LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL TUGAS AKHIR DESAIN DAN IMPLEMENTASI MODUL PENGONTROL BATERAI DAN SISTEM PENYIMPANAN ENERGI BERBASIS POMPA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DESIGN AND IMPLEMENTATION OF BATTERY AND ENERGY STORAGE SYSTEM BASED ON PUMP CONTROLLER MODULE FOR SOLAR POWER PLANT Telah disetujui dan disahkan sebagai Proposal Tugas Akhir Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro Universitas Telkom Disusun oleh : Muhammad Rifqi Azmi/1105134161 Bandung, 08 Agustus 2017 Pembimbing I Pembimbing II Dr.Ir. Sony Sumaryo, MT. Cahyantari Ekaputri, S.T.,M.T NIP : 93670085-1 NIP : 14891564-2 DESAIN DAN IMPLEMENTASI MODUL PENGONTROL BATERAI DAN SISTEM PENYIMPANAN ENERGI BERBASIS POMPA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DESIGN AND IMPLEMENTATION OF BATTERY AND ENERGY STORAGE SYSTEM BASED ON PUMP CONTROLLER MODULE FOR SOLAR POWER PLANT PROPOSAL TUGAS AKHIR Disusun sebagai syarat mata kuliah Penyusunan Karya Ilmiah dan Proposal Di Program Studi S1 Teknik Elektro Disusun oleh : Muhammad Rifqi Azmi/1105134161 FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS TELKOM BANDUNG 2017 ABSTRAK SHS (Solar Home System) yang menggunakan baterai sebagai penyimpan energinya membutuhkan sistem penyimpanan energi cadangan yang dapat digunakan untuk menyimpan daya listrik yang dihasilkan oleh PV dengan optimal tanpa harus menggunakan baterai dengan kapasitas yang besar atau dalam jumlah yang banyak. Pada Tugas Akhir kali ini akan dirancang dan diimplementasikan solar home system dengan menggunakan dua metode penyimpanan energi yaitu menggunakan baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa sebagai penyimpan energi cadangan dalam bentuk air. Penyimpanan dalam bentuk energi air dilakukan dengan cara memompa air dari tangki bawah ke tangki atas menggunakan daya berlebih yang dihasilkan oleh PV. Mikrokontroller digunakan untuk mengoptimalkan kinerja dari panel surya (PV) dengan cara mencari titik MPP (Maximum Power Point) dengan menerima input analog dari berbagai sensor dan mengubahnya terlebih dahulu menjadi digital (ADC Convertion), kemudian diproses kedalam algoritma FLC (Fuzzy Logic Controller) dan mengimplementasinya menjadi tegangan output dengan buck converter yang dikontrol dengan PWM (Pulse Width Modulation) yang digunakan untuk switching MOSFET pada rangkaian buck converter, sehingga dapat menghasilkan daya keluaran ke baterai maupun ke pompa air dengan efisiensi yang lebih baik. Kata kunci: PV, Solar Home System off grid, MPP, ADC Convertion, Fuzzy Logic Controller, Buck Converter DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ..................................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................................. iii DAFTAR ISI .......................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. vi DAFTAR TABEL ................................................................................................. vii BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang Masalah.................................................................... 1 1.2. Tujuan dan Manfaat .......................................................................... 3 1.3. Rumusan Masalah ............................................................................. 3 1.4. Batasan Masalah ............................................................................... 3 1.5. Metode Penelitian ............................................................................. 4 1.6. Jadwal Pelaksanaan ........................................................................... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................ 6 2.1. Deskripsi Cara Kerja Konsep Solusi ................................................. 6 2.2. Smart Home ...................................................................................... 8 2.3. Sel Surya (Photovoltaic) ................................................................... 9 2.3.1. Prinsip Kerja Sel Surya (Photovoltaic)..................................................... 9 2.3.2. Persamaan Karakteristik ......................................................................... 11 2.4. Maximum Power Point Tracker ...................................................... 12 2.5. DC Converter .................................................................................. 13 2.5.1. DC Converter Tipe Linier ...................................................................... 13 2.5.2. DC Converter Tipe Switching ................................................................ 13 2.6. Buck Converter ............................................................................... 15 2.7. Pulse Width Modulation ................................................................. 18 2.8. Mikrokontroler ................................................................................ 19 2.9. Baterai (Battery/Accumulator) ........................................................ 19 2.10. Pompa Air ....................................................................................... 20 2.11. Pemilihan Konsep ........................................................................... 21 BAB III PERANCANGAN SISTEM ................................................................... 22 3.1. Desain Sistem.................................................................................. 22 3.1.1. Diagram Blok ......................................................................................... 