PERANCANGAN STAND ALONE PV SYSTEM DENGAN MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) MENGGUNAKAN METODE MODIFIED HILL CLIMBING Farhan Aprian Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111 farhan.aprian@gmail.com ABSTRAK Stand Alone PV System adalah sebuah pembangkit listrik tenaga surya untuk daerah terisolir. Rasio elektrifikasi di Indonesia masih tergolong rendah. Hal ini merupakan solusi yang tepat dalam mengatasi masalah krisis energi listrik. Pada umumnya daya yang dibangkitkan oleh panel surya (PV) belum maksimal untuk kondisi beban tertentu. Oleh karena hal itu dibutuhkan teknik Maximum Power Point Tracker (MPPT) dalam sistem panel surya untuk memaksimalkan daya keluaran yang besarnya tergantung pada intensitas cahaya dan suhu di sekitar panel. Panel surya bekerja maksimal pada siang hari. Jadi panel surya juga dimanfaatkan untuk mengisi battery yang berperan penting sebagai sumber backup pada malam hari. Dalam penelitian ini dilakukan studi pv sizing capacity dalam melayani beban area yang belum terdistribusi listrik dan bagaimana cara memaksimalkan daya output PV dengan melacak titik daya maksimal sel surya. Untuk menjaga daya keluaran tetap dalam keadaan konstan, digunakan metode Modified Hill Climbing (MHC) yang disimulasi dahulu menggunakan software PSIM. Tujuan implementasi metode MHC dalam teknik MPPT diharap dapat memaksimalkan kerja sel surya menjadi lebih efisien dan efektif pada Stand Alone PV system. I. PENDAHULUAN Pembangkit listrik tenaga surya merupakan salah satu pembangkit tenaga listrik alternatif yang banyak dikembangkan, panel surya (solar phovovoltaic) sebagai jenis pembangkit listrik terbaharukan di masa depan akan semakin memiliki peranan penting sebagai pengganti energi fosil atau energi tak terbaharukan. Dalam aplikasinya secara konvensional panel surya memiliki banyak kekurangan terutama pada sisi efisensi keluaran yang terbilang rendah, hal tersebut dikarenakan perbedaan karakteristik antara panel surya dengan beban. Selain itu ada beberapa faktor yang mempengaruhi daya listrik yang dihasilkan oleh panel surya, seperti besarnya tingkat intensitas cahaya dan suhu kerja dari panel surya. oleh karena itu diperlukan sebuah teknologi yang dapat memaksimalkan daya keluaran dari panel surya tersebut [1]. Maximum power point tacker (MPPT) adalah suatu metode untuk mencari point (titik) maksimum dari kurva karakteristik daya dan tegangan input (P-V) pada aplikasi panel surya. Sistem Maximum Power Point Tracker (MPPT) dengan bantuan konverter dc-dc digunakan untuk mengatur besarnya tegangan keluaran pada panel surya, agar dapat memaksa panel surya memperoleh daya maksimum pada berbagai tingkat intensitas cahaya. Dengan menganalisa masukkan sumber hasil konversi panel surya dan memanfaatkan kemampuan kapasitas puncak dari karakteristik panel, diharapkan efisiensi daya keluaran ke beban dapat maksimum. II. PERMODELAN PANEL SURYA Dalam permodelan panel surya ini telah dianalisa semua parameter-parameter yang mempengaruhi dalam operasi/kerja panel. Panel surya dapat dimodelkan secara matematis dengan melihat rangkaian pengganti seperti pada gambar di bawah ini, Gambar 1 Rangkaian Ekivalen Panel Surya [2]. Model matematika dari panel surya merupakan arus short circuit (I sc ) panel surya dimana dipengaruhi oleh fungsi illuminasi matahari (S) dan tegangan open circuit (V oc ) dengan persamaan di bawah ini, qv 0 I 0 = npi ph npirs exp 1 (1) [2] ktans dimana I o merupakan arus keluaran panel surya; n p banyaknya sel yang terhubung parallel; n s banyaknya sel terhubung seri; k konstanta Boltzmann; q kecepatan