EFISIENSI CHARGER BATERAI DARI SUMBER PANEL SURYA DENGAN METODE PULSE WIDTH MODULATION
SKRIPSI
PETER JAYA NEGARA SIMANJUNTAK 140801077
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2018
PENGHARGAAN
Segala Puji dan Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa dengan Rahmat-Nya yang senantiasa menyertai penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Pada kesempatan ini, penulis juga mengucapkan terimakasih terkhusus kepada Ayahanda J.E.Simanjuntak dan Ibunda S.Situmorang yang telah mendidik dan membesarkan penulis sampai saat ini dan selalu memberikan dukungan moral dan moril serta doa, kepercayaan dan semangat selama ini kepada penulis. Dengan sepenuh hati, penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1.Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS, sebagai Ketua Departemen Fisika FMIPA USU.
2.Bapak Dr. Kerista Tarigan, M.Eng,Sc Selaku Pembimbing yang telah membantu dan memberikan waktu, saran serta dukungan selama bimbingan.
3.Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si Selaku Kepala Laboratorium Teknologi Digital yang telah memberikan saran , nasehat serta dukungan.
4.Seluruh Staff Dosen pengajar serta para Pegawai di Departemen Fisika USU yang telah membantu, memberikan pembelajaran, moral maupun materi selama perkuliahan.
5.Seluruh Mahasiswa Fisika USU terkhusus Physics Immortal yang tidak dapat disebutkan satu-persatu yang memberikan motivasi kepada penulis .
6.Rekan-rekan Asisten Laboratorium Elco, Berkat, Jacky (ELAN), Alindra (ELDAS), Vivi, Memei, Elyana, Berto yang ikut memberikan motivasi .
7.Saudari kandung saya Pertiwi Restu Negara Simanjuntak dan Prestine Cassia Negara Simanjuntak yang telah memberikan motivasi dan doa selama ini.
8.Mariana Situmorang dan Sahabat yang selalu setia memberikan motivasi kepada penulis.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penyelesaian skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu kritik dan saran yang bersifat membangun sangat diharapkan dari para pembaca.
Medan, Juli 2018
Peter Jaya Negara Simanjuntak
EFISIENSI CHARGER BATERAI DARI SUMBER PANEL SURYA DENGAN METODE PULSE WIDTH MODULATION
ABSTRAK
Telah dirancang suatu alat charger baterai dari sumber daya panel surya dengan menggunakan metode pulse width modulation. Dimana metode pulse width modulation merupakan suatu cara dengan memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Dengan menggunaan metode pulse width modulation alat ini dapat mengatur proses pengisian dan pengosongan yang dilakukan pada suatu beban pada baterai. Pada proses pengosongan baterai, beban akan menggunakan supply dari baterai dan ketika kondisi pada baterai memungkinkan untuk di isi, MOSFET akan menghentikan proses pengosongan pada baterai dan meloloskan tegangan dari panel surya untuk mengisi baterai hingga keadaan baterai mencapai batas pengisian.
Kata kunci: Charger Solar Energy, MOSFET , Pulse Widht Modulation.
EFFICIENCY OF CHARGER BATTERY SOLAR PANEL WITH PULSE WIDTH MODULATION METHOD
ABSTRACT
Battery charger device has been designed from solar panel resources by using pulse width modulation method. Where the pulse width modulation method is a way to manipulate signal width expressed by pulse in one period to get different mean voltage. By using the method of pulse width modulation this tool can adjust the charging and discharging process performed on a load on the battery. In the process of discharging the battery, the load will use the supply from the battery and when the conditions on the battery allow to be filled, the MOSFET will stop the discharge process on the battery and pass the voltage from the solar panel to charge the battery until the battery state reaches the charging limit.
Keywords: Charger Solar Energy, MOSFET , Pulse Widht Modulation.
DAFTAR ISI
Halaman
PENGESAHAN SKRIPSI i
PERNYATAAN ORISINALITAS ii
PENGHARGAAN iii
ABSTRAK iv
ABSTRACT v
DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR ix
DAFTAR LAMPIRAN xi
DAFTAR SINGKATAN xii
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1. Latar belakang 1 1.2. Rumusan Masalah 2 1.3. Batasan Masalah 21.4. Tujuan Penelitian 2 1.5. Manfaat Penelitian 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 4
2.1. Panel Surya 4 2.1.1 Jenis Panel Surya 5 2.1.2 Karakteristik Panel Surya 6 2.1.3 Daya Panel Surya 8 2.1.3 Efisiensi Panel Surya 8 2.1.3 Cara Kerja Panel Surya 9 2.2 Solar Charger 10 2.2.1 PWM 10 2.2.1 MPPT 112.3 Baterai (Accumulator) 12 2.3 Arduino Nano 13 2.3.1 Pengenalan Arduino Nano 13 2.3.2 Spesifikasi Arduino Nano 14 2.3.3 Sumber Daya 14 2.3.4 Pemetaan Pin pada Arduino Nano 14 2.3.5 Memory 15 2.3.6 Input dan Output 15 2.3.7 Komunikasi 17 2.3.8 Software & Pemograman 17 2.3.8.1 Setup 18
2.3.8.2 Loop ( Perulangan ) 18
2.7 Komponen Induktif - Induktor 19
2.8 Dioda 20
2.8.7 LED (Light Emitting Diode) 20
2.9 Transistor 21
2.9.1 Teori Dasar Transistor 21
2.9.2 Karakteristik MOSFET 22
2.9 Liquid Crystal Display (LCD 16x2) 22
BAB III METODE PENELITIAN 24
3.1 Diagram Blok 24
3.2 Rancangan charger 25
3.3 Rancangan Display 26
3.4 Rancangan Keseluruhan 27
3.5 Diagram Alir 28
BAB IV PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM 29
4.1 Pengujian Tegangan dengan LCD 16x2 29
4.2 Pengujian Cas Baterai metode PWM 30
4.2.1 Uji tegangan dari panel surya 37
4.2.2 Uji arus dari panel surya 38
4.2.3 Uji tegangan charging pada baterai 38
4.2.4 Uji arus pada baterai 39
4.2.5 Uji tegangan pada beban 39
4.2.6 Uji arus pada beban 40
4.2.7 Uji discharging baterai 40
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 44
5.1. Kesimpulan 44
5.2. Saran 45
DAFTAR PUSTAKA
46LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
No. Tabel Judul Halaman
4.1 Tabel daya charging 20
4.2 Tabel daya panel surya 20
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar Judul
Halaman
2.1 Bentuk sel Monocrystalline 5
2.2 Bentuk sel Polycrystalline 6
2.3 Kurva Karakteristik Arus & Tegangan Panel Surya 7
2.4 Cara Kerja Panel Surya 9
2.5 Modul panel surya pada keadaan standar 11
2.6 Baterai 13
2.7 Arduino Nano tampak belakang 13
2.8 Pemetaan Arduino 15
2.9 Arduino Nano Tampak Depan & Pin Konfigurasi 15
2.10 Simbol induktor 19
2.11 Simbol dioda 20
2.12 Simbol LED 21
2.13 Transistor bipolar NPN & PNP 22
2.14 LCD 16x2 23
3.1 Diagram Blok 24
3.2 Rancangan Charger 25
3.3 Rancangan Display LCD dengan Arduino Nano 26
3.4 Rancangan Keseluruhan 27
3.5 Diagram Alir 28
4.1 Uji coba tengangan dengan multimeter 30
4.2 Uji tegangan panel surya 37
4.3 Uji arus dari panel surya 38
4.4 Uji tegangan pada baterai 38
4.5 Uji arus pada baterai 39
4.6 Uji tegangan beban 39
4.7 Uji arus beban 40
4.8 Uji discharging 40
4.9 Kurva tegangan panel surya charging baterai 42
4.10 Kurva arus rata-rata panel surya dan baterai 42
4.11 Kurva daya rata-rata panel surya dan baterai 43
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Program Lengkap Lampiran 2. Rangkaian Lengkap Lampiran 3. Foto Alat
Lampiran 4. Datasheet
DAFTAR SINGKATAN
Voc = Open Circuit Voltage Isc = Short Circuit Curent FF = Fill Factor
Pin = Daya masuk
Pout = Daya keluar
Ni-Cd = Nickel – Cadmium
Ah = Ampere – hour
DC = Direct Current USB = Universal Serial Bus SMD = Surface Mount Device
SRAM = Static Random Access Memory
EEPROM = Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory PWM = Pulse Width Modulation
RX – TX = Reciver - Transmitter
FDTI = Fiber Distributed Data Interconnect IDE = Integrated Development Environment LED = Light Emitting Diode
PNP = Positive Negative Positive NPN = Negative Positive Negative
MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor LCD = Liquid Crystal Display
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi matahari merupakan salah satu pilihan yang tepat untuk mengurangi krisis energi sebab sumber energi inilah yang tidak ada habisnya. Matahari dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi energi listrik dengan bantuan dari sel surya. Sel surya hadir sebagai teknologi yang dapat mengubah energi sinar matahari menjadi energi listrik.
