BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Terbarukan Secara definisi

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Energi Terbarukan
Secara definisi di Undang - Undang Energi no 30 tahun 2007: Sumber
energi terbarukan adalah sumber energi yang dihasilkan dari sumber daya energi
yang berkelanjutan jika dikelola dengan baik, antara lain panas bumi, angin,
bioenergi, sinar matahari, ailiran air dan terjunan air, serta gerakan dan perbedaan
suhu lapisan laut.
2.2
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Matahari merupakan sumber energi bagi bumi dan juga sumber beberapa
energi primer seperti energi hidro, energi angin, energi radiasi matahari, dan
energi biomasa. Pembangkit listrik tenaga surya 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 dan langsung diambil dari matahari tanpa ada bagian
yang berputar dan tidak memerlukan bahan bakar, sehingga sistem sel surya
sering dikatakan bersih dan ramah lingkungan (Mulyatno, 2000).
Gambar 2.1 Skema PLTS
(Sumber : http://www.tenagasuryainfo.com)
5
6
2.2.1
Cara Kerja Solar Sel/Sel Fotovoltaik
Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini
dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya fotovoltaik berupa
semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis
n dan jenis p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki
kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan
semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p =
positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur
lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor
tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.2 Beberapa Jenis Semikonduktor Pada Sel Surya Fotovoltaik
Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk
meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik
dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan
semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama.
Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun
panas dari sebuah semikoduktor. Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud
ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan
unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si.
Unsur-unsur
tambahan
ini
akan
menambah
jumlah
hole.
Sedangkan
semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau
arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan,
Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan
7
unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 %
dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.
Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas
sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh
lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke
permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan
semikonduktor p.
Gambar 2.3 Proses Terjadinya Listrik Pada Sel Surya Fotovoltaik
Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka
elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari
semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini
meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut
dengan fotogenerasi elektron-hole yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole
akibat cahaya matahari.
8
Cahaya matahari dengan panjang gelombang yang berbeda, membuat
fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda
pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang
lebih
panjang,
mampu
menembus
daerah
deplesi
hingga
terserap
di
semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana.
Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap
di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E,
elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan
hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Apabila rangkaian kabel dihubungkan
ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika
sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan
mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum,
ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya
matahari menjadi energi listrik.
Gambar 2.4 Ilustrasi Proses Terjadinya Listrik Pada Sel Surya Fotovoltaik
2.2.2
Karakteristik Sel Surya
Total output dari sel surya adalah sama denga tegangan (V) operasi
dikalikan arus (I) operasi. Tegangan serta arus keluaran yang dihasilkan ketika sel
surya memperoleh penyinaran merupakan karakteristik yang disajikan dalam
bentuk kurva I-V pada gambar 2.5. Kurva ini menunjukkan bahwa pada saat arus
9
dan tegangan berada pada titik kerja maksimal (Maximum Power Point) maka
akan menghasilkan daya keluaran maksimum (PMPP). Tegangan di maximum
power point (MPP) VMPP, lebih kecil dari tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan
arus saat MPP (Isc) (Quaschning, 2005).
a) Short circuit current (Isc), terjadi pada suatu titik dimana teganganya
adalah nol sehingga pada saat ini, daya keluaran adalah nol.
b) Open circuit voltage (Voc), terjadi pada suatu titik dimana arusnya adalah
nol, sehingga pada saat ini pun daya keluaran adalah nol.
c) Maximum power point (MPP) adalah titik daya ouput maksimum, yang
sering dinyatakan sebagai “knee” dari kurva I-V.
Cell
Cell
Current
Power
in A
in W
Cell Voltage in V
Gambar 2.5 kurva I - V
2.2.3
Komponen-komponen PLTS
2.2.3.1 Solar Panel
Sebelum membahas sistem pembangkit listrik tenaga surya, akan
dijelaskan secara singkat komponen penting dalam sistem ini yang berfungsi
sebagai perubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Listrik tenaga
matahari dibangkitkan oleh komponen yang disebut solar panel yang besarnya
sekitar 10 - 15 cm persegi. Komponen ini mengkonversikan energi dari cahaya
matahari menjadi energi listrik. Solar panel merupakan komponen vital yang
umumnya terbuat dari bahan semikonduktor. Ada beberapa tipe solar cell yaitu :
10
a. Monokristal Silikon (Mono-crystalline Silicon), merupakan panel (modul)
yang paling effisien mencapai 16-25%.
b. Polikristal Silikon (Poly-crystalline Silicon), merupakan panel surya yang
memiliki kristal acak yang memiliki effisien mencapai 14-16%.
c. Amorphous Silicon, merupakan tipe panel dengan harga yang paling
murah akan tetapi efisiensinya paling rendah, yaitu antara 9-10,4%.
Tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu solar panel sangat kecil maka
beberapa solar panel harus digabungkan sehingga terbentuklah satuan komponen
yang disebut module. Beberapa solar panel merek Sharp yang terjual di pasaran
yaitu :
1. Sharp ND-120T1
Spesifikasi :
Out power : 120 W
Short cicuit current (Isc) : 7.81 A
Open cicuit voltage (Voc) : 21.3 V
Max Power Voltage (V pmax) : 17.1 V
Max power current (I pmax) : 7.02 A
Dimensions (cm) : 66 x 150
Eficiency : 12%
Weight : 14 kg
Harga/agustus 2009, 120 W : Rp. 3.900.000,-
2. Sharp NE-080T1J
Spesifikasi :
Out power : 80 W
Short cicuit current (Isc) : 5.15 A
Open cicuit voltage (Voc) : 21.6 V
Max Power Voltage (V pmax) : 17.3 V
Max power current (I pmax) : 4.63 A
Dimensions (cm) : 54 x 121
Eficiency : 12%
Weight : 9 kg
Harga agustus 2009, 80 W : Rp. 2.600.000, -
11
3. Sharp ND-T060M1
Spesifikasi :
Out power : 60 W
Short cicuit current (Isc) : 3.90 A
Open cicuit voltage (Voc) : 22.0 V
Max Power Voltage (V pmax) : 17.4 V
Max power current (I pmax) : 3.45 A
Dimensions (cm) : 52 x 120
Eficiency : 12%
Weight : 7.5 kg
Harga agustus 2009, 60 W : Rp. 1.950.000,Dari beberapa solar panel merk Sharp yang terjual di pasaran di atas,
penggunaan solar panel dapat disesuaikan dengan kebutuhan energi listrik yang
kita perlukan. Produk yang dikeluarkan oleh industri-industri solar panel adalah
dalam bentuk module. Pada applikasinya, karena tenaga listrik yang dihasilkan
oleh satu module masih cukup kecil, maka dalam pemanfaatannya beberapa
module digabungkan dan terbentuklah apa yang disebut array.
Sebagai contoh untuk menghasilkan listrik sebesar 3 kW dibutuhkan array
seluas kira-kira 20 ~ 30 meter persegi. Secara lebih jelas lagi, dengan memakai
module produksi Sharp yang bernomor seri NE-J130A yang mempunyai efisiensi
15.3% diperlukan luas 23.1 𝑚2 untuk menghasilkan listrik sebesar 3.00 kW.
Besarnya
kapasitas
PLTS
yang
ingin
dipasang
menambah
luas
area
pemasangan.Untuk lebih jelasnya, hirarki module dapat dilihat pada gambar
dibawah ini.
Gambar 2.6 Hirarki Module
12
2.2.3.2 Charger Controller
Charger controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk
mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. Solar
charger controller mengatur overcharging (kelebihan pengisian - karena baterai
sudah 'penuh') dan kelebihan voltase dari panel surya. Kelebihan voltase dan
pengisian akan mengurangi umur baterai.
Charger controller menerapkan teknologi Pulse width modulation (PWM)
untuk mengatur fungsi pengisian baterai dan pembebasan arus dari baterai ke
beban. Solar panel umumnya memiliki tegangan output 16 - 21 Volt. Jadi tanpa
solar charger controller, baterai akan rusak oleh over-charging dan
ketidakstabilan tegangan. Baterai umumnya charging pada tegangan 14 Volt.
Fungsi solar charger 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 pemilihan solar charger controller yang harus diperhatikan adalah
Voltage 12 Volt DC / 24 Volt DC , Kemampuan (arus searah) dari controller.
Misalnya 5 Ampere, 10 Ampere, dsb.
Seperti yang telah disebutkan di atas solar charger controller yang baik
biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai
sudah terisi penuh maka secara otomatis pengisian arus dari panel sel surya
berhenti. Cara deteksi adalah melalui level tegangan baterai. Solar charger
controller akan mengisi baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila
level tegangan drop, maka baterai akan diisi kembali.
Solar Charger 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
13
listrik DC dari panel sel surya ke baterai, bukan sebaliknya. Charger Controller
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 charger 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. Ada dua jenis teknologi yang umum
digunakan oleh solar charger controller, yaitu:
 PWM (Pulse Wide Modulation), seperti namanya menggunakan 'lebar' pulse
dari on dan off elektrikal, sehingga menciptakan seakan-akan sine wave
electrical form.
 MPPT (Maximun Power Point Tracker), yang lebih efisien konversi DC to DC
(Direct Current). MPPT dapat mengambil maximun daya dari PV. MPPT
charger controller dapat menyalurkan 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.
Salah satu Charger Controller yang dijual dipasaran adalah Tipe Xantrex
XW MPPT 60 Amp. Xantrex XW MPPT 60 Amp adalah fotovoltaik (PV)
charger controller yang melacak titik maksimum daya listrik dari array PV untuk
memberikan arus maksimum yang tersedia untuk pengisian baterai. Saat mengisi,
Xantrex XW mengatur tegangan baterai dan arus output berdasarkan jumlah
energi yang tersedia dari array PV. Adapaun Fitur standar dari Solar Charger
Controller tipe Xantrex XW MPPT 60 Amp, yaitu :

