SISTEM PENGKONVERSI DAYA MAKSIMAL MODUL SURYA MELALUI DETEKSI TEGANGAN
Leonardus Heru Pratomo
Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranana
ABSTRAKSI
Krisis energi yang disebabkan keterbatasan tersedianya bahan bakar minyak memberikan dampak pada berbagai sektor kehidupan. Berbagai usaha untuk mengatasi permasalahan tersebut telah banyak dilakukan mulai dari pencarian sumber energi alternatif hingga langkah-langkah penghematan energi. Energi listrik sebagai salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan manusia sangat terpengaruh akibat terjadinya kelangkaan bahan bakar minyak. Sinar matahari di Indonesia terpancar setiap hari dan belum dimanfaatakan secara maksimal. Alat yang merubah besaran energi sinar matahari ke energi listrik biasa disebut photovoltaic secara terintegrasi dinamakan modul surya. Modul surya memiliki karakteristik yang unik untuk mendapatkan daya maksimal. Dalam merancang sistem kendali untuk memaksimalkan daya ini harus sesuai dengan kurva karakteristikya. Kendali tipe tegangan diterapkan untuk mengendalikan aliran daya pada sistem konversi energi ini. Dengan metode ini alat memiliki efisiensi konversi energi kurang lebih sebesar 83% hal ini didasarkan pada percobaan di laboratorium konversi energi listrik.
Kata kunci: Modul Surya, Daya Maksimal, Tegangan. PENDAHULUAN
Dewasa ini kebutuhan akan energi listrik semakin terasa menjadi kebutuhan primer. Hal ini menyebabkan penambahan pusat pembangkit energi listrik menjadi skala prioritas utama untuk memenuhi kebutuhan kelistrikan. Perkembangan perumahan, perkantoran dan industri sangat pesat, banyak sekali energi listrik yang dibutuhkan untuk memfasilitasi perkembangan ini. Lebih parahnya lagi banyak tempat terpencil yang belum teraliri listrik dan mungkin juga tidak bisa teraliri dengan baik. Misalnya di puncak gunung dan di tengah laut membutuhkan energi ini. Meningkatnya penggunaan energi listrik menyebabkan masalah energi khususnya di sektor pemasok listrik, lebih parahnya lagi pemasok energi listrik menggunakan bahan bakar fosil sebagai energi primer. Energi tipe ini makin lama akan habis. Konversi energi menggunakan bahan bakar fosil memberi dampak yang kurang baik terhadap lingkungan antara lain: polusi
udara, suara, meningkatnya efek suhu bumi, tingkat karbon di udara menjadi tinggi dan efek rumah kaca.
Modul surya atau Solar cell adalah alat yang menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan energi sinar matahari. Energi tipe ini tersedia dalam jumlah yang besar, ramah lingkungan, didapatkan dengan cuma-cuma dan dapat diperbaharui secara terus menerus. Sistem konversi energi sinar matahari ke energi listrik memerlukan penanganan yang khusus sehingga konversi energinya dapat maksimal sesuai dengan kurva karakteristiknya. Dengan adanya alat ini maka kebutuhan akan energi listrik akan bisa diproduksi sendiri dan dengan sistem pengendali yang sederhana maka sistem ini dapat tersedia dalam harga yang murah. Sehingga memunculkan konsep dimana ada beban (kebutuhan listrik) di situ akan ada pusat pembangkit.
Permasalahan utama pada modul surya adalah bagaimana cara mendapatkan konversi energi yang maksimal sesuai kurva
irradiance Rs L O A D Rsh IL Iph Id Ish
karakteristiknya. Pada prinsipnya kurva karakteristik dibagi menjadi beberapa macam teknik pengendalian dengan mendeteksi besaran arus, tegangan dan daya. Jika digunakan besaran daya maka dibutuhkan sensor arus dan tegangan serta sistem pengali yang realisasinya sangat rumit dan mahal (Felix,2010). Beberapa teknik untuk mendapatkan daya maksimal juga telah dikembangkan antara lain berbasis korelasi riak, fuzzy logic, berbasis hill and valley, PI controller (Felix, 2010), (Rinovi, 2010), (Dedy, 2010).
Pada makalah ini dikembangkan suatu struktur kendali melalui deteksi lereng tegangan untuk mendapatkan daya maksimal kemudian dikendalikan dengan teknik modulasi delta. Dengan teknik yang dikembangkan ini struktur rangkaian kendali konversi daya maksimal menjadi sederhana dan mampu menghasilkan daya maksimal yang baik
MODULSURYA
Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang paling banyak dibutuhkan oleh manusia. Keterbatasan penyaluran energi listrik maupun keterbatasan dalam kapasitas yang tersedia membuat tidak semua lapisan masyarakat dapat menikmati energi listrik. Melalui modul surya, energi matahari dapat diubah menjadi energi listrik dalam bentuk tegangan searah.
