Desain Modul & Array Surya PV: Jumlah Sel, Parameter, dan Perhitungan Performa

Menentukan Jumlah Sel dalam Modul, Mengukur Parameter Modul, dan Menghitung Arus Pendek, Tegangan Terbuka & Karakteristik V-I Modul & Array Surya

Apa Itu Modul Fotovoltaik Surya?

Daya yang dibutuhkan beban harian berkisar dari beberapa watt hingga kadang-kadang kilowatt. Sel surya tunggal tidak dapat menghasilkan daya yang cukup untuk memenuhi permintaan beban tersebut, sulit menghasilkan daya dalam kisaran 0,1 hingga 3 watt tergantung pada luas sel. Dalam hal pembangkit listrik terhubung jaringan dan industri, daya yang dibutuhkan mencapai kisaran megawatt hingga gigawatt.

Oleh karena itu, sel PV tunggal tidak mampu memenuhi permintaan daya yang begitu tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan daya tinggi, sel surya disusun dan disambungkan secara listrik. Susunan dan sambungan sel surya ini disebut modul PV. Modul PV memungkinkan suplai daya yang lebih besar daripada yang dapat disediakan oleh satu sel.

Saat radiasi matahari jatuh pada satu sel surya, potensi dihasilkan di antara dua terminalnya, yaitu anode dan katoda (anode adalah terminal positif dan katoda adalah terminal negatif). Untuk meningkatkan potensi sesuai dengan daya yang diperlukan, sejumlah sel disambungkan secara seri. Terminal negatif dari satu sel disambungkan ke terminal positif sel lainnya seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Saat kita menyambungkan sejumlah sel surya secara seri, kita akan mendapatkan dua terminal dan tegangan di antara kedua terminal ini adalah jumlah tegangan dari sel-sel yang disambungkan secara seri. Misalnya, jika tegangan satu sel adalah 0,3 V dan 10 sel seperti itu disambungkan secara seri, maka total tegangan di seluruh rangkaian akan menjadi 0,3 V × 10 = 3 Volt.

• Post Terkait: Bagaimana Merancang dan Memasang Sistem Surya PV?

Jika 40 sel dengan tegangan 0,6 V disambungkan secara seri, maka total tegangannya akan menjadi 0,6 V × 40 = 24 Volt. Penting untuk dicatat bahwa saat sel disambungkan secara seri, tegangan bertambah sementara arus tetap sama.

Demikian pula, saat sel disambungkan secara paralel, arus dari setiap sel ditambahkan. Terminal anode dari satu sel disambungkan ke terminal anode sel berikutnya dan demikian pula, terminal katoda disambungkan ke terminal katoda sel berikutnya seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.

Berbeda dengan sambungan seri, total tegangan rangkaian dalam sambungan paralel tetap tidak berubah. Misalnya, jika suatu sel memiliki kapasitas pengeringan arus 2 A dan 5 sel surya seperti itu disambungkan secara paralel, maka total kapasitas pengeringan arus sel akan menjadi 2 A × 5 = 10 A.

Parameter modul PV disebutkan oleh produsen dalam Standar Uji Kondisi (STC), yaitu suhu 25 °C dan radiasi 1000 W/m². Sebagian besar waktu dan lokasi, kondisi yang ditentukan dalam STC tidak terjadi. Hal ini terjadi karena radiasi matahari selalu kurang dari 1000 W/m² dan suhu operasi sel lebih tinggi dari 25 °C, ketidakpastian ini menghasilkan daya keluaran modul PV yang berkurang.

Seperti yang telah kita bahas sebelumnya, modul PV terdiri dari sejumlah sel surya, sehingga parameternya dan faktor-faktor yang mempengaruhi pembangkitan listrik mirip dengan sel surya yang telah kita bahas dalam artikel kami sebelumnya. Jadi kami tidak akan membahas bagian itu lagi di sini.

