BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI

2.1.

Energi Surya Energi surya adalah radiasi yang di produksi oleh reaksi fusi nuklir pada inti matahari.

Matahari mensuplai hampir semua panas dan cahaya yang diterima bumi untuk digunakan

makhluk hidup. Selain itu energi surya berjumlah besar dan bersifat kontinyu terbesar yang tersedia di alam ini, khususnya energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari.

Energi surya yang sampai ke bumi dalam bentuk paket – paket energi disebut foton. Semua

radiasi elektromagnetik termasuk cahaya matahari mengandung foton yang dimana foton tersebut mengandung energi. Terdapat dua paramater dalam energi surya yang paling penting

: pertama intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per luas area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari. Intensitas radiasi matahari diluar 2

atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m . Setelah disaring oleh atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi 2

sekitar 1000W/m . Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan permukaan tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah. Radiasi surya dipancarkan dari fotoshpere matahari pada temperatur 6000K, yang memberikan distribusi spektrumnya mirip dengan distribusi spektrum black body. Dengan melalui atmosfer bumi, radiasi surya diatenuasikan oleh berbagai partikel diantaranya molekul udara, aerosol, partikel debu, dll sehingga menghasilkan spectrum seperti yang ditunjukan pada gambar berikut:

Gambar 2.1. Standar Spektrum Radiasi Surya

Laporan Tugas Akhir 2012 Jurusan Teknik Konversi Energi

5

surya tidak bersifat polutif, tak dapat habis dan didapatkan secara gratis. Energi

Namun, kekurangan dari energi surya sendiri adalah sangat halus dan tidak konstan. Arus energi surya yang rendah mengakibatkan dipakainya sistem dan kolektor yang luas

permukaannya besar untuk mongkonsentrasikan energi itu. Sistem kolektor ini berharga

cukup mahal dan ada masalah lagi bahwa sistem – sistem di bumi tidak dapat diharapkan persediaan yang terus menerus dari energi surya ini. Hal ini berarti diperlukan akan menerima

semacam sistem penyimpanan energi atau konversi lain untuk menyimpan energi pada malam hari serta pada saat cuaca mendung.

Energi surya dapat dikonversi secara langung menjadi bentuk lain dengan tiga proses,

yaitu : proses helochemical, proses helioelectrical, dan

proses heliothermal. Reaksi

yang utama adalah proses fotosintesa. Proses ini adalah sumber dari semua heliochemical

bahan bakar fosil. Proses helioelectrical yang utama adalah produksi listrik oleh sel – sel surya dapat dikatakan energi radiasi matahari dikonversi menjadi energi listrik. Proses heliothermal adalah penyerapan radiasi matahari dan pengkonversian energi ini menjadi energi termal. Bumi bergerak mengelilingi matahari dalam suatu orbit berbentuk elips yakni hampir berupa lingkaran. Pada titik terdekat di tanggal 21 desember, bumi berjarak sekitar 1,45 x 1011 m sementara pada titik terjauh di tanggal 22 juni, bumi berjarak sekitar 1,54 x 1011 m dari matajari. Waktu matahari rata – rata ialah waktu matahari setempat jika bumi bergerak mengelilingi matahari dengan kecepatan konstan. Orbit yang bergerak elips itu menunjukan bahwa bumi tidak bergerak dengan kecepatan konstan dan pada berbagai waktu matahari timbul lebih cepat atau lebih lambat dari waktu matahari rata – rata. Perbedaan waktu matahari sebenarnya dengan waktu matahari rata – rata disebut dengan “persamaan waktu”. Persamaan waktu bukanlah sebuah persamaan melainkan hanyalah sebuah faktor koreksi yang tergantung dari waktu tahun. Harga koreksi ini berkisar dari +16,3 menit dibulan nopember hingga -14,4 menit dibulan februari. Waktu matahari rata – rata dapat dihitung secara langusng dari garis bujur setempat. Oleh karena bumi berevolusi 360o dalam 24 jam, satu derajat dari rotasi bumi sama dengan [

