TUGAS AKHIR
STUDI POTENSI PEMANFAATAN PANEL SURYA PADA MASJID Hj. SUDALMIYAH RAIS UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA MENGGUNAKAN
SOFTWARE PVGIS
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
MUHAMMAD ANSHORI NIM : D200160012
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2020
MOTTO
“ Barang siapa menempuh suatu jalan untuk mencari ilmu, maka Allah akan memudahkan baginya jalan
menuju surga ” (HR. Muslim)
HALAMAN PERSEMBAHAN
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penulisan laporan ini. Penulis mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada :
1. Allah SWT atas segala anugerah-Nya.
2. Kedua orang tua yang senantiasa mendoakan dan memberikan semangat.
3. Bapak Nurmuntaha Agung Nugraha, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing yang senantiasa memberikan bimbingan, arahan dan masukan selama mengerjakan tugas akhir ini.
4. Teman-teman Teknik Mesin 2016, yang telah berjuang, menuntut ilmu dan belajar bersama di Jurusan Teknik Mesin.
5. Teman-teman seperjuangan satu dosen pembimbing, satu tujuan bersama, yang selalu mendukung dan memberi arahan dan masukan selama proses pengerjaan tugas akhir ini.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat rahmat dan karunia-Nya sehingga penulisan laporan tugas akhir ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya. Penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih kepada seluruh pihak yang telah memberikan dukungan pada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Ucapan terima kasih ini penulis tujukan kepada:
1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Ir. H. Subroto, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Ir. Agus Haryanto, M.T., selaku Pembimbing Akademik yang senantiasa membimbing dan memberikan saran selama menempuh perkuliahan.
4. Bapak Nurmuntaha Agung Nugraha, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang dengan sabar telah memberikan bimbingan dan pengarahan serta dorongan moril hingga terselesaikannya tugas akhir ini.
5. Bapak Patna Partono, S.T., M.T. dan Bapak Wijianto, S.T., M.Eng.Sc. sebagai dosen penguji sidang yang telah meluangkan banyak waktu dan pikiran untuk memberikan bimbingan, dukungan, kritik dan masukan kepada penulis agar tugas akhir ini bisa benar-benar memberikan kebermanfaatan bagi dunia teknik mesin.
6. Seluruh dosen Teknik Mesin yang telah banyak mengajarkan ilmu dan pengetahuannya.
7. Seluruh staff dan karyawan Fakultas Teknik yang memberikan pelayanan dengan baik hingga laporan ini selesai.
8. Kedua orang tua yang telah memberikan dukungan baik moral maupun material kepada penulis agar bisa terus dan selalu optimis hingga akhirnya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
9. Rekan-rekan Teknik Mesin angkatan 2016 yang telah banyak memberikan motivasi dan dorongan semangat bagi penulis.
10. Pihak yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian ini secara langsung maupun tidak langsung yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Semoga Allah SWT. membalas kebaikan dan ketulusan semua pihak yang telah membantu.
Penulis sangat mengharapkan adanya kritik dan saran yang dapat membangun dari pada pembaca agar penulis dapat melakukan perbaikan di kemudian hari. Sekian yang dapat penulis sampaikan, semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi semua pihak, khususnya menambah khasanah keilmuan di bidang teknik mesin.
Surakarta, Agustus 2020 Penulis,
Muhammad Anshori
ABSTRAK
Wilayah Indonesia disinari cahaya matahari sepanjang tahun, potensi radiasi matahari yang berlimpah ini dapat dimanfaatkan untuk pemasangan panel surya dan menghasilkan energi listrik yang ramah lingkungan. Pemasangan panel surya memerlukan biaya yang cukup besar, sehingga perlu studi potensi energi listrik yang dapat dihasilkan panel surya menggunakan software Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). Studi ini dilakukan untuk mengetahui potensi pemanfaatan panel surya, sudut azimuth paling maksimal dalam menghasilkan energi listrik dan perbedaan performa panel surya dengan teknologi material yang berbeda di atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais.
Atap seluas 820 m2 dengan kemiringan 35⁰ dan azimuth 24 , 114 , -⁰ ⁰ 66 dan -156 , dapat dipasangi panel surya dengan kapasitas 131,2 kWp⁰ ⁰ (c-Si), 102 kWp (CIS) dan 113,92 kWp (CdTe). Parameter yang digunakan yaitu energy generated, energy yield, performance ratio dan capacity utilization factor.
Hasil rata-rata produksi energi listrik tahunan sebesar 162.289,2 kWh/tahun (c-Si), 125.533,65 kWh/tahun (CIS) dan 152.737,3 kWh/tahun (CdTe). Energi listrik tertinggi dihasilkan panel surya dengan azimuth - 156⁰ sebesar 27,3% dan terendah dengan azimuth 24 sebesar 22,4%.⁰ Energi yield selama setahun teknologi CdTe sebesar 1.340,7 kWh/kWp, c- Si sebesar 1.236,9 kWh/kWp dan CIS sebesar 1.230,7 kWh/kWp.
Performance ratio rata-rata setahun teknologi CdTe sebesar 78,6%, c-Si sebesar 72% dan CIS sebesar 65,8%. Capacity utilisation factor rata-rata setahun teknologi CdTe sebesar 16,69%, c-Si sebesar 14,12% dan CIS sebesar 14,05%. Hasil studi ini menunjukkan bahwa atap Masjid Hj.
Sudalmiyah Rais memiliki potensi energi listrik yang besar. Hasil energi listrik tahunan paling tinggi teknologi c-Si, tetapi performa panel surya yang paling baik sesuai parameter yang digunakan yaitu teknologi CdTe.
Kata kunci : panel surya, PVGIS, c-Si, CIS, CdTe
ABSTRACT
Indonesian regions are exposed to sunlight throughout the year, the potential for abundant solar radiation can be utilized for the installation of photovoltaics and produce electricity that is environmentally friendly.
Installation of photovoltaics requires a large amount of cost, so it is necessary to study the potential of electrical energy that can be produced by photovoltaics using Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) software. This study was conducted to determine the potential utilization of photovoltaics, the maximum azimuth angle in producing electrical energy and difference in the performance of photovoltaics with different material technologies on the rooftop of Hj. Sudalmiyah Rais Mosque.
The rooftop area of 820 m2 with a slope of 35 and azimuth of 24 ,⁰ ⁰ 114 ,⁰ -66⁰ and -156 ,⁰ can be fitted with photovoltaics with a capacity of 131.2 kWp (c-Si), 102 kWp (CIS) and 113.92 kWp (CdTe). The parameters used are energy generated, energy yield, performance ratio and capacity utilization factor.
The average annual output of electricity is 162,289.2 kWh/year (c- Si), 125,533.65 kWh/year (CIS) and 152,737.3 kWh/year (CdTe). The highest electrical energy was produced by photovoltaics with azimuth - 156⁰ at 27.3% and the lowest with an azimuth 24⁰ at 22.4%. The average annual energy yield for CdTe technology is 1,340.7 kWh/kWp, c-Si is 1,236.9 kWh/kWp and CIS is 1,230.7 kWh/kWp. The average annual performance ratio for CdTe technology is 78.6%, c-Si is 72% and CIS is 65.8%.The average annual capacity utilization factor for CdTe technology is 16.69%, c- Si is 14.12% and CIS is 14.05%. The results of this study indicate that the roof of the Masjid Hj. Sudalmiyah Rais has a large potential for electrical energy. The highest annual energy generated is c-Si technology, but the best performance of photovoltaics according to the parameters used is CdTe technology.
