ABSTRAK
RANCANG BANGUN PROTOTIPE EMULATOR SEL SURYA MENGGUNAKAN BUCK CONVERTER BERBASIS ARDUINO
Oleh
Nanang Hadi Sodikin
Upaya untuk memperbaiki sistem sel surya dalam hal keandalan dan efisisensi terus dilakukan. Dalam prosesnya, penelitian membutuhkan kontinyuitas yang tidak terhalang kondisi lingkungan seperti irradiance, suhu ataupun faktor lain. Sehingga diperlukan suatu perangkat untuk menggantikan sel surya yang tidak terpengaruh oleh faktor-faktor tersebut, namun tetap memiliki keluaran dan karakteristik yang sama. Perangkat yang ditawarkan pada tugas akhir ini adalah emulator sel surya yang berbasiskan buck converter.
Emulator sel surya merupakan rangkaian konverter yang terkontrol sehingga memiliki keluaran arus, tegangan dan daya yang sama dengan karakteristik dari modul sel surya sebenarnya. Nilai arus dan tegangan dihasilkan dari pengontrolan arus dari buck converter. Arus referensi yang digunakan adalah arus yang dihasilkan dari pemodelan sel surya menggunakan persamaan matematik sel surya pada mikrokontroler Arduino.
Penelitian ini menggunakan modul Shell SP75 sebagai modul referensi. Pada pengujian kondisi standar (25 ºC dan 1000 W/m2), hasil perbandingan pada titik daya maksimum antara hasil simulasi dan perangkat keras emulator sel surya dengan modul referensi memiliki rata-rata kesalahan yang sangat kecil, yaitu pada perangkat keras sebesar 0.707% untuk nilai daya, 3.636% untuk nilai arus dan 2.353% untuk nilai tegangan, sedangkan pada simulasi sebesar 0.344% untuk nilai daya, 0.136% untuk nilai arus dan 0.224% untuk nilai tegangan. Karakteristik yang diperoleh dari simulasi dan pengujian perangkat keras emulator sel surya saat diberikan nilai irradiance dan suhu sel yang bervariasi adalah penurunan
irradiance menyebabkan arus hubung singkat, tegangan hubung terbuka serta daya maksimum yang dihasilkan menurun, sedangkan peningkatan nilai suhu sel akan menurunkan besar tegangan hubung terbuka dan daya maksimum, namun arus hubung singkat akan bertambah walaupun tidak signifikan.
ABSTRACT
PROTOTYPE SOLAR CELLS EMULATOR DESIGN USING BUCK CONVERTER BASED ARDUINO
By
Nanang Hadi Sodikin
Attempting improve the solar cell system in terms of reliability and efficiency is being continued. The research requires a continuity that is not obstructed by environmental conditions such irradiance and temperature or the other factors. The research needs a device to replace the solar cells which is not affected by these factors, but still has the same output and characteristics. The device which is purposed in this thesis is solar cell emulator based on buck converter.
Solar cells emulator is a controlled converter circuit so it has current, voltage and power output which are the same as the characteristics of the real solar cell module. Current and voltage values are obtained from controlling current of buck converter. Reference current which is used, is the current is generated by modeling solar cells using mathematical equations solar cells on the Arduino microcontroller.
This thesis use Shell SP75 module as a reference module. In standard testing conditions (25 °C and 1000 W/m2), the result of comparison at maximum power point of simulation and solar cell emulator hardware with a reference module has a small average error, in the hardware testing that are 0.707% for power value, 3.636% for current value and 2.353% for voltage value, while the simulation testing are 0.344% for power value, 0.136% for current value and 0.224% for voltage value. The characteristics obtained from the simulation and testing hardware solar cells emulators at various irradiance and cell temperature values, that was decreased in irradiance values that leaded short circuit current, open circuit voltage and maximum power which was generated was decreased, while the increased in the cell temperature value that leaded decreased open circuit voltage and maximum power, but the short circuit current does not increased significantly.
RANCANG BANGUN PROTOTIPE EMULATOR SEL SURYA
MENGGUNAKAN
BUCK CONVERTER
BERBASIS ARDUINO
Oleh
Nanang Hadi Sodikin
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Srimenanti, Lampung Timur pada tanggal 10 November 1992, sebagai anak kesembilan dari sepuluh bersaudara dari pasangan Bapak Imam Bajuri dan Ibu Siti Mudawamah. Pendidikan formal Penulis dimulai di Pendidikan Taman Kanak-Kanak (TK) Aisyah Srimenanti diselesaikan pada tahun 1998, Sekolah Dasar (SD) diselesaikan di SD Muhammadiyah Srimenanti pada tahun 2004, Sekolah Menengah Pertama (SMP) di SMP N 1 Bandar Sribhawono, Lampung Timur pada tahun 2007, dan Sekolah Menengah Akhir (SMA) di SMA N 1 Bandar Sribhawono, Lampung Timur pada tahun 2010.
Sistem Energi Elektrik (SEE) sebagai fokus dalam perkuliahan dan penelitian. Pada 31 September 2013 sampai dengan tanggal 1 November 2013 Penulis melaksanakan kerja praktik di PT. Bukit Asam (Persero), Tbk Unit Pelabuhan Tarahan, Bandar Lampung. Pada saat kerja praktik penulis membuat laporan tentang Sistem Pengaturan Tegangan Start Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Softstarter Sirius 3RW44-2BC44 yang Diterapkan pada Conveyor
422 PT. Bukit Asam (Persero), Tbk Unit Pelabuhan Tarahan.
MOTO
“Urip Iku Urup”
(Hidup itu Nyala, Bermanfaat untuk orang lain sekecil apapun manfaat yang dapat diberikan.)
“
Kawula Mung Saderma, Mobah-Mosik Kersaning Hyang Sukmo
”
(Lakukan yang kita bisa, setelahnya serahkan kepada Tuhan)
“Manungsa Mung Ngunduh Wohing Pakarti”
(Kehidupan kita baik dan buruk adalah akibat dari perbuatan kita sendiri)
Ketika Mengalami Kegagalan, Mulailah Bermimpi, Mimpikanlah
Mimpi Baru Dan Berusahalah Untuk Merubah Mimpi Itu Menjadi
Kenyataan
(Soichiro Honda)
Jika Tak Pernah Memutuskan Berhenti, Maka Tak Akan Pernah
Terkalahkan
PERSEMBAHAN
Dengan Kerendahan Hati Yang Tulus
Kupersembahkansebuah Karya Ini Untuk :
Bapak dan Ibu TERCINTA;
Imam Bajuri dan Siti Mudawamah
SANWACANA
Bismillahirahmanirrahim…
Puji syukur Penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, karena atas rahmat dan hidayah-Nya Penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Semoga selaku muslim kita dapat mengikuti serta meneladani pola kehidupan Nabi Muhammad SAW dan para sahabatnya sampai akhir jaman kelak.
Skripsi dengan judul “Rancang Bangun Prototipe Emulator Sel Surya Menggunakan Buck Converter Berbasis Arduino” merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung. Penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang bersifat membangun bila terdapat kekurangan dalam skripsi ini.
