PERENCANAAN PERKAMPUNGAN SURYA (SOLAR RURAL) 20 kwp SISTEM SENTRALISASI DI KABUPATEN BENGKALIS Zulkifli Teknik Mesin Politeknik Bengkalis Jl. Batin Alam Sei-Alam, Bengkalis -Riau zulkifli@polbeng.ac.id Abstrak Tulisan ini mengambarkan kebutuhan komponen-komponen utama pembangkit listrik tenaga surya yang akan diterapkan pada suatu perkampungan di Kabupaten Bengkalis. Sistem distribusi jaringan secara sentralisasi. Perencanaan dibuat dengan asumsi perkampungan tersebut terdiri dari 25 buah rumah, 1 buah klinik dan 1 buah ruang pertemuan/surau, intensitas radiasi 650 W/m 2 dan perkiraan beban AC 20 kwp. Hasil menunjukan bahwa inverter yang dipilih dengan daya maksimum 925.9 W (4.2 A), 12 buah battery (200 AH-144V) dan 64 buah modul surya (16 panel parallel dan 4 panel seri) dengan daya keluaran maksimum array fotovoltaik 18.2 kwp. Luas arean penempatan array fotovoltaik 241.6 m 2 yang mengarah kebelahan bumi utama dengan kemiringan 15 o. Kata Kunci: Kampung surya, surya, array fotovoltaik. 1. PENDAHULUAN Keterbatasan bahan bakar posil telah memicu pemikiran untuk mengembangan sumber energi baru. Sumber tersebut diharapkan dapat memenuhi kebutuhan manusia. Salah satu sumber terbarukan yang menjadi perhatian dunia adalah Matahari. Matahari merupakan sumber energi dunia dengan efek tak langsungnya seperti energi angin, biomas, energi gelombang laut, dan lain-lain. Sumber energi ini tida dapat memberi kontribusi yang cukup ke permukaan bumi karena ketergantungnya pada siklus siang-malam (Purwanto, 1996). Pemanfaatan sumber energi matahari telah banyak dilakukan untuk cadangan pasokan energi. Salah satu penerapan energi matahari adalah untuk sistem penerangan rumah tangga (Soesmarkanto) Karena energi matahari yang sampai di permukaan bumi sangat bergantung pada koordinat bumi-matahari, maka intensitas cahaya matahari ke bumi akan lebih besar pada wilayah katulistiwa (Weng, 2000) Indonesia terletak di garis katulistiwa, sehingga Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar 4.8 kwh/m2 per hari di seluruh wilayah Indonesia (Rahardjo dan Ira, 2000). Pemanfaat energi matahari sebagai sumber penerangan rumah tangga telah banyak dilakukan di wilayah indonesia terutama daerah terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik PLN (Soesmarkanto) Salah satu wilayah Indonesia yang menerapkan energi matahari untuk system penerangan rumah tangga adalah Kabupaten Bengkalis. Kabupaten Bengkalis terletak di 2 o 30-0 o 17 LS dan 100 o 52-102 o 10 BB mempunyai 175 desa yang tersebar di 13 Kecamatan (BDA, 2007) dengan intensitas radiasi matahari rata-rata 650 W/m 2 (Othman et all. 1993). Selama ini, di Kabupaten Bengkalis penerapan energi matahari sebagai sumber penerangan rumah tangga adalah Solar Home System (SHS). SHS merupakan system pembangkit 347