perpindahan electron; T suhu permukaan panel; dan A konstanta deviasi karakteristik sel p-n junction. I rs merupakan arus balik saturasi pada sel yang berubah mengikuti temperatur dengan persamaan di bawah ini, 3 T qe G 1 1 I rs = Irr exp (2) [2] Tr ka Tr T dimana q adalah konstanta pengisian muatan elektron; T r adalah referensi temperatur cell; I rr merupakan arus balik saturasi pada kondisi T r ; dan E G merupakan lebar sela energi dari semikonduktor yang digunakan pada sel. Photo current (I ph ) tergantung pada radiasi cahaya dan suhu sell yang ditunjukkan pada persamaan dibawah ini, s I = I + k T T (3) [2] ph [ scr i ( r )] 1000 dimana I sc adalah arus sel short-circuit (A); k i adalah koefisien suhu short-circuit current ; S adalah tingkat illuminasi cahaya matahari (Watt/m 2 ). Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit (I SC ) dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut tegangan open circuit. (V OC ). Titik pada kurva Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI ITS, Juni 2010 1
I-V yang menghasilkan arus dan tegangann maksimum disebut maximumm power point (MPP). Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan persamaan, Vmpp x I mppp FFF = (4) [3] Voc x I sc dengan menggunakan fill factor maka maksimum daya dari sel surya didapat dari persamaan, P ma x = Voc x I sc x FF (5) [3] sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (P max ) dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (P cahaya ), P = max (6) η pv P cahaya Nilai efisiensi ini yang menjadi tolak ukur global dalam menentukan kualitas performansi suatu sel surya. Dalam perancangan simulasi panel surya, dibutuhkan beberapa parameter untuk mendapatkan kurva karakteristik yang sesuai dengan datasheet panel yang disimulasikan. Dalam tugas akhir ini digunakan panel surya New Tomorrow TYPE 50 Watt-Peak. Beberapa parameter panel surya New Tomorrow TYPE 50 Watt-Peak ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1 Parameter panel surya New Tomorrow 50WP Parameter Nilai Maximum Power (Pmax) 50 Watt Short Circuit Current (Isc) 3,2 Amperee Maximum Power Current (Imax) 3 Ampere Open Circuit Voltage (Voc) 21,6 Volt Nominal Voltage (Vmax) 17,2 Volt Series Connection (ns) 36 cell Fill Factor (FF) 0.75 Dimensi panel surya 640mm 680mm 38mm Gambar 3 Perancangan simulasi panel surya New Tomorrow TYPE 50 Watt-Peak Simulasi pemodelan panel surya ditunjukkan pada gambar 3 dan perbandingan pemodelan dengan datasheet panel surya New Tomorrow TYPE 50 Watt-Peak ditunjukkan pada tabel 2. III. MAXIMUM POWER POINT TRACKERR (MPPT) Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah suatu sistem untuk mencari point (titik) maksimum dari tegangan dan arus keluaran pada penggunaan panel surya. Cara kerja sistem MPPT adalah dengan mengubah titik operasi/kerja pada kurva karakteristik P-V dari panel surya sehingga sistem konverter dc-dc dapat memaksa panel surya untuk membangkitkan daya maksimumm sesuai dengann kemampuan panel surya pada setiap perubahan tingkatt intensitas cahaya. Sistem Maximum Power Point Tracker (MPPT) sepenuhnya adalah sebuah rangkaian devais elektronik yang dapat mengubah-ubah titik operasi dari panel surya. Salah satu metode mudah yang dapat diterapkan pada sistem MPPT adalah dengan menaikkan/men nurunkan tegangan sampai ditemukannya titik daya maksimal panel. Mengingat perubahan levell illuminasi sun power berubah-ubah setiap waktu, diharap sistem MPPT dapat bekerja dinamis dalam mencari titik daya maksimum. Daya (Watt) Maximum power point (mpp) 1000 W/m 2 750 W/m 2 500 W/m 2 250 W/m 2 Gambar 2 Kurva Panel Surya P-V Dengan