Efek Tegangan Impuls pada Panel Surya Disebabkan oleh Sambaran Petir

Abstrak— Pemasangan panel surya umumnya diletakan pada tempat terbuka dengan meminimalkan adanya benda - benda yang dapat menghalangi datangnya cahaya matahari. Salah satu tempat yang sesuai untuk memasang panel surya adalah pada atap bangunan. Pemasangan dilokasi seperti ini dapat menyebabkan panel surya rentan terhadap sambaran petir baik langsung maupun tidak langsung. Artikel ini menyajikan pemodelan sambaran tidak langsung pada panel surya dengan menggunakan rangkaian kopling berupa R, L, dan C. Tegangan impuls yang digunakan sesuai dengan standar IEC tipe ±1,2/50 µs 200 kV yang berasal dari generator impuls. Dari simulasi ketika terjadi sambaran tidak langsung akan muncul ground potensial rise yang besarnya 451,5 V peak dengan polaritas terbalik melawan polaritas panel surya. Hasil ini sesuai dengan data percobaan peneliti lain, pemodelan kopling antara tanah dan panel surya menggunakan rangkaian R, L, dan C dengan nilai error 12, 88%.

Kata Kunci—panel surya, sambaran tidak langsung, kopling, tegangan impuls.

I. PENDAHULUAN

nergi listrik memegang peranan sangat penting dalam kehidupan manusia di era modern saat ini. Panel surya merupakan suatu peralatan elektronik yang dapat mengkonversi sinar matahari menjadi energi listrik. Posisi geografis Indonesia yang membentang di daerah garis khatulistiwa sangat sesuai untuk dibangun pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). Dengan penerimaan sinar matahari sepanjang tahun merata dapat dipastikan bahwa panel surya akan bekerja secara maksimal. Untuk memaksimalkan penerimaan sinar matahari maka panel surya sangat cocok diletakan pada tempat-tempat yang tinggi seperti atap bangunan.

Pemasangan panel surya pada atap bangunan yang tinggi tidak sepenuhnya aman dari gangguan, khususnya gangguan tegangan impuls adanya sambaran petir. Intensitas sambaran petir di negara beriklim tropis seperti Indonesia jauh lebih tinggi jika dibandingkan dengan negara lain yang beriklim subtropis. Dengan intensitas hari guruh (IKL) yang sangat tinggi dibanding daerah lainnya berkisar 100-200 hari pertahun, fenomena pengaruh tegangan impuls pada panel surya sangat penting untuk diketahui.

Dalam artikel ini, permasalahan akan difokuskan, khususnya dalam pemodelan dari sambaran petir tidak langsung pada panel surya yang dimodelkan dengan

penambahan kopling berupa komponen R, L, dan C paralel. Komponen-komponen tersebut, difungsikan sebagai pengganti dari berbagai komponen dalam suatu sistem penangkal petir.

II. DESAINDANPEMODELANSISTEM

A. Pemodelan Kopling Sambaran Petir

Petir merupakan kejadian alam di mana terjadi loncatan muatan listrik antara awan dengan bumi. Berdasarkan hasil perhitungan statistik, daerah Cibinong sempat tercatat pada

Guiness Book of Records 1988, dengan jumlah 322 petir pertahun) [1]. Kondisi lembab dan panas, memudahkan pembentukan awan cumulonimbus penghasil petir. Daerah tropis memiliki kecenderungan terbentuknya siklon tropis yang merupakan daerah aktivitas awan, angin, dan badai.

Secara umum sambaran petir dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu, sambaran langsung dan sambaran tidak langsung. Dalam artikel ini, pembahasan hanya akan difokuskan pada sambaran tidak langsung. Pada Gambar 1. ditunjukan ilustrasi dari sambaran tidak langsung yang mengakibatkan terjadinya

ground potensial rise.

Gambar 1. Sambaran petir secara tidak langsung [2]

Dari Gambar 1. di atas, ketika terjadi ground potential rise, arus dari sambaran petir akan mengalir dan terdistribusi secara radial merata ke dalam tanah. Sehingga muncul faktor jarak dari elektroda yang terkena sambaran petir terhadap tegangan puncak pada lapisan permukaan setengah bola. Distribusi arus petir yang masuk ke dalam tanah pada elektroda batang dililustrasikan seperti pada Gambar 2. berikut.