Keyword : photovoltaics, PVGIS, c-Si, CIS, CdTe
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...i
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR...ii
HALAMAN PERSETUJUAN...iii
PERNYATAAN PENGESAHAN...iv
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR...v
MOTTO...vi
HALAMAN PERSEMBAHAN...vii
KATA PENGANTAR...viii
ABSTRAK...x
DAFTAR ISI...xii
DAFTAR GAMBAR...xv
DAFTAR TABEL...xviii
BAB I PENDAHULUAN...1
1.1 Latar Belakang...1
1.2 Rumusan Masalah...2
1.3 Tujuan Penelitian...3
1.4 Batasan Masalah...3
1.5 Manfaat Penelitian...3
1.6 Sistematika Penulisan...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5
2.1 Kajian Pustaka...5
2.2 Dasar Teori...8
2.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)...8
2.2.2 Panel Surya (Photovoltaic)...9
2.2.3 Konfigurasi Sistem PLTS...15
2.2.4 Metode Konstruksi dan Pemasangan Panel Surya di
Bangunan...18
2.2.5 Sumber Energi Matahari...21
2.2.6 Parameter Performa Panel Surya...23
2.2.7 Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) 25 BAB III METODOLOGI PENELITIAN...28
3.1 Diagram Alir Penelitian...28
3.2 Alat dan Bahan...29
3.2.1 Alat... 29
3.2.2 Bahan...29
3.3 Prosedur Penelitian...30
3.3.1 Pengambilan data awal...30
3.3.2 Pelaksanaan Simulasi...33
3.3.3 Pengambilan data simulasi...36
3.4 Konfigurasi Sistem Panel Surya...36
3.4.1 Sistem PV teknologi crystalline silicon...37
3.4.2 Sistem PV teknologi Copper Indium Selenide (CIS)...38
3.4.3 Sistem PV teknologi Cadmium Telluride (CdTe)...39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...41
4.1 Data Hasil Simulasi...41
4.2 Perhitungan dan Pengolahan Data...45
4.3 Hasil Perhitungan...47
4.4 Pembahasan...55
4.4.1 Intensitas Radiasi Cahaya Matahari...55
4.4.2 Panel Surya Bahan Crystalline Silicon (c-Si)...57
4.4.3 Panel Surya Bahan Copper Indium Selenide (CIS)...59
4.4.4 Panel Surya Bahan Cadmium Telluride (CdTe)...61
4.4.5 Total Loss...63 4.4.6 Perbandingan Energy Generated Teknologi c-Si, CIS
dan CdTe
...
64
4.4.7 Perbandingan Energy Yield Teknologi c-Si, CIS dan CdTe . 66 4.4.8 Perbandingan Performance Ratio Teknologi c-Si, CIS dan
CdTe...68
4.4.9 Perbandingan Capacity Utilization Factor Teknologi c-Si, CIS dan CdTe...69
BAB V PENUTUP...70
5.1 Kesimpulan...70
5.2 Saran...71 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Komponen sederhana PLTS...8
Gambar 2.2 Panel Surya...10
Gambar 2.3 Panel Surya Monocrystalline Silicon...11
Gambar 2.4 Panel Surya Polycrystalline Silicon...12
Gambar 2.5 Panel surya jenis thin film...13
Gambar 2.6 Panel surya material CdTe...14
Gambar 2.7 Panel surya material CIS...14
Gambar 2.8 Diagram blok sistem panel surya off-grid...16
Gambar 2.9 Diagram skema sistem panel surya off-grid...16
Gambar 2.10 Diagram blok sistem panel surya grid-connected...17
Gambar 2.11 Diagram skema sistem panel surya Grid Connected 18 Gambar 2.12 Diagram Skema sistem BIPV dan BAPV...18
Gambar 2.13 Penerapan BAPV pada atap bangunan...19
Gambar 2.14 Penerapan BIPV pada atap bangunan...20
Gambar 2.15 Slope dan azimuth pada panel surya...21
Gambar 2.16 Distribusi Radiasi Matahari Sampai ke Permukaan Bumi. 22 Gambar 2.17 Grafik besar radiasi harian matahari yang mengenai permukaan bumi...23
Gambar 2.18 Arah sinar datang membentuk sudut terhadap normal bidang panel sel surya ... 23
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 28
Gambar 3.2 Atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais ... 30
Gambar 3.3 Sketsa atap masjid... 31
Gambar 3.4 Pengukuran kemiringan atap masjid menggunakan aplikasi Protactor ... 31 Gambar Azimuth atap Masjid Hj. Sudalmiyah 32
3.5 Rais...
Gambar
3.6 Tampilan website PVGIS
... 33 Gambar
3.7 Sketsa sisi atap genteng
... 37 Gambar
3.8 Sketsa pemasangan panel surya c-
Si... 37
Gambar 3.9 Sketsa pemasangan panel surya CIS...39 Gambar 3.10 Sketsa pemasangan panel surya CdTe...40 Gambar 4.1 Grafik in-plane irradiation bulanan dengan azimuth
24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156
...
55
Gambar 4.2 Grafik in-plane irradiation tahunan dengan azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156
...
56
Gambar 4.3 Grafik potensi energi listrik bulanan dengan teknologi c-Si azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156...57 Gambar 4.4 Grafik potensi energi listrik tahunan dengan teknologi
c-Si azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156...58 Gambar 4.5 Grafik potensi energi listrik bulanan dengan teknologi
c-Si...58 Gambar 4.6 Grafik potensi energi listrik bulanan dengan teknologi
CIS azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156...59 Gambar 4.7 Grafik potensi energi listrik tahunan dengan teknologi
CIS azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156...60 Gambar 4.8 Grafik potensi energi listrik bulanan dengan
teknologi CIS
...
60
Gambar 4.9 Grafik potensi energi listrik bulanan dengan teknologi CdTe azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156...61 Gambar 4.10 Grafik potensi energi listrik tahunan dengan teknologi
CdTe azimuth 24⁰, 114⁰, -66⁰ dan -156...62 Gambar 4.11 Grafik potensi energi listrik bulanan dengan teknologi
CdTe...62 Gambar 4.12 Grafik total loss teknologi c-Si, CIS dan CdTe...63 Gambar 4.13 Grafik energy generated tiap bulan dengan teknologi
c-Si, CIS dan CdTe...64 Gambar 4.14 Grafik produksi energi listrik rata-rata setiap tahun
dengan teknologi c-Si, CIS dan CdTe...65 Gambar 4.15 Grafik energy yield tiap bulan dengan teknologi c-Si,
CIS dan CdTe...66
Gambar 4.16 Grafik energy yield rata-rata setiap tahun dengan teknologi c-Si, CIS dan CdTe...67 Gambar 4.17 Grafik performance ratio tiap bulan dengan teknologi
c-Si, CIS dan CdTe...68 Gambar 4.18 Grafik capacity utilization factor tiap bulan dengan
teknologi c-Si, CIS dan CdTe...69
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Azimuth atap masjid...31
Tabel 3.2 Azimuth modul PV...36
Tabel 3.3 Konfigurasi PV crystalline silicon...38
Tabel 3.4 Konfigurasi PV Copper Indium Selenide (CIS)...39
Tabel 3.5 Konfigurasi PV Cadmium Telluride (CdTe)...40
Tabel 4.1 Data Inclined Plane Irradiation...41
Tabel 4.2 Data PV energy output (free standing) teknologi c-Si...42
Tabel 4.3 Data PV energy output (building integrated) teknologi c-Si 42 Tabel 4.4 Data PV energy output (free standing) teknologi CIS...43
Tabel 4.5 Data PV energy output (building integrated) teknologi CIS 43 Tabel 4.6 Data PV energy output (free standing) teknologi CdTe....44
Tabel 4.7 Data PV energy output (building integrated) teknologi CdTe...44
Tabel 4.8 Data total loss (free standing)...45
Tabel 4.9 Data total loss (building integrated)...45
Tabel 4.10 Hasil perhitungan energy generated c-Si...48
Tabel 4.11 Hasil perhitungan energy generated CIS...48
Tabel 4.12 Hasil perhitungan energy generated CdTe...49
Tabel 4.13 Hasil perhitungan total loss atau kerugian total...49
Tabel 4.14 Hasil perhitungan energy yield c-Si...50
Tabel 4.15 Hasil perhitungan energy yield CIS...50
Tabel 4.16 Hasil perhitungan energy yield CdTe...51
Tabel 4.17 Hasil perhitungan performance ratio c-Si...51
Tabel 4.18 Hasil perhitungan performance ratio CIS...52
Tabel 4.19 Hasil perhitungan performance ratio CdTe...52
Tabel 4.20 Hasil perhitungan capacity utilization factor c-Si...53
Tabel 4.21 Hasil perhitungan capacity utilization factor CIS...53
Tabel 4.22 Hasil perhitungan capacity utilization factor CdTe...54
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kehidupan manusia sekarang ini tidak bisa lepas dari penggunaan energi listrik. Mulai dari rumah–rumah di kawasan kumuh hingga di perumahan mewah semuanya menggunakan listrik. Energi listrik memiliki peranan sangat penting, karena peralatan yang kita gunakan sehari-hari semuanya menggunakan listrik sehingga membuat kita menjadi ketergantungan terhadap energi listrik. Sebagai contoh ketika terjadi pemadaman listrik oleh PLN, banyak yang masyarakat mengeluh segala macam aktivitasnya terhambat, baik aktivitas di sektor rumah tangga, industri, lembaga pendidikan, perdagangan maupun pemerintahan.
