Implementasi MPPT (Maximum Power Point Tracker) Pada Sistem Photovoltaic Harmini1) Titik Nurhayati2) 1)Jurusan Teknik Elektro U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang50196,email:
[email protected] 1)Jurusan Teknik Elektro U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang50196,email:
[email protected]
Abstrak – Sinar matahari merupakan sumber energi terbarukan yang sangat efektif. Sinar matahari yang sampai ke permukaan bumi dapat diubah menjadi energi listrik menggunakan sel surya atau photovoltaic array (PV). PV mempunyai karakteristik kurva V-I yang tidak linier dan mempunyai daya maksimum pada titik tertentu dengan koordinat Vmpp dan Impp yang disebut dengan Maximum Power Point (MPP). Pada titik tersebut PV bekerja pada efisiensi maksimum dan menghasilkan daya keluaran yang paling besar. MPP tergantung dari intesitas radiasi matahari dan suhu, dimana intensitas dan suhu matahari tidak pernah konstan tergantung dari waktu dan kondisi cuaca. MPPT (Maximum Power Point Tracker) digunakan untuk mencari daya maksimum ketika terjadi perubahan cuaca dan menjaga titik kerja PV agar selalu berada pada titik MPP. Melalui penelitian ini, dibuat sebuah alat untuk optimalisasi MPPT pada sistem PV dengan mengimplementasikan algoritma MPPT yaitu Incremental Conductance. Algoritma tersebut digunakan untuk mendapatkan nilai efisiensi yang paling besar dalam pengkonversian energi matahari. Boost Converter dan mikrokontroler ATMEGA 32 digunakan untuk mengontrol tegangan dan arus kerja PV agar didapatkan nilai daya yang maksimum. Hasil pengujian di laboratorium dengan beban lampu 24V/16W dan baterai 24V/2,5Ah menunjukkan bahwa menggunakan algoritma Incremental Conductance pada system MPPT menghasilkan efisiensi sebesar 44,717%. Sedangkan pengujian dilapangan menghasilkan efisiensi 38,568%. Kata kunci : Algoritma MPPT, Boost Converter, Photovoltaic 1.PENDAHULUAN Sinar matahari merupakan sumber energi terbarukan yang sangat effektif dan ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polusi. Sinar matahari yang sampai kepermukaan bumi dapat diubah menjadi energi listrik menggunakan sel surya atau photovoltaic array (PV). Energi listrik yang dihasilkan matahari hanya terdapat pada siang hari, sehingga untuk dapat menggunakan energi dimalam hari diperlukan media penyimpanan untuk menyimpan energi matahari. Salah satu media penyimpanan yang digunakan adalah
Accu atau baterai. Proses penyimpanan tidak dapat langsung dilakukan dengan menghubungkan keluaran panel surya ke baterai karena dapat merusak panel surya. Pada saat tegangan panel surya lebih rendah dari baterai, akan terjadi arus balik ke panel surya. Begitu juga sebaliknya apabila tegangan pada baterai sudah penuh tetapi tegangan sel surya tetap mengisi baterai maka baterai juga akan cepat rusak. Perangkat pengatur arus dan tegangan diperlukan pada saat terjadi pengisian baterai untuk melindungi baterai dari kerusakan. Permasalahan yang ditimbulkan pada penggunaan PV (Photovoltaic) adalah daya keluaran PV yang seringkali tidak mencapai maksimal dari daya yang sebenarnya dikeluarkan oleh PV terutama pada kondisi radiasi matahari yang rendah. Radiasi matahari yang diterima panel surya tergantung cuaca dan posisi matahari terhadap panel surya. Selain itu, PV mempunyai karakteristik kurva V-I yang tidak linier dan mempunyai daya maksimum pada titik tertentu dengan koordinat Vmpp dan Impp yang disebut dengan Maximum Power Point (MPP). Pada penelitian ini akan dikembangkan MPPT dengan menggunakan algoritma Incremental Conductance untuk memaksimalkankan daya tanpa melakukan proses tracking atau perputaran secara mekanik terhadap panel surya. Boost converter dan mikrokontroler digunakan untuk mengatur algoritma MPPT. Tujuan penggunaan boost converter untuk menaikkan tegangan kerja PV agar sesuai dengan kebutuhan beban yang digunakan. Perumusan masalah pada penelitian MPPT adalah mengimplementasikan MPPT pada sistem boost converter dan mendesain boost converter sesuai dengan tegangan keluaran PV dan kebutuhan beban yang digunakan. Sehingga, tujuan penelitian ini untuk mendapatkan daya optimum dengan mengimplementasikan sistem MPPT pada Boost Converter. Algoritma yang digunakan untuk mencari titik daya maksimum adalah Incremental Conductance. Panel sel surya diarahkan pada sudut tertentu sehingga arah sinar matahari secara umum tegak lurus terhadap panel surya. Peletakan panel surya disesuaikan dengan posisi lintang selatan suatu daerah yaitu daerah semarang 6o, sehingga tidak dilakukan tracking atau perputaran panel surya secara mekanik terhadap datangnya arah matahari [13].
