Hari Agus Sujono a), Riny Sulistyowati a), Agus Budi Rianto a)

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro Terapan 2017 Vol.01 No.01, ISSN: Hari Agus Sujono a), Riny Sulistyowati a), Agus Budi Rianto a) Abstrak: Energi dari photovoltaic telah menjadi salah satu alternatif sumber daya terbarukan untuk pembangkitan listrik dimasa sekarang dan mendatang. Namun dalam kenyataannya, tenaga listrik yang dihasilkan photovoltaic tergantung pada radiasi sinar matahari. Diperlukan metode penjejak daya puncak untuk pemanenan energi menggunakan photovoltaic yang effisien. Dengan metode Maximum Power Point Tracker yang mengontrol duty cycle pada switch converter membuat daya keluaran dari photovoltaic beroperasi pada titik yang maksimum. Algoritma Hill Climbing digunakan sebagai algoritma penjejak daya yang ditanamkan kedalam mikrokontroller. Hasil simulasi menggunakan program simulator menunjukkan bahwa penjejakan potensi daya maksimum photovoltaic 100 WP secara teoritis bisa diimplementasikan, dengan nilai yang sangat mendekati dimana apabila nilai potensi daya photovoltaic adalah 57,778 watt maka algoritma ini bisa mendeteksi sebesar 57,538 watt. Pada pengujian implementasi menggunakan mikrokontroller didapatkan bahwa dengan menggunakan algoritma Hill Climbing bisa mencapai daya 57,23 watt dari nilai potensi daya photovoltaic 61,5 watt. Kata-kata kunci : photovoltaic, Maximum Power Point Tracker, algoritma Hill Climbing, mikrokontroller 1. Pendahuluan Energi matahari merupakan energi terbesar yang ada di bumi ini. Keberadaan sumber energi matahari yang sangat berlimpah membuat penerapan teknologi photovoltaic (PV) menjadi salah satu alternatif dalam pembangkitan listrik. Energi terbarukan dengan ramah lingkungan sehingga mampu berpotensi dimasa depan. PV merupakan alat dengan bahan semikonduktor yang mampu mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Permasalahan utama saat ini pada penggunaan PV adalah pembangkitan tenaga listrik yang rendah, terutama pada kondisi radiasi yang rendah. Output yang dicapai hingga saat ini tidak lebih dari 20% dari kemampuan maksimalnya, itupun dalam skala laboratorium. Dan jumlah daya listrik yang dibangkitkan berubah secara berkala seiring dengan perubahan cuaca [1]. Jika dikaji dari karakteristik V I, PV mempunyai karakteristik nonlinier dan berubah terhadap radiasi dan suhu. Secara umum, terdapat titik puncak yang dinamakan Maximum Power Point (MPP) dimana pada titik tersebut PV bekerja pada efisiensi maksimum. Letak dari MPP tidak dapat diketahui, namun dapat dicari. Oleh karena itu algoritma Maximum Power Point Tracker (MPPT) dibutuhkan untuk menjaga titik kerja PV agar tetap pada titik MPP. Dalam penelitian ini telah dilakukan uji simulasi dan implementasi yang bertujuan untuk dapat mempertahankan daya pada keluaran PV pada posisi optimum menggunakan algoritma MPPT Hill Climbing dengan rangkaian DC-DC boost converter sebagai kontrolernya. Korespondensi: hari.research2017@yahoo.com a) Teknik Elektro, Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya, Jl. A.R. Hakim 100 Surabaya 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Photovoltaic PV pada umumnya mempunyai hambatan parasitik seri dan hambatan shunt (R sh ) yang berpengaruh