Implementasi MPPT (Maximum Power Point

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.