PEMBANGUNAN BERKELANJUTAN: PHOTOVOLTAIK SISTEM ON GRID

Pemanfaatan Energi Surya sebagai Upaya Pengembangan Energi Baru Terbarukan Dalam Rangka Diversifikasi Energi Mix di Indonesia

SASARAN MISI

Sesuai dengan himbauan yang tertuang dalam kesepahaman agenda 21 Global

PHOTOVOLTAIK SISTEM ON GRID VEDC MALANG

Sistem Koneksi

Teknologi Inverter terkoneksi Grid, ada tiga macam konfigurasi sistem koneksi langsung ke jaringan (on grid), yaitu:

A. Inverter Tersentral (Centralized Inverter)

Konsep Inverter Tersentral dapat dibangun dari beberapa string yang dihubungkan secara paralel, dimana masing-masing string dikopel sebuah dioda pengaman anti paralel. Konsep Inverter Tersental cocok digunakan untuk tegangan DC rendah (U_DC<120V). Gambar 1. memperlihatkan sistem konfigurasi inverter tersentral (centralized inverter).

Gambar 1. Sistem konfigurasi inverter tersentral (Centralized Inverter)

Oleh karena konsep inverter tersentral hanya menggunakan satu buah inverter dan satu buah kontrol daya P_MPP yang tersambung dengan beberapa string, maka dari itu dan agar didapatkan daya keluaran yang sama besar pada setiap perubahan sumber energi dari matahari. Untuk itu banyaknya jumlah solar modul didalam masing-masing string jumlahnya dibatasi hanya sekitar 3 sampai 4 buah yang terhubung secara seri. Hal ini bertujuan agar supaya setiap solar modul menerima jumlah energi dari matahari yang sama rata (mengurangi efek gangguan bayangan) dan selain itu juga untuk mengurangi perbedaan sudut azimut sinar matahari yang jatuh pada masing-masing solar modul. Keuntungan dari konsep inverter tersentral adalah rangkaian sederhana, ekonomis sehingga mengurangi biaya perawatan yang rendah. Salah satu kelemahan dari konsep inverter tersentral adalah setiap modul dalam setiap string menghasilkan jumlah daya (P_MPP) yang berbeda dengan arus (I_MPP) dan tegangan (V_MPP) yang berbeda pula, sehingga masalah ini membuat rangkaian kontrol daya menjadi tidak bisa optimum, karena hanya menggunakan satu buah inverter dan satu buah kontrol daya yang terkoneksi secara tersentral dengan beberapa string.

Gambar 2. Posisi String terhadap sudut azimut matahari

Persyaratan instalasi: Oleh karena konsep inverter tersentral solar modul tersambung secara seri sehingga membentuk beberapa string, yang mana tujuannya tidak lain adalah agar setiap string mendapatkan energi sama besar pada setiap perubahan sudut azimut dari sumber energi matahari, maka pemasangngan posisi string diletakan sedemikian rupa memanjang mengarah ke posisi garis lintang utara, bukan memanjang sejajar dengan arah datangnya sinar matahari (garis bujur timur). Perlu diingat, bahwa rangkaian string yang terhubung secara seri dari beberapa solar modul (arus yang mengalir pada hubungan seri adalah sama besar pada hambatan yang berbeda).

Gambar 3. Sistem Koneksi Photovoltaik yang terhubung langsung dengan jaringan listrik PLN menggunakan sistem inverter tersentral (Centralized Inverter)

Kekurangan dari sistem ini adalah bilamana sistim string tersentral digunakan untuk kebutuhan daya yang besar diperlukan kabel yang besar, maka dari itu perlindungan untuk keamanan dari sistem ini harus mengacu dan memperhatikan katagori keselamatan kelistrikan Klas III. Karena sistem ini bekerja pada tegangan DC<120V, maka banyak kerugian energi untuk koneksi dengan hubungan kabel yang panjang dan kecenderungan inverter memiliki efisiensi yang rendah. Konsep sistem inverter tersentral lebih cocok digunakan untuk kebutuhan konsumsi daya yang kecil. Dalam instalasi harus memperhatikan peletakan posisi arah string, karena sistem ini sangat tergantung dari kondisi geografi setempat (lokal).

Tabel 3

Standard	Electrical protection	Symbol
	Device is Earthed/Grounded
Class II	Protective Insulation (double/reinforced insulation)
Class III	Safety extra low voltage: maximum AC voltage: 50V maximum DC voltage: 120V

B. String inverter

Konfigurasi konsep String Inverter dapat dibangun dari beberapa solar modul yang terhubung secara seri sehingga tersusun menjadi string, dimana masing-masing string terkoneksi dengan inverter secara independen (terpisah). Konsep String Inverter cocok digunakan untuk tegangan DC tinggi, yaitu (U_DC>120V).

Gambar 4. Konsep String Inverter

Konsep ini merupakan perbaikan dari kelemahan yang dimiliki oleh konsep inverter tersentral. Gambar 4 memperlihatkan sistem konfigurasi string inverter, yaitu yang berkenaan dengan masalah efisiensi pada sistem inverter tersentral menggunakan inverter dengan piranti MPPT tunggal, reduksi akibat daya hilang akibat gangguan bayangan (reducing losses due to shading). Karena sistem ini bekerja pada tegangan DC>120V (tinggi), maka kerugian akibat tahanan kabel menjadi lebih rendah dan inverter memiliki efisiensi jauh lebih baik (tinggi). Konsep sistem string inverter sangat cocok digunakan untuk kebutuhan konsumsi daya yang tinggi. Dalam instalasi tidak tergantung dari kondisi geografi lingkungan setempat (lokal). Karena masing-masing inverter bekerja secara independen, maka peletakan posisi string bebas mengarah kemana saja.

Kerugian dari konsep string inverter adalah masalah dengan instalasi lebih rumit (pengkabelan) dan biaya yang harus dikeluarkan menjadi lebih mahal.

Perlindungan untuk keamanan dari sistem instalasi harus mengacu dan memperhatikan katagori keselamatan kelistrikan Klas II (lihat tabel 3 diatas).

Gambar 5. Sistem Koneksi ON Grid menggunakan sistem String Inverter

C. Multi-string inverter

Topologi konsep Multi-String Inverter dapat dibangun berdasarkan konsep string inverter yang masing-masing inverter bekerja seca independen dan dengan penambahan satu dependent inverter untuk melayani string inverter (independent inverter) secara bersamaan. Karena satu Inverter melayani beberapa (banyak) string inverter secara bersamaan, maka konsep ini dinamakan Multi-String Inverter. Gambar 6 memperlihatkan konsep Multi-String Inverter.

Gambar 6 Konsep Multi-String Inverter

Karena sistem multi-string inverter bekerja pada tegangan DC>120V (tinggi), dengan demikian kerugian akibat tahanan kabel menjadi lebih rendah dan inverter memiliki efisiensi jauh lebih baik (tinggi). Konsep sistem multi-string inverter sangat cocok digunakan untuk kebutuhan konsumsi daya yang tinggi. Tuntutan instalasi tidak tergantung dari kondisi geografi lingkungan setempat (lokal). Karena masing-masing inverter bekerja secara independen, maka peletakan posisi string bebas mengarah kemana saja. Perbedaan keuntungan menggunakan konsep multi-string inverter bila dibandingkan dengan string inverter adalah adanya perbaikan rugi daya keluran pada masing-masing string inverter menjadi jauh lebih kecil (rugi distribusi AC).

Gambar 7. Sistem Multi-String Inverter

Kerugian dari konsep multi-string inverter adalah masalah dengan instalasi menjadi rumit (pengkabelan) dan biaya yang harus dikeluarkan menjadi lebih mahal bila dibandingkan dengan konsep string inverter.

Perlindungan untuk keamanan dari sistem instalasi harus mengacu dan memperhatikankatagori keselamatan kelistrikan Klas II (lihat tabel 3 diatas).

Gambar 8. Sistem Koneksi Photovoltaik yang terhubung langsung dengan jaringan listrik PLN menggunakan sistem Multi-String Inverter

Berdasarkan pertimbangan, baik itu pertimbangan dari segi teknis, kegunaan/fungsi, perawatan dan kerusakan, lifetime dan biaya, maka sistem koneksi yang tetap untuk direkomendasi adalah gabungan antara sistem A dan B, yaitu “Sistem solar modul terhubung grid dengan arsitektur String Inverter dan Multi-String Inverter” (satu output solar string terkoneksi dengan satu input inverter/string inverter) yang tertera seperti pada Gambar 8.

Pengkabelan

Oleh karena photovoltaik bekerja dengan sinar Ulra Violet (UV) gelombang cahaya tampak, untuk itu mulai dalam hal pemilihan kabel dan arsitektur pengkabelan harus memperhatikankaidah-kaidah berdasaran aturan yang disarankan oleh standar industri.

Gambar 9. Arsitektur Pengkabelan

Arsitektur Sistem Instalasi

Rangkaian kelistrikan dalam projek ini menggunakan arsitektur koneksi string inverter. Jumlah string keseluruhan adalah sebanyak 27 string, dimana setiap string terhubung secara seri sebanyak 8 buah solar modul type BP4165T dengan total tegangan keluaran V_MPP sebesar 34,8Volt x 8 = 278,4Volt, arus keluaran I_MPP sebesar 4,74Amp dan daya keluaran P_MPP sebesar 278,4Volt x 4,74Amp = 1319,62Watt. Dari 27 string terbagi menjadi 9 bagian kelompok string, sehingga masing-masing string terdiri dari 3 buah string yang terhubung secara paralel, sehingga setiap kelompok string menghasilkan total tegangan keluaran V_MPP sebesar 278,4Volt, arus keluaran I_MPP sebesar 4,74Amp x 3 = 14,22Amp dan daya keluaran P_MPP sebesar 278,4Volt x 14,22Amp = 3961,98Watt. Jumlah daya keseluruhan dari projek ini adalah 9 kali daya dari masing-masing kelompok string, yaitu 9 x 3961,98Watt = 35657,82Watt. Gambar 10 memperlihatkan perencanaan instalasi photovoltaik On Grid 35657kW di PPPPTK/VEDC-BOE Malang.

Gambar 10. Rencana Instalasi Photovoltaik On Grid 38kW di PPPPTK/VEDC-BOE Malang

Karakteristik Modul Solar BP4165T/165W

Tugas utama Solar Modul adalah untuk merubah secara langsung energi elektromagnetik dari matahari menjadi energi listrik. Dual hal penting yang harus diperhatikan dalam memilih suatu produk Modul Solar adalah efisiensi dan adanya jaminan garansi yang memadai dari Pabrik. Produk dari modul BP solar telah melalui beberapa pengujian berdasarkan acuan Standard Test Condition (STC), yaitu energi global sebesar 1000W/m², temperatur ruang dipertahankan 25^oC, kelembaban udara AM = 1,5 dan kualitas produk telah mendapat pengakuan dari 6 asosiasi idependen.

Electrical characteristics

Electrical	⁽¹⁾STC 1000W/m²	⁽²⁾ NOCT 800W/m²	Dimension
Maximum power (Pmax)	165W	118.8W	front view
Voltage at Pmax (Vmpp)	34.8V	31.0V
Current at Pmax (Impp)	4.74A	3.79A
Short circuit current (Isc)	5.30A	4.29A
Open circuit voltage (Voc)	43.6V	39.7V
Module efficiency	13.2%
Tolerance	-3/+5%
Nominal voltage	24V
Efficiency reduction at 200W/m²	<5% reduction (efficiency 12.5%)
Limiting reverse current	5.30A
Temperature coefficient of Isc	(0.065±0.015)%/ºC
Temperature coefficient of Voc	-(0.36±0.05)%/ºC
Temperature coefficient of Pmax	-(0.5±0.05)%/ºC
⁽³⁾ NOCT	47±2°C
Maximum series fuse rating	20A
Application class (according to IEC 61730:2007)	Class A
Maximum system voltage	600V (U.S. NEC) 1000V (IEC61730:2007)

(1) Values at Standard Test Conditions (STC): 1000W/m² irradiance, AM1.5 solar spectrum and 25ºC module temperature.

(2) Values at 800W/m² irradiance, Nominal Operation Cell Temperature (NOCT) and AM1.5 solar spectrum.

Nominal Operation Cell Temperature: Module operation temperature at 800W/m2 irradiance, 20ºC air temperature, 1m/s wind speed.

Karakteristik arus-tegangan

Berikut memperlihatkan kurva arus tegangan BP4165T tergantung oleh perubahan temperatur. Modul Solar memiliki perilaku seperti komponen semikonduktor pada umumnya, yaitu bilamana temperatur berubah naik tegangan cenderung berubah menurun.

Gambar 11. Kurva Arus-Tegangan Tergantung Temperatur

Berikut memperlihatkan kurva arus tegangan BP4165T tergantung oleh perubahan irradiation dari matahari. Bila irradiation dari matahari menurun dari 1000W/m² ke 200W/m², arus hubung singkat dari Solar Modul akan menurun dari sekitar 5A menjadi sekitar 1A saja. Perubahan akibat temperatur dan irradiation matahari sangat penting digunakan sebagai acuan dalam memilih inverter yang dilengkapi sistem kontrol yang handal.

Gambar 12. Kurva Arus-Tegangan Tergantung Irradiation

Mechanical characteristics

Solar cells	72 monocrystalline 5” silicon cells (125x125mm) in series
Front cover	High transmission 3.2mm (1/8th in) glass
Encapsulant	EVA
Back cover	White polyester
Frame	Silver anodized aluminum (Universal II)
Diodes	IntegraBus™ with 3 Schottky diodes
Junction box	Potted (IP 67); certified to meet UL 1703 flammability test
Output cables	4mm2 cable with latching MC4 connectors. Asymetrical cable lengths: (-)1250mm (49.21in) / (+)800mm (31.50in)
Dimensions	1587x790x50mm / 62.5x31.1x2in
Weight	15.4kg / 33.95lbs

Warning: All dimensional tolerances within ±0.1% unless otherwise stated.

Pemilihan Inverter

Tugas utama inverter adalah merubah tegangan DC dari Modul Solar menjadi tegangan AC. Hal-hal penting yang harus diperhatikan dalam memilih inverter adalah minimum inverter harus memiliki (1) efisiensi tinggi diatas 90%, (2) memiliki kontrol MPP yang handal dan (3) dilengkapi dengan rangkaian ESS bilamana inverter terkoneksi langsung sistem dengan jaringan 220V. Sesuai dengan kebutuhan dalam projek ini, inverter yang digunakan adalah inverter dari produk Sunny Boy tipe SB 3800. Gambar 13(a) memperlihatkan 9 buah inverter dari SB 3800 yang masing-masing terkoneksi langsung dengan jaringan 3 fasa.

Gambar 13(a). String Inverter terhubung pada jaringan 3 phase

DC Panel

Sebelum dihubungkan ke Inverter, tegangan keluaran DC dari masing-masing string solar generator didistribusakan menjadi satu kesatuan di dalam kotak DC panel. Gambar 13(a) memperlihatkan rangkaian DC panel dari keluaran string solar generator.

Gambar 13(b). Rangkaian DC Panel

Diagram Blok Inverter SB 3800

Berikut memperlihatkan diagram blok inverter dari produk Sunny Boy tipe SB 3800.

Gambar 14. Diagram blok inverter dari produk Sunny Boy tipe SB 3800

Spesifikasi Data Teknis Inverter

Berikut data teknis dari Inverter SB 3800 yang digunakan pada projek ini.

Pemilihan Kabel

Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam menentukan jenis kabel yang akan digunakan selain jenis bahan adalah ukuran luas penampang, tahanan isolasi dan karet pembungkus untuk pelindung air dan sinar Ultra Violet (UV).

