STUDI TERHADAP UNJUK KERJA GRID CONNECTED 1 MWP PHOTOVOLTAIC SYSTEM DI KARANGASEM BALI

Transkripsi

1 STUDI TERHADAP UNJUK KERJA GRID CONNECTED 1 MWP PHOTOVOLTAIC SYSTEM DI KARANGASEM BALI TUGAS AKHIR Diajukan guna memenuhi sebagian persyaratan dalam rangka menyelesaikan Program Sarjana Strata Satu (S1) Jurusan Teknik Elektro Disusun oleh: ANAK AGUNG GEDE ARI PAWITRA PUTRA NIM JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN - BALI 2015

2 STUDI TERHADAP UNJUK KERJA GRID CONNECTED 1 MWP PHOTOVOLTAIC SYSTEM DI KARANGASEM BALI TUGAS AKHIR Diajukan guna memenuhi sebagian persyaratan dalam rangka menyelesaikan Program Sarjana Strata Satu (S1) Jurusan Teknik Elektro Disusun oleh: ANAK AGUNG GEDE ARI PAWITRA PUTRA NIM JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN - BALI 2015 i

3 SURAT PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan sebagai tugas penelitian di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Denpasar, 11 November 2015 A.A. Gede Ari Pawitra Putra NIM: ii

4

5 DAFTAR ISI JUDUL... i LEMBAR PERNYATAAN... ii LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING... iii KATA PENGANTAR... iv ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xv DAFTAR SINGKATAN... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup dan Batasan Masalah... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Muktahir Tinjauan Pustaka Potensi Energi Matahari di Indonesia Pembangkit Listrik Tenaga Surya Sistem Pembangkit Listrik Tenga Surya PLTS Tidak Terhubung Jaringan (Off-Grid PV Plant) PLTS Terhubung Jaringan (On-Grid PV Plant) PLTS Hybrid Komponen PLTS Sel Surya (Photovoltaic) viii

6 Karakteristik Sel Surya Teknologi Sel Surya Modul Surya Rangkaian Sel Surya Secara Seri dan Paralel Inverter Inverter pada Sistem PLTS Solar Charge Controller Baterai Periode Jatuh Matahari dan Orientasi PV Array Sudut Kemiringan PV Module Perancangan Teknis PLTS On-Grid Terpusat Kebijakan dan Pemerintah RI dalam Pembangunan PLTS Terpusat Pedoman Pembangunan PLTS Terpusat Analisis Performa/Unjuk Kerja PLTS Definisi Performa PLTS Parameter Relevan untuk Performa PLTS Analisis Sistem PLTS Hasil Akhir/Final Yield (Y F ) Hasil Acuan/Reference Yield (Y R ) Rasio Performa (PR) Hasil Array/Array Yield (Y A ) Rugi-Rugi Sistem/System Losses (L S ) Rugi-rugi Penangkapan Array/Array Capture Losses (L C ) Faktor Kapasitas (C F ) PVSyst Solmetric SunEye ix

7 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Data Sumber Data Jenis Data Teknik Pengumpulan Data Tahapan Penelitian Alur Penelitian BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Grid Connected 1 MWp Photovoltaic System Karangasem Desain dan Instalasi PLTS Kubu Modul Surya PLTS Kubu PV Array Inverter Penyangga Modul Orientasi Modul PLTS Kubu Array Protection Panel Panel Distribusi Transformator Penaik Tegangan Saklar Beban/Load Break Switch (LBS) 20 kv Penangkal Petir Remote Monitoring System Simulasi Produksi Energi PLTS Kubu Menggunakan PVSyst Simulasi PLTS Kubu Skenario Tahapan pembuatan simulasi skenario Hasil simulasi PVSyst PLTS Kubu skenario Simulasi PLTS Kubu Skenario Tahapan pembuatan simulasi skenario Hasil simulasi PVSyst PLTS Kubu skenario Perbandingan Simulasi PVSyst PLTS Kubu Skenario 1 dan x

