Cara Menghubungkan Panel Surya: Konfigurasi Seri, Paralel, dan Seri-Paralel

Konfigurasi Seri, Paralel, dan Seri-Paralel Array Fotovoltaik

Apa itu Array Fotovoltaik Surya?

Modul fotovoltaik surya tersedia dengan daya yang bervariasi dari 3 W_P hingga 300 W_P. Namun, dalam banyak kasus, kita membutuhkan daya dalam rentang kW hingga MW. Untuk mencapai daya yang cukup besar, kita perlu menghubungkan sejumlah modul dalam konfigurasi seri dan paralel.

Rangkaian Modul PV

Ketika sejumlah modul PV disambungkan secara seri, seluruh rangkaian modul yang terhubung seri dikenal sebagai string modul PV. Modul disambungkan secara seri untuk meningkatkan tegangan dalam sistem. Gambar berikut menunjukkan skema modul PV yang disambungkan secara seri, paralel, dan seri-paralel.

Array Modul PV

Untuk meningkatkan arus, sejumlah modul PV disambungkan secara paralel. Penggabungan modul dalam kombinasi seri dan paralel dikenal sebagai “Array Fotovoltaik Surya” atau “Array Modul PV”. Skema array modul surya PV dalam konfigurasi seri-paralel ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Sel Modul Surya:

Sel surya adalah perangkat dua klem. Satu adalah positif (anoda) dan yang lain adalah negatif (katoda). Susunan sel surya dikenal sebagai modul surya atau panel surya, sedangkan susunan panel surya dikenal sebagai array fotovoltaik.

Penting untuk diketahui bahwa seiring bertambahnya sambungan seri dan paralel modul, daya modul juga akan bertambah.

Posting Terkait:

• Bagaimana Menghubungkan Panel Surya dalam Konfigurasi Seri-Paralel?
• Sambungan Seri, Paralel, dan Seri-Paralel Baterai

Sambungan Seri Modul

Kadang-kadang, tegangan sistem yang diperlukan untuk pembangkit listrik jauh lebih tinggi daripada yang dapat dihasilkan oleh satu modul PV. Dalam kasus seperti ini, sejumlah modul PV disambungkan secara seri untuk mencapai tingkat tegangan yang diperlukan. Sambungan seri modul PV ini mirip dengan sambungan sejumlah sel dalam suatu modul untuk mendapatkan tingkat tegangan yang diperlukan. Gambar berikut menunjukkan panel surya yang disambungkan dalam konfigurasi seri.

Dengan sambungan seri ini, tidak hanya tegangan, tetapi juga daya yang dihasilkan oleh modul akan meningkat. Untuk mencapai hal ini, klem negatif satu modul disambungkan ke klem positif modul lainnya.

Jika sebuah modul memiliki tegangan sirkuit terbuka V_OC1 sebesar 20 V dan modul lain yang disambungkan secara seri memiliki V_OC2 sebesar 20 V, maka total tegangan sirkuit terbuka dari string adalah jumlah kedua tegangan tersebut.

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

Penting untuk dicatat bahwa penjumlahan tegangan pada titik daya maksimum juga berlaku untuk array PV.

Perhitungan Jumlah Modul yang Diperlukan dalam Seri dan Daya Totalnya

Untuk menghitung jumlah modul PV yang akan disambungkan secara seri, tegangan yang diperlukan dari array PV harus diketahui. Kita juga akan melihat total daya yang dihasilkan oleh array PV. Perhatikan bahwa semua modul identik dengan parameter modul yang sama.

Langkah 1: Catat persyaratan tegangan array PV

Karena kita harus menghubungkan sejumlah modul secara seri, kita harus mengetahui tegangan yang diperlukan dari array PV

• Tegangan sirkuit terbuka array PV V_OCA
• Tegangan array PV pada titik daya maksimum V_MA

Langkah 2: Catat parameter modul PV yang akan disambungkan dalam string seri

Parameter modul PV seperti arus dan tegangan pada titik daya maksimum serta parameter lain seperti V_OC, I_SC, dan P_M juga harus dicatat.