] atau sama dengan 4 menit. Ada sebuah garis bujur imajiner yang membujur kira – kira

pusat dari tiap – tiap zone waktu yang disebut meridian standar zona waktu. Pada garis bujur ini, waktu matahari rata – rata dan waktu standar setempat adalah identik. Berapa besar jumlah energi yang dikeluarkan oleh matahari sukar dibayangkan. Menurut perkiraan, inti matahari yang merupakan suatu tungku termonukler bersuhu Laporan Tugas Akhir 2012 Jurusan Teknik Konversi Energi

6

100.000.000 o C dimana tiap detik mengkonversi 5 ton materi menjadi energi yang dipancarkan ke angksa luas sebanyak 6,41 x 107 W/m2. Matahari mempunyai radius sebesar 8.96 x 105 km. dalam perjalanannya di ruang angkasa dalam kedinginan yang hampir

mendekati nol absolute, yaitu kira – kira 2 K, bumi menerima sebagian kecil dari jumlah energi itu.

2.1.1. Radiasi Radiasi dapat dibagi menjadi dua dari tipe yaitu Direct Radiation dan Diffuse Radiation. Direct Radiation radiasi yang datang dalam balok lurus dan dapat difokuskan oleh lensa atau cermin. Diffuse Radiation adalah radiasi yang dicerminkan oleh atmosfer dan

dapat dipantulkan oleh awan. Awan dan debu di atmosfer dapat menyerap atau memantulkan

radiasi sehingga mengurangi radiasi yang sampai di permukaan bumi. Pada keadaan cerah biasanya radiasi akan langsung sampai ke permukaan bumi, sedangkan pada saat keadaan

berawan radiasi tersebut akan terserap lalu di sebarkan secara global. Radiasi yang sampai di permukaan bumi pada cuaca mendung biasanya hanya satu per sepuluh dari yang menerima di bawah sinar matahari penuh. Oleh karena itu, sistem surya harus dirancang untuk menjamin daya yang cukup pada periode berawan dengan tingkat radiasi yang lebih rendah. Pada

saat

yang

sama,

pengguna

sistem

harus

menghemat

energi

penggunaan

ketika itu cuaca sedang mendung mendung. Radiasi adalah satuan daya per luas W/m2 dimana daya dari matahari per satuan unit area. Jika modul menghadap ke matahari secara langsung maka radiasi yang sampai ke permukaan modul akan bernilai besar. 2.2.

Fotovoltaik Fotovoltaik atau sel surya adalah teknologi yang dapat menghasilkan arus searah

(Direct Current) dengan satuan daya Watt (W) atau kilo Watt (kW) dari bahan semikonduktor ketika bahan ini tersinari oleh foton. Prinsip dasar sel surya merupakan kebalikan dari LED (Light Emitting Diode) yang mengubah energi listrik menjadi cahaya atau boleh dikatakan identik dengan sebuah dioda cahaya p-n junction. Sel surya terdiri dari lapisan semikonduktor doping – n dan doping – p yang membentuk p – n junction, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe – n (elektron) dan tipe – p (hole). Semikonduktor tipe – n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe – p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar.