8 4.4 Produksi Energi Listrik Riil PLTS Kubu Produksi Energi Listrik Riil Data Pengukuran Sisi PLTS Produksi Energi Listrik Riil Data Pengukuran Sisi PLN Perbandingan Produksi Energi Listrik Riil Data Pengukuran pada Sisi PLTS dan PLN Perbandingan Simulasi PVSyst dengan Produksi Energi Listrik Riil Sisi PLTS dan Sisi PLN Perbandingan Simulasi PVSyst dengan Produksi Energi Listrik Riil Data Pengukuran Sisi PLTS Kubu Perbandingan Simulasi PVSyst dengan Produksi Energi Listrik Riil Data Pengukuran Sisi PLN Analisa Unjuk Kerja PLTS Kubu BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

9 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Surya Gambar 2.2 Diagram Prinsip PLTS Off-Grid/Stand Alone System Gambar 2.3 Diagram Prinsip PLTS On-Grid Gambar 2.4 Prinsip Kerja Sel Surya dengan P-N Junction Gambar 2.5 Grafik Fill Factor Gambar 2.6 Grafik Daya Maksimum Gambar 2.7 Karakteristik Kurva I-V Sel Surya Terhadap Perubahan Irradiance. 24 Gambar 2.8 Grafik Pengaruh Suhu Terhadap Kurva I-V Sel Surya Gambar 2.9 Susunan Sel Surya Gambar 2.10 Lapisan Modul Sel Surya Gambar 2.11 Konfigurasi Rangkaian Seri-Paralel Modul Surya Gambar 2.12 Konfigurasi Central Inverter Gambar 2.13 Konfigurasi String Inverter Gambar 2.14 Orbit Bumi dan Sudut Penyimpangan Gambar 2.15 Sudut Kemiringan Modul Surya Gambar 2.16 Tampilan Program PVSyst Gambar 2.17 Solmetric SunEye Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian Gambar 4.1a Foto Satelit Lokasi PLTS Kubu Karangasem Gambar 4.1b Foto Satelit Lokasi PLTS Kubu Karangasem Gambar 4.2 Blok Diagram PLTS Kubu Gambar 4.3 Konstruksi Panel Array Gambar 4.4 LEN 200Wp-24V Monocrystalline PV Module Gambar 4.5 Karakteristik I-V LEN 200 Wp-24V Gambar 4.6 PV array PLTS Kubu Karangasem Gambar 4.7 Inverter SUNGROW tipe SG20KTL Gambar 4.8 Penyangga Modul Tipe Tetap dengan Kemiringan o Gambar 4.9 Perencanaan arah modul surya xii

10 Gambar 4.10 Konstruksi perencanaan sudut kemiringan modul PLTS Kubu Gambar 4.11 Pengukuran langsung sudut kemiringan modul di PLTS Kubu Gambar 4.12 Array Protection Panel Gambar 4.13 Single Line Diagram Array Protection Panel Gambar 4.14 Panel Distribusi Gambar 4.15 Single Line Diagram Panel Distribusi Gambar 4.16 Transformator Penaik Tegangan 250 kva Gambar 4.17 Load Break Switch (LBS) pole mounted Gambar 4.18 Tower Penangkal Petir PLTS Kubu Gambar 4.19 Meja Monitoring PLTS Kubu Gambar 4.20 Display Monitor dan Logger PLTS Kubu Gambar 4.21 Environmental Monitoring Device Gambar 4.22 Tampilan Menu Awal Program PVSyst Gambar 4.23 Tampilan Menu Project Designation Gambar 4.24 Menu Parameter Site & Meteo (Interactive Map) Gambar 4.25 Tampilan Menu Parameter site & Meteo Gambar 4.26 Tampilan Menu Albedo Setting Gambar 4.27 Tampilan Pengaturan Orientasi dan Kemiringan Panel Gambar 4.28 Tampilan Pengaturan Definisi Sistem PLTS Gambar 4.29 Grafik Potensi Energi Listrik Optimum Skenario Gambar 4.30 Grafik Unjuk Kerja PLTS Kubu Skenario Gambar 4.31 Diagram Alir Rugi-rugi Sistem Keseluruhan PLTS Kubu Skenario Gambar 4.32 Tampilan awal program Solmetric SunEye Versi Gambar 4.33 Pengukuran Titik 1 (Sky 01) Gambar 4.34 Pengukuran Titik 2 (Sky 02) Gambar 4.35 Pengukuran Titik 3 (Sky 03) Gambar 4.36 Peta Titik Pengukuran Shading PLTS Kubu Gambar 4.37 Sudut Horizon Rata-rata PLTS Kubu Gambar 4.38 Nilai Rata-rata Solar Access PLTS Kubu Gambar 4.39 Tampilan Menu System Variant xiii

11 Gambar 4.40 Tampilan Menu Definisi Horizon Gambar 4.41 Menu Profile Reading/Importation Gambar 4.42 Horizon PLTS Kubu pada PVSyst Gambar 4.43 Grafik Potensi Energi Listrik Optimum Skenario Gambar 4.44 Grafik Unjuk Kerja PLTS Kubu Skenario Gambar 4.45 Diagram Alir Rugi-rugi Sistem Keseluruhan PLTS Kubu Skenario Gambar 4.46 Grafik Perbandingan Produksi Energi Skenario 1 dan Gambar 4.47 Grafik Perbandingan Rasio Performa Skenario 1 dan Gambar 4.48 Grafik Produksi Energi Listrik Riil Pengukuran Sisi PLTS Gambar 4.49 Grafik Produksi Riil (MWh) Inverter 1-25 Selama Tahun Gambar 4.50 Grafik Produksi Riil (MWh) Inverter Selama Tahun Gambar 4.51 Grafik Produksi Energi Listrik Riil Pengukuran Sisi PLN Gambar 4.52 Grafik Perbandingan Pengukuran Sisi PLTS dan Sisi PLN Gambar 4.53 Grafik Perbandingan Produksi Riil Sisi PLTS dengan Simulasi PVSyst PLTS Kubu Gambar 4.54 Grafik Perbandingan Produksi Riil Sisi PLN dengan Simulasi PVSyst PLTS Kubu Gambar 4.55 Perbandingan Grafik Curah Hujan (Merah) dan Produksi Energi Listrik Riil PLTS (Biru) Selama Tahun Gambar 4.56 Jarak Negara (a) Inggris, (b) Arizona, (c) Ghana, dan (d) PLTS Kubu Terhadap Garis Khatulistiwa xiv

12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Intensitas Radiasi Matahari di Indonesia Tabel 2.2 Perbandingan Karakteristik Teknologi Sel Surya Tabel 2.3 Parameter Untuk Performa PLTS Grid-Connected Tabel 4.1a Karakteristik Elektrikal LEN 200 Wp-24 V Tabel 4.1b Karakteristik Mekanikal dan Temperatur LEN 200 Wp-24 V Tabel 4.2 Data Meteorologi NASA sesuai Lokasi PLTS Kubu Tabel 4.3 Potensi Optimum Energi Listrik PLTS Kubu Skenario Tabel 4.4 Koefisien Peforma Normal PLTS Kubu Skenario Tabel 4.5 Total Produksi Energi Listrik (MWh) Setiap Jam Dalam Sehari per Bulan pada Skenario Tabel 4.6 Potensi Optimum Energi Listrik PLTS Kubu Skenario Tabel 4.7 Koefisien Peforma Normal PLTS Kubu Skenario Tabel 4.8 Total Produksi Energi Listrik (MWh) Setiap Jam Dalam Sehari per Bulan pada Skenario Tabel 4.9 Perbandingan Performa Skenario 1 dan Tabel 4.10 Produksi Energi Listrik Riil Pengukuran Sisi PLTS Tabel 4.11 Produksi Riil (MWh) Inverter 1-25 Selama Tahun Tabel 4.12 Produksi Riil (MWh) Inverter Selama Tahun Tabel 4.13 Produksi Energi Listrik Riil Pengukuran Sisi PLN Tabel 4.14 Perbandingan Pengukuran Sisi PLTS dan Sisi PLN Tabel 4.15 Pengukuran Sisi PLTS pada Bulan Januari-Maret Tabel 4.16 Pengukuran Sisi PLTS Bulan Desember Tabel 4.17 Perbandingan Produksi Riil Sisi PLTS dengan Simulasi PVSyst PLTS Kubu Tabel 4.18 Perbandingan Produksi Riil Sisi PLN dengan Simulasi PVSyst PLTS Kubu Tabel 4.19 Curah Hujan Kabupaten Karangasem 2014 (mm) Tabel 4.20 Final Yield / Hasil akhir PLTS Kubu Tabel 4.21 Rata-rata Fin.al Yield / Hasil akhir dan Faktor Kapasitas PLTS Kubu xv

13 DAFTAR SINGKATAN A AC Ah C Cb cm CO2 d DC DOD E modul I I mp I sc kwh Lx ƞ N modul Ph/day P in PLN PLTS P mpp PWM R SESF STC T : Ampere : Alternating Current : Ampere hour : Celcius : Jumlah baterai yang digunakan : Centimeter : Karbondioksida : Hari otonomi : Direct Current : Depth of Discharge : Produksi energi harian PV module : Arus terminal sel surya : Arus pada titik kerja maksimum : Arus hubung singkat : Kilo Watt hour : Lux : Efisiensi PV module : Jumlah PV module yang digunakan : Peak hour per day : Daya input : Perusahaan Listrik Negara : Pembangkit Listrik Tenaga Surya : Daya keluaran maksimum PV module : Pulse Width Modulation : Tahanan : Sistem Energi Surya Fotovoltaik : Standard Test Condition : Temperatur ambient xvi

14 V V mp V s V oc W Wh : Tegangan terminal sel surya : Tegangan pada titik kerja maksimum : Tegangan dasar yang dipakai (12 atau 24 V DC) : Tegangan rangkaian terbuka : Watt : Watthour xvii

15 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa, Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Studi Terhadap Unjuk Kerja Grid Connected 1 MWp Photovoltaic System di Karangasem Bali. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan dalam rangka menyelesaikan pendidikan sarjana strata satu (S1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis mendapatkan petunjuk, bantuan, dan bimbingan dari berbagai pihak. Sehubungan dengan hal tersebut pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Bapak Prof. Ir. I Wayan Redana, MA.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana. 2. Bapak Ir. I Nyoman Setiawan, MT. selaku ketua jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Bapak I Putu Ardana, ST., MT. selaku pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan selama menempuh perkuliahan. 4. Bapak I Nyoman Satya Kumara, ST., M.Sc., Ph.D. selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, perhatian, serta dorongan yang sangat maksimal selama penyusunan tugas akhir ini. 5. Bapak Ir. I Wayan Sukerayasa, MT. selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan bimbingan, perhatian, serta dorongan yang sangat maksimal selama penyusunan tugas akhir ini. 6. Orang tua dan keluarga besar penulis yang selalu memberikan dukungan moril, motivasi, dan materil serta membimbing sehingga penyusunan tugas akhir ini dapat selesai. 7. Teman hidup penulis Anak Agung Ayu Ari, Amd. Keb. yang selalu memberi semangat dan dukungan kepada penulis sehingga penyusunan tugas akhir ini dapat selesai. iv

16 8. Para sahabat seperjuangan Aryanata Meiyana, ST., Arya Suryadarma., Tjok Visnu, Satrya Sonatha, ST., dan seluruh rekan-rekan angkatan 2010, serta Agus Setiawan, ST. dan Bli Wayan Bracuk yang sudah membantu dan memberikan dukungan penuh dalam suka maupun duka hingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. 9. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan saran yang telah diberikan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala bentuk ide pengembangan, kritik, dan saran yang bersifat membangun dari pihak dosen penguji dan berbagai pihak lainnya sangat penulis hargai dan harapkan demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat dalam pengembangan ilmu sains dan teknologi, serta menambah pengetahuan luas semua pihak. Denpasar, 11 November 2015 Penulis v

