Saat ini hampir  semua  kebutuhan  energi listrik  rumah  tangga menggunakan  suplai dari  perusahaan  listrik.  Di Indonesia,  pada  umumnya,  pengusahaan  listrik  dilakukan  oleh PLN (Perusahaan  Listrik Negara).  Permasalahan  timbul ketika ada suatu kebutuhan  listrik (demand) yang oleh karena suatu hal tidak dapat atau sulit dipenuhi dengan menggunakan suplai dari perusahaan listrik tersebut. Salah satu hal yang dapat menyebabkan misalnya lokasinya yang terpencil (remote) sehingga transmisi dan distribusi listrik ke lokasi tersebut memakan biaya yang relatif mahal atau secara teknis sulit.

Di sisi lain, Indonesia terletak di daerah tropis yang hampir setiap hari mendapatkan sinar matahari  dengan radiasi yang cukup tinggi. Radiasi sinar matahari  tersebut membawa energi yang memiliki  peranan  sangat penting  pada proses yang terjadi di alam baik yang dibutuhkan  oleh  makhluk  hidup  maupun  proses-proses  alami  lainnya.  Selain  itu,  sinar matahari  dapat  dimanfaatkan  tanpa  merusak  zatnya  sehingga  energi  dari  sinar  matahari tergolong energi terbarukan (renewable energy).

Sistem tenaga surya (photovoltaic system) mulai digunakan dewasa ini, yaitu dengan memanfaatkan   panel  surya  untuk  mengkonversi   energi  radiasi  sinar  matahari  tersebut menjadi energi listrik, yang kemudian dapat didistribusikan dan digunakan untuk kebutuhan beban-beban listrik. Akan tetapi permasalahan yang dimiliki oleh panel surya adalah secara alami, sinar matahari hanya ada di siang hari. Sehingga sistem tenaga surya biasanya menggunakan baterai untuk menyimpan kelebihan energi yang ditangkap di siang hari untuk selanjutnya digunakan di malam hari ketika tidak ada sinar matahari atau digunakan di siang hari pada saat radiasi sinar matahari sangat kecil, misalnya pada saat mendung gelap.

Suatu kebutuhan listrik (demand) timbul dengan acuan beban listrik rumah tangga dengan kelas R-1 atau 2.200 VA. Untuk dapat memenuhi kebutuhan listrik tersebut diperlukan suatu kajian tekno-ekonomi untuk merancang sistem tenaga surya teknis dan memberikan gambaran pembiayaannya.

Dalam artikel ini, akan dijelaskan cara untuk merancang  suatu sistem tenaga surya stand-alone  (tanpa sumber tenaga yang lain) untuk memenuhi kebutuhan beban yang diberikan. Hasil akhir dari perancangan  tersebut  adalah  konfigurasi  sistem  tenaga  surya  tersebut  berikut  banyaknya masing-masing komponen utama sistem tenaga surya.

Suatu  Sistem  Tenaga  Surya  secara  umum  terdiri  atas  Panel  Surya  (Photovoltaic Panel), Baterai, Pencatu Baterai (Battery Charger) berupa DC-to-DC Converter, Inverter (apabila  beban  menggunakan  arus  bolak-balik  atau  beban  AC)  dan  pemutus  sirkuit  serta kabel-kabel  penghubung  komponen  satu  sama  lain.  Dalam  bentuk  diagram,  suatu  Sistem Tenaga Surya secara umum digambarkan sebagai berikut.

Gambar 1. Diagram Sistem Tenaga Surya “Stand-Alone”

Metodologi Perancangan

Perancangan suatu sistem tenaga surya memiliki urut-urutan tertentu. Urutan tersebut dimulai  dari identifikasi  kebutuhan  beban  listrik.  Dari  identifikasi  tersebut  dapat  dihitung energi  yang  dibutuhkan   berikut  profil  atau  kurvanya.   Perhitungan   selanjutnya   adalah kapasitas baterai hingga pemilihannya. Lokasi sistem tenaga surya tersebut amat menentukan karena  sumber  tenaga  berasal  dari  radiasi  matahari  yang  mana  antara  satu  lokasi  dengan lokasi lainnya berbeda. Begitu pula dengan temperatur lokasi tersebut yang mempengaruhi sel surya dan baterai. Apabila beban adalah beban AC atau beban dengan arus bolak balik, maka  diperlukan  perhitungan  kapasitas  inverter.  Hasil  keseluruhannya  akan  dicek  dengan cara iterasi.  Dari  penjelasan  tersebut,  metodologi  perancangan  sistem  tenaga  surya  secara umum dapat dibuat diagram alir (flowchart) sebagai berikut.

