Maximum Power Point Track untuk meningkatkan efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Daku pengen berbagi tentang apa itu MPPT  (Maximum Power Point Track) untuk PLTS (Pembangkit Listrik Tenaga Surya). Hal ini sebenernya adalah masa lampau daku yaitu sekitar 5 tahun lalu dimana daku bergelut dengan masalah ini. Jadi sambil nostalgia daku pengen berbagi. Teknologi fotovoltaik saat ini telah dikembangkan untuk mengkonversi energi surya menjadi energi listrik dan digunakan sebagai PLTS . MPPT ini adalah hal yang cukup baru untuk meningkatkan efisiensi dari PLTS.

Komponen PLTS secara garis besar terdiri dari :

•  panel surya,
•  rangkaian pengontrol pengisian baterai,
•  converter, inverter dan
•  baterai.

Rangkaian pengontrol pengisian baterai dalam SHS merupakan rangkaian elektronik yang mengatur proses pengisian baterai. Alat ini penting untuk mengatur transfer energi dari panel surya ke baterai secara efisien dan semaksimal mungkin, melindungi baterai dari pengisian dan pengosongan berlebih, membatasi daerah tegangan kerja baterai, memperpanjang umur baterai dan mencegah kerusakan akibat beban berlebih (short-circuit).

Terdapat beragam rangkaian kontrol pengisian baterai yaitu seperti direct connection, on-off regulator, two step regulator dan multisteps regulator. Pada dasarnya rangkaian kontrol tersebut mengatur pengisian baterai dengan memperhatikan karakteristik baterai.Rangkaian kontrol tersebut banyak dipakai pada saat ini. On-off regulator ini akan mengatur pengisian baterai dengan memperhatikan daerah kerja pengisian baterai.

Penggunaan on-off regulator dalam penerapannya kurang efisien. Hal-hal yang menyebabkan kurang efisien adalah :

• Daya keluaran dapat menjadi jauh lebih kecil dibanding daya masuk dari rangkaian sistem. Hal ini terjadi ketika tegangan keluaran dari panel surya dipaksa bekerja sesuai dengan tegangan baterai, sehingga tegangan keluaran dari panel surya tidak dapat memberikan kontribusi secara penuh untuk membentuk daya keluaran yang optimal.
• Pengaturan pengisian baterai ketika tegangan nominal baterai lebih tinggi dari pada tegangan panel surya, sehingga hal ini akan menyebabkan kemungkinan berhentinya proses pengisian apabila tegangan panel surya turun sampai di bawah tegangan baterai. Panel surya biasanya didesain dengan menyesuaikan tegangan nominal baterai yang terkadang hanya berbeda beberapa volt saja.

MPPT ini berbeda dengan sistem pengontrol-pengontrol sebelumnya. MPPT selain memperhatikan karakteristik baterai juga memperhatikan karakteristik panel surya. Titik daya maksimum didapatkan dengan melihat karakteristik grafik hubungan antara daya dan tegangan atau grafik hubungan antara tegangan dan arus dari panel surya. MPPT ini mengoptimalkan transfer daya antara panel surya dan baterai. Selain itu juga dengan MPPT ini, transfer daya ke baterai dapat dilakukan meskipun tegangan pada panel surya lebih rendah dari pada tegangan di baterai yaitu dengan menggunakan BOOST Converter. Apa itu Boost converter nanti akan daku jelaskan di postingan selanjutnya.

Daya keluaran yang optimal dapat diperoleh dengan menggunakan pengontrol yang menggunakan metode pencarian titik daya maksimum. Metode ini digunakan untuk mencari titik daya maksimum dari panel surya dan kemudian menentukan titik kerja sistem yang sesuai untuk mendapatkan keluaran daya yang optimal.

Titik daya maksimum didapatkan dengan menggunakan pencari titik daya maksimum dengan mengontrol suatu sistem yang berada antara panel surya dan baterai supaya bekerja pada kondisi tertentu sehingga panel surya dapat memberikan daya maksimumnya kepada beban.

Panel surya memiliki karakteristik seperti pada Gambar 2.1.a dan 2.1.b. Pada Gambar 2.1.a dan 2.1.b terdapat suatu titik yang merupakan titik di mana fotovoltaik dapat memberikan daya terbesar atau maksimum. Titik ini disebut sebagai titik daya maksimum.

Gambar 2.1.a memperlihatkan bahwa arus panel surya terpengaruh oleh kondisi insolasi matahari. Semakin tinggi insolasi maka semakin besar arus panel surya dan semakin rendah insolasi maka semakin kecil arus dari panel surya. Selain insolasi matahari, panel surya juga terpengaruh oleh temperatur. Dari Gambar 2.1.b memperlihatkan bahwa temperatur mempengaruhi tegangan dari panel surya. Semakin tinggi temperatur maka semakin rendah tegangan panel surya.

Terdapat beragam metode pencarian titik daya maksimum yang salah satu caranya adalah dengan menggunakan pengaturan beban seperti simple load matching dan semi dynamic load matching. Kedua metode ini memiliki kekurangan dalam ketidakmampuan sistem untuk mengkompensasi atau mengikuti perubahan keluaran dari panel surya akibat perubahan temperatur lingkungan dan insolasi matahari. Selain itu pengaturan beban tidak efektif karena beban memiliki karakteristik sendiri dan sulit untuk diubah atau disesuaikan.

Pencarian titik daya maksimum yang mampu merespon perubahan temperatur dan insolasi matahari dapat dilakukan dengan menggunakan pengembangan rumus dasar daya P yang merupakan fungsi tegangan V dan arus I.Nilai daya P maksimum dapat ditentukan dengan menggunakan metode nilai maksimum seperti pada persamaan 2-2.

