Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 12 No. 2 Tahun 2024
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862

## PEMODELAN PENINGKATAN EFESIENSI FOTOVOLTAIK NIRKABEL DAYA MENGGUNAKAN RELAY MAGNETIK
Tenuman Zebua 1 , Despaleri Perangin-angin 1 , Muhammad Irwanto 1 , Togar Timoteus Gultom 1 , Winner Parluhutan Nainggolan 1 , Muhammad Iqbal Balatif 1 , Muhamad Azlin Karo-karo 1
1 Prodi Teknik Elektro,  Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Prima Indonesia Jalan Sampul No 3 Medan Telp/Fax: 061-4578870/4578890 E-mail : tenumanzebua12@gmail.com

## ABSTRAK
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis  sistem  Photovoltaic  Wireless  Power  Transfer  (PVWPT) yang menggunakan relay magnetik sebagai bagian dari sistem distribusi energi nirkabel. Metode yang digunakan  melibatkan  pemodelan  matematis  dari  sistem  PVWPT,  termasuk  koil  pemancar  dan penerima dengan mutual inductance, serta penggunaan relay magnetik untuk mengontrol aliran energi.. Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  penggunaan  relay  magnetik  dalam  sistem  PVWPT  dapat meningkatkan efisiensi dan keamanan transfer energi nirkabel, sambil memberikan kontrol yang lebih baik atas aliran energi dalam berbagai situasi operasional. Penggunaan relay  magnetik dalam sistem PVWPT merupakan pendekatan yang menjanjikan untuk mentransfer energi nirkabel secara efisien dan andal,  dengan  potensi  untuk  diterapkan  dalam  berbagai  aplikasi  di  bidang  energi  terbarukan  dan teknologi nirkabel. PVWPT dengan magnetik relay cenderung memiliki efisiensi transfer energi yang lebih  tinggi  daripada  PVWPT  tanpa  magnetik  relay.  Penggunaan  relay  magnetik  memungkinkan pengendalian  yang  lebih  presisi  atas  aliran  energi,  mengurangi  kerugian  energi  selama  transfer. Memberikan kontrol yang lebih baik dan perlindungan yang lebih terkoordinasi terhadap aliran energi. Relay  magnetik  memungkinkan  pengendalian  otomatis  dan  respons  cepat  terhadap  situasi  darurat, seperti arus berlebih atau tegangan yang tidak stabil.
Kata Kunci: Koil-Pengirim, Koil- Penerima, Magnetik Relay, Modul PV

## ABSTRACT
The study aims to analyze a Photovoltaic Wireless Power Transfer (PVWPT) system that uses magnetic relays  as  part  of  a  wireless  energy  distribution  system.  The  method  used  involved  mathematical modeling of PVWPT systems, including transmitter coils and receivers with mutual inductance, as well as  the  use  of  magnetic  relays  to  control  the  flow  of  energy.  Research  results  show  that  the  use  of magnetic relays in PVWPT systems can improve the efficiency and security of wireless energy transfer, while providing better control over the energy flow in a variety of operational situations. The use of magnetic relays in PVWPT systems is a promising approach to wireless energy transfer efficiently and reliably, with the potential to be applied in a variety of applications in the field of renewable energy and wireless technology. The use of magnetic relays allows for more precise control over energy flows, reducing  energy  losses  during  transfers.  Provides  better  control  and  more  coordinated  protection against the flow of energy. Magnetic relays enable automatic control and rapid response to emergency situations, such as excess current or unstable voltage.
Keywords: Coil-Transmitter, Coil-Receiver, Magnetic Relay, PV Module
Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 12 No. 2 Tahun 2024
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862