Di dunia ini kita mengenal dua jenis sumber energi, yaitu sumber energi yang dapat diperbaharui dan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Penggunaan energi secara nasional cenderung pada sumber energi batubara dan gas alam, yang mana persediaan energi tersebut semakin menipis karena tidak dapat diperbaharui. Jika dibiarkan dapat mengancam keberlangsungan kehidupan manusia di muka bumi ini.
Energi terbarukan (renewable energy) adalah energi yang ramah lingkungan dan tidak memberikan kontribusi terhadap
perubahan iklim dan pemanasan global yang disebabkan oleh kandungan karbon dioksida yang tinggi. Penggunaan energi terbarukan akan mengurangi penggunakan bahan bakar fosil yang terus kita bakar. Bahan bakar fosil menyebabkan polusi udara, air, tanah dan menghasilkan gas rumah kaca yang berkontribusi terhadap pemanasan global. Dengan mengurangi penggunaan bahan bakar fosil, kita telah ikut berkontribusi
mengurangi polusi atau emisi karbon dioksida yang dihasilkan dari penggunaan bahan bakar fosil dan akan memberikan dampak perubahan iklim yang lebih rendah. Untuk mengatasi masalah tersebut, maka diperlukan usaha untuk mencari sumber energi alternatif atau energi yang dapat diperbaharui
seperti energi angin, energi air, energi matahari, energi panas bumi
(geothermal) dan lain-lain.
Energi matahari dapat diperoleh dengan mudah dan tanpa susah payah untuk mengeksplorasinya. Kelebihan yang dimiliki energi matahari adalah jumlah energi cahaya matahari berlimpah dan wilayah Indonesia selalu tersinari cahaya matahari sepanjang tahun. Kita dapat memasang panel surya diatap rumah, halaman rumah, mobil pribadi maupun di peralatan elektronik pribadi tanpa ada orang yang merasa dirugikan karena energi mataharinya kita ambil (Dwidayanti, 2017).
Secara geografis Indonesia terletak di daerah garis khatulistiwa dengan sumber energi surya sangat berlimpah sehingga memiliki potensi yang sangat besar untuk dimanfaatkan sebagai pembangkitan energi listrik. Wilayah Indonesia memiliki intensitas radiasi yang cukup tinggi, rata- rata intensitas radiasi di seluruh wilayah indonesia sekitar 4.8 kWh/m2 per hari. Ini Berarti tiap 1 kW photovoltaic (PV) dapat menghasilkan 4,8 kWh energi listrik setiap harinya. Berlimpahnya energi surya di negara kita ini merupakan potensi yang seharusnya dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik secara optimal (Heru Purnomo, 2011).
Permasalahan yang ada sekarang ini adalah pemasangan panel surya untuk merubah energi matahari menjadi energi listrik membutuhkan biaya yang cukup besar. Untuk itu kita perlu mensimulasikan ketersediaan energi matahari dan menentukan energi listrik yang akan dihasilkan panel surya sepanjang tahun menggunakan software simulasi Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS).
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana potensi energi listrik yang dihasilkan panel surya di Masjid Hj. Sudalmiyah Rais menggunakan simulasi software PVGIS?
2. Bagaimana posisi/arah panel surya (azimuth) di atap Masjid Hj.
Sudalmiyah Rais yang paling maksimal dalam menghasilkan energi listrik?
3. Bagaimana perbedaan performa panel surya dengan teknologi material yang berbeda?
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian yang dilakukan yaitu :
1. Mengetahui potensi energi listrik yang dihasilkan panel surya di Masjid Hj. Sudalmiyah Rais menggunakan simulasi software PVGIS.
2. Mengetahui posisi/arah panel surya (azimuth) di atap Masjid Hj.
Sudalmiyah Rais yang paling maksimal dalam menghasilkan energi listrik.
3. Mengetahui perbedaan performa panel surya dengan teknologi material yang berbeda.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Simulasi menggunakan software PVGIS.
2. Sudut (slope) dan arah (azimuth) panel surya sesuai kondisi sudut dan arah atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais.
3. Material panel surya menggunakan material yang sudah tersedia di software PVGIS (Crystalline Silicon (c-Si), Copper Indium Selenide (CIS) dan Cadmium Telluride (CdTe)).
4. Penelitian ini hanya meneliti tentang potensi produksi listrik panel surya pada atap genteng Masjid Hj. Sudalmiyah Rais UMS.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini antara lain :
1. Menambah ilmu pengetahuan dan kepustakaan tentang
sistem pembangkit listrik tenaga surya.
2. Memahami perbedaan teknologi material panel surya yang ada di pasaran.
3. Bagi mahasiswa, penelitian ini bisa digunakan sebagai acuan untuk penelitian-penelitian berikutnya.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan laporan tugas akhir ini dibagi ke dalam beberapa bab dengan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab pendahuluan berisikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Bab tinjauan pustaka berisikan tentang kajian pustaka dari penelitan yang telah dilakukan dan teori pendukung yang digunakan dalam penulisan laporan ini.
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
Bab metodologi penelitian berisikan tentang diagram alir penelitian, alat dan bahan, metode penelitian dan prosedur penelitian.
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab hasil dan pembahasan berisikan tentang hasil simulasi, hasil perhitungan dan pembahasan data dalam bentuk analisa, tabel data dan grafik.
BAB V. PENUTUP
Bab penutup berisikan tentang kesimpulan dan saran setelah penulis melakukan penelitian dan berdasarkan dari hasil dan pembahasan yang telah dianalisis.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kajian Pustaka
Studi tentang software simulasi untuk analisis dan ukuran teknis pada sistem photovoltaic, kebijakan teknis, ekonomi dan lingkungan di tingkat global pada promosi teknologi ramah lingkungan terutama penggunaan tenaga surya di sektor listrik saat ini. Karena itu ruang lingkup untuk analisis dan permodelan sistem PV sebelum instalasi di lapangan menjadi bagian penting untuk installer dan penyedia layanan, untuk itu perlu menggunakan software simulasi untuk analisis dan ukuran teknis sistem PV. Beberapa software simulasi sistem PV yang dapat digunakan yaitu PV Watt, PVGIS, PV-Online, PV*SOL, PVsyst dan System Advisor Model (SAM). Dari enam software simulasi tersebut, hanya Pvsyst dan SAM yang tidak tidak termasuk software online.
Analisi yang lebih rinci pada sistem PV dapat diakses menggunakan SAM dan Pvsyst (Kumar, 2017).
Sebuah penelitian evaluasi perbandingan penggunaan software simulasi hasil produksi listrik photovoltaic (PVGIS, PVWatt dan RETScreen), tiga software yang digunakan untuk estimasi cepat dan perhitungan yang relevan dengan produksi listrik panel surya pada pengukuran aktual PLTS yang dipasang di Yunani yang sudah dikumpulkan lebih dari 24 bulan. Instalasi panel surya yang dipasang di atap sebesar 9,6 kWp di wilayah Athena, PVGIS memberikan hasil yang lebih dekat dengan pengukuran aktual, deviasi tahunan hanya -2%, sedangkan deviasi tahunan PVWatt sebesar -9,2% dan RETScreen -13%.
Instalasi panel surya yang dipasang pada lapangan terbuka di wilayah Lakonia, hasil simulasi PVGIS dan RETScreen tampak lebih akurat dengan pengukuran aktual, deviasi tahunan PVGIS
sebesar +3%, RETScreen sebesar -2,4% dan PVWatt sebesar - 8%. Instalasi panel surya yang menggunakan pelacakan 2 sumbu sebesar 98,4 kWp di wilayah Florina, PVGIS dan PVWatt memberikan hasil yang lebih akurat dengan pengukuran aktual, deviasi tahunan PVGIS
sebesar -4%, PVWatt sebesar -6,5% dan RETScreen sebesar - 12,6% (Psomopoulos et al., 2015).