Selama perkuliahan dan penelitian, Penulis banyak mendapatkan pengalaman yang sangat berharga. Penulis juga telah mendapat bantuan baik moril, materil, bimbingan, petunjuk serta saran dari berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Untuk itu pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima kasih kepada:
2. Bapak Agus Trisanto, Ph.D. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung;
3. Ibu Herlinawati, S.T, M.T. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung;
4. Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T. selaku Pembimbing Utama atas kesediaannya meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, ilmu yang bermanfaat, dukungan moral, saran dan kritik dalam proses penyelesaian skripsi ini;
5. Ibu Dr. Eng. Endah Komalasari, S.T., M.T. selaku Pembimbing Kedua atas kesediaannya untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik yang sangat membangun dalam proses penyelesaian skripsi ini;
6. Bapak Ir. Abdul Haris, M.T. selaku Penguji Utama sekaligus Pembimbing Akademik , yang telah memberikan koreksi, kritik, dan saran untuk kemajuan dalam penyelesaian skripsi ini;
7. Seluruh Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung atas pengajaran dan bimbingannya yang diberikan selama ini kepada Penulis;
8. Mbak Ning dan Mas Daryono atas semua bantuannya menyelesaikan urusan administrasi di Teknik Elektro Universitas Lampung selama ini;
9. Kedua orang tua Penulis, Bapak Imam Bajuri dan Ibu Siti Mudawamah tercinta yang tidak pernah berhenti memberikan doa, dukungan, dan kasih sayang tiada batas dan akhir;
dukungan moril-materil kepada Penulis. Adik dan Keponakan Penulis, Sidik, Weni, Buwang, Ferdi, Via, Risa, Adit, Tasya, Niken, Shafa, Chalista, Azam, dan Bian yang selalu Penulis sayangi dan karena kecerian kelucuan mereka menjadi bekal semangat yang luar biasa untuk terus bergerak maju. Seluruh keluarga besar Penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas segala kasih sayang, perhatian, dan dukungan selama Penulis menyelesaikan kuliah; 11.Alin Adilah, seseorang yang selalu dan setia memberikan semangat, dorongan,
cinta, kasih sayang, serta doa dalam segala hal;
12.Teman - teman 2010, Maulana, Melzy, Nuril, Haki, Sofyan, Radi, Derry, Aji, Afrizal, Devy, Kiki, Muth, Bagus, Joe, Hendra, Ir, Alen, Anwar, Andri, Yudi, Saipul, Jerry, Seto, Pendi, Hary, Jepri, Jaya, Agung dan lainnya yang tidak bisa Penulis tuliskan satu persatu namanya atas dukungan, cerita dan kebersamaan dalam susah maupun senang. Kekeluargaan kita tidak akan terputus sampai kapanpun;
13.Rekan-rekan asisten Laboratorium Konversi Energi Elektrik, Habib, Richad, Apriwan, Rejani, Deni, Frian, Aji P, Guntur, Yayan, Darma dan lainnya yang tidak bisa Penulis tuliskan satu persatu namanya atas segala bantuan, dukungan dan semangatnya, serta seluruh penghuni Laboratorium Terpadu Teknik Elektro Universitas Lampung atas kebersamaan dalam melaksanakan tugas, belajar dan mengerjakan tugas;
14.Keluarga besar Teknik Elekto yang luar biasa;
16.Keluarga besar Tohir yang telah memberikan tumpangan selama Penulis menyelesaikan skripsi;
17.Semua pihak yang telah membantu serta mendukung penulis dari awal kuliah hingga terselesaikannya skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu;
Semoga kebersamaan ini membawa kebaikan, keberkahan, kemurahan hati, serta bantuan dan do’a yang telah diberikan seluruh pihak akan mendapatkan balasan yang setimpal dari Allah SWT dan semoga kita menjadi manusia yang berguna dan berkembang. Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak terlepas dari kesalahan dan jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu masukan serta saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan demi perbaikan dimasa yang akan datang. Akhirnya, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Aamiin.
Bandar Lampung, 31 Maret 2015 Penulis,
xv
xvi
3.4 Pemodelan dan Simulasi Emulator Sel Surya ... 38
3.4.1Pemodelan Sel Surya ... 40
3.4.2Pemodelan Buck Converter ... 43
3.4.3Pemodelan Kendali Proporsional Integral (PI) ... 44
3.4.4Pemodelan Pulse Width Modulation (PWM) Generator ... 45
3.4.5Pengujian Model Subsistem Emulator Sel Surya ... 45
3.4.6Pengujian Model Emulator Sel Surya Keseluruhan ... 47
3.5 Perancangan Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 50
3.5.1Perancangan Program ... 52
3.5.2Perancangan Rangkaian Catu Daya ... 52
3.5.3Perancangan Rangkaian Gate Driver ... 53
3.5.4Perancangan Rangkaian BuckConverter ... 54
3.5.5Perancangan Sensor Tegangan dan Arus ... 55
3.5.6Perancangan Antarmuka Masukan dan Keluaran ... 57
3.5.7Perancangan Perangkat Keras Emulator Sel Surya Keseluruhan ... 57
xvii
IV.HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Pengujian Simulasi Emulator Sel Surya ... 61
4.1.1Hasil Pengujian Model Sel Surya ... 61
4.1.2Hasil Pengujian Buck Converter ... 67
4.1.3Hasil Pengujian Model Emulator Sel Surya Keseluruhan ... 68
4.2 Hasil Pengujian Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 69
4.2.1Hasil Pengujian Catu daya ... 70
4.2.2Hasil Pengujian Gate Driver ... 71
4.2.3Hasil Pengujian Buck Converter ... 74
4.2.4Hasil Pengujian Sensor Tegangan dan Arus ... 78
4.2.5Hasil Pengujian Mikrokontroler dan Antarmuka Emulator Sel Surya ... 80
4.2.6Hasil Pengujian Perangkat Keras Emulator Sel Surya Keseluruhan ... 83
4.3 Analisa dan Pembahasan Rancang bangun Emulator Sel Surya ... 86
4.3.1Pengaruh Variasi Nilai Irradiance Terhadap Keluaran Emulator Sel Surya ... 87
4.3.2Pengaruh Variasi Nilai Suhu Sel Terhadap Keluaran Emulator Sel Surya ... 92
4.3.3Pengaruh Pembebanan pada Emulator Sel Surya ... 96
4.3.4Perbandingan Simulasi dan Perangkat Keras Emulator Sel Surya dengan Modul Referensi ... 98
4.3.5Perbandingan Data Hasil Simulasi dengan Hasil Pengujian Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 102
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 113
5.2 Saran ... 114 DAFTAR PUSTAKA
xv
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
2.1 Ringkasan Arduino Mega 2560 ... 27
3.1 Parameter Modul Shell SP75 pada Standart Test Conditions ... 40
3.2 Nilai Parameter Rs, Rsh dan n ... 41
3.3 Parameter-Parameter untuk Pemodelan Buck Converter ... 44
4.1 Hasil Pengujian Catu Daya ... 71
4.2 Hasil Pengujian Buck Converter ... 75
4.3 Data Pengujian Sensor Tegangan ... 79
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
2.1 Hirarki Modul Sel Surya (Sel-Modul-Array) ... 9
2.2 Rangkaian Ekivalen dari Sel Surya ... 9
2.3 Kurva Karakteristik Arus-Tegangan dan Daya-Tegangan pada Sel Surya ... 14
2.4 Kurva Karakteristik Akibat Variasi Irradiance Matahari ... 15
2.5 Kurva Karakteristik Akibat Variasi Suhu ... 17
2.6 Kurva Karakteristik Akibat Pemasangan Modul Secara Seri ... 18
2.7 Kurva Karakteristik Akibat Pemasangan Modul Secara Paralel... 18
2.8 Kurva Karateristik Pembebanan Sel Surya ... 19
2.9 Topologi Buck Converter ... 20
3.7 Model Simulator Sel Surya Secara Keseluruhan ... 48
3.8 Diagram Alir Pemodelan dan Simulasi Emulator Sel Surya ... 49
3.9 Blok Diagram Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 50
xvi
3.11 Rangkaian Gate Driver Berbasiskan HCPL3120 ... 53
3.12 Rangkaian Buck Converter ... 55
3.13 Rangkaian Sensor Tegangan dan Arus ... 56
3.14 Rancangan Rangkaian Perangkat Keras Emulator Sel Suya Keseluruhan ... 58
3.15 Diagram Alir Realisasi Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 60
4.1 Kurva I-V Hasil Pengujian saat Masukan Irradiance Divariasikan ... 63
4.2 Kurva I-V Modul Referensi saat Masukan Irradiance Divariasikan .. 63
4.3 Kurva P-V Hasil Pengujian saat Masukan Irradiance Divariasikan .. 64
4.4 Kurva I-V Hasil Pengujian saat Masukan Suhu Divariasikan ... 65
4.5 Kurva I-V Modul Sel Surya Referensi saat Masukan Suhu Divariasikan ... 65
4.6 Kurva P-V Hasil Pengujian saat Masukan Suhu Divariasikan ... 66
4.7 (a) Arus dan (b) Tegangan Keluaran Buck Converter ... 68