pada penurunan efisiensi, seperti ditunjukkan pada gambar 1. Gambar 1. Model dioda tunggal untuk rangkaian ekivalen PV [2] Persamaan model dioda tunggal yang digunakan untuk menggambarkan arus operasional yang dihasilkan modul PV dinyatakan dengan persamaan (1) [2]: dimana:... (1) I = Output current (A) I l = Photocurrent (A) I o = Diode saturation current (A) q= Electron charge (1.6 x C) V= Output voltage (V) R s = Series resistance N s = Number of cells in series A= Diode factor k= Boltzman constant ( x J/K) T= Cell temperature (K) 37

2 PV adalah sebuah alat non-linear, sehingga untuk memahami karakteristiknya digunakan suatu grafik. Sifat elektrik dari PV dalam manghasilkan energi listrik dapat diamati dari karakteristiknya, yaitu berdasarkan pada arus dan tegangan yang dihasilkan pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-beda. 2.2 Maximum Power Point Tracker Seperti diketahui bahwa karakteristik daya keluaran PV dipengaruhi oleh radiasi sinar matahari dan temperatur permukaan. Ada titik unik pada kurva, yang disebut titik daya maksimum (MPP), di mana sel-sel PV beroperasi dengan efisiensi maksimum dan menghasilkan daya output maksimum. Karakteristik PV dengan dua tingkat radiasi yang berbeda ditunjukkan pada gambar 4. Gambar 2. Kurva Arus-Tegangan [3]. Parameter yang biasa digunakan untuk menentukan output karakteristik dari sel surya, yaitu: 1. Arus hubung singkat atau short circuit current (I sc ) adalah arus keluaran maksimum dari PV pada kondisi tidak ada resistansi. 2. Tegangan hubung terbuka atau open circuit voltage (V oc ) adalah kapasitas tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak adanya arus. 3. Daya maksimum (Pmax) pada Gambar 2 dan 3 berada pada titik A (V max,i max ). 4. Faktor pengisian atau Fill Factor (FF) merupakan harga yang mendekati konstanta suatu PV tertentu. Jika nilai FF lebih tinggi dari 0.7, maka PV tersebut lebih baik. (a) (b) Gambar 4. Karakteristik PV dengan tegangan-arus di (a) 40 o C dan (b) 50 o C pada tingkat radiasi yang berbeda [6] Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan sebuah algoritma untuk mencari titik daya maksimum (MPP) dan menjaga pada titik kerja tersebut. MPPT adalah suatu sistem untuk mencari titik (point) maksimum dari tegangan dan arus keluaran. MPPT mengendalikan tegangan sel surya atau arus independent dari beban. Salah satu metode mudah yang dapat diterapkan pada sistem MPPT adalah dengan menaikkan/menurunkan tegangan sampai ditemukannya titik daya maksimal panel. Mengingat perubahan level radiasi matahari berubah-ubah setiap waktu, diharapkan sistem MPPT dapat bekerja dinamis dalam mencari titik daya maksimum. 3. Metode 3.1 Konfigurasi Sistem Blok diagram secara keseluruhan dari sistem ditunjukkan pada Gambar 5, sebuah converter DC-DC digunakan untuk antar muka output PV ke beban dan untuk melacak titik daya maksimum dari panel PV. Gambar 3. Kurva Fill Factor Arus-Tegangan [4] Dalam perancangan simulasi panel surya, dibutuhkan beberapa parameter untuk mendapatkan kurva karakteristik sesuai dengan datasheet panel surya yang disimulasikan menggunakan photovoltaic 100 WP. Beberapa parameter panel surya ditunjukkan pada tabel 1. PHOTOVOLTAIK Vpv Ipv BOOST CONVERTER KONTROLER MPPT BEBAN Tabel 