5. Pembangkit Daya Tenaga Surya 5.1. Perhitungan Radiasi Surya 5.1.1. Variabel Surya Latitud – Sudut Lintang Latitud merupakan spesifikasi lokasi tempat pada permukaan bumi. Nilai latitud merupakan variabel penting dalamperhitungan energi surya, yang digunakan untuk menentukan nilai radiasi dari indeks kecerahan, sehingga dapat ditetapkan besarnya radiasi untuk suatu lokasi tertentu. Sudut Deklinasi Sudut deklinasi adalah posisi latitud dari matahari terhadap permukaan bumi pada saat tengah hari, yang merupakan fungsi dari waktu dalam setahun dan dihitung :
δ = 23,45 sin 360
284 + n 365
( 5-1)
Sudut Jam Letak matahari di langit dinyatakan dengan sudut jam, yaitu nol untuk tengah hari (waktu dimana matahari terletak pada posisi tertinggi di langit), nilai negatif untuk pagi dan positif untuk sore.
ω = (t s − 12)15
( 5-2)
dengan ts adalah waktu matahari dalam jam ts = 12 untuk tengah siang. Persamaan tersebut diasarkan pada kenyataan bahwa matahari bergerak 15° per jam. Waktu yang sering digunakan (waktu sipil) tidak selalu sama dengan waktu matahari. Relasi antara kedua waktu dihitung sbb:
t s = tc +
Lloc − Tc + E 15
( 5-3)
dengan tc : waktu sipil dalam jam Lloc: longitud (letak bujur) untuk lokasi (Lloc < 0 untuk barat, (Lloc > 0 untuk timur).
66
Tc: daerah waktu lokal dalam jam dari GMT E: penyamaan waktu dalam jam. Waktu penyamaan adalah faktor untuk memperhitungkan efek orbit bumi yang bersifat eliptis. E = 3,82 (0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B – 0,014615 cos2 B – 0,04089 sin2 B)
( 5-4)
360(n − 1) 365
( 5-5)
dengan:
B=
Sudut Datang Radiasi Sudut datang radiasi surya untuk suatu permukaan dihitung sbb: cos θ = sin δ sin φ cos β - sin δ cos φ sin β cos γ + cos δ cos φ cos β cos ω + cos δ sin φ sin β cos γ cos ω + cos δ sin β sin γ sin ω
( 5-6)
dimana: β: sudut kemiringan permukaan γ: azimut permukaan φ: latitud δ: deklinasi ω: sudut jam Untuk bidang yang dipasang horisontal (β = 0), diperoleh:
cos θ z = cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ
( 5-7)
67
5.1.2. Radiasi Surya Radiasi Ekstraterestrial Nilai radiasi untuk bidang normal terhadap arah radiasi surya pada atmosfer teratas (radiasi ekstraterestrial) dihitung dengan:
360n Gon = G sc 1 + 0,033 cos 365
( 5-8)
dengan n adalah hari ke-n dalam setahun (1 untuk tanggal 1 Januari dan 365 untuk 31 Desember), Gsc = 1,367 kW/m2 adalah konstanta surya. Sehingga nilai radiasi ekstra terestrial untuk bidang datar adalah:
Go = Gon cos θ z
( 5-9)
dengan θz adalah sudut Zenit.
cos θ z = cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ
( 5-10)
dengan φ: sudut latitud δ: sudut deklinasi ω: sudut jam Nilai total radiasi ekstraterestrial untuk setiap meter persegi dapat diperoleh dengan integrasi persamaan Go dari sejak matahari terbit sampai terbenam. Hasil integrasi diperoleh:
Ho =
πω s Gon cos φ cos δ sin ω s + sin φ sin δ π 180
24
( 5-11)
dengan ωs adalah sudut jam ketika matahari terbenam dihitung dengan:
cos ω s = − tan φ tan δ
( 5-12)
Nilai rerata jam radiasi ekstraterestrial diperoleh dengan integrasi untuk setiap jam yaitu:
Io =
π (ω 2 − ω1 ) Gon cos φ cos δ (sin ω 2 − sin ω1 ) + sin φ sin δ π 180
12
( 5-13)
dengan ω1 sudut jam awal dan ω2 akhir.
68
Indeks Kecerahan Indeks kecerahan adalah nilai tak berdimensi antara 0 – 1 yang merupakan indikasi tentang fraksi radiasi surya yang dapat menembus atmosfer sehingga dapat sampai ke bidang dtar pada permukaan bumi. Indeks kecerahan dapat dihitung:
kT =
I Io
( 5-14)
dengan I adalah radiasi global bidang horisontal pada permukaan bumi.
