8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka Salah satu faktor yang melatarbelakangi pengembangan energi terbarukan yaitu faktor lingkungan. Implementasi sumber energi terbarukan sangat perlu dikembangkan untuk kebutuhan dan penyediaan energi listrik. Sehingga penggunaan energi fosil untuk kebutuhan energi listrik dapat di kurangi dengan mengarah pada pembangkit listrik energi baru dan terbarukan. Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid (PLTH) adalah suatu sistem pembangkit listrik yang terdiri dari dua atau lebih sistem pembangkit dengan sumber energi yang berbeda. Pembangkit listrik tenaga listrik tenaga hybrid ini bertujuan untuk dapat mengkombinasikan keunggulan dari setiap pembangkit agar dapat menutupi kelemahan masing-masing dalam kondisi tertentu, sehingga sistem dapat beroprasi lebih ekonomis dan efisien. Pada sistem pembangkit listrik tenaga hybrid disini yang dikombinasikan adalah pembangkit listrik tenaga angin dan pembangkit listrik tenaga surya. Penelitian mengenai pemanfaatan potensi energi baru dan terbarukan dalam pengoptimalan pembangkit listrik energi terbarukan di Indonesia. Berikut akan dipaparkan beberapa peneliti yang berkaitan dan dijadikan sebagai sumber referensi dalam tugas akhir ini :
9
Rahmat Adiprasetya Al Hasibi (2009) “Telah dilakukan penelitian tentang, Pemodelan Sistem Pembangkit Listrik Hibrida Berbasis Energi Angin dan Matahari. Penelitian ini bertujuan merancang model sistem pembangkit listrik grid-connected untuk memanfaatkan radiasi matahari dan energi angin. Dan tujuan yang lainnya adalah menganalisis karakteristik daya keluaran yang dihasilkan oleh sistem berdasarkan data potensi radiasi matahari dan energi angin terhadap beban listrik pada interval waktu yang sama Anjas Starlen Arota, Hesky S. Kolibu, Benny M. Lumi (2013) “Telah dilakukan penelitian, tentang Sistem Pembangkit Listrik Hibrida (Energi Angin Dan Matahari) Menggunakan Software HOMER. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sistem pembangkit listrik hibrida (Energi angin dan matahari) menggunakan software HOMER. Pada penelitian ini diperoleh potensi radiasi matahari sebesar 8,073 kWh/m setiap hari dan potensi energi angin sebesar 2,3 m/s. Nilai NPC tertinggi sebesar $171.447 dan terendah sebesar $61,.811. Nilai COE tertinggi sebesar 1,663 $/kWh dan terendah sebesar 0,599 $/kWh”. Tri
Suhartanto
(2014)
“Telah
dilakukan
penelitian
tentang
Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid tediri dari Solar Cel dan Kincir Angin. Penelitian ini yaitu kinerja dan ekonomi sistem pembangkit listrik tenaga hibrid (angin dan surya) di Pantai Baru Pandansimo Batul Yogyakarta, analisis dilakukan melalui pemodelan dengan bantuan perangkat lunak HOMER untuk kondisi PLTH Pandansimo Off-Grid dan On-Grid. Hasil dari analisis ini merupakan data kinerja sistem PLTH Pandansimo dan peningkatan kinerja sistem PLTH Pandansimo dalam produksi energi listrik ditinjau dari sisi ekonomi”.
10
2.2 Landasan Teori 2.2.1 Hybrid Power Sistem Hybrid power sistem adalah suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang menggunakan dua atau lebih pembangkit dengan sumber energi berbeda sehingga dapat saling menutupi kelemahan masing-masing dan dapat dicapai keandalan supply dan efisiensi ekonomis pada beban tertentu. Tujuan utama dari sistem ini adalah untuk memaksimalkan energi dengan harga murah, bebas polusi, kualitas daya yang bagus, dan dengan adanya kombinasi dari sumber-sumber energi tersebut, diharapkan dapat menyediakan catu daya listrik yang berkelanjutan dengan efisiensi yang paling optimal. Hybrid power sistem ini memiliki beberapa kelebihan yaitu (Juwito , 2012) : a. Dapat menjadi solusi mengatasi krisis bahan bakar fosil b. Dapat memenuhi beban listrik secara optimal terutama pada daerah-daerah yang tidak tersuplay oleh jaringan listrik dari PLN c. Meningkatkan efisiensi ekonomi pembangkit d. Tidak menimbulkan polusi dan limbah (ramah lingkungan) e. Biaya pengoperasian dan pemeliharaan relatif murah f. Biaya produksi energi listrik (Rp/kwh) per tahun relatif murah
11
Disamping kelebihan di atas konfigurasi sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid tersebut juga mempunyai beberapa kekurangan, diantaranya (Juwito , 2012) : a. Produksi energi baru dan terabrukan sangat tergantung pada siklus alam b. Biaya investasi awal sistem ini lebih mahal c. Tidak dapat menangani beban puncak dengan baik tanpa penyimpanan energi Adapun konfigurasi dasar dari sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid tersebut dapat dikelompokkan menjadi tiga yaitu (Fung , 2002) : a. Sistem Hybrid seri b. Sistem Hybrid paralel c. Sistem Hybrid switched Menurut (Sopian dan Orthman , 2005) suatu Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid terdiri dari : a. Inverter dengan rating daya kontinyu 60% dari daya beban b. Satu atau dua mesin dan generator diesel yang biasanya memiliki kapasitas sama hingga 1.5 kali rating daya inverter dan di lengkapi sistem kontrol otomatis c. Sistem penyimpanan yang biasanya berupa bank baterai leadcid dengan kapasitas penyimpanan minimum tertentu
12
d. Sistem pembangkit energi terbarukan seperti photovoltic dilengkapi dengan regulator e. Sistem kontrol berbasis mikroprosesor untuk keperluan monitoring dan otomasi manajemen sistem Hybrid system atau Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid (PLTH) merupakan salah satu alternatif sistem pembangkit yang tepat diaplikasikan, karena pembangkit ini memanfaatkan renewable energy sebagai sumber utama (primer). Pada PLTH, renewable energy yang digunakan dapat berasal dari energi matahari, angin dan lain sebagainya yang dikombinasikan dengan Diesel-Generator Set sehingga menjadi suatu pembangkit yang lebih efisien, efektif dan handal untuk dapat mensuplai kebutuhan energi listrik baik sebagai penerangan rumah, kebutuhan peralatan listrik seperti TV, pompa air, setrika listrik maupun untuk mensuplai kebutuhan energi industri kecil kawasan tersebut. Dengan adanya kombinasi dari sumber energi tersebut, diharapkan dapat menyediakan catu daya listrik yang kontinyu dengan efisiensi yang paling optimal (Surya Energi , 2012). PLTH dibangun dengan menggunakan dua jenis pembangkit atau lebih untuk menghasilkan listrik secara efisien. Jenis pembangkit yang di bangun di kawasan Pantai Baru adalah jenis Pembangkit Listrik Tenaga Angin dan Pembangkit Listrik Tenaga Surya.
13
2.2.1.1 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid (PLTH) PLTH adalah suatu sistem pembangkit listrik yang memadukan beberapa jenis pembangkit listrik, pada umumnya antara pembangkit listrik berbasis energi terbarukan ada pula pembangkit listrik berbasis tenaga angin dengan tenaga matahari. Merupakan solusi untuk mengatasi krisisnya berbahan fosil dan ketiadaan listrik di daerah terpencil, pulau-pulau kecil dan pada daerah perkotaan, umumnya terdiri atas : a. Modul surya b. Turbin angin c. Baterai d. Peralatan kontrol yang reintegrasi Tujuan PLTH ini adalah mengkombinasi keunggulan dari setiap pembangkit sekaligus menutupi kelemahan masing-masing pembangkit untuk kondisi- kondisi tertentu, sehingga secara keseluruhan sistem dapat beroperasi lebih ekonomis dan efisien. Mampu menghasilkan daya listrik secara efisien pada berbagai kondisi pembebanan. Untuk mengetahui unjuk kerja sistem pembangkit hybrid ini, hal-hal yang perlu dipertimbangkan antara lain: karakteristik beban pemakaian dan karakteristik pembangkitan daya khususnya dengan memperhatikan potensi energi alam yang ingin dikembangkan berikut karakteristik kondisi alam itu sendiri, seperti pergantian siang dan malam, kemudian pergantian musim dan sebagainya.
14
2.2.2 Profil PLTH Pantai Baru PLTH Pantai Baru merupakan projek energi hybrid yang berbasis pada potensi panas matahari dan kekuatan angin untuk dijadikan model dan pengembangan energi terbarukan secara terintegrasi melalui suatu Sistem Inovasi Daerah (SID). Pengembangan PLTH Pantai Baru diarahkan untuk membentuk Industri Kecil Menengah (IKM) yang mampu memproduksi suku cadang pembangkit hybrid dalam memenuhi kebutuhan energi hybrid yang dapat meningkatkan perekonomian masyarakat di Kawasan Wisata Pantai Baru Bantul Yogyakarta. Pada tahun 2010 bulan mei, pemerintah Kabupaten Bantul merencanakan kerjasama dengan Kementrian Teknologi dan Ristek (Kemenristek), Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan), dan Universitas Gajah Mada (UGM) untuk mengembangkan pembangkit listrik berteknologi tinggi dan ramah lingkungan yaitu pembangkit listrik tenaga hybrid di daerah Pantai Baru Pantai Baru. Pembangkit listrik tenaga hybrid ini memanfaatkan gabungan antara energi angin dan panas matahari. Gagasan kemenristek pembangunan PLTH ini adalah untuk membangun suatu instalasi sumber energi terbarukan yang dapat menyediakan energi untuk daerah terpencil. Proyek pembangunan PLTH dibiayai oleh Kemenristek dan Lapan. Berdirinya PLTH ini juga dapat beberapan bantuan dana dari beberapa lembaga antara lain Kementrian dan Perikanan (KKP), kementrian Koperasi dan Usaha Kecil Menengah, Pemerintah Kabupaten Bantul, E-Wind Energy, Komunitas Teknologi dan Ilmu Pengetahuan (MITI) dan UGM. Peletakan batu pertama pembangunan instalasi energi listrik hybrid ini di mulai dari
15
bulan juni 2010, dilakukan running test untuk pertamakalinya. Kemudian, PLTH ini mulai diproses pada awal bulan januari 2011.
Gambar 2.1 Denah Lokasi PLTH Pantai Baru
2.2.2.1 Sistem Pembangkit Energi Listrik di Pantai Baru Tabel 2.1 Jenis pembangkit dan jumlah daya yang di hasilkan
Jenis Pembangkit
Jumlah Unit Jumlah Daya
Grup
Sistem
Turbin Angin 1 kw/48V
4 Unit
4 KW
Timur
48 V
Turbin Angin 1 kw/48V
2 Unit
2 KW
Sistem Turbin angin 2,5 kw/240V
2 Unit
5 KW
Turbin angin 10 kw/240V
1 Unit
10 KW
Turbin angin 10 kw/240V
1 Unit
10 KW
Turbin angin 5 kw/240V
1 Unit
5 KW
Panel surya 4 kw/240V
40Unit/100 W
4 KW
2 Unit
4 KW
240 V
System Turbin Angin 2 kw/120V 120 V
16
Tabel 2.1 Jenis pembangkit dan jumlah daya yang di hasilkan (Lanjutan)
Grup
Sistem Turbin Angin 1 kw/240V
21 Unit
21 KW
Barat
240 V
150 Unit
15 KW
Panel Surya 15 kw/120V
@100W/12V
Grup KKP
Sistem Panel Surya 10 KW/48V
48 Unit
10 KW
@220W/24V
48 V Total Pembangkit Energi
90 KW
2.2.2.2 Penyimpan Energi PLTH Pantai Baru Tabel 2.2 Penyimpanan Energi
NO
Battrey (ACCU)
Jumlah Unit
Jumlah (Ah)
1
Grup
120 Ah/12V (kering)
100 Unit
240 Ah/240 V
2
Timur Grup
100 Ah/12V (basah)
60 Unit
300 Ah/240V
Barat
180 Ah/12V (basah)
40 Unit
720 Ah/120V
Grup KKP
1000 Ah/2V (kering)
72 Unit
3000 Ah/28V
3
Total Penyimpanan Energi
4260Ah
17
2.2.2.3 Pengunaan Energi PLTH Pantai Baru Tabel 2.3 Penggunaan Energi
NO
Inverter
Waktu
Beban
Operasi 1
3,5 KW/48V
24 Jam
Beban Grup Timur
(1 Phase) 2
3,5 KW/48V
3,5 KW/48V
24 Jam
Grup Tengah
2 KW/48V
20 warung Kuliner 14 Lampu PJU
24 Jam
Grup Barat
(1 Phase) 4
20 warung Kuliner 14 Lampu PJU
(1 Phase) 3
Jumlah
20 warung Kuliner 14 Lampu PJU
24 Jam
Grup Timur
(1 Phase)
20 Warung Kuliner 14 Unit Lampu PJU 2 Unit Pompa Air
5
2 KW/48V
24 Jam
Grup Tengah
(1 Phase)
20 Warung Kuliner 14 Unit Lampu PJU 2 Unit Pompa Air
6
2 KW/48V
24 Jam
Grup Barat
20 Warung Kuliner 14 Unit Lampu PJU
(1 Phase)
2 Unit Pompa Air 7
7,5 KW/120V
24 Jam
Mesin Es Kristal 2 Unit Mesin Es Kristal
24 Jam
Mesin Es Kristal 2 Unit Mesin Es Kristal
(1 Phase) 8
7,5 KW/120V (1Phase)
9
5 kW/240V
Water Sterillizer 1 Unit Water Sterillizer 24 Jam
Kantor
Lampu, Dispenser dan TV
24 Jam
Kantor
Lampu, TV dan Dispenser
(1 Phase) 10
5 KW/240 V (1 phase)
18
2.2.2.4 Komponen Pembangkit PLTH PLTH Pantai Baru terdiri dari dua grup pembangkit yaitu Grup barat dan Grup Timur, tiap grup pembangkit terdiri atas komponen PLTB dan PLTS dengan kapasitas yang berbeda. Komponen dari PLTH Pantai Baru terdiri dari Panel Surya (PV), turbin angin (WG), baterai (BAT), dan Inverter (INV).
2.2.2.5 Gambaran Umum Lokasi Penelitian Pantai Baru terletak di Dusun Ngentak, Desa Poncosari, Kecamatan Srandakan, Kabupaten Bantul, Provisi daerah Istimewa Yogyakarta. Desa Poncosari sendiri dengan luas 1.186,1220 hektar berbatasan dengan Samudra Hindia di sebelah selatan, sebelah utara berbatasan dengan Desa Trimurti, sebelah barat berbatasan dengan Sungai Progoh, dan disebelah timur berbatasan dengan Desa Gadingsari. Sebagian besar masyarakat di desa ini bermatapencaharian sebagai petani yang mengolah areal persawahan mereka untuk ditanami beberapa komoditas petani, diantaranya padi untuk lahan basah, sedangkan lahan berpasir dimanfaatkan untuk komoditas cabai (Kemenristek,2010). Tabel berikut menggambarkan data penggunaan lahan desa di Desa Poncosari yang menunjukan bahwa sebagian besar peruntukan lahan didesa ini adalah untuk sawah dan ladang.
19
Tabel 2.4 Luas Persentase Peruntukan Lahan di Desa Poncosari
Peruntukan
Luas (Ha)
Jalan Sawah dan Ladang Bangunan Umum Empang Permukiman Jalur hijau Pekuburan Lain-lain Total
33,3010 390,9535 5,1105 0,6224 376,7800 6,5347 48,5250 324,2729 1.186.1220
Persentase (%) 2,81 32,96 0,43 0,05 31,77 0,55 4,09 27,34 100,00
(Sumber : Data monografi desa poncosari, 2005)
Sektor perikanan juga merupakan sektor usaha ekonomi unggulan masyarakat Desa Poncosari. Saat ini telah ada 11 kelompok kegiatan yang bergerak di sektor perikanan yang terdiri dari tujuh kelompok budidaya air tawar, dua kelompok nelayan dan dua kelompok pedagang ikan. Pantai Pandansimo Baru berbatasan dengan Pantai Kwaru dan Pantai Pandansimo Lama. Panjang pantai baru pandansimo kurang lebih 4000 meter, mulai dari berbatasan Pantai Kuwaru hingga ke muara Sungai Progo. Pantai ini sebenarnya sudah terkenal sejak lama, Karena di daerah tersebut terdapat wisata budaya berupa petilasan tempat pertapaan keluarga Kraton Yogyakarta. Lokasi ini juga tiap tahun digunakan sebagai ajang kompetisi roket nasional. Pantai Baru bukanlah nama yang asing bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi (Iptek) di tanah air. Pada tahun 1963, tepatnya pada tanggal 27 Agustus, pantai ini merupakan tempat peluncuran roket yang dilakukan oleh Perkumpulan Roket Mahasiswa Indonesia (PRMI). Kemudian pada tahun
20
2006, Lembaga penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) kembali meluncurkan roket RX 100, yaitu jenis roket yang telah mampu membawa muatan (roket uji muatan). Satu tahun kemudian, yaitu pada 9 Desember 2007, digelarlah kompetisi roket uji muatan yang terbuka bagi mahasiswa di seluruh Indonesia. Kegiatan tersebut diselenggarakan oleh LAPAN berkerja sama dengan Pemkab Bantul dan UGM. Pada kegiatan tersebut tercatat sebanyak 16 buah roket yang diluncurkan di Pantai Baru. Pada tahun 2010, Pantai Baru kembali ramai karena diadakannya Kompetisi Roket
Indonesia
(KORINDO)
yang
diselenggarakan
oleh
Kementrian Pendididkan Nasional, LAPAN, UGM, pemkab Bantul dan TNI Angkatan Udara. Pada kesempatan tersebut 31 tim dari berbagai Univeritas di Indonesia ikut ambil bagian dalam meramaikan kompetisi (Kemenristek, 2013).
2.2.3 Tenaga Angin (Kincir Angin) Prinsip kerja dari pembangkit ini adalah udara yang bergerak membawa suatu bentuk energi yang dikenal sebagai energi kinetik. Energi kinetik ini memiliki potensial untuk diubah menjadi bentuk energi lain yang lebih bermanfaat seperti energi listrik. Untuk tujuan ini, sebuah sistem yang mampu mengubah energi gerak atau energi kinetik yang dibawa oleh angin, menjadi energi listrik akan di perlukan. Turbin angin atau kincir angin yang dilengkapi dengan sebuah generator listrik merupakan bentuk teknologi yang di desain untuk tujuan ini. Tenaga yang dibawa oleh angin akan ditangkap oleh baling-baling atau propeler, yang berputar ketika
21
ditiup angin. Kemudian tenaga putaran ini dipergunakan untuk memutar turbin generator yang membangkitkan tenaga listrik. Namun ada salah satu tantangan terbesar dalam pemanfaatan tenaga anagin untuk membangkitkan energi listrik adalah faktor intermitency, yaitu kenyataan bahwa angin bertiup dengan kekuatan yang berbeda-beda dari saat ke saat. Adakalanya angin bertiup kencang sehingga mampu membangkitkan listrik dalam jumlah yang cukup besar. Namun pada saat yang lain angin bertiup terlalu lemah untuk membangkitkan listrik dalam jumlah yang cukup. Karena faktor intermitency dari tiupan angin inilah yang menyebabkan stabilitas jumlah energi yang dibangkitkan oleh sebuah turbin angin tidak dapat diandalkan. (Kadir , 1995) memberikan sekilas sejarah tentang pelajaran energi angin. Dijelaskan bahwa energi angin telah lama di kenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk melewati perairan, kincir angin juga telah di gunakan sejak abad ke-7 untuk menggiling tepung di Persia. Angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. (Herlina , 2009)
menjelaskan bahwa angin adalah udara yang
bergerak/mengalir, sehingga memiliki tenaga dan arah. Penyebab dari pergerakan ini adalah pemanasan bumi oleh radiasai matahari. Udara dari atas permukaan bumi selain dipanaskan oleh radiasi matahari yang tidak homogen, maka jumlah energi matahari yang di serap dan di pancarkan kembali oleh bumi berdasarkan tempat dan waktu adalah bervariasi. Hal ini menyebabkan perbedaan termperatur pada
22
atmosfer, yang menyebabkan perbedaan kerapatan dan tekanan atmosfer. Udara memiliki sifat untuk selalu mencapai kesetimbangak tekanan, karena itu perbedaan kecepatan dan tekanan atmosfer ini menyebabkan udara bergerak dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. (Herlina , 2009) menjelaskan bahwa pada daerah relatif panas, partikel udara mendapat energi sehingga udara memuai. Akibat dari pemuaian ini, tekanan udara di daerah itu naik, namun kerapatan udara menjadi berkurang, sehingga berat jenis udara di tempat itu menjadi relatif kecil. Akibatnya udara berekspensi ke atas dan menyebabkan terjadinya penurunan tekanan tekakan di daerah yang ditinggalkannya. Daerah itu lalu diisi oleh udara dari daerah sekelilingnya yang memiliki tekanan udara dan massa jenis lebih tinggi. Udara yang berekspensi ke atas lalu mengalami penurunan suhu, sehingga terjadi penyusutan dan massa jenisnya kembali naik. Udara ini akan turun kembali di tempat lain yang memiliki tekanan yang lebih rendah. Hal ini berlangsusng terus menerus sepanjang waktu, sehingga pergerakan udara terus berlangsung. PLTB adalah suatu teknologi pembangkit listrik yang berubah potensi energi angin menjadi energi listrik (Herlina , 2009). Untuk pemanfaatan kincir angin bagi pembangkit tenaga listrik sekala kecil, di perlukan sebuah pengaturan tegangan, oleh karena kecepatan angin yang berubah-ubah. Diperlukan sebuah baterai untuk menyimpan energi, karena seiring terjadi angin tidak bertiup. Bila angin tidak bertiup, perlu di cegah generator bekerja sebagai motor, oleh karena itu perlu sebuah pemutus otomatik (kadir , 1995).
