SEL SURYA 80 Wp MENGGUNAKAN PEMODELAN SIMULINK
Asepta Surya WardhanaSTEM “Akamigas”, Jl. Gajah Mada No. 38, Cepu
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Energi matahari merupakan energi alternatif yang dapat diperbaharui. Sel surya dikembangkan untuk kebutuhan penyerap panas dan dapat diubah menjadi tenaga listrik. Pemodelan sel surya menggunakan dioda Shockley yang diimplementasikan dalam rumusan dan pemodelan menggunakan perangkat lu-nak Matlab/Simulink. Pemodelan dengan simulasi ini bertujuan mendapatkan karakteristik dari sel surya dengan menampilkan keluaran I-V dan P-V dalam beberapa variasi iradiasi matahari W/m2.
Pa-rameter yang dipergunakan berupa arus dioda, tegangan p-n junction, iradiasi, suhu dan jumlah sel surya seri-pararel. Dalam penelitian ini disimulasikan dan dimodelkan rangkaian listrik dari sel surya dengan daya 80 Wp kemudian dibandingkan dengan data pabrik. Hasil simulasi memperoleh nilai
Maximum Power Point (MPP) yang merupakan titik tunggal puncak dari perbandingan nilai maksimal
dari tegangan dan arus pada kondisi iradiasi matahari W/m2 sebesar 80.08 Watt dengan toleransi kesalahan 0.1%. Simulasi ini mendapatkan hasil yang akurat dan optimal dari pemodelan sel surya dengan dioda yang ditampilkan dalam bentuk grafik.
Kata kunci: sel surya, MPP, dioda, simulasi.
ABSTRACT
Solar energy is a alternative renewable energy. Solar cells are developed for the needs of a heat sink and can be converted into electricity. Modeling of solar cells using Shockley diodes are implemented in the formulation and modeling using the software Matlab/Simulink. With simulation modeling, aimed at finding the characteristics of solar cells with the I-V and P-V output displays some variation of so-lar irradiation in W/m2. The parameters used in the form of diode current, voltage pn junction, irradi-ation, temperature and amount of solar cell series parallel. In this study the electric circuit of a solar cell with a power of 80 Wp was simulated and modeled then compared with the factory data. The ob-tained Maximum Power Point (MPP) which is a single point of comparison of the value of the maxi-mum peak voltage and current of the solar irradiation conditions W/m2 is 80.08 Watt with an error tolerance of 0.1%. This simulation obtained accurate and optimal results from the modeling of solar cells with diode shown in graphical form.
Key words: solar cells, MPP, diodes, simulation.
1. PENDAHULUAN
Berkurangnya cadangan energi fosil se-perti minyak bumi merupakan permasalahan yang harus dihadapi oleh dunia. Dengan perkembangan dunia yang semakin modern dan berkembang secara tidak langsung pe-manfaatan energi juga bertambah. Pada saat ini telah banyak dikembangkan energi
alter-natif sebagai solusi dari kebutuhan energi yang makin bertambah.
Salah satu bentuk energi alternatif yang dapat dimanfaatkan adalah cahaya matahari. Matahari menyediakan energi sangat besar diperkirakan permukaan Bumi menyerap se-besar 1.8 x 1011MW1). Ini artinya kurang dari satu jam matahari mengirimkan energi ke bumi untuk mencukupi kebutuhan dari
mahkluk hidup. Indonesia menerima energi surya yang iradiasi energi harian rata-rata per satuan luas per satuan waktu sebesar kira-kira 4,8 kilowatt/m2.
Energi iradiasi dari matahari merupakan sumber energi yang mudah didapat, murah, bebas polusi dan dapat diperbaharui. Maka dari itu banyak dikembangkan sistem peng-ubah panas matahari menjadi energi listrik. Namun perkembangan sel surya masih men-galami kendala dalam efisiensi energi yang rendah dan biaya instalasi yang mahal. Sel surya atau Photovoltaic (PV) sangat di-pengaruhi oleh kondisi cuaca, suhu ling-kungan dan level pancaran cahaya.
Sistem Photovoltaic menyediakan listrik berupa Direct Current (DC) ketika cahaya matahari terkena pada susunan sel surya. Listrik DC diubah menjadi listrik Alternating
Current (AC) dengan inverter dan dapat
di-gunakan untuk beban lokal atau umpan balik untuk keperluan inverter2).
