MODEL PENGENDALI ALIRAN DAYA SEL SURYA TERSAMBUNG KE RUMAH TANGGA SISTEM ON GRID

  

MODEL PENGENDALI ALIRAN DAYA SEL SURYA TERSAMBUNG

KE RUMAH TANGGA SISTEM ON GRID

Diding Suhardi

  Pengajar Universitas Muhammadiyah Malang Kontak Person :

  Diding Suhardi Jl. Telaga Warna A-4 Tlogomas

  Malang 65144 Telpon : 085234239998, Fax : - e-mail : diding.suhardi@gmail.com

  

Abstrak

Pemanfaatan energi terbarukan merupakan hal sangat penting dalam upaya mengurangi

penggunaan bahan fosil yang makin menyusut. Saat ini pengguna terbesar energi listrik yang dikelola

  

PLN untuk rumah tangga mencapai 41.21% dari total listrik yang disediakan oleh PLN. Untuk itu energi

listrik sel surya merupakan salah satu energi terbarukan alternatif yang mudah digunakan untuk

penyediaan listrik skala rumah tangga di Indonesia.Untuk daerah yang tersedia jaringan listrik (on Grid),

penggunaan sel surya melalui SHS tidak dapat dikembangkan karena harga energi listriknya lebih

mahal dari listrik PLN. Dengan teknologi sel surya tersambung ke jaringan PLN (grid), maka

penggunaan baterai dapat dikurangi. Pada penelitian ini membahas model pengendalian aliran daya

antara sel surya, grid PLN dan beban. Beban yang tersambung dengan sistem sel surya dan grid

menggunakan energi listrik yang sama dengan yang disalurkan oleh sel surya dalam jangka waktu

tertentu. Fungsi grid menjadi penyimpan atau pemberi pinjaman daya sementara untuk pemenuhan

kebutuhan beban. Sehingga dengan penerapan model ini konsumen hanya mengeluarkan biaya

investasi sistem sel surya, tanpa baterai dan biaya sewa jaringan di sistem rumah tangga dengan sel

surya. Pembahasan meliputi rangkaian pemodelan, pemodelan dengan MATLAB dan Simulasi model.

  Kata kunci : sel surya, grid, simulink.

1. PENDAHULUAN

  Pemanfaatan energi terbarukan adalah hal penting dalam upaya mengurangi penggunaan bahan fosil yang makin menipis saat ini[1]. Di Indonesia pemakaian bahan fosil, seperti BBM dan batu- bara masih pada jumlah terbanyak sebagai sumber energi utama pada pembangkit listrik. Dewan Energi Nasional (DEN) merencanakankan pada tahun 2025 pemanfaatan energi terbarukan (EBT) di Indonesia menjadi seimbang dengan pemakaian bahan fosil. Penggunaan energi EBT dari 5.7% diharapkan meningkat hingga 25.9% pada tahun 2025[2] seperti diperlihatkan oleh gambar 1.

  

Gambar 1. Sumber Energi Kelistrikan di Indonesia[2]

  Berdasar data statistik PLN 2011 [3], saat ini pemakaian terbesar listrik PLN adalah rumah tangga, yang mencapai 41.21% dari seluruh energi listrik yang dibangkitkan oleh PLN dengan jumlah konsumen 92.77% dari keselurahan jumlah konsumen PLN (lihat gambar 2). Pemanfaatan energi listrik pada sektor rumah tangga rata-rata bersifat konsumtif dan beban listrik rumah tangga sangat fluktuatif, sehingga faktor bebannya rendah. Hal ini mengakibatkan tingginya biaya investasi untuk membangun sarana penyediaan energi listrik, sehingga harga investasi penyediaan energi listrik oleh PLN menjadi tinggi. Energi surya yang merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dijadikan salah satu alternative yang fleksibel digunakan untuk penyediaan listrik rumah tangga di Indonesia[1][5]. Umumnya pemamfaatan energi surya untuk rumah tangga di Indonesia digunakan pada daerah tidak tersedia jaringan listrik (off grid) dengan sistem SHS (Solar Home Sistem). Sistem SHS menggunakan baterai sebagai penyimpan energi listrik ketika daya dibangkikan SHS melebihi daya yang dibutuhkan beban. Baterai merupakan komponen mahal dalam sistem SHS. Untuk penggunaan pada daerah yang sudah tersedia jaringan listrik (On Grid), SHS tidak banyak penggunaannya karena harga energi listriknya lebih mahal dari harga energi listrik milik PLN[6].

  

Gambar 2. Listrik Terjual Ke Konsumen [3]

  Untuk mengatasi masalah ketersediaan sumber energi bahan fosil dan pengembangan energi terbarukan, beberapa kebijakan energi telah dilakukan oleh pemerintah diantaranya melalui PP No 14 tahun 2012 [4], pemerintah (PLN) memberi kesempatan untuk memanfaatkaan secara bersama dengan kosumen jaringan distribusi dengan sistem sewa jaringan distribusi. Ke depan, untuk daerah On grid, penggunaan SHS dapat diganti dengan sel surya tersambung ke grid PLN. Dengan teknologi sel surya tersambung ke grid (jaringan PLN) maka penggunaan baterai pada SHS untuk rumah tangga dapat ditiadakan. Keuntungan sistem sel surya tersambung ke grid adalah sebagai berikut [1][5][7][10]: 1. Biaya investasi dan perawatan sangat berkurang karena tidak perlu batrai.

  2. Pada saat daya dari sel surya lebih besar daripada beban (penggunaan listrik rumah), kelebihan daya bisa disalurkan atau dijual ke jaringan listrik. Sehingga tagihan pembayaran listrik kita bisa berkurang.

  3. Lebih ramah lingkungan karena mengurangi sampah batrai yang memerlukan perlakukan khusus dan kurang ramah terhadap lingkungan.

  4. Pengurangan jaringan (transmisi dan distribusi)

2. Metode Penelitian

  Beberapa penelitian yang telah ada tentang sambungan sel surya ke grid diantaranya; [9] tentang pengontrolan sel surya tersambung grid memanfaat jaringan wireless, perangkat PLC dan model ini dapat memberikan performa efektif dalam monitoring dan dapat dikontribusikan pada sistem smartgrid[10], menjelaskan kontrol sel surya grid dengan pendekatan design zero dynamic dan sel surya dapat memberikan daya maksimum ke grid dalam sistem skala luas [11], menjelaskan bahwa pengintegrasian sistem sel surya ke grid dapat menunjang kinerja jaringan grid dengan menyertakan sistem penyimpan serta [12] menunjukkan perhitungan teknis ekonomi sistem sel surya untuk sebuah rumah tangga sistem stand-alone dengan memanfaatkan batrai dan masih banyak kajian tentang sel surya lainnya. Pemodelan sistem dalam simulasi antaranya [13] menjabarkan simulasi Matlab kontrol sel surya dengan MPPT dan penggunaan inverter bidirectional terhubung grid dalam suplai beban DC dan juga pemodelan karakteristik sel surya sendiri antaranya oleh [5] menggunakan matlab dan [1] berhasil menggambarkan karakteristik sel surya dengan software lab VIEW.

  Dalam penelitian ini akan diajukan suatu model pengaturan aliran daya anatara sel surya, sistem grid PLN dan beban pada sistem sel surya tersambung ke grid pada rumah tangga. Dalam model ini, bagaimana suatu rumah tangga yang menggunakan sel surya tersambung ke grid PLN dalam rentang waktu tertentu menggunakan energi listrik sama dengan jumlah energi yang diproduksi sel surya, sehingga penggunaan energi listrik dari jaringan PLN dalam rentang waktu tertentu tersebut mendekati nol. Pembahasan dalam penelitian ini meliputi rangkaian pemodelan, pemodelan dengan MATLAB dan simulasi dari model.

  Sistem sel surya pada rumah tangga yang tersambung grid didesain menggunakan rangkaian seperti Gambar 3. Pengontrolan dilakukan agar akumulasi energi yang diserap dari grid dalam rentang waktu tertentu adalah nol. Dengan mengetahui pola karakteristik keluaran sistem sel surya dan beban rumah maka dapat diperhitungkan pengontrolan agar nilai total daya sel surya dapat memenuhi beban dalam periode tertentu, sehingga hanya terjadi peminjaman/penyimpanan sementara energi listrik pada sistem grid. Pada saat cuaca tidak menguntungkan atau hujan maka daya yang dibangkitkan oleh sel surya kecil sehingga tidak menutupi kebutuhan beban saat itu, tetapi saat cuaca cerah dan radiasi matahari tinggi sehingga keluaran sel surya pada kondisi maksimum dan itu melebihi dari nilai beban rumah, maka daya berlebih disalurkan ke grid. Besarnya daya yang dipasok dari grid untuk beban runah dan besarnya daya yang diberikan sistem sel surya ke grid tersebut yang dikontrol agar bernilai total sama dalam periode tertentu.

