memaksimalkan konversi energi pv module berdasarkan kurva

Perpustakaan Unika
MEMAKSIMALKAN KONVERSI ENERGI PV MODULE
BERDASARKAN KURVA KARAKTERISTIK PADA
LERENG TEGANGAN
LAPORAN TUGAS AKHIR
OLEH :
FRANCISCO BOBBY HERMAWAN
06.50.0002
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA
SEMARANG
2011
Perpustakaan Unika
PENGESAHAN
Laporan tugas akhir dengan judul : “Memaksimalkan Konversi Energi PV Module
Berdasarkan Kurva Karakteristik Pada Lereng Tegangan ” diajukan untuk
memenuhi sebagian dari persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana Teknik
Elektro pada Program Studi Teknik Elektro di Fakultas Teknologi Industri
Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
Laporan Tugas Akhir ini disetujui pada tanggal
2011
dan
siap
untuk diajukan ke ujian Tugas Akhir.
Semarang,…………………..2011
Menyetujui,
Pembimbing
(Leonardus Heru.P, ST, MT)
058.1.2000.234
Mengetahui,
Dekan Fakultas Teknologi Industri
Koordinator TA
(Dr. Florentinus Budi Setiawan, MT)
(Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT)
058.1.1994.150
058.1.1992.110
ii
Perpustakaan Unika
ABSTRAK
Panel surya (solar cell) adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah
energi cahaya menjadi energi listrik. Sel surya atau sel PV bergantung pada efek
photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir
antara dua lapisan bermuatan yang berlawanan. PV mempunyai dua karakteristik
yaitu P-V dan I-V karakteristik. Dalam tugas akhir ini teknik untuk mendapatkan
daya maksimal menggunakan karakteristik tegangan dari solar cell (Maximum
power point) untuk mendapatkan effesiensi maksimum pada solar cell. Hysteresis
kontrol juga di terapkan untuk sistem kendali pada MPPT dengan menggunakan
buck converter, guna mendapatkan respon yang cepat. Dari hasil ujicoba skala
laboratorium sistem memiliki efektivitas dengan nilai rata-rata mencapai 86.8%.
iii
Perpustakaan Unika
KATA PENGANTAR
Pertama-tama penulis panjatkan puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang
Maha Esa karena berkat dan rahmat kasih-Nya yang selalu menyertai penulis,
sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis mendapat banyak sekali dari
bantuan dari berbagai pihak. Melalui kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan
terima kasih kepada :
1. Kepada RAMP-IPB yang telah mendanai program tugas akhir ini.
2. Kepada Dr. Ir. Faiz Syuaib, MAgr yang telah banyak memberikan
masukan dan saran sewaktu mengikuti pre-mentoring RAMP-IPB.
3. Kepada Ir. Susilo Sarwono selaku Dosen pembimbing dan narasumber
sewaktu mengikuti pre-mentoring RAMP-IPB.
4. Kepada Dr. Ir. Desrial, MEng selaku Dosen pembimbing sewaktu
mengikuti pre-mentoring RAMP-IPB.
5. Bapak Leonardus Heru.P, ST, MT. selaku Dosen pembimbing dalam
penyusunan Tugas Akhir.
6. Kepada Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT yang telah bersedia membantu
dalam peminjaman solar cell.
7. Mas E. Agung Nugroho, ST yang telah membantu penulis dalam proses
pengerjaan Tugas Akhir.
8. Keluarga yang selalu memberikan dukungan dan doa kepada penulis.
iv
Perpustakaan Unika
9. Teman – Teman Fakultas Teknologi Industri angkatan 2006 yang telah
menjalani masa perkuliahan bersama – sama.
Demikian ucapan terima kasih yang dapat saya ungkapkan. Dengan
berhasilnya disusun laporan ini, tetapi hasil laporan ini masih jauh dari sempurna.
Oleh karena itu laporan ini tidak jauh dari kesalahan dan saya meminta maaf yang
sebesar-besarnya atas ketidaksempurnaan itu. Untuk itu penulis mengharapkan
saran dan kritik yang dapat membangun dan semakin menyempurnakan karya ini.
Akhir kata, semoga karya ini dapat berguna dan membantu bagi siapa saja
yang membacanya.
Semarang,…………………2011
Penulis
v
Perpustakaan Unika
DAFTAR ISI
Halaman judul ............................................................................................
i
Halaman pengesahan ..................................................................................
ii
Abstrak .......................................................................................................
iii
Kata Pengantar ...........................................................................................
iv
Daftar Isi.....................................................................................................
vi
Daftar Gambar ............................................................................................
viii
Daftar Tabel ...............................................................................................
xi
BAB I
PENDAHULUAN ......................................................................
1
1.1
Latar Belakang ...................................................................
1
1.2
Perumusan Masalah ...........................................................
3
1.3
Tujuan ...............................................................................
3
1.4
Manfaat.................................................................................
3
1.5
Pembatasan Masalah.............................................................
4
1.6
Metode Penelitian...............................................................
4
1.7
Sistematika Penulisan ........................................................
5
DASAR TEORI .......................................................................
7
BAB II
2.1
2.2
Solar Cell............................................................................
8
2.1.1
Semikonduktor Tipe-P Dan Tipe-N .......................
9
2.1.2
Sambungan P-N .....................................................
10
Topologi Konverter DC-DC ..............................................