23
Dari penelitian (Nursuhud , 1980) tentang prospek penggunaan kincir angin di Indonesia menunjukan bahwa kincir-kincir angin yang di bangun hampir semua tidak berfungsi lagi. Hal ini disebabkan beberapa faktor, antara lain: a. Studi kelayakan yang kurang cermat b. Tidak adanya tenaga pelaksana yang menguasai c. Maih terpengaruh oleh energi konvensional yang ada yang biasa eksploitasinya cukup terjangkau oleh masyarakat setempat d. Kurangnya pengetahuan di bidang kincir angin
2.2.3.1 Potensi Angin di Pantai Baru Berdasarkan data potensi angin yang didapat dari data logger Anemometer di lokasi Pembangkit PLTH Pantai Baru, rata-rata kecepatan angin di Pantai Baru diukur dengan ketinggian 15 meter dari permukaan tanah adalah 4.7 m/s. Data kecepatan angin di Pantai Baru selama satu tahun dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Potensi Angin di Pantai Baru (Sumber : logger Anemometer NRG#40 Anem. m/s,PLTH di PLTH Pantai Baru)
24
2.2.3.2 Prinsip Kerja Tenaga Angin Angin merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui dan sangat potensial. Angin dianggap sebagai salah satu sumber energi paling praktis dan sempurna karena bebas emisi dan gratis. Sisi terbaiknya adalah angin dapat mengurangi beban listrik 50% hingga 80%. Pada dasarnya struktur ini terdiri dari 2-3 bilah kipas yang terhubung ke sebatang poros. Bilah-bilah tersebut digunakan untuk mengumpulkan energi angin yang mengalir di sekelilingnya. Sementara poros disambungkan dengan kabel ke generator, yang kemudian dihubungkan ke baterai. Generator juga disebut inti dari mekanisme ini, karena generatorlah yang mengubah energi yang terkumpul. Setelah mengumpulkan dan mengubah energi, baterai diperlukan untuk menyimpan seluruh energi yang terkumpul, yang kemudian dihubungkan ke sistem listrik. Urutan cara kerja kincir angin yang dapat menghasilkan tenaga listrik yaitu : a. Kincir angin memperlambat kecepatan angin dengan menggunakan bilah, yang kerjanya serupa dengan baling-baling pesawat b. Setelah angin mengalir di sekeliling bilah, maka bilah mengumpulkan energi kinetik c. Kemudian bilah yang terhubung ke poros penggerak, berputar pelan dan mengirimkan banyak tenaga pemutar ke gearbox d. Gearbox kemudian menyesuaikan tenaga pemutar ini, dan sebagai pengganti
25
berputar secara pelan dengan banyak tenaga di seiap putaran Faktor penting yang memainkan peran vital pada kerja mesin ini adalah ukuran strukturnya, mengingat jumlah listrik yang dihasilkan tergantung pada ukuran struktur mesin. Semakin besar struktur, maka semakin besar tenaga yang dihasilkan untuk memutar poros, yang berarti semakin besar listrik yang bisa dihasilkan.
2.2.3.3 Komponen Sistem Tenaga Angin Sistem tenaga angin terdiri atas beberapa komponen, yang meliputi : a. Anemometer Berfungsi untuk mengukur kecepatan dan mengirim data angin ke alat pengontrol, namun pada PLTH Pantai Baru, Anemometer tidak dipasang atau digabung dengan kincir angin. Anemometer dipasang dengan tiang mandiri. b. Blade ( Bilah Kipas) Kebanyakan turbin angina mempunyai dua atau tiga bilah kipas. Blade berfungsi untuk menangkap energy kinetik angin dan dirubah ke energy kinetic berupa putaran. c. Brake (Rem) Pada turbin angina Brake berfungsi untuk mengontrol putaran kincir angina agar tidak melebihi putaran maksimum yang diijinkan. Jika putaran mencapai maksimum yang diujikan maka brake
ini akan bekerja secara
26
otomatis. Di dalam system kincir angin terdapat 2 jenis brake yang digunakan, yaitu dari segi mekanis dan dari segi elektrik yang di beri brake. Untuk yang diterapkan di PLTH Pantai Baru ini adalah menggunakan brake disistem elektrik, sehingga pada saat tegangan sudah mencapai maksimum yang disebabkan putaran kincir angin yang semakin tinggi pula, maka sensor atau relay akan mengintruksikan system untuk mengfungsikan brake, sehingga putaran turbin dapat diturunkkan. d. Controler (Alat pengontrol) Alat pengontrol ini berfungsi mengontrol semua system kelistrikan pada kincir angin agar berfungsi sebagaimana. e. Gear box (Roda gigi) Peralatan ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir angin menjadi putaran tinggi. Namun pada PLTH Pantai Baru tidak menggunakan gear box sehingga putaran turbin langsung diteruskan ke generator. f. Generator Generator adalah bagian yang berfungsi untuk merubah energy kinetik menjadi energi listrik. g. Nacelle (rumah mesin) Peralatan ini berfungsi sebagai pelindung dari komponen-komponen mekanik turbin angin.
27
h. Sudut bilah kipas Sistem ini mengendalikan pitch atau jarak dari mata pisau untuk mendapatkan sudut optimal pada kecepatan yang di inginkan. i. Rotor Merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan sudu denga shaft (poros) utama. j. Tower Menara merupakan tiang penyangga yang fungsi utamanya adalah untuk menopang rotor , nasel dan semua komponen turbin angin yang berada di atasnya. Menara dapat berupa tipe latis (lattice) atau pipa (tubular), baik yang dibantu dengan penopang tali pancang maupun yang self supporting.