Gambar 2. Diagram Alir (flowchart) Desain Sistem Tenaga Surya

Contoh Studi Kasus

Pada contoh studi kasus kali ini, akan diberikan contoh perancangan dan perhitungan sistem tenaga surya dengan mengambil lokasi di Depok tepatnya di lokasi kampus UI. Dengan data-data sebagai berikut:

Tabel 1. Data Beban

LOKASI BEBAN: KAMPUS UI DEPOK

Data beban harian diperoleh dari beban rumah tangga 2.200 VA seperti terlihat pada Tabel 1. Total energi harian diperoleh dengan penjumlahan semua konsumsi energi tiap jam sehingga total energi per hari sebesar 15.926 Wh/hari. Dari data beban tersebut dapat dibuat kurva beban harian (daily load profile) seperti terlihat pada gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3. Kurva Beban Harian

Pada kurva beban yang terlihat di gambar 3 di atas, warna merah menunjukkan beban di waktu siang sedangkan warna hijau menunjukkan beban di waktu malam. Sehingga, energi rata-rata di waktu siang (Ldm) dapat dihitung sebagai berikut:

Rata-rata Energi di Waktu Siang = Ldm = Jumlah Energi di Waktu Siang/Total Waktu Siang

Ldm = 3.973 Wh/12 = 331Wh

Demikian pula dengan cara yang sama, energi rata-rata di waktu malam (Lnm) juga

dapat dihitung sebagai berikut:

Rata-rata Energi di Waktu Malam = Lnm = Jumlah Energi di Waktu Malam/Total Waktu Malam

Lnm = 11.953 Wh/12 = 996Wh

• Data Radiasi Matahari

Data radiasi matahari merupakan  masukan yang sangat penting dalam perancangan Sistem Tenaga Surya. Data radiasi di daerah Kampus UI Depok diperoleh dari NASA. Untuk memperoleh data tersebut diperlukan koordinat lokasi yang dapat diperoleh dari alat GPS atau secara online dari internet. Dari data NASA, diperoleh koordinat lokasi dalam format DMS (degree-minute-second) adalah 6° 21’ 52.3” LS dan 106° 49’ 43.2” BT. Dengan koordinat tersebut dapat diperoleh data radiasi matahri yang diperlukan secara bulanan dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 4. Radiasi Matahari Rata-rata di lokasi (kWh/m²/hari)

Data tersebut menunjukkan rata-rata tahunan sebesar 4,76 kWh/m2/hari. Dengan kata lain dapat juga diartikan sebagai PSH (peak sun hours), atau lama jam ekuivalen matahari bersinar dengan radiasi puncaknya, sebesar 4,76 jam per hari dengan daya sebesar 1 kW/m2.

• Data Iklim Temperatur

Dengan menggunakan data yang sama dari NASA pada Lampiran 8, diperoleh juga suhu rata-rata di lokasi, baik suhu udara maupun suhu di daratan, yang setiap bulannya dapat digambarkan  pada gambar  5 berikut.  Suhu di daratan adalah suhu pada elevasi  nol meter dari permukaan tanah. Dalam satu tahun, di Lokasi, suhu di darat rata-rata adalah 26,8 derajat Celcius sedangkan suhu di udara (ambient) adalah 25,2 derajat Celcius.

Gambar 5. Suhu Rata-rata Tiap Bulan di Lokasi

Sekian dulu untuk artikel perancangan sistem tenaga surya part 1. Untuk artikel selanjutnya dalam perancangan sistem tenaga surya part 2 akan dibahas metode perancangan sistem tenaga surya beserta perhitungannya berdasarkan IEEE 1562-2007 Guide for Array and Battery Sizing in Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems dan IEEE 1013-2007 Recomended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems.

Referensi:

[1] IEEE  Recommended   Practice   for  Sizing   Lead-Acid   Batteries   for  Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems, IEEE Standard 1013, 2007.

[2] IEEE Guide for Array and Battery Sizing in Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems, IEEE Standard 1562, 2007.

[3] Website   NASA   Surface   Meteorology   and   Solar   Energy   –   RETScreen   Data,

https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/ diakses pada tanggal 9 Juni 2014.