Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)

Daftar Isi

Diagram blok PLTS menggambarkan alur dan komponen utama dalam sistem tenaga surya. Sistem dimulai dari modul surya, yang mengonversi cahaya matahari menjadi listrik DC.

Listrik DC dari modul surya kemudian mengalir ke combiner box, yang menggabungkan output dari beberapa string modul surya dan melindungi sistem dari arus balik. Dari combiner box, listrik diteruskan ke Solar Charge Controller (SCC), yang mengatur pengisian baterai dan mencegah overcharging.

Baterai menyimpan energi listrik untuk digunakan saat tidak ada sinar matahari. Listrik DC dari baterai kemudian dikirim ke inverter, yang mengubah listrik DC menjadi listrik AC. Listrik AC ini disalurkan ke panel distribusi AC untuk didistribusikan ke beban listrik rumah tangga atau industri.

Panel distribusi DC juga tersedia untuk mendistribusikan listrik DC ke peralatan yang memerlukan. Sistem proteksi, termasuk pemutus sirkuit dan perangkat pengaman lainnya, dipasang untuk melindungi seluruh sistem dari kerusakan akibat lonjakan tegangan atau arus berlebih.

Pengkabelan menghubungkan semua komponen ini, memastikan aliran listrik yang efisien dan aman di seluruh sistem PLTS.

Modul Surya

Modul surya adalah perangkat yang mengubah energi matahari menjadi listrik melalui sel-sel fotovoltaik yang terbuat dari bahan semikonduktor, seperti silikon.

Modul ini bekerja dengan menangkap sinar matahari dan mengubahnya menjadi arus listrik searah (DC) yang dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan listrik. Modul surya digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari perumahan hingga industri.

Modul surya tersedia dalam beberapa jenis seperti monocrystalline, polycrystalline, dan thin-film, yang masing-masing memiliki keunggulan tersendiri dalam hal efisiensi dan biaya.

Sebagai solusi energi terbarukan yang ramah lingkungan, modul surya membantu mengurangi kebergantungan pada bahan bakar fosil dan mengurangi emisi karbon, sekaligus menyediakan alternatif energi yang berkelanjutan.

Rangkaian Paralel Panel Surya

1) Jenis Modul Surya

Ada tiga modul surya, yaitu modul surya monokristalin (monocrystalline solar panels), polikristalin (polycrystalline solar panels), dan modul surya film tipis (thin-film solar panels). Ayo, kita cermati masing-masing.

a) Modul Surya Monokristalin

Modul surya monokristalin (monocrystalline solar panels) terbuat dari silikon yang dibentuk menjadi kristal tunggal, menjadikannya lebih efisien dalam mengubah cahaya matahari menjadi listrik. Modul ini dikenal karena efisiensinya yang tinggi, biasanya berkisar antara 18-22%.

Karena tingkat efisiensinya yang tinggi, modul monokristalin sering digunakan di lokasi dengan ruang terbatas, seperti atap rumah. Warna modul ini biasanya hitam dengan sudut sel yang melengkung. 

Meskipun harganya lebih mahal dibandingkan dengan jenis modul lain, daya tahan dan performanya yang unggul menjadikannya pilihan favorit untuk banyak proyek surya.

b) Modul Surya Polikristalin

Modul surya polikristalin (polycrystalline solar panels) terbuat dari potongan-potongan kristal silikon yang dilebur menjadi satu. Proses pembuatan ini lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan dengan modul surya monokristalin, yang membuat modul polikristalin lebih ekonomis.

Efisiensinya sedikit lebih rendah, sekitar 15-18%. Namun, modul ini tetap menjadi pilihan yang populer, terutama untuk proyek-proyek besar dengan ruang pemasangan yang luas.

Modul ini biasanya berwarna biru dan memiliki bentuk sel yang lebih persegi dibandingkan dengan modul monokristalin. Meskipun efisiensinya lebih rendah, modul polikristalin masih memberikan solusi yang efektif dari segi biaya untuk instalasi skala besar.

c) Modul Surya Film Tipis

Modul surya film tipis (thin-film solar panels) menggunakan lapisan tipis material fotovoltaik, seperti cadmium telluride (CdTe) atau silikon amorf (a-Si), yang diaplikasikan ke substrat seperti kaca atau plastik.

Jenis modul ini lebih ringan, fleksibel, dan mudah diproduksi dalam jumlah besar, menjadikannya solusi yang hemat biaya. Namun, efisiensi modul film tipis lebih rendah, biasanya sekitar 10-12%. Akibatnya, membutuhkan lebih banyak ruang untuk menghasilkan daya yang sama seperti modul kristalin.

Modul film tipis sering digunakan dalam aplikasi khusus seperti atap atau dinding bangunan, serta proyek-proyek besar yang memerlukan fleksibilitas material.

2) Rangkaian Modul Surya

Rangkaian modul surya dinamakan panel surya. Ada dua cara utama untuk menghubungkan modul surya: secara seri dan paralel. Perbedaan utama antara keduanya terletak pada tegangan dan arus yang dihasilkan.

Dalam pengkabelan seri, tegangan keluaran dari modul surya dijumlahkan, tetapi arus keluaran tetap sama. Sebaliknya, dalam pengkabelan paralel, arus keluaran ditambahkan, sementara tegangan keluaran tetap sama.

Jadi, jika modul surya dihubungkan secara seri, tegangan akan bertambah, sedangkan dalam pengkabelan paralel, arus listrik yang akan meningkat. Setiap modul surya memiliki dua terminal, yaitu positif dan negatif.

Menghubungkan modul surya secara seri berarti menyambungkan terminal positif satu modul ke terminal negatif modul lainnya. Dalam konfigurasi ini, arus listrik tetap sama, tetapi tegangan bertambah.

Misalnya, jika dua modul surya dengan tegangan 20 V dan arus 5 A dihubungkan secara seri, keluaran akhirnya akan menjadi 40 V dengan arus tetap 5 A. Ini cocok untuk sistem yang membutuhkan arus rendah dan dapat menghemat biaya kabel karena hanya memerlukan kabel pengukur kecil.

Menggunakan arus listrik rendah berarti kabel yang digunakan dapat lebih sedikit dan lebih murah. Selain itu, penting untuk menggunakan MPPT (Maximum Power Point Tracking) untuk pengontrolan muatan, terutama dalam sistem off-grid.

MPPT mampu menerima input tegangan yang lebih tinggi dan mengoptimalkan pengisian baterai 12 V atau lebih. Pengkabelan seri direkomendasikan untuk kondisi tanpa naungan atau jika memerlukan sistem dengan arus rendah.

Menghubungkan modul surya secara paralel berarti menyambungkan semua terminal positif satu sama lain dan semua terminal negatif satu sama lain. Dalam konfigurasi ini, arus listrik akan meningkat, sementara tegangan tetap sama.

Misalnya, jika dua modul dengan arus 10 A dihubungkan secara paralel, arus totalnya akan menjadi 20 A dengan tegangan tetap 20 V. Pengkabelan paralel cocok untuk kondisi minim cahaya matahari atau mendung karena sistem tetap bekerja optimal meskipun ada panel yang tertutup bayangan.

Keuntungan pengkabelan seri ialah lebih mudah dilakukan dan tidak memerlukan peralatan tambahan. Selain itu, arus yang rendah berarti kabel yang digunakan dapat lebih kecil dan murah, serta output optimal dari pagi hingga sore.

Namun, kekurangannya ialah jika satu modul terhalang bayangan, keluaran daya sistem akan menurun. Sebaliknya, pengkabelan paralel bekerja dengan baik dalam kondisi minim cahaya dan tetap optimal meski ada modul yang tertutup bayangan, serta mengisi daya baterai lebih cepat.

Namun, kekurangan pengkabelan paralel ialah memerlukan komponen tambahan dan kabel yang lebih tebal, yang berarti biaya lebih tinggi, serta hasil energi tidak optimal di awal dan akhir hari.

Solar Charge Controller

Solar Charge Controller (SCC) ialah perangkat yang mengatur aliran daya dari modul surya ke baterai dalam sistem PLTS. Fungsi utama SCC ialah memastikan bahwa baterai diisi dengan efisien dan aman. 

SCC juga berfungsi melindungi baterai dari pengisian berlebih (overcharging) atau pengosongan berlebih (overdischarging). Kedua hal ini dapat merusak baterai dan mengurangi masa pakainya.

1) PWM (Pulse Width Modulation)

SCC jenis ini bekerja dengan menghubungkan langsung modul surya ke baterai dan mengurangi tegangan output dari modul surya untuk mencocokkan tegangan baterai saat pengisian.

2) MPPT (Maximum Power Point Tracking)

SCC MPPT lebih canggih karena dapat mengatur tegangan dan arus dari modul surya untuk selalu bekerja pada titik daya maksimum (maximum power point) yang optimal. Ini memungkinkan efisiensi pengisian daya yang lebih tinggi, terutama ketika kondisi cuaca berubah-ubah, seperti saat hari mendung.

Inverter

Inverter adalah perangkat elektronik yang mengubah arus searah (DC) yang dihasilkan oleh sumber energi, seperti modul surya atau baterai, menjadi arus bolak-balik (AC).

Arus bolak-balik ini yang dapat digunakan untuk mengoperasikan peralatan listrik rumah tangga, industri, atau dikirimkan ke jaringan listrik umum. Arus searah (DC) merupakan jenis arus yang dihasilkan oleh modul surya atau disimpan di dalam baterai.

Inverter

Arus bolak-balik (AC) merupakan jenis arus yang umum digunakan di sebagian besar sistem listrik komersial dan peralatan rumah tangga.

Inverter dapat dibagi menjadi dua jenis utama berdasarkan apakah mereka memiliki SCC yang terintegrasi atau tidak. Berikut penjelasannya.

1) Inverter dengan Built-in SCC

Inverter jenis ini memiliki SCC yang sudah terintegrasi di dalam perangkat. SCC berfungsi mengatur aliran daya dari modul surya ke baterai, memastikan bahwa baterai diisi dengan cara yang optimal dan mencegah overcharging.

Dengan SCC yang terintegrasi, inverter ini dapat langsung terhubung ke modul surya dan baterai tanpa memerlukan perangkat tambahan.

Inverter ini biasanya digunakan dalam sistem off-grid atau hibrida, di mana daya yang dihasilkan oleh panel surya digunakan untuk mengisi baterai sebelum digunakan oleh beban listrik atau dikirim ke grid. 

Kelebihan dari inverter jenis ini ialah kemudahan instalasi dan pengelolaan karena semua komponen utama sudah terdapat dalam satu unit.

2) Inverter tanpa Built-in SCC

Inverter jenis ini tidak memiliki SCC terintegrasi sehingga memerlukan SCC eksternal untuk mengatur pengisian daya dari modul surya ke baterai.

Inverter ini hanya bertugas mengubah arus searah (DC) dari baterai menjadi arus bolak-balik (AC) untuk digunakan oleh peralatan listrik atau diumpankan ke jaringan listrik.

Jenis inverter ini sering digunakan dalam sistem grid-tied (terhubung ke jaringan listrik) yang tidak memerlukan baterai atau pada sistem off-grid yang menggunakan SCC terpisah.

Keuntungan dari inverter tanpa SCC built-in ialah fleksibilitas dalam memilih dan mengonfigurasi SCC yang sesuai dengan kebutuhan sistem.

Baterai

Baterai adalah perangkat penyimpanan energi yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia. Dalam konteks sistem energi terbarukan seperti PLTS, baterai digunakan untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh panel surya selama siang hari.

