SISTEM PERHITUNGAN SOLAR CELL

SISTEM PERHITUNGAN SOLAR CELL

Energi baru dan yang terbarukan mempunyai peran yang sangat penting dalam memenuhi kebutuhan energi. Hal ini disebabkan penggunaan bahan bakar untuk pembangkit-pembangkit listrik konvensional dalam jangka waktu yang panjang akan menguras sumber minyak bumi, gas dan batu bara yang makin menipis dan juga dapat mengakibatkan pencemaran lingkungan. Salah satunya upaya yang telah dikembangkan adalah Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). PLTS atau lebih dikenal dengan sel surya (sel fotovoltaik) akan lebih diminati karena dapat digunakan untuk berbagai keperluan yang relevan dan di berbagai tempat seperti perkantoran, pabrik, perumahan, dan lainnya. Di Indonesia yang merupakan daerah tropis mempunyai potensi energi matahari sangat besar dengan insolasi harian rata-rata 4,5 - 4,8 KWh/m² / hari. Akan tetapi energi listrik yang dihasilkan sel surya sangat dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari yang diterima oleh sistem.

Dalam merencanakan pembangunan PLTS terlebih dahulu diperhitungkan beban dari PLTS sehingga kita dapat menghitung kapasitas listrik tenaga surya yang akan dibangun. Berikut ini  merupakan contoh perhitungan beban pada perumahan tipe 36 sebanyak 10 unit rumah.

Asumsi Rencana Pembebanan

Asumsi rugi-rugi (losses) pada sistem dianggap sebesar 15%, karena keseluruhan komponen sistem yang digunakan masih baru (Mark Hankins, 1991: 68).

Total energi sistem yang disyaratkan adalah sebesar :

ET       = EA + rugi-rugi system             ET : Energi total termasuk rugi-rugi yang diperhitungkan

= EA + (15% x EA)                     EA : Energi total tanpa rugi-rugi            

= 51860 WH + (15% x 51860WH)             

= 59639 WH

Jadi total energi sistem yang disyaratkan sebesar 59639 WH

Perhitungan Kapasitas Daya Modul Surya

Kapasitas daya modul sel surya dapat diperhitungkan dengan memperhatikan beberapa faktor, yaitu kebutuhan energi sistem yang disyaratkan, insolasi matahari, dan faktor penyesuaian (adjustment factor). Kebutuhan energi sistem hasil perhitungan, yaitu sebesar 59639 WH. Insolasi matahari bulanan yang terendah adalah pada bulan Januari yaitu 3,91 (sumber BMG, BPPT). Diambil data insolasi matahari yang terendah agar PLTS dapat memenuhi kebutuhan beban setiap saat. Berikut merupakan tabel insolasi matahari untuk daerah Jakarta dalam kurun waktu satu tahun.

Tabel Insolasi Matahari

No	BULAN	INSOLASI MATAHARI
1	JANUARI	3.91
2	FEBRUARI	4.03
3	MARET	4.48
4	APRIL	4.62
5	MEI	4.37
6	JUNI	4.17
7	JULI	4.44
8	AGUSTUS	4.48
9	SEPTEMBER	5.05
10	OKTOBER	4.85
11	NOVEMBER	4.43
12	DESEMBER	4.21
13	rata-rata	4.42

Faktor penyesuaian pada kebanyakan instalasi PLTS adalah 1,1 (Mark Hankins, 1991 Small Solar Electric System for Africa page 68). Kapasitas daya modul surya yang dihasilkan adalah:

Kapasitas Daya Modul Surya   = ( ET / insolasi matahari ) x faktor penyesuaian  

                                                      = ( 59639 / 3.91 ) x 1.1

                                                      = 16702.27 ≈ 16800 WP

Besarnya kapasitas daya modul surya 16800 watt peak.

Satuan energi (dalam WH) dikonversikan menjadi Ah yang sesuai dengan satuan kapasitas baterai sebagai berikut:

                        AH      =   ET/Vs                          AH : kapasitas AH yang dibutuhkan

                                   =   59639 Wh / 24h           ET : Energi total termasuk rugi-rugi         

                                    = 2484,95 AH                         yang diperhitungkan

Hari otonomi yang ditentukan adalah satu hari, jadi baterai hanya menyimpan energi dan menyalurkannya pada hari itu juga. Besarnya deep of discharge (DOD) pada baterai adalah 80% (Mark Hankins, 1991: 68).

