JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
1
Perancangan Simulator Panel Surya Menggunakan LabView Duwi Astuti, Heri Suryoatmojo, ST. MT. Ph.D, dan Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng. Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected],
[email protected] Abstrak— Sel Surya (photovoltaic) merupakan pembangkit listrik energi terbarukan yang menawarkan potensi besar dalam kehidupan energi global untuk masa depan. Energi matahari maupun energi angin tersedia pada setiap tempat dan dapat diperoleh dengan mudah. Kelebihan lain yang dimiliki oleh pembangkit tersebut yaitu ramah lingkungan dan bebas polusi. Tujuan pembuatan Tugas Akhir ini memaparkan perancangan suatu power supply yang memiliki karakteristik yang mirip dengan panel surya, sehingga dapat menggantikan panel surya yang harga relatif lebih mahal. Simulator ini juga dapat dimanfaatkan untuk praktikum di universitas dan sekolah – sekolah khususnya di sekolah menengah kejuruan (SMK) atau riset tentang solar sel. Perancangan sistem dilakukan dengan menggunakan pemrograman grafis Lab View. Proses pengambilan data tegangan dan arus didapatkan dari hasil simulasi. Dan pengendalian arus agar sesuai dengan karakteristik panel surya digunakan model buck converter. Dari hasil simulasi dan perhitungan simulator sel surya (PV) pada operasi tegangan DC 50 V, 100 V dan 200V. Intensitas 1000 W/m2, 900 W/m2 dan 800 W/m2 menunjukkan karakteristik yang hampir sama dengan model PV yang digunakan. Kata Kunci— buck converter , labView, sel surya, photovoltaic
I. PENDAHULUAN
S
uplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi cukup besar yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0,1 persen saja permukaan bumi dengan solar sel yang memiliki efisiensi 10 persen sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini. Indonesia sangat berpotensi untuk menjadikan photovoltaic sebagai salah satu sumber energi masa depan karena posisi Indonesia pada khatulistiwa yang memungkinkan sinar matahari dapat optimal diterima di permukaan bumi di hampir seluruh Indonesia[1]. II. SEL SURYA (PHOTOVOLTAIC) DAN BUCK CONVERTER A. Karakteristik Sel Surya (Photovoltaic) Kapasitas daya dari sel atau modul surya dilambangkan dalam watt peak (Wp) dan diukur berdasarkan standar pengujian Internasional yaitu Standard Test Condition (STC). Standar ini mengacu pada intensitas radiasi sinar matahari sebesar 1000 W/m² yang tegak lurus sel surya pada suhu
25°C. Modul photovoltaic memiliki hubungan antara arus dan tegangan yang diwakili dalam kurva I-V [1].
Gambar 1. Kurva karakteristik I-V sel surya pada STC [1]
Pada saat tahanan variable bernilai tak terhingga (open circuit) maka arus bernilai minimum (nol) dan tegangan pada sel berada pada nilai maksimum, yang dikenal sebagai tegangan open circuit (Voc) [4]. Pada keadaan yang lain, ketika tahanan variable bernilai nol (short circuit) maka arus bernilai maksimum, yang dikenal sebagai arus short circuit (Isc). Jika tahanan variable memiliki nilai yang bervariasi antara nol dan tak terhingga maka arus (I) dan tegangan (V) akan diperoleh nilai yang bervariasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 yang dikenal sebagai kurva karakteristik I-V pada sel surya. Pada Gambar 1 dapat dilihat terdapat nilai daya maksimum yang dapat dihasilkan pada saat tegangan dan arus maksimum [1] [4]. B. Prinsip Kerja Sel Surya (Photovoltaic) Paramater paling penting dalam kinerja sebuah panel surya adalah intensitas radiasi matahari atau biasa disebut dengan iradiansi cahaya matahari, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per luas area. Intensitas radiasi matahari diluar atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m2. Setelah disaring oleh atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi sekitar 1000 W/m2. Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan permukaan tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah. Besar dari nilai iradiansi matahari inilah yang akan menentukan besar daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah panel surya [1] [4].