22 3.1.2. Fungsi dan Fitur ...................................................................................... 23 3.2. Desain Perangkat Keras .................................................................. 24 3.2.1. Spesifikasi Komponen ............................................................................ 25 3.3. Desain Perangkat Lunak ................................................................. 27 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 28 FORM PEMERIKSAAN PROPOSAL TUGAS AKHIR .................................... 30 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Konfigurasi solar home system dengan menggunakan baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa. .......................................................... 2 Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem…………………………………..............…….6 Gambar 2.2 Rumah cerdas menggunakan panel surya dan turbin aingin ............... 9 Gambar 2.3 p-n Junction Pada PV [9] .................................................................. 10 Gambar 2.4 Rangkaian Pengganti Sel Surya ........................................................ 11 Gambar 2.5 Kurva I-V (kiri) dan P-V (kanan) Titik dimana daya maksimum dihasilkan [9]. ....................................................................................................... 12 Gambar 2.6 Rangkaian DC Converter Tipe Switching ......................................... 15 Gambar 2.7 Rangkaian Buck Converter ............................................................... 15 Gambar 2.8 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi On .................................... 16 Gambar 2.9 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi Off ................................... 16 Gambar 2.10 Rangkaian Penyearah Dengan Filter ............................................... 17 Gambar 2.11 Sinyal PWM .................................................................................... 19 Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem........…………………………………………..22 Gambar 3.2 Desain Perangkat Keras Sistem ........................................................ 24 Gambar 3.3 Flowchart Sistem............................................................................... 27 DAFTAR TABEL Table 1.1 Jadwal dan Milestone Tugas Akhir......................................................... 5 Table 2.1 Aplikasi Rumah Cerdas…………...…………………………………….8 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Tingginya angka permintaan energi listrik khususnya pada perumahan saat ini sering kali tidak dapat dipenuhi oleh sistem pembangkit listrik yang ada. Maka dari itu sering terjadinya pemadaman listrik secara berkala pada perumahan tidak dapat dihindari. Hal tersebut salah satunya disebabkan oleh semakin menipisnya ketersediaan bahan bakar fosil yang saat ini dapat diperkirakan akan segera habis [1]. Oleh karena itu, konsep pemanfaatan energi terbarukan seperti matahari, angin, dan air mulai dikembangkan menjadi sistem pembangkit listrik untuk perumahan. Hal ini dilakukan untuk memandirikan dan mencerdaskan sistem catu daya pada perumahan agar tidak terikat pada jaringan PLN (off grid) sehingga mengurangi penggunaan bahan bakar fosil khususnya pada perumahan. Solar home system merupakan pengaplikasian dari pembangkit listrik tenaga surya menggunakan PV (photovoltaic) sebagai energi terbarukan yang biasa dipasang di perumahan. Pada umumnya, sistem ini membutuhkan baterai sebagai penyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh PV [2]. Namun, sistem ini membutuhkan baterai dengan kapasitas yang besar atau dalam jumlah yang banyak jika ingin menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh PV secara optimal. Hal tersebut sangat merugikan mengingat harga baterai yang mahal dan perawatannya yang sulit. Pada Tugas Akhir kali ini akan dirancang dan diimplementasikan solar home system dengan menggunakan dua metode penyimpanan energi yaitu menggunakan baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa sebagai penyimpan energi cadangan dalam bentuk air dengan cara pemompaan. Sehingga, sistem ini dapat menyimpan daya listrik yang dihasilkan oleh PV dengan optimal tanpa harus menggunakan baterai dengan kapasitas yang besar atau dalam jumlah yang banyak. 1 Gambar 1.1 Konfigurasi solar home system dengan menggunakan baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa. Sistem ini membutuhkan modul pengontrol untuk mengatur besarnya tegangan keluaran dari PV agar dapat digunakan untuk mengisi daya pada baterai ataupun untuk menghidupkan pompa air. Modul pengontrol tersebut berupa DC converter yang berfungsi untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang besarannya bervariasi sesuai dengan permintaan beban, sehingga dapat mengatur besarnya tegangan keluaran pada PV agar dapat memaksa PV memperoleh daya maksimum pada berbagai tingkat intensitas cahaya. DC converter ini menggunakan MPPT (Maximum Power Point Tracker) sebagai suatu metode untuk mencari titik maksimum dari kurva karakteristik tegangan dan arus input (V-I) pada aplikasi panel surya. Dengan menganalisa masukan sumber hasil konversi PV dengan memanfaatkan kemampuan kapasitas puncak dari karakteristik panel, diharapkan efisiensi daya keluaran ke baterai dan pompa dapat dilakukan dengan maksimum [3]. Diharapkan, dengan menggunakan dua metode penyimpanan energi pada solar home system ini, ketergantungan akan sumber listrik dari PLN pada 2 perumahan dapat dihindari sehingga dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil. Serta, penyimpanan dan manajemen daya yang dihasilkan oleh PV dapat digunakan dengan sebaik-baiknya sehingga tidak ada daya yang terbuang sia-sia tanpa harus menggunakan baterai dengan kapasitas yang besar atau dalam jumlah yang banyak. 