Maximun Power Point Tracker (MPPT) memberikan daya maksimal yang
tersedia dari array PV ke baterai/aki.

Memiliki proteksi pentanahan.

Ultra-reliable, memiliki design berpendingin sehingga tidak membutuhkan
kipas pendingin besar, aluminium, die-cast heat-sink memungkinkan
output penuh hingga 45 ° C tanpa termal derating.
14

Dua-line, 16-karakter liquid crystal display (LCD) dan empat tombol
untuk konfigurasi dan sistem pemantauan.

Battery
Temperature
Sensor
(BTS),
termasuk
secara
otomatis
menyediakan pengisian temperatur baterai.

Harga agustus 2009
= Rp. 4.760.000,-
Gambar 2.7 Solar Charger Controller tipe Xantrex XW MPPT 60 Amp
Solar Charger Controller merupakan salah satu komponen penting dalam
Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Adapun cara kerja charging mode dari Solar
Charger Controller, yaitu :
a. Charging Mode Solar Charger Controller
Dalam charging mode ini, umumnya baterai diisi dengan metoda three stage
charging:
 Fase bulk: baterai akan charging sesuai dengan tegangan setup (bulk antara 14.4 - 14.6 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 charger controller timer (umumnya
satu jam) tercapai, arus yang dialirkan menurun sampai tercapai
kapasitas dari baterai.
15
 Fase flloat: baterai akan dijaga pada tegangan float setting (umumnya
13.4 - 13.7 Volt). Beban yang terhubung ke baterai dapat menggunakan
arus maksimun dari panel surya pada stage ini.
b. Sensor Temperatur Baterai Charger Controller
Untuk solar charger 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 charger controller tidak memiliki sensor temperatur baterai, maka
tegangan charging perlu diatur, disesuaikan dengan temperatur lingkungan dan
jenis baterai.
c. Mode Operation Solar Charger Controller
Pada mode ini, baterai akan melayani beban. Apabila ada over-discharge
ataun over-load, maka baterai akan dilepaskan dari beban. Hal ini berguna untuk
mencegah kerusakan dari baterai.
2.2.3.3 Inverter
Inverter adalah perangkat yang digunakan untuk mengubah arus listrik
searah (DC) menjadi arus listrik dua arah (AC). Inverter mengkonversi DC dari
perangkat seperti baterai dan solar panel DC menjadi AC. Penggunaan inverter
dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah untuk mengubah arus
listrik DC yang dihasilkan PLTS menjadi arus listrik AC sehingga dapat
memenuhi kebutuhan energi listrik.
Dalam perkembangannya inverter memiliki beberapa tipe sesuai
kegunaanya, seperti true sine wave inverter diperlukan terutama untuk bebanbeban yang masih menggunakan motor agar bekerja lebih mudah, lancar dan tidak
cepat panas. Oleh karena itu dari sisi harga maka true sine wave inverter adalah
yang paling mahal diantara yang lainnya karena dialah yang paling mendekati
bentuk gelombang asli dari jaringan listrik PLN. Modified sine wave inverter yang
merupakan kombinasi antara square wave dan sine wave. Bentuk gelombangnya
bila dilihat melalui oscilloscope berbentuk sinus dengan ada garis putus-putus di
antara sumbu y=0 dan grafik sinusnya. Perangkat yang menggunakan kumparan
16
masih bisa beroperasi dengan modified sine wave inverter, hanya saja kurang
maksimal. Sedangkan pada square wave inverter beban-beban listrik yang
menggunakan kumparan / motor tidak dapat bekerja sama sekali. Selain itu
dikenal juga istilah Grid Tie Inverter yang merupakan special inverter yang
biasanya digunakan dalam sistem energi listrik terbarukan, yang mengubah arus
listrik DC menjadi AC yang kemudian diumpankan ke jaringan listrik yang sudah
ada. Grid Tie Inverter juga dikenal sebagai synchronous inverter dan perangkat
ini tidak dapat berdiri sendiri,
2.2.4
Sistem PLTS
Umumnya diklasifikasikan menurut konfigurasi komponennya. Pada
prinsipnya ada dua klasifikasi sistem PLTS, yaitu PLTS yang terhubung dengan
jaringan listrik (PLTS Grid Connected) dan PLTS yang berdiri sendiri (Stand
Alone), yaitu sebagai berikut :
2.2.4.1 PLTS berdiri sendiri (stand alone)
Sistem ini dirancang beroperasi mandiri untuk memasok beban DC atau
AC. Jenis sistem ini dapat diaktifkan oleh array photovoltaic saja, atau dapat
menggunakan sumber tambahan energi lain, seperti air angin dan mesin diesel.
Baterai digunakan pada kebanyakn sistem PLTS
PV Array
DC
Charge
Controller
DC
DC Load
DC
Baterry
DC
Inverter
AC
AC Load
Gambar 2.8 Diargam sistem PLTS berdiri sendiri dengan baterai
17
Dari gambar diagram stand alone diatas dapat dilihat daya DC yang
dihasilkan oleh PV array PLTS dikirim ke charger controller untuk melakukan
charging ke baterai dan melayani beban DC, charger controller juga mengatur
overcharging atau kelebihan pengisian karena baterai sudah penuh. Untuk
memenuhi kebutuhan beban AC digunakan baterai yang telah di charge oleh PV
array, dan arus searah DC yang berasal dari baterai telah dikonversi oleh inverter
menjadi arus listrik bolak balik (AC) sehingga dapat memenuhi kebutuhan beban
AC
2.2.4.2 PLTS Grid Connected
PLTS grid connected pada dasarnya adalah menggabungkan PLTS dengan
jaringan listrik PLN. Komponen utama dalam sistem ini adalah inverter atau
power conditioning unit (PCU). Inverter inilah yang berfungsi untuk mengubah
daya DC yang dihasilkan oleh PLTS menjadi daya AC sesuai dengan persyaratan
dari jaringan listrik yang terhubung (Utility Grid)
AC Loads
AC
PV Array
DC
Inverter/power
Conditioner
AC
Distribution
Panel
AC
Electric
Utility
Gambar 2.9 Diagram sistem PLTS grid connected
Dari gambar diagram grid connected diatas dapat dilihat daya DC yang
dihasilkan oleh PV array PLTS dikirim ke inverter atau power conditioning unit
(PCU) untuk untuk mengubah daya DC yang dihasilkan oleh PLTS menjadi daya
AC, sehingga distribution panel dapat mengirim daya ke jaringan listrik (Electric
utility) dan dapat memenuhi kebutuhan beban AC.
18
2.2.5
Pengoperasian maksimum panel surya
Pengoperasian maksimum panel surya sangat tergantung pada Intensitas
cahaya matahari, Temperatur, Sudut kemiringan panel surya (Array) dan Orientasi
panel surya sebagai berikut :
2.2.5.1 Intensitas cahaya matahari
Intensitas cahaya matahari akan berpengaruh pada daya keluaran panel
surya. Semakin rendah intensitas cahaya yang diterima oleh panel surya maka
arus (Isc) akan semakin rendah. Hal ini membuat titik maximum power point
berada pada titik yg semakin rendah, pengaruh intensitas radiasi terhadap
tegangan dan arus pada panel surya seperti yang terlihat pada gambar di bawah
ini:
Gambar 2.10 Pengaruh Intensitas radiasi terhadap panel surya
2.2.5.2 Temperatur
Sebuah panel surya beroperasi secara maksimum jika temperatur yang
diterimanya tetap normal pada temperatur normal 25oC. Kenaikkan temperatur
lebih tinggi dari temperatur normal pada panel surya akan melemahkan tegangan
(Voc) yang dihasilkan. Setiap kenaikkan temperatur panel surya 1o (dari 25oC)
akan mengakibatkan berkurang sekitar 0,5% pada total tenaga (daya) yang
dihasilkan (Foster dkk.2010).
2.2.5.3 Sudut kemiringan panel surya (array)
Sudut kemiringan memiliki dampak yangg besar terhadap radiasi matahri
di permukaan panel surya. Untuk sudut kemiringan tetap, daya maksimum selama
satu tahun akan diperoleh ketika sudut kemiringan panel surya sama dengan
19
lintang lokasi (Foster.2010). Misalnya panel surya yang terpasang di khatulistiwa
(lintang =0o) yang diletakkan mendatar (tilt angle = 0o), akan menghasilkan energi
maksimum.
2.2.5.4 Orientasi panel surya
Orientasi dari rangkaian panel surya (array) ke arah matahari adalah
penting, agar panel surya (array) dapat menghasilkan energi maksimum.
Misalnya, untuk lokasi yang terletak di belahan bumi utara maka panel surya
(array) sebaiknya diorientasikan ke selatan. Begitu pula untuk lokasi yang terletak
di belahan bumi selatan maka panel surya (array) diorientasikan ke utara
(Foster.2010).
2.2.6
Daya dan Efesiensi Solar Cell
Sebelum mengetahui berapa nilai daya sesaat yang dihasilkan kita harus
mengetahui daya yang dihasilkan (daya output), daya tersebut adalah perkalian
antara intensitas radiasi matahari yang diterima dengan luas area PV module
dengan persamaan sebagai berikut (Mulyatno,2000):
Daya yang dapat diperoleh dari konversi sinar matahari secara umum
dirumus kan sebagai berikut:
𝑃𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 = I x A (watt) ………………………………………………. ( 2.1 )
dengan:
I = intensitas radiasi matahari (w/𝑚2 )
A= luas permukaan PV module (𝑚2 )
Daya keluaran yang dikeluarkan sel fotovoltaik dengan rumus :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = I x A x 𝜂 (watt) ..…………………………………….………. ( 2.2 )
dengan :
𝜂 = efisiensi sel fotovoltaik (%)
Besarnya energi radiasi matahari yang dapat diserap oleh sel fotovoltaik :
𝐸𝑠𝑒𝑙 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 x t (watt/hour) …..………………………………………. ( 2.3 )
dengan :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = daya keluaran sel fotovoltaik (watt)
t
= lamanya penyinaran efektif rata-rata matahari yang mengenai
permukaan
20
Efesiensi yang terjadi pada sel fotovoltaik adalah merupakan perbandingan
dari daya output yang dapat dibandingkan oleh sel surya dengan daya yang
diperoleh dari konversi sinar matahari sebagai daya input, dapat ditentukan
dengan :
𝜂=
𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡
𝜂 =
𝐼.𝐴
𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡
……………………………………………. ( 2.4 )
..……………………….………….………. ( 2.5 )
dengan :
𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 = daya output sel fotovoltaik (watt)
𝑃𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 = daya yang diperoleh dari konveri radiasi sinar matahari (watt)
2.3
Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB)
Angin/Bayu adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam,
Angin terjadi karena ada perubahan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di
tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Untuk mengurangi
keterbatasan penggunaan energi yang tak terbaharukan dalam pembangkitan
energi listrik khususnya maka diperlukan energi-energi alternatif lain sebagai
penggantinya. Dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi alternatif yang
bersih dan terbarukan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar.
Pembangkit Listrik Tenaga Bayu mengkonversikan energi angin
menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin. Besarnya daya yang
dihasilkan tergantung pada kecepatan angin dan diameter baling-baling.
21
Gambar 2.11 Sebuah PLTB (Sumber : http://www .kincirangininfo.com)
2.3.1 Komponen-komponen PLTB
Adapun komponen-komponen dari PLTB yaitu baling-baling dan ekor,
turbin angin, tiang dan panel kontrol, sebagai berikut :
2.3.1.1 Baling-baling dan ekor
Baling-baling merupakan komponen yang menangkap energi kinetik angin
menjadi energi putaran dan ekor berfungsi sebagai komponen untuk mengarahkan
baling - baling ke arah angin.
Gambar 2.12 Baling-baling dan ekor
22
2.3.1.2 Turbin Angin
Turbin Angin adalah komponen inti yang akan mengubah energi kinetik
angin menjadi energi listrik. Adapun Jenis turbin angin ada 2, yaitu:
Gambar 2.13 Generator pada turbin angin
1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal memiliki poros rotor utama dan generator
listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah balingbaling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya
menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor.
Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran turbin yang
pelan menjadi lebih cepat berputar.
Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin
biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat
kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi.
Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu
dan sedikit dimiringkan. Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur
menara, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin).
Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan
angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap
sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang, bilahbilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan
demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.
23
Adapun kelebihan dan kekurangan TASH, yaitu:
Kelebihan TASH :

Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di
tempat-tempat yang memiliki geseran angin, perbedaan antara laju dan
arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir
bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas,
kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
Kekurangan TASH :

Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter
sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20%
dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat
tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.

Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah
yang berat, gearbox, dan generator.

Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu
penampilan lansekap.

Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan
oleh turbulensi.

TASH
membutuhkan
mekanisme
kontrol
yaw
membelokkan turbin ke arah angin.
Gambar 2.14 Turbin angin sumbu horizontal
tambahan
untuk
24
2. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal atau TASV memiliki poros/sumbu rotor
utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak
harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di
tempat-tempat
yang
arah
anginnya
sangat
bervariasi.
TASV
mampu
mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di
dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses
untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan
tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah
benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat turbin
berputar.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang
lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah
bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga
yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan
obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa
menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya
kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau
mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara
turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi
angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.
Adapun kelebihan dan kekurangan turbin angin sumbu vertikal, yaitu:
Kelebihan TASV

Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.

Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat
pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang
terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan
25
yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan
tinggi.

Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak
atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar
untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya
TASH.

TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH.
Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)

TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan
putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih
rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin
berhembus sangat kencang.

TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi
dilarang dibangun.

TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari
berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin
(seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),

TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

turbin pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.
Kekurangan TASV :

Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH
karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang
di elevasi yang lebih tinggi.

Kebanyakan
TASV
mempunyai
torsi
awal
yang
rendah,
dan
membutuhkan energi untuk mulai berputar.

Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi
tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada
bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya
dorong ke bawah saat angin bertiup.
26
Gambar 2.15 Turbin angin sumbu vertikal
2.3.1.3 Tiang
Tiang berfungsi sebagai komponen yang meletakkan baling-baling
ditempat yang tinggi yang relatif lebih berangin. Tiang bisa dibuat dari pipa baja,
beton, rangka besi. Kecepatan angin bertambah jika ketinggian tiang semakin
tinggi, diamater dari rotor juga berpengaruh untuk menghasilkan daya pada
PLTB.
Untuk pemasangan tiang dilakukan dengan cara menyambung tiang satu
persatu. Tiang paling bawah memiliki engsel pada bagian pangkalnya dan pada
tiang tertentu terdapat cuping untuk kawat sling yang berjumlah 3. Setiap tiang
memiliki tangga. Dalam pemasangan tiang dimulai dengan memasukkan lubang
lempengan (baseplate) tiang paling bawah ke dalam baut yang sudah ada pondasi,
biarkan engsel baseplate terbuka sehingga tiang paling bawah berada pada posisi
duduk.
Gambar 2.16 Tiang PLTB
27
2.3.1.4 Panel Kontrol
Panel Kontrol berfungsi sebagai kontrol tegangan listrik yang dihasilkan
oleh turbin. Salah satu panel kontrol yang dijual dipasaran yaitu tipe Exmork FKJ
A2-5000W Analog, Termasuk didalamnya terdapat inverter AC-DC.
Gambar 2.17 panel kontrol
2.3.2
Bagian Aerodinamik dari Kincir
Secara garis besar kincir angin terdiri dari anemometer, blades, rem,
controller, gear box dll, sebagai berikut:
Gambar 2.18 Sketsa Dalam Kincir angin
Sumber : http://www .kincirangininfo.com
28
A. Anemometer: Mengukur kecepatan angin, dan mengirim data angin ini ke
Alat Pengontrol.
B. Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah
kipas. Angin yang menghembus menyebabkan turbin tersebut berputar.
C. Rem : Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis, dengan
tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau saat keadaan
darurat.
D. Controller (Alat Pengontrol) : Alat Pengontrol ini menstart turbin pada
kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan mematikannya pada kecepatan
90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam, karena angina terlalu
kencang dapat merusakkannya.
E. Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm menjadi
kira-kira 1000-1800 rpm yaitu putaran yang biasanya disyaratkan untuk
memutar generator listrik.
F. Generator: Generator pembangkit listrik, mengubah energi kinetic angin
menjadi energi listrik (DC).
G. High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Menggerakkan generator.
H. Low-speed shaft (Poros Puutaran Rendah): Poros turbin yang berputar
kira-kira 30-60 rpm.
I. Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di
dalamnya berisi gear-box, poros putaran tinggi / rendah, generator, alat
pengontrol, dan alat pengereman.
J. Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas bisa diatur sudutnya untuk mengatur
kecepatan rotor yang dikehendaki, tergantung angin terlalu rendah atau terlalu
kencang.
K. Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor.
L. Tower (Menera): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, rangka besi.
Karena kencangnya angin bertambah dengan ketinggian, maka makin tinggi
menara makin besar tenaga yang didapat.
M. Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan
penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.
29
N. Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah angin
untuk desain turbin yang menghadap angina. Untuk desain turbin yang
mendapat hembusan angina dari belakang tak memerlukan alat ini.
O. Yaw motor (Motor Penggerak Arah): Motor listrik yang menggerakkan
penggerak arah.
2.3.3
Prinsip Kerja Turbin Angin
Cara kerja turbin angin bisa menghasilkan energi listrik, adalah dengan
mengkonversikan energi angin atau energi kinetik menjadi energi listrik dengan
menggunakan turbin angin. Besarnya daya yang dihasilkan tergantung pada
kecepatan angin dan diameter baling-baling. Energi listrik yang dihasilkan
kemudian dikirimkan dan didistribusikan ke rumah-rumah, pusat bisnis, sekolah.
Turbin-turbin angin modern terbagi menjadi dua kelompok dasar; jenis sumbu
horisontal, dan sumbu vertikal. Turbin sumbu horisontal inilah yang banyak
dipakai saat ini. Ciri khasnya memiliki dua atau tiga bilah baling-baling, yang
dihadapkan ke arah datangnya angin (community.gunadarma.ac.id).
2.3.4
Daya Pada Energi Angin
Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, Sehingga
dapat dirumuskan sebagai berikut (Andryanto,2011):
Ek =
1
2
. m . v2
………………..……………..………. ( 2.6 )
dengan :
Ek = Energi kinetik (joule)
m = Massa udara (kg)
v = Kecepatan angin (m/detik)
Sedangkan daya adalah energi per satuan waktu, maka dari persamaan
tersebut dapat dituliskan :
1
Pa = 2 . m . v 2
………………..……………..………. ( 2.7 )
Dengan :
Pa = Daya angin (Watt)
m = massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/detik)
30
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
Dimana :
m = ρ.A.v
………………..……………..………. ( 2.8 )
Yang dalam hal ini :
A = luas penumpang (m2).
Dengan menggunakan persamaan, maka daya angin (Pa) dapat dirumuskan
menjadi :
1
Pa = 2. ρ.A.v3
………………..……………..………. ( 2.9 )
Bila diasumsikan besarnya massa jenis udara (ρ) adalah 1,25 kg/m3, maka
dari persamaan dapat disederhanakan menjadi :
……………..……………..………. ( 2.10 )
Pa = 0,625.A.v3
Dari rumus 2.10 besaran (ρ) dan (A) digambarkan sebagai konstanta, yang
juga tergantung dari kecepatan angin (v), luas penampang sudu (A) tergantung
dari bentuk sudu.
Daya yang akan dihasilkan ini adalah daya maksimum yang mungkin
diperoleh. Efisiensi turbin angin yang sebenarnya hanya akan dapat menangkap
30% dari daya maksimum (Reynolds,1996)
2.3.5
Keuntungan dan Kerugian PLTB.
2.3.5.1 Keuntungan PLTB
Adapun keutungan dari PLTB, yaitu :
a) Tidak akan terjadi eksploitasi, hal ini berarti eksploitasi sumber energi ini
tidak akan membuat sumber daya angin yang berkurang seperti halnya
penggunaan bahan bakar fosil.
b) Sumber energi
ramah
lingkungan
,dimana
penggunaannya
tidak
mengakibatkan emisi gas buang atau solusi yang berarti ke lingkungan.
2.3.5.2 Kerugian PLTB
Adapun kerugian dari PLTB, yaitu :
a) Dampak visual, penggunaan ladang angin sebagai pembangkit listrik
membutuhkan luas lahan yang tidak sedikit dan tidak mungkin untuk
disembunyikan. Penempatan ladang angin pada lahan yang masih dapat
31
digunakan untuk keperluan yang lain dapat menjadi persoalan tersendiri
bagi penduduk setempat. Hal ini dapat mengurangi lahan pertanian serta
pemukiman.
b) Derau suara, terjadinya derau frekuensi rendah akibat putaran dari sudusudu turbin angin. Dalam keadaan tertentu turbin angin dapat juga
menyebabkan interferensi elektromagnetik, mengganggu penerimaan
sinyal televisi atau transmisi gelombang mikro untuk perkomunikasian.
beberapa masalah ekologi dan keindahan
2.4
Baterai/Aki
Baterai/Aki, pertama kali diperkenalkan oleh Benjamin Franklin pada
tahun 1748, merupakan kombinasi dari dua atau lebihsel elektrokimia yang
digunakan untuk mengkonversi energi kimia disimpan menjadi enrgi listrik.
Baterai/Aki adalah alat yang digunakan untuk menyimpan tenaga listrik arus
searah ( DC ). Ada beberapa jenis baterai / aki di pasaran, yaitu :
a. Aki basah/konvensional, Aki basah/konvensional masih menggunakan
asam sulfat (H2SO4) dalam bentuk cair.
b. Aki MF (Maintenance Free), disebut juga aki kering karena asam
sulfatnya sudah dalam bentuk gel/selai.
Secara
garis
besar, baterai
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).
Baterai jenis AGM biasanya juga dikenal dengan VRLA (Valve Regulated Lead
Acid). Baterai kering Deep Cycle juga dirancang untuk menghasilkan tegangan
yang stabil. Penurunan kemampuannya tidak lebih dari 1-2% per bulan tanpa
perlu dicharge.
Konsekuensinya untuk pengisian arus ke dalam baterai Deep Cycle harus
lebih kecil dibandingkan baterai konvensional sehingga butuh waktu yang lebih
lama untuk mengisi muatannya. Antara tipe gel dan AGM hampir mirip hanya
32
saja baterai AGM mempunyai semua kelebihan yang dimiliki tipe gel tanpa
memiliki kekurangannya. Kekurangan tipe Gel adalah pada waktu dicharge maka
tegangannya harus 20% lebih rendah dari baterai tipe 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 baterai Deep Cycle tahan terhadap
cuaca ekstrim yang membekukan.
Ada 2 rating untuk baterai yaitu :

CCA (Cold Cranking Ampere) menunjukkan besar arus yang dapat
dikeluarkan serentak selama 30 detik pada titik beku air yaitu 0oC.

RC (Reserve Capacity) menunjukkan berapa lama (dalam menit)
battery tersebut dapat menyalurkan arus sebesar 25A sambil tetap
menjaga tegangannya di atas 10,5 Volt.
Salah satu baterai/aki yang dijual dipasaran adalah Tipe Rolls Battery
Engineering Solar Deep Cycle Series 5000, model 2 KS 33P. Adapun spesifikasi
dari Rolls Battery ini, sebagai berikut :
a. Kapasitas 1 cell = 2 Volt DC dengan kapasitas 2491 Ah.
b. Dual containner.
c. Non Breakable (non pecah).
d. Dimension (L x W x H) cm = 38 x 21 x 63.
e. Wet Weight = 94 kg.
f. Harga perbulan agustus 2009 = Rp. 10.000.000,-
Gambar 2.19 Rolls Battery Engineering Solar Deep Cycle
33
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 negatif. 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.

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.

Pemakaian aki itu sendiri untuk kebutuhan rutin yang sering dipakai atau
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.

Aki kering mempunyai banyak keunggulan maka harganya pun jauh lebih
mahal daripada aki basah.
2.4.1 Kapasitas dan Waktu Pemakaian Baterai
Untuk dapat mensuplai kebutuhan energi listrik seluruh konsumen,
diperlukan baterai dengan kapasitas yang sesuai dengan besarnya kebutuhan
dayanya. Kapasitas tersedia dari baterai tergantung pada tingkat dimana terjadi
34
proses pengosongan. Jika baterai habis pada tingkat yang relative tinggi, kapasitas
yang tersedia akan lebih rendah dari yang diharapkan. Untuk menghitung
kapasitas (Ah) dari baterai, dilakukan perhitungan sebagai berikut (Togan, 2011) :
PAC = VRMS x IRMS x Power Factor
………………………………(2.11)
dan
EAC = VRMS x IRMS x Power Factor x t ……………………………..(2.12)
Dengan :
PAC
= Kebutuhan daya konsumen (Watt)
EAC
= Kebutuhan energi konsumen (Watt Hour)
VRMS
= Tegangan sistem
IRMS
= Arus listrik yang disuplai maksimal (Ah)
Power Factor = Faktor daya beban
t
= Waktu (Jam)
2.4.2 Depth of Discharge (DOD) dan Durasi Penyimpanan Baterai pada
Baterai Jenis Deep Cycle
Depth of Discharge (DOD) adalah suatu ketentuan yang membatasi tingkat
Kedalaman discharge maksimum yang dapat diberlakukan pada baterai tersebut.
Pengaturan DOD berperan dalam menjaga usia pakai (life time) dari baterai
tersebut. Semakin dalam DOD yang diberlakukan pada baterai yang akan
digunakan (deep cycle baterry) pada sistem, maka semakin pendek pula usia pakai
dari baterai tersebut (Togan, 2011).
2.5
Sistem Pembangkit Listrik Hybrid
Sistem pembangkit listrik hybrid adalah sistem yang menggabungkan
beberapa sumber energi untuk memasok energi listrik ke beban. Tujuan utama
sistem hybrid adalah memaksmimalkan energi, bebas polusi, kualitas daya yang
bagus, dan energi yang berkesinambungan.
Sistem Hybrid adalah system pembangkit listrik yang terdiri dari 2 atau
lebih sistem pembangkit dengan sumber energi berbeda. Misalnya Listrik Tenaga
Surya (Photovoltaic, -PV) dipadu dengan genset, maka disebut Hybrid PV-Genset.
35
System Hybrid yang pernah diterapkan di Indonesia adalah: Hybrid PV-Genset,
Hybrid PV-Mikrohydro, Hybrid PV-Bayu (angin) , dan bahkan Hybrid PV-Bayu
Genset.
Gambar 2.20 Sebuah pembangkit listrik hybrid
Sumber : http://www .Pembangkithybridinfo.com
Sistem tenaga hybrid yang dirancang untuk generasi daya listrik.
Umumnya independen dari jaringan listrik terpusat yang besar dan digunakan di
daerah terpencil. Sistem hybrid dengan definisi mengandung sejumlah perangkat
pembangkit listrik seperti turbin angin, fotovoltaik, mikro-hydro dan / atau
generator bahan bakar fosil. Sistem tenaga hybrid berkisar dari sistem kecil yang
dirancang untuk satu atau beberapa rumah yang sangat besar seperti villa atau
untuk pulau terpencil dengan komunitas yang besar.
Sistem hybrid adalah solusi ideal untuk rumah yang terhubung dengan
sumber listrik pembangkit dan jaringan listrik PLN, di mana pemilik ingin
menggabungkan sistem energi terbarukan dengan daya cadangan. Sebagian besar
aplikasi menggunakan panel surya, turbin angin, mikro hidro generator atau
generator yang menggunakan bahan bakar diesel juga dapat digunakan ke dalam
sistem ini. Grid-interaktivitas memungkinkan kelebihan energi yang dihasilkan
akan kirim ke sistem grid, dan memungkinkan grid sebagai sumber energi
tambahan untuk mengisi baterai. Jika grid gagal, inverter akan secara otomatis
36
masuk ke mode daya cadangan, untuk memasok energi dari baterai dan masukan
energi listrik untuk mendukung kebutuhan beban listrik.
Sistem tenaga hybrid dipandang sebagai cara untuk memberikan listrik ke
masyarakat terpencil di negara berkembang di mana biaya untuk ekspansi skala
besar grid listrik mahal dan biaya transportasi bahan bakar diesel juga sangat
tinggi. Penggunaan sistem pembangkit listrik terbarukan mengurangi penggunaan
bahan bakar mahal, memungkinkan untuk generasi bersih daya listrik dan juga
meningkatkan standar hidup bagi banyak orang di daerah terpencil.
2.5.1
Sistem Hybrid PLTB dan PLTS
Pembangkit listrik tenaga bayu/angin dan surya/matahari merupakan
teknologi hibrida yang terbilang baru dan ramah lingkungan. pertama
diperkenalkan oleh Guiseppe seorang doktor dari perusahaan listrik Italia tahun
1995. Dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga angin, maupun tenaga
matahari saja, teknologi hybrid ini jelas lebih tinggi karena tak sepenuhnya
bergantung pada matahari. Maka, bila langit medung atau malam tiba dan
matahari lenyap, pembangkit listrik akan digerakkan oleh turbin angin jadi
listrikpun tetap mengalir. Sebaliknya, ketika angin sedang tidak berhembus,
panel-panel sel surya penangkap sinar matahari bisa terus memasok listrik.
Pembangkit listrik ini cocok untuk daerah yang cuacanya sering berubah-ubah
seperti di pesisir pantai.
Teknologi pembangkit listrik ini sebenarnya tak rumit, terdiri dari tiga
bagian utama yaitu, turbin angin, panel berisi sel surya dan penyimpanan listrik.
Saat angin bertiup, bilah-bilah turbin akan bergerak memutar dinamo (dynamo)
yang membangkitkan arus listrik. Listrik ini kemudian disalurkan ke bagian
penyimpanan yang berupa sejumlah aki/baterai. Pada saat yang sama, ketika
matahari bersinar panel sel surya akan menangkap sinar untuk diubah juga
menjadi listrik. Panel ini berisi sel photovoltaic yang terbuat dari dua lapis silicon.
Ketika terkena sinar matahari, dua lapisan silicon akan menghasilkan ion positif
dan negative, dan listrikpun akan tercipta. Listrik dari panel surya dan turbin