2.2.3.4 Komponen Turbin angin Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya di buat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak digunakan di Denmark, Belanda dan Negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Era pembangkit energi listrik di awali pada akhir tahun 1990-an. Turbin modern pertama kali, khusus didesain untuk pembangkit energi listrik, yang di bangun di Denmark tahun 1890. Turbin menyuplai energi listrik ke daerah pedesaan. Selama pada periode yang sama,
28
turbin angin yang besar pembangkit energi listrik memiliki 17 m yang di bangun di Cleveland, Ohino. Pada pertama kalinya, gearbox menaikan putaran digunakan pada desain tersebut. Sistem ini beroprasi selama 20 tahun, menghasilkan energi listrik dengan daya 12 kw. Kini turbin angin lebih banyak di gunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat di perbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD,PLTU, dll) turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dalam masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui sebagai bahan dasar pembangkit listrik. Dalam mengkonversi energi kinetik menjadi energi mekanik suatu wind turbine memerlukan beberapa komponen-komponen yang mempunyai fungsi masing-masing. Khusus untuk turbin dengan kapasitas kecil di hindarkan dari pemakaian gearbox karena gearbox bisa menyebabkan bertambah beratnya turbin sehingga untuk mengubah arah turbin di butuhkan angin yang kencang untuk menerpa ekor yang berfungsi untuk mengarahkan arah turbin ke angin. Selain itu brake juga di hindari karena untuk turbin kapasitas kecil rata-rata di gunakan untuk kecepatan angin yang rendah, jadi ketika di tambah dengan komponen brake yang memiliki gaya gesekan di brake meskipun dalam keadaan tidak mengerem gaya gesekan tersebut tetap ada, hal ini mengakibatkan putaran turbin semakin berat. Komponen-komponen tersebut antara lain adalah :
29
1. Sudu Sudu adalah bagian rotor dari turbin angin, rotor ini menerima energi kinetik dari angin dan dirubah ke dalam energi gerak putar. Menggunakan prinsip-prinsip aerodinamika seperti halnya pesawat.
Gambar 2.3 Gaya –gaya angin pada sudu (Sumber : Eri prasetyo, 2002)
Pada prinsipnya gaya-gaya angin yang bekerja pada sudu-sudu kincir sumbu horizontal terdiri atas tiga komponen yaitu: a. Gaya aksial (a) Yang mempunyai arah sama dengan angin, gaya ini harus ditampung oleh poros dan bantalan. b. Gaya sentrifugal (s) Yang meninggalkan titik tengah. Bila kipas bentuknya simetris, semua gaya sentrifugal s akan saling meniadakan atau resultannya sama dengan nol.
30
c. Gaya tangensial (t) Yang menghasilkan momen, bekerja tegak lurus pada radius dan yang merupakan gaya produktif. 2. Tower Tower atau tiang penyangga adalah bagian struktur dari turbin angin horizontal yang memiliki fungsi sebagai struktur utama penopang dari komponen sistem terangkai sudu, poros dan generator. 3. Ekor Ekor pada wind turbin berguna untuk mengubah posisi generator dan turbin agar sesuai dengan arah datangnya angin, ekor juga bisa berfungsi untuk melakukan furling atau penggulungan yang berfungsi untuk melambatkan putaran turbin saat terjadi angin yang memiliki batas kecepatan putaran dengan cara menekuk ekor agar arah angin tidak mendarat pada bagian samping turbin hal ini menyebabkan turbin berputar pelan kalena arah angin tidak pas di tengah turbin. 4. Generator Ini adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetic permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisis nya adalah kumparan-
31
kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC (alternating current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal. 5. Baterai Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai backup energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Penyimpanan energi ini di akomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt.
32
Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC (Direct Current) untuk meng-charge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC (Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini.
2.2.3.5 Jenis – Jenis Turbin Angin Turbin Angin sebagai konversi energi dapat digolongkan berdasarkan prinsip
aerodinamik
yang
dimanfaatkan
rotornya.
Berdasarkan
prinsip
aerodinamik, turbin angin dibagi menjadi dua bagian yaitu : a. Jenis drag yaitu prinsip konversi energi yang dimanfaatkan selisih koefisien drag b. Jenis lift yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan gaya lift Pengelompokan turbin angin berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang rotor yang dimaksud yaitu apakah rotor turbin angin mengekstrak energi angin memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui sudu rotor atau rotor angin mengekstrak energi angin dengan memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan aliran udara yang melalui proffil aeorodinamik sudu. Kedua prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan turbin angin memiliki perbedaan putaran pada rotornya, dengan prinsip gaya drag memiliki putaran rotor relatif rendah dibandingkan turbin angin yang rotornya menggunakan prinsip gaya lift. Jika dilihat dari arah sumbu rotasi rotor, turbin angin dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu:
33
a. Turbin angin sumbu horizontal (TASH) Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya pararel terhadap permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dengan generator listrik di puncak menara dan diarahkan menuju dari arah datangnya angin untuk dapat memanfaatkan energi angin. Rotor turbin angin kecil diarahkan menuju dari arah datangnya angin dengan pengaturan baling-baling angin sederhana sedangkan turbin angin besar umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah rotor turbin mengarah pada angin. Berdasarkan prinsip aerodinamik, rotor turbin angin sumbu horizontal mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin type lift.
Gambar 2.4 Komponen utama turbin angin sumbu horizontal (Sumber : Sathyajith Mathew, hal 90)
34
Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi : 1. Turbin angin satu sudu (single blade) 2. Turbin angin dua sudu (double blade) 3. Turbin angin tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)
Satu Sudu
Dua Sudu
Tiga Sudu
Banyak Sudu
Gambar 2.5 Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu (Sumber : Sathyajith Mathew, hal 90)
b. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya tegak lurus terhadap permukaan tanah. Jika dilihat dari efesiensi turbin, turbin angin sumbu horizontal lebih efektif dalam mengekstrak energi angin di banding dengan turbin angin sumbu vertikal. Meskipun demikian, turbin angin vertikal memiliki ke unggulan, yaitu :
35
1. Turbin angin sumbu vertikal tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah, tidak seperti turbin angin horizontal yang memerukan mekanisme tambahan untuk menyesuaikan rotor turbin dengan arah angin. 2. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. 3. Konstruksi turbin sederhana.
2.2.4 Tenaga Surya (Panel Surya) Pembangkit listrik yang mengubah energi surya menjadi energi listrik. Pembangkitan listrik bisa dilakukan dengan dua cara, yaitu secara langsung menggunakan photovoltaic dan secara tidak langsung dengan pemusatan energi surya. Photovoltaic mengubah secara langsung energi cahaya menjadi listrik menggunakan efek fotoelektrik. Pemusatan energi surya menggunakan sistem lensa atau cermin dikombinasikan dengan sistem pelacak untuk memfokuskan energi matahari ke satu titik untuk menggerakan mesin kalor. Sistem pemusatan energi surya (concentrated solar power) CSP menggunakan lensa atau cermin dan sistem pelacak untuk memfokuskan energi matahari dari luasan area tertentu ke satu titik. Panas yang terkonsentrasikan lalu digunakan sebagai sumber panas untuk pembangkitan listrik biasa yang memanfaatkan panas untuk menggerakkan generator. Sistem cermin parabola, lensa reflektor Fresnel dan menara surya adalah teknologi yang paling banyak digunakan. Fluida kerja yang dipanaskan bisa digunakan untuk menggerakan generator (turbin uap konvensional hingga mesin Stirling) atau menjadi media penyimpan panas.