• Post Terkait: Panduan Lengkap tentang Pemasang Panel Surya. Prosedur Langkah demi Langkah dengan Contoh

Menentukan Jumlah Sel dalam Modul

Salah satu kebutuhan dasar modul PV adalah menyediakan tegangan yang cukup untuk mencetak daya baterai dengan berbagai tingkat tegangan di bawah radiasi matahari harian. Ini berarti tegangan modul harus lebih tinggi untuk mencetak daya baterai selama radiasi matahari rendah dan suhu tinggi.

Modul PV dirancang untuk menyediakan tegangan yang merupakan kelipatan dari tingkat baterai 12 V, yaitu 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, dan seterusnya. Untuk mencetak daya baterai 12 V melalui modul PV, kita memerlukan modul dengan V_M sebesar 15 V dan untuk baterai 24 V kita memerlukan modul dengan V_M sebesar 30 V dan seterusnya. Perangkat lain yang digunakan dalam sistem PV dibuat kompatibel untuk bekerja dengan tingkat tegangan baterai.

Untuk menyediakan tingkat tegangan yang diperlukan, kita perlu menyambungkan sel secara seri. Tergantung pada teknologi berbeda yang digunakan dalam sel PV, jumlah sel yang perlu disambungkan secara seri akan bervariasi. Jumlah sel yang perlu disambungkan secara seri bergantung pada tegangan pada titik daya maksimum yaitu V_M dari setiap sel dan penurunan tegangan yang terjadi karena kenaikan suhu sel di atas STC.

• Post Terkait: Komponen Dasar yang Diperlukan untuk Pemasang Sistem Panel Surya

Contoh:

Mari kita pahami ini dengan contoh, suatu modul PV akan dirancang dengan sel surya untuk mencetak daya baterai 12 V. Tegangan rangka terbuka V_OC dari sel adalah 0,89 V dan tegangan pada titik daya maksimum V_M adalah 0,79 V.

Suhu operasi sel adalah 60 °C dan ada penurunan tegangan sebesar 2 mV untuk setiap kenaikan suhu satu derajat Celsius. Berapa banyak sel yang perlu disambungkan secara seri untuk mencetak daya baterai?

Langkah 1: Cari tegangan pada titik daya maksimum V_M = 0,79 V.

Jika V_M tidak ditentukan, maka ambil V_M sebagai 80 hingga 85% dari V_OC.

Langkah 2: Cari kerugian tegangan pada suhu operasi yaitu pada 60 °C.

Kenaikan suhu di atas STC = Suhu operasi – Suhu pada STC.

Kenaikan suhu di atas STC = 60 °C – 25 °C = 35 °C

Oleh karena itu, kerugian tegangan karena kenaikan suhu di atas STC:

Kerugian Tegangan = 35 °C × 0,002 V = 0,07 V

Langkah 3: Menentukan tegangan pada kondisi operasi.

Tegangan pada kondisi operasi = Tegangan pada STC (V_M) – kerugian tegangan karena kenaikan suhu di atas STC.

Oleh karena itu, Tegangan pada kondisi operasi = 0,79 V – 0,07 V = 0,72 V

Langkah 4: Tentukan tegangan modul PV yang diperlukan untuk mencetak daya baterai.

Untuk mencetak daya baterai 12 V, kita memerlukan tegangan modul sekitar 15 V.

Langkah 5: Tentukan jumlah sel yang perlu disambungkan secara seri.

Jumlah sel yang disambungkan secara seri = Tegangan modul PV / Tegangan pada kondisi operasi.

Jumlah sel yang disambungkan secara seri = 15 V / 0,72 V = 20,83 atau sekitar 21 sel

Jadi, kita membutuhkan 21 sel yang disambungkan secara seri untuk mencetak daya baterai 12 V. Penting untuk dicatat bahwa untuk teknologi sel surya yang berbeda, kita akan membutuhkan jumlah sel yang berbeda secara seri untuk tegangan keluaran yang sama. Foto aktual dari modul PV yang terdiri dari sejumlah sel yang disambungkan secara listrik ditunjukkan pada gambar 3 di bawah ini.

Mengukur Parameter Modul

Untuk pengukuran parameter modul seperti V_OC, I_SC, V_M, dan I_M kita membutuhkan voltmeter dan ammeter atau multimeter, reostat, dan kabel penghubung.