Dengan demikian, energi tersebut dapat digunakan pada saat tidak ada sinar matahari, seperti pada malam hari atau ketika cuaca mendung.

Baterai Asam Timbal

Baterai yang sering digunakan dalam sistem PLTS memiliki karakteristik khusus yang memungkinkan mereka menyimpan dan melepaskan energi secara efisien untuk penggunaan jangka panjang.

Berikut ini jenis baterai yang paling umum digunakan dalam PLTS.

1) Baterai Asam Timbal

Baterai asam timbal (lead-acid battery), khususnya Deep Cycle LeadAcid, ialah jenis baterai yang paling umum digunakan dalam sistem PLTS Off-Grid.

Baterai ini dirancang untuk menyediakan daya yang stabil dan mendalam, yang ideal untuk penyimpanan energi surya.

Varian Flooded Lead-Acid (FLA) memerlukan perawatan rutin seperti pengisian air. Adapun varian Valve-Regulated Lead-Acid (VRLA), termasuk Absorbed Glass Mat (AGM) dan Gel tidak memerlukan perawatan sehingga lebih populer untuk aplikasi di lokasi yang sulit dijangkau.

Meskipun lebih murah, baterai asam timbal memiliki siklus hidup yang lebih pendek dan kapasitas penyimpanan yang lebih rendah dibandingkan dengan baterai jenis lain.

2) Baterai Aliran Baterai aliran (flow battery)

seperti tampak pada Gambar disamping Baterai aliran ialah tipe baterai di mana elektrolit yang mengandung satu atau lebih spesies elektroaktif yang larut mengalir melalui sel atau reaktor tempat energi kimia diubah menjadi energi listrik.

Elektrolit tambahan disimpan di luar sistem, dalam tangki, dan dipompa melalui sel reaktor. Reaksi yang terjadi dapat dibalik, memungkinkan baterai untuk diisi ulang setelah digunakan.

Baterai ini memiliki keistimewaan memiliki umur siklus yang sangat panjang dengan ribuan siklus tanpa penurunan kapasitas yang signifikan.

Kapasitas penyimpanan energi yang fleksibel karena bergantung pada volume elektrolit. Cocok untuk penyimpanan energi skala besar dan aplikasi grid-tied energi terbarukan. (Chen dkk, 2016)

3) Baterai Lithium-Ion

Baterai lithium-ion (li-ion) ini memiliki kelebihan di antaranya: kepadatan energi yang sangat tinggi. Efisiensi pengisian dan pelepasan energi yang tinggi (sekitar 95%). Ukuran yang relatif kecil dan ringan dan umur siklus panjang (500-2000 siklus bergantung pada jenisnya).

Baterai ini diaplikasikan atau digunakan dalam kendaraan listrik, perangkat elektronik portabel, dan sistem penyimpanan energi rumah tangga (seperti Tesla Powerwall).

4) Baterai Lithium Iron Phosphate

Baterai Lithium Iron Phosphate (Li Fe PO4 PO4 ) memiliki stabilitas termal yang sangat baik, membuatnya lebih aman daripada baterai lithium-ion biasa.

Umur siklus yang sangat panjang (dapat mencapai lebih dari 2.000 siklus) dan memiliki kinerja yang stabil di berbagai suhu. Aplikasi pada sistem penyimpanan energi rumah tangga, kendaraan listrik, dan aplikasi industri yang memerlukan daya tahan dan keamanan tinggi.

5) Baterai Zinc-Air

Baterai ini memiliki kelebihan dari segi biaya produksi yang relatif rendah karena menggunakan material yang melimpah dan tidak mahal. Kepadatan energi tinggi dan ramah lingkungan karena tidak menggunakan material beracun. Saat ini banyak digunakan untuk perangkat medis.

Namun, ada penelitian untuk aplikasi penyimpanan energi skala besar. Rangkaian baterai adalah metode penghubungan baterai untuk mencapai spesifikasi tegangan dan kapasitas yang dibutuhkan dalam sistem penyimpanan energi.

Terdapat dua cara utama untuk menghubungkan baterai: secara seri dan paralel. Kedua metode ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, bergantung pada kebutuhan aplikasi.

a) Rangkaian Seri

Ada kelebihan pada pemasangan baterai secara seri di antarannya :

• meningkatkan tegangan output tanpa meningkatkan arus;
• cocok untuk aplikasi yang memerlukan tegangan tinggi, seperti motor listrik atau inverter dengan input tegangan tinggi.

Kekuranganya ialah :

• jika salah satu baterai mengalami kerusakan atau lemah, kinerja keseluruhan sistem dapat terganggu; 
• semua baterai harus memiliki spesifikasi yang sama (kapasitas, tegangan, dan umur yang setara) untuk mencegah ketidakseimbangan.

b) Rangkaian Paralel

Sistem pemasangan paralel dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kapasitas (Ah) sehingga menyediakan lebih banyak energi total dan waktu operasi lebih lama pada tegangan yang sama. Jika satu baterai gagal, sistem masih dapat bekerja, meskipun dengan kapasitas berkurang.

Kelemahannya ialah arus total meningkat sehingga membutuhkan kabel dan konektor yang mampu menangani arus yang lebih besar. Kelemahan lainnya ialah lebih rentan terhadap ketidakseimbangan arus jika kapasitas atau kondisi baterai tidak seragam.

Combiner Box

Combiner box ialah komponen yang menggabungkan output dari beberapa string modul surya menjadi satu aliran listrik sebelum menuju SCC atau inverter.

Combiner Box

Selain itu, combiner box melindungi sistem dengan sekering atau pemutus arus untuk mencegah kerusakan akibat arus berlebih, serta sering dilengkapi fitur monitoring untuk memantau kinerja setiap string. Komponen- komponen yang terdapat pada combiner box seperti berikut.

1. Miniature Circuit Breaker DC Miniature Circuit Breaker DC (MCB DC) adalah perangkat pemutus arus yang dirancang untuk melindungi sirkuit listrik arus searah (DC) dari kerusakan akibat arus berlebih atau korsleting.
2. Fuse Holder Fuse holder ialah komponen yang digunakan untuk menempatkan dan memegang fuse dengan aman di dalam sirkuit listrik.
3. Surge Protective Device Surge Protective Device (SPD) merupakan perangkat yang dirancang untuk melindungi peralatan listrik dari lonjakan tegangan mendadak atau “surge” yang dapat terjadi akibat petir, gangguan jaringan listrik, atau penyebab lainnya.

Panel Distribusi DC

Panel distribusi DC merupakan perangkat yang digunakan untuk mendistribusikan dan mengelola aliran arus searah (DC) dalam sistem listrik, seperti dalam sistem PLTS.

Panel ini memainkan peran penting dalam memastikan bahwa energi yang dihasilkan oleh panel surya didistribusikan dengan aman dan efisien ke berbagai beban atau komponen dalam sistem.

Panel Distribusi DC

1. Proteksi kabel keluar ke inverter baterai melindungi kabel keluar menuju inverter baterai terhadap arus berlebih dan hubungan arus pendek.
2. Terminal DC atau busbar ialah titik interkoneksi antara bank baterai, SCC, dan inverter baterai. Perangkat ini bertujuan untuk menghubungkan beberapa perangkat ke dalam sebuah konduktor yang sama. Perangkat ini terbuat dari konduktor tembaga padat dan berlapis timah untuk proteksi korosi.
3. Proteksi kabel masuk dari SCC berfungsi untuk memberikan perlindungan tambahan terhadap arus berlebih (overcurrent) atau hubungan arus pendek pada SCC dan kabel dari SCC
4. Proteksi bank baterai digunakan untuk melindungi setiap string baterai dalam bank baterai terhadap hubungan arus pendek. MCB atau sekering biasanya digunakan untuk tujuan ini.
5. Selungkup (enclosure) tempat dipasangnya perangkat proteksi dan busbar.
6. Batang pembumian (grounding bar) menyediakan koneksi pembumian untuk selungkup jika selungkup terbuat dari bahan yang dapat menghantarkan listrik.