Level Iluminasi Cahayaa Yang Berbeda-Beda [4]. Sistem MPPT diimplementasikan ke dalam suatu alat elektronik. Hasil keluaran alat elektronikk tersebut berupa duty ratio (D) yang selanjutnya digunakan untuk switching transistor pada konverter DC-DC. Sehingga dengann mengatur nilai D diharap dapat menemukan titik daya maksimum dari panel surya. IV. PERANCANGAN DAN SIMULASI MPPT MENGGUNAKAN KONVERTER BUCK BOOST MENGGUNAKAN METODE MODIFIED HILL CLIMBING Secara umum desain sistem panel surya yang terhubung dengan sistem MPPT ke beban ditunjukkan blok diagram dibawah ini. MPPT Controller Pulse Tegangan (V) Tabel 2 Perbandingan data panel Parameter Dataa Hasil sheet simulasii Maximum Power (Pmax) Short Circuit Current (Isc) Maximum Power Current (Imax) Open Circuit Voltage (Voc) Nominal Voltage ( Vmax) 50 Watt 3,2 A 3 A 21,6 V 17,2 V 50 Watt 3,2 A 2,94 A 21,04 V 16,99 V Error 0 % 0 % 1,03 % 1,02 % 1,01 % Vsen Isen PV Konverter Buck-Boost L C LOAD Gambar 3 Blok Diagram Konfigurasi Sistem MPPT
A Pemodelan Konverter Buck Boost Konverter DC-DC buck-boost merupakan jenis konverter yang dapat menghasilkan magnitudo tegangan output DC lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input DC. Konverter jenis ini bekerja dengan cara mengatur waktu switching transisitor yang dilakukan dengan frekuensi yang konstan. Agar sistem konverter dapat bekerja secara maksimum pada setiap level illuminasi sun power, tegangan masukan dari konverter harus dinaikkan atau diturunkan untuk mendapatkan nilai daya maksimal.. Dalam hubungannya terhadap panel surya, konverter seolah-olah berfungsi sebagai regulator tegangan yang dapat bekerja otomatis jika terjadi perubahan level illuminasi sun power. Sehingga dengan mengatur tegangan input konverter otomatis juga dapat mengatur daya output konverter. Oleh karena hal itu sistem konverter berfungsi sebagai pengatur daya yang dihasilkan oleh panel surya menjadi maksimum. Untuk hubungan antara V out, V in dan D pada konverter buck-boost seperti ditunjukkan pada persamaan (7). V V out in D = (7) [5] 1 D Untuk pemilihan nilai parameter kapasitor pada konverter bekerja dalam keadaan CCM maka desain C lebih besar dari C min, sedangkan bila bekerja dalam keadaan DCM maka desain C lebih kecil dari C min seperti terlihat pada persamaan (12), C min = V D x V x R ripple out L x f (8) [5] dimana V ripple adalah toleransi ripple tegangan output dan f merupakan frekuensi untuk duty cycle. Begitu pula dalam pemilihan nilai parameter induktor pada konverter bekerja dalam keadaan CCM maka desain L lebih besar dari L b sedangkan bila bekerja dalam keadaan DCM maka desain L lebih kecil dari L b seperti terlihat pada persamaan (9). daya terhadap waktu berdasarkan karekteristik kurva P-V panel, sehingga penggunaan panel surya dapat efektif.. Dalam perkembangannya metode hill climbing mengalami perubahan sedikit dalam mencari titik daya maksimum yaitu dibedakan menjadi metode Classic Hill Climbing (CHC) dan metode Modified Hill Climbing (MHC). 1. Metode Classic Hill Climbing (CHC). Pada pengoperasian metode ini dibutuhkan dua parameter inti yaitu tegangan input V(k) dan arus input I(k) dari penel surya. Daya panel P(k) dapat diketahui dengan mengalikan dua parameter tersebut. Inti tracking dari metode ini adalah menghitung kemiringan (slope) dari respon kurva P-V, seperti dijelaskan pada gambar 4. Gambar 4 Karakteristik Kurva P-V Panel Surya [6] Untuk mendapatkan nilai slope pada kurva P-V yaitu dengan membandingkan nilai daya sekarang P(k) dengan daya sebelum P(k-1), P ( k) = V ( k) x I ( k) (10) [6] P( k) S ( slope) = (11) [6] P( k 1) nilai S dibutuhkan untuk menentukan besar/kecilnya nilai D yang digunakan sebagai switching transistor. Seperti dijelaskan pada flowchart dibawah. ( 1 D) 2 RL Lb = (9) [5] 2 x f Pada tugas akhir ini digunakan konverter dc-dc buckboost yang dioperasikan dalam CCM (Continous Conduction Mode). Sehingga dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas dapat didesain sebuah konverter dc-dc buck boost dengan dipilih nilai parameter yang umum dijumpai di pasaran yang terlihat pada tabel 3. Tabel 3 Parameter Konverter DC-DC Buck Boost Induktor/Kapasitor Keterangan L (Induktor) 680µH C (Kapasitor) 1000 µf B Metode Hill Climbing. Metode hill climbing adalah salah satu metode tracking daya maksimum pada panel yang mudah dioperasikan. Karena metode ini bekerja setiap perubahan Gambar 5 Flowchart Metode Classic Hill Climbing [4] 2. Metode Modified Hill Climbing (MHC). Pada dasarnya metode MHC ini adalah penyempurnaan dari metode sebelumnya yaitu dalam mempercepat proses tracking titik daya maksimum. Perbedaan dengan metode sebelumnya terletak pada perhitungan S (slope) dan sedikit penambahan perhitungan perubahan step tegangan setiap perubahan daya. Sehingga dengan diperhitungkannnya perubahan step tegangan Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI ITS, Juni 2010 3
diharap dapat mempercepat respon pencarian titik maksimum daya. Seperti terlihat jelas prosesnya pada flowchart dibawah. START C Simulasi Panel Surya Menggunakan Sistem MPPT Dengan Metodee Modified Hilll Climbing Sampel V(k), I(k) P(k) = V( k) I(k) V(k) = V(k) - V(k-1) P(k) = P(k) - P(k-1) Perhitungan Slope S = P(k) ) / V(k) Perhitungan Perubahan Tegangan Vref = ( P(k) / V(k)) 3 Gambar 7 Diagram Simulasi Sistem MPPT Menggunakan Konverter Buck-Boost Dengan Metodee Modified Hill Climbing Nilai Tegangan Baru V(k) baru = V(k) lama + Vref D(k) = D(k) + Dstep S PWM Control Gambar 6 Flowchart Metode Modified Hill Climbing [6] Dalam metode MHC diperlukan juga parameter untuk menghitungg nilai slope yaitu parameter perubahan step daya terhadap waktu (dp(k)) dan perubahan step tegangan terhadap waktu (dv(k)). P( k) = P( k) P V ( k) = V ( k) V Dalam perhitungan slope pada metode ini sedikit berbeda dengan metode sebelumnya. Nilai slope didapat dari perbandingann perubahan step daya terhadap waktu dengan perubahan tegangan tegangan terhadap waktu. P( k ) S (slope) = V ( k) ( k 1) ( k 1) (12) (13) (14) [6] Untuk mempercepat perubahan respon duty ratio dibutuhkan juga perbaikan variabel step tegangan. Dengan menggunakan persamaan (15) dan (16) variable step tegangan dapat berubah secara cepat sehingga respon perubahan duty ratio yang digunakan sebagai tracking untuk menemukann titik MPP. Gambar 8 Hasil Simulasi Perbandingan Kurva Dayaa Output Sistem MPPT Menggunakan Metodee Modified Hill climbing dengan Metode Classic Hill Climbing Gambar 7 merupakan diagram simulasi sistem MPPT menggunakann konverter buck-boost dengan metode modified hill climbing menggunakan program simulator. Sedangkan gambar 8 adalah hasil running simulasi perbandingan antara sistem MPPT menggunakan kedua metode. Dari perbandingan antara 2 metode tersebut dapat diambil kesimpulan dengan menggunakan metode modified hill climbing proses tracking titik MPP lebih effisien dibanding menggunakann metode classic hill climbing. Untuk kurva warna hijau adalah kurva daya output sistem tanpa MPPT. Dalam hasil simulasi plot daya disajikan jika terjadi perubahan level illuminasi sun power berubah dari 1000 W/m 2 menjadi 400 W/m 2 pada waktu t = 0.1 sekon dan level illuminasi sun power berubah lagi dari 400 W/m 2 menjadi 1000 W/m 2 pada waktu t = 0.3 sekon. Sehingga dapat disimpulkan perubahan level illuminasi sun power mempengaruhi perubahan daya output dari sistem MPPT P( k) Vref = ( ) V k V (kk ) baru = V ( k)lama + Vref 3 (15) [6] (16) [6] Bila nilai sinyal (slope) bertanda positif, berarti tegangan naik untuk mendapatkan nilai mppp yang baru. Sebaliknya, jika nilai sinyal (slope) bertanda negatif, berarti tegangan panel surya akan turun. Jika nilai slope naik maka nilai D (duty cycle) ditambahkan untuk mencari titik mpp dan sebaliknya jika nilai slope turun maka nilai D dikurangi untuk mencapai titik mpp. Gambar 9 Effisiensii vs Illuminasi Sun Power saat Beban 15 Watt
Gambar 9 merupakan kurva effisiensi vs level illuminasi sun power pada hasil simulasi perbandingan pada saat beban 15 watt menggunakan metode modified dan classic hill climbing. Setelah melihat data hasil simulasi dapat disimpulkan sistem MPPT menggunakan metode modified hill climbing kerjanya lebih baik dibanding menggunakan metode classic hill climbing. Setelah dianalisa sistem MPPT menggunakan metode modified hill climbing mempunyai effisiensi rata-rata sebesar 90% dari daya output maksimal panel surya. IV. PERENCANAAN STAND ALONE PV SYSTEM Dalam merancang sebuah Stand Alone PV system, kita harus terlebih dahulu mengetahui seberapa besar beban lokal area tersebut. Setelah mengetahui semua datadata tersebut baru kita dapat menentukan profil beban harian. Melalui profil beban harian tersebut kita dapat menentukan kapasitas sizing untuk mendesain size module PV, size inverter dan size battery yang dibutuhkan. Kapasitas size tersebut harus dipastikan dapat menyuplai beban saat kondisi puncak. Profil beban juga digunakan untuk menganalisa size battery mampu menyuplai beban lokal untuk beberapa hari ke depan. Gambar 9 Blok Diagram Stand Alone PV System dengan MPPT menggunakan Metode Modified Hill Climbing Dari hasil simulasi analisa daya yang terbangkit menggunakan sistem MPPT menggunakan metode modified hill climbing ini berhasil mengalirkan daya output panel surya dengan effisiensi hingga 90% dari daya output maksimal. A. Lokasi Pada tugas akhir ini dipilih lokasi pada daerah yang belum terdistribusi listrik secara merata. Dipilih lokasi bernama dusun Bancang yang terletak di desa Tahulu kecamatan Merakurak kota Tuban provinsi JATIM. Gambar 10 Kondisi Eksisting Kelistrikan Pada Lokasi Kondisi eksisting kelistrikan pada lokasi dapat diilustrasikan seperti pada gambar 10. Aliran listrik dimulai dari rumah no.1 dimana pada rumah tersebut sudah mempunyai MCB. Dari rumah no.1 listrik dialirkan melalui kabel ke rumah no.2 jaraknya lumayan jauh sekitar 1,5 km. Jarak rumah no.2, no.3, no.3, dan no.5 saling berdekatan sekitar 500 m sehingga menjadi tugas rumah no.2 untuk mendistribusikan listrik ke rumah no.3, no.4, dan no.5. Tabel 4 Data Beban Tiap Model Rumah Ruang Beban Rumah Ke (Watt) 1 2 3 4 5 Teras 5 5 5 5 5 Tamu 20 20 20 20 20 Kamar 1 5 5 5 5 5 Kamar 2 5 5 5 5 5 Kamar 3 5 5-5 - Kamar Mandi - 5 5 5 5 TV 21 - - - 100 100 Tabel 5 Profil Beban Harian Model Rumah Jam Beban Rumah Ke- (Watt) 1 2 3 4 5 01.00 15 20 15 20 15 02.00 15 20 15 20 15 03.00 15 20 15 20 15 04.00 20 20 15 25 15 05.00 15 10 20 20 20 06.00 10 0 10 0 0 07.00 0 0 0 0 0 08.00 0 0 0 0 0 09.00 0 0 0 0 0 10.00 0 0 0 0 0 11.00 0 0 0 0 0 12.00 0 0 0 0 0 13.00 0 0 0 100 100 14.00 0 0 0 100 100 15.00 0 0 0 100 100 16.00 0 0 0 100 100 17.00 25 25 25 125 125 18.00 40 45 40 145 125 19.00 40 45 40 145 135 20.00 40 45 40 145 135 21.00 40 45 40 145 135 22.00 35 40 35 145 135 23.00 20 20 15 140 115 24.00 15 20 15 20 15 TOTAL(Wh) 345 390 340 1515 1400 Tabel 4 merupakan data