Pengukuran Tegangan Rangka Terbuka (V_OC):

Saat mengukur V_OC, tidak ada beban yang disambungkan di antara dua terminal modul. Untuk menemukan tegangan rangka terbuka dari modul fotovoltaik melalui multimeter, ikuti langkah-langkah sederhana berikut.

• Atur knob multimeter ke pengukuran tegangan DC dan pilih rentang untuk pengukuran tegangan sesuai yaitu 6 V, 12 V, 24 V, dan seterusnya.
• Pastikan satu probe terhubung ke port COM multimeter dan yang lain ke port pengukuran tegangan.
• Setelah memilih mode dan rentang, hubungkan probe multimeter ke dua terminal modul PV dan amati bacaan pada layar.
• Pastikan probe positif (port pengukuran tegangan) terhubung ke terminal positif dan probe negatif (port COM) ke terminal negatif. Jika probe disambungkan sebaliknya, akan memberikan bacaan negatif.
• Bacaan pada layar multimeter adalah tegangan rangka terbuka V_OC dari modul PV.

Post Terkait:

• Parameter Sel Surya dan Karakteristik Panel PV
• Bagaimana Merancang Pompa Air DC Tenaga Surya Fotovoltaik?

Pengukuran Arus Pendek (I_SC):

Saat mengukur I_SC, tidak ada beban yang disambungkan di antara dua terminal modul.

Untuk menemukan arus pendek dari modul fotovoltaik melalui multimeter, ikuti langkah-langkah sederhana berikut.

• Atur knob multimeter ke pengukuran arus dan pilih rentang untuk pengukuran arus sesuai yaitu biasanya antara 0,1 hingga 10 A.
• Pastikan satu probe terhubung ke port COM multimeter dan yang lain ke port pengukuran arus.
• Setelah memilih mode dan rentang, hubungkan probe multimeter ke dua terminal modul PV dan amati bacaan pada layar.
• Pastikan probe positif terhubung ke terminal positif (port pengukuran arus) dan probe negatif (port COM) ke terminal negatif. Jika probe disambungkan sebaliknya, akan memberikan bacaan negatif.
• Bacaan yang diamati pada layar multimeter adalah arus pendek I_SC dari modul PV.

Mengukur Kurva I-V:

Untuk mengukur kurva I-V, modul PV surya harus disambungkan secara seri dengan resistor variabel seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Terminal negatif modul disambungkan ke terminal positif ammeter dan voltmeter disambungkan secara langsung di seluruh modul PV seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Jika tanpa sengaja sambungan dilakukan sebaliknya, maka bacaan yang didapat akan memiliki tanda negatif, sambungkan ulang meter untuk mendapatkan nilai yang benar. Setelah dilakukan dengan benar, sesuaikan resistor variabel (reostat) ke satu sisi sehingga tegangan akan maksimum dan arus minimum.

Catat nilai arus dan tegangan pada posisi reostat ini. Sekarang geser perlahan reostat ke sisi lain dan catat bacaan untuk setiap penyesuaian geser hingga reostat sepenuhnya dicoret. Hitung daya untuk setiap nilai tegangan dan arus dengan menggunakan persamaan di bawah ini.

P = V × I

Dengan demikian, dengan menggunakan nilai yang diukur ini, semua parameter lain dari modul PV dapat diperoleh.

Modul dengan Daya Tinggi

Salah satu sel yang paling umum tersedia di pasar adalah teknologi “Sel Silikon Kristal”. Sel ini tersedia dengan luas 12,5 × 12,5 cm² dan 15 × 15 cm². Sulit untuk menemukan sel di luar luas ini di pasar, sebagian besar pembangkit listrik surya besar menggunakan modul dengan luas sel ini.

Tapi berapa tinggi daya yang dapat disediakan oleh modul ini dan bagaimana cara mendapatkan daya lebih tinggi per modul? Sebuah modul PV yang dirancang biasanya memiliki V_M sebesar 15 V untuk mencetak daya baterai 12 V. Untuk mendapatkan tegangan ini, 32 hingga 36 sel disambungkan secara seri tergantung pada suhu operasi dan tegangan puncak V_M dari setiap sel.

