BAB II DASAR TEORI
2.1 Pendahuluan
Panel surya menjadi sumber energi listrik alternatif yang dapat mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi energi listrik, namun untuk penggunaannya kita memerlukan perangkat tambahan agar transfer daya yang dihasilkan maksimal. Perangkat-perangkat tersebut diantaranya konverter, baterai, dan sistem kontrolnya. Oleh karena itu untuk mendapatkan transfer daya maksimal dari sistem catu daya panel surya akan dibangun konfigurasi seperti pada gambar 2.1 berikut.
Gambar 2.1 Konfigurasi panel surya dan MPPT
Terdapat beberapa komponen utama pada perancangan alat proyek akhir yang akan penulis buat yaitu Panel surya, konverter dc-dc, MPPT kontroler, dan baterai.
2.2 Solar Sel
2.2.1 Prinsip Kerja Solar Sel
Solar Sel adalah sebuah sel photovoltaik yaitu komponen semi konduktor yang berfungsi mengkonversi energi radiasi matahari secara langsung menjadi energi listrik. Daya yang dihasilkan diode semikonduktor tergantung pada material yang digunakan dan kondisi sinar matahari. Bahan semikonduktor yang banyak dipakai adalah bahan Silikon, Galium Arsinide. Sebuah modul diklasifikasikan berdasarkan daya maksimumnya. Sel-sel itu terbuat dari kristal silikon yang dikembangkan dalam bentuk ingot. Dalam potongan tipis yang disambungkan melalui elektroda untuk membentuk sel.
Foton foton yang mengenai permukaan solar sel menyebabkan elektron elektronnya akan tereksitasi sehingga timbul aliran listrik. Solar sel dapat mengeksitasikan elektron elektron karna terdapat komponen utama yaitu semikonduktor. Apabila aplikasi memerlukan daya yang besar sejumlah Solar Sel dikombinasikan dalamhubungan seri paralel ke dalam suatu rangkaian yang dikenal sebagai Panel Solar Sel (Solar Cell Panel). Bila sistem diperlukan daya yang lebih besar lagi maka dapat dikombinasikan kedalam suatu array dan ditunjukkan pada Gambar 2.2. Daya keluaran suatu Solar Sel tipikal hampir sama dengan suatu baterei ukuran kecil. Sedangkan tegangan keluaran pada cahaya matahari penuh sekitar 1,2 V, sehingga untuk mendapatkan tegangan yang lebih besar maka beberapa Solar Sel dalam panel dihubungkan secara seri, sedangkan untuk menghasilkan arus yang lebih besar beberapa Solar Sel dihubungkan secara paralel sehingga satu panel surya dapat menghasilkan daya keluaran yang tergantung jumlah yang diseri dan diparalel.
Gambar 2.2 Panel surya dalam bentuk array
2.2.2 Karakteristik Panel Surya
Pada panel surya dalam menghasilkan energI listrik kita mengetahui adanya kurva I-V, kurva tersebut menggambarkan besarnya daya keluaran solar sel. Daya keluaran solar sel tergantung pada intensitas cahaya matahari dan temperatur. Besarnya intensitas cahaya yang mengenai permukaan solar sel berbanding lurus dengan daya keluaran, jika cahaya yang mengenai permukaan solar sel sepenuhnya diserap, Namun jika tidak sepenuhnya diserap maka cahaya matahari yang mengenai permukaan solar sel akan menjadi panas, Oleh karena itu semakin besar temperatur akan menyebabkan daya keluaran panel surya semakin kecil. Berikut adalah gambar kurva I-V untuk panel surya yang dipengaruhi intensitas cahaya dan temperatur.
Gambar 2.3 kurva I-V pengaruh intensitas cahaya
Pada intensitas cahaya kita mengenal kepadatan cahaya. Kepadatan daya (power density) adalah daya yang dapat diperoleh oleh suatu bahan semikonduktor yang memanfaatkan energi cahaya matahari yaitu jumlah daya cahaya matahari yang dapat ditangkap persatuan luasan. Istilah kepadatan daya pada Solar Sel ini dikenal sebagai Solar Cell Irradiation dalam satuan mW/cm2 atau W/m2 bahkan kW/m2. Berdasarkan gambar dapat disimpulkan bahwa semakin besar kepadatan daya, maka semakin besar daya keluaran solar sel. Kurva I-V pada beberapa kepadatan daya menunjukan bahwa arus mendekati konstan sedangkan tegangan berubah-ubah.