Langkah 3: Hitung jumlah modul yang akan disambungkan secara seri

Untuk menghitung jumlah modul “N”, total tegangan array dibagi dengan tegangan modul individu. Karena modul PV diasumsikan bekerja di bawah STC, rasio tegangan array pada titik daya maksimum V_MA terhadap tegangan modul pada titik daya maksimum V_M digunakan.

Perhitungan serupa untuk tegangan sirkuit terbuka PV juga dapat dilakukan, yaitu rasio tegangan array pada sirkuit terbuka V_OCA terhadap tegangan modul pada sirkuit terbuka V_OC. Perhatikan bahwa nilai “N” dapat berupa non-integer, jadi kita harus mengambil bilangan bulat berikutnya yang lebih tinggi, sehingga nilai V_MA dan V_OCA juga akan meningkat dari yang diinginkan.

Langkah 4: Menghitung total daya array PV

Total daya array PV adalah jumlah daya maksimum dari modul individu yang disambungkan secara seri. Jika P_M adalah daya maksimum dari satu modul dan “N” adalah jumlah modul yang disambungkan secara seri, maka total daya array PV P_MA adalah N × P_M.

Kita juga dapat menghitung daya array dengan hasil kali tegangan array PV dan arus pada titik daya maksimum, yaitu:

V_MA × I_MA

Contoh:

Untuk memahami langkah-langkah ini dengan cara yang lebih matematis, mari kita ambil contoh pembangkit listrik berdaya 2 MW, di dalamnya sejumlah besar modul PV disambungkan secara seri. Inverter 2 MW dapat menerima input tegangan dari 600 V hingga 900 V.

Tentukan jumlah modul yang harus disambungkan secara seri untuk mendapatkan tegangan titik daya maksimum sebesar 800 V. Tentukan juga daya yang dihasilkan oleh array PV ini. Parameter modul PV tunggal adalah sebagai berikut;

• Tegangan sirkuit terbuka V_OC = 35 V
• Tegangan pada titik daya maksimum V_M = 29 V
• Arus sirkuit pendek I_SC = 7.2 A
• Arus pada titik daya maksimum I_M = 6.4 A

Langkah 1: Catat persyaratan tegangan array PV

• Tegangan sirkuit terbuka array PV V_OCA = Tidak diberikan
• Tegangan array PV pada titik daya maksimum V_MA = 800 V

Langkah 2: Catat parameter modul PV yang akan disambungkan dalam string seri

Tegangan sirkuit terbuka V_OC = 35 V

Tegangan pada titik daya maksimum V_M = 29 V

Arus sirkuit pendek I_SC = 7.2 A

Arus pada titik daya maksimum I_M = 6.4 A

Daya Maksimum P_M

P_M = V_M x I_M

= 29 V x 6.4 A

P_M = 185.6 W

Langkah 3: Hitung jumlah modul yang akan disambungkan secara seri

N = V_MA / V_M

N = 800 / 29

N = 27.58 (Nilai bulat lebih tinggi 28)

Ambil nilai bulat lebih tinggi 28 modul. Karena nilai bulat N yang lebih tinggi, nilai V_MA dan V_OCA juga akan meningkat.

V_MA = V_M × N

= 29 × 28

= 812 V

Langkah 4: Menghitung total daya array PV

P_MA = N × P_M

= 28 × 185.6

= 5196.8 W

Jadi, kita memerlukan 28 modul PV yang disambungkan secara seri dengan total daya 5196.8 W untuk mendapatkan tegangan array PV maksimum yang diinginkan sebesar 800 V.

Ketidakcocokan pada Modul PV yang Disambungkan Seri

Daya maksimum dalam modul PV adalah hasil kali tegangan dan arus pada daya maksimum. Ketika modul tidak disambungkan secara seri, daya yang dihasilkan oleh setiap modul berbeda. Ambil contoh tabel 1 yang diberikan di bawah ini.

Tabel 1

Modul	VM dalam Volt	IM dalam Ampere	PM dalam Watt
Modul A	16	4.1	65.6
Modul B	15.5	4.1	63.55
Modul C	15.3	4.1	62.73
Total	Dalam seri = 46.8	Dalam seri = 4.1	191.88

Jika ketiga modul dalam tabel 1 disambungkan secara seri, tegangannya akan ditambahkan, sedangkan arus tetap sama dengan asumsi semua modul identik dengan nilai I_M = 4.1 A yang sama.

