Sistem Optimasi Hybrid Angin-Surya: Solusi Desain Komprehensif untuk Aplikasi Off-Grid

1. Pendahuluan dan Latar Belakang​

​1.1 Tantangan Sistem Pembangkit Listrik Berbasis Satu Sumber​

Sistem pembangkit listrik fotovoltaik (PV) atau angin tradisional memiliki kekurangan inheren. Pembangkitan listrik PV dipengaruhi oleh siklus harian dan kondisi cuaca, sementara pembangkitan listrik angin bergantung pada sumber angin yang tidak stabil, menyebabkan fluktuasi signifikan dalam output daya. Untuk memastikan pasokan listrik yang berkelanjutan, diperlukan bank baterai berkapasitas besar untuk penyimpanan dan keseimbangan energi. Namun, baterai yang sering mengalami siklus pengisian-pengosongan cenderung berada dalam keadaan kurang terisi selama periode yang lama dalam kondisi operasional yang keras, mengakibatkan umur layanan praktis jauh lebih pendek dari nilai teoretis. Lebih penting lagi, biaya tinggi baterai berarti biaya siklus hidup totalnya mungkin mendekati atau bahkan melebihi biaya modul PV atau turbin angin itu sendiri. Oleh karena itu, perpanjangan umur baterai dan pengurangan biaya sistem telah menjadi tantangan inti dalam optimalisasi sistem pembangkit mandiri.

​1.2 Keuntungan Signifikan dari Pembangkit Listrik Hibrid Angin-Surya​

Teknologi pembangkit listrik hibrid angin-surya secara efektif mengatasi ketidakberlanjutan sumber energi tunggal dengan menggabungkan organik PV dan angin, dua sumber energi terbarukan. Energi angin dan surya menunjukkan komplementaritas alami dalam waktu (siang/malam, musim): sinar matahari kuat siang hari sering bertepatan dengan angin yang lebih kuat di malam hari; radiasi surya yang baik di musim panas mungkin berpasangan dengan sumber angin yang melimpah di musim dingin. Komplementaritas ini memungkinkan:

• Perpanjangan signifikan waktu pengisian baterai yang efektif, mengurangi waktu mereka berada dalam keadaan kurang terisi, sehingga secara substansial memperpanjang umur layanan baterai.
• Pengurangan kapasitas baterai yang diperlukan. Karena probabilitas kedua sumber energi angin dan surya tidak tersedia secara bersamaan sangat rendah, sistem dapat sering langsung memasok beban, memungkinkan penggunaan bank baterai berkapasitas lebih kecil.
• Studi domestik dan internasional mengkonfirmasi bahwa sistem hibrid angin-surya melebihi sistem pembangkit listrik berbasis satu sumber dalam hal keandalan pasokan listrik dan efisiensi biaya siklus hidup.

​1.3 Kekurangan Metode Desain yang Ada dan Solusi yang Diusulkan​

Desain sistem saat ini menghadapi tantangan. Perangkat lunak simulasi profesional dari luar negeri mahal, dan model intinya sering dirahasiakan, menghalangi adopsi luas. Sementara itu, sebagian besar metode desain yang disederhanakan tidak memadai—entah terlalu bergantung pada rata-rata meteorologi tanpa memperhatikan detail, atau menggunakan model sederhana linear yang mengarah pada akurasi terbatas dan keterbatasan aplikasi.

Solusi ini bertujuan untuk mengusulkan serangkaian metodologi desain bantu komputer yang akurat dan praktis untuk mengatasi masalah-masalah di atas.

​II. Komposisi Sistem dan Model Teknis Inti​

​2.1 Arsitektur Sistem​

Sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang dirancang dalam solusi ini adalah sistem off-grid sepenuhnya mandiri, tanpa sumber daya cadangan seperti generator diesel. Komponen intinya termasuk:

• ​Unit Pembangkitan Daya:​​ Turbin angin, array PV.
• ​Unit Penyimpanan dan Manajemen Energi:​​ Bank baterai, kontroler pengisian (untuk mengelola pengisian dan pengosongan).
• ​Unit Perlindungan dan Konversi:​​ Beban pengalihan (mencegah overcharge baterai, melindungi inverter), inverter (mengonversi DC ke AC untuk memenuhi sebagian besar kebutuhan beban).
• ​Unit Konsumsi Daya:​​ Beban.

​2.2 Model Perhitungan Pembangkitan Daya yang Akurat​

Untuk mencapai desain yang dioptimalkan, kami telah menetapkan model perhitungan pembangkitan daya jam-jam yang akurat.

• ​Model Array PV:​​
1. ​Transposisi Radiasi Matahari:​​ Menggunakan model difusi langit anisotropik canggih untuk secara akurat mentranspos data radiasi matahari horizontal yang diukur oleh stasiun cuaca ke iradiansi yang jatuh pada permukaan miring modul PV, mempertimbangkan secara komprehensif radiasi sinar langsung, radiasi difusi langit, dan radiasi pantulan dari tanah.
2. ​Simulasi Karakteristik Modul:​​ Menggunakan model fisik yang tepat untuk mengkarakterisasi karakteristik output nonlinier modul PV, mempertimbangkan secara penuh efek iradiansi dan suhu lingkungan terhadap tegangan dan arus output modul, memastikan akurasi perhitungan pembangkitan daya.
• ​Model Turbin Angin:​​
1. ​Koreksi Kecepatan Angin:​​ Mengoreksi kecepatan angin dari ketinggian referensi data meteorologi ke kecepatan angin aktual pada ketinggian hub berdasarkan hukum eksponensial yang mengatur variasi kecepatan angin dengan ketinggian.
2. ​Pencocokan Kurva Daya:​​ Menggunakan fungsi bersegmentasi (persamaan binomial berbeda untuk interval kecepatan angin berbeda) untuk mencapai pencocokan presisi tinggi kurva output daya turbin yang sebenarnya, memungkinkan perhitungan energi jam-jam yang akurat berdasarkan data kecepatan angin.