Gambar 15. Spesifikasi Kabel Photovoltaik

Pemasangan Solar Modul

Dalam pemasangan solar modul diperlukan komponen/bahan pendukung yang memadai, agar proses pengerjaan lebih cepat dan efisien. Diantaranya diperlukan rails system yang dipasang langsung diatas atap gedung, seperti terlihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 16. Pemasangan Trak Modul Photovoltaik (kiri: Klem antara dan kanan: Klem Penutup)

Gambar 17. Metode pemasangan modul Photovoltaik di atap gedung

Sistem Komunikasi Energi (Dikerjakan Oleh Mahasiswa ES-Tettnang Jerman)

Sistem standar baru dalam komunikasi energi di masa mendatang tidak bisa lepas dari dukungan Teknologi Informasi (TI), beberapa manfaat sistem komunikasi energi berbasis Teknologi Informasi antara lain:

· Sistem akses dari manapun Web browser-di mana saja di dunia (System access from any Web browser-anywhere in the world).

· Pencatatan harian, bulanan dan tahunan menghasilkan energi melalui Sunny Portal (Recording of daily, monthly and annual energy yield via Sunny Portal)

· Diagnosis dari Jarak Jauh (Remote plant diagnosis)

· Sistem Konfigurasi Jarak Jauh (Remote system configuration)

· Transfer data pada interval dipilih secara otomatis (Automatic data transfer at chosen intervals)

· Penyimpanan dan menampilkan data melalui Ethernet (Data storage and display via Ethernet)

· Kompatibel dengan semua SMA utilitas interaktif inverter (Compatible with all SMA utility interactive inverters)

· Konsumsi daya rendah (Low power consumption)

Komunikasi dengan Sunny Portal secara otomatis (Automated communication with Sunny Portal)

Gambar 18 Sistem Komunikasi Energi Berbasis Web

Melalui web memungkinkan data logging dan kontrol

Sistem komunikasi energi berbasis web memungkinan sistem operasi data dari sistem pembangkit tenaga surya (lihat Gambar 128). Sistem monitoring pencatatan data dapat dilakukan melalui modem atau Ethernet ke internet atau langsung ke PC Anda. Selain itu data-data tersebut juga dapat dikirim ke portal internet milik SMA (Sunny Portal) yang berada di Amerika Serikat. Portal Sunny menyediakan penyimpanan data secara gratis untuk jangka panjang dan menyediakan tampilan grafis (software) dari data kinerja sistem anda. Informasi yang disimpan dalam Portal Sunny dikumpulkan dalam format bentuk file yang kompatibel, sehingga dapat digunakan di berbagai spreadsheet, grafik atau situs web kita sendiri. Sistem komunikasi energi berbasis web memberikan kemudahan dalam hal, membuat penyimpanan, transmisi, pengelolaan dan menampilkan data sistem.

Gambar 19 Pengukuran radiasi matahari (pyranometer) dan temperatur Ambient

Sistem standar baru dalam komunikasi energi, mencakup beberapa layanan seperti sistem pemantauan, diagnosis daerah terpencil, penyimpanan data dan dilengkapi dengan sistem penampil (display). Pada umumnya fitur sistem komunikasi energi merupakan fitur/web menggunakan antarmuka HTTP yang terintegrasi. Keuntungan dari sistem ini adalah memungkinkan kita dapat mengakses sistem informasi melalui PC, terlepas dari sistem operasi atau jenis browser. Sistem komunikasi energi berbasis web dapat memberikan informasi seperti penghitungan daya, penyimpanan kapasitas, dan komunikasi antarmuka.

Gambar 20 Koneksi PC modem dan tranmisi untuk fax

Transfer data dan konfigurasi sistem melalui internet dapat dilakukan dengan baik melalui koneksi Ethernet atau melalui telepon modem. Transfer data secara otomatis dapat kita lakukan dengan interval sesuai dengan keinginan. Sistem komunikasi energi dengan menggunakan webbox tunggal dapat memonitor sebanyak sampai 50 inverter, sehingga dapat menghemat waktu dan biaya dalam perawatan dan perbaikan.

Sistem komunikasi berbasis web memberikan pelayanan sistem monitoring secara on line perihal status sistem PV yang dapat diperiksa dari beberapa tempat yang berbeda, seperti dari rumah, kantor atau di mana saja yang memungkinkan dengan layanan internet browser.

Sistem komunikasi energi berbasis web perlu dilengkapi dengan web server tersendiri (independen). Hal ini supaya kita lebih mudah dalam melihat output dari sistem dan unjuk kerja dari masing-masing saluran inverter.