Energi yang dihasilkan oleh sel surya tidak semuanya langsung digunakan pada peralatan elektronik tetapi tersimpan dalam sebuah baterai agar Lead Acid Battery ( ACCU ), karena dapat diisi ulang sehingga sangat efisien untuk digunakan pada sistem modul surya. Oleh karena energi listrik yang dihasilkan sel surya disimpan kedalam baterai maka setiap proses pengisian dan pengosongan baterai yang tidak sesuai dengan kapasitas baterai akan menyebabkan kerusakan pada baterai.
Oleh karena itu, untuk mencegah kerusakan pada baterai dibutuhkan sebuah alat pengendali yang berfungsi untuk mengatur proses pengisian (charging) dan pemakaian (dis-charging) baterai yang sesuai dengan kapasitas baterai. Alat tersebut dikenal sebagai Charge controller .
Pulse Width Modulation (PWM) merupakan cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode untuk mendapatkan tegangan rata- rata yang berbeda. Salah satu alat yang bekerja dengan prinsim PWM adalah Solar Charger Controler yang digunakan untuk mengkontrol tegangan yang masuk ke dalam baterai dan juga digunakan untuk mencegah kerusakan pada baterai dalam proses pengisian charging dan pemakaian discharging. Jika tegangan berada dalam kapasitas baterai, charge controller akan melewatkan tegangan dari sel surya melalui gerbang MOSFET untuk mengisi baterai dan akan menghentikan proses pengisian saat tegangan melebihi kapasistas baterai.
Pada penelitian ini, akan di rancang suatu alat cas baterai sekaligus sebagai pengendali dimana fungsinya untuk mengatur seberapa besar tegangan dan arus yang
segera isi atau diberi tegangan dan arus pada saat tegangan baterai memungkinkan untuk di isi.
Berdasarkan uraian diatas penulis merancang dan melakukan penelitian membuat alat yaitu: “EFISIENSI CHARGER BATERAI DARI SUMBER PANEL SURYA DENGAN METODE PULSE WIDTH MODULATION”.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah yang dibahas dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana merancang alat cas baterai panel surya dengan menggunakan metode PWM.
2. Bagaimana mengurangi kerusakan pada baterai saat charging dan discharging.
3. Bagaimana efisiensi alat cas baterai yang menggunakan metode Modulasi Lebar Pulsa ( PWM ).
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang akan dibahas dalam penelitian ini adalah:
1. Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino Nano yang di program dengan Arduino Software (IDE) sebagai pengendali utama
2. Pada system charge control ini menggunakan Sensor Tegangan yaitu hanya untuk mengetahui seberapa besar tegangan masuk dari panel surya , tegangan pada baterai dan kemudian ditampilkan lewat LCD 16 x 2
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari , merancang dan menentukan efisiensi alat cas baterai panel surya yang menggunakan metode PWM .
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk mengetahui efisiensi alat cas baterai panel surya metode PWM 2. Untuk mempelajari prinsip kerja alat cas baterai panel surya
3. Untuk membantu mengurangi batas kerusakan pada baterai sewaktu pengisian dari panel surya.
4. Untuk membantu perancangan PLTS untuk industri kecil maupun kebutuhan listrik rumah tangga dengan metode PWM yang relatif lebih mudah.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Panel Surya
Edmund Bequerel adalah seorang fisikawan asal perancis yang mencatat efek fotolistrik pada tahun 1839. Dia menemukan bahwa bahan-bahan tertentu memiliki sifat untuk menghasilkan sejumlah kecil arus listrik ketika terkena sinar matahari.
Pada tahun 1905, Albert Einstein memaparkan sifat cahaya dan efek fotolistrik yang telah menjadi prinsip dasar untuk teknologi panel surya. Modul panel surya pertama dibuat di laboratorium Bell pada tahun 1954.
Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi energi listrik. Disebut juga surya atau matahari atau "sol" karena matahari merupakan sumber cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya listrik". Sel surya bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi.
Pada umumnya, solar cell merupakan sebuah hamparan semi konduktor yang dapat menyerap photon dari sinar matahari dan mengubahnya menjadi listrik. Sel surya tersebut dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel surya. Sel surya pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif.
Pada sel surya terdapat sambungan (function) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing - masing yang diketahui sebagai semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (Negatif). Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positif . Dibawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatif.
2.1.1 Jenis Panel Surya
Panel surya memiliki beberapa jenis yang berbeda tergantung dari bahan yang dipakai. Bahan yang dipakai panel surya membedakan kualitas dari panel surya yaitu kualitas tegangan dan arus. Jenis panel surya antara lain :
1. Crystalline Silikon
Bahan yang paling utama dalam pembuatan sel surya crystalline adalah silikon. Materi ini tidak dalam bentuk murni, tetapi dalam senyawa kimia dengan oksigen dalam bentuk kuarsa atau pasir. Oksigen tidak diperlukan maka harus lebih dulu dipisahkan dari silikon dioksida.
a. Sel silikon monocrystalline
Proses Czochralski (crucible drawing process) menjadi patokan dalam produksi silikon kristal tunggal untuk penggunaan peralatan yang berhubungan dengan bumi (terrestrial). Pada proses ini, bahan dasar dari polycrystalline (polysilicon) dilelehkan di dalam suatu wadah kuarsa, pada suhu sekitar 14200C.
Sebuah biji kristal dicelupkan ke dalam lelehan silikon tadi dan perlahan- lahan ditarik ke atas keluar dari lelehan. Selama proses ini, kristal akan berubah menjadi monocrystal berbentuk silinder dengan diameter mencapai 30 cm. Kristal tunggal silinder ini dipotong untuk membentuk batangan semi bulat atau persegi yang kemudian dipotong lagi dengan menggunakan gergaji kawat menjadi lempeng- lempeng tipis dengan tebal sekitar 0,3 mm. Lapisan berbentuk wafer itu lalu dibersihkan dengan pembasahan secara kimia dengan pengetsaan dan pembilasan untuk menghilangkan sisa-sisa pemotongan dan bekas pemotongan. Mulai dari bagian mentah (raw wafers) kemudian lapisan didopingdengan boron menjadi tipe p sementara tipe n dibuat dengan mendoping fosfor.
Gambar 2.1 Bentuk Sel Monocrystalline (a). sel monocrystalline persegi (b). sel monocrystalline semi bulat (c). sel monocrystalline bulat
b. Sel Silikon polycrystalline
Material silikon mula-mula dilelehkan didalam wadah kuarsa. Pada metode balok tuang (block cast method), balok silikon berukuran besar atau ingot akan terbentuk. Ingot biasanya dipotong-potong menjadi batangan-batangan dengan menggunakan gergaji pita (band saw) dan kemudian dipotong lagi menjadi lempengan-lempengandengan ketebalan sekitar 0,3 mm dengan menggunakan gergaji kawat.Setelah pembersihan dan penambahan fosfor, lapisan anti pantul digunakan.
Gambar 2.2 Bentuk Sel Polycrystalline (a). Sel polycrystalline tanpa lapisan anti – reflektif. (b). Sel polycrystalline dengan lapisan anti – reflektif.
