1. Pendahuluan
Sel surya menjadi sumber energi terbarukan yang paling penting yang
menawarkan banyak keuntungan seperti tanpa memerlukan bahan bakar
minyak, tidak menghasilkan polusi, biaya perawatan rendah dan tidak
menghasilkan noise. Penerapan sel surya pada sistem mandiri[2]
adalah seperti pada pompa air, penerangan jalan, kendaraan listrik,
militer dan ruang angkasa. Dan pada penerapan jaringan listrik seperti
sistem hybrid[2] dan power plants.
Permasalahan utama pada penggunaan sel surya adalah pembangkitan
tenaga listrik yang rendah, terutama pada kondisi radiasi yang rendah.
Yang bisa dicapai hingga saat ini tidak lebih dari 20%, itupun dalam
skala laboratorium[1]. Dan jumlah daya listrik yang dibangkitkan berubah
secara berkala seiring dengan perubahan cuaca.
Selain itu, karakteristik V-I sel surya adalah nonlinier dan
berubah terhadap radiasi dan suhu permukaan sel surya. Secara umum,
terdapat titik yang unik pada kurva V-I atau kurva V-P, yang dinamakan Maximum Power Point
(MPP). Dimana pada titik tersebut, sel surya bekerja pada efisiensi
maksimum dan menghasilkan daya keluaran paling besar. Letak dari MPP
tidak diketahui, tapi dapat dicari, dengan menggunakan perhitungan atau
algoritma penjejak. Oleh karena itu algoritma Maximum Power Point Tracker (MPPT) dibutuhkan untuk menjaga titik kerja sel surya agar tetap pada titik MPP.
Terdapat beberapa algoritma MPPT yang telah ditemukan dan ditulis pada jurnal ilmiah internasional seperti Perturb and Observe, Incremental Conductance, Dynamic Approach, Temperature Methods, Artificial Neural Network method, Fuzzy Logic method dll. Semua algoritma tersebut berbeda-beda dalam beberapa aspek termasuk kesederhanaan, kecepatan, implementasi hardware, sensor yang dibutuhkan, biaya, efektifitas, dan parameter yang dibutuhkan.
2. Sel Surya
Model matematik dikembangkan untuk menirukan sel surya. Gambar 1 menunjukkan rangkaian persamaan sel surya, dimana I dan V adalah arus dan tegangan sel surya, kemudian, IL adalah cell’s photocurrent. Rsh dan Rs adalah tahanan shunt dan tahanan seri dari sel surya[3].
Gambar 1. Rangkaian persamaan sel surya
Persamaan dari rangkaian persamaan diatas adalah :
Dimana :
IO=arus saturasi reverse (Ampere)
n=faktor ideal dioda (bernilai 1 untuk dioda ideal)
q=pengisian electron (1.602·10-19 C)
k=konstanta Boltzman (1.3806.10-23 J.K-1)
T=temperature sel surya (o K)
Persamaan (1) digunakan dalam simulasi menggunakan komputer untuk
mendapatkan karakteristik keluaran sel surya, seperti pada gambar 2 dan
3. Kurva ini menunjukkan sangat jelas bahwa karakteristik keluaran sel
surya adalah non-linier [4] dan sangat dipengaruhi oleh radiasi sinar matahari, temperatur dan kondisi pembebanan.
Gambar 2. Karakteristik P-V untuk level radiasi yang berbeda. Tiap titik mewakili MPP dari masing-masing kurva
Gambar 3. Karakteristik I-V pada temperatur permukaan sel surya yang berbeda
3. Algoritma Kontrol MPPT
Seperti diketahui bahwa karakteristik daya keluaran sel surya
dipengaruhi oleh radiasi sinar matahari dan temperatur permukaan sel
surya, diperlukan sebuah algoritma untuk mencari titik daya maksimum
(MPP) dan menjaga pada titik kerja tersebut.
Terdapat beberapa cara untuk menjejak titik daya maksimum tersebut seperti Perturb and Observe[6], Incremental Conductance[5], Dynamic Approach[7], Temperature Methods [5] dll. Pada pembahasan kali ini dipilih algoritma perturb and observe (P&O) sebagai algoritma kontrol MPPT karena komputasi yang mudah dan cepat.
P&O disebut juga dengan metode hill climbing[6], yang
mengacu pada karakteristik V-P dari sel surya. Seperti pada Gambar 4,
terdapat 3 jenis titik yang berada pada 3 posisi. Di sebelah kiri puncak
dP/dV >0, dipuncak kurva dP/dV=0 dan di sebelah kanan puncak
dP/dV<0[6].
Gambar 4. Posisi dP/dV yang berbeda pada kurva daya sel surya
Di sebelah kiri dari MPP perubahan daya terhadap perubahan
tegangan dP/dV>0, sementara di sebelah kanan, dP/dV <0 (lihat
gambar 4). Pada gambar 1, jika tegangan kerja sel surya diganggu (perturbed) dan berada pada dP/dV>0, hal tersebut diketahui bahwa penggangguan (perturbation)
dilakukan untuk memindahkan tegangan kerja sel surya maju ke arah MPP.
