Peranan Elektronika Daya dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Reinhart Sahala Partogi, Tubagus Fakhri Muhammad,

Yoan Elfina Litani, Agra Suryadwipa

Mahasiswa Teknik Tenaga Listrik Institut Teknologi Bandung

Pembangkit listrik tenaga surya menggunakan energi matahari untuk membangkitkan energi listrik. Tegangan keluaran panel surya perlu diatur hingga sesuai dengan kebutuhan. Elektronika daya adalah salah satu ilmu yang sangat berguna untuk mengoptimalkan pemberdayaan PLTS dan kontrol daya output nya.

Pendahuluan

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah pembangkit listrik yang menggunakan sinar matahari sebagai sumbernya. Panel sel surya menangkap cahaya matahari dan mengubahnya menjadi arus listrik yang kemudian disimpan dalam baterai sehingga dapat memenuhi kebutuhan energi sehari-hari. Pembangkitan listrik dengan tenaga surya dapat dilakukan secara langsung misalnya dengan memasang solar panel pada atap rumah untuk memenuhi kebutuhan energi rumah tersebut atau dengan pembangkitan terpusat yang dilakukan di suatu wilayah kemudian energi dialirkan ke rumah-rumah. Apabila dilihat dari proses pembangkitannya, penggunaan energi surya sangat ramah lingkungan dan energi yang tersedia tidak terbatas. Pada artikel ini, akan dibahas peran elektronika daya dalam PLTS terutama pada Solar Charge Controller dan Inverter.

Pembangkitan Listrik

Material Penyusun

Panel surya terbuat dari suartu material semikonduktor seperti pada umumnya; silikon yang berperilaku untuk menyerap energy foton pada sebagian porsi dari material semikonduktornya dan karena telah menyerap energy foton, kelebihan energy ini dilepaskan dalam bentuk elektron bebas.

Silikon, sebagai material semikonduktor yang umum dipakai dalam pembangkitan energy listrik pada panel surya memiliki karakteristik kimia khusus terutama dala fase kristalnya. Karakteristik special ini yang menjadikannya dapat dimanfaatkan sebagai semikonduktor pada panel surya.

Atom silikon memiliki 14 elektron yang tersebar di 3 lapisan kulitnya. Kulit pertama terisi penuh dengan 2 elekron dan begitu pula dengan kulit kedua yang penuh dengan 8 elektron. Sedangkan kulit terluarnya hanya terisi sebagian dengan 4 elektron. Dengan hanya terisi 4 elektron pada kulit ketiganya, atom silikon akan selalu cenderung untuk memenuhi kulit terluarnya dengan cara memakai bersama elektronnya dengan 4 atom disekitarnya. Struktur atom silikon yang berformasi seperti ini dinamakan crystalline structure.

Atom crystalline silikon ini tidak langsung menjadi semikonduktor yang dicari karena ikatan antar atomnya yang memakai bersama elektron terluarnya sehingga menjadikannya konduktor yang buruk jika dibandingkan dengan konduktor konvensional seperti tembaga. Untuk menjadikan atom silikon dapat mengalirkan arus, harus dilakukan pentidakmurnian silikon agar elektron dapat mengalir sehingga menjadikannya semikonduktor bukan isolator. Dalam kasus ini, atom silikon akan dicampurkan dengan atom lain dengan perbandingan yang sangat kecil (dapat mencapai satu atom lain ; satu juta atom silikon) dengan proses yang dinamakan doping.

Peranan Elektronika Daya

Solar Charge Controller

Arus yang dihasilkan oleh panel surya tidak langsung mengisi baterai, melainkan harus melewati Solar Charge Controller terlebih dahulu untuk mengatur tegangan dan arus input pengisian baterai sehingga tidak terjadi overcharge atau overvoltage , serta mengatur arus saat baterai discharge agar tidak terjadi discharge berlebihan (dapat memperpendek usia baterai).

 Secara umum, proses yang terjadi dalam Solar Charge Controller adalah konversi DC ke DC untuk menghasilkan tegangan input baterai yang stabil. Gambar 1 memperlihatkan blok diagram dari Charge Controller . Dari blok diagram di atas terlihat bahwa pengaturan tegangan input baterai oleh Solar Charge Controller dilakukan dengan sensing arus dan tegangan output panel surya sebagai input mikrokontroler yang terhubung ke rangkaian Buck-Boost (rangkaian yang dapat menaikkan atau menurunkan tegangan) . Sensing arus dan tegangan input baterai dilakukan untuk memberikan umpan balik ke mikrokontroler agar tegangan input baterai dapat terjaga stabil. Pada Solar Charge Controller yang dilengkapi dengan sensor temperatur, kontrol tegangan input baterai juga dipengaruhi oleh temperatur panel surya serta temperatur baterai. Hal ini dilakukan agar diperoleh proses charging dan usia baterai yang optimum.

