PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

ANALISIS PERENCANAAN

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

PADA RUMAH TANGGA KAPASITAS 500 W, 220 V

M. Hariansyah, Ir, M.T

Saat ini, sebanyak 52 % dari rumah tangga yang ada di Indonesia mendapat pasokan  energi listrik dari PLN ( Perusahaan Listrik Negara), sisanya belum mendapat aliran daya listrik dan  rata-rata pertambahan beban listrik setiap tahun mencapai 8,2 %. Penyedian pembangkit tenaga listrik sangat terbatas, diperkirakan pada tahun 2015 Indonesia akan mengalami krisis energi listrik  . Untuk menanggulangi permasalahan tersebut di atas diperlukan usaha dan pemikiran, mencari sumber pembangkit energi listrik, salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Perencanaan  PLTS pada rumah tangga berkapasitas 500 watt, 220 volt. Prinsip kerja PLTS memanfaatkan energi matahari yang mengenai permukaan modul surya (Photovoltaik(PV)) yang mampu menyerap energi matahari kemudian mengkonversinya menjadi tegangan listrik. Arus  listrik yang dihasilkan oleh PV dihasilkan masih berupa arus  searah (dc), dengan menggunakan Baterai Control Regulator(BCR), tegangan dc tersebut dapat disimpan di dalam Baterai yang berfungsi sebagai suplay daya  utama terutama pada malam hari. Umumnya beban rumah tangga mendapat suplay tegangan arus bolak-balik (ac), sehingga  tegangan dc dari PV maupun baterai harus di ubah oleh inverter ke tegangan ac. Penelitian dilakukan melalui simulasi komputer dengan mempergunakan program Pspices. Hasil yang diperoleh untuk memenuhi kebutuhan  daya listrik 500 W, pada tegangan 220 Volt pada rumah tangga,  diperlukan 16 unit PV, 16 buah baterai dengan kapasitas 400Ah, 48 Volt, BCR  pengisian baterai  8 A dan output inverter 2,5 Amper.  

1.         PENDAHULUAN

            Permintaan daya listrik setiap tahun meningkat. PT. PLN ( Perusahaan Listrik Negara)  saat ini hanya dapat mensuplai daerah perkotaan dan industri, serta beberapa desa yang memang dianggap mampu disuplai karena telah memiliki jaringan listrik.  Sebanyak   52 % dari rumah tangga yang ada di Indonesia, tingga di pedesaan dan  78 % belum mendapat pasokan  energi listrik. Rata-rata pertambahan beban listrik setiap tahun mencapai 8,2 %. Sementara penyedian pembangkit tenaga listrik sangat terbatas, diperkirakan pada tahun 2015 Indonesia akan mengalami krisis energi listrik.  (Lokakarya PLN  2008).

           Berbagai kendala yang dihadapi untuk mensuplai  energi listrik, khususnya di daerah pedesaan, terbatasnya daya listrik yang dibangkitkan, lokasi  daerah pedesaan jauh dari pusat pembangkit sehingga harus membangun jaringan distribusi dan beban tidak terpusat, sehingga dinilai tidak ekonomis.   Kondisi seperti ini merupakan suatu  permasalahan, yang perlu diselesaikan. 

Secara geografis Indonesia berada pada garis  katulistiwa dengan batas 6 ^oLU sampai  11 ^o LS dan 95^o BT sampai 141 ^oBT, dengan pancaran  sina rmatahari  rata-rata adalah mencapai 7 jam perhari, dan puncak penyinaran matahari maksimum rata-rata setiap hari mencapai  4,5 jam. ( LIPI. 2007)

(Djojodiharjo,  H. 2001)  Telah melakukan analisis keperluan daya listrik  untuk rumah tangga di pedesaan rata-rata 450 VA, atau setara 380 watt. Cukup digunakan untuk penerangan 6 buah titik lampu masing-masing 10 watt, dan keperluan lainnya 250 watt. Salah satu  usaha dan pemikiran untuk menyelesaikan krisis energi listrik tersebut, terutama di daerah pedesaan  adalah  Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), untuk kapasitas rumah tangga di pedesaan. 