Tegar Isnain Sulistianto, Dedet Candra Riawan, dan I Made Yulistya Negara

Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail

: yulistya@ee.its.ac.id, dedet@ee.its.ac.id

Gambar 2. Distribusi tegangan petir pada elektroda batang [3]

Dari Gambar 2. saat terjadi sambaran petir melalui batang pentanahan, maka arus akan memberikan pengaruh pada elektroda lain yang cukup jauh. Dengan memisalkan arus sambaran yang masuk ke tanah melewati elektroda batang dengan jari-jari r1 akan bergerak menuju ke elektroda batang lain yang tidak tersambar petir sejauh r2. Dari luasan berbentuk setengah bola (A=2πr2), besarnya resistansi dan kapasitansi dapat ditentukan dengan seperti persamaan berikut.

(1) (2) Keterangan:

Rh = resistansi antara dua elektroda dengan jarak r2 (Ω), 𝝆 = tahanan jenis tanah (Ωm),

r1= jari-jari elektroda (m), nilainya 0,015 m,

r2 = jarak elektroda (m), nilainya 20 m,

C= kapasitansi setengah bola r2 (F),

εo = permitivitas vakum (C2/Nm2) sebesar 8,85x10-12,

εr = permitivitas relatif bernilai 9-10 (tanah basah),

R = jari-jari bola diasumsikan sebesar r2.

Untuk nilai tahanan jenis dari berbagai jenis tanah akan ditampilkan pada Tabel 1. berikut ini.

Tabel 1. Tahanan jenis berbagai tanah

No. Jenis Tanah Tahanan Jenis (Ωm) 1. Tanah liat, tanah kebun 5-50

2. Tanah lempung 8-50

3. Pasir dan kerikil 60-100

4. Pasir berbatu 10-500

5. Batuan Padas 200-10000

Oleh karena petir terjadi pada saat musim hujan, tanah dalam keadaan basah dan lembab, sehingga tahanan jenisnya dianggap 5-50 Ωm. Sedangkan pada perhitungan kapasitansi digunakan jari-jari bola R sama dengan r2 karena nilai dari r1kecil dan dapat diabaikan.

Perhitungan selanjutnya adalah menentukan komponen resistansi dan induktansi pada down konduktor. Jenis konduktor yang digunakan pada adalah BC 70 mm2. Pemodelan down konduktor dimodelkan berupa resistor dan induktor yang dirangkai secara seri seperti Gambar 3. berikut.

Gambar 3. Rangkaian pengganti down konduktor

Besarnya dari nilai resistansi dan induktansi pada down

konduktor dapat dihitung dengan menggunakan kedua persamaan berikut.

(3) (4) Keterangan:

Rd = resistansi down konduktor (Ω),

𝝆 = tahanan jenis penghantar (Ωm) (Cu=1,72x10-8

Ωm),

l = panjang penghantar (m) yang diasumsikan 5 m, A = luas penampang dari penghantar (m2).

Ld= induktansi down konduktor (µH),

r = jari – jari penghantar (m).

Rangkaian pengganti pada batang pentanahan dimodelkan dengan komponen induktansi yang diserikan dengan komponen kapasitansi dan resistansi yang diparalel. Gambar 4 berikut adalah model rangkaian pengganti pada batang pentanahan.

Gambar 4. Rangkaian penggantibatang pentahan

Dengan kondisi tanah basah dan lembab akan mengakibatkan tahanan jenis tanah menjadi kecil. Resistansi pada batang pentahan mengikuti standar IEEE, 1986 (IEEE Guide for Safety in Ac Substation Grounding. Wiley-Interscience, a division of John Wiley & Sons, Inc. New York P. 23) yang besarnya ≤ 10 Ω. Sedangkan nilai

induktansi dan kapasitansi dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.