Kapasitas baterai yang dibutuhkan adalah:

            C_b        =  (AH x d) / DOD                C_b : kapasitas batrei

                        =   (2484.95 x 1) / 0.8           AH : kapasitas AH yang dibutuhkan

                        = 3107 AH                                d : day (hari)

Perhitungan Kapasitas Battery Charge Regulator (BCR)

Beban pada sistem PLTS mengambil energi dari BCR. Kapasitas arus yang mengalir pada BCR dapat ditentukan dengan mengetahui beban maksimal yang terpasang. Beban maksimal yang terjadi pada sore hari adalah 4750 watt pukul 17.00 (Gambar 2.). Dengan beban maksimal tegangan sistem adalah 24 volt maka kapasitas arus yang mengalir di BCR:

I maks = P maks / Vs

             = 4750 W / 24V

             = 197.9 A

Jadi kapasitas BCR yang digunakan harus lebih besar dari 197,9 A.

            Perhitungan Kapasitas Inverter

Spesifikasi inverter harus sesuai dengan Battery Charge Regulator (BCR) yang digunakan. Berdasarkan tegangan sistem dan perhitungan BCR, maka tegangan masuk (input) dari inverter 24 V DC. Tegangan keluaran (output) dari inverter yang tersambung ke beban adalah 220 V AC. Arus yang mengalir melewati inverter juga harus sesuai dengan arus yang melalui BCR. Berdasarkan perhitungan kapasitas BCR, arus maksimal yang dapat melewati BCR sebesar 197,9  ampere. Berarti kapasitas arus Inverter yang digunakan harus lebih besar dari 197,9  ampere.

Kapasitas PLTS Terpasang

A. Modul Surya

Modul photovoltaik yang akan digunakan mempunyai spesifikasi sebagai

berikut:

Kapasitas Daya                    : 100 WP

Arus Maksimum                   : 6 Ampere

Tegangan maksimum        : 16,5 Volt

Karena kapasitas daya modul surya dibutuhkan 16800 W dan kapasitas daya 1 unit photovoltaik 100 WP dapat dibuat persamaan:

∑ m     = kapasitas daya / kapasitas per unit

            = 16800 / 100

            = 168 unit.

Modul surya terdiri dari 168 modul PV yang dihubungkan secara seri dan paralel, 2 modul dipasang secara seri, kemudian 84 kelompok seri dipasang  dipasang secara paralel. Array PV mempunyai Im = 504 A dan Vm = 33V yang setara dengan daya keluaran (Pm) 16632 watt.

B. Baterai

Kapasitas baterai yang digunakan adalah 200 AH dengan tegangan 12V. Karena tegangan sistem yang digunakan adalah 24V, dan kapasitas baterai 3107 ≈ 3200 AH  maka baterai sebanyak  16 buah baterai, 2 buah dipasang secara seri dan 8 kelompok seri di paralelkan.

C. Battery Charge Regulator

Battery Charge Regulator (BCR) mempunyai dua fungsi utama. Fungsi utama sebagai titik pusat sambungan ke beban, modul sel surya dan beterai. Fungsi yang kedua adalah sebagai pengatur system agar penggunaan listriknya aman dan efektif, sehingga semua komponen-komponen system aman dari bahaya perubahan level tegangan. BCR yang digunakan adalah BCR dengan kapasitas arus 200A, dan tegangan 24V.

sistem kerja solar cell

Proses kerja solar cell 

• Prinsip kerja sel surya didasarkan pada penggabungan semikonduktor tipe-p yang kelebihan hole dan semikonduktor tipe-n yang kelebihan elektron. 

•  Bila daerah sambungan dikenai cahaya foton energetik yang cukup mampu mengekstasi suatu elektron dari keadaan pita valensi ke pita konduksi, maka elektron bebas dan hole akan bergerak sebagai tanggapan terhadap pembentukan medan listrik pada sambungan n-p.

•  Elektron dari semikonduktor n yang bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan negatif. Pada saat yang sama, hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.

• Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W. Pada daerah deplesi ini terdapat banyak keadaan terisi (hole+elektron). Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.

•  Perbedaan muatan pada daerah deplesi ini menimbulkan medan listrik internal E dari daerah positif ke daerah negatif pada daerah deplesi. Medan yang dibentuk menghasilkan suatu arus I melewati sambungan, dan juga memberi muatan ke daerah tipe-p dan tipe-n. Ini terjadi karena elektron akan disapu ke daerah tipe-n dan hole ke daerah tipe-p.


