48
ANALISIS ROOFTOP PHOTOVOLTAIC SYSTEM TERHUBUNG GRID PADA
SISTEM DISTRIBUSI 20kV
Budi Eko Prasetyo1, Rhezal Agung Ananto2, Lukman Hakim3 1,2,3 Jurusan T. Elektro Politeknik Negeri Malang
1 budi.ekopras@polinema.ac.id, 2 rhezal.a.a@gmail.com, 3 masloekman@gmail.com
Abstrak
Penempatan komponen pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) membutuhkan lahan yang sangat luas. Hal ini menjadi persoalan tersendiri dalam pembangunan PLTS. Untuk mengatasi kendala tersebut solusinya adalah penempatan panel surya diletakan di atas atap rumah permukiman disebut sebagai Rooftop Photovoltaic System (Rooftop pv System). Makalah ini mempresentasikan kemampuan rooftop sebagai tempat module panel surya. Selain dari pada rooftop pv system dapat dihubungkan dengan jala-jala system distribusi 20kV. Hasil analisis menunjukkan bahwa dengan total luasan rooftop rumah tinggal sebesar 2133 m2 dapat menghasilkan energi listrik sebesar 75kW. Setelah dihubungkan pada jala-jala sistem distribusi 20kV, rooftop pv system dapat memperbaiki tegangan sistem pada bus yang mempunyai panjang saluran terjauh sepanjang 10.91 kms dengan jatuh tegangan terbesar yaitu dari 18.14kV menjadi 18.17kV. Sedangkan total losses daya aktifnya sistem berkurang sebesar 8.57 kW dan total losses daya reaktif system berkurang sebesar 19.97kVAR.
Kata kunci : Rooftop pv system, Grid, losses.
I. PENDAHULUAN
Energi surya merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang paling mudah didapat dan berlimpah jumlahnya, yang beberapa waktu belakangan mulai meningkat pemanfaatannya. Energi surya dalam bentuk radiasi dapat dirubah secara langsung menjadi energi listrik dengan menggunakan teknologi photovoltaic (pv), yang perangkatnya sering disebut sel surya, serta sistemnya dinamakan pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). Energi surya memiliki kemampuan untuk menghasilkan listrik dengan biaya bahan bakar yang dapat diabaikan, tidak menyebabkan polusi dan tidak ada risiko adanya lonjakan harga bahan bakar [1].
Permasalahan mendasar dalam pembuatan PLTS adalah membutuhkan lahan untuk modul panel surya yang sangat luas, dengan demikian diperlukan pembuatan PLTS skala kecil yang mebutuhkan luas lahan kecil dan secara tersebar. Mayoritas instalasi Solar photovoltaic (pv) adalah skala kecil. Energi surya menggunakan berbagai teknologi dengan sifat dan manfaat berbeda dapat dimanfaatkan untuk utilitas perumahan, industri, dan komersial [2]. Solar pv berskala kecil antara lain untuk penerangan jalan umum, traffic light, dan mulai sekarang berkembang dipasang di atas atap disebut sebagai "rooftop pv system". Rooftop pv system dapat memberikan penyelesaian masalah subsidi tarif energi listrik [3]. Energi listrik yang dihasilkan Rooftop pv system dapat digunakanuntuk kebutuhan energi listrik secara mandiri dan juga dapat dihubungkan dengan jala-jala system yang lebih besar, baik pada system 1 phasa [4] ataupun system 3 phasa pada system distribusi.
Rooftop pv system yang mempunyai kemampuan untuk menghasilkan energi listrik tergantung pada seberapa luasan atap perumahan tersebut. Semakin luas atapnya tentunya semakin besar daya tampung modul panel surya, sehingga energi listrik yang dihasilkan relatif besar. Energi tersebut untuk mencukupi kebutuhan perumahan itu sendiri dan selebihnya dapat diinjeksikan ke sistem distribusi 20kV, ataupun keseluruhan energi listriknya diinjeksikan [5]-[9].