14
2.2.1
Prisip Dasar Pengubah Daya DC-DC (Tipe Peralihan)14
vi
Perpustakaan Unika
2.3.1 Buck Converter .................................................................
16
2.3.1.1 Continuous Mode..................................................
17
2.3.1.2 Discontinuous Mode..............................................
21
2.3.1.3 Discontinuous To Continuous Mode....................
24
2.3.1.4 Output Voltage Riple....................... ....................
26
Modulasi Delta ...................................................................
28
2.4.1
Konsep Modulasi.................................................. .
30
BAB III IMPLEMENTASI SISTEM .....................................................
32
2.4
3.1
Blok Diagram .....................................................................
32
3.2
Cara Kerja Tiap Blok .........................................................
33
3.2.1
Modul Sistem Panel Surya .....................................
33
3.2.2
Modul Buck DC-DC converter ..............................
34
3.2.3
Modul Sensor tegangan ..........................................
35
3.2.4
Modul Filter ..........................................................
37
3.2.5
Modul Kontroller ..................................................
39
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA .................................................
41
4.1
Pengujian dan Analisa Simulasi .........................................
41
4.2
Pengujian dan Analisa Hardware .......................................
42
BAB V PENUTUP ................................................................................
45
5.1
Kesimpulan .......................................................................
48
5.2
Saran ...................................................................................
49
DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................
50
vii
Perpustakaan Unika
DAFTAR GAMBAR
9
Gambar 2.1
Penampang dua dimensi dari kristal silikon.
Gambar 2.2
Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan)…..……............. 10
Gambar 2.3
Diagram pita energi semikonduktor tipe-p (kiri) dan
tipe-n (kanan).................................................................................10
Gambar 2.4
Diagram energi sambungan p-n dan munculnya
daerah deplesi …….……..............................................................11
Gambar 2.5
Kurva I-V sel surya pada keadaan gelap dan
diberikan cahaya.…………….......................................................11
Gambar 2.6
Rangkaian persamaan sel surya …………..................................12
Gambar 2.7
Karakteristik P-V untuk level radiasi yang berbeda.
Tiap titik mewakili MPP dari masing-masing kurva .................. 13
Gambar 2.8
Karakteristik I-V pada temperatur permukaan sel surya
yang berbeda.…….........................................................................14
Gambar 2.9
Pengubah tipe peralihan.……...................................................... 15
Gambar 2.10 Tegangan keluaran.…….............................................................. 15
Gambar 2.11 Buck converter circuit diagram.……........................................... 17
Gambar 2.12 Grafik tegangan dan arus dengan waktu dalam operasi buck
konverter ideal di continuous mode...............................................17
Gambar 2.13 Mode On.……............................................................................. 18
Gambar 2.14 Mode Off.……............................................................................. 18
viii
Perpustakaan Unika
Gambar 2.15 Grafik tegangan dan arus dengan waktu dalam operasi buck
konverter ideal di discontinuous mode...........................................21
Gambar 2.16 Perubahan tegangan output dinormalisasi dengan arus keluaran
dinormalisasi..................................................................................24
Gambar 2.17 Rangkaian PWM penghasil pulsa MLP.........................................28
Gambar 2.18 Modulasi Lebar Pulsa.....................................................................29
Gambar 2.19 Modulasi Delta...............................................................................30
Gambar 2.20 Hysteresis.......................................................................................31
Gambar 3.1
Kendali daya maksimal dengan konsep tegangan.........................32
Gambar 3.2
Karakteristik P-V untuk level radiasi yang berbeda. Tiap titik
mewakili MPP dari masing-masing kurva....................................34
Gambar 3.3
Buck Converter..............................................................................34
Gambar 3.4
Sensor tegangan.............................................................................36
Gambar 3.5
Respon HPF...................................................................................37
Gambar 3.6
HPF................................................................................................37
Gambar 3.7
Rangkaian HPF..............................................................................38
Gambar 3.8
Skema switching pada kontrol.......................................................39
Gambar 3.9
Switching saklar mosfet.................................................................40
Gambar 3.10 Skema rangkaian hysteresis...........................................................40
Gambar 4.1
Simulasi daya maksimal dengan konsep kendali tegangan..........41
Gambar 4.2
Hasil simulasi daya maksimal dengan konsep kendali
tegangan.........................................................................................41
Gambar 4.3
Rangkaian driver dari sistem MPPT (kiri, di dalam
ix
Perpustakaan Unika
garis kuning) dan rangkaian kontrol dari sistem MPPT
(kanan, di dalam garis kuning)......................................................42
Gambar 4.4
Sinyal output dengan tegangan input 20V....................................43
Gambar 4.5
Sinyal output dengan tegangan input 10V....................................43
Gambar 4.6
Sinyal switching mosfet (gate)......................................................44
Gambar 4.7
Ilustrasi pengukuran tegangan.......................................................45
Gambar 4.8
Ilustrasi pengukuran arus...............................................................45
Gambar 4.9
Pengujian tanpa buck converter.....................................................47
x
Perpustakaan Unika
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Aturan daya maksimal dengan tegangan terkendali……….........40
Tabel 4.1
Pengujian pada cuaca cerah (tanggal 19/07/2011)........................46
Tabel 4.2
Pengujian pada cuaca cerah (tanggal 19/07/20011)......................47
xi