BAB IV HASIL DAN ANALISIS
4.4 Analisis Kebutuhan Teknis Sistem PLTS
4.4.1 Analisis kebutuhan teknis sistem PLTS secara off-grid
Sistem PLTS secara off-Grid pada SD INTIS School Balikpapan merupakan sistem kelistrikan yang tidak terhubung dengan jaringan PLN. Sistem PLTS tanpa terhubung dengan jaring PLN akan terdiri dari beberapa komponen dengan kapasitas serta harga sesuai pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Daftar Kapasitas Serta Harga Komponen Sistem PLTS Off-Grid
Komponen Kapasitas
Total
Jumlah Total
Harga satuan Harga Total
Inverter 4.000 W 1 Rp 9.692.397 Rp 9.692.397 Baterai 48.000 Wh 20 Rp 4.250.000 Rp 85.000.000 Panel Surya 15.840 Wp (78,17 m2) 36 Rp 2.500.000 Rp 90.000.000 Solar Charge Controller 12.000 W 3 Rp 9.500.000,- Rp 28.500.000 SCC #1 SCC #2 SCC #3 INVERTER Panel Listrik Utama Beban Listrik Baterai 48V DC 1000 Ah Panel Surya 15,84 kWp 220V AC 50 Hz 48V DC 48V DC 220V AC 50 Hz 48V DC 48V DC 48V DC 48V DC
Universitas Pertamina - 21 Daya listrik pada sistem PLTS secara off-grid akan disuplai menggunakan inverter dengan total daya 4.000 W. Kapasitas inverter sebesar 4.000 W dalam sistem off-grid sudah melebihi spesifikasi yang ditentukan kementerian ESDM sebesar 125% dari daya beban puncak. Energi yang dihasilkan oleh inverter berasal dari panel surya dengan kapasitas 15.840 Wp. Kapasitas panel surya sebesar 15.840 Wp pada sistem off-grid dibutuhkan untuk mensuplai beban dan mengecas kembali energi baterai ketika intesitas cahaya matahari dibawah nilai STC (Standar Test Condition).
Gambar 4.9 Grafik Kapasitas Baterai Terhadap Intensitas Matahari
Berdasarkan Gambar 4.9, kapasitas baterai pada tanggal 1 Januari dan tanggal 5 Januari berada dibawah level 60%. Kapasitas baterai menurun hingga dibawah 60% diakibatkan intensitas matahari yang sangat kecil yang menyebabkan beban akan menyerap energi yang tersimpan dalam baterai. Pada tanggal 2 Januari dan 6 Januari dimana matahari dapat bersinar optimal, kapasitas baterai akan terisi kembali akibat intensitas matahari yang sudah mendekat nilai STC sebesar 1 kW/m2. Pengisian baterai didukung oleh komponen SCC sebesar 12.000 W. Dengan kapasitas daya pengecasan SCC sebesar 12.000 W, dapat menyerap energi matahari sebesar 11.880 Wp untuk kebutuhan pengecasan langsung pada baterai seperti yang tertera pada Gambar 4.8. Selain panel surya yang terhubung pada SCC, panel surya sebanyak 9 unit dengan daya puncak 3.960 Wp yang terhubung pada inverter diprioritaskan untuk mensuplai beban secara langsung. Berdasarkan kapasitas komponen pada Tabel 4.1 yang sudah memenuhi standar acuan perancangan, menjadikan desain sistem PLTS secara off-grid pada gedung SD INTIS School Balikpapan sudah layak secara kebutuhan teknis. Penentuan kapasitas setiap komponen pada sistem PLTS secara off-grid untuk gedung SD INTIS School Balikpapan sehingga mendapatkan hasil seperti pada Tabel 4.1, dapat ditentukan sebagai berikut:
4.4.1.1 Kebutuhan inverter
Kebutuhan inverter pada sistem PLTS secara off-grid di SD INTIS School Balikpapan minimal memiliki kapasitas output daya yang dapat mensuplai beban puncak sebesar 2.881 Watt. Inverter yang akan digunakan pada sistem PLTS secara off-grid di SD INTIS School Balikpapan adalah
Universitas Pertamina - 22 EPEVER UP5000-M8342 yang memiliki kapasitas daya output sebesar 4.000 W dengan efisiensi 95%. Dengan nilai efisiensi sebesar 95%, EPEVER UP5000-M8342 dapat menghasilkan daya sebesar 3.800 W. Dengan daya puncak beban sebesar 2.881 W, kapasitas inverter yang digunakan mencapai 75,8% dari kapasitas maksimalnya. Dengan penggunaan inverter sebesar 75,8% setiap harinya, inverter dapat bekerja normal tanpa harus penggunaannya dipaksa hingga 95%. Inverter dengan merk EPEVER UP5000-M8342 yang dapat menghasilkan daya output sebesar 4.000W dengan spesifikasi seperti pada Tabel 4.2. Spesifikasi pada Tabel 4.2 akan dimodelkan pada software PVsyst untuk mensimulasikan sistem secara teknis.
Tabel 4.2 Spesifikasi EPEVER UP5000-M8342 EPEVER
Model : UP5000-M8342
Inverter
Tegangan Nominal Sistem 48 VDC Tegangan Input Baterai 43,2 V ~ 64 V
Daya Output 4000 W
Tegangan Output 220 VAC (-5% ~ +3%)
Frekuensi Output 50/60Hz
Gelombang Output Pure Sine Wave
Power Factor 0,2~1
Efisiensi 95%
MPPT Include : Tracer8420AN
Dimensi 614x315x178 mm
Harga Rp 9.692.397,-
Komponen inverter dengan spesifikasi seperti pada Tabel 4.2, memiliki nominal tegangan sistem DC sebesar 48 V. Dengan nominal tegangan sistem DC sebesar 48 V, maka nilai tegangan output SCC dan tegangan sistem baterai akan diatur hingga mencapai 48 V. Inverter EPEVER UP5000-M8342 memiliki fitur tambahan yaitu solar charge controller yang memiliki spesifikasi sama seperti pada Tabel 4.5. Dengan fitur pengecasan baterai yang terdapat pada komponen inverter, penggunaan SCC untuk pengecasan baterai dapat dihemat sebanyak 1 unit SCC
4.4.1.2 Kebutuhan baterai
Kapasitas baterai yang digunakan pada sistem PLTS secara off-grid minimal sebesar konsumsi energi yang dibutuhkan beban dalam satu hari. Berdasarkan data beban perjam pada Gambar 4.1, konsumsi energi terbanyak pada SD INTIS School Balikpapan terdapat pada hari kerja sebesar 25,64 kWh/hari. Dengan menggunakan persamaan 2.1, kapasitas baterai yang dibutuhkan sebesar:
Universitas Pertamina - 23 Batt.Cap = 1
60%25,64 𝑘𝑊ℎ = 42,73 kWh
Kapasitas baterai sebesar 42,73 kWh akan disuplai menggunakan baterai dengan merk LUMINOUS VRLA 12V 200Ah yang memiliki kapasitas 2,4 kWh perunitnya dengan spesifikasi seperti pada Tabel 4.3. Berdasarkan tegangan input inverter pada Tabel 4.2, baterai akan disusun seri sebanyak 4 buah hingga menjadi 48 V. Dengan satu string baterai bertegangan 48 V memiliki kapasitas 9,6 kWh, maka diperlukan 5 string baterai untuk mencapai kapasitas yang dibutuhkan. Spesifikasi pada Tabel 4.3 akan dimodelkan pada software PVsyst untuk mensimulasikan sistem secara teknis.
Tabel 4.3 Spesifikasi Luminous VRLA 12V 200Ah LUMINOUS
Model : VRLA 12V 200Ah Tegangan Nominal 12 VDC
Kapasitas 200 Ah
Jenis Baterai VRLA AGM
Dimensi 522x240x218 mm
Harga Rp 4.250.000,-
Dengan menggunakan susunan baterai yang terdiri atas 4 seri dan 5 paralel, rangkaian sistem baterai akan memiliki nilai tegangan sebesar 48 V dan kapasitas total sebesar 48 kWh. Rangkaian sistem baterai 4 seri dan 5 pararel dapat terlihat seperti pada Gambar 4.10.
+
-Gambar 4.10 Rangkaian Baterai Sistem PLTS Off-Grid
4.4.1.3 Kebutuhan panel surya
Kebutuhan panel surya dalam sistem off-grid dipengaruhi oleh radiasi rata-rata matahari dan total energi yang dibutuhkan. Merujuk pada Gambar 4.3 dengan rata-rata radiasi matahari tiap bulan 4,57 kWh/m2, serta kebutuhan energi perhari sebesar 25,64 kWh, maka kapasitas minimum panel surya dapat dihitung menggunakan persamaan 2.2 dan 2.3
Universitas Pertamina - 24 PSH =4,57 kWh m 2 ⁄ 1000 W m⁄ 2 = 4,57 h PVcap= 25,64 kWh 4,57 h = 5,61 kWp
Kapasitas panel surya dari hasil perhitungan persamaan 2.3 yang sebesar 5,61 kWp merupakan nilai minumum kapasitas panel surya dalam keadaan iradiasi optimal matahari sebesar 1000 W/m2. Dalam aplikasinya, matahari tidak selalu bersinar dalam keadaan optimal dan beban harus terus mendapatkan suplai energi. Dengan menggunakan data yang diperoleh dari NASA menggunakan
software HOMER, didapatkan iradiasi matahari terendah di SD INTIS School Balikpapan yang
ditunjukkan pada Gambar 4.11.
Gambar 4.11 Intensitas Matahari di area SD INTIS School Balikpapan Dalam Satu Minggu Dengan menggunakan data tahun 2007, intensitas matahari terendah setiap minggu sebesar 100 W/m2 pada tengah hari. Dengan intensitas matahari yang sebesar 100 W/m2, daya keluaran panel surya akan menjadi 1/10 dari kondisi intensitas matahari optimal. Dikarenakan sistem PLTS secara
off-grid tidak mempunyai sumber energi yang lain, maka daya keluaran panel surya harus dapat
mensuplai beban secara kontinu. Untuk menghasilkan panel surya yang dapat bekerja pada kondisi minimum intensitas matahari tahunan, maka kapasitas panel surya akan didapatkan dengan menggunakan fitur optimasi pada software HOMER dengan hasil seperti pada Gambar 4.12.
Universitas Pertamina - 25 Pada Gambar diatas, kapasitas panel surya dihitung menggunakan optimasi HOMER dengan menunjukkan hasil sebesar 14,7 kW. Kapasitas panel surya 14,7 kW akan didukung dengan sistem baterai 48 V berkapasitas 48 kWh, serta inverter sebesar 4 kW.
Modul panel surya yang digunakan adalah tipe monocrystalline dengan merk JA Solar JAM78S10-440/MR yang memiliki spesifikasi seperti pada Tabel 4.4. JA Solar JAM78S10-440/MR merupakan panel surya dan tipe sel monocrystalline yang lebih tahan terhadap gangguan shading serta memiliki efisiensi lebih besar dari tipe sel lainnya.Dengan menggunakan JA Solar JAM78S10-440/MR, rangkaian panel surya akan disesuaikan lebih lanjut setelah didapatkan kapasitas SCC yang akan digunakan. Spesifikasi pada Tabel 4.4 akan dimodelkan pada software PVsyst untuk mensimulasikan sistem secara teknis.
Tabel 4.4 Spesifikasi JA Solar JAM78S10-440/MR JA Solar
Model : JAM78S10-440/MR STC (Standar Test Condition)
Daya Maksimum (Pmax) 440 W
Tegangan Maksimum Operasional (Vmp) 44,87 V Arus Maksimum Operasional (Imp) 9,81 A
Tegangan Open Circuit (Voc) 53 V
Arus Short Circuit (Isc) 10,44 A
Efisiensi Modul 20,3%
Suhu Operasional -40℃ ~ +85℃
Tegangan Maksimum Sistem 1500V (IEC)
Toleransi Daya 0 ~ +5 W
Tipe Sel Monocrystalline, 6 inci
Kombinasi Sel 156 (6 x 26)
Dimensi 2180 x 996 x 40 mm
Harga Rp 2.500.000,-
4.4.1.4 Kebutuhan SCC
Kebutuhan SCC pada sistem PLTS off-grid dipengaruhi oleh kapasitas panel surya dan sistem tegangan baterai. Perhitungan kapasitas SCC dapat menggunakan persamaan 2.4
ISCC =14,7 kWp 48 V = 306,25 A
Universitas Pertamina - 26 Kapasitas minimum SCC yang akan digunakan untuk mensuplai sistem PLTS secara off-grid adalah sebesar 306,25 A. Dengan kapasitas arus hingga 306,25 A pada tegangan 48V, akan digunakan SCC dengan merk EPEVER Tracer8420AN yang dapat mengalirkan arus ke baterai sebesar 80A perunitnya dengan spesifikasi seperti pada Tabel 4.5. Spesifikasi pada Tabel 4.5 akan dimodelkan pada software PVsyst untuk mensimulasikan sistem secara teknis.
Tabel 4.5 Spesifikasi EPEVER Tracer8420AN EPEVER
Model : Tracer8420AN
Tegangan Maksimal Voc 180 V (25℃) Rating Arus Pengecasan 80 A
Maksimal Daya Pengecasan
1.000 W/12 V 2.000 W/ 24 V 3.000 W/36 V 4.000 W/48 V Tegangan Nominal Sistem 48 VDC Tegangan Input Baterai 8V ~ 68 V
Efisiensi 97,6%
Fuse Baterai 150 A/58 V
Dimensi 394x240x143 mm
Harga Rp 9.500.000,-
Dengan spesifikasi SCC pada Tabel 4.5, pada level tegangan 48V dapat menyerap daya maksimal dari panel surya sebesar 4.000 W. Dengan rating arus pengecasan 80 A, maka jumlah SCC yang akan digunakan dapat dihitung menggunakan persamaan 2.5
SCCunit=306,25 A 80 A
= 3,82 Unit ~ 4 Unit
Dari hasil perhitungan persamaan 2.5 didapatkan jumlah SCC sebanyak 3,82 Unit yang akan dibulatkan menjadi 4 Unit. Kapasitas panel surya sebesar 14,7 kWp akan dibagi ke setiap SCC secara merata dengan daya input perunit SCC sebesar 3.675 Wp. SCC yang akan digunakan akan memakai 3 buah EPEVER Tracer8420AN dan 1 buah fitur SCC yang terdapat pada inverter UP5000-M8342. Dengan spesifikasi pada Tabel 4.5, tegangan maksimal VOC dari panel surya yang dapat diterima SCC sebesar 180 V. Dengan tegangan input VOC 180 V serta kapasitas arus pengecasan 80 A, maka panel surya dengan spesifikasi pada Tabel 4.3 dapat disusun secara 3 seri dan 3 pararel. Pengujian rangkaian panel surya terhadap SCC akan disimulasikan menggunakan software PVsyst yang dapat dilihat pada Gambar 4.13.
Universitas Pertamina - 27 Gambar 4.13 Simulasi Rangkaian Panel Surya Terhadap SCC pada Sistem off-grid
Dengan rangkaian panel surya yang terhubung secara 3 seri dan 3 pararel, keterangan SCC pada Gambar 4.13 menunjukkan bahwa kapasitas daya kontroler sedikit lebih besar dari pada daya panel surya. Hal ini menunjukkan bahwa kapasitas panel surya tidak melebihi kapasitas maksimal SCC. Nilai tegangan Vmpp panel surya pun berada didalam kisaran tegangan operasi MPP dari SCC. Nilai VOC padapanel surya ketika suhu rendah (-10oC) tidak melebihi rating tegangan input pada SCC. Dari hasil simulasi PVsyst dalam pengujian rangkaian panel surya terhadap SCC membuktikan bahwa panel surya JAM78S10-440/MR dapat disusun secara 3 seri dan 3 pararel dengan 1 buah SCC Tracer8420AN. Rangkaian panel surya dan SCC dapat dilihat pada Gambar 4.14 dan 4.15.
+
Universitas Pertamina - 28 SPD SPD SPD Fuse 10 A Combiner Box
SCC #1
EPEVER
Tracer8420AN
PV In Batt OutString #1
3 x 440 Wp
String #2
3 x 440 Wp
String #3
3 x 440 Wp
Gambar 4.15 Rangkaian String Panel Surya Terhadap SCC
Berdasarkan Gambar 4.15, kapasitas panel surya yang terhubung dengan setiap SCC sebanyak 9 unit dengan daya 3.960 Wp. Dengan menggunakan 3 buah SCC Tracer 8420AN dan 1 buah MPPT pada inverter UP5000-M8342, maka total panel surya yang digunakan sebanyak 36 buah dengan daya 15,84 kWp. Total panel surya sebanyak 46 buah akan membutuhkan area instalasi seluas 78,17 m2