PENGARUH SUHU PADA MODUL 100Wp MENGGUNAKAN PEMODELAN DAN SIMULASI 36 SEL PHOTOVOLTAIC

Transkripsi

1 PENGARUH SUHU PADA MODUL 100Wp MENGGUNAKAN PEMODELAN DAN SIMULASI 36 SEL PHOTOVOLTAIC Asepta Surya Wardhana STEM Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38 Cepu, Kabupaten Blora ABSTRAK Pemodelan dan simulasi sel surya menggunakan single dioda digunakan untuk menganalisa karakteristik suatu modul dapat diimplementasikan dengan perangkat lunak Simelectronic Matlab/Simulink. 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/m 2. Variasi suhu pada dioda menyebabkan perubahan arus I s 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/m 2 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 MW 1). Ini artinya kurang dari satu jam matahari mengirimkan energi ke bumi untuk mencukupi kebutuhan 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% sampai 25% lebih dari 20 tahun terakhir 2). Hal yang mendasar dalam sistem pembangkit energi matahari adalah sel surya atau photovoltaic (PV) cell yang dapat dimodelkan dengan PV model. Photovoltaic merupakan sistem pengubah panas matahari menjadi energi listrik 3). Penyerapan pancaran cahaya matahari menghasilkan pembawa-pembawa minoritas bebas, yang menentukan arus sel 82

2 Wardhana, Pengaruh Suhu Pada Modul... surya. Pembawa ini terkumpul dan terpisah oleh junction dioda, yang menentukan besar tegangannya 4). Dalam pengoperasiannya, kinerja PV sangat dipengaruhi oleh kondisi iklim daerah seperti suhu lingkungan dan iradiasi matahari (pancaran cahaya matahari) serta parameter lainnya seperti arus short circuit, tegangan open circuit, suhu sel PV, faktor ideal, nilai resistansi dioda dan jumlah sel PV. Sel surya atau Photovoltaic (PV) adalah perangkat yang banyak dijual dipasaran atau toko elektronik yang mempunyai kemampuan 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. Dikarenakan kemampuan sel surya yang beragam maka perlu dilakukan percobaan untuk mengetahui karakteristik dari setiap modulnya. Hal ini sangat menyulitkan dan membutuhkan biaya yang besar jika harus mengimplementasikan secara nyata disebabkan harga sel surya yang cukup mahal untuk setiap Watt Peak-nya. Dari permasalahan tersebut perlu adanya teknik untuk membuat pemodelan dan simulasi dari aplikasi sel surya dengan beragam kondisi dan jumlah sel surya. Simulasi sebelumnya telah ada seperti PSPICE yang digunakan untuk pembelajaran sel surya silikon dan hubungan seri setiap selnya 5,6). Selain itu juga telah dikembangkan simulasi menggunakan Matlab Simulink untuk single diode dan karakteristik modul surya 2,4). Penelitian mengenai simulasi yang sebelumnya ditujukkan untuk mengetahui karakteristik dari modul surya dimana dapat mengetahui tegangan, arus dan maksimum power point (MPP) dari setiap selnya. Hal ini sangat baik dan membantu dalam menganalisa dari kemampuan dari sel surya. Pada simulasi sebelumnya memerlukan komputasi dan parameter yang cukup banyak serta belum dikembangkan untuk penggunaan banyak sel surya. Dalam penelitian ini dikembangkan pemodelan dan simulasi yang dapat digunakan untuk banyak sel surya dengan menggunakan Simelectronic (Matlab Simulink). Dalam penelitian ini digunakan modul panel surya 100Wp dengan 36 sel surya yang dihubungkan secara seri. 2. METODE A. Simelectronic Perangkat lunak Simelectronic menyediakan kumpulan komponen untuk pemodelan dan simulasi sistem elektronik dan mekatronika. Kumpulan komponen termasuk model semikonduktor, motor, drive, sensor, aktuator dan sel surya. Simelectronic dapat untuk mengembangkan sistem aktuasi elektromekanis dan elektronik dalam membangun model karakteristik untuk mengevaluasi kinerja dan desain rangkaian analog. Simelectronic model dapat digunakan untuk mengembangkan algoritma kontrol dalam sistem elektronik dan mekatronika dan sebagainya. Dalam pengujiaanya dapat dilakukan dalam simulasi dengan memberikan paremeter dan variabel pada MATLAB sebagai nilai masukannya. Penggunaan pemodelan Simelectronic menggunakan blok diagram yang dapat dikombinasikan dengan pemrograman simulink dan model simscape. B. Rangkaian Model Sel Surya Modul dari sel surya secara umum dibuat dari bahan material silikon atau gallium arsenide, dan bahan pembentuk lainnya. Bagian utama sel surya yaitu junction p-n atau ekivalen dengan junction Schottky diperlukan untuk pengaruh sel surya terhadap perubahan pancaran cahaya atau iradiasi matahari 4). Sel surya dapat di rangkaian menjadi pemodelan ekivalen sederhana dengan menghubungkan sumber arus dengan dioda p-n secara pararel. Photocurrent Iph adalah besarnya keluaran dari sumber arus yang secara langsung didapat dari jatuhnya cahaya matahari 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- 83

3 Jurnal ESDM, Volume 6, Nomor 2, Nopember 2014, hlm nan dalam dari aliran arus. Pemodelan ini menggunakan dioda digunakan seperti gambar berikut ini: Gambar 1. Rangkaian Ekivalen Sel Surya Dari gambar rangkaian ekivalen sel surya 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 parameter seperti Isc, Voc, Iradiasi matahari dan variabel masukan lainnya. Iradiasi matahari (Ir) merupakan besarnya intensitas cahaya yang jatuh dalam sel surya dalam satuan W/m 2. Tegangan yang melintas dari sel surya adalah V (Volt). Keluaran arus listrik dari sel surya adalah I (ampere). Tegangan termal (Vs) adalah tegangan yang berubah dari pengaruh dari temperatur sel surya dan konstanta Boltzman (1, J/K) dibanding dengan konduksinya elektron (1, C) sehingga didapat persamaan (2). V S = K T q...(2) Dapat dijabarkan dari persamaan 3 bahwa 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 digunakan 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 2. Simbol Sel Surya Sel surya dalam bentuk rangkaian dapat direpresentasikan dalam rumusan pada persamaan 3. Dari persamaan Iph merupakan besarnya arus keluaran yang dihasilkan dari pancaran matahari sehingga didapat persamaan 1. I ph = I ph0 I r I r0...(1) Pmax = Imax. Vmax Gambar 3. Karakteristik I-V dari Sel Surya 6) V+I Rs I = I ph I s (e N Vs V+I Rs (V+IR 1) I s2 (e N2 Vs 1) s )...(3) R p 84

4 Wardhana, Pengaruh Suhu Pada Modul PEMBAHASAN A. Spesifikasi Data Sel Surya Pemodelan ini menggunakan Modul panel 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 kristal 4). Spesifikasi dari modul pada tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi Skytech SIM-100 Deskripsi Spesifikasi Daya Maksimal 100Wp Tegangan Maksimal (V pm) 18.90V Arus Maksimal (I mp) 5.33A Tegangan Open Circuit (V oc) 22.54V Keterangan Arus Short Circuit ( I sc) 5.79A Jumlah dari sel surya 4*9 Luas modul (mm) 1002x666x35mm Ruang temperatur -40 to + 85 Gambar 5. Tampilan Sub Sistem Simulink Simulink library browser berisikan semua kumpulan kompenen elektronik yang akan digunakan dalam tahap pemodelan. Tahap kedua buat desain pemodelan seperti gambar 5. Kemampuan dari sel surya ini telah dilakukan pengujian sesuai dengan standar ISO 9001:2008, ISO14001 dan OHSAS Penggunaan dilakukan pada iradiasi matahari 1000W/m 2 dan pada suhu 25 C yang mengacu pada AM 1.5. Data tabel 1 digunakan sebagai 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 sistem yang akan diterapkan. Sehingga Sub sistem akan berisi blok-blok yang terdiri dari rangkaian ekivalen sel surya sebanyak 36 sel. Selain itu Sub sistem juga berisi pengukuran tegangan dan arus yang didapat dari karakteristik sel surya. Gambar 6. Sub Sistem 1 Modul 100Wp Pada Sub sistem 1 ini diberikan satu input sebagai iradiasi matahari dan 3 keluaran berupa tegangan, arus dan daya yang dihubungkan 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 Subsistem 1 diklik maka akan muncul garis, kemudian tambahkan komponen-kompenen seperti simulink-ps Converter, solver configuration, sensor arus, sensor tegangan dan petanahan. Simulink-PS Converter berfungsi merubah sinyal masukan sumber iradiasi matahari menjadi sinyal fisik. Solver configuration digunakan sebagai pengumpul informasi dan agar semua parameter yang telah digabungkan dapat disimulasikan sesuai dengan konfigurasi yang diingingkan. 85

5 Jurnal ESDM, Volume 6, Nomor 2, Nopember 2014, hlm 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. program maupun masukan rumusan karena rumus persamaan yang digunakan di simelectronic adalah standar dan tidak dapat dirubah. 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 10. Blok 6 Sel Surya Gambar 9. Sub Sistem 4 Modul Surya dengan 6 Sel Sehingga dari setiap sub sistem, 6 sel surya masing-masing berisikan 6 single dioda. Didalam single dioda terdapat blok parameter yang berisikan persamaan 1 sehingga dapat memudahkan dalam pengisian variabel. Pemodelan ini tidak memerlukan listing Pada blok parameter sel surya nilai yang dimasukkan adalah arus Short Circuit (Isc) sebesar 5.79 ampere dan tegangan Open circuit (Voc) sebesar Volt. Hukum Kirchhoff pada rangkaian seri maka arus yang mengalir disetiap komponennya bernilai sama dan nilai tegangan disetiap komponennya berbeda-beda sesuai dengan nilai bebannya. Karena beban atau dioda yang dipakai adalah sama, maka nilai adalah Voc = 22,54 : 36 sel = volt. Nilai variabel pada setiap sel surya diisikan sama sebanyak 36 sel dengan memasukkan nilai-nya seperti gambar

6 Mustakim, Kualifikasi dan Kompetensi Process Engineer... 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/m 2 didapat MPP pada tegangan 18.8 Volt dan daya Watt seperti gambar 12. Pada pengujian karakteristik dengan beberapa variasi iradiasi telah dipaparkan bahwa makin rendah iradiasi maka makin kecil daya yang dihasilkan 4). Percobaan ini dilakukan pengujian perubahan temperatur dari sel surya terhadap keluaran daya maksimum. Perubahan temperatur dapat dilakukan pada blok parameter sel surya. Percobaan 2 dengan faktor ideal 1,2 dan temperatur 85 C pada iradiasi 1000W/m2 didapat MPP pada tegangan Volt dan daya Watt. Daya Tegangan MPP Gambar 14. Karakteristik P-V pada Suhu 85 C dan Iradiasi 1000W/m 2 Daya MPP Pada gambar 15 diperoleh arus Isc 5.79 Ampere dan Voc Volt yang tetap namun didapatkan perubahan Imaks 5.28 Ampere dan Vmaks Volt. Tegangan Gambar 12. Karakteristik P-V pada Suhu 25 C dan Iradiasi 1000W/m 2 Isc Imaks & Vmaks Pada gambar 13 diperoleh arus Isc 5.79 Ampere dan Voc Volt serta didapatkan Imaks 5.38 Ampere dan Vmaks 18.8 Volt. Isc Imaks & Vmaks Voc Gambar 13. Karakteristik I-V pada Suhu 25 C dan Iradiasi 1000W/m 2 Voc Gambar 15. Karakteristik I-V pada Suhu 85 C dan Iradiasi 1000W/m 2 Perubahan temperatur dari 25 C dari 85 C menyebabkan perubahan pada daya dengan penurunan 3,02 Watt. Penyebab turunnya 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. 87

7 Jurnal ESDM, Volume 6, Nomor 2, Nopember 2014, hlm Tabel 2. Variasi Temperatur Karakteristik 25 C 85 C Daya (W) Isc (A) Voc (V) Imaks (A) Vmaks (V) Dari percobaan 1 didapat Daya Pmpp Watt sehingga dapat dihitung nilai efisiensinya. Efisiensi 8) modul dapat dihitung. = P maks P = maks...(4) P in 1000 W m 2.luasmodul(m2 ) = % = 15.12% Sehingga nilai efisiensi modul dengan luas sel surya sebesar 0.66m 2 dengan daya watt adalah 15,12%. Modul sel surya yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi yang memiliki efisiensi sampai dengan 15% 9). 4. SIMPULAN Pemodelan dari rangkaian ekivalen sel surya dapat dilakukan secara sederhana dilakukan 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 data pabrikan. Variasi dari perubahan kenaikan suhu menghasilkan nilai daya yang berkurang 3,02 watt atau kurang lebih 0,05 watt setiap kenaikan 1 C. Hal ini tidaklah menjadi 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 karakteristik sel surya terhadap lingkungan nyata. Perlu dikembangkan model single dioda pada rangkaian seri-pararel untuk jaringan sistem yang lebih besar. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. Messenger R. and Ventre J. Photovoltaic Systems Engineering. CRC Press. 2000: 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 Engineering Society Summer Meeting. IEEE Juli 2000;3: Wardhana A S. Uji Karakteristik Keluaran Daya Sel Surya 80 Wp Menggunakan Pemodelan Simulink. Jurnal ESDM. November 2013;5(2): Nema R.K., Nema S, Agnihotri G. Computer 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): 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): Rif an M., Sholeh H P., Shidiq M., Yuwono R., Suyono H., Fitriana S. Optimasi Pemanfaatan Energi Listrik Tenaga Matahari di Jurusan Teknik Elektro Universitas Brawijaya. Jurnal EECCIS. Juni 2012;6(1). 88