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 C. Buck Converter Buck Converter merupakan konverter daya DC-DC yang berfungsi menurunkan tegangan output panel surya agar sesuai dengan tegangan daya maksimal yang diinginkan. Rangkaian ini menggunakan komponen energy storage seperti induktor dan kapasitor untuk mengontrol aliran energi dari sumber tegangan DC dengan menggunakan switching on-off frekuensi tinggi pada MOSFET [3].
2 (4) Dan (5) Untuk buck converter, ini jelas bahwa : (6) shaded under waveform VL (Area A) (7) III. PEMODELAN SISTEM PHOTOVOLTAIC, BUCK CONVERTER DAN LABVIEW
Gambar 2. Rangkaian dasar buck converter [3]
Pada gambar 2 ditunjukkan gambar rangkaian dari buck converter. Inductor (L) dan kapasitor (C) berfungsi sebagai filter yang membuat outputan menjadi efektif. Resistor R adalah sebagai beban dari output tegangan buck converter. Sedangkan Dioda (D1) disebut dengan catch diode (diode jepit). Buck Converter dapat beroperasi dalam dua mode. Mode 1 dimulai saat switching pada Q1 (MOSFET) on pada t=0. Arus input yang meningkat mengalir melalui filter L, filter C, dan beban. Mode 2 dimulai pada saat switching device Q1 off pada t=1[3]. DC-DC Converter dapat mempunyai dua mode yang berbeda,. yaitu : Continuous Conduction Mode (CCM) and Discontinuous Conduction Mode (DCM) [3]. Dalam praktek, sebuah konverter boleh beroperasi dalam kedua mode, yang mana mempunyai karakteristik berbeda secara signifikan. Oleh karena itu sebuah konverter dan rangkaian kontrolnya seharusnya di desain berdasarkan kedua mode operasi. Dalam penelitian ini hanya menganggap DC-DC converter beroperasi dalam CCM. Gambar bentuk gelombang buck converter ditunjukkan sebagai berikut :
A. Blok Diagram Dan Pemodelan Sel Surya (PV) Blok diagram dan model sederhana PV diperlihatkan oleh gambar 4 dan gambar 5.
I Model PV
S
BUCK CONVERTER
I
POWER SUPPLY
Beban
Gambar 4. Blok Diagram Simulator Sel Surya
Model PV ini terdiri dari sebuah dioda yang dipasang paralel dengan sebuah sumber arus, sebuah hambatan yang dipasang paralel, dan sebuah hambatan yang dipasang seri.
Gambar 5. Model Sederhana Sel Surya
Dengan asumsi hambatan paralel pada PV bernilai tak terhingga, maka model Pv sekarang menjadi :
Gambar 6. Model Sederhana PV dengan Nilai Rs Tak Terhingga Gambar 3. Arus riple buck converter [3]
Dengan menggunakan acuan model PV pada gambar 6, Persamaan integral dari tegangan inductor dalam satu periode maka persamaan yang digunakan adalah : (8) adalah : (9) (10) (1) (11) (2) (12) (3) Jika diasumsikan untuk daya input sama dengan daya output rangkaian, (Pg = Po), maka :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 Semua konstanta dari persamaan (8) sampai (12) dapat ditentukan dengan menggunakan parameter-parameter dari panel surya yang kemudian dapat digunakan untuk menentukan karakteristik kurva I-V pada panel surya yang digunakan. Pada tugas akhir ini menggunakan simulasi sel surya untuk perbandingan hasil simulasinya. Pada saat pengujian, panel surya dihubungkan dengan beban variable resistor yang diubah-ubah nilainya, kemudian diukur menggunakan voltmeter dan amperemeter, seperti gambar 7 di bawah ini :
3
Gambar 9. Buck konverter sederhana
Dalam perencanaan buck converter mengacu pada karakteristik panel surya model DBF 80. Acuan tersebut diberikan sebagai berikut : T = 25 C Voc = 21.6 V Isc = 5.09 A Vmpp = 17.6 V Impp = 4.63 A Pmax = 80 Watt
Gambar 7. Ilustrasi panel surya dihubungkan dengan beban resistif
B. Pemodelan Sel Surya Menggunakan LabVIEW Dari rumus diatas maka dapat dibuat pemodelan sel surya dengan menggunakan labVIEW ditunjukan pada gambar 8.