1.2. Tujuan dan Manfaat A. Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah untuk merancang dan mengimplementasikan modul pengontrol baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa pada solar home system. B. Manfaat dari Tugas Akhir ini adalah memudahkan bagi perkembangan elektronika daya khususnya dalam manajemen dan penyimpanan daya pada beban yang membutuhkan sumber listrik yang kontinu. 1.3. Rumusan Masalah Merancang dan mengimplementasikan modul pengontrol baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa pada solar home system. Menghitung daya listrik yang dibutuhkan baterai dan pompa untuk dapat menyimpan energi dari PV. Menganalisis kinerja dari modul pengontrol baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa pada solar home system. 1.4. Batasan Masalah 1. Sistem yang dirancang hanya sebatas prototipe. 2. Solar home system tidak terikat pada jaringan PLN. 3. Sistem hanya berfokus pada bagian penyimpanan energi dari PV saja. 4. Menggunakan DC converter tipe switching berupa buck converter yang menswitch MOSFET pada frekuensi 10,8kHz. 5. Panel surya yang digunakan berbahan Polycrystalline 100 WP. 3 6. Menggunakan tiga buah baterai 12 volt dan pompa air DC 12 volt sebagai penyimpan energinya. 1.5. Metode Penelitian Dalam proses penyelesaian masalah akan dilakukan beberapa metode, antara lain: 1. Perumusan masalah Perumusan masalah untuk menentukan masalah apa saja yang akan dibahas pada penelitian ini. 2. Studi literatur Studi literatur dilakukan untuk mendapatkan data data dan informasi serta dan teori pendukung yang berkaitan dengan penelitian ini dan untuk membandingkan dengan penelitian yang sudah pernah dilakukan sebelumnya. Studi literatur dilakukan dengan memahami teori-teori pendukung penelitian.Teori-teori ini didapatkan dari berbagai sumber referensi buku, internet, maupun jurnal penelitian lainnya. 3. Perancangan hardware Perancangan blok diagram pada komponen – komponen yang akan digunakan serta simulasi yang dilakukan untuk mendapatkan hasil yang terbaik dan nantinya akan diimplementasikan ke dalam perancangan sistem. 4. Uji coba sistem Pengujian dilakukan untuk memastikan bahwa sistem berjalan dengan baik dan untuk mencari kekurangan dari sistem agar dapat disempurnakan lagi. 5. Penyusunan laporan Dokumentasi dari seluruh kegiatan penelitian yang disusun dalam sebuah laporan atau tulisan ilmiah. 4 1.6. Jadwal Pelaksanaan Jadwal pelaksanaan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: Deskripsi Durasi Tahapan 1 Tanggal Milestone Selesai Desain dan 2 minggu 15 Feb 2017 Perancangan Sistem Diagram Blok dan spesifikasi InputOutput 2 Pemilihan 2 minggu 29 Feb 2017 Komponen 3 List komponen yang akan digunakan Implementasi 1,5 bulan 30 April 2017 Prototype 1 selesai 2 minggu 13 Mei 2017 Buku TA selesai Perangkat Keras 4 Penyusunan laporan/buku TA Table 1.1 Jadwal dan Milestone Tugas Akhir 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Deskripsi Cara Kerja Konsep Solusi Berdasarkan rumusan masalah yang telah terpapar diatas, konsep solusi yang ditawarkan adalah sebagai berikut: pada Tugas Akhir kali ini, akan dirancang dan diimplementasikan 2 metode penyimpanan energi yaitu menggunakan baterai dan sistem penyimpanan energi berbasis pompa pada sistem rumah cerdas dengan menggunakan panel surya, sebagai salah satu solusi yang ditawarkan untuk mengurangi ketergantungan akan sumber listrik dari PLN pada perumahan sehingga dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil. Serta, penyimpanan dan manajemen daya yang dihasilkan oleh PV dapat digunakan dengan sebaik-baiknya sehingga tidak ada daya yang terbuang sia-sia tanpa harus menggunakan baterai dengan kapasitas yang besar atau dalam jumlah yang banyak. Alat yang dirancang berupa DC converter yang berfungsi untuk mengatur besarnya tegangan keluaran pada PV agar dapat digunakan untuk mengisi daya pada baterai ataupun untuk menghidupkan pompa air. Berdasarkan cara kerja konsep solusi diatas, blok diagram yang akan diimplementasikan pada Tugas Akhir kali ini adalah sebagai berikut. Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem 6 Dari gambar diatas, input sistem berasal dari tegangan DC panel surya. Kemudian tegangan yang dihasilkan panel surya tersebut masuk ke rangkaian DC converter untuk diatur besar tegangan keluaranannya agar dapat digunakan untuk mengisi daya pada ketiga buah baterai 12 volt. Sistem penyimpanan energi berbasis pompa digunakan untuk menyimpan energi dalam bentuk air dengan memanfaatkan daya berlebih yang dihasilkan oleh PV. Daya berlebih tersebut disebabkan oleh baterai yang sudah dalam kondisi penuh sehingga arus dari DC converter ke baterai akan diputus untuk menghindari over charging. Oleh karena itu, untuk menghindari daya yang yang dihasilkan oleh PV terbuang sia-sia, arus DC converter akan dialirkan ke pompa untuk memompa air dari penampungan air bawah ke penampungan air atas. Air di penampungan atas tersebut nantinya akan digunakan untuk mensuplai listrik bantuan saat beban yang digunakan sedang tinggi dan baterai tidak dapat mensuplai daya yang cukup ke beban dengan cara pemanfaatan energi potensial dari air yang dialirkan dari penampungan air atas yang sebelumnya telah terisi penuh ke penampungan air bawah untuk menggerakan turbin dan menghasilkan suatu energi gerak yang dikonversikan menjadi energi listrik oleh bantuan generator. Air tersebut