4.13 Kurva Perbandingan Tegangan Keluaran Hasil Pengukuran dan Perhitungan pada nilai Duty Cycle yang Bervariasi ... 76
4.14 Kurva Perbandingan Arus Keluaran Hasil Pengukuran dan Perhitungan pada nilai Duty Cycle yang Bervariasi ... 77
4.15 Sensor Tegangan dan Arus ... 78
4.16 Mikrokontroler serta Antarmuka Keluaran (LCD) dan Masukan (Keypad) ... 81
xvii
4.23 Tampilan Nilai Keluaran dari Emulator Sel Surya ... 85 4.24 Kurva Karakteristik I-V saat Nilai Irradiance Divariasikan pada
(a) Simulasi dan (b) Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 88 4.25 Kurva Karakteristik P-V saat Nilai Irradiance Divariasikan pada
(a) Simulasi dan (b) Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 91 4.26 Kurva Karakteristik I-V saat Nilai Suhu Sel Divariasikan pada
(a) Simulasi dan (b) Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 93 4.27 Kurva Karakteristik P-V saat Nilai Suhu Sel Divariasikan pada
(a) Simulasi dan (b) Perangkat Keras Emulator Sel Surya ... 96 4.28 Karakteristik Pembebanan Emulator Sel Surya ... 97 4.29 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi, Pengujian Perangkat
Keras dan Modul Referensi (Shell SP75) ... 100 4.30 Perbandingan Kurva Karakteristik I-V (a) Simulasi, (b) Perangkat
Keras Emulator Sel Surya dengan (c) Modul Shell SP75 pada
Irradiance yang Bervariasi ... 101 4.31 Perbandingan Kurva Karakteristik I-V (a) Simulasi, (b) Perangkat
Keras Emulator Sel Surya dengan (c) Modul Shell SP75 pada
Suhu Sel yang Bervariasi ... 102 4.32 Perbandingan Kurva Karakteristik I-V Hasil Simulasi dan Pengujian
Perangkat Keras Emulator Sel Surya pada Irradiance yang
Bervariasi ... 104 4.33 Perbandingan Kurva Karakteristik P-V Hasil Simulasi dan Pengujian
Perangkat Keras Emulator Sel Surya pada Irradiance yang
Bervariasi ... 106 4.34 Perbandingan Kurva Karakteristik I-V Hasil Simulasi dan Pengujian
Perangkat Keras Emulator Sel Surya pada Suhu Sel yang Bervariasi . 109 4.35 Perbandingan Kurva Karakteristik P-V Hasil Simulasi dan Pengujian
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran LAMPIRAN A
A.1 Penentuan Parameter Rs, Rsh dan n
A.2 Penentuan Nilai Induktor L dan Kapasitor C LAMPIRAN B
Data Hasil Pengujian Model Sel Surya LAMPIRAN C
Data Hasil Simulasi Model Emulator Sel Surya LAMPIRAN D
Hasil Pengujian Rangkaian Gate Driver
LAMPIRAN E
Hasil Pengujian Buck Converter Dan Perhitungan Kesalahan Yang Terjadi LAMPIRAN F
Hasil Pengujian Perangkat Keras Emulator Sel Surya Dan Perhitungan LAMPIRAN G
Perhitungan Kesalahan Saat Dibandingkan Dengan Modul Sel Surya Referensi
LAMPIRAN H
Gambar Perangkat Keras Emulator Sel Surya LAMPIRAN I
Kode Program Emulator Sel Surya Keseluruhan LAMPIRAN J
BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Kebutuhan akan sumber energi listrik terus meningkat seiring meningkatnya peradaban manusia yang saat ini tidak lepas dari penggunaan peralatan listrik. Pasokan listrik menjadi hal pokok yang diharapkan oleh konsumen maupun produsen. Penggunaan sumber energi fosil dalam pembangkitan energi listrik saat ini masih sangat dominan walaupun dalam kenyataan penggunaan energi tidak terbarukan ini akan habis jika terus dieksploitasi. Hal inilah yang menjadi pendorong munculnya inovasi pembangkitan energi listrik yang berasal dari energi terbarukan, salah satunya adalah tenaga surya. Potensi yang dimiliki Indonesia dalam pengembangan energi sel surya cukup baik, dimana memiliki intensitas cahaya matahari (irradiance) rata-rata 4,8 kWh/m2 karena letaknya yang berada di garis katulistiwa.[1]
2
sel surya ini sebagai evaluasi dan kontrol bagi performa dan efisiensi sel surya.
Dalam prosesnya, penelitian membutuhkan kontinyuitas yang tidak terhalang kondisi lingkungan ataupun faktor lain, mengingat sel surya ini sangat bergantung pada kondisi lingkungan yang baik (irradiance dan suhu yang cukup). Oleh karena itu diperlukan suatu perangkat untuk menggantikan sel surya yang tidak terpengaruh oleh faktor lingkungan, namun tetap memiliki keluaran dan karakteristik yang sama. Perangkat yang ditawarkan pada tugas akhir ini adalah emulator sel surya. Emulator ini akan menggantikan sel surya yang sebenarnya untuk menghasilkan karakteristik dari sel surya tersebut.
Pengujian konverter daya sel surya dapat dilakukan dengan dua pilihan, yaitu menguji dengan sumber energi yang dihasilkan oleh sel surya secara langsung (baik berupa modul ataupun array sel surya) atau menguji dengan menggunakan emulator sel surya.[2] Bila menggunakan emulator sel surya, akan memudahkan untuk mengatur kondisi pengujian, seperti jumlah
3
mensimulasikan berbagai jenis panel sel surya tersebut hanya dengan mengganti parameter yang dimiliki oleh panel sel surya tanpa harus membeli panel sel surya yang baru.
Emulator sel surya merupakan rangkaian konverter yang terkontrol sehingga memiliki keluaran arus, tegangan dan daya yang sama dengan karakteristik dari modul sel surya sebenarnya. Emulator ini akan menghitung arus dan tegangan sesuai karakteristik sel surya berdasarkan parameter yang ditentukan, seperti hubungan modul (seri atau paralel), irradiance dan suhu sel. Ketika beban divariasikan, maka emulator ini juga akan memiliki nilai arus dan tegangan yang bervariasi sesuai dengan kurva hubungan antara arus dan tegangan (kurva I-V) yang menunjukkan karakteristik sel surya.
4
dari pengontrolan buck converter ini adalah dihasilkan arus, tegangan dan daya yang akan sesuai dengan karakteristik sel surya sebenarnya.
1.2Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Merancang dan membangun emulator sel surya yang dapat menggantikan sel surya sebenarnya untuk menghasilkan karakteristik dari sel surya menggunakan buck converter berbasis mikrokontroler Arduino.
2. Menganalisa pengaruh variasi nilai irradiance, suhu dan beban terhadap keluaran sel surya.
3. Membandingkan hasil pengujian perangkat keras emulator sel surya dengan hasil simulasi serta modul referensi Shell SP75.
1.3Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapatkan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Dihasilkan sebuah emulator sel surya sebagai pengganti sel surya sebenarnya dalam menghasilkan karakteristik dari sel surya tanpa adanya pengaruh kondisi lingkungan.
2. Dapat diketahui pengaruh variasi masukan (irradiance dan suhu) serta beban terhadap keluaran sel surya.
5
1.4Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada tugas akhir ini adalah:
1. Bagaimana merancang dan membangun perangkat keras emulator sel surya menggunakan buck converter sebagai rangkaian elektronika daya yang dikontrol dan pengaplikasian mikrokontroler Arduino sebagai pengolah arus referensi dan pulsa kontrol berdasarkan persamaan matematis sel surya.
2. Bagaimana menganalisis pengaruh nilai masukan dan beban yang bervariasi terhadap keluaran sel surya.
3. Bagaimana memodelkan sel surya berdasarkan persamaan matematiknya pada simulink Matlab dan mikrokontroler serta memvalidasi hasil simulasi dan pengujian perangkat keras emulator sel surya.
1.5Batasan Masalah
Beberapa hal yang menjadi batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah : 1. Menggunakan buck converter sebagai rangkaian elektronika daya yang
dikontrol untuk menghasilkan keluaran arus dan tegangan yang sesuai dengan karakterisitik sel surya sebenarnya serta menggunakan mikrokontroler Arduino untuk memodelkan sel surya, mengolah arus referensi, melakukan pengontrolan dengan kontrol proporsional integral (PI) dan menghasilkan pulsa kontrol untuk buck converter.
2. Menggunakan software Matlab untuk mensimulasikan model sel surya,
6
3. Pengujian dilakukan dengan memberikan nilai masukan sel surya berupa
irradiance dan suhu sel yang bervariasi pada nilai beban yang bervariasi. 4. Membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian perangkat keras
emulator sel surya, serta membandingkan hasil kedua pengujian tersebut dengan modul referensi Shell SP75.