Jika dP/dV<0, kemudian perubahan titik kerja mengarahkan sel surya
jauh dari MPP, maka algoritma P&O membalik arah penggangguan. Flowchart dari algoritma ini ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Flowchart dari algoritma P&O
4. Konfigurasi Sistem Sel Surya
Gambar 6 menunjukkan susunan sistem sel surya. Sistem ini terdiri
dari sel surya Solarex MSX77, MPPT, baterai 24V dan sebuah komputer. Sel
surya Solarex MSX77 mempunyai tegangan nominal 12V dan daya keluaran
77WP. Namun, parameter ini akan diuji ulang dengan menggunakan rangkaian
MPPT. Rangkaian MPPT terdiri dari DC to DC converter (dalam hal ini boost converter), sensor arus, sensor tegangan, mikrokontroler, LCD dan interface ke komputer. Baterai 24V dibutuhkan sebagai media penyimpan energi listrik yang dihasilkan dari solar sel.
Gambar 6. Konfigurasi Sistem Sel Surya
Pada MPPT ini digunakan boost converter [7] karena pengisian energi listrik ke baterai diatur pada mode high current charging. Boost converter
berfungsi untuk menaikkan tegangan dari sel surya ke tegangan pengisian
baterai[8]. Semakin naik tegangan pengisian, maka arus pengisian akan
naik juga. Rangkaian utama dari boost converter[9] adalah seperti pada Gambar 7 dibawah ini.
Gambar 7. Boost Converter
Untuk menentukan tegangan keluaran dari boost converter ialah dengan menggunakan persamaan berikut :
Boost converter terdiri dari induktor, dioda, kapasitor dan komponen pensaklar. Boost converter bekerja berdasarkan sinyal pensaklaran, ton dan toff. Perbandingan waktu hidup (ton) terhadap jumlah waktu keduanya disebut juga dengan duty cycle. Saat saklar hidup (on), energi disimpan pada induktor menjadi medan magnet, saat saklar mati (off), energi yang tersimpan pada induktor diubah lagi menjadi listrik dan didorong oleh tegangan input menjadi tegangan output sehingga nilainya menjadi lebih besar.
5. Pengujian dan hasil
Prototype MPPT telah dikembangkan menggunakan metode yang
dijelaskan dan diuji dibawah sinar matahari. Sel surya mampu mengasilkan
daya keluaran maksimum sebesar 41 W, 18 V tegangan rangkaian terbuka
dan 4,1 A arus hubung singkat.
Pengujian MPPT dilakukan untuk mendapatkan 2 karakteristik penting
dari sel surya. Yaitu kurva arus terhadap tegangan sel surya (I-V) dan
kurva daya terhadap tegangan sel surya (P-V). Dan MPPT diuji dengan
mengubah frekuensi pensaklaran boost converter untuk mengetahui
efisiensinya terhadap perubahan nilai frekueensi pensaklarannya. Hasil
pengujian untuk kurva I-V ditunjukkan pada Gambar 8. Pada gambar
tersebut dapat dilihat bahwa pada saat arus keluaran sel surya besar
hingga 4,1 A, tegangannya bernilai kecil. Sedangkan pada saat arus
keluarannya kecil, tegangan keluaran sel surya bernilai besar.
Gambar 8. Karakteristik I-V sel surya MSX77
Pada hasil pengujian yang kedua, yaitu karakteristik daya keluaran
sel surya terhadap tegangan keluarannya. Hasilnya dapat dilihat pada
Gambar 9. Pada Gambar tersebut menunjukkan kurva seperti sebuah bukit.
Tentunya terdapat sebuat titik puncak pada kurva tersebut yang
menandakan titik daya maksimum dari sel surya MSX77. Besar nilai titik
daya maksimum tersebut adalah 41 W. Jadi, sel surya MSX77 mampu
menghasilkan daya keluaran maksimum 41 W pada kondisi radiasi matahari
paling besar. Titik tersebut berada pada tegangan antara 10,5 V hingga
11,5 V.
Gambar 9. Karakteristik P-V sel surya MSX77
Setelah mengetahui titik daya maksimum dari sel surya tersebut, MPPT
diuji untuk mengetahui efisiensi daya dari MPPT tersebut dengan mengubah
frekuensi pensaklaran boost converter. Dan didapatkan hasil seperti pada Gambar 10 dibawah ini.
Gambar 10. Kurva efisiensi MPPT terhadap frekuensi pensaklaran
Pada gambar diatas dapat diketahui bahwa MPPT yang dioperasikan pada
frekuensi mulai dari 20 KHz hingga 60 KHz, efisiensinya tidak bisa
melebihi 80%. Sedangkan jika dioperasikan pada frekuensi 70KHz hingga
100KHz, efisiensinya naik hingga mencapai 87,5% pada frekuensi 100KHz.
Nilai efisiensi ini merupakan nilai efisiensi MPPT dan sudah
memperhitungkan konsumsi daya MPPT sendiri.
6. Kesimpulan
Dengan mengacu pada hasil pengujian, disimpulkan bahwa MPPT dengan algoritma perturb and observe dapat bekerja dengan baik. Boost converter
dan mikrokontroler dapat digunakan dengan hasil yang memuaskan.
Efisiensi alat yang mampu dicapai adalah 87,5%. Nilai ini tidak menutup
kemungkinan untuk ditingkatkan pada kesempatan selanjutnya. Dengan
mengurangi kerugian daya pada komponen-komponen yang masih bisa untuk
dikurangi.
sumber : https://purnomosejati.wordpress.com/2011/08/24/maximum-power-point-tracker-sel-surya-menggunakan-algoritma-perturb-and-observe/
