Sistem Pembangkit Listrik Hibrida PV-Diesel Microgrid Untuk Daerah Terisolasi Tanpa Menggunakan Media Penyimpan Energi

Transkripsi

1 JURNAL TEKNK POMT ol., No., (202) -5 istem Pembangkit Listrik Hibrida P-Diesel Microgrid Untuk Daerah Terisolasi Tanpa Menggunakan Media Penyimpan Energi Firmansyah Putra Pratama, Mochamad Ashari, Heri uryoatmojo Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri, nstitut Teknologi epuluh Nopember (T) Jl. Arief Rahman Hakim, urabaya 60 Abstrak Photovoltaic (P) adalah komponen semikonduktor yang merubah energi cahaya menjadi energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan sel surya diperoleh dari kemampuan sel surya untuk memproduksi tegangan dan arus yang melalui beban pada waktu yang sama. Pada artikel ini membahas tentang skema kontrol yang digunakan untuk mengatur sistem tiga fasa hybrid photovoltaic (P)-diesel microgrid pada daerah terisolasi tanpa menggunakan penyimpan energi (energy storage). kema kontrol tersebut bertujuan untuk menjaga daya yang dihasilkan Photovoltaic yang dihubungkan dengan diesel tetap stabil. Tujuan tersebut dapat dicapai dengan mengkontrol inverter Pulse With Modulation (PWM) yang menghubungkan antara P dengan sistem. Dengan skema kontrol tersebut diharapkan mampu menghasilkan daya yang baik dengan dimodelkan berdasarkan beragam kondisi. E Kata Kunci Hybrid, Photovoltaic (P), Diesel, nverter,. PENDAHULUAN nergi menjadi masalah serius mengingat munculnya krisis energi karena cadangan energi fosil yang tersedia semakin menipis. Disamping itu energi fosil merupakan penyumbang terbesar karbon dioksida (O 2 ) dan karbon monoksida (O) yang merupakan gas yang penyebab efek gas rumah kaca. Masalah tersebut menjadikan manusia saling berlomba untuk mencari sumber energi alternatif. Perkembangan teknologi tentang sumber energi alternatif seiring dengan berkembangnya perhatian masyarakat akan isu-isu lingkungan, maka energi terbarukan (renewable) telah banyak digunakan. Beberapa teknologi telah diterapkan dengan berbagai sumber energi terbarukan. Diantaranya adalah turbin angin, tenaga air berskala kecil (mikrohidro), biomassa, photovoltaic (P), dan fuel cell [2]. Teknologi yang lebih mudah digunakan adalah photovoltaic. Photovoltaic atau yang lebih dikenal dengan sel surya (solar cell) merupakan teknologi yang ramah lingkungan, tidak menghasilkan noise (kebisingan) dan effisiensi yang tinggi. Photovoltaic ini merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Penggunaan sel surya sebagai salah satu pembangkit tenaga listrik dewasa ini semakin sering kita jumpai, diantaranya sebagai pengisi baterai sepeda listrik, pemanas air, dan juga sebagai pembangkit tenaga listrik yang akan dihubungkan langsung ke jala-jala PLN. Dengan melihat kondisi yang ada di ndonesia, masih banyak masyarakat yang belum bisa menikmati listrik karena keterbatasan jangkauan jaringan listrik dari PLN Dalam artikel ini dibahas mengenai sistem Hybrid P- Diesel tanpa baterai untuk mendapatkan daya yang maksimum pada sistem pembangkit listrik pada daerah terpencil. Pembahasan akan dilakukan dengan menunjukkan desain sistem untuk P yang dihubungkan ke dalam sistem generator diesel sehingga dapat meminimalkan penggunaan bahan bakar solar.. METODE Gambar menunjukkan P dan generator sebagai sumber energi. P yang mendapat input berupa intensitas dari matahari dan suhu sehingga P menghasilkan output berupa tegangan dan arus. Tegangan D yang dihasilkan P dinaikkan dengan bantuan boost converter yang semula kecil menjadi besar sesuai dengan yang diinginkan. Beban yang yang disupply merupakan beban 3 fasa sehingga membutuhkan inverter sebagai pengubah arus D yang keluar dari boost menjadi arus A. Arus yang keluar dari inverter tidak bisa langsung disambungkan ke beban karena inverter menghasilkan gelombang square(kotak) dan terdapat harmonisa yang dapat merusak peralatan, maka digunakanlah filter digunakan untuk mengubah suatu gelombang square( kotak) dari keluaran inverter tiga fasa yang memiliki harmonisa tinggi menjadi gelombang sinus murni. Untuk memaksimalkan daya yang keluar pada P, menggunakan kontrol P yang terdapat pada PWM yang mendapat feed back dari beban berupa tegangan. Gambar.. Diagram Blok istem. A. Karakteristik P el surya atau P merupakan suatu komponen semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Karakteristik besarnya daya yang dapat dikeluarkan oleh P bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan P dan suhu pada permukaan P[4], Gambar dan Gambar 2 menunjukkan pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari dan suhu pada sel surya.

2 JURNAL TEKNK POMT ol., No., (202) -5 2 X O( T) / qo ( T ) / nkt q nkt e (9) Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya BPX60 dengan spesifikasi ditunjukkan pada Tabel dengan keluaran daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari Pdengan diode jenis crystalline yang dirangkai secara seri dan paralel. Tabel Parameter Panel urya BPX-60 Gambar 2. Pengaruh ntensitas ahaya Matahari terhadap el urya Grafik - (kiri) dan Grafik P- (kanan) Gambar 3. Pengaruh uhu terhadap el urya Grafik - (kiri) dan Grafik P- (kanan) Pemodelan P yang kita gunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 3 [4]. Gambar 4. Rangkaian Ekivalen P (el urya) Persamaan yang didapat dari rangkaian P pada Gambar 4 adalah : O e R q nkt R () RP Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel diasumsikan sangat besar, sehingga persamaan untuk model arus output sel surya adalah [3]: q R / nkt e (2) L O L L T L T G T, nom T K 0 T (3) / K Gnom (4) 0 T 2 T / T 2 T (5) 3/ n qg / nk/ T / T T T e (6) 0 O( T) / ( / nkt O T) /( e ) (7) O( T) ( T) q R d / d / X (8) O Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya, maka harus dilakukan pemasangan P secara seri dan paralel. Persamaan arus keluaran P model [4]: M M M M M M O R exp N Mt (0) Dimana : M N () M O N M N R N PM M M PM t nkt / O R q (2) (3) (4) B. Boost onverter Boost converter digunakan untuk menaikkan tegangan D [6]. Adapun gambar rangkaian dari boost konverter diperlihatkan pada Gambar 6. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output : O in (5) D Boost konverter ini dioperasikan pada mode M (ontinous onduction Mode), oleh karena itu parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan : 2 D Lmin DR (6) 2 f edangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan :

3 JURNAL TEKNK POMT ol., No., (202) -5 3 O D (7) R f R Gambar 5. Pemodelan Konverter Boost. nverter 3 Fasa nverter digunakan untuk mentransformasi tegangan dari D mennjadi A. nverter yang digunakan adalah full wave inverter tiga fasa dengan sistem closed loop dengan mengambil referensi berupa tegangan dibandingkan dengan tegangan keluaran. Pemodelan inverter dalam tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 9. Untuk menjaga kestabilan supply tegangan supaya tegangan yang diberikan kebeban terus menerus stabil, dibutuhkan suatu kontroler, damana kontroler ditempatkan pada gate dari inverter tiga fasa. Kontroler yang digunakan yaitu P. Pada gate inverter yang dikontrol adalah frekuensi dan tegangan dari inverter. Pemodelan P controller dalam dapat ditunjukkan dalam gambar 7. E. Filter Filter pada tugas akhir ini menggunakan filter pasif untuk mengubah suatu gelombang square( kotak) dari keluaran inverter tiga fasa yang memiliki harmonisa tinggi menjadi gelombang sinus murni, Pada perancangan filter harmonisa memakai filter pasif yang terdiri dari komponen L(induktor) dan komponen (Kapasitor). Gambar 8. Pemodelan Filter Gambar 6. Pemodelan nverter 3 Fasa D. inusoidal Pulse Width Modulation (PWM) nverter berfungsi untuk mengubah tegangan D menjadi sebuah tegangan A, yang mana keluaran dari inverter untuk mensupply beban