2.            TINJAUAN PUSTAKA

2.1       Konsep Dasar PLTS.

             Bentuk rangkaian Instalasi PLTS  diperlihatkan pada gambar 1, dan rangkaian pengukuran pada gambar 2 . berikut: (Djojodiharjo,  H. 2001) 

 

           Gambar 1. Blok diagram PLTS                 Gbr 2. Rangkaian pengukuran arus dan tegangan

           

 

2.2       Radiasi Matahari.

            Energi matahari yang diterima langsung diluar atmosfir bumi adalah kontinu dengan laju daya sebesar 1.350 watt/m². Energi ini dikenal dengan sebagai insolation(incident solar radiation) bersifat  stabil sehingga dapat dinyatakan sebagai “konstanta surya ( solar constant)”. Pada permukaan bumi, tingkat daya matahari berfluktuasi sebagai fungsi dari perputaran bumi pada sumbunya dan pergerakan bumi mengelilingi matahari. Daya surya maksimum yang dapat diterima pada permukaan horizontal yang diukur pada permukaan laut  sebesar 1.000 watt /m². ( Matthew, B. 2003)

2.3       Modul Surya.

            Modul surya atau photovoltaic  merupakan gabungan beberapa sel surya  yang terhubung secara seri. Satu sel surya mengahasilkan tegangan sebesar 0,45 Volt. Tegangan ini sangat rendah untuk dapat dimamfaatkan secara praktis, sehingga diperlukan sejumlah sel surya yang dihubungkan secara seri.

            Besar nilai  tegangan serta arus pada system maksimum power point tracker (MPPT) solar cell tergantung dari karakteristik solar cell tersebut. Besar arus solar cell ditulis dengan persamaan:  ( Green, A.M. 1982)

Dimana :

k.T/q      :  tegangan thermal =0.02586 V pada suhu 300 ^oK

I _SC         : Arus hubung singkat  (A)

Io            : Arus beban nol (A)

Dan besar tegangan solar cell pada saat hubungan terbuka  ditulis dengan persamaan :

 

Total daya yang dibangkitkan dirumuskan :

 Daya maksimum pada solar cell diperoleh ketika  

maka dari persamaan   (3) tersebut diatas  diperoleh titik tegangan  maksimum  (Vm), dan titik arus maksimum (Im)  yang ditulis :

Berdasarkan persamaan (4)  maka  tegangan maksimu ditulis

Dan arus maksimum ditulis :

Dan daya maksimum yang di hasilkan dirumuskan :

Dan efisiensi solar cell dituliskan :

Daya yang dihasilkan modul surya pada titik daya maksimum  dinyatakan dalam satuan watt-puncak ( peak watt  (Wp)), dan masih perlu ditambah  20 % sehingga diperoleh persamaan :

Besar energi surya  dirumuskan : W = P. t

Cara menentukan jumlah modul dilakukan dengan pendekatan :

 

Dimana :

            P          = Jumlah daya listrik (watt)

            KPM    = Kapasitas daya modul surya (watt)

2.5       Pengatur Muatan Baterai (BCR) dan Inverter

            Bagian  ketiga  pada pembangkit listrik tenaga surya selain modul surya adalah pengatur muatan baterai atau Battery Charge Regulator (BCR) dan Inverter. Inverter merupakan suatu rangkaian elektronik yang dapat mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC, yang diinginkan . Tegangan output yang berubah-ubah dapat diperoleh dengan mengubah-ubah tegangan input DC dan menjaga agar penyalaan inverter tetap konstan ( Norris, C. 2006).

2.6      Baterai

                                                                                 

Waktu otonomi baterai dapat dikatakan estimasi lama waktu operasional Baterai, saat tidak ada suplai dari modul surya. Makin lama waktu otonomi, makin tinggi kapasitas Baterai yang diperlukan, dapat diperlihatkan dengan menggunakan persamaan  ( Marsudi, D. 2005 )

 dimana :

Q         = muatan arus  baterai harian (Ah)

E          = enerji (Wh)

V          = tegangan batería (volt)

2.6.1    Kapasitas Baterai

             Kapasitas Baterai  ( Ah ) diformulasikan sebagai berikut  C = I.t

 Dimana :

