Perancangan Sistem Tenaga Surya (Photovoltaic Design) Part 1
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.
Desain Pressure dan Wall Thickness Pipa Menurut ASME B31.1 Power Piping
Salah satu tahapan penting dalam mendesain pipa setelah ditentukan dimensi (diameter) pipa oleh Process Engineer, adalah menghitung wall thickness/ketebalan pipa. Ketebalan pipa hasil perhitungan digunakan untuk memilih schedule pipa yang ada di pasaran.
Salah satu Code yang sering menjadi referensi desain piping untuk Pembangkit Listrik adalah ASME B31.1, yang merupakan bagian dari Code ASME B31 Pressure piping tentang Power Piping.
Sebelum melangkah lebih jauh ke formula desain ASME B31.1, sebaiknya dicek pipa yang sedang dikalkulasi apakah sudah menjadi lingkup ASME B31.1. hal ini dapat dibaca di Chapter 1 scope and definition, sederhananya dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Pada gambar dapat dilihat garis pipa diatas dibagi menjadi tiga jenis:
- Garis biasa, merupakan Piping dan Tubing pada Boiler, biasa disebut “ Boiler Proper” dan lingkup total dari Code ASME Boiler & Pressure Vessel (ASME BPV) baik dari teknikal maupun Hukum di Amerika
- Garis tebal, merupakan Piping dari/ke Boiler biasa disebut “Boiler External Piping” (BEP) masih menjadi Lingkup Hukum dari ASME BPV, sedangkan aspek Technical mengikuti ASME B31.1
- Garis putus-putus, merupakan piping yang biasa disebut “Non Boiler External Piping (NBEP)” dan merupakan lingkup hukum dan Teknis dari ASME B31.1
Kembali ke tema utama, berikut adalah formula untuk menghitung ketebalan pipa (wall thickness) menurut ASME B31.1 -2014:
Sedangkan untuk design pressure formulanya sebagai berikut:
Dimana:
- Tm : minimum ketebalan pipa ( dalam in atau mm)
- P : Internal Design Pressure ( psig atau kPa)
- Do : Diameter luar pipa (in atau mm)
- d : Diameter dalam pipa (in atau mm)
- S : maximum allowable stress , lihat di Appendix A (psi atau MPa)
- E : Weld Joint efficiency
- Y : koeffisien y, lihat di tabel 104.1.2(A)
- A : allowance atau tambahan ketebalan, dengan tujuan untuk:
- Milling tollerance, kompensasi akibat material yang hilang akibat proses threading, grooving, dan lainnya yang dibutuhkan dalam penyambungan
- tambahan kekuatan pipa untuk mencegah kerusakan akibat terjatuh, lengkungan berlebihan dalam trasportasi atau konstruksi
- erosi atau korosi
untuk mempermudah pemahaman, berikut contoh studi kasus:
main steam pipe dengan diameter yang sudah dipilih 6 ”, memiliki design pressure 60 Barg, Temperatur 500 deg C, dan material yang di Pilih SA 335 P11, berapa schedule pipa yang dipilih?
Jawab:
- main steam pipe, termasuk kategori Boiler External Piping (BEP), sehingga masih termasuk lingkup teknis ASME B31.1
- P = 60 barg = 6000 kPa
- Do : diameter Luar untuk Pipa 6” menurut ASME B36.10M adalah 168,3 mm
- Material SA 335 P11 , merupakan spesifikasi Pipa seamless, low alloy steel
Untuk pipa seamless, nilai koefisien , E =1.0,sedangkan Nilai S akan menurun jika temperature designnya semakin tinggi, pada Temperature 500 deg C, maka dapat dilihat pada Tabel A-2 dibawah
Pada T = 500 deg C = 932 deg F dibulatkan 950 deg F, didapatkan nilai S = 9.3 kSi = 64121.24 kPa
- Koeffisien y berdasarkan table dibawah, untuk ferritic steel , Temperature 500 deg C maka nilai y=0.5
- Sedangkan untuk allowance A, Corrosion allowance diambil 1,5 mm dan milling tollerance 12,5 %
Sehingga jika dihitung dari formula diatas didapatkan nilai ketebalan pipa minimum tm berikut:
|
t |
+ milling Tolerance 12,5% |
+ Corr Allowance 1,5 mm |
tm (mm) |
|
7,52 |
0,94 | 1,5 |
10,0 |
Tebal minimum yang didapatkan adalah 10 mm, kemudian berdasarkan ASME B36.10M dapat dipilih pipa 6” schedule 80 dengan ketebalan standard 10,97 mm
ASD atau LRFD?
Metode ASD dan LRFD dalam desain steel structure telah lama dikenal. ASD merupakan metode yang bisa dikatakan lebih tua daripada LRFD sehingga para civil engineer lebih terbiasa dengan metode ini untuk mendesain struktur baja. Sampai saat ini pun metode ASD masih lebih banyak digunakan dan dijadikan referensi dalam dokumen kontrak dan design specification.
ASD (Allowable Stress Design) adalah suatu metode desain dimana perencana menghitung beban kerja (working loads) sesuai dengan peraturan pembebanan yang berlaku dan menghitung besarnya tegangan yang diakibatkan oleh pembebanan tersebut. Metode ini mensyaratkan bahwa besarnya tegangan pada komponen struktur akibat beban kerja tidak boleh melebihi tegangan izin (allowable stress) bahan komponen struktur tersebut. Nilai tegangan izin ditentukan lebih rendah daripada tegangan leleh bahan dengan memperhitungkan faktor keamanan (safety factor), dan ditentukan sbb:
fizin = fy/SF
dimana, fy = tegangan leleh nominal bahan, dan SF = faktor keamanan yang ditentukan.
LRFD (Load and Resistance Factor Design) adalah suatu metode yang didasari oleh konsep keadaan batas dimana keadaan batas tersebut dicapai melalui proses interaksi antara faktor kelebihan beban dan berkurangnya kekuatan material. Kedua faktor ini dianggap sebagai variabel-variabel acak (random) atau variabel probabilistik yang tidak saling mempengaruhi. Berbeda dengan metode ASD, metode LRFD ini memberikan faktor keamanan parsial untuk masing-masing kondisi dengan nilai yang berbeda-beda pula sesuai dengan nilai kemungkinan terjadinya.
ϕRn ≥ ∑γiQi
dimana: ϕ = faktor reduksi kekuatan (resistance/strength reduction factors) dimana nilainya selalu lebih kecil dari 1.0
Rn = kuat nominal bahan merupakan nilai minimum dari beberapa skenario kegagalan yang mungkin terjadi
γ = faktor pengali beban (overloads factor) dimana nilainya lebih besar dari 1.0
Qi = berbagai jenis beban yang direncanakan untuk ditanggung struktur
Perbedaan kedua metode tersebut dapat dilihat juga dari kombinasi pembebanan yang digunakan:
ASD (berdasarkan ASCE 7-05):
- D + F
- D + H + F + L + T
- D + H + F + (Lr or S or R)
- D + H + F + 0.75(L + T) + 0.75(Lr or S or R)
- D + H + F + (W or 0.7E)
- D + H + F + 0.75(W or 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr or S or R)
- 6D + W + H
- 6D + 0.7E + H
LRFD (berdasarkan ASCE 7-05):
- 4(D + F)
- 2(D + F + T) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R)
- 2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W)
- 2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R)
- 2D + 1.0E + L + 0.2S
- 9D + 1.6W + 1.6H
- 9D + 1.0E + 1.6H
Keterangan:
D = beban mati
E = beban gempa
F = fluid/pressure load
H = beban horizontal akibat tekanan lateral tanah/ground water pressure/tekanan dari bulk material
L = beban hidup
Lr = beban atap
R = beban hujan
S = beban salju
T = self-straining force
W = beban angin
Berdasarkan definisi di atas, desain LRFD sebenarnya memberikan hasil desain yang lebih optimum karena telah mempertimbangkan interaksi antara kekuatan material dan beban. Namun, desain LRFD ini di lain pihak menuntut ketepatan dan kecermatan dalam proses fabrikasi maupun erection. Desain LRFD yang semakin optimum memiliki faktor keamanan yang kecil sehingga semakin sedikit ruang yang diberikan untuk kesalahan.
Penulis sendiri telah membandingkan analisa sruktur baja dengan menggunakan metode LRFD dan ASD pada struktur Boiler dan Coal Bunker di proyek STG & Boiler Batu Bara milik PUSRI Palembang. Struktur Boiler ini memiliki tinggi ±45.5 m, sedangkan coal bunker tingginya ±46 m.
Struktur Boiler di Proyek STG & Boiler Batu Bara PUSRI
Hasil dari analisa LRFD adalah penghematan material baja yang bisa mencapai 10-20% dibandingkan dengan metode ASD. Penghematan material ini akan memberikan efek juga pada penghematan biaya instalasi dan percepatan schedule.
Untuk struktur sederhana seperti shelter mungkin metode LRFD tidak akan memberikan dampak yang signifikan dalam penghematan, tetapi untuk struktur yang tinggi dan kompleks seperti Boiler dan Coal Bunker, analisa dengan LRFD ini memberikan dampak penghematan yang cukup besar dari segi biaya.
Sumber:
- Diktat Kuliah Struktur Baja (Muslinang Moestopo)
- Dokumentasi pribadi
Notes:
Tulisan ini juga merupakan sumbangan ide dari Pak Christiawan Tavipiano dan Alyssa Adjani.
Desain Pondasi Mesin (Part 1)
Di postingan sebelumnya, sudah dibahas sekilas tentang pondasi mesin. Nah, sekarang mari kita masuk ke tahapan desain… Untuk permulaan akan dibahas pondasi yang paling sederhana, yaitu block foundation.
Desain Block Foundation
Sebelum masuk ke tahapan desain, ada beberapa data yang perlu dikumpulkan:
- Data tanah :
- allowable bearing capacity
- shear modulus tanah (G)
- poisson ratio (ʋ)
- berat jenis tanah (γs)
- Data material : berat jenis concrete (γp), modulus elastisitas (E)
- Data mesin :
- Outline drawing dari mesin
- Fungsi mesin
- Berat mesin dan komponen rotornya
- Lokasi c.o.g (center of gravity) vertikal & horizontal
- Kecepatan kerja mesin dan komponennya atau frekuensi mesin tsb
- Unbalanced force mesin (nilai, arah, dan lokasi)
Analisa Statik
- Cek Mass Ratio
Untuk pondasi mesin centrifugal, berat pondasi harus 2 sampai 3x lebih besar dari berat mesin, atau dengan kata lain:
Wc/Wm > 3
Dimana, Wc adalah berat pondasi sedangkan Wm adalah berat mesin.
Sedangkan untuk pondasi mesin reciprocating, berat pondasi harus 3 sampai 5x berat mesin.
Wc/Wm > 5
- Cek Daya Dukung Tanah
Untuk kondisi statis:
Wts/A < 0.5*Qa
Untuk kondisi statis + dinamik:
Wt(s+d)/A < 0.75*Qa
Dimana,
Wts = total berat mesin dan pondasi ditambah beban statik lainnya
Wt(s+d) = total berat mesin dan pondasi ditambah beban statik dan dinamik
Qa = daya dukung izin tanah
- Cek Eksentrisitas
Kombinasi cog dari beban dinamik dan statik harus kurang dari 5% dari dimensi pondasi yang ditinjau.
Analisa Dinamik
Analisa dinamik ini bisa dilakukan dengan 2 cara, yaitu dengan perhitungan manual (hand calculation), dan perhitungan dengan Finite Element Model (FEM, biasanya digunakan software seperti SAP atau STAAD).