36
Sel surya atau juga sering disebut photovolik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya juga bisa disebut sebagai pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya matahari yang sampai kebumi, walaupun selain dipergunakan untuk menghasilkan listrik, energi dari matahari juga bisa dimaksimalkan energi panas melalui sistem solar thermal. Sel surya dapat dianalogikan sebagai divas dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi sebagai dioda, dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 Volt, dan arus short-circuit dalam sekala milimeter per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara pararel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar berikut menunjukan ilustrasi dari modul sel surya.
Gambar 2.6 Sel Surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output (Sumber : ”The Physics of Solar Cell”, Jenny nelson)
37
2.2.4.1 Proses Konversi Sel Surya Sel surya konvensional berkerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyususn dasar. Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapat material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Gambar dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.
Gambar 2.7 Junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe n (Sumber : eere.energy.gov)
Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambunganp yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.
38
Gambar 2.8 proses konversi (Sumber : energisurya.wordpress.com)
Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
Gambar 2.9 Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole (Sumber : energisurya.wordpress.com)
Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sebagian di gambar atas) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula.
39
Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n. Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
Gambar 2.10 Pegerakan hole mengakibatkan arus listrik (Sumber : energisurya.wordpress.com)
40
2.2.4.2 Prinsip Kerja Tenaga Matahari
Gambar 2.11 Proses kerja tenaga matahari ( Sumber : Sell Surya.google.com )
Bahan sel surya sendiri terdiri dari kaca pelindung dan material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan. Sel surya merupakan suatu pn junction dari silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect dari bahan semikonduktor, sel surya dapat langsung mengkonversi sinar matahari menjadi listrik searah (DC). Pada gambar 2.11 apabiila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya. Jika pada kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir melalui beban. Ketika arus listrik mengalir akan melewati charge controller yaitu peralatan yang
41
berfungsi untuk mengatur tegangan dan arus yang dikeluarkan, setelah melwati peralatan charge controller akan ditampung di battery dengan arus DC. Setelah ditampung di bateray akan di distribusikan ke peralatan selanjutnya yaitu inverter, peralatan inverter ini berfungsi mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC atau sebaliknya tapi disini hanya mengubah DC menjadi tegangan AC. Setelah di inverter akan distribusikan ke beban atau pengguna.
2.2.4.3 Potensi Radiasai Matahari Indonesia merupakan negara yang terletak di garis khatulistiwa. Sehingga, Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar 4.8 kWh/m2 per hari di seluruh wilayah Indonesia (Raharjo & Fitriana , 2006). Pemanfaatan energi surya mempunyai berbagai keuntungan antara lain adalah : 1. Energi ini dapat tersedia dengan jumlah yang besar di Indonesia 2. Sangat mendukung kebijakan energi nasional tentang penghematan, diversifikasi dan pemerataan energi 3. Memungkinkan dibangun di daerah terpencil karena tidak memerlukan transmisi energi maupun transfortasi sumber energi Dalam kegiatan Tahun Anggaran 2005, peta radiasi matahari yang telah dihasilkan diperluas dengan menghitung intensitas radiasi surya untuk 18 kota/lokasi lain dimana tidak tersedia data dari BMKG. Hal tersebut menunjukan
42
bahwa terjadi kelengahan data untuk menghasilkan peta radiasi di Indonesia. Oleh karena itu diperlukan metode lain untuk menghitung radiasi surya. Permasalahan utama dari photovolitaic adalah besarnya daya keluaran yang dihasilkan relatif tidak konstan karena dipengaruhi oleh besarnya intensitas matahari serta suhu lingkungan di sekitarnya. Pada kondisi standarnya sistem photovolitaic yang mempunyai efisiensi sebesar 10% dapat menghasilkan daya sebesar 100 Watt pada saat intensitas matahari yang diterima sebesar 1.000 W/m2 dan pada suhu sebesar 250 C (Pangestuningtyas D.L,2013). Daya yang dihasilkan oleh photovolitaic berbanding lurus dengan besarnya intensitas matahari yang diterima panel surya. Semakin besar intensitas matahari yang diterima oleh panel maka semakin besar daya yang dihasilkan oleh photovolitaic tersebut. Besarnya intensitas matahari yang diterima oleh panel surya yang dipengarushi oleh beberapa faktor seperti letak astronomi lokasi pemasangan panel, gerak semu harian dan tahun matahari serta cuaca.
2.2.4.4 Jenis-Jenis Sel Surya 1. Monokristal Sel surya yang terdiri atas p-n Junction monokristal silicon atau yang disebut juga monocrystalline PV, mempunyai kemurnian yang tinggi yaitu 99,999%. Efisiensi sel fotovoltaik jenis silicon monokristal mempunyai efisiensi konversi yang cukup tinggi yaitu sekitar 16 sampai 17%. Berikut contoh modul fotovoltaik (PV) jenis monokristal.
43
(a) Sel fotovoltaik
(b) Modul fotovoltaik
Gambar 2.12 Sel dan Modul fotofoltaik (PV) Jenis Monokristal (Sumber : Laporan Kerja Praktek Ega dan Pandu di PT Surya Utama Putra)
2. Polikristal Polikristal PV atau sel surya yang bermateri polokristal dikembangkan atas alasan mahalnya materi monokristal per kilogram. Efisiensi konversi sel surya jenis silicon polikristal berkisar antara 12% hingga 15%. Berikut contoh modul fotovoltaik jenis polikristal.
(a) Sel Fotovoltaik
(b) Modul Fotovoltaik
Gambar 2.13 Sel dan Modul Sel Surya Jenis Polikristal (Sumber : Laporan Kerja Praktek Ega dan Pandu di PT Surya Utama Putra)
44
3. Amorfous Sel surya bermateri Amorphous Silicon merupakan teknologi fotovoltaik dengan lapisan tipis atau thin film. Ketebalannya sekitar 10µm (micron) dalam bentuk modul surya. Efisiensi sel dengan silicon amorfous berkisar 6% sampai dengan 9%. Berikut contoh fotovoltaik jenis amorfous.