                 C  =  Kapasitas batere ( Ah )

                 I   =  Besar arus yang mengalir  ( A )

                             t  =  Waktu ( jam)

Kapasitas suatu baterai menyatakan berapa lama kemampuannya untuk memberikan aliran listrik pada tegangan tertentu yang dinyatakan dalam ampere-jam(Ah), karena tidak mungkin suatu baterai dikosongkan penuh 100 %, maka perlu diperhitungkan tingkat pengosongannya, biasanya antara 50 % – 75 %, tergantung dari jenis baterainya dan karakteristik dari baterai.  Waktu pengosongan baterai dituliskan :

2.6.2  Hubungan  Baterai

           Besar teganan dan arus baterai dapat dihasilkan dengan  melakkan dua cara menghubungkan baterai .  Hubungan Seri, berfungsi untuk menghasilkan jumlah tegangan yang lebih besar sesuai yang direncanakan. ( Marsudi, D. 2005)

Hubungan pararel, berfungsi untuk memperoleh  arus listrik yang besar sesuai yang direncanakan. 

 

2.7       Beban Listrik

            Ada tiga macam jenis beban listrik pada rumah tangga  yaitu : (Zuhal. 2001)

a.    Beban listrik bersifat tahanan murni ( R), contoh beban seperti setrika, elemen pemanas, dan lampu pijar.

b.    Beban listrik bersifat induktip ( X_L), contoh beban  seperti motor-motor listrik, lampu  yang menggunakan balaz yangberbentuk belitan.

c.    Beban listrik bersifat  kapasitif ( X_C), contoh beban seperti lampu hemat enerji yang banyak mengandung kapasitor.

2.            METODOLOGI PENELITIAN

3.1      Alat dan bahan yang digunakan:         

Alat dan bahan yang digunakan untuk melakukan penelitian terdiri: 

a.    Seperangkat PLTS, ( Modul surya, BCR, Baterai dan Inverter) kapasitas 50 Wpp.

b.  Alat-alat ukur, Ampermeter 3 unit, Volt meter 2 unit, Osiloskop 150 mHz, kabel penghubung, frekuensi meter, dan cos phi meter

a.    Beban listrik, Resistor geser  100 ohm, lampu pijar 20 watt, 220V, lampu LT 10 watt, 220 volt.

b.    Alat-alat pendukung lainnya.

3.2    Waktu dan Tempat Penelitian.

 Pengukuran intensitas matahari dan pengukuran arus dan tegangan  dilakukan pada tanggal  1 s.d  7 mei 2007. Lama penelitian hingga laporan selesai  6 April 2007 hingga  8 Agustus 2008. Tempat penelitian di lakukan di CV. Maharani Teknik, di Jl. Cemara Kipas II No 11 A. Taman Yasmin Bogor, Telp  ( 0251- 8400602).

3.3    Langkah Penelitian

Langkah-langkah penelitian sebagai berikut,

a.    Menentukan kapasitas beban terpasang  500 watt.

b.    Menetukan kapasitas inverter  beserta komponen-komponen pendukungnya

c.    Menentukan kapasitas jumlah baterai, serta pemasangannnya.

d.    Menentukan BCR berserta komponen-komponen pendukungnya.

e.    Menentukan  lama waktu pengisian dan pengosongan baterai

f.     Menentukan jumlah modul PV, tegangan dan arus yang keluar dari terminal PV.

g.    Melakukan pengukuran arus dan tegangan listrik dengan beban yang bervariabel

h.    Mengamati input dan output sinyal pada  BCR dan Inverter

i.      Membuat kesimpulan dan saran.

4.        ANALISA DAN PEMBAHASAN

           Rumah tangga/tinggal  yang sederhana type (R2) mempunyai  beban listrik  sebesar 450 VA, Sebagai asumsi konsumsi listrik harian  tersebut dapat diperlihatkan pada table 4-1 berikut. 

