PEMODELAN DAN SIMULASI POMPA AIR DC TENAGA SURYA Mohammad Taufik*, Taufik** *)
Departemen Teknik Elektro Universitas Padjadjaran Bandung, Indonesia **) Electrical Engineering Department California Polytechnic State University San Luis Obispo, USA Email: *)
[email protected], **)
[email protected]
Abstrak This paper presents modeling and simulation of a DC water pump. The system consists of a solar panel, DC water pump, and MPPT. The system employs maximum power point tracker (MPPT). Two MPPT algorithms are the Perturb & Observe and Incremental Conductance (incCond), subsystems and control methods will be modeled and simulated using Matlab and Simulink with actual irradiance data. Simulation results will be presented in terms of performance parameters such as total energy produced and total volume of water pumped per day. The results further validate that MPPT can significantly improve efficiency and performance of DC water pump system compared to the system without MPPT. Keywords— DC Water Pump; Renewable Energy Sources; Solar Panel; MPPT
1. Pendahuluan Sumber daya air sangat penting untuk memenuhi kebutuhan manusia, melindungi kesehatan, dan memastikan produksi pangan, energi dan pemulihan ekosistem, serta untuk pembangunan sosial ekonomi dan pembangunan berkelanjutan [1]. Menurut Laporan PBB tahun 2003, diperkirakan ada dua miliar orang mengalami kekurangan air di lebih dari empat puluh negara, dan 1,1 miliar orang tidak memiliki air minum yang cukup [2]. Ada kebutuhan mendesak untuk menyediakan teknologi yang ramah lingkungan untuk penyediaan air minum. Sistem pompa air DC tenaga surya untuk daerah terpencil yang menggunakan sumber energi terbarukan adalah teknologi kunci dalam memenuhi kebutuhan ini. Penelitian ini menghasilkan studi teoritis, model, dan simulasi serta membandingkan efisiensi dan kinerjanya dengan dan tanpa MPPT.
2. Metodologi Penelitian Sistem pompa air DC tenaga surya adalah sistem yang terdiri atas panel surya, pompa air DC, dan MPPT, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. MPPT saat ini lazim dan populer digunakan dalam sistem tenaga surya yang berdiri sendiri. Kontrol digital lebih banyak digunakan dibanding kontrol analog karena memiliki beberapa keuntungan. Kontrol digital mampu menerapkan algoritma canggih dengan relatif mudah [3]. Kontrol digital tahan terhadap waktu dan perubahan suhu karena bekerja secara diskrit. Kontrol digital memberikan stabilitas jangka panjang. Kontrol digital juga tidak
sensitif terhadap toleransi komponen karena menerapkan algoritma dalam perangkat lunak dengan parameter yang konsisten dan dapat direproduksi [3]. Kontrol digital memungkinkan pengurangan jumlah bagian karena dapat menangani berbagai tugas dalam satu chip. Oleh karena itu, metode kontrol digital dipilih untuk MPPT dalam sistem yang diusulkan. Model MPPT diimplementasikan dalam mikrokontroler atau digital signal processing.
Gambar 1. Blok Diagram Sistem Pompa Air DC Tenaga Surya Dua jenis pompa yang biasa digunakan untuk aplikasi sistem pompa air DC tenaga surya adalah positive displacement dan sentrifugal [4]. Jenis positive displacement digunakan pada pompa volume rendah dan hemat biaya [5]. Pompa sentrifugal memiliki efisiensi yang relatif tinggi [4] dan mampu memompa volume air yang tinggi [5]. Namun, biaya dan kompleksitas sistem ini akan secara signifikan lebih tinggi. Secara umum, motor DC lebih disukai karena sangat efisien dan dapat
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.158 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
langsung digabungkan dengan panel surya. Jenis brushes yang lebih murah dan lebih umum meskipun brushes harus diganti secara berkala [4]. Pompa air yang dipilih adalah pompa submersible yang merupakan tipe diafragma dari pompa positive displacement yang dilengkapi dengan permanen magnet DC motor dan dirancang untuk digunakan dalam sistem penyaluran air yang berdiri sendiri. Ini beroperasi dengan tegangan rendah (12 ~ 30V DC), dan kebutuhan daya lebih sedikit 35 W [5].