beban yang ditanggung pada tiap model rumah pada lokasi. Dengan menggunakan data tabel 4 kita dapat merancang profil beban harian yang ditanggung setiap model rumah pada lokasi seperti ditunjukkan pada tabel 5. B. Desain Battery Storage Setelah mengetahui profil beban harian kita dapat mendesain kapasitas battery storage. Sebelum mendesain kapasitas battery storage kita perlu mengetahui daily battery tiap model rumah. Model Rumah Ke-1 - Jika dipilih tegangan battery yang dipakai = 12 volt 345 Wh / 12 Volt = 28,75 Ah - Jika diketahui effisiensi battery : 90 % - Jika diketahiu loss cable : 2 % - Maka daily battery : 28,75 / 0,9 / 0,98 = 32,59 Ah Jika langkah-langkah perhitungan di atas dilakukan untuk mencari daily battery untuk mencari tiap model rumah lainya maka didapat data penggunaan battery harian. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI ITS, Juni 2010 5
Tabel 6 Daily Storage Tiap Model Rumah Model Rumah Daily Battery Rumah ke-1 32,59 Ah Rumah ke-2 36,8 Ah Rumah ke-3 32,08 Ah Rumah ke-4 143,14 Ah Rumah ke-5 132,3 Ah Jika ditotal 5 beban rumah 376,98 Ah Gambar 10 Kurva karakteristik DOD battery YUASA Dari tabel diatas dapat dilihat untuk model rumah ke-1, 2, dan 3 mempunyai kesamaan dalam penggunaan battery harian. Sedangkan model rumah ke-4 dan ke-5 juga mempunyai kesamaan. Jika diinginkan battery mampu bertahan dalam 3 hari kedepan maka: Desain battery untuk model rumah ke-1, 2, dan 3-3 36,8 Ah = 110,4 111 Ah - Maka dipilih kapasitas battery 12 V / 130 Ah - Sehingga % kapasitas terpakai perhari : (36,8 / 130) = 28,3% Diketahui dari kurva karakteristik battery YUASA type VRLA untuk penggunaan DOD 28,3% mampu diasumsikan sampai 1588 cycle penggunaan (1Cycle = 1 charge dan 1 discharge = 1 hari). Dengan perhitungan simpel dapat analisa lifetime battery storage, jika dalam 1 tahun ada 365 hari maka lifetime battery storage dapat diperkirakan sekitar 4,4 tahun penggunaan. Sehingga desain battery storage menggunakan konfigurasi battery paralel 2 x @ 12V / 65Ah Desain battery untuk model rumah ke-4 dan ke-5-3 143,14 Ah = 429,42 430 Ah - Maka dipilih kapasitas battery 12 V / 500 Ah - Sehingga % kapasitas terpakai perhari : (143,14 / 500) = 28,6% Diketahui dari kurva karakteristik battery YUASA type VRLA untuk penggunaan DOD 28,6% mampu diasumsikan sampai 1588 cycle penggunaan (1Cycle = 1 charge dan 1 discharge = 1 hari). Dengan perhitungan simpel dapat analisa lifetime battery storage, jika dalam 1 tahun ada 365 hari maka lifetime battery storage dapat diperkirakan sekitar 4,4 tahun penggunaan. Sehingga desain battery storage menggunakan konfigurasi battery paralel 5 x @ 12V / 100Ah Desain battery untuk total beban 5 model rumah - 3 143,14 Ah = 1130,94 1131 Ah - Maka dipilih kapasitas battery 6 V / 1850 Ah - Sehingga % kapasitas terpakai perhari : (376,98 / 1850) = 20,4% Diketahui dari kurva karakteristik battery YUASA type VRLA untuk penggunaan DOD 20,4% mampu diasumsikan sampai 1650 cycle penggunaan (1Cycle = 1 charge dan 1 discharge = 1 hari). Dengan perhitungan simpel dapat analisa lifetime battery storage, jika dalam 1 tahun ada 365 hari maka lifetime battery storage dapat diperkirakan sekitar 4,5 tahun penggunaan. Sehingga desain battery storage menggunakan konfigurasi battery seri 2 x @ 6V / 1850Ah C. Desain Kapasitas Panel Surya Desain jumlah modul panel surya harus disesuaikan dengan kapasitas arus yang digunakan untuk mengisi battery storage. Sehingga dalam waktu sehari battery storage dapat terisi sesuai dengan kebutuhan untuk melayani beban. Perhitungan kapasitas panel surya sebagai berikut : Desain kapasitas panel surya