BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Energi Matahari Energi matahari dapat dimanfaatkan untuk menunjang kegiatan sehari-hari, misalnya menjemur pakaian, mengeringkan ikan bagi para nelayan. Untuk keperluan diatas energi matahari dimanfaatkan secara langsung. Selain itu energi matahari dapat dimanfaatkan dengan bantuan peralatan lain, yaitu dengan merubah radiasi matahari kebentuk lain. Menurut (Dahnil Zainuddin, 1989: 2), ada dua macam cara merubah radiasi matahari ke dalam energi lain, yaitu melalui solar cell dan collector. Menurut (Darwin Sitompul, 191:83) Energi matahari sangat atraktif karena tidak bersifat polutif, tidak akan habis, dan gratis. Ada dua kelemahan dari matahari adalah sangat halus dan tidak konstan. 2.2 Pengertian Produksi Energi Thermal Menurut (Darwin Sitormpul, 1991:101), energi thermal adalah bentuk dasar energi. Artinya, semua bentuk energi yang lain dapat secara sempurna di konversi menjadi energi thermal. Perpindahan kalor atau alih bahang (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu antara dua benda atau material. Perpindahan panas yang terjadi dari suatu benda ke benda lain merupakan hasil dari perbedaan temperatur. Menurut (E.Jasjfi, 1993: 3), panas akan mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Perpindahan panas dilkasifikasikan menjadi : 1. Konduksi Menurut (E.Jasjfi, 1993: 2), jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. 9

2 10 Perpindahan panas dengan cara konduksi membutuhkan medium sebagai pembawa panas. Menurut (E. Setiawan, 1995: 95), Kondusi merupakan suatu mekanisme aliran panas, dimana energi dipindahkan dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah melalui elektron- elektron pada zat padat atau molekul-molekul suatu bahan saling berbenturan dan dengan demikian saling meneruskan energi panas yang mereka miliki. 2. Konveksi Menurut (E. Jasjfi, 1993:12), jika suatu plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akaibat terjadinya perbedaan kerapatan udara didekat plat itu. Peristiwa ini dinamakan konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas (free convection) untuk membedakannya dari konveksi paksa (forced convection) yang terjadi apabila udara itu dihembuskan diatas plat itu dengan kipas. Menurut (E Setiawan, 1995: 97) jika aliran fluida melewati zat padat dan temperaturnya berbeda, panas akan berpindah antara fluida dan permukaan zat padat tersebut sebagai hasil dari pergerakan fluida, mekanisme aliran panas ini disebut dengan konveksi. Zat cair dan gas yang panas lebih ringan dari pada zat yang dingin, jadi bergerak ke atas. 3. Radiasi Menurut (E. Setaiwan, 1995: 98), panas radiasi merupakan suatu bentuk perpindahan panas dengan cara pancaran energi panas dari zat yang bertemperatur tinggi ke zat yang bertemperatur rendah tanpa memerlukan zat pembawa panas. Perpindahan energi panas lewat radiasi dilakukan oleh gelombang-gelombang elektro magnateik. Menurut (Darwin Sitompul, 1991: 4) energi elektro magnetik adalah suatu bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik, yaitu suatu bentuk energi murni, artinya tidak berkaitan dengan masa. Radiasi ini terjadi hanya sebagai energi tradisional yang bergerak dengan kecepatan cahaya

3 Radiasi Matahari sampai ke Bumi Sinar matahari yang berupa gelombang elektro magnetik pendek menuju atmosfer dianggap 100% sampai ke permukaan lapisan atmosfer. Tetapi radiasi ini tidak bias diteruskan keseluruhannya karena ada pantulan yang terjadi dan besarnya pantulan 31 %. Berarti radiasi yang dapat diteruskan kedaerah atmosfer hanya 69%. Dari jumlah ini akan diserap oleh udara keliling atmosfer sebesar 17,4% dan pantulan permukaan bumi sebesar 4,3 % sehingga sampai kepermukaan bumi tinggal 47,326%. Menurut (Dahnil Zainuddun, 1989: 9), sejumlah nilai yang diserap oleh permukaan bumi, antara lain diserap oleh: Laut : 37.7% Samudera : 14.3% Kehidupan bumi (tumbuh-tumbuhan,dll) : 0.1% Panas bumi : 0.02% Kehidupan manusia : 0.004% Angin gelombang : 0.2% 2.4 Radiasi Pada Permukaan Radiasi yang jatuh pada permukaan material pada umumnya akan mengalami refleksi, absorbs, dan transmisi. Dari tiga proses ini maka material akan memiliki refleksivitas(ρ), adsorbsivitas (ά), dan transmisivitas (τ). Sercara sederhana dapat ditulis Ashrae, 1989: 27.21): τ + ρ + ά = 1 Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi tersebut. Refleksi tergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi secara umum ada dua (Dahnil Zainddin, 1989: 42) yaitu : 1. Refleksi spektakular, terjadi seperti pantulan sinar pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama dengan sudut pantul. 2. Refleksi difussi, terjadi berupa pantulan ke segala arah

4 12 Transmisi memberikan nilai besar radiasai yang dapat diteruskan oleh suatu lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan (Absorbsivitas) dari suatu permukaan merupakan hal yang penting dalam pemamfaatan radiasi seperti pada pemamfaatan radiasi surya. Harga absorbsivitas berlainan untuk sudut datang radiasi yang berlainan. Menurut British Building Research untuk sudut datang dibawah 75 o harga absorbsivitas terletak antara 0,8 sampai 0,9 dari absorbsivitas yang dimiliki oleh suatu benda. Absorbsivitas memberikan nilai besarnya radiasi yang dapat diserap. Misalnya pada bagian absorber pada sebuah pengumpul radiasi surya. Ketiga proses tersebut diatas yaitu, absorbsi, refleksi, dan transmisi adalah hal yang penting dalam proses pemamfaatan radiasi surya karena ini menyangkut efektifitas pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya. 2.5 Elektron Segala materi/bahan terbuat dari bagian-bagian halus (partikel) yang dinamakan molekul. Molekul itu adalah bagian terkecil dari suatu bahan yang masih mempertahankan sifat-sifat bahan tersebut. Molekul ini tersusun dari gabungan partikel-partikel yang lebih halus lagi, yang dinamakan atom. Setiap atom memiliki inti bermuatan positif dan sejumlah elektron yang mengitari inti pada orbit masing-masing. Jarak orbit itu terhadap inti berbeda-beda. Setiap elektron bermuatan negatif membawa muatan listrik terkecil yang ditetapkan hingga sekarang. Muatan itu dinamakan muatan elektronik (Johannes G. Lang, 1969 : 13). 2.6 Pembangkit Listrik Tenaga Surya Matahari merupakan sumber daya alam yang sangat penting bagi makhluk hidup karena matahari adalah sumber tenaga alami tata surya terutama bagi bumi. Matahari menghasilkan banyak manfaat seperti adanya udara, penerangan saat siang hari dan membantu mahluk hidup berkembang. Namun tidak semua manfaat matahari digunakan secara maksimal salah

5 13 satunya adalah energi listrik yang dihasilkan dari sinar matahari, yang dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Padahal sinar matahari tersedia sepanjang hari di seluruh wilayah Indonesia yang terletak didaerah tropis dan mengingat posisi Indonesia yang terletak di katulistiwa. Hasil pantauan didapat bahwa nilai radiasi harian di Darmaga, Bogor Jawa Barat dengan intensitas 2,558 kwh/m 2 dan tertinggi di Waingapu Nusa Tenggara Timur dengan intensitas 5,747 kwh/m 2. Potensi ini baru dimanfaatkan sangat sedikit yang dimulai pada tahun 1979 oleh BPPT sebagai pengguna. Pengguna terbanyak adalah DEPKES sesuai dengan kebutuhan Puskesmas pada daerah terpencil dan kemudian departemen transmigrasi. Tabel 2.1. Potensi dan Kapasitas Terpasang Energi Terbarukan di Indonesia Jenis Energi Terbarukan Tenaga Air Skala Besar Tenaga Air Mini Hidro dan Mikro Hidro Potensi (MW) Panas Bumi Tenaga Magma Gunung Berapi Type B dan Type C Kapasitas Terpasang MW.% ,5 11, Tenaga Surya 1.203, Tenaga Ombak Biomassa ,8 Energi Panas laut ,6 0,38 Tenaga Angin (3-6 m/det) Sumber:*)Ditjen Listrik & Pengembangan Energi Sebagai negara yang kaya akan energi surya, sudah selayaknya untuk mengembangkan dan memanfaatkan energi yang melimpah tersebut. Namun demikian pemanfaatan energi surya di Indonesia baru sekitar 882,5 kw, jauh di bawah 1% dari energi yang tersedia. Jika dibandingkan dengan ketersediannya, maka pencapaian pemakaian ini masih sangat kecil. 3