3. Pemodelan Panel Surya Panel surya yang dipilih adalah sel surya 72 multi-kristal silikon susunan seri yang mampu memberikan 150 W daya maksimum [1]. Penelitian lain menunjukkan model listrik dari panel surya dengan kompleksitas moderat, yang ditunjukkan pada Gambar 2, memberikan hasil yang sangat akurat [6]. Ini terdiri atas sumber arus (ISC), dioda (D), dan resistansi seri (RS). Pengaruh resistansi paralel (RP) sangat kecil dalam satu panel surya, sehingga dapat diabaikan. Untuk membuat model yang lebih baik, juga harus menyertakan efek suhu pada saat arus hubung singkat (ISC) dan arus saturasi balik dioda (I0). Ini menggunakan dioda tunggal dengan faktor dioda ideal (n) yang mengatur untuk mencapai kurva I-V yang terbaik.
Gambar 2. Rangkaian Ekuivalen digunakan dalam simulasi Matlab Persamaan berikut ini menjelaskan hubungan arustegangan dari sel surya [6].
q V I Rs I I sc I o e nkT 1
G I sc |Go I sc |G Go (3) dengan: G0 adalah nilai nominal radiasi, yang biasanya 1 KW/m2. Arus saturasi balik dioda (I0) pada suhu acuan (Tref) diberikan di bawah ini dengan menambahkan faktor dioda ideal:
Io
I
(e
I o |T I o |Tref
dI dV
Rs
(2) dengan: ISC di Tref diberikan dalam datasheet (diukur dalam radiasi 1000 W/m2), Tref merupakan suhu referensi sel surya dalam Kelvin, biasanya 298K (250C), dan adalah koefisien suhu ISC dalam perubahan persen per derajat suhu juga diberikan dalam datasheet. Arus hubung singkat saat ini (ISC) sebanding dengan jumlah radiasi. ISC pada radiasi yang diberikan (G) adalah:
n e
q E g 1 1 nk T Tref
nkT q Io e
V I Rs q nkT
(6) Untuk tegangan rangkaian terbuka, V = VOC (juga = 0):
Rs
3
T T ref
(5) Faktor dioda ideal (n) tidak diketahui dan harus diestimasi. Dibutuhkan nilai antara satu dan dua. Namun, nilai n = 1 (untuk dioda ideal) digunakan sampai nilai lebih akurat diperkirakan kemudian oleh kurva fitting. Efek dari berbagai faktor ideal disimulasikan di Matlab seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Resistansi seri (RS) dari panel surya memiliki dampak besar pada kemiringan kurva I-V mendekati tegangan rangkaian terbuka (VOC), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Oleh karena itu, nilai RS dihitung dengan mengevaluasi kemiringan kurva I-V di VOC. Persamaan untuk RS berasal dan hasil:
dV dI
nkT q qVoc
I o e nkT
Voc
(7)
5 n=1
4.5 4
n=2
3.5 Module Current (A)
1)
(4) Saturasi arus balik (I0) tergantung suhu dan I0 pada temperatur tertentu (T) dihitung dengan persamaan berikut:
(1) dengan: I adalah arus sel = arus panel surya, V adalah tegangan sel = {tegangan panel surya} ÷ {# sel dalam seri}, T adalah suhu sel dalam Kelvin. Arus hubung singkat ini (ISC) pertama kali dihitung pada suhu sel yang diberikan (T):
I sc |T I sc |Tref 1 a T Tref
sc qVoc / nkT
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
0
5
10
15
20 25 30 Module Voltage (V)
35
40
45
Gambar 3. Pengaruh faktor dioda ideal
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.159 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
5 4.5 4 Rs=0
Module Current (A)
3.5 3 2.5
Rs=5 mOhm
2
Rs=10 mOhm
1.5
Rs=15 mOhm
1 0.5 0
0
5
10
15
20 25 30 Module Voltage (V)
35
40
45
Gambar 4. Pengaruh resistansi seri
Gambar 6. Simulasi kurva I-V panel surya