Gambar 2.14 Modul Fotovoltaik Jenis Amorfous (Sumber : Laporan Kerja Praktek Ega dan Pandu di PT Surya Utama Putra)
2.2.4.5 Komponen Tenaga Matahari (Solar Cell) 1. Photovoltaic Modul Modul Photovoltaic atau biasa disebut modul surya adalah perangkat yang terdiri dari bahan semikonduktor seperti silikon, galium arsenide dan kadmium telluride, dll yang mengubah sinar matahari langsung menjadi listrik. Ketika solar cell menyerap sinar matahari, elektron-elektron bebas dan lubanglubang membuat sambungan positif / negatif, dan ketika dihubungkan dengan beban DC, maka arus listrik akan mengalir ke beban tersebut. Jenis-jenis sel surya, dilihat dari bahan pembuatannya terdiri dari:
45
a. Crystalline Silicon PV Module (c-Si) Terdiri dari single crystalline silicon atau dikenal sebagai silikon monocrystalline dan multi-criytallline
silikon, juga disebut silikon
polikristalin. Module PV The polycrystalline silicon memiliki efisiensi konversi yang lebih rendah dari module PV single crystalline silicon tetapi keduanya memiliki efisiensi konversi tinggi yang rata-rata sekitar 10-12%. b. Amorphous Silicon PV Module PV Modul Amorphous Silicon (a-Si) atau modul PV film tipis silikon menyerap cahaya lebih efektif daripada Module PV crystalline silicon, sehingga dapat dibuat lebih tipis. Cocok untuk semua aplikasi dengan efisiensi tinggi dan dengan biaya rendah adalah penting. Efisiensi dari module PV Amorphous Silicon adalah sekitar 6%. c. Hybrid Silicon PV Module Sebuah kombinasi dari silikon single crystalline yang dikelilingi oleh lapisan tipis Amorphous silicon yang memberikan sensitivitas yang sangat baik untuk tingkat cahaya rendah atau cahaya tidak langsung. Hybrid Silicon PV Module memiliki efisiensi konversi yang tertinggi yaitu sekitar 17%. Bahan semikonduktor saat ini yang paling sering digunakan untuk produksi Solar cell adalah silikon, dimana memiliki beberapa keuntungan diantaranya; dapat dengan mudah ditemukan di alam, tidak mencemari, tidak merusak lingkungan dan dapat dengan mudah mencair, di tanganni dan dibentuk menjadi bentuk silikon monocrystalline, dll. Pada umumnya Solar cell
46
dikonfigurasi sebagai sambungan a large-area p-n daerah yang terbuat dari silikon. 2. Solar Charge Controller Solar Charge Controller adalah suatu alat kontrol yang berfungsi untuk mengatur tegangan dan arus yang dikeluarkan dari modul surya, malakukan proses pengisian battery, mencegah battery dari pengisian yang berlebihan, juga mengendalikan proses discharge. Yang perlu diperhatikan dalam menggunakan charge controller ini adalah besarnya tegangan dan daya yang dikeluarkan modul surya dan yang dapat diterima battery. Satuan untuk tegangan adalah Volt, sedangkan kuat arus dalam ampere, misalnya 12volt/10A. 3. Battery Batteray adalah komponen PLTS Battery yang berfungsi untuk menyimpan sementara energi listrik yang dihasilkan modul surya atau disebut juga dengan panel surya, batteray pada PLTS mengalami proses siklus mengisi dan mengosongkan, tergantung dari ada tidaknya sinar matahari. Selama ada sinar matahari, panel surya akan menghasilkan listrik. Apabila energi listrik yang dihasilkan tersebut melebihi kebutuhan bebannya, maka energi listrik tersebut akan segera dipergunakan untuk mengisi baterai. Sebaliknya, selama matahari tidak ada maka permintaan energi listrik akan disuplai oleh baterai. Proses pengisian ini disebut satu siklus baterai. Kapasitas baterai umumnya dinyatakan dalam Ampere Hour (Ah). Nilai Ampere Hour pada baterai ini yaitu menunjukan nilai arus yang dapat
47
dilepaskan, dikalikan dengan nilai waktu untuk pelepasan terbut. Berdasarkan hal tersebut maka secara teoritis, baterai 12v, 200 Ah dapat memberikan baik 200 A selama sattuu jam, 50 A selama 4 jam, 4 A untuk 50 jam , atau 1 A untuk 200 jam. Pada saat mendesain kapasitas baterai yang akan dipergunakan dalam System PLTS, penting juga untuk menentukan ukuran hari-hari otonomi (das of autonomy). 4. Inverter Inverter merupakan rangkaian elektronika daya yang berfungsi sebagai pengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak balik (AC) dengan menggunakan metode switching dengan frekuensi tertentu. Switching itu sendiri adalah proses perpindahan antara kondisi ON dan OFF atau sebaliknya. Pencacah arus DC dengan proses switching ini dimaksud agar terbentuk glombang gelombang AC yang dapat diterima oleh peralatan/beban listrik AC. Komponen yang digunakan dalam proses switching sebuah inverter haruslah sangat cepat, sehingga tidak memungkinkan bila digunakan saklar ON-OFF, relay, kontaktor dan sejenisnya. Untuk lebih spesifikasi lagi, fungsi inverter adalah mengubah tegangan masukan DC menjadi tegangan keluaran AC yang simetris. Tegangan keluaranya dapat merupakan tegangan tetap maupun tegangan variabel dengan frekuensi yang tetap ataupun variabel pula. Pada prekteknya, lebih banyak diperlukan inverter dengan amplitudo dan frekuensi keluaran yang tetap. Pemilhan inverter yang tepat untuk aplikasi tertentu, tergantung pada kebutuhan
48
beban. Efisiensi inverter pada saat pengoperasian adalah sebesar 90% (Foster dik , 2010).
2.2.5 Penyimpan Energi Baterai adalah suatu alat penyimpan energi yang dapat diisi (charge) setelah energi digunakan. Kapasitas atau kemampuan menyimpan energi ditentuka oleh semua komponen didalam baterai seperti jenis material yang digunakan dan jenis elektrolitnya sehingga dikenal baterai asam dan baterai alkali. Alat untuk mengisis energi listrik kedalam baterai dinamakan rectifier (charging) yang berfungsi mengubah arus bolak-balik menjadi searah dan tegangan outputnya sesuai dengan tegangan baterai. Kapasitas rectifier ini ditentukan oleh kapasitas baterai, sehingga besar arus dan tegangan pengisisan serta waktu sangat menentukan kondisi baterai. Jika tegangan baik dan sesuai lebih tinggi dari tegangan baterai, sehingga arus pengisian dapat megalir mengisi baterai tersebut. Untuk mengetahui apakah baterai sudah terisi penuh dan dapat menyimpanya deengan baik maka perlu dilakukan pengukuran kondisi baterai dengan cara menguji secara simulasi beban yang dapat diatur sehingga arusnya pun dapat diatur pada arus yang tetap maka tegangan baterai akan turun dari nominalnya. Waktu penuruanan tegangan dibandingkan dengan karakteristik baterai tersebut maka dapat diketahui kondisi baterai tersebut apakah mempunyai kapasitas yang baik atau buruk.