2.TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Karakteristik Photovoltaic Photovoltaic digunakan untuk menghasilkan energi listrik pada berbagai macam penerapan, seperti penerangan rumah, lampu lalu lintas, mobil ramah lingkungan dan aplikasi yang lainnya. Sel PV dapat dimodelkan secara elektronik seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [4][5][9]. Model elektronik tersebut terdiri dari sumber arus konstan (Isc), diode, resistor seri (Rs) dan resistor paralel (Rp).Persamaan model matematik photovoltaic ditunjukkan pada Pers.1. I=I_(s-) I_o [e^((V+IR_s)/V_T )-1] (1) dengan I adalah arus yang mengalir keterminal, Is adalah sumber arus konstan, Io adalah arus diode kondisi reverse saturasi, VT adalah tegangan akibat panas, V adalah tegangan terminal dan Rs adalah resistor.
Gambar 1.Model elektronik sel photovoltaic [4][5][9].
Daya yang dibangkitkan oleh modul PV tergantung pada radiasi, suhudan kondisi penyinaran. Panel PV mempunyai karakteristik yang tidak linier dan mempunyai daya tertinggi yang berada pada titik tertentu dengan koordinat tegangan Vmpp dan arus Impp [2]-[5][8][9]. Tegangan dan arus dari keluaran modul PV harus diatur secara tepat untuk mendapatkan titik daya maksimum.Titik tersebut tidak selalu terdapat pada tegangan nominal sel PV dan dapat berpindah secara cepat akibat perubahan penyinaran dan suhu sel PV.Untuk mendapatkan daya yang optimal diperlukan sebuah alat yang digunakan untuk mencari titik daya tertinggi dan mengubah tegangannya ke tegangan yang diinginkan. Alat tersebut dinamakan Maximum Power Point Tracker (MPPT ) yang berfungsi untuk mengatur perubahan arus dan tegangan kerja sesuai dengan karakteristik sel PV. 2.2. MPPT (Maximum Power Point Tracking) Sistem PV mempunyai karakteristik yang tidak linier serta sangat tergantung pada suhu dan intensitas radiasi matahari, sehingga pada sistem PV terdapat titik tertentu yang dapat menghasilkan keluaran daya maksimal. Titik tersebut adalah Maximum Power Point (MPP), letak titik tidak diketahui tetapi dapat dicari dengan menggunakan perhitungan atau algoritma tracking. Maximum Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk mendapatkan daya maksimum dari sistem PV tanpa tergantung pada suhu dan radiasi matahari serta menjaga agar titik kerja PV tetap pada titik MPP
saat terjadi perubahan kondisi lingkungan. MPPT sangat penting untuk meningkatkan efisiensi. Kontrol tegangan MPPT menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) atau lebar pulsa (Duty Cycle) melalui rangkaian DC-DC Converter. Prinsip dari MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja PV. Apabila dalam suatu sistem PV, tegangan kerja PV lebih kecil dari tegangan Vmpp maka tegangan kerja PV akan dinaikkan sampai mendekati tegangan Vmpp. Sebaliknya, apabila tegangan kerja PV lebih besar dari tegangan kerja Vmpp maka tegangan kerja PV akan diturunkan mendekati tegangan Vmpp. Algoritma MPPT atau pendekatan secara matematik digunakan untuk mendapatkan nilai daya maksimum. Algoritma yang dikembangkan untuk mengontrol MPPT Incremental Conductance algorithm [5][8]. Algoritma-algoritma tersebut mempunyai kelebihan dan kekurangan masingmasing diantaranya kecepatan dalam mencari titik maksimum, efisiensi yang dicapai serta pengaruh terhadap perubahan kondisi lingkungan. Pada penelitian ini menggunakan algoritma Incremental Conductance untuk mendapatkan nilai efisiensi paling tinggi yang sesuai dengan kebutuhan beban, antara lain:. Incremental Conductance Algoritma incremental conductance digunakan untuk mengatasi masalah yang ditimbulkan oleh algoritma P&O. Dasar algoritma ini adalah kurva kemiringan P-V. Pengontrolan dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan tegangan MPPT. Algoritma ini digunakan untuk memperbaiki algoritma sebelumnya seperti P&O dan algoritma tegangan konstan. Gambar 2 menunjukkan flowchart algoritma Incremental Conductance.
Gambar 2. Flowchart algoritma Incremental Conductance [8]
3.HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Blok diagram sistem MPPT Gambar 3 menunjukkan blok diagram dari system MPPT yang dibuat dalam penelitian ini. Beban yang
digunakan adalah berupa beban DC dan baterai.
