Studi Tentang Perilaku Superkapasitor Tersusun Seri Sebagai Pengganti Baterai Menggunakan Simulink MATLAB

(1)

SAFTAR PUSTAKA

[1] Patel, Komal R. and Rushi R. Desai (2012).“Calculation of Internal Parameters of Super Capacitor to Replace Battery by Using Charging and Discharging

Characteristics”, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Volume 2, Hal 1

[2] Murata, “High Perfomance Electrical Double-Layer Capacitors”, www.murataamericas.com/edlc, 30 Agustus 2016

[3] Woollard, Barry (1993). “Practical Electronics Vol 2”, McGraw-Hill Book Company Limited, UK England

[4] Bishop, Owen (2002). “Electronics-A first Course”, Elsevier Ltd, the boulevard langton Lane, Kidlington, England

[5] Floyd (2001). “Electronics Fundamentals Fifth Edition”, Prentice-Hall Inc., Upper Saddle River, New Jersey

[6] Ramdhani Mohammad (2008), “Rangkaian Listrik”, Erlangga, STT Telkom Bandung, Indonesia

[7] Patel, Dipesh (2015), ”Battery Evaluation, Modellinng and Fast Charger Using Supercapacitor as Input Source”, ProQuest LLC, UNIVERSITY OF MASSACHUSETTS, LOWELL, Massachusetts, Prancis

[8] Zhong,Yun Jiancheng Zhang, Gengyin Li (2008), “Mathematical Model of New Bi-directional DC-AC-DC Converter for Supercapacitor Energy Storage

System in Photovoltaic Generation”, IEEE Conference on Electric Utility 125 Deregulation and Restructuring and Power Technologies, Page(s): 2686-2690

(2)

[10] V. Herman, A. Schneuwly and R. Gallay (2001) “High Power Double-layer Capacitor Developments and Applications”, 52th Meeting of the ISE, San Francisco

[11] Burke A. (2000), “Ultracapacitor: why, how, and where is the technology”, J. Power Sources 91

[12] Nugroho, Muhammad Rifki (2011). ”Rancang Bangun Sistem Sumber Daya TAG Aktif RFID Berbasis Tenaga Surya Dengan Superkapasitor Sebagai Media Penyimpanan Energi”, FT PRODI Teknik Elektro UI, Indonesia

[13] Conway, B. E. (1999). “Electrochemical Supercapacitors : Scientific Fundamentals and Technological Application.” New York, Kluver-Plenum. [14] Zubieta L., and R. Bonert (2000), “Characterization of Double Layer

Capacitors (DLCs) for Power Electronics Applications”, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto, Toronto, USA

[15] Faranda R., M. Gallina and D.T. Son (2007), “A new simplified model of Double-Layer Capacitors”, Dipartimento di Elettrotecnica, Politecnico di Milano, Milan, Italy

[16] Tallner, Christian, Simon Lannetoft (2005), “Batteries or Supercapacitors as Energy Storage in HEVs?”, Dept of Industrial Engineering and Automation, Lund University

[17] Kiehne, H A (2003), “Battery Technology Handbook 2nd edition” (New York: Marcell Decker, Inc)

(3)

BAB III

PERANCANGAN SIMULASI

3.1 Umum

Penelitian ini didasarkan pada uji coba rangkaian yang disimulasikan. Simulasi merupakan sebuah kegiatan percobaan yang dilakukan oleh laptop/pc berguna untuk mengambil data yang diperlukan dan juga untuk mempermudah dalam melakukan suatu percobaan. Dengan menggunakan simulasi, pengguna tidak perlu repot-repot mencari bahan yang diperlukan dalam percobaan. Dan dalam penelitian ini digunakan SIMULINK dari MATLAB.

(4)

3.2 Prosedur Penelitian

(5)

3.2.1 Pelaksanaan Penelitian

Berdasarkan diagram alir pada Gambar 3.2 langkah-langkah yang dilakukan selama penelitian adalah sebagai berikut:

1. Pengumpulan data

Data yang diperlukan pada penelitian ini terdiri dari: -Data setelan parameter internal dari superkapasitor,

-Data dari baterai yang akan digunakan sebagai pembanding, -Data beban yang tersedia.

2. Merancang Rangkaian Simulasi untuk baterai

Pada simulator SIMULINK MATLAB akan dirangkai sebuah baterai yang terhubung dengan tahanan untuk pelepasan muatan. Dimana nilai tahanan ini akan sama dengan nilai tahanan pada pengujian superkapasitor.

3. Melakukan simulasi/pengujian terhadap model rangkaian dari baterai Pengujian ini dimulai dari baterai yang terisi penuh hingga baterai tersebut benar-benar kosong.

4. Mengambil data yang diperlukan dari pengujian

Dari pengujian ini akan ditampilkan untuk pengosongan muatan serta kurva karakteristik nominal dari baterai.

5. Merancang Rangkaian Simulasi untuk superkapasitor

(6)

nilai tahanan ini sama dengan tahanan pada pengujian baterai. Dari rangkaian dasar satu superkapasitor ini akan dirangkai lagi rangkaian seri superkapasitor sebanyak dua hingga empat buah superkapasitor.

6. Melakukan simulasi terhadap model rangkaian dari superkapasitor

Metode selama pengujian telah dijelaskan sebelumnya pada point 5. Waktu yang digunakan untuk mengisi superkapasitor adalah selama 14 detik, setelah itu hubungan dengan sumber arus akan terputus, pada saat yang bersamaan hubungan dengan tahanan akan tertutup/tersambung. Pengujian ini dilakukan selama 500 detik.

7. Mengambil data yang diperlukan dari pengujian

Dari pengujian ini akan diambil data berupa nilai tegangan dari tiap-tiap superkapasitor, nilai tegangan dari tahanan, serta nilai tegangan total dari superkapasitor untuk superkapasitor tersusun seri.

8. Melakukan perbandingan terhadap data dari pengujian baterai

Setelah didapatkan data dari superkapasitor, maka akan dibandingkan dengan data dari baterai. Hasilnya adalah mampukah superkapasitor tersebut sebagai pengganti baterai, jika mampu berapa lama dapat bertahan. 9. Melakukan penarikan kesimpulan

(7)

3.3 Spesifikasi Perangkat

Ada beberapa spesifikasi yang menjadi pendukung dalam penyusunan Tugas Akhir ini, adapun spesifikasi perangkat yang mendukung meliputi spesifikasi perangkat lunak dan perangkat keras.

3.3.1 Spesifikasi Perangkat Keras

Perangkat keras yang digunakan pada penelitian ini adalah Netbook ASUS eee PC 1015BX.

3.3.2 Spesifikasi Perangkat Lunak

Perangkat lunak yang digunakan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Sistem Operasi : Windows 10

2. Aplikasi program : Simulink ver 7.9 dari MATLAB R2012a

3.4 Fasilitas Simulator yang digunakan 3.4.1 Superkapasitor

Superkapasitor yang digunakan dalam simulasi ini ialah superkapasitor dengan kapasitas 10 F dengan merk BCAP0010 produk buatan MAXWELL Technologies. Untuk parameter dari superkapasitor diperlihatkan pada datasheet produk [18] yang terdapat pada Lampiran 1.

(8)

Gambar 3.2 Rangkaian ekuivalen dari superkapasitor

(9)

Gambar 3.3 Parameter internal superkapasitor

3.4.2 Tahanan

Tahanan (Resistor) adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk menghambat aliran arus. Dalam pengujian ini resistor berguna untuk menerima arus yang disalurkan oleh superkapasitor. Dalam hal ini, arus yang mengalir pada resistor adalah sesuai dengan Hukum Ohm pada Persamaan 3.1 [6].