(c) Sel polycrystalline dengan lapisan anti – reflektif dan garis grid hubung
2.1.2 Karakteristik Panel Surya
Beberapa karakteristik penting sel surya terdiri dari tegangan open circuit (Voc), arus hubungan singkat (Isc), efek perubahan intensitas cahaya matahari, efek perubahan temperatur serta karakteristik arus– tegangan (V-I characteristic) pada sel surya, berikut ini kurva karakteristik arus dan tegangan pada panel surya :
Gambar 2.3 Kurva Karakteristik Arus dan Tegangan Pada Panel Surya
Keterangan Gambar kurva antara lain :
a. Tegangan open circuit (Voc) adalah tegangan yang dibaca pada saat arus tidak mengalir atau bisa disebut juga arus sama dengan nol. Cara untuk mencapai open circuit (Voc) yaitu dengan menghubungkan kutub positif dan kutub negatif modul surya dengan voltmeter, sehingga akan terlihat nilai tegangan open circuit sel surya pada voltmeter.
b. Arus short circuit (Isc) adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh modul sel surya dengan cara menge-short-kan kutub positif dengan kutub negatif pada modul surya. Dan nilai Isc akan terbaca pada amperemeter.
c. Efek perubahan intensitas cahaya matahari, apabila jumlah energi cahaya matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan penurunan arus listriknya.
d. Efek perubahan suhu pada sel surya, sel surya akan bekerja secara optimum pada suhu konstan yaitu 25°C. Jika suhu disekitar sel surya meningkat melebihi 25°C, maka akan mempengaruhi fill factor sehingga tegangan akan berkurang. Selain itu, efisiensi sel surya juga akan menurun beberapa persen. Sedangkan sebaliknya, arus yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu pada sel surya.
e. Penggunaan tegangan dari sel surya bergantung dari bahan semikonduktor yang digunakan. Jika menggunakan bahan silikon, maka tegangan yang dihasilkan dari setiap sel surya berkisar 0,5 V. Modul surya merupakan gabungan beberapa sel surya yang dihubungkan secara seri dan paralel. Tegangan dihasilkan dari sel surya bergantung dari radiasi cahaya matahari. Untuk arus yang dihasilkan dari sel surya bergantung dari luminasi (kuat cahaya) matahari, seperti pada saat cuaca cerah atau mendung.
Nilai faktor pengisian ( Fill Factor ) dapat diperoleh dari persamaan : FF = 𝑉𝑜𝑐−ln(𝑉𝑜𝑐+0,72)
𝑉𝑜𝑐+1 (2.1) 𝑉𝑜𝑐= tegangan rangkaian terbuka pada sel surya (Volt)
2.1.3 Daya Panel Surya
Daya yang dihasilkan panel surya berbanding lurus dengan besar intensitas cahaya matahari. Semakin besar intensitas cahaya matahari yang di terima panel surya maka daya yang dihasilkan panel surya semakin besar. Jika luas sel surya adalah (A) dengan intensitas (J) tertentu, maka daya input sel surya (Pin) diperoleh pada Persamaan :
𝑃𝑖𝑛 = 𝐽𝐴 (2.2) 𝑃𝑖𝑛= daya yang diterima akibat dari radiasi matahari (Watt)
𝐽 = intensitas cahaya ( W/𝑚2)
𝐴 = luas area permukaan sel surya (𝑚2)
Besar daya output sel surya (𝑃𝑜𝑢𝑡) yaitu perkalian tegangan rangkaian terbuka (𝑉𝑜𝑐), arus hubungan singkat (𝐼𝑠𝑐) dan fill factor (FF) yang dihasilkan oleh sel surya dapat diperoleh dengan persamaan.
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐𝐹𝐹 (2.3) 𝑃𝑜𝑢𝑡= daya yang dibangkitkan oleh sel surya (Watt)
𝑉𝑜𝑐 = tegangan rangkaian terbuka pada sel surya (Volt) 𝐼𝑠𝑐= arus hubungan singkat terbuka sel surya (Volt) FF = Faktor pengisian ( Fill Factor )
2.1.4 Efisiensi Panel Surya
Energi cahaya matahari yang di terima oleh sel surya dapat diubah menjadi energi listrik. Semakin besar energi cahaya yang diserap maka semakin besar energi listrik yang dapat dihasilkan. Maka konversi energi inipun memiliki nilai efisiensi didalamnya. Efisiensi keluaran maksimun (η) didefenisikan sebagai persentase keluaran daya optimum terhadap energi cahaya.
η = 𝑝𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛 x 100% (2.4) η = efisiensi sel surya (%)
𝑝𝑜𝑢𝑡 = daya yang dibangkitkan oleh sel surya (Watt) 𝑃𝑖𝑛 = daya yang diterima akibat radiasi matahari (Watt)
2.1.5 Cara Kerja Panel Surya
Cara kerja panel surya berdasarkan pada prinsip dasar efek fotolistrik. Jadi, dalam sel Photovoltaic, ketika cahaya matahari mengenai permukaannya, sebagian energi matahari diserap bahan semikonduktor tersebut. Jika energi yang diserap lebih besar dari energi semikonduktor, elektron dari ikatan valensinya akan bebas. Oleh sebab itu, sepasang elektron-hole dibentuk dalam daerah yang terkena cahaya pada semikonduktor. Elektron-elektron yang dibentuk demikian menjadi elektron bebas.
Akibat aksi medan listrik didalam photovoltaic, elektron-elektron bebas itu dipaksa menuju arah yang istimewa. Elektron yang mengalir ini merupakan arus dan dapat digunakan pada penggunaan eksternal dengan menghubungkan pelat logam di atas dan bawah sel photovoltaic.
Gambar 2.4 Cara Kerja Panel Surya
Pada umunya, dalam proses ini sel surya menghasilkan tegangan antara 0,5 dan 1V, tergantung intensitas cahaya dan zat semikonduktor yang dipakai. Dalam penggunaannya, sel-sel surya itu dihubungkan satu sama lain, sejajar atau seri, tergantung dari apa yang diperlukan, untuk menghasilkan daya dengan kombinasi tegangan dan arus yang dikehendaki.
Tenaga listrik dihasilkan oleh satu sel surya sangat kecil, maka beberapa sel surya harus digabung sehingga terbentuklah satuan komponen yang disebut modul.
Pada aplikasinya, karena tenaga listrik yang dihasilkan oleh modul ini masih kecil, maka dalam pemanfaatannya beberapa modul digabungkan sehingga terbentuklah apa yang disebut array.
2.2 Solar Charger
Tegangan dari panel surya yang tidak sesuai dengan kapasitas atau tegangan baterai dapat mengakibatkan kerusakan pada baterai. Beberapa jenis Solar Charger surya dapat mengkontrol pengisian baterai sehingga baterai tidak cepat rusak. Sel surya dihubungkan menggunakan solar charger sehingga daya dari panel surya dapat diolah maupun disimpan dalam baterai . Dan juga dapat menjadi sumber tambahan energi pada siang hari.
Sebuah panel surya dapat menghasilkan berbagai tegangan, tergantung pada intensitas cahaya matahari, sehingga regulator tegangan harus dimasukkan dalam rangkaian pengisian agar tidak over-charge (overvoltage) seperti baterai mobil 12 volt.
Dalam charging mode, umumnya baterai diisi dengan metoda 3 fase charging:
• Fase bulk: baterai akan di-charge sesuai dengan tegangan setup (bulk - antara 14.4 - 14.6 Volt) dan arus diambil secara maksimum dari panel surya / solar cell. Pada saat baterai sudah pada tegangan setup (bulk) dimulailah fase absorption.
• Fase absorption: pada fase ini, tegangan baterai akan dijaga sesuai dengan tegangan bulk, sampai solar charge controller timer (umumnya satu jam) tercapai, arus yang dialirkan menurun sampai tercapai kapasitas dari baterai.
• Fase flloat: baterai akan dijaga pada tegangan float setting (umumnya 13.4 - 13.7 Volt). Beban yang terhubung ke baterai dapat menggunakan arus maksimun dari panel surya / solar cell pada stage ini.
2.2.1 PWM
Jenis PWM ( Pulse Width Modulation) adalah salah satu teknik modulasi dengan mengubah lebar pulsa (duty cylce) dengan nilai amplitudo dan frekuensi yang tetap. Satu siklus pulsa merupakan kondisi high kemudian berada di zona transisi ke kondisi low. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Duty Cycle merupakan representasi dari kondisi logika high dalam suatu periode sinyal dan di nyatakan dalam bentuk (%) dengan range 0%
sampai 100%, sebagai contoh jika sinyal berada dalam kondisi high terus menerus artinya memiliki duty cycle sebesar 100%. Jika waktu sinyal keadaan high sama dengan keadaan low maka sinyal mempunyai duty cycle sebesar 50%.