Selisih tegangan antara modul A, B, dan C yang disambungkan secara seri tidak mengakibatkan kehilangan daya yang dihasilkan oleh array modul PV dengan asumsi semua modul identik dengan nilai I_M = 4.1 A yang sama.

Namun, jika kapasitas menghasilkan arus dari modul yang disambungkan secara seri tidak identik, maka arus yang mengalir melalui modul PV yang disambungkan secara seri akan sama dengan arus terendah yang dihasilkan oleh sebuah modul dalam string. Ambil contoh tabel 2 yang diberikan di bawah ini.

Tabel 2

Modul	VM dalam Volt	IM dalam Ampere	PM dalam Watt
Modul A	16	4.1	65.6
Modul B	15.5	3.2	49.6
Modul C	15.3	4.1	62.73
Total	Dalam Seri = 46.8	Dalam Seri = 3.2	177.93

Jika semua modul dalam tabel 2 disambungkan secara seri, maka arus yang mengalir melalui modul yang disambungkan secara seri ditentukan oleh modul dengan arus terendah. Dalam kasus ini, modul B memiliki arus terendah sebesar 3.2 A dibandingkan dengan modul A dan C.

Jadi, arus yang mengalir melalui ketiga modul yang disambungkan secara seri ini adalah 3.2 A. Sekarang bandingkan Tabel 1 dan Tabel 2 serta total daya yang dihasilkan oleh keduanya. Karena modul arus yang tidak identik dalam tabel 2, total daya yang dihasilkan adalah 177.93 W, yang lebih kecil dari total daya yang dihasilkan oleh modul dalam tabel 1, yaitu 191.88 W.

Kita dapat melihat bahwa karena ketidakcocokan arus, daya keluaran yang dihasilkan oleh modul yang disambungkan secara seri sangat terpengaruh. Jadi, dalam sambungan seri modul, ketidakcocokan tegangan bukan merupakan masalah, tetapi ketidakcocokan arus mengakibatkan kehilangan daya. Oleh karena itu, modul dengan rating arus yang berbeda tidak sebaiknya disambungkan secara seri.

Sambungan Paralel Modul

Kadang-kadang, untuk meningkatkan daya sistem PV surya, alih-alih meningkatkan tegangan dengan menghubungkan modul secara seri, arus ditingkatkan dengan menghubungkan modul secara paralel. Arus dalam kombinasi paralel array modul PV adalah jumlah arus individu dari modul-modul tersebut.

Tegangan dalam kombinasi paralel modul tetap sama dengan tegangan individu modul dengan asumsi semua modul memiliki tegangan yang identik.

Kombinasi paralel dicapai dengan menghubungkan klem positif satu modul ke klem positif modul berikutnya dan klem negatif ke klem negatif modul berikutnya seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Gambar berikut menunjukkan panel surya yang disambungkan dalam konfigurasi paralel.

Jika arus I_M1 adalah arus titik daya maksimum dari satu modul dan I_M2 adalah arus titik daya maksimum dari modul lain, maka total arus dari modul yang disambungkan paralel akan menjadi I_M1 + I_M2. Jika kita terus menambahkan modul secara paralel, arus akan terus bertambah. Hal ini juga berlaku untuk arus singkat I_SC.

Perhitungan Jumlah Modul yang Diperlukan dalam Paralel dan Daya Totalnya

Untuk menghitung jumlah modul PV yang akan disambungkan secara paralel, arus yang diperlukan dari array PV harus diketahui. Kita juga akan melihat total daya yang dihasilkan oleh array PV. Perhatikan bahwa semua modul identik dengan parameter modul yang sama.

Langkah 1: Catat persyaratan arus array PV

Karena kita harus menghubungkan sejumlah modul secara paralel, kita harus mengetahui arus yang diperlukan dari array PV

• Arus sirkuit pendek array PV I_SCA
• Arus array PV pada titik daya maksimum I_MA

Langkah 2: Catat parameter modul PV yang akan disambungkan secara paralel

Parameter modul PV seperti arus dan tegangan pada titik daya maksimum serta parameter lain seperti V_OC, I_SC, dan P_M juga harus dicatat.