## PENDAHULUAN

## Latar Belakang `
Energi matahari merupakan sumber energi terbarukan  yang  dapat  kita  tangkap  dari matahari  berkat  radiasi  elektromagnetik  yang dipancarkannya.  Ini  adalah  produk  dari  reaksi atom konstan yang terjadi di dalamnya, di mana sejumlah besar atom bergabung untuk membentuk  reaksi  nuklir  raksasa  yang menghasilkan panas dan energi.
Energi  matahari  sangat  besar  sehingga energi  yang  diterima  dalam  satu  jam  setara dengan  konsumsi  energi  dunia  dalam  satu tahun. Ini adalah alasan mengapa pengembangan teknologi surya  sangat penting dan akan membawa manfaat global yang besar di  masa  depan,  membantu mengurangi  polusi, mengurangi  perubahan  iklim,  meningkatkan keberlanjutan, dan mengurangi ketergantungan pada energi terbarukan.
Kondisi  geografis  Indonesia  yang  terdiri atas  pulau-pulau  yang  kecil  dan  banyak  yang terpencil  menyebabkan  sulit  untuk  dijangkau oleh  jaringan  listrik  yang  bersifat  terpusat. Untuk  memenuhi  kebutuhan  energi  di  daerah- daerah  semacam  ini,  salah  satu  jenis  energi yang  potensial  untuk  dikembangkan  adalah energi  surya  menggunakan  energi  surya fotovoltaik.  Sistem  Energi  Surya  Fotovoltaik (SESF)  atau  secara  umum  dikenal  sebagai Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  Fotovoltaik (PLTS  Fotovoltaik)  Selain  dapat  digunakan untuk  program  listrik  perdesaan,  peluang pemanfaatan  energi  surya  lainnnya  misalnya, lampu penerangan jalan dan lingkungan, listrik untuk  rumah  peribadatan.  sangat  ideal  untuk dipasang di tempat-tempat ini karena kebutuhannya  relatif  kecil  (K.  Zhang et  al., 2019). Penelitian  ini  bertujuan  untuk menganalisis sistem Photovoltaic Wireless
Power Transfer (PVWPT) yang menggunakan  relay  magnetik  sebagai bagian dari sistem distribusi energi nirkabel

## METODE PENELITIAN

## Bahan dan Alat
1. Memodelkan PV Modul
Modul  PV  bertindak  sebagai  sumber utama  energi  dalam  sistem.  Ini  mengubah energi  matahari  menjadi  energi  listrik  melalui
efek  fotovoltaik,  yang  kemudian  dapat ditransfer  secara  nirkabel  ke  koil  penerima. Modul  PV  terintegrasi  dengan  relay  magnetik untuk mengatur aliran energi secara efisien. Ini memungkinkan kontrol yang tepat atas transfer daya  nirkabel,  memastikan  efisiensi  yang optimal dalam proses tersebut. Modul PV dapat menyesuaikan  output  daya  sesuai  dengan variasi  dalam  intensitas  cahaya  matahari.  Ini memungkinkan  sistem  untuk  tetap  efisien dalam  berbagai  kondisi  pencahayaan,  seperti saat  cuaca  berubah  atau  selama  periode  hari yang berbeda .
Tabel 1. Spesifikasi Modul PV
Parameter Nilai Number cell per module 60 Maximum power (watt) 255, 285 Open circuit voltage (volt) 38,1 Short circuit current (ampere) 8, 83 Temperature coefficient of open circuit voltage (%/°C) -0.31 Temperature coefficient of short circuit current (%/°C) 0.05