yang berdiri sendiri tanpa jaringan (decentralization-off grid). Pada tahun 2007, melalui APBD Kabupaten Bengkalis, Ppemerintah Daerah telah mengadakan sebanyak 520 unit pembangkit listrik tenaga surya yang didistribusi ke 13 Kecamatan dan setiap Kecamatan memperoleh 40 unit (2 desa). Semua perangkat diset dengan system decentralization-off grid. Untuk itu, pada tulisan ini akan direncanakan pemanfaatan tenaga surya untuk sistem penerangan rumah sistem terpusat (centralization on grid). System ini mirip dengan system PLN yaitu menggunakan sumber energi terpusat yang didistrbusi melalui jaringan kabel dan sangat cocok untuk daerah/perkampungan yang populasi penduduk banyak atau desa percontohan. 2. PERENCANAAN Kampung matahari dimaksud adalah semua energi listrik yang digunakan bersumber dari matahari yang dikumpulkan dan disebarkan oleh array fotovoltaik (gambar 1) dan susun array dan komponen-komponennya dapat dilihat pada gambar 2. Gambar 1. Contoh Desa dengan sumber listrik berasal dari energi matahari membahas masalah sistem/model/pola penerapan energi matahari. Gambar 2. Susunan Array/Modul PV yang didistribusi ke jaringan listrik. Sumber: www.freesolaronline.com/solarsystem.php Table 1. Perencanaan pemakaian Bebab AC di kampung matahari No Komponen perkampungan Peralatan lsitrik/rumah 1 Rumah 4 buah Lampu TL 10 W dan 1 buah TV 75 W. 2 Pusat Pertemuaan 4 buah Lampu TL dan 2 Buah Kipas Angin gantung 60 W. 3 Klinik 4 buah Lampu TL 10 W, 2 Buah Kipas Angin gantung 60 W, 1 Buah TV 75 W dan Kulkas 1 buah 100 W Catatan: Ketiga komponen tersebut dalam tulisan ini disebut perumahan. Tabel 2. Perencanaan energi yang dipakai oleh beban AC di Perkampungan Surya Sumber: Othman, MYH dan Kamaruzzaman, S. Pada disain ini perkampungan tersebut terdiri dari 25 rumah, 1 pusat pertemuaan (surau), dan 1 klinik. Tabel-tabel berikut menunjukkan perencanaan energi listrik di kampung matahari. Pada perencanaan ini hanya No Beban Daya Pemakaian Energi (Watt) (Jam/hr) (Wh/hr) 1 Lampu 4 x 10 5 5.400 fluorencent x 27 2 Kipas Angin Gantung 60 x 4 8 2.400 3 Televisi 75 x 4 7.800 26 4 Kulkas 100 x 24 2.400 1 set Total 18.000 Catatan: pemakaian beban AC terus menerus selama 1 hari (24 jam). 348
Tabel 3. Komponen dan ciri-ciri digunakan. fotovoltaik (PV) yang No Komponen Spesifikasi 1 PV 160 Wp 2 Batery 150 Ah, 12 Volt, Effesiensi 80% 3 Inverter DC/AC AC 220-240 Volt, Effersiensi 90% 4 Charger Controller 1 Set 3. PEMBAHASAN Perencanaan sistem pembangkit listrik energi matahari dengan kapasitas beban AC 18 kwp berdasarkan gambar berikut: Gambar 3. Alur perencanaan penentuan komponen utama PLTS dengan beban AC (4) PV Beban AC (1) P in (Batt) P out (Array) 1. Penentuan Daya Masukan [P in (inv)]dan Keluaran Inverter [P out (inv)] Selain efesiensi, pemilihan inverter bergantung pada beban AC yang dipakai dan energi sentakan maksimum (maximum surge powering). a. Beban Normal P out (Batt) Controller Inverter P out (Inv) (2) P in (Inv) (3) Battery Beban normal yang dimaksud adalah beban yang direncanakan (normal). Beban yang direncanakan adalah 18.000 Wh. Dari beban tersebut daya keluaran maksimum inverster [P out (inv)]: 18.000 Wh/24 Jam = 750 W. Karena efesiensi 90% maka daya inverter [P(inv)] yang dipilih 