Besarnya daya keluaran solar sel selain dipengaruhi intensitas cahaya dipengaruhi juga temperatur. Kurva dibawah ini menunjukan besarnya daya keluaran panel surya yang dipengaruhi beberapa temperatur.
Gambar 2.4 kurva I-V pengaruh temperatur
Berdasarkan gambar diatas dapat disimpulkan bahwa semakin besar temperatur, maka tegangan mendekati konstan namun arus semakin kecil. Oleh karena itu temperatur berbanding terbalik dengan daya keluaran panel surya karna temperatur merupakan intensitas chaya yang tidak terserap sempurna oleh panel surya.
2.2.3 Daya Keluaran Solar Sel
Solar sel tidak selalu menghasilkan daya keluaran yang konstan, seperti yang telah kita bahas bahwa daya keluarannya dipengaruhi intensitas cahaya dan temperatur, sehingga tegangan dan arus yang dihasilkannya akan berubah-ubah. Untuk mengatahui daya keluaran dari solar sel kita akan lihat rangkaian ekuivalen solar sel pada gambar dibawah ini.
RP RS IL D Iph ID V
Gambar 2.5 rangkaian ekuivalen solar sel
I = Iph ID IRsh (2.1) = Sh S T S S ph R IR V mV IR V I I exp 1 (2.2) Keterangan :
V : Tegangan keluaran Solar Sel I : Arus keluaran Solar Sel
D
I : Arus Dioda
ph
I : Arus yang dibangkitkan
S
I : Arus balik saturasi dioda
T
V : Tegangan Termal (2,75 mV pada 250C) m : Faktor idealitas dioda
S
Sh R
R / : Resistansi parallel/seri
Dengan mengabaikan faktor idealitas dioda m, maka besar arus I dapat dinyatakan dengan : ph V V S e I I I T 1 (2.3)
Arus hubung singkat Ihsdan tegangan hubung buka Vhb dinyatakan sebagai :
ph hs I I (2.4) 1 S ph n T hb I I I V V ! " # $ % & ' S T I Iph V ln (2.5)
Daya total yang didisipasikan adalah :
P = V x I = I V e IphV V V S T 1 (2.5)
Besar daya maksimum akan dicapai ketika dP/dV = 0, sehingga besar tegangan dan arus maksimum dapat dituliskan sebagai :
T T m V Vm T m S ph V V S e V V I I e I dV dP 0 1 (2.6) T m T hb m V V V V V ln 1 (2.7) 1 T m V V S m I I e I (2.8) 2.3 MPPT Konverter 2.3.1 Pengertian MPPT Konverter
MPPT konverter merupakan sebuah konverter dc-dc ( Buck Chopper) untuk menurunkan tegangan dari panel surya sebelum disimpan ke baterai. Penggunaan Buck Chopper sebagai MPPT konverter karna baterai yang digunakan memiliki spesifikasi 12 V/ 60 AH, sehingga tegangan dari panel surya yang mempunyai maximum tegangan mencapai 20V harus diturunkan menggunakan Buck Chopper menjadi tegangan yang diperbolehkan baterai untuk proses pengisiannya.
+ VL - iL L iL + Vs -D C R + Vo -+ iD iC S
Gambar 2.6 Rangkaian Buck Chopper
2.3.2 Prinsip Kerja MPPT Konverter
MPPT konverter atau Buck Chopper akan bekerja ketika sinyal PWM yang dihasilkan mikrokontroler dihubungkan ke gate MOSFET. PWM mikrokontroler mengatur besarnya duty cycle MOSFET.
Gambar 2.7 konfigurasi Buck Chopper Keterangan :
Vd = Tegangan sumber buck chopper ( Volt ) Vo = Tegangan keluaran buck chopper ( Volt ) VL= Drop tegangan pada inductor ( Volt )
Vol= Drop tegangan pada dioda ( Volt )
Id= arus sember ( ampere ) IL= arus pada inductor ( ampere )
Io= arus keluaran buck chopper ( ampere )
Ts= perioda dalam satu gelombang keluaran ( sekon )
Untuk menghitung duty cycle pensaklaran MOSFET dapat menggunakan rumus:
Besarnya duty cycle dapat mempengaruhi nilai tegangan keluaran buck chopper. Pada buck chopper semakin besar duty cycle, maka semakin besar juga tegangan keluaran yang dihasilkan begitu juga jika semakin kecil duty cycle maka tegangan keluaran yang dihasilkan akan semakin kecil juga. Pengaturan nilai D ( duty cycle ) tergantung pada Ton dan Toff pensaklaran. Berikut merupakan gambar waktu ON ( Ton ) dan OFF ( Toff ) berdasarkan rangