WNDW: Bagaimana caranya untuk menentukan ukuran sistem fotovoltaik anda

Ketika memilih peralatan untuk memenuhi kebutuhan daya anda, anda perlu menentukan setidaknya yang berikut ini:

Jumlah dan macam panel surya yang diperlukan untuk menangkap daya surya yang cukup untuk mendukung beban anda. Kapasitas minimum baterai. Baterai perlu menyimpan cukup daya untuk menyediakan daya pada malam hari dan hari-hari dengan penyinaran matahari yang sedikit, dan akan menentukan jumlah hari-hari otonomi anda. Karakteristik semua bagian lainnya (regulator, perkabelan, dll. ) yang diperlukan untuk mendukung banyaknya daya yang dihasilkan dan disimpan.

Perhitungan besaran ukuran sistem penting, karena kecuali jika komponen sistem seimbang, daya (dan juga, uang) akan terbuang percuma. Misalnya, jika kita memasang lebih banyak panel surya untuk menghasilkan lebih banyak daya, baterai sebaiknya mempunyai kapasitas yang cukup untuk menyimpan daya tambahan yang dihasilkan. Jika kumpulan baterai terlalu kecil dan beban tidak menggunakan daya maka ketika daya tersebut dihasilkan, maka daya harus dibuang. Sebuah regulator amperage yang lebih kecil daripada yang diperlukan, atau satu kabel yang terlalu kecil, dapat menjadi sebab kegagalan (atau bahkan kebakaran) dan membuat instalasi tidak berguna.

Jangan pernah lupa bahwa kemampuan daya fotovoltaik untuk menghasilkan dan menyimpan daya listrik terbatas. Dengan tidak sengaja meninggalkan sebuah bola lampu ringan tetap menyala pada siang hari dapat dengan mudah menghabiskan cadangan daya anda sebelum malam hari, ketika tidak ada daya tambahan yang tersedia. Ketersediaan "bahan bakar" untuk sistem fotovoltaik (yaitu, radiasi matahari) bisa sulit untuk diramalkan. Sebenarnya, tidak pernah mungkin untuk benar-benar memastikan bahwa sistem yang mandiri dapat memberikan daya yang diperlukan pada saat tertentu kapanpun. Sistem pembangkit tenaga surya didesain untuk konsumsi tertentu, dan jika pengguna melanggar batas yang sudah direncanakan, maka penyediaan daya akan gagal.

Metode desain yang kami usulkan termasuk pertimbangan keperluan daya, dan berdasarkan keperluan tersebut memperhitungkan sistem yang berfungsi untuk sejumlah waktu maksimum sehingga sistem itu dapat diandalkan sebisa mungkin. Tentunya, jika lebih banyak panel dan baterai terpasang, akan lebih banyak daya yang dapat dikumpulkan dan disimpan. Peningkatan kehandalan ini juga akan mempunyai pertambahan dalam biaya.

Dalam beberapa instalasi fotovoltaik (seperti penyediaan daya untuk peralatan telekomunikasi pada tulang punggung jaringan), faktor kehandalan lebih penting daripada biaya. Pada instalasi pelanggan, biaya rendah mungkin merupakan faktor yang paling penting. Menemukan keseimbangan antara biaya dan kehandalan bukanlah tugas yang mudah, tetapi apapun situasinya, anda sebaiknya dapat menentukan apa yang diharapkan dari pilihan desain anda, dan pada biaya berapa.

Metode yang kita akan gunakan untuk menentukan besaran ukuran sistem dikenal sebagai metode bulan terburuk atau method of the worst month. Secara sederhana, kita hitung dimensi sistem mandiri tersebut, agar sistem itu dapat berfungsi dalam bulan dimana permintaan daya terbesar terkait dengan ketersediaan daya surya. Bulan tersebut merupakan yang teburuk dalam setahun, karena bulan ini mempunyai rasio terbesar antara daya yang diperlukan dan daya yang tersedia.

Dengan menggunakan metode ini, kehandalan / reliability dimasukan sebagai pertimbangan dengan menetapkan jumlah maksimum hari dimana sistem dapat beroperasi tanpa menerima radiasi surya (yaitu, ketika semua konsumsi dibuat hanya dengan mengorbankan daya yang disimpan dalam baterai). Ini dikenal sebagai jumlah maksimum hari otonomi atau maximum number of days of autonomy (N), dan dapat dibayangkan sebagai jumlah hari berawan yang berurutan jika panel tidak mengumpulkan jumlah daya apapun yang berarti.

Ketika memilih N, kita harus mengetahui kondisi iklim setempat, serta keterkaitan ekonomi dan sosial terhadap instalasi tersebut. Apakah instalasi tersebut akan digunakan untuk menerangi rumah, rumah sakit, pabrik, untuk hubungan radio, atau untuk suatu aplikasi lainnya? Ingatlah bahwa pada saat N bertambah, bertambah pula investasi dalam peralatan dan pemeliharaan. Juga penting untuk mengevaluasi semua kemungkinan biaya logistik penggantian peralatan. Tidaklah sama antara mengganti baterai yang dayanya sudah habis dari sebuah instalasi di tengah kota dengan mengganti baterai di atas menara telekomunikasi yang berlokasi beberapa jam lebih jauh untuk ditempuh dengan berjalan kaki.

Menetapkan nilai N bukanlah tugas yang mudah, karena ada banyak faktor yang terlibat, dan banyak di antara mereka tidak bisa dievaluasi secara mudah. Pengalaman anda akan memainkan peranan penting dalam menentukan ukuran sistem ini. Satu nilai yang biasanya digunakan untuk peralatan telekomunikasi yang penting adalah N = 5, sedangkan untuk peralatan pelanggan berbiaya rendah sangatlah mungkin untuk mengurangi otonomi sampai N = 3.

Dalam Appendix E, kami sudah memasukkan beberapa tabel yang akan memudahkan pengumpulan data yang diperlukan untuk menentukan ukuran sistem. Sisa bab ini akan menjelaskan secara terperinci informasi apa yang anda perlu kumpulkan atau perkirakan dan bagaimana caranya untuk menggunakan metode "bulan terburuk".

Data yang perlu dikumpulkan

Lintang instalasi / latitude of the installation. Ingatlah untuk menggunakan tanda positif untuk belahan bumi utara dan negatif untuk sebelah selatan. Data radiasi surya / solar radiation data. Untuk metode "bulan terburuk" cukup diketahui hanya dua belas nilai, satu untuk setiap bulannya. Kedua belas angka ini adalah nilai rata-rata bulanan penyinaran global harian di bidang horisontal (Gdm(0), dalam kWh/m2 per hari). Nilai bulanan adalah jumlah nilai penyinaran global untuk setiap harinya dalam sebulan, yang dibagi dengan jumlah hari dalam bulan tersebut.

Jika anda mempunyai data dalam Joule (J), anda dapat mempergunakan konversi berikut:

1 J = 2.78 x 10^-7 kWh

Data penyinaran Gdm (0) dari banyak tempat di dunia dikumpulkan dalam tabel dan database. Anda sebaiknya memeriksa informasi ini dari kantor pengamat cuaca yang berdekatan dengan lokasi implementasi anda, namun janganlah kaget jika anda tidak menemukan data dalam format elektronik. Adalah gagasan yang baik untuk bertanya pada perusahaan yang memasang sistem fotovoltaik di daerah tersebut, karena pengalaman mereka bisa sangat berguna.

Jangan anggap "jam matahari" sama dengan "jam puncak matahari”. Jumlah jam puncak matahari tidak ada hubungannya dengan jumlah jam tanpa awan, tetapi merujuk pada banyaknya penyinaran harian. 5 jam matahari dalam sehari tanpa awan belum tentu merupakan jam itu ketika matahari berada zenithnya.

Jam puncak matahari adalah nilai radiasi matahari yang dinormalisasikan 1000 W/m^2 pada 25 oC. Jadi ketika kita merujuk pada 5 jam puncak matahari, ini berarti radiasi matahari harian 5000 W/m^2.