= (3.1)

3.4.3 Sumber Arus

(10)

Gambar 3.4 GUI Sumber Arus

3.4.4 Baterai

Baterai yang akan digunakan dalam simulasi ialah baterai jenis Lithium-ion yang bisa diisi ulang, penggunaan baterai dalam simulasi ini bertujuan untuk sebagai objek pengganti yang akan digantikan oleh superkapasitor. Baterai dengan nilai tegangan sebesar 3.6 V dan arus yang diberikan selama 1 jam adalah 0.9 Ah dengan merk LC14500 produk dari UltraFire. Pada penelitian ini, baterai diwakilkan oleh fitur dari simulator dimana GUI dari baterai diperlihatkan pada Gambar 3.5

(11)

3.4.5 Pengatur Waktu

Pengatur waktu yang ada dalam rangkaian berguna untuk memberikan batasan waktu terhadap saklar supaya menutup dan membuka dalam waktu yang telah ditentukan. Waktu yang disetel dalam pengatur waktu adalah 14 detik dengan waktu percobaan selama 500 detik.

3.4.6 Multimeter

Alat yang digunakan untuk mengukur nilai tegangan dari tiap-tiap superkapasitor dan juga arus yang mengalir ke tahanan adalah multimeter. Dalam penelitian ini multimeter digambarkan dengan GUI dari simulator matlab berupa, Voltage Measurement, dan Current Measurement seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.6.

(A) (B)

(12)

BAB IV

HASIL SIMULASI SAN ANALISIS

4.1 Umum

Di dalam bab ini akan dilakukan pengujian terhadap rangkaian simulasi dari baterai yang terhubung ke tahanan, yang berguna untuk mendapatkan karakteristik dari baterai yang akan sebagai pembanding untuk superkapasitor. Lalu dilakukan pengujian untuk pengisian dan pengosongan terhadap satu superkapasitor, dan dua hingga empat superkapasitor yang tersusun secara seri. Pengujian yang dilakukan pada rangkaian simulasi bertujuan untuk mengamati nilai arus dan tegangan yang terjadi pada tiap superkapasitor.

Pengujian dilakukan dengan beberapa tahap yaitu, pengujian untuk satu superkapasitor. Lalu untuk pengujian superkapasitor tersusun seri, akan disusun superkapasitor dua hingga empat buah superkapasitor yang terhubung ke beban. Pengujian superkapasitor tersusun seri ini akan mengamati perubahan tegangan pada tiap superkapasitor yang disusun secara seri. Dan menganalisis nilai kapasitas dan energi yang tersimpan pada superkapasitor yang tersusun seri. Setelah dilakukan pengujian, maka akan dianalisis apakah superkapasitor dapat digunakan sebagai pengganti dari baterai atau tidak.

4.2 Hasil Pengujian Sistem

(13)

4.2.1 Pengujian untuk menentukan karakteristik dari Baterai

Pada subbab ini akan dilakukan pengujian untuk menentukan karakteristik dari baterai. Simulasi dilakukan dengan sebuah baterai yang terhubung dengan tahanan sebesar 10 Ω. Gambar dari rangkaian simulasi untuk pengujian baterai diperlihatkan pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Rangkaian simulasi untuk baterai

Dimana parameter dari baterai yang digunakan seperti yang telah dijelaskan pada Bab 3 diperlihatkan pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Parameter internal dari baterai

(14)

tegangan sebesar 3.6 V, dan memiliki kerapatan arus dalam 1 jam adalah 0.9 Ah. Dan juga baterai yang digunakan untuk pengujian telah terisi penuh terlihat dari Initial State Of Charge pada baterai tersebut yang menunjukkan angka sebesar 100%.

Kurva karakteristik dari baterai tersebut diperlihatkan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Grafik Arus & Tegangan vs Waktu

Dapat terlihat pada Gambar 4.3 nilai arus dan tegangan terhadap waktu. Terlihat bahwa waktu yang dibutuhkan hingga baterai tersebut benar-benar kosong adalah mendekati detik ke-9000, jika dikonversikan ke dalam menit kurang lebih 150 menit. Waktu ini cukup lama sebanding dengan energi yang tersimpan dalam baterai. Untuk mengetahui energi yang tersimpan dalam baterai maka tegangan nominal dari baterai dikalikan dengan rapat arus dari baterai, yaitu:

(15)

Jika dikonversikan ke satuan energi yaitu Joule, menjadi:

3.24 ℎ = 3.24 3600 = 11.664 = 11.6

Namun untuk bisa membandingkannya dengan superkapasitor dibututhkan kurva pengosongan dari baterai yang menunjukkan nilai nominal dari baterai seperti terlihat pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Kurva karakteristik pengosongan baterai

(16)

4.2.2 Pengujian dan Analisis Sata untuk Satu Superkapasitor

Pada subbab ini akan diterangkan mengenai pengujian rangkaian untuk satu superkapasitor terhubung ke beban. Untuk mendapatkan rangkaian simulasi program maka diperlukan sebuah rangkaian ekuivalen. Pada Gambar 4.5 menunjukkan rangkaian ekuivalen untuk pengujian satu superkapasitor

I SC R

A

V2 V1

NC NO

Gambar 4.5 Rangkaian ekuivalen dari satu superkapasitor

Keterangan Gambar :

I = Sumber Arus (2 A) NC = Saklar Normally Closed V1 = Voltmeter 1

SC = Superkapasitor (10 F) NO = Saklar Normally Open A = Amperemeter

V2 = Voltmeter 2 R = Tahanan (10 Ω)

(17)

Gambar 4.6 Rangkaian simulasi untuk superkapasitor

Gambar 4.6 menunjukkan rangkaian simulasi dari superkapasitor. Pertama superkapasitor yang dihubungkan dengan sumber arus untuk pengisian superkapasitor, dan kemudian akan terhubung ke resistor untuk pengosongan superkapasitor, proses pembukaan dan penutupan saklar dilakukan pada saat yang bersamaan pada detik ke-14, dan digerakkan oleh SPDT (Single Pole Double Throw). Hasil data simulasi dari satu superkapasitor diperlihatkan dalam Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Hasil data simulasi untuk pengisian satu superkapasitor Waktu (s) V1 (V) V2 (V) A Kondisi

(18)

Waktu (s) V1 (V) V2 (V) A Kondisi 124 1.0007076 1.0007076 0.1000708

P 134 0.9048649 0.9048649 0.0904865 144 0.8166402 0.8166402 0.081664 154 0.7356767 0.7356767 0.0735677 164 0.6615971 0.6615971 0.0661597 174 0.5940093 0.5940093 0.0594009 184 0.5325122 0.5325122 0.0532512 194 0.4767017 0.4767017 0.0476702 204 0.4261753 0.4261753 0.0426175 214 0.3805376 0.3805376 0.0380538 224 0.3394036 0.3394036 0.0339404 234 0.3024024 0.3024024 0.0302402 244 0.2691798 0.2691798 0.026918 254 0.2394004 0.2394004 0.02394 264 0.2127485 0.2127485 0.0212749 274 0.1889295 0.1889295 0.018893 284 0.1676696 0.1676696 0.016767 294 0.148716 0.148716 0.0148716 304 0.1318364 0.1318364 0.0131836 314 0.1168181 0.1168181 0.0116818 324 0.1034674 0.1034674 0.0103467 334 0.0916082 0.0916082 0.0091608 344 0.0810812 0.0810812 0.0081081 354 0.0717425 0.0717425 0.0071742 364 0.0634625 0.0634625 0.0063463 374 0.0561249 0.0561249 0.0056125 384 0.0496253 0.0496253 0.0049625 394 0.0438701 0.0438701 0.004387 404 0.038776 0.038776 0.0038776 414 0.0342684 0.0342684 0.0034268 424 0.0302808 0.0302808 0.0030281 434 0.0267541 0.0267541 0.0026754 444 0.0236358 0.0236358 0.0023636 454 0.020879 0.020879 0.0020879 464 0.0184422 0.0184422 0.0018442 474 0.0162887 0.0162887 0.0016289 484 0.0143858 0.0143858 0.0014386 494 0.0127045 0.0127045 0.0012704 500 0.0117912 0.0117912 0.0011791 Keterangan Tabel :