2.2.2 MPPT
Maximum Power Point Tracking atau sering disingkat dengan MPPT merupakan sebuah sistem elektronik yang dioperasikan pada sebuah panel photovoltaic (PV) sehingga panel photovoltaic bisa menghasilkan power maksimum.
Perlu diperhatikan, MPPT bukanlah sebuah sistem tracking mekanik yang digunakan untuk mengubah posisi modul terhadap posisi matahari sehingga mendapatkan energi maksimum matahari. MPPT benar-benar sebuah sistem elektronik yang bisa menelusuri titik power maksimum power yang bisa dikeluarkan oleh sebuah panel PV.
Gambar 2.5 Modul solar sell pada keadaan standar
Apabila sebuah PV panel dihubungkan langsung pada sebuah charger/ disharger batere. PV panel tersebut mempunyai karakteristik seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.5 yaitu pada temperatur dan insolasi tertentu. Bisa dilihat pada grafik bahwa apabila MPPT tidak digunakan, maka power yang bisa diekstrak dari PV panel hanyalah 53Watt pada saat tegangan 12 Volt atau dengan kata lain power maksimum yang bisa digunakan hanyalah 70.67% dari power maximum sebenarnya.
Dengan menggunakan MPPT maka power maksimum yang bisa diambil dari PV panel bisa dicapai.
2.3 Baterai (Accumulator)
Baterai berfungsi untuk menyimpan arus listrik yang dihasilkan oleh panel surya sebelum dimanfaatkan untuk mengoperasikan beban. Beban dapat berupa peralatan elektronik yang membutuhkan listrik DC. Accumulator atau yang akrab disebut accu/aki berperan sebagai penyimpan listrik dan sekaligus sebagai penstabil tegangan dan arus listrik.
Akumulator dapat diartikan sebagai sel listrik yang berlangsung proses elekro kimia secara bolak-balik (reversible) dengan nilai efisiensi yang tinggi. Disini terjadi proses pengubahan tenaga kimia menjadi tenaga listrik, dan sebaliknya tenaga listrik menjadi tenaga kimia dengan cara regenerasi dari elektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dengan arah yang berlawanan di dalam sel-sel yang ada dalam akumulator. Saat pengisian tenaga listrik dari luar diubah menjadi tenaga listrik didalam akumulator dan disimpan didalamnya.
Dalam hal lain baterai juga berfungsi sebagai pembangkit listrik tenaga matahari yang pada umumnya hanya aktif pada saat siang hari (pada saat sinar matahari ada). Sehingga untuk keperluan malam hari solar cell tidak dapat digunakan. Untuk mengatasi hal tersebut, maka energi yang dihasilkan solar cell pada siang hari disimpan sebagai energi cadangan pada saat matahari tidak tampak.
Untuk menyimpan energi tersebut dipakai suatu baterai sebagai penyimpanan muatan energi. Baterai digunakan untuk sistem pembangkit tenaga listrik matahari mempunyai fungsi yang ganda.
Di suatu sisi baterai berfungsi sebagai penyimpanan energi, sedang disisi lain baterai harus dapat berfungsi sebagai satu daya dengan tegangan yang konstan untuk menyuplai beban. Menurut penggunaan baterai dapat diklasifikasikan menjadi : a. Baterai Primer
Baterai primer hanya digunakan dalam pemakaian sekali saja. Pada waktu baterai dipakai, material dari salah satu elektroda menjadi larut dalam elektrolik dan tidak dapat dikembalikan dalam keadaan semula.
b. Baterai Sekunder
Baterai sekunder adalah baterai yang dapat digunakan kembali dan kembali dimuati.
Pada waktu pengisian baterai elektroda dan elektrolik mengalami perubahan kimia, setelah baterai dipakai, elektroda dan elektrolit dapat dimuati kembali, kondisi semula setelah kekuatannya melemah yaitu dengan melewatkan arus dengan arah yang berlawanan dengan pada saat baterai digunakan. Pada saat dimuati energi listrik diubah dalam energi kimia. Jadi, dapat kita ketahui bahwa fungsi baterai pada rancangan pembangkit tenaga surya ini adalah untuk menyimpan energi yang dihasilkan solar cell pada siang hari, tujuannya adalah untuk menyimpan energi listrik cadangan ketika cuaca mendung atau hujan serta pada malam hari.
Gambar 2.6 Baterai
2.4 Arduino Nano
2.4.1 Pengenalan Arduino Nano
Arduino Nano adalah salah satu papan pengembangan mikrokontroler yang berukuran kecil, lengkap dan mendukung penggunaan breadboard. Arduino Nano diciptakan dengan basis mikrokontroler ATmega328 (untuk Arduino Nano versi 3.x) atau ATmega 168 (untuk Arduino versi 2.x). Arduino Nano kurang lebih memiliki fungsi yang sama dengan Arduino Duemilanove, tetapi dalam paket yang berbeda.
Arduino Nano tidak menyertakan colokan DC berjenis Barrel Jack, dan dihubungkan ke komputer menggunakan port USB Mini-B. Arduino Nano dirancang dan diproduksi oleh perusahaan Gravitech.(Ihsan : 2016, 1).
Gambar 2.7 Arduino Nano Tampak Belakang
2.4.2 Spesifikasi Arduino Nano
Mikrokontroler : Atmel ATmega168 atau ATmega 328 Tegangan Operasi : 5 V
Input Voltage (disarankan) : 7-12 V Input Voltage (limit) : 6-20 V
Pin Digital I/O : 16 ( 6 pin sebagai output PWM) Pin Input Analog : 8
Arus DC per I/O : 40mA
Flash Memory : 16KB (ATmega168) atau 23KB (ATmega328) SRAM : 1 KB (ATmega168) atau 2 KB (ATmega 328) EEPROM : 512 byte (ATmega 168) atau 1 KB (ATmega 328)
Clock Speed : 16 MHz
Ukuran : 1,85 cm x 4,3 cm
2.4.3 Sumber Daya
Arduino Nano dapat diaktifkan melalui koneksi USB Mini-B, atau melalui catu daya eksternal dengan tegangan belum teregulasi antara 6-20 Volt yang dihubungkan melalui pin 30 atau pin VIN, atau melalui catu daya eksternal dengan tegangan teregulasi 5 volt melalui pin 27 atau pin 5V. Sumber daya akan secara otomatis dipilih dari sumber tegangan yang lebih tinggi. Chip FTDI FT232L pada Arduino Nano akan aktif apabila memperoleh daya melalui USB, ketika Arduino Nano diberikan daya dari luar (Non-USB) maka Chip FTDI tidak aktif dan pin 3.3V pun tidak tersedia (tidak mengeluarkan tegangan), sedangkan LED TX dan RX pun berkedip apabila pin digital 0 dan 1 berada pada posisi HIGH.
2.4.4 Pemetaan Pin pada Arduino Nano
Pemetaan pin pada Arduino dapat terlihat. Perhatikan pemetaan antara pin Arduino Nano dan port ATmega328 SMD. Pemetaan untuk ATmega8, ATmega168, dan ATmega328 sangat identik atau sama persis.
Gambar 2.8 Pemetaan Arduino Nano
Dapat dilihat untuk pin-pin yang ada pada Arduino Nano, terdapat 30 pin yang tersedia.
Gambar 2.9 Arduino Nano Tampak Depan dengan Pin Konfigurasi Arduino Nano 2.4.5 Memory
ATmega168 memiliki 16 KB flash memory untuk menyimpan kode (2 KB digunakan untuk bootloader); Sedangkan ATmega328 memiliki flash memory sebesar 32 KB, (juga dengan 2 KB digunakan untuk bootloader). ATmega168
memiliki 1 KB memory pada SRAM dan 512 byte pada EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan perpustakaan EEPROM); Sedangkan ATmega328 memiliki 2 KB memory pada SRAM dan 1 KB pada EEPROM
2.4.6 Input dan Output
Masing-masing dari 14 pin digital pada Arduino Nano dapat digunakan sebagai input atau output, dengan menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Semua pin beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima arus maksimum 40 mA dan memiliki resistor pull-up internal (yang terputus secara default) sebesar 20-50 KOhm. Selain itu beberapa pin memiliki fungsi khusus, yaitu:
• Serial : 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung ke pin yang sesuai dari chip FTDI USB-to-TTL Serial.
