UJI KARAKTERISTIK KELUARAN DAYA SEL SURYA 80 Wp MENGGUNAKAN PEMODELAN SIMULINK ABSTRAK

Transkripsi

1 UJI KARAKTERISTIK KELUARAN DAYA SEL SURYA 80 Wp MENGGUNAKAN PEMODELAN SIMULINK Asepta Surya Wardhana STEM Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38, Cepu 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 lunak 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/m 2. Parameter 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/m 2 sebesar 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 solar irradiation in W/m 2. The parameters used in the form of diode current, voltage pn junction, irradiation, 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 obtained Maximum Power Point (MPP) which is a single point of comparison of the value of the maximum peak voltage and current of the solar irradiation conditions W/m 2 is 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 seperti minyak bumi merupakan permasalahan yang harus dihadapi oleh dunia. Dengan perkembangan dunia yang semakin modern dan berkembang secara tidak langsung pemanfaatan energi juga bertambah. Pada saat ini telah banyak dikembangkan energi alternatif 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 sebesar 1.8 x MW 1). Ini artinya kurang dari satu jam matahari mengirimkan energi ke bumi untuk mencukupi kebutuhan dari 98

2 Wardhana, Uji Karakteristik Keluaran Daya... mahkluk hidup. Indonesia menerima energi surya yang iradiasi energi harian rata-rata per satuan luas per satuan waktu sebesar kirakira 4,8 kilowatt/m 2. Energi iradiasi dari matahari merupakan sumber energi yang mudah didapat, murah, bebas polusi dan dapat diperbaharui. Maka dari itu banyak dikembangkan sistem pengubah panas matahari menjadi energi listrik. Namun perkembangan sel surya masih mengalami kendala dalam efisiensi energi yang rendah dan biaya instalasi yang mahal. Sel surya atau Photovoltaic (PV) sangat dipengaruhi oleh kondisi cuaca, suhu lingkungan 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 digunakan untuk beban lokal atau umpan balik untuk keperluan inverter 2). 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 pancaran 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 mengubahnya menjadi listrik 3). Penyerapan pancaran cahaya matahari menghasilkan pembawapembawa minoritas bebas, yang menentukan arus sel surya. Pembawa ini terkumpul dan terpisah oleh junction dioda, yang menentukan besar tegangannya. Gambar 1. Prinsip Kerja Sel Surya. Kumpulan sel surya dibuat dengan bahan material silikon, gallium arsenide, cadmium telluride, copper indium diselenide, dan beberapa bahan lain. Bagian utama sel surya yaitu junction p-n 4) atau ekivalen dengan junction Schottky diperlukan untuk pengaruh sel surya terhadap perubahan pancaran 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 semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semi- 99

3 Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hal konduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron 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 Iph 5). Pada kondisi dilapangan aliran arus ini mengalami hambatan di material semikonduktor dan resistansi pada kontak ekternal. Sehingga perlu menambahkan resistor shunt Rsh yang dipararel dengan dioda sebagai arus bocor dan resistor seri Rs sebagai tahanan dalam dari aliran arus. Pemodelan ini menggunakan dioda digunakan oleh Gow and Manning 6) seperti pada gambar berikut ini: aliran elektron dan hole melewati junction merupakan pengembangan persamaan dioda:...(1) Apabila digabungkan dengan rangkaian ekivalen dari sel surya yang mempunyai resistor shunt dan seri maka didapatkan persamaan:... (2) Persamaan ini menggambarkan hubungan antara tegangan dan arus yang diberikan 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 listrik 5) 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/m 2. Koefisien suhu pada saat arus short circuit pada sel surya berhubungan dengan perubahan suhu referensi pada sel surya. Disebabkan arus saturasi pada sel surya bervariasi terhadap suhu sehingga persamaan 5) untuk arus saturasi dapat berupa:...(4) 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 diharapkan untuk membangkitkan satu pasang elektron-hole, yang menyebabkan satu pembawa minoritas dapat terkumpul. Analisa Arus balik saturasi adalah arus pada kondisi temperatur referensi dan iradiasi matahari, energi panas yang ditimbulkan menyebabkan jarak antar pita energi dalam semikonduktor yang digunakan pada sel berubah. Faktor ideal dari a tergantung dari teknologi dari sel surya yang digunakan. Silikon mono merupakan bahan yang banyak digunakan untuk sel surya karena mempunyai faktor idela yang baik. 100