Aplikasi sel surya dapat dikelompokkan dalam macam keperluan seperti koneksi
grid, hybrid dan berdiri sendiri. Sistem sel
surya terdiri dari pembangkit sel surya yaitu sel, modul, array. Energi sel surya dapat disimpan dalam baterai dan digunakan untuk beban DC atau diubah menjadi AC untuk keperluan tegangan tinggi. Pada penelitian ini memodelkan dan mensimulasikan bentuk modul sel surya dari jenis dioda Shockley. Karakteristik keluaran dari modul sel surya sangat tergantung dari irradiation atau pan-caran cahaya matahari, suhu sel surya dan tegangan keluaran dari modul sel surya. Simulasi menggunakan program MATLAB /Simulink dengan menunjukan karakteristik dari sebuah sel surya dengan keluaran berupa arus, tegangan dan daya.
2. METODE
A. Prinsip Kerja Sel Surya
Sel Surya atau Photovoltaic (PV) adalah diode semikonduktor yang didesain untuk menyerap cahaya matahari dan mengubah-nya menjadi listrik3). Penyerapan pancaran
cahaya matahari menghasilkan pembawa-pembawa minoritas bebas, yang menentukan
arus sel surya. Pembawa ini terkumpul dan terpisah oleh junction dioda, yang menen-tukan besar tegangannya.
Gambar 1. Prinsip Kerja Sel Surya.
Kumpulan sel surya dibuat dengan ba-han material silikon, gallium arsenide,
cad-mium telluride, copper indium diselenide,
dan beberapa bahan lain. Bagian utama sel surya yaitu junction p-n4) atau ekivalen dengan junction Schottky diperlukan untuk pengaruh sel surya terhadap perubahan pan-caran cahaya atau iradiasi matahari.
Gambar 2. Pita Energi Difusi Elektron-Hole dan Junction P-N.
Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron dan hole bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semi-konduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari
semi-konduktor tipe-n ke tipe-p sehingga mem-bentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran el-ektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana ketika iradiasi matahari mengenai susunan p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang.
B. Karakteristik Sel Surya
Rangkaian ekivalen sederhana dari sel surya dengan menghubungkan sumber arus dengan dioda secara pararel. Keluaran dari sumber arus secara langsung sesuai dengan jatuhnya cahaya ke sel surya disebut sebagai
photocurrent Iph5). Pada kondisi dilapangan aliran arus ini mengalami hambatan di mate-rial semikonduktor dan resistansi pada kon-tak ekternal. Sehingga perlu menambahkan resistor shunt Rsh yang dipararel dengan di-oda sebagai arus bocor dan resistor seri Rs sebagai tahanan dalam dari aliran arus. Pe-modelan ini menggunakan dioda digunakan oleh Gow and Manning6) seperti pada
gam-bar berikut ini:
Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Sel Surya.
Arus maksimum sel surya tergantung pada lebar pita penyerapan semikonduktor dan iradiasi matahari. Setiap photon dengan energi lebih besar dari lebar pita dapat di-harapkan untuk membangkitkan satu pasang elektron-hole, yang menyebabkan satu pem-bawa minoritas dapat terkumpul. Analisa
aliran elektron dan hole melewati junction merupakan pengembangan persamaan dioda:
...(1)
Apabila digabungkan dengan rangkaian ekivalen dari sel surya yang mempunyai re-sistor shunt dan seri maka didapatkan per-samaan:
... (2)
Persamaan ini menggambarkan hubung-an hubung-antara teghubung-anghubung-an dhubung-an arus yhubung-ang diberikhubung-an oleh modul sel surya. Ini merupakan rumus matematika yang non liner. Tegangan luar melewati junction dari sisi-p ke sisi-n pada dioda. Arus dari Ipv menyediakan perubahan efek photo listrik. Model sel surya terdiri dari photo listrik5) Ipv dan arus dioda Io yang
tergantung dari suhu.
...(3) Arus short circuit pada sel surya yang berada pada suhu 25°C dan iradiasi matahari sebesar 1 sun = 1000W/m2. Koefisien suhu
pada saat arus short circuit pada sel surya berhubungan dengan perubahan suhu refe-rensi pada sel surya. Disebabkan arus satu-rasi pada sel surya bervariasi terhadap suhu sehingga persamaan5) untuk arus saturasi dapat berupa:
...(4)
Arus balik saturasi adalah arus pada kondisi temperatur referensi dan iradiasi ma-tahari, energi panas yang ditimbulkan me-nyebabkan jarak antar pita energi dalam semikonduktor yang digunakan pada sel ber-ubah. Faktor ideal dari a tergantung dari tek-nologi dari sel surya yang digunakan. Silikon mono merupakan bahan yang banyak digu-nakan untuk sel surya karena mempunyai faktor idela yang baik.