• External Interrupt (Interupsi Eksternal): Pin 2 dan pin 3 ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau perubahan nilai.
• PWM : Pin 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Menyediakan output PWM 8-bit dengan fungsi analogWrite(). Jika pada jenis papan berukuran lebih besar (misal:
Arduino Uno), pin PWM ini diberi simbol tilde atau “~” sedangkan pada Arduino Nano diberi tanda titik atau strip.
• SPI : Pin 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mendukung komunikasi SPI. Sebenarnya komunikasi SPI ini tersedia pada hardware, tapi untuk saat belum didukung dalam bahasa Arduino.
• LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino Nano. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin diset bernilai HIGH, maka LED menyala, dan ketika pin diset bernilai LOW, maka LED padam.
Arduino Nano memiliki 8 pin sebagai input analog, diberi label A0 sampai dengan A7, yang masing-masing menyediakan resolusi 10 bit (yaitu 1024 nilai yang berbeda). Secara default pin ini dapat diukur/diatur dari mulai Ground sampai dengan 5 Volt, juga memungkinkan untuk mengubah titik jangkauan tertinggi atau terendah mereka menggunakan fungsi analogReference(). Pin Analog 6 dan 7 tidak
dapat digunakan sebagai pin digital. Selain itu juga, beberapa pin memiliki fungsi yang dikhususkan, yaitu:
• I2C : Pin A4 (SDA) dan pin A5 (SCL). Yang mendukung komunikasi I2C (TWI) menggunakan perpustakaan Wire.
Masih ada beberapa pin lainnya yaitu :
• AREF : Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi analogReference().
• RESET : Jalur LOW ini digunakan untuk me-reset (menghidupkan ulang) mikrokontroler. Biasanya digunakan untuk menambahkan tombol reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino.
2.4.7 Komunikasi
Arduino Nano memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi dengan komputer, dengan Arduino lain, atau dengan mikrokontroler lainnya. ATmega168 dan ATmega328 menyediakan komunikasi serial UART TTL (5 Volt), yang tersedia pada pin digital 0 (RX) dan pin 1 (TX). Sebuah chip FTDI FT232RL yang terdapat pada papan Arduino Nano digunakan sebagai media komunikasi serial melalui USB dan driver FTDI (tersedia pada software Arduino IDE) yang akan menyediakan COM Port Virtual (pada Device komputer) untuk berkomunikasi dengan perangkat lunak pada komputer. Perangkat lunak Arduino termasuk didalamnya serial monitor memungkinkan data tekstual sederhana dikirim ke dan dari papan Arduino. LED RX dan TX yang tersedia pada papan akan berkedip ketika data sedang dikirim atau diterima melalui chip FTDI dan koneksi USB yang terhubung melalui USB komputer (tetapi tidak untuk komunikasi serial pada pin 0 dan 1).
Sebuah perpustakaan SoftwareSerial memungkinkan komunikasi serial pada beberapa pin digital Nano. ATmega168 dan ATmega328 juga mendukung komunikasi I2C (TWI) dan SPI. Perangkat lunak Arduino termasuk perpustakaan Wire digunakan untuk menyederhanakan penggunaan bus I2C. Untuk komunikasi SPI, silakan lihat datasheet ATmega168 atau ATmega328
2.4.8 Software & Pemrograman
Arduino Nano dapat diprogram dengan software Arduino. Pilih “Arduino Diecimila, Duemilanove, atau Nano w/ ATmega168 ” or “Arduino Duemilanove
atau Nano w/ ATmega328” melalui menu Tools > Board (sesuaikan dengan jenis mikrokontroler yang anda miliki).
ATmega168 dan ATmega328 pada Arduino Nano sudah dipaket preburned dengan bootloader yang memungkinkan Anda untuk meng-upload kode baru tanpa menggunakan programer hardware eksternal. Hal ini karena komunikasi yang terjadi menggunakan protokol asli STK500. Anda juga dapat melewati (bypass) bootloader dan program mikrokontroler melalui pin header ICSP (In-Circuit Serial Programming) menggunakan Arduino ISP atau yang sejenis.
Software yang digunakan dalam membuat listing program adalah Arduino IDE (Integrated Development Environment), yaitu software yang merupakan bawaan dari arduino itu sendiri. Pada software Arduino IDE dapat dilakukan proses compile dan upload program yang dibuat ke dalam mikrokontroler arduino.
Kode - kode program arduino umumnya disebut dengan sketch dan dibuat menggunakan bahasa pemrograman C. Secara sederhana, sketch dalam arduino dikelompokkan menjadi 2 yaitu, setup dan loop.
2.4.8.1 Setup
Fungsi setup() hanya dipanggil satu kali ketika program pertama kali di jalankan. Fungsi setup digunakan untuk mendifinisikan mode pin atau memulai komunikasi serial. Fungsi setup() harus disertakan dalam program walaupun tidak ada statement yang dijalankan. Contoh :
void setup() {
pinMode(3,OUTPUT);// men-set “pin” 3 sebagai Output pinMode(6, INPUT); // men-set pin 6 sebagai Input Serial.begin(9600); }
pinMode() berfungsi untuk mengatur fungsi sebuah pin sebagai INPUT maupun OUTPUT.
Serial.begin(9600) digunakan untuk mengaktifkan fitur UART dan melakukan inisialisasi.
2.1.1.1 Loop ( Perulangan )
Setelah fungsi setup() maka secara langsung akan melakukan fungsi loop() secara berurutan dan melakukan instruksi - instruksi yang ada dalam fungsi loop().
Contoh : void loop() {
If (digitalRead(6)==HIGH)// membaca input digital pin 6 { digitalWrite (3, HIGH); // nyalakan pin 3
delay(1000); // jeda selama 1 detik digitalWrite(3, LOW); // matikan pin 3}
}
digitalWrite() : berfungsi untuk memberikan nilai LOW atau HIGH pada sebuah pin OUTPUT.
delay : berfungsi untuk memberikan jeda dalam satuan mili detik.
digitalRead() : berfungsi untuk membaca nilai digital LOW atau HIGH dari sebuah pin INPUT.
2.5 Komponen Induktif-Induktor
Induktor adalah elemen dinamik yang berbasis pada variasi medan magnet yang ditimbulkan oleh arus. Induktor dibuat dari kawat konduktor yang dililitkan pada suatu inti yang terbuat dari bahan magnetis atau tanap inti (berinti udara). Ada tiga tipe dasar induktor : induktor dengan inti udara, induktor dengan inti besi, dan induktor dengan inti ferrit. Induktor dengan inti udara memiliki induktansi yang kecil dengan order milihenry dan digunakan untuk frekuensi radio. Biasanya digunakan untuk radio tuning circuit dan filter circuit . Induktor berinti besi memiliki induktansi lebih tinggi dengan orde henry. Biasanya digunakan untuk aplikasi frekuensi rendah.
Umunya digunakan pada frekuensi di bawah 100 kHz. Induktor berinti ferrit dioperasikan pada frekuensi antara 100 kHz dan 100 MHz.
Induktor memiliki besaran yang disebut induktansi dengan lambang L. dan satuannya adalah henry. Satu henry didefenisikan sebagai induktansi yang dihasilkan oleh beda potensial 1V ketika terjadi perubahan arus sebesar 1 A.
Lambang untuk suatu induktor kelihatan seperti suatu coil kawat, karena itu adalah bentuk paling sederhananya. Induktor memiliki kekerabatan yang dekat dengan kapasitor. Perubahan arus yang melewati induktor bergantung pada besarnya tegangan induktor tersebut. Hubungan antara tegangan induktor dan arus induktor didapatkan dengan menurunkan 𝜆 terhadap waktu.
Gambar 2.10 Simbol Induktor
Menurut Faraday, tegangan pada induktor sama dengan perubahan fluks lingkupnya.
