LANDASAN TEORI -...

Laporan Tugas Akhir 2012 5Jurusan Teknik Konversi Energi

BAB IILANDASAN TEORI

2.1. Energi SuryaEnergi 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

atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m2. Setelah disaring oleh

atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi

sekitar 1000W/m2. 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


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

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

akan menerima persediaan yang terus menerus dari energi surya ini. Hal ini berarti diperlukan

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

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

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


100.000.000o 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. RadiasiRadiasi 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. FotovoltaikFotovoltaik 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.


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


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 FotovoltaikSecara 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 FotovoltaikGambar dibawah ini menunjukan kurva karakteistik dari sel surya. Kurva ini

menunjukan tegangan dan arus keluaran yang didapat dari fotovoltaik ketika tidak dibebani

secara langsung.


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 yangberpengaruh pada penurunan efisiensi, seperti ditunjukkan pada gambar berikut:


Gambar 2.5. Rangkaian Ekivalen Fotovoltaik

Berdasarkan persamaan 2.1. efisiensi dari fotovoltaik sendiri dinyatakan sebagai rasio antaradaya keluaran yang dihasilkan (daya listrik) terhadap energi cahaya yang sampaidipermukaan fotovoltaik, atau dinyatakan sebagai berikut:= = ……………………………………………………… (2.4.)

Dimana :

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 berbebandikalikan dengan peak sun hour dan dikalikan dengan tegangan maka akan didapatkan energiyang dibangkitakan oleh fotovoltaik (Hankins, Mark, 2010).=Dimana :

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

Gambar 2.6. Diagram blok sistem

Modul surya Chargecontroller

Battery

Beban DC


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

Kondisi meteorologi yang dominan dalam mendesain sistem solar home system adalahbesarnya radiasi matahari harian (W/m2/hari), serta temperatur lingkungan sekitar sedangkankelembaban 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 – bedaterhadap keluaran tegangan dan arus.

Gambar 2.7. Efek dari Intensitas Cahaya Matahari (sumber: Strong, Steven J. TheSolar 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:


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:


= ∑ 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 SuryaPengoperasian sel surya agar didapatkan nilai yang maksimum sangat tergantung pada

faktor berikut:

a. Ambient Air Temperature. Sebuah sel surya dapat beroperasi secara maksimum

jika tempeteratur sel tetap normal (pada 250C). Kenaikan temperatur lebih tinggi

dari temperatur normal pada sel surya akan melemahkan tegangan (Voc). Sepertipada gambar 2.4.2. (c) setiap kenaikan temperatur sel surya 10 Celsius (dari 250C) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan atau akan

melemah dua kali (2x) lipat untuk kenaikan temperatur sel per 100C.

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.


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

surya secara tegak lurus akan mendapatkan energi maksimum ± 1000 W/m2

atau 1

kW/m2. Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari

dengan bidang PV, maka ekstra luasan bidang panel sel surya dibutuhkan (bidangpanel 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

NO KOTA PROVINSITAHUN

PENGUKURAN

RADIASI RATA – RATA

(kWh/m2)

1 Banda Aceh Aceh 1980 4.1

2 Palembang Sumatera Selatan 1979 – 1981 4.95

3 Jakarta Jakarta 1965 – 1981 4.19

4 Bandung Jawa Barat 1980 4.15

5 Semarang Jawa Tengah 1979 – 1981 5.49

6 Surabaya Jawa Timur 1980 4.30

7 Denpasar Bali 1977 – 1979 5.26

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

2.3. Instalasi FotovoltaikDalam memanfaatkan fotovoltaik sebagai sumber energi listrik, perlu dilakukan

perencanaan untuk proses pemasangan. Hal ini dilakukan untuk memperoleh hasil yangmaksimal dan mengurangi energi yang terbuang. Dalam hubungannya dengan sistem sumberenergi listrik yang lain, maka instalasi dibagi menjadi dua yaitu sistem Instalasi Stand Alone dansitem Intsalasi Connecting Grid.

2.3.1. Sistem Stand AloneSistem instalasi mandiri (stand alone) adalah instalasi fotovoltaik dimana tidak

dihubungkan dengan sumber listrik dari jaringan umum (PLN). Oleh karena itu, pada sistemini pemenuhan kebutuhan beban sangat tergantung pada fotovoltaik. Untuk menjaga pasokandaya listrik sistem ini membutuhkan baterai kareana ketersediaan intensitas matahari yangberfluktuatif sehingga dimana cuaca tidak cerah fotovoltaik tidak dapat mensuplai energiyang sama seperti pada saat cuaca cerah.

Intsalasi jenis ini biasa digunakan dalam Solar Home System (SHS). Sistem ini terdiridari modul fotovoltaik, BCR, baterai dan komponen pendukung. Besar daya beban yangdapat dipenuhi dibatasi oleh jumlah fotovoltaik dan kapasitas baterai yang digunakan.


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

Gambar 2.10. Sistem stand alone

2.3.2. Sistem Connecting GridSistem terhubung jaringan (Connecting Grid) merupakan sistem instalasi yang

dihuungkan dengan sumber listrik dari jaringan listrik umum (PLN). Pada sistem ini tidakterlalu diperlukan adanya baterai karena pada saat sistem kekurangan daya maka untukmemenuhi kekurangan daya beban tersebut disuplai dari listrik jaringan yang ada. Sistemfotovoltaik akan bekerja pada saat siang hari dengan ketersediaan intensitas surya yangmemenuhi. Sedangkan kekurangan daya pada saat malam hari atau cuaca mendung, disuplaidari jaringan.

Gambar 2.11. Sistem Connecting Grid


2.4. Balance of SystemsSebuah 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. BatteryFotovoltaik 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.


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

Rated Capacity(Ah)

@ 0.05CRate ( 20 Hr.

Rate)(A)

@ 0.01CRate (20Hr Rate)

(A)0.5 0.025 0.050.8 0.04 0.081.0 0.05 0.101.3 0.065 0.132.3 0.115 0.233.0 0.15 0.303.2 0.16 0.324.5 0.225 0.455.0 0.25 0.506.5 0.325 0.657.0 0.35 0.708.0 0.40 0.809.0 0.45 0.90

10.0 0.50 1.0012.0 0.60 1.2018.0 0.90 1.8020.0 1.00 2.0026.0 1.30 2.6028.0 1.40 2.8033.0 1.65 3.3040.0 2.00 4.0055.0 2.75 5.5060.0 3.00 6.0075.0 3.75 7.5080.0 4.00 8.00

100.0 5.00 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:


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

Level Baterai(%)

Tegangan (Volt)

100 12.7090 12.5080 12.4270 12.3260 12.2050 12.0640 11.9030 11.7520 11.5810 11.310 10.50

2.4.2. BCRBCR 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


2.4.3. InverterInverter 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 SuryaFotovoltaik dapat mencatu daya sistem pompa air, terutama bagi daerah – daerah

yang sulit mendapatkan air serta tidak terdapat jaringan listrik. Sistem pompa air tenaga suryaterdiri dari komponen – komponen fotovoltaik, motor, pompa dan inverter apabila motoryang digunakan mempunyai sistem tegangan AC, sedangkan untuk motor sistem teganganDC menggunakan solarverter yang berfungsi menselaraskan keluaran listrik dari modul suryayang berubah – ubah menjadi relatif konstan sebelum mencatu daya motor. Sistem pompa airtenaga surya sering menjadi pilihan untuk keperluan skala kecil seperti kebutuhan air rumahtangga, pertanian ataupun peternakan. Modul surya dipasang dengan pompa elektrik untukmemompa air dari sumur ataupun dari sumber airnya. Air ini biasanya digunakan untuk airminum, mencuci, kebutuhan rumah tangga dan irigasi skala kecil.


Gambar 2.15. Sistem Pompa Air Tenaga Surya

2.5.1. Perancangan SistemPada perancangan sistem fotovoltaik, faktor terpenting bagaimana menentukan

kapasitas komponen yang diperlukan sesuai dengan kebutuhuan beban, lokasi dimana sistemditempatkan, serta batasan-batasan lain yang perlu diperhatikan. Untuk menjamin agar tidakterjadi kegagalan pada sistem atau memperkecil semaksimum mungkin kegagalan sistem,maka perlu diketahui juga problema apa yang umumnya terjadi dalam perancangan suatuperencanaan sistem fotovoltaik. Untuk perancangan hal pertama yang dibutuhkan adalahenergi total yang dibutuhkan. Asumsi rugi-rugi (losses) pada sistem untuk beban DC sebesar20% asumsi ini hanya pada kabel, BCR dan baterai sedangkan jika dengan fotovoltaik makasebesar efisiensi sistem sebesar 40% (Mark Hankins, 2010), maka total energi yangdisyaratkan adalah sebesar:

= ………………………..…………………………..…..(2.6.)

Dimana :EA = Energi Awal (Wh)ηsistem = Asumsi efisiensi sistem sebesar 40%ETotal = Energi total (Wh)

2.5.2. Perhitungan Kapasitas Komponen SistemAdapun komponennya sebagai berikut:1. Modul surya2. Baterai3. Baterai Charge Regulator


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

1) Kapasitas BateraiSetelah mendapatkan energi total yang dibutuhkan maka dibutuhkan tempatpenyimpanan energi pada sistem stand alone. Besarnya Deep of Discharge (DOD)pada baterai umumnya adalah adalah 80% (Mark Hankins, 2010). Maka kapasitasbaterai yang dibutuhkan:

= …………………………………………………. (2.7.)Ah = ……………………………………….….…………..…………. (2.8.)

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

2) Kapasitas ModulSetelah mendapatkan kapasitas baterai yang akan digunakan maka dapatditentukan jumlah modul yang akan digunakan. Yaitu dengan cara membagibattery storage dengan PSH dengan faktor safety 1.2 (Mark Hankins, 2010).

= 1.2………………..………………………………(2.9.)

Dimana :

Pmodul = Daya modul (Watt)Battery Storage = Kapasitas baterai (Ah)PSH = Nilai efektif dalam satuan waktu (h)

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

= 1.25 ………….………………….………………………. (2.10.)Dimana :

IBCR = Kapasitas BCR (Ampere)Vs = Tegangan sistem yang digunakan (Volt)Pmaks = Daya maksimum beban (Watt)


2.5.3. Menentukan Jumlah Seri dan PararelGenerator fotovoltaik merupakan bentuk kombinasi hubungan seri dan paralel modul

– modul fotovoltaik. Langkah penting berikutnya adalah menentukan jumlah modulfotovoltaik yang harus dihubungkan seri dan paralel. Jumlah modul yang harus dihubungkanseri ditentukan oleh tegangan masukan beban, dengan rumus dibawah ini (Dalimi, Rinaldy,Dr. Ir., Faisal, Fuad: 1996.):

===

===Dimana :

Js = Jumlah seriVload = Tegangan masuk beban (Volt)VPV = Tegangan maksimum fotovoltaik pada name plate (Volt)VGV = Tegangan yang dibangkitkan fotovoltaik (Volt)Jp = Jumlah pararelPPV = Daya maksimum per fotovoltaik (Watt)IPV = Arus maksimum fotovoltaik pada name plate (Ampere)IGV = Arus yang dibangkitkan oleh fotovoltaik (Ampere)P = Daya yang dibangkitkan (Watt)

LANDASAN TEORI -...

Documents

Transcript of LANDASAN TEORI -...