7

Gambar 2.2 Struktur Sel Surya p-n junction

Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n

berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping

p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yang terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda. Sel surya (Photovoltaic) menghisap radiasi dari matahari sebesar 80% namun hanya 5 – 20% energi yang dapat dikonversikan menjadi energi listrik tergantung dari teknologi panel surya yang digunakan sendiri. Panel surya dibuat dengan bahan semi konduktor murni (Ge & Si) yang bersifat setengah penghantar dan mampu menghantarkan arus listrik ke suatu arah saja. Bahan semi konduktor ini sebenarnya adalah isolator yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Namun dengan mencampurkan bahan tersebut dengan bahan lain maka semi konduktor dapat bersifat sebagai setengah penghantar. (Drs. Maridjo: Hal 17) Pada dasarnya terjadinya arus listrik pada panel surya adalah karena pergerakan elektron (Ge & Si). Teori lubang elektron mengatakan bahwa elektron dapat terlepas dari orbitnya. Elektron yang terlepas dari lingkaran orbit terluar akan meninggalkan hole, dan menyebabkan atom bermuatan positif. Atom bermuatan positif tersebut akan menarik elektron dari atom lainnya dan menjadi netral kembali. Atom yang ditarik elektronnya akan menjadi positif, dan akan menarik elektron dari atom yang lainnya lagi. Demikian seterusnya sampai terjadi pergerakan elektron dari satu atom ke atom lainnya. Ketika energi foton yang datang lebih besar dari celah energi ini maka foton akan diserap oleh semikonduktor dan akan membuat elektron bebas bergerak untuk membentuk pasangan electron-hole sebagai pembawa muatan. Selanjutnya elektron dan hole bergerak berturut – turut kearah lapisan n dan p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang dihasilkan cahaya) ketika dua muatan melintasi daerah sambung p – n. Jika energi foton yang datang lebih kecil dari Laporan Tugas Akhir 2012 Jurusan Teknik Konversi Energi

8

celah energi akan tidak akan dapat menggerakan elektron bebas. Hal ini akan menyebabkan energi foton berjalan – jalan melalui solar cell dan diserap pada bagian belakang solar cell sebagai panas.

2.2.1. Jenis Fotovoltaik Secara komersil jenis fotovoltaik dapat dibedakan menjadi tiga berdasarkan jenis dari

bahan solar cell yang digunakan.

a. Modul sel mono-crystalline yang mempunyai effisiensi sel tertinggi sekitar 17%.

b. Modul sel multi-crystalline yang mempunyai effisensi sel tertinggi sekitar 15%. sel multi-crystalline diperoleh dari batang multi-crystalline silicon dan biasanya

dalam keadaan bujur sangkar.

c. Modul amorphous silicon dibuat dari film tipis dimana effisiensinya sangat rendah

yaitu sekitar 5 – 7% tetapi proses pembuatannya membutuhkan sedikit material. Potensi untuk pengurangan biaya adalah hal utama untuk jenis ini dan banyak penelitian telah dilakukan tahun terakhir ini untuk mengembangkan teknologi amorphous silicon. Tidak seperti mono dan multi- crystalline, dengan amorphous silicon terbentuk tingkatan sepanjang waktu.

Gambar 2.3. Jenis fotovoltaik

(a) Mono-crystalline

(b) Multi-crystalline

(c) Amorphous silicon

2.2.2. Karakteristik Fotovoltaik Gambar dibawah ini menunjukan kurva karakteistik dari sel surya. Kurva ini menunjukan tegangan dan arus keluaran yang didapat dari fotovoltaik ketika tidak dibebani secara langsung.


9

Gambar 2.4. Kurva Karakteristik I-V Sel Surya (sumber: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering)

Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (Isc) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut tenganan open circuit (Voc). Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut Maximum Power Point (MPP). Karakteristik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan persamaan sebagai berikut:

=

.

……………………………………………………. (2.1.)

.

Dengan menggunakan fill factor maka maksimum daya dari sel surya didapat dari persamaan: =

.

.

…………………………………………………. (2.2.)

Sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (Pelektrik) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (Pcahaya):

=

…………………………………………………..…….. (2.3.)

Nilai efisiensi ini menjadi ukuran global dalam menentukan performansi suatu sel surya. Fotovoltaik pada umumnya mempunyai hambatan parasitik seri dan hambatan shunt yang berpengaruh pada penurunan efisiensi, seperti ditunjukkan pada gambar berikut:


10

Gambar 2.5. Rangkaian Ekivalen Fotovoltaik

Berdasarkan persamaan 2.1. efisiensi dari fotovoltaik sendiri dinyatakan sebagai rasio antara daya keluaran yang dihasilkan (daya listrik) terhadap energi cahaya yang sampai dipermukaan fotovoltaik, atau dinyatakan sebagai berikut:

Dimana

=

=

……………………………………………………… (2.4.)

: V = Tegangan yang dibangkitkan fotovoltaik (Volt) I = Arus yang dibangkitakan fotovoltaik (Ampere) A = Luas penampang fotovoltaik (m2) ST = Radiasi matahari (W/m2)

Energi keluaran yang dihasilkan fotovoltaik adalah dengan mengalikan arus modul berbeban dikalikan dengan peak sun hour dan dikalikan dengan tegangan maka akan didapatkan energi yang dibangkitakan oleh fotovoltaik (Hankins, Mark, 2010). = Dimana

:

Eout V I PSH

= Energi yang dihasilkan fotovoltaik (Wh) = Tegangan yang dibangkitkan fotovoltaik (Volt) = Arus yang dibangkitkan fotovoltaik (Ampere) = Nilai efektif dalam satuan waktu (h)

Battery

Modul surya

Charge controller

Beban DC

Gambar 2.6. Diagram blok sistem Laporan Tugas Akhir 2012 Jurusan Teknik Konversi Energi

11

Dari gambar 5. energi dari matahari dikonversi menjadi energi listrik oleh fotovoltaik lalu akan disalurkan ke charge controller untuk mengatur pengisian battery. Dari charge controller juga bisa langsung digunakan untuk beban dc.

Kondisi meteorologi yang dominan dalam mendesain sistem solar home system adalah besarnya radiasi matahari harian (W/m2/hari), serta temperatur lingkungan sekitar sedangkan kelembaban dan kecepatan angin tidak terlalu bepengaruh. (abu bakar dkk, 2006)

Daya keluaran fotovoltaik berbanding lurus dengan intensitas cahaya matahari (W/m2). Gambar berikut adalah pengaruh dari intensitas cahaya matahari yang berbeda – beda terhadap keluaran tegangan dan arus.

Gambar 2.7. Efek dari Intensitas Cahaya Matahari (sumber: Strong, Steven J. The Solar Electric House) Perubahan temperatur yang terjadi pada fotovoltaik tidak semuanya dikonversi menjadi listrik, hal ini dikarenakan pada fotovoltaik akan menimbulkan panas, maka tegangan keluaran mengecil seperti pada gambar berikut:


12

Gambar 2.8. Efek dari Temperatur Terhadap Kurva I-V (sumber: Strong, Steven J. The Solar Electric House)

Daya keluaran pada fotovoltaik sangat bergantung pada intensitas cahaya matahari. Gambar diatas memperjelas hubungan antara temperatur lingkungan dengan daya keluaran. Oleh karena itu karakteristik arus dan tegangan fotovoltaik tidak linier, sehingga daya keluaran maksimumnya bergantung pada tegangan dan arus yang didapat dari fotovoltaik. Daerah kerja fotovoltaik terbagi menjadi dua daerah wilayah kerja yaitu daerah tegangan dan arus. Pada daerah kerja arus impedansi dalamnya tinggi sedangkan pada daerah sumber tegangan, nilai impedansi dalamnya rendah. Pada daerah arus, arus keluaran mendekati konstan pada perubahan nilai tengangan. Sedangankan pada daerah tegangnan, nilai tegangan akan berubah pada range perubahan arus yang besar. Daerah arus dan tegangan pada fotovoltaik dengan luas tertentu nilainya dapat bermacam – macam terhadap besar intensitas matahari dan temperatur. Berdasarkan teori transfer daya maksimum, daya yang disalurkan ke beban akan maksimum bila impedansi dalam fotovoltaik sama besar dengan impedansi beban (matching). Untuk dapat selalu beroperasi pada titik daya maksimum, suatu kontroler digunakan untuk mengatur tegangan keluaran converter sehingga titik kerja fotovoltaik dapat dijaga pada titik daya maksimumnya. Nilai efisiensi sebuah modul surya juga sangat tergantung kepada nilai Peak Sun Hour (PSH). PSH sangat subyektif tergantung pada karakteristik lingkungan termasuk lamanya penyinaran matahari dan indeks kecerahan disuatu tempat. Besarnya nilai PSH bisa diperoleh dengan menggunakan rumus berikut: Laporan Tugas Akhir 2012 Jurusan Teknik Konversi Energi

13

=

∑ Ī .∆

……………………………………..……………………. (2.5.)