Maka berdasarkan nilai Vmpp yang dari data spesifikasi panel surya DBF 80, perlu didesain untuk buck converter dengan ketentuan sebagai berikut : Tabel 1. Parameter dan nilai rancangan buck converter Parameter
Nilai
Input Voltage
21.6 V
Output Voltage
17.6V
Output Current
3.56 A
D. Pemodelan Buck Converter Menggunakan LabVIEW Dari parameter diatas maka dapat dibuat pemodelan sel surya dengan menggunakan labVIEW ditunjukan pada gambar 10. Simulasi ini terdiri dari simulasi signal triangle, simulasi signal DC dan relay.
Gambar 8. Pemodelan Sel Surya Menggunakan LabVIEW
Pemodelan sel surya dengan menggunakan LabVIEW menginputkan cahaya, Isc, dan arus sebagai masukan untuk simulasi pemodelan. Untuk cahaya yang dicobakan dalam pemodelan ini mempunyai range 100-1000 W/m2, dengan memvariasikan intensitas cahaya menjadi 3 macam yaitu dengan intensitas cahaya 1000 W/m2, 900 W/m2, dan 800 W/m2. Kemudian Isc yang digunakan yaitu model PV cell untuk Isc 0.5 A, model PV 60 Wp untuk Isc 3.07 A, dan model PV 80 untuk Isc 5.09 A. Selanjutnya untuk arus berkisar antara 0.05 A sampai dengan 4.5 A. Setelah input dimasukkan dan diset untuk setiap panel surya yang terdiri dari 36 sel surya dihasilkan tegangan sesuai dengan input yang dimasukkan. C. Pemodelan dan Perancangan Buck Converter Model sederhana PV diperlihatkan oleh gambar 9. Model buck konverter ini terdiri dari sebuah relay yang dipasang paralel dengan sebuah sumber tegangan, dan sebuah hambatan yang dipasang paralel.
Gambar 10. Pemodelan Buck Converter Menggunakan LabVIEW
Pemodelan Buck Converter dengan LabVIEW menggunakan tiga parameter dan nilai rancangan yang terdiri dari input voltage yang bernilai 21.6 V, output voltage bernilai 17.6 V, dan output current bernilai 3.56 A. Pemodelan sel surya ini disimulasikan untuk signal triangle, simulasi DC, dan relay. Simulasi signal triangle dengan frekuensi 0.5 Hz dan amplitudo sebesar 25. Sedangkan untuk simulasi DC berkisar antara 50-200 Volt. Simulasi terakhir adalah relay yang berfungsi sebagai pengatur atau pengontrol dari simulasi signal triangle dan signal DC yang sebelumnya sudah diinputkan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 E. Pemodelan Sel Suya Dan Buck Converter Menggunakan Lab VIEW Pemodelan ini terdiri pemodelan sel surya dan pemodelan buck converter yang digabungkan menjadi satu untuk menghasilkan data berupa tegangan dan arus yang akan digunakan untuk analisa dan pembahasan. Pemodelan di tunjukan pada gambar 11 dan gambar 12.