4 Wardhana, Uji Karakteristik Keluaran Daya... Tabel 1. Faktor Ideal a berdasarkan Teknologi 5). keluaran I-V dan P-V karakteristik dapat digambarkan sebagai berikut: Teknologi a Si Mono 1.2 Si-Poly 1.3 a-si:h 1.8 Pmax = Imax. Vmax 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 dibentuk seperti gambar dimana Ns Seri dan Np pararel. Persamaan 5 untuk arus dan tegangan dari kumpulan sel 5,7,8) menjadi seperti dibawah. 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 sel 5). Gambar 4. Rangkaian Modul Sel Surya Seri dan Pararel 7,8). Untuk menentukan kinerja dari panel sel surya maka perlu diketahui tegangan dan arus yang disediakan oleh dari berbagai operasi yang mempengaruhi seperti intensitas iradiasi dan suhu sel. Secara khas bentuk Gambar 6. Karakteristik P-V dari Sel Surya dengan Tingkat Level Iradiasi. Daya maksimal dapat diketahui dari besar iradiasi matahari yang diterima sel sebesar 1000W/m 2 pada gambar 7 diperlihatkan hubungan daya dan tegangan dengan berbagai level iradiasi matahari....(5) 101

5 Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hal 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 kemampuan keluaran daya yang lebih besar dan efisien dibandingkan dengan multi kristal. Spesifikasi dari modul pada tabel 2. Kemampuan dari sel surya ini telah dilakukan pengujian sesuai dengan standar ISO 9001:2000 dan sertifikat B2TE-BPPT. Penggunaan dilakukan pada iradiasi matahari 1000W/m 2 dan pada suhu 25 C yang mengacu pada AM 1.5. Pemodelan ini digunakan acuan yang sama dengan data pabrik untuk mendapatkan nilai sesuai yang diharapkan. Tabel 2. Spesifikasi dari BELL Model SL 80 CE-18M. Deskripsi Spesifikasi Keterangan Tenaga Maksimal 80Wp Tenaga Optimum Voltage 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 AM W/ m2 25 +/-2 C FF (%) 70-76% 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 Simulink 5,7) guna menggambarkan perbandingan non linier dari keluaran I-V arus tegangan dan P-V daya tegangan pada modul sel surya. Gambar 8. Model Simulink Blok Sistem Rangkaian Modul Sel Surya. 102

6 Wardhana, Uji Karakteristik Keluaran Daya... Tahap pertama membuat pemodelan fungsi persamaan sesuai dengan metode yang dinginkan yang terdiri dari blok karakteristik dari P-N junction. Persamaan arus pada rangkaian dapat diselesaikan dengan Kirchhoff Current Law (KCL) pada blok algebraic contraint. Persamaan rangkaiannya sebagai berikut : Setelah pemodelan telah dilakukan maka masukan parameter dari data pabrik ke blok fungsi dibawah ini....(6) Keluaran dari blok algebraic constraint berupa tegangan Vdioda sehingga jika dijumlahkan 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) 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 puncak. Posisi puncak yang dicapai suatu sel surya dapat dikatakan sebagai daya maksimal pada titik tunggal atau Maximum Power Point (MPP) 9). Hasil simulasi karakteristik dari I-V dapat dilihat pada gambar 12. Keluaran dari model ini berupa arus, tegangan dan daya yang kemudian ditampilkan ke dalam grafik I-V dan P-V dengan tingkat iradiasi 200, 400, 600, 800, dan 1000 W/m 2. Model simulasi seperti gambar 10. Gambar 9. Model Simulink Blok Sub Sistem. Gambar 11. Karakteristik I-V pada Iradiasi 1000W/m

7 Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hal Gambar 12. Karakteristik I-V dengan berbagai Variasi Iradiasi. Dari grafik diatas pada saat iradiasi 1000W/m 2 didapatkan Imaks = 4,539 A dan Vmaks = 17,6439 V sehingga daya yang didapat Pmpp = 80,0856 Watt sebagai maximum power point (MPP). Diperoleh tegangan open circuit Voc = 22,1845 Volt dibandingkan dari data pabrik Voc = 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 menyebabkan tegangan open circuit (Voc) dan arus short circuit (Isc) mengalami perubahan, semakin besar iradiasi yang diterima makin besar tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sel surya. Fiil Factor (FF) merupakan parameter yang menentukan daya maksimum dari panel sel surya 10)....(12) Pmaks = 22,1845 x 4,845 x 0,74509 = Watt Nilai daya Pmpp dari tegangan dan arus maksimal sama dengan nilai Pmaks dari Voc dan Isc. Efisiensi 10) modul dapat dihitung....(13) Sehingga nilai efisiensi modul dengan luas sel surya sebesar 0.64m 2 adalah 12,5%. Daya maksimum dapat dilihat dari perbandingan dari keluaran daya dan tegangan seperti pada gambar (11) Sehingga didapat FF = 74,509 % hasil ini masih dalam batas dari data pabrik yang sebesar 70-76%. Jika daya maksimal dihubungkan fiil faktor maka, Gambar 13. Karakteristik P-V pada Iradiasi 1000W/m

8 Wardhana, Uji Karakteristik Keluaran Daya... Gambar 14. Karakteristik P-V dengan berbagai Variasi Iradiasi. Dari grafik P-V didapat daya maksimal pada saat iradiasi 1000 W/m 2 sebesar Pmaks = Watt. Daya maksimal diperoleh saat tegangan mencapai sekitar 17,64 Volt. Percobaan ini berjalan cukup lambat karena iterasi yang dilakukan berulang dan mengambil hasil sebanyak 5460 titik pada setiap perubahan tegangan, arus dan daya dengan perubahan 5 level iradiasi sehingga didapatkan 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 perubahan iradiasi dan temperatur yang menghasilkan karakteristik dari I-V dan P-V. Secara 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/m 2 sebesar Pmaks = Watt dan toleransi kesalahan 0.1% sehingga pemodelan ini cocok 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 diperlukan metode dan penerapan yang lebih nyata dilingkungan serta dihubungkan dengan sistem grid yang lebih besar. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. Messenger R. and Ventre J. Photovoltaic Systems Engineering. CRC Press. 2000: Kroposki B., DeBlasio R. Technologies for the New Millennium: Photovoltaics as a Distributed Resource. Power Engineering Society Summer Meeting. IEEE July 2000;3: Nema S., Nema R.K., Agnihotri G. Matlab/Simulink Based Study of Photovoltaic Cells/Modules/Array and their Experimental Verification. International Journal of Energy and Environment. 2010;1(3): 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): Singla V., Garg V. K. Modeling Of Solar Photovoltaic Module & Effect Of Insolation Variation Using Matlab/Simulink. 105

9 Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hal Int J Adv Engg Tech. July 2013;4(3): Gow J. A., Manning C. D. Development of a photovoltaic array model for use in powerelectronics simulation studies. IEE. Proceedings on Electric Power Applications. March 1999;146(2): 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 photovoltaic system. IEEE Transaction on Industrial Electronics. 2006;53(4): Tsai HL, Tu CS, and Su YJ. Development of Generalized Photovoltaic Model Using Matlab/Simulink. WCECS. October 2008; 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 simulation of shockley diode parameters in matlab. International Journal of Physical Sciences. 16 june 2013;8(22): Daftar Simbol I = arus pada terminal sel surya Io = arus saturasi dari dioda q = muatan elektron 1.6x10-19 C k = konstanta Boltzman 1.38x10-12 J/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/m 2. 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 FF = fiil faktor 106

10 107