## Gambar 1 Modul PV
Hasil dari Tabel 1  akan disajikan dalam bentuk kurva arus, tegangan, dan daya beserta persentase  kesalahan  dimana  radiasi  matahari 1000  W/m2.  dan  suhu  25°C. berdasarkan gambar  di  atatas  dibuat  sebuah  modul  PV
Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 12 No. 2 Tahun 2024
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862
sederhana beserta set blok converter di matlab simulink  data  pada  tabel  di  atas  diisi  pada modul blok PV.
2.  Memodelkan  driver  pulsa  dan  inverter setengah jembatan.
Dalam  sistem  transfer  daya  fotovoltaik nirkabel menggunakan relay magnetik, inverter memainkan  peran  penting  dalam  mengubah energi listrik searah (DC) yang dihasilkan oleh modul  PV  menjadi  energi  listrik  bolak-balik (AC)  yang  dapat  ditransfer  melalui  relay magnetik. Inverter berperan dalam mengoptimalkan efisiensi konversi  energi dari DC  ke  AC  (Butar-Butar et  al. ,  2020).  Ini termasuk  mengurangi  kerugian  daya  selama proses konversi untuk memaksimalkan jumlah energi  yang  tersedia  untuk  transfer  melalui relay  magnetik.  Inverter  memonitor  tegangan dan  frekuensi  output  AC  untuk  memastikan konsistensi dan keandalan energi yang disuplai ke  koil  penerima.  Ini  termasuk  menjaga tegangan  output  dalam  batas  yang  aman  dan mempertahankan  frekuensi  yang  stabil  sesuai dengan standar jaringan listrik.
Pulse  driver  dalam  konteks  sistem transfer daya fotovoltaik nirkabel menggunakan magnetik relay adalah komponen  yang  bertanggung  jawab  untuk mengontrol  impuls  atau  pulsa  energi  listrik yang ditransfer dari transmitter coil ke receiver coil (Alam et al ., 2020). Peran utama dari pulse driver  adalah  untuk  menghasilkan  impuls energi listrik dengan interval waktu yang tepat dan  kekuatan  yang  sesuai  untuk  memastikan transfer daya yang efisien dan stabil antara dua coil seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2. Selain  itu  pulse  driver  juga  dapat  berperan dalam  perlindungan  sistem  dari  kondisi  yang tidak diinginkan, seperti lonjakan tegangan atau arus yang dapat merusak komponen sistem. Ini dapat  dilakukan  dengan  memantau  kondisi operasional dan mengatur respons sistem yang sesuai dan berperan dalam perlindungan sistem dari  kondisi  yang  tidak diinginkan,  seperti lonjakan  tegangan  atau  arus  yang  dapat merusak komponen sistem. Ini dapat dilakukan dengan  memantau  kondisi  operasional  dan mengatur respons sistem yang sesuai.
Gambar  2.  Gambar Pulse Driver dan Gambar 2. Inverter
3.  Koil pengirim,  Koil penerima,  dan Magnetic Relay
Dalam  sistem  transfer  daya  fotovoltaik nirkabel  menggunakan  relay  magnetik,  koil pemancar dan penerima memiliki peran penting dalam mentransfer energi secara induktif antara sumber  daya  (modul  PV)  dan  perangkat penerima (Kraiem et al. , 2022). Koil pemancar adalah  bagian  dari  sistem  yang  terhubung dengan  modul  PV  dan  bertanggung  jawab untuk  menghasilkan  medan  magnet  yang diperlukan untuk transfer daya nirkabel. Ketika arus  listrik  mengalir  melalui  koil  pemancar menciptakan  medan  magnet  yang  mengalami perubahan  di  sekitar  koil  tersebut.  Perubahan medan  magnet  ini  menginduksi  arus  listrik dalam koil penerima yang berdekatan, menginduksi  arus  listrik  dalam  koil  penerima Induksi  arus  listrik  dalam  koil  penerima  yang disebabkan oleh mutual inductance menghasilkan  transfer  energi  nirkabel  antara koil pemancar dan penerima. Arus listrik yang dihasilkan  dalam  koil  penerima  kemudian digunakan  untuk  menghasilkan  energi  listrik yang dapat digunakan oleh perangkat elektronik atau untuk mengisi baterai.
Setelah  memodelkan  koil  pengirim  dan penerima langkah selanjut nya dalah membuat model  magnetik  relay  dimana  relay  magnetik berfungsi  sebagai  kontrol  aliran  energi, sinkronisasi  dan  penjadwalan,  perlindungan,
Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 12 No. 2 Tahun 2024
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862
sistem  pemutusan  darurat  dan,  pemeliharaan efisiensi  dan  magnetik  relay  terletak  di antara koil  pemancar  dan  koil  penerima.  Koil pengirim,  magnetik  relay,  dan  koil penerima dihubungkan  sejajar  dengan  kapasitor  dimana nilai  induktansi  dari  parameter  ini  di  peroleh dari persamaan berikut
(1) 𝑓 = 1 2𝜋 √ 1 𝐿 𝑐 .𝐶
Untuk membuat model koil pengirim dan penerima  di  perlukan  juga  nilai  induktansi kumparan (𝐿 𝑐 ) (1),  tahanan  kumparan (𝑅 𝑐 ) (5), induktansi bersama (𝑀) (6),  dalam proses ini kumparan solenoida digunakan juga dengan ukuran  diameter (𝑑 𝑐 2 ) ,  jumlah  belitan (𝑁 𝑐 2 ) , dan  panjang (𝑙 𝑐 ) (4)  serta  luas  penampang kawat (𝐴 𝑤 ) (3). Irwanto et al., 2023).
(2) 𝑑 𝑐 2 𝑁 𝑐 2 − 40 𝑑𝑤 𝐿 𝑐 𝑁 𝑐 −   18𝑑 𝑐 𝐿 𝑐 = 0
(3) 𝐴 𝑤 = 1 4 𝜋𝑑 𝑤 2
(4) 𝑙𝑐 =  𝜋𝑑 𝑤 𝑁 𝑐 (5) 𝑅 𝑐 =  𝜌 𝑙 𝑐 𝐴 𝑤 (6) 𝑀 𝑠𝑟 = 𝜋𝜇 0 𝑁 2 𝑟 𝑠 2 𝑟 𝑠 2 × 10 −4 √(𝑑 𝑠𝑟 2 +   𝑟 𝑟 2 ) 3
Gambar  3.  Koil  Pengirim, Relay Magnetik dan Koil Penerima
Pada  Gambar  3,  koil  penerima  dan  koil pengirim  memiliki  jarak  jarak  antara  koil pengirim  dan  penerima  disebut  sebagai induktansi  bersama.  Induktansi bersama,  juga dikenal  sebagai  mutual inductance  dalam bahasa Inggris, merujuk pada fenomena ketika dua  atau  lebih  kumparan  induktif  saling mempengaruhi dan menghasilkan fluks magnetik  yang  saling  terkait.  Induktansi
bersama terjadi ketika perubahan arus pada satu kumparan  menghasilkan  fluks  magnetik  yang melintasi  kumparan  lainnya,  dan  fluks  ini kemudian menginduksi tegangan pada kumparan  tersebut  Induktansi  bersama  diukur dalam  satuan  henry  (H)  dan  merupakan parameter  penting  dalam  kumparan  yang terhubung dalam suatu rangkaian induktif.
4.    Pemodelan    keseluruhan  pvwpt  dengan Magnetik Relay
Gambar 4.   Model Keseluruhan PVWPT
Dengan Magnetik Relay
Ini  adalah  gambar  model  keseluruhan sistem  transfer  daya  fotovoltaik  nirkabel dengan  menggunakan  magnetik  relay  yang dibangun  secara  keseluruhan  yang  dibangun oleh  modul  fotovoltaik,  pulse  generator, inverter,  koil  pengirim,  koil  penerima,  dan magnetik  relay  (Singh, et  al .,  2020).  Selanjut nya  kita  akan  mengamati  dan  menganalisis performa sistem pvwpt dengan relay magnetik ataupun  tidak  menggunakan  relay  magnetik pada  jarak  1  meter.  Hasil  dari  performa  nya akan dalam bentuk grafik sinusoidal   (tegangan AC)  yang  di  peroleh  dari  konversi  dari tegangan  DC  yang  dihasilkan  oleh  modul fotovoltaik. (Khan et al., 2019)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Performa  modul  photovoltaic  dianalisa menggunakan  radiasi  matahari  sebesar  1000 W/m2 dan suhu sebesar 25°C, hasil dari kinerja sistem disajikan dalam bentuk kurva arus,tegangan, dan daya. Berdasarkan modul pv tersebut  memiliki  tegangan  rangkaian  terbuka sebersar 38,1 V selanjutnya tegangan itu akan masuk ke inverter untuk di ubah dari tegangan dc ke tegangan ac lalu mensuplay tegangan ac
Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 12 No. 2 Tahun 2024
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862
ke  koil  pengirim.  Disimulasikan  pada  suhu 25°C dan radiasi sebesar 1000 W/m2 pada jarak 1 meter