17 ABSTRAK STUDI TERHADAP UNJUK KERJA GRID CONNECTED 1 MWP PHOTOVOLTAIC SYSTEM DI KARANGASEM BALI Indonesia yang memiliki insolasi energi cahaya matahari mencapai ratarata 4,8 kwh/m 2 per hari, seharusnya dapat memaksimalkan potensi tersebut untuk mengembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Permasalahan energi di masa depan dan potensi Energi Baru Terbarukan (EBT) yang dimiliki oleh Indonesia mendorong pemerintah mengeluarkan Perpres No. 5 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional (KEN). PLTS 1 MWp terinterkoneksi jaringan di Kubu Karangasem ini merupakan PLTS berkapasitas besar yang baru dibangun di Indonesia, yang nantinya akan dijadikan contoh bagi pembangunan PLTS selanjutnya. Maka dari itu perlunya dilakukan studi terhadap unjuk kerja dari PLTS tersebut. Dalam penelitian ini performa/unjuk kerja PLTS Kubu dianalisis dengan menggunakan data monitoring operasi PLTS selama setahun, yaitu selama kurun waktu Januari-Desember Selanjutnya dilakukan dua simulasi untuk memperoleh estimasi produksi energi ideal tanpa shading dan dengan faktor shading. Simulasi dilakukan menggunakan software PVSyst, sedangkan untuk memperoleh data shading dilakukan pengukuran langsung shading factor menggunakan Solmetric SunEye Meter, dan unjuk kerja/rasio performa PLTS dilakukan analisis dengan perhitungan sesuai dengan standar IEC Hasil dari analisis menunjukkan desain dari sistem PLTS Kubu sudah sesuai dengan standar. Modul surya memiliki kemiringan antara o, menghadap 0 o ke arah utara. Sedangkan hasil simulasi energi listrik ideal yang dapat dicapai oleh PLTS Kubu per tahun tanpa adanya faktor shading adalah sebesar MWh, dengan Performa Ratio (PR) sebesar 90,7 %. Simulasi kedua dengan adanya faktor shading sesuai dengan index shading di lokasi meng-hasilkan MWh per tahun, dengan PR sebesar 85,3 %. Angka tersebut lebih tinggi dari produksi riil PLTS Kubu sesuai lingkungan terpasang yang sebesar MWh dan memiliki faktor kapasitas sebesar 18,11 % dengan lama penyinaran rata-rata selama 4,35 jam per hari selama tahun Kata kunci: Pembangkit listrik, PLTS, modul surya, unjuk kerja vi

18 ABSTRACT STUDIES ON THE PERFORMANCE OF GRID CONNECTED 1 MWP PHOTOVOLTAIC SYSTEM IN KARANGASEM BALI Indonesia which has the solar insolation energy on the average 4,8 kwh/m 2 per day should can maximize the potential to develop the photovoltaic power plant system. The problem of energy in the future and potential of renewable energy in Indonesia have encouraged the government to release Perpres No. 5 tahun 2006 about National Energy Policy (KEN). The Grid connected 1 MWp PV System in Kubu Karangasem is a new-large capacity PV system built in Indonesia, which will be an example for further development of PV system building in Indonesia. Hence, the need of study is neccesary to analyse the performance of the Kubu PV system. This research of Kubu PV system performance is analysed by using PV system operation monitoring data during a year, during the period of January- December Furtermore, two simulations conducted to obtain the estimation of ideal production energy without and with shading factor. Simulations made by using PVSyst software, whereas shading index data obtained by direct measurement using Solmetric SunEye Meter, and the performance ratio of PV system is analysed by calculation in accordance with IEC standar. Result of analysis showed design of Kubu PV system in compliance with standard. The PV modules have declivity between o, facing towards 0 o to north. Meanwhile the simulation result of ideal electrical energy production that can be reached by Kubu PV system per year without shading factor is 1,802 MWh, with Performance Ratio (PR) of 90.7%. The Second simulation with shading factor according to shading index in location produce 1,696 MWh per year, with PR 85.3%. That number is higher than Kubu PV system real production in accordanceof the location installed about 1,196 MWh and has the Capacity Factor (CF) % with radiation is on the average of 4.35 hours per day during year Keywords: Power plant, PV system, PV module, Performance ratio vii