dapat dialirkan secara bergantian sesuai kebutuhan untuk menghasilkan daya saat tidak adanya cahaya matahari dan beban listrik sedang tinggi atau memompa ke penampungan air tinggi menggunakan panel surya jika adanya cahaya matahari dan beban listrik sedang rendah. Karena sistem ini menggunakan tiga buah baterai 12 Volt dan pompa air DC 12 volt, maka daya minimal yang harus dihasilkan oleh DC converter agar dapat digunakan untuk charging baterai ataupun untuk menghidupkan pompa adalah pada tegangan 13-14 Volt untuk menghidari baterai dan pompa air rusak akibat ketidak stabilan sistem. Namun, pada Tugas Akhir kali ini hanya meneliti tentang penyimpanan energi pada baterai dan pompa tetapi tidak membahas tentang pengaliran air dari penampungan atas ke penampunag bawah untuk menggerakan turbin saat beban membutuhkan daya listrik besar dan baterai tidak bisa mensuplai daya yang cukup ke beban. 7 2.2. Smart Home Smart home atau yang biasa kita sebut rumah cerdas merupakan rumah atau gedung yang dilengkapi dengan teknologi tinggi yang memungkinkan berbagai sistem dan perangkat di rumah dapat berkomunikasi satu sama lain. smart home berisi berbagai sistem dan perangkat, seperti pemanas sentral, alarm kebakaran, televisi dan lampu yang menyampaikan informasi dan perintah antara satu dan lainnya. Smart home system dalam beroperasi dibantu oleh komputer untuk memberikan segala kenyamanan, keselamatan, keamanan dan penghemat energi yang berlangsung secara otomatis dan terprogram melalui komputer pada gedung atau pun rumah tinggal kita [4]. Safety and Security Control and Automatic Measure and Information and Monitoring Communication Power Plants Door access Control Lighting Trouble / Maintenance Alert Audio Visual Solar Home System Switch off / Alarm if danger Air conditional control Environment Data Network service Wind Turbine Temperature measure Tele service / Operation Front door / Window observation Video observation Table 2.1 Aplikasi Rumah Cerdas 8 Gambar 2.2 Rumah cerdas menggunakan panel surya dan turbin aingin Sel Surya (Photovoltaic) 2.3. PV merupakan perangkat semikonduktor yang memiliki karakteristik arus (I) dan tegangan (V) output yang tidak liniear. PV didefinisikan sebagai teknologi yang dapat menghasilkan listrik DC dari suatu bahan semikonduktor ketika dipaparkan cahaya. selama bahan semikonduktor tersebut dipaparkan oleh cahaya maka sel surya akan menghasilkan energi listrik, dan ketika tidak dipaparkan oleh cahaya, sel surya tidak menghasilkan energi listrik [5]. 2.3.1. Prinsip Kerja Sel Surya (Photovoltaic) PV merupakan perangkat yang dapat mengubah langsung cahaya matahari menjadi listrik dc. Ketika cahaya diterima pada permukaan sel PV, arus akan dibangkitkan sebanding dengan tingkat intensitas cahaya yang diterima dan disaat yang sama tegangan DC pun akan muncul. Jika tegangan yang dibangkitkan terlalu besar, maka arusnya akan drop sama seperti karakteristik diode [6]. Didalam sel surya, terdapat bahan semikonduktor yang elektronnya terikat dengan lemah pada suatu pita energi yang disebut pita 9 valensi (VB). elektron pada pita valensi tersebut berfungsi untuk menerima energi solar atau radiasi cahaya matahari yang terdiri dari biasan foton-foton yang memiliki tingkat energi yang berbeda-beda. Perbedaan tingkat energi dari foton cahaya inilah yang akan menentukan panjang gelombang dari spektrum cahaya. ketika foton mengenai permukaan suatu sel PV, maka foton tersebut dapat dibiaskan, diserap, ataupun diteruskan menembus sel PV tergantung dari seberapa besar energi foton tersebut. foton yang terserap oleh PV adalah foton yang masuk dan diterima oleh elektron di pita valensi dalam kondisi yang lebih besar dari batas tresh old (band gap energy), maka ikatan elektron dengan pita valensi yang lemah tersebut akan putus. Eektron-elektron yang terlepas tersebut menjadi elektron bebas yang bermuatan negatif dan selanjutnya akan dikumpulkan oleh suatu selective contact pada pita konduksi (CB). Sementara itu akibat hilangnya elektron pada pita valensi (VB), mengakibatkan kosongnya struktur kristal yang disebut dengan hole dan bermuatan positif [7]. Daerah semikonduktor dengan elektron bebas dan bersifat negatif bertindak sebagai donor elektron. Daerah ini disebut negatif type (n-type). Sedangkan daerah semikonduktor dengan hole, bersifat positif dan bertindak sebagai penerima elektron. Daerah ini disebut dengan positive type (p-type) [8]. Ikatan dari kedua sisi positif dan negatif (p-n junction) tersebut menghasilkan energi listrik internal yang akan mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak ke arah berlawanan. Elektron akan bergerak menjauhi sisi negatif, sedangkan hole bergerak menjauhi sisi positif. Pergerakan inilah yang akan memicu terciptanya sebuah arus listrik [9]. Gambar 2.3 p-n Junction Pada PV [9] 10 2.3.2. Persamaan Karakteristik Persamaan eksponensial untuk memodelkan sel photovoltaic diturunkan dari hukum fisika untuk pn junction dan secara umum diterima sebagai representasi karakteristik sel ditunjukkan oleh persamaan (2.1) [10]. (2.1) Dimana: πΌπΏ adalah arus hubung singkat πΌπ adalah arus reverse saturation dari dioda (A), q adalah muatan elektron (1,602×10-19 C), V adalah tegangan dioda (V), K adalah konstanta Boltzman (1,381×10-23 J/K), T adalah suhu junction dalam Kelvin (K), N adalah faktor idealitas dari dioda, Rs adalah tahanan seri dioda, Rsh adalah tahanan shunt dari dioda Dari persamaan (2.1), dapat digambarkan rangkaian pengganti dari sel photovoltaic, yaitu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4 Rangkaian