angin itu masih berupa arus searah DC (direct current). Padahal alat rumah tangga
seperti televisi, radio, kulkas dll membutuhkan listrik berarus bolak-balik AC
37
(alternating current), Untuk itulah dibutuhkan inverter pengubah arus DC menjadi
AC 220 Volt.
Kelebihan dan Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Bayu dan Solar
Panel,yaitu:
Kelebihan :
1. Ramah Lingkungan (environmental friendly)
2. Praktis digunakan pada wilayah pesisir pantai
3. Tidak memerlukan perawatan khusus
4. Teknologinya tidak rumit
5. Disainnya dari bahan yang tidak mudah karatan (korosi)
6. Mudah mengoperasikan
Kekurangan :
1. Butuh biaya yang cukup besar untuk pembelian dan pelatihan operator
teknis
2. Tersedianya suku cadang dan aki/baterai, jika letaknya jauh di pulau.
Gambar 2.21 Sistem Pembangkit Hybrid Antara Sumber PLN, Tenaga Surya, Tenaga Angin
Sumber : http://www .Pembangkithybridinfo.com
38
2.5.1.1 PLTB Nusa Penida
PLTB di Bali terletak di bukit Mundi, Desa Klumpu, Kecamatan Nusa
Penida yang mempunyai ketinggian kurang lebih 400 meter dari permukaan laut.
Turbin angin diletakkan di atas Tower pada ketinggian 30 meter dari ground level.
Dipilihnya Nusa Penida sebagai lokasi karena berdasarkan survey yang dilakukan
sebelumnya, tempat ini merupakan tempat yang tepat dan memenuhi syarat untuk
dibangun PLTB. Faktor-faktor yang dipakai sebagai indicator dalam survey
tersebut antara lain faktor kecepatan angin, ketinggian, faktor lingkungan, faktor
beban, faktor interkoneksi, dan sebagainya. Adapun kecepatan angin di daerah
nusa penida 4 m/detik hingga 5 m/detik tergolong berskala menengah dengan
potensi kapasitas 10-100 kW.
Jumlah PLTB yang terpasang saat ini di Nusa Penida adalah sebanyak
sembilan unit dengan kapasitas 735 KW. Tiga diantaranya berkapasitas masingmasing 85 kw yang dibiayai oleh PT PLN, enam diantaranya masing-masing 80
kw yang di biayai oleh APBN. Beban yang dapat di penuhi adalah di daerah nusa
penida dan nusa lembongan. Jenis kincir angin yang digunakan pada PLTB Nusa
Penida adalah jenis horisontal dengan kipas tiga seperti terlihat pada gambar
berikut :
Gambar 2.22 PLTB Nusa Penida
Adapun kincir angin yang cocok atau dapat digunakan untuk
pembangunan PLTB Nusa Penida adalah kincir angin vertikal jenis Darius. Kincir
angin vertikal ini dapat bekerja dari kecepatan angin yang kecil dan menghasilkan
listrik saat angin berkecepatan 10 km/jam atau sama dengan 2,7 m/dt. Dengan
39
kecepatan angin di bali rata-rata 4 m/dt sampai 5 m/dt berarti kincir angin vertikal
dapat digunakan pada PLTB Nusa Penida
2.6
Investasi
Investasi adalah suatu kegiatan menanamkan modal jangka panjang
dengan tujuan memperoleh sejumlah keuntungan di masa yang akan datang.
Investasi akan di ikuti oleh sejumlah pengeluaran lain yang secara periodik perlu
disiapkan. Pengeluaran tersebut terdiri dari biaya operasional, biaya perawatan
dan biaya - biaya lainnya yang tidak dapat dihindarkan.
Investasi di bidang konstruksi mempunyai ciri khusus yang perlu
diperhatikan oleh penanam modal sebelum memutuskan untuk melakukan
investasi (Sutojo, 2000), yaitu :
1. Investasi menyerap dan mengikat dana dalam jumlah besar dengan jangka
waktu ikatan dana yang cukup lama, yaitu lebih dari satu tahun. Sebagai
konsekuensi apabila terjadi kesalahan dalam perencanaan atau evaluasi
kelayakn investasi, dampak negatif yang harus diterima penanam modal
akan berlangsung lama.
2. Manfaat yang akan diperoleh penanam modal baru dapat dinikmati
sepenuhnya beberapa masa setelah investasi dilakukan.
3. Dibandingkan dengan investasi harta lancar, tingkat risiko yang di
tanggung penanam modal lebih tinggi, disebabkan besarnya jumlah dana
yang terikat serta lamanya jangka waktu ikatan.
4. Keputusan investasi proyek yang keliru, tidak dapat direvisi begitu saja
seperti halnya dalam kasus harta lancar
2.6.1
Modal Investasi
Modal investasi adalah dana yang disediakan untuk pengadaan modal yang
bersifat fisik dan bukan fisik, yang mana modal tersebut akan terikat menjadi aset.
Investasi yang lengkap biasanya meliputi pembiayaan untuk (Kuswadi, 2007) :
1. Pembelian tanah
2. Pengadaan bangunan (pabrik, kantor, gudang dan prasarana lain)
3. Pembelian dan pengadaan mesin dan alat
40
4. Biaya perencanaan
5. Latihan personal atau karyawan
6. Membeli linsensi atau hak patent
7. Mengurus ijin - ijin
8. Pengadaan alat - alat transportasi
9. Pengadaan peralatan dan perabot kantor.
10. Pengadaan Instalasi air dan listrik
11. Pengeluaran lain selama periode investasi.
Pada dasarnya semua biaya yang dikeluarkan selama belum memulai
produksi komersialnya dapat dimasukkan dalam golongan modal investasi.
2.6.2
Modal Kerja
Modal kerja adalah modal yang diperlukan untuk membiayai seluruh
kegiatan agar usaha berjalan lancar sesuai rencana, setelah investasi dianggap
memadai, antara lain untuk pengadaan bahan baku, bahan pembantu, memroses
menjadi bahan jadi dan kemudian menjualnya. Dengan kata lain, modal kerja
adalah modal atau dana yang diperlukan untuk operasi (bukan investasi).
Faktor - faktor yang menentukan kebutuhan modal kerja adalah kegiatan
perusahaan yang biasanya diukur dengan besarnya rencana penjualan dan
kecepatan perputaran operasi perusahaan (kecepatan operating cycle). Semakin
cepat perputaran operasi, semakin kecil kebutuhan modal kerja (Kuswadi.2007).
2.7
Aspek Biaya
2.7.1
Biaya siklus hidup (Life Cycle Cost)
Biaya siklus hidup (Life Cycle Cost) suatu sistem adalah semua biaya yang
dikeluarkan oleh suatu sistem, selama kehidupanya. Pada sistem PLTS, biaya
siklus hidup (LCC) ditentukan oleh nilai sekarang dari biaya total sistem PLTS
yang terdiri dari biaya investasi awal, biaya jangka panjang untuk pemeliharaan
dan operasional serta biaya pengganti baterai (Kolhe dkk.2002:Foster dkk.2010).
Biaya siklus hidup (LCC) diperhitungkan dengan rumus sebagai berikut :
LCC = C + Mpw + Rpw
……………………………………………………..(
2.13 )
41
dengan :
LCC
= Biaya siklus hidup
C
= Biaya investasi awal adalah biaya awal yang dikeluarkan untuk
pembelian komponen - komponen PLTS, biaya instalasi dan biaya lainnya
misalnya biaya untuk rak penyangga
Mpw
= Biaya nilai sekarang untuk total biaya pemeliharaan dan
operasional selama n tahun atau selama umur proyek.
Rpw
= Biaya nilai sekarang untuk biaya penggantian yang harus
dikeluarkan selama umur proyek. Contohnya adalah biaya untuk
penggantian baterai
2.7.2
Biaya Energi (Cost Of Energy)
Biaya energi merupakan perbandingan antara biaya total per tahun dari