## Peforma Modul PV
Gambar 5 Kurva I-V dan P-V pada Modul PV
Gambar 5 adalah gambar kurva performa modul PV dimana Pada tingkat radiasi matahari 1000  W/m2  dan  suhu  25°C,  modul  PV menghasilkan  arus  sebesar  8,38  A  ketika tegangan  yang  diberikan  adalah  38,1  V.  Nilai arus dan tegangan yang dihasilkan oleh modul fotovoltaik  akan  berubah  jika  beroperasi  pada kondisi radiasi matahari yang lebih tinggi atau lebih  rendah  dari  1000  W/m2,  atau  jika beroperasi  pada  suhu  yang  berbeda  dari  25°C (Islam et al., 2019 ) . Sebagai contoh, arus dan daya  yang  dihasilkan  oleh  modul  fotovoltaik dapat  meningkat  dengan  intensitas  cahaya matahari  yang  lebih  tinggi,  dan  sebaliknya. mulai dengan nilai arus nol ketika tegangan nol, meningkat secara eksponensial dengan peningkatan  tegangan  hingga  mencapai  titik puncak arus maksimum (Imax) sebesar 255,3 w dan  tegangan  30,5  V.  Setelah  mencapai  titik MPP, arus menurun seiring dengan peningkatan tegangan.