Penelitian tentang perbandingan performa panel surya sistem BAPV dan BIPV dengan teknologi c-Si, CIS dan CdTe dalam kondisi cuaca tropis. Perbandingan kinerja menggunakan software Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) dengan kapasitas pemasangan panel surya 32,7 kWp di Universiti Malaysia Pahang (UMP). Produksi energi listrik tahunan sistem BIPV teknologi c-Si sebesar 43.680 kWh/tahun, CIS sebesar 44.060 kWh/tahun dan CdTe sebesar 46.090 kWh/tahun. Produksi energi listrik tahunan sistem BAPV teknologi c-Si sebesar 45.390 kWh/tahun, CIS sebesar 35.020 kWh/tahun dan CdTe sebesar 46.180 kWh/tahun. Total kerugian sistem (system losses) untuk sistem BIPV teknologi c-Si sebesar 27,8%, CIS sebesar 27,2% dan CdTe sebesar 23,8%. Sedangkan total kerugian sistem untuk sistem BAPV teknologi c-Si sebesar 25%, CIS sebesar 25,6% dan CdTe sebesar 22,6%. Hasil yang didapatkan adalah performa sistem BAPV lebih baik daripada sistem BIPV dan panel surya teknologi CdTe memiliki peforma yang lebih baik dari pada teknologi CIS dan c-Si (Kumar et al., 2019).
Sebuah penelitian tentang performa operasional sistem panel surya skala megawatt jaringan terintegrasi pada atap gedung di iklim tropis basah dan kering di India. Prediksi dan penilaian performa tiga software simulasi populer (PVGIS, PVWatt dan PVSyst) untuk dilakukan perbandingan dengan hasil aktual pemasangan Solar Photovoltaic (SPV) 1 MW di atap bangunan Gandhi Institute of Technology and Management Science (GITAM) di India, dengan pencatatan produksi energi SPV selama 12 bulan dari 1 Oktober 2018 hingga 30 September 2019. Perbandingan hasil tiga software simulasi dengan hasil aktual SPV 1 MW adalah mean bias error (MBE) atau deviasi tahunan PVGIS sebesar 5,33%,
PVWatt sebesar 12,33% dan PVSyst sebesar 30,64 %. Dan rata- rata tahunan normallized mean bias errors (NMBE) atau kesalahan rata-rata bias yang dinormalisasi
untuk software PVGIS sebesar 2,954%, PVWatt sebesar 7,88%, dan PVSyst sebesar 22,75% (Thotakura et al., 2020).
Penelitian tentang pengujian sistem panel surya dengan program simulasi berbasis web PVGIS dan Sunny Design Web dan evaluasi kelayakan terhadap hasil yang diperoleh. PLTS dengan kapasitas 250 kWp dipasang di Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi (Fakultas Teknik Universitas Dicle) Turki, data produksinya telah direkam sejak Desember 2015 selama 11 bulan. Hasil yang diperoleh, kedua program simulasi memperkirakan produksi energi lebih sedikit daripada energi sebenarnya yang dihasilkan pada bulan Desember, dengan hasil 20,8 % lebih banyak dari PVGIS dan 25,64% lebih banyak dari Sunny Design Web. Dan sebaliknya di bulan Januari, energi aktual yang dihasilkan adalah 19,92% lebih rendah dari Sunny Design Web dan 28,97% lebih rendah dari PVGIS. Pada bulan- bulan lainnya, hasil simulasi mendekati hasil produksi aktual (Haydaroglu dan Gumus, 2016).
Sebuah studi tentang potensi energi surya di Indonesia menggunakan software simulasi PVGIS dan menggunakan panel surya teknologi c-Si, CIS dan CdTe dengan kapasitas pemasangan 100kWp di Medan. Hasil simulasi panel surya dengan sudut pemasangan tetap (Slope
= 0⁰ dan Azimuth = 0⁰) produksi energi listrik tahunan teknologi c-Si sebesar
133.200 kWh, CIS sebesar 131.340 kWh dan CdTe sebesar 143.300 kWh. Hasil simulasi panel surya menggunakan sistem pelacakan posisi matahari dengan 2 sumbu pelacakan, produksi energi listrik tahunan teknologi c-si sebesar 162.200 kWh, CIS sebesar 160.000 kWh dan CdTe sebesar
176.200 kWh. Meskipun teknologi CdTe memperoleh performa yang paling baik, tetapi teknologi crystalline silicon (c-Si) masih menjadi pilihan terbaik karena kurang tergantung pada
kemiringan, suhu dan harga lebih murah daripada teknologi thin film (Minh-Quan Dang, 2017).
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Pembangkit listrik tenaga surya merupakan salah satu pembangkit listrik yang ramah lingkungan, dengan mengubah energi elektromagnetik dari sinar matahari menjadi energi listrik.
Sinar matahari tersedia gratis di alam, sehingga PLTS termasuk salah satu energi yang dapat diperbaharui (renewable energy).
Pembangkit listrik tenaga surya ini merupakan salah satu pembangkit listrik yang direkomendasikan di daerah pelosok atau daerah terpencil yang sulit dari jangkauan jaringan listrik PLN. Beberapa alasan utama menggunakan teknologi fotovoltaik adalah sebagai berikut :
1. Sumber energi yang tersedia melimpah dan tanpa biaya untuk mengeksplorasinya
2. Ramah lingkungan, tidak menghasilkan polusi
3. Pemeliharan dapat dilakukan pekerja setempat yang sudah terlatih dan tidak memerlukan pemeliharaan yang sering 4. Biaya pengoperasian dan pemeliharaan sistem pembangkit
listrik tenaga surya relatif kecil (Ramadhani, 2018).
Gambar 2.1 Komponen sederhana PLTS
(Sumber : zakariyaarif.web.ugm.ac.id, diakses tanggal 18 Juli 2020)
Komponen utama yang digunakan dalam PLTS : 1. Panel surya
Panel surya berfungsi mengubah radiasi sinar matahari yang mengenai permukaan modul menjadi listrik DC.
2. Baterai
Baterai berfungsi untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan panel surya saat siang hari dan digunakan ketika ada penggunaan beban meningkat dan energi dari panel surya tidak cukup dalam memasok energi.
3.Solar Charge Controller (SSC)
SCC berfungsi untuk mengatur tegangan dan arus dari panel surya ke baterai, mencegah pengisian daya baterai yang berlebihan dan memperpanjang masa pakai baterai.
4.Inverter
Inverter berfungsi mengubah output DC dari panel surya menjadi arus AC yang aman untuk peralatan AC.
5.Load/beban
Load/beban yaitu peralatan listrik yang terhubung ke sistem panel surya seperti lampu, televisi, komputer, lemari es, dll.
2.2.2 Panel Surya (Photovoltaic)
Panel Surya biasa disebut photovoltaic, berasal dari perkataan Yunani “phos” yang memiliki arti cahaya, dan “voltaic”, yang memiliki arti listrik. Voltan atau voltaic pula diambil sesuai nama ahli Fisika Itali bernama Alessandro Volta. Istilah foto- voltan atau “photo voltaic” telah digunakan sejak 1849. Teknologi fotovoltan beroperasi tidak bising, tidak mengeluarkan bahan pencemar, bersih, mempunyai tingkat kepercayaan yang tinggi, ongkos pemeliharaan yang rendah, dan mempunyai jangka pakai yang panjang, selama 20 hingga 30 tahun. SeI-sel surya digabungkan dan dijadikan satu panel atau modul (Supranto, 2015). Sel-sel tersebut berikut dengan kawat busbar penghubungnya dilindungi oleh bahan pelapis atau enkapsulasi (encapsulating material) yang melindungi sel-sel dari kontak langsung dengan lingkungan dan kekuatan mekanik yang dapat
merusak sel-sel yang tipis (Ramadhani, 2018).
Panel surya merupakan suatu alat atau komponen yang berfungsi untuk merubah energi elektromagnetik dari sinar matahari menjadi energi listrik melalui proses aliran-aliran elektron positif dan negatif didalam sel modul tersebut karena adanya perbedaan elektron. Hasil dari aliran-aliran elektron tersebut akan memjadi aliran listrik searah atau DC, listrik DC dimanfaatkan untuk mengisi baterai atau aki dan dapat dimanfaatkan langsung untuk menghidupkan alat elektronik yang menggunakan listrik DC.
Gambar 2.2 Panel Surya
(Sumber : nusabali.com, diakses pada tanggal 7 Juni 2020) Faktor-faktor yang mempengaruhi output dari panel surya :
1. Intensitas radiasi sinar matahari yang mengenai permukaan panel surya, radiasi diukur dengan satuan W/m2.
2. Shading atau bayangan benda yang menghalangi sampainya sinar matahari ke permukaan panel surya dan debu atau kotoran lainnya yang menempel diatas permukaan panel surya.