Tabel 1. Faktor Ideal a berdasarkan Teknologi5). Teknologi a Si Mono 1.2 Si-Poly 1.3 a-Si:H 1.8 a-Si:H tandem 3.3 a-Si:H triple 5 CdTe 1.5 CIS 1.5 AsGa 1.3
Secara khusus konfigurasi dari modul sel surya untuk mendapatkan energi yang tinggi maka setiap selnya harus dihubungkan secara seri maupun pararel. Untuk dapat menghasilkan arus dan tegangan yang besar maka rangkaian modul sel surya dapat diben-tuk seperti gambar dimana Ns Seri dan Np pararel. Persamaan 5 untuk arus dan tegang-an dari kumpultegang-an sel5,7,8) menjadi seperti
di-bawah.
Gambar 4. Rangkaian Modul Sel Surya Seri dan Pararel7,8).
Untuk menentukan kinerja dari panel sel surya maka perlu diketahui tegangan dan arus yang disediakan oleh dari berbagai ope-rasi yang mempengaruhi seperti intensitas iradiasi dan suhu sel. Secara khas bentuk
keluaran I-V dan P-V karakteristik dapat di-gambarkan sebagai berikut:
Gambar 5. Karakteristik I-V dari Sel Surya.
Karakteristik dari kurva I-V gambar 6, adalah adanya titik dimana pertemuan antara arus maksimal dan tegangan maksimal jika dikalikan akan mendapatkan daya maksimal yang dikirim oleh sel surya. Titik puncak ini disebut titik daya maksimum (maksimum
power point) dari sel5).
Gambar 6. Karakteristik P-V dari Sel Surya dengan Tingkat Level Iradiasi.
Daya maksimal dapat diketahui dari be-sar iradiasi matahari yang diterima sel se-besar 1000W/m2 pada gambar 7 diperlihat-kan hubungan daya dan tegangan dengan berbagai level iradiasi matahari.
...(5)
3. PEMBAHASAN
A. Pemodelan Sel Surya
Simulasi ini menggunakan data dari sel surya yang telah ada di laboratorium dengan tipe BELL model SL 80 CE-18M. Modul ini terkoneksi sebanyak 36 sel surya jenis mono
crystaline. Mono crystaline mempunyai
ke-mampuan keluaran daya yang lebih besar dan efisien dibandingkan dengan multi kris-tal. Spesifikasi dari modul pada tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi dari BELL Model SL 80 CE-18M.
Deskripsi Spesifikasi Keterangan
Tenaga Maksimal 80Wp
Tenaga Optimum Voltage 17.64 V
Tenaga Optimum Arus (Imp) 4.54 A
Tenaga sirkuit terbuka (VOC) 21.92V
Arus pendek sirkuit ( Isc) 4.85A
Jumlah dari sel surya 4*9
Luas modul (mm) 1185*545
Ruang temperatur -40℃ to + 85℃
Toleransi Watt ( e.g. +/-5%) ±5%
Toleransi proses beban 23m/s ,7.53g
Bypass Diode Rating(A) 10 A
Efisiensi sel (%) 15.00%
Efisiensi modul (%) 12.38%
Standar kondisi percobaan AM1.5 1000W/㎡ 25
+/-2°C
FF (%) 70-76%
Kemampuan dari sel surya ini telah dilakukan pengujian sesuai dengan standar ISO 9001:2000 dan sertifikat B2TE-BPPT. Penggunaan dilakukan pada iradiasi matahari 1000W/m2 dan pada suhu 25°C yang
me-ngacu pada AM 1.5. Pemodelan ini diguna-kan acuan yang sama dengan data pabrik untuk mendapatkan nilai sesuai yang diha-rapkan.
Gambar 7. Modul Sel Surya 4x9.
Persamaan rangkaian listrik digunakan untuk memodelkan dari karakteristik dari sel surya. Metode yang telah digunakan dapat diterapkan menggunakan perangkat lunak Matlab/Simulink untuk simulasinya. Secara umum model sel surya menggunakan Matlab atau Simulink5,7) guna menggambarkan per-bandingan non linier dari keluaran I-V arus tegangan dan P-V daya tegangan pada modul sel surya.