1.6Hipotesis
Tegangan dan arus keluaran emulator sel surya sesuai dengan karakteristik sel surya yang sebenarnya. Keluaran ini merupakan hasil pengontrolan arus dengan pemberian pulsa kontrol ke buck converter. Pulsa kontrol yang diberikan berdasarkan pembandingan antara arus keluaran buck converter
dengan arus referensi yang diolah pada mikrokontroler Arduino berdasarkan persamaan matematis sel surya. Pemberian variasi nilai beban akan mengakibatkan tegangan dan arus keluaran mengikuti kurva karakteristik hubungan antara arus dan tegangan (kurva I-V) serta hubungan daya dan tegangan (kurva P-V) sel surya. Selain itu, dengan melakukan variasi nilai masukan irradiance dan suhu maka akan mempengaruhi karakteristik sel surya. Semakin besar irradiance maka arus hubung singkat (short circuit current) dan tegangan hubung terbuka (open circuit voltage) keluaran sel surya akan semakin besar. Selain itu, semakin besar suhu sel surya maka nilai tegangan hubung terbuka keluaran sel surya akan semakin menurun, sedangkan nilai arus hubung singkat terjadi kenaikan. Perubahan nilai daya juga akan terjadi, yaitu daya maksimum akan semakin besar jika irradiance
7
1.7Sistematika Penulisan BAB I PENDAHULUAN
Menjelaskan tugas akhir secara umum, berisi latar belakang, tujuan, manfaat penelitian, batasan masalah, perumusan masalah, hipotesis dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menjelaskan secara umum tentang teori dasar yang behubungan dengan peralatan yang akan dibuat.
BAB III METODE PENELITIAN
Pada bab ini berisi tentang langkah-langkah yang akan dilakukan dalam penelitian.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bagian yang berisi hasil dari pengujian dan pengambilan data, serta analisa hasil pengujian tersebut.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi tentang suatu kesimpulan yang diperoleh dari pembuatan dan pengujian, serta saran-saran untuk pegembangan penelitian lebih lanjut.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Sel Surya
Konversi energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik dilakukan oleh komponen yang disebut sel photovoltaic (sel PV). Sel PV pada dasarnya semikonduktor dioda yang memiliki sambungan P-N. Dalam semikonduktor ini terbentuk tiga daerah berbeda, yaitu daerah tipe P, N dan pengosongan (deplesi). Pada daerah tipe P mayoritas pembawa muatannya adalah hole,
sedangkan pada daerah tipe N mayoritas pembawa muatan adalah elektron. Daerah deplesi memiliki medan listrik internal dengan arah dari N ke P. Saat radiasi matahari mengenai sel surya maka akan terbentuk elektron dan hole.
Karena pengaruh medan listrik internal pada daerah deplesi maka menyebabkan hole bergerak menuju daerah P dan elektron bergerak menuju daerah N. Perpindahan hole dan elektron ini menghasilkan arus yang disebut arus fotodifusi. Selain itu pada daerah deplesi dapat pula terjadi pasangan hole
dan elektron karena pengaruh medan yang sama yang akan bergerak menuju ke arah mayoritasnya, sehingga menghasilkan arus generasi.
9
dengan cara hubungan seri maupun paralel yang disebut array. Bentuk array
ini yang banyak diaplikasikan untuk pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). Hirarki modul sel surya ditunjukkan pada Gambar 2.1 berikut:
Gambar 2.1 Hirarki Modul Sel Surya (Sel-Modul-Array) [3]
2.2Karakteristik Sel Surya
2.2.1 Rangkaian Ekivalen Sel Surya
Rangkaian ekivalen sel surya terdiri dari sebuah photocurrent (Iph),
sebuah dioda, hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rsh), seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 berikut.
10
Dari rangkaian di atas, light generated current atau photocurrent (Iph)
adalah arus yang dihasilkan langsung akibat penyinaran sinar matahari pada sel surya. Arus ini bervariasi secara linear dengan radiasi matahari dan tergantung pada suhu yang diberikan. Hambatan Rsh dan Rs
menunjukkan hambatan intrinsik paralel dan seri dari sel. Biasanya nilai Rsh lebih besar dibandingkan Rs. Persamaan 2.1 menjelaskan prinsip
sederhana dari rangkaian ekivalen sel surya di atas. Besarnya arus sel surya (Ipv) adalah pengurangan dari arus Iph, arus dioda (ID) dan arus
hambatan paralel (Irsh), yang dirumuskan sebagai berikut.:
Ipv=Iph-ID-Irsh (2.1) Persamaan di atas dapat dijabarkan dengan persamaan berikut :[4]
Ipv = Np Iph −Np Is
exp
11
Dari persamaan 2.2 di atas masih terdapat 5 parameter yang belum diketahui. Lima parameter tersebut adalah arus photovoltaic (Iph), arus
saturasi sel surya (Is), hambatan seri (Rs), hambatan paralel (Rsh) dan
besarnya faktor ideal dioda (n). Berikut ini adalah persamaan untuk mencari arus Iph dan arus Is untuk memodelkan sel surya, yaitu:[5]
Arus photovoltaic, Iph:
Isc = Arus hubung singkat pada suhu kerja Tref = Suhu referensi = 25 °C = 298 K
Irs = Arus saturasi gelap
Arus saturasi sel surya, Is:
Is atau arus saturasi dioda adalah bagian dari arus balik di dioda yang
12
Arus saturasi gelap, Irs:
Irs = Isc−ref exp qVoc−ref NsknTref −1 (2.5) Dimana:
Isc−ref = Arus hubung singkat pada standar test condition
Voc−ref = Tegangan hubung singkat pada standar test conditions
Untuk parameter hambatan seri (Rs) dan ideal faktor (n), terdapat tiga
metode dalam menentukan parameter tersebut. Pertama adalah metode
simplified explicit yang merupakan metode yang disederhanakan secara
eksplisit berdasarkan pada beberapa penyederhanaan rumusan awal. Kedua adalah metode lereng (slope) yang didasarkan pada algoritma pada perhitungan geometri. Dan ketiga adalah metode iteratif yang sebagian didasarkan dari algoritma pada resolusi numerik. Dalam penelitian ini, digunakan metode simplified explicit untuk menentukan parameter Rs dan n, sebagai berikut :[6]
13
Hambatan shunt idealnya dibuat dengan nilai hambatan yang sebesar-besarnya. Agar didapat nilai yang besar, maka diasumsikan besar dari
Isc −Ix = 1 mA dan Vsc = 0 V. Ix merupakan besarnya arus yang
mengalir pada hambatan shunt setelah melewati setiap cabang dioda dan hambatan seri. Dan penentuan nilai hambatan shunt ini pada kondisi standar, sehingga diperoleh sebagai berikut: [7]
Rsh =
0,5Voc−Vsc
Isc−Ix
(2.8)
Dimana:
Voc = Tegangan open circuit sel surya
Vsc = Tegangan short circuit sel surya
Isc = Arus hubung singkat pada suhu kerja
2.2.2 Kurva Karakteristik Sel Surya
14
Gambar 2.3 Kurva Karakteristik Arus-Tegangan dan Daya-Tegangan pada Sel Surya [8]
Pada saat keluaran sel surya tidak terhubung dengan beban (open cicuit) maka tidak ada arus yang mengalir dan tegangan pada sel berada pada nilai maksimum, disebut tegangan open circuit (Voc). Pada keadaan
lain, saat keluaran sel surya dihubung singkatkan (short cicuit) maka arus bernilai maksimum, yang disebut arus short circuit (Isc). Selain itu
terdapat nilai daya maksimum (Pmp) yang dapat dihasilkan pada saat
tegangan maksimum (Vmp) dan arus maksimum (Imp). Titik dimana nilai
arus dan tegangan pada titik yang menghasilkan daya terbesar disebut dengan Maximum Power Point (MPP). [7]
Perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya (disusun secara seri atau paralel) dalam modul berpengaruh terhadap parameter utama sel surya yaitu arus, tegangan dan daya keluaran dari sel surya. Karakteristik kurva hubungan antara arus dan tegangan (kurva I-V)
15
serta daya dan tegangan (kurva P-V) dianalisa berdasarkan variasi
irradiance, suhu dan susunan sel surya dalam modul. Pengaruh perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya terhadap keluaran dari sel surya adalah sebagai berikut: [9]
a. Efek Variasi Irradiance terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Irradiance sangat mempengaruhi besar kecilnya arus yang dihasilkan. Hal ini berdasarkan persamaan 2.3, yaitu :
Iph = Isc + Ki Tc−298 ββ
ref
Terlihat bahwa irradiance sel surya berbanding lurus dengan arus yang dihasilkan. Artinya semakin berkurang irradiance yang mengenai sel surya maka semakin berkurang arus yang dihasilkan oleh sel surya.