Langkah 3: Hitung jumlah modul yang akan disambungkan secara paralel

Untuk menghitung jumlah modul N, total arus array dibagi dengan arus modul individu. Karena modul PV diasumsikan bekerja di bawah STC, rasio arus array pada titik daya maksimum I_MA terhadap arus modul pada titik daya maksimum I_M digunakan.

Perhitungan serupa untuk arus singkat PV juga dapat dilakukan, yaitu rasio arus singkat array I_SCA terhadap arus singkat modul I_SC.

Perhatikan bahwa nilai N dapat berupa non-integer, jadi kita harus mengambil bilangan bulat berikutnya yang lebih tinggi, sehingga nilai I_MA dan I_SCA juga akan meningkat dari yang diinginkan.

Langkah 4: Menghitung total daya array PV

Total daya array PV adalah jumlah daya maksimum dari modul individu yang disambungkan secara paralel. Jika P_M adalah daya maksimum dari satu modul dan “N” adalah jumlah modul yang disambungkan secara paralel, maka total daya array PV P_MA adalah N × P_M. Kita juga dapat menghitung daya array dengan hasil kali tegangan array PV dan arus pada titik daya maksimum, yaitu V_MA × I_MA.

Posting Terkait:

• Lampu Mana yang Terang Lebih Saat Disambungkan Seri dan Paralel & Mengapa?
• Apakah Baterai Disambungkan Seri atau Paralel?

Contoh:

Mari kita ambil contoh, hitung jumlah modul yang diperlukan dalam paralel untuk mendapatkan arus titik daya maksimum I_MA sebesar 40 A. Persyaratan tegangan sistem adalah 14 V. Parameter modul PV tunggal adalah sebagai berikut;

• Tegangan sirkuit terbuka V_OC = 18 V
• Tegangan pada titik daya maksimum V_M = 14 V
• Arus sirkuit pendek I_SC = 6.5 A
• Arus pada titik daya maksimum I_M = 6 A

Langkah 1: Catat persyaratan arus array PV

• Arus sirkuit pendek array PV I_SCA = Tidak diberikan
• Arus array PV pada titik daya maksimum I_MA = 40 A

Langkah 2: Catat parameter modul PV yang akan disambungkan secara paralel

Tegangan sirkuit terbuka V_OC = 18 V

Tegangan pada titik daya maksimum V_M = 14 V

Arus sirkuit pendek I_SC = 6.5 A

Arus pada titik daya maksimum I_M = 6 A

Daya Maksimum:

P_M = V_M x I_M

P_M = 14V x 6A

P_M = 84 W

Langkah 3: Hitung jumlah modul yang akan disambungkan secara paralel

N = I_MA / I_M

= 40 / 6

N = 6.66 (Nilai bulat lebih tinggi 7)

Ambil nilai bulat lebih tinggi 7 modul. Karena nilai bulat N yang lebih tinggi, nilai I_MA dan I_SCA juga akan meningkat.

I_MA = I_M × N

= 6 × 7

I_MA = 42 A

Langkah 4: Menghitung total daya array PV

P_MA = N × P_M

= 7 × 84

P_MA = 588 W

Jadi, kita memerlukan 7 modul PV yang disambungkan secara paralel dengan total daya 588 W untuk mendapatkan arus array PV maksimum yang diinginkan sebesar 40 A.

Ketidakcocokan pada Modul PV yang Disambungkan Paralel

Dalam sambungan paralel, masalah ketidakcocokan arus bukan merupakan masalah, tetapi ketidakcocokan tegangan adalah masalah. Dalam modul yang disambungkan paralel, tegangan akan tetap sama jika modul memiliki rating tegangan yang identik.

Namun, jika rating tegangan modul yang disambungkan paralel berbeda, maka tegangan sistem ditentukan oleh modul dengan rating tegangan terendah, yang mengakibatkan kehilangan daya.

Efek ketidakcocokan tegangan tidak separah ketidakcocokan arus, tetapi hati-hati harus dilakukan saat memilih modul. Direkomendasikan bahwa untuk kombinasi seri, modul dengan rating arus yang sama, dan untuk kombinasi paralel, modul dengan rating tegangan yang sama harus dipilih.