Pengganti Sel Surya 11 2.4. Maximum Power Point Tracker Tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sel surya memiliki karakteristik yang tidak linear. Hal itu disebabkan karena tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sel surya bergantung pada suhu dan radiasi matahari yang tidak selalu konstan [2]. Gambar 2.5 Kurva I-V (kiri) dan P-V (kanan) Titik dimana daya maksimum dihasilkan [9]. Pada kurva I-V dan kurva V-P adalah titik daya maksimum atau Maximum Power Point (MPP) dimana pada titik tersebut sel surya bekerja pada efisiensi terbesar dan menghasilkan daya output maksimal. Hal ini dapat dilihat dari parameter kualitas keluaran sel surya/parameter Fill Factor yang diberikan oleh persamaan sebagai berikut. FF= πππ πΌππ πππΆ πΌππΆ Dimana VMP dan IMP merupakan titik kerja maksimum/ Maximum Power Point (MPP) dari tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sel surya [11]. Titik kerja maksimum sel surya berubah seiring perubahan radiasi matahari dan suhu sel. Sel surya tidak akan secara otomatis bekerja pada titik kerja maksimumnya, melainkan harus dikendalikan. Maximum Power Point Tracking (MPPT) adalah metode yang digunakan untuk mencari titik kerja maksimum sel surya dan mempertahankan sel surya bekerja di titik tersebut [7]. Rangkaian MPPT dapat mengatur daya keluaran modul photovoltaic agar selalu berada pada titik daya maksimum dengan cara mengatur tegangan dan arus sel surya untuk mendapatkan daya maksimum yang dapat dihasilkan. Penggunaan MPPT meningkatkan efisiensi daya listrik yang dihasilkan sistem PV, karena sistem dikontrol untuk terus menghasilkan daya maksimal. Penggunaan sensor, 12 algoritma kontrol yang tepat, serta kecepatan MPPT dalam menghasilkan daya maksimal merupakan faktor yang mempengaruhi kehandalan MPPT dalam menghasilkan daya maksimal [3]. Pada umumnya digunakan DC-DC converter dalam sebuah sistem MPPT untuk menggeser daya operasi dari panel surya menjadi titik daya maksimalnya. DC Converter 2.5. DC converter adalah suatu alat yang dapat mengubah nilai tegngan DC konstan ke tegangan DC lainnya dengan nilai yang bervariasi sesuai dengan kebutuhan beban. Nilai hasil convert tersebut nilainya dapat ditingkatkan maupun diturunkan. DC converter ini memiliki dua tipe untuk pengolahan dayanya yaitu tipe linier dan switching. 2.5.1. DC Converter Tipe Linier DC Converter tipe linier dapat menurunkan kelebihan tegangan, mengurangi ripple yang dihasilkan dan menghasilkan tegangan output yang konstan dari tegangan input. DC Converter tipe linier ini lebih murah dan lebih sederhana daripada metode switching. DC Converter tipe linier dapat memberikan tegangan dengan noise output yang rendah, dan sangat cocok untuk rangkaian analog noise-sensitif berdaya rendah dan rangkaian frekuensi radio. Tetapi, DC Converter tipe linier sangatlah tidak efisien karena saat drop tegangan besar dan arus tinggi akan mengeluarkan panas yang sebanding arus yang keluar dan penurunan tegangan. Ketidakefisiensian ini membuang energi yang besar dan membutuhkan arus yang besar sehingga membutuhkan komponen yang lebih besar dan mahal. Panas yang terbuang akibat daya yang tinggi adalah masalah yang harus diselesaikan untuk mencegah kenaikan suhu dan faktor efisiensi yang didapatkan [12]. 2.5.2. DC Converter Tipe Switching DC-Converter dapat digunakan sebagai switching-mode regulators untuk mengubah tegangan DC yang tidak terregulasi/teratur, menjadi tegangan 13 keluaran DC yang terregulasi/teratur dengan besar nilai tegangan yang bervariasi dengan menyimpan energi input sementara dan kemudian melepaskan energi ke output pada tegangan yang berbeda. Penyimpanan energi tersebut bisa berada dalam komponen penyimpanan medan magnet (induktor, transformator) atau komponen penyimpan medan listrik (kapasitor). Tegangan terregulasi/teratur itu dapat dicapai dengan mengatur PWN (Pulse Width Modulation). Sinyal PWM dapat diatur menggunakan frekuensi yang konstan dan menggunakan switching device seperti, BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor), atau IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) Frekuensi untuk mengatur sinyal PWM dapat ditentukan dengan menetapkan nilai dari R dan C pada frekuensi osilatornya. Kontrol tegangan keluaran agar sesuai dengan tegangan yang diinginkan adalah dengan cara membandingkan tegangan keluaran dengan set point yang yang telah ditentukan untuk meghasilkan sinyal PWM yang sesuai untuk DC-Converter-nya [13]. Switching-mode regulator mempunyai empat tipe yang dapat digunakan sesuai kebutuhan. Tipe-tipe tersebut adalah: 1. Buck Converter 2. Boost Converter 3. Buck-Boost Converter 4. Cúk Converter 14 Gambar 2.6 Rangkaian DC Converter Tipe Switching 2.6. Buck Converter Buck converter adalah rangkaian DC Converter tipe switching yang menghasilkan nilai tegangan keluaran lebih rendah daripada nilai tegangan masukan. Rangkaian buck converter terdiri atas induktor, diode, kapasitor dan saklar berupa MOSFET. Gambar 2.7 Rangkaian Buck Converter Prinsip kerja dari rangkaian buck converter terbagi atas dua kondisi yaitu kondisi saklar on dan kondisi saklar off. Ketika pada kondisi saklar on seperti pada gambar arus mengalir dari sumber menuju induktor sehingga terjadi proses penyimpanan arus pada induktor. Pada waktu yang sama kapasitor akan menyimpan energi dalam bentuk tegangan, peristiwa ini yang menyebabkan DC 15 chopper tipe buck memiliki nilai tegangan keluaran lebih rendah daripada tegangan sumber. Gambar 2.8 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi On Kondisi kedua adalah ketika kondisi saklar