Akhirnya, persamaan karakteristik I-V terpecahkan. Solusinya bersifat rekursif dengan dimasukkannya resistansi seri dalam model. Metode Newton dipilih untuk mencapai solusi konvergensi seperti yang ditunjukkan di bawah ini:
I n 1
q V I n Rs I sc I n I o e nkT 1 In V I n Rs q R s q nkT 1 Io e nkT
(8) Gambar 5 menunjukkan karakteristik I-V dari berbagai suhu panel surya dengan simulasi Matlab dan memberikan hubungan yang baik untuk data dari datasheet pabrikan. Gambar 6 menggambarkan titik pada kurva I-V yang menghasilkan daya maksimum. Titik ini disebut titik daya maksimum (MPP), di mana panel suryafoto beroperasi dengan efisiensi maksimum dan menghasilkan daya output maksimum. Hal ini dimungkinkan untuk memvisualisasikan posisi MPP dengan tepat pada persegi panjang terbesar dalam kurva IV seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7, dan wilayahnya sama dengan daya output yang merupakan perkalian dari tegangan dan arus. Ini menunjukkan bahwa jumlah listrik yang dihasilkan oleh panel surya sangat bervariasi tergantung pada kondisi operasi.
Gambar 7. Hubungan I-V dan P-V panel surya
4. Pemodelan Motor DC Banyak sistem pompa air DC tenaga surya menggunakan motor DC karena bisa langsung digabungkan dengan panel surya dan membuat sistem yang sangat sederhana. Di antara berbagai jenis motor DC, Permanent Magnet DC (PMDC) motor yang lebih banyak digunakan dalam sistem panel surya karena dapat memberikan torsi awal yang lebih tinggi. Gambar 8 menunjukkan model listrik dari PMDC motor. Ketika motor berputar, menghasilkan EMF balik (E) yang merupakan tegangan sebanding dengan kecepatan sudut rotor. Dari rangkaian ekivalen, persamaan tegangan DC untuk rangkaian angker adalah:
V I Ra K
Gambar 5. Kurva I-V untuk berbagai suhu
(9)
Gambar 8. Model listrik dari PMDC motor
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.160 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
Gambar 9 menunjukkan masalah besar dalam efisiensi ketika dihubungkan langsung panel surya dengan PMDC motor karena ketidakcocokan titik operasi. Untuk contoh ini sistem pompa air tidak akan mulai beroperasi sampai radiasi mencapai 400 W/m2. Setelah itu mulai berjalan, membutuhkan sedikitnya 200 W/m2 dari radiasi untuk menjaga operasi minimum. Ini berarti bahwa sistem tidak dapat memanfaatkan cukup banyak radiasi di pagi hari.
Gambar 9. Kurva IV dengan berbagai radiasi dan PMDC motor Ketika motor dioperasikan pada kondisi terkunci untuk waktu yang lama, dapat menyebabkan pengurangan usia motor karena masukan energi listrik diubah menjadi panas daripada untuk output mekanik [5]. Untuk mengatasi masalah ini, MPPT yang disebut linear current booster (LCB) dapat digunakan. MPPT mempertahankan tegangan input dan arus dari LCB di MPP panel surya. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 10, listrik yang dihasilkan di MPP relatif rendah dan tegangan tinggi yang berlawanan dari yang dibutuhkan oleh motor pompa. LCB dapat menggeser hubungan ini dan mengkonversinya menjadi arus tinggi dan tegangan rendah yang memenuhi karakteristik motor pompa. Misalnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, LCB bisa mulai menjalankan motor pompa pada radiasi 50 W m2.
