Rancang Bangun Sistem Pengaturan Lampu Taman Menggunakan

Rancang Bangun Sistem Pengaturan Lampu Taman
Menggunakan Tenaga Surya Melalui Kontroler Logika Fuzzy
Vera Oxto Tri Arndiyati1, Ir. Moh Zaenal Efendi, MT2, Ir. Sutedjo, MT3
Jurusan Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya
Kampus PENS-ITS, Keputih, Sukolilo, Surabaya.
Telp (+62) 031-59447280 .Fax (+62) 031-5946114
Email: [email protected]
ABSTRAK
Lampu taman yang ada di Indonesia masih menggunakan tegangan AC yang berasal dari PLN. Dilain pihak
energi matahari sangat berlimpah dan kurang dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Makalah ini mengajukan
pemakaian sumber energi matahari sebagai energi alternatif untuk penerangan lampu taman menggunakan lampu LED
bertegangan DC. Selain itu penggunaan tegangan sumber dari PLN dapat digunakan sebagai cadangan. Dari solar
cell energi listrik disimpan dalam accu dengan cara melakukan pengisian terhadap accu, dimana tegangan keluaran
dari solar cell diatur dalam buck converter dengan menggunakan kontroler fuzzy agar didapatkan tegangan keluaran
yang konstan untuk proses pengisian accu. Dari desain buck konverter yang telah dibuat dengan tegangan input 16-22
volt, arus 2 A didapat hasil experiment yang menunjukkan bahwa meskipun tegangan input berubah-ubah namun
tegangan output tetap konstan 13.5 Volt.
Kata Kunci : Accu, Fuzzy, Lampu LED, Buck konverter
ABSTRACT
Lightning garden in Indonesia is still using the AC voltage from PLN. On the other hand solar energy is
abundant and underutilized as a source of electrical energy. This paper proposed the use of solar energy as alternative
energy for lighting using LED garden lights, DC voltage. In addition, the use of voltage source of PLN can be used as a
backup. From solar photovoltaic electric energy stored in batteries by performing charge of batteries, where the
voltage output of solar cells arranged in a buck converter using fuzzy logic controller in order to have a constant output
voltage for charging the batteries. Buck converter design has been created with input voltage 16-22 volts, current 2 A
obtained experiment results show that although the input voltage changes but the output voltage remains constant 13.3
volts.
Keywords : LED, Accu, Fuzzy, Buck converter
1.
surya[4], sebagai negara tropis Indonesia mempunyai
potensi energi surya yang cukup besar.
Pemanfaatan tenaga surya ini tentunya akan
lebih efektif jika dalam pengaplikasiannya disertai
dengan sitem kontrol yang efektif pula. Salah satu
kontrol yang efektif dan sudah mulai banyak
diterapkan baik dalam dunia industri maupun dalam
penelitian adalah logika fuzzy[3]. Logika fuzzy[3]
adalah suatu cara yang tepat untuk memetakan suatu
ruang input ke dalam ruang output. Meskipun ada
beberapa cara namun logika fuzzy [3]mampu
memberikan solusi yang paling baik serta konsep
logika fuzzy [3] yang mudah dimengerti. Logika
fuzzy[3] memberikan solusi praktis dan ekonomis
untuk mengendalikan sistem yang kompleks dan tidak
terbatas.
PENDAHULUAN
Pertumbuhan penduduk yang terus meningkat
mengakibatkan kebutuhan energipun terus bertambah.
Hal ini bertolak belakang dengan ketersediaan energi
fosil yang selama ini menjadi bahan bakar utama yang
semakin menipis, energi fosil ini sendiri adalah energi
yang tidak dapat diperbaharui karena membutukan
waktu yang sangat lama dalam pembentukkannya[1].
Untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus
meningkat, pemerintah terus mengembangkan
berbagai energi alternatif, di antaranya energi
terbarukan. Potensi energi terbarukan, seperti
biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, dan
energi angin sampai saat ini belum banyak
dimanfaatkan, padahal potensi energi terbarukan di
Indonesia sangat besar[2]. Terkait dengan energi
1
Dalam proyek akhir ini, energi matahari
dimanfaatkan sebagai energi alternatif pada lampu
taman. Energi matahari akan diubah menjadi energi
listrik menggunakan sel surya[4] untuk selanjutnya
disimpan dalam battery atau accu. Logika fuzzy[3]
digunakan dalam converter [5] [6]yang berfungsi
mengatur tegangan keluaran dari sel surya selalu
konstan sebelum selanjutnya disimpan dalam accu.
Tujuan dari proyek akhir ini adalah
mengimplementasikan fuzzy logic controller[3] pada
buck converter[5] [6] dalam sistem sel surya yang
digunakan sebagai tenaga alternatif untuk lampu
taman.
Manfaat dari proyek akhir ini adalah
pemanfaatan energi matahari sebagai energi alternatif
yang digunakan untuk lampu taman.
mencapai level tegangan yang ditentukan/accu tidak
terisi penuh, maka mikrokontroler akan bekerja untuk
mengaktifkan kontak relay sehingga accu akan diisi
2. METODE PENELITIAN
3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Blok diagram secara keseluruhan dari sistem
ditunjukkan pada Gambar 1. Energi cahaya matahari
yang diterima permukaan panel surya diubah menjadi
aliran listrik dc oleh elektron dari photovoltaic.
Tegangan keluaran dari sel surya akan diturunkan oleh
rangkaian buck converter sebelum masuk ke accu 12
Volt.
Dalam penelitian ini dirancang sebuah buck
converter dan fuzzy logic controller dengan
pembahasan seperti di bawah ini:
Gambar 2. Rangkaian buck converter
3.1. Buck Converter
Untuk memverifikasi performansi konverter
buck yang diajukan, didesain sebuah konverter dengan
parameter sebagai berikut :
Tegangan input solar cell 50 Wp (DC) : 16 – 20 V
Frekuensi switching
: 40 kHz
Tegangan output
: 14.4 V
Arus beban
: 2 A (max)
Ripple arus
: 20% (400 mA)
Ripple tegangan
: 4% (0,576 Volt)
Inductor
: 292µH
Capasitor filter output
: 1000µF
Saklar Q
: E Mosfet chanel N, IRFP460
(500 V 18,4 A)
Dioda D1 dan D2 : MUR3040PT (Ultrafast rectifiers
30 A 200–600 V) dan FR307 (3.A fast recovery
diode)
Gambar 1. Blok diagram system
Dari nilai-nilai komponen di atas, buck
converter dapat disimulasikan dengan menggunakan
Matrix Laboratory (MATLAB) sebelum diberi
kontrol fuzzy seperti terlihat pada Gambar 3 dan
Gambar 4 di bawah ini.
Dari blog diagram Gambar 1, konfigurasi rangkaian
buck konverter yang diusulkan terlihat pada Gambar
2. Buck converter berfungsi sebagai penurun
tegangan. Dalam penelitian ini digunakan software
Matrix Laboratory (MATLAB) untuk mensimulasikan
fuzzy logic controller sebagai pengatur tegangan
keluaran dari buck converter setelah sel surya.
pada sistem tersebut solar cell dihubungkan
ke buck konverter yang berfungsi mengatur tegangan
keluaran buck konverter agar konstan yang nantinya
akan digunakan untuk mengisi accu dan sesuai dengan
tegangan yang diperlukan untuk mengisi accu 12 Volt
yaitu 14.4 Volt. Tegangan keluaran dari buck ini
diatur dengan metode logika fuzzy melalui
mikrokontroler. Selanjutnya accu langsung digunakan
untuk mensuplai beban DC. Jika pada accu tidak
Gambar 3. Tegangan output buckconverter saat
sebelum kontrol
2
Gambar 5. Bentuk tegangan output buck konverter
setelah menggunakan kontrol fuzzy.
Gambar 4. Arus output buck
converter saat sebelum kontrol
Sedangkan pengujian hardware dan kontrol
buck konverter secara lengkap dilakukan dua tahapan
yaitu pengujian performance buck konverter dan
pengujian kontrol fuzzy. Parameter utama yang
diamati adalah tegangan output buck konverter
berdasarkan tegangan input yang bervariasi. Tabel 2
menunjukkan karakteristik buck konverter dan Tabel 3
menunjukkan performance kontrol yang telah dibuat.
(6)
Tabel 2. Karakteristik buck konverter (7)
3.2. Kontrol Logika Fuzzy
Kontrol logika fuzzy yang dipakai dalam
sistem ini adalah tipe mamdani. Fungsi keanggotaan
yang direncanakan untuk input Err dan ∆Err
(kesalahan dan perubahan kesalahan) yang masingmasing terdiri dari tiga membership function, di mana:
Err(n) = SP(n) – PV(n)
∆Err(n) = Err(n) – Err(n-1)
Sedangkan fungsi keanggotaan output fuzzy terdiri
dari 3 membership function. Membership function
input dan output dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah
ini:
D_cycle
(%)
Tabel 1. Membership fuction input dan output fuzzy
Derr
Error
NE
ZE
PE
NER
PBE
PSE
NSE
ZER
PME
ZE
PME
PER
PSE
NSE
NBE
P
ada penelitian ini, input dari logika fuzzy yang
digunakan adalah input tegangan yang terdiri dari
input error dan delta error. Metode yang digunakan
pada logika fuzzy ini adalah menggunakan metode
Mamdani. Pengujian performance desain konverter
dilakukan dengan menggunakan software Matrix
Laboratory (MATLAB) yang digunakan untuk
mensimulasikan fuzzy logic controller sebagai
pengatur tegangan keluaran dari buck converter
setelah sel surya. Parameter utama yang diamati
adalah Tegangan output buck konverter. Gambar 5
bentuk tegangan output buck konverter dengan
tegangan output solar cell yang berubah-ubah.
Dari hasil simulasi kontrol logika fuzzy dapat
digunakan untuk mengatur tegangan output buck
converter.
3
Vout_p(in=20)
(Volt)
Vout_t(Volt)
%error
0
0
0
0%
5
1.33
1
33%
10
2.24
2
12%
15
3.01
3
0.33%
20
3.79
4
5.25%
25
4.76
5
4.8%
30
5.65
6
5.83%
35
6.65
7
5%
40
7.63
8
4.63%
45
8.65
9
3.89%
50
9.64
10
3.6%
55
10.60
11
3.6%
60
11.59
12
3.72%
65
12.62
13
2.92%
70
13.59
14
2.92%
75
14.60
15
2.67%
80
15.67
16
2.06%
85
16.74
17
1.52%
90
17.93
18
0.38%
95
100
18.87
19.6
19
20
0.68%
2%
Tabel 3. Pengujian kontrol fuzzy yang digunakan
untuk peangaturan tegangan keluaran buck konverter.
4.
KESIMPULAN
1.
Vin
(Volt)
tegangan output
beban 7,2
ohm
beban
13,6 ohm
beban
28ohm
beban aki
12 V,10Ah
15
14,04
14,38
14,28
13,8
16
14,68
14,7
14,67
14,51
17
14,64
14,69
14,72
14,76
18
14,68
14,64
14,66
14,35
19
14,63
14,71
14,65
14,78
20
14,65
14,72
14,17
14,85
21
14,67
14,72
14,55
14,53
22
14,63
14,66
14,65
14,64
2.
3.
Gambar 6 menunjukkan dutty cycle saat Vin
20 Volt(a) utput dari mikro (b) Output dari tottempole
(c) Output tottempole yang sudah disambungkan k
mosfet
Sel surya dengan daya 50 Watt Peak dapat
digunakan selama 5 jam untuk mengisi accu
10 Ah dengan arus pengisian sebesar 2 A dan
pada malam hari aki bisa digunakan untuk
menyalakan lampu taman selama 11 jam,
maka sistem ini dapat menghemat
penggunaan listrik PLN selama 11 jam.
Setting point tegangan yang digunakan
selama proses pengisian aki yaitu 13,5 dan
mendapatkan arus sekitar 2 Ampere untuk
proses pengisian aki. Jika digunakan setting
14,4 ,maka arus charging bisa mencapai 3
Ampere.
Saat mengisi aki dilakukan pemutusan
pengisian setiap 5 menit untuk mengukur
tegangan aki saat ini. Jika aki belum terisi
penuh maka pengisian akan dilanjutkan,
namun jika aki sudah terisi penuh maka
pengisian akan berhenti dengan cara
mengaktifkan relay.
DAFTAR PUSTAKA
(a)
[1]
[1] Malvino.1992. Prinsip-prinsip Elektronika,
Erlangga.
[2]
Lutfiyah.2005. Sinyal Generator Ecg Standart
Berbasis Mikro, PENS-ITS, Surabaya.
[3] Timothy J. Ross. 1995. Fuzzy Logic with
Engineering Aplication, University of New
Mexico.
(b)
[4]
Mukund R. Patel. 1999. Wind and Solar Power
System, CRC Press, US Merchant Academi
Kings Point, New York.
[5] Dr. Zainal Salam. 2003. Power Electronic and
drives (chapter 3- 2003), UTM,TB.
[6]
Rashid, Muhammad H. 1993 Power Electronic
Circuit, Devices, and Apllications, Second
Edition, Prentice-Hall International, Inc.
[7]
Datasheet of ATmega16 8-bit Microcontroller
with 16K Bytes In-System Programmable Flash
diakses tanggal : 30/06/2011 19:06 dari
alldatasheet.
http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/78532/ATMEL/ATMEGA16.html
[8]
Datasheet IRFP460 N-CHANNEL 500V 0.22W - 18.4A TO-247 PowerMesh™II
MOSFET
diakses tanggal : 07/04/2011 07:35 dari
alldatasheet.
http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/17799/PHILIPS/IRF540.html
(c)
Gambar 6. Dutty cycle saat Vin 20 Volt(a)
utput dari mikro (b) Output dari tottempole (c) Output
tottempole yang sudah disambungkan k mosfet
dari hasil pengujian diketahui bahwa sebelum
digunakan kontrol tegangan output dari buck
konverter akan naik seiring dengan naiknya tegangan
input. Namun setelah kontrol fuzzy diberikan
meskipun tegangan output solar cell/ tegangan input
buck berubah-ubah namun tegangan output dari buck
converter tetap konstan ±14.4 V. Jika tegangan output
konstan maka arus ouput buck konverter juga akan
konstan sekitar 2 A. Arus tersebut cukup digunakan
untuk mengisi accu selam 5 jam, karena accu yang
digunakan 10Ah.
4
5
6