off seperti pada gambar dan tidak ada sumber tegangan maka arus yang disimpan pada induktor dikeluarkan menuju ke beban. Pada proses ini, induktor melakukan pengosongan energi yang tersimpan ke seluruh rangkaian. Jika kondisi saklar off lagi sebelum induktor habis sepenuhnya, tegangan pada beban akan selalu lebih besar dari nol. Gambar 2.9 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi Off Filter dalam rangkaian buck converter digunakan untuk memperkecil tegangan ripple, sehingga dapat diperoleh tegangan keluaran yang lebih rata, baik untuk penyearah gelombang setengah maupun gelombang penuh. Filter diperlukan karena rangkaian – rangkaian elektronik memerlukan sumber tegangan DC yang tetap, baik untuk keperluan sumber daya dan pembiasan yang sesuai operasi rangkaian. Rangkaian filter dapat dibentuk dari kapasitor (C), induktor (L) atau keduanya [14]. 16 Gambaran rangkaian penyearah dengan filter, ditunjukkan pada gambar berikut ini: Gambar 2.10 Rangkaian Penyearah Dengan Filter Persamaan antara masukan dan keluaran pada buck converter dapat dituliskan seperti: ππ ππ =D Dimana : Vo = tegangan keluaran Vs = tegangan masukan D = duty cycle Penentuan nilai induktor dan kapasitor bergantung pada frekuensi switching (Fsw) dan Iripple (ΔI) yang telah ditentukan. Induktor βπ L=Vx βπΌ L = (Vin-Vout ) x π· πΉπ π€ πΌππππππ Dimana : L = induktor Vin = tegangan input Vout = tegangan output 17 Kapasitor output ΔV = ΔI x (ESR + ΔT/C) Cout = (βπΌ π₯ βπ) βπ−(βπΌ π₯ πΈππ ) Dimana : C = kapasitor Vo = tegangan output ΔI = Iripple ΔV = tegangan ripple ESR = Effective Series Resistance Kapasitor input βπ Cinput = πππππππ πΌππππππ 2.7. −πΈππ Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulse dalan suatu perioda untuk mendapatkan tegangan rata – rata yang berbeda. PWM didapatkan dari pulse yang dihasilkan oleh mikrokontroler dimana lebar pulse-nya diatur sesuai dengan kebutuhan pengguna. Lebar dari pulse yang diubah akan menentukan kecepatan dari motor DC dengan kombinasi dengan driver motor. Pada dasarnya sinyal PWM memiliki amplitude dan frekuensi dasar yang tetap. Lebar pulse PWM berbanding lurus dengan amplitude sinyal asli yang belum termodulasi. Oleh Karena itu, sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0% hingga 100%). 18 Gambar 2.11 Sinyal PWM 2.8. Mikrokontroler Mikrokontroler digunakan untuk menerima input analog dari sensor tegangan dan arus yang mendeteksi daya yang dihasilkan oleh PV dan mengubahnya terlebih dahulu menjadi digital (ADC Convertion), kemudian diproses kedalam algoritma FLC (Fuzzy Logic Controller). Hasil dari algoritma FLC tersebut berupa sinyal PWM (Pulse Width Modulation) yang digunakan untuk switching MOSFET pada rangkaian buck converter untuk mengatur besarnya tegangan keluaran pada PV [3]. 2.9. Baterai (Battery/Accumulator) Baterai pada sistem pembangkit tenaga surya berfungsi untuk menyimpan arus listrik yang dihasilkan oleh PV sebelum dimanfaatkan untuk mengoperasikan beban DC ataupun menggunakan inverter jika ingin mengoperasikan beban AC pada sebuah rumah. Baterai adalah salah satu komponen penting pada sistem pembangkit listrik menggunakan PV. Selain berfungsi untuk penyimpan listrik, baterai juga berperan sebagai pensuplai daya ke beban dan sekaligus sebagai penstabil tegangan dan arus listrik pada beban. Baterai jenis lead acid adalah jenis baterai yang sering digunakan sebagai penyimpan energi listrik pada sistem PV. Kapasitas 19 penyimpanan energi listrik pada baterai dapat dilihat dari nilai Ampere hour (AH) yang terdapat pada baterai dimana: Ah= I x t Ah= Ampere hour I= Kuat arus (Ampere) t= Waktu (hour) Hal ini berarti baterai dapat menyuplai daya ke beban secara terys-menerus sebelum tiap sel dari baterai tersebut menyentuh drop voltage-nya. Masing-masing sel dari baterai memiliki tegangang sebesar 2 V, yang mana jika dipakai maka tegangan akan terus-menerus turun dan kapasitas efektif dikatakan sudah terpakai semuanya bila tegangan pada sel baterai sudah menyentuh drop voltage-nya [2]. 2.10. Pompa Air Pompa adalah mesin atau peralatan mekanis yang digunakan untuk menaikkan cairan dari dataran rendah ke dataran tinggi atau untuk mengalirkan cairan dari daerah bertekanan rendah ke daerah yang bertekanan tinggi dan juga sebagai penguat laju aliran pada suatu sistem jaringan perpipaan. Hal ini dicapai dengan membuat suatu tekanan yang rendah pada sisi masuk atau suction dan tekanan yang tinggi pada sisi keluar atau dischargedari pompa. Pompa juga dapat digunakan pada proses-proses yang membutuhkan tekanan hidraulik yang besar. Hal ini bisa dijumpai antara lain pada peralatan-peralatan berat. Dalam operasi, mesin-mesin peralatan berat membutuhkan tekanan discharge yang besar dan tekanan isap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari kedalaman tertentu, Sedangkan akibat tekanan yang tinggi pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik sampai pada ketinggian yang diinginkan [15]. 