Gambar 10. Kurva I-V panel surya dengan garis daya konstan (putus-putus) dan kurva I-V PMDC motor
5. Hasil Simulasi Posisi MPP dalam kurva I-V tidak diketahui sebelumnya dan selalu berubah secara dinamis, tergantung pada radiasi dan suhu. Oleh karena itu, MPP perlu dilacak dengan algoritma. Ada beberapa metode yang telah diusulkan. Di antara algoritma yang berbeda adalah Perturb & Observe (P & O) dan Incremental Conductance (IncCond) yang dibahas di sini. Pada hari yang cerah, perubahan tingkat radiasi secara bertahap karena tidak ada pengaruh awan. Pelacakan MPP seharusnya mudah. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 11, kedua algoritma mencari dan mempertahankan titik operasi panel surya sangat dekat dengan MPP tanpa banyak perbedaan dalam kinerja mereka. Pada hari berawan, tingkat radiasi berubah cepat karena awan yang lewat. Pelacakan MPP seharusnya menantang. Gambar 12 menunjukkan jejak titik operasi panel surya untuk algoritma (a) P & O dan (b) IncCond. Untuk kedua algoritma, penyimpangan titik operasi dari MPP lebih jelas jika dibandingkan dengan hasil pada hari yang cerah. Gambar 12 menunjukkan bahwa algoritma P & O memiliki penyimpangan sedikit lebih besar secara keseluruhan dan beberapa perilaku tidak menentu (seperti deviasi besar ditunjukkan oleh panah merah). Hasil simulasi menunjukkan efisiensi 99,3% untuk algoritma P & O dan 99,4% untuk algoritma IncCond. Hasil eksperimen menunjukkan masing-masing 96,5% dan 97,0% untuk hari berawan.
Gambar 11. Pelacakan MPP pada hari yang cerah
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.161 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
sistem pompa air DC tenaga surya tanpa MPPT memiliki efisiensi kecil karena ketidakcocokan antara panel surya dan beban DC motor pompa. Di sisi lain, hal itu menunjukkan bahwa sistem dengan MPPT dapat memanfaatkan lebih dari 99% kapasitas panel surya. Lebih khusus, peningkatan efisiensi 35% dicapai dibandingkan dengan sistem tanpa MPPT. Gambar 15 lebih menekankan kelemahan yang parah dari sistem pompa air DC tenaga surya langsung digabungkan karena pompa tetap siaga selama hampir dua jam di pagi hari sedangkan sistem yang sama dengan MPPT sudah memompa air. Demikian pula, pompa menganggur hampir dua jam lebih awal dari sistem dengan MPPT di sore hari. Laju aliran air juga lebih rendah selama periode operasi. Total volume air yang dipompa untuk periode 12 jam juga dihitung untuk kedua sistem. Hasil simulasi menunjukkan bahwa MPPT memberikan peningkatan kinerja yang signifikan. Hal ini memungkinkan untuk memompa hingga 87% lebih banyak air daripada sistem tanpa MPPT.
Gambar 12. Pelacakan MPP pada hari berawan PMDC motor dengan medan konstan dimodelkan dan disimulasikan dengan Simulink seperti yang diilustrasikan pada Gambar 13. Parameter mesin DC yang sesuai dengan motor pompa yang sebenarnya tidak diketahui, sehingga dipilih dengan modifikasi nilai-nilai default dan estimasi [10] [11]. Gambar 14 (a) dan (b) menunjukkan pelacakan titik operasi MPP dengan simulasi.