3.4. Perhitungan Rugi-rugi Daya. Perhitungan rugi-rugi daya didasarkan pada simulasi boost converter, tegangan masukan sebesar 17.4 Volt dan keluaran sebesar 27.6 Volt. Hasil perhitungan daya ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1. Perhitungan Rugi-rugi Daya.
Komponen
Daya Masukan
Modul photovoltaic, KC50T Kyocera Induktor
54 Watt
Rugi-rugi Daya
3,02W
Gambar 3. Blok diagram sistem MPPT
3.2. Perancangan Boost Converter Spesifikasi perancangan boost converter yang dibuat dalam sistem MPPT adalah: Tegangan Masukan Vin : 17,4 volt Tegangan Keluaran Vout : 27,6 volt Tegangan ripple keluaran Vrr : 10mV Arus searah keluaran rata-rata Io : 3A Frekuensi pensaklaran fs :50 kHz Arus keluaran minimum I1 : 0,1 x Io Tegangan keluaran yang diinginkan adalah 27,6 volt untuk mengisi baterai sebesar 24 volt (menghubungkan seri dua baterai 12 volt). Tegangan terendah yang digunakan untuk mengisi baterai 24 volt adalah sebesar 27,6 volt. Gambar 4 menunjukkan desain rangkaian boost converter
Gambar 4. Desain rangkaian boost converter[Skematik software Diptrace]
3.3. Rangkaian PWM (Pulse Width Modulation) Pengujian rangkaian PWM dilakukan dengan mengukur keluaran dari IC TL494 kaki no 5 dan kaki no 10 pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 5 Pengukuran dilakukan dengan menggunakan oscilloscope digital [Textronix TDS 3010].
Gambar 5. Bentuk Gelombang PWM
Frekuensi switching yang digunakan adalah 50 Khz dengan pengaturan Duty Cycle 50%. Boost converter yang dibuat dapat bekerja baik pada batas range frekuensi 50KHz sampai 80 KHz.
Dioda
0,795W
Sensor arus
4,416 W
MOSFET, IRFZ44
Pmosfet,conduction =0,109W Pmosfet,switching =0,163mW
Daya dikeluarkan Effisiensi daya
yang
54 W – 8,340 W = 45,65W 45,65W/54W = 84,5%
3.5. Pengujian Sistem MPPT menggunakan Algoritma Incremental Conductance pada skala Laboratorium. Pengujian di laboratorium dilakukan dengan memberikan tegangan masukan sebesar 12 V dengan arus maksimum 2,5 A, beban berupa beban lampu 24V/16W dan Baterai 24V/2,5Ah. Gambar 6 dan Gambar 7 menunjukkan hasil pengujian sistem MPPT dengan menggunakan algoritma Incremental Conductance. Tegangan keluaran dan daya keluaran yang dihasilkan oleh algoritma Incremental Conductance cenderung stabil, hal ini disebabkan karena kenaikan dan penurunan duty cycle yang sangat cepat untuk mencapai titik daya maksimum. Efisiensi rata-rata dari pengukuran mencapai 44,319%. Pada Gambar 7 terlihat bahwa efisiensi cenderung konstan tidak mengalami kenaikan atau penurunan yang sangat signifikan karena daya keluaran yang dihasilkan juga tidak mengalami perubahan yang besar. Daya rata-rata masukan sebesar 24,248 Watt sedangkan daya ratarata keluaran 10,740 Watt.
Grafik Daya Input dan Output Inc.Cond
28 26 24 22
P Input P Output
Daya (W)
20 18 16 14 12 10 8
0
20
40
60 80 Time (s)
100
120
140
Gambar 8. Grafik daya masukan dan keluaran algoritma Incremental Conductance di lapangan..
Gambar 6. Grafik daya masukan dan keluaran algoritma Incremental Conductance.
Grafik Effisiensi Inc.Cond
60
Effisiensi (%)
Effisiensi 50 40 30
0
20
40
DAC DutyC
255
60 80 100 Time (s) Grafik Duty Cycle Inc.Cond
120
140
DAC DutyC
254
Gambar 9. Grafik daya masukan dan keluaran algoritma Incremental Conductance di lapangan..
253 252
0
20
40
60 80 Time (s)
100
120
140
Gambar 7. Grafik efisiensi algoritma Incremental conductance.