20 2.11. Pemilihan Konsep Berdasarkan pemaparan cara kerja konsep solusi dan tijauan pustaka diatas, maka konsep yang akan dipilih adalah sebagai berikut. DC converter yang digunakan adalah DC converter tipe switching karena kelebihan DC converter tipe switching dibandingkan dengan menggunakan catu daya linier adalah efisiensi dari DC converter tipe switching yang berkisar antara 65%-85%. Berbeda jauh dengan menggunakan catu daya linier yang hanya memiliki efisiensi sekitar 25%-50%. Efisiensi yang rendah catu daya linier dikarenakan kelebihan tegangan input regulator akan dirubah menjadi panas sehingga sebagian besar daya input akan hilang karena dirubah menjadi panas tersebut. DC converter tipe switching yang akan digunakan adalah DC converter tipe switching tipe buck, karena nilai tegangan keluaran dari sistem ini adalah masing-masing 12 volt untuk tiga buah baterai dan pompa air. Sedangkan tegangan maksimal keluaran dari PV yang akan digunakan yaitu 17 volt. Maka, sistem membutuhkan DC converter tipe buck yang berfungsi untuk menurunkan tegangan. Mikrokontroler yang dibutuhkan untuk sistem ini adalah mikrokontroler yang memiliki banyak port input dan port output karena sistem ini menggunakan berbagai sensor, Dapat memproses PWM, serta mudah dalam pengoperasian dan pemrogramannya. Oleh Karena itu, platform mikrokontroler yang cocok dengan spesifikasi yang disebutkan dan yang akan dipilih sebagai platform mikrokontroler untuk sistem yang dibuat adalah sistem minimum ATMega 8535. Pompa air yang digunakan yaitu pompa air 12 Volt DC karena catu daya yang digunakan berasal dari PV yang menghasilkan tegangan DC. Jadi, sistem tidak perlu lagi untuk mengubah tegangan DC ke AC menggunakan inverter untuk menghidupkan pompa air. 21 BAB III PERANCANGAN SISTEM Desain Sistem 3.1. Sistem yang akan dibuat adalah DC converter tipe switching berupa buck converter untuk mengatur besarnya tegangan yang masuk ke sistem penyimpanan energi berupa 3 buah baterai 12 volt dan pompa air DC 12 volt. Dalam pembuatan sistem ini, maka akan dibuat desain sistem yang dibagi menjadi 3 bagian, yaitu, diagram blok, desain perangkat keras, dan desain perangkat lunak. Sistem yang telah dibuat nantinya akan dilakukan analisis kinerjanya. Berikut adalah pemaparan dari desain sistem yang akan dibuat. 3.1.1. Diagram Blok Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Berdasarkan diagram blok diatas, buck converter menerima tegangan dan arus yang dihaslikan oleh PV. Sensor input yang berupa sensor V dan I membaca arus dan tegangan yang masuk ke rangkaian buck converter dan mengirimkan hasil sensing itu ke mikrokontroler. Dari hasil sensing tersebut, mikrokontroler dapat mengambil keputusan seberapa bersakah sinyal PWM yang harus dihasilkan untuk men-switch driver MOSFET yang ada di rangkaian buck converter sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang tetap. Agar tegangan yang di berikan pada batrai dan pompa DC dapat benilai tetap yatiu sesuai setpoint yang diinginkan, maka keluaran dari buck converter di umpanbalik ke mikrokontroler yang telah di tanam program pengendalian 22 control metode fuzzy logic. Tegangan DC keluaran dari buck converter akan digunakan untuk mengisi daya baterai terlebih dahulu. Setelah sensor V membaca tegangan pada baterai sudah penuh, maka sensor V akan mengirimkan data hasil sensing ke mikrokontroler dan mikrokontroler mengambil tindakan untuk men-switch relay agar aliran dari buck converter ke baterai diputus untuk menhindari over charging. Untuk menghindari daya yang dihasilkan PV terbuang sia-sia, mikrokontroler akan men-switch on relay ke pompa DC untuk memompa air dari penampungan air bawah ke penampungan air atas. Jika sensor V pada baterai membaca tegangan pada baerai sudah dibawah 30%, maka relay akan men-switch off aliran dari buck converter ke pompa dan akan men-switch on aliran dari buck converter ke baterai. 3.1.2. Fungsi dan Fitur Berdasarkan diagram blok diatas, fungsi dan fitur masing-masing blok tersebut adalah sebagai berikut: 1. Panel surya Dalam sistem ini, panel surya digunakan sebagai catu daya utama yang berfungsi untuk mengisi baterai dan menghidupkan pompa DC. 2. Buck Converter Buck converter digunakan untuk mengontrol tegangan dari panel surya ke sistem penyimpanan berupa baterai dan pompa air DC dengan cara penurunan tegangan agar dapat digunakan untuk mengisi daya baterai 12 volt ataupun untuk menghidupan pompa air DC 12 volt. Mikrokontroler 3. Mikrokontroler Mikrokontroler digunakan untuk menerima input analog dari sensor tegangan dan arus yang mendeteksi daya yang dihasilkan oleh PV dan mengubahnya terlebih dahulu menjadi digital (ADC Convertion), kemudian diproses kedalam algoritma FLC (Fuzzy Logic Controller). Hasil dari algoritma FLC tersebut berupa sinyal PWM (Pulse Width 23 Modulation) yang digunakan untuk switching MOSFET pada rangkaian buck converter untuk mengatur besarnya tegangan keluaran pada PV. 4. Baterai Baterai digunakan untuk menyimpan daya hasil keluaran dari panel surya. 5. Pompa air DC Pompa air DC digunakan untuk memompa air dari tangki rendah ke tangki atas dengan pemanfaatan daya berlebih yang dihasilkan oleh panel surya. Daya berlebih tersebut diakibatkan oleh kondisi baterai yang sudah penuh. 3.2. Desain Perangkat Keras Gambar 3.2 Desain Perangkat Keras Sistem 24 3.2.1. Spesifikasi Komponen Berdasarkan perangkat keras yang digunakan, masing-masing komponen memiliki spesifikasi sebagai berikut: 1. Panel Surya Panel surya yang digunakan adalah berbahan polycrystalline silicone dengan daya maksimal yang dibangkitkan 100 Wp. Dalam satu hari, panel surya ini dapat menghasilkan 500 Wh dalam waktu 5 jam efektif. Tegangan maksimum yang dihasilkan 17,8 Volt DC, dan arus maksimum yang dihasilkan adalah 5,62 Ampere. Dimensi dari panel surya yang digunakan adalah 101 cm x 67 cm x 3,5 cm. 2. Buck Converter Buck converter menurunkan tegangan keluaran dari PV yang keluaran tegangan maksimumnya adalah 17,8 Volt. Buck converter di set untuk mengeluarkan tegangan dari PV ke sistem penyimpanan berupa baterai 12 Volt dan pompa air DC 12 Volt yaitu 13,8 Volt. Tegangan yang dikelurkan lebih tinggi dari daya beban sehingga dapat digunakan untuk mengisi daya pada baterai ataupun untuk menghidupkan pompa air DC. Frekuensi switching pada buck converter sebesar 10,8kHz dengan nilai duty cycle sesuai dengan perintah mikrokontroler. 