A. nverter sendiri dalam pengubahan tegangan dibutuhkan suatu sistem kontrol Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengatur switching gate pada setiap GBT. Pada tugas akhir ini menggunakan suatu metode PWM yaitu inusoida Pulse Width Modulation Gambar 7. Pemodelan PWM Dari gambar diatas bisa dilihat suatu rangkaian filter pasif yang mana L dan yang terhubung secara seri dan paralel masing-masing bertindak sebagai filter sebelum tegangan masuk ke beban. Nilai L dan harus disesuaikan dengan benar agar nilai yang dapat, tidak harus memberikan pengaruh yang cukup jauh pada tegangan outputnya. Pada Tugas Akhir ini nilai-nilai L dan didapat dari perhitungan dengan menganggap bahwa harmonisa yang tertinggi adalah harmonisa ke-3. Perhitungan nilai L dan sebagai berikut: (8) (9) Dengan menentukan salah satu dari komponen bisa dicari nilai L ataupun nya. F. Permanent Magnet ynchronous Generator (PMG) Tujuan utama dari generator adalah untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. ebagian besar sumber energi listrik untuk komersial adalah generator sinkron. Pada umumnya digunakan untuk mengkonversi output daya mekanik turbin uap, turbin gas, mesin reciprocating, turbin air dan turbin angin menjadi tenaga listrik untuk grid. Pada tugas akhir ini menggunakan PMG sebagai generator yang fungsinya sebagai sumber selain P. eperti halnya prinsip generator sinkron terdapat hubungan antara frekuensi dan kecepatan ditunjukkan dala persamaan berikut : 60 f N s Nr P

4 JURNAL TEKNK POMT ol., No., (202) -5 4 (20) Dimana kecepatan medan rotor sama Nr(Rpm) dengan kecepatan medan stator Ns(Rpm), sedangkan p adalah jumlah pasang kutub, dan f adalah frekuensi (Hz). Gambar 9. pemodelan eluruh istem G. Konfigurasi istem istem hibrida P-Diesel yang digunakan diperlihatkan pada Gambar 9. istem P-grid yang diperlihatkan oleh Gambar 9 terdiri dari 5 bagian penting, diantaranya adalah: P, konverter boost, inverter, filter dan generator.. PENGUJAN DAN ANALA DATA A. Nilai-Nilai Parameter dalam imulasi a. uhu yang digunakan = 25 0 b. - Daya Wattpeak P = 6000 W (aat intensitas cahaya matahari = 000 W/m 2 - Tegangan P = 232 volt c. Konverter Boost. nduktor =, H 5 2. Kapasitor = 2,090 Farad 3. Frekuensi switching = 0 khz d. Filter - nduktor = 5 mh - Kapasitor = 0.6 mf e. Generator Kecepatan putar rotor :500 rpm Kutub : 2 pasang f. Grid - Tegangan grid = 380 B. Pengujian Model P Dihubungkan dengan Beban Bervariasi Pengujian ini digunakan untuk mengetahui karakteristik dari model P. Dengan menggunakan kecepatan putar beban bervariasi antara maka didapatkan grafik hasil pada gambar 0,. Gambar 0. Grafik Tegangan vs Daya Gambar. Grafik Tegangan vs Daya Pada gambar 0 memperlihatkan berbagai variasi beban dicoba pada P. pv tergantung pada tingkat iradiasi matahari. emakin tinggi iradiasi, semakin tinggi arus yang dihasilkan P. Disisi lain, tegangan tetap terjaga hampir konstan, jika terjadi perubahan tidak akan menyimpang jauh meskipun irradiasi meningkat. Gambar memperlihatkan daya yang dihasilkan tegangan ketika

5 JURNAL TEKNK POMT ol., No., (202) -5 5 beban berubah-ubah. Tingkat iradiasi juga mempengaruhi daya yang dikeluarkan oleh P.. Pengujian istem dengan umber P Pengujian ini dilakukan pada sistem meliputi P, Boost onverter, nverter, Filter dan dihubungkan dengan beban dan intensitas matahari yang bervariasi. intensitas cahaya matahari (W/m 2 ) maka semakin tinggi nilai daya maksimum yang dihasilkan oleh P. 2. Pada pengujian P yang telah dilakukan maka didapatkan hasil yang berbeda antara pengujian dan spesifikasi dari pabrik sebesar %. 3. Dengan menggunakan P sebagai pembangkit yang dihubungkan dengan generator, maka biaya operasional dari generator dapat ditekan sehingga lebih menghemat biaya. 4. Baterai sebagai back up dari P tidak digunakan mengingat biaya untuk pengadaan dan perawatan baterai sendiri mahal. 5. Beban dan radiasi matahari yang berubah-ubah dapat mempengaruhi supply daya dari P ke beban. Gambar 2. Daya P yang Tersalurkan Dari pengujian sistem P-beban dapat diketahui bahwa nilai beban akan semakin menurun karena arus yang dihasilkan oleh P akan semakin turun karena iradiasi yang menurun juga, grafik dapat dilihat pada gambar 9. Akan tetapi pada tegangan yang dihasilkan oleh P tidak turun atau stabil dikarenakan terdapat boost converter yang menjaga agar tegangan yanga dihasilkan tetap konstan. D. Pengujian Keseluruhan istem istem P dihubungkan dengan generator diesel. istem ini.menggunakan dua sumber yaitu P dan generator yang bekerja secara bersama-sama. Beban UAPAN TERMA KAH Puja dan puji syukur yang mendalam terhadap Allah WT yang telah melimpahkan karunianya kepada saya sehingga bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tidak lupa juga Rasullullah AW yang telah menunjukkan jalan yang terang benderang yang penuh dengan ilmu pengetahuan yang tidak akan pernah habisnya. Kedua Orang tua yang dengan sabar memberikan doa kepada saya dan temanteman yang telah membantu saya baik secara langsung ataupun tidak langsung. emoga kebaikan kalian semua mendapat hal yang baik disisi Allah WT. DAFTAR PUTAKA [] Mostavan, Aman, atatan Kuliah : Konversi Energi, TB, Bandung, [2] Messenger, Roger A. entre, Jerry, Photovoltaic ystems Engineering, second edition, R Press, [3] Rashid M.H, Power Electronics Handbook, Academic Press, [4] A. Elmitwally, Mohamed Rashed, Flexible Operation trategy for an solated P-Diesel Microgrid Without Energy torage, EEE TRANATON ON ENERGY ONERON, OL. 26, NO., MARH 20. [5] M.Rizal, TEM KONTROL P-BATERA BERBA FUZZY LOG UNTUK PEMBANGKT TERDTRBU, Tugas Akhir, T, Juli 20. [6] K.Bani, RANANG BANGUN TEM PHOTOOLTA NERTER TERNTEGRA JARNGAN DTRBU 3 PHAA MENGGUNAKAN MAXMUM POWER PONT TRAKNG (MPPT) BERBA NEURO-FUZZY MULT-MODEL, Tugas Akhir, T, Juli 20. Daya P Daya Generator Gambar 3. Pengujian Keseluruhan istem Gambar 3 terdapat 2 grafik, menunjukkan pada grafik yang pertama bahwa pada saat beban yang konstan bertambah pada waktu 0.3 detik, maka akan mempengaruhi dari sistem yang mana generator mensupply daya yang dibutuhkan oleh beban, ditunjukkan pada grafik bawah. ementara itu daya yang dihasilkan oleh P tidak akan berkurang.. KEMPULAN. Perbedaan tingkat intensitas cahaya mempengaruhi daya yang dihasilhan oleh P. emakin besar tingkat