Tahap pertama membuat pemodelan fungsi persamaan sesuai dengan metode yang dinginkan yang terdiri dari blok karak-teristik dari P-N junction. Persamaan arus pada rangkaian dapat diselesaikan dengan
Kirchhoff Current Law (KCL) pada blok al-gebraic contraint. Persamaan rangkaiannya
sebagai berikut :
...(6)
Keluaran dari blok algebraic constraint berupa tegangan Vdioda sehingga jika dijum-lahkan dengan Rs menjadi tegangan pada sel Vpv. Sesuai dengan Kirchhoff Voltage Law (KVL) maka :
...(7) Besar tegangan pada modul sel surya tergantung dari banyaknya Ns (jumlah dari sel secara seri).
...(8) Pada model ini diberikan dioda bypass yang berfungsi meminimalkan energi yang hilang karena bayangan dan melakukan transfer arus beban saat perubahan polaritas tegangan beban.
...(9)
Keluaran dari model ini berupa arus, te-gangan dan daya yang kemudian ditampil-kan ke dalam grafik I-V dan P-V dengan tingkat iradiasi 200, 400, 600, 800, dan 1000 W/m2. Model simulasi seperti gambar 10.
Gambar 9. Model Simulink Blok Sub Sistem.
Setelah pemodelan telah dilakukan maka masukan parameter dari data pabrik ke blok fungsi dibawah ini.
Gambar 10. Masukan Data Spesifikasi Sel Surya.
Untuk mengurangi sejumlah penurunan daya maka sel surya ini menggunakan dioda
bypass sebesar 10A.
B. Hasil Simulasi Sel Surya
Pemodelan menggunakan simulink pada sel surya menggambarkan karakteristik dari nilai tegangan dan arus pada posisi tertentu yang mempunyai nilai maksimum atau pun-cak. Posisi puncak yang dicapai suatu sel surya dapat dikatakan sebagai daya maksi-mal pada titik tunggal atau Maximum Power
Point (MPP)9). Hasil simulasi karakteristik
dari I-V dapat dilihat pada gambar 12.
Gambar 11. Karakteristik I-V pada Iradi-asi 1000W/m2.
Gambar 12. Karakteristik I-V dengan berbagai Variasi Iradiasi.
Dari grafik diatas pada saat iradiasi 1000W/m2 didapatkan Imaks = 4,539 A dan Vmaks = 17,6439 V sehingga daya yang di-dapat Pmpp = 80,0856 Watt sebagai
maxi-mum power point (MPP). Diperoleh
tegang-an open circuit Voc = 22,1845 Volt dibtegang-an- diban-dingkan dari data pabrik Voc = 21.92 Volt dan arus short circuit Isc = 4,845 A terhadap data pabrik Isc = 4,85A. Nilai kesalahan atau
error dapat dicari dengan perbandingan data
pabrik dengan pengukuran.
...(10)
Sehingga error pada Voc = -1,2% dan Isc = 0.1%. Perubahan iradiasi matahari me-nyebabkan tegangan open circuit (Voc) dan arus short circuit (Isc) mengalami peru-bahan, semakin besar iradiasi yang diterima makin besar tegangan dan arus yang dihasil-kan oleh sel surya. Fiil Factor (FF) merupa-kan parameter yang menentumerupa-kan daya maksi-mum dari panel sel surya10).
...(11)
Sehingga didapat FF = 74,509 % hasil ini masih dalam batas dari data pabrik yang sebesar 70-76%. Jika daya maksimal dihu-bungkan fiil faktor maka,
...(12) Pmaks = 22,1845 x 4,845 x 0,74509
= 80.08 Watt
Nilai daya Pmpp dari tegangan dan arus maksimal sama dengan nilai Pmaks dari Voc dan Isc. Efisiensi10) modul dapat dihitung.
...(13)
Sehingga nilai efisiensi modul dengan luas sel surya sebesar 0.64m2 adalah 12,5%. Daya maksimum dapat dilihat dari per-bandingan dari keluaran daya dan tegangan seperti pada gambar 14.
Gambar 13. Karakteristik P-V pada Ira-diasi 1000W/m2.
Gambar 14. Karakteristik P-V dengan berbagai Variasi Iradiasi.
Dari grafik P-V didapat daya maksimal pada saat iradiasi 1000 W/m2 sebesar Pmaks = 80.08 Watt. Daya maksimal diperoleh saat tegangan mencapai sekitar 17,64 Volt. Per-cobaan ini berjalan cukup lambat karena it-erasi yang dilakukan berulang dan meng-ambil hasil sebanyak 5460 titik pada setiap perubahan tegangan, arus dan daya dengan perubahan 5 level iradiasi sehingga didapat-kan titik yang optimum dari hasil MPP.
4. SIMPULAN
Rangkaian listrik dari sel surya telah dimodelkan dan disimulasikan menggunakan Matlab/Simulink dengan modul photovoltaic 80Wp. Pemodelan dilakukan dengan peru-bahan iradiasi dan temperatur yang meng-hasilkan karakteristik dari I-V dan P-V. Se-cara tepat rumusan yang disimulasikan dan diperhitungkan telah sesuai dengan hasil data pabrik, kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik. Hasil simulasi ini mempunyai daya maksimal pada saat iradiasi 1000 W/m2 sebesar Pmaks = 80.08 Watt dan toleransi kesalahan 0.1% sehingga pemodelan ini co-cok digunakan sebagai dasar dari per-cobaan sel surya yang lebih rumit. Dengan penggunaan dioda bypass dapat mengatasi penerangan panel yang buruk dan membuat daya tetap tersedia untuk beban. Pemodelan ini juga memperhatikan jumlah sel surya
yang dipasang seri dan pararel dan nilai dari dioda bypass. Pengembangan selanjutnya di-perlukan metode dan penerapan yang lebih nyata dilingkungan serta dihubungkan deng-an sistem grid ydeng-ang lebih besar.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. Messenger R. and Ventre J. Photovoltaic Systems Engineering. CRC Press. 2000: 41-51.
2. Kroposki B., DeBlasio R. Technologies for the New Millennium: Photovoltaics as a Distributed Resource. Power Engineer-ing Society Summer MeetEngineer-ing. IEEE. 16-20 July 16-2000;3:1798 – 1801.
3. Nema S., Nema R.K., Agnihotri G. Matlab/Simulink Based Study of Photo-voltaic Cells/Modules/Array and their Ex-perimental Verification. International Journal of Energy and Environment. 2010;1(3):487-500.
4. Ramos-Hernanz J.A, Campayo J.J, Larranga J, et al. Two Photovoltaic Cell Simulation Models In Matlab/Simulink. International Journal on “Technical and Physical Problems of Engineering” (IJTPE). Mar. 2012;4(10):45-51.
5. Singla V., Garg V. K. Modeling Of Solar Photovoltaic Module & Effect Of Inso-lation Variation Using Matlab/Simulink.
Int J Adv Engg Tech. July 2013;4(3):05-09.
6. Gow J. A., Manning C. D. Development of a photovoltaic array model for use in powerelectronics simulation studies. IEE. Proceedings on Electric Power Applica-tions. March 1999;146(2):193-200.
7. Kim I. S., Kim M. B., and Youn M. J. New maximum power point tracker using sliding-mode observer for estimation of solar array in the grid-connected photo-voltaic system. IEEE Transaction on Industrial Electronics. 2006;53(4):1027-1035.
8. Tsai HL, Tu CS, and Su YJ. Development of Generalized Photovoltaic Model Using Matlab/Simulink. WCECS. October 2008; 22-24
9. 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).
10. Awodugba, A. O., Sanusi, Y. K., and Ajayi, J. O. Photovoltaic solar cell simu-lation of shockley diode parameters in matlab. International Journal of Physical Sciences. 16 june 2013;8(22):1193-1200.
Daftar Simbol
I = arus pada terminal sel surya
Io = arus saturasi dari dioda
q = muatan elektron 1.6x10-19C
k = konstanta Boltzman 1.38x10-12J/K
T = suhu junction dalam K
V = tegangan luar dioda
Iph = arus dari efek photo listrik
a = faktor ideal dari dioda
Isc = arus short circuit
Ko = koefisien suhu
T1 = suhu referensi
λ = pancaran matahari dalam kW/m2.
Irs = arus balik saturasi
Pmpp = Daya pada maximum power point
Rs = Resistor seri
Rsh = Resistor shunt
NS = Jumlah sel dalam seri
Np = Jumlah sel dalam pararel
= efisiensi daya