𝑉𝐿 = 𝑑 𝜆
𝑑𝑡 (2.5) = d(𝐿𝑖𝐿)/𝑑𝑡 (2.6) = L d(𝐼𝐿)/𝑑𝑡 (2.7) Arti fisis dari rumus diatas adalah :
1. Tegangan pada induktor adalah nol jika arus tidak berubah terhadap waktu.
2. Pada arus searah tegangan induktor adalah nol atau berperilaku seperti hubungan singkat.
3. Tegangan hanya akan terjadi jika arus berubah secara kontinyu terhadap waktu.
2.6 Dioda
Dioda adalah komponen semikonduktor yang mengalirkan arus satu arah saja. Dioda terbuat dari germanium atau silicon yang lebih dikenal dengan diode junction. Struktur dari diode ini, sesuai dengan namanya adalah sambungan antara semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N. semikonduktor tipe P berperan sebagai anoda dan semikonduktor tipe N berperan sebagai katoda. Dengan struktur seperti ini arus hanya dapat mengalir dari sisi P ke sisi N.
Ada tiga kalimat kunci yang membedakan diode dengan komponen lain : 1. Memiliki dua terminal seperti halnya resistor.
2. Arus yang mengalir tergantung pada beda potensial antara kedua terminal.
3. Tidak mematuhi hukum ohm.
Gambar 2.11 Simbol Dioda
2.6.1 LED ( Light Emitting Diode )
LED merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energy panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang dipakai adalah gallium, arsenic, dan fosfor. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula.
Gambar 2.12 Simbol Light Emitting Diode
Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang bayak adalah warna merah, kuning dan hijau. LED bewarna biru sangat langka. Pada dasarnya semua warna bisa dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien. Dalam memilih LED selain warna, perlu diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum dan disipasi dayanya. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga beracam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.
2.7 Transistor
2.7.1 Teori Dasar Transistor
Transistor bipolar biasanya digunakan sebagai saklar dan penguat pada rangkaian elektronika digital. Transistor memiliki 3 terminal komponen semikonduktor pada satu terminal adalah berfungsi sebagai pembuka (open) atau rangkaian. Transistor biasanya lebih banyak dibuat dari bahan silicon ini yang dapat mengubah dari jenis N dan P. Tiga kaki yang berlainan membentuk transistor bipolar adalah emitor, basis dan kolektor. Mereka dapat dikombinasikan menjadi jenis N-P- N (Pada transistor PNP, panah emitor berlawanan arah).
Pada rangkaian elektronik, sinyal inputnya adalah 1 atau 0. Sinyal ini selalu dipakai pada basis transistor, yang mana kolektor dan emitor sebagai penghubung untuk pemutus (short) atau sebagai pembuka rangkaian. Aturan/prosedur transistor sebagai berikut:
Pada transistor NPN, memberikan tegangan positif dari basis ke emitor, menyebabkan hubungan kolektor ke emitter terhubung singkat, yang menyebabkan transistor aktif (on). Memberikan tegangan negatif atau 0 V dari basis ke emitor menyebabkan hubungan kolektor dan emitor terbuka, yang disebut transistor mati (off).
Pada transistor PNP, memberikan tegangan negatif dari basis ke emitor ini akan menyalakan transistor (on). Dan memberikan tegangan positif atau 0 V dari basis ke emitor ini akan membuat transistor mati (off).
Gambar 2.13 (a) Transistor Bipolar NPN. (b) Transistor Bipolar NPN Besarnya penguatan arus pada transistor adalah arus kolektor dibagi dengan arus basis, ini dikenal sebagai symbol ℎ𝐹𝐸. Hal ini karena penggunaan transistor umumnya sebagai rangkaian penguat.
Penguataan : ℎ𝐹𝐸 = 𝐼𝐶 / 𝐼𝐵 (2.8) 2.7.2 Karakteristik MOSFET
MOSFET ( metal oxide-semiconductor field-effect transistor) atau Transistor efek medan semikonduktor oksida logam terdapat dua golongan transistor MOS, kedua golongan ini adalah jenis ragam penipisan (depletion mode) dan jenis ragam peningkatan (enhancement-mode. MOSFET ragam penipisan bersaluran n terdiri dari dua daerah jenis n, yang membentuk penyalur dan sumber yang dihubungkan oleh sebuah saluran penghantar jenis n yang sempit. Gerbang dipisahkan dari saluran oleh sebuah lapisan pengisolasi yang biasanya dibuat dari dioksida silicon. Kontrol dikerahkan oleh sebuah potensial yang dipakaikan kepada gerbang yang menipiskan saluran penghantar dari pengangkut.
2.8 Liquid Crystal Display (LCD 16 x 2)
LCD merupakan salah satu perangkat penampil yang sekarang ini mulai banyak digunakan.Penampil LCD mulai dirasakan menggantikan fungsi dari
penampil CRT (Cathode Ray Tube), yang sudah berpuluh-puluh tahun digunakan manusia sebagai penampil gambar/text baik monokrom (hitam dan putih), maupun yang berwarna.Teknologi LCD memberikan keuntungan dibandingkan dengan teknologi CRT, kaena pada dasarnya, CRT adalah tabung triode yang digunakan sebelum transistor ditemukan. Beberapa keuntungan LCD dibandingkan dengan CRT adalah konsumsi daya yang relative kecil, lebih ringan, tampilan yang lebih bagus, dan ketika berlama-lama di depan monitor, monitor CRT lebih cepat memberikan kejenuhan pada mata dibandingkan dengan LCD.
Gambar 2.14 LCD 16x2
LCD memanfaatkan silicon atau gallium dalam bentuk Kristal cair sebagai pemendar cahaya.Pada layar LCD, setiap matrik adalah susunan dua dimensi piksel yang dibagi dalam baris dan kolom.Dengan demikian, setiap pertemuan baris dan kolom adalah sebuah LED terdapat sebuah bidang latar (backplane), yang merupakan lempengan kaca bagian belakang dengan sisi dalam yang ditutupi oleh lapisan elektroda trasparan.Dalam keadaan normal, cairan yang digunakan memiliki warna cerah.
Daerah-daerah tertentu pada cairan akan berubah warnanya menjadi hitam ketika tegangan diterapkan antara bidang latar dan pola elektroda yang terdapat pad sisi dalam lempeng kaca bagian depan.
Keunggulan LCD adalah hanya menarik arus yang kecil (beberapa microampere), sehingga alat atau sistem menjadi portable karena dapat menggunakan catu daya yang kecil.Keunggulan lainnya adalah tampilan yang diperlihatkan dapat dibaca dengan mudah di bawah terang sinar matahari.Di bawah sinar cahaya yang remang-remang dalam kondisi gelap, sebuah lampu (berupa LED) harus dipasang dibelakang layar tampilan.
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Blok
Untuk memudahkan mempelajari dan memahami cara kerja alat ini, maka perancangan alat ini dibuat berdasarkan diagram blok. Adapun diagram blok penelitian ini adalah sebagai berikut.
Gambar 3.1 Diagram Blok Penjelasan diagram blok:
PWM Charger yang dikontrol dengan Arduino Nano mendistribusikan energy listrik yang berasal dari panel surya untuk pengisian baterai dan pengosongan baterai dengan beban atau Load. PWM Charger dilengkapi dengan sensor tegangan untuk mendeteksi tegangan pada baterai saat pengisian dan pengosongan. Data yang diperoleh dari sensor tegangan akan diproses mikrokontroler dan ditampilkan pada Display 16x2
3.2 Rancangan Charger
Panel Surya PWM
Charger Baterai
Mikrokontroler (Arduino Nano) Display
16x2
Beban
Rancangan berupa sebuah rangkaian elektronik dengan beberapa komponen seperti IRFZ44V, C945 Transistor NPN,IC Regulator 7805, Dioda,LED ,Resistor dan Kapasitor
Gambar 3.2 Rancangan Charger
3.3 Rancangan Display
Display LCD adalah sebuah display yang memberikan informasi sistem, berupa status atau data hasil olahan. Datayang di olah pada Arduino Nano diantarmuka pada display LCD sehingga output data dapat dibaca manusia dalam bentuk angka maupun tulisan. Display yang digunakan adalah LCD M1632, yaitu display 2x16 karakter. Karakter yang dapat ditampilkan LCD M1632 adalah M1632 adalah karakter ASCII. Dalam hal ini, display LCD digunakan untuk menampilkan arus dan tegangan pada panel surya dan baterai.
.