## Peforma Koil Pengirim Dan Penerima
Gambar
rangkaian PVWPT menunjukkan  bahwa  tegangan  keluaran  DC sebesar  233,6  V  diubah  menjadi  gelombang AC.  Ini  terjadi  karena  kapasitor  60µF  dan induktor  100  µH  terhubung  secara  seri  di tengah koil penerima dan kemudian terhubung
ke  koil  pengirim.  Kabel  tembaga  yang digunakan di kedua koil ini memiliki diameter 1,25  mm,  resistivitas  1,68  x  10-8  Ωm,  dan diameter  kabel  49  cm,  menurut  persamaan  3 sampai 5 hambatan kumparan nya adalah 2,08. Pada  PVWPT  dengan  magnetic  relay  dengan radiasi1000 W/m2 dan suhu 25°C dan jarak 1 meter  pada  koil  pengirim  mengirim  tegangan sebesar  345,8  V  dan  menerima  arus  sebesar 8,781  A  pada  koil  penerima  menerima  arus sebesar  358,6  V  dan  menerima  arus  sebesar 11,94 A ( J. Zhang et al ., 2019).

## Gambar 6. Output Modul PV

## Gambar 7. Grafik Tegangan AC dengan Magnetik Relay
Pada  PVWPT  tanpa  magnetic  relay dengan radiasi1000 W/m2 dan suhu 25°C dan jarak  1  meter  pada  koil  pengirim  mengirim tegangan  sebesar  489,5  V  dan  mengirim  arus sebesar 8,301 A pada koil penerima menerima tegangan  sebesar  508,1  V  dan  menerima  arus sebesar 11,22 A. (Zhang et al., 2020)
Jurnal Al Ulum LPPM Universitas Al Washliyah Medan Vol. 12 No. 2 Tahun 2024
P-ISSN 2338-5391 | E-ISSN 2655-9862