Gambar 2.4 Kurva Karakteristik Akibat Variasi Irradiance Matahari
Gambar 2.4 di atas menunjukkan bahwa arus short circuit
16
surya berkurang. Hal ini karena saat irradiance yang berkurang menyebabkan elektron-elektron yang terlepas semakin sedikit sehingga arus listrik yang dihasilkan menurun. Irradiance juga berpengaruh terhadap perubahan tegangan open circuit. Tegangan
open circuit semakin berkurang ketika irradiance dikurangi, namun perubahan yang dihasilkan tidak signifikan atau perubahannya sangat kecil. Karena irradiance yang mengenai sel surya mempengaruhi keluaran dari sel surya maka daya yang dihasilkan pun terpengaruh. Daya merupakan perkalian antara arus dan tegangan, sehingga nilai daya yang dihasilkan sel surya akan menurun saat irradiance yang diterima menurun.
b. Efek Variasi Suhu terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Selain jumlah irradiance yang mempengaruhi keluaran dari sel surya, suhu juga sangat berpengaruh, yaitu semakin besar suhu maka nilai tegangan open circuit akan semakin kecil. Hal ini disebabkan penurunan energi gap ketika suhu meningkat. Hal ini juga diungkapkan oleh Hans Joachim Moller (1993) dengan menggunakan persamaan berikut: [10]
Voc = 1
q Eg + kT ln Iph
Is (2.9)
Dari hubungan persamaan 2.9 terlihat bahwa tegangan open cicuit
17
menurun tegangan Voc. Gambar 2.5 berikut adalah kurva yang
menunjukkan kurva karakteristik akibat variasi suhu.
Gambar 2.5 Kurva Karakteristik Sel Surya Akibat Variasi Suhu
Gambar 2.5 di atas menunjukkan bahwa perubahan arus akibat perubahan suhu tidak terlalu signifikan, namun tetap akan bertambah besar saat suhu semakin besar. Perubahan daya maksimum akan semakin menurun saat suhu semakin bertambah besar, hal ini karena tegangan maksimum berkurang terhadap kenaikan suhu.
c. Susunan Seri Sel Surya dalam Modul
18
Gambar 2.6 Kurva Karakteristik Akibat Pemasangan Modul Secara Seri [11]
d. Susunan Paralel Sel Surya dalam Modul
Susunan paralel sel surya dalam modul menunjukkan bahwa akan meningkatkan arus tetapi tegangan konstan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Arus total yang dihasilkan adalah penjumlahan dari arus yang dihasilkan modul (I1+I2), hal ini sesuai dengan
hukum Kircoff.
19
e. Kombinasi Susunan Seri dan Paralel Sel Surya dalam Modul
Kombinasi susunan seri dan paralel menghasilkan daya yang besar dengan meningkatkan arus dan tegangan.
2.2.3 Karakteristik Pembebanan pada Sel Surya
Sel surya memiliki karakteristik pada saat pembebanan yang dipengaruhi oleh besarnya resistansi. Karakteristik tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.8 berikut :
Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Pembebanan Sel Surya [12]
Gambar 2.8 di atas menunjukkan bahwa untuk pembebanan dengan nilai resistansi kecil maka sel surya akan beroperasi pada daerah kurva MN, dimana sel beroperasi sebagai sumber arus yang konstan atau arus
short circuit. Pada sisi lain, jika nilai resistansi besar maka sel surya beroperasi pada daerah kurva PS, dimana sel beroperasi sebagai sumber tegangan yang konstan atau tegangan open circuit. Jika diberikan dengan hambatan optimal Ropt, maka sel surya menghasilkan daya
20
2.3Buck Converter
Buck converter adalah konverter yang menghasilkan tegangan keluaran yang lebih kecil dari tegangan masukannya. Tegangan keluaran yang dihasilkan mempunyai polaritas yang sama dengan tegangan masukannya. Buck converter biasa disebut juga sebagai step-down converter. Gambar 2.9 berikut merupakan rangkaian dari buck converter:
Gambar 2.9 Topologi Buck Converter
Pada dasarnya, buck converter merupakan salah satu jenis dari topologi
21
mengalir melewati induktor akan bernilai nol (0) untuk rentang waktu tertentu. Nilai induktor yang dipilih akan menentukan mode yang akan digunakan.
2.3.1 Prinsip Kerja Buck Converter
Di dalam menganalisa prinsip kerja buck converter, terdapat 2 state, yaitu, state ON dan state OFF. Ketika pada state ON atau saklar pada kondisi ON, arus sumber mengalir melalui induktor L menuju output
beban kapasitor dan resistor hingga tegangan keluaran mendekati tegangan masukan. Ketika pada state OFF atau saklar pada kondisi
OFF, terjadi pembalikan polaritas sehingga energi yang tersimpan pada induktor akan mengalir terbalik berdasar tegangan yang tersimpan pada kapasitor hingga terjadi pengurangan pada kapasitor. Proses pengisian dan pengosongan inilah yang menyebabkan tegangan keluaran selalu lebih rendah dari tegangan masukannya. Untuk mempermudah dalam menganalisa rangkaian buck, Gambar 2.10 berikut ini merupakan state
dari rangkaian buck pada saat state ON dan state OFF:
(a)
(b)
22
Secara matematis, waktu dari state ON dan state OFF dapat ditulis ke dalam persamaan berikut:
TON = D x TS (2.10)
TOFF = 1−D x TS (2.11)
Dimana :
TON = Periode saat kondisi ON
TOFF = Periode saat kondisi OFF
TS = Periode Satu Siklus (TON + TOFF)
D = Duty Cycle
Bentuk gelombang berdasarkan rangkaian Gambar 2.10 untuk arus yang melawati komponen switch Q1(IQ1), arus pada dioda (ID), arus
pada induktor (IL) serta tegangan keluaran ( Vo) diperlihatkan dalam
gambar berikut ini:
(a)
(b)
(c)
(d)
23
State ON
Ketika berada pada state ON, switch Q1 akan berfungsi sebagai saklar yang menutup (konduksi) selama interval waktu dt, maka arus dari tegangan sumber Vin akan mengalir melalui induktor L, beban dan
kembali lagi ke sumber. Karena tegangan yang diberikan kepada induktor konstan, maka arus yang melewati induktor meningkat secara
linier seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.11. Dalam kondisi saklar menutup ini dapat diturunkan persamaan sebagai berikut :
Vin = VL + Vo (2.12)
VL = Vin −Vo
L �
� = �� −Vo
L � = (�� −Vo) �
Karena lama waktu dt adalah selama saklar pada kondisi menutup atau
ON, maka :
L � = (�� −Vo) � (2.13)
�= �� −Vo
� �
State OFF
24
tegangan induktor menjadi lebih kecil dibandingkan saat state ON dan konstan, maka arus yang melewati induktor akan menjadi turun secara
linier seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.
Pada kondisi saklar membuka, dapat diturunkan persamaan sebagai berikut :
VL = Vo (2.14)
L �
� = Vo
L � = Vo �
Karena lama waktu dt adalah selama saklar pada kondisi membuka atau
OFF, maka :
L � = Vo � (2.15)
�= Vo
� �
Dengan menggabungkan persamaan 2.13 dan 2.15 akan diperoleh hubungan antara tegangan masukan dan keluaran, sebagai berikut:
VO = Vin x D (2.16)
Dimana :
VO = Tegangan keluaran
Vin = Tegangan masukan
D = Duty cycle
25
VinIin = VoIo = D VinIo (2.17)
Sehingga arus masukan rata-rata adalah :
Iin = D Io (2.18)
2.3.2 Penentuan Filter LC
Agar sistem beroperasi pada daerah yang kontinyu maka arus induktor harus tetap kontinyu dalam satu periode. Gambar 2.12 menunjukkan arus dari induktor selama satu periode dalam keadaan tunak. Pada sistem buck converter, arus rata-rata induktor IL dalam kondisi tunak
adalah sama dengan arus beban Io. Gambar 2.12 menunjukkan bahwa
arus induktor berada pada sekitar arus rata-ratanya dengan nilai arus maksimum sebesar Io +∆IL dan arus minimum Io− ∆IL.