(5)

εs = konstanta dielektrik (F/m), nilainya 3,3 F/m. Ilustrasi dari model sambaran petir tidak langsung pada panel surya, beserta rangkaian pengganti dan reduksinya terlihat seperti pada ketiga gambar berikut.

Gambar 5. Model sambaran petir pada panel surya

Gambar 6. Rangkaian pengganti sambaran petir pada panel surya

Gambar 7. Rangkaian kopling yang telah disederhanakan

Rangkaian pengganti sel surya dapat diwakili oleh sumber arus yang dipararelkan dengan dioda [4]. Model dioda tunggal dengan menggunakan empat macam komponen berupa photo current source, dioda yang dipasang paralel, resistor yang dipasang seri, dan resistor yang dipasang paralel [5]. Saat kondisi gelap, I-V karakteristik output dari sel surya eksponensial sama dengan karakteristik dari dioda [6]. Rangkaian pengganti sel surya dapat disederhanakan dengan menghilangkan tahanan paralel (Rp), seperti pada Gambar 8. berikut.

Gambar 8. Rangkaian pengganti sel surya tanpa tahanan paralel

Dari rangkaian pengganti seperti terlihat pada Gambar 8. dengan kondisi V terbuka maka dapat diperoleh nilai I

dengan persamaan berikut.

(7) Dimana Iph adalah arus dari surya sel, Isat adalah arus saturasi dari dioda, dan Vt adalah tegangan termal. Dengan menghubungsingkatkan terminal V maka diperoleh nilai Iph baru sebagai berikut.

(8) Dimana Gaadalah nilai iradiasi, T adalah suhu mutlak,

Iscsadalah nilai standar dari arus hubung singkat, Gas adalah nilai standar dari iradiasi (1000 W/m2), ∆Isc adalah suhu koefisien dari arus hubung singkat, dan Ts adalah standar dari suhu (298˚K). Sedangkan untuk tegangan open

sirkuitnya diperoleh persamaan sebagai berikut.

(9) Dimana Vocs adalah nilai tegangan standar ketika open sirkuit tes dan ∆Voc adalah nilai koefisien dari suhu tegangan open sirkuit.

Di dalam program paket, ketiga persamaan tersebut dibentuk dengan menggunakan math operation blok set. Pemodelan ini digunakan untuk menghitung variabel output

Ia dari masukan berupa irradiasi dan temperatur dalam suatu sistem panel surya berbeban dengan tegangan Va. Penyajian pemodelan panel surya sesuai dengan ketiga persamaan di atas dalam bentuk sub sistem dapat dilihat pada Gambar 9. berikut.

Gambar 9. Model panel surya dalam bentuk sub sistem

Perubahan suhu (Tm) dan irradiasi (Suns) menghasilkan tegangan dan arus keluaran yang berbeda setiap nilainya. Gambar 9. dan 10. memperlihatkan grafik fungsi arus terhadap tegangan dan grafik fungsi daya keluaran panel surya terhadap tegangan pada suhu 25 ˚C untuk irradiasi 500 s/d 1000 W/m2.

Gambar 9. Hasil simulasi karakteristik I-V dengan variasi irradiasi 500 s/d 1000 pada suhu 25 ˚C

Gambar 10. Hasil simulasi karakteristik daya (P) dengan variasi i rradiasi 500 s/d 1000 pada Suhu 25 ˚C

C. Pemodelan Generator Impuls

Besarnya impuls dari petir (TS x TR) dengan

menggunakan standar IEC adalah sebesar ±1,2/50 µs. Untuk bentuk gelombang dari impuls petir dan rangkaian pengganti untuk generator impuls dapat dilihat pada Gambar 11. dan 12. berikut ini.

Gambar 11. Karakteristik gelombang impuls sesuai standar IEC

Gambar 12. Rangkaian generator impuls 1 tingkat

Dengan menggunakan program paket model di atas direpresetasikan seperti pada Gambar 13. dan diperoleh bentuk keluaran tegangan impuls seperti pada Gambar 14.