## Gambar 8.Tegangan AC Tanpa Magnetik Relay

## KESIMPULAN
PVWPT dengan magnetik relay cenderung  memiliki  efisiensi  transfer  energi yang  lebih  tinggi  daripada  PVWPT  tanpa magnetik  relay.  Penggunaan  relay  magnetik memungkinkan pengendalian yang lebih presisi atas aliran energi, mengurangi kerugian energi selama  transfer.  Memberikan  kontrol  yang lebih  baik  dan  perlindungan  yang  lebih terkoordinasi  terhadap  aliran  energi.  Relay magnetik memungkinkan pengendalian otomatis  dan  respons  cepat  terhadap  situasi darurat,  seperti  arus  berlebih  atau  tegangan yang tidak stabil.

## DAFTAR PUSTAKA
Butar-butar    A.  H.,  Leong  J.  H.,  Irwanto  M.
2020.  Effect  of  DC  Voltage  Source  on the  Voltage  and  Current  of  Transmitter and  Receiver  Coil  of  2.5  kHz  Wireless Power  Transfer .  Bulletin  of  Electrical Engineering and Informatics . 9(2): 484- 491. Doi: 10.11591/eei.v9i2.2060.
Alam  H.,    Irwanto    M.,  Mashor    Y.  M.  and Masri M. 2020. Design of Multiple Pulse Width Modulation (MPWM) Transformerless  Photovoltaic  Inverter (TPVI)  System. Journal  of  Physics: Conference  Series .  1432:  012056.  Doi: 10.1088/1742-6596/1432/1/012056.
Zhang J. et al. 2019. Optimization of Magnetic Relay  for  Wireless  Power  Transfer  in Photovoltaic  Systems  Using  Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Magnetics , vol. 55, no. 3, pp. 1-8, Mar. 2019, doi: 10.1109/TMAG.2019.2894444. Zhang J. et al. 2020. "Optimization of Magnetic Relay  for  Wireless  Power  Transfer  in Photovoltaic  Systems  Using  Particle Swarm Optimization," IEEE Transactions on Magnetics , vol. 56, no. 3, pp. 1-8, Mar. 2020, doi: 10.1109/TMAG.2020.2974444. Khan,  M.  A., et  al . 2019.  Magnetic  Relay- Based  Wireless  Power  Transfer  for Photovoltaic  Systems  with  Energy Harvesting. Journal of Power Electronics 19.3 (2019): 651-658. Zhang K. et al . 2019. Design and Implementation  of  a  Magnetic  Relay- Based  Wireless  Power  Transfer  System for  Photovoltaic  Systems  Using  Fuzzy Logic  Control. IEEE  Transactions  on
Industrial Informatics , vol. 15, no. 4, pp.
1441-1448, Apr. 2019,
doi:
10.1109/TII.2019.2894445.
Irwanto  M.,  Nugraha  Y.  T.,    Hussin  N.,  and Nisja I.  Effect of Temperature and Solar Irradiance on the Performance of 50 Hz Photovoltaic  Wireless  Power  Transfer System. J. Teknol. , vol. 85, no. 2, pp. 53– 67, 2023, doi: 10.11113/jurnalteknologi.v85.18872.
Kraiem  S.,  Hamouda  M.,  and  Slama  J.  B.  H.
2022.  Conducted  EMI  Mitigation  in
Transformerless  PV  Inverters  Based  on
Intrinsic MOSFET Parameters. Microelectronics Reliability. 114: 113876. Doi:
doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113876
Singh,  S.  K., et  al . 2020.  Design  and Implementation  of  a  Magnetic  Relay- Based  Wireless  Power  Transfer  System for  Photovoltaic  Applications. Journal of Renewable and Sustainable
Energy 12.2 (2020): 025501.
Islam, S. M. A. S. et al., 2019. Magnetic Relay- Based  Wireless  Power  Transfer  for Photovoltaic  Systems:  A  Review  of Recent  Advances. Journal  of  Power Electronics , vol. 19, no. 3, pp. 641-653, Mar. 2019, doi: 10.6119/JPE.2019.19.3.641.