Arus yang dihasilkan oleh sel tergantung pada luas, jumlah cahaya yang jatuh padanya, sudut cahaya yang jatuh padanya, dan kepadatan arus. Sel Silikon Kristal memiliki kepadatan arus J_SC dalam kisaran 30 mA/cm² hingga 35 mA/cm².

Mari kita ambil kepadatan arus 30 mA/cm² untuk contoh kita. Maka arus pendek untuk luas 12,5 × 12,5 cm² dapat dihitung sebagai;

I_SC = J_SC × Luas = 30 mA/cm² × 12,5 × 12,5 cm² = 4,68 A

Demikian pula, untuk 15 × 15 cm² arus pendek dihitung sebagai;

I_SC = J_SC × Luas = 30 mA/cm² × 15 × 15 cm² = 6,75 A

Untuk sebagian besar produsen, I_M sekitar 90 hingga 95% dari I_SC. Untuk contoh kita, ambil I_M sebagai 95% dari I_SC.

I_M = 0,95 × I_SC

Maka I_M untuk luas 12,5 × 12,5 cm² dapat dihitung sebagai;

I_M = 0,95 × 4,68 A = 4,446 A

Demikian pula, untuk 15 × 15 cm² I_M dihitung sebagai;

I_M = 0,95 × 6,75 A = 6,412 A

Sekarang kita dapat menentukan daya puncak maksimum untuk kedua sel ini;

P_M = V_M × I_M

P_M = 15 V × 4,446 A = 66,69 W (untuk luas 12,5 × 12,5 cm²)

P_M = 15 V × 6,412 A = 96,18 W (untuk luas 15 × 15 cm²)

Oleh karena itu, dengan memanfaatkan teknologi sel terbaik yang tersedia dengan luas 12,5 × 12,5 dan 15 × 15 cm² kita mendapatkan daya keluaran sebesar 66,69 W dan 96,18 W masing-masing (Menganggap I_M adalah 95% dari I_SC dan kepadatan arus 30 mA/cm²).

Untuk meningkatkan tegangan dan arus modul, lebih banyak sel harus disambungkan secara seri dan paralel masing-masing, hal ini akan meningkatkan daya keseluruhan modul lebih dari yang telah kita hitung.

Contoh:

Sekarang untuk pemahaman yang lebih baik, mari kita desain modul PV yang dapat menyediakan tegangan pada daya maksimum V_M sebesar 45 V di bawah STC dan 33,5 V di bawah suhu operasi 60 °C. Kita akan menggunakan sel yang memiliki tegangan rangka terbuka V_OC sebesar 0,64 V, dengan penurunan V_M sebesar 0,004 V per °C kenaikan suhu.

Langkah 1: Cari tegangan pada titik daya maksimum V_M.

Jika V_M tidak ditentukan, ambil V_M sebagai 80 hingga 85% dari V_OC

Mari kita asumsikan V_M = 0,85 × V_OC = 0,85 × 0,64 V = 0,544 V

Langkah 2: Cari kerugian tegangan pada suhu operasi yaitu pada 60 °C.

Kenaikan suhu di atas STC = Suhu operasi – Suhu pada STC.

Kenaikan suhu di atas STC = 60 °C – 25 °C = 35 °C

Oleh karena itu, kerugian tegangan karena kenaikan suhu di atas STC = 35 °C × 0,004 V = 0,14 V

Langkah 3: Menentukan tegangan pada kondisi operasi

Tegangan pada kondisi operasi = Tegangan pada STC (V_M) – kerugian tegangan karena kenaikan suhu di atas STC.

Oleh karena itu, Tegangan pada kondisi operasi = 0,544 V – 0,14 V = 0,404 V

Langkah 4: Tentukan tegangan modul PV yang diperlukan

kita memerlukan tegangan modul sekitar 33,5 V.

Langkah 5: Tentukan jumlah sel yang perlu disambungkan secara seri

Jumlah sel yang disambungkan secara seri = Tegangan modul PV / Tegangan pada kondisi operasi.

Jumlah sel yang disambungkan secara seri = 33,5 V / 0,404 V = 82,92 atau sekitar 83 sel.