1. Hand Calculation Analysis
Langkah:
a. Pengumpulan Data Equipment: COG, frekuensi mesin (fe), loading data (beban di semua arah, lokasi titik beban)
b. Pengumpulan Data Tanah: Gs, density, poisson ratio
c. Preliminary ukuran pondasi (dengan statik analisis)
d. Hitung total beban sistem (equipment + pondasi) & COG sistem
e. Tentukan parameter vibrasi: translasi dan rotasi
f. Hitung frekuensi natural dari sistem pondasi
g. Cek frekuensi dari sistem pondasi tersebut, nilainya harus lebih kecil dari 0.8fe atau lebih besar dari 1.2fe (beberapa sumber ada yang menyebutkan juga rangenya lebih kecil dari 0.7fe atau lebih besar dari 1.3fe). Jika frekuensi dari sistem pondasi berada diantaranya, maka terjadi resonansi. Resonansi ini tidak diizinkan, dimensi pondasi perlu diubah untuk mendapatkan frekuensi natural sistem pondasi yang sesuai.
h. Hitung amplitudo sistem pondasi
i. cek amplitudo sistem pondasi dengan amplitudo yang diizinkan. Besarnya amplitudo izin biasanya tertera pada spesifikasi mesin, namun jika vendor tidak menyediakan, ada grafik penentuan amplitudo izin yang bisa digunakan (silahkan cek buku Suresh Arya).
2. FEM Analysis
a. Pengumpulan Data Equipment: COG, frekuensi mesin (fe), loading data (beban di semua arah, lokasi titik beban)
b. Pengumpulan Data Tanah: Gs, density, poisson ratio
c. Preliminary ukuran pondasi (dengan statik analisis)
d. Hitung konstanta spring pondasi berdasarkan data tanah
e. Lakukan pemodelan pada software yang digunakan (input parameter dinamik), run program
f. Cek Mass Participation Factor
g. Cek frekuensi yang terjadi pada pondasi yang dimodelkan, nilainya harus lebih kecil dari 0.8fe atau lebih besar dari 1.2fe (beberapa sumber ada yang menyebutkan juga rangenya lebih kecil dari 0.7fe atau lebih besar dari 1.3fe)
h. cek amplitudo yang terjadi (lihat grafik T (periode) vs perpindahan) bandingkan dengan amplitudo izin.
Untuk perhitungan detail silahkan cek pada buku karangan Suresh Arya (Design of Structures & Foundations for Vibrating Machines).
Semoga bermanfaat 🙂
*tulisan diambil dari berbagai sumber*
Studi Value Engineering
1. Persyaratan Studi Value Engineering
Berdasarkan standar SAVE (2007), studi VE adalah aplikasi metode VE oleh para professional dengan menggunakan rencana kerja nilai (value job plan). Terdapat tiga syarat minimal dalam penerapan VE, yaitu:
– Tim studi VE mengikuti seluruh rencana kerja (job plan) yang terorganisir.
– Tim studi VE adalah kelompok multidisiplin ilmu dari berbagai profesi yang berpengalaman dan stakeholder proyek.
– Ketua tim studi VE adalah orang yang sudah terlatih menggunakan teknik-teknik metodologi nilai dengan menggunakan rencana kerja (job plan).
2. Metodologi Nilai
Metodologi nilai adalah suatu proses yang sistematis yang mengilkuti rencana kerja. Berdasarkan SAVE Standarf (2007), metodologi terdiri dari (3) tahap yaitu tahap pra-workshop, tahap studi (workshop) dan tahap pasca-workshop.
2.1 Tahap Pra-Workshop
Tujuan tahap pra-workshop adalah untuk merencanakan dan mengorganisasikan studi VE. Hasil yang diinginkan adalah suatu pemahaman secara jelas mengenai analisis kebutuhan, prioritas strategis dan bagaimana perbaikan akan meningkatkan nilai organisasi.
2.2 Tahap Workshop
Tahap workshop merupakan pelaksanaan rencana kerja dengan mengikuti tahapan yang berurutan yang mendukung sinergi tim dalam suatu proses yang terstruktur. Tahap workshop terdiri dari (6) fase seperti berikut:
