J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3 , Hal.: 173 - 178 ISSN 0853-733X
DATA GENERIK UNTUK PEMODELAN MATEMATIKA INTENSITAS MATAHARI DARI TERBIT-TERBENAM MENGGUNAKAN DATALOGER PANEL SURYA Dian Kurniasari dan Tiryono Ruby Jurusan Matematika FMIPA Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No.1 Bandar Lampung 35145 Diterima 5 September 2006, perbaikan 9 Januari 2007, disetujui untuk diterbitkan 17 Januari 2007
ABSTRACT Hybrid power sistems are systems consists of several types electricity generator such as a renewable energy source wind turbine generator, photovoltaic (PV) array, diesel generator and a battery bank for storage. One of alternative solutions to the problem of electrical fasility in remote area is using solar photovoltaic PV arrays and batteries system. Solar photopoltaic (PV) arrays constructed by combination of solar panel which each panel made of semi conductor and directly change Sun radiation to be electricity current. Keywords: hybrid power sistem, renewable, photovoltaic (PV), sun radiation
1. PENDAHULUAN Seiring dengan pertumbuhan penduduk dan perkembangan zaman, kebutuhan akan listrik dewasa ini telah meningkat menjadi suatu kebutuhan yang sangat vital dalam roda kehidupan, tidak hanya di kotakota besar melainkan di pelosok desa, areal perkebunan atau pulau-pulau kecil-pun sangat memerlukan listrik. Adapun manfaat adanya fasilitas listrik antara lain untuk penerangan, hiburan, komunikasi, informasi, industri, irigasi, transfortasi, keamanan, pertahanan dan atau sarana pendukung riset. Namun bagi wilayah yang jauh dari sumber pembangkit listrik, untuk pengadaan sarana listrik menggunakan jaringan PLN akan memiliki resiko biaya tinggi, terlebih lagi untuk pulau-pulau kecil yang terhampar di seberang lautan. Perangkat pengadaan listrik yang sudah lama dikenal adalah sistem disel genset stand-alone atau sendiri (DGS). Sistem DGS merupakan sistem pengadaan sumber listrik yang biasa digunakan di daerah yang belum terjangkau jaringan listrik PLN. Pertimbangannya, perangkat yang diperlukan untuk membuat sistem tersebut mudah didapat, murah harganya, dan mudah diinstalasi. Selain itu, disel genset diandalkan untuk dapat memberikan suplai energi listrik yang relatif Akan tetapi, untuk mempertahankan konsisten1). kekonsistenan suplai energi listrik tersebut akan berakibat semakin membengkaknya biaya operasional, terutama pengeluaran biaya bahan bakar yang harus disediakan untuk menjaga tetap beroperasinya genset. Kondisi ini diperburuk lagi dengan tingginya harga bahan bakar di lokasi perkebunan atau pulau-pulau kecil, karena bahan bakar harus didatangkan dari luar daerah yang cukup jauh jaraknya.
2006 FMIPA Universitas Lampung
Kelemahan lain dari sistem DGS adalah tingkat efisiensinya yang rendah. Sistem ini tidak mampu menyimpan energi listrik yang tersisa sehingga banyak energi listrik yang terbuang, terutama ketika output dari genset melebihi beban permintaan. Bila DGS dioperasikan pada tingkat output lebih rendah 40% dari kapasitas maksimum, misalnya pada saat siang hari, mungkin akan menurunkan banyaknya bahan bakar yang digunakan. Akan tetapi dengan mengoperasikan DGS lebih rendah dari kapasitas maksimumnya, banyak energi listrik yang tidak dapat diproduksi dari yang seharusnya. Korbanan energi listrik yang tidak diproduksi sebagai akibat tidak dimanfaatkannya secara maksimal dari suatu sistem DGS tidak sebanding dengan penurunan jumlah bahan bakar yang digunakan. Kenyataannya, beban permintaan pada sistem berfluktuasi sehingga DGS jarang sekali beroperasi pada kapasitas daya maksimum untuk periode waktu yang cukup lama. Masalah lain dalam penggunaan sistem DGS adalah dalam hal biaya perawatan. Secara garis besar, biaya perawatan tergantung pada bagaimana disel genset dioperasikan. Kerusakan genset umumnya terjadi pada fase pemanasan, ketika genset distarter dari kondisi dingin. Seringnya menghidupkan dan mematikan genset harus dihindari, dan sekali genset dihidupkan maka harus mencapai temperatur standar operasional dan menjaga kondisi tersebut selama mungkin. Padahal cara tersebut seringkali dilakukan untuk menyesuaikan tingkat output atau lamanya waktu operasi dari DGS sesuai dengan permintaan. Mengoperasikan genset pada level daya rendah untuk periode waktu lama dapat mengakibatkan pengkerakan pada silinder blok mesin genset. Kondisi tersebut memerlukan perawatan khusus dan akan memakan biaya perawatan yang lebih tinggi dari pada perawatan biasa.
173
Dian Kurniasari dan Tiryono Ruby…Data Generik untuk Pemodelan
Salah satu alternatif solusi pengadaan listrik atau elektrifikasi yang efisien untuk penerangan di areal perkebunan kelapa sawit adalah dengan menggunakan sistem panel surya ( solar photovoltaic PV arrays ) dan baterai. Panel surya dirakit dari sekumpulan sel surya yang masing-masing dibuat dari bahan semi konduktor dan dapat merubah secara langsung sinar Matahari menjadi energi listrik. Panel surya tidak memiliki bagian yang bergerak / mekanis dalam pengoperasionalannya. Ketika radiasi Matahari menimpa bahan semi konduktor tersebut, panel surya langsung membuat / menghasilkan arus listrik DC (direct current )2). Pada penelitian ini desain yang dibangun adalah sistem panel surya dan baterai. Panel surya khususnya sangat berguna ketika keluaran yang dihasilkannya langsung dipergunakan untuk mensuplai kebutuhan listrik, atau energi listrik yang dihasilkannya dapat digunakan untuk mengecas (charge) baterai. Tidak terlepas dari perubahan siang dan malam, atau perubahan kondisi cuaca (awan) dapat mengakibatkan pengaruh yang nyata terhadap keluaran yang dihasilkan panel surya. Penggunaan baterai untuk menyimpan energi dapat mengurangi dampak pengaruh akibat dari perubahan tersebut. Sejumlah energi listrik yang dapat disimpan di baterai diukur dalam satuan watt-jam (Wh)3,4,5). Jadi himpunan baterai yang terdiri dari sejumlah sel baterai yang dihubungkan secara seri atau parallel akan memiliki kapasitas simpan lebih tinggi. Baterai type basah (lead acid) telah digunakan sejak lama sekalipun tidak lagi efisien. Walaupun baterai basah lead acid tersebut tidak efisien, namun baterai lead acid type gel tertutup manjadi popular penggunaannya karena tidak memerlukan perawatan rutin6,7). Baterai type lithium telah tersedia secara luas dan memiliki tingkat efisiensi yang jauh lebih baik. 1.1. Model Baterai Kajian optimal kontrol pada sistem panel surya dan baterai sebagai perangkat pengadaan listrik untuk lampu penerangan di areal perkebunan sawit akan terus dikembangkan dan semakin luas penggunaannya. Aspek penting yang dikembangkan pada bagian ini adalah melakukan pemodelan dinamis recharge dan discharge baterai, yaitu dengan melakukan pendekatan sebagai berikut: misal C(t) adalah kapasitas baterai pada saat t, diukur dalam satuan Wh. Model dinamis baterai diberikan dalam Persamaan (1) berikut: C(t ) = R(t ) + D(t ) .
(1)
dengan R(t) = laju recharge dan D(t) = laju discharge. Misal PB(t) adalah neto energi yang tersedia untuk baterai, dengan pengertian PB(t) > 0 berarti siklus recharge sedang berlangsung dan PB(t) < 0 adalah siklus discharge sedang berlangsung. Laju recharge diberikan dalam model Persamaan (2):
174
K1 PB (t ) , R(t ) = K1 + C(t ) 0,
jika PB (t ) ≥ 0,
(2)
jika PB (t ) 〈 0.
dengan K1 > 0 adalah konstanta efisiensi laju recharge. Sebagai contoh, misalkan kapasitas maksimum baterai adalah 100 Wh, nilai K1=250 berarti efisiensi laju recharge hanya sekitar 70% saat mendekati kondisi kapasitas penuh jika dibandingkan dengan kondisi saat kapasitas mendekati kondisi kapasitas kosong. Model laju discharge diberikan pada Persamaan (3) berikut:
K2 PB (t), D(t) = 0,
jikaPB (t) 〈 0,
jika PB (t) ≥ 0.
(3)
dengan K2 adalah faktor resiko, operasional di lapangan nilai K2 ≈ 1.4 yang berarti hanya sekitar 70% energi yang tersimpan dalam baterai dapat digunakan untuk mensuplai beban sistem. Catatan bahwa K1 dan K2 diasumsikan menggunakan baterai lead-acid. Jika baterai dipertimbangkan sebagai bagian dari sistem maka PB(t) menjadi fungsi yang tergantung pada komponen sistem lainnya dan beban sistem, dalam hal ini berapa besar kapasitas panel surya yang digunakan serta berapa besar beban lampu yang digunakan sehingga tercapai biaya operasional sistem yang efisien. Sejauh ini model baterai tidak mempengaruhi konversi dari DC ke AC (dan sebaliknya). Penelitian ini dilakukan dan dibiayai oleh DitbinlitabmasDirjen Dikti-Depdiknas bertujuan mencari solusi optimal dalam pengadaan sumber listrik sistem panel surya dan baterai, khususnya untuk mendapatkan nilai optimal kontrol panel surya dari model sistem yang dibangun sedemikian sehingga memberikan daya dan masa pakai maksimum dari masing-masing kapasitas komponen sistem.
2. METODE PENELITIAN Alat yang dipergunakan untuk penelitian adalah panel surya, volt meter dan baterai. Baterai yang digunakan adalah baterai lead-acid type gel tertutup. Bahan lainnya adalah kabel DC, timah patri, solder, PCB, feri-clorit, plat aluminium, timer dan amper meter. Alat-alat yang digunakan adalah komputer, perangkat lunak (Excel, gnuplot), lampu pijar 12 volt, sikring pengaman, sarung tangan, cutter dan kaca pembesar. Pekerjaan ini disusun untuk membangun data intensitas Matahari dari mulai terbit sampai terbenam. Data yang diperoleh selanjutnya diplot pada bidang kartesius dengan menggunakan perangkat lunak Microsoft Excel atau Gnuplot. Grafik yang diperoleh dibuat model matematikanya dan menghitung jumlah luas dari model yang dibuat tersebut sebagai refleksi nyata jumlah energi listrik yang dihasilkan. Hal ini perlu dilakukan
2006 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3
untuk proses optimasi sistem panel surya dan baterai yang dibangun. Berikut adalah urutan langkah dalam pelaksanaan penelitian: 1. Menghimpun Unit Sirkuit Paralel-Seri Panel Surya untuk Memberikan Daya Maksimum 2. Memasang Panel Surya Horizontal Sehingga Tersinari dari Matahari Terbit Terbenam 3. Menghubungkan Keluaran Panel Surya dengan Alat Ukur Tegangan Listrik 4. Mencatat Data pada Alat Ukur setiap 15 Menit dari Matahari Terbit-Terbenam 5. Mengeplot Data yang Diperoleh Alat Ukur pada Koordinat Kartesian 6. Membuat Model Matematika dari Grafik Hasil Pengeplotan 7. Melakukan Interpolasi Data Intensitas Matahari yang Diperoleh Alat Ukur 8. Transformasi Model dan Optimisasi secara Numerik 9. Menset Unit Sistem Panel Surya dan Baterai
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Nilai optimal kontrol panel surya dari model sistem dinamis yang dibangun dicari solusi numeriknya sehingga memberikan daya dan masa pakai maksimum dari masing-masing kapasitas komponen sistem. Keutamaan tersebut dipertimbangkan untuk menghindari recharge baterai/accu berlebihan yang dapat mengakibatkan kerusakan atau penurunan masa pakai. Oleh karena itu, profile data intensitas Matahari (cuaca cerah) dari dataloger yang mendekati kurva normal diambil sebagai model karena kondisi tersebut menunjukkan keluaran panel surya maksimum. Grafik mendekati kurva normal diperoleh pada bulan September dan November 2005 yang berarti pengambilan data pada momen tersebut cuaca dalam kondisi cerah Matahari bersinar menerangi dataloger panel surya dari mulai Matahari terbit hingga terbenam. Data yang diperoleh diplot mengunakan perangkat lunak Microsoft Excel, hasil pengeplotan data bulan September dan November berupa grafik berbentuk kurva normal. Titik puncak kurva memberikan arti bahwa saat tengah hari intensitas sinar Matahari menimpa dataloger panel surya memberikan keluaran daya yang maksimum dan kedua titik lainnya yang memotong garis horizontal memberikan arti Matahari
belum terbit atau Matahari telah terbenam sehingga dataloger panel surya menunjukkan keluaran daya bernilai 0 (nol). Bentuk kurva normal yang dihasilkan dijadikan sebagai model matematika intensitas Matahari dari terbit hingga terbenam. Pemodelan matematika kurva tersebut sebagai fungsi power panel surya PP(t)=Pmax/108 [(t-6)3-4(t-9)3 + 6(t-12)3 - 4(t-15)3 + (t18)3]. Dengan PP(t) adalah besarnya daya/power yang dihasilkan panel surya saat t, t adalah waktu dari mulai Matahari terbit hingga Matahari terbenam dan Pmax adalah daya maksimum panel surya. Fungsi atau model tersebut merupakan model normal yang dipeoleh dari data pada kondisi cuaca cerah, sinar Matahari menimpa panel surya dari terbit hingga terbenam (12 jam). Panel surya dengan kapasitas maksimum 12 Watt pada kondisi tersebut memproduksi listrik sejumlah 126 Watt (kurva normal). Tabel 1 di bawah ini merupakan solusi optimal korespondensi kapasitas komponen sistem panel surya dan baterai berdasar kurva normal. Kapasitas panel surya dan baterai lebih kecil ataupun lebih besar dari pada nilai yang terdapat pada tabel dapat dihitung. Sistem panel surya dan baterai sangat bermanfaat untuk penerangan kawasan perkebunan atau remote area yang jauh dari sumber listrik atau belum dipasang jaringan listrik PLN. Aproksimasi daya atau kapasitas masing-masing komponen sistem panel surya dan baterai dengan memberikan daya dan masa pakai maksimum tertera pada table. Pengadaan listrik untuk remote area perlu dikembangkan secara berkelanjutan dengan sentuhan sain dan teknologi yang berwawasan ramah lingkungan. Sumber-sumber energi terbarukan (surya, angin, aliran air, gravitasi) akan menjadi sumber yang potensial untuk dimanfaatkan sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Model optimal kontrol pembangkit listrik sistem panel surya dan baterai yang tidak lain adalah model recharge-discharge baterai diperoleh pada Persamaan 4 berikut: ( PP (t ) − PL (t )) K , PB (t ) = K ( PP (t )) − PL (t ), P (t ) PP (t ) − L , K
jika PL (t ) ≤ PP (t ),
jika PL (t ) ≤ PP (t ) + K ( PB (t )), (4) jika PL (t ) ≥ K ( PP (t ) + ( PB (t )),
Tabel 1. Aproksimasi unit sistem kapasitas baterai dan panel surya (12 Volt) Amper Baterai/Accu 6 Ampere 10 Ampere 20 Ampere 60 Ampere
2006 FMIPA Universitas Lampung
Maksimum Kapasitas Baterai 72 Watt-jam 120 Watt-jam 240 Watt-jam 720 Watt-jam
Maksimum Kapasitas Panel Surya 7 Watt-jam 12 Watt-jam 24 Watt-jam 72 Watt-jam
175
Dian Kurniasari dan Tiryono Ruby…Data Generik untuk Pemodelan
Gambar 1 berikut ini merupakan plot data intensitas Matahari dari terbit hingga terbenam yang diperoleh
pada pengukuran bulan Juli, Agustus, September dan Oktober 2005
400 300 200
Panel Surya
100 81
71
61
51
41
31
21
11
0 1
Volt-DC Meter
Dataloger Juli' 05
Waktu : 05:30 - 19:20
400 300 200
Panel Surya
100 81
71
61
51
41
31
21
11
0 1
Volt-DC Meter
Dataloger Agustus' 05
Waktu : 05:30 - 19:20
300 200
Panel Surya
100 81
71
61
51
41
31
21
11
0 1
Volt-DC Meter
Dataloger September'05
Waktu : 05:30 - 19:20
400 300 200 100 0 689
603
517
431
345
259
87
173
Panel Surya
1
Volt-DC Meter
Dataloger Oktober
Waktu 05:30 - 19:20
Gambar 1. Plot data intensitas Matahari dari terbit-terbenam yang diperoleh pada bulan Juli - Oktober 2005
176
2006 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3
Tabel 2. Aproksimasi kapasitas baterai dan kapasitas daya lampu (12 Volt) untuk 12 jam Maksimum Kapasitas Baterai 72 Watt-jam/6A 120 Watt-jam/10A 240 Watt-jam/20A 720 Watt-jam/60A dengan PB(t) adalah neto energi listrik yang tersimpan pada baterai, PP(t) energi yang dihasilkan panel surya, PL(t) adalah beban permintaan sistem dan K adalah koefisien inverter. Model optimal kontrol diatas merupakan strategi operasional bagi operator dalam menjalankan sistem panel surya dan baterai yang mana model tersebut memiliki tiga kondisi yang dapat diterjemahkan sebagai berikut. 1. Jika beban permintaan lebih kecil dari daya yang dihasilkan panel surya maka energi yang dihasilkan panel surya digunakan untuk melayani beban permintaan sementara energi sisanya disimpan dalam baterai. 2. Jika beban permintaan lebih kecil dari gabungan energi yang dihasilkan panel surya plus energi yang terdapat pada baterai tetapi beban lebih besar dari keluaran panel surya maka energi yang dihasilkan panel surya tidak cukup untuk memenuhi beban permintaan, dan kekurangan energi tersebut dapat dipenuhi dengan menggabungkan energi yang berasal dari baterai. 3. Kondisi dimana beban permintaan melebihi dari kapasitas daya panel surya maupun baterai atau gabungan keduanya maka operasional sistem dihentikan untuk menghindari kerusakan komponen sistem dan komponen pengguna lainnya8,9). Energi yang dihasilkan panel surya pada siang hari dapat digunakan langsung untuk melayani beban permintaan atau disimpan dalam baterai, dan energi yang tersimpan pada baterai dapat digunakan utnuk penerangan di malam hari. Tabel 2 di atas adalah tabel korespondensi penggunaan kapasitas beban lampu (dalam Watt) dan kapasitas baterai agar dapat menyala 12 jam untuk penerangan di malam hari.
Maksimum Kapasitas Daya Lampu/Beban 6 Watt 10 Watt 20 Watt 60 Watt Matahari, menghitung jumlah daya listrik yang bisa diproduksi suatu panel surya dan memilih kapasitas baterai yang relevan sehingga biaya rechargedischarge baterai dan biaya kerusakan komponen sistem dapat ditekan seminimum mungkin. Dalam pemanfaatan sumberdaya alam sinar Matahari sebagai sumber pengadaan energi listrik terbarukan masih memiliki kelemahan dalam hal memberikan suplai energi yang kontinu dikarenakan fluktuasi kondisi cuaca (awan/hujan), oleh karena itu kajian ini dapat dilanjutkan dengan mencari sumber alam lainnya untuk digabung sehingga dapat mengatasi terhadap masalah yang disebabkan faktor cuaca. Pengadaan listrik dari sumber alam untuk remote area perlu dikembangkan secara berkelanjutan dengan sentuhan sain dan teknologi yang berwawasan ramah lingkungan dan berdampak langsung terhadap nilai ekonomis dilingkungan masyarakat desa terpencil yang belum terinstalasi jaringan Perusahaan Listrik Negara (PLN).
DAFTAR PUSTAKA 1.
Iyer V., Fung C.C. and Maynard C. 1998, ‘Use of Fuzzy Logic Algorithm for the Power Generation Scheduling of a Remote Area Hybrid Energy System}, Proceedings of the Fourth International Conference on Optimization: Technique and Application (ICOTA'98)}, July 1-3, Perth, Western Australia, pp.941-947.
2.
Lee H.W.J., Teo K.L., Rehbock V. and Jennings L.S. 1999. Control Parametrization Enhancing Technique for Discrete-Valued Control Problems, Automatica, Vol.35(8), pp1401-1407.
3.
Mohammad A. dan Nayar C.V. 1999. An Optimal Dispatch Strategy Using Set Points for a Photovoltaic (PV)-Diesel-Batteray Hybrid Power System, Solar Energy, Vol. 66 No. 1., pp1-9.
4.
Panickar P., Islam S.M. and Chem V. Nayar 1998. Optimum Fuel Dispatch in a Wind-Diesel Hybrid System - A Case Study, Proceedings of the Fourth International Conference on Optimization: Technique and Application (ICOTA' 98), July 1-3, Perth, Western Australia, pp948-955.
5.
Sasaki T., Imamura N., Terasaki M., Mizutani M. and Yamachi M. 1999. Studies on the Characteristics of Float-Charged Li-ion Battery
4. KESIMPULAN Pada paper ini, telah dikembangkan pembangkit listrik sistem panel surya dan baterai yang memberikan biaya operasional dan perawatan yang relative efisien. Desain sistem panel surya dan baterai sangat bermanfaat untuk penerangan kawasan perkebunan atau remote area yang jauh dari sumber listrik atau jaringan listrik PLN. Aproksimasi daya atau kapasitas masing-masing komponen sistem tertera pada tabel sehingga kondisi optimal operasional dan massa pakai sistem dapat tercapai. Aspek penting yang telah dikembangkan pada penelitian ini adalah melakukan pendataan intensitas sinar Matahari, pemodelan matematika intensitas sinar
2006 FMIPA Universitas Lampung
177
Dian Kurniasari dan Tiryono Ruby…Data Generik untuk Pemodelan
[sic], 196th meeting of the Electrochemical Society, Oct. 17-22. 6.
7.
178
Siddhartha Bhatt M. and Sudhir Kumar R. 2000. Performance Analysis Of Solar Photovoltaic Power Plant-Experimaental Results, International Journal of Renewable Energy Engineering, Vol. 2 No. 2, pp184-191. Tiwari A.N., Romeo A., Baetzner D. and Zogg H. 2001. Flexible CdTe Solar Cells on Polymer Films, Prog. Photovolt: Res. Appl Vol. 9. pp211-215.
8.
Uchida R. and Yamada T. 2000. Power Electronics for High-Power Applications in the 21st Century, Conference Record of The 2000 IEEE Industry Applications Conference, Therty-Fifth IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy, pp661-8661.
9.
Wichert B. and Lawrance W.B. 1998. Photovoltaic Resource and Load Demand Forecasting in Standalone Renewable Energy System, 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, July, Vienna.
2006 FMIPA Universitas Lampung