Sekarang mari kita hitung berapa daya yang dapat dihasilkan oleh 83 sel ini di bawah STC, dengan V_M = 45 V, dan mari kita ambil nilai arus yang sama untuk dua sel dari contoh sebelumnya.

I_M = 4,446 A (untuk luas 12,5 × 12,5 cm²)

I_M = 6,412 A (untuk luas 15 × 15 cm²)

Sekarang kita dapat menentukan daya puncak maksimum untuk kedua sel ini pada tegangan 45 V;

P_M = V_M × I_M

P_M = 45 V × 4,446 A = 200,07 W (untuk luas 12,5 × 12,5 cm²)

P_M = 45 V × 6,412 A = 288,54 W (untuk luas 15 × 15 cm²)

Jadi, sesuai dengan kebutuhan daya yang besar, sel dengan luas yang lebih besar seperti ini disambungkan secara seri dan paralel untuk membentuk modul PV. Lebih jauh, modul PV ini dapat disambungkan secara seri dan paralel untuk membentuk array PV yang menghasilkan daya dalam MW.

Dioda Pemblokir dan Dioda Bypass

Dioda Bypass

Semua sel yang disambungkan secara seri dalam modul PV identik, semuanya menghasilkan arus saat cahaya jatuh padanya. Namun jika salah satu sel surya terlindungi oleh benda tertentu, cahaya yang jatuh padanya terganggu dan sel tersebut menghasilkan arus lebih rendah atau hampir tidak menghasilkan arus karena gangguan cahaya yang jatuh pada sel.

Sel ini sekarang akan bertindak sebagai hambatan terhadap aliran arus dalam rangkaian seri sel. Sel ini akan bertindak sebagai beban dan daya yang dihasilkan oleh sel lain akan terbuang sia-sia dalam sel yang terlindung, menyebabkan suhu sel naik dan terbentuk titik panas. Ini bahkan dapat mengakibatkan pecahnya kaca modul, kebakaran, dan kecelakaan dalam sistem.

Dioda bypass digunakan untuk menghindari bencana semacam ini dalam sistem yang kami desain. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 5, dioda bypass disambungkan secara paralel dengan sel surya dengan polaritas berlawanan.

Dalam kondisi normal tanpa perlindungan, dioda bypass bias terbalik bertindak sebagai rangka terbuka. Namun jika terjadi perlindungan dalam rangkaian sel yang disambungkan secara seri, sel yang terlindung akan bias terbalik dan ini akan bertindak sebagai bias maju pada dioda bypass karena dioda tersebut disambungkan dengan polaritas berlawanan terhadap sel surya.

Sekarang dioda bypass sel yang terlindung akan membawa arus melalui dioda ini daripada melalui sel yang terlindung. Dengan demikian, dioda melewati sel dan menghindari kerusakan yang disebabkan oleh overheat, sehingga disebut dioda bypass. Secara ideal, harus ada satu dioda per sel surya dalam modul, namun secara praktis agar modul hemat biaya, satu dioda bypass disambungkan untuk kombinasi seri 10-15 sel.

Dioda Pemblokir

Dalam sistem off-grid, modul digunakan untuk menyuplai daya ke beban dan mencetak daya baterai. Pada malam hari ketika tidak ada sinar matahari, modul tidak menghasilkan energi dan baterai yang telah diisi mulai menyuplai daya ke beban dan modul PV. Daya yang disuplai ke modul PV adalah kehilangan daya. Untuk menghindari kehilangan ini, sebuah dioda ditempatkan untuk memblokir aliran arus dari baterai ke modul PV. Dengan demikian, karena dioda ini kehilangan daya dihindari dengan memblokir aliran arus dari baterai ke modul.

Post Terkait:

Sambungan Seri, Paralel & Seri-Paralel Panel Surya & Array

Kami telah menjelaskan topik ini dengan sangat baik dalam postingan kami sebelumnya yang berlabel Sambungan Seri, Paralel & Seri-Paralel Panel PV. Anda akan dapat merangkaian string modul surya dan array seri, array paralel atau kombinasi string dan array seri dan paralel.