Kondisi dP/dV=0 yang merupakan kondisi daya P maksimum didapatkan melalui penyusunan algoritma pencarian titik daya maksimum. Menurut Wilamowski dan Li (2002), metode pencarian titik daya yang menggunakan kondisi dP/dV=0 tersebut antara lain adalah perturbation & observation method dan incremental conductance method. Metode-metode ini menggunakan variabel masukan I dan V sebagai penentu pergeseran titik daya .

Metode perturbation dan observation bekerja melalui pengesetan tegangan operasi dengan mengubah langkah tegangan operasi δV dari panel surya kemudian melakukan pengecekan daya keluaran P dan kemudian kembali mengubah langkah tegangan operasi δV berdasarkan kondisi daya keluaran P begitu seterusnya sampai daya keluaran P berada pada kondisi maksimal. Tegangan operasi δV ini merupakan langkah yang memiliki nilai yang kecil. Persamaan 2-2 dapat diubah menjadi persamaan 2-3 dan penyederhanaannya menjadi persamaan 2-4.

Persamaan 2-4 digunakan dalam algoritma perturbation & observation untuk mencari titik daya maksimum seperti pada Gambar 2.2.

Algoritma perturbation and observation mampu mengikuti perubahan temperatur dan insolasi matahari tetapi terjadi rugi-rugi karena perubahan tegangan operasi secara trial and error akan dapat menyebabkan tegangan operasi akan berosilasi di sekitar titik daya maksimum. Selain itu nilai langkah δV menentukan efisiensi dari sistem. Nilai langkah yang terlalu kecil akan memperkecil adanya osilasi pada titik daya maksimum tetapi akan menyebabkan adanya keterlambatan dalam merespon perubahan temperatur dan insolasi matahari yang cukup cepat dan signifikan sehingga akan menyebabkan adanya kesalahan. Apabila langkah δV terlalu lebar maka sistem dapat cepat merespon perubahan temperatur dan insolasi tetapi kemungkinan adanya osilasi di sekitar titik daya maksimum sangat besar.

Algoritma incremental conductance dapat memperbaiki kekurangan dari algoritma peturbation and observation. Metode ini dapat memantau apakah titik tersebut tetap berada dalam satu lintasan kurva grafik hubungan antara daya P dan tegangan V atau berada pada lintasan yang berbeda akibat adanya perubahan temperatur dan insolasi yang terlalu cepat.

Persamaan 2-6 digunakan untuk menentukan variabel G dan ∆G sebagai penentu kedudukan titik daya panel surya.

Variabel G dan ∆G digunakan untuk menetukan posisi atau keadaan suatu titik daya pada suatu grafik hubungan antara P dan V.

Aturan-aturan yang sesuai dengan persamaan 2-9 kemudian diekspresikan ke dalam bentuk grafik P dan V sesuai dengan Gambar 2.4.

Gambar 2.3 yang menunjukkan posisi titik daya selanjutnya diwujudkan ke dalam bentuk algoritma untuk proses pemrograman. Algoritma tersebut disusun dengan mengacu pada pemanipulasian rumus matematis persamaan 2-9 dan gambar 2.3. Algoritma ini dikenal sebagai algoritma incremental conductance.

Nguyen (2001) membuat instrumen maximum power track control menggunakan algoritma incremental conductance. Sedangkan sistem dan komponen yang dipakai adalah 2 buah boost converter, 12 V panel surya yang di-split menjadi 2 buah keluaran masing-masing 6 V, aki 12 V dan mikrokontroler PIC16F873. Sistem yang dibuat Nguyen (2001) secara garis besar dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dari penelitian ini didapatkan efisensi transfer daya sebesar 87,28 % dan akurasi pencarian titik daya maksimum sebesar 97,6 %.

Kekurangan dari algoritma incremental conductance adalah dibutuhkan dua buah pengukuran variabel I dan V serta dibutuhkan sistem yang mempunyai kecepatan yang cukup untuk menyelesaikan algoritma yang cukup komplek dan panjang.

Salas et al (2003) memperkenalkan algoritma novel yang membutuhkan sebuah pengukuran variabel yaitu arus panel surya IPV yang menyebabkan algoritma menjadi lebih pendek dan cepat. Algoritma ini disusun dengan menganggap tegangan beban yaitu tegangan baterai Vbat konstan. Persamaan yang digunakan adalah persamaan tegangan keluaran dan masukkan dari alat pengontrol pengisian baterai yang dalam hal ini adalah buck converter atau step down.

Persamaan 2-10 merupakan persamaan yang mengekspresikan hubungan antara siklus kerja D, tegangan keluaran yang dalam hal ini tegangan baterai Vbat dan tegangan panel surya VPV yang terjadi pada buck converter pada kondisi continous conduction mode. Efisiensi ideal didapatkan ketika daya masukkan sama dengan daya keluaran. Hal ini dapat dilihat dari persamaan 2-13 dimana IPV merupakan arus dari panel surya. Karena Vbat konstan, maka Pin akan disetarakan dengan besar P*.

Persamaan 2-14 menunjukkan bahwa kondisi daya maksimum dapat dicapai dengan menghitung P* dan menerapkannya pada persamaan nilai maksimum (ΔP*=0). Algoritma novel dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Alat yang dibuat menggunakan buck converter dan mikrokontroler PIC16F873 ini mampu meningkatkan efisiensi dengan tambahan efisensi sampai 20 % dibandingkan kontrol pengisian baterai biasa yaitu on off regulator. 

 Ok demikian dulu...sekedar ajang membelah diri dan memperbaharui sel-sel tubuh daku....