49
Lead-acid batterai dikenal sebagai accu/aki, ditemukan pertama kali di dunia di tahun 1800 oleh Alessandro Volta yang dilahirkan di Como, Italia tahun 1745. Dengan susunan elemen pertama yang dibuatnya, yang disebut sebagai “voltaic pile” maka dengan begitu ditemukan pembangkit listrik yang praktis untuk pertama kali. Berikutnya di tahun 1859, Rymond Plante ahli fisika Prancis yang dilahirkan di Ortez Prancis tahun 1834, menemukan lead-acid battery yang dapat di charge berulang-ulang (recharge). Plante mulai merancang sebuah battery yang dapat menyimpan tenaga listrik yang dapat dipergunakan. Aki mobil yang dipergunakan sekarang aki temuan Gaston Plante. Emile Alphonase Faure pada tahun 1880 mengembangkan proses pelepasan plat timah dengan pasta yang dari serbuk timah dan asam sulfat, ini merupakan terobosan besar yang menuntun langsung ke industri pembuatan Lead Acid Battery. Pada tahun 1881, J.S Sellon, mengajukan paten dimana pasta dilapiskan pada plat yang berlubang, yang dengan begitu pasta melekat dengan baik pada plat timah dibanding dengan temuan Faure, tetapi Sellon masih menggunakan plat antimoni, kemudian pada tahun yang sama Volmar mengembangkan proses yang sama dengan Sallon tapi dengan menggunakan plat timah berkisi-kisi (Grid).
2.2.5.1 Pengertian Aki Battery/Aki adalah alat penyimpan tenaga listrik arus searah (DC). Macam- macam aki atau battery yang ada dipasaran yaitu:
50
Aki Konvensional (aki basah), Aki Hybrid, Aki Kalsium, Aki Manintenance Free (MF), Aki Sealed (SLA). Berikut penjelasan dari beberapa aki yang ada di pasaran: 1. Aki Basah Konvensional Jenis aki ini adalah aki model basah yang berisi cairan asam sulfat (H2SO4). Ciri utamanya memiliki lubang dengan penutup yang berfungsi untuk menambah air aki saat ia kekurangan akibat penguapan saat terjadi reaksi kimia antara sel dan air aki. Sel-selnya menggunakan bahan timbal (Pb). Kelemahan jenis aki ini adalah aki harus rajin di periksa ketinggian level air aki secara rutin. Cairannya bersifat sangat krosif, uap air aki mengandung hydrogen yang cukup rentan terbakar dan meledak jika terkena percikan api. Memiliki sifat selfdischarge paling besar di banding aki lain sehingga harus dilakukan penyetruman ulang saat ia didiamkan terlalu lama.
Gambar 2.15 Aki Basah Konvensional (Sumber : Google.com)
2. Aki Hybrid Pada dasarnya aki hybrid tidak jauh berbeda dengan aki basah. Bedanya terdapat pada material komponen sel aki. Pada aki hybrid selnya menggunakan low-antimonial pada sel (+) dan kalsium pada sel (-). Aki jenis ini
51
memiliki performa dan sifat self-discharge yang lebih baik dari aki basah konvensional.
Gambar 2.16 Aki Hybrid (Sumber : Google.com)
3. Aki Kalsium
Kedua selnya, baik (+) maupun (-) menggunakan material kalsium. Aki jenis ini memiliki kemampuan lebih baik di banding aki hybrid. Tingkat penguapannya juga lebih kecil dibandingkan aki basah konvensional. Keunggulan aki kalsium mempunyai performa yang baik dibandindkan aki konvensional dan hybrid, mempunyai daya tahan / usia yang baik (tahan lama), tingtak selfdischarge paling kecil (0,1 – 0,2% volume/day).
Gambar 2.17 Aki Kalsium (Sumber : Google.com)
52
4. Aki MF (Maentance free) Aki ini adalah jenis aki bebas perawatan, aki jenis ini dikemas dalam desain khusus yang mampu menekan tingkan penguapan air aki. Uap aki yang terbentuk akan mengalami kondensasi sehingga kembali menjadi air murni uang menjaga level air aki selalu pada kondisi ideal sehingga tidak lagi di perlukan pengisian air aki. Aki jenis ini biasanya terbuat dari basis jenis aku hybrid maupun aki kalsium.
Gambar 2.18 Aki MF (Maentance free) (Sumber : Google.com)
5. Aki Sealed (SLA) Aki jenis ini selnya terbuat dari bahan kalsium yang di sekat oleh jaring berisi bahan elektrolit berbentuk gel/selai. Dikemas dalam wadah tertutup rapat, aki jenis ini sering dijuluki sebagai aki kering. Sifat elektrolitnya memiliki kecepatan penyimpanan listrik yang lebih baik. Karena sel terbuat dari bahan kalsium, aki ini memiliki kemampuan penyimpan listrik yang jauh lebih baik seperti pada aki jenis kalsium pada umumnya. Karena ia memiliki self-discharge yang sangat kecil sehingga aki sealed ini masih mampu melakukan start saat didiamkan dalam waktu cukup lama. Kemasan yang tertutup rapat membuat aki jenis ini bebas ditempatkan
53
dengan berbagai posisi tanpa khawatir tumpah. Namun karena wadahnya tertutup rapat aki seperti ini tidak tahan pada temperatur tinggi sehingga dibutuhkan penyekat panas tambahan jika di letakan di ruang mesin.
Gambar 2.19 Aki Sealed (SLA) (Sumber : Google.com)
2.2.6 Program Homer HOMER adalah singkatan dari the Hybrid Optimisation Model for Electric Renewable, adalah salah satu tool populer untuk desain suatu sistem PLH menggunakan energi terbarukan. HOMER mensimulasikan dan mengoptimalkan sistem pembangkit listrik baik stand-alone maupun gird-connected yang dapat terdiri dari kombinasi turbin angin photovoltaic, mikrohidro, biomassa, generator (diesel/bensin), microturbine, fuel-cell baterai dan penyimpanan hidrogen, melayani beben listrik maupun termal (Lambert, Gilman, dan Lilienthal 2006). HOMER
minsimulasikan
operasi
sitem
dengan
menyediakan
perhitungan energy balance untuk setiap 8,760 jam dalam setahun. Jika sistem mengandung baterai dan generator (disel/bensin), HOMER juga dapat memutuskan, untuk setiap jam, apakah generator diesel/bensin beroperasi dan apakah baterai diisi atau dikosongkan. Selanjutnya HOMER menentukan
54
konfigurasi terbaik sistem dan kemudian memperkirakan biaya instalasi dan operasi sistem selama masa operasinya (life time coast) seperti biaya awal, biaya penggantian komponen-komponen, biaya O&M, biaya bahan bakar, dan laian-lain. Saat melakukan simulasi, HOMER menentukan semua konfigurasi sistem yang mungkin, kemudian ditampilkan berurutan menurut net present costNPC (atau disebut juga life coast). Jika analisa sensivitas diperlukan, HOMER akan mengulangi proses simulasi untuk setiap variabel sensitivitas yang di terapkan. Error relatif tahun sekitar 3% dan eror relative bulanan sekitar 10% (Sheriff dan Ross , 2003). Dibawah ini merupakan arsitektur HOMER, yang di ambil dari (Fung et al , 2002) dengan sedikit modifikasi. Ada tiga bagian utama HOMER, input, simulasi dan output.
Gambar 2.20 Arsitektur Simulasi dan Optimasi HOMER (Sumber : http://sistemhomer.subhari.com)