 

Tabel 4-1. Perkiraan Beban  Listik 450 VA Type ( R2)

4.1       Analisa Kapasitas Modul Solar Sell

            Kapasitas modul solar sell harus lebih besar dari kapasitas beban terpasang, seperti yang dijelaskan pada  bab 2, bahwa satu unit modul surya yang terdiri 36 hingga 40 cell surya, mempunyai kapasitas antara 15 hingga  50 Watt. Data spesifikasi Modul Solar Cell dapat dilihat pada tabel 4-2 berikut:

Tabel 4-2 Spesifikasi Modul Sel Surya

Sumber:  Photovoltaic , Solarex, 2006.

Keunggulan modul surya type  ini  dapat menyerap energi listrik  dengan baik antara 12% sampai dengan 15 % walaupun posisi matahari sudah miring   75 ^o (dipandang dari permukaan PV), dan efisiensi PV type ini dapat lebih meningkat jika dipergunakan pada daerah-daerah tropis. Memperhatikan setiap alat mempunyai efisiensi tidak 100 %, maka  beban tersebut di atas masih ditambahkan sebesar 20 %.  Sehingga total beban  berdasarkan persamaan :

maka kebutuhan modul surya adalah :

n = 15,12  modul, dibulatkan menjadi 16 modul.

Setelah jumlah modul diketahui sebanyak 16 modul, tegangan yang dibangkitkan 48 volt, maka modul surya perlu disusun  pemasangan seri dan parael,   seperti gambar  4-1 berikut.  Tujuan yang ingin di capai  arus dan tegangan yang dihasilkan  dari PV sebesar  11,12 Amper dan 60 volt.  Untuk keamanan PV masing-masing grup pada PV dilengkapi dengan diode, yang berfungsi sebagi bloking arus balik dari baterai maupun dari PV group yang berbeda.

Gambar 4-1. Susuan Seri dan parael Modul Surya

Memperhatikan gambar tersebut di atas,  jumlah enam belas panel (16) dibagi menjadi 4 group panel terdiri dari:

1. Group I  ( Panel  (1), (8), (9) dan  (16) dipasang seri 
2. Group II (Panel (2),(7), (10) dan (15) dipasang seri
3. Group III ( Panel (3), (6), (11) dan (14) dipasang seri
4. Grup IV ( Panel (4), (5), (12) dan (13) dipasang seri.

Terminal output   ke empat group di atas dihubungkan  dengan fuse  masing-masing 3 A. Kemudian dipasang pararel antara satu dengan yang lainnya terminal menuju ke inverter dibatasi oleh MCB  12 A ( Miniatur Circuit Breaker) yang terdapat dalam satu box kombinasi.

Besar arus listrik yang berasal dari modul surya berdasarkan persamaan artikel ini dengan memperhatikan spesifikasi dari PV diperoleh :

 

Besar tegangan  listrik yang berasal dari modul surya berdasarkan persamaan (26), dengan memperhatikan spesifikasi dari PV diperoleh:

4.2       Analisa Kapasitas BCR dan Baterai.     

 

4.2.1      Analisa besar arus listrik 

 

             Berdasarkan daya listrik yang terpasang pada tabel 4-1 tersebut di atas maka analisa  besarnya  arus listrik menggunakan persamaan diatas, maka :

menjadi    I = 756 / 48    diperoleh    I = 15,75  Amper dibulatkan 16 Amper.

 4.2.2  Analisa Durasi Penggunaan Daya Listrik.

Durasi penggunaaan daya listrik  digunakan persamaan :

Dibulatkan menjadi 5 jam.

4.2.3    Analisa Kapasitas Baterai

              Setelah besaran arus listrik diketahui dan  durasi penggunaan daya juga diketahui, kapasitas baterai berdasarkan persamaan:

            C = It.   maka           C = 16 x5          sehingga  C = 80 Ah

Kapasitas tersebut di atas masih harus memperhitungkan waktu pengosongan baterai, karena baterai tidak boleh kosong minimum (50) % dari  pengosongan baterai harus terisi kembali.  Sebagai asumsi untuk mengantisipasi penggunaan daya dan durasi yang lebih dari perencanaan digunakan kapasitas baterai 100 Ah, tegangan 12 Volt untuk setiap baterai.