Module Power (W)
(a) PV Power vs. Voltage
Module Voltage (V)
Module Current (A)
(b) PV Current vs. Voltage
Gambar 13. Model Simulink untuk PMDC motor Gambar 15 menunjukkan kurva I-V yang dihasilkan oleh simulasi Simulink. Hasilnya kemudian dibandingkan dengan sistem pompa air DC tenaga surya langsung digabungkan tanpa MPPT. Hasil seperti yang digambarkan pada Gambar 15 menunjukkan bahwa
Module Voltage (V)
Gambar 14. Simulasi MPPT dengan beban DC motor pompa (20 sampai 1000W / m2, 25oC)
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.162 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
Terakhir, simulasi model kemudian dibandingkan terhadap sistem tanpa MPPT dalam hal total energi yang dihasilkan dan total volume air yang dipompa per hari. Hasil memvalidasi manfaat dari MPPT yang secara signifikan dapat meningkatkan efisiensi produksi energi dari panel surya dan kinerja sistem pompa air DC tenaga surya dibandingkan dengan sistem tanpa MPPT.
Referensi [1]
Gambar 15. Tingkat Arus pompa air DC tenaga surya
6. Kesimpulan Makalah ini menyajikan sistem pompa air DC tenaga surya yang sederhana namun efisien. Masing-masing komponen dimodelkan dan mensimulasikan menggunakan Matlab dan Simulink. Simulasi model yang dikembangkan dari sistem menunjukkan bahwa model panel surya menggunakan rangkaian ekuivalen dalam kompleksitas moderat memberikan pencocokan baik dengan panel surya nyata. Selanjutnya, simulasi juga dilakukan untuk membandingkan dua algoritma MPPT menggunakan data radiasi yang sebenarnya dalam dua kondisi cuaca yang berbeda. Algoritma IncCond menunjukkan lebih baik kinerja dalam hal efisiensi dibandingkan dengan algoritma P & O di bawah kondisi cuaca berawan. Namun, karena kendala biaya, algoritma P & O dipilih. Simulasi dengan Simulink untuk model pompa motor DC yang kemudian dimasukkan ke dalam Matlab memverifikasi fungsi dan manfaat MPPT.
UNEP “Water Policy and Strategy” (viewed on www.unep.org/dpdl/water/ , August 2005) [2] UNESCO The UN World Water Development Report, 2003 (viewed on www.unesco.org/water/wwap/wwdr/, August 2005) [3] Texas Instruments “Converting Analog Controllers to Smart Controllers with TMS320C2000 DSPs” Application Report, June 2004 (downloaded from dspvillage.ti.com/) [4] Rashid, Muhammad H. Editor-in-Chief Power Electronics Handbook Academic Press, 2001 [5] Kyocera Solar Inc. Solar Water Pump Applications Guide 2001 (downloaded from www.kyocerasolar.com) [6] Thompson, Marry A. Reverse-Osmosis Desalination of Seawater Powered by Photovoltaics Without Batteries Doctoral Thesis, Loughborough University, 2003 [7] Hussein, K. H., I. Muta, T. Hoshino, & M. Osakada “Maximum Photovoltaic Power Tracking: an Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions” IEE Proceedings – Generation, Transmission and Distribution – v. 142 January 1995, page 59-64 [8] Hohm, D. P. & M. E. Ropp “Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms” Progress in Photovoltaics: Research and Applications November 2002, page 47-62 [9] MathWorks Inc. Embedded Target for the TI TMS320C2000™ DSP Platform For Use with Real-Time Workshop® User’s Guide Version 1 2005 [10] Castañer, Luis & Santiago Silvestre Modelling Photovoltaic Systems, Using PSpice John Wiley & Sons Ltd, 2002 [11] Sharaf A. M., Abdulla Ismail, R. A. El-Khatib & S. I. Abu-Azab “A Photovoltaic Utilization System with Bang-Bang SelfAdjusting Maximum Energy Tracking Controller” International Journal of Energy Research, Volume 22, Issue 12 December 1998, page 1091 - 1098
ISBN 978-979-097-420-3