6 14 Pertimbangan pembuatan PLTS di Indonesia, antara lain 1. Sinar matahari mudah didapat, karena Indonesia terletak di garis khatulistiwa yang memperoleh sinar matahari rata-rata 8 jam/hari, sehingga memiliki potensi energi surya yang cukup besar. 2. Sanggup menyediakan energi listrik yang bersih dan bebas polusi, karena tidak memerlukan bahan bakar, sehingga aman dan tidak menimbulkan kerusakan bagi lingkungan dan mahkluk hidup sekitarnya. 3. Mampu menyediakan energi listrik sedekat mungkin dengan titik pemakaian (beban) dan dapat dipindah-pindahkan (mobile), sehingga tidak memerlukan saluran transmisi yang rumit dan mahal. Hal ini menguntungkan bagi pihak penyedia listrik (PLN) maupun bagi konsumen, karena dapat menjangkau daerah yang terpencil maupun terisolir. 4. Daya yang dapat dibangkitkan berdasarkan intensitas energi surya ketika mencapai permukaan bumi berjumlah sekitar 100 watt/m 2, pada efisiensi sel surya 10 % (P = 1 kw diperlukan lahan = 10 m 2 ). 5. Pengoperasian dan perawatannya mudah dan murah dengan umur pakai yang cukup lama, sehingga menghemat biaya. PLTS adalah pembangkit tenaga listrik menggunakan sinar matahari, lebih tepatnya adalah mengubah cahaya matahari menjadi tenaga listrik menggunakan sel surya. Energi listrik yang dihasilkan oleh sel surya dapat langsung digunakan untuk mencatu beban, atau disimpan terlebih dahulu dalam sebuah baterai. PLTS ini dapat menghasilkan tegangan AC maupun DC (Arus Searah). Gambar 2.1. Komponen dan Diagram Rangkaian PLTS

7 Cara Kerja Solar cell ( Photovoltaic) Pembangkit Listrik Tenaga Surya merupakan sistem pembangkit listrik dengan memanfaatkan panas matahari diubah menjadi tegangan listrik dengan menggunakan sel photovoltaic. PLTS dibangun dari susunan panel sel photovoltaic secara berjajar dalam jumlah yang relatif banyak untuk memperoleh tegangan keluaran yang sesuai. Gambar 2.2. Contoh sel photovoltaic Gambar 2.3. Desain dan prinsip kerja sel photovoltaic Notes: 1 charge separation: 2 recombination; 3 unused photon energy (e.g. transmission); 4 reflection and shading caused by front contacts.

8 16 Kepingan sel photovoltaic terdiri atas kristal silikon yang memiliki dua lapisan silisium doped, yaitu lapisan solar sel yang menghadap ke cahaya matahari memiliki doped negatif dengan lapisan fosfor, sementara lapisan di bawahnya terdiri dari doped positif dengan lapisan borium. Antara kedua lapisan dibatasi oleh penghubung p-n. Jika pada permukaan sel photovoltaic terkena cahaya matahari maka pada sel bagian atas akan terbentuk muatan-muatan negatif yang bersatu pada lapisan fosfor. Sedangkan pada bagian bawah lapisan sel photovoltaic akan membentuk muatan positif pada lapisan borium. Kedua permukaan tersebut akan saling mengerucut muatan masing-masingnya jika sel photovoltaic terkena sinar matahari. Sehingga pada kedua sisi sel photovoltaic akan menghasilkan beda potensial berupa tegangan listrik. Perhatikan Gambar 2.3 di atas, jika kedua sisnya dihubungkan dengan beban berupa lampu menyebabkan lampu akan menyala. Suatu kristal silikon tunggal photovoltaic dengan luas permukaan 100 cm2 akan menghasilkan sekitar 1,5 watt dengan tegangan sekitar 0,5 volt tegangan searah (0,5 Vdc) dan arus sekitar 2 Amper di bawah cahaya matahari dengan panas penuh (intensitas sekitar 1000W/m2). Perhatikan Gambar 2.4 berikut. Gambar 2.4. Karakteristik sel photovoltaic Berikut ini adalah salah satu contoh penggunaan pembangkit listrik tenaga surya, dimana panel sel dibuat dari kumpulan sel photovoltaic yang membentuk panel. Perhatikan Gambar 2.5a dan 2.5b berikut:

9 17 Gambar 2.5a. Contoh penggunaan sel photovoltaic Gambar 2.5b. Contoh penggunaan panel surya untuk PLTS dalam rumah tinggal Pembangkit listrik tenaga surya itu konsepnya sederhana. Yaitu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi dari sumber daya alam. Sumber daya alam matahari ini sudah banyak digunakan untuk memasok daya listrik di satelit komunikasi melalui sel surya. Sel surya ini dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang berputar dan tidak memerlukan bahan bakar. Sehingga sistem sel surya sering dikatakan bersih dan ramah lingkungan. Badingkan dengan sebuah generator listrik, ada bagian yang berputar dan memerlukan bahan bakar untuk dapat menghasilkan listrik. Suaranya bising. Selain itu gas buang yang dihasilkan dapat menimbulkan efek gas

10 18 rumah kaca (green house gas) yang pengaruhnya dapat merusak ekosistem planet bumi kita. Sistem sel surya yang digunakan di permukaan bumi terdiri dari panel sel surya, rangkaian kontroler pengisian (charge controller), dan Baterai (Accu) 12 Volt yang maintenance free. Panel sel surya merupakan modul yang terdiri beberapa sel surya yang digabung dalam hubungkan seri dan paralel tergantung ukuran dan kapasitas yang diperlukan. Yang sering digunakan adalah modul sel surya 50 watt atau 100 watt. Modul sel surya itu menghasilkan energi listrik yang proporsional dengan luas permukaan panel yang terkena sinar matahari. Rangkaian kontroler pengisian Baterai dalam sistem sel surya itu merupakan rangkaian elektronik yang mengatur proses pengisian baterainya. Kontroler ini dapat mengatur tegangan baterai dalam selang tegangan 12 volt plus minus 10 persen. Bila tegangan turun sampai 10,8 volt, maka kontroler akan mengisi baterai dengan panel surya sebagai sumber dayanya. Tentu saja proses pengisian itu akan terjadi bila berlangsung pada saat ada cahaya matahari. Jika penurunan tegangan itu terjadi pada malam hari, maka kontroler akan memutus pemasokan energi listrik. Setelah proses pengisian itu berlangsung selama beberapa jam, tegangan baterai itu akan naik. Bila tegangan baterai itu mencapai 13,2 volt, maka kontroler akan menghentikan proses pengisian baterai itu. Rangkaian kontroler pengisian itu sebenarnya mudah untuk dirakit sendiri. Tapi, biasanya rangkaian kontroler ini sudah tersedia dalam keadaan jadi di pasaran. Memang harga kontroler itu cukup mahal kalau dibeli sebagai unit tersendiri. Kebanyakan sistem sel surya itu hanya dijual dalam bentuk paket lengkap yang siap pakai. Jadi, sistem sel surya dalam bentuk paket lengkap itu jelas lebih murah dibandingkan dengan bila merakit sendiri. Biasanya panel surya itu letakkan dengan posisi statis menghadap matahari. Padahal bumi itu bergerak mengelilingi matahari. Orbit yang ditempuh bumi berbentuk elips dengan matahari berada di salah satu titik