 

4.2.4      Analisa Jumlah  Baterai

             Analisa jumlah baterai  diperlukan untuk memperoleh pelayanan kebeban  agar tetap kontinyu, terutama pada malam hari, baterai tidak mendapat suplay dari PV, sehingga terjadi proses pengosongan, rangkaian  pemasangan hubungan batrerai diperlihatkan pada gambar 4.2 berikut. 

Gambar 4-2. Baterai hubungan seri

            Berdasarkan gambar tersebut di atas  besar tegangan output dari enam belas  unit baterai yang di hubungankan seri  dan pararel  dihasilkan :

Baterai yang tersedia  dipasaran 12 volt, perencanaan menggunakan tegangan 48 volt 400 Ah, sehingga  diperlukan baterai sebanyak 16 atau 4 unit/group yang dipasang secara seri dan pararel sehingga menghasilkan  tegangan 48 volt,  dan berdasarkan persamaan (10) arus output dari baterai 400 Amper hour . Jika diasumsikan arus yang disuplai  ke Inverter pada beban penuh  10 A, maka pengosongan baterai dapat di hitung berdasarkan persamaan:

 

Berdasarkan tabel 4-1 tersebut  di atas jika beban listrik 630 watt, enerji 2.780 Wh  tegangan 220 Volt, arus sisi  beban 2,75 A dan arus disisi primer 10 A,  maka baterai mampu bertahan dalam waktu  20 hour,  ( bataerai akan kosong pada batas 50 %). Pengisian kembali dilakukan oleh BCR  ketika PV sudah mendapat intensitas matahari, lama waktu pengisian baterai hingga kondisi penuh membutukan waktu 6 jam.

4.3       Analisa BCR ( Baterai Kontrol Regulator)

Berdasarkan  data beban dan enerji yang diperlihatkan pada tabel 4-1 tersebut di atas  serta gambar  BCR 4-3 untuk menerima arus /tegangan dari modul surya, dan sebagai penyuplai beban atau pegisi baterai,  bentuk gelombang tegangan dan arus diperlihatkan pada gambar 4-4 dan 4-5 berikut.

 

Gambar 4-3. Rangkaian BCR

Rangkian tersebut di  atas  BCR yang berfungsi sebagai pengisi baterai dan pensuplai  beban listrik. Cara kerja rangkaian dijelaskan sebagai berikut:

1. Tegangan sebesar 48 Volt diperoleh dari output Photovoltaik (PV). Untuk pengisian arus listrik digunakan IC 555D yang berfungsi sebagai regulator tegangan dan arus,  charger.
2. Sebagai proteksi arus lebih pada output IC 555D digunakan Diode MV2201, dan diode M8D101 hal ini berfungsi sebagai bloking arus balik dari baterai.
3. Sebagai Baterai menggunakan resistasi sebesar 3 ohm yang merupakan hasil  pengukuran pada saat baterai tidak mempunyai arus dan tegangan.
4. Jika baterai telah  terisi penuh maka arester (LA) berfungsi membuang arus dan tegangan listrik ketanah.

Bentuk Program berdasarkan rangkaian tersebut di atas diperlihatkan sebagai berikut: (Vladimirescu A . 2006)

********************************************************************

M.Hariansyah\Tesis\PSpice\Chopper.sch BCR CIRCUIT DESCRIPTION

********************************************************************

C_C2         0 $N_0001 Cbreak 10n

C_C1         0 $N_0002 Cbreak 10u

R_R2         $N_0002 $N_0003  250 

R_R1         $N_0003 $N_0004  250 

V_V1         $N_0004 0 48

D_D3         $N_0005 $N_0006 MBD101

D_D5         $N_0007 $N_0006 MV2201 

X_X1         0 $N_0002 $N_0007 $N_0004 $N_0001 $N_0002 $N_0003 $N_0004 555D

+  PARAMS: MAXFREQ=3E6

L_L3         $N_0004 $N_0005  10m 

R_R3         0 $N_0006  3 

.ENDALIASES

.probe

.END

TOTAL POWER DISSIPATION   7.33E+02  WATTS

4.4       Pembahasan BCR.

            BCR yang direncanakan  mempunyai kapasitas  730 watt, hal ini di maksudkan  agar BCR mampu mensuplai beban  500 watt.  Kapasitas daya tersebut dapat tercapai  jika menggunakan komponen-komponen  seperti ditunjakkan pada rangkaian tersebut diatas. Untuk mencegah pengisian baterai berlebih, disisi tegangan positif di pasang arrester (LA) yang berfungsi untuk membuang arus listrik dan tegangan ketanah.  Bentuk grafik tegangan dan arus listrik yang keluar  dari BCR diperlihatkan pada gambar 4-4 dan 4-5 berikut:

 

        Gambar 4-7.  Arus keluaran inverter                Gambar 4-8. Tegangan Output  Inverter

Dari benttuk grafik arus dan tegangan yang keluar dari Inverter terlihat bahwa arus dan tegangan telah berbentuk sinussoida pada tegangan 220 volt, dengan frekuensi 50 Hz sehingga sudah siap untuk memberikan suplay ke beban. Bentuk grafik  tegangan  pada titik-titik a, b c dan d diperlihatkan pada lampiran 9 dan 10.

4.7   Efisiensi

         Mengacu pada persamaan (8), diperoleh efisiensi dari PLTS, yaitu dengan membandingkan P_out terhadap P _input

        Maka E_ff = ( 630 / 800 )    =  78 %

5.     KESIMPULAN

         Setelah  dilakukan simulai dan analisa  terhadap peralatan pendukung PLTS untuk mensuplay beban 500 Watt pada tegangan 220 volt diperoleh hasil :

a.    Kebutuhan  PV berjumlah 16 unit, dibagi menjadi 4 group yang dipasang seri, dan terminal output ke empat group dipasang pararel, menghasilkan daya 800 Watt.

b.    Baterai berjumlah 16 unit, masing-masing berkapasitas  100 Ah, 12 Volt dipasang secara seri 4 baterai dalam satu group dan empat group baterai dipasang pararel  sehingga menghasilkan tegangan 48 volt dan arus 400 Ah.  Pengosongan baterai  dari 100 % menjadi 50 %, jika digunakan pada  enerji 2.780 Wh.

c.    BCR dibutuhkan satu unit, beserta komponen-komponen pendukungnya, kapasitas daya BCR  yang dibutuhkan sebesar  733 watt,.

d.    Inverter dibutuhkan satu unit beserta komponen-komponen pendukungnya, kapasitasnya  735 watt.

e.    Beban maksimum 630 watt, kapasitas PLTS 800 watt,  sehingga PLTS dapat mensuplai  dengan  lancar. 

f.  Baterai tidak diizinkan  mengalami pengosongan, karena dapat merusak baterai dan memperpendek usia baterai, kapasitas baterai dari 100 % hingga 50 %  setelah baterai  bekerja selama    20 jam, pada energi 2,78 kWh, dan pada  siang hari kekosongan baterai diisi kembali oleh BCR setelah modul surya menghasilkan arus dan tegangan

g.    Efisiensi PLTS  sebesar 78 %,   pada kondisi beban puncak.

6.     DAFTAR    PUSTAKA

A Green,  M.  2002. Solar Cells Operating Principles Technology and System  Aplication.  Prentice Hall. Sidney.

 Buresch, M. 2003.  Photovoltaic Energy System Design and Installation.  Mc Graw Hill. New York

Court Norris.  2006. A Guide to Photovoltaic (PV) System Design and Installation.  Endecon Engineering.  Washington

 Djojodiharjo, H. 2001.  Pengantar Ringkas Sistem Listrik Tenaga Surya;  Intitut Teknologi Bandung.

LIPI ( Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia). 2007 . Demografi Kependudukan Indonesia. Jakarta;

Lokakarya PLN. 2006. PT. Perusahan Listrik Negara, Tbk ( PLN)  Pusat. Jakarta

Marsudi, D. 2005.  Pembangkit Energi Listrik.  Erlangga; Jakarta.

Rashid H M. 1981.  Power Electronics.  Prentice Hall International Inc, 2^st  .  New Jersey

Zuhal. 2001. Dasar Teknik Tenaga Listrik.   Edisi ke 6. Binacipta. Bandung.

Vladimirescu A . 2006.  The PSipes Book  Electronics and Circuit Analysis Using.  New York;