18.000 Wh/(24 Jam x 90%) = 833.33 W (beroperasi selama 24 jam), dengan Arus keluaran inverter 3.79 A (833.33 W/220 V). b. Beban Tidak Normal Beban tidak normal adalah peningkatan daya listrik akibat kelebihan pemakaian. Mengingat kemungkinan terjadinya beban tidak normal, maka pemilihan inverter 833.33 W kurang baik. Untuk mengantisipasi kelebihan pemakaian, maka dapat dianggap beban puncak pemakaian 20.000 Wp (20 kwp). Oleh karena itu, keluaran maksimum inverter [P out (inv)] = 20.000 Wh/24 Jam = 833.33 W. Karena efesiensi 90%, maka daya maksimum inverter [P(inv)] yang dipilih 20.000 Wh/(24 Jam x 90%) = 925.9 W dengan arus keluaran 4.2 A. 2. Penentuan Daya dan Jumlah Battery P(inv) = 925.9 W merupakan daya masukan maksimum inverter yang dikeluarkan oleh battery. Sehingga daya maksimum keluaran battery [P out (batt)] 925.9 W. Karena afesiensi battery 80%, maka daya masukan maksimum battery [P in (batt)] = 925.9 W/80% = 1157.37 W. Artinya setiap jam battery mampu mengeluarkan daya sebesar 1157.37 W atau 1157.37 Wh. Untuk pemakaian selama 24 jam, daya total battery 28.8 kwh. Berdasarkan tabel 3 spesifikasi battery per unit 200 AH 12 V, maka jumlah bateri yang diperlukan sebanyak 12 buah dengan susunan 12 buah disusun secara seri sehingga spesifikasi total battery 200 AH-144 V. 3. Penentuan Keluaran Modul Surya Berdasarkan tabel 3, detail spesifikasi modul surya (PV) seperti tabel 4. Tabel 4. Spesifikasi fotovoltaik yang digunakan Dimension Maximum power (Pmax) Voltage at Pmax (Vmp) Current at Pmax (Imp) 790 x 1593 mm 160 W 35.4 V 4.52 A 349
Short-circuit current (Isc) Open-circuit voltage (Voc) NOCT 4.9 A 44.2 V 47±2 C Cell 72 Sumber: BP Solar: BP 4160 (www.bpsolar.com) Sifat kelistrikan PV table 4 di atas berdasarkan kondisi standar 1000 W/m 2, suhu sel 25 o C dan AM 1.5. Untuk Kabupaten Bengkalis, Intensitas radiasi matahari 600-700 W/m 2 (650 W/m 2 ) dan suhu lingkungan rata-rata 26.7 o C, nilai keluaran setiap satu modul surya ditentukan seperti persamaan berikut (Markvart 1994): I SC (G) = I SC x G (1) T C (G,NOTC) = T A + (NOTC-20)G/0.8 (2) V OC (T C [G,NOTC]) = V OC -0.0023 x N C x [Tc(G,NOTC)-T C ] (3) FF = [I max x V max ]/(I SC x V CP ] (4) P(L) max = I SC [G] x V OC (T C [G,NOTC]) x FF (5) I(L) max = G x I max (6) V(L) max = P max /I max (7) Dengan: 1. G: Rasio radiasi lokal dengan standar 2. I SC : Short-circuit current pada kondisi standar (A) 3. V OC : Open-circuit voltage pada kondisi standar (V) 4. N C : Banyaknya sel 5. T A : Suhu lingkungan ( o C) 6. T C : Temperatur sel (25 o C) 7. NOTC: Normal Operation Temperature Cell (47 o C) 8. I SC [G]: Short-circuit current pada G 9. T C [G,NOTC]: Suhu sel pada T A, G dan NOTC 10. V OC [Tc(G,NOTC)]: Open-circuit voltage pada T C [G,NOTC]: 11. FF: Fill Factor 12. P(L) max : Daya maksimum keluaran modul surya di lokasi (di Kabupaten Bengkalis) 13. I(L) max : Arus maksimum keluaran modul surya di lokasi (di Kabupaten Bengkalis) 14. V(L) max : Tegangan maksimum keluaran modul surya di lokasi (di Kabupaten