamaan Vcell = 0.3682*exp( -((Cbatt -454.6)

53.27)2 )

+ 2.259*exp( -((Cbatt -380.7)320.8)2 )

+ 0.2248*exp( -((Cbatt -219.1)76.03)2 )

+ 0.2474*exp( -((Cbatt -135.6)71.21)2 )

+ 1.265*exp( -((Cbatt -5.608)144.6)2 )

(4) dengan Vcell sebagai tegangan dari cell baterai.

Inverter DC to AC Dalam sistem ini, inverter berfungsi untuk mengubah energi listrik dalam bentuk DC yang berasal dari baterai menjadi bentuk AC yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan beban pemakaian dalam bentuk AC. Dalam sistem ini, digunakan inverter dengan kapasitas 1800W dengan efisiensi 0.935 pada beban dengan kapasitas 50% dan 0.916 pada beban dengan kapasitas 100%, dimana pada komponen ini dibutuhkan daya sebesar 13W pada kondisi tanpa beban dan 4.5W pada kondisi stand by.

Gambar 4. Skema input dan ouput pada inverter

dengan asumsi tidak dibutuhkan daya untuk pengoperasian inverter.

Dari informasi diatas, dapat ditulis persamaan untuk inverter dengan load pada inverter sebagai berikut:

!!"# = !(!!" − !!"#) (5)

Load/Beban Pada sistem ini, energi listrik dalam baterai yang dihasilkan dari PV dan DG digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik pada load dalam bentuk AC. Komponen ini memiliki profil fluktuasi yang periodik, dimana puncak pada beban terdapat pada malam hari dan dini hari dalam durasi waktu tertentu. Pemodelan load didapat dengan cara mencatat data load tiap jam sehingga didapatkan tabel hubungan antara waktu dengan jumlah load. Dari data tersebut, digunakan fungsi “sum of sin” pada matlab seperti pada pemodelan intensitas radiasi sehingga didapatkan fungsi load terhadap waktu.

3

Gambar 5. Load pada real plant.

 Diesel Genset

Pada sistem ini, DG difungsikan sebagai backup dari PV yang bekerja diluar kondisi normal, misal hujan dalam waktu tertentu maupun permintaan load yang meningkat secara signifikan dalam waktu tertentu. Secara garis besar, waktu pada sistem ini terbagi menjadi 2 yaitu siang (day) dan malam (night). Pada siang hari secara normal suplai pada load didapatkan dari photovoltaic yang juga berperan sebagai charger baterai yang menerima radiasi matahari antara pukul 06.00 hingga 18.00 pada penelitian ini, sedangkan pada malam hari suplai daya pada load didapatkan hanya dari discharge pada energi storage yang dalam sistem ini berarti baterai lead acid sehingga DG berperan hanya sebagai backup.

Validasi Model dan Software Dalam desain sistem energi terbarukan terutama pada fase feasibility study, akan didapatkan data dan analisa yang menunjang kelayakan suatu daerah terhadap potensi energi terbarukan yang ada, dalam penelitian ini, digunakan data intensitas radiasi dan load pada lokasi real plant. Data yang ada, disimulasikan dan dianalisa agar dapat diketahui profil radiasi, load, serta baterai baik pada simulasi maupun real plant.

Berdasarkan pengambilan data, didapatkan hasil simulasi seperti dibawah ini:

Gambar 6. Hasil silmulasi pada sistem hibrid PV – DG

Berdasarkan hasil simulasi diatas setelah dibandingkan dengan data real, ternyata diketahui bahwa terdapat perbedaan pada tegangan baterai, hal ini terlihat jelas pada grafik dibawah ini:

Grafik 7 Tegangan baterai

Dimana pada grafik tersebut perbedaan tegangan antara kondisi real dan simulasi terlihat signifikan. Hal ini terjadi karena menurunya kapasitas dari baterai yang telah digunakan selama kurang lebih 10 tbulan sehingga perubahan tegangan pada charge dan discharge terjadi secara signifikan.

Sizing Hibrid PV – DG Berdasarkan ketersediaan radiasi matahari

sebagai input dari PV, waktu pada studi dan penelitian ini dapat dibagi menjadi 2 bagian yaitu pada siang hari dan malam hari dimana pada siang hari PV aktif dan memberikan suplai daya sedangkan pada malam hari PV tidak aktif sehingga hanya discharge dari baterai yang mensuplai daya pada permintaan load.