Dimana : Ī = intensitas matahari pada jam tertentu pada bulan tertentu

∆t = rentan waktu dimana matahari memiliki intensitas rata – rata harian Ī

IR = intensitas matahari untuk pengujian standar PV (1000 W/m2)

Gambar 2.9. Radiasi matahari dan peak sun hour (sumber: Renewable Energy Primer)

2.2.3. Faktor Pengoperasian Sel Surya Pengoperasian sel surya agar didapatkan nilai yang maksimum sangat tergantung pada faktor berikut: a. Ambient Air Temperature. Sebuah sel surya dapat beroperasi secara maksimum 0

jika tempeteratur sel tetap normal (pada 25 C). Kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada sel surya akan melemahkan tegangan (Voc). Seperti pada gambar 2.4.2. (c) setiap kenaikan temperatur sel surya 10 Celsius (dari 25 0

C) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan atau akan 0

melemah dua kali (2x) lipat untuk kenaikan temperatur sel per 10 C. b. Radiasi matahari. Radiasi matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariabel, dan sangat tergantung keadaan radiasi solar ke bumi. Intensitas cahaya matahari akan banyak berpengaruh pada arus (I) dan berpengaruh sedikit pada tegangan. c. Kecepatan Angin. Kecepatan tiup angin disekitar lokasi sel surya dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca sel surya. d. Keadaan Atmosfir Bumi. Keadaan atmosfir bumi berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air, kabut dan polusi sangat menentukan hasil maximum arus listrik dari deretan sel surya.


14

e. Posisi. Mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel sel 2

surya secara tegak lurus akan mendapatkan energi maksimum ± 1000 W/m atau 1 2

kW/m . Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan bidang PV, maka ekstra luasan bidang panel sel surya dibutuhkan (bidang panel sel surya terhadap sun altitude yang berubah setiap jam dalam sehari).

Indonesia yang memiliki potensi energi surya yang cukup besar, terutama

Indonesia adalah Negara tropis dan hampir sepanjang tahunnya seluruh wilayah

Indonesia terkena radiasi matahari.

Tabel 2.1. Potensi Sumber Daya Energi Surya di Beberapa Kota di Indonesia

TAHUN

RADIASI RATA – RATA

PENGUKURAN

(kWh/m2)

Aceh

1980

4.1

Palembang

Sumatera Selatan

1979 – 1981

4.95

3

Jakarta

Jakarta

4.19

4

Bandung

Jawa Barat

1965 – 1981 1980

5

Semarang

Jawa Tengah

5.49

6

Surabaya

Jawa Timur

1979 – 1981 1980

7

Denpasar

Bali

1977 – 1979

5.26

NO

KOTA

PROVINSI

1

Banda Aceh

2

4.15

4.30

(Sumber: Rencana Induk Pengembangan Energi Baru dan Terbarukan, 1997. Direktorat Jenderal Listrik dan Pengembangan Energi, DESDM) 2.3.

Instalasi Fotovoltaik Dalam memanfaatkan fotovoltaik sebagai sumber energi listrik, perlu dilakukan perencanaan untuk proses pemasangan. Hal ini dilakukan untuk memperoleh hasil yang maksimal dan mengurangi energi yang terbuang. Dalam hubungannya dengan sistem sumber energi listrik yang lain, maka instalasi dibagi menjadi dua yaitu sistem Instalasi Stand Alone dan sitem Intsalasi Connecting Grid. 2.3.1. Sistem Stand Alone Sistem instalasi mandiri (stand alone) adalah instalasi fotovoltaik dimana tidak dihubungkan dengan sumber listrik dari jaringan umum (PLN). Oleh karena itu, pada sistem ini pemenuhan kebutuhan beban sangat tergantung pada fotovoltaik. Untuk menjaga pasokan daya listrik sistem ini membutuhkan baterai kareana ketersediaan intensitas matahari yang berfluktuatif sehingga dimana cuaca tidak cerah fotovoltaik tidak dapat mensuplai energi yang sama seperti pada saat cuaca cerah. Intsalasi jenis ini biasa digunakan dalam Solar Home System (SHS). Sistem ini terdiri dari modul fotovoltaik, BCR, baterai dan komponen pendukung. Besar daya beban yang dapat dipenuhi dibatasi oleh jumlah fotovoltaik dan kapasitas baterai yang digunakan. Laporan Tugas Akhir 2012 Jurusan Teknik Konversi Energi