​2.3 Model Karakteristik Dinamis Baterai​

Baterai adalah komponen penyimpanan energi inti, dengan keadaan yang berubah secara dinamis. Model ini fokus utamanya pada:

• ​Perhitungan State of Charge (SOC):​​ Meniru proses pengisian dan pengosongan baterai secara dinamis berdasarkan hubungan antara pembangkitan daya dan konsumsi beban pada setiap langkah waktu, menghitung secara akurat kapasitas sisa, sambil mempertimbangkan faktor-faktor praktis seperti laju pengosongan sendiri, efisiensi pengisian, dan efisiensi inverter.
• ​Manajemen Pengisian-Pengosongan:​​ Untuk memperpanjang umur baterai, rentang operasi SOC yang wajar ditentukan (misalnya, membatasi kedalaman pengosongan maksimum hingga 50%), dan model yang menghubungkan tegangan pengisian apung dengan SOC dan suhu lingkungan dibuat untuk menentukan kondisi pengisian secara akurat.

​III. Metodologi Optimalisasi dan Penentuan Ukuran Sistem​

​3.1 Indikator Keandalan Pasokan Daya​

Desain memprioritaskan pemenuhan persyaratan keandalan pasokan listrik yang ditentukan pengguna. Indikator kunci termasuk:

• ​Probabilitas Kehilangan Pasokan Listrik (LPSP):​​ Rasio waktu gangguan sistem terhadap total waktu evaluasi, secara intuitif mencerminkan kontinuitas pasokan.
• ​Probabilitas Kehilangan Beban (LLP):​​ Rasio permintaan daya beban yang tidak terpenuhi oleh sistem terhadap total permintaan. Ini adalah indikator inti paling kritis untuk desain optimalisasi sistem.

​3.2 Proses Desain Optimalisasi Langkah demi Langkah​

Solusi ini mengadopsi proses optimalisasi sistematis, bertujuan untuk meminimalkan biaya investasi awal peralatan untuk menemukan konfigurasi optimal.

1. ​Langkah 1: Optimalisasi Konfigurasi PV dan Baterai untuk Kapasitas Turbin Angin Tetap​
• ​Tugas Inti:​​ Dalam kondisi model dan jumlah turbin angin tetap, temukan kombinasi kapasitas modul PV dan baterai yang memenuhi indikator keandalan (LPSP) yang ditentukan dan menghasilkan biaya total peralatan terendah.
• ​Metode Implementasi:​​ Melalui perhitungan simulasi, plot "kurva keseimbangan" yang mewakili semua konfigurasi PV dan baterai yang memenuhi persyaratan keandalan. Kemudian, menggunakan metode tangen biaya atau penyaringan program komputer berdasarkan harga unit peralatan, tentukan kombinasi optimal unik dengan biaya terendah.
2. ​Langkah 2: Optimalisasi Global dengan Mengubah Kapasitas Turbin Angin​
• ​Tugas Inti:​​ Ubah kapasitas atau jumlah turbin angin, ulangi proses optimalisasi Langkah 1, dan dapatkan serangkaian konfigurasi optimal dan biaya yang sesuai untuk kapasitas turbin angin yang berbeda.
• ​Keputusan Final:​​ Bandingkan biaya total dari semua solusi kandidat dan pilih kombinasi angin-PV-baterai dengan biaya global terendah sebagai konfigurasi sistem optimal final.

​3.3 Simulasi dan Output Kinerja Sistem​

Setelah menentukan konfigurasi optimal, operasi tahunan sistem dapat disimulasikan jam-jam, menghasilkan laporan rinci termasuk:

• ​Dimensi Waktu:​​ State of charge baterai jam-jam, keseimbangan energi sistem.
• ​Dimensi Statistik:​​ Energi beban yang tidak terpenuhi harian/bulanan/tahunan, indikator keandalan (LPSP, LLP), proporsi pembangkitan daya angin/surya, situasi surplus dan defisit energi, dll.

​IV. Kesimpulan​

Metode desain optimalisasi sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang diusulkan dalam solusi ini, berdasarkan model matematika komprehensif dan data meteorologi lokal yang tepat, dapat menentukan secara unik konfigurasi sistem dengan biaya investasi awal peralatan minimum sambil memenuhi permintaan listrik pengguna spesifik dan persyaratan keandalan pasokan listrik. Metode ini secara efektif mengatasi kekurangan sistem pembangkit listrik berbasis satu sumber, mengatasi keterbatasan metode desain yang ada, dan memberikan alat yang kuat untuk desain sistem pembangkit listrik hibrid angin-surya yang ilmiah, efisien, dan ekonomis, memiliki nilai signifikan untuk aplikasi teknik.