1. Parameter PV 100 WP [5] Parameter Nilai Daya maksimum (P max ) 100 W Tegangan maksimum (V max ) 18.1 V Arus maksimum (I max ) 5.54 Amp Tegangan sirkuit terbuka (V oc ) 22.2 V Arus pendek (I sc ) 6.00 Amp Gambar 5. Blok Diagram Sistem Menurut teori transfer daya maksimum, pelacakan power point maksimum berarti bahwa generator photovoltaic seharusnya beroperasi pada tegangan output maksimum. Dalam penelitian ini digunakan DC-DC boost converter dimana saklar daya converter terdiri dari mosfet 38

3 daya dan free wheelingnya adalah diode. Sinyal input dari panel surya berupa tegangan dan arus masuk kedalam PWM kontroler yang dideteksi oleh sensor. Pada kontroler inilah diaplikasikan algoritma penjejak daya. Setelah semua informasi yang dibutuhkan oleh kontroler sudah diterima, maka kontroler akan menghasilkan sinyal outputnya berupa PWM yang dikirimkan ke DC-DC converter yang mempengaruhi nilai dari tegangan atau arus output. Rangkaian boost converter dapat dilihat pada gambar (8) Arah slope ditentukan dengan perbadingan P dan V. Bila hasil perbandingan (slope) menghasilkan nilai positif maka duty cycle dinaikkan sehingga nilai tegangan bertambah dan bila negatif maka duty cycle diturunkan sehingga nilai tegangan berkurang. Gambar 6. Rangkaian Boost Converter Untuk pencarian nilai-nilai setiap komponen dari boost converter dapat dihitung menggunakan persamaan (2) sampai dengan (7). 1. Perhitungan nilai arus output... (2)... (3) 2. Perhitungan nilai duty cycle 3. Perhitungan nilai induktor... (4)... (5) Gambar 7. Kurva P-V dengan perubahan tegangan untuk kondisi MPP [7] 4. Hasil Dan Pembahasan 4.1 Hasil Simulasi Rangkaian di PSIM Pengujian PV tanpa menggunakan MPPT adalah pengujian langsung tanpa meggunakan converter dan algoritma. Gambar 8 adalah rangkaian pengujian tanpa meggunakan algoritma Hill Climbing dan juga tanpa Boost Converter. Dimana PV langsung dihubungkan ke beban. 4. Perhitungan nilai kapasitor... (6)... (7) 3.2 Algoritma Hill Climbing Terdapat beberapa cara untuk menjejak titik daya maksimum. Namun pada penelitian ini dipilih algoritma hill climbing sebagai algoritma kontrol MPPT karena komputasi mudah dan cepat serta mudah dioperasikan. Algoritma ini adalah yang paling umum digunakan dalam praktek karena kemudahan dari implementasi. Pada Gambar 7 ditunjukkan kurva daya PV sebagai fungsi dari tegangan (kurva P-V). Diawali dengan mengukur nilai sekarang dari tegangan sel surya, V(k) dan arus, I(k). Dua parameter ini akan dikombinasikan dan akan menghasilkan daya P(k). Dari parameter-parameter tersebut, maka dibandingkan parameter pembacaan data yang sebelumnya, P(k-1) dan V(k-1). Hasil perbandingan ini didapatkan P dan V. Sementara itu pembagian antara P dan V dinamakan slope, persamaan (8). Gambar 8. Rangkaian Pengujian Tanpa MPPT Hasil simulasi pengujian photovoltaic tanpa menggunakan MPPT dengan beban 15 ohm dapat dilihat pada gambar P_tanpa_mppt Pmax Time (s) Gambar 9. Kurva Daya Tanpa MPPT Untuk pengujian PV dengan menggunakan algoritma Hill Climbing beserta Boost Converter, nilai-nilai parameter 39