Karakteristik kelistrikan komponen sistem

Karakteristik kelistrikan komponen sistem anda sebaiknya disediakan oleh pabrik. Adalah dianjurkan untuk membuat pengukuran anda sendiri untuk memeriksa deviasi dari nilai nominal. Sayangnya, deviasi dari nilai yang dijanjikan bisa besar dan sebaiknya dinantikan.

Berikut ini adalah nilai minimum yang harus anda kumpulkan sebelum menentukan ukuran sistem anda:

Panel. Anda perlu mengetahui tegangan VPmax dan arus IPmax di titik daya maksimum dalam kondisi standar.

Baterai. Kapasitas nominal (untuk 100 jam pengeluaran daya) CNBat, tegangan operasional VNBat, dan kedalaman maksimum pengeluaran daya DoDmax atau kapasitas berguna CUBat. Anda juga perlu mengetahui macam baterai yang anda berencana untuk gunakan, baik apakah itu timbal-asam tersekat, AGM, baterai mobil yang sudah dimodifikasi dll. Macam baterai penting ketika menentukan batas dalam pengatur.

Regulator. Anda perlu mengetahui nominal tegangan VNReg, dan arus maksimum yang bisa beroperasi ImaxReg.

Konverter/ Inverter DC/AC. Jika anda akan menggunakan konverter, anda perlu mengetahui tegangan nominal VNConv, daya seketika PIConv dan kinerja pada 70% beban maksimum H70.

Peralatan atau beban. Kita perlu mengetahui tegangan nominal VNC dan daya nominal operasi PC untuk setiap bagian peralatan yang dihidupkan oleh sistem. Guna mengetahui jumlah daya yang akan dikonsumsi oleh instalasi kita, sangatlah penting untuk mempertimbangkan waktu rata-rata setiap beban yang akan dipakai. Apakah terus-menerus? Atau apakah akan dipakai tiap hari, tiap minggu, setiap bulan atau tahun? Pertimbangkan pergantian apapun dalam penggunaan yang mungkin berdampak pada banyaknya daya yang diperlukan (penggunaan musiman, periode latihan atau sekolah, dll. )

Variabel lainnya. Terlepas dari sifat-sifat kelistrikan komponen dan beban, adalah perlu untuk mengambil keputusan pada dua informasi tambahan sebelum kita dapat menentukan besaran ukuran sebuah sistem fotovoltaik.

Dua keputusan ini adalah jumlah hari otonomi yang diperlukan dan tegangan operasional sistem.

N, jumlah hari-hari otonomi. Anda perlu menentukan nilai untuk N yang akan menyeimbangkan kondisi meteorologi dengan tipe instalasi dan biaya keseluruhan. Adalah mustahil untuk memberikan nilai konkrit N yang berlaku untuk setiap instalasi, tetapi tabel berikut ini memberi beberapa nilai yang dianjurkan. Gunakan nilai ini sebagai perkiraan kasar, dan konsultasikan dengan seorang perancang berpengalaman untuk mencapai keputusan akhir.

Ketersediaan Matahari	Instalasi Rumah	Instalasi Kritis
Sangat berawan	5	10
Bervariasi	4	8
Terang	3	6

VN, tegangan nominal instalasi. Komponen sistem anda perlu dipilih agar dapat berfungsi pada tegangan nominal VN. Tegangan ini biasanya 12 atau 24 Volt untuk sistem kecil, dan jika konsumsi daya total melebihi 3 kW, tegangan akan menjadi 48 V. Seleksi VN tidak sembarangan, dan bergantung pada ketersediaan peralatan.

Jika peralatan mengijinkannya, cobalah menetapkan tegangan nominal ke 12 atau 24 V. Banyak peralatan komunikasi nirkabel menerima tegangan input yang lebar dan dapat digunakan tanpa konverter. Jika anda perlu menghidupkan beberapa macam peralatan yang berkerja pada tegangan nominal yang berbeda, perhitungkan tegangan yang meminimalkan pemakaian daya secara keseluruhan, termasuk kehilangan pada konversi daya menggunakan konverter DC/DC dan DC/AC.