4 Dapat dilihat pada gambar 12 terdiri dari cahaya, Isc dan R variabel yang dapat dinputkan sesuai data yang akan dimasukkan. Apa bila cahaya dipilih 1 atau 1000 W/m2, Isc = 5,09 A dan dan R = 2000 Ω maka voltmeter akan menunjukkan nilai 19.9 V dan arus yang diperoleh sebesar 0.09 A, sedangkan grafik yang dihasilakan ada 5 grafik yaitu grafik tegangan, grafik triangle, grafik dc dan grafik arus. Dengan ada tampilan berikut akan memudah untuk memperoleh data yang akurat. IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISA DATA Pengujian ini menggunakan suhu yang tetap 250 C dan dilakukan sebanyak 54 kali simulasi. Adapun pada pengujian modul PV ini yang akan dianalisis adalah data tegangan dan arus PV. Pengujian ini untuk mengetahui karakteristik I-V dilakukan dengan menghubungkan model PV dengan Short circuit current (Isc) bervariasi, beban bervariasi dan Vdc bervariasi pada keadaan intensitas cahaya matahari 800 W/m2, 900 W/m2, dan 1000 W/m2 menggunakan software Lab View. Berikut merupakan salah contoh data yang digunakan serta hasil outputnya dari 54 kali simulasi yang ditampilkan pada tabel dan gambar dibawah ini. Dengan menggunakan PV panel 60 Wp, Isc = 3.07 A, dan Vdc = 50 V pada keadaan intensitas cahaya matahari 800 W/m2, 900 W/m2, dan 1000 W/m2. A. Pengujian Yang Dilakukan Pada Penelitian Ini Meliputi Pengujian PV Panel 60 Wp, Isc = 3.07 A, Beban Bervariasi Dan Vdc = 50 V
Gambar 11. Block Diagram Pemodelan Sel Surya dan Buck Converter Menggunakan LabVIEW
Pada penggabungan ini tidak ada lagi pengiputan arus tapi arus didapat dengan cara mengubah beban variabelnya. Pada pemodelan ini menggunakan beban variabel yang berbeda yaitu dari 35 Ω – 2000 Ω. Intensitas cahaya yang digunakan adalah 1000 W/m2, 900 W/m2, dan 800 W/m2, sedangkan Isc yang di gunakan Isc 1.5 A, 3,07 A dan 5.09 A. Setiap Isc, beban variabel dan cahaya di inputkan akan menghasilkan tegangan dan arus yang berbeda – beda sesuai data yang dinputkan. Maka hasil yang diperoleh dapat ditunjukkan pada front panel seperti pada gambar 12.
1. Pengujian dengan Intensitas Cahaya Matahari 1000 W/m2 Data tegangan dan arus diuji cobakan pada intensitas cahaya matahari sebesar 1000 W/m2. Pada gambar 13 ditampilankan hasil uji coba tersebut. Gambar dibawah ini merupakan contoh hasil dari nilai R = 45 Ω.
Gambar 13. Hasil Simulasi R = 45 Ω
Sedangkan hasil simulasi secara keseluruhan untuk nilai R = 15 Ω sampai dengan 1000 Ω ditampilakan pada Tabel 2 dibawah ini. Tabel 2 Data Tegangan dan Arus untuk Intensitas 1000 W/m2, Isc = 3.07 A dan Vdc = 50 V Gambar 12. Front Panel Pemodelan Sel Surya dan Buck Converter Menggunakan LabVIEW
HASIL PERHITUNGAN I V (Ampere) (Volt)
HASIL SIMULASI R (ohm)
V (Volt)
I (Ampere)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 2,91 2,27 1,82 1,3
15,25 17,53 18,24 18,84
15 20 25 35
15,26 17,53 18,24 18,84
2,91 2,27 1,82 1,3