KOMPONEN RANGKAIAN SOLAR CELL

Suatu rangkaian Solar Cell terdiri dari komponen-komponen penting yang dapat memaksimalkan kerja dari rangkaian solar cell tersebut, komponen-komponen tersebut ialah:

1. Panel Surya
2. Charge Controller
3. Baterai
4. Inverter

PANEL SURYA (PHOTOVOLTAIK)
Photovoltaik merupakan komponen utama yang menghasilkan arus listrik yang kemudian akan disimpan pada baterai atau aki. biasanya suatu solar  cell atau fotovoltaik mempunyai daya yang berbeda-beda 5 watt peak, 30 watt peak,50 watt peak, 100 watt peak dan sebagainya. dan terdiri dari 3 macam berdasarkan teknologi pembuatannya:

• monokristal
• polikristal
• thin film  

dari ketiga teknologi itu dapat dibedakan dengan tingkat eficiensinya dan monokristal merupakan fotovoltaik yang memiliki eficiency tertinggi saat ini, namun dari segi ekonomi masih sangat mahal dibandingkan dengan polikristal.

suatu panel solar cell tersusun dari cell-cell surya kemudian terbentuk modul-modul surya dan dari modul surya terbentuk dalam satu array.
dari sertiap cell mempunyai tegangan dan daya masing-masing sehingga bila kita rangkaikan atau kita susun maka akan terbentuk kapasitas solar cell yang kita butuhkan.

berikut sistem rangkaian pada solar cell:





1.  rangkaian secara seri
Hubungan seri suatu modul fotovoltaik didapat apabila bagian depan (+) sel surya utama dihubungkan dengan bagian belakang (-) sel surya kedua atau sebaliknya. 


Dari keadaan seri ini didapatkan tegangan solar cell dijumlahkan apabila dihubungkan seri satu sama lain:
 Vtotal = V1+V2+V3 dsbArus solar cell sama apabila dihubungkan seri satu sama lain: 

Itotal = I1 = I2 = I3 = dsb

2. rangkaian secara paralel

Rangkaian paralel modul fotovoltaik di dapat apabila terminal kutub positif dan negatif sel surya dihubungkan satu sama lain. 

Tegangan sel surya yang dihubungakan paralel sama dengan satu sel surya.

U_TOTAL = U₁ = U₂ = U₃ = U_n

Arus yang timbul dari hubungan ini langsung                                                                           dijumlahkan.

                                          I_TOTAL = I₁ + I₂ + I₃ + I_n

Charge controller
Charge control atau charge regulator merupakan komponen penting pada rangkaian solar cell, dimana charge control mempunyai fungsi utama yakni menjaga atau mengamankan komponen penting pada rangkaian solar cell yaitu Baterai.
Umumnya solar cell yang tegangan 12 volt mempunyai tegangan output 16-21 volt, sehingga apabila tidak menggunakan Charge Control maka baterai akan rusak oleh over-charging dan ketidakstabilan tegangan  yang dikeluarkan oleh solar cell. dan baterai 12 volt di charge pada tegangan 14 -14.7 volt 

Fungsi detai dari charge control adalah sebagai berikut :

• Mengatur arus untuk pengisian ke baterai , menghindari overcharging, dan overvoltage.
• mengatur arus yang diambil dari baterai agar baterai agar tidak full discharge dan overloading.
• memonitor temperatur dan suhu baterai.
  
  
  hal yang perlu diperhatikan saat akan meggunakan charge control yakni:
• tegangan atau voltage 12 Volt DC / 24 Volt DC
• Kemampuan arus dari charge control misalnya : 10 ampere, 20 ampere, dsb.
• full charge dan low voltage cut. 

Solar Charge Controller biasanya terdiri dari: 1 input yang terhubung dengan output solar cell, 1 output yang terhubung dengan baterai atau aki dan output yang terhubung dengan beban (load) dc. arus listrik dc baterai tidak mungkin masuk ke solar cell karena biasanya sudah terpasang "diode protection" yang berfungsi melewatkan arus solar cell ke baterai bukan sebaliknya.


BATERAI

Baterai merupakan peralatan penting pada suatu Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Baterai menyimpan energi listrik yang diterimanya pada siang hari dan akan dikeluarkan pada malam hari untuk melayani beban (terutama untuk penerangan). Disamping itu baterai juga berfungsi meyediakan daya kepada beban waktu tidak ada cahaya matahari dan harus pula meratakan perubahan – perubahan yang terjadi pada beban.

Banyak tipe baterai yang beredar dipasaran dengan memiliki kelebihan dan kekurangannya.