4 yang digunakan dalam Boost Converter disesuaikan dengan hardware yang sesungguhnya. Duty cycle PWM yang dihasilkan pada metode MPPT selalu berubah-ubah setiap waktu sesuai data inputan dari tegangan dan arus. Rangkaian pengujian dengan MPPT ditunjukkan pada gambar 10. Sumber dari PV menggunakan variable intensitas cahaya dari square wave voltage source yang dapat menyebabkan daya keluaran converter berubah-ubah sesuai perubahan level intensitas cahaya dari radiasi matahari. Hal ini membuktikan bahwa converter dengan MPPT metode Hill Climbing dapat mengikuti peubahan level intensitas cahaya. nameplate yang ada pada PV yang ditampilkan pada tabel 1 yang tidak mampu mencapai 100 Watt. Secara aktual besarnya daya maksimum untuk karakteristik photovoltaic 100 WP yaitu 61,5 Watt. Gambar 12 menunjukkan grafik P-V yang diambil pada jam dengan cuaca cerah berawan. Pengujian sistem MPPT dimana input PV langsung menggunakan paparan radiasi matahari disertai perangkat mikrokontroler yang telah ditanamkan algoritma penjejak daya puncak, yaitu MPPT menggunakan algoritma Hill Climbing. Untuk bebannya menggunakan rheostat agar beban dapat variable dan juga tahan terhadap panas mengingat daya yang dikeluarkan cukup besar. Gambar 10. Rangkain Pengujian Dengan MPPT Dengan beban 15 ohm, didapatkan hasil pengujian dalam bentuk kurva, ditunjukkan pada gambar Pmax Pmppt Time (s) Gambar 11. Kurva Daya Dengan MPPT Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa pengujian rangkaian tanpa MPPT, daya yang dihasilkan adalah 14,4 Watt dengan beban 15 Ohm untuk daya maksimum PV 49 Watt. Sedangkan pengujian rangkaian dengan MPPT menunjukkan daya yang dihasilkan sebesar 57,538 Watt dengan beban 15 Ohm untuk daya maksimum PV 57,778 Watt. 4.2 Hasil Implementasi Pertamakali dilakukan pengukuran pada terminalterminal keluaran PV 100 WP untuk mendapatkan karakteristik PV tersebut. Tegangan keluaran PV diukur dengan menggunakan multimeter yang terhubung secara paralel pada keluaran terminal positif terhadap terminal negatif, sedangkan arus keluaran dari PV diukur secara langsung menggunakan multimeter yang dihubungkan secara seri terhadap terminal positif keluaran PV. Untuk beban menggunakan resistor variable agar kenaikan tegangan linier. Rangkaian akan di ubah menjadi open circuit untuk mendapatkan tegangan maksimum dan diubah menjadi short circuit untuk mendapatkan arus maksimum. Dari pengambilan data dilapangan, nampak perbedaan daya maksimum yang dihasilkan PV dengan besarnya Gambar 12. Grafik P-V pukul Pengambilan data dilakukan dengan cara real time, nilai yang diambil adalah V in, I in, daya, dan besarnya PWM yang dikeluarkan. Nilai dari parameter-parameter tersebut akan ditampilkan lewat LCD display. Pengujian kinerja sistem MPPT dilakukan dengan cara menggunakan data pembanding. Pengujian pertama adalah pengujian PV yang secara langsung kebeban rheostat, sedangkan pengujian kedua adalah dengan memasang sistem MPPT dan boost converter. Hasil daya masing-masing kemudian dibandingkan. Perangkat pengujian sistem MPPT ditunjukkan pada gambar 13. Gambar 13. Pengujian Sistem MPPT Data hasil pengujian dua sistem, yaitu sistem tanpa menggunakan MPPT dan sistem menggunakan MPPT dapat 40