  IV - 2 SENTRA 2017

  

Gambar 3. Model Sel Surya Terhubung Ke Sistem Grid Pada Rumah Tangga

  Dalam sistem ini digunakan modul surya 60 Wp sebanyak 5 buah. Dan direncanakan memasok sebuah rumah tangga dengan daya terpasang 450VA[14].Telah melakukan pengujian karakteristik dari satu modul sel surya dalam keadaan cuaca cerah di Lab.Teknik Elektro UMM. Pengukuran dilakukan dengan tracking dan non tracking, untuk rumah biasanya digunakan sistem non. Keluaran untuk satu modul sel surya dalam sehari mencapai 330.653Wh. Dari data tersebut dapat diperkirakan bahwa keluaran sel surya saat cuaca cerah untuk 5 modul adalah

  5 X 330.653Wh = 1653.265 Wh. Keluaran sel surya saat cuaca cerah dapat melebihi beban rumah yang digunakan saat itu. Sehingga ada penyaluran energi dari sel surya saat siang hari ke grid.

  Pola beban rumah [15] juga harus diketahui dalam pengontrolan ini sehingga dapat dihitung energi yang dipasok dari grid dengan menghitung selisih beban dengan keluaran sel surya. Berikut adalah asumsi kurva beban sebuah rumah 450VA dan kurva daya sel surya dan grid.

  

Gambar.4 Aliran Daya Sel Surya Terhubung Grid Pada Rumah Tangga

  Dan dari kurva tersebutlah dilakukan pengontrolan agar nilai daya dari grid + dan negatifnya sama. Artinya nilai saat grid menyuplai dan menerima daya diatur agar berjumlah nol atau mendekati nol.

  Sistem photovoltaic adalah peralatan yang mengkonversi energi solar menjadi energi listrik. Sel surya terdiri dari beberapa solar cell, yang tiap sel terhubung dengan lainnya secara seri atau parallel untuk membentuk deretan sel surya yang secara umum disebut modul sel surya [5]. Efisiensi operasi maksimum sel solar tergantung pada titik operasi maksimum (MPP) dari sistem sel surya. Dalam pengoperasiannya, kinerja sel surya sangat dipengaruhi oleh kondisi klimatologi daerah setempat (suhu lingkungan dan radiasi Matahari) dan parameter listriknya (short circuit current, opern circuit voltage, suhu sel surya, MPP, dan sebagainya)[5][10][13].

  Karakteristik sistem sel surya sangat tidak linear yang dipengaruhi oleh factor eksternal. Solar irradiation, temperatur dan kecepatan angin adalah factor lingkungan utama yang mempengaruhi sel surya[10].

  Gambar 5. Model Diode Rangkaian Sel Surya

  Fotovoltaik pada umumnya mempunyai hambatan parasitik seri dan hambatan parallel yang berpengaruh pada penurunan efisiensi, seperti ditunjukkan pada gambar 6. Persamaan model dioda tunggal yang digunakan untuk menggambarkan arus operasional yang dihasilkan modul sel surya dinyatakan dengan persamaan[1][5][10]:

  I = Iph −Id –Ip (1) Perubahan radiasi matahari menyebab-kan pergeseran kurva sel surya dan perubahan temperatur memicu perubahan tegangan dan arus output dari sel surya.

  Irr/Iph =[Isc+ Ki(Tc −Tr)]1000 (2)

  Dimana: Irr = Irradiasi matahari W/m2 Ki = koefisien perubahan arus setiap °C, Tr = Temperatur referensi °K

  Pemodelan sistem sel surya tersambung grid menggunakan simulink matlab. Blok model sistem sel surya berdasarkan persamaan terkait rangkaian ekivalen sel surya. Modul sel surya yang dimodelkan adalah tipe Luminous LUM100P. Modul ini berdasarkan teknologi sel surya policrystalic. Modul ini dapat untuk berdiri sendiri dan cocok untuk disambung dengan grid. Adapun spesifikasi dan karakteristik elektriknya adalah seperti pada table [16]

  Tabel 1. Karakteristik Listrik

  Model LUM100P Paramete Sym Min Typ Uni Conditio rs bol. t n

  Open Voc

  V Irradian — 22. c

  Nilai parameter modul dalam pemodelan menggunakan nilai yang ada pada data sheet module dan untuk nilai Rs dan Rp dihitung bernilai 0.038038Ω dan 46.9Ω dari persamaan (8) dan (2).