Baterai biasanya diklasifikasikan terhadap dua tipe, yaitu:

• Baterai Primer (primary batteries)
  Jenis ini disebut juga baterai sekali pakai  ( single-use-battery ) yang berarti setelah habis arus listrik baterai tersebut harus dibuang ditempat semestinya.
  berikut adalah macam-macam baterai primer:
  Heavy Duty, atau carbon zinc (Zn-MnO2) battery. ini merupakan baterai primer yang paling murah yang banyak digunakan dalam rumah tangga seperti pada jam dinding dan remote control.
  Alkaline, zinc-alkaline manganese dioxide battery. baterai jenis ini memiliki power yang lebih dan umur simpan yang lebih lama dari baterai Heavy Duty.
  Lithium Cell, Baterai Lithium memiliki kemampuan kinerja yang jauh lebih baik melampaui baterai elektrolit konvensional. Umur simpannya bisa lebih dari 10 tahun dan tetap bekerja dengan baik pada suhu yang sangat rendah . Baterai lithium umumnya sebesar uang koin saja, maksimal ukuran AA. Hal ini atas pertimbangan keselamatan dan keamanan saja jika digunakan masyarakat umum. Sebenarnya ada juga ukuran yang lebih besar namun penggunaanya hanya terbatas pada kepentingan militer saja.


• Baterai sekunder (secondary batteries)
  
  
  

Jenis ini disebut juga baterai yang dapat di-cas ulang (rechargeable bateries) jika telah habis arus listriknya.

Sedangkan baterai sekunder terbagi lagi menjadi 2 jenis yakni baterai basah dan baterai kering. Baterai yang biasa digunakan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Surya adalah baterai sekunder (baterai basah / kering), yaitu baterai yang dapat diisi dan dikosongkan berulang – ulang.

Jenis Baterai	Volt(V)	Penggunaan yang umum
Rechargeable Alkaline	1,5	CD/MD/MP3 players, mainan, game elktronik, camera, senter, remote control dan lampu listrik tenaga matahari
Ni-MH	1,2	Digital camera, mainan remote control
Ni-Cd	1,2	Alat pertukangan
Li-ion	3,6-3,7	Notebook, PDAs, handphone, camcorder, digital camera
Lead-acid	12	Aki mobil, UPS, lampu tenaga surya, mobil golf, pelayaran.

Hal – hal yang perlu mendapat perhatian dari peralatan baterai ini adalah:

a)            Kapasitas

Satuan kapasitas suatu baterai adalah ampere hour (Ah). Biasanya informasi ini terdapat pada label suatu baterai, misalnya suatu baterai dengan kapasitas 100 Ah akan penuh terisi dengan arus 1 ampere selama seratus (100) jam.

b)            Penerimaan arus pengisian yang kecil

Baterai harus dapat diisi dengan arus pengisian yang agak kecil (pada cuaca yang jelek sekalipun), sehingga tidak ada energi surya yang terbuang begitu saja.

c)            Efisiensi Ah (η Ah)

Baterai menyimpan dengan jumlah ampere hour, dengan suatu efisiensi Ah (η Ah) dibawah 100 % (biasanya 90 %).

d)            Efisiensi Wh (η Wh)

Efisiensi Wh (η Wh) adalah suatu perbandingan energi yang ada dan yang dapat dikeluarkan. Efisiensi Wh (η Wh) selalu lebih rendah dari efiseinsi Ah (η Ah) dan biasanya ± 80 %.

Hal – hal yang perlu mendapat perhatian dalam memilih suatu baterai adalah:

ð    Jenis baterai, gunakan jenis baterai untuk PLTS dengan kapasitas yang mampu memberikan Depth of Discharge (DOD), yaitu kapasitas minimal yang boleh dikeluarkan (discharge) dari baterai. Umumnya diambil DOD = 0,8).

ð    Tegangan yang dipersyaratkan.

ð    Jadwal waktu pengoperasian dan mampu memasok energi selama 3 – 4 hari.

ð    Kapasitas (Ah).

ð    Suhu pengoperasian.

ð    Ukuran, bobot dan umur baterai yang mampu mencapai 2 – 4 tahun.

INVERTER

Inverter adalah perangkat elektronika yang dipergunakan untuk mengubah tegangan DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternating Current). Output suatu inverter dapat berupa tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus, gelombang kotak,dan sinus modifikasi. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Inverter dalam proses konversi tegangan DC menjadi tegangan AC membutuhkan suatu penaik tegangan berupa step up transformer.