Panel Distribusi AC

Panel distribusi AC merupakan perangkat yang digunakan untuk mendistribusikan dan mengelola arus bolak-balik (AC) dalam sistem listrik, seperti dalam sistem PLTS yang terhubung ke jaringan listrik atau dalam sistem rumah tangga dan industri.

Panel Distribusi AC

Panel ini berfungsi untuk memastikan aliran energi AC yang stabil dan aman ke berbagai beban atau perangkat yang memerlukan listrik.

1. Selungkup (enclosure) sebagai rumah perangkat proteksi dan busbar.
2. Busbar merupakan titik interkoneksi antara inverter baterai, inverter jaringan, dan feeder keluar. Umumnya, empat busbar yang terdiri atas tiga kabel dan satu netral digunakan untuk konfigurasi tiga-fasa, sedangkan dua busbar yang terdiri atas satu lin dan satu netral digunakan untuk konfigurasi satu-fasa.
3. Meteran energi untuk mengukur total energi yang sudah diproduksi oleh PLTS dan telah digunakan oleh beban.
4. Current transformer (CT) atau transformator arus digunakan sebagai pengukur arus untuk meteran energi. Alat ini mengukur arus dari tiap fasa dan mengonversinya menjadi arus yang lebih rendah sehingga terbaca oleh meteran energi.
5. Timer dan kontaktor mengatur waktu operasional lampu jalan. Biasanya, lampu jalan hanya beroperasi selama lima jam waktu malam hari.
6. Miniature circuit breaker (MCB) melindungi kabel masuk dari inverter baterai dan feeder keluar menuju jaringan distribusi.
7. Sekering untuk memutus pengukuran tegangan dari busbar apabila ada hubungan arus pendek tiba-tiba atau kerusakan pada meteran energi.
8. Perangkat proteksi tegangan lonjakan (surge protection device (SPD)) atau lightning arrester digunakan untuk melindungi perangkat AC dari tegangan lonjakan atau sambaran petir.
9. Earth-leakage circuit breaker (ELCB) atau gawai pemutus arus sisa mencegah orang terkena sengatan listrik akibat kontak langsung pada komponen konduktif. ELCB akan memutuskan aliran listrik seandainya aliran arus total semua fasa tidak sama dengan aliran arus yang kembali lewat netral atau terdapat arus sisa yang lebih besar dari rating ELCB (biasanya 30 mA untuk proteksi terhadap manusia). Residual current device (RCD) juga sering digunakan untuk tujuan ini.
10. Batang pembumian (grounding bar) memberikan pembumian pada selungkup, perangkat proteksi surya, serta transformator arus

FAQ

1. Apa yang dimaksud dengan komponen PLTS?

Komponen PLTS adalah berbagai perangkat yang digunakan dalam sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik yang dapat digunakan untuk kebutuhan rumah, gedung, industri, maupun fasilitas lainnya.

2. Apa saja komponen utama Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)?

Komponen utama PLTS meliputi panel surya atau modul fotovoltaik, inverter, solar charge controller, baterai atau sistem penyimpanan energi, kabel dan konektor, serta struktur penyangga panel surya. Jenis dan jumlah komponennya dapat berbeda tergantung sistem PLTS yang digunakan.

3. Bagaimana cara kerja komponen PLTS secara keseluruhan?

Panel surya menangkap sinar matahari dan menghasilkan listrik DC. Listrik tersebut kemudian diatur atau dikonversi oleh perangkat seperti solar charge controller dan inverter. Energi dapat digunakan langsung, disimpan dalam baterai, atau disalurkan ke jaringan listrik sesuai jenis sistem PLTS.