  

Gambar 6. Rangkaian Model Sel Surya

  Pemodelan modul sel surya dalam simulink dengan menggunakan toolbox dan math operation dalam matlab, persamaan- persamaan pada karakteristik sel surya digunakan untuk memodelkan arus dioda Id dan arus radiasi Iph. Iph dimodelkan dengan input yang dapat dimodelkan yaitu temperatur °K dan irradiasi W/m2, karena parameter tersebut yang akan mewakili radiasi dan temperatur saat modul beroperasi. Id dimodelkan dengan rangkaian feedback V dan I, masing-masing output tegangan dan arus modul surya.

  Gambar 9 menunjukkan grafik keluaran hubungan antara arus I,daya P terhadap tegangan V keluaran hasil simulasi dengan kondisi Temperatur 289 °K dan irradiasi 1000 W/m2. Tegangan keluaran hasil simulasi model adalah 21.75 Volt. Simulasi ini untuk membuktikan bahwa modul surya yang dimodelkan sesuai dengan karakteristik modul surya yang digunakan.

  

Gambar 7. Karakteristik I-V Sel Surya Modul Sel Surya

  Untuk membentuk modul string maka rangkaian modul pada gambar 8 dirangkai seri sebanyak 5 buah, Sehingga tegangan keluaran modul string menjadi lebih besar dengan besar arus yang sama. Pada simulasi dalam keadaan open circuit didapat tegangan modul string (selanjutnya disebut sistem sel surya) adalah 103.8 Volt. Sistem sel surya yang telah dimodelkan kemudian dirangkai dengan boost converter dan inverter dengan menggunkan switching MOSFET 10.8kHz. Rangkaian ini juga ditambahkan sebuah trafo step up untuk menaikkan tegangan keluaran sistem sel surya menjadi 220

  IV - 4 SENTRA 2017 Volt untuk penyambungan ke grid dan beban. Pengontrolan switching boost converter dengan pengaturan lebar pulsa yang dilakukan dengan sistem MPPT metode incremental konduktansi. Metode ini dilakukan denga pengaturan hubungan I /V dan dI/dV.

  Pengontrolan inverter dengan menggunakan sistem SPWM dengan sensor tegangan referensi dari tegangan rangkaian grid. Rangkaian model simulink dari sistem sel surya secara lengkap dan pemodelan grid satu phasa terlihat berturut-turut pada gambar 10 dan gambar 11.

  Gambar 8. Rangkaian Model Sistem Sel Surya

Gambar 9. Rangkaian Model Sistem Grid

3. Hasil Penelitian dan Pembahasan

  Untuk beban rumah di modelkan dengan beban kombinasi resistansi dan induktansi (RL) dengan besar beban 300 Watt, faktor daya 0.85. Rangkaian simulasi sistem sel surya tersambung grid pada rumah tangga di gambarkan pada gambar 12. Pengukuran daya masing- masing sisi, sistem sel surya, grid dan beban dilakukan. Dari pengukuran tersebut dapat dilihat arah dan magnitude aliran daya sistem.

  

Gambar 10. Rangkaian Model Sel Surya Terhubung Grid Pada Rumah Tangga

  Bentuk gelombang keluaran sistem pada Irr 1000W/m2, Tc 288 °K (15 °C) adalah:

  a. Grid

  

Gambar 11. Bentuk gelombang I-V serta P pada sisi grid

  b. Beban

  

Gambar 12. Bentuk gelombang I-V serta P pada sisi beban

  c. Sel surya

  