11 19 fokusnya. Karena matahari bergerak membentuk sudut selalu berubah, maka dengan posisi panel surya itu yang statis itu tidak akan diperoleh energi listrik yang optimal. Agar dapat terserap secara maksimum, maka sinar matahari itu harus diusahakan selalu jatuh tegak lurus pada permukaan panel surya. Jadi, untuk mendapatkan energi listrik yang optimal, sistem sel surya itu masih harus dilengkapi pula dengan rangkaian kontroler optional untuk mengatur arah permukaan panel surya agar selalu menghadap matahari sedemikian rupa sehingga sinar mahatari jatuh hampir tegak lurus pada panel suryanya. Kontroler seperti ini dapat dibangun, misalnya, dengan menggunakan mikrokontroler Kontroler ini tidak sederhana, karena terdiri dari bagian perangkat keras dan bagian perangkat lunak. Biasanya, paket sistem sel surya yang lengkap belum termasuk kontroler untuk menggerakkan panel surya secara otomatis supaya sinar matahari jatuh tegak lurus. Karena itu, kontroler macam ini cukup mahal.

12 Aplikasi Sistem PLTS Tegangan yang dihasilkan sel surya adalah tegangan DC yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan, seperti: lampu penerangan rumah tinggal, lampu penerangan jalan, lampu lalu lintas, pemancar, sinyal kereta api dan sebagainya (Gambar 2.6). Gambar 2.6. Pemakaian sel surya Sumber : BPPT, Perkembangan Energi Sel Surya di Indonesia Selain itu PLTS juga dapat menghasilkan daya yang lebih besar, biasanya untuk beban AC, seperti: kebutuhan daya listrik di perumahan, Base Transceiver Station (BTS). Seringkali PLTS ini dikombinasikan dengan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) sehingga membentuk jaringan mikro yang dikenal dengan microgrid. Jaringan ini juga dapat digabungkan dengan jaringan listrik yang tersedia (milik PLN), seperti tampak pada Gambar 2.7.

13 21 Gambar 2.7. Pemakaian PLTS dengan Daya Besar 2.9 Konfigurasi PLTS (PV) PLTS (PV) terdiri dari empat komponen utama : 1. Modul Surya / Photovoltaik (PV) 2. Solar Charge Controller 3. Battery 4. Inverter Modul Surya / Photovoltaik (PV) Perbedaan utama dari Photovoltaic (PV) adalah bahan produksi dari Photovoltaic. Bahan Photovoltaic yang paling umum adalah crystalline silicon. Bahan crystalline dapat terdiri dari single crystal, mono or single crystalline, dan poly atau multi-crystalline. Selain itu solar cells panel ada yang terbuat dari lapisan tipis amorphous silicon. Sel Crystalline silicon mempunyai 2 tipe yang hampir serupa, meskipun sel single crystalline lebih efisien dibandingkan dengan poly-crystalline karena poly-crystalline merupakan ikatan antara sel-sel. Keunggulan dari amorphous silicon adalah harga yang terjangkau tetapi tidak seefisien crystalline silicon. Total pengeluaran listrik (watt) dari Photovoltaic adalah sebanding dengan tegangan operasi dikalikan dengan arus operasi saat ini. Modul Photovoltaic dapat menghasilkan arus dari Tegangan yang berbeda-beda. Hal ini berbeda dengan baterai, yang menghasilkan arus dari Tegangan yang relatif konstan. Karakteristik

14 22 output dari modul Photovoltaic dapat dilihat dari kurva performansi, disebut I-V curve. I-V curse menunjukkan hubungan antara arus dan Tegangan. Gambar 2.8 diatas menunjukkan tipikal kurva I-V. Tegangan (V) adalah sumbu horizontal. Arus (I) adalah sumbu vertikal. Kebanyakan kurva I-V diberikan dalam Standar Test Conditions (STC) 1000 watt per meter persegi radiasi (atau disebut satu matahari puncak/ one peak sun hour) dan 25 derajat Celcius/ 77 derajat Fahrenheit suhu solar cells panel. Sebagai informasi STC mewakili kondisi optimal dalam lingkungan laboratorium. Kurva I-V terdiri dari 3 hal yang penting: 1. Maximum Power Point (Vmp dan Imp) Pada kurva I-V, Maximum Power Point Vmp dan Imp, adalah titik operasi, dimana maksimum pengeluaran/ output yang dihasilkan oleh Modul Photovoltaic saat kondisi operasional. Dengan kata lain, Vmp dan Imp dapat diukur pada saat modul Photovoltaic diberi beban pada 25 derajat Celcius dan radiasi 1000 watt per meter persegi. Pada kurva di atas Tegangan 17 volts adalah Vmp, dan Imp adalah 2,5 ampere. Jumlah watt pada batas maksimum ditentukan dengan mengalikan Vmp dan Imp, maksimum jumlah watt pada STC adalah 43 watt. Output

15 23 berkurang sebagaimana Tegangan menurun. Arus dan daya output dari kebanyakan modul Photovoltaic menurun sebagaimana tegangan meningkat melebihi maximum power point. 2. Open Circuit Voltage (Voc) Open Circuit Voltage (Voc), adalah kapasitas tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak adanya arus (current). Pada kurva I-V, Voc adalah 21 volt. Daya pada saat Voc adalah 0 watt. Voc Modul Photovoltaic dapat diukur dilapangan dalam berbagai macam keadaan. Saat membeli modul, sangat direkomendasikan untuk menguji Tegangan untuk mengetahui apakah cocok dengan sepisifikasi pabrik. Saat menguji Tegangan dengan multimeter digital dari terminal positif ke terminal negatif. Open Circuit Voltage (Voc) dapat diukur pada pagi hari dan sore hari. 3. Short Circuit Current (Isc) Short Circuit Current (Isc), adalah maksimum output arus dari Modul Photovoltaic yang dapat dikeluarkan (output) di bawah kondisi dengan tidak ada resistansi atau short circuit. Pada kurva I-V diatas menunjukkan perkiraan arus 2,65 Ampere. Daya pada Isc adalah 0 watt. Short circuit current dapat diukur hanya pada saat membuat koneksi langsung terminal positif dan negatif dari modul Photovoltaic Faktor-faktor yang mempengaruhi Modul Photovoltaic Lima hal utama yang mempengaruhi performansi dari modul Photovoltaic : 1. Bahan pembuat Photovoltaic 2. Resistansi beban 3. Intensitas cahaya matahari 4. Suhu/ temperatur Modul Photovoltaic

16 24 5. Bayangan/ shading. 1. Bahan Pembuat Photovoltaic Panel sel surya terdiri dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas cahaya, saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus listrik yang dihasilkan juga akan berkurang. Dengan menambah panel sel surya (memperluas) berarti menambah konversi tenaga surya. Umumnya panel sel surya dengan ukuran tertentu memberikan hasil tertentu pula. Contohnya ukuran a cm x b cm menghasilkan listrik DC (Direct Current) sebesar x Watt per hour/ jam. Jenis panel sel surya: Polikristal (Poly-crystalline) Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak. Type Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung. Monokristal (Mono-crystalline) Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan. Efisiensi Daya Biaya Keterangan Penggunaan Perubahan Tahan Daya Mono Sangat Sangat Baik Kegunaan Sehari-hari Baik Baik Pemakaian Luas

17 25 Poly Baik Sangat Sangat Cocok Sehari-hari Baik Baik untuk Produksi masal Amorphous Cukup Cukup Baik Bekerja Sehari-hari baik Baik Baik dlm & Pencahaya Perangkat an komersial Fluorescent (kalkulator) Coumpound Sangat Sangat Cukup Berat dan Pemakaian (GaAs) Baik Baik Baik Rapuh di luar Angkasa 2. Resistansi beban Tegangan baterai adalah tegangan operasi dari Modul Photovoltaic, apabila baterai dihubungkan langsung dengan modul Photovoltaic. Sebagai contoh, umumnya baterai 12 Volt, voltase/ tegangan baterai biasanya antara 11.5 sampai 15 Volts. Untuk dapat mencharge baterai, Modul Photovoltaic harus beroperasi pada Tegangan yang lebih tinggi daripada Tegangan baterai bank. Efisiensi paling tinggi adalah saat Modul Photovoltaic beroperasi dekat pada maximum power point. Pada contoh di atas, tegangan baterai harus mendekati tegangan Vmp. Apabila tegangan baterai menurun di bawah Vmp, ataupun meningkat di atas Vmp, maka effisiensi nya berkurang.

18 26 Gambar 2.9 Bentuk Kurva I-Vmp terhadap intensitas cahaya 3. Intensitas cahaya matahari Semakin besar intensitas cahaya matahari secara proposional akan menghasilkan arus yang besar. Seperti gambar berikut, tingkatan cahaya matahari menurun, bentuk dari kurva I-V menunjukkan hal yang sama, tetapi bergerak ke bawah yang mengindikasikan menurunnya arus dan daya. Tegangan adalah tidak berubah oleh bermacam-macam intensitas cahaya matahari. 4. Suhu/ temperatur Modul Photovoltaic Sebagaimana suhu Modul Photovoltaic meningkat diatas standar suhu normal 25 derajat Celcius, efisiensi Modul Photovoltaic, effisiensi dan tegangan akan berkurang. Gambar di bawah ini mengilustrasikan bahwa, sebagaimana, suhu sel meningkat diatas 25 derajat Celcius (suhu Modul Photovoltaic, bukan suhu udara), bentuk kurva I-V tetap sama, tetapi bergeser ke kiri sesuai dengan kenaikan suhu Modul Photovoltaic, menghasilkan tegangan dan daya yang lebih kecil. Panas dalam kasus ini, adalah hambatan listrik untuk aliran elektron.

19 27 Untuk itu aliran udara di sekeliling Modul Photovoltaic sangat penting untuk menghilangkan panas yang menyebabkan suhu modul Photovoltaic yang tinggi. Gambar 2.10 Bentuk kurva I-Vmp terhadap suhu 5. Bayangan/ shading. Modul Photovoltaic, terdiri dari beberapa silikon yang diserikan untuk menghasilkan daya yang diinginkan. Satu silikon menghasilkan 0.46 Volt, untuk membentuk Modul Photovoltaic 12 Volt, 36 silikon diserikan, hasilnya adalah 0.46 Volt x 36 = Shading adalah dimana salah satu atau lebih sel silikon dari Modul Photovoltaic tertutup dari sinar matahari. Shading akan mengurangan pengeluaran daya dari Modul Photovoltaic. Beberapa jenis Modul Photovoltaic sangat terpengaruh oleh shading dibandingkan yang lain. Tabel di bawah ini menunjukkan efek yang sangat ekstrim pengaruh shading pada satu sel dari modul panel surya single crystalline yang tidak memiliki internal bypass diodes. Untuk mengatasi hal tersebut

20 28 Modul Photovoltaic dipasang bypass diode, bypass diode untuk arus mengalir ke satu arah, mencegah arus ke silikon yang terkena bayangan. Persentase dari bayangan Persentase dari loss pada satu sel modul Photovoltaic 0% 0% 25% 55% 50% 50% 75% 66% 100% 75% 3 sel terkena bayangan 93 * data diambil dari buku Photovoltaics Design and Installation Manual Hal yang harus diperhatikan dalam pemasangan adalah agar solar cell panel tidak terhalang/ shading. Gambar 2.11 Bentuk kurva I-Vmp terhadap Shading

21 Cara Kerja Sel Surya Sel surya terdiri dari beberapa buah sel silisium yang disusun secara seri. Sel ini menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Susunan dari beberapa sel surya disebut modul, sedangkan susunan beberapa modul disebut array. Dalam penggunaannya, sel surya seringkali dibutuhkan untuk dapat menghasilkan nilai daya yang lebih besar agar dapat digunakan sebagai catu daya, sehingga diperlukan sel surya yang banyak. Hal tersebut dapat terpenuhi dengan cara merakit sejumlah sel surya dengan menghubungkan sedemikian rupa hingga diperoleh tegangan dengan nilai tertentu. Pada umumnya setiap modul sel surya telah dirancang sedemikian rupa oleh pabrik, sehingga tahan terhadap temperatur yang tinggi serta benturan mekanis yang terjadi. Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silikon yang berperan sebagai isolator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Gambar Cara kerja sel surya Sel surya pada kondisi normal dalam penggunaannya memiliki batasan ukuran suhu (rating) yaitu antara -65ºC hingga +125ºC (-85ºF hingga +257ºF). Yang dimaksud dengan kondisi normal adalah bila digunakan sebagaimana mestinya, yaitu untuk kehidupan sehari-hari. Sel surya masih dapat bertahan hingga suhu +250ºC, untuk periode penggunaan yang tidak lebih dari 30 menit

22 30 dan bertahan hingga suhu +300ºC, untuk periode penggunaan kurang dari 20 menit. Sel surya akan bekerja dengan baik pada suhu yang rendah yaitu mencapai suhu -100ºC (-148ºF). Suhu sangat mempengaruhi kondisi kerja atau nilai keluaran dari sel surya. Modul sel surya Photovoltaic merubah energi surya menjadi arus listrik DC. Arus listrik DC yang dihasilkan ini akan dialirkan melalui suatu inverter (pengatur tenaga) yang merubahnya menjadi arus listrik AC, dan juga dengan otomatis akan mengatur seluruh sistem. Listrik AC akan didistribusikan melalui suatu panel distribusi indoor yang akan mengalirkan listrik sesuai yang dibutuhkan peralatan listrik. Besar dan biaya konsumsi listrik yang dipakai di rumah akan diukur oleh suatu Watt-Hour Meters. Komponen utama sistem surya fotovoltaik adalah modul yang merupakan unit rakitan beberapa sel surya fotovoltaik. Untuk membuat modul fotovoltaik secara pabrikasi bisa menggunakan teknologi kristal dan thin film. Modul fotovoltaik kristal dapat dibuat dengan teknologi yang relatif sederhana, sedangkan untuk membuat sel fotovoltaik diperlukan teknologi tinggi. Modul fotovoltaik tersusun dari beberapa sel fotovoltaik yang dihubungkan secara seri dan paralel. Biaya yang dikeluarkan untuk membuat modul sel surya yaitu sebesar 60% dari biaya total. Jadi, jika modul sel surya itu bisa diproduksi di dalam negeri berarti akan bisa menghemat biaya pembangunan PLTS. Untuk itulah, modul pembuatan sel surya di Indonesia tahap pertama adalah membuat bingkai (frame), kemudian membuat laminasi dengan sel-sel yang masih diimpor. Jika permintaan pasar banyak maka pembuatan sel dilakukan di dalam negeri. Hal ini karena teknologi pembuatan sel surya dengan bahan silikon single dan poly cristal secara teoritis sudah dikuasai. Dalam bidang

23 31 fotovoltaik yang digunakan pada PLTS, Indonesia ternyata telah melewati tahapan penelitian dan pengembangan dan sekarang menuju tahapan pelaksanaan dan instalasi untuk elektrifikasi untuk pedesaan. Teknologi ini cukup canggih dan keuntungannya adalah harganya murah, bersih, mudah dipasang dan dioperasikan dan mudah dirawat. Sedangkan kendala utama yang dihadapi dalam pengembangan energi surya fotovoltaik adalah investasi awal yang besar dan harga per kwh listrik yang dibangkitkan relatif tinggi, karena memerlukan subsistem yang terdiri atas baterai, unit pengatur dan inverter sesuai dengan kebutuhannya. Gambar.2.13 Operasi pada photovoltaic Gambar 2.13 menerangkan bahwa Bahan sel surya sendiri terdiri kaca pelindung dan material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan lingkungan, material antirefleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan, semi-konduktor P-type dan N- type (terbuat dari campuran Silikon) untuk menghasilkan medan listrik, saluran awal dan saluran akhir (tebuat dari logam tipis) untuk mengirim elektron ke perabot listrik. Cara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi-konduktor, terjadi pelepasan

24 32 elektron. Apabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya-gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semi-konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. Dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada perabot listrik Karakteristik Sel Surya Berikut ini adalah grafik karakteristik tegangan, arus dan output daya sel surya (Gambar 2.14) Gambar 2.14 Karakteristik daya maksimum keluaran sel surya Pada beban rendah dengan resistansi beban yang relatif tinggi, output dari sel akan mendekati suatu tegangan yang nilainya konstan dan berkisar antara 0,55 Volt hingga 0,6 Volt. Hal ini

25 33 bergantung pada jumlah energi yang diterima dan temperatur dari sel itu sendiri. Bila beban ditambah dengan cara mengurangi resistansi beban, maka arus output dan daya beban akan bertambah hingga mencapai suatu titik dimana tegangan output akan belok secara cepat dan turun secara tajam bila resistansi beban dirubah secara berkelanjutan. Pada daerah ini arus dari beban akan tetap dalam keadaan konstan. Output daya maksimum untuk suatu level energi tertentu yang jatuh pada sel terjadi pada daerah knee (lutut) Rangkaian Sel Surya Rangkaian sel surya adalah sekumpulan sel surya yang dihubungkan secara seri, paralel atau kombinasi keduanya untuk memperoleh nilai tegangan, arus dan daya tertentu, yang biasa disebut dengan Generator Photo Voltaic (PV). Generator PV [3] terdiri dari sel sel PV yang membangkitkan tegangan arus searah (DC) hasil konversi energi dari radiasi surya. Tenaga listrik yang dihasilkan tersebut harus mempunyai besar tegangan tertentu yang sesuai dengan tegangan yang diperlukan. Rangkaian dari sel sel yang disusun seri dan paralel tersebut dinamakan modul. Biasanya setiap modul terdiri dari unit sel. Apabila tegangan, arus dan daya dari suatu modul tidak mencukupi untuk beban yang digunakan, maka modul modul tersebut dapat dirangkaikan seri, paralel ataupun kombinasi keduanya untuk menghasilkan besar tegangan dan daya sesuai kebutuhan. Rangkaian modul yang dihubungkan seri tersebut dinamakan rangkaian cabang (branch circuit) dan modul modul total yang terpasang disebut dengan susunan modul (array) yang terdiri dari kumpulan paralel rangkaian cabang. Untuk memperoleh besar tegangan dan daya yang sesuai dengan kebutuhan, sel sel PV tersebut dikombinasikan secara seri dan paralel, dengan aturan sebagai berikut :

26 34 1. Untuk memperoleh tegangan keluaran yang dua kali lebih besar dari tegangan keluaran sel PV, maka dua buah sel PV harus dihubungkan seri. 2. Untuk memperoleh arus keluaran yang dua kali lebih besar dari arus keluaran sel PV, maka dua buah sel PV harus dihubungkan secara paralel. 3. Untuk memperoleh daya keluaran yang dua kali lebih besar dari daya keluaran sel PV dengan tegangan yang konstan, maka dua buah sel PV harus dihubungkan secara seri dan paralel. Jumlah modul yang dihubungkan seri ditentukan oleh nilai tegangan yang dibutuhkan oleh inverter, dengan rumus dibawah ini: Dengan : J s V INV V MF V INV J s (2.1) VMF = jumlah seri modul PV = tegangan masukan inverter (Volt) = tegangan maksimum modul PV (Volt) Jika diperoleh bilangan pecahan, maka J s dibulatkan ke bawah atau ke atas. Jadi tegangan generator PV (V GPV ) adalah : V GPV = J s. V MF (2.2) Untuk memperoleh daya total generator PV sebesar P GPV, maka dibutuhkan jumlah string, sebagai berikut : J Dengan : J p p' GPV p (2.3) VGPV. I MF = jumlah string modul PV P GPV = daya generator PV (Watt) V GPV = tegangan generator PV (Volt)

27 35 I MF = arus maksimum modul PV (Ampere) Bila diperoleh bilangan pecahan, J p dibulatkan keatas, arus nominal generator PV (I GPV ) dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : I GPV = J p. I MF (2.4) Setelah ditentukan Js dan Jp, maka daya generator PV terpasang dihitung kembali menggunakan persamaan : P GPV = V GPV. I GPV (Watt Peak) (2.5) Sedangkan jumlah susunan modul PV (N) yang terpasang adalah N = J P. J s (2.6) Solar Charge Controller Solar Charge Controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. Solar charge controller mengatur overcharging (kelebihan pengisian - karena batere sudah 'penuh') dan kelebihan Tegangan dari panel surya. Kelebihan voltase dan pengisian akan mengurangi umur baterai. Solar charge controller menerapkan teknologi Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengatur fungsi pengisian baterai dan pembebasan arus dari baterai ke beban. Panel surya 12 Volt umumnya memiliki tegangan output Volt. Jadi tanpa solar charge controller, baterai akan rusak oleh over charging dan ketidakstabilan tegangan. Baterai umumnya dicharge pada tegangan Volt.

28 36 Gambar 2.15 Solar Charge Controller Beberapa fungsi detail dari solar charge controller adalah sebagai berikut: Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging, dan overvoltage. Mengartur arus yang dibebaskan/ diambil dari baterai agar baterai tidak 'full discharge', dan overloading. Monitoring temperatur baterai Untuk membeli solar charge controller yang harus diperhatikan adalah: Voltage 12 Volt DC / 24 Volt DC Kemampuan (dalam arus searah) dari controller. Misalnya 5 Ampere, 10 Ampere, dsb. Full charge dan low voltage cut Seperti yang telah disebutkan di atas solar charge controller yang baik biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah penuh terisi maka secara otomatis pengisian arus dari panel sel surya berhenti. Cara deteksi adalah melalui monitor level

29 37 tegangan batere. Solar charge controller akan mengisi baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan drop, maka baterai akan diisi kembali. Solar Charge Controller biasanya terdiri dari : 1 input ( 2 terminal ) yang terhubung dengan output panel sel surya, 1 output ( 2 terminal ) yang terhubung dengan baterai / aki dan 1 output ( 2 terminal ) yang terhubung dengan beban ( load ). Arus listrik DC yang berasal dari baterai tidak mungkin masuk ke panel sel surya karena biasanya ada 'diode protection' yang hanya melewatkan arus listrik DC dari panel sel surya ke baterai, bukan sebaliknya. Charge Controller bahkan ada yang mempunyai lebih dari 1 sumber daya, yaitu bukan hanya berasal dari matahari, tapi juga bisa berasal dari tenaga angin ataupun mikro hidro. Di pasaran sudah banyak ditemui charge controller 'tandem' yaitu mempunyai 2 input yang berasal dari matahari dan angin. Untuk ini energi yang dihasilkan menjadi berlipat ganda karena angin bisa bertiup kapan saja, sehingga keterbatasan waktu yang tidak bisa disuplai energi matahari secara full, dapat disupport oleh tenaga angin. Bila kecepatan rata-rata angin terpenuhi maka daya listrik per bulannya bisa jauh lebih besar dari energi matahari. Controller sering disebut sebagai power conditioner, pada hakekatnya berfungsi 1. Sebagai voltage conditioning sebelum di supplay ke load. 2. Berfungsi sebagai charger untuk mencharge battery dengan memanfaatkan kelebihan listrik dari genset. 3. Berfungsi mengatur charging dari solar module. 4. Berfungsi sebagai inverter dengan mengkonversi listrik DC yang dihasilkan solar PV system menjadi listrik AC yang akan di supplay ke load.