Gambar 2.12 Arus Induktor
Dalam menentukan besarnya nilai induktor dapat menggunakan persamaan berikut : [11]
∆IL =VinD(1−D)
f L
L =
VinD(1−D)26
Dimana:
L = Nilai induktor (induktansi)
Vin = Tegangan masukan
D = Duty cycle
∆IL = Ripple arus
f = Frekuensi
Tegangan keluaran sistem pada kenyataannya tidak dapat bernilai konstan secara sempurna. Hal ini dikarenakan kapasitor yang digunakan akan terus melakukan pengisian dan pelepasan muatan. Pada tegangan keluaran sistem Vo akan terdapat ripple tegangan (∆V). Dalam penentuan besarnya ripple tegangan dapat menggunakan persamaan berikut ini :
∆V =VinD 1−D
8LC f2 (2.20)
Sehingga besarnya nilai kapasitor adalah :
C =VinD 1−D
8L∆Vf2
(2.21)
Dimana:
27
2.4Arduino Mega 2560 2.4.1Gambaran Umum
Arduino Mega 2560 adalah sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada ATMega 2560. Arduino Mega 2560 ini mempunyai 54 pin digital input/output (15 diantaranya dapat digunakan sebagai output
PWM), 16 input analog, 4 UARTs (hardware serial port), sebuah osilator kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, sebuah ICSP header, dan sebuah tombol reset. Gambar 2.13 berikut menunjukkan gambar fisik dari Arduino Mega 2560.
Gambar 2.13 Fisik Arduino Mega 2560
2.4.2Spesifikasi Arduino Mega 2560
Spesifikasi dari Arduino Mega 2560 ditunjukkan pada Tabel 2.1 berikut:
Tabel 2.1 Ringkasan Arduino Mega 2560
Mikrokontroler ATMega2560
28
Tegangan input yang disarankan 7-12V Batas tegangan input 6-20V
Jumlah pin I/O digital 54 (15 untuk keluaran PWM) Jumlah pin input analog 16
Arus DC tiap pin I/O 40 mA Arus DC untuk pin 3.3V 50 mA
Clock Speed 6MHz
2.4.3Daya (Power) Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 dapat dicatu melalui koneksi USB atau dengan sebuah catu daya eksternal. Arduino Mega 2560 memiliki pin-pin daya, yang dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. VIN. Tegangan input ke board Arduino Mega 2560 ketika board
sedang menggunakan sumber catu daya eksternal.
b. 5V. Pin output ini merupakan tegangan 5 Volt yang diatur dari regulator pada board.
c. 3,3 V. Sebuah catu 3,3 Volt dihasilkan oleh regulator pada board. Arus maksimum yang dapat dilalui adalah 50 mA.
d. GND. Pin ground.
29
2.4.4Input dan Output
Setiap 54 pin digital pada Arduino Mega 2560 dapat digunakan sebagai
input dan output menggunakan fungsi pinMode ( ), digitalWrite ( ) dan
digitalRead ( ). Fungsi-fungsi tersebut beroperasi di tegangan 5 Volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima suatu arus maksimum 40 mA dan mempunyai sebuah resistor pull-up (terputus secara default) 20-50 kOhm. Selain itu, beberapa pin mempunyai fungsi-fungsi spesial sebagai berikut :
Serial: 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan memancarkan (TX) serial data TTL (Transistor-Transistor Logic). Pin 0 dan 1 ini dihubungkan ke pin-pin yang sesuai dari chip Serial ATmega16U2 USB-ke-TTL. External Interrupts: 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt
5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3), and 21 (interrupt 2). Pin-pin ini dapat dikonfigurasikan untuk dipicu sebuah interrupt (gangguan) pada sebuah nilai rendah, suatu kenaikan atau penurunan yang besar, atau suatu perubahan nilai.
PWM: 2 sampai 13 dan 44 sampai 46. Memberikan 8-bit PWM
output dengan fungsi analogWrite ( ).
SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Pin-pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan SPI library.
30
TWI: 20 (SDA) dan 21 (SCL). Pin ini mendukung komunikasi TWI menggunakan Wire Library.
2.5Gate Driver
Rangkaian gate driver adalah rangkaian yang berfungsi sebagai penghubung antara rangkaian daya dengan rangkaian kontrol. Rangkaian driver
memindahkan sekaligus menguatkan sinyal pemicu (pulsa kontrol) dari rangkaian kontrol untuk menggerakkan saklar semikonduktor pada rangkaian daya. Salah satu jenis ic gate driver adalah HCPL3120. Ic ini merupakan salah satu driver penggerak saklar daya yang secara khusus dirancang untuk penggunaan saklar daya jenis IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) dan sangat baik untuk penggerak gate saklar daya mosfet. Konstruksi HCPL3120 terdiri dari sebuah dioda led sebagai pengkode informasi sinyal masukkan dari rangkaian kontrol dan pada bagian keluaran yang terhubung dengan rangkaian daya terdiri dari kombinasi transistor NPN sebagai jalan masuk arus sumber menuju rangkaian daya. Amplitudo tegangan yang dikeluarkan dari driver
adalah sama dengan nilai tegangan yang diberikan kepada pin VCC pada
driver ini. Gambar 2.14 berikut adalah functional diagram dari HCPL3120.
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian tugas akhir dilaksanakan pada bulan Februari 2014 hingga Januari 2015. Perancangan dan pengerjaan perangkat keras (hardware) dan laporan dilakukan di Laboratorium Terpadu Teknik Elektro Universitas Lampung.
3.2Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini dibagi menjadi perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software) sebagai berikut:
Perangkat keras yang digunakan, yaitu :
1. 1 unit laptop yang berfungsi sebagai media untuk menyimulasikan sistem emulator sel surya serta sebagai tempat pengerjaan laporan penelitian. 2. Rangkaian buck converter. Rangkaian ini dibangun oleh komponen
elektronika seperti transistor, dioda, induktor, kapasitor dan resistor. 3. Rangkaian catu daya. Rangkaian ini untuk memberikan catu daya pada
rangkaian buck converter, rangkaian gate driver dan mikrokontroler Arduino.
32
arus keluaran buck converter, mengatur antarmuka keluaran (LCD) dan masukan (keypad).
5. Rangkaian gate driver yang digunakan sebagai penghubung antara rangkaian daya (buck converter) dan rangkaian kontrol sekaligus menguatkan amplitudo dari sinyal kontrol.
6. 1 unit Liquid Crystal Display (LCD) yang digunakan untuk menampilkan informasi nilai dari tegangan, arus dan daya serta nilai masukan sel surya berupa irradiance, suhu sel, jumlah sel seri dan paralel.
7. 1 unit keypad yang digunakan untuk media penentuan nilai variabel masukan sel surya berupa nilai irradiance, suhu sel, jumlah sel seri dan paralel.
8. Multimeter digital sebagai alat ukur penelitian. 9. 1 unit solder dan timah untuk realisasi rangkaian. 10. 1 unit project board sebagai pengujian rangkaian. 11. Akriliksebagai peletak rangkaian.
Sedangkan untuk perangkat lunaknya, yaitu :
1. Matlab untuk perancangan model dan simulasi sistem emulator sel surya. 2. Arduino Integrated Development Environment (IDE) untuk pembuatan
kode program (sketch) yang akan dimasukkan ke dalam mikrokontroler Arduino.
3. Diptrace untuk membangun rangkaian yang digunakan dalam penelitian. 4. Microsoft office Visio yang berfungsi sebagai media pembuatan bagan
33
3.3Metode Penelitian
Rancang bangun prototipe emulator sel surya ini dibagi menjadi dua bagian, yaitu pemodelan simulasi dan realisasi ke perangkat keras (hardware). Masing-masing bagian ini terdiri dari beberapa tahapan dalam pelaksanaannya, yaitu dijelaskan pada diagram alir pada Gambar 3.1 berikut:
Mulai
Pengambilan Data Pengambilan Data
Membandingkan dengan Data Hasil Simulasi
Analisa dan Pembahasan
Selesai
Ya
34
Keterangan dari diagram alir di atas adalah sebagai berikut: a. Studi Literatur
Dalam studi literatur dilakukan pencarian informasi atau bahan materi baik dari buku, jurnal, maupun sumber-sumber lain yang berkaitan dengan penelitian ini. Materi tersebut diantaranya mengenai:
1. Karakterisitik dan pemodelan sel surya 2. Buck converter
3. Pengendali proportional integral derivative (PID) 4. Pemodelan sistem dalam simulink Matlab
5. Mikrokontroler Arduino
b. Perancangan Model Simulasi
35
c. Pengujian Model Simulasi
Sebelum pengambilan data simulasi, maka perlu dilakukan pengujian setiap subsistem penyusun model emulator sel surya yang telah dibuat. Hal ini dilakukan untuk kontrol jika model masih terdapat kesalahan maka diulang dalam perancangan model simulasi.