V1 = Tegangan Superkapasitor V2 = Tegangan Beban

(19)

Grafik dari Tegangan vs Waktu untuk nilai V1, dan V2 pada pengujian satu superkapasitor diperlihatkan pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7 Grafik Tegangan vs Waktu untuk satu superkapasitor

Untuk analisis data dari pengujian satu superkapasitor adalah seperti berikut:

(20)

terlihat dari data pada Tabel 4.1 tegangan dari superkapasitor masih ada yaitu sebesar 0.011791 V. Nilai ini akan terus turun hingga superkapasitor akan benar-benar kosong.

Dari pengujian didapatkan bahwa nilai tegangan dari superkapasitor tidak dapat menyamai nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Ini membuktikan bahwa jika hanya satu superkapasitor tidak dapat sebagai pengganti dari baterai.

Dan untuk mendapatkan nilai energi yang tersimpan pada superkapasitor, digunakan Persamaan 2.4. Untuk menyelesaikan Persamaan 2.4 dibutuhkan nilai tegangan puncak dari superkapasitor yaitu sebesar 2.65 V dan nilai kapasitas dari superkapasitor yaitu 10 F. Maka Persamaan 2.4 menjadi,

( ) = 1 2

= 1 2 10 2.69 = 36.1805

Nilai energi yang tersimpan pada satu superkapasitor 10 F, dengan arus pengisian 2 A, dan waktu pengisian 14 s adalah 36.1805 Joule

(21)

I

Gambar 4.8 Rangkaian ekuivalen untuk dua superkapasitor terhubung seri

Keterangan gambar :

SC1 = Superkapasitor 1(10 F) SC2 = Superkapasitor 2 (10 F)

(22)

Gambar 4.9 Rangkaian Simulasi untuk dua superkapasitor

Gambar 4.9 menunjukkan rangkaian simulasi dari dua superkapasitor tersusun seri. Pertama dua superkapasitor yang tersusun seri dihubungkan dengan sumber arus untuk pengisian superkapasitor, dan kemudian akan terhubung ke resistor untuk pengosongan superkapasitor, proses pembukaan dan penutupan saklar dilakukan pada saat yang bersamaan pada detik ke-14, dan digerakkan oleh SPDT (Single Pole Double Throw). Hasil data simulasi untuk dua superkapasitor terhubung seri diperlihatkan dalam Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Data Pengujian dari dua superkapasitor terhubung seri

Waktu (s) V1 (V) V2 (V) V3 (V) V4 (V) A Kondisi

0.0008038 0.1204019 0.0602009 0.0602009 1.20E-08 1.20E-09 0.0048228 0.122411 0.0612055 0.0612055 1.22E-08 1.22E-09 0.0249179 0.1324493 0.0662246 0.0662246 1.32E-08 1.32E-09 0.1253934 0.1824529 0.0912264 0.0912264 1.82E-08 1.82E-09 0.6277707 0.4279572 0.2139786 0.2139786 4.28E-08 4.28E-09 3.1396571 1.5601772 0.7800886 0.7800886 1.56E-07 1.56E-08 13.139657 5.1242075 2.5621037 2.5621037 5.12E-07 5.12E-08 14 5.3861922 2.6930961 2.6930961 5.39E-07 5.39E-08 14 5.2347835 2.6173917 2.6173917 5.2347835 0.5234783

P 24 4.4858029 2.2429014 2.2429014 4.4858029 0.4485803

(23)

Waktu (s) V1 (V) V2 (V) V3 (V) V4 (V) A Kondisi 134 0.4818599 0.2409299 0.2409299 0.4818599 0.048186

P 144 0.3806166 0.1903083 0.1903083 0.3806166 0.0380617

154 0.2998715 0.1499357 0.1499357 0.2998715 0.0299871 164 0.2357621 0.1178811 0.1178811 0.2357621 0.0235762 174 0.1850468 0.0925234 0.0925234 0.1850468 0.0185047 184 0.1450454 0.0725227 0.0725227 0.1450454 0.0145045 194 0.1135692 0.0567846 0.0567846 0.1135692 0.0113569 204 0.0888482 0.0444241 0.0444241 0.0888482 0.0088848 214 0.0694616 0.0347308 0.0347308 0.0694616 0.0069462 224 0.0542765 0.0271383 0.0271383 0.0542765 0.0054277 234 0.0423935 0.0211967 0.0211967 0.0423935 0.0042393 244 0.0331012 0.0165506 0.0165506 0.0331012 0.0033101 254 0.0258392 0.0129196 0.0129196 0.0258392 0.0025839 264 0.0201663 0.0100831 0.0100831 0.0201663 0.0020166 274 0.0157364 0.0078682 0.0078682 0.0157364 0.0015736 284 0.0122781 0.0061391 0.0061391 0.0122781 0.0012278 294 0.0095789 0.0047895 0.0047895 0.0095789 0.0009579 304 0.0074726 0.0037363 0.0037363 0.0074726 0.0007473 314 0.0058291 0.0029145 0.0029145 0.0058291 0.0005829 324 0.0045468 0.0022734 0.0022734 0.0045468 0.0004547 334 0.0035465 0.0017732 0.0017732 0.0035465 0.0003546 344 0.0027662 0.0013831 0.0013831 0.0027662 0.0002766 354 0.0021575 0.0010787 0.0010787 0.0021575 0.0002157 364 0.0016827 0.0008414 0.0008414 0.0016827 0.0001683 374 0.0013124 0.0006562 0.0006562 0.0013124 0.0001312 384 0.0010236 0.0005118 0.0005118 0.0010236 0.0001024 394 0.0007983 0.0003992 0.0003992 0.0007983 7.98E-05 404 0.0006226 0.0003113 0.0003113 0.0006226 6.23E-05 414 0.0004856 0.0002428 0.0002428 0.0004856 4.86E-05 424 0.0003787 0.0001894 0.0001894 0.0003787 3.79E-05 434 0.0002954 1.48E-04 1.48E-04 0.0002954 2.95E-05 444 0.0002304 1.15E-04 1.15E-04 0.0002304 2.30E-05 454 0.0001797 8.98E-05 8.98E-05 0.0001797 1.80E-05 464 1.40E-04 7.01E-05 7.01E-05 1.40E-04 1.40E-05

V1 = Tegangan Total Superkapasitor V2 = Tegangan Superkapasitor 1 V3 = Tegangan Superkapasitor 2 V4 = Tegangan Beban

(24)

Grafik dari nilai Tegangan vs Waktu untuk nilai V1, V2, V3, dan V4 pada pengujian dua superkapasitor yang tersusun seri diperlihatkan pada Gambar 4.10.

Gambar 4.10 Grafik Tegangan vs Waktu untuk dua superkapasitor tersusun seri

Untuk analisis data dari pengujian dua superkapasitor tersusun seri adalah seperti berikut:

Untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V, nilai tegangan dari superkapasitor harus melebihi atau menyamai dari tegangan baterai. Melalui pengamatan langsung nilai tegangan 3.6 V pada dua superkapasitor tersusun seri ialah pada detik ke-37.5, dan jika dihitung sejak mulai waktu pengosongan superkapasitor maka 37.5-14 = 23.5 detik. Jadi 23.5 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V.

(25)

dengan nilai tegangan pada waktu pengisian satu superkapasitor. Nilai total tegangan dari dua superkapasitor tersusun seri adalah jumlah dari nilai masing-masing superkapasitor, yaitu 5,3862 V. Namun pada waktu pengosongan dari superkapasitor, nilai tegangan pada V1 sama dengan nilai tegangan V4 dimana yang diukur adalah tegangan dari tahanan. Dan untuk tiap-tiap superkapasitor, nilai tegangan pada waktu pengosongan lebih kecil nilainya daripada nilai tegangan yang hanya menggunakan satu superkapasitor. Pada dua superkapasitor tersusun seri ini nilai tegangan lebih cepat habis daripada yang satu superkapasitor, dimana pada satu superkapasitor pada detik ke-500 nilai tegangan belum benar-benar habis. Namun pada dua superkapasitor tersusun seri, pada detik ke-284 nilai tegangannya sudah hampir menyamai nilai tegangan dari satu superkapasitor pada detik ke-500. Ini membuktikan bahwa nilai tegangan pada waktu pengosongan superkapasitor tersusun seri lebih kecil dan lebih cepat habis daripada nilai tegangan pada satu superkapasitor.

Dan untuk mendapatkan nilai energi yang tersimpan pada superkapasitor, digunakan Persamaann 2.4. Untuk menyelesaikan Persamaan 2.4 dibutuhkan nilai tegangan puncak dari dua superkapasitor tersusun seri yaitu sebesar 5.23 V dan untuk mendapatkan nilai kapasitas dari dua superkapasitor tersusun seri digunakan Persamaan 2.9.

1

= 1 + 1

1

=_{10 +}1 ₁₀1

= 10_{2 = 5}

(26)

( ) = 1 2

= 1 2 5 5.386 = 72.522

Nilai energi yang tersimpan pada dua superkapasitor tersusun seri yang masing-masing besarnya 10 F, dengan arus pengisian 2 A, dan waktu pengisian 14 s adalah 72.522 Joule.

4.2.3 Pengujian dan Analisis Sata Tiga Superkapasitor Terhubung Seri Untuk dapat membuat rangkaian simulasi dari tiga superkapasitor terhubung seri, dibutuhkan suatu rangkaian ekuivalen untuk menjelaskan komponen yang digunakan serta untuk dapat mengamati arah arus. Gambar dari rangkaian ekuivalen tiga superkapasitor terhubung seri diperlihatkan pada Gambar 4.11.

I _SC1 _R

A

V1

NC NO

V5 V2

V3

SC3 SC2

(27)

Keterangan gambar :

SC1 = Superkapasitor 1 (10 F) SC2 = Superkapasitor 2(10 F) SC3 = Superkapasitor 3(10 F) NO = Saklar Normally Open A = Amperemeter

V2 = Voltmeter 2 V3 = Voltmeter 3 V4 = Voltmeter 4 V5 = Voltmeter 5 R = Tahanan (10 Ω)

(28)

Gambar 4.12 Rangkaian simulasi untuk tiga superkapasitor tersusun seri

Gambar 4.12 menunjukkan rangkaian simulasi dari tiga superkapasitor tersusun seri. Pertama tiga superkapasitor yang tersusun seri dihubungkan dengan sumber arus untuk pengisian superkapasitor, dan kemudian akan terhubung ke resistor untuk pengosongan superkapasitor, proses pembukaan dan penutupan saklar dilakukan pada saat yang bersamaan pada detik ke-14, dan digerakkan oleh SPDT (Single Pole Double Throw). Hasil data simulasi untuk tiga superkapasitor terhubung seri diperlihatkan dalam Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Data Pengujian dari tiga superkapasitor terhubung seri

Waktu (s) V1 (V) V2 (V) V3 (V) V4 (V) V5 (V) A Kondisi

0 0 0 0 0 0 0

P E N G I S I 3.16E-30 0.18 0.06 0.06 0.06 1.80E-08 1.80E-09

(29)

Waktu (s) V1 (V) V2 (V) V3 (V) V4 (V) V5 (V) A Kondisi 14 7.8825785 2.6094483 2.6636819 2.6094483 7.8825785 0.7882578

(30)

Keterangan Tabel :

V1 = Tegangan Total Superkapasitor V2 = Tegangan Superkapasitor 1 V3 = Tegangan Superkapasitor 2 V4 = Tegangan Superkapasitor 3 V5 = Tegangan Beban

A = Arus Beban

Grafik dari tegangan vs waktu untuk nilai V1, V2, V3, V4, dan V5 pada pengujian tiga superkapasitor yang tersusun seri diperlihatkan pada Gambar 4.9.

Gambar 4.13 Grafik Tegangan vs Waktu untuk tiga superkapasitor tersusun seri

Untuk analisis data dari pengujian tiga superkapasitor tersusun seri adalah seperti berikut:

(31)

ialah pada detik ke-44.5, dan jika dihitung sejak mulai waktu pengosongan superkapasitor maka 44.5-14 = 30.5 detik. Jadi 30.5 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V.

Dapat terlihat pada Gambar 4.13 Grafik tegangan vs waktu untuk pengisian pada superkapasitor dimulai dari nol dan akan berlangsung terus hingga pada waktu yang ditentukan. Nilai tegangan dari masing-masing superkapasitor sama nilainya dengan nilai tegangan pada waktu pengisian satu superkapasitor. Nilai total tegangan dari tiga superkapasitor tersusun seri adalah jumlah dari nilai masing-masing superkapasitor, yaitu 8.133 V. Namun pada tiga superkapasitor tersusun seri ini, nilai tegangan pada superkapasitor yang berada di tengah memiliki nilai yang lebih besar dari dua superkapasitor lainnya, ini menunjukkan superkapasitor memiliki penyaluran tegangan yang tidak merata pada masing-masing superkapasitornya.

(32)

superkapasitor tersusun seri maka nilai tegangan pada waktu pengosongan akan semakin lebih kecil dan lebih cepat habis daripada nilai tegangan pada satu superkapasitor atau superkapasitor yang lebih sedikit tersusun seri.

Dan untuk mendapatkan nilai energi yang tersimpan pada superkapasitor, digunakan Persamaan 2.4. Untuk menyelesaikan Persamaan 2.4 dibutuhkan nilai tegangan puncak dari tiga superkapasitor tersusun seri yaitu sebesar 8.133 V dan untuk mendapatkan nilai kapasitas dari dua superkapasitor tersusun seri digunakan Persamaan 2.9.

1

= 1 + 1 + 1 1

=_{10 +}1 _{10 +}1 ₁₀1

= 10_{3 = 3.33} Maka Persamaan 2.4 menjadi,

( ) = 1 2

= 1 2 3.33 8.133 = 110.132

Nilai energi yang tersimpan pada tiga superkapasitor tersusun seri yang masing-masing besarnya 10 F, dengan arus pengisian 2 A, dan waktu pengisian 14 s adalah 110.132 Joule.