Tabel 2 Lanjutan (Data Tegangan dan Arus untuk Intensitas 1000 W/m2, Isc = 3.07 A dan Vdc = 50 V) HASIL PERHITUNGAN I V (Ampere) (Volt) 1,01 19,13 0,92 19,21 0,62 19,47 0,46 19,59 0,25 19,76 0,18 19,81 0,12 19,85 0,1 19,87 0,07 19,89 0,05 19,90 0,04 19,91
R (ohm) 45 50 75 100 180 250 380 450 650 850 1000
V (Volt) 19,12 19,21 19,47 19,6 19,75 19,81 19,85 19,87 19,89 19,9 19,91
Gambar 15. Hasil Simulasi R = 450 Ω
Sedangkan hasil simulasi secara keseluruhan untuk nilai R = 15 Ω sampai dengan 1000 Ω ditampilakan pada Tabel 3 dibawah ini. Tabel 3 Data Tegangan dan Arus untuk Intensitas 900W/m2, Isc = 3.07 A dan Vdc = 50 V HASIL PERHITUNGAN I V (Ampere) (Volt) 2,66 14,75 2,27 16,90 1,81 17,89 1,3 18,60 1,02 18,91 0,93 19,00 0,62 19,29 0,46 19,43 0,26 19,60 0,18 19,66 0,12 19,71 0,1 19,73 0,07 19,75 0,05 19,76 0,04 19,77
I (Ampere) 1,01 0,92 0,62 0,46 0,25 0,18 0,12 0,1 0,07 0,05 0,04
Grafik Tegangan vs Arus
25 20 15
HASIL SIMULASI R (ohm) 15 20 25 35 45 50 75 100 180 250 380 450 650 850 1000
V (Volt) 14,66 16,91 17,88 18,6 18,91 19,01 19,29 19,44 19,61 19,65 19,7 19,73 19,75 19,76 19,77
I (Ampere) 2,66 2,27 1,81 1,3 1,02 0,93 0,62 0,46 0,26 0,18 0,12 0,1 0,07 0,05 0,04
perhitungan
10 5
simulasi
0 0
1
2 Arus (I)
3
4
Gambar 14. Kurva I-V Pengujian Panel PV 60 Wp dengan Intensitas 1000 W/m2, Isc = 3.07 A dan Vdc = 50 V
Pada Gambar 14 ditunjukkan grafik antara tegangan dan arus yang dikeluarkan oleh PV ketika beban divarisikan antara 15 – 1000 Ω. Hasil yang didapat Voc = 19.91 V. Dari hasil diatas juga menunjukkan antara hasil perhitungan dan simulasi dari PV tidak ada perbedaan. 2. Pengujian dengan Intensitas Cahaya Matahari 900 W/m2 Data tegangan dan arus diuji cobakan pada intensitas cahaya matahari sebesar 900 W/m2. Pada gambar 16 ditampilankan hasil uji coba tersebut. Gambar dibawah ini merupakan contoh hasil dari nilai R = 450 Ω.
Grafik Tegangan vs Arus
25
Tegangan (V)
Tegangan (V)
HASIL SIMULASI
5
20 15 perhitungan
10 5
simulasi
0 0
1
2
3
Arus (I) Gambar 16. Kurva I-V Pengujian Panel PV 60 Wp dengan Intensitas 900 W/m2, Isc = 3,07 A dan Vdc = 50 V
Pada Gambar 16 ditunjukkan grafik antara tegangan dan arus yang dikeluarkan oleh PV ketika beban divarisikan antara 15 – 1000 Ω dengan intensitas cahaya matahari 900 W/m2. Hasil yang didapat Voc = 19.66 V. Jika dibandingkan dengan pengujian dengan intensitas 1000 W/m2 terjadi penurunan dari sisi Voc. Dari hasil diatas juga menunjukkan antara hasil perhitungan dan simulasi dari PV tidak ada perbedaan. 3. Pengujian dengan Intensitas Cahaya Matahari 800 W/m2 Data tegangan dan arus diuji cobakan pada intensitas cahaya matahari sebesar 800 W/m2. Pada gambar 17 ditampilankan hasil uji coba tersebut. Gambar dibawah ini merupakan contoh hasil dari nilai R = 250 Ω.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
