Penelitian tentang Optimasi dan Aplikasi Teknologi Maximum Power Point Tracking (MPPT) pada Sistem Pompa Submersible Surya DC

Dengan latar belakang transisi energi global dan krisis iklim yang meningkat, permintaan akan energi surya, sumber energi yang bersih dan terbarukan, telah mengalami lonjakan yang luar biasa. Makalah ini menyelidiki teknologi kontrol inti dari sistem pompa submersible surya DC: Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT). Melalui pemodelan teoritis, eksperimen simulasi, dan pengoptimalan sistem, makalah ini menganalisis mekanisme yang digunakan MPPT untuk meningkatkan efisiensi pembangkitan daya fotovoltaik secara dinamis. Temuan penelitian menunjukkan bahwa teknologi MPPT dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi pembangkitan daya fotovoltaik hingga lebih dari 95%, mencapai penghematan energi sebesar 30% - 50% dibandingkan dengan kontrol Modulasi Lebar Pulsa (PWM) tradisional. Secara bersamaan, teknologi ini mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan sistem. Ketika diintegrasikan dengan desain yang adaptif terhadap iklim, teknologi ini menawarkan solusi yang efisien dan berkelanjutan untuk pasokan sumber daya air di wilayah kering, sehingga menghadirkan nilai aplikasi teknik dan manfaat lingkungan yang signifikan.

 

1. Perkenalan

Perubahan iklim global dan krisis energi telah memicu perkembangan pesat teknologi energi terbarukan. Energi surya, sebagai sumber energi bersih tanpa emisi dan tersebar luas, tidak tergantikan dalam skenario di luar jaringan listrik. Namun, ketidakstabilan dan ketidakstabilan pembangkitan daya fotovoltaik menimbulkan tantangan seperti efisiensi konversi energi yang rendah dan stabilitas yang tidak memadai dalam penerapan praktisnya. Terutama di daerah kering, pompa submersible surya, sebagai teknologi utama untuk menggantikan pompa berbahan bakar tradisional atau pompa yang digerakkan oleh jaringan listrik, sangat perlu memecahkan masalah pencocokan dinamis antara efisiensi pembangkitan daya fotovoltaik dan permintaan beban.

 

Teknologi Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT) bertujuan untuk memaksimalkan efisiensi konversi energi dengan menyesuaikan daya keluaran susunan fotovoltaik secara real-time, memastikannya selalu beroperasi pada titik daya maksimum (MPP). Sebagian besar penelitian yang ada berkonsentrasi pada pengoptimalan algoritma MPPT. Meskipun demikian, masalah seperti mekanisme kontrol kooperatifnya dengan beban motor DC dan keandalan sistem di lingkungan ekstrem masih belum terselesaikan dengan baik. Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

 

1.Membangun model kopling dinamis antara algoritma MPPT dan beban motor DC.

2. Melakukan analisis kuantitatif terhadap keunggulan kinerja teknologi MPPT dalam berbagai kondisi lingkungan.

3.Mengusulkan skema optimalisasi adaptasi iklim untuk meningkatkan ketahanan sistem.

 

2.Pemodelan Sistem dan Analisis Teoritis

2.1 Prinsip Teknis MPPT

Inti dari algoritma MPPT adalah menyesuaikan titik operasi susunan fotovoltaik secara dinamis sehingga dapat selalu menangkap daya maksimum. Makalah ini mengadopsi algoritma hibrida dari Metode Observasi Gangguan yang Disempurnakan (P&O) dan metode konduktansi inkremental (IC), dan model matematikanya adalah sebagai berikut:

Di manaSAYApv​ mewakili arus fotovoltaik, danDi dalampv​ adalah tegangan fotovoltaik. Algoritme tersebut mengganggu tegangan secara berkala, mengamati arah perubahan daya, dan menentukan posisi MPP dengan mengintegrasikan laju perubahan konduktansi. Pendekatan ini mengatasi masalah kesalahan penilaian algoritma P&O tradisional dalam situasi dinamis seperti tutupan awan.

 

2.2 Perancangan Arsitektur Sistem

Sistem ini terdiri dari susunan fotovoltaik,Pengontrol Mppt, rangkaian step-down DC-DC, motor DC, dan pompa air (Gambar 1). Pengontrol MPPT mengatur siklus kerja melalui umpan balik loop tertutup dan menggabungkan algoritma PID untuk mencapai kontrol kecepatan motor yang presisi, yang disesuaikan dengan berbagai persyaratan head. Jalur aliran energi sistem adalah: susunan fotovoltaik → pengontrol MPPT → konverter DC-DC → motor DC → beban pompa air.