3.6. Pengujian Sistem MPPT menggunakan Algoritma Incremental Conductance pada skala Lapangan. Pengujian lapangan dilakukan dengan mengarahkan modul PV kearah utara dengan sudut kemiringan 6 derajat. Daya yang dihasilkan oleh modul photovoltaic mencapai 44,003 Watt. Gambar 8 dan Gambar 9 menunjukkan hasil pengujian sistem MPPT dengan menggunakan algoritma Incremental Conductance. Efisiensi rata-rata mencapai 38,568%. Daya rata-rata yang dihasilkan modul photovoltaic sebesar 26,174 Watt dan daya rata-rata keluaran MPPT sebesar 10,071 Watt. Efisiensi algoritma Incremental Conductance cenderung mendekati konstan, tidak mengalami kenaikan atau penurunan yang signifikan. Effisiensi yang dihasilkan oleh sistem MPPT dengan algoritma Incrememtal Conductance lebih besar dari effisiensi tanpa sistem MPPT (9% sampai 16%)[2]. Peningkatan effisiensi dari 16 % ke 38.568% menunjukkan bahwa sistem MPPT dapat digunakan untuk mengoptimalkan daya yang dihasilkan olah sistem PV.
4.KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. KESIMPULAN Dari data-data yang diperoleh dari pengujian alat, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada pengujian laboratorium efisiensi ratarata algoritma Incremental Conductance sebesar 44,717%. Sedangkan, pada pengujian lapangan efisiensi rata-rata algoritma Incremental Conductance sebesar 38,568%, sehingga terjadi peningkatan effisiensi yang signifikan sekitar 20%. 2. Perancangan alat atau modul MPPT dengan mengimplementasikan algoritma tegangan konstan, P&O dan Incremental Conductance pada sistem photovoltaic ini menggunakan DC-DC Converter topologi boost converter yaitu menaikkan tegangan 12 V sampai 17,4 V menjadi tegangan 24 sampai 27,6 Volt dengan frekuensi switching sebesar 50 kHz, efisiensi yang dihasilkan boost converter mencapai 90%, sedangkan efisiensi dari modul photovoltaic setelah dikurangi rugirugi boost converter sebesar 84,5%.
4.2. SARAN 1. Meningkatkan Efisiensi sesuai standar untuk sistem PV yaitu 92% sampai 95% dengan pemilihan komponen-komponen elektronika yang mempunyai rugi-rugi kecil atau ESR (Equivalent Series Resistor) rendah. Komponen-komponen elektronika yang perlu diperhatikan adalah MOSFET, Dioda, Induktor dan Kapasitor. 2. Kontrol MPPT menggunakan sistem BuckBoost converter yaitu menurunkan dan menaikkan tegangan kerja PV. 5.DAFTAR PUSTAKA [1] Akhiro Oi, 2002, ”Design and simulation of photovoltaic water pumping system,”presented to the Faculty of California Polytechnic State University. [2] D.C Riawan,C.V Nayar, 2008, ”Design and Implemantation of P-I based MPPT scheme for PV modules Operated on Wide Temperatur Range,” Department of Electrical & Computer Engineering, Curtin University of Technology Australia [3] D.Sera,T Kerekes, 2006, “Improved MPPT method for rapidly changing environment conditions,”journal Aalborg university/Institute of Energy Technology,Aalborg,denmark [4] Dariusz Czarkowski, 2001, ”DC-DC Converter in Power Electronic Handbook” Editing by Rashid,Muhammad H, University of Florida, chapter 13. [5] Faranda, Roberto. Leva, Sonia. 2008. “Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems”. Italia. [6] Joe-Air Jiang,Tsong-Liang,Ying Tung Hsiao and Chia-Hong Chen, 2005, ”Maximum Power Tracking for Photovoltaic Power System,”Journal of Science and Engineering,vol.8,No 2,pp.147-153(2005) [7] J.Hamilton Scott “Sun-Tracking Solar Cell Array” , 2000, Department of computer science and Electrical Engineering, University of Queensland. [8] J.Kouto,A.El-Ali,N.Moubayed and R.Outbib, 2009, ”Improving the incremental conductance control method of a solar energy convertion system,” Departement of Electrical Engineering Faculty of Engineering-Lebanese University [9] Mohan, Ned. Undeland, Tore M. Robbins, William P. 1995. “Power Electronics Converters, Applications, And Design”. New York. John Wiley & Sons, Inc [10] Mann Kin (Eddie) Lee and Chem Nayar, 2007, “Implementation of Photovoltaic Maximum Power Point Tracking using a Microcontroller” Curtin University of Technology.
[11] Rosaidi Bin Roslan,2009, “A maximum Power Point Tracking Converter For Photovoltaic Application” [12] http://en.wikipedia.org/wiki/Sistem bumi dan matahari [13] http://www.timegenie.com/latitude_and_longitud e/state_coordinates/idjw [14] Elsevier’s Science & Technology Right Department in Oxfort “Solar Energy Engineering Process and System”, 2009 [15] Zeller, J.; Zhu, M.; Stimac, T.; Gao, Z.: Nonlinear Digital Control Implementation for a DC-to-DC Power Converter. Proc. of 36th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference IECEC’01, July 29 – August 2, Savannah, Georgia, 2001.