Tabel 1. Radiasi dan load pada malam hari

Local  Time   Rad  [W/m2]   Load  Total  [W]  

6:15:00  PM   0.4   126  

7:00:00  PM   0.6   126  

8:05:00  PM   0.8   126  

9:05:00  PM   0.4   126  

10:05:00  PM   0.1   126  

11:00:00  PM   0   126  

12:05:00  AM   0   126  

1:00:00  AM   0   126  

2:00:00  AM   0   126  

3:00:00  AM   0   126  

4:00:00  AM   0   126  

5:00:00  AM   0.2   126  

6:00:00  AM   31.3   126  

Berdasarkan data yang didapatkan dari real plant, dapat ditulis persamaan energi yang harus tersimpan pada baterai menjelang malam hari melalui persamaan 3.8 sebagai berikut:

!!"##(!!!") ≥ 3.76  !"ℎ (6) sehingga dapat diketahui akumulasi DC load pada saat malam hingga dini hari maupun satuan energi yang

4

harus tersimpan dalam baterai pada t=12 adalah sebesar 3.76 kWh yang didapat dari total load pada saat t=12 hingga t=25 pada simulasi. Pada siang hari, PV dapat memberikan suplai pada load karena tersedianya radiasi matahari, namun perlu diingat bahwa pada siang hari PV juga harus mampu menyimpan sebagian energinya ke dalam baterai untuk waktu malam hari, sehingga berdasarkan persamaan 6 didapatkan:

Np. Isc G0 .Vbatt. Gt120  dt  ≥4,390  [Wh] (7)

Tabel 2. Radiasi dan load pada siang hari

Local  Time   Rad  [W/m2]   Load  Total  [W]  

6:10:00  AM   7.4   10.65694444  7:05:00  AM   42.4   45.69513889  8:00:00  AM   63.9   67.23333333  9:05:00  AM   558.9   562.2784722  

10:00:00  AM   637.6   641.0166667  11:00:00  AM   599.5   602.9583333  12:00:00  PM   742   745.5  1:00:00  PM   189.9   192.4416667  2:00:00  PM   575.5   578.0833333  3:00:00  PM   148.1   150.725  4:00:00  PM   84.3   85.96666667  5:00:00  PM   72.5   75.20833333  6:15:00  PM   0.4   1.160416667  

sehingga pada jam ke 0 hingga 12, sistem harus mampu menghasilkan 4.39 kW tanpa bantuan dari DG, maka jumlah modul yang dibutuhkan:

!" ≥ 3.2762 (8) setelah ditentukan jumlah modul PV yang diperlukan berdasarkan ketersediaan intensitas radiasi dan load pada siang hari, dapat ditentukan kapasitas baterai yang diperlukan berdasarkan selisih antara energi dari radiasi matahari dan load pada tiap waktu melalui software simulasi yang ada. Pada simulasi dengan 4 buah modul yang terangkai secara paralel pada sistem, dapat dilihat bahwa diperlukan baterai dengan kapasitas minimum 136.5819 Ah yang didapat dari tabel akumulasi charge pada baterai, hal ini terbukti dari gambar dibawah ini:

Kesimpulan dan Saran Dari hasil simulasi dan analisa data pada

penelitian Tugas Akhir ini, dapat ditarik beberapa kesimpulan antara lain : 1. Telah dilakukan pemodelan dan simulasi prototype

sistem hibrid PV – DG di PT. Gerbang Multindo Nusantara (PT GMN) dengan fungsi DG sebagai backup dari PV.

2. Pada profil intensitas radiasi dan load yang sesuai pada real plant, dibutuhkan hanya 4 buah PV modul dan 137 Ah baterai lead acid 24V.

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan maka ada saran dan rekomendasi yang perlu disampaikan bahwasanya untuk mendapatkan performa sistem yang lebih baik, sebaiknya perlu dikembangkan energi storage alternatif selain baterai yang mengalami penurunan performa secara signifikan dari waktu ke waktu, serta dibutuhkanya penelitian lebih lanjut mengenai sistem PV maupun hibrid dengan MPPT.

DAFTAR PUSTAKA [1] Department of Natural Resources and Agricultural

Engineering, “Identification of Current Availability of Commercial Hybrid Res Technologies and Its Components”, Agricultural University of Athens Greek, 2004.

[2] Deshmukh, M., Deshmukh, S., “Modelling of Hybrid Renewable Energy System”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2006.

[3] Ashok, S., “Optimised Model for Community Based Hybrid Energy System”, National Institute of Technology, Calicut, 2006.

[4] Chinneck, John W., ”Practical Optimization: a Gentle Introduction”, Carleton University, Canada, 2010.

Nama : Unggul Budi Prasojo NRP : 2406 100 047 TTL : Surabaya, 11 Desember1987 Alamat : Sekardangan Indah A14, Sidoarjo Riwayat Pendidikan • 2006 – sekarang : Teknik Fisika ITS, Surabaya • 2003 – 2006 : SMA Al Falah Surabaya • 2000 – 2003 : SMP Negeri 1 Sidoarjo • 1994 – 2000 : SDN Pucang I Sidoarjo