Gambar 13. Rangkaian generator impuls menggunakan program paket

Gambar 14. Bentuk gelombang tegangan impuls 1,2/50 µs

III. HASILSIMULASIDANANALISA

Sebagai acuan dalam pengambilan data dan parameter apakah pemodelan yang dilakukan telah sesuai dengan hasil yang sebenarnya, maka akan ditampilkan data yang telah dilakukan peneliti lain pada Gambar 15. berikut.

Gambar 15. Bentuk tegangan keluaran setelah sambaran terjadi

Dari data hasil percobaan pada gambar di atas diperoleh tegangan keluaran pada panel surya sebelum terjadi sambaran sebesar 24 V. Sesaat setelah sambaran terjadi, dari gambar tersebut ditemukan lonjakan tegangan sebesar 400 V peak dengan polaritas terbalik. Munculnya polaritas terbalik ini dikarenakan adanya ground potential rise akibat dari sambaran petir tidak langsung.

Sedangkan untuk simulasi dilakukan dengan menyambarkan tegangan impuls 200 kV pada rangkaian kopling dan panel surya dalam keadaan tidak aktif. Gambar untuk rangkaian kopling dengan rangkaian pengganti R, L, dan C paralel, terlihat pada Gambar 16. berikut ini.

Gambar 16. Rangkaian kopling yang berupa rangkaian R, L, dan C

Untuk besarnya nilai dari komponen R, L, dan C kopling adalah seperti pada Gambar 17. berikut.

Gambar 17. Nilai dari tiap komponen pada kopling

Simulasi dilakukan dengan mengukur tegangan keluaran pada panel surya. Tegangan keluaran yang terbaca terlihat pada Gambar 18. berikut.

Gambar 18. Tegangan keluaran dari panel surya

Dari gambar di atas terlihat bahwa pada terminal output panel surya muncul tegangan akibat sambaran petir sebesar 451,5 V peak. Data hasil simulasi gambar di atas jika

Dari hasil di atas, tegangan lebih yang muncul dapat merusak panel surya tersebut dan juga peralatan pendukungnya karena tidak mampu menerima gangguan yang terjadi.

IV. KESIMPULAN

Dari hasil data yang telah diperoleh ini, maka dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain:

1. Ketika terjadi sambaran petir tidak langsung, kopling antara tanah dengan panel surya dapat direpesentasikan dengan rangkaian R, L, dan C paralel.

2. Hasil simulasi menunjukan muncul kenaikan tegangan yang polaritasnya berlawanan dengan panel surya akibat adanya kopling R, L, dan C.

3. Dari hasil simulasi diperoleh potensial ground rise

sebesar 451,5 V. Jika dibandingkan dengan hasil percobaan peneliti lain yang besarnya 400 V, diperoleh nilai error 12,88 %.

UCAPANTERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember yang telah memfasilitasi penulisan penelitian ini.

DAFTARPUSTAKA

[1]. PT. Aman Berkah Sejahtera, “System Proteksi Petir Terpadu”, <URL:http://www.petir.com/pdf/SYSTEMPROTEKSIPETIRTERPA DU.pdf>, November, 2011.

[2]. Xs Engineering, "Latest BS 7671 Wiring Regulations & Surge Protection" URL:http://www.xsengineering.net/content. asp? p=391 [3]. Maliki, Riduwan, 2005, “ Studi Dampak Sambaran Petir

Pada Peralatan Tegangan Rendah Rumah Tangga Menggunakan Perangkat Lunak EMTP”, Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

[4]. Nattapong Phanthuna dan Natdanai Thongchompoo, 2010, “Model and Experiment for study and analysis of Photovoltaic lightning Effects”, International Conference on Power System Technology.

[5]. Weidonq Xiao, William G. Dunford, dan Antoine Capel, 2004, “A Novel Modeling Method for Photovoltaic Cells”, 35th _{Annual IEEE Power Electronics Specialists}

Conference.

[6]. Francisco M. Gonzales-Longatt, 2005, “Model of Photovoltaic Module in MatlabTM”, 2Do Congreso Iberoamericano De Estudiantes De Ingenieria Electrica, Electronica Y Computation, II Cibelec.