3. Kenaikan temperatur pada panel surya yang menyebabkan efisiensi pada panel surya berkurang sesuai dengan koefisien temperatur dari modul (%/⁰C).
4. Sudut kemiringan (slope) dan azimuth pemasangan panel surya. (Ramadhani, 2018)
Jenis panel surya dikelompokkan berdasarkan bahan atau material sel surya yang menyusunnya. Ada beberapa jenis panel surya yang dapat ditemukan dipasaran saat ini, yaitu
a. Crystalline Silicon (c-Si)
Teknologi c-Si mampu menghasilkan sel surya dengan efisiensi yang sangat tinggi. Teknologi crystalline silicon (c-Si) dibagi menjadi dua yaitu monocrystalline dan multi-crystalline (poly- crystalline).
o Monocrystalline
Panel surya teknologi monocrystalline terbuat dari kristal silikon dengan kemurnian tinggi. Monocrystalline memiliki berbentuk silinder, kemudian diiris tipis menjadi bentuk wafers setebal 200-250 μm, dan permukaan atasnya dibuat alur-alur mikro (microgrooves) yang bertujuan untuk meminimalkan kerugian refleksi atau pantulan. Teknologi monocristalline untuk produk komersial memiliki efisiensi rata- rata 14% hingga 17% (ABB QT 10, 2010). Rekor performa modul mono c-Si terbaik di laboratorium dengan efisiensi 24,4% (Philips dan Warmuth, 2020). Produk komersial dari Yingli Solar Energy YLM 72 Cell, memiliki efisiensi 19,12%- 20,2% (Yingli Solar Energy, 2020).
Gambar 2.3 Panel Surya Monocrystalline Silicon (Sumber: ABB QT 10)
o Polycrystalline
Polycrystalline diperoleh dengan melelehkan dan menuang silikon ke dalam cetakan yang berbentuk paralel. Wafers yang diperoleh berbentuk persegi dan memiliki corak tipikal dengan ketebalan 180- 300 μm. Efisiensinya lebih rendah dari monocrystalline silicon, dengan efisiensi rata-rata produk komersialnya 12% sampai14% (ABB QT 10, 2010). Rekor performa modul poli c-Si terbaik di laboratorium dengan efisiensi 19,9% (Philips dan Warmuth, 2020). Produk komersial dari Yingli Solar Energy YGE 72 Cell, memiliki
efisiensi 16,5%-17,7% (Yingli Solar Energy, 2020).
Gambar 2.4 Panel Surya Polycrystalline Silicon (Sumber: ABB QT 10)
b. Lapisan tipis (thin film)
Sel thin film tersusun oleh bahan semi konduktor yang diendapkan, biasanya seperti campuran gas, pada penopang seperti kaca, polimer, aluminium yang memberikan konsistensi fisik pada campuran. Lapisan film semi konduktor menggunakan kurang dari 1% bahan baku silikon, sehingga penghematan bahan cukup besar dan memungkinkan memiliki bentuk fisik yang fleksibeluntuk meningkatkan bidang aplikasi sel thin film (ABB QT 10, 2010).
Gambar 2.5 Panel surya jenis thin film (Sumber: ABB QT 10)
Berdasarkan teknologi materialnya, sel surya thin film ini digolongkan menjadi :
o Amorphous Silicon (a-Si)
Penggunaan Sel surya dengan bahan a-Si ini pada awalnya banyak diterapkan pada pengisian ulang baterai jam tangan dan kalkulator. Seiring dengan teknologi pembuatannya yang semakin berkembang, penerapan teknologi ini menjadi semakin luas. Dengan teknik produksi yang disebut
"stacking" (susun lapis), dimana beberapa lapis Amorphous Silicon ditumpuk membentuk sel surya, akan memberikan efisiensi yang lebih baik antara 6% - 8% (Alfarisi, 2017).
o Cadmium Telluride (CdTe)
Panel surya jenis CdTe ini mengandung bahan utama Cadmium Telluride, efisiensi rata-rata produk komersial saat ini dari panel surya CdTe adalah sekitar 9% - 19% dan efisiensi lab tertinggi adalah 21 % (Philips dan Warmuth, 2020). Keuntungan dari CdTe adalah biaya teknologi pembuatan yang relatif rendah (Vitezslav Benda, 2010).
Produk komersial dari First Solar Series 6TM 264 Cell, memiliki efisiensi 17% - 18% (First Solar, 2018).
Gambar 2.6 Panel surya material CdTe (Sumber : Brosur First Solar Inc., 2018) o Copper Indium Selenide (CIS)
Panel surya jenis CIS mengandung bahan utama copper, indium dan selenide. Penggunaan material CIS tampaknya sangat menjanjikan, efisiensi pada sampel laboratorium mencapai 22,9%, dan efisiensi modul panel surya yang telah dibuat sekitar 13%-16% (Vitezslav Benda, 2010). Selain itu panel surya dengan material CIS ini tidak mengandung bahan berbahaya cadmium seperti pada panel surya CdTe (Alfarisi, 2017). Produk komersial dari Miasole Flex Series- 03W, memiliki efisiensi 15,4% - 16,7% (Miasole A Hanergy Company, 2018).
Gambar 2.7 Panel surya material CIS (Sumber : Brosur MiaSole A Hanergy Company,
2019)
2.2.3 Konfigurasi Sistem PLTS
Konfigurasi sistem PLTS berdasarkan bagaimana komponen sistem terhubung ke sumber daya lain diklasifikasikan menjadi dua, yaitu PLTS off grid atau stand-alone PV dan grid connected.
a.PLTS off grid atau stand-alone
PLTS off grid adalah pembangkit listrik tenaga surya untuk memenuhi kebutuhan energi listrik sendiri, dengan mengandalkan energi sinar matahari sebagai sumber utama energi listrik. PLTS off grid adalah salah satu solusi terbaik sebagai pembangkit listrik yang digunakan untuk wilayah atau daerah terpencil yang jauh dari jaringan PLN. Penerapan instalasi PLTS off grid tidak memerlukan listrik dari jaringan PLN maupun sumber lainnya seperti genset. Sehingga diperlukan baterai untuk menyimpan energi berlebih yang dihasilkan panel surya. Listrik yang dihasilkan melebihi permintaan dapat disimpan dalam baterai untuk digunakan sebagai cadangan pada waktu malam hari atau pada saat lain ketika sinar matahari tidak tersedia karena cuaca berawan. Inverter mengubah listrik DC ke AC untuk menjalankan beban AC (seperti peralatan rumah tangga, lampu, dll.) (Quiles e. al., 2020).
Sistem penyimpanan adalah bagian yang cukup penting dalam sistem off grid ini, karena menjadi sumber utama untuk memasok daya ketika panel surya tidak menghasilkan energi listrik. Baterai jenis lead acis khusus adalah sistem penyimpanan yang paling banyak digunakan karena banyak ketersediaan barangnya. Baterai adalah bagian mahal dari sistem off grid karena semua bagian lainnya memiliki masa pakai yang lama kecuali baterai yang memiliki lifetime yang panjang kecuali baterai yang memiliki lifetime yang lebih
pendek, sehingga memerlukan perhatian khusus dalam desain dan koneksi untuk meningkatkan masa pakai dan meningkatkan efisiensi sistem (Eskander et al., 2019).
PV Module
Baterai Inverter
AC Load
Gambar 2.8 Diagram blok sistem panel surya off-grid
Gambar 2.9 Diagram skema sistem panel surya off-grid (Sumber : Al-Shamani, 2015)
b. PLTS grid connected
PLTS grid connected merupakan pembangkit listrik tenaga surya untuk yang ramah lingkungan dan bebas emisi.
Rangkaian sistem grid connected tetap terhubung dengan jaringan PLN dan mengoptimalkan pemanfaatan energi dari panel surya untuk menghasilkan energi semaksimal mungkin.
PLTS grid connected terhubung ke jaringan PLN melalui panel distributor dan dirancang untuk beroperasi secara paralel.
DC load Charge
Controller
Inverter PLN
Ada dua jenis desain PLTS grid connected, yaitu sistem memiliki penyimpanan energi atau baterai dan sistem yang tidak memiliki penyimpanan energi. sistem yang memiliki penyimpanan energi akan tetap beroperasi selama ada pemadaman listrik. Ketika terjadi pemadaman listrik, sistem akan terputus dari jaringan PLN dan memberi daya pada rangkaian beban tertentu. Jika pemadaman terjadi pada siang hari, panel surya akan membantu memasok daya pada rangkaian beban tersebut (Lana El Char, 2011)
Dalam sistem grid connected, tidak memerlukan baterai sebagai tempat penyimpanan daya listik. Sesuai namanya, grid connected berarti bekerja sama dengan arus listrik dari PLN.