• Posting Terkait: Bagaimana Merancang Pompa Air DC Tenaga Surya Fotovoltaik?

Sambungan Seri – Paralel Modul – Kombinasi Campuran

Ketika kita perlu menghasilkan daya besar dalam rentang Gigawatt untuk pembangkit PV skala besar, kita perlu menghubungkan modul secara seri dan paralel. Di pembangkit PV besar, pertama-tama modul disambungkan secara seri yang dikenal sebagai “string modul PV” untuk mencapai tingkat tegangan yang diperlukan.

Kemudian, banyak string seperti itu disambungkan secara paralel untuk mencapai tingkat arus yang diperlukan untuk sistem. Gambar berikut menunjukkan sambungan modul secara seri dan paralel. Untuk menyederhanakan hal ini, perhatikan kanan pada gambar berikut.

Modul 1 dan modul 2 disambungkan secara seri, mari kita sebutnya string 1. Tegangan sirkuit terbuka string 1 V_OC1 ditambahkan, yaitu:

V_OC1 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Sedangkan arus singkat string 1 I_SC1 sama, yaitu:

I_SC1 = I_SC

Mirip dengan string 1, modul 3 dan 4 membentuk string 2. Tegangan sirkuit terbuka string 2 V_OC2 ditambahkan, yaitu:

V_OC2 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Sedangkan arus singkat string 2 I_SC2 sama, yaitu:

I_SC2 = I_SC

Sekarang string 1 dan string 2 disambungkan secara paralel, di mana tegangan tetap sama tetapi arus ditambahkan, yaitu tegangan sirkuit terbuka array modul PV

V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2V_OC

Dan arus singkat array modul PV

I_SCA = I_SC1 + I_SC2 = I_SC + I_SC = 2I_SC

Perhitungan yang sama berlaku untuk tegangan dan arus pada titik daya maksimum.

• Posting Terkait: Parameter Sel Surya dan Karakteristik Panel PV

Perhitungan Jumlah Modul yang Diperlukan dalam Seri – Paralel, dan Daya Totalnya

Di sini untuk perhitungan jumlah modul yang diperlukan dalam seri dan paralel, serta daya, kita telah mengasumsikan bahwa semua modul memiliki parameter yang sama. Perhatikan bahwa;

• N_S = Jumlah modul dalam seri
• N_P = Jumlah modul dalam paralel

Langkah 1: Catat persyaratan arus, tegangan, dan daya array PV

• Daya array PV P_MA
• Tegangan array PV pada titik daya maksimum V_MA
• Arus array PV pada titik daya maksimum I_MA

Langkah 2: Catat parameter modul PV

Parameter modul PV seperti arus dan tegangan pada titik daya maksimum serta parameter lain seperti V_OC, I_SC, dan P_M juga harus dicatat.

Langkah 3: Hitung jumlah modul yang akan disambungkan secara seri dan paralel

Untuk menghitung jumlah modul dalam seri N_s, total tegangan array dibagi dengan tegangan modul individu. Karena modul PV diasumsikan bekerja di bawah STC, rasio tegangan array pada titik daya maksimum V_MA terhadap tegangan modul pada titik daya maksimum V_M digunakan.

Demikian pula, untuk menghitung jumlah modul dalam paralel N_p, total arus array dibagi dengan arus modul individu. Karena modul PV diasumsikan bekerja di bawah STC, rasio arus array pada titik daya maksimum I_MA terhadap arus modul pada titik daya maksimum I_M digunakan.

Perhitungan serupa untuk tegangan sirkuit terbuka dan arus singkat dapat dilakukan. Perhatikan bahwa nilai N_s dan N_P dapat berupa non-integer, jadi kita harus mengambil bilangan bulat berikutnya yang lebih tinggi, sehingga nilai I_MA, I_SCA, V_MA, dan V_OCA juga akan meningkat dari yang diinginkan.

Langkah 4: Menghitung total daya array PV

Total daya array PV adalah jumlah daya maksimum dari modul individu yang disambungkan secara seri dan paralel.