15

Kapasitas baterai dirancang agar dapat menyimpan energi untuk kondisi paling buruk, yaitu tidak tersedianya intensitasi matahari dalam beberapa hari.

Gambar 2.10. Sistem stand alone

2.3.2. Sistem Connecting Grid Sistem terhubung jaringan (Connecting Grid) merupakan sistem instalasi yang dihuungkan dengan sumber listrik dari jaringan listrik umum (PLN). Pada sistem ini tidak terlalu diperlukan adanya baterai karena pada saat sistem kekurangan daya maka untuk memenuhi kekurangan daya beban tersebut disuplai dari listrik jaringan yang ada. Sistem fotovoltaik akan bekerja pada saat siang hari dengan ketersediaan intensitas surya yang memenuhi. Sedangkan kekurangan daya pada saat malam hari atau cuaca mendung, disuplai dari jaringan. Gambar 2.11. Sistem Connecting Grid


16

2.4.

Balance of Systems Sebuah sistem pada PLTS

tidak hanya terdiri dari panel surya saja. Dalam

penambahannya ini membutuhkan elemen – elemen penting dikenal sebagai “Balance of

Systems” (BOS). BOS biasanya terdiri dari battery, control unit, inverter, kabel elektrik dan peralatan proteksi seperti fuse, sambungan tanah dan disconnect switches.

2.4.1. Battery Fotovoltaik akan menghasilkan energi listrik ketika matahari bersinar. Energi yang dihasilkan fotovoltaik akan ditampung pada baterai. Sederhananya baterai itu seperti tanki

penyimpanaan untuk energi listrik. Baterai sendiri adalah kumpulan dari sel elektrokimia

yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Ketika baterai sedang diisi, energi listrik disimpan sebagai energi kimia dalam cell. Kapasitas baterai sangat tergantung pada tipe,

umur, temperature dan rate of discharge baterai. Dianjurkan menggunakan tipe baterai dengan kapasitas yang mampu memberikan DOD regular 40% dan dapat mensuplai energi selama 3-4 hari (autonomi day) pada saat tidak ada matahari dengan DOD maksimum 80%.

Gambar 2.12. Baterai jenis lead acid

Kapasitas baterai yang ada dipasaran bermacam – macam mulai dari 0.5 Ah sampai dengan 100 Ah. Kapasitas baterai berpengaruh pada lamanya waktu penggunaan beban, semakin besar kapasitas baterai yang digunakan maka akan semakin lama penggunaan beban. Namun dengan mempertimbangan penghematan energi dan biaya baterai yang digunakan sebaiknya berkapasitas sesuai dengan lamanya penggunaan keperluan beban yang akan digunakan. Selain itu dalam sistem ini baterai juga akan berpengaruh pada lamanya pengisian yang dilakukan fotovoltaik, maka daripada itu aspek ini perlu diperhatikan dalam pemilihan baterai.


17

Tabel 2.2. Data kapasitas baterai (Sumber: Power Sonic Sealed Lead Acid Baterrry)

Rated Capacity (Ah) 0.5 0.8 1.0 1.3 2.3 3.0 3.2 4.5 5.0 6.5 7.0 8.0 9.0 10.0 12.0 18.0 20.0 26.0 28.0 33.0 40.0 55.0 60.0 75.0 80.0 100.0

@ 0.05C Rate ( 20 Hr. Rate) (A) 0.025 0.04 0.05 0.065 0.115 0.15 0.16 0.225 0.25 0.325 0.35 0.40 0.45 0.50 0.60 0.90 1.00 1.30 1.40 1.65 2.00 2.75 3.00 3.75 4.00 5.00