(33)

rangkaian ekuivalen empat superkapasitor terhubung seri diperlihatkan pada

Gambar 4.14 Rangkaian ekuivalen empat superkapasitor tersusun seri

Keterangan gambar :

(34)

V4 = Voltmeter 4 V5 = Voltmeter 5 V6 = Voltmeter 6 R = Tahanan (10 Ω)

Dari rangkaian ekuivalen untuk empat superkapasitor terhubung seri pada Gambar 4.14, maka dapat dibuat rangkaian simulasi untuk empat superkapasitor. Gambar dari rangkaian simulasi untuk pengujian empat superkapasitor tersusun seri diperlihatkan pada Gambar 4.15.

Gambar 4.15 Rangkaian simulasi untuk empat superkapasitor tersusun seri

(35)

Tabel 4.4 Data Pengujian dari empat superkapasitor terhubung seri 8,04E-04 0,240804 0,060201 0,060201 0,060201 0,060201 2,41E-08 2,41E-09 0,004823 0,244822 0,061206 0,061206 0,061206 0,061206 2,45E-08 2,45E-09 0,024918 0,2649 0,066225 0,066225 0,066225 0,066225 2,65E-08 2,65E-09 0,125393 0,36493 0,091226 0,091239 0,091239 0,091226 3,65E-08 3,65E-09 0,627771 0,856487 0,213979 0,214265 0,214265 0,213979 8,56E-08 8,56E-09 3,139657 3,131504 0,780089 0,785663 0,785663 0,780089 3,13E-07 3,13E-08 13,13966 10,34823 2,562104 2,612014 2,612014 2,562104 1,03E-06 1,03E-07 14 10,88085 2,693096 2,74733 2,74733 2,693096 1,09E-06 1,09E-07 14 10,51468 2,601552 2,655786 2,655786 2,601552 10,51468 1,051468

(36)

Waktu (s) V1 (V) V2 (V) V3 (V) V4 (V) V5 (V) V6 (V) A Kondisi

V1 = Tegangan Total Superkapasitor V2 = Tegangan Superkapasitor 1 V3 = Tegangan Superkapasitor 2 V4 = Tegangan Superkapasitor 3 V5 = Tegangan Superkapasitor 4 V6 = Tegangan Beban

A = Arus Beban

(37)

Untuk analisis data dari pengujian empat superkapasitor tersusun seri adalah seperti berikut:

Untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V, nilai tegangan dari superkapasitor harus melebihi atau menyamai dari tegangan baterai. Melalui pengamatan langsung nilai tegangan 3.6 V pada empat superkapasitor tersusun seri ialah pada detik ke-44.1, dan jika dihitung sejak mulai waktu pengosongan superkapasitor maka 44.1-14 = 30.1 detik. Jadi 30.1 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V.

Dapat terlihat pada Gambar 4.16 grafik tegangan vs waktu untuk pengisian pada superkapasitor dimulai dari nol dan akan berlangsung terus hingga pada waktu yang ditentukan. Nilai tegangan dari masing-masing superkapasitor sama nilainya dengan nilai tegangan pada waktu pengisian satu superkapasitor. Nilai total tegangan dari empat superkapasitor tersusun seri adalah jumlah dari nilai masing-masing superkapasitor, yaitu 10,935V. Namun pada empat superkapasitor tersusun seri ini tidak seperti pada satu atau dua superkapasitor yang tersusun seri, nilai tegangan pada dua superkapasitor yang berada di tengah memiliki nilai yang lebih besar dari dua superkapasitor lainnya, ini menunjukkan superkapasitor memiliki penyaluran tegngan yang tidak merata pada masing-masing superkapasitornya.

(38)

superkapasitor pada detik ke-500 nilai tegangan belum benar-benar habis, pada dua superkapasitor tersusun seri, pada detik ke-284, dan pada tiga superkapasitor tersusun seri, pada detik ke-204, Serta pada empat superkapasitor tersusun seri, pada detik ke-164 nilai tegangannya hampir menyamai nilai tegangan dari satu superkapasitor pada detik ke-500. Ini membuktikan bahwa semakin banyak superkapasitor tersusun seri maka nilai tegangan pada waktu pengosongan akan semakin lebih kecil dan lebih cepat habis daripada nilai tegangan pada satu superkapasitor atau superkapasitor yang lebih sedikit tersusun seri.

Dan untuk mendapatkan nilai energi yang tersimpan pada superkapasitor, digunakan Persamaan 2.4. Untuk menyelesaikan Persamaan 2.4 dibutuhkan nilai tegangan puncak dari tiga superkapasitor tersusun seri yaitu sebesar 10,88 V dan untuk mendapatkan nilai kapasitas dari dua superkapasitor tersusun seri digunakan Persamaan 2.9.

1

= 1 + 1 + 1 + 1 1

= _{10 +}1 _{10 +}1 _{10 +}1 ₁₀1

=10_{4 = 2.5} Maka Persamaan 2.4 menjadi,

( ) = 1 2

= 1 2 2.5 10.88 = 147.968

(39)

BAB V

KESIMPULAN SAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Adapun beberapa kesimpulan dari pembahasan pada Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut.

1. Berdasarkan pengujian dengan baterai 3.6 V dan 0.9 Ah didapatkan bahwa, satu superkapasitor tidak dapat digunakan sebagai pengganti baterai. Sementara untuk superkapasitor yang tersusun seri dapat menggantikan baterai, untuk dua superkapasitor selama 23.5 detik, tiga superkapasitor 30.5 detik, dan empat superkapasitor selama 30.1 detik.

2. Semakin banyak superkapasitor yang tersusun seri, maka nilai tegangan akan semakin bertambah. Namun juga akan semakin cepat mengalami penurunan tegangan karena arus yang ditarik juga semakin besar.

3. Pada pengujian tiga dan empat superkapasitor yang tersusun seri, selama waktu pengisian superkapasitor yang berada di tengah memiliki nilai tegangan yang lebih besar dari superkapasitor yang berada di pinggir. Ini membuktikan ada pembagian tegangan yang tidak merata di tiap superkapasitor.

(40)

5.2 Saran

Adapun saran dari penulis untuk pengembangan Tugas Akhir ini adalah seperti berikut.

1. Penelitian selanjutnya dapat dilakukan percobaan dengan menggunakan metode hubungan seri-paralel superkapasitor untuk memperbesar nilai kapasitas dari superkapasitor.

(41)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kapasitor

Kapasitor banyak digunakan dalam sirkuit elektronik dan mengerjakan berbagai fungsi. Pada dasarnya kapasitor merupakan alat penyimpan muatan listrik yang dibentuk dari dua permukaan (piringan) yang berhubungan, tetapi dipisahkan oleh suatu penyekat [3]. Bila elektron berpisah dari satu plat ke plat yang lain, akan terdapat muatan positif pada plat yang kehilangan elektron dan muatan negatif pada plat yang memperoleh elektron.

Gambar 2.1 Rangkaian sederhana kapasitor terhubung dengan sumber DC [4]

Apabila sebuah kapasitor disambungkan ke sebuah listrik DC seperti yang terlihat pada Gambar 2.1 [4], elektron-elektron akan berkumpul pada pelat yang tersambung ke terminal negatif sumber. Elektron-elektron ini akan menolak elektron-elektron yang ada pada pelat di seberangnya. Elektron-elektron yang tertolak akan mengalir menuju terminal positif sumber seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.2 [3].

(42)

Sebuah kapasitor yang disambungkan seperti ini ke sebuah sumber daya

dengan seketika akan menjadi bermuatan. Tegangan antara kedua pelatnya adalah

sama dengan tegangan sumber daya. Ketika kapasitor tersebut dilepaskan dari

sumber daya, kapasitor tetap mempertahankan muatannya. Inilah alasan mengapa

kapasitor dapat menyimpan muatannya [4].

2.1.1 Kapasitansi

Muatan (Q) diukur dengan satuan coulomb dan kapasitor yang memperoleh

muatan listrik akan mempunyai tegangan antar terminal sebesar V volt.

Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan disebut kapasitansi (C)

[3]. Kapasitansi ini diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada

suatu kenaikan tegangan, persamaannya dinyatakan oleh Persamaan (2.1) [3]

, = ,_, (2.1)

Atau Persamaan (2.1) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (2.2)

= (2.2)

Permukaan kapasitor yang berhubungan biasanya berbentuk “plat” rata.

Ukuran kapasitor tergantung pada luas plat (A), jarak antar plat (d), dan medium

penyekat. Kapasitansi dapat dihitung dengan Persamaan (2.3) [3].

= (2.3)

Dimana : =

= tempat yang tersedia (permitivitas tempat), berupa bilangan

(43)

= permitivitas relatif, berupa faktor perkalian yang tergantung

pada medium penyekat atau bahan dielektris yang digunakan di

antara kedua plat.

2.1.2 Energi Pada Kapasitor

Kapasitor dapat digunakan untuk menyimpan energi listrik dalam bentuk

muatan listrik. Banyaknya energi yang tersimpan di dalam sebuah kapasitor sama

besarnya dengan kerja yang dilakukan oleh muatan listrik. Selama proses pengisian

kapasitor, sebuah sumber arus searah seperti baterai melakukan kerja dengan

memindahkan muatan listrik dari satu lempeng konduktor dan menimbunnya ke

lempeng konduktor lainnya. Energi yang tersimpan dalam kapasitor dapat dihitung

dengan Persamaan (2.4) [3].

= 1 2 (2.4)

2.1.3 Hubungan Seri dan paralel

Bila sebuah kapasitor dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan DC

seperti terlihat pada Gambar 2.3 [5] di bawah, maka besar kapasitas kapasitor dapat

dinyatakan dengan Persamaan (2.5) seperti berikut:

= (2.5)

(44)

Bila beberapa buah kapasitor dipasang seri dan dihubungkan dengan sumber

tegangan, maka akan terjadi proses pembagian tegangan pada tiap kapasitor seperti

yang diperlihatkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Kapasitor tersusun seri [5]

Maka besar tegangan total pada rangkaian seri kapasitor di atas adalah

pada Persamaan (2.6) [5].

= ∆ + ∆ + ∆ (2.6)

Karena tegangan adalah muatan dibagi dengan kapasitas.

∆ = (2.7)

Setelah di substitusi Persamaan (2.7) ke Persamaan (2.6) maka didapat

Persamaan (2.8) seperti berikut:

= + + (2.8)

= + + (2.9)

Atau Persamaan (2.8) dapat dituliskan dengan Persamaan (2.10).

= ∑ (2.10)

(45)

kapasitor akan terbagi ke masing–masing kapasitor [5]. Rangkaian kapasitor

terhubung paralel ke sumber daya DC diperlihatkan pada Gambar 2.5 [4].

Gambar 2.5 Kapasitor tersusun paralel [4]

Maka jumlah muatan yang disimpan di dalam kapasitor tersusun paralel

adalah pada Persamaan (2.11) :

= + + (2.11)

Karena,

∆ = (2.12)

Persamaan (2.12) disubstitusikan ke dalam Persamaan (2.11) maka didapat

hasil seperti Persamaan (2.13) berikut :

∆ . = ∆ . + ∆ . + ∆ . (2.13)

Atau Persamaan (2.13) dapat disederhanakan menjadi Persamaan (14) :

= + + (2.14)

2.1.4 Pengisian Muatan Pada Kapasitor

Jika suatu kapasitor dengan kapasitansi C dihubungkan dengan suatu

sumber tegangan V maka setelah beberapa waktu kapasitor akan terisi oleh muatan

sebesar:

(46)

Jika ada sebuah kapasitor dalam keadaan kosong dan belum dihubungkan

dengan sumber tegangan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6 [4].

R1

C1

DC

S(n/o)

Gambar 2.6 Kapasitor terhubung dengan sumber tegangan

Kemudian saklar ditutup sehingga kapasitor terhubung dengan sumber tegangan seperti terlihat pada Gambar 2.7 [4]. Kapasitor akan segera terisi muatan tetapi tidak langsung penuh. Perlu beberapa waktu agar kapasitor terisi penuh.

R1

C1

DC

S(n/c)

Gambar 2.7 Pengisian Kapasitor

Ketika muatan mulai memenuhi kapasitor, beda tegangan pada kaki

kapasitor akan terus bertambah dan beda tegangan pada sumber akan menyamai

(47)

muatan penuh dan tidak ada lagi aliran arus selama kapasitor tidak mengalami

kebocoran diantara kedua plat [4]. Grafik dari pengisian sebuah kapasitor dapat

diperlihatkan pada Gambar 2.8[3].

Gambar 2.8 Kurva pengisian dari kapasitor

Saat kapasitor sedang diisi melalui sebuah sumber dc, kurva pengisiaannya

adalah penaikan eksponensial seperti pada Gambar 2.8. Kurva ini bergantung

kepada nilai arus pengisian serta waktu selama pengisian berlangsung.

Jika muatan dalam kapasitor adalah Q dan arus rangkaian adalah i, maka

dari hukum pertama Kirchoff [3] didapatkan:

− − = 0 (2.16)

− 1 − = 0 (2.17)

Dalam rangkaian pada Gambar 7, arus sama dengan laju peningkatan

muatan kapasitor

= (2.18)

Dari Persamaan (2.17) didapatkan :

(48)

Lalu Persamaan (2.18) disubstitusikan ke dalam Persamaan (2.19), menjadi

Persamaan (2.20):

= 1 + (2.20)

− = 1 (2.21)

− = 1 (2.22)

( − ) = 1 (2.23)

Dari Persamaan (2.23) dengan sama-sama mengkalikan kedua ruas dengan

, maka didapatkan Persamaan (2.24):

( − ) = (2.24)

= (2.25)

∫ = ∫ (2.26)

+ = ∫ (2.27)

Untuk persamaan tegangan dari pengisian kapasitor adalah pada Persamaan

(2.28) hingga Persamaan (2.31):

= − (2.28)

( ) = 1 − (2.29)

= 1 − (2.30)

( ) = 1 − (2.31)

(49)

= − − (2.32)

= (2.33)

( ) = (2.34)

Tampak bahwa arus yang mengalir pada rangkaian semakin mengecil, dan

arus ini disebut arus transien [6].

Pada Persamaan (2.31) tampak muatan Q dan tegangan antara kedua kaki

kapasitor semakin lama semakin naik hingga pada nilai tertentu dengan kata lain

kapasitor telah terisi penuh. Sedangkan pada persamaan arus pada Persamaan

(2.34), bahwa semakin lama semakin mengecil hingga nol yang menandakan bahwa

kapasitor telah terisi penuh [6].

2.1.5 Pengosongan Muatan Pada Kapasitor

Jika ada sebuah kapasitor dalam keadaan penuh dan belum dihubungkan

dengan beban R seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.8 [4]. Sehingga tegangan

antara kedua kaki kapasitor adalah seperti diperlihatkan pada Persamaan (2.35):

= (2.35)

(50)

Ketika saklar ditutup seperti pada Gambar 2.9, maka muatan dalam

kapasitor akan segera mengalir dalam rangkaian. Hal ini mengakibatkan muatan

dalam kapasitor berkurang. Muatan yang bergerak dalam rangkaian tak lain adalah

arus listrik yang mengalir.

Gambar 2.10 Kapasitor terhubung seri ke beban

Grafik dari pengosongan dari sebuah kapasitor dapat kita lihat dari Gambar 2.11[3].

Gambar 2.11 Kurva pengosongan dari kapasitor

Saat kapasitor sedang melepaskan muatan melalui sebuah tahanan yang

terhubung seri dengan kapasitor, maka kurva pengosongan kapasitor adalah

penurunan ekponensial yang ditentukan oleh nilai tahanan dari resistor.

(51)

= − (2.36)

Penurunan rumus dapat dilihat dari Persamaan (2.19) hingga Persamaan

(2.27), lalu untuk persamaan tegangan pada kedua kaki kapasitor dijelaskan oleh

Persamaan (2.37):

= (2.37)

Kemudian untuk persamaan arus yang mengalir dalam rangkaian dijelaskan

pada Persamaan (2.38):

= (2.38)

2.2 Superkapasitor

Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan dari alternatif penyimpanan

energi menjadi lebih penting dari biasanya. Media penyimpanan energi telah

menarik perhatian oleh banyak peneliti [7]. Baterai dan superkapasitor sejauh ini

adalah komponen penyimpanan energi. Berdasarkan keuntungan dalam teknologi

dan peningkatan kapasitas penyimpanan energi, sistem ini mulai dipertimbangkan

untuk sistem penyimpanan energi pada Pembangkit Listrik Energi Terbarukan [8].

Baterai mampu dalam menyediakan energi yg besar, namun kurang dalam

hal kerapatan daya. Superkapasitor menyediakan kerapatan daya yang besar dan

kurang dalam menyimpan energi dibandingkan baterai, hal ini diperlihatkan pada

Gambar 2.12 [9] yang merupakan gambar perbandingan antara kerapatan daya dan

(52)

Gambar 2.12 Gambar Ragone

Penggunaan bersama kedua komponen ini menciptakan keseimbangan yang

sempurna untuk banyak aplikasi seperti UPS(Uninterruptible Power Supply).

Ketika beban tiba-tiba berubah dapat ditangani oleh superkapasitor dan baterai

dapat menangani beban yang konstan [10-11].

Superkapasitor merupakan suatu kapasitor dengan nilai kapasitansi yang

jauh lebih besar dari kapasitor biasa [12]. Hal yang membedakan superkapasitor

dengan kapasitor biasa adalah pada strukturnya, pada superkapasitor elektroda yang

dipakai berbasis pada material karbon, tidak seperti kapasitor biasa yang

menggunakan metal. Selain itu, tidak seperti kapasitor konvensional, kedua

elektroda tidak dipisahkan oleh dielektrik, efek kapasitansi superkapasitor muncul

akibat dua layer substrat karbon yang terpisah pada jarak yang sangat kecil di skala

nanometer, oleh sebab itu superkapasitor disebut juga dengan Electric Double

Layer Capacitor(EDLC). Luas permukaan eletroda pada superkapasitor dapat

diperbesar karena range dari jarak antara layer superkapasitor berada pada skala

nanometer, sehingga didapat suatu kapasitansi yang besar untuk ukuran divais yang

sama dengan kapasitor konvensional [13]. Strukutur dari sebuah superkapasitor

dapat dilihat pada Gambar 2.13 dimana kutub katoda dan anoda yang merupakan

(53)

Gambar 2.13 Struktur dari Superkapasitor

2.2.1 Perbedaan antara superkapasitor – kapasitor - baterai

Superkapasitor dikenal juga dengan ultrakapasitor, kapasitor dua lapisan

listrik-kimia. Superkapasitor memanfaatkan material permukaan elektroda yang

besar dan dielektrik elektrolit yang tipis untuk mendapatkan kapasitansi yang lebih

besar nilainya dari kapasitor konvensional biasa [14]. Gambar dari diagram

superkapasitor diperlihatkan oleh Gambar 2.14 [14].

Gambar 2.14 Diagram dari konstruksi superkapasitor [14]

Superkapasitor dapat menyimpan lebih banyak energi daripada kapasitor

konvensional dan memiliki kerapatan energi yang lebih besar dari baterai.

Superkapasitor bekerja berdasarkan prinsip dari kapasitansi dua lapisan pada

(54)

permukaan elektroda dan ion-ion dari seberang akan mengisi pada permukaan

elektrolit.

Seperti pada baterai, superkapasitor memiliki sebuah elektrolit didalamnya,

memisahkan bagian plat-platnya, dimana ini lebih mirip elektrolit pada baterai

daripada dielektrik pada kapasitor konvensional (yang mana mungkin hanya

potongan plastik atau hanya udara).

Perbandingan antara kapasitor konvensional, baterai dan superkapasitor

diperlihatkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Perbandingan antara baterai, kapasitor konvensional dan superkapasitor

2.2.2 Rangkaian Ekuivalen Superkapasitor

Karakteristik elektrik dari sebuah superkapasitor adalah lebih komplek dari

sebuah kapasitor konvensional. Kapasitor konvensional yang ideal menyimpan dan

mengubah semua energi tanpa adanya rugi-rugi [15]. Namun sebenarnya kapasitor

konvensional akan mengalami rugi-rugi berdasarkan tahanan dalam dan arus

bocor. Rangkaian ekuivalen untuk kapasitor konvensional dapat juga diterapkan

(55)

Gambar 2.15 Rangkaian ekuivalen superkapasitor

Rangkaian tersebut terdiri dari 4 elemen rangkaian ideal, kapasitansi dalam

(C), sebuah tahanan seri Rs (ESR), tahanan paralel (Rp) dan induktor (L). Tahanan

seri (ESR) memberikan rugi energi selama pengisian dan pengosongan. Tahanan

paralel (Rp) membuat rugi energi berdasarkan pengosongan kapasitor itu sendiri.

Komponen terakhir, sebuah induktor kecil (L) merupakan hasil dari konstruksi fisik

dari superkapasitor.

Tahanan paralel (Rp) sangat mungkin bisa diabaikan karena pada waktu

percobaan berlangsung Rp sangat kecil dibandingkan waktu pengosongan

superkapasitor sendiri. Dan juga arus pengisian dan pengosongan superkapasitor

hanya berasal dari DC, maka induktor (L) juga bisa diabaikan. Hasil dari rangkaian

ekuivalen yang lebih sederhana dari superkapasitor diperlihatkan oleh Gambar

2.16.

(56)

2.3 Baterai

Baterai merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengubah energi kimia

menjadi energi listrik. Perubahan ini dilakukan dengan memanfaatkan prinsip

transfer elektron dari satu material ke material lainnya melalui sirkuit elektrik.

Baterai saat ini banyak digunakan sebagai sumber suplai tenaga listrik bagi

perangkat-perangkat elektronik, sehingga perangkat elektronik dapat digunakan

tanpa harus menghubungkannya secara langsung dengan sumber listrik. Energi

listrik yang dihasilkan oleh baterai berasal dari konversi energi kimia karena di

dalamnya terjadi reaksi reduksi-oksidasi (redoks) [10].

Seperti yang telah dijelaskan, baterai mengubah energi kimia menjadi

energi listrik karena terjadi reaksi redoks dalam sel nya. Maka dari itu komponen

penyusun baterai itu sendiri tersusun atas elektroda positif (katoda), elektroda

negatif (anoda) dan larutan elektrolit seperti Gambar 2.17 [17].

Gambar 2.17Sel Baterai

Gambar 2.17 memperlihatkan bagaimana aliran elektron dari sebuah baterai

yang digunakan untuk menyalakan sebuah lampu. Katoda merupakan bagian

dimana terjadi proses oksidasi sedangkan anoda merupakan bagian dimana

(57)

utama tersebut, reaksi redoks dapat berlangsung dan bisa mengubah energi kimia

menjadi energi listrik.

Pada penelitian ini, yang akan diujikan adalah baterai tipe Lithium-ion yang

biasa digunakan sebagai baterai untuk smartphone yang sekarang sudah beredar

sangat banyak di pasaran. Dan ada tipe baterai lain yaitu Lead-acid. Pada Gambar

2.18 akan dijelaskan mengenai perbedaan antara baterai tipe Lithium-ion dengan

baterai tipe Lead-acid.

(58)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Superkapasitor adalah sebuah perangkat baru dari penyimpanan energi,

yang memiliki perbedaan yang jauh antara kapasitor biasa dan baterai.

Superkapasitor memiliki kapasitansi dan kerapatan energi yang lebih tinggi

dibanding kapasitor biasa. Superkapasitor juga memiliki waktu

pengisian-pengosongan yang cepat, serta umur yang panjang [1].

Tegangan yang dihasilkan oleh sebuah superkapasitor rentang antara

2,3-2,7V[2]. Superkapasitor dengan rentang tegangan berkisar 2,3-2,7V adalah

yang sering dipasarkan. Telah banyak juga penelitian mengenai superkapasitor

ini, diantaranya waktu pengisian-pengosongan, perhitungan rugi-rugi daya

berdasarkan nilai resistansi internal kapasitor dan masih banyak lainnya.

Namun jika dibutuhkan nilai tegangan yang lebih besar dari yang tersedia, maka

pilihan satu-satunya adalah dengan menserikan beberapa superkapasitor agar

mendapatkan nilai tegangan yang lebih besar.

Oleh sebab itu akan dilakukan simulasi untuk menganalisis dampak/akibat

dari beberapa superkapasitor yang disusun secara seri baik itu dampak nilai

tegangan, dan untuk mengetahui apakah superkapasitor layak sebagai pengganti

dari baterai, serta energi yang tersimpan pada superkapasitor. Simulink dari

MATLAB merupakan sebuah alat simulator yang sudah sangat sering

digunakan baik oleh para ahli maupun pakar elektronika. Dengan penelitian ini

(59)

1.2 Perumusan Masalah Tugas Akhir

Dalam Tugas Akhir ini dirumuskan beberapa masalah, yaitu:

1. Bagaimana karakteristik dari superkapasitor.

2. Bagaimana dampak apabila superkapasitor disusun secara seri dan

terhubung ke beban.

3. Apa superkapasitor mampu untuk sebagai pengganti dari baterai.

1.3 Tujuan Tugas Akhir

Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah:

1. Untuk mengetahui karakteristik dari superkapasitor,

2. Untuk mengetahui dampak yang dihasilkan dari suiperkapasitor yang

disusun seri.

1.4 Batasan Masalah Tugas Akhir

Batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah:

1. Karakteristik superkapasitor yang diamati adalah tegangan, kapasitansi,

dan energi yang tersimpan dalam superkapasitor.

2. Dampak yang dimati adalah nilai dari perubahan tegangan yang terjadi

pada tiap superkapasitor tersusun seri.

3. Baterai yang akan disimulasikan dan jadi pembanding adalah baterai

(60)

1.5 Manfaat Tugas Akhir

Tugas Akhir ini diharapkan dapat menampilkan data-data yang akurat

mengenai superkapasitor tersusun seri, sehingga dapat membantu masyarakat

yang ingin menyusun superkapasitor secara seri.

1.6 Metodologi Penelitian

Metodologi yang digunakan pada penelitian Tugas Akhir ini adalah

sebagai berikut:

1. Studi literatur

Studi literatur berkaitan dengan studi kepustakaan dan kajian dari

berbagai sumber pustaka yang relevan dan mendukung dalam penulisan

Tugas Akhir ini.

2. Pengumpulan Data

Penulis melaksanakan pengumpulan data-data superkapasitor baik

tersusun seri maupun paralel, prinsip kerja dari superkapasitor.

3. Pemodelan dan Simulasi

Setelah mendapatkan data dan diolah, maka akan dimodelkan dalam

bentuk simulasi menggunakan perangkat lunak SIMULINK/MATLAB.

4. Analisis Data

Analisis meliputi nilai tegangan dan arus dari superkapasitor yang

tersusun seri maupun paralel yang terhubung ke beban.

5. Penulisan Buku Tugas Akhir

(61)

permasalahan yang dianalisis. Selain itu juga akan diberikan saran

sebagai masukan berkaitan dengan apa yang telah dilakukan.

1.7 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan Tugas Akhir ini dibagi menjadi lima

bab dengan masing-masing bab diuraikan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini membahas tentang latar belakang masalah, perumusan masalah,

batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika

penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini membahas dasar teori yang berhubungan dengan superkapasitor dan

baterai sebagai media penyimpanan energi listrik.

BAB III : PERANCANGAN SIMULASI

Bab ini membahas tentang uraian perencanaan dan pembuatan simulasi

BAB IV : HASIL SIMULASI DAN ANALISIS

Bab ini berisi tentang hasil pengujian dan analisis terhadap simulasi yang

dilakukan

BAB V : PENUTUP

(62)

ABSTRAK

Superkapasitor adalah sebuah perangkat baru dari penyimpanan energi, yang

memiliki perbedaan yang jauh antara kapasitor biasa dan baterai. Superkapasitor

memiliki kapasitansi dan kerapatan energi yang lebih tinggi dibanding kapasitor biasa.

Superkapasitor juga memiliki waktu pengisian-pengosongan yang cepat, serta umur

yang panjang. Namun superkapasitor hanya memiliki rentang nilai tegangan antara

2,3-2,7 V. Jadi untuk mendapatkan nilai tegangan yang lebih besar, superkapasitor harus

disusun secara seri. Superkapasitor yang tersusun seri ini pun menghadirkan masalah

baru seperti adanya ketidakseimbangan tegangan pada tiap-tiap superkapasitor, hal ini

dapat mengakibatkan berkurangnya kapasitas penyimpanan superkapasitor.

Oleh karena itu akan diadakan studi mengenai superkapasitor tersusun seri.

Studi ini berdasarkan pada simulasi yang dilakukan pada perangkat lunak MATLAB

menggunakan SIMULINK. Hasil yang diperoleh dari studi penelitian ini adalah

berdasarkan pengujian dengan baterai 3.6 V dan 0.9 Ah didapatkan bahwa, satu

superkapasitor tidak dapat digunakan sebagai pengganti baterai. Sementara untuk

superkapasitor yang tersusun seri dapat menggantikan baterai, untuk dua

superkapasitor selama 23.5 detik, tiga superkapasitor 30.5 detik, dan empat

superkapasitor selama 30.1 detik. Semakin banyak superkapasitor yang tersusun seri,

maka nilai tegangan akan semakin bertambah. Namun juga akan semakin cepat

(63)

TUGAS AKHIR

STUSI TENTANG PERILAKU SUPERKAPASITOR TERSUSUN SERI

SEBAGAI PENGGANTI BATERAI MENGGUNAKAN SIMULINK MATLAB

Diajukan untuk memenuhi persyaratan dalam

Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh:

TONY PUTRA L. TOBING

NIM : 110402042

SEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MESAN

(64)

(65)