II. ROOFTOP PVSYSTEM
A. PV sistem
Photovoltaic (pv) sistem merupakan pembangkit listrik berbasis pada energi baru terbarukan. Kemampuan
photovoltaic (pv) system untuk menghasilkan energi listrik sesuai dengan kemampuan radiasi sinar matahari, besar kecilnya tergantung dari intensitas penyinaran matahari yang dipengaruhi oleh cuaca. Radiasi sinar matahari ini dikumpulkan oleh pv cell, kemudian pv cell tersebut akan menghasilkan energi listrik [10].
Gambar 1. (a) PV cell, (b) kumpulan pv cell disebut pv module, dan (c) kumpulan pv module disebut PV Array
49 Gambar 1 menunjukkan system komponen pv, kumpulan dari pvcell (a) yang tersusun sedemikian rupa akan menjadi pv module (b), dan kumpulan dari pv module yang disusun disebut sebagai pv array (c). Penyusunan pv module menjadi pv array
disesuaikan dengan jenis tegangan sistem yang akan digunakan dalam pembangkitannya. Rangkaian yang digunakan dalam menyusun pv module adalah rangkaian seri dan parallel.
B. Konstruksi Atap Rumah Lokasi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di perumahan Villa Excotic Pandirman Hill kota Batu – Jawa Timur, tepatnya berada pada koordinat -7.898336, 112.526882. Perumahan tersebut mempunyai 48unit perumahan dengan 3 tipe luasan yang berbeda yaitu 50m2, 60m2, dan 70m2. Rumah-rumah yang ada sebagian besar orientasinya menghadap barat-timur, sedangkan bentuk atapnya adalah satu sisi arah. Layout plan dan bentuk bangunan ditunjukkan pada gambar 2 dan gambar 3.
Gambar 2. Layout plan 3D perum Villa Excotic Pandirman Hill
Gambar 3. Tampak sisi dan bentuk atap bangunan perumahan
Gambar 2 menunjukkan bahwa orientasi bangunan menghadap barat dan timur. Terdapat 8 blok bangunan, 7 diantaranya menghadap barat dan timur, sedangkan hanya satu yang menghadap utara. Gambar 3 menunjukkan bentuk atap jika dilihat dari sisi samping. Posisi atap rumah hanya satu sisi bagian bangunan dengan bagian depan mempunyai elevasi lebih tinggi dari bagian depan. Gambar 2 dan 3 menunjukkan bahwa Orientasi bangunan terhadap pola edar matahari sangat memungkinkan mendapatkan sinar matahari maksimal baik pada pagi dan sore hari.
III. ROOFTOP PV SYSTEM TERHUBUNG GRID
A. Sistem Distribusi 20kV
Sistem distribusi dalam penelitian ini adalah sistem distribusi 20kV penyulang Junrejo GI sengkaling [11]. Penyulang junrejo mempunya 65 GTT (Gardu Trafo Tiang) yang bervariasi kapasitasnya hingga 1600 kVA. Total beban saat waktu beban puncak (WBP) adalah sebesar 6481 kVA atau sebesar 6.481 MVA. Total panjang saluranya adalah 31.70 kms dengan saluran penghatar AAAC dan A3COC mulai dari ukuran 3x55mm2 hingga 3x150mm2. Panjang saluran transline sebesar 8.59 kms, sedangkan GTT terjauh adalah sepanjang 10.91 kms yang berada pada GTT D0331. Berikut gambar 4 sistem distribusi 20kV penyulang Junrejo dan lokasi Villa Excotic Panderman Hill dan tabel I data kapasitas GTT dan beban WBP penyulang Junrejo.
Gambar 4. Penyulang Junrejo-GI Sengkaling dan Lokasi Villa Excotic Pandirman Hill Batu.
TABEL I. KAPASITAS GTT DAN WBP
No GTT Kap. GTT (kVA) Beban WBP (kVA) No GTT Kap. GTT (kVA) Beban WBP (kVA) 1 D0291 100 28.91 34 D0293 100 15.50 2 D0148 200 119.09 35 D0253 1110 754.05 3 D0039 160 101.56 36 D0083 250 168.59 4 D0361 100 70.93 37 D0116 150 84.31 5 D0299 160 14.00 38 D0283 100 42.92 6 D0106 150 62.66 39 D0389 100 15.22 7 D0335 100 0.95 40 D0203 100 57.63 8 D0257 100 54.86 41 D0085 160 67.55 9 D0221 150 84.57 42 D0281 160 24.54 10 D0388 100 4.79 43 D0368 100 0.70 11 D0387 100 9.11 44 D0081 100 76.43 12 D0379 100 22.95 45 D0332 160 130.46 13 D0358 200 44.24 46 D0300 100 42.05 14 D0181 100 19.74 47 D0241 200 75.94 15 D0328 100 7.55 48 D0267 630 456.70 16 D0107 75 55.73 49 D0182 160 27.19 17 D0392 100 15.39 50 D0183 100 7.65 18 D0154 160 95.51 51 D0184 25 11.74 19 D0163 160 80.57 52 D0228 100 22.80 20 D0155 100 46.85 53 D0185 100 14.79
50 21 D0323 200 96.61 54 D0186 100 10.77 22 D0152 250 90.88 55 D0187 160 2.32 23 D0275 100 90.36 56 D0070 1600 1040.43 24 D0151 160 107.55 57 D0331 1250 605.38 25 D0296 100 51.30 58 D0233 200 56.08 26 D0234 160 39.71 59 D0244 100 39.93 27 D0022 200 171.60 60 D0258 100 20.22 28 D0211 400 48.81 61 D0208 25 19.87 29 D0136 160 58.15 62 D0278 250 143.64 30 D0249 100 38.87 63 D0003 555 459.74 31 D0347 160 20.84 64 D0086 160 112.79 32 D0113 100 29.13 65 D0322 160 65.70 33 D0068 160 23.19 B. Desain System
Secara desain ropftop pv system yang terhubung grid adalah menginjeksikan pembangkit listrik tenaga surya dati rooftop pv system ke sistem distribusi penyulang 20kV. Hal ini dapat juga dikatakan sebagai pembangkit listrik yang terdistibusi. Besarnya daya yang diinjeksikan berdasarkan kemapuan dan kapasitas pv system yang ada. Berikut gambar 5 desain system yang mengacu pada [12].
Gambar 5. Desain system rooftop pv terhubung grid.
Gambar 5 menunjukkan bahwa rooftop pv system terdiri dari pv module yang disusun sedemikian rupa menjadi pv array. Kumpulan dari pv array digabung menjadi satu bagian dalam subsistem dari bagian sistem jala-jala. Subsistem tersebut selanjutnya dihubungkan pada sistem grid penyulang 20kV dengan transformer. Kapasitas daya rooftop pv system
yang diinjeksikan adalah semua yang dibangkitkan, untuk peruntukan perumahan tersebut menggunakan pasokan energi listrik dari PLN.
IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
A. Radiasi Matahari
Radiasi matahari diukur secara langsung dengan solar power meter selama 61 hari pada bulan Maret dan April. Pengukuran dilakukan mulai jam 06.00 hingga 18.00 waktu setempat. Selebihnya tidak dilakukan pengukuran, karena pada waktu itu adalah malam dan dini hari saat matahari tidak ada.
Selama pengukuran didapatkan total radiasi matahari sebesar 334.73kWh/m2 dengan rata-rata radiasi mataharinya sebesar 5.49 kWh/m2 per harinya. Rata-rata radiasi per jamnya adalah sebesar 228.64 W/m2. Berikut gambar 6 karakteristik radiasi matahari selama pengukuran.
Gambar 6. Karaktersitik rata-rata radiasi per hari matahari hasil pengukuran.
Gambar 6 menunjukkan bahwa nilai energi surya selama pengukuran efektif selama 12 jam yaitu antara jam 06.00 WIB hingga 18.00 WIB. Karakteristik radiasi matahari tersebut menunjukkan bahwa radiasi matahari secara maksimal selama 5.5 jam pada kondisi 1000 W/m2. Data hasil pengukuran tersebut dijadikan dasar dalam menentukan besarnya pembangkitan listrik dari rooftop pv system.
B. Kapasitas Energi Listrik Rooftop pv System
Penetuan kapasitas energi listrik yang dibangkitkan rooftop pv system berdasarkan pada luasan atap dari perumahan. Dari data yang ada bahwa luas permukaan atap dari bangunan yang ada di perumahan Villa Excotic Pandirman Hill sejumlah 48unit adalah 2133,07 m2. Berikut table II data total luasan atap bangunan perumahan.
TABEL II. LUAS ATAP BANGUNAN PERUMAHAN
Type Panjang (m) Lebar (m) Jumlah Total Luas Atap (m2)
5x10 7.28011 5 11 400.41 6x10 7.28011 6 21 917.29 7x10 7.28011 7 16 815.37 Total 48 2133.07
Panel surya pv module yang digunakan type 280Wp, dimensi dari pv model tersebut adalah panjang 1.662meter dan lebar 0.99meter, dari data luasan atap pada tabel II tersebut didapatkan jumlah panesl surya dimasing-msaing type bangunan adalah type 5x10 sejumlah 20 pv module, type 5x10 adalah sejumlah 24 pv module dan type 7x10 adalah sejumlah 28 pv module. Total pv module terpasang berdasarkan jumlah rumah pada tabel II adalah 1172 pv module. Dengan demikian total energi listrik yang dibangkitkan oleh rooftop pv system
adalah sebesar 75 kW, dengan mengacu pada kemampuan pv module maksimum pada penyinaran matahari sebesar 1000 W/m2 selama 5.5 jam. Selanjutnya daya tersebut dihubungkan grid pada sistem distribusi 20kV.
C. Analisis Sistem Eksisting
Berdasarkan parameter data eksisting, setelah disimulasi didapatkan hasil simulasi pada gambar 7. Data yang digunakan adalah saluran pada bus terdekat dengan system GI yaitu bus percabangan pertama, sepanjang saluran transline, dan data saluran terpanjang. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Ra si as i M at ah ar i ( w /m 2) Jam Radiasi matahari
51
Gambar 7. Karakteristik tegangan system sebelum injeksi.
Gambar 7 menunjukkan bahwa terjadi penurunan tegangan pada setiap bus sistem yang dipengaruhi oleh panjang salauran. Bus 2 adalah bus terdekat pada sumber penyulang (GI), bus 26 adalah bus transline, sedangkan bus 21k adalah bus yang mempunyai saluran terpanjang. Bus 2 yang dekat dengan GI mengalami jatuh tegangan hingga mencapai 19.05 kV, bus 26 sebesar 18.21 kV, sedangkan bus 21k yang mempunyai saluran terpanjang adalah sebesar 18.14kV.
Aliran daya pada sistem eksisting sebelum diinjeksi dengan
rooftop pv system didapatkan bahwa total daya yang disuplai sistem eksisting sebelum injeksi adalah sebesar daya aktif 5.7582 MW dan 3.4653 MVAR daya reaktif. Sehingga total losses sebesar 0.2498 MW daya aktif dan 0.0515 MVAR. Berikut tabel III aliran daya system eksisting sebelum injeksi:
TABEL III. ALIRAN DAYA EKSISTING SEBELUM INJEKSI
LOAD FLOW GENERATION TOTAL TOTAL LOAD LOSSES TOTAL
MW 5.7582 5.5084 0.2498
MVAR 3.4653 3.4138 0.0515
D. Analisis Rooftop pv Sistem terhubung Grid
Hasil simulasi menunjukkan bahwa terjadi perbaikan tegangan pada system setelah dilakukan injeksi rooftop pv system. Gambar 8 menunjukkan bahwa profil tegangan mengalami perbaikan setelah injeksi rooftop pv system. Profil tegangan Bus2 mengalami kenaikan dari 19.05 kV menjadi 19.07 kV, untuk Bus26 dari 18.21 kV menjadi 18.25 kV, dan untuk Bus21k dari 18.14kV menjadi 18.18 kV
Gambar 8. Karakteristik tegangan sistem sebelum dan setelah injeksi rooftop pv system.
Aliran daya pada sistem existing setelah mengalami injeksi
rooftop pv system didapatkan bahwa total daya yang disuplai adalah sebesar 5.7496 MW daya aktif dan 3.4454 MVAR daya reaktif. Sehinnga total losses sebesar 0.2412 MW daya aktif dan 0.0315 MVAR daya reaktif. Berikut adalah tabel IV Aliran daya setelah injekasi rooftop pv system.
TABEL IV. ALIRAN DAYA SETELAH INJEKSI ROOFTOP PV SISTEM
LOAD FLOW GENERATION TOTAL TOTAL LOAD LOSSES TOTAL MW 5.7496 5.5084 0.2412 MVAR 3.4454 3.4138 0.0315
Setelah dilakukan injeksi rooftop pv system losses mengalami penurunan. Tabel 5 menunjukkan bahwa losses sebelum injeksi sebesar 0.2498 MW daya aktif dan 0.0515 MVAR daya reaktif. Setelah dilakukan injeksi terjadi penurunan yaitu menjadi sebesar 0.2412 MW daya aktif dan 0.0315 MVAR daya rekatif. Dengan demikian perbaikan losses setelah injeksi rooftop pv system losses total sebesar 0.00857 MW atau 8.57 kW daya aktif dan 0.01997 MVAR atau 19.97 kVAR daya reaktif.
V. KESIMPULAN
1) Radiasi matahari hasil pengukran selama 62 hari adalah sebesar 5.49 kW/m2 perharinya. Rata-rata radiasi penyinaran 1000 W/m2 selama 5.5 jam per harinya.
2) Daya yang dibangkitkan rooftop pv system denagn luasan total 2133.07 m2 adalah 75kW dengan menggunakan pv
module 280Wp.
3) Tegangan sistem mengalami perbaikan setalah dilakukan injeksi yaitu pada bus 2 dari 19.05 kV menjadi 19.07 kV, bus 26 tegangan sistem dari 18.21 kV menjadi 18.25 kV. Sedangkan aliran daya sistem mengalami perbaikan losses sistem sebesar 0.00857 MW atau 8.57 kW daya aktif dan 0.01997 MVAR atau 19.97 kVAR daya reaktif.
REFERENSI
[1] Rohit K. Mathew, Ashok S., and Kumaravel S., “Impact of Rooftop Solar PV based DG on Reliability of Distribution Systems”, IEEE 2015 International Conference on Energy, Power and Environment: Towards Sustainable Growth (ICEPE), 14 July 2016
[2] S. Chowdhury, S.P Chowdhury, P. Crossley, Microgrids and Active Distribution Networks, IET, London, 2009.
[3] Gourav Kumar Mishra, T.S. Bhatti, and G.N. Tiwari, “Performance analysis of building integrated with photovoltaic thermal system and traditional rooftop photovoltaic system”, IEEE International Conference on Technological Advancements in Power and Energy (TAP Energy), 2017
[4] P. C. Kushwaha and C. N. Bhende, “Single–Phase Rooftop Photovoltaic based Grid–Interactive Electricity System”, 2016 IEEE Annual India Conference (INDICON), 02 February 2017.
[5] Lukman Hakim, Hadi Suyono, Harry Soekotjo Dachlan, “Analisis Injeksi Pembangkit Hybrid Surya-Angin pada Sistem GI Sengkaling Penyulang Pujon”, Jurnal EECCIS Vol.11, no.1, April 2017
[6] G.B. Gharehpetian S. Mohammad Mousavi Agah, Distributed Generation Systems Design, Operation and Grid Integration, 2017 Elsevier Inc, Chapter 1, pp.3-4.
19.05 18.21 18.14 17.60 17.80 18.00 18.20 18.40 18.60 18.80 19.00 19.20
Bus2 Bus26 Bus21k
V
(k
V)
Bus
52
[7] Grainger John J. and Stevensen, Jr. William D, Power System Analysis, McGraw-Hill, Chapter 9, pp.329-375.
[8] Priyank Shah, Bhim Singh, Kalman Filtering Technique for Rooftop-PV System under Abnormal Grid Conditions, IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2018, DOI 10.1109/TSTE.2018.2890600.
[9] Bo Zhao, Caisheng Wang, Xuesong Zhang, Grid-Integrated and Standalone Photovoltaic Distributed Generation Systems Analysis, Design and Control, Wiley, 2017.
[10] Patel Mukend R., “Wind and Solar Power System Design, Analysis, and Operation” 2nd edition, New York 2006.
[11] PT. PLN (persero) UID JATIM, UP3 Malang, ULP Batu
[12] Xinjing Zou, Feifei Jiang, Haitao Liu, “Performance Analysis of a Rooftop PV Plant and a Desert PV Plant”, IEEE Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 2016.