@ 0.01C Rate (20 Hr Rate) (A) 0.05 0.08 0.10 0.13 0.23 0.30 0.32 0.45 0.50 0.65 0.70 0.80 0.90 1.00 1.20 1.80 2.00 2.60 2.80 3.30 4.00 5.50 6.00 7.50 8.00 10.00

Level baterai dapat diukur dengan menggunakan voltmeter. Tipikal baterai penuh dalam keadaan 100% tegangannya sebesar 12.6 V. Ketika baterai digunakan sampai pada level 50% tegangannya akan sampai 11.5 V ataupun kurang dari itu. Berikut tabel yang memperlihatkan tabel level pada baterai:


18

Tabel 2.3. Data level baterai (sumber: Hankins, Mark. Stand Alone Solar Electric System)

Level Baterai (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Tegangan (Volt) 12.70 12.50 12.42 12.32 12.20 12.06 11.90 11.75 11.58 11.31 10.50

2.4.2. BCR BCR berfungsi sebagai pengontrol pengisian/charge baterai atau bisa dikatakan sebagai sistem proteksi bagi baterai yang bertujuan untuk menghindari baterai dari kerusakan. BCR juga berfungsi sebagai MCB pada sistem serta pengaman dari arus balik dari baterai ke fotovoltaik, over charge, over discharge dan arus berlebih. Prinsip kerja dari BCR adalah apabila baterai telah terisi penuh oleh muatan listrik, maka BCR akan memutuskan hubungan antara panel surya dengan baterai sehingga pengisian baterai berhenti. Sebaliknya, apabila muatan listrik yang ada pada baterai dibawah kondisi yang ditentukan, maka BCR akan menghubungkan solar panel dengan baterai dan mengisi baterai dengan muatan listrik.

Gambar 2.13. Battery Charge Regulator


19

2.4.3. Inverter Inverter adalah alat pengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC).

Bentuk gelombang, efisiensi dan surge capability memegang peranan penting pada jenis

inverter yang akan digunakan. Jenis gelombang pada inverter ada 3 macam yaitu gelombang kotak, modifikasi gelombang kotak dan gelombang sinu. Dari sisi kualitas inverter dengan

gelombong sinus adalah yang terbaik karena sama dengan gelombang listrik umum (PLN). Bentuk gelombang keluaran inverter akan mempengaruhi faktor umur beban jika bentuk

gelombang inverter berbentuk selain sinus maka akan cepat merusak beban.

Gambar 2.14. Inverter

2.5.

Sistem Pompa Air Tenaga Surya Fotovoltaik dapat mencatu daya sistem pompa air, terutama bagi daerah – daerah yang sulit mendapatkan air serta tidak terdapat jaringan listrik. Sistem pompa air tenaga surya terdiri dari komponen – komponen fotovoltaik, motor, pompa dan inverter apabila motor yang digunakan mempunyai sistem tegangan AC, sedangkan untuk motor sistem tegangan DC menggunakan solarverter yang berfungsi menselaraskan keluaran listrik dari modul surya yang berubah – ubah menjadi relatif konstan sebelum mencatu daya motor. Sistem pompa air tenaga surya sering menjadi pilihan untuk keperluan skala kecil seperti kebutuhan air rumah tangga, pertanian ataupun peternakan. Modul surya dipasang dengan pompa elektrik untuk memompa air dari sumur ataupun dari sumber airnya. Air ini biasanya digunakan untuk air minum, mencuci, kebutuhan rumah tangga dan irigasi skala kecil.