Jika P_M adalah daya maksimum dari satu modul, dan N_S adalah jumlah modul yang disambungkan secara seri dan N_P adalah jumlah modul yang disambungkan secara paralel, maka total daya array PV

P_MA = N_P × N_S × P_M

Kita juga dapat menghitung daya array dengan hasil kali tegangan array PV dan arus pada titik daya maksimum, yaitu:

V_MA × I_MA

• Posting Terkait: Bagaimana Merancang dan Menginstal Sistem PV Surya?

Contoh:

Sekarang mari kita ambil contoh untuk kombinasi campuran. Kita harus menentukan jumlah modul yang diperlukan untuk array PV dengan parameter berikut;

• Daya array P_MA = 40 KW
• Tegangan titik daya maksimum array V_MA = 400 V
• Arus titik daya maksimum array I_MA = 100 A
• Modul untuk desain array memiliki parameter berikut;
• Tegangan titik daya maksimum modul V_M = 70 V
• Arus titik daya maksimum modul I_M = 17 A

Langkah 1: Catat persyaratan arus, tegangan, dan daya array PV

• Daya array PV P_MA = 40 KW
• Tegangan array PV pada titik daya maksimum V_MA = 400 V
• Arus array PV pada titik daya maksimum I_MA = 100 A

Langkah 2: Catat parameter modul PV

Tegangan titik daya maksimum modul V_M = 70 V

Arus titik daya maksimum modul I_M = 17 A

Daya maksimum P_M:

P_M = V_M x I_M

P_M = 70V x 17A

P_M = 1190 W

Langkah 3: Hitung jumlah modul yang akan disambungkan secara seri dan paralel

N_S = V_MA / V_M

N_S = 400 / 70

N_S = 5.71 (Nilai bulat lebih tinggi 6)

Ambil nilai bulat lebih tinggi 6 modul. Karena nilai bulat N_S yang lebih tinggi, nilai V_MA dan V_OCA juga akan meningkat.

V_MA = V_M × N_S

= 70 × 6

V_MA = 420 V

Sekarang,

N_P = I_MA / I_M

N_P = 100 / 17

N_P = 5.88 (Nilai bulat lebih tinggi 6)

Ambil nilai bulat lebih tinggi 6 modul. Karena nilai bulat N_P yang lebih tinggi, nilai I_MA dan I_SCA juga akan meningkat.

I_MA = I_M × N_P

I_MA = 17 × 6

I_MA = 102 A

Langkah 4: Menghitung total daya array PV

P_MA = N_S × N_P × P_M

= 6 × 6 × 1190

P_MA = 42840 W

Jadi, kita memerlukan 36 modul PV. Sebuah string enam modul yang disambungkan secara seri dan enam string seperti itu yang disambungkan secara paralel, dengan total daya 42840 W untuk mendapatkan arus array PV maksimum yang diinginkan sebesar 100 A dan tegangan 400 V.

Perhatikan bahwa karena nilai bulat yang lebih tinggi sebesar 6, arus dan tegangan array PV maksimum masing-masing adalah 102 A dan 420 V.

• Posting Terkait: Dioda Blokir dan Dioda Bypass di Kotak Penyambungan Panel Surya

Kesimpulan

Dalam artikel ini, dilakukan studi mendalam tentang modul dan array fotovoltaik surya. Kebutuhan, struktur, dan desain modul untuk tingkat daya yang lebih tinggi telah dipelajari. Ini juga mencakup prosedur pengukuran parameter dan penjelasan dioda bypass dan dioda blokir untuk keamanan modul.

Kami juga melihat penjelasan tentang array modul PV beserta kebutuhan dan kombinasi sambungannya. Perhitungan dan prosedur untuk desain sambungan seri, paralel, dan campuran dilakukan secara detail bersama dengan studi ketidakcocokan tegangan dan arus pada modul. Studi seperti ini tentang modul dan array fotovoltaik adalah kebutuhan utama untuk desainer sistem PV.

Artikel ini memberikan pemahaman desain yang signifikan tentang komponen penting (modul dan array) dalam sistem PV, yang dapat digunakan untuk membuat desain yang tepat, efisien, dan andal dalam sistem PV.