Gambar 3.3 Rancangan Display LCD dengan Arduino Nano 3.4 Rancangan Keseluruhan
Berdasarkan uraian-uraian yang telah diterangkan pada bagian sebelumnya, maka dibuat rangkaian lengkap dari peralatan. Adapun rangkaian lengkap dari perancangan sistem ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 3.4 Rancangan Keseluruhan Alat 3.5 Diagram Alir
Perancangan software adalah proses perancangan untuk pembuatan program yang nantinya akan dijalankan oleh mikrokontroler. Sebuah mikrokontroler tidak akan bekerja sebelum diberikan program. Sebelum membuat program untuk sistem, diperlukan terlebih dahulu untuk membuat diagram alir (flowchart) dari program yang akan dibuat. Diagram alir (flowchart) dapat dilihat pada gambar berikut.
START
V1 > V2 And V2 <= SP1
D = 0%
SP2<V2<=SP1 V2 <= SP2
D = 100%
Error=V2-SP1 Ep=error x 100
EP<0 0<=EP<=100 EP>100
D = 100%
D=(EP*225)/100%
D = 0%
No
Yes
Yes Yes No
No VI = Panel Surya
V2 = Baterai SP1 = Bulk Mode SP2 = Float Mode D = Duty Cycle
Gambar 3.5 Diagram Alir
Penjelasan diagram alir tersebut dimulai dengan checking tegangan pada panel surya (V1) dan baterai (V2) , Keadaan charging dengan dutycycle 100 % dilakukan bila nilai tegangan dari panel surya lebih besar dari tegangan baterai, dan tegangan pada baterai lebih kecil dari 13,8 Volt (SP1) dan 14,5 Volt (SP2).
Ketika tegangan baterai diantara 13,8 Volt dan 14,5 Volt charging akan menyesuaikan keadaan yang yang lebih tepat, misalkan tegangan baterai 14 Volt , maka EP = 50 ( dalam perhitungan pada flowchart ) dan berada pada kondisi antara 0 hingga 100 sehingga dutycycle yang terseting menjadi 50 %.
BAB 4
PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM
4.1 Pengujian tegangan menggunakan Arduino Nano dengan Tampilan Output LCD 16x2
Uji coba tegangan dilakukan untuk mengkalibrasi tegangan yang di peroleh pada pengambilan data. Berikut ini adalah perintah program untuk tegangan :
#include <LiquidCrystal.h>
float Vo,Vi,R1,R2,adc;
LiquidCrystal lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7);
void setup(){
R1=100; R2=20;
pinMode(A1, INPUT);
lcd.begin(16, 2);
lcd.print(" TEST TEGANGAN");}
void loop(){
adc = analogRead(A1);
//Vo = (adc * 5.0) / 1024.0 //Vi = Vo / ((R1+R2)/R2);
Vo = 0.0048828 Vi = Vo / (120/20));
if (Vi<0.09) { Vi=0.0;}
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Vin=");
lcd.print(Vi);
lcd.print(" Volt ");
delay(1000);}
Gambar 4.1 Uji coba tegangan dengan multimeter
Pada gambar terlihat hasil tegangan baterai yang ditampikan pada LCD 16x2 sudah sesuai dengan tegangan yang di peroleh multimeter yakni sama-sama sebesar 12,15 V.
4.2 Pengujian cas baterai dari sumber panel surya metode PWM
Pengujian alat cas baterai dari sumber penal surya metode PWM (Pulse Width Modulation) dilakukan menggunakan sel surya, baterai dan lampu sebagai beban dengan spesifikasi sebagai berikut :
Sel surya : PM (daya max) = 85.00 Watt VOC (tegangan open circuit ) = 22.46 Volt ISC (arus short) = 5.23 Ampere VMP(tegangan max power) = 18.07 Volt IMP(arus max power) = 4.69 Ampere
Baterai = 12 Volt 7.5 Ampere-hour
Beban (lampu) = DC 12 Volt
Pada pengujian alat ini tegangan yang dari panel surya di alirkan masuk kedalam rangkaian yang kemudian akan di kendalikan (control) Arduino Nano dengan seting PWM (Pulse Width Modulation), tegangan akan di teruskan ke
baterai melalui gerbang MOSFET apabila keadaan pada baterai memungkinkan untuk diisi (flowchart) .
Ketika matahari mulai terbenam, maka intensitas cahaya yang di terima oleh sel surya akan berkurang sehingga menyebabkan tegangan yang dihasilkanpun mengecil, maka baterai akan mengalami discharging secara otomatis.
Alat ini dapat berfungsi baik dengan perintah dari program bahasa C++ dengan compiler Arduino , adapun program keseluruhan alat sebagai berikut :
//---//
//---DECLARATION OF ALL GLOBAL VARIABLES---//
//---//
#include <LiquidCrystal.h>
#define PWM_PIN 3
#define BAT_LED 11
#define LOAD_LED 12
#define CHARGE_LED 13
#define LOAD_PIN 6
const int rs = 10, en = 7;
LiquidCrystal lcd(rs, en, A4, A5, A3, A1);
char myBuffer[17] = ""; // width of LCD float bulk_charge_sp = 13.8;
float float_charge_sp = 14.5;
float system_volt = 12.0;
float lvd = 11.5;
float charge_status=0;
float load_status = 0;
float V_solar, V_bat;
float error = 0;
float Ep = 0;
float duty =0;
void charge_cycle(float solar_volt, float bat_volt, float bulk_charge_sp);
void load_control(float solar_volt, float bat_volt, float lvd);
void battery_led(float bat_volt, float system_volt, float bulk_charge_sp );
void load_led();
void leds_off_all(void);
//--- MAIN PROGRAM START ---//
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
lcd.begin(16, 2);
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
pinMode(BAT_LED, OUTPUT);
pinMode(LOAD_LED, OUTPUT);
pinMode(CHARGE_LED, OUTPUT);
pinMode(LOAD_PIN, OUTPUT);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("PWM Controller");
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
V_solar = read_adc(A0) / 5;
V_bat = read_adc(A2) / 5;
charge_cycle(V_solar, V_bat, bulk_charge_sp);
load_control(V_solar, V_bat, lvd);
battery_led(V_bat, system_volt, bulk_charge_sp );
snprintf(myBuffer, sizeof(myBuffer), "S:%02d.%01d B:%02d.%01d V", (int)V_bat/10, (int)V_bat % 10, (int)V_bat/10, (int)V_bat % 10);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(myBuffer);
}
//---PROGRAM END ---//
//READS AND AVERAGES THE ANALOG INPUTS (SOLAR
VOLTAGE,BATTERY VOLTAGE)//
int read_adc(int adc_parameter) {
int i;
int sum = 0;
int sample ;
for (int i=0; i<10; i++) {
sample = analogRead(adc_parameter);
sum += sample;
delayMicroseconds(50);
}
return(sum / 10);
}
//---//
//---READ THE DATA---//
//---//
void read_data(void) {
//5V = ADC value 1024 => 1 ADC value = (5/1024)Volt= 0.0048828Volt // Vout=Vin*R2/(R1+R2) => Vin = Vout*(R1+R2)/R2 R1=100 and R2=20 V_solar = read_adc(A0)*0.00488*(120/20);
V_bat = read_adc(A2)*0.00488*(120/20);
}
//---//
//---PWM CHARGE CYCLE @500 HZ--- //
//---//
void charge_cycle(float solar_volt, float bat_volt, float bulk_charge_sp) {
if (solar_volt > bat_volt && bat_volt <= bulk_charge_sp) {
if (bat_volt <= float_charge_sp) // charging start {
charge_status = 1; // indicate the charger is in BULK mode duty= 252.45;
analogWrite(PWM_PIN,(int)duty); // 99 % duty cycle // rapid charging
}
else if (bat_volt >float_charge_sp && bat_volt <= bulk_charge_sp) {
charge_status = 2; // indicate the charger is in FLOAT mode
error = (bulk_charge_sp - bat_volt); // duty cycle reduced when the battery voltage approaches the charge set point
Ep= error *100 ; //Ep= error* Kp // Assume Kp=100
if(Ep < 0) {
Ep=0;
}
else if(Ep>100) {
Ep=100;
}
else if(Ep>0 && Ep <=100) // regulating {
duty = (Ep*255)/100;
}
analogWrite(PWM_PIN,(int)duty);
} } else {
charge_status=0; // indicate the charger is OFF
duty=0;
analogWrite(PWM_PIN,(int)duty);
} }
//---//
//---LOAD CONTROL---//
//---//
void load_control(float solar_volt, float bat_volt, float lvd) {
if (solar_volt < 5 ) // load will on when night {
if(bat_volt >lvd) // check if battery is healthy {
load_status=1;
digitalWrite(LOAD_PIN, HIGH); // load is ON }
else if(bat_volt < lvd) {
load_status=0;
digitalWrite(LOAD_PIN, LOW); //load is OFF }
}
else // load will off during day {
load_status=0;
digitalWrite(LOAD_PIN, LOW);
} }
//---//
//---BATTERY LED INDICATION---//
//---//
void battery_led(float bat_volt, float system_volt, float bulk_charge_sp ) {
if( (bat_volt > system_volt) && ( bat_volt <bulk_charge_sp)) {
leds_off_all();
digitalWrite(BAT_LED,LOW); // battery voltage is healthy }
else if(bat_volt >= bulk_charge_sp) {
leds_off_all();
digitalWrite(BAT_LED,HIGH); //battery is fully charged }
else if(bat_volt < lvd) {
leds_off_all();
digitalWrite(BAT_LED,LOW); // battery voltage low }
}
//---//
//---LOAD LED INDICATION---//
//---//
void load_led() {
if(load_status==1) {
digitalWrite(LOAD_LED,HIGH);
}
else if(load_status==0) {
digitalWrite(LOAD_LED,LOW);
} }
void leds_off_all(void) {
digitalWrite(BAT_LED,HIGH);
digitalWrite(LOAD_LED, LOW);
digitalWrite(CHARGE_LED, LOW);
}
//---//
//---END---//
//---//
4.2.1 Uji tegangan dari panel surya
Gambar 4.2 Uji tegangan panel surya
Pada gambar diperoleh tegangan yang masuk dari panel surya sebesar 17,92 V dengan kondisi cuaca cerah dan intensitas cahaya sebesar 137,5 W/𝑚2 .