3. Sistem Minimum ATMega 8535 ATMega8535 adalah mikrokontroler CMOS 8 bit daya rendah berbasis arsitektur RISC. Instruksi dikerjakan pada satu siklus clock, ATMega8535 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz, hal ini membuat ATMega8535 dapat bekerja dengan kecepatan tinggi walaupun dengan penggunaan daya rendah [16]. Mikrokontroler ATmega8535 memiliki beberapa fitur atau spesifikasi yang menjadikannya sebuah solusi pengendali yang efektif untuk berbagai keperluan. Fitur-fitur tersebut antara lain: 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yang terdiri atas Port A, B, C dan D 2. ADC (Analog to Digital Converter) 3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan perbandingan 25 4. CPU yang terdiri atas 32 register 5. Watchdog Timer dengan osilator internal 6. SRAM sebesar 512 byte 7. Memori Flash sebesar 8kb dengan kemampuan read while write 8. Unit Interupsi Internal dan External 9. Port antarmuka SPI untuk men-download program ke flash 10. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi 11. Antarmuka komparator analog 12. Port USART untuk komunikasi serial. 4. Baterai Baterai yang digunakan berjumlah tiga buah dengan kapasitas masingmasing baterai adalah 12 volt dengan muatan 12AH serta memiliki berat 7 kg. 5. Pompa air Pompa air yang digunakan adalah pompa air DC 12 volt. 26 3.3. Desain Perangkat Lunak Start Inisialisasi Sensor input membaca tegangan dan arus keluaran dari PV yang masuk ke buck converter dan sensor output membaca tegangan pada baterai Tegangan keluaran NO PWM bertambah lebar buck 13,8 volt? YES PWM bertambah sempit Charging baterai Daya baterai NO = 100 %? YES Charging baterai selesai, arus dari buck ke baterai diputus Menghidupkan pompa air DC End Gambar 3.3 Flowchart Sistem 27 DAFTAR PUSTAKA [1] D. H. Wijaya, "Smart Home," Green Computing, 2014. [2] G. Srisadad, Perancangan Simulasi Sistem Rumah Solar Cerdas Terhubung Jaringan PLN, Depok, 2012. [3] S. S. Indonesia, "solarsuryaindonesia.com," 2016. [Online]. Available: solarsuryaindonesia.com. [Accessed 20 Oktober 2016]. [4] R. R. P. Ihsan and F. Hibatulaziz, "Aplikasi Elektronika Daya pada Pumped Hydro Energy Storage," 12 April 2014. [Online]. Available: https://konversi.wordpress.com/2014/04/12/aplikasi-elektronika-daya-padapumped-hydro-energy-storage/. [Accessed 15 Oktober 2016]. [5] A. F. Babgei, Rancang Bangun Maximum Power Point Tracker (MPPT) Pada Panel Surya Dengan Menggunakan Metode Fuzzy, Surabaya, 2012. [6] D. Setiaji, "http://donnysetiaji.blogspot.co.id/," 12 Agustus 2014. [Online]. Available: http://donnysetiaji.blogspot.co.id/2014/12/apa-itu-smart- home.html. [Accessed 2 November 2016]. [7] "http://www.pv-magazine.com/," 2016. [Online]. Available: http://www.pvmagazine.com/news/details/beitrag/self-consumptionsolutions_100011431/#axzz4P1eyvLFs. [Accessed 1 November 2016]. [8] "siliconsolar.com," 1997. [Online]. Available: http://www.siliconsolar.com/. [Accessed 30 Oktober 2016]. [9] Cakjie, "jiwa-elektro.blogspot.co.id," 2015. [Online]. Available: http://jiwaelektro.blogspot.co.id/2015/05/prinsip-kerja-inverter-grid-tie.html. [Accessed 28 Oktober 2016]. [10] S. Hegedus and A. Luque, Handbook of Photovoltaic Sciene and Engineering, West Sussex: John Wiley & Sons, 2003. 28 [11] M. H. W. Pamungkas, Perancangan dan Implementasi Tenaga Surya Sebagai Catu Daya Pada Skuter Beroda Dua Seimbang Otomatis, Bandung, 2016. [12] B. Tito, Metode MPPT Baru Untuk Sel Surya Berdasarkan Pengendali PI, Depok, 2012. [13] W. Handini, Performa Sel Surya, Depok, 2008. [14] S. Rahman, N. S. Oni and Q. A. Ibn Masud, Design of a Charge Controller Circuit with Maximum Power Point Tracker (MPPT) for Photovoltaic System, Dhaka, 2012. [15] N. S, N. R and A. G, "Matlab Simulink Based Study of Photovoltaic Cells Modules Array and Their Experimental Verification," International Journal of Energy and Environment, vol. 1, pp. 487-500, 2010. [16] G. M. A., Solar Cells Operating Pronciples, Technology and System Application, New Jersey: Prentice-Hall, 1982. [17] S. Hani and S. , "Pembangkit Listrik Energi Matahari Sebagai Penggerak Pompa Air Dengan Menggunakan Solar Cell," Jurnal Teknologi Technoscientia, vol. 7, no. 2, 2015. 29 FORM PEMERIKSAAN PROPOSAL TUGAS AKHIR Kode Penulis : ............................................................................................. 1. 2. 3. 4. Penulisan Judul cukup merepresentasi masalah yang dibahas ? (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang Penyusunan Abstrak sudah sesuai kaidah dan cukup jelas ? Latar belakang permasalahan konsisten dengan masalah yang diangkat? Tujuan dan/atau manfaat cukup jelas dan spesifik? 30 5. 6. 7. 8. 9. 10 11 12 Rumusan dan batasan masalah cukup jelas dan spesifik? (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang (+1)Baik (0)Cukup (-1)Kurang Terdapat jadwal rencana pengerjaan dan/atau milestone-nya ? Dasar teori/referensi berkaitan dengan permasalahan dan tidak berlebihan? Perancangan sistem menyertakan diagram blok sistem dan/atau flowchart? Ada spesifikasi fungsi atau deskripsi kerja detil tiap blok/sub-blok sistem? Referensi lebih dari 5 dan berasal dari sumber yang ilmiah/baku ? Penulisan kutipan, judul gambar, judul tabel dan format lainnya sesuai? Penggunaan bahasa Indonesia yang baik dan benar, dan pengetikan/ejaan ? Kolom komentar/masukan : Bandung,.................2016 (paraf dosen pemeriksa) 31