Gambar 5.1: Contoh variasi radiasi dan indeks kecerahan Nilai kecerahan dapat pula dihitung untuk rerata dalam satu bulan.
KT =
H ave Ho, ave
( 5-15)
dimana Have adalah rerata bulanan radiasi pada sutau bidang datar di permukaan bumi dan Ho,ave rerata bulanan radiasi ekstraterestrial horisontal, yang ditetapkan untuk radiasi pada bidang datar pada lapisan teratas atmosfer. N
∑ Ho
Ho, ave =
n =1
N
[kWh/m2]
( 5-16)
dengan N adalh jumlah hari dalam sebulan. Nilai Ho dihitung dari nilai latitud.
69
Radiasi Beam dan Difuse Radiasi surya terbagi dalam radiasi beam dan difuse. Radiasi beam ditetapkan sebagai radiasi yang dipancarkan dari matahari sampai ke permukaan bidang tanpa hamburan. Radiasi beam sering disebut sebagai radiasi langsung. Radiasi difuse adalah radiasi surya yang arahnya diubah oleh atmosfer bumi. Radiasi difuse dapat datang dari segala arah. Jumlah dari radiasi beam dan difuse dinamakan radiasi surya global. Radiasi total untuk suatu permukaan bidang adalah
I = I b + Id
( 5-17)
Dengan Ib adalah radiasi beam dan Id radiasi difuse.
Id = I
1,0 – 0,08 kT
kT ≤ 0,22
0,9511 – 0,1604 kT + 4,388 kT2 – 16,638 kT3 + 12,336 kT4
0,22 ≤kT ≤ 0,80
0,165
kT ≥ 0,80 ( 5-18)
Rasio radiasi beam untuk bidang miring dengan radiasi untuk permukaan horisontal didefinsikan sebagai:
Rb =
cos θ cos θ z
( 5-19)
Indeks anisotropi Ai adalah ukuran transmitansi radiasi beam dalam atmosfer.
Ai =
Ib Io
( 5-20)
Faktor awan
f =
Ib I
( 5-21)
Faktor tersebut menyatakan tingkat radiasi beam dari total radiasi yang sampai ke suatu permukaan.
70
Radiasi Global Model HDKR Radiasi global yang sampai pada permukaan suatu panel PV dihitung:
1 + cos β IT = (I b + I d Ai )Rb + I d (1 − Ai ) 2
β 1 − cos β 1 + f sin3 + Iρ g 2 2 ( 5-22)
dengan ρg adalah refrektansi tanah. Model perhitungan radiasi surya sebagai fungsi waktu dapat dilakukan diawali dengan perhitungan Io atas dasar spesifikasi lokasi (latitud, longitud dan waktu). Atas dasar data kT yang diketahui dapat dihitung I dari nilai Io, kemudian dapat ditentukan Id dan Ib.
5.2. Sistem PV Subsistem dari PV mencakup: •
Panel PV
•
Perangkat keras instalasi
•
Sistem tracking
•
Sistem kontrol (maximum power point tracker)
•
Kabel
Biaya instalasi sistem PV •
Biaya subsistem (komponen)
•
Biaya installasi
•
Biaya penggantian
•
Biaya perawatan
Daya output dari rangkaian panel PV:
I PPV = f PV YPV T Is
( 5-23)
dengan: fPV: faktor daya (efisiensi) 71
YPV: kapasitas rangkaian PV IT: radiasi surya global yang jatuh pada PV Is: nilai radiasi standar (1 kW/m2) Nilai IT bervariasi dari jam ke jam dalam sehari, yang dalam perhitungan ditetapkan dari nilai radiasi surya untuk bidang datar dohitung dari persamaan ( 5-22). Faktor daya atau efisiensi ditetapkan dari hasil dari pengukuran dengan radiasi standar pada kondisi uji (1 kW/m2).
Orientasi PV Deskripsi untuk orientasi PV dapat ditetapkan dengan dua parameter: kemiringan dan azimut. Kemiringan adalah sudut yang terbentuk antara permukaan panel dan bidang datar, nol untuk orientasi pemasangan PV secara horisontal dan 90 untuk orientasi vertikal. Sudut azimut adalah arah pandang bidang permukaan, nol untuk menghadap ke selatan, positif untuk arah barat. Nilai azimut –45 adalah orientasi timur laut (timur selatan), dan 90 untuk orientasi arah barat.
72