Prosedur perhitungan

Ada tiga langkah utama yang perlu diikuti untuk menghitung ukuran sistem yang sesuai:

Perhitungkan daya surya yang ada (sebagai tawaran). Berdasarkan data statistik radiasi surya, dan orientasi dan kemiringan optimal panel-panel surya, kita menghitung daya surya yang ada. Penilaian daya surya yang ada dilakukan dalam interval bulanan, mengurangi data statistik sampai 12 nilai. Perkiraan ini adalah kompromi yang baik antara ketepatan dan kesederhanaan.
Perkirakan daya listrik yang diperlukan (sebagai permintaan). Catat sifat pemakaian daya peralatan yang dipilih serta perkiraan lama penggunaannya. Lalu perhitungkan daya listrik yang diperlukan dalam setiap bulannya. Anda sebaiknya mempertimbangkan fluktuasi penggunaan yang diharapkan karena variasi antara musim dingin dan musim panas, periode musim hujan/kering, periode sekolah/liburan, dll. Hasil berupa 12 nilai permintaan daya, masing-masing untuk setiap bulan dalam setahun.
Perhitungkan ukuran sistem ideal (hasilnya). Dengan data dari “bulan terburuk”, ketika hubungan antara daya surya yang dibutuhkan dan daya yang tersedia sangat erat, maka kita menghitung:

Arus yang harus disediakan oleh array panel, yang akan menentukan jumlah minimum panel.
Kapasitas penyimpanan daya yang diperlukan untuk menutupi jumlah minimum hari-hari otonomi, yang akan menentukan jumlah baterai yang diperlukan.
Karakteristik kelistrikan regulator yang diperlukan.
Panjang dan bagian-bagian yang diperlukan dari kabel itu untuk hubungan listrik.

Arus yang diperlukan dalam bulan terburuk

Untuk setiap bulan, anda perlu memperhitungkan nilai Im, yang merupakan arus maksimum sehari-hari yang harus disediakan oleh array panel yang beroperasi pada tegangan nominal VN, dalam suatu hari dengan penyinaran Gdm untuk bulan ”m”, bagi panel-panel dengan kemiringan ß derajat.

Im(BULAN TERBURUK) akan menjadi nilai Im yang paling besar, dan penentuan besaran ukuran sistem didasarkan pada data bulan terburuk itu. Perhitungan Gdm (ß) untuk tempat tertentu dapat dibuat berdasarkan Gdm(0) dengan menggunakan software komputer seperti PVSYST (http://www.pvsyst.com/) atau PVSOL (http://www.solardesign.co.uk/).

Karena loss di pengatur dan baterai, dan karena fakta bahwa panel-panel tidak selalu berfungsi di titik daya maksimum, arus yang diperlukan ImMAX dihitung sebagai berikut:

ImMAX = 1,21 Im (BULAN TERBURUK)

Ketika anda sudah menentukan bulan terburuk, nilai ImMAX, dan total daya yang anda perlukan ETOTAL (BULAN TERBURUK), anda dapat melanjutkan ke perhitungan terakhir. ETOTAL adalah jumlah seluruh beban DC dan AC, dalam Watt. Untuk menghitung ETOTAL, lihatlah Appendix E.

Jumlah panel

Dengan mengkombinasikan panel-panel surya dalam serial dan paralel, kita dapat mendapatkan tegangan dan arus yang diinginkan. Ketika panel-panel tersambung dalam serial, jumlah tegangan total setara dengan jumlah tegangan individual masing-masing modul, sedangkan arus tidak berubah. Ketika menyambungkan panel-panel secara paralel, arus dijumlahkan sedangkan tegangan tidak berubah. Sangatlah penting untuk memakai panel-panel yang sifatnya yang hampir identik ketika membuat array.

Anda sebaiknya mencoba untuk memperoleh panel-panel dengan VPmax yang sedikit lebih besar daripada tegangan nominal sistem (12, 24 atau 48 V). Ingatlah bahwa anda perlu menyediakan sedikit tegangan dari tegangan nominal baterai untuk mengisinya. Jika tidak mungkin untuk menemukan satu panel yang memenuhi keperluan anda, anda perlu menyambung beberapa panel dalam serial untuk mencapai tegangan yang anda inginkan. Jumlah panel yang di seri Nps adalah sama dengan tegangan nominal sistem dibagi tegangan sebuah panel, yang dibulatkan ke atas ke bilangan bulat terdekat.

Nps = VN/VPmax

Untuk memperhitungkan jumlah panel yang paralel (Npp), anda perlu membagi ImMAX dengan arus sebuah panel di titik daya maksimum Ipmax, yang dibulatkan ke atas ke integer terdekat.

Npp = ImMAX/IPmax

Jumlah total panel adalah hasil perkalian jumlah panel yang di seri (untuk menentukan tegangan) oleh jumlah panel yang di paralel (untuk menentukan arus).

NTOTAL = Nps x Npp

Kapasitas baterai atau akumulator

Baterai menentukan tegangan keseluruhan sistem dan memerlukan kapasitas yang cukup untuk menyediakan daya kepada beban pada saat tidak terdapat radiasi surya yang cukup. Untuk memperkirakan kapasitas baterai kita, kita terlebih dulu menghitung kapasitas daya sistem kita yang diperlukan (kapasitas yang diperlukan atau necessary capacity, CNEC). Kapasitas yang diperlukan ini bergantung pada daya yang ada selama "bulan terburuk" dan jumlah hari-hari otonomi yang diinginkan (N).

CNEC (Ah)= ETOTAL(Bulan Terburuk)(Wh) / VN(V) x N

Kapasitas nominal baterai CNOM harus lebih besar daripada CNEC karena kita tidak bisa sepenuhnya mengeluarkan daya baterai. Untuk menghitung ukuran baterai kita perlu mempertimbangkan kedalaman maksimum pengeluaran daya (DoD) yang dimungkinkan oleh baterai:

CNOM (Ah) = CNEC (Ah)/ DoDMAX

Untuk memperhitungkan jumlah baterai dalam seri (Nbs), kita bagi tegangan nominal instalasi kita (VN) dengan tegangan nominal satu baterai (VNBat):

Nbs = VN / VNBat

Regulator

Sebuah peringatan penting: selalu gunakan regulator dalam seri, tidak paralel. Jika pengatur anda tidak mampu mendukug arus yang diperlukan oleh sistem anda, anda perlu membeli sebuah pengatur baru dengan arus yang lebih besar.

Untuk alasan keamanan, sebuah pengatur baru harus mampu beroperasi dengan arus ImaxReg sedikitnya 20% lebih besar daripada intensitas maksimum yang disediakan oleh array panel-panel:

ImaxReg = 1,2 Npp IPMax

Inverter DC/AC

Jumlah daya yang diperlukan untuk peralatan AC dihitung dengan memasukkan semua loss yang disebabkan oleh konverter DC/AC atau inverter DC/AC. Ketika memilih inverter, selalu ingat bahwa kinerja inverter bervariasi berdasarkan banyaknya daya yang dibutuhkan. Sebuah inverter mempunyai karakteristik kinerja yang lebih baik ketika beroperasi dekat kemampuan dayanya. Menggunakan inverter 1500 Watt untuk menghidupkan beban 25 Watt sangatlah tidak efisien. Untuk menghindari daya yang terbuang ini, sangatlah penting untuk menganggap bukan daya tertinggi seluruh peralatan anda, tetapi puncak daya peralatan yang diharapkan untuk beroperasi secara bersamaan.

Kabel

Pada saat anda sudah mengetahui jumlah panel surya dan baterai, dan macam regulator dan inverter yang anda ingin gunakan, adalah perlu untuk memperhitungkan panjang dan ketebalan kabel yang diperlukan untuk menyambung berbagai bagian tersebut menjadi satu.

Panjang kabel bergantung pada lokasi instalasi anda. Anda sebaiknya berusaha meminimalkan panjang kabel antara pengatur, panel surya, dan baterai. Memakai kabel pendek akan mengurangi kehilangan daya dan biaya kabel.

Ketebalan kabel dipilih berdasarkan panjang kabel dan arus maksimum yang harus diteruskannya. Tujuannya adalah meminimalisir penurunan tegangan. Untuk dapat menghitung ketebalan S kabel, perlu untuk mengetahui:

Arus maksimum IMC yang akan melalui kabel. Dalam kasus sub-sistem baterai-panel, adalah ImMAX yang diperhitungkan untuk setiap bulan. Dalam sub-sistem beban-baterai ImMax bergantung pada bagaimana caranya beban disambung. Penurunan tegangan (Va-Vb) yang kita anggap dapat diterima dalam kabel. Penurunan tegangan yang merupakan hasil dari penambahan semua penurunan yang mungkin diungkapkan sebagai persen tegangan nominal instalasi. Nilai umum maksimum ialah:

Komponen	Penurunan tegangan (% VN)
Panel Array -> Battery	1%
Battery -> Converter	1%
Main Line	3%
Main Line (Illumination)	3%
Main Line (Equipment)	5%

Penurunan Tegangan Yang Dapat di Terima di Kabel

Bagian kabel ditentukan oleh hukum Ohm:

S(mm2) = r( Ωmm2/m)L(m) ImMAX(A)/ (Va-Vb)(V)

Di mana S adalah bagian kabel, r ialah resistivitas (karakteristik internal bahan: untuk tembaga, 0,01286 Ωmm2/m), dan L adalah panjang kabel.

S dipilih dengan mempertimbangkan kabel yang ada di pasar. Anda sebaiknya memilih bagian yang jauh lebih baik daripada apa yang didapatkan dari rumus. Karena alasan keamanan ada nilai minimum, untuk kabel yang menyambung panel dan baterai, nilai minimum adalah 6 mm2. Untuk bagian lain, minimumnya ialah 4 mm2.

Biaya instalasi pembangkit listrik tenaga surya

Sementara daya surya sendiri gratis, namun tidak untuk peralatan yang diperlukan untuk mengubahnya menjadi daya listrik. Anda tidak hanya perlu membeli peralatan untuk mengubah daya surya menjadi listrik dan menyimpannya untuk penggunaan, tetapi anda juga harus mengganti dan memelihara berbagai bagian sistem. Masalah penggantian peralatan sering kali diabaikan, akhirnya sistem pembangkit listrik tenaga surya dijalankan tanpa rencana pemeliharaan yang baik.

Untuk memperhitungkan biaya sesungguhnya dari instalasi anda, kami berikan sebuah contoh ilustratif. Hal pertama yang harus dilakukan adalah memperhitungkan biaya investasi awal.

Deskripsi	Jumlah	Biaya satuan	Subtotal
Panel surya 60W (sekitar $4/W)	4	$300	$1,200
Regulator 30A	1	$100	$100
Kabel (meter)	25	$1/ meter	$25
Baterai 50Ah (deep cycle)	6	$150	$900
Total			$2,225

Perhitungan biaya investasi kita relatif mudah ketika sistem sudah didimensikan. Anda hanya perlu menambahkan harga untuk masing-masing bagian peralatan dan biaya tenaga kerja untuk memasang dan menyambungkan peralatan menjadi satu. Untuk kesederhanaan, kita tidak memasukkan biaya angkut dan instalasi tetapi anda sebaiknya tidak mengabaikan mereka.

Untuk memahami berapa biaya sistem agar dapat beroperasi, kita harus memperkirakan seberapa lama tiap bagian akan berfungsi dan seberapa sering anda harus menggantinya. Dalam istilah akuntansi, ini dikenal sebagai amortisasi. Tabel baru kita terlihat seperti berikut ini:

Deskripsi	#	Biaya satuan	Subtotal	Umur (tahun)	Biaya Tahunan
Panel surya 60W	4	$300	$1,200	20	$60
Regulator 30A	1	$100	$100	5	$20
Kabel (meter) dengan ketebalan 50 Ah	25	$1/ meter	$25	10	$2.50
Baterai 50 Ah (deep cycle)	6	$150	$900	5	$180
		Total:	$2,225	Biaya tahunan:	$262.50

Seperti yang anda lihat, ketika investasi pertama sudah dilakukan, akan ada biaya tahunan sebesar $262,50. Biaya tahunan adalah perkiraan kapital yang dibutuhkan setiap tahun untuk mengganti bagian sistem begitu umur kegunaan mereka berakhir.