Pengujian model sel surya dilakukan dengan memberikan masukan sel surya, yaitu irradiance dan suhu secara bervariasi sehingga didapatkan keluaran dari model sel surya yang sesuai dengan karakteristik sel surya sebenarnya. Pengujian buck converter dilakukan dengan memberikan tegangan referensi (setpoint) dan dikendalikan dengan kendali PI. Buck converter bekerja berdasarkan pulsa kontrol yang diolah pada model PWM
generator, sehingga didapatkan keluaran yang sesuai dengan tegangan
setpoint. Setelah semua subsistem pembangun emulator sel surya berhasil diuji, selanjutnya adalah pengujian emulator sel surya secara keseluruhan dengan memberikan masukan irradiance dan suhu yang bervariasi pada nilai beban yang bervariasi juga.
d. Pengambilan Data Simulasi
36
e. Perancangan Perangkat Keras
Setelah tahap simulasi berhasil dilakukan, maka tahap selanjutnya adalah merealisasikannya dalam perangkat keras (hardware). Dalam merealisasikannya perlu dilakukan pula perancangan. Emulator sel surya dibangun menggunakan buck converter dan mikrokontroler Arduino. Mikrokontroler Arduino digunakan untuk memodelkan sel surya menggunakan persamaan matematik dari sel surya sehingga dihasilkan arus referensi. Arus referensi ini sebagai pembanding arus keluaran buck converter, nilai kesalahan yang terjadi akan dikendalikan oleh kendali PI. Hasil pengendalian PI sebagai masukan pada PWM generator untuk menghasilkan pulsa kontrol yang akan mengendalikan switching buck converter hingga didapatkan arus keluaran yang sesuai dengan arus referensi. Tegangan dan arus dari buck converter akan diumpan balikkan ke mikrokontroler dan akan diolah kembali sebagai masukan model matematik sel surya dan pengendalian.
Perancangan perangkat keras ini juga menggunakan rangkaian gate driver.
Gate driver ini sebagai penghubung antara mikrokontroler dan rangkaian daya (buck converter). Dengan rangkaian ini maka amplitudo sinyal kontrol dari mikrokontroler akan dikuatkan sehingga dapat mengendalikan
switching buck converter.
f. Realisasi Pembuatan Alat dan Program
37
oleh beberapa subsistem yaitu rangkaian catu daya, buck converter, gate driver dan mikrokontroler. Sebagai pelengkap ditambahkan antarmuka keluaran menggunakan LCD dan masukan menggunakan keypad. Buck converter dibangun menggunakan komponen elektronika yaitu mosfet, dioda, induktor dan kapasitor. Pembuatan kode program (sketch) untuk mikrokontroler Arduino menggunakan software Arduino integrated development environment (IDE). Setelah selesai dibuat, program diupload
ke dalam mikrokontroler menggunakan kabel USB sebagai penghubung antara komputer (untuk membuat sketch) dan mikrokontroler.
g. Pengujian Alat
Pengujian perangkat keras perlu dilakukan untuk memastikan alat dapat bekerja dengan baik dan sesuai dengan yang diharapkan. Pengujian dilakukan pada setiap subsistem penyusun emulator sel surya. Setelah masing-masing subsistem bekerja dengan baik maka digabungkan menjadi satu sistem emulator sel surya. Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil pengujian dengan karakteristik dari sel surya yang sebenarnya dengan memberikan nilai masukan sel surya yang bervariasi. Apabila terdapat kesalahan maka dilakukan perancangan dan pembuatan ulang.
h. Pengambilan Data
38
nilai irradiance dan suhu sel pada nilai hambatan paling kecil hingga paling besar pada setiap nilai masukan sel surya tersebut.
i. Analisa dan Pembahasan
Tahapan terakhir adalah analisa dan pembahasan. Dari analisa ini akan diketahui karakteristik dari sel surya, pengaruh perubahan masukan sel surya dan perubahan beban. Selain itu, hasil pengambilan data dari simulasi dan hardware emulator sel surya akan dibandingkan.
3.4Pemodelan dan Simulasi Emulator Sel Surya
Bagian pertama dalam penelitian ini adalah pemodelan dan simulasi emulator sel surya. Tahapan ini dilakukan sebelum direalisasikan dalam perangkat keras. Secara umum pemodelan dan simulasi emulator sel surya dapat direpresentasikan dengan blok diagram yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 berikut :
39
Terlihat dari Gambar 3.2 di atas, sistem emulator sel surya disusun dari beberapa subsistem yaitu sel surya, kendali proporsional integral (PI), pulse width modulation (PWM) generator dan model buck converter. Masing-masing subsistem memiliki fungsi dan saling terhubung dengan subsistem lainnya. Sehingga dapat dipaparkan urutan kerja dari blok diagram di atas, yaitu:
- Arus keluaran hasil perhitungan secara matematis pada model sel surya sebagai arus referensi dan dibandingkan dengan arus keluaran dari buck converter.
- Kesalahan (error) dari perbandingan arus referensi dan arus keluaran buck converter akan dimasukkan ke dalam kendali PI.
- Kendali PI akan memberikan gain proporsional dan integral dengan nilai tertentu untuk mengendalikan dan memperbaiki kesalahan yang terjadi. - Sinyal kendali keluaran dari pengendali PI digunakan sebagai masukan
blok PWM generator untuk menghasilkan pulsa kontrol yang memiliki besar duty cycle. Pada blok PWM generator ini dapat ditentukan nilai frekuensi sesuai dengan keinginan.
- Pulsa-pulsa keluaran PWM generator akan mengendalikan switch pada
buck converter untuk membuka atau menutup. Sehingga didapatkan arus dan tegangan yang sesuai dengan karakterisitik sel surya sebenarnya.
- Tegangan dan arus keluaran dari buck converter dijadikan masukan ke dalam blok model sel surya. selain itu arus keluaran dari buck coverter
40
Dalam membangun sistem emulator sel surya secara keseluruhan maka perlu melakukan perancangan dan pengujian pada tiap-tiap subsistem. Terdapat beberapa tahapan dalam membangun subsistem tersebut yang disebut dengan pemodelan subsistem. Tahapan pemodelan setiap subsistem tersebut diuraikan sebagai berikut :
3.4.1 Pemodelan Sel Surya
Pemodelan sel surya didasarkan pada penggunaan persamaan matematis dari karakteristik sel surya, seperti yang dijelakan pada persamaan 2.1 sampai dengan 2.8. Untuk melengkapi persamaan tersebut diperlukan parameter-parameter yang dimiliki oleh sel surya itu sendiri. Dalam penelitian ini menggunakan modul sel surya Shell SP75 sebagai modul referensi. Berikut adalah parameter-parameter yang dimiliki modul sel surya Shell SP75.[13]
Tabel 3.1 Parameter Modul Shell SP75 pada Standart Test Conditions
No Parameter Simbol Nilai
1 Daya Maksimum Pr 75 W
2 Tegangan pada Daya Maksimum Vm 17 V
3 Arus pada Daya Maksimum Im 4.4 A
4 Tegangan Hubung Terbuka Voc 21.7 V
5 Arus Hubung Singkat Isc 4.8 A
6 Jumlah Sel Seri Ns 36
41
hambatan seri (Rs), hambatan paralel (Rsh) dan faktor ideal (n).
Parameter-parameter tersebut dapat dicari dengan mengggunakan persamaan 2.6 sampai dengan 2.8, sehingga dari perhitungan didapatkan nilai parameter tersebut yang ditunjukkan pada Tabel 3.2 berikut (perhitungan terlampir pada Lampiran A):
Tabel 3.2 Nilai Parameter Rs, Rsh dan n
No Parameter Simbol Nilai
1 Hambatan Seri Rs 0.3381 Ω
2 Hambatan Paralel Rsh 10850 Ω
3 Faktor Ideal Semikonduktor n 1.3971
42
43
Dari Gambar 3.3 di atas terlihat bahwa model simulasi menggunakan blok-blok yang terdiri dari persamaan dan operator matematika. Setiap blok penyusun model ini adalah mengikuti persamaan karakteristik sel surya.
3.4.2 Pemodelan Buck Converter
Emulator sel surya pada dasarnya adalah sebuah switching catu daya DC/DC konverter yang menghasilkan keluaran yang sesuai dengan kurva karakteristik hubungan antara arus dan tegangan (kurva I-V) sel surya. Pada penelitian ini menggunakan DC-DC konverter jenis buck converter. Tegangan dan arus keluaran dari buck converter akan diolah pada model sel surya sehingga dihasilkan arus referensi. Arus referensi ini merupakan setpoint yang harus dicapai oleh buck converter agar bekerja sesuai dengan karakteristik sel surya.
Untuk memodelkan buck converter perlu ditetapkan beberapa nilai parameter, yaitu nilai tegangan masukan, tegangan keluaran, arus keluaran, frekuensi switching, nilai kapasitansi C dan nilai induktansi L. Nilai kapasitor dan induktor ditentukan dengan menggunakan persamaan 2.17 dan 2.19. Tabel 3.3 berikut menunjukkan nilai dari setiap parameter yang digunakan untuk memodelkan buck converter
44
Tabel 3.3 Parameter-Parameter untuk Pemodelan Buck Converter
No Parameter Simbol Nilai
1 Tegangan Masukan Vin 35 V
2 Tegangan Keluaran Vout 21.7 V
3 Arus Keluaran Isc 4.8 A
4 Ripple Arus ∆I 5 %
5 Ripple Tegangan ∆V 5 %
6 Frekuensi f 20000 Hz
7 Duty Cycle D 0.62
8 Nilai Induktor L 1,718 ��
9 Nilai Kapasitor C 1,382 µ�
Dengan nilai-nilai dari parameter di atas maka telah dapat memodelkan
buck converter seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4 sebagai subsistem penyusun sistem emulator sel surya untuk simulasi.
Gambar 3.4 Model Buck Converter
3.4.3 Pemodelan Kendali Proporsional Integral (PI)
45
proporsional (gain) Kp, konstantan integral Ki maupun konstanta
derivatif Kd sesuai jenis kendali yang digunakan. Pada simulasi ini
menggunakan kendali PI sehingga dalam pemodelannya hanya menentukan nilai Kp dan Ki sampai didapatkan respon yang paling baik
dalam mencapai kondisi steady state.
3.4.4 Pemodelan Pulse Width Modulation (PWM) Generator
Sinyal-sinyal dari PWM generator ini akan mengendalikan switch pada
buck converter untuk membuka atau menutup. Pada simulasi ini besar frekuensi yang digunakan adalah sebesar 20.000 Hertz. Besar frekuensi ini juga akan menentukan besarnya induktor dan kapasitor yang digunakan untuk menyusun buck converter.
3.4.5 Pengujian Model Subsistem Emulator Sel surya
Sebelum digabungkan menjadi satu sistem emulator sel surya maka perlu dilakukan pengujian pada setiap model subsistem. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apabila terjadi suatu kesalahan pada model penyusun emulator sel surya. Apabila diketahui terjadi kesalahan maka kembali dilakukan perancangan model sampai didapatkan hasil yang sesuai untuk setiap blok modelnya.
46
perbaikan. Model untuk pengujian susbsistem sel surya ditunjukkan pada Gambar 3.5 dimana model sel surya pada Gambar 3.3 telah disederhanakan serta ditambahkan masukan berupa irradiance dan suhu sel.
Gambar 3.5 Model Pengujian Subsistem Sel Surya
47
converter. Apabila terdapat kesalahan maka perlu dilakukan perbaikan pada pemodelan. Gambar 3.6 berikut menunjukkan model pengujian subsistem buck converter :
Gambar 3.6 Model Pengujian Subsistem Buck Converter
3.4.6 Pengujian Model Emulator Sel Surya Keseluruhan
48
Gambar 3.7 Model Emulator Sel Surya Secara Keseluruhan
Gambar 3.7 di atas menunjukkan model emulator sel surya keseluruhan yang digunakan dalam pengujian. Pengujian sistem ini dilakukan dengan memberikan masukan irradiance dan suhu sel yang bervariasi serta memberikan nilai beban yang bervariasi untuk mendapatkan kurva karakteristiknya. Tegangan dan arus keluaran emulator sel surya ini akan membentuk kurva karakteristik dari sel surya yang sering disebut dengan kurva hubungan antara arus dan tegangan (kurva I-V) maupun kurva hubungan antara daya dan tegangan (kurva P-V).
49
Mulai
Merancang Model Sel Surya
Pengujian Model Sel Surya Pemodelan Sesuai dengan Karakterisitik
Sel Surya Sebenarnya
Merancang Model Buck Converter
Pemodelan Benar Pengujian Model Kendali PI, PWM
Generator dan Buck Converter Merancang Model Kendali PI
Merancang Model PWM Generator
Selesai
Tidak
Ya
Tidak
Ya
Merancang Model Emulator Sel Surya
Pengujian Emulator Sel Surya Pemodelan Sesuai dengan
Karakterisitik Sel Surya Sebenarnya
Menganalisa
Tidak
Ya
50
3.5Perancangan Perangkat Keras Emulator Sel Surya
Tahapan penelitian setelah pemodelan dan simulasi adalah realisasi perangkat keras emulator sel surya. Secara umum rancangan perangkat keras emulator sel surya diperlihatkan pada blok diagram pada Gambar 3.9. Sistem ini terdiri dari beberapa subsistem, yaitu mikrokontroler Arduino Mega 2560, rangkaian
gate driver berbasis HCPL3120, rangkaian buck converter, sensor tegangan, sensor arus ACS712, beban, antarmuka masukan (menggunakan keypad) dan keluaran (menggunakan LCD). Masing-masing subsistem tersebut memiliki fungsi dan saling terhubung dengan subsistem yang lain.
BEBAN
51
Dari blok diagram di atas maka dapat dijelaskan urutan kerja dari rancangan perangkat keras emulator sel surya tersebut, yaitu:
- Mikrokontroler digunakan untuk memodelkan sel surya dengan menggunakan persamaan matematis sel surya. Dengan memberikan masukan nilai irradiance, suhu serta nilai arus dan tegangan keluaran buck converter yang diumpan balikkan, maka pemodelan secara matematis ini akan menghasilkan nilai arus referensi. Pada subsistem ini juga akan dihasilkan pulsa kontrol. Arus referensi akan dibandingkan dengan arus keluaran buck converter, dan kesalahan perbandingan tersebut akan dikendalikan oleh kendali PI dan PWM generator akan menghasilkan pulsa kontrol.
- Pulsa-pulsa kontrol akan mengendalikan switch pada buck converter untuk membuka atau menutup. Sehingga didapatkan arus yang sesuai dengan arus referensi yang menunjukkan arus karakteristik sel surya.
52
Terdapat beberapa tahapan dalam proses perancangan perangkat keras ini. Tahapan tersebut adalah perancangan program, rangkaian catu daya, rangkaian gate driver, rangkaian buck converter, rangkaian sensor arus dan tegangan, rangkaian antarmuka masukan dan keluaran serta pengujian setiap tahapan tersebut maupun sistem emulator sel surya secara keseluruhan. Tahapan tersebut dijelaskan sebagai berikut:
3.5.1 Perancangan Program
Perancangan program emulator sel surya dilakukan dengan mengunakan software arduino IDE. Pemograman ini difungsikan untuk memodelkan sel surya menggunakan persamaan matematis sel surya, mengolah arus referensi berdasarkan variabel masukan yang dibaca melalui sensor (arus dan tegangan) maupun variabel masukan (irradiance dan suhu sel) menggunakan keypad, menghasilkan sinyal kontrol berupa sinyal PWM, mengendalikan sistem emulator sel surya menggunakan kendali PI, serta dapat menampilkan nilai tegangan dan arus pada layar LCD. Setelah rancangan program ini selesai, maka langkah selanjutnya mengunduh program tersebut ke mikrokontroler Arduino Mega.
3.5.2 Perancangan Rangkaian Catu Daya
![Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Pembebanan Sel Surya [12]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/615579.164127/41.595.219.463.324.454/gambar-kurva-karakteristik-pembebanan-sel-surya.webp)