4.2.2 Uji arus dari panel surya
Gambar 4.3 Uji arus dari panel surya
Pada gambar terlihat arus yang mengalir dari panel surya sebesar pada alat charger sebesar 1,26mA dengan kondisi cuaca cerah dan intensitas cahaya sebesar 137,5 W/𝑚2 .
4.2.3 Uji charging pada baterai
Gambar 4.4 Uji tegangan baterai
Pada gambar terlihat tegangan yang mengalir pada beterai sebesar 13,60 Volt dengan kondisi cuaca cerah dan intensitas cahaya sebesar 137,5 W/𝑚2 .
4.2.4 Uji arus baterai
Gambar 4.5 Uji arus pada baterai
Pada gambar terlihat arus yang mengalir pada baterai sebesar 0.94 mA.
4.2.5 Uji tegangan beban
Gambar 4.6 Uji tegangan beban
Pada gambar terlihat hasil tegangan yang masuk pada beban sebesar 13,63 V.
4.2.6 Uji arus beban
Gambar 4.7 Uji coba arus pada beban
Pada gambar terlihat hasil arus yang masuk pada beban sebesar 0.94 mA.
4.2.7 Uji discharging baterai ketika sumber daya panel 0
Gambar 4.8 Uji discharging
Pada gambar terlihat lampu sebagai beban menyala ketika energy dari panel surya tidak ada, beban akan mengambil daya ( power backup ) dari baterai , terlihat pada tampilan LCD 16x2 tegangan dari solar panel (S) sebesar
= 00,8 dan tegangan baterai (B) sebesar 09,9 V
Tabel 4.1 Data yang diperoleh dari charger dari sumber panel surya menggunakan metode PWM
Time (WIB)
Vpv Vcharge Icharge Pcharge Ppv
9:44 19.1 12.9 0.23 2.96 4.39
9:58 19.4 13.2 0.31 4.09 6.03
10:12 19.4 13.2 0.34 4.49 6.62
10:26 19.4 13.3 0.33 4.08 6.42
10:40 19.4 12.4 0.34 4.48 6.62
10:54 19.4 13.2 0.37 4.88 7.21
11:08 18.7 13.2 0.39 5.14 7.3
11:22 19.4 13.3 0.44 5.78 8.57
11:36 19.5 13.3 0.46 6.06 8.97
11:51 19.5 13.4 0.47 6.18 9.17
12:05 19.5 13.4 0.51 6.74 9.95
Rata-rata 19.33 13.16 0.38 4.98 7.38
Ket :
Vpv = Tegangan dari panel surya
Vcharge = Tegangan alat cas baterai
Pcharge = Daya alat cas baterai
Ppv = Daya dari panel surya
Berdasarkan Tabel 4.1 Tegangan pada Penel Surya yang terus meningkat sesuai dengan perubahan intensitas cahaya dan waktu yang semakin siang. Tegangan pada Baterai terus meningkat , pada kondisi ini baterai sedang dalam keadaan Charging
Pada Tabel 4.1. Tegangan dari panel surya dan tegangan pada kondisi Charging Baterai diolah kedalam gambar 4.9 dengan kurva sel surya (Vsolar) dan tegangan baterai saat kondisi Charging
Gambar 4.9 Kurva tegangan sel surya dan baterai saat pengisian baterai (charging)
Berdasarkan pada gambar 4.9 kurva menunjukkan tegangan dari panel surya meningkat dengan perubahan kondisi waktu sehingga tegangan pada saat kondisi charging turut meningkat. Rata-rata tegangan yang dihasilkan dari panel surya sebesar 19,33 Volt dan tegangan rata-rata pada saat charging baterai sebesar 13,16 Volt.
Berdasarkan Tabel 4.1 rata-rata arus sebesar 0.38 Ampere, arus yang mengalir pada kondisi charging terus meningkat disebabkan ada terjadinya transfer atau perpindahan energi dari panel surya terhadap baterai
Gambar 4.10 Kurva arus rata-rata sel surya dan baterai
Berdasarkan data pada Table 4.1 arus rata-rata yang dihasilkan oleh sel surya dan baterai menunjukkan bahwa arus yang dihasilkan sel surya semakin meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya yang di peroleh sel surya, hal ini dapat di lihat dari kurva yang semakin naik saat waktu semakin siang. Selain itu, arus yang dihasilkan oleh baterai mengalir ketika beban (Lampu) menyala, dan arus yang dihasilkan tergantung dari beban itu sendiri.
Gambar 4.11 Kurva daya rata-rata solar panel dan charger
Berdasarkan pada table 4.1 daya charging dan daya panel surya serta gambar pada kurva 4.11 diperoleh rata-rata daya charger adalah 4,98 watt (Pout) dan daya rata-rata panel surya (Pin) adalah 7,38 watt, sehingga efisiensi charger sebesar 67 % .
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan tujuan, rumusan dan batasan masalah hingga hasil dari pengujian dan pembahasan sistem dan mendapatkan hasil yang sesuai dengan tujuan, maka penulis dapat menarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Telah berhasil membuat alat cas baterai dari panel surya dengan metode PWM yaitu dengan mengunakan rangkaian DC to DC yang menggunakan MOSFET sebagai switching dengan pengaturan PWM dari mikrokontroler Arduino Nano .
2. Tegangan baterai tidak melebihi kapasitas baterai serta pengaktifan non- aktifnya Load secara otomatis menunjukkan alat cas baterai dari sumber panel surya dengan menggunakan metode PWM berfungsi dengan baik .
3. Efisiensi alat cas baterai dari sumber panel surya metode Modulasi Lebar Pulsa (PWM) adalah 67 % .
5.2. Saran
Setelah dilakukan pengujian pada alat maka ada beberapa hal/saran yang diperoleh penulis untuk pengembangnya:
1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut atau penambahan indikator seperti suhu , penambahan sensor arus yang dapat mendeteksi arus dari sel surya dan penambahan rangkaian untuk menjaga tegangan sel surya tetap stabil sehingga pengisian baterai lebih efektif serta perlu diperhatikan kondisi baterai yang diuji masih berfungsi dengan baik atau tidak
2. Untuk mendapatkan daya yang lebih besar sebaiknya menggunakan panel surya yang berkapasitas lebih besar dan alat charger control dengan kapasitas yang sesuai.
3. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat diperlukan program-program kalibrasi yang baik untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat
