5 2.1 Energi Terbarukan
Secara definisi di Undang - Undang Energi no 30 tahun 2007: Sumber energi terbarukan adalah sumber energi yang dihasilkan dari sumber daya energi yang berkelanjutan jika dikelola dengan baik, antara lain panas bumi, angin, bioenergi, sinar matahari, ailiran air dan terjunan air, serta gerakan dan perbedaan suhu lapisan laut.
2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Matahari merupakan sumber energi bagi bumi dan juga sumber beberapa energi primer seperti energi hidro, energi angin, energi radiasi matahari, dan energi biomasa. Pembangkit listrik tenaga surya yaitu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi dari sumber daya alam. Sumber daya alam matahari ini sudah banyak digunakan untuk memasok daya listrik di satelit komunikasi melalui sel surya. Sel surya ini dapat menghasilkan energi listrik dan langsung diambil dari matahari tanpa ada bagian yang berputar dan tidak memerlukan bahan bakar, sehingga sistem sel surya sering dikatakan bersih dan ramah lingkungan (Mulyatno, 2000).
Gambar 2.1 Skema PLTS
(Sumber : http://www.tenagasuryainfo.com)
2.2.1 Cara Kerja Solar Sel/Sel Fotovoltaik
Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya fotovoltaik berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.2 Beberapa Jenis Semikonduktor Pada Sel Surya Fotovoltaik
Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama.
Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor. Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si.
Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan
unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.
Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.
Gambar 2.3 Proses Terjadinya Listrik Pada Sel Surya Fotovoltaik
Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
Cahaya matahari dengan panjang gelombang yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana.
Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Gambar 2.4 Ilustrasi Proses Terjadinya Listrik Pada Sel Surya Fotovoltaik
2.2.2 Karakteristik Sel Surya
Total output dari sel surya adalah sama denga tegangan (V) operasi dikalikan arus (I) operasi. Tegangan serta arus keluaran yang dihasilkan ketika sel surya memperoleh penyinaran merupakan karakteristik yang disajikan dalam bentuk kurva I-V pada gambar 2.5. Kurva ini menunjukkan bahwa pada saat arus
dan tegangan berada pada titik kerja maksimal (Maximum Power Point) maka akan menghasilkan daya keluaran maksimum (PMPP). Tegangan di maximum power point (MPP) VMPP, lebih kecil dari tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan arus saat MPP (Isc) (Quaschning, 2005).
a) Short circuit current (Isc), terjadi pada suatu titik dimana teganganya adalah nol sehingga pada saat ini, daya keluaran adalah nol.
b) Open circuit voltage (Voc), terjadi pada suatu titik dimana arusnya adalah nol, sehingga pada saat ini pun daya keluaran adalah nol.
c) Maximum power point (MPP) adalah titik daya ouput maksimum, yang sering dinyatakan sebagai “knee” dari kurva I-V.
Gambar 2.5 kurva I - V
2.2.3 Komponen-komponen PLTS 2.2.3.1 Solar Panel
Sebelum membahas sistem pembangkit listrik tenaga surya, akan dijelaskan secara singkat komponen penting dalam sistem ini yang berfungsi sebagai perubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Listrik tenaga matahari dibangkitkan oleh komponen yang disebut solar panel yang besarnya sekitar 10 - 15 cm persegi. Komponen ini mengkonversikan energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik. Solar panel merupakan komponen vital yang umumnya terbuat dari bahan semikonduktor. Ada beberapa tipe solar cell yaitu :
Cell Voltage in V Cell
Current in A
Cell Power in W
a. Monokristal Silikon (Mono-crystalline Silicon), merupakan panel (modul) yang paling effisien mencapai 16-25%.
b. Polikristal Silikon (Poly-crystalline Silicon), merupakan panel surya yang memiliki kristal acak yang memiliki effisien mencapai 14-16%.
c. Amorphous Silicon, merupakan tipe panel dengan harga yang paling murah akan tetapi efisiensinya paling rendah, yaitu antara 9-10,4%.
Tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu solar panel sangat kecil maka beberapa solar panel harus digabungkan sehingga terbentuklah satuan komponen yang disebut module. Beberapa solar panel merek Sharp yang terjual di pasaran yaitu :
1. Sharp ND-120T1
2. Sharp NE-080T1J
Spesifikasi :
Out power : 80 W
Short cicuit current (Isc) : 5.15 A Open cicuit voltage (Voc) : 21.6 V Max Power Voltage (V pmax) : 17.3 V Max power current (I pmax) : 4.63 A Dimensions (cm) : 54 x 121
Eficiency : 12%
Weight : 9 kg
Harga agustus 2009, 80 W : Rp. 2.600.000, - Spesifikasi :
Out power : 120 W
Short cicuit current (Isc) : 7.81 A Open cicuit voltage (Voc) : 21.3 V Max Power Voltage (V pmax) : 17.1 V Max power current (I pmax) : 7.02 A Dimensions (cm) : 66 x 150
Eficiency : 12%
Weight : 14 kg
Harga/agustus 2009, 120 W : Rp. 3.900.000,-
3. Sharp ND-T060M1
Dari beberapa solar panel merk Sharp yang terjual di pasaran di atas, penggunaan solar panel dapat disesuaikan dengan kebutuhan energi listrik yang kita perlukan. Produk yang dikeluarkan oleh industri-industri solar panel adalah dalam bentuk module. Pada applikasinya, karena tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu module masih cukup kecil, maka dalam pemanfaatannya beberapa module digabungkan dan terbentuklah apa yang disebut array.
Sebagai contoh untuk menghasilkan listrik sebesar 3 kW dibutuhkan array seluas kira-kira 20 ~ 30 meter persegi. Secara lebih jelas lagi, dengan memakai module produksi Sharp yang bernomor seri NE-J130A yang mempunyai efisiensi 15.3% diperlukan luas 23.1 𝑚2 untuk menghasilkan listrik sebesar 3.00 kW.
Besarnya kapasitas PLTS yang ingin dipasang menambah luas area pemasangan.Untuk lebih jelasnya, hirarki module dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.6 Hirarki Module
Spesifikasi :
Out power : 60 W
Short cicuit current (Isc) : 3.90 A Open cicuit voltage (Voc) : 22.0 V Max Power Voltage (V pmax) : 17.4 V Max power current (I pmax) : 3.45 A Dimensions (cm) : 52 x 120
Eficiency : 12%
Weight : 7.5 kg
Harga agustus 2009, 60 W : Rp. 1.950.000,
-
2.2.3.2 Charger Controller
Charger controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. Solar charger controller mengatur overcharging (kelebihan pengisian - karena baterai sudah 'penuh') dan kelebihan voltase dari panel surya. Kelebihan voltase dan pengisian akan mengurangi umur baterai.
Charger controller menerapkan teknologi Pulse width modulation (PWM) untuk mengatur fungsi pengisian baterai dan pembebasan arus dari baterai ke beban. Solar panel umumnya memiliki tegangan output 16 - 21 Volt. Jadi tanpa solar charger controller, baterai akan rusak oleh over-charging dan ketidakstabilan tegangan. Baterai umumnya charging pada tegangan 14 Volt.
Fungsi solar charger controller adalah sebagai berikut:
Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging, dan overvoltage.
Mengartur arus yang dibebaskan/ diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading.
Monitoring temperatur baterai
Untuk pemilihan solar charger controller yang harus diperhatikan adalah Voltage 12 Volt DC / 24 Volt DC , Kemampuan (arus searah) dari controller.
Misalnya 5 Ampere, 10 Ampere, dsb.
Seperti yang telah disebutkan di atas solar charger controller yang baik biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah terisi penuh maka secara otomatis pengisian arus dari panel sel surya berhenti. Cara deteksi adalah melalui level tegangan baterai. Solar charger controller akan mengisi baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan drop, maka baterai akan diisi kembali.
Solar Charger Controller biasanya terdiri dari : 1 input (2 terminal) yang terhubung dengan output panel sel surya, 1 output(2 terminal) yang terhubung dengan baterai / aki dan 1 output (2 terminal) yang terhubung dengan beban (load). Arus listrik DC yang berasal dari baterai tidak mungkin masuk ke panel sel surya karena biasanya ada 'diode protection' yang hanya melewatkan arus
listrik DC dari panel sel surya ke baterai, bukan sebaliknya. Charger Controller ada yang mempunyai lebih dari 1 sumber daya, yaitu bukan hanya berasal dari matahari, tapi juga bisa berasal dari tenaga angin ataupun mikro hidro. Di pasaran sudah banyak ditemui charger controller 'tandem' yaitu mempunyai 2 input yang berasal dari matahari dan angin. Untuk ini energi yang dihasilkan menjadi berlipat ganda karena angin bisa bertiup kapan saja, sehingga keterbatasan waktu yang tidak bisa disuplai energi matahari secara full, dapat disupport oleh tenaga angin. Bila kecepatan rata-rata angin terpenuhi maka daya listrik per bulannya bisa jauh lebih besar dari energi matahari. Ada dua jenis teknologi yang umum digunakan oleh solar charger controller, yaitu:
PWM (Pulse Wide Modulation), seperti namanya menggunakan 'lebar' pulse dari on dan off elektrikal, sehingga menciptakan seakan-akan sine wave electrical form.
MPPT (Maximun Power Point Tracker), yang lebih efisien konversi DC to DC (Direct Current). MPPT dapat mengambil maximun daya dari PV. MPPT charger controller dapat menyalurkan 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.
Salah satu Charger Controller yang dijual dipasaran adalah Tipe Xantrex XW MPPT 60 Amp. Xantrex XW MPPT 60 Amp adalah fotovoltaik (PV) charger controller yang melacak titik maksimum daya listrik dari array PV untuk memberikan arus maksimum yang tersedia untuk pengisian baterai. Saat mengisi, Xantrex XW mengatur tegangan baterai dan arus output berdasarkan jumlah energi yang tersedia dari array PV. Adapaun Fitur standar dari Solar Charger Controller tipe Xantrex XW MPPT 60 Amp, yaitu :
Maximun Power Point Tracker (MPPT) memberikan daya maksimal yang tersedia dari array PV ke baterai/aki.
Memiliki proteksi pentanahan.
Ultra-reliable, memiliki design berpendingin sehingga tidak membutuhkan kipas pendingin besar, aluminium, die-cast heat-sink memungkinkan output penuh hingga 45 ° C tanpa termal derating.
Dua-line, 16-karakter liquid crystal display (LCD) dan empat tombol untuk konfigurasi dan sistem pemantauan.
Battery Temperature Sensor (BTS), termasuk secara otomatis menyediakan pengisian temperatur baterai.
Harga agustus 2009 = Rp. 4.760.000,-
Gambar 2.7 Solar Charger Controller tipe Xantrex XW MPPT 60 Amp
Solar Charger Controller merupakan salah satu komponen penting dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Adapun cara kerja charging mode dari Solar Charger Controller, yaitu :
a. Charging Mode Solar Charger Controller
Dalam charging mode ini, umumnya baterai diisi dengan metoda three stage charging:
Fase bulk: baterai akan charging sesuai dengan tegangan setup (bulk - antara 14.4 - 14.6 Volt) dan arus diambil secara maksimun dari panel surya. Pada saat baterai sudah pada tegangan setup (bulk) dimulailah fase absorption.
Fase absorption: pada fase ini, tegangan baterai akan dijaga sesuai dengan tegangan bulk, sampai solar charger controller timer (umumnya satu jam) tercapai, arus yang dialirkan menurun sampai tercapai kapasitas dari baterai.
Fase flloat: baterai akan dijaga pada tegangan float setting (umumnya 13.4 - 13.7 Volt). Beban yang terhubung ke baterai dapat menggunakan arus maksimun dari panel surya pada stage ini.
b. Sensor Temperatur Baterai Charger Controller
Untuk solar charger controller yang dilengkapi dengan sensor temperatur baterai. Tegangan charging disesuaikan dengan temperatur dari baterai. Dengan sensor ini didapatkan optimun dari charging dan juga optimun dari usia baterai.
Apabila solar charger controller tidak memiliki sensor temperatur baterai, maka tegangan charging perlu diatur, disesuaikan dengan temperatur lingkungan dan jenis baterai.
c. Mode Operation Solar Charger Controller
Pada mode ini, baterai akan melayani beban. Apabila ada over-discharge ataun over-load, maka baterai akan dilepaskan dari beban. Hal ini berguna untuk mencegah kerusakan dari baterai.
2.2.3.3 Inverter
Inverter adalah perangkat yang digunakan untuk mengubah arus listrik searah (DC) menjadi arus listrik dua arah (AC). Inverter mengkonversi DC dari perangkat seperti baterai dan solar panel DC menjadi AC. Penggunaan inverter dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah untuk mengubah arus listrik DC yang dihasilkan PLTS menjadi arus listrik AC sehingga dapat memenuhi kebutuhan energi listrik.
Dalam perkembangannya inverter memiliki beberapa tipe sesuai kegunaanya, seperti true sine wave inverter diperlukan terutama untuk beban- beban yang masih menggunakan motor agar bekerja lebih mudah, lancar dan tidak cepat panas. Oleh karena itu dari sisi harga maka true sine wave inverter adalah yang paling mahal diantara yang lainnya karena dialah yang paling mendekati bentuk gelombang asli dari jaringan listrik PLN. Modified sine wave inverter yang merupakan kombinasi antara square wave dan sine wave. Bentuk gelombangnya bila dilihat melalui oscilloscope berbentuk sinus dengan ada garis putus-putus di antara sumbu y=0 dan grafik sinusnya. Perangkat yang menggunakan kumparan
masih bisa beroperasi dengan modified sine wave inverter, hanya saja kurang maksimal. Sedangkan pada square wave inverter beban-beban listrik yang menggunakan kumparan / motor tidak dapat bekerja sama sekali. Selain itu dikenal juga istilah Grid Tie Inverter yang merupakan special inverter yang biasanya digunakan dalam sistem energi listrik terbarukan, yang mengubah arus listrik DC menjadi AC yang kemudian diumpankan ke jaringan listrik yang sudah ada. Grid Tie Inverter juga dikenal sebagai synchronous inverter dan perangkat ini tidak dapat berdiri sendiri,
2.2.4 Sistem PLTS
Umumnya diklasifikasikan menurut konfigurasi komponennya. Pada prinsipnya ada dua klasifikasi sistem PLTS, yaitu PLTS yang terhubung dengan jaringan listrik (PLTS Grid Connected) dan PLTS yang berdiri sendiri (Stand Alone), yaitu sebagai berikut :
2.2.4.1 PLTS berdiri sendiri (stand alone)
Sistem ini dirancang beroperasi mandiri untuk memasok beban DC atau AC. Jenis sistem ini dapat diaktifkan oleh array photovoltaic saja, atau dapat menggunakan sumber tambahan energi lain, seperti air angin dan mesin diesel.
Baterai digunakan pada kebanyakn sistem PLTS
DC DC
DC
Gambar 2.8 Diargam sistem PLTS berdiri sendiri dengan baterai
PV Array
AC Load Inverter Baterry
DC Load Charge
Controller DC
AC
Dari gambar diagram stand alone diatas dapat dilihat daya DC yang dihasilkan oleh PV array PLTS dikirim ke charger controller untuk melakukan charging ke baterai dan melayani beban DC, charger controller juga mengatur overcharging atau kelebihan pengisian karena baterai sudah penuh. Untuk memenuhi kebutuhan beban AC digunakan baterai yang telah di charge oleh PV array, dan arus searah DC yang berasal dari baterai telah dikonversi oleh inverter menjadi arus listrik bolak balik (AC) sehingga dapat memenuhi kebutuhan beban AC
2.2.4.2 PLTS Grid Connected
PLTS grid connected pada dasarnya adalah menggabungkan PLTS dengan jaringan listrik PLN. Komponen utama dalam sistem ini adalah inverter atau power conditioning unit (PCU). Inverter inilah yang berfungsi untuk mengubah daya DC yang dihasilkan oleh PLTS menjadi daya AC sesuai dengan persyaratan dari jaringan listrik yang terhubung (Utility Grid)
AC
DC AC
AC
Gambar 2.9 Diagram sistem PLTS grid connected
Dari gambar diagram grid connected diatas dapat dilihat daya DC yang dihasilkan oleh PV array PLTS dikirim ke inverter atau power conditioning unit (PCU) untuk untuk mengubah daya DC yang dihasilkan oleh PLTS menjadi daya AC, sehingga distribution panel dapat mengirim daya ke jaringan listrik (Electric utility) dan dapat memenuhi kebutuhan beban AC.
AC Loads
Distribution Panel
Electric Utility
PV Array Inverter/power
Conditioner
2.2.5 Pengoperasian maksimum panel surya
Pengoperasian maksimum panel surya sangat tergantung pada Intensitas cahaya matahari, Temperatur, Sudut kemiringan panel surya (Array) dan Orientasi panel surya sebagai berikut :
2.2.5.1 Intensitas cahaya matahari
Intensitas cahaya matahari akan berpengaruh pada daya keluaran panel surya. Semakin rendah intensitas cahaya yang diterima oleh panel surya maka arus (Isc) akan semakin rendah. Hal ini membuat titik maximum power point berada pada titik yg semakin rendah, pengaruh intensitas radiasi terhadap tegangan dan arus pada panel surya seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.10 Pengaruh Intensitas radiasi terhadap panel surya
2.2.5.2 Temperatur
Sebuah panel surya beroperasi secara maksimum jika temperatur yang diterimanya tetap normal pada temperatur normal 25oC. Kenaikkan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada panel surya akan melemahkan tegangan (Voc) yang dihasilkan. Setiap kenaikkan temperatur panel surya 1o (dari 25oC) akan mengakibatkan berkurang sekitar 0,5% pada total tenaga (daya) yang dihasilkan (Foster dkk.2010).
2.2.5.3 Sudut kemiringan panel surya (array)
Sudut kemiringan memiliki dampak yangg besar terhadap radiasi matahri di permukaan panel surya. Untuk sudut kemiringan tetap, daya maksimum selama satu tahun akan diperoleh ketika sudut kemiringan panel surya sama dengan
lintang lokasi (Foster.2010). Misalnya panel surya yang terpasang di khatulistiwa (lintang =0o) yang diletakkan mendatar (tilt angle = 0o), akan menghasilkan energi maksimum.
2.2.5.4 Orientasi panel surya
Orientasi dari rangkaian panel surya (array) ke arah matahari adalah penting, agar panel surya (array) dapat menghasilkan energi maksimum.
Misalnya, untuk lokasi yang terletak di belahan bumi utara maka panel surya (array) sebaiknya diorientasikan ke selatan. Begitu pula untuk lokasi yang terletak di belahan bumi selatan maka panel surya (array) diorientasikan ke utara (Foster.2010).
2.2.6 Daya dan Efesiensi Solar Cell
Sebelum mengetahui berapa nilai daya sesaat yang dihasilkan kita harus mengetahui daya yang dihasilkan (daya output), daya tersebut adalah perkalian antara intensitas radiasi matahari yang diterima dengan luas area PV module dengan persamaan sebagai berikut (Mulyatno,2000):
Daya yang dapat diperoleh dari konversi sinar matahari secara umum dirumus kan sebagai berikut:
𝑃𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡= I x A (watt) ………. ( 2.1 ) dengan:
I = intensitas radiasi matahari (w/𝑚2) A= luas permukaan PV module (𝑚2) Daya keluaran yang dikeluarkan sel fotovoltaik dengan rumus :
𝑃𝑜𝑢𝑡= I x A x 𝜂 (watt) ..……….………. ( 2.2 ) dengan :
𝜂 = efisiensi sel fotovoltaik (%)
Besarnya energi radiasi matahari yang dapat diserap oleh sel fotovoltaik :
𝐸𝑠𝑒𝑙= 𝑃𝑜𝑢𝑡 x t (watt/hour) …..………. ( 2.3 ) dengan :
𝑃𝑜𝑢𝑡= daya keluaran sel fotovoltaik (watt)
t = lamanya penyinaran efektif rata-rata matahari yang mengenai permukaan
Efesiensi yang terjadi pada sel fotovoltaik adalah merupakan perbandingan dari daya output yang dapat dibandingkan oleh sel surya dengan daya yang diperoleh dari konversi sinar matahari sebagai daya input, dapat ditentukan dengan :
𝜂 = 𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡
𝐼.𝐴 ………. ( 2.4 )
𝜂 = 𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 ..……….………….………. ( 2.5 )
dengan :
𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 = daya output sel fotovoltaik (watt)
𝑃𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 = daya yang diperoleh dari konveri radiasi sinar matahari (watt)
2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB)
Angin/Bayu adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Angin terjadi karena ada perubahan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Untuk mengurangi keterbatasan penggunaan energi yang tak terbaharukan dalam pembangkitan energi listrik khususnya maka diperlukan energi-energi alternatif lain sebagai penggantinya. Dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi alternatif yang bersih dan terbarukan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar.
Pembangkit Listrik Tenaga Bayu mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin. Besarnya daya yang dihasilkan tergantung pada kecepatan angin dan diameter baling-baling.
Gambar 2.11 Sebuah PLTB (Sumber : http://www .kincirangininfo.com)
2.3.1 Komponen-komponen PLTB
Adapun komponen-komponen dari PLTB yaitu baling-baling dan ekor, turbin angin, tiang dan panel kontrol, sebagai berikut :
2.3.1.1 Baling-baling dan ekor
Baling-baling merupakan komponen yang menangkap energi kinetik angin menjadi energi putaran dan ekor berfungsi sebagai komponen untuk mengarahkan baling - baling ke arah angin.
Gambar 2.12 Baling-baling dan ekor
2.3.1.2 Turbin Angin
Turbin Angin adalah komponen inti yang akan mengubah energi kinetik angin menjadi energi listrik. Adapun Jenis turbin angin ada 2, yaitu:
Gambar 2.13 Generator pada turbin angin
1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling- baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor.
Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran turbin yang pelan menjadi lebih cepat berputar.
Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi.
Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan. Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin).
Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang, bilah- bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.
Adapun kelebihan dan kekurangan TASH, yaitu:
Kelebihan TASH :
Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin, perbedaan antara laju dan arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
Kekurangan TASH :
Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20%
dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.
Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.
Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan lansekap.
Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi.
TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan turbin ke arah angin.
Gambar 2.14 Turbin angin sumbu horizontal
2. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal atau TASV memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat turbin berputar.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.
Adapun kelebihan dan kekurangan turbin angin sumbu vertikal, yaitu:
Kelebihan TASV
Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.
Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan
yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.
Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH.
TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH.
Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)
TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.
TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun.
TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),
TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
turbin pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.
Kekurangan TASV :
Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.
Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.
Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
Gambar 2.15 Turbin angin sumbu vertikal
2.3.1.3 Tiang
Tiang berfungsi sebagai komponen yang meletakkan baling-baling ditempat yang tinggi yang relatif lebih berangin. Tiang bisa dibuat dari pipa baja, beton, rangka besi. Kecepatan angin bertambah jika ketinggian tiang semakin tinggi, diamater dari rotor juga berpengaruh untuk menghasilkan daya pada PLTB.
Untuk pemasangan tiang dilakukan dengan cara menyambung tiang satu persatu. Tiang paling bawah memiliki engsel pada bagian pangkalnya dan pada tiang tertentu terdapat cuping untuk kawat sling yang berjumlah 3. Setiap tiang memiliki tangga. Dalam pemasangan tiang dimulai dengan memasukkan lubang lempengan (baseplate) tiang paling bawah ke dalam baut yang sudah ada pondasi, biarkan engsel baseplate terbuka sehingga tiang paling bawah berada pada posisi duduk.
Gambar 2.16 Tiang PLTB
2.3.1.4 Panel Kontrol
Panel Kontrol berfungsi sebagai kontrol tegangan listrik yang dihasilkan oleh turbin. Salah satu panel kontrol yang dijual dipasaran yaitu tipe Exmork FKJ A2-5000W Analog, Termasuk didalamnya terdapat inverter AC-DC.
Gambar 2.17 panel kontrol
2.3.2 Bagian Aerodinamik dari Kincir
Secara garis besar kincir angin terdiri dari anemometer, blades, rem, controller, gear box dll, sebagai berikut:
Gambar 2.18 Sketsa Dalam Kincir angin Sumber : http://www .kincirangininfo.com
A. Anemometer: Mengukur kecepatan angin, dan mengirim data angin ini ke Alat Pengontrol.
B. Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah kipas. Angin yang menghembus menyebabkan turbin tersebut berputar.
C. Rem : Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis, dengan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau saat keadaan darurat.
D. Controller (Alat Pengontrol) : Alat Pengontrol ini menstart turbin pada kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan mematikannya pada kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam, karena angina terlalu kencang dapat merusakkannya.
E. Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm menjadi kira-kira 1000-1800 rpm yaitu putaran yang biasanya disyaratkan untuk memutar generator listrik.
F. Generator: Generator pembangkit listrik, mengubah energi kinetic angin menjadi energi listrik (DC).
G. High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Menggerakkan generator.
H. Low-speed shaft (Poros Puutaran Rendah): Poros turbin yang berputar kira-kira 30-60 rpm.
I. Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di dalamnya berisi gear-box, poros putaran tinggi / rendah, generator, alat pengontrol, dan alat pengereman.
J. Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas bisa diatur sudutnya untuk mengatur kecepatan rotor yang dikehendaki, tergantung angin terlalu rendah atau terlalu kencang.
K. Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor.
L. Tower (Menera): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, rangka besi.
Karena kencangnya angin bertambah dengan ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga yang didapat.
M. Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.
N. Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah angin untuk desain turbin yang menghadap angina. Untuk desain turbin yang mendapat hembusan angina dari belakang tak memerlukan alat ini.
O. Yaw motor (Motor Penggerak Arah): Motor listrik yang menggerakkan penggerak arah.
2.3.3 Prinsip Kerja Turbin Angin
Cara kerja turbin angin bisa menghasilkan energi listrik, adalah dengan mengkonversikan energi angin atau energi kinetik menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin. Besarnya daya yang dihasilkan tergantung pada kecepatan angin dan diameter baling-baling. Energi listrik yang dihasilkan kemudian dikirimkan dan didistribusikan ke rumah-rumah, pusat bisnis, sekolah.
Turbin-turbin angin modern terbagi menjadi dua kelompok dasar; jenis sumbu horisontal, dan sumbu vertikal. Turbin sumbu horisontal inilah yang banyak dipakai saat ini. Ciri khasnya memiliki dua atau tiga bilah baling-baling, yang dihadapkan ke arah datangnya angin (community.gunadarma.ac.id).
2.3.4 Daya Pada Energi Angin
Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut (Andryanto,2011):
Ek = 1
2 . m . v2 ………..………..………. ( 2.6 ) dengan :
Ek = Energi kinetik (joule) m = Massa udara (kg)
v = Kecepatan angin (m/detik)
Sedangkan daya adalah energi per satuan waktu, maka dari persamaan tersebut dapat dituliskan :
Pa = 1
2 . m . v2 ………..………..………. ( 2.7 ) Dengan :
Pa = Daya angin (Watt)
m = massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/detik)
ρ = massa jenis udara (kg/m3) Dimana :
m = ρ.A.v ………..………..………. ( 2.8 ) Yang dalam hal ini :
A = luas penumpang (m2).
Dengan menggunakan persamaan, maka daya angin (Pa) dapat dirumuskan menjadi :
Pa = 1
2. ρ.A.v3 ………..………..………. ( 2.9 ) Bila diasumsikan besarnya massa jenis udara (ρ) adalah 1,25 kg/m3, maka dari persamaan dapat disederhanakan menjadi :
Pa = 0,625.A.v3 ………..………..………. ( 2.10 ) Dari rumus 2.10 besaran (ρ) dan (A) digambarkan sebagai konstanta, yang juga tergantung dari kecepatan angin (v), luas penampang sudu (A) tergantung dari bentuk sudu.
Daya yang akan dihasilkan ini adalah daya maksimum yang mungkin diperoleh. Efisiensi turbin angin yang sebenarnya hanya akan dapat menangkap 30% dari daya maksimum (Reynolds,1996)
2.3.5 Keuntungan dan Kerugian PLTB.
2.3.5.1 Keuntungan PLTB
Adapun keutungan dari PLTB, yaitu :
a) Tidak akan terjadi eksploitasi, hal ini berarti eksploitasi sumber energi ini tidak akan membuat sumber daya angin yang berkurang seperti halnya penggunaan bahan bakar fosil.
b) Sumber energi ramah lingkungan ,dimana penggunaannya tidak mengakibatkan emisi gas buang atau solusi yang berarti ke lingkungan.
2.3.5.2 Kerugian PLTB
Adapun kerugian dari PLTB, yaitu :
a) Dampak visual, penggunaan ladang angin sebagai pembangkit listrik membutuhkan luas lahan yang tidak sedikit dan tidak mungkin untuk disembunyikan. Penempatan ladang angin pada lahan yang masih dapat
digunakan untuk keperluan yang lain dapat menjadi persoalan tersendiri bagi penduduk setempat. Hal ini dapat mengurangi lahan pertanian serta pemukiman.
b) Derau suara, terjadinya derau frekuensi rendah akibat putaran dari sudu- sudu turbin angin. Dalam keadaan tertentu turbin angin dapat juga menyebabkan interferensi elektromagnetik, mengganggu penerimaan sinyal televisi atau transmisi gelombang mikro untuk perkomunikasian.
beberapa masalah ekologi dan keindahan
2.4 Baterai/Aki
Baterai/Aki, pertama kali diperkenalkan oleh Benjamin Franklin pada tahun 1748, merupakan kombinasi dari dua atau lebihsel elektrokimia yang digunakan untuk mengkonversi energi kimia disimpan menjadi enrgi listrik.
Baterai/Aki adalah alat yang digunakan untuk menyimpan tenaga listrik arus searah ( DC ). Ada beberapa jenis baterai / aki di pasaran, yaitu :
a. Aki basah/konvensional, Aki basah/konvensional masih menggunakan asam sulfat (H2SO4) dalam bentuk cair.
b. Aki MF (Maintenance Free), disebut juga aki kering karena asam sulfatnya sudah dalam bentuk gel/selai.
Secara garis besar, baterai dibedakan berdasarkan aplikasi dan konstruksinya. Berdasarkan aplikasi maka baterai dibedakan untuk automotif, marine dan deep cycle. Deep cycle itu meliputi baterai yang biasa digunakan untuk PV (PhotoVoltaic) dan back up power. Sedangkan secara konstruksi maka baterai dibedakan menjadi type basah, gel dan AGM (Absorbed Glass Mat).
Baterai jenis AGM biasanya juga dikenal dengan VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Baterai kering Deep Cycle juga dirancang untuk menghasilkan tegangan yang stabil. Penurunan kemampuannya tidak lebih dari 1-2% per bulan tanpa perlu dicharge.
Konsekuensinya untuk pengisian arus ke dalam baterai Deep Cycle harus lebih kecil dibandingkan baterai konvensional sehingga butuh waktu yang lebih lama untuk mengisi muatannya. Antara tipe gel dan AGM hampir mirip hanya
saja baterai AGM mempunyai semua kelebihan yang dimiliki tipe gel tanpa memiliki kekurangannya. Kekurangan tipe Gel adalah pada waktu dicharge maka tegangannya harus 20% lebih rendah dari baterai tipe AGM ataupun basah. Bila overcharged maka akan timbul rongga di dalam gelnya yg sulit diperbaiki sehingga berkurang kapasitas muatannya, karena tidak ada cairan yang dapat membeku maupun mengembang, membuat baterai Deep Cycle tahan terhadap cuaca ekstrim yang membekukan.
Ada 2 rating untuk baterai yaitu :
CCA (Cold Cranking Ampere) menunjukkan besar arus yang dapat dikeluarkan serentak selama 30 detik pada titik beku air yaitu 0oC.
RC (Reserve Capacity) menunjukkan berapa lama (dalam menit) battery tersebut dapat menyalurkan arus sebesar 25A sambil tetap menjaga tegangannya di atas 10,5 Volt.
Salah satu baterai/aki yang dijual dipasaran adalah Tipe Rolls Battery Engineering Solar Deep Cycle Series 5000, model 2 KS 33P. Adapun spesifikasi dari Rolls Battery ini, sebagai berikut :
a. Kapasitas 1 cell = 2 Volt DC dengan kapasitas 2491 Ah.
b. Dual containner.
c. Non Breakable (non pecah).
d. Dimension (L x W x H) cm = 38 x 21 x 63.
e. Wet Weight = 94 kg.
f. Harga perbulan agustus 2009 = Rp. 10.000.000,-
Gambar 2.19 Rolls Battery Engineering Solar Deep Cycle
Dalam hal mempertimbangkan posisi peletakkannya maka aki kering tidak mempunyai kendala, lain halnya dengan aki basah. Aki konvensional juga kandungan timbalnya (Pb) masih tinggi sekitar 2,5%untuk masing-masing sel positif dan negatif. Sedangkan aki MF / aki kering sel positifnya masih menggunakan timbal 1,7% tetapi sel negatifnya sudah tidak menggunakan timbal melainkan Calsium sebesar 1,7%.
Pada Calsium battery Asam Sulfatnya (H2SO4) masih berbentuk cairan, hanya saja hampir tidak memerlukan perawatan karena tingkat penguapannya kecil sekali dan dikondensasi kembali. Teknologi sekarang bahkan sudah memakai bahan silver untuk campuran sel negatifnya.
Ada beberapa pertimbangan dalam memilih aki :
Tata letak, apakah posisi tegak, miring atau terbalik. Bila pertimbangannya untuk segala posisi maka aki kering adalah pilihan utama karena cairan air aki tidak akan tumpah.
Kapasitas aki yang tertulis dalam satuan Ah (Ampere hour ), yang menyatakan kekuatan aki, seberapa lama aki tersebut dapat bertahan mensuplai arus untuk beban / load.
Cranking Ampere yang menyatakan seberapa besar arus start yang dapat disuplai untuk pertama kali pada saat beban dihidupkan. Aki kering biasanya mempunyai cranking ampere yang lebih kecil dibandingkan aki basah, akan tetapi suplai tegangan dan arusnya relatif stabil dan konsisten.
Pemakaian aki itu sendiri untuk kebutuhan rutin yang sering dipakai atau sebagai back-up saja. Aki basah, tegangan dan kapasitasnya akan menurun bila disimpan lama tanpa recharge, sedangkan aki kering relatif stabil bila di simpan untuk jangka waktu lama tanpa recharge.
Aki kering mempunyai banyak keunggulan maka harganya pun jauh lebih mahal daripada aki basah.
2.4.1 Kapasitas dan Waktu Pemakaian Baterai
Untuk dapat mensuplai kebutuhan energi listrik seluruh konsumen, diperlukan baterai dengan kapasitas yang sesuai dengan besarnya kebutuhan dayanya. Kapasitas tersedia dari baterai tergantung pada tingkat dimana terjadi
proses pengosongan. Jika baterai habis pada tingkat yang relative tinggi, kapasitas yang tersedia akan lebih rendah dari yang diharapkan. Untuk menghitung kapasitas (Ah) dari baterai, dilakukan perhitungan sebagai berikut (Togan, 2011) :
PAC = VRMS x IRMS x Power Factor ………(2.11) dan
EAC = VRMS x IRMS x Power Factor x t ………..(2.12)
Dengan :
PAC = Kebutuhan daya konsumen (Watt)
EAC = Kebutuhan energi konsumen (Watt Hour) VRMS = Tegangan sistem
IRMS = Arus listrik yang disuplai maksimal (Ah) Power Factor = Faktor daya beban
t = Waktu (Jam)
2.4.2 Depth of Discharge (DOD) dan Durasi Penyimpanan Baterai pada Baterai Jenis Deep Cycle
Depth of Discharge (DOD) adalah suatu ketentuan yang membatasi tingkat Kedalaman discharge maksimum yang dapat diberlakukan pada baterai tersebut.
Pengaturan DOD berperan dalam menjaga usia pakai (life time) dari baterai tersebut. Semakin dalam DOD yang diberlakukan pada baterai yang akan digunakan (deep cycle baterry) pada sistem, maka semakin pendek pula usia pakai dari baterai tersebut (Togan, 2011).
2.5 Sistem Pembangkit Listrik Hybrid
Sistem pembangkit listrik hybrid adalah sistem yang menggabungkan beberapa sumber energi untuk memasok energi listrik ke beban. Tujuan utama sistem hybrid adalah memaksmimalkan energi, bebas polusi, kualitas daya yang bagus, dan energi yang berkesinambungan.
Sistem Hybrid adalah system pembangkit listrik yang terdiri dari 2 atau lebih sistem pembangkit dengan sumber energi berbeda. Misalnya Listrik Tenaga Surya (Photovoltaic, -PV) dipadu dengan genset, maka disebut Hybrid PV-Genset.
System Hybrid yang pernah diterapkan di Indonesia adalah: Hybrid PV-Genset, Hybrid PV-Mikrohydro, Hybrid PV-Bayu (angin) , dan bahkan Hybrid PV-Bayu Genset.
Gambar 2.20 Sebuah pembangkit listrik hybrid Sumber : http://www .Pembangkithybridinfo.com
Sistem tenaga hybrid yang dirancang untuk generasi daya listrik.
Umumnya independen dari jaringan listrik terpusat yang besar dan digunakan di daerah terpencil. Sistem hybrid dengan definisi mengandung sejumlah perangkat pembangkit listrik seperti turbin angin, fotovoltaik, mikro-hydro dan / atau generator bahan bakar fosil. Sistem tenaga hybrid berkisar dari sistem kecil yang dirancang untuk satu atau beberapa rumah yang sangat besar seperti villa atau untuk pulau terpencil dengan komunitas yang besar.
Sistem hybrid adalah solusi ideal untuk rumah yang terhubung dengan sumber listrik pembangkit dan jaringan listrik PLN, di mana pemilik ingin menggabungkan sistem energi terbarukan dengan daya cadangan. Sebagian besar aplikasi menggunakan panel surya, turbin angin, mikro hidro generator atau generator yang menggunakan bahan bakar diesel juga dapat digunakan ke dalam sistem ini. Grid-interaktivitas memungkinkan kelebihan energi yang dihasilkan akan kirim ke sistem grid, dan memungkinkan grid sebagai sumber energi tambahan untuk mengisi baterai. Jika grid gagal, inverter akan secara otomatis
masuk ke mode daya cadangan, untuk memasok energi dari baterai dan masukan energi listrik untuk mendukung kebutuhan beban listrik.
Sistem tenaga hybrid dipandang sebagai cara untuk memberikan listrik ke masyarakat terpencil di negara berkembang di mana biaya untuk ekspansi skala besar grid listrik mahal dan biaya transportasi bahan bakar diesel juga sangat tinggi. Penggunaan sistem pembangkit listrik terbarukan mengurangi penggunaan bahan bakar mahal, memungkinkan untuk generasi bersih daya listrik dan juga meningkatkan standar hidup bagi banyak orang di daerah terpencil.
2.5.1 Sistem Hybrid PLTB dan PLTS
Pembangkit listrik tenaga bayu/angin dan surya/matahari merupakan teknologi hibrida yang terbilang baru dan ramah lingkungan. pertama diperkenalkan oleh Guiseppe seorang doktor dari perusahaan listrik Italia tahun 1995. Dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga angin, maupun tenaga matahari saja, teknologi hybrid ini jelas lebih tinggi karena tak sepenuhnya bergantung pada matahari. Maka, bila langit medung atau malam tiba dan matahari lenyap, pembangkit listrik akan digerakkan oleh turbin angin jadi listrikpun tetap mengalir. Sebaliknya, ketika angin sedang tidak berhembus, panel-panel sel surya penangkap sinar matahari bisa terus memasok listrik.
Pembangkit listrik ini cocok untuk daerah yang cuacanya sering berubah-ubah seperti di pesisir pantai.
Teknologi pembangkit listrik ini sebenarnya tak rumit, terdiri dari tiga bagian utama yaitu, turbin angin, panel berisi sel surya dan penyimpanan listrik.
Saat angin bertiup, bilah-bilah turbin akan bergerak memutar dinamo (dynamo) yang membangkitkan arus listrik. Listrik ini kemudian disalurkan ke bagian penyimpanan yang berupa sejumlah aki/baterai. Pada saat yang sama, ketika matahari bersinar panel sel surya akan menangkap sinar untuk diubah juga menjadi listrik. Panel ini berisi sel photovoltaic yang terbuat dari dua lapis silicon.
Ketika terkena sinar matahari, dua lapisan silicon akan menghasilkan ion positif dan negative, dan listrikpun akan tercipta. Listrik dari panel surya dan turbin angin itu masih berupa arus searah DC (direct current). Padahal alat rumah tangga seperti televisi, radio, kulkas dll membutuhkan listrik berarus bolak-balik AC
(alternating current), Untuk itulah dibutuhkan inverter pengubah arus DC menjadi AC 220 Volt.
Kelebihan dan Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Bayu dan Solar Panel,yaitu:
Kelebihan :
1. Ramah Lingkungan (environmental friendly) 2. Praktis digunakan pada wilayah pesisir pantai 3. Tidak memerlukan perawatan khusus
4. Teknologinya tidak rumit
5. Disainnya dari bahan yang tidak mudah karatan (korosi) 6. Mudah mengoperasikan
Kekurangan :
1. Butuh biaya yang cukup besar untuk pembelian dan pelatihan operator teknis
2. Tersedianya suku cadang dan aki/baterai, jika letaknya jauh di pulau.
Gambar 2.21 Sistem Pembangkit Hybrid Antara Sumber PLN, Tenaga Surya, Tenaga Angin Sumber : http://www .Pembangkithybridinfo.com
2.5.1.1 PLTB Nusa Penida
PLTB di Bali terletak di bukit Mundi, Desa Klumpu, Kecamatan Nusa Penida yang mempunyai ketinggian kurang lebih 400 meter dari permukaan laut.
Turbin angin diletakkan di atas Tower pada ketinggian 30 meter dari ground level.
Dipilihnya Nusa Penida sebagai lokasi karena berdasarkan survey yang dilakukan sebelumnya, tempat ini merupakan tempat yang tepat dan memenuhi syarat untuk dibangun PLTB. Faktor-faktor yang dipakai sebagai indicator dalam survey tersebut antara lain faktor kecepatan angin, ketinggian, faktor lingkungan, faktor beban, faktor interkoneksi, dan sebagainya. Adapun kecepatan angin di daerah nusa penida 4 m/detik hingga 5 m/detik tergolong berskala menengah dengan potensi kapasitas 10-100 kW.
Jumlah PLTB yang terpasang saat ini di Nusa Penida adalah sebanyak sembilan unit dengan kapasitas 735 KW. Tiga diantaranya berkapasitas masing- masing 85 kw yang dibiayai oleh PT PLN, enam diantaranya masing-masing 80 kw yang di biayai oleh APBN. Beban yang dapat di penuhi adalah di daerah nusa penida dan nusa lembongan. Jenis kincir angin yang digunakan pada PLTB Nusa Penida adalah jenis horisontal dengan kipas tiga seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar 2.22 PLTB Nusa Penida
Adapun kincir angin yang cocok atau dapat digunakan untuk pembangunan PLTB Nusa Penida adalah kincir angin vertikal jenis Darius. Kincir angin vertikal ini dapat bekerja dari kecepatan angin yang kecil dan menghasilkan listrik saat angin berkecepatan 10 km/jam atau sama dengan 2,7 m/dt. Dengan
kecepatan angin di bali rata-rata 4 m/dt sampai 5 m/dt berarti kincir angin vertikal dapat digunakan pada PLTB Nusa Penida
2.6 Investasi
Investasi adalah suatu kegiatan menanamkan modal jangka panjang dengan tujuan memperoleh sejumlah keuntungan di masa yang akan datang.
Investasi akan di ikuti oleh sejumlah pengeluaran lain yang secara periodik perlu disiapkan. Pengeluaran tersebut terdiri dari biaya operasional, biaya perawatan dan biaya - biaya lainnya yang tidak dapat dihindarkan.
Investasi di bidang konstruksi mempunyai ciri khusus yang perlu diperhatikan oleh penanam modal sebelum memutuskan untuk melakukan investasi (Sutojo, 2000), yaitu :
1. Investasi menyerap dan mengikat dana dalam jumlah besar dengan jangka waktu ikatan dana yang cukup lama, yaitu lebih dari satu tahun. Sebagai konsekuensi apabila terjadi kesalahan dalam perencanaan atau evaluasi kelayakn investasi, dampak negatif yang harus diterima penanam modal akan berlangsung lama.
2. Manfaat yang akan diperoleh penanam modal baru dapat dinikmati sepenuhnya beberapa masa setelah investasi dilakukan.
3. Dibandingkan dengan investasi harta lancar, tingkat risiko yang di tanggung penanam modal lebih tinggi, disebabkan besarnya jumlah dana yang terikat serta lamanya jangka waktu ikatan.
4. Keputusan investasi proyek yang keliru, tidak dapat direvisi begitu saja seperti halnya dalam kasus harta lancar
2.6.1 Modal Investasi
Modal investasi adalah dana yang disediakan untuk pengadaan modal yang bersifat fisik dan bukan fisik, yang mana modal tersebut akan terikat menjadi aset.
Investasi yang lengkap biasanya meliputi pembiayaan untuk (Kuswadi, 2007) : 1. Pembelian tanah
2. Pengadaan bangunan (pabrik, kantor, gudang dan prasarana lain) 3. Pembelian dan pengadaan mesin dan alat
4. Biaya perencanaan
5. Latihan personal atau karyawan 6. Membeli linsensi atau hak patent 7. Mengurus ijin - ijin
8. Pengadaan alat - alat transportasi
9. Pengadaan peralatan dan perabot kantor.
10. Pengadaan Instalasi air dan listrik
11. Pengeluaran lain selama periode investasi.
Pada dasarnya semua biaya yang dikeluarkan selama belum memulai produksi komersialnya dapat dimasukkan dalam golongan modal investasi.
2.6.2 Modal Kerja
Modal kerja adalah modal yang diperlukan untuk membiayai seluruh kegiatan agar usaha berjalan lancar sesuai rencana, setelah investasi dianggap memadai, antara lain untuk pengadaan bahan baku, bahan pembantu, memroses menjadi bahan jadi dan kemudian menjualnya. Dengan kata lain, modal kerja adalah modal atau dana yang diperlukan untuk operasi (bukan investasi).
Faktor - faktor yang menentukan kebutuhan modal kerja adalah kegiatan perusahaan yang biasanya diukur dengan besarnya rencana penjualan dan kecepatan perputaran operasi perusahaan (kecepatan operating cycle). Semakin cepat perputaran operasi, semakin kecil kebutuhan modal kerja (Kuswadi.2007).
2.7 Aspek Biaya
2.7.1 Biaya siklus hidup (Life Cycle Cost)
Biaya siklus hidup (Life Cycle Cost) suatu sistem adalah semua biaya yang dikeluarkan oleh suatu sistem, selama kehidupanya. Pada sistem PLTS, biaya siklus hidup (LCC) ditentukan oleh nilai sekarang dari biaya total sistem PLTS yang terdiri dari biaya investasi awal, biaya jangka panjang untuk pemeliharaan dan operasional serta biaya pengganti baterai (Kolhe dkk.2002:Foster dkk.2010).
Biaya siklus hidup (LCC) diperhitungkan dengan rumus sebagai berikut :
LCC = C + Mpw + Rpw ………..( 2.13 )
dengan :
LCC = Biaya siklus hidup
C = Biaya investasi awal adalah biaya awal yang dikeluarkan untuk pembelian komponen - komponen PLTS, biaya instalasi dan biaya lainnya misalnya biaya untuk rak penyangga
Mpw = Biaya nilai sekarang untuk total biaya pemeliharaan dan operasional selama n tahun atau selama umur proyek.
Rpw = Biaya nilai sekarang untuk biaya penggantian yang harus dikeluarkan selama umur proyek. Contohnya adalah biaya untuk penggantian baterai
2.7.2 Biaya Energi (Cost Of Energy)
Biaya energi merupakan perbandingan antara biaya total per tahun dari sistem dengan energi yang dihasilkanya selama periode yang sama. Dari sisi ekonomi, biaya energi PLTS dan PLTB berbeda dari biaya energi untuk pembangkit konvensional (Nafeh,2009). Hal ini karena biaya energi PLTS dan PLTB, dipengaruhi oleh biaya - biaya seperti :
a) Biaya awal (biaya modal) yang tinggi.
b) Tidak ada biaya untuk bahan bakar.
c) Biaya pemeliharaan dan operasional rendah.
d) Biaya penggantian rendah (terutama hanya untuk baterai).
Biaya energi (Cost Of Energy) dari PLTS dan PLTB diperhitungkan dengan rumus sebagai berikut :
𝐂𝐎𝐄 = 𝐋𝐂𝐂 𝐱 𝐂𝐑𝐅
𝐀 𝐤𝐖𝐡 … … … . … … … . … (2.14) Dimana :
COE : Cost Of Energy atau Biaya Energi (Rp/kWh) CRF : Faktor pemulihan modal.
A kWh : Energi yang dibangkitkan tahunan (kWh/year)
Perhitungan biaya energi suatu PLTS ditentukan oleh biaya siklus hidup (LCC), faktor pemulihan modal (CRF) dan kWh produksi tahunan PLTS dan PLTB.
2.7.3 Faktor Pengembalian Modal (Capital Recovery Factor)
Faktor pemulihan modal adalah faktor yang dipergunakan untuk mengkonversikan semua arus kas biaya siklus hidup (LCC) menjadi serangkaian pembayaran atau biaya tahunan dengan jumlah yang sama (Kolhe dkk,2002).
Faktor pemulihan modal diperhitungkan dengan rumus sebagai berikut : 𝐂𝐑𝐅 = 𝐢(𝟏 + 𝐢)𝐧
(𝟏 + 𝐢)𝐧− 𝟏… … … . … … … . . (2.15) Dimana :
CRF = Faktor pemulihan modal.
i = Tingkat diskonto
N = Periode dalam tahun (umur investasi) 2.7.4 Konsep dan Terminologi Depresiasi
Depresiasi adalah penurunan dalam nilai fisik properti seiring dengan waktu dan penggunaannya. Dalam konsep akuntansi, depresiasi adalah pemotongan tahunan terhadap pendapatan sebelum pajak sehingga pengaruh waktu dan penggunaan atas nilai aset dapat terwakili dalam laporan keuangan suatu perusahaan. Depresiasi adalah biaya non-kas yang berpengaruh terhadap pajak pendapatan. Properti yang dapat didepresiasi harus memenuhi ketentuan berikut:
1. Harus digunakan dalam usaha atau dipertahankan untuk menghasilkan pendapatan.
2. Harus mempunyai umur manfaat tertentu, dan umurnya harus lebih lama dari setahun.
3. Merupakan sesuatu yang digunakan sampai habis, mengalami peluruhan/
kehancuran, usang, atau mengalami pengurangan nilai dari nilai asalnya.
4. Bukan inventaris, persediaan atau stok penjualan, atau properti investasi.
Properti yang dapat didepresiasi dikelompokkan menjadi 2 yaitu :
1. Nyata (tangible): dapat dilihat atau dipegang. Terdiri dari properti personal (personal property) seperti mesin-mesin, kendaraan, peralatan, furnitur dan item-item yang sejenis; dan properti riil (real property) seperti tanah
dan segala sesuatu yang dikeluarkan dari atau tumbuh atau berdiri di atas tanah tersebut
2. Tidak Nyata (intangible). Properti personal seperti hak cipta, paten atau franchise.
2.7.4.1 Metode Perhitungan Depresiasi
Secara umum, metode perhitungan depresiasi dibagi dua, yaitu:
1. Metode klasik, terdiri dari:
a. Metode garis lurus (straight-line, SL)
Metode garis lurus mengasumsikan bahwa aset terdepresiasi secara konstan setiap tahunnya selama umur manfaatnya.
𝐝𝐤= (𝐁 − 𝐒𝐕𝐍)
𝐍 … … … (𝟐. 𝟏𝟔) d*k = K dK untuk 1 ≤ K ≤ N
BVK = B - d*K
dengan:
N = umur manfaat B = basis harga, termasuk penyesuaian dK = pengurangan depresiasi pada tahun ke k (1 ≤ k ≤ N) BVK = nilai buku pada akhir tahun ke k
SVN = perkiraan nilai sisa pada akhir tahun ke N d*K = depresiasi kumulatif selama tahun ke k b. Metode declining balance (DB)
Metode declining balance disebut juga metode persentase konstan atau formula Matheson, dengan asumsi bahwa biaya depresiasi tahunan adalah suatu persentase yang tetap dari nilai buku awal tahun.
c. Metode sum of the years digits (SYD)
Metode sum of the years digits menggunakan digit sebagai sisa umur manfaat dari aset. Faktor depresiasi adalah sisa umur aset dibagi dengan jumlah total digit.
2. Sistem perolehan biaya dipercepat termodifikasi (Modified Accelerated Cost Recovery System, MACRS)
2.8 Teknik Analisis Kelayakan Investasi 2.8.1 Net Present Value (NPV)
Net Present Value (NPV) menyatakan bahwa seluruh aliran kas bersih dinilai sekarang atas dasar faktor diskonto (discount factor). Teknik ini menghitung selisih antara seluruh kas bersih nilai sekarang dengan investasi awal yang ditanamkan (Halim,2009). Untuk menghitung Net Present Value (NPV) dipergunakan rumus sebagai berikut :
NPV = PV Proceeds - Initial Outlays ……… (2.17) dengan :
P.V Proceeds = jumlah nilai sekarang/ present value dari cash flow.
Initial Outlays = Investasi awal (Initial Investment).
Kriteria pengambilan keputusan apakah usulan investasi layak diterima atau ditolak adalah sebagai berikut :
a) Investasi dinilai layak, apabila NPV bernilai positif (>0).
b) Investasi dinilai tidak layak, apabila NPV bernilai negatif (<0).
2.8.2 Profitability index (PI)
Profitability index merupakan perbandingan antara seluruh kas bersih nilai sekarang dengan investasi awal. Teknik ini sering juga disebut dengan model rasio manfaat biaya (benefit cost ratio). Teknik Profitability index dihitung dengan rumus sebagai berikut :
𝐏𝐈 = 𝐏𝐕 𝑵𝒆𝒕 𝑪𝒂𝒔𝒉 𝑭𝒍𝒐𝒘 (𝐏𝐫𝐨𝐜𝐞𝐞𝐝𝐬)
𝑷𝑽 𝑰𝒏𝒊𝒕𝒊𝒂𝒍 𝑶𝒖𝒕𝒍𝒂𝒚𝒔 (𝑰𝑶) … … … (𝟐. 𝟏8) Dimana :
PV Proceeds = jumlah nilai sekarang/ present value dari cash flow.
PV Initial Outlays = Investasi awal (Initial Investment).
Kriteria pengambilan keputusan apakah usulan investasi layak diterima atau ditolak adalah sebagai berikut :
a) Investasi dinilai layak, apabila PI bernilai lebih besar dari 1 (>1).
b) Investasi dinilai tidak layak, apabila PI bernilai lebih kecil dari 1 (<1).
2.8.3 Average Rate of Return (ARR)
Metode average rate of return (ARR) disebut juga accounting rate of return atau accounting return to investment adalah metode penilaian investasi yang berusaha menunjukkan ratio atau perbandingan antara keuntungan neto tahunan terhadapa nilai investasi yangdiperlukan untuk memperoleh laba/keuntungan tersebut baik diperhitungkan dengan nilai awal investasi (initial investment) atau rata - rata investasi (average investment) (Gitsodarmo,1999). Jadi average rate of return dapat dihitung sebagai berikut :
𝐀𝐑𝐑 = 𝐊𝐞𝐮𝐧𝐭𝐮𝐧𝐠𝐚𝐧 𝐍𝐞𝐭𝐨 𝐓𝐚𝐡𝐮𝐧𝐚𝐧
𝐍𝐢𝐥𝐚𝐢 𝐈𝐧𝐯𝐞𝐬𝐭𝐚𝐬𝐢 𝐀𝐰𝐚𝐥 = 𝐍𝐞𝐭𝐭 𝐈𝐧𝐜𝐨𝐦𝐞
𝐈𝐧𝐢𝐭𝐢𝐚𝐥 𝐈𝐧𝐯𝐞𝐬𝐭𝐦𝐞𝐧𝐭 𝐱 𝟏𝟎𝟎% … . … … (𝟐. 𝟏𝟗)
Keputusan investasi dengan indikator IRR adalah sebagai berikut:
a) Apabila ARR lebih besar daripada suku bunga bank maka proyek layak dijalankan.
b) Apabila ARR lebih kecil daripada suku bunga bank maka proyek tersebut tidak layak untuk dijalankan.