Yakni arus PLN menjadi penghubung atau penyalur arus listrik dari panel surya kepada beban. Sehingga kebutuhan energi listrik pada waktu siang hari dipenuhi dari energi listrik yang dihasilkan panel surya. Sedangkan untuk memenuhi kebutuhan listrik pada malam hari menggunakan jaringan lisrik PLN. Kelebihan produksi energi listrik disupyai ke jaringan listrik PLN, ketika listrik yang dihasilkan tidak cukup untuk penggunaan beban listrik maka akan mengambil dari jaringan listrik PLN. Besarnya energi listrik yang disuplai ke jaringan PLN dan sebaliknya, dihitung menggunakan KWH meter EXIM (Export - Import).
PV Module
AC Load
Gambar 2.10 Diagram blok sistem panel surya grid-connected KWH EX-IM
Distribution Panel
DC load Charge
Controller
Gambar 2.11 Diagram skema sistem panel surya Grid Connected
(Sumber : http://www.sunergi.co.id, diakses pada tanggal 7 Juni 2020)
2.2.4 Metode Konstruksi dan Pemasangan Panel Surya di Bangunan Panel surya terintegrasi atau melekat pada atap atau dinding bangunan untuk menghasilkan tenaga listrik.
Berdasarkan metode pemasangan dan konstruksi di gedung, sistem PV diklasifikasikan ke dalam dua sistem, yaitu sistem bulding applied photovoltaic (BAPV) dan sistem building integrated photovoltaic (BIPV).
Gambar 2.12 Diagram Skema sistem BIPV dan BAPV (Sumber : Kumar et. al., 2019)
a. Building Applied Photovoltaic (BAPV)
Building Applied Photovoltaic (BAPV) yaitu panel surya dipasang ke permukaan bangunan yang ada setelah konstruksi selesai atau langsung melekat ke bangunan menggunakan struktur pemasangan tambahan. Disini, panel surya tidak memiliki efek langsung pada struktur dan fungsi bangunan.
Panel surya dipasang pada sudut kemiringan tertentu baik di atap, fasad dan dinding bangunan berdasarkan kondisi cuaca setempat. BAPV juga dapat dipasang di atap horizontal dan dinding vertikal (Kumar et.al, 2019).
Sistem BAPV dapat dipasang dengan mudah, memerlukan waktu pemasangan yang cepat dan biaya pemasangan yang rendah. Tetapi beban bangunan meningkat dan efek keseluruhan dari bangunan akan terpengaruh. Panel surya menempel pada bangunan tersebut sehingga beban yang diterima bangunan semakin besar (Wang et. al., 2016).
Gambar 2.13 Penerapan BAPV pada atap bangunan (Sumber : Wang et. al., 2016)
b. Building Integrated Photovoltaic (BIPV)
Building Integrated Photovoltaic (BIPV) adalah panel surya yang
terintegrasi dengan bangunan untuk menggantikan bahan bangunan konvensional di bagian selubung bangunan seperti atap, fasad dan
dinding bangunan. BIPV tersebut memiliki fungsi ganda pada dinding luar bangunan yaitu menggantikan bahan-bahan material konvensional dan menjadikan pembangkit listrik. BIPV dipasang dengan mempertimbangkan kondisi cuaca setempat dan arsitektur bangunan. Dalam hal ini, sistem BIPV akan berdampak pada struktur bangunan dan fungsinya. (Okky , 2017).
BIPV memiliki dampak yang lebih besar pada lingkungan dalam gedung. Produk BIPV seringkali transparan atau semi transparan, yang memungkinkan sinar dan panas matahari lewat, sehingga secara langsung memodifikasi suasana dalam ruangan. Selain itu, penggunaan BIPV juga dapat mengendalikan kenaikan atau penurunan panas matahari, cahaya di siang hari dan mengatur biaya jendela, atap atau bahan dinding. sel PV untuk produk BIPV kebanyakan adalah thin film, yang mana memiliki pembangkit daya yang rendah karena hambatan listrik yang tinggi dari thin film tersebut (Wang et. al., 2016).
Gambar 2.14 Penerapan BIPV pada atap bangunan (Sumber : http://dynamicsolartech.com, diakses tanggal 19 Juli 2020)
Ada dua pengaturan sudut dalam pemasangan panel surya, yaitu slope dan azimuth. Slope adalah sudut atau kemiringan
panel surya dari bidang horisontal, untuk pemasangan tetap (non-pelacakan). Sedangkan azimuth adalah sudut relatif modul photovoltaic terhadap arah mata angin.
Gambar 2.15 Slope dan azimuth pada panel surya
(Sumber : https://www.forgesolar.com, diakses tanggal 23 Agustus 2020)
2.2.5 Sumber Energi Matahari
Matahari adalah suatu bola dari gas panas dengan diameter 1,39 x 109 m dan jarak rata-rata dari bumi 1,5 x 1011 m.
Matahari memiliki suhu efektif permukaan sekitar 5777 K. (Rosa- Clot dan Tina, 2018). Radiasi matahari yang tersedia di luar atmosfer bumi yang biasa disebut konstanta radiasi matahari sebesar 1353 W/m2 dikurangi intesitasnya oleh penyerapan dan pemantulan oleh atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi.
Lapison ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang- gelombang pendek (ultraviolet) sedangkan karbon dioksida dan uap air juga menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (infra merah). Selain pengurangan sorotan atau radiasi bumi yang langsung oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipencarkan oleh uap air, debu dan molekul-molekul gas dalam atmosfer sebelum mencapai bumi yang disebut sebagai radiasi sebaran seperti terlihat pada gambar 2.16 (Jansen, 1995).
Gambar 2.16 Distribusi Radiasi Matahari Sampai ke Permukaan Bumi (Sumber : Rosa-Clot dan Tina, 2018)
Dengan adanya faktor tersebut menyebabkan radiasi yang diterima oleh permukaan bumi memiliki intensitas radiasi yang berbeda-beda setiap saat. Besarnya radiasi harian yang diterima permukaan bumi ditunjukkan pada grafik gambar 2.17. Pada waktu pagi dan sore hari, intensitas radiasi yang sampai permukaan bumi lebih kecil. Hal ini disebabkan arah sinar matahari membentuk sudut tertentu atau tidak tegak lurus dengan permukaan bumi, sehingga sinar matahari mengalami
peristiwa penyebaran segala arah (difusi) oleh atmosfer bumi (Jansen, 1995).
Gambar 2.17 Grafik besar radiasi harian matahari yang
mengenai permukaan bumi (Sumber : Jansen, 1995)
Besarnya radiasi yang diterima panel sel surya dipengaruhi oleh sudut datang (angle of incidence) yaitu sudut antara arah sinar datang dengan komponen tegak lurus bidang panel.
Gambar 2.18 Arah sinar datang membentuk sudut terhadap normal bidang panel sel surya
(Sumber : Jansen, 1995)
Panel akan mendapat radiasi matahari maksimum pada saat matahari tegak lurus dengan bidang panel. Pada saat arah matahari tidak tegak lurus dengan bidang panel atau membentuk sudut seperti gambar
2.18 maka panel akan menerima radiasi lebih kecil dengan faktor cos
(Jansen, 1995).
Ir = Ir0 x cos ...(2.1) Keterangan :
Ir : Radiasi yang diserap panel surya Ir0 : Radiasi yang mengenai panel surya
: Sudut antara sinar datang dengan normal bidang panel surya
2.2.6 Parameter Performa Panel Surya
Parameter yang digunakan untuk mengetahui kinerja sistem secara keseluruhan sehubungan dengan produksi energi, sumber daya matahari dan kerugian sistem adalah sebagai berikut :
a. Energy generated (E)
Energy generated merupakan nilai total daya AC yang dimasukkan ke grid setiap hari, bulanan atau tahunan dan diukur di seluruh terminal
output inverter oleh data logger untuk interval waktu tertentu.
Dalam studi ini, energy generated adalah PV energy output (kWh) yang dihasilkan dari simulasi PVGIS.
b. Energy yield (EY)
Energy yield merupakan output energi AC dari sistem PLTS yang dihasilkan setiap hari, bulanan atau tahunan dibagi dengan daya puncak (peak power) modul PV yang dipasang.
𝐸𝑌 = 𝐸 𝑃𝑜
. . . . . . . (2.2)
Keterangan : EY = Energy yield
(kWh/kWp) E = Energy generated (kWh)
Po = Total peak power modul PV yang dipasang (kWp) c. Performance ratio (PR)
Performance ratio merupakan rasio kinerja yang menunjukkan efek kerugian pada output daya pembangkit listrik PV selama konversi DC ke AC.
𝑃𝑅 = 𝐸
(𝐴 𝑥 𝜂𝑝𝑣 𝑥 𝐻𝑡)
𝑥 100% . . . . . . . (2.3)
Keterangan :
PR = Performance ratio (%) E = Energy generated (kWh)
A = Luas pemasangan modul PV (m2) ηpv = Efisiensi modul PV (%) Ht = Iradiasi matahari (kWh/m2) d. Capacity Utilization Factor (CUF)
Capacity utilization factor (CUF) merupakan output aktual yang dihasilkan panel surya dibandingkan dengan output
maksimum teoritis dari spesifikasi panel surya (Sukumaran dan Sudhakar, 2017).
𝐶𝑈𝐹 = Keteranga n :
�
� 𝑃𝑜 𝑥 24
𝑥30
𝑥 100% . . . . . . . (2.4)
CUF = Capacity utilization factor (%) E = Energy generated (kWh)
Po = Total peak power modul PV yang dipasang (kWp)
2.2.7 Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS).
Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) dikembangkan oleh European Commission Joint Research Centre di Ispra, Italy sejak tahun 2001. Fokus PVGIS adalah penelitian penilaian sumber daya matahari, studi kinerja fotovoltaik (PV) dan penyebaran pengetahuan dan data tentang radiasi matahari dan performa PV.
PVGIS adalah aplikasi online tidak berbayar untuk menghitung energi panel surya jaringan berdiri sendiri (off grid) maupun jaringan terhubung (grid connected). PVGIS menyediakan database gratis radiasi matahari yang besar dan akurat, alat ideal untuk memperkirakan produksi listrik tenaga surya dari sistem fotovoltaik. PVGIS menggunakan aplikasi Google Map yang membuatnya mudah digunakan. Aplikasi ini menghitung potensi energi pembangkitan listrik bulanan dan tahunan [kWh] dari sistem photovoltaic dengan kemiringan dan orientasi modul yang ditentukan (Psomopoulos, 2015).
PVGIS menyediakan akses tidak berbayar dan terbuka, seperti :
Potensi photovoltaic untuk berbagai teknologi dan konfigurasi jaringan berdiri sendiri (off grid) maupun jaringan terhubung (grid connected).
Radiasi matahari dan suhu, sebagai histori data rata-rata bulanan atau harian.
Rangkaian waktu penuh nilai per jam dari kedua radiasi matahari dan kinerja photovoltaic.
Data tahun metereologi khusus untuk sembilan variabel iklim.
Peta, berdasarkan negara atau wilayah, sumber daya matahari dan potensi photovoltaic siap untuk dicetak.
Perangkat lunak PVMAPS mencakup semua model estimasi yang digunakan dalam PVGIS.
Saat ini perhitungan yang dapat dilakukan dengan PVGIS adalah : o Performance of grid-connected PV, Kinerja photovoltaic sistem grid- connected ini memungkinkan untuk memperkirakan produksi energi rata-rata bulanan dan tahunan sistem PV yang terhubung ke jaringan listrik PLN, tanpa penyimpanan baterai. Kinerja ini dengan
memperhitungkan radiasi matahari, suhu, kecepatan angin dan jenis modul PV. Pengguna dapat memilih bagaimana modul dipasang, apakah pada pemasangan rak yang berdiri bebas, atau terintegrasi dalam permukaan bangunan. PVGIS juga dapat menghitung kemiringan dan orientasi optimal yang memaksimalkan produksi energi tahunan.
o Performance of tracking PV systems, kinerja sistem pelacakan PV ini dapat menghitung output energi rata-rata jangka panjang dari sistem PV yang terhubung ke jaringan tempat menggerakkan modul PV untuk memungkinkan mereka mengikuti (melacak) pergerakan matahari di langit. Dengan cara ini dapat meningkatkan jumlah sinar matahari yang tiba di modul PV. Ada tiga opsi gerakan modul PV dalam melacak pergerakan matahari, yaitu vertical axis, inclined axis dan two- axis tracker.
o Performance of off-grid PV system, kinerja sistem PV off grid ini memungkinkan untuk menghitung kinerja sistem PV yang tidak terhubung ke jaringan listrik PLN tetapi sebaliknya bergantung pada penyimpanan baterai untuk memasok energi ketika matahari tidak bersinar. Perhitungan menggunakan informasi tentang variasi konsumsi listrik
harian untuk mensimulasikan aliran energi yang masuk dan keluar dari baterai.
o Monthly irradiation data, data iradiasi bulanan ini untuk mendapatkan radiasi rata-rata bulanan dan data suhu untuk setiap bulan selama rentang tahun
o Daily irradiation data, data iradiasi harian ini untuk menghitung rata-rata radiasi matahari dan suhu siang hari untuk hari rata- rata setiap bulan.
o Hourly radiation data, data radiasi tiap jam yang digunakan oleh PVGIS terdiri dari nilai untuk setiap jam selama periode beberapa tahun, berdasarkan data dari satelit. Bagian dari PVGIS ini memungkinkan untuk mengunduh set lengkap data per jam untuk radiasi matahari atau daya output PV untuk lokasi yang dipilih. Berbeda dengan bagian lain dari PVGIS, data tidak akan ditampilkan sebagai grafik tetapi hanya akan tersedia untuk diunduh.
o Typical Meteorological Year (TMY) adalah seperangkat data meteorologi dengan nilai data untuk setiap jam dalam setahun untuk lokasi geografis tertentu. Data dipilih dari data per jam dalam periode waktu yang lebih lama (biasanya 10 tahun atau lebih). Alat TMY dapat digunakan untuk memvisualisasikan semua data secara interaktif atau untuk
mengunduh data sebagai file
teks. (https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis)
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
Gambaran umum langkah-langkah kerja dalam penelitian ini dapat dilihat dalam diagram pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini : a. Perangkat keras (hardware)
Perangkat keras yang digunakan adalah :
1. Laptop, untuk mengolah data dengan menggunakan bantuan software PVGIS. Laptop Asus dengan spesifikasi Intel Core i5 CPU A45U 3,1 GHz dan sistem operasi windows 10.
2. Handphone, untuk menjalankan software/ aplikasi Google Earth, Protactor, dll. Handphone Samsung tipe A6.
3. Meteran, untuk mengukur panjang dan lebar atap masjid.
4. Busur, untuk mengukur sudut kemiringan atap.
b. Perangkat lunak (software)
Perangkat lunak yang digunakan adalah :
1. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), software PVGIS digunakan sebagai program perhitungan dan komputasi dari data yang telah diambil.
2. Microsoft Office Excel, digunakan untuk mengolah data hasil simulasi dari software PVGIS.
3. Aplikasi Google Earth, digunakan untuk mengukur luas atap bangunan.
4. Aplikasi Protactor, digunakan untuk mengukur sudut kemiringan atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais.
3.2.2 Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini : a. Letak geografis melalui website Google Maps.
b. Data luas dan sudut kemiringan atap genteng serta sudut kemiringan bangunan (azimuth) bangunan Masjid Hj.
Sudalmiyah Rais UMS.
c. Data spesifikasi modul panel surya dari brosur perusahaan.
3.3 Prosedur Penelitian 3.3.1 Pengambilan data awal
1. Menghitung luas atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais, bisa menggunakan dua cara, yaitu mengukur atap secara langsung menggunakan meteran dan menggunakan aplikasi Google Earth. Perhitungan luas atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais menggunakan aplikasi Google Earth dilakukan dengan cara menarik garis lurus dari ujung ke ujung tiap sudut atap, dari garis tersebut akan diketahui ukuran atapnya.
Gambar 3.2 Atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais (Sumber : Google Earth, 2020)
Gambar 3.3 Sketsa atap masjid
Atap yang digunakan dalam penelitian untuk simulasi adalah bagian atap yang miring atau atap genteng, untuk itu dilakukan pengukuran sudut kemiringan atap. Pengukuran sudut kemiringan atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais menggunakan busur atau bisa juga menggunakan HP dengan
bantuan aplikasi Protactor.