Bengkalis) Berdasarkan persamaan di atas, nilai keluaran satu buah modul surya di Kabupaten Bengkalis sebagai berikut: I SC [G] = 3.185 A T C [G,NOTC] = 48.64 o C V OC [Tc(G,NOTC)] = 40.3 V. FF = 0.74 Sehingga: P(L) max = 94.83 W I(L) max = 2.94 A 4. Penentuan Jumlah dan kapasitas daya Modul Surya Berdasarkan tegangan total battery 144 V, maka keluaran Array fotovoltaik juga 144 V dan daya masukan battery 28.8 kw sama dengan daya keluaran array fotovoltaik (20 kw/144 V = 139 A). Sehingga jumlah modul surya yang diperlukan sebanyak 64 buah dengan susunan array 16 panel secara paralel dan 4 panel secara seri. Susunan tersebut diarahkan ke selatan dengan kemiringan 15 derajat (Pritman, 2000). Modul P(L) max = 94.83 W I(L) max = 2.94 A Panel Satu panel terdapat 3 buah modul disusun parallel, sehingga: I(L) max = 8.82 A P(L) max = 284.53 W Array Array terdiri dari 16 panel disusun secara parallel dan 4 panel secara seri. I(L) max = 16 x 8.82 A = 141 A V(L) max = 4 x 32.26 V. = 129.04 V P(L) max = 18.2 kw Luas satu modul PV 1.26 m 2, maka luas total area untuk menempatkan array fotovoltaik 241.6 m 2. 350
5. Efesiensi array fotovoltaik n (Iqbal, 1983) η = P E max 0 A E o = Intensitas radiasi surya (650 W/m 2 ) A = Luas array (m 2 ) 18200 η = x100% 12% 650x241.6 6. Pengisian Battery Dari energi array fotovoltaik tersebut, maka waktu yang diperlukan untuk mengisi (charging) 28800 Wh/18200 W = 1.6 Jam 4. KESIMPULAN Perencanaan perkampungan surya 20 kwp diperoleh: [a] Daya Keluaran Maksimum Array fotovoltaik 18.2 kwp (141 A dan 129.04 V); [b] Jumlah modul surya yang diperlukan 64 buah dengan susunan array 16 panel secara paralel dan 4 panel secara seri yang diarahkan ke selatan dengan kemiringan 15 derajat dengan luas area penempatan array tersebut 241.6 m 2 ; [c] Daya masukan battery (battery bank) 28.8 kwh sebanyak 12 buah disusun secara seri. [d] Daya maksimum inverter [P(inv)] yang dipilih 925.9 W. Pritman, J. 2000. Perspektif arsitektur surya di Indonesia.Jurnal Dimensi teknik Arsitektur. LPPM UK Petra Surabaya. www.idaman.com/arsitektur/surya/suryaindon esia.html Othman, MYH dan Kamaruzzaman, S. Soncept model of a 100 kwp pv village. Universiti Kebangsaan Malayasi. Unpublished. Othman, M.Y.H., Kamaruzzaman S., Baharudin Y and Dalimin, M.N. 1993. Diurnal Pattern of Global Radiation in The Tropics: A Case Study in Malaysia. Renewable Energy. Vol. 3(6/7) pp. 741-745. Soesmarkanto. Kajian sosial ekonomi penerapan PLTS di daerah terpencil. www.ipteks.net.id/ttg/artik_p/artikel06.html (30 Juni 2001). Weng, C. N. 2000. Asas kaji iklim. Kuala Lumpur: Dewan Bahasa dan Pustaka Rahardjo, I dan Ira, F. 2000. Analisis Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Surya Di Indonesia.www.geocities.com/markal_bppt/pu blish/pltkcl/plrahard.pdf REFERENSI BDA. 2007. Bengkalis dalam angka. Bappeda Kabupaten Bengkalis. Iqbal, M. 1983. An introduction to solar radiation. Canada.Academic Canada Press. Markvart, T. 1994. Solar electricity. Chicherter. John Willey & Sons Ltd. 351