5 dilihat pada gambar 14. Dari perbandingan kedua sistem tersebut, terlihat jelas bahwa terdapat perbedaan yang cukup signifikan antara keduanya. Pada gambar tersebut menunjukkan bahwa dengan algoritma MPPT dapat menaikkan daya sampai 57,23 Watt, terjadi pada beban 15 Ohm dan waktu pukul 12.30, ditunjukkan pada tabel 2. Pada pengujian sebelumnya, telah dipresentasikan pada gambar 12, yang menjelaskan karakteristik aktual untuk PV 100WV, terlihat daya puncak maksimum yang mampu dicapai sebesar 61,5 Watt. Sedangkan dalam pengujian sistem menggunakan algoritma Hill Climbing dapat dianalisis bahwa daya yang terukur saat pengujian menunjukan nilai 57,23 Watt mendekati dengan daya puncak pada karakteristik PV tersebut. (a) (b) (d) Gambar 14. Pengujian Sistem MPPT dengan beban (a). 15 Ohm, (b). 35 Ohm, (c). 35 Ohm dan (d). 45 Ohm Tabel 2. Prosentase kenaikan Daya Tanpa MPPT dan Dengan MPPT untuk Beban 15, 25, 35 dan 45 Ohm P (Watt) Kenaikan R Waktu Tanpa Dengan Daya (Ohm) MPPT MPPT (%) ,28 42,44 52, ,57 44,13 71, ,32 57,23 83, ,42 46,08 83, ,79 43,81 52, ,23 53,80 75, ,55 56,28 83, ,68 56,16 86, ,27 39,99 56, ,07 46,62 76, ,62 50,16 82, ,28 45,90 84, ,44 41,82 53, ,376 45,31 72, ,62 47,26 79, ,94 47,36 83,24 Pada Tabel 2 ditunjukkan prosentase kenaikan daya antara pengujian sistem tanpa MPPT dan dengan menggunakan MPPT. Hasil menunjukkan bahwa sistem dengan MPPT dapat menaikkan daya tertinggi mencapai 86,32% pada beban 25 Ohm dan pada waktu pukul siang hari. (c) 5. Kesimpulan Baik ditinjau secara simulasi maupun implementasi, pemanenan photovoltaic dengan metode Maximum Power Point Tracker (MPPT) menggunakan algoritma Hill Climbing merupakan metode yang dapat direalisasikan karena algoritma tersebut dapat mengikuti perubahan daya. Sistem yang digunakan terdiri dari PV, boost converter dan mikrokontoler. Hasil pengujian simulasi mampu mencapai daya 57,538 W sementara daya puncak potensial photovoltaic 57,778 W. Namun hasil pengujian implementasi, kenaikan daya paling besar yaitu 57,23 W sementara itu 41

6 untuk karakteristik photovoltaic 100 WP itu sendiri, daya puncak yang dicapai bisa sampai 61,5 Watt. Terdapat selisih antara kedua nilai tersebut. Berbeda dengan hasil yang ditunjukkan pada simulasi. Hal ini biasanya dikarenakan, pada simulasi nilai setiap komponen sangat presisi sekali berbeda dengan nilai komponen secara aktual yang terkadang terdapat nilai toleransinya. Daftar Pustaka [1] Putra Juniansyah Prima Bayu, Aisyah Siti Aulia, Arifin Syamsul, panel Photovol- Surabaya, [2]. Arism Khezzar, A., et.al., Comparative Study of Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with Simulink Departement Of Electrical Engineering SSn College of Engineering Kalavakkam, India, 2014 [3]. Anjarani, Karina, Satwiko Sidopekso. Studi Karakteristik Arus-Tegangan (Kurva I-V) pada Sel Tunggal Polikristal Silikon serta Pemodelannya Universitas Negeri Jakarta, Jakarta, 2012 [4]. Wijaya, Zulnisyah Put Perancangan set up Karakterisasi Universitas Maritim Raja Ali Haji, Tanjung Pinang, [5]. ROYAL PV, Panel Surya 100WP, [(akses pada tanggal 2 Oktober 2017)], alamat url: produk/panel-surya-100-wp-royalpv-monocrystalline/ [6 Comparative Study of Maximum Point Tracking Algorithms Electrical Engineering Departement, South Dakota State Univercity. Brookings, 2003 [7]. Darmawan, Dianggoro Perancangan Maximum Point Tracker (MPPT) Untuk Panel Surya Menggunakan Konverter Dengan Metode Hill Climbing Surabaya,