30 38 Fungsi utama Controller/ Alat Pengatur adalah mengisi baterai menggunakan tegangan yang berasal dari sel surya. Selain itu juga berfungsi untuk: 1. Membatasi dan menghentikan arus yang mengalir ke baterai apabila kondisi baterai tersebut dalam keadaan penuh sekaligus melakukan pemindahan hubungan dari baterai yang sudah penuh tersebut untuk mencatu beban 2. Dilengkapi dengan indikator Low Voltage Disconnect, dimana akan menghentikan suplai yang berasal dari sel surya ke beban apabila tegangan baterai berada dibawah harga tegangan pemutusan (cut-off Voltage) dan hal tersebut dapat mencegah baterai dari kerusakan serta memperpanjang umur dari baterai itu sendiri. 3. Mengamankan baterai dari bahaya overcharge maupun over discharge. 4. Yang dimaksud dengan over charge adalah suatu kondisi dimana terjadi proses pemutusan pengisian baterai (charging) pada tegangan batas atas dengan tujuan untuk menghindari gassing yang dapat menyebabkan penguapan gel baterai dan korosi pada grid baterai sehingga dapat mengurangi life time dari baterai. Sedangkan over discharge adalah suatu kondisi dimana proses pemutusan pengosongan baterai (discharging) pada tegangan batas bawah untuk menghindari pembebanan berlebih yang dapat menyebabkan sulfasi baterai. 5. Mencegah beban berlebih dan terjadinya hubung singkat 6. Menghindari aliran balik arus listrik yang dapat merusak panel surya di malam hari saat tegangan panel lebih rendah dibanding tegangan baterai. Ada beberapa rangkaian pengisi baterai, antara lain: type seri, shunt dan multistep regulator (Gambar 2.16).

31 39 Regulator Regulator Beban Beban Switch Blocking dioda + - Blocking dioda + - Modul Sel Surya Baterai/Aki Modul Sel Surya Switch Baterai/Aki Gambar On-off Regulation Type Serie, Shunt dan multistep Regulation Hubungan sel surya dengan baterai akan terputus saat tegangan baterai telah mencapai batas atas. Untuk type series pada saat cut off Ipv= 0 dan Vpv= Vba (sakelar terbuka). Untuk type shunt pada saat cut off Ipv= Ibat dan Vpv=0 (sakelar tertutup). Rangkaian ini dipasang antara panel surya dan baterai dengan spesifikasi teknis sesuai dengan daya dan tegangan panel surya. Disamping itu harus mampu bekerja pada kondisi ekstrim yaitu saat tegangan lebih rendah dari 1,25 kali tegangan (Vrated) panel surya dan arus maksimum (Imax) panel surya selama setidaknya satu jam tanpa tersambung ke baterai. Pengaturan pada alat pengontrol perlu diselaraskan dengan kebutuhan sistem PLTS. Contoh pengaturan sistem PLTS untuk baterai yaitu menghentikan pengisian baterai saat tegangan baterai telah mencapai 2,5 Volt, dan memulai kembali pengisian baterai jika tegangan baterai kurang dari 2,3 Volt. Adapun pengaturan untuk penggunaan baterai yaitu menghentikan aliran listrik dari baterai ke peralatan listrik jika tegangan baterai turun hingga 1,9 Volt, dan menyambungkan kembali aliran listrik saat baterai telah terisi hingga tegangan melebihi 2,10 Volt.

32 Teknologi Solar Charge Controller Ada dua jenis teknologi yang umum digunakan oleh solar charge controller: PWM (Pulse Wide Modulation), seperti namanya menggunakan 'lebar' pulse dari on dan off elektrikal, sehingga menciptakan seakan-akan sine wave electrical form. Gambar 2.17 Bentuk Gelombang PWM ( Pulse Width Modulation) MPPT (Maximun Power Point Tracker), yang lebih efisien konversi DC to DC (Direct Current). MPPT dapat mengambil maximun daya dari PV. MPPT charge controller dapat menyimpan kelebihan daya yang tidak digunakan oleh beban ke dalam baterai, dan apabila daya yang dibutuhkan beban lebih besar dari daya yang dihasilkan oleh PV, maka daya dapat diambil dari baterai. Kelebihan MPPT dalam ilustrasi ini: Panel surya ukuran 120 Watt, memiliki karakteristik Maximun Power Voltage 17.1 Volt, dan Maximun Power Current 7.02 Ampere. Dengan solar charge controller selain MPPT dan tegangan batere 12.4 Volt, berarti daya yang dihasilkan adalah 12.4 Volt x 7.02 Ampere = Watt. Dengan MPPT, maka Ampere yang bisa diberikan adalah sekitar 120W : 12.4 V = 9.68 Ampere.

33 41 Teknologi yang sudah jarang digunakan, tetapi sangat murah, adalah Tipe 1 atau 2 Stage Control, dengan relay ataupun transistor. Fungsi relay adalah meng-short ataupun men-disconnect baterai dari panel surya Cara Kerja Solar Charge Controller Solar charge controller, adalah komponen penting dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Solar charge controller berfungsi untuk: Charging mode: Mengisi baterai (kapan baterai diisi, menjaga pengisian kalau baterai penuh). Operation mode: Penggunaan baterai ke beban (pelayanan baterai ke beban diputus kalau baterai sudah mulai 'kosong'). Charging Mode Solar Charge Controller Dalam charging mode, umumnya baterai diisi dengan metoda three stage charging: Fase bulk: baterai akan di-charge sesuai dengan tegangan setup (bulk - antara Volt) dan arus diambil secara maksimun dari panel surya. Pada saat baterai sudah pada tegangan setup (bulk) dimulailah fase absorption. Fase absorption: pada fase ini, tegangan baterai akan dijaga sesuai dengan tegangan bulk, sampai solar charge controller timer (umumnya satu jam) tercapai, arus yang dialirkan menurun sampai tercapai kapasitas dari baterai. Fase flloat: baterai akan dijaga pada tegangan float setting (umumnya Volt).

34 42 Beban yang terhubung ke baterai dapat menggunakan arus maksimun dari panel surya pada stage ini. Gambar bentuk Gelombang Stage Charging Sensor Temperatur Baterai Untuk solar charge controller yang dilengkapi dengan sensor temperatur baterai. Tegangan charging disesuaikan dengan temperatur dari baterai. Dengan sensor ini didapatkan optimun dari charging dan juga optimun dari usia baterai. Apabila solar charge controller tidak memiliki sensor temperatur baterai, maka tegangan charging perlu diatur, disesuaikan dengan temperatur lingkungan dan jenis baterai. Mode Operation Solar Charge Controller Pada mode ini, baterai akan melayani beban. Apabila ada over-discharge atau over-load, maka baterai akan dilepaskan dari beban. Hal ini berguna untuk mencegah kerusakan dari baterai.

35 Baterai Baterai adalah alat penyimpan tenaga listrik arus searah ( DC). Ada beberapa jenis baterai / aki di pasaran yaitu jenis aki basah/ konvensional, hybrid dan MF ( Maintenance Free ). Aki basah/konvensional berarti masih menggunakan asam sulfat ( H2SO4 ) dalam bentuk cair. Sedangkan aki MF sering disebut juga aki kering karena asam sulfatnya sudah dalam bentuk gel/selai. Dalam hal mempertimbangkan posisi peletakkannya maka aki kering tidak mempunyai kendala, lain halnya dengan aki basah. Aki konvensional juga kandungan timbalnya ( Pb ) masih tinggi sekitar 2,5%untuk masing-masing sel positif dan negative Sedangkan jenis hybrid kandungan timbalnya sudah dikurangi menjadi masing-masing 1,7%, hanya saja sel negatifnya sudah ditambahkan unsur Calsium. Sedangkan aki MF / aki kering sel positifnya masih menggunakan timbal 1,7% tetapi sel negatifnya sudah tidak menggunakan timbal melainkan Calsium sebesar 1,7%. Pada Calsium battery Asam Sulfatnya ( H2SO4 ) masih berbentuk cairan, hanya saja hampir tidak memerlukan perawatan karena tingkat penguapannya kecil sekali dan dikondensasi kembali. Teknologi sekarang bahkan sudah memakai bahan silver untuk campuran sel negatifnya. Ada beberapa pertimbangan dalam memilih aki : Tata letak, apakah posisi tegak, miring atau terbalik. Bila pertimbangannya untuk segala posisi maka aki kering adalah pilihan utama karena cairan air aki tidak akan tumpah. Kendaraan off road biasanya menggunakan aki kering mengingat medannya yang berat. Aki ikut terguncangguncang dan terbanting. Aki kering tahan goncangan sedangkan aki basah bahan elektodanya mudah rapuh terkena goncangan.