3.Eksperimen Simulasi dan Analisis Kinerja

3.1 Konstruksi Model Simulasi

Model simulasi sistem pompa air fotovoltaik dibangun berdasarkan MATLAB/Simulink, dan pengaturan parameternya adalah sebagai berikut:

 

Rangkaian fotovoltaik: Modul silikon monokristalin, daya terukur 500W, tegangan sirkuit terbuka 21V, arus hubung singkat 8A;

Motor Dc: Daya terukur 250W, tegangan terukur 24V, rentang kecepatan 0-1500rpm;

Karakteristik beban: Persamaan nonlinier kurva karakteristik Q - H (aliran - head) pompa sentrifugal.

 

3.2 Perbandingan Kinerja Algoritma

Kondisi stabil: Ketika intensitas cahaya 1000 W/m² dan suhu sekitar 25℃, rentang fluktuasi daya keluaran algoritma MPPT kurang dari 1%, sedangkan efisiensi pengontrol PWM hanya 82%.

Adegan pencahayaan dinamis: Ketika simulasi penyinaran turun tajam dari 1000 W/m² menjadi 500 W/m², sistem MPPT menyelesaikan peralihan titik daya dalam waktu 0,8 detik, dan kehilangan daya berkurang hingga 67% dibandingkan dengan PWM.

Statistik efisiensi: Selama pengujian operasi terus-menerus 24 jam, efisiensi pembangkitan daya rata-rata MPPT mencapai 95,2%, yang 32,7% lebih tinggi daripada PWM tradisional.

 

3.3 Kemampuan Beradaptasi terhadap Lingkungan Ekstrim

Dengan memperkenalkan koefisien kompensasi suhu dan model pengendapan pasir dan debu, di bawah kondisi suhu tinggi (50℃) dan konsentrasi pasir dan debu 1,5 mg/m³, penurunan efisiensi pembangkitan daya sistem dikendalikan dalam 8%, yang secara signifikan lebih baik daripada 22% dari sistem yang tidak dioptimalkan.

 

4.Desain optimasi adaptif iklim

4.1 Peningkatan Respon Dinamis

Untuk mengatasi masalah penundaan algoritma MPPT pada cuaca berawan, diusulkan strategi penyesuaian ukuran langkah adaptif:

 

Mode hari cerah: Ukuran langkah tetap ΔV=0,5V, prioritas kecepatan respons;

Mode multi-cloud: Ukuran langkah dinamis ΔV∈[0.2,1.0]V, akurasi dan stabilitas pelacakan keseimbangan;

Mode berawan: Aktifkan pengontrol logika fuzzy untuk mengoreksi ukuran langkah secara real time berdasarkan laju perubahan iradiasi.

 

4.2 Peningkatan Keandalan

Redundansi perangkat keras: Dengan mengadopsi arsitektur paralel MPPT ganda, sistem masih dapat mempertahankan daya keluaran 80% saat satu modul gagal.

Toleransi kesalahan perangkat lunak: Dilengkapi dengan algoritma deteksi kondisi abnormal, secara otomatis beralih ke mode perlindungan saat motor terkunci atau kelebihan beban.

Prediksi masa pakai: Berdasarkan data kenaikan suhu motor dan keausan bantalan, model prediksi sisa masa pakai (RUL) dibuat, dengan kesalahan kurang dari 5%.

 

5. Tantangan dan Arah Masa Depan

5.1 Kendala Teknis

Kompleksitas algoritma dan biaya perangkat keras: Algoritma hibrid memerlukan dukungan mikrokontroler berkinerja tinggi, dan biaya perangkat keras mencapai 28% dari total biaya sistem.

Stabilitas operasional jangka panjang: Dalam lingkungan dengan kelembapan tinggi, masalah korosi sirkuit menyebabkan peningkatan 12% dalam tingkat kegagalan.

 

5.2 Arah Inovasi

Integrasi komputasi tepi: Menanamkan model AI ringan untuk mencapai kontrol umpan maju dari prediksi pencahayaan dan persyaratan beban;

Penerapan material baru: Pengembangan perangkat semikonduktor dengan celah pita lebar yang tahan suhu tinggi dan anti korosi (seperti SiC MOSFET);

Optimalisasi terkoordinasi fotovoltaik dan penyimpanan energi: Dengan mengintegrasikan baterai penyimpanan energi fleksibel dengan sistem pompa fotovoltaik, sistem manajemen energi tingkat jaringan mikro dibangun.

 

6. Kesimpulan

Teknologi MPPT secara signifikan meningkatkan kinerja komprehensif sistem pompa submersible surya DC dengan mengoptimalkan efisiensi pembangkitan daya fotovoltaik secara dinamis. Eksperimen simulasi menunjukkan bahwa manfaat penghematan energi dan manfaat lingkungannya telah mencapai tujuan yang diharapkan. Penelitian di masa mendatang harus difokuskan pada penyederhanaan algoritma, pengendalian biaya perangkat keras, dan peningkatan kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan ekstrem untuk mendorong penerapan teknologi ini dalam skala besar di wilayah kering.