Gambar 13. Bentuk gelombang I-V serta P pada sisi sel surya

  Nilai daya masing-masing subsistem adalah; jaringan 156,6 W, beban 256.6 W dan sel surya LUM 99,94 W. Nilai daya masing-masing subsistem pada 800 W/m2 adalah, jaringan 180 W, beban 256.4 W dan sel surya LUM 76.33 W. Berdasarkan kedua hasil, ini menunjukkan aliran beban masing- masing cabang dan variasi. Hal ini juga menyatakan bahwa iradiasi mempengaruhi daya ouput sistem sel surya, penurunan iradiasi menyebabkan daya output sel surya juga turun. Simulasi untuk mengatur aliran daya agar pemakaian daya dari grid sekecil mungkin mendekati nol dilakukan dalam periode tertentu. Itu berarti input radiasi dan temperatur sistem sel surya dimodelkan sesuai kurva radiasi matahari harian atau asumsi nilai yang mungkin untuk kondisi radiasi dan temperatur dalam sehari. Dan setiap variasi dilakukan pengukuran aliran daya sistem. Pada siang hari, iradiasi dan suhu berubah dan membuat pola output daya berubah. Pengukuran daya masing-masing variasi dapat digunakan untuk menghitung pola aliran beban masing-masing subsistem. Pengaturan dipusatkan pada sistem sel surya karena yang dapat dijadikan variable bebas pada sistem sel surya tersambung grid adalah sistem sel surya. Parameter yang mempengaruhi keluaran sistem sel surya tergantung pada pada faktor lingkungan yaitu temperatur dan radiasi. Rekonfigurasi sistem sel surya dapat berupa penambahan atau pengurangan jumlah array modul sel surya pada sistem sel surya atau kombinasi yang efisien dari array sel surya.

4.Kesimpulan

  Sebuah model pengaturan daya pada sistem sel surya tersambung grid pada sebuah rumah tangga telah dijelaskan. Pengaturan berdasarkan aliran daya yang dipasok atau pun di simpan dari/ke grid dalam pemenuhan beban dengan rekonfigurasi sistem sel surya agar akumulasi daya grid adalah nol. Hanya ada penyimpanan atau peminjaman sementara sistem grid. Jadi, biaya yang harus dikeluarkan adalah investasi sel surya tanpa baterai dan sewa jaringan dari sistem sel surya rumah tangga dengan model pengaturan ini.

  Daftar Notasi

  °K : derajad Kelvin °C : derajad Celcius Irr : Irradiasi Ki : Koefisien Tr : Temperatur referensi

  Referensi [1] Hernanz, J.A. Ramos-., dkk (2014). Two Photovoltaic Cell Simulation Models In Matlab/Simulink.

  International Journal on “Technical and Physical Problems of Engineering. March 2012 Issue 10 Volume 4 Number 1 Pages 45-51

  [2] Jaleel, Dr. J. Abdul., dkk (2015). Simulation on Maximum Power Point Tracking of the Photovoltaic

  Module using LabVIEW. International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and

  Instrumentation Engineering Vol. 1, Issue 3, September 2015 [3] Ki, Byung-., dkk (2015). Implementation of Monitoring and Control Sistems for 50KW SEL SURYA

  Sistems Using the Wire- Wireless Network. International Journal of Grid and Distributed Computing

  Vol. 5, No. 1, March, 2015 [4] Mahmud, M. A., dkk (2014). Dynamic Stability of Three-Phase GridConnected Photovoltaic Sistem

  Using Zero Dynamic Design Approach. IEEE Journal Of Photovoltaics, Vol. 2, No. 4, October 2014

  [5] Purnomo, Heru., dkk (2011). SEL SURYA On Grid 200kWp Gili Trawangan. PT. Len Industri (Persero)

  [6] PT. PLN (Persero).2012. Statistik PLN 2011. ISSN 0852-8179 No:02401.120722 [7] PP No 14 Tahun 2012. http://www.pln.co.id/dataweb/STAT/ST AT2011IND.pdf. Akses online tanggal 24 november 2012

  IV - 6 SENTRA 2017

  [8] PT. Green Power (2015). Agen Resmi Solar cell di (SEL SURYA) Tenaga Surya. http://www.kaskus.co.id/thread/508f3ab 81b76080865000004/agen-resmi-solarcell-di-sel surya- tenaga-suryaharga-danqualitas-bisa-di-buktikan. Diakses tanggal 24 november 2015

  [9] Teknotrek. 2015. Model Net Metering Jual Beli Listrik Sel surya Rumahan Dengan PLN. http://teknotrek.blogspot.com/2012/07/k onsepnet-metering-jual-beli-listrik.html. Akses online tanggal 24 november 2015.

  [10] Tumiran (2012). Skenario Kebijakan Energi Nasional Menuju Tahun 2050. Dewan energi nasional 2012.