Gambar 3.4 Pengukuran kemiringan atap masjid menggunakan aplikasi Protactor
Berdasarkan gambar 3.4 dapat diketahui sudut kemiringan atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais yaitu 35⁰, kemudian untuk luas atap miring tiap sisinya dapat diketahui sebesar 820 m2. 2.Menentukan azimuth atau sudut arah atap Masjid Hj.
Sudalmiyah Rais, bangunan Masjid Hj. Sudalmiyah Rais menghadap kiblat atau Ka’bah. Perhitungan Azimuth masjid dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan pencarian arah kiblat dari lokasi masjid menggunakan bantuan website Muslim Pro (https://www.muslimpro.com) atau melalui data kemiringan arah kibat Kabupaten Sukoharjo di Departemen Agama dan pengukuran langsung menggunakan gambar Google Earth.
Pada website muslim pro dengan melakukan pencarian arah kiblat daerah Kabupaten Sukoharjo, yaitu sekitar 294 derajat (sebagai referensi sudut nol dipakai arah mata angin utara).
Pengukuran azimuth melalui Google Earth, dengan mengambil gambar masjid pada Google Earth yang telah menghadap ke arah utara (lambang kompas warna merah mengarah ke atas), lalu mengukur kemiringan bangunan menggunakan busur derajat.
Gambar 3.5 Azimuth atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais (Sumber : Google Earth, 2020)
Tabel 3.1 Azimuth atap masjid
No. Arah atap
masjid
Azimuth
1 Barat 294⁰
2 Selatan 204⁰
3 Timur 114⁰
4 Utara 24⁰
3.3.2 Pelaksanaan Simulasi
1. Simulasi dilakukan dengan menggunakan menggunakan software Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). Bisa
diakses melalui website PVGIS
(https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/).
Gambar 3.6 Tampilan website PVGIS
2. Memasukkan data lokasi Masjid Hj. Sudalmiyah Rais, dengan menempatkan kursor di lokasi Masjid Hj. Sudalmiyah Rais pada maps atau memasukkan koordinat pada kolom latitude/longitude - 7.556, 110.771. Ketinggian lokasi masjid terukur 108 m dari permukaan air laut.
3. Memilih model yang akan digunakan dalam penelitian, model yang akan digunakan dalam penelitian yaitu grid connected.
PLTS dengan jaringan Grid connected tidak memerlukan baterai
sebagai tempat penyimpanan daya listik. Kelebihan produksi energi listrik disupyai ke jaringan listrik
PLN, ketika listrik yang dihasilkan tidak cukup untuk penggunaan beban listrik maka akan mengambil dari jaringan listrik PLN.
4. Menentukan solar radiation database atau database radiasi matahari. PVGIS menawarkan lima database radiasi matahari yang berbeda dengan resolusi waktu per jam. Database yang akan digunakan untuk penelitian ini adalah PVGIS-SARAH, database ini bisa digunakan untuk wilayah Eropa, Afrika, Asia dan beberapa bagian Amerika Selatan.
5. Menentukan teknologi modul panel surya yang akan digunakan. Pada software PVGIS menyediakan tiga jenis teknologi modul panel surya, yaitu crystalline silicon, copper indium selenide (CIS) atau copper indium Galium selenide (CIGS) dan cadmium telluride (CdTe). Ketiga jenis teknologi ini kita gunakan semua.
6. Menentukan kapasitas panel surya yang akan dipasang (installed peak power PV). Dalam PVGIS, kita memasukkan nilai kapasistas daya sistem photovoltaic (peak power atau watt peak) yang akan disimulasikan. Watt peak atau Wp adalah satuan yang menyatakan daya produksi tertinggi yang dapat dihasilkan panel surya sesuai kondisi tertentu.
Jika mengetahui nilai daya atau Wp pada sistem photovoltaic, kita tidak perlu mengetahui efisiensinya, kecuali untuk menghitung luas modul. Karena nilai daya atau Wp adalah daya yang diklaim oleh pabrikan modul atau sistem. Ini adalah output daya modul yang diukur pada 1000 W/m2 radiasi matahari (suhu modul 25 °C dan spektrum matahari yang sesuai dengan massa udara 1,5). Jika efisiensi modulnya 100%, akan memerlukan 1 m2 untuk menghasilkan sistem dengan daya puncak 1 kW (1 kWp). Kondisi ini dikenal sebagai standart test condition (STC) atau kondisi uji standar.
7. Menentukan perkiraan system loss atau daya yang hilang pada sistem panel surya. Perkiraan semua kerugian dalam sistem yang menyebabkan daya yang sebenarnya dikirim ke jaringan listrik lebih rendah daripada daya yang dihasilkan oleh modul surya. Ada beberapa penyebab kerugian ini, seperti kerugian pada kabel, daya inverter,
kotoran atau debu pada modul dan sebagainya. Selama bertahun-tahun modul-modul ini juga cenderung kehilangan sedikit kekuatannya, sehingga rata-rata keluaran tahunan selama masa pakai panel surya akan beberapa persen lebih rendah daripada keluaran pada tahun-tahun pertama.
Asumsi kerugian standar atau default yang diusulkan PVGIS dan software simulasi lainnya (seperti PVWatt, RETScreen, dll) sekitar 14%. Pada waktu tertentu sebagian atap Masjid Hj.
Sudalmiyah Rais terkena bayangan dari kubah masjid.
Sehingga pada studi ini, kami mengasumsikan perkiraan kerugian pada sistem sekitar 15%.
8. Menentukan posisi pemasangan panel surya pada bangunan, dalam pemasangannya ada dua kemungkinan: free-standing, artinya modul dipasang di tempat dengan udara mengalir bebas di belakang modul dan bulding-integrated, yang berarti bahwa modul sepenuhnya dibangun ke dalam struktur dinding atau atap bangunan, tanpa gerakan udara di belakang modul.
Beberapa jenis pemasangan berada di antara keduanya, misalnya jika panel surya dipasang di atap dengan genteng melengkung, memungkinkan udara bergerak di belakang modul. Dalam kasus seperti itu, kinerja akan berada di antara hasil dua perhitungan yang dimungkinkan di sini. Pemasangan panel surya di atap Masjid Hj. Sudalmiyah Rais ini dipasang di atas genteng yang melengkung, sehingga pemasangan panel surya menggunakan building-integrated dan free-standing dengan mengambil hasil diantara perhitungan keduanya.
9. Mengatur sudut modul panel surya, ada dua pengaturan sudut dalam pemasangan panel surya, yaitu slope dan azimuth. Slope adalah sudut modul PV dari bidang horizontal, untuk pemasangan tetap (non- pelacakan). Pada penelitian ini slope atau sudut kemiringan panel surya disesuaikan dengan sudut
kemiringan atap, yaitu 35⁰.
Sedangkan azimuth pada PVGIS adalah sudut relatif modul PV terhadap arah selatan. -90° adalah arah timur, 0° adalah arah selatan, 90° adalah arah barat dan 180⁰ atau -180⁰ adalah arah utara. Pada studi ini azimuth disesuaikan dengan arah atap atau bangunan, tetapi sebagai referensi sudut 0⁰ dipakai arah mata angin selatan.
Tabel 3.2 Azimuth modul panel surya Arah atap
masjid
Azimuth
Barat 114⁰
Selatan 24⁰
Timur -66⁰
Utara -156⁰
10. Setelah data terkumpul dan dimasukkan kedalam PVGIS, maka tahap selanjutkan mensimulasikan rancangan penelitian. Pada tahap ini berguna untuk menentukan produksi energi listrik dari sistem PV yang telah dirancang.
3.3.3. Pengambilan data simulasi
Dari perancangan sistem panel surya yang telah
disimulasikan, maka data yang akan diambil sebagai berikut : 1. Besarnya energi yang dihasilkan panel surya setiap bulan
dalam satu tahun (PV energy output – kWh/bulan).
2. Besarnya iradiasi pada bidang miring setiap bulan dalam satu tahun (in- plane irrradiation – kWh/m2/bulan).
3. Besarnya estimasi kerugian pada sistem panel surya setiap tahun (total loss - %).
3.4 Konfigurasi Sistem Panel Surya
Konfigurasi sistem panel surya pada simulasi ini untuk menentukan besarnya peak power modul yang dipasang, kerugian sistem, posisi pemasangan, sudut kemiringan atau slope dan