sistem dengan energi yang dihasilkanya selama periode yang sama. Dari sisi
ekonomi, biaya energi PLTS dan PLTB berbeda dari biaya energi untuk
pembangkit konvensional (Nafeh,2009). Hal ini karena biaya energi PLTS dan
PLTB, dipengaruhi oleh biaya - biaya seperti :
a) Biaya awal (biaya modal) yang tinggi.
b) Tidak ada biaya untuk bahan bakar.
c) Biaya pemeliharaan dan operasional rendah.
d) Biaya penggantian rendah (terutama hanya untuk baterai).
Biaya energi (Cost Of Energy) dari PLTS dan PLTB diperhitungkan dengan
rumus sebagai berikut :
𝐂𝐎𝐄 =
𝐋𝐂𝐂 𝐱 𝐂𝐑𝐅
… … … … … … … … … … … … . … … … … … … … . … (2.14)
𝐀 𝐤𝐖𝐡
Dimana :
COE
: Cost Of Energy atau Biaya Energi (Rp/kWh)
CRF
: Faktor pemulihan modal.
A kWh : Energi yang dibangkitkan tahunan (kWh/year)
Perhitungan biaya energi suatu PLTS ditentukan oleh biaya siklus hidup
(LCC), faktor pemulihan modal (CRF) dan kWh produksi tahunan PLTS dan
PLTB.
42
2.7.3
Faktor Pengembalian Modal (Capital Recovery Factor)
Faktor pemulihan modal adalah faktor yang dipergunakan untuk
mengkonversikan semua arus kas biaya siklus hidup (LCC) menjadi serangkaian
pembayaran atau biaya tahunan dengan jumlah yang sama (Kolhe dkk,2002).
Faktor pemulihan modal diperhitungkan dengan rumus sebagai berikut :
𝐢(𝟏 + 𝐢)𝐧
𝐂𝐑𝐅 =
… … … … … … … … … … … … … … … … . … … … … … . . (2.15)
(𝟏 + 𝐢)𝐧 − 𝟏
Dimana :
2.7.4
CRF
= Faktor pemulihan modal.
i
= Tingkat diskonto
N
= Periode dalam tahun (umur investasi)
Konsep dan Terminologi Depresiasi
Depresiasi adalah penurunan dalam nilai fisik properti seiring dengan
waktu dan penggunaannya. Dalam konsep akuntansi, depresiasi adalah
pemotongan tahunan terhadap pendapatan sebelum pajak sehingga pengaruh
waktu dan penggunaan atas nilai aset dapat terwakili dalam laporan keuangan
suatu perusahaan. Depresiasi adalah biaya non-kas yang berpengaruh terhadap
pajak pendapatan. Properti yang dapat didepresiasi harus memenuhi ketentuan
berikut:
1. Harus digunakan dalam usaha atau dipertahankan untuk menghasilkan
pendapatan.
2. Harus mempunyai umur manfaat tertentu, dan umurnya harus lebih lama
dari setahun.
3. Merupakan sesuatu yang digunakan sampai habis, mengalami peluruhan/
kehancuran, usang, atau mengalami pengurangan nilai dari nilai asalnya.
4. Bukan inventaris, persediaan atau stok penjualan, atau properti investasi.
Properti yang dapat didepresiasi dikelompokkan menjadi 2 yaitu :
1. Nyata (tangible): dapat dilihat atau dipegang. Terdiri dari properti personal
(personal property) seperti mesin-mesin, kendaraan, peralatan, furnitur
dan item-item yang sejenis; dan properti riil (real property) seperti tanah
43
dan segala sesuatu yang dikeluarkan dari atau tumbuh atau berdiri di atas
tanah tersebut
2. Tidak Nyata (intangible). Properti personal seperti hak cipta, paten atau
franchise.
2.7.4.1 Metode Perhitungan Depresiasi
Secara umum, metode perhitungan depresiasi dibagi dua, yaitu:
1. Metode klasik, terdiri dari:
a. Metode garis lurus (straight-line, SL)
Metode garis lurus mengasumsikan bahwa aset terdepresiasi secara
konstan setiap tahunnya selama umur manfaatnya.
𝐝𝐤 =
(𝐁 − 𝐒𝐕𝐍 )
… … … … … … … … … … … … … … … … … … (𝟐. 𝟏𝟔)
𝐍
d*k = K dK
untuk 1 ≤ K ≤ N
BVK = B - d*K
dengan:
N
= umur manfaat
B = basis harga, termasuk penyesuaian
dK
= pengurangan depresiasi pada tahun ke k (1 ≤ k ≤ N)
BVK
= nilai buku pada akhir tahun ke k
SVN
= perkiraan nilai sisa pada akhir tahun ke N
d*K
= depresiasi kumulatif selama tahun ke k
b. Metode declining balance (DB)
Metode declining balance disebut juga metode persentase konstan atau
formula Matheson, dengan asumsi bahwa biaya depresiasi tahunan adalah suatu
persentase yang tetap dari nilai buku awal tahun.
c. Metode sum of the years digits (SYD)
Metode sum of the years digits menggunakan digit sebagai sisa umur
manfaat dari aset. Faktor depresiasi adalah sisa umur aset dibagi dengan jumlah
total digit.
2. Sistem perolehan biaya dipercepat termodifikasi (Modified Accelerated
Cost Recovery System, MACRS)
44
2.8
Teknik Analisis Kelayakan Investasi
2.8.1
Net Present Value (NPV)
Net Present Value (NPV) menyatakan bahwa seluruh aliran kas bersih
dinilai sekarang atas dasar faktor diskonto (discount factor). Teknik ini
menghitung selisih antara seluruh kas bersih nilai sekarang dengan investasi awal
yang ditanamkan (Halim,2009). Untuk menghitung Net Present Value (NPV)
dipergunakan rumus sebagai berikut :
NPV = PV Proceeds - Initial Outlays ………………………… (2.17)
dengan :
P.V Proceeds = jumlah nilai sekarang/ present value dari cash flow.
Initial Outlays = Investasi awal (Initial Investment).
Kriteria pengambilan keputusan apakah usulan investasi layak diterima
atau ditolak adalah sebagai berikut :
a) Investasi dinilai layak, apabila NPV bernilai positif (>0).
b) Investasi dinilai tidak layak, apabila NPV bernilai negatif (<0).
2.8.2
Profitability index (PI)
Profitability index merupakan perbandingan antara seluruh kas bersih nilai
sekarang dengan investasi awal. Teknik ini sering juga disebut dengan model
rasio manfaat biaya (benefit cost ratio). Teknik Profitability index dihitung
dengan rumus sebagai berikut :
𝐏𝐈 =
𝐏𝐕 𝑵𝒆𝒕 𝑪𝒂𝒔𝒉 𝑭𝒍𝒐𝒘 (𝐏𝐫𝐨𝐜𝐞𝐞𝐝𝐬)
𝑷𝑽 𝑰𝒏𝒊𝒕𝒊𝒂𝒍 𝑶𝒖𝒕𝒍𝒂𝒚𝒔 (𝑰𝑶)
… … … … … … … … … … … … … … … … (𝟐. 𝟏8)
Dimana :
PV Proceeds = jumlah nilai sekarang/ present value dari cash flow.
PV Initial Outlays
= Investasi awal (Initial Investment).
Kriteria pengambilan keputusan apakah usulan investasi layak diterima
atau ditolak adalah sebagai berikut :
a) Investasi dinilai layak, apabila PI bernilai lebih besar dari 1 (>1).
b) Investasi dinilai tidak layak, apabila PI bernilai lebih kecil dari 1 (<1).
45
2.8.3
Average Rate of Return (ARR)
Metode average rate of return (ARR) disebut juga accounting rate of
return atau accounting return to investment adalah metode penilaian investasi
yang berusaha menunjukkan ratio atau perbandingan antara keuntungan neto
tahunan
terhadapa
nilai
investasi
yangdiperlukan
untuk
memperoleh
laba/keuntungan tersebut baik diperhitungkan dengan nilai awal investasi (initial
investment) atau rata - rata investasi (average investment) (Gitsodarmo,1999). Jadi
average rate of return dapat dihitung sebagai berikut :
𝐀𝐑𝐑 =
𝐊𝐞𝐮𝐧𝐭𝐮𝐧𝐠𝐚𝐧 𝐍𝐞𝐭𝐨 𝐓𝐚𝐡𝐮𝐧𝐚𝐧
𝐍𝐢𝐥𝐚𝐢 𝐈𝐧𝐯𝐞𝐬𝐭𝐚𝐬𝐢 𝐀𝐰𝐚𝐥
𝐍𝐞𝐭𝐭 𝐈𝐧𝐜𝐨𝐦𝐞
= 𝐈𝐧𝐢𝐭𝐢𝐚𝐥 𝐈𝐧𝐯𝐞𝐬𝐭𝐦𝐞𝐧𝐭 𝐱 𝟏𝟎𝟎% … . … … (𝟐. 𝟏𝟗)
Keputusan investasi dengan indikator IRR adalah sebagai berikut:
a) Apabila ARR lebih besar daripada suku bunga bank maka proyek layak
dijalankan.
b) Apabila ARR lebih kecil daripada suku bunga bank maka proyek tersebut tidak
layak untuk dijalankan.