Gambar 1. Solar charge controller.
Sumber: http://www.eecs.ucf.edu/seniordesign/fa2011sp2012/g10/project.html

Solar Charge Controller memiliki 2 mode kerja yaitu mode charging dan mode operasi.

Mode Charging

Pada mode ini, terjadi pengisian baterai yang dibagi ke dalam 3 stage yang digambarkan dengan kurva di Gambar 2.

Gambar 2. Kurva charging-discharging. Sumber: http://panelsuryaindonesia.com/peralatan-panel-surya/35-solar-charge-controller

1.  Bulk Stage, Bulk Stage merupakan tingkatan dimana baterai baru mulai diisi. Terjadi peningkatan tegangan secara perlahan hingga dicapai tegangan yang konstan sesuai dengan setup. Pada stage ini, arus yang mengalir ke baterai maksimum. Setelah tegangan setup dicapai, proses charging berpindah ke stage berikutnya yaitu absorption stage
2. Absorption  Stage, pada stage ini, tegangan baterai dijaga tetap sesuai dengan tegangan setup sedangkan arus yang mengalir ke baterai menurun hingga baterai terisi penuh. Setelah baterai terisi penuh maka proses charging masuk pada stage berikutnya yaitu Float Stage
3. Float Stage, pada stage ini, tegangan dan arus input baterai konstan pada suatu nilai yang lebih rendah dibandingkan pada Absorption  Stage.

Mode Operasi

Pada mode ini, baterai menyuplai beban dengan tetap dimonitor oleh Solar Charge Controller . Terdapat relai yang berfungsi untuk memutus hubungan baterai dan beban apabila terjadi overload dan untuk mencegah discharge berlebihan yang dapat merusak baterai.

Storage

Storage yang dipakai adalah baterai rechargeablesehingga dapat dipakai berulang-ulang. Sebaiknya digunakan baterai MF (Maintenance Free). Aki/baterai ini menggunakan konsep deep cycle battery yang rechargeable dan dapat digunakan pada waktu yang dikehendaki.

Banyaknya aki/baterai yang digunakan bergantung pada spesifikasi dari PLTS itu sendiri. Kapasitas daya bank aki didapat dari :

DoD : batas minimal sisa kapasitas baterai/aki (misal DoD = 80%, berarti harus tersisa kapasitas aki minimal 20%)

Days of autonomy : banyaknya hari kerja tanpa sinar matahari (hari kerja efektif aki)

Kapasitas daya aki dalam satuan Ampere.hour (Ah).

Inverter

Solar inverter mengubah arus DC hasil pembangkitan dari sel surya, menjadi AC. Fungsi ini berguna untuk membuat panel surya sebagai penyuplai daya ke grid atau off grid electrical network. Jenis-jenis inverter sel surya :

• Stand alone yaitu inverter yang secara langsung terhubung dengan baterai pada sel surya di dalam suatu sistem terisolasi. Inverter ini tidak memiliki hubungan apapun dengan grid sehingga tidak memiliki fungsi anti-islanding protection
• Grid tie yaitu inverter yang menyamakan fasa dengan utility phase dan berfungsi untuk menyuplai daya ke grid setelah menarik energi dari baterai. Untuk alasan keamanan, inverter ini akan otomatis mati/tidak bekerja saat terjadi power outage pada grid.
• Battery Backup Inverters, yaitu inverter yang dapat menyuplai ke beban tertentu yang diinginkan pada grid. Karena itu inverter ini memiliki fungsi anti-islanding protection.

Inverter solar menggunakan MPPT (maximum power point tracking) yang dapat mengambil sampel output diinginkan dari sel surya dan mengubah besar load sehingga daya yang dihasilkan maksimum. Hal ini diperlukan karena pada pembangkit listrik sel surya, efisiensi output nya tidak linear, bergantung pada kondisi cuaca dan sebagainya. Gambar 3 memperlihatkan  contoh rangkaian inverter sederhana pada solar panel.

Gambar 3, Inverter.
Sumber :
http://elektronika-dasar.web.id/artikel-elektronika/inverter-dc-ke-ac/

Berdasarkan jumlah fasa output, inverter dapat dibedakan menjadi inverter 1 fasa dan 3 fasa. Pada solar panel menggunakan inverter jenis Voltage Fed Inverter (VFI) yaitu tegangan input dijaga konstan.

Daftar Pustaka

http://panelsuryaindonesia.com/peralatan-panel-surya

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_inverter

Mohan,Ned.2003.Power Elektronics. United States : John Wiley&Sons,Inc.