36 44 Voltase / tegangan, di pasaran yang mudah ditemui adalah yang bertegangan 6V, 12V da 24V. Ada juga yang multipole yang mempunyai beberapa titik tegangan. Yang custom juga ada, biasanya dipakai untuk keperluan industri. Kapasitas aki yang tertulis dalam satuan Ah ( Ampere hour ), yang menyatakan kekuatan aki, seberapa lama aki tersebut dapat bertahan mensuplai arus untuk beban / load. Cranking Ampere yang menyatakan seberapa besar arus start yang dapat disuplai untuk pertama kali pada saat beban dihidupkan. Aki kering biasanya mempunyai cranking ampere yang lebih kecil dibandingkan aki basah, akan tetapi suplai tegangan dan arusnya relatif stabil dan konsisten. Itu sebabnya perangkat audio mobil banyak menggunakan aki kering. Pemakaian dari aki itu sendiri apakah untuk kebutuhan rutin yang sering dipakai ataukah cuma sebagai back-up saja. Aki basah, tegangan dan kapasitasnya akan menurun bila disimpan lama tanpa recharge, sedangkan aki kering relatif stabil bila di simpan untuk jangka waktu lama tanpa recharge. Harga karena aki kering mempunyai banyak keunggulan maka harganya pun jauh lebih mahal daripada aki basah. Untuk menjembatani rentang harga yang jauh maka produsen aki juga memproduksi jenis aki kalsium ( calcium battery ) yang harganya diantara keduanya. Secara garis besar, battery dibedakan berdasarkan aplikasi dan konstruksinya. Berdasarkan aplikasi maka baterai dibedakan untuk automotif, marine dan deep cycle. Deep cycle itu meliputi baterai yang biasa digunakan untuk PV (PhotoVoltaic ) dan back up power. Sedangkan secara konstruksi maka baterai dibedakan menjadi type basah, gel dan AGM ( Absorbed Glass Mat ).

37 45 Battery jenis AGM biasanya juga dikenal dgn VRLA ( Valve Regulated Lead Acid ). Battery kering Deep Cycle juga dirancang untuk menghasilkan tegangan yang stabil dan konsisten. Penurunan kemampuannya tidak lebih dari 1-2% per bulan tanpa perlu dicharge. Bandingkan dengan battery konvensional yang bisa mencapai 2% per minggu untuk self discharge. Konsekuensinya untuk charging pengisian arus ke dalam baterai Deep Cycle harus lebih kecil dibandingkan baterai konvensional sehingga butuh waktu yang lebih lama untuk mengisi muatannya. Antara type gel dan AGM hampir mirip hanya saja battery AGM mempunyai semua kelebihan yang dimiliki type gel tanpa memiliki kekurangannya. Kekurangan type Gel adalah pada waktu dicharge maka tegangannya harus 20% lebih rendah dari battery type AGM ataupun basah. Bila overcharged maka akan timbul rongga di dalam gelnya yg sulit diperbaiki sehingga berkurang kapasitas muatannya. Karena tidak ada cairan yang dapat membeku maupun mengembang, membuat battery Deep Cycle tahan terhadap cuaca ekstrim yang membekukan. Itulah sebabnya mengapa pada cuaca dingin yang ekstrim, kendaraan yang menggunakan baterai konvensional tidak dapat distart alias mogok. Ada 2 rating untuk battery yaitu CCA dan RC. CCA ( Cold Cranking Ampere ) menunjukkan seberapa besar arus yang dapat dikeluarkan serentak selama 30 detik pada titik beku air yaitu 0 derajad Celcius. RC ( Reserve Capacity ) menunjukkan berapa lama ( dalam menit ) battery tersebut dapat menyalurkan arus sebesar 25A sambil tetap menjaga tegangannya di atas 10,5 Volt. Battery Deep Cycle mempunyai 2-3 kali lipat nilai RC dibandingkan battery konvensional. Umur battery AGM rata-rata antara 5-8 tahun.

38 Charging Baterai Waktu pengisian baterai aki/ sealed lead acid adalah 12 sampai 16 jam. Dengan arus pengisian yang lebih tinggi dan metode pengisian multi-stage, waktu pengisian dapat berkurang sampai dengan 10 jam atau kurang. Pengisian multi-stage, terdiri dari 3 stage/ tahap: constant-current charge, topping charge dan float charge. Selama constantcurrent charge, baterai diisi sampai 70 persen dalam waktu 5 jam; sisanya 30 persen adalah pengisian pelan-pelan dalam topping charge. Topping charge butuh sekitar 5 jam yang lain dan ini sangat penting untuk menjaga baterai tetap baik. Jika pola pengisian baterai tidak lengkap sesuai dengan kedua stage diatas, maka baterai akan kehilangan kemampuan untuk menerima full charge dan kinerja baterai akan berkurang. Tahap ketiga adalah float charge, kompensasi self-discharge setelah baterai terisi penuh. Baterai aki, terdiri dari beberapa sel. Baterai aki 12 Volt, terdiri dari 6 sel. Batas tegangan satu sel umumnya mulai dari 2.30V sampai 2.45V. Jadi baterai aki 12 Volt, tegangan sebenarnya adalah antara 13.8 V Volt. Kondisi baterai aki tergantung dari suhu. Suhu tinggi menyebabkan baterai cepat rusak. Pada saat charging baterai pada suhu ruangan melebihi 30 derajat celcius, tegangan yang direkomendasikan adalah 2.35V/sel. Pada saat charging, dan suhu ruangan tetap dibawah 30 derajat Celcius, tegangan charger untuk masing-masing sel disarankan 2.40 sampai 2.45Volt.Tegangan float charge yang direkomendasikan dari kebanyakan baterai aki lead acid adalah di antara 2.25 sampai 2.30V/sel. Kompromi yang baik adalah 2.27V.

39 47 Float charge yang optimal bergeser tergantung dari suhu. Pada suhu tinggi dibutuhkan tegangan lebih kecil dan suhu lebih rendah dibutuhkan tegangan lebih tinggi. Charger dengan suhu yang fluktuatif harus dilengkapi dengan sensor suhu untuk mengoptimalkan float voltage. Baterai aki memerlukan periodik discharge, untuk memperpanjan umur baterai. Penerapan sekali dalam sebulan, dimana discharge dilakukan hanya berkisar 10 persen dari total kapasitas. Full discharge sebagai bagian dari pemeliharaan rutin tidak direkomendasikan karena akan mengurangi siklus hidup baterai. Baterai aki memiliki tegangan puncak bervariasi pada suhu yang bervariasi saat pengisian ulang dan float charge. Menerapkan kompensasi suhu pada charger untuk menyesuaikan suhu ekstrim memperpanjang umur baterai hingga 15 persen. Ini benar jika dijalankan pada suhu tinggi Discharge Baterai Kapasitas baterai sebesar 100 Ampere hour, artinya arus baterai akan habis dalam satu jam, bila beban menggunakan 100 Ampere. Level discharge baterai aki yang direkomendasikan adalah sampai dengan tegangan 1.75 Volt per sel. Baterai aki akan rusak apabila tegangan per sel lebih kecil dari 1.75 Volt (atau 10.5 Volt untuk baterai 12 Volt). Masa baterai dihitung dalam jumlah cycle. Satu cycle adalah satu kali penggunaan dan pengisian. Depth of discharge (jumlah pemakaian ampere baterai),

