BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Mutakhir Sistem hibrida yang memadukan PLTS dengan pembangkit lain saat ini sudah banyak diteliti dan dikembangkan aplikasinya. Berikut adalah tinjauan mutakhir dari penelitian sistem hibrida yang memadukan PLTS dengan PLN dan juga penelitian tentang rancang bangun beberapa peralatan pendukung sistem yang pernah diteliti sebelumnya dan diambil dari jurnal ilmiah yang dipublikasikan oleh beberapa lembaga. Sistem hibrida PLTS-PLN pernah diteliti sebelumnya oleh Liem ,E. et al. (2008) yang meneliti tentang sistem hibrida PLTS-dengan jala-jala PLN lewat sebuah Analisis dan perancangan. Dan hasil dari penelitian tersebut adalah Pada kondisi beban listrik normal, dan keadaan cuaca cukup baik (cerah) tegangan baterai yang berada pada batas bawah 22,2V, mulai mengisi energi pada pukul 06.00. Pada saat pengisian energi sampai pada batas bawah rekoneksi, yang bertindak sebagai pensuplai beban adalah PLN. Kemudian PLTS mulai bekerja pada pukul 08.00, pada saat baterai telah terisi sampai batas bawah rekoneksi 23,3V. Sistem PLTS tidak bekerja (off) pada pukul 20.00 pada saat tegangan baterai mencapai batas bawah 22,2V, dan kemudian pasokan beban digantikan oleh PLN. Sistem hibrid yang dirancang mempunyai prinsip kerja satu arah yaitu pada saat PLTS bekerja (on) maka PLN tidak bekerja (off) dan begitu pula sebaliknya sehingga diperlukan switch controller untuk mengatur sumber pembangkit yang akan memasok listrik ke beban. Penelitian tentang rancang bangun battery charging/discharging controller pernah dilakukan oleh Hossain, J. et al. (2012). Dimana model dari control charger yang dibangun menggunakan IC komparator LM 325 untuk mendeteksi tegangan dan IC flip flop 74HC279 yang mengoperasikan transistor sebagai kontrol dari relay. Dan hasil dari penelitian control charger berhasil melindungi
4
5
baterai dari overcharging dan overdischarging dengan set point tegangan 12,5 V untuk tegangan maksimal dan 10,8 V untuk tegangan minimal. Penelitian tentang rancang bangun inverter pernah dilakukan oleh Patil, D. et. al. (2015). Model inverter yang dibangun menggunakan IC Oscilator 4047 sebagai kontrol PWM untuk membangkitkan gelombang sinusoid yang nantinya akan diumpankan ke komponen semikonduktor untuk mengontrol proses switching. Dan hasil dari penelitian adalah inverter yang dibangun dapat menghasilkan tegangan 220V dengan frekuensi 50Hz dengan gelombang sinusoidal. Sedangkan penelitian tentang rancang bangun battery charging controller pernah dilakukan oleh Woryanto, G. et al. (2013). Dimana prinsip kerja pengisian dari sistem yang dibangun adalah dengan membaca tegangan baterai. Jika tegangan baterai dibawah 11V maka sistem akan menghubungkan modul dan baterai untuk dilakukan pengisian. Pada penelitian ini, sistem kontrol catu daya hibrida yang akan dibangun akan mengambil prinsip kerja dari penelitian yang dilakukan oleh Liem, E. et al. (2008) untuk merealisasikan automatic transfer switch controller yang diperlukan pada penelitian Liem B. et al. (2008) agar perpindahan PLTS dan PLN dapat dilakukan secara otomatis. Dan untuk sensing tegangan yang diperlukan sistem akan menggunakan teknologi yang didesain oleh Hossain J. et al (2012). Untuk rancang bangun peralatan pedukung sistem yaitu battery charging controller, model yang dibangun akan mengambil prinsip kerja dari penelitian yang dilakukan Woryanto G, et al. (2013). Sedangkan untuk inverter, pada bagian kontroler PWM akan menggunakan teknologi yang didesain oleh Patil, D, et al. (2015) .
6
2.2 Pembangkit Listrik Hibrida Hybrid system atau Pembangkit Listrik Hibrida yang disingkat PLTH adalah gabungan atau integrasi antara dua atau lebih pembangkit listrik dengan sumber energi yang berbeda. Pada umumnya pembangkit listrik berbasis energi terbarukan dalam pengoperasiannya di hibrida dengan pembangkit listrik berbasis energi fosil. PLTH merupakan salah satu alternatif sistem pembangkit yang tepat diaplikasikan pada daerah-daerah yang sukar dijangkau oleh sistem pembangkit besar seperti jaringan PLN. PLTH juga merupakan solusi untuk mengatasi krisis BBM dan ketiadaan listrik di daerah terpencil, pulau-pulau kecil. Tujuan PLTH adalah mengkombinasikan keunggulan dari setiap pembangkit sekaligus menutupi kelemahan masing-masing pembangkit untuk kondisi-kondisi tertentu dan dapat dicapai keandalan suply, sehingga secara keseluruhan sistem dapat beroperasi lebih ekonomis dan efisien. PLTH biasanya memanfaatkan energi terbarukan sebagai sumber primer yang dikombinasikan dengan jala-jala PLN yang sudah ada. Pada umumnya PLTH bekerja sesuai urutan sebagai berikut: 1.
Pada kondisi beban rendah, maka beban di supply 100% dari bateri dan PV modul, selama kondisi bateri masih penuh sehingga diesel/PLN tidak perlu dioperasikan.
2.
Untuk beban diatas 75% beban inverter (tergantung seting parameter) atau kondisi bateri sudah kosong sampai level yang disyaratkan, diesel/PLN mulai beroperasi untuk mensuplai beban dan sebagian mengisi bateri sampai beban diesel mencapai 70-80% kapasitasnya (tergantung seting parameter). Pada kondisi ini hybrid controller bekerja sebagai charger (merubah tegangan AC menjadi tegangan DC) untuk mengisi baterai.
3.
Pada kondisi beban puncak baik diesel maupun inverter akan operasi duaduanya untuk menuju parallel sistem apabila kapasitas terpasang Diesel/PLN tidak mampu sampai beban puncak. Jika kapasitas 23 Diesel cukup untuk mensupli beban puncak, maka inverter tidak akan beroperasi parallel dengan genset (Rosyid, 2010).
7
2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Surya Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah suatu pembangkit yang mengkonversikan energi foton dari surya menjadi energi listrik. Konversi ini terjadi pada panel surya yang terdiri dari sel-sel surya. PLTS memanfaatkan cahaya matahari untuk menghasilkan listrik DC (Direct Current), yang dapat diubah menjadi listrik AC (Alternating Current) apabila diperlukan. PLTS pada dasarnya adalah pencatu daya dan dapat dirancang untuk mencatu kebutuhan listrik dari yang kecil sampai dengan yang besar, baik secara mandiri maupun hibrida. 2.4 Sel Surya Sel Surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah peralatan yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya dapat dianalogikan sebagai peralatan dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti 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 skala milliampere 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 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu.
Gambar 2.1 Ilustrasi Sel Surya ( Sumber : Nelson 2005 )
8
Untuk hampir semua aplikasi, intensitas cahaya matahati sangat tidak konstan untuk operasi yang efisien, oleh karena itu sel surya harus terintegrasi dengan sistem penyimpanan energi listrik (baterai) atau dengan komponen pengaturan daya. Baterai digunakan untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan dan mengkondisikan daya untuk memastikan bahwa suplai daya tetap dan tidak berpengaruh terhadap perubahan intensitas cahaya matahari. Untuk peralatan yang dirancang dengan daya listrik AC dan integrasi dengan jaringan listrik, arus dc yang dihasilkan dikonversi ke daya AC dengan menggunakan inverter (Nelson, 2005). 2.5 Media Penyimpanan Energi Media enyimpanan energi untuk sistem PV umumnya menggunakan baterai untuk menyimpan dan melepaskan listrik energi yang diperlukan. Baterai bervariasi menurut jenis, depth of discharge, rating pengisian, dan umur pengguanan (dalam aplikasi PV). Jenis baterai yang paling umum digunakan pada sistem PV adalah jenis timbal-asam, akan tetapi jenis lain yang lebih baik namun relatif mahal adalah jenis nickel metal hydride. Aplikasi baru dari baterai PV dimana baterai PV digunakan untuk cadangan daya ketika utilitas jaringan gagal untuk sistem PV grid-terikat. Aplikasi ini memiliki pengisian baterai khusus dan perlu dilakukan pemeliharaan rutin. Aplikasi baterai ini biasanya dipasang di lokasi berventilasi seperti garasi, utilitas kamar, dan bangunan lain untuk meminimalkan potensi ledakan gas hidrogen dan untuk meminimalkan kemungkinan bahaya dari tumpahan elektrolit (Foster, 2010).
9
Gambar 2.2 Ilustrasi Baterai akumulator (Sumber : www.solarstik.com)
2.6 Charger Controller Charge controller adalah peralatan yang mengatur aliran listrik antara array, baterai, dan beban. Algoritma charge controller dan besarnya arus pengisian harus disesuaikan dengan baterai yang digunakan dalam sistem. Kualitas charge controller yang baik memungkinkan untuk mengatur regulasi tengangan, kompensasi temperatur, dan pemerataan charging pada selang waktu tertentu untuk baterai lebih dari satu. Tujuan utama dari charge controller adalah untuk melindungi baterai dari kerusakan dari pengisian atau pemakaian yang berlebihan (Foster dkk, 2010). Beberapa fungsi detail dari Charge controller adalah sebagai berikut: 1. Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging, dan overvoltage. 2. Mengatur arus yang dibebaskan/ diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading. Charge
controller
yang
mendeteksi kapasitas baterai.
baik
biasanya
mempunyai
kemampuan
Bila baterai sudah penuh terisi maka secara
otomatis pengisian arus dari panel surya / solar cell berhenti. Cara deteksi adalah melalui monitor level tegangan batere. Solar charge controller akan mengisi
10
baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan drop, maka baterai akan diisi kembali. Ada dua jenis teknologi yang umum digunakan oleh solar charge controller: 1. PWM (Pulse Wide Modulation), seperti namanya menggunakan 'lebar' pulse dari on dan off elektrikal, sehingga menciptakan seakan-akan sine wave electrical form. 2. MPPT (Maximun Power Point Tracker). MPPT dapat mengambil maximun daya dari PV. MPPT charge controller dapat menyimpan kelebihan daya yang tidak digunakan oleh beban ke dalam baterai, dan apabila daya yang dibutuhkan beban lebih besar dari daya yang dihasilkan oleh PV, maka daya dapat diambil dari baterai. (www.panelsurya.com )
Gambar 2.3 Charger Controller (Sumber : Rajan, 2014)
11
2.7 Inverter Inverter adalah peralatan yang berfungsi mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC simetris dengan besar dan frekuensi yang diinginkan. Tegangan output inverter besarnya dapat dibuat tetap ataupun dapat diubah-ubah begitu pula dengan frekuensi dapat dibuat tetap ataupun dapat diubah-ubah. Full bridge converter adalah rangkaian teori dasar yang digunakan untuk mengubah DC ke AC. Full bridge converter mempunyai pasangan saklar (S1,S2) dan (S3,S4). Keluaran AC didapatkan dari masukan DC dengan membuka dan menutup saklar-saklar pada urutan yang tepat. Tegangan keluaran Vo bisa berupa + Vdc, -Vdc, atau nol, tergantung pada saklar yang mana tertutup. Rangkaian ekivalen kombinasi saklar full bridge converter diperlihatkan pada Gambar Sebagai catatan bahwa S1 dan S4 tidak boleh menutup pada saat yang bersamaan, begitu juga dengan S2 dan S3, yang akan menyebabkan terjadinya short circuit pada sumber DC. (Hart D, 2010)
Gambar 2.4 Rangkaian full bridge inverter (Sumber : Hart D, 2010)
12
Gambar 2.5 Switching rangkaian full bridge inverter (Sumber : Hart D, 2010)
Dan berikut adalah tabel tegangan keluaran saklar pada rangkaian full bridge converter. Tabel 2.1 Tegangan Keluaran Saklar Saklar Tertutup
Tegangan Keluaran (Vo)
S1 dan S2
+Vdc
S3 dan S4
-Vdc
S1 dan S3
0
S2 dan S4
0
13
2.8 Arduino Arduino adalah perangkat mikrokontroler single-board yang langsung dilengkapi dengan software suite. Perangkat keras Arduino menggunakan desain open source sederhana, dan untuk kontroler menggunakan prosesor Atmel AVR dan didukung dengan I/O on board. Sedangkan untuk Perangkat lunak arduino terdiri dari bahasa pemrograman standar yang dilengkapi boot loader untuk mengoperasikan board arduino. Pada dasarnya, Arduino adalah sebuah komputer kecil yang dapat diprogram untuk memproses input dan output antara perangkat dan komponen eksternal yang terkoneksi. Arduino dikenal sebagai platform komputasi fisik yaitu suatu sistem interaktif yang dapat berinteraksi pada kondisi tertentu dengan menggunakan perangkat keras yang dioperasikan oleh sebuah perangkat lunak. (McRobert, 2010) 2.8.1 Arduino Uno Arduino Uno adalah jenis dari arduino paling banyak digunakan. Versi yang terakhir adalah Arduino Uno R3 (Revisi 3), Arduino Uno menggunakan ATMEGA328 sebagai Microcontrollernya, memiliki 14 pin I/O digital yaitu pin 0-14 dan 6 pin input analog yaitu pin A0-A5. Untuk pemograman cukup menggunakan koneksi USB type A to To type B. Sama seperti yang digunakan pada USB printer. (Rahmat, A. et al. 2014)
Gambar 2.6 Arduino Uno Rev.3 (Sumber : Rahmat, A et al. 2014)
14
2.8.2 Software Arduino Software Arduino meliputi IDE (Integrated Development Environment) untuk menulis program, driver untuk koneksi dengan komputer, dan library untuk pengembangan program. IDE Arduino menggunakan bahasa pemrograman java dan terdiri dari: 1. Editor program, sebuah window yang memungkinkan pengguna menulis dan mengedit program dalam bahasa Processing. 2. Compiler, sebuah modul yang mengubah kode program (bahasa Processing) menjadi kode biner. Bagaimanapun sebuah mikrokontroler tidak akan bisa memahami bahasa processing. Yang bisa dipahami oleh mikrokontroler adalah kode biner. Itulah sebabnya compiler diperlukan dalam hal ini. 3. Uploader, sebuah modul yang memuat kode biner dari komputer ke dalam memori di dalam papan Arduino.
Gambar 2.7 Tampilan IDE Arduino (Sumber : McRobert, 2010)