Modul surya merupakan alat yang dapat mengkonversi energi sinar matahari secara langsung. Sistem konversi energi suatu solar cell dapat maksimal, jika mengikuti kurva karakteristik, seperti pada gambar 1.
Dari gambar 1 untuk mendapatkan daya maksimal dapat dilakukan dengan beberapa macam cara antara lain deteksi arus, deteksi
tegangan dan deteksi daya. Jika yang digunakan deteksi arus maka dibutuhkan sensor arus yang harganya relatif mahal begitu juga degan deteksi daya diperlukan sistem pengali antara tegangan dan arus sehingga rangkaian menjadi lebih kompleks, Modul surya memiliki karakteristik arus terhadap tegangan, maka untuk mempermudah dibuat suatu model rangkaian ekivalen. Suatu sel modul surya dapat digantikan dengan photodioda dan dengan adanya radiasi cahaya akan mengahkibatkan arus yang mengalir Iph (photo current). Arus
bercabang menuju dioda, tahanan shunt (Ish)
dan keluar ke beban (IL), seperti pada
gambar 2.
Gambar 1. Kurva karakteristik Modul surya [http://www.factsaboutsolarenergy.us]
Gambar 2. Rangkaian ekivalen sel modul surya
LOAD C L D T Vs + Vo -i-L i-c i-o
Besarnya persamaan arus adalah :
sh d L ph I I I I (1)
KONVERTER DAYA LISTRIK
Suatu besaran arus searah dapat diubah kedalam suatu besaran arus searah yang lain, hal ini dikenal dengan konverter daya listrik arus searah, jika tegangan keluaran lebih kecil dari tegangan masukan disebut sebagai buck (step down) chopper, jika tegangan keluaran lebih besar dari tegangan masukan dikenal dengan boost (step up) chopper, dan jika sistem keduanya digabungkan, maka dinamakan buck-boost (step up-down) chopper. Metoda pengubahan besaran tegangan searah konstan menjadi tegangan searah variabel dilakukan dengan menggunakan saklar elektronik (Pratomo, 2011).
Pada Gambar 3. ditunjukkan suatu konverter jenis step down dengan mengimplementasikan BJT sebagai saklar elektroniknya. Jika BJT pada kondisi jenuh maka akan bersifat seperti saklar tertutup, tetapi jika BJT cut off maka akan bersifat sebagai saklar terbuka.
Gambar 3. Konverter jenis step down
Pada saat saklar pada kondisi konduksi, maka arus dari sumber tegangan masukan Vs akan mengalir melalui induktor kemudian
bercabang pada kapasitor dan beban. Karena pada durasi ini energi dari sumber diserap induktor, maka arus pada induktor akan naik. Pada kondisi ini persamaan yang dapat diturunkan adalah sebagai berikut:
o L s V V V o s L V V V o s V V dt di L dt V V Ldi s o
karena durasi waktu dt adalah selama saklar pada kondisi konduksi, maka
on o
s V t
V
Ldi (2)
Sedangkan pada saat saklar dalam kondisi tidak konduksi, maka sumber tidak akan terhubung ke beban, tetapi karena arus yang mengalir pada induktor tidak dapat berubah secara mendadak, arus akan mengalir melalui induktor ke beban dan kapasitor serta dioda freewheeling . Pada kondisi ini energi yang tersimpan pada induktor akan dilepas sehingga arus induktor akan turun. Persamaan pada saat saklar membuka adalah sebagai berikut: o L V V o V dt di L dt V Ldi o
karena durasi waktu pada kondisi ini sama dengan waktu saklar membuka (off), maka
V (be) V (D) i (L) i (T ) i (D) t t t t t off ot V Ldi (3)
Gambar 4. Gelombang arus dan tegangan terhadap waktu
jika persamaan (2) dan (3) dieliminasi, maka diperoleh off o on o s V t V t V off on o on s t V t t V T V t Vs on o T t V V on s o d V V s o (4)
Dengan mengingat hukum kesamaan daya maka faktor d juga sangat menentukan sebagai variable penyesuai.
Jika arus rata-rata keluaran Io, maka
dengan beban sebesar Rout akan didapat
o Out o I R V (5)
Dan jika arus sisi masukan sebesar
s s s I R V (6)
Dengan memperhatikan hukum kesetaraan daya maka dapat diperoleh suatu persamaan o o s s I V I V o o o s s s R V V R V V s o
R
d
R
2 (7)sehingga rangkaian konverter daya listrik tipe step down dapat diekivalenkan sebagai berikut :
I
sV
sR
od
2+ -Sinyal Masukan Sinyal Modulasi MODULASI DELTA
Modulasi delta adalah suatu teknik modulasi yang digunakan untuk membangkitkan pulsa-pulsa kendali para rangkaian daya. Rangkaian modulasi delta terdiri dari sistem pembanding pada umpan maju dan sistem integrator sebagai umpan balik sehingga membentuk loop tertutup sebagai kendali. Berikut ini adalah rangkaian modulasi delta.
Gambar 6. Rangkaian modulasi delta
IMPLEMENTASI
Suatu modul surya memiliki kurva karakteristik seperti pada gambar 1, dimana untuk mendapatkan daya maksimal dapat ditempuh dengan berbagai macam cara, salah satunya adalah dengan menggunakan lereng tegangan. Tegangan keluaran modul surya memiliki persamaan :
C S L L d ph c o R I I I I I q T K A V (8) Keterangan : Q : Muatan elektron (1.602 × 10-19 C). K : Konstanta Boltzmann (1.38 × 10-23 J/0K). IL : Arus keluaran, A.
Iph : Arus photon(5 A).
Id : arus dioda (0.0002 A).
Rs : resistansi seri (0.001 _). Tc : temperatur operasi (25 °C).
Vo : Tegangan Keluaran, V.
Jika dimodelkan dalam bentuk koefisien temperatur S A T TV T T C 1 (9) Keterangan : CTV : Koefisien temperatur β : 0.004 T : Temperatur
Sehingga sistem memiliki faktor koreksi sebesai : C x S T SV S S C 1 (10) Keterangan : αS : Slope SC : Referensi benchmark Sehingga : O SV CT CX V V V V O CX KV V (11)
Dimana nikai K lebih kecil dari pada satu, atau nilai k bervariasi antara nilai 0.71 sampai 0.8 sehingga alogaritma dapat diwujudkan seperti gambar 7.
Driver K L O A D Start Pengukuran Voc dan nilai K Perhitungan Vmpp = K Voc Is Vmpp = Voc Stop Yes No
Gambar 7. Alogaritma kendali
Secara detail rangkaian kendali yang diimplementasi seperti pada gambar 8.
Gambar 8. Skema rangkaian kendali
PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Dari hasil implementasi diatas diujicoba dengan menggunakan software power simulator didapatkan data sebagai berikut:
Gambar 9. Simulasi daya masukan dan keluaran
Percobaan dilakukan dengan menggunakan modul surya dengan kapasitas 50 WP dua buah yang dihubung secara parallel, berikut ini adalah hasil ujicoba yang telah dilakukan di laboratorium.
Gambar 10. Pengujian tegangan masukan dan keluaran
Tabel 1. Hasil ujicoba
Dari hasil ujicoba nilai efisiensi konversi alat didapatkan dengan cara memperbandingkan daya keluaran dan daya masukan pada sistem pengkonversi daya listrik 83.194 %
Gambar 11. Foto pengujian alat kontrol
Gambar 12. Foto pengujian modul surya
KESIMPULAN
Sistem pengkonversi daya maksimal dengan deteksi lereng tegangan dan modulasi delta dapat diimplementasi dengan baik. Sistem yang diimplementasi sangat sederhana dan memiliki respon yang baik serta memiliki efisiensi sebesar 83.194%.
UCAPAN TERIMAKASIH
Kami ucapkan terima kasih kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional, karena telah membiayai penelitian ini dalam skema penelitian Hibah Bersaing 2012
DAFTAR PUSTAKA
Dedy. P, Pratomo H.L dan Tejo. Y, 2010, Pemanfaatan Mikrokontroler Tipe AT89S52 Sebagai Pengendalian Daya Maksimum Pada CITEE, UGM Yogyakarta
Eridanus dan Pratomo H.L, 2010, Metode Pengendali Daya Panel Surya dengan Kendali Adaptif, CITEE, UGM Yogyakarta
Felix. Y dan Pratomo, H. L, 2009, Memaksimalkan Daya Photovoltaic dengan Korelasi Riak, IES-ITS Surabaya
Pratomo, H. L, 2009, Implementasi Multilevel Inverter Jenis DC Terpisah dengan Kendali Hysterisis sebagai Antarmuka Photovoltaic Module, SITIA, ITS Surabaya
Pratomo, H. L, 2009, Pemanfaatan Mikrokontroller Tipe 89S52 sebagai Pengendali Multilevel Inverter, CITEE, UGM Yogyakarta
Pratomo, H. L, 2005 , Buck DC-DC Konverter Dengan Kendali One Cycle, MILLENIUM, Vol 1. No 3
Pratomo. H. L, 2005, Memaksimalkan Konversi Energi Sinar Matahari Menjadi Energi Listrik, Laporan Penelitian UNIKA 2011
Rinovi. A. D , Pratomo H.L dan Tejo. Y, 2010, Maximum Power Point Tracker pada Photovoltaic Module dengan Menggunakan Fuzzy Logic Controller , CITEE, UGM Yogyakarta
