1/6
OPTIMALISASI SEL SURYA MENGGUNAKAN MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) SEBAGAI CATU DAYA BASE TRANSCEIVER STATION (BTS) Aries Pratama Kurniawan – 2206100114 Jurusan Teknik Elektro - FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih - Sukolilo, Surabaya - 60111 Abstrak : Photovoltaic (PV) atau sel surya dapat digunakan sebagai sumber daya bagi peralatan listrik, misalnya pompa air, TV, radio, dan tak terkecuali Base Transceiver Station (BTS). PV digunakan pada BTS di daerah yang belum mendapat suplai listrik PLN atau daerah yang mengalami masalah kontinuitas pasokan listrik. PV memiliki kelemahan yaitu daya yang dihasilkan akan mengikuti beban yang terhubung pada PV, sehingga daya rata-rata yang dihasilkan akan rendah. Hal ini berakibat pada rasio daya yang rendah. BTS yang akan menggunakan PV sebagai sumber pasokan daya, harus dilengkapi juga dengan baterai, sebagai pendukung sel surya memberikan daya pada BTS. Pada tugas akhir ini MPPT yang digunakan adalah MPPT pengukuran tegangan open circuit untuk mengatasi permasalahan perubahan daya, dan menggunakan baterai sebagai pendukung PV. Hasil simulasi menunjukkan, PV tanpa baterai dengan MPPT memiliki rasio daya sebesar 61.2 %, dan PV tanpa baterai yang tidak menggunakan MPPT memiliki rasio daya sebesar 50.9 %. Sedangkan PV-baterai yang menggunakan MPPT memiliki rasio daya sebesar 74.6 % dan PV-baterai tanpa MPPT memiliki rasio daya sebesar 50.3 %. Berdasarkan hasil rasio daya rata-rata yang telah didapat, kita dapat menyimpulkan bahwa PV yang menggunakan MPPT memiliki rasio daya rata-rata yang lebih besar daripada rasio daya rata-rata PV yang tidak menggunakan MPPT. Kata kunci : PV, MPPT, beban, baterai , rasio daya
1. PENDAHULUAN Cadangan energi fosil yang semakin menipis dan munculnya krisis energi menjadikan manusia berlomba untuk mencari sumber energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang sangat melimpah dan murah adalah cahaya matahari. Photovoltaic (PV) atau yang lebih dikenal sebagai sel surya merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Penggunaan PV 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. PV juga dapat digunakan sebagai sumber daya pada BTS[6] yang berada pada daerah yang belum terdapat jaringan listrik PLN. Penggunaan PV pada BTS yang berada di daerah yang tidak terjangkau jaringan listrik akan sangat membantu operator jaringan seluler menjaga kualitas layanan telepon seluler, karena BTS tetap dapat beroperasi walaupun daerah tersebut belum terdapat jaringan listrik PLN. Penggunaan PV juga tidak bisa lepas dari masalah, masalah yang dihadapi adalah daya keluaran dari PV yang seringkali tidak mencapai maksimal dari daya maksimal yang sebenarnya bisa dikeluarkan oleh PV[1]. Besarnya beban yang terhubung pada PV sangat mempengaruhi daya keluaran PV. Agar PV dapat mengeluarkan daya yang mendekati daya maximum point (disebut juga daya maximum nameplate) , maka PV harus dihubungkan dengan MPPT. MPPT yang digunakan adalah MPPT pengukuran tegangan open circuit. Pada tugas akhir ini akan disimulasikan PV yang akan dihubungkan dengan beban, adapun beban disini adalah BTS. Sistem PV dan beban ini dilengkapi juga dengan baterai Lead Acid[1] yang berfungsi untuk membantu sel surya memberikan daya pada BTS.
2. KARAKTERISTIK PV, MPPT, RASIO DAYA 2.1 Karakteristik PV [2] Sel surya atau PV merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Adapun karakteristik besarnya daya yang dapat dikeluarkan oleh PV bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan PV dan suhu pada permukaan PV[2], gambar 1 dan gambar 2 menunjukkan pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari dan suhu pada sel surya.
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
Gambar 1. Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari terhadap Sel Surya Grafik I-V (kiri) dan Grafik P-V (kanan)
2/6
I L = I L (T1 ) (1 + K 0 (T − T1 ))
(3)
I L (T 1) = G ∗ I SC (T 1,nom ) / G(nom )
(4)
I O (T 1) = I SC (T 1) /(e
(7)
(5) K 0 = (I SC (T 2 ) − I SC (T 1) )/ (T2 − T1 ) ( ) − qV / nk ∗ ( 1 / T − 1 / T ) 3/ n 1 I 0 = I O (T 1) ∗ (T / T1 ) ∗ e g (6)
Gambar 2. Pengaruh Suhu terhadap Sel Surya Grafik I-V(kiri) dan Grafik P-V (kanan)
qVOC ( T 1) / nkT1
)
RS = − dV / dIVOC − 1 / X V
(8)
X V = I O (T 1) ∗ q / nkT1 ∗ e
(9)
qVOC ( T 1) / nkT1
Pada Tugas Akhir ini digunakan panel surya BPSSX60 dengan spesifikasi ditunjukkan pada tabel.1 dengan keluaran daya maksimum 60 Watt dan terdiri dari 36 PVdengan diode jenis crystalline yang dirangkai secara seri. Tabel. 1 parameter panel surya BPSX-60
Gambar 3. Perubahan Titik Kerja PV yang Diakibatkan Perubahan Beban
Jika PV disambungkan pada beban yang bervariasi akan menghasilkan keluaran daya yang berbeda-beda, tergantung pada besarnya nilai hambatan beban tersebut[2]. Berdasarkan gambar 3 kita dapat mengetahui bahwa titik kerja PV akan berubah sesuai dengan perubahan nilai hambatan beban. Berdasarkan grafik tersebut kita juga dapat mengetahui terdapat suatu titik kerja optimal, sehingga didapatkan daya maksimal. Titik kerja tersebut adalah pada Vmp, dan Imp, dan akan menghasilkan Pmax Pemodelan PV[2] yang kita gunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada gambar 4.
Untuk mendapatkan besar tegangan dan arus dengan nilai tertentu pada sel surya[4], maka harus dilakukan pemasangan PV secara seri dan paralel. Persamaan arus keluaran PV model:
I
M
=I
M SC
M ⎡ ⎛ V M − VOC + RSM ⋅ I M ⎜ ⎢1 − exp⎜ N SM Vt C ⎢⎣ ⎝
⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎥⎦
M C I SC = N PM I SC M C VOC = N SM VOC
RSM Gambar 4. Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)
Persamaan yang didapat dari rangkaian PV pada gambar 4 adalah :
I = I SC
+ IRS ⎞ ⎡ q ⎛⎜ V nkT ⎤ ⎛V + I ⋅ R ⎟ S ⎝ ⎠ − I O ⎢e − 1⎥ − ⎜⎜ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎝ RP
N = SM ⋅ RSC N PM
Vt C = nkT / q
⎞ ⎟⎟ (1) ⎠
Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel kita asumsikan sangat besar[3], sehingga persamaan untuk model arus output sel surya adalah :
(
)
I = I L − I O e q (V + IRS ) / nkT − 1
(10)
Dimana :
(2) Gambar 5. Model Sel Surya pada Matlab
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
(11) (12)
(13) (14)
3/6 Start
2.2 MPPT Pengukuran Tegangan Open Circuit[2] Maximum Power Point Tracker (MPPT) digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu sel surya. Daya keluaran yang maksimal ini akan menghasilkan rasio daya yang tinggi dan mengurangi rugirugi suatu sel surya Adapun prinsip kerja dari MPPT (gambar 6) adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja sel surya. Apabila dalam suatu sistem sel surya, tegangan kerja sel surya jatuh pada daerah disebelah kiri Vmp (tegangan kerja lebih kecil daripada tegangan Vmp), maka tegangan kerja sel surya akan dinaikkan sampai mencapai Vmp, begitu juga sebaliknya apabila tegangan kerja sel surya lebih besar daripada Vmp (tegangan kerja lebih besar daripada Vmp), maka tegangan kerja sel surya akan diturunkan sampai mencapai Vmp. Setelah mencapai tegangan maximum point, secara otomatis daya keluaran pada sel surya juga akan menjadi maksimal. Adapun yang bertugas untuk menaikkan dan menurunkan tegangan adalah DC/DC konverter
Ukur Irad Hitung Voc Hitung Vmp
Ukur Vin pada Buck Boost
Hitung Duty Cycle
V=Vmp
Tidak Ya
Didapat Daya max point
Stop
Gambar 8. Flowchart MPPT Pengukuran Tegangan Open Circuit
Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari besarnya tegangan output :
VO = Gambar 6. Menaikkan dan Menurunkan Tegangan Kerja Menuju Vmp
Dalam tugas akhir kali ini akan digunakan MPPT pengukuran tegangan open circuit. Metode ini menggunakan pendekatan linier antara Vmp dan Voc (gambar 8). VMP = KV ⋅VOC (15) Buck-Boost konverter[5] digunakan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan DC. Adapun gambar rangkaian dari buck boost konverter diperlihatkan pada gambar 7.
Besarnya Arus output :
IO =
D ⋅Vin 1− D
(16)
1− D ⋅ I in D
(17)
Buck-Boost konverter ini dioperasikan pada mode CCM (Continous Conduction Mode), oleh karena itu parameter komponen yang digunakan diperoleh melalui persamaan :
Lmin
2 ( 1 − D) = ⋅R
2f
(18)
Sedangkan untuk besarnya nilai kapasitor kita gunakan persamaan :
C= Gambar 7. Gambar Rangkaian Buck-Boost
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
VO ⋅ D ∆VO ⋅ R ⋅ f
(19)
4/6
Gambar 9. Blok MPPT pada Matlab
Gambar 10. Konverter Buck Boost pada Matlab Gambar 12. Simulasi Seluruh Sistem PV, MPPT, Buck Boost, Baterai, Beban, dan BUS DC
[2]
2.3 Rasio Daya PV Rasio daya PV adalah perbandingan antara daya beban dengan daya max nameplate dengan cara membagi daya beban dengan daya maksimal yang bisa dikeluarkan oleh PV. Semakin tinggi nilai rasio daya, maka semakin baik dan semakin efisien kinerja dari suatu PV. Rasio Daya Rata-Rata diberikan oleh persamaan (20):
ηT =
1 n Pi ∑ n i =1 Pmax
(20)
3. KONFIGURASI PV, MPPT, BATERAI, DAN BEBAN (BTS)[6] Sistem BTS Tenaga Surya[6] yang digunakan pada tugas akhir ini diperlihatkan pada gambar 7. Sistem BTS Tenaga Surya yang diperlihatkan oleh gambar 6 terdiri dari 5 bagian penting, diantaranya adalah: PV, MPPT, Baterai, Beban (BTS), dan BUS DC. Pemodelan pada Matlab dari PV, MPPT, Buck-Boost, Baterai, Beban, dan DC BUS, ditunjukkan oleh gambar 12.
4. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA 4.1 Nilai-Nilai Parameter dalam Simulasi • Suhu yang digunakan = 250 C • - Daya Wattpeak PV = 4000 W (Saat intensitas cahaya matahari = 1000 W/m2 - Tegangan PV = 48 volt (saat kondisi wattpeak) • Buck Boost - Induktor = 0.177 mH - Kapasitor = 6.77 mFarad - Frekuensi switching = 1 kHz • Baterai - Tegangan = 48 volt - Ah Baterai = 1764.7 Ah • Beban (BTS) berupa Resistor = 1.536 ohm 4.2 Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT dan Beban Bervariasi Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan model PV dengan hambatan yang nilainya berubah dari 0.01 ohm sampai 4 ohm. Pengujian ini dilakukan pada dua kondisi, yakni sebelum menggunakan MPPT dan setelah menggunakan MPPT. Adapun data yang akan dianalisis adalah rasio daya PV sebelum dan sesudah menggunakan MPPT. Pengujian dan analisis dilakukan pada tiga keadaan intensitas sinar matahari yakni 600 W/m2, 800 W/m2, dan 1000 W/m2.
Gambar 11. Sistem BTS Tenaga Surya dilengkapi MPPT dan Baterai
Bagian-bagian yang ada pada gambar 11 akan disimulasikan pada Matlab . Gambar keseluruhan dari PV, Buck-Boost, MPPT, Baterai, Beban, dan DC BUS akan digambarkan pada gambar12. Gambar 13. Daya Beban tanpa MPPT dengan nilai hambatan sebesar 3 ohm dan Irad = 600 W/m2 Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
5/6 4.3 Pengujian Model PV Dihubungkan dengan MPPT dan BTS yang Dilengkapi Baterai Lead Acid Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan PV dengan beban BTS, besarnya nilai resistansi dari beban BTS ini adalah 1.536 Ohm, kemudian dihubungkan dengan baterai Lead Acid. Pengujian dilakukan pada dua kondisi, yakni tanpa MPPT dan menggunakan MPPT. Adapun data yang akan dianalisis adalah rasio daya PV sebelum dan sesudah menggunakan MPPT. Pengujian dan analisis dengan menggunakan tiga keadaan intensitas sinar matahari yakni 600 W/m2, 800 W/m2, dan 1000 W/m2.
Gambar 14. Daya Beban menggunakan MPPT dengan nilai hambatan sebesar 3 ohm dan Irad = 600 W/m2 Tabel. 2 Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban Bervariasi Irad (W/m^2) 600 800 1000
Rasio Daya ratarata tanpa MPPT (%) 51.16 51.47 50.25
Rasio Daya ratarata dengan MPPT (%) 62.04 61.52 59.97
Gambar 16. Daya Beban dan Daya Baterai dengan MPPT dan Irad = 1000 W/m2
Grafik Rasio Daya Rata-Rata Vs Intensitas Cahaya Matahari
Tabel. 3 Analisis Data Daya PV Dihubungkan dengan Beban dan Baterai
70
Irad (kW/m^2) 0.6 0.8 1
Rasio Daya (%)
60 50 40 30 20
Pmax 2316 3181 4062
P PV tanpa mppt 1150.7 1622.4 2041
P PV dengan mppt 1803 2387.8 2878.37
10 0 0
200
400
600
800
1000
Grafik Daya PV Vs Solar Insulation
1200
Intensitas (W/m^2) Rasio Daya rata-rata dengan MPPT Daya (W)
Rasio Daya rata-rata tanpa MPPT
Gambar 15. Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban Bervariasi
•
Analisis Rasio Daya Rata-Rata PV tanpa Baterai Berdasarkan tabel 4.8, rasio daya rata-rata PV adalah Rasio Daya Rata-Rata tanpa MPPT = 50.9 % Rasio Daya Rata-Rata menggunakan MPPT = 61.2 % Dari hasil simulasi PV tanpa baterai yang dihubungkan dengan beban bervariasi, MPPT terbukti dapat meningkatkan rasio daya rata-rata PV karena sebelum menggunakan MPPT , PV memiliki rasio daya rata-rata sebesar 50.9 %, sedangkan setelah menggunakan MPPT rasio daya rata-rata PV meningkat menjadi 61.2 %. Penggunaan MPPT pada PV dapat digunakan untuk mengatasi perubahan daya yang diakibatkan perubahan dari beban yang terhubung pada PV
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Solar Insulation (kW/m^2) Pmax
Daya output tanpa MPPT
Daya ouput dengan MPPT
Gambar 17. Daya PV Tanpa MPPT dan Daya Beban dengan MPPT Dihubungkan dengan Beban dan Baterai
Berdasarkan gambar 17, kita dapat mengetahui daya PV yang menggunakan MPPT lebih besar daripada daya PV yang tidak menggunakan MPPT.
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
6/6
Tabel. 4 Rasio Daya PV Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban dan Baterai Irad (kW/m^2)
Rasio daya tanpa MPPT (%) 49.68 51.00 50.24
0.6 0.8 1
Rasio daya dengan MPPT (%) 77.84 75.06 70.86
Rasio Daya (%)
Grafik Rasio Daya Vs Solar Insulation 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Solar Insulation (kW/m^2) Rasio Daya tanpa MPPT
Rasio Daya dengan MPPT
Gambar 18. Rasio Daya PV Rata-Rata tanpa MPPT dan Menggunakan MPPT dengan Beban dan Baterai
Berdasarkan gambar 18, kita dapat mengetahui PV yang menggunakan MPPT memiliki Rasio daya lebih besar daripada PV yang tidak menggunakan MPPT. • Rasio daya Rata-rata tanpa MPPT = 50.31% • Rasio daya Rata-Rata dengan menggunakan MPPT = 74.59% Dari hasil simulasi PV yang dihubungkan dengan beban dan baterai , MPPT terbukti dapat meningkatkan rasio daya rata-rata PV karena sebelum menggunakan MPPT , PV memiliki rasio daya rata-rata sebesar 50.31 %, sedangkan setelah menggunakan MPPT rasio daya rata-rata PV meningkat menjadi 74.59 %. Jadi MPPT berfungsi untuk meningkatkan rasio daya dari PV yang dihubungkan dengan beban dan baterai, rasio daya yang tinggi akan mengurangi rugi-rugi yang timbul pada PV.
1.
2.
DAFTAR PUSTAKA [1] Messenger, Roger A. Ventre, Jerry, “Photovoltaic Systems Engineering”, second edition, CRC Press, 2003. [2] T. Tafticht, K. Agbossou, M.L. Doumbia, A. Cheriti, “An improved maximum power point tracking methodfor photovoltaic systems”, Elsevier Renewable Energy 33, 1508-1516.October.2007 [3] Walker, Geoff ,”Evaluating MPPT Converter Topologies Using A Matlab PV Model”, University of Queensland. Australia [4] Hansen, Anca D. Sorensen, Poul, “Models for a StandAlone PV System”, Riso National Laboratory. Roskilde. December. 2000 [5] Rashid M.H, “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2001. [6] Indotama, Surya Energi, “Presentasi Solar Power System for BTS Supply”.Surya Energi Indotama. Bandung. RIWAYAT HIDUP PENULIS Aries Pratama Kurniawan dilahirkan di Bondowoso, 11 Maret 1987. Penulis adalah putra dari pasangan (Alm) Kusno Sukardjo dan (Almh) Kushati. Penulis memulai jenjang pendidikan di SDN Kota Kulon I Bondowoso, SLTPN 1 Bondowoso, serta SMAN 2 Bondowoso hingga lulus tahun 2006. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi dan diterima di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada Jurusan Teknik Elektro, dan kemudian mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa kuliah, penulis juga aktif dalam organisasi kemahasiswaan Badan Eksekutif Mahasiswa ITS (BEM ITS) dan juga sebagai Asisten Laboratorium Instrumentasi, Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga.
5. KESIMPULAN MPPT dapat digunakan untuk meningkatkan rasio daya PV. PV tanpa baterai dengan MPPT memiliki rasio daya sebesar 61.2 %, dan PV tanpa baterai yang tidak menggunakan MPPT memiliki rasio daya sebesar 50.9 %. Sedangkan PV-baterai yang menggunakan MPPT memiliki rasio daya sebesar 74.6 % dan PV-baterai tanpa MPPT memiliki rasio daya sebesar 50.3 %. Sel surya dapat digunakan sebagai catu daya BTS dengan dilengkapi baterai sebagai backup sel surya.
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