20

Gambar 2.15. Sistem Pompa Air Tenaga Surya

2.5.1. Perancangan Sistem Pada perancangan sistem fotovoltaik, faktor terpenting bagaimana menentukan kapasitas komponen yang diperlukan sesuai dengan kebutuhuan beban, lokasi dimana sistem ditempatkan, serta batasan-batasan lain yang perlu diperhatikan. Untuk menjamin agar tidak terjadi kegagalan pada sistem atau memperkecil semaksimum mungkin kegagalan sistem, maka perlu diketahui juga problema apa yang umumnya terjadi dalam perancangan suatu perencanaan sistem fotovoltaik. Untuk perancangan hal pertama yang dibutuhkan adalah energi total yang dibutuhkan. Asumsi rugi-rugi (losses) pada sistem untuk beban DC sebesar 20% asumsi ini hanya pada kabel, BCR dan baterai sedangkan jika dengan fotovoltaik maka sebesar efisiensi sistem sebesar 40% (Mark Hankins, 2010), maka total energi yang disyaratkan adalah sebesar:

Dimana

: EA ηsistem ETotal

=

………………………..…………………………..…..(2.6.)

= Energi Awal (Wh) = Asumsi efisiensi sistem sebesar 40% = Energi total (Wh)

2.5.2. Perhitungan Kapasitas Komponen Sistem Adapun komponennya sebagai berikut: 1. Modul surya 2. Baterai 3. Baterai Charge Regulator


21

Perencanaan pembuatan sistem pompa air tenaga surya perlu dilakukan dengan menghitung kapasitas – kapasitas komponen berikut.

1) Kapasitas Baterai Setelah mendapatkan energi total yang dibutuhkan maka dibutuhkan tempat penyimpanan energi pada sistem stand alone. Besarnya Deep of Discharge (DOD) pada baterai umumnya adalah adalah 80% (Mark Hankins, 2010). Maka kapasitas baterai yang dibutuhkan:

=

Ah =

……………………………………….….…………..…………. (2.8.)

…………………………………………………. (2.7.)

Dimana

: Ah = Energi total dibagi dengan tegangan sistem (Ah) Vs = Tegangan sistem yang digunakan (Volt) DOD = Deep of Discharge

2) Kapasitas Modul Setelah mendapatkan kapasitas baterai yang akan digunakan maka dapat ditentukan jumlah modul yang akan digunakan. Yaitu dengan cara membagi battery storage dengan PSH dengan faktor safety 1.2 (Mark Hankins, 2010). =

Dimana

1.2………………..………………………………(2.9.)

:

Pmodul Battery Storage PSH

= Daya modul (Watt) = Kapasitas baterai (Ah) = Nilai efektif dalam satuan waktu (h)

3) Kapasitar BCR BCR dalam sistem ini berfungsi sebagai pengaman dari arus pendek yang berasal dari modul ataupun dari arus maksimum pada beban dengan faktor safety 1.25 (Mark Hankins, 2010). BCR juga berfungsu sebagai proteksi over charge, over discharge dan arus balik dari baterai ke sumber. =

Dimana

: IBCR Vs Pmaks

1.25 ………….………………….………………………. (2.10.) = Kapasitas BCR (Ampere) = Tegangan sistem yang digunakan (Volt) = Daya maksimum beban (Watt)


22

2.5.3. Menentukan Jumlah Seri dan Pararel Generator fotovoltaik merupakan bentuk kombinasi hubungan seri dan paralel modul – modul fotovoltaik. Langkah penting berikutnya adalah menentukan jumlah modul fotovoltaik yang harus dihubungkan seri dan paralel. Jumlah modul yang harus dihubungkan seri ditentukan oleh tegangan masukan beban, dengan rumus dibawah ini (Dalimi, Rinaldy, Dr. Ir., Faisal, Fuad: 1996.):

=

=

=

=

=

=

Dimana :

Js Vload VPV VGV Jp PPV IPV IGV P

= Jumlah seri = Tegangan masuk beban (Volt) = Tegangan maksimum fotovoltaik pada name plate (Volt) = Tegangan yang dibangkitkan fotovoltaik (Volt) = Jumlah pararel = Daya maksimum per fotovoltaik (Watt) = Arus maksimum fotovoltaik pada name plate (Ampere) = Arus yang dibangkitkan oleh fotovoltaik (Ampere) = Daya yang dibangkitkan (Watt)


23

BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents