2. BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Lokasi Pulau Kinmen
Pulau Kinmen terletak di 118,24° Bujur Timur dan 24,27° Lintang Utara.
Dan terletak disebelah persimpangan Sungai Jiu Long dan Xiamen di daratan Cina
. Selain pulau utama, Masih ada LieYu, Da Dan dan 15 pulau lainnya. Total luas
pulau Kinmen ialah 150 Km². Lahan daratan Kinmen lebih lebar di sisi timur dan
di sisi barat sementara itu permukaannya menyempit di tengahnya.
Gambar 2.1 Lokasi Denah Pulau Kinmen
Kinmen Power Company kemudian membangun lima pembangkit listrik,
yang bertugas untuk mempertahankan dan menyalurkan energi listrik ke
masyarakat Kinmen dengan menggunakan minyak diesel ringan. Manajemen lima
dan semua jenis pengembangan sistem tenaga listrik yang ada diinvestasikan oleh
Taiwan Power Company yang kemudian menambah pertumbuhan ekonomi
pembangunan ekonomi regional, dan selanjutnya Kinmen Power Company
bergabung ke Perusahaan Tenaga Listrik Taiwan dan kemudian Meningkatnya
tuntutan daya berasal dari pariwisata setelah "mini-three links." Sementara itu,
sesuai dengan kebijakan pembangunan listrik, Tarshan Power Plant dibangun pada
tahun 1999 di dekat daerah Tarshan di desa Shiversou di kota Jincheng, dilengkapi
dengan delapan mesin yang terpasang dengan kapasitas 64.000 watt dan saat ini
dimasukkan ke dalam sistem tenaga. Selain itu, untuk mengatasi kenaikan
konsumsi listrik dan pencegahan kekurangan bahan bakar minyak, dermaga trestle
transmisi minyak dibangun di dekat Pembangkit Listrik Tarshan untuk pengiriman
bahan bakar minyak dengan menggunakan kapal feri.
Photovoltaic
Photovoltaic adalah suatu komponen utama dalam pembangkit listrik tenaga
surya. Photovoltaic merupakan suatu teknologi yang digunakan untuk
mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Perubahan energi ini disebut
Phtotoelectric. Jumlah energi listrik yang dihasilkan oleh modul photovoltaic
bergantung kepada tenaga surya yang tersedia, dan yang sangat khususnya,
bergantung kepada arah modul surya terhadap matahari. Jika modul photovoltaic
dipasang di selatan ekuator, maka harus menghadap utara dan sebaliknya.Pada
umumnya, energi matahari yang dikonversi menjadi energi listrik hanya memiliki
efisiensi sebesar 18%. Efisiensi tersebut akan berkurang nilainya karena dipengaruhi
Penggunaan photovoltaic dapat dikatakan sangat menguntungkan karena
langsung diambil dari matahari tanpa bahan bakar. Hal yang mempengaruhi
performa dari photovoltaic adalah kondisi klimatologi. Kondisi klimatologi yang
dimaksud meliputi temperatur dan radiasi matahari. Radiasi merupakan jumlah
tenaga surya yang tersedia per satuan luas. Jika hal ini terjadi selama periode tertentu
maka disebut sebagai iradiasi.Pada saat siang hari, tenaga surya yang mencapai
permukaan bumi dapat memiliki nilai energi puncak sebesar satu kilowatt (1 kW)
per meter persegi per jam.
Pada aplikasinya, tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu modul
photovoltaic masih cukup kecil, maka untuk mendapatkan tegangan maupun arus
yang lebih besar maka photovoltaic ini dapat digabungkan dengan cara hubungan
seri maupun paralel yang disebut array.
Prinsip Kerja Photovoltaic
Pada dasarnya photovoltaic bertujuan untuk mengubah sinar matahari
menjadi energi listrik. Sinar matahari merupakan salah satu bentuk energi dari
sumber daya alam. Matahari sumber daya alam sudah banyak digunakan untuk
memasok daya listrik di satelit komunikasi melalui sel surya. Sel-sel surya dapat
menghasilkan energi listrik dalam jumlah tak terbatas karena diambil langsung dari
matahari tanpa bahan bakar. Sehingga sistem sel surya sering dikatakan lingkungan
yang bersih dan ramah lingkungan. Bila dibandingkan dengan generator listrik,
tidak ada bagian yang berputar dan membutuhkan bahan bakar untuk menghasilkan
listrik. Selain gas buang yang dihasilkan dapat menyebabkan efek rumah kaca
(green house gas) pengaruh yang dapat merusak ekosistem bumi. sistem sel surya
yang digunakan di permukaan bumi terdiri dari panel sel surya, controller pengisian
sirkuit (charge controller) dan baterai (baterai) 12 volt yang bebas perawatan (free
maintenance).
Dalam mengkonversikan energi cahaya menjadi energi listrik
terdapat 5 kondisi, yaitu:
1. Kondisi Pertama
Pada kondisi ini kedua jenis semikonduktor belum tersambung dan
2. Kondisi Kedua
Pada kondisi ini kedua semikonduktor telah tersambung. Sehingga,
terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju
semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju
semikonduktor n.
3. Kondisi Ketiga
Pada kondisi ketiga ini elektron dari semikonduktor n bersatu
dengan holepada semikonduktor p..
Gambar 2.5 Kondisi pada Saat Elektron Bersatu dengan Hole
Gambar 2.3 Kondisi Semikonduktor Masih Terpisah
4. Kondisi Keempat
Pada kondisi ini akan timbul medan listrik internal (E) secara
sendirinya dikarenakan adanya perbedaan antara muatan positif dan
negatif pada daerah deplesi.
Gambar 2.6 Kondisi pada Saat Timbulnya Medan Listrik Internal
5. Kondisi Kelima
Pada kondisi ini sambungan p-n inilah proses konversi cahaya
matahari menjadi listrik terjadi.
Faktor Pengoperasian Photovoltaic
Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada:
a. Temperatur
Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur
sel tetap pada keadaan normal (pada 25o C), kenaikan temperature yang lebih
tinggi dari temperature normal pada photovoltaic sel akan melemahkan Voc.
Setiap kenaikan temperatur Sel Surya 1o C (dari 25o C) akan mengurangi
sekitar 0.4 % total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah 2x lipat untuk
kenaikkan temperatur sel per 10oC.
b. Radiasi solar matahari (Irradiance)
Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariasi, dan
sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari
akan banyak berpengaruh pada arus (I) dan sedikit pada tegangan.
c. Kecepatan angin bertiup
Kecepatan tiup angin disekitar lokasi photovoltaic array dapat
membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca
photovoltaicarray.
d. Keadaan atmosfir bumi
Keadaan atmosfir bumi seperti berawan, mendung, jenis partikel
debu udara, asap, kabut dan polusi sangat menentukan hasil maximum arus
e. Posisi letak sel surya terhadap sudut orientasi matahari
Mempertahankan sinar matahari yang jatuh ke sebuah permukaan
panel photovoltaic secara tegak lurus akan mendapatkan energi maximum
1000 W/m2 atau 1 kW/m2. Kalau sinar matahari dengan bidang photovoltaic
tidak tegak lurus,maka extra luasan bidang panel dibutuhkan (bidang panel
photovoltaic terhadap sun latitude yang berubah setiap jam dalam sehari).
Solar Panel photovoltaic pada Equator (latitude 0o) yang diletakkan mendatar
akan menghasilkan energi maximum, sedangkan untuk lokasi dengan latitude
berbeda harus dicarikan tilt angle yang optimum (maksimal).
Rangkaian Ekivalen Photovoltaic
Rangkaian ekivalen sel surya terdiri dari sebuah photocurrent (Iph), sebuah
dioda, hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rsh), seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Photovoltaic
Dari rangkaian di atas, light generated current atau photocurrent (Iph) adalah
arus yang dihasilkan langsung akibat penyinaran sinar matahari pada sel surya.
yang diberikan. Hambatan Rsh dan Rs menunjukkan hambatan intrinsik paralel dan
seri dari sel. Biasanya nilai Rsh lebih besar dibandingkan Rs. Persamaan 2.1
menjelaskan prinsip sederhana dari rangkaian ekivalen sel surya di atas. Besarnya
arus sel surya (Ipv) adalah pengurangan dari arus Iph, arus dioda (ID) dan arus
hambatan paralel (Irsh), yang dirumuskan sebagai berikut.:
� = �ℎ− �− ℎ (2.1)
Persamaan di atas dapat dijabarkan dengan persamaan berikut :
Turbin Angin
Energi angin merupakan bentuk tidak langsung dari energi matahari karena
angin terjadi karena adanya pemanasan yang tidak merata pada permukaan bumi
oleh matahari dan oleh perputaran bumi pada porosnya . Gerakan udara adalah
energi kinetik yang disebabkan oleh angin yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai
macam keperluan, seperti penggerak generator pembangkit listrik melalui sistem
konversi dengan turbin angin .
Turbin angin adalah suatu sistem konversi energi angin yang digunakan
untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi angin menjadi
putaran mekanis rotor (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi listrik
melalui sebuah generator. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan
turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat
menghasilkan kapasitas listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt.
Pada turbin angin, jumlah daya angin yang ditangkap turbin tergantung
ukuran baling-baling turbin dan kecepatan angin. Menurut beberapa literatur
kecepatan angin yang dibutuhkan untuk turbin angin berada pada kecepatan 3
m/detik sampai 20m/detik. Potensi energi angin di Indonesia umumnya
berkecepatan lebih dari 5 meter per detik (m/det). Hasil pemetaan Lembaga
Penerbangan Antariksa Nasional (Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan beberapa
wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5 m/det, masing-masing Nusa Tenggara
Sistem Konversi Energi Angin
Sistem dasar Pembangkit Listrik Tenaga Angin yang mengkonversi tenaga
angin menjadi tenaga mekanik yang kemudian energi mekanik dikonversi menjadi
energi listrik dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Energi angin telah berkembang ketingkat dimana pengembangannya telah
siap diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkit.
Teknologi turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama lima
belas tahun terakhir hingga akhirnya pengembangannya meliputi penggunaan
elektronika daya, pengembangan pada aerodinamis, dan mechanical drive trains
design .Pemodelan turbin angin dijabarkan dalam beberapa karakteristik seperti
ukuran turbin, radius kipas, daya nominal, shaft, rugi-rugi dan rasio gearbox.
Di dalam teori, daya angin (P) dihitung berdasarkan rumus umum dimana
daya angin tersebut bergantung pada :
= � .
Dimana adalah daya angin, adalah massa jenis udara, adalah kuadrat
dari jari-jari turbin, dan � adalah pangkat tiga dari kecepatan udara.
Daya mekanis (Pm) pada low speed shaft dapat di hitung dengan persamaan
dibawah ini:
= �� �, � . .
Dimana �� �, � adalah koefisien performansi, yang mana bergantung kepada
sudut bilah turbin (pitch angle) � dan variabel tip speed ratio� = � /� (dimana
� adalah kecepatan sudut dari low speed shaft, R adalah jari-jari turbin, dan �
adalah kecepatan angin).
Koefisien performansi (Cp) dinyatakan sebagaiperbandingan antara energi
yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu
daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut.
Tip speed ratio �) adalah rasio perbandingan antara kecepatan ujung
baling-baling turbin dan kecepatan angin. Hal ini dapat dijelaskan bahwa dengan bentuk
baling-baling turbin yang baik , maka kecepatan putaran baling baling dapat
ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan angin yang sedang
mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari baling-baling turbin dimana
nilai � untuk setiap jenis turbin berbeda-beda.
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.3) dan (2.4) digambarkan dengan �
= ��� � .
Dimana adalah torka pada low speed shaft yang didapatkan turbin dari energi
angin.
Dari persamaan-persamaan diatas dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan
dapat diatur dengan parameter Cp. Parameter ini biasanya diatur dengan cara
mengatur pitch angle (�) yakni sudut bilah turbin (blade).
Karakteristik Turbin Angin
Berikut adalah kurva karakteristik daya pada turbin angin:
Untuk kurva karakteristik dari turbin angin berdasarkan perbandingan Cp dan
� dapat dilihat sebagai berikut :
Gambar 2.11 Kurva Karakteristik Cp
Dari kurva diatas dapat kita ketahui bahwa karakteristik dari Cp bergantung
pada desain sudut bilah turbin yaitu sudut bilah turbin serta tip speed ratio yang
dipengaruhi oleh � /� , yaitu kecepatan sudut turbin angin, jari-jari turbin angin,
dan kecepatan udara. Oleh karena itu, pengontrolan Cp dilakukan melalui
pengontrolan � dan �.
Berdasarkan Betz limit, efisiensi turbin angin maksimum adalah dengan
nilai Cp maksimum yaitu 0.59. Pada praktiknya, hampir semua turbin angin
memiliki efisiensi dibawah 0.5, tergantung pada tipe, desain dan kondisi
operasional.
Maximum Power Point Tracking
Sistem photovoltaic mempunyai karakteristik yang tidak linier serta sangat
tergantung pada suhu dan intensitas radiasi matahari, sehingga pada sistem
photovoltaic terdapat titik tertentu yang dapat menghasilkan keluaran daya
maksimal. Titik tersebut adalah Maximum Power Point (MPP), letak titik tidak
daya maksimum dari sistem photovoltaic tanpa tergantung pada suhu dan radiasi
matahari serta menjaga agar titik kerja photovoltaictetap pada titik MPP saat terjadi
perubahan kondisi lingkungan. MPPT sangat penting untuk meningkatkan efisiensi.
Kontrol tegangan MPPT menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) atau lebar
pulsa (Duty Cycle) melalui rangkaian DC-DC Converter. Prinsip dari MPPT adalah
menaikkan dan menurunkan tegangan kerja photovoltaic. Apabila dalam suatu
sistem photovoltaic, tegangan kerja photovoltaic lebih kecil dari tegangan Vmpp
maka tegangan kerja photovoltaic akan dinaikkan sampai mendekati tegangan Vmpp.
Sebaliknya, apabila tegangan kerja photovoltaic lebih besar dari tegangan kerja
Vmpp maka tegangan kerja photovoltaic akan diturunkan mendekati tegangan Vmpp.
Microgrid
Microgrid adalah sekelompok pembangkit kecil (low voltage) yang
didistribusikan dan diintegrasikan ke dalam jaringan grid [6]. Kelompok dari
pembangkit kecil memasok kebutuhan energi listrik untukMasyarakat dengan
beban kecil seperti perumahan, sekolah, kantor, Toko (pasar), dan industri kecil di
daerah pedesaan. Microgrid Intinya adalah jaringan aktif. Ini didistribusikan secara
independen oleh generasi sistem dan memiliki beragam beban pada sistem
distribusi Tingkat . Sistem microgrid ini cocok untuk daerah terpencil yang
membutuhkan biaya besar jika harus terhubung dengan jaringan utama. Dengan
memanfaatkan sumber energi terbarukan yang tersedia di Daerah, microgrid bisa
Gambar 2.12 Alur Sistem Topologi Pada Microgrid
Pengamanan Sistem Tenaga Listrik
Untuk melindungi peralatan terhadap gangguan yang terjadi dalam sistem
diperlukan alat-alat pengaman. Alat pengaman tersebut mempunyai 2 funfsi, yaitu:
1. Melindungi peralatan terhadap gangguan yang terjadi dalam
sistem,jangan sampai mengalami kerusakan.
2. Melokalisir akibat gangguan, jangan sampai meluas dalam sistem.
Untuk memenuhi fungsi pada poin pertama, alat pengaman harus bekerja
cepat agar pengaruh gangguan merupakan hubung singkat dapat segera
dihilangkan sehingga pemanasan yang berlebihan yang timbul sebagai akibat arus
hubung singkat dapat segera dihentikan. Untuk memenuhi ungsi pada poin kedua,
alat-alat pengaman dalam sistem harus dapat dikordinir satu sama lain, sehingga
hanya alat-alat pengaman yang terdekat dengan tempat gangguan saja yang
2.6.1 Pengaman Generator
Generator sebagai sumber energi listrik dalam sistem perlu diamankan jangan
sampai mengalami kerusakan karena kerusakan generator akan sangat mengganggu
jalannya operasi sistem tenaga listrik. Oleh karenanya generator harus sedapat
mungkin dilindungi terhadap semua gangguan yang dapat merusak generator.
Tetapi dilain pihak dari segi selektifitas pengamanan sistem diharapkan agar PMT
generator tidak mudah trip terhadap gangguan dalam sistem tenaga listrik. PMT
generator hanya boleh bekerja apabila ada gangguan yang tepat ada didepan
generator, didalam generator atau pada mesin penggerak generator. Juga apabila
terjadi kegagalan dari PMT yang ada di depan PMT generator baru PMT generator
boleh bekerja (Trip).
Pengaman generator secara garis besar terdiri dari:
1. Pengamanan terhadap gangguan diluar generator, yaitu gangguan dari dalam
sistem yang dihubungkan dengan generator.
2. Pengamanan terhadap gangguan yang terjadi didalam generator
3. Pengamanan terhadap gangguan dalam mesin penggerak yang memerlukan
pelepasan PMT generator.
2.6.1.1 Pengamanan Terhadap Gangguan Luar
Generator pada umumnya dihubungkan dengan seri terlebih dahulu sebelum
dihubungkan dengan saluran transmisi atau saluran distribusi yang menuju keluar
Gambar 2.13 Hubungan generator dalam sebuah pusat listrik
Hal ini dilukiskan secara sistematis pada gambar diatas. Penyebab gangguan
utama dalam system adalah petir dan yang sering disambar petir adalah saluran
udara transmisi, sehingga saluran udara transmisi merupakan salah satu
sumber gangguan yang utama. Saluran udara distribusi juga merupakan sumber
ganggguan yang utama karena selain disambar petir sering terganggu oleh tanaman
yang ada disekitar.
Dimana untuk mencari tegangan re striking pada suatu pemutusan,
dilakukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
Tegangan puncak re striking = 2 . E max (2.6)
Untuk mencari waktu puncak tegangan re striking terjadi dilakukan dengan
menggunakan rumus sebagai berikut :
t =
×
(2.7)
Dimana fn pada rumus tersebut ialah frekuensi yang didapat setelah pemutusan
Relay arus lebih dipakai pada semua generator, sedangkan relay teganagn
lebih hanya dipakai pada generator yang mempunyai daya terpasang tertentu. Untuk
generator tegangan rendah relay, teganagn lebih tidak perlu dipakai karena praktis
tidak lemahtimbul tegangan lebih bias merusak generator. Gangguan di luar
generatordapat menimbulkan arus negatif yang selanjutnya arus ini dapat
menimbulakan pemanasan yang berlebihan pada generator. Oleh karena itu pada
generator dengan daya terpasag yang relative besar dipakai relay arus urutan regatif.
2.6.1.2 Pengaman Terhadap Gangguan Dalam Generator
Gangguan generator dalam garis besar yaitu:
a. Hubungan singkat antara fasa
Gangguan ini yang terjai apabila isolasi antar fasa jebol bisa terjadi dalam
stator generator yaitu antara stator dan PMT generator misalnya pada kabel
penghubung stator generator dengan PMT generator. Untuk melindungi
generator terhadap gangguan ini dipakai relay diferensial yang segera men
trip PMT generator, PMT arus medan penguat dan memberhentikan mesin
penggerak generator. Hal ini diperlukan untuk menghentikan sama
sekali gaya gerak listrik yang dibangkitkan dala stator generator sehingga
arus hubung singat antar fasa dapat segera dihentikan. Sesungguhnya relay
diferensial tidak dapat menghindarkan terjadinya gangguan hubungan
singkat antara fasa tetapi hanya dapat mendeteksi dan kemudian
memberhentikan hubung singkat antara fasa yang terjasi, untuk
memasang relay diferensial dibutuhkan instalasi tambahan khuusnya tiga
transformator arus tambahan yang memerlukan biaya tambahan.
b. Suhu tinggi
Masalah suhu yang terlalu tinggi, hal ini bias terjadi pada stator atau pada
bantalan generator. Suhu terlalu tinggi bisa disebabkan karena pembebanan
lebih pada generator yang terlalu lama, ventilasi yang kurang
sempurna atau karena banyak debu / kotoran yang menempel pada
isolasi lilitan stator sehingga menghambat pelepasan panas lilitan stator,
atau ada hubung singkat kecil yang tidak terdeteksi oleh relay-relay yang
ada.Suhu bantalan yang terlalu tinggi bis disebabkan karena penyetelan
bantalan yang kurang baik, minyak pelumas kotor atau tidak cocok
spesipikasinya atau karena aliran minyak pelumas yang kurang baik. Aliran
minyak pelumas yang kurang baik bisa disebabkan tekannan yang kurang
tinggi atau ada saluran yang kuranh tersumbat. Untuk mengamankan
generator terhadap maslah suhu, dipakai relay suhu yang pada tahap
pertama membunyikan alarm dan pada tahap berikutnya men trip PMT
Generator.
c. Penguat hilang
Jika terjadi ganguan pada rangkaian arus penguat sehingga medan penguat
generator menjadi lemah atau hilang, maka generator bias menjalani
kondisi “out of step” atau lepas dari singkoronisasinya dengan system dan
dapat menimbulkan gangguan dalam sistem khususnya apabila hal ini
menyangkut generator yang besar.Oleh karenanya pada generator –
untuk mencegah terjadinya situasi out of step tersebut di atas dengan
jalan mentrip PMT generator pabila arus penguat hilang atau menjadi
terlalu lemah oleh karena adanya gangguan pada sirkit arus penguat.
d. Hubung singkat dalam sirkit rotor
Apabila terjadi hubung singkat dalam sirkit rotor maka generator
akan menagalami loss of field dan juga sirkit rotor dan
rotor generator dapat mengalami kerusakan yang disebabkan arus hubung
singkat sirkit rotor. Maka untuk mencegah kerusakan ini dipakai relay arus
lebih atau sekering lebur dalam sirkit rotor. Jika baru salah satu kutub
(kutub + atau-) mengalami hubung tanah maka hal ini dapat menimbulakan
distorsi dalam medan magnit penguat sehingga timbul getaran ayng
berlebihan. Oleh karenanya untuk generator yang besar dipasang relay
pengaman terhadap rotot hubung tanah.
2.6.1.3 Pengaman Tehadap Gangguan Mesin Penggerak
Gangguan dalam mesin penggerak adakalanya memrlukan trip dari PMT
generator misalnya apabila tekannan minyak terlau rendah maka msin penggerak
perlu segera dihentikan karena tekanan minyak pelumas yang terlalu rendah dapat
emnimbulkan kerusakan bantalan. Untuk menghindarkan tetap berputarnya
generator sebagai akibat daya yang berubah generator menjadi motor, maka
PMT generator perlu di trip.
Begitu pula apabila suhu air pendingin pada mesin diesel atau turbin
penggerak generator menjadi terlalu tinggi maka mesin diesel atau turbin uap harus
segera dihentikan dan PMT generator harus juga di trip dari
suhu air pendingin yang terlalu tinggi dilakukan oleh relay mekanik. Daya balik
pada generator dapat , menimbulkan pemanasan yang berlebihan pada turbin uap
atau turbin gas penggerak generator.
Pada turbin air penggerak generator daya balik dapat menimbulkan kavitasi