40 48 mempengaruhi jumlah cycle baterai aki. Pada suhu 25 derajat Celcius: cycle dengan 100 persen depth of discharge (full discharge) cycle dengan 50 persen depth of discharge (partial discharge) atau lebih dengan 30 persen depth of discharge (shallow discharge). Baterai berfungsi sebagai Buffer daya untuk mengatasi time lag antara dihasilkannya listrik oleh pembangkit (PV ataupun Genset) dengan waktu digunakannya listrik oleh load. Ukuran dan kapasitas baterai sangat tergantung pada ukuran genset, ukuran solar panel, dan load pattern. Ukuran baterai yg terlalu besar baik untuk efisiensi operasi tetapi mengakibatkan kebutuhan investasi yang terlalu besar, sebaliknya ukuran baterai terlalu kecil dapat mengakibatkan tidak tertampungnya daya berlebih dari pembangkit dan genset terlalu sering menyala. Modul sel surya tidak mampu memberikan suplai tegangan ke beban pada malam hari, hal ini dikarenakan pada malam hari sel surya tidak memperoleh cahaya matahari sebagai sumber energi utama untuk menghasilkan energi listrik. Namun demikian sel surya tetap dapat menyerap cahaya yang dipancarkan oleh lampu pijar, walaupun tidak sekuat cahaya matahari. Agar beban dapat tetap difungsikan maka harus ada sumber tegangan cadangan untuk mensuplai beban. Untuk dapat memberikan sumber tenaga bagi beban pada saat malam hari, maka digunakan baterai sebagai tempat penyimpanan energi

41 49 tegangan keluaran sel surya yang dihasilkan pada saat siang hari. Baterai adalah suatu alat berupa sekumpulan sel listrik yang mampu menyimpan energi berupa tegangan AS yang dapat digunakan untuk mensuplai beban dan dapat dihubungkan secara serie maupun pararel sesuai dengan karakteristik dari arus dan tegangan pada beban. Baterai memperoleh tegangan dari modul sel surya. Bila ditinjau dari segi elektrolitnya maka ada dua jenis baterai yaitu baterai basah dan kering. Essensi dari sebuah baterai adalah sekaleng penuh cairan kimia yang dapat menghasilkan elektron. Reaksi kimia yang terbentuk disebut dengan reaksi elektrokimia. Gambar Struktur Baterai Jenis baterai Ditinjau dari elektrolit yang digunakan ada dua macam baterai, yaitu: Sel Basah (welt cell) dengan elektrolit berbentuk cair, kapasitas umumnya besar dan bentuk fisiknya besar.

42 50 Sel Kering (dry cell) dengan elektrolit berbentuk pasta, kapasitas umumnya kecil dan bentuk fisiknya lebih kecil. Ditinjau dari pemakaian baterai dibagi menjadi dua macam, yaitu: Sel Primer merupakan sel listrik apabila kapasitasnya telah berkurang atau habis masa/umur pakainya, maka material aktifnya tidak bisa dinormalkan kembali seperti semula dan biasanya sel seperti ini disebut juga dengan sel listrik sekali pakai. Sel Sekunder merupakan sel listrik yang apabila kapasitas pemakaiannya sudah berkurang, maka material aktifnya dapat dinormalkan kembali (diisi ulang) dan biasanya sel listrik seperti ini disebut juga sebagai sistem sel listrik discharge atau acccumulator. Fungsi baterai pada pemanfaatan energi sel surya ini adalah : Menyimpan energi cadangan untuk digunakan pada waktu lain, dimana cahaya matahari tidak nampak seperti contohnya pada saat malam hari dapat dipakai sebagai tenaga darurat. Catuan daya kompensasi pada saat beban maksimum, dimana catuan daya dari sel surya yang sudah tidak mampu lagi untuk mencatu beban sehingga perlu catuan tambahan dari baterai. Pelengkap atau suplemen modul output pada saat hari berawan atau cahaya matahari terhalang.

43 51 Menstabilkan tegangan pada saat beroperasi dengan beban Kapasitas Arus Baterai Merupakan kapasitas yang dimiliki sebuah baterai dalam ukuran Ampere hour (Ah), yaitu kemampuan baterai menghantar arus dalam waktu satu jam sehingga terdapat hubungan antara besar arus yang mengalir terhadap lama waktu pemakaian baterai, yaitu: k = I x t (Ah) (2.7) t = I/k (h) (2.8) Dengan : k : kapasitas hantar arus baterai (Ah) I : Arus beban (A) t : lama waktu pemakaian baterai (h) Dari rumus di atas terdapat hubungan berbanding terbalik antara waktu pemakaian dengan besar arus beban. Makin besar beban, yang berarti arus yang diperlukan makin besar, maka lama waktu pemakaian baterai makin singkat, dan sebaliknya. adanya resistansi dalam baterai (Rd) yaitu sebesar : V1 V (2.9) I R d 2 Dengan : Rd V V1 V2 = Tahanan dalam baterai (Ω) = Jumlah tegangan (V) = Tegangan awal (V) = Tegangan berbeban (V)

44 52 I = Arus yang mengalir (A) Baterai yang digunakan untuk sistem PLTS harus mempunyai konstruksi yang kuat dan tahan terhadap kondisi cuaca dingin/panas dan goncangan serta memiliki jumlah siklus pengisian-pengambilan (charge-discharge) tertentu, sehingga dapat beroperasi dengan usia servis tertentu, serta saat dihubungkan dengan peralatan listrik, baterai memiliki batas tegangan minimum untuk dapat menyalurkan energi listrik tanpa menyebabkan kerusakan pada baterai. Salah satu karakteristik penting baterai yaitu kedalaman pengambilan (depth of discharge) yang menunjukkan persentase dari kapasitas terpasang baterai yang dapat diambil saat menyuplai listrik ke peralatan pengguna listrik. Usia baterai dalam hal ini jumlah siklus pemakaian akan lebih lama jika selama penggunaannya, kedalaman pemakaian baterai tidak melebihi 40%. Artinya, jika baterai memiliki kapasitas terpasang 100 Ah, maka jumlah yang dipakai sebaiknya tidak melebihi 40 Ah sebelum baterai diisi kembali. Disamping itu, usia baterai dapat diperpanjang dengan mencegah menyalakan beberapa peralatan yang membutuhkan arus yang besar sekaligus. Penggunaan aki bekas dari mobil sebenarnya dimungkinkan, khususnya untuk mengurangi biaya investasi awal. Secara teknis, aki mobil tidak cocok untuk sistem PLTS karena sifat penggunaan aki mobil umumnya untuk suplai arus besar dalam waktu singkat (misalnya starter mobil) sedangkan sistem PLTS membutuhkan suplai arus kecil dalam waktu relatif lama. Jika menggunakan aki

45 53 mobil untuk sistem PLTS, disarankan agar kedalaman pengambilan tidak melebihi 10% dari kapasitas aki Inverter Inverter adalah sebuah perangkat elektronik yang dapat mengubah atau mengkonversikan tegangan DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternatung Current) baik satu fasa maupun tiga fasa. Invertor dapat digunakan sebagai: a. Catu daya darurat b. Catu daya tak terputus (UPS) c. Pengendali kecepatan motor Bentuk gelombang tegangan keluaran inverter yang ideal adalah berbentuk sebuah gelombang sinusoidal murni, akan tetapi pada kenyataannya gelombang tegangan output inverter masih mengandung harmonik. Gambar 2.20 Contoh Inverter Satu Fasa Keterangan: 1. ON / OFF Switch : menghidupkan dan mematikan inverter 2. Lampu tanda (LED) Over Volt : Indikator terhadap tegangan lebih Under Volt : Indikator terhadap tegangan kurang Over Temp : Indikator terhadap suhu tinggi Over Load : Indikator terhadap beban lebih Power : Indikator Power ON Run/ Green Power : Indikator kondisi operasi arus dari inverter