untuk model rumah ke- 1, 2, dan 3 - Dari analisa daily battery sebesar 36,8 Ah - Effisiensi pada Charge Control menggunakan metode Modified Hill Climbing sebesar 90 % (36,8 Ah / 0,9) = 40,89 Ah - Jika kemampuan PV full sun power di Indonesia diasumsikan sekitar 4 hour per hari maka (40,89 Ah / 4 h) = 10,22 Ampere - Jika dipilih panel surya TYPE 50 WP (50 Watt / 12 Volt) = 4,16 4,2 Ampere - Sehingga untuk mencapai arus 10,22 Ampere dalam sehari maka dibutuhkan 10,22 A / 4,2 A = 2,4 3 buah Jadi, desain kapasitas panel surya untuk model rumah ke-1, ke-2, dan ke-3 membutuhkan sekitar 3 x @ TYPE 50 WP dengan konfigurasi paralel. Desain kapasitas battery storage untuk model rumah ke-4 dan model rumah ke-5 - Dari analisa daily battery sebesar = 143,14 Ah - Effisiensi pada Charge Control menggunakan metode Modified Hill Climbing sebesar 90 % (143,14 Ah / 0,9) = 159,05 Ah - Jika kemampuan PV full sun power di Indonesia diasumsikan sekitar 4 hour per hari maka (159,05 Ah / 4 h) = 39,79 40 Ampere - Jika dipilih panel surya TYPE 100 WP (100 Watt / 12 Volt) = 8,3 Ampere - Sehingga untuk mencapai arus 40 Ampere dalam sehari maka dibutuhkan (40 A / 8,3 A) = 4,8 5 buah Jadi, desain kapasitas panel surya untuk model rumah ke-4 dan model rumah ke-5 membutuhkan sekitar 5 x @ TYPE 100 WP dengan konfigurasi paralel. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI ITS, Juni 2010 6
Jika diinginkan desain jumlah panel surya mampu mengisi battery yang digunakan untuk melayani beban 5 model rumah tersebut disupplai maka perhitungannya: - Dari analisa daily battery sebesar 376,98 Ah - Effisiensi pada Charge Control menggunakan metode Modified Hill Climbing sebesar 90 % (379,98 Ah / 0,9) = 418,87 Ah - Jika kemampuan PV full sun power di Indonesia diasumsikan sekitar 4 hour per hari maka (418,87 Ah / 4 h) = 104,71 105 Ampere - Jika dipilih panel surya TYPE 100 WP (100 Watt / 12 Volt) = 8,3 Ampere - Sehingga untuk mencapai arus 105 Ampere dalam sehari maka dibutuhkan (105 A / 8,3 A) = 12,6 13 buah Jadi, desain kapasitas panel surya untuk untuk melayani beban 5 model rumah membutuhkan sekitar 13 x @ TYPE 100 WP dengan konfigurasi paralel. D. Desain Kapasitas Inverter Untuk mendesain kapasitas dari inverter yang akan digunakan pada stand alone PV system hanya diperlukan data beban puncak. Dari data beban puncak dapat didesain 2-3 kali besar beban puncak untuk menentukan kapasitas output inverter. Maka dipiilih : Desain kapasitas inverter untuk model rumah ke-1, 2, dan 3 : Type 300 Watt Desain kapasitas inverter untuk model rumah ke-4 dan model rumah ke-5 : Type 300 Watt Desain kapasitas inverter untuk total beban 5 model rumah : Type 1000 Watt E. Rincian Biaya Perencanaan Sistem Dari desain kapasitas battery, jumlah modul panel surya, serta kapasitas inverter yang akan digunakan maka dikalkulasi biaya yang dikeluarkan untuk pembangunan sebuah stand alone PV system. Rincian biaya pokok yang perlu dikeluarkan untuk instalasi Stand Alone PV system untuk model rumah ke-1, ke-2, dan ke-3 - Panel Surya 3 TYPE 50 WP @ Rp. 2.700.000 = Rp. 8.100.000 - Battery 2 Dry (gel) VRLA 12V/65Ah @ Rp. 650.000 = Rp. 1.300.000 - Charge Control (Regulator) = Rp. 750.000 - Inverter 300 Watt = Rp. 320.000 ============ + = Rp. 10.470.000 Jadi biaya pokok yang harus dikeluarkan untuk instalasi Stand Alone PV system untuk model rumah ke-1, ke-2, dan ke-3 sekitar Rp. 10.470.000. Rincian biaya pokok yang perlu dikeluarkan untuk instalasi Stand Alone PV system untuk model rumah ke-4 dan model rumah ke-5 - Panel Surya 5 TYPE 100 WP @ Rp. 4.550.000 = Rp. 22.100.000 - Battery 5 Dry (gel) VRLA 12V/100Ah @ Rp. 900.000 = Rp. 1.300.000 - Charge Control (Regulator) = Rp. 750.000 - Inverter 300 Watt = Rp. 320.000 ============ + = Rp. 28.320.000 Jadi biaya pokok yang harus dikeluarkan untuk instalasi Stand Alone PV system untuk untuk model rumah ke-4 dan model rumah ke-5 sekitar Rp. 28.320.000 Rincian biaya pokok yang perlu dikeluarkan untuk instalasi Stand Alone PV system untuk melayani beban 5 model rumah - Panel Surya 13 TYPE 100 WP @ Rp. 4.550.000 = Rp. 59.100.000 - Battery 2 Dry (gel) VRLA 6V/1850Ah @ Rp. 5.650.000 = Rp. 11.300.000 - Charge Control (Regulator) = Rp. 1.000.000 - Inverter 1000 Watt = Rp. 785.000 ============ + = Rp. 72.235.000 Jadi biaya pokok yang harus dikeluarkan untuk instalasi Stand Alone PV system untuk melayani beban 5 model rumah sekitar Rp. 72.235.000 Dari analisa rincian biaya di atas dapat dilihat semakin besar beban yang di tanggung maka semakin besar biaya pokok untuk pembuatan stand alone pv system. Sedangkan untuk biaya maintenance setiap 5 tahun hanya untuk penggantian battery storage yang umurnya sudah diramalkan dengan melihat kurva DOD sebuah battery. Untuk maintenance modul panel surya sekitar 25 tahun. V. KESIMPULAN Berdasarkan analisa hasil penelitian yang sudah dilakukan pada tugas akhir ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Penggunaan sistem Maximum Power Point Tracker (MPPT) metode Modified Hill Climbing pada konverter Buck-Boost yang terhubung pada panel surya dapat memaksa sistem bekerja pada setiap level illuminasi sun power dengan effisiensi rata-rata sebesar 90%. 2. Pada desain battery dalam perancangan stand alone pv system sangat erat hubungannya dengan profil beban harian. Semakin besar profil beban harian semakin besar juga desain battery yang diperlukan untuk melayani beban tersebut. 3. Dari analisa rincian biaya perencanaan stand alone pv system dapat diambil kesimpulan biaya capital cost untuk model rumah ke-1, ke-2, dan ke-3 sekitar Rp. 10.470.000; biaya capital cost untuk model rumah ke-4 dan ke-5 sekitar Rp. 28.320.000; dan biaya capital cost jika beban total untuk 5 model rumah sekitar Rp. 72.235.000. 4. Biaya investasi dalam pembuatan stand alone pv system tergolong mahal dan biaya maintenance untuk battery setiap 5 tahun, tetapi sebanding dengan hasil yang diperoleh. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI ITS, Juni 2010 7
VI. DAFTAR PUSTAKA 1. Ikbal M., Interkoneksi Sistem Photovoltaic dengan Grid, Program studi teknikk elektro, ITB, 2008. 2. Yu G.J., Yung Y.S., Choi J.Y., Kim G.S., A Novel two-mode MPPT control Algorithm based on comparative study of existing algoritms, Science Direct Solar energy, 2004. 3. Roger A. Messeger and Jerry Ventre, Photovoltaic Systems Engeneering, 2nd Edition, CRC PRESS, Washington DC, 2004. 4. Fangrui Liu, Yong Kang, Yu Zhang and Shanxu Duan, Member, IEEE, Comparison of P& &O and Hill Climbing MPPT Methods for Grid-Connected PV Converter, page 804, 2008. 5. Rashid, M.H, "Power Electronics Handbook", Academic Press. Canada, 2001. 6. Peftitsis D., Adamidis G., Balouktsis A., A New MPPT Method for Photovoltaic Generation Systems Based on Hill Climbing Algorithm,, IEEE on Electrical Machines, 2008. VIII. BIOGRAFII PENULIS Farhan Aprian dilahirkan di Jakartaa pada tanggal 31 Oktober 1986 sebagai anak kedua dari empat bersaudara dari pasangan Apris dan Nurani. Setelah tamat dari SMUN 1 Tuban tahun 2004, diterima di jurusan D3 Teknik Elektro FTI-ITS dan pada tahun 2007 melanjutkan di jurusan Teknikk Elektro FTI-ITS. Penulis mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga dengan konsentrasi Desain dan Manajemen Sistem Tenaga.