82
PEMODELAN DAN SIMULASI 36 SEL PHOTOVOLTAIC
Asepta Surya WardhanaSTEM Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38 Cepu, Kabupaten Blora
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Pemodelan dan simulasi sel surya menggunakan single dioda digunakan untuk menganalisa karak-teristik suatu modul dapat diimplementasikan dengan perangkat lunak Simelectronic
Matlab/Simu-link. Blok sel surya single dioda pada Simelectronic dapat digunakan untuk menampilkan keluaran I-V
dan P-V dengan variasi beberapa parameter sel surya. Pemodelan ini menggunakan 36 sel surya yang dihubungkan seri dengan iradiasi matahari 1000W/m2. Variasi suhu pada dioda menyebabkan
perubahan arus Is sehingga akan mempengaruhi keluaran daya. Perubahan kenaikan suhu 60°C
menyebabkan daya berkurang 3,02 Watt. Hasil simulasi ini memperoleh nilai Maximum Power Point (MPP) yang merupakan titik optimal dari perbandingan nilai maksimal dari tegangan dan arus pada kondisi iradiasi matahari 1000W/m2 dan pada suhu normal sebesar 96,80Watt. Pemodelan dan
simulasi ini memperoleh hasil yang akurat dan optimal dari pemodelan sel surya dengan single dioda yang ditampilkan dalam bentuk grafik.
Kata kunci: PV, dioda, sel surya, simulasi, simelectronic
ABSTRACT
Modeling and simulation of solar cells using a single diode is used to analyze the characteristics of a module can be implemented with software Simelectronic Matlab/Simulink. Block solar cells on Simelectronic single diode can be used to display the output I-V and P-V with some variation of the solar cell parameters. This modeling using 36 solar cells connected in series with solar irradiation of 1000W/m2. Variations in temperature cause changes in current diode is that affect power output. Changes in temperature rise of 60 °C causes reduced power 3,02 Watt. The results of this simulation to obtain the value of Maximum Power Point (MPP) which is the optimal point of comparison of the maximum value of the voltage and current in the solar irradiation conditions of 1000W/m2 and at normal temperature for 96,80 Watt. Modeling and simulation is to obtain an accurate and optimal results of modeling of solar cells with a single diode shown in graphical form.
Key words: PV, diodes, solar cell, simulation, simelectronic
1. PENDAHULUAN
Berlimpahnya sumber energi matahari sebagai salah satu bentuk energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk pemenuhan kebutuhan listrik. Matahari menyediakan energi sangat besar diperkirakan permukaan Bumi menyerap sebesar 1.8 x 1011MW1). Ini artinya kurang dari satu jam matahari mengi-rimkan energi ke bumi untuk mencukupi ke-butuhan dari mahkluk hidup. Sumber energi alternatif menjadi kontribusi yang sangat
penting dalam kebutuhan konsumsi dunia. Dalam kenyataannya, kebutuhan dari energi matahari mengalami kenaikan dari 20% sam-pai 25% lebih dari 20 tahun terakhir2).
Hal yang mendasar dalam sistem pem-bangkit energi matahari adalah sel surya atau
photovoltaic (PV) cell yang dapat
dimodel-kan dengan PV model. Photovoltaic merupa-kan sistem pengubah panas matahari menjadi energi listrik3). Penyerapan pancaran cahaya matahari menghasilkan pembawa-pembawa minoritas bebas, yang menentukan arus sel
83
surya. Pembawa ini terkumpul dan terpisah oleh junction dioda, yang menentukan besar tegangannya4). Dalam pengoperasiannya, ki-nerja PV sangat dipengaruhi oleh kondisi iklim daerah seperti suhu lingkungan dan ira-diasi matahari (pancaran cahaya matahari) serta parameter lainnya seperti arus short
cir-cuit, tegangan open circir-cuit, suhu sel PV,
fak-tor ideal, nilai resistansi dioda dan jumlah sel PV.
Sel surya atau Photovoltaic (PV) adalah perangkat yang banyak dijual dipasaran atau toko elektronik yang mempunyai kemam-puan daya yang berbeda-beda berdasarkan banyaknya sel surya pada setiap modulnya. Sel surya yang ada diklasifikasikan sesuai kapasitasnya seperti 5 Watt Peak (Wp), 50 Wp, 80 Wp, 100Wp dan sebagainya. Dika-renakan kemampuan sel surya yang beragam maka perlu dilakukan percobaan untuk me-ngetahui karakteristik dari setiap modulnya. Hal ini sangat menyulitkan dan membutuh-kan biaya yang besar jika harus mengimple-mentasikan secara nyata disebabkan harga sel surya yang cukup mahal untuk setiap Watt Peak-nya.
Dari permasalahan tersebut perlu adanya teknik untuk membuat pemodelan dan simu-lasi dari aplikasi sel surya dengan beragam kondisi dan jumlah sel surya. Simulasi sebe-lumnya telah ada seperti PSPICE yang digu-nakan untuk pembelajaran sel surya silikon dan hubungan seri setiap selnya5,6). Selain itu juga telah dikembangkan simulasi menggu-nakan Matlab Simulink untuk single diode dan karakteristik modul surya2,4). Penelitian mengenai simulasi yang sebelumnya ditujuk-kan untuk mengetahui karakteristik dari mo-dul surya dimana dapat mengetahui tegang-an, arus dan maksimum power point (MPP) dari setiap selnya. Hal ini sangat baik dan membantu dalam menganalisa dari kemam-puan dari sel surya. Pada simulasi sebelum-nya memerlukan komputasi dan parameter yang cukup banyak serta belum dikembang-kan untuk penggunaan banyak sel surya.
Dalam penelitian ini dikembangkan pe-modelan dan simulasi yang dapat digunakan untuk banyak sel surya dengan mengguna-kan Simelectronic (Matlab Simulink). Dalam
penelitian ini digunakan modul panel surya 100Wp dengan 36 sel surya yang dihubung-kan secara seri.
2. METODE A. Simelectronic
Perangkat lunak Simelectronic menye-diakan kumpulan komponen untuk pemodel-an dpemodel-an simulasi sistem elektronik dpemodel-an meka-tronika. Kumpulan komponen termasuk mo-del semikonduktor, motor, drive, sensor, ak-tuator dan sel surya. Simelectronic dapat un-tuk mengembangkan sistem aktuasi elektro-mekanis dan elektronik dalam membangun model karakteristik untuk mengevaluasi ki-nerja dan desain rangkaian analog.
Simelectronic model dapat digunakan
untuk mengembangkan algoritma kontrol da-lam sistem elektronik dan mekatronika dan sebagainya. Dalam pengujiaanya dapat dila-kukan dalam simulasi dengan memberikan paremeter dan variabel pada MATLAB se-bagai nilai masukannya.
Penggunaan pemodelan Simelectronic menggunakan blok diagram yang dapat di-kombinasikan dengan pemrograman simu-link dan model simscape.
B. Rangkaian Model Sel Surya
Modul dari sel surya secara umum di-buat dari bahan material silikon atau gallium
arsenide, dan bahan pembentuk lainnya.
Ba-gian utama sel surya yaitu junction p-n atau ekivalen dengan junction Schottky diperlu-kan untuk pengaruh sel surya terhadap peru-bahan pancaran cahaya atau iradiasi mata-hari4).
Sel surya dapat di rangkaian menjadi pe-modelan ekivalen sederhana dengan meng-hubungkan sumber arus dengan dioda p-n secara pararel. Photocurrent Iph adalah be-sarnya keluaran dari sumber arus yang secara langsung didapat dari jatuhnya cahaya mata-hari ke sel surya. Pada kenyataannya aliran arus ini mengalami hambatan pada material semikonduktor dan resistansi ekternalnya. Sehingga perlu menambahkan resistor shunt Rp yang dipararel dengan dua dioda sebagai arus bocor dan resistor seri Rs sebagai
taha-84
nan dalam dari aliran arus. Pemodelan ini menggunakan dioda digunakan seperti gam-bar berikut ini:
Gambar 1. Rangkaian Ekivalen Sel Surya
Dari gambar rangkaian ekivalen sel sur-ya dapat dimodelkan menggunakan blok diagram pada Simelectronic. Komponen yang paling penting mempengaruhi dari simulasi ini adalah model photovoltaic (PV) sel. Pe-modelan dari sel surya termasuk mengesti-masikan kurva nilai karakteristik dari V-I dan V-P sesuai dengan simulasi kondisi lingkungan sebenarnya. Pendekatan untuk representasi rangkaian sel surya adalah dioda.
Dalam pemodelan di simelectronic telah disediakan blok sel surya yang berisi para-meter seperti Isc, Voc, Iradiasi matahari dan variabel masukan lainnya.
Gambar 2. Simbol Sel Surya
Sel surya dalam bentuk rangkaian dapat direpresentasikan dalam rumusan pada per-samaan 3. Dari perper-samaan Iph merupakan besarnya arus keluaran yang dihasilkan dari pancaran matahari sehingga didapat persa-maan 1.
𝐼𝑝ℎ = 𝐼𝑝ℎ0 𝐼𝑟
𝐼𝑟0...(1)
Iradiasi matahari (Ir) merupakan besar-nya intensitas cahaya yang jatuh dalam sel surya dalam satuan W/m2. Tegangan yang melintas dari sel surya adalah V (Volt). Ke-luaran arus listrik dari sel surya adalah I (ampere). Tegangan termal (Vs) adalah te-gangan yang berubah dari pengaruh dari temperatur sel surya dan konstanta Boltzman (1,38.10-23J/K) dibanding dengan konduksi-nya elektron (1,6.10-19C) sehingga didapat persamaan (2).
𝑉𝑆 = 𝐾∗𝑇
𝑞 ...(2) Dapat dijabarkan dari persamaan 3 bah-wa Is dan Is2 adalah arus saturasi dari dioda pertama dan dioda kedua. Quality factor atau Faktor ideal dari N tergantung dari teknologi silikon dari sel surya yang digunakan untuk Si-Mono = 1,2 dan Si-Poly = 1.3. Silikon mono merupakan bahan yang banyak digu-nakan untuk sel surya karena mempunyai faktor ideal yang baik.
Penentuan kinerja dan pemodelan dari modul sel surya maka diperlukan informasi mengenai tegangan dan arus yang disediakan dari berbagai operasi yang mempengaruhi seperti arus short circuit Ioc, tegangan Open
circuit Voc, intensitas iradiasi, faktor ideal
dan suhu sel. Sehingga hasil bentuk keluaran I-V dan P-V karakteristik dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 3. Karakteristik I-V dari Sel Surya6)
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ− 𝐼𝑠(𝑒 𝑉+𝐼∗𝑅𝑠 𝑁∗𝑉𝑠 − 1) − 𝐼𝑠2(𝑒 𝑉+𝐼∗𝑅𝑠 𝑁2∗𝑉𝑠 − 1)(𝑉+𝐼𝑅𝑠) 𝑅𝑝 ...(3)
85 3. PEMBAHASAN
A. Spesifikasi Data Sel Surya
Pemodelan ini menggunakan Modul pa-nel surya 100Wp Skytech Solar Cell. Modul ini terhubung secara seri sebanyak 36 sel surya jenis mono crystaline. Mono crystaline mempunyai kemampuan keluaran daya yang lebih besar dan efisien dibandingkan dengan multi kristal4). Spesifikasi dari modul pada tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Skytech SIM-100 Deskripsi Spesifikasi Keterangan
Daya Maksimal 100Wp
Tegangan Maksimal (Vpm) 18.90V Arus Maksimal (Imp) 5.33A Tegangan Open Circuit (Voc) 22.54V Arus Short Circuit ( Isc) 5.79A Jumlah dari sel surya 4*9
Luas modul (mm) 1002x666x35mm Ruang temperatur -40℃ to + 85℃
Kemampuan dari sel surya ini telah dila-kukan pengujian sesuai dengan standar ISO 9001:2008, ISO14001 dan OHSAS 18000. Penggunaan dilakukan pada iradiasi matahari 1000W/m2 dan pada suhu 25°C yang meng-acu pada AM 1.5. Data tabel 1 digunakan se-bagai data referensi untuk pemodelan pada blok sel surya.
Gambar 4. Modul Sel Surya 4 x 9. B. Tahapan Pemodelan Sel Surya
Tahapan pertama pemodelan membuat suatu sub sistem dari simulink, fungsi sub sistem sebagai tempat untuk merancang tem yang akan diterapkan. Sehingga Sub sis-tem akan berisi blok-blok yang terdiri dari rangkaian ekivalen sel surya sebanyak 36 sel. Selain itu Sub sistem juga berisi peng-ukuran tegangan dan arus yang didapat dari karakteristik sel surya.
Gambar 5. Tampilan Sub Sistem Simulink Simulink library browser berisikan
se-mua kumpulan kompenen elektronik yang akan digunakan dalam tahap pemodelan. Tahap kedua buat desain pemodelan seperti gambar 5.
Gambar 6. Sub Sistem 1 Modul 100Wp
Pada Sub sistem 1 ini diberikan satu in-put sebagai iradiasi matahari dan 3 keluaran berupa tegangan, arus dan daya yang di-hubungkan dengan grafik P-V dan I-V. Pada Sub sistem diberikan 2 keluaran positif dan negatif yang berfungsi sebagai pembebanan, pada pembebanan ini dihubungkan dengan keluaran dari sel surya.
Selanjutnya membuat Sub sistem 2 yang terdapat didalam Sub sistem 1. Pada Sub-sistem 1 diklik maka akan muncul garis, ke-mudian tambahkan komponen-kompenen se-perti simulink-PS Converter, solver
configu-ration, sensor arus, sensor tegangan dan
pe-tanahan. Simulink-PS Converter berfungsi merubah sinyal masukan sumber iradiasi ma-tahari menjadi sinyal fisik. Solver
configura-tion digunakan sebagai pengumpul informasi
dan agar semua parameter yang telah diga-bungkan dapat disimulasikan sesuai dengan konfigurasi yang diingingkan.
86
Gambar 7. Sub Sistem 2 Modul Surya dengan Sensor Pengukuran
Pada sub sistem 3 berisikan modul surya sebanyak 36 sel. Sel surya ini tergabung dari 2x18 sel surya yang dirangkai seri.
Gambar 8. Sub Sistem 3 Modul Surya dengan 36 Sel
Pada masing-masing sub sistem dibuat menjadi 2 bagian bertujuan memudahkan dan efisiensi pemodelan pada single dioda. Pada sub sistem 4 sel surya tergabung dari 3x6 sel surya yang dirangkai seri.
Gambar 9. Sub Sistem 4 Modul Surya dengan 6 Sel
Sehingga dari setiap sub sistem, 6 sel surya masing-masing berisikan 6 single dio-da. Didalam single dioda terdapat blok pa-rameter yang berisikan persamaan 1 sehing-ga dapat memudahkan dalam pengisian vari-abel. Pemodelan ini tidak memerlukan listing
program maupun masukan rumusan karena rumus persamaan yang digunakan di
sim-electronic adalah standar dan tidak dapat
di-rubah.
Gambar 10. Blok 6 Sel Surya
Pada blok parameter sel surya nilai yang dimasukkan adalah arus Short Circuit (Isc) sebesar 5.79 ampere dan tegangan Open
circuit (Voc) sebesar 0.6261 Volt. Hukum Kirchhoff pada rangkaian seri maka arus
yang mengalir disetiap komponennya ber-nilai sama dan ber-nilai tegangan disetiap kom-ponennya berbeda-beda sesuai dengan nilai bebannya. Karena beban atau dioda yang di-pakai adalah sama, maka nilai adalah Voc = 22,54 : 36 sel = 0.6261 volt. Nilai variabel pada setiap sel surya diisikan sama sebanyak 36 sel dengan memasukkan nilai-nya seperti gambar 11.
87 Gambar 11. Blok Parameter Sel Surya 1 C. Hasil Simulasi Sel Surya
Pemodelan menggunakan simulink pada sel surya menggambarkan karakteristik dari nilai tegangan dan arus pada daerah yang mempunyai nilai maksimum atau puncak. Posisi puncak yang dicapai suatu sel surya dapat dikatakan sebagai daya maksimal pada titik Maximum Power Point (MPP)7).
Percobaan 1 dengan faktor ideal 1,2 dan temperatur 25°C pada iradiasi 1000W/m2 di-dapat MPP pada tegangan 18.8 Volt dan daya 99.82 Watt seperti gambar 12.
Gambar 12. Karakteristik P-V pada Suhu 25°C dan Iradiasi 1000W/m2 Pada gambar 13 diperoleh arus Isc 5.79 Ampere dan Voc 22.52 Volt serta didapatkan Imaks 5.38 Ampere dan Vmaks 18.8 Volt.
Gambar 13. Karakteristik I-V pada Suhu 25°C dan Iradiasi 1000W/m2
Pada pengujian karakteristik dengan be-berapa variasi iradiasi telah dipaparkan bah-wa makin rendah iradiasi maka makin kecil daya yang dihasilkan4).
Percobaan ini dilakukan pengujian peru-bahan temperatur dari sel surya terhadap ke-luaran daya maksimum. Perubahan tempera-tur dapat dilakukan pada blok parameter sel surya.
Percobaan 2 dengan faktor ideal 1,2 dan temperatur 85°C pada iradiasi 1000W/m2 di-dapat MPP pada tegangan 18.31 Volt dan daya 96.80 Watt.
Gambar 14. Karakteristik P-V pada Suhu 85°C dan Iradiasi 1000W/m2 Pada gambar 15 diperoleh arus Isc 5.79 Ampere dan Voc 22.52 Volt yang tetap na-mun didapatkan perubahan Imaks 5.28 Ampere dan Vmaks 18.31 Volt.
Gambar 15. Karakteristik I-V pada Suhu 85°C dan Iradiasi 1000W/m2 Perubahan temperatur dari 25°C dari 85°C menyebabkan perubahan pada daya dengan penurunan 3,02 Watt. Penyebab tu-runnya daya disebabkan kenaikan suhu pada Is dioda yaitu pada panel modul. Dari hasil simulasi terjadi penurunan dimana beda arus 0.1 A dan tegangan 0.49 V. Hasil variasi temperatur dapat dilihat pada tabel 2.
MPP
Isc
Voc
Imaks & Vmaks
MPP Da ya Da ya Tegangan Isc Voc Imaks & Vmaks Tegangan
88 Tabel 2. Variasi Temperatur
Karakteristik 25°C 85°C Daya (W) 99.82 96.80 Isc (A) 5.79 5.79 Voc (V) 22.52 22.52 Imaks (A) 5.38 5.28 Vmaks (V) 18.8 18.31
Dari percobaan 1 didapat Daya Pmpp 99.82 Watt sehingga dapat dihitung nilai efi-siensinya. Efisiensi8) modul dapat dihitung.
= 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠 1000𝑊 𝑚2.𝑙𝑢𝑎𝑠𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙(𝑚 2) ...(4) = 99.82 1000 ∗ 0.66∗ 100% = 15.12%
Sehingga nilai efisiensi modul dengan luas sel surya sebesar 0.66m2 dengan daya 99.82 watt adalah 15,12%. Modul sel surya yang paling efisien, menghasilkan daya lis-trik persatuan luas yang paling tinggi yang memiliki efisiensi sampai dengan 15% 9).
4. SIMPULAN
Pemodelan dari rangkaian ekivalen sel surya dapat dilakukan secara sederhana dila-kukan menggunakan blok single dioda dari
library simelectronic. Pengembangan untuk
rangkaian seri dalam jumlah banyak dapat mudah dikombinasikan dengan pemodelan ini. Keluaran dari karakteristik kurva I-V dan P-V mempunyai hasil yang sama dengan da-ta pabrikan. Variasi dari perubahan kenaikan suhu menghasilkan nilai daya yang berku-rang 3,02 watt atau kuberku-rang lebih 0,05 watt setiap kenaikan 1°C. Hal ini tidaklah men-jadi penting jika suhu pada modul cenderung tetap atau kenaikan yang tidak signifikan. Variasi pemodelan dapat diterapkan dengan mengubah nilai faktor ideal dan resistansi.
Pemodelan ini dapat diterapkan untuk percobaan praktikum dilaboratorium sebagai dasar pemahaman dari penggunaan dan ka-rakteristik sel surya terhadap lingkungan nyata. Perlu dikembangkan model single
dioda pada rangkaian seri-pararel untuk ja-ringan sistem yang lebih besar.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. Messenger R. and Ventre J. Photovoltaic Systems Engineering. CRC Press. 2000: 41-51.
2. Salmi T, Bouzguenda M, Gastli A, Masmoudi A. MATLAB/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell. International Journal Of Renewable Energy Research., 2012: 2(2).
3. Kroposki B., DeBlasio R. Technologies for the New Millennium: Photovoltaics as a Distributed Resource. Power Engineer-ing Society Summer MeetEngineer-ing. IEEE. 16-20 Juli 16-2000;3:1798-1801.
4. Wardhana A S. Uji Karakteristik Keluar-an Daya Sel Surya 80 Wp MenggunakKeluar-an Pemodelan Simulink. Jurnal ESDM. November 2013;5(2):98-106.
5. Nema R.K., Nema S, Agnihotri G. Com-puter Simulation Based Study of Photovoltaic Cells/Modules and their Experimental Verification. International Journal of Recent Trends in Engineering. Mei 2009;1(3):151-6,.
6. Sheriff M. A., Babagana B. and Maina B. T. A Study of Silicon Solar Cells and Modules using PSPICE. World Journal of Applied Science and Technology. 2011; 3(1):124-130.
7. Malik N K, Singh J, Kumar R, Rathi N. A Review on Solar PV Cell. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). June 2013;3(1).
8. Awodugba A. O., Sanusi Y. K., Ajayi, J. O. Photovoltaic Solar Cell Simulation Of Shockley Diode Parameters In Matlab. International Journal of Physical Sciences. 16 june 2013;8(22):1193-1200. 9. Rif’an M., Sholeh H P., Shidiq M.,
Yuwono R., Suyono H., Fitriana S. Opti-masi Pemanfaatan Energi Listrik Tenaga Matahari di Jurusan Teknik Elektro Uni-versitas Brawijaya. Jurnal EECCIS. Juni 2012;6(1).