6 perhitungan dan simulasi dari PV ada perbedaan. Hal tersebut dikarenakan pengujian menggunakan beban yang terbatas seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Grafik Tegangan vs Arus
Gambar 17. Hasil Simulasi R = 250 Ω
Sedangkan hasil simulasi secara keseluruhan untuk nilai R = 15 Ω sampai dengan 1000 Ω ditampilakan pada Tabel 4 dibawah ini Tabel 4 Data Tegangan dan Arus untuk Intensitas 800 W/m2, Isc = 1.5 A dan Vdc = 50 V HASIL PERHITUNGAN I V (Ampere) (Volt) 2,44 12,39 2,24 15,83 1,81 17,38 1,3 18,29 1,02 18,65 0,92 18,77 0,61 19,10 0,46 19,25 0,25 19,44 0,18 19,50 0,12 19,55 0,1 19,57 0,07 19,59 0,05 19,61 0,04 19,62
R (ohm) 15 20 25 35 45 50 75 100 180 250 380 450 650 850 1000
V (Volt) 11,02 15,72 17,38 18,29 18,66 18,78 19,09 19,24 19,44 19,49 19,55 19,57 19,59 19,61 19,62
I (Ampere) 2,44 2,24 1,81 1,3 1,02 0,92 0,61 0,46 0,25 0,18 0,12 0,1 0,07 0,05 0,04
20 1000 W/m2
15
900 W/m2
10
800 W/m2
5
spefikasi 0 0
200 Arus (I)
400
Gambar 20 Kurva I-V Pengujian Panel PV 60 Wp dengan Intensitas 1000 W/m2, 900 W/m2 dan 800 W/m2, Isc = 3.07 A dan Vdc = 50 V
Dari ketiga pengujian dan dibandingankan dengan spesifikasi panel PV 60 Wp didapatkan hasil yang hampir mirip antara hasil simulasi dan spesifikasi, dapat dilihat pada Gambar 20. V. KESIMPULAN Dari analisa hasil simulasi serta pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa : 1. Model sel surya (PV) dengan Isc, R variabel yang di ubah – ubah dapat menghasilkan karakteristik yang mirip dengan sel surya yang buatan pabrik. 2. Model sel surya (PV) cell dan buck converter dengan simulasi dan perhitungan dengan tegangan DC 50 V, 100 V dan 200V. Intensitas 1000 W/m2, 900 W/m2 dan 800 W/m2 menunjukkan karakteristik yang hampir sama model PV yang digunakan. 3. Simulasi sel surya (PV) panel 60 Wp dan 80 Wp. Intensitas 1000 W/m2, 900 W/m2 dan 800 W/m2 diperoleh karakteristik yang mirip dengan hasil perhitungan.
Grafik Tegangan vs Arus
25 Tegangan (V)
HASIL SIMULASI
Tegangan (V)
25
20
DAFTAR PUSTAKA
15
[1] Messenger, Roger A, “Photovoltaic systems engineering second edition”, crcpress, 2003. [2] Rashid M.H, “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2007. [3] Muhammad Saad Rahman, 2007. “Buck Converter Design Issues”. Division of Electronic Devices. Department of Electrical Engineering. Linkoping Institute of Technology. Sweden. Zealand, 1998. [4] Otto, Tyler N., “Comparative study of grid connected photovoltaic arrays”, San Diego State University, 2009
perhitungan
10 5
simulasi
0 0
1
2
3
Arus (I) Gambar 19 Kurva I-V Pengujian Panel PV 60 Wp dengan Intensitas 800 W/m2, Isc = 1.5 A dan Vdc = 50 V Pada Gambar 19 ditunjukkan grafik antara tegangan dan arus yang dikeluarkan oleh PV ketika beban divarisikan antara 15 – 1000 Ω dengan intensitas cahaya matahari 800 W/m2. Hasil yang didapat dilihat dari Tabel 4.3 Voc = 19,62 V. Jika dibandingkan dengan pengujian sebelumnya terjadi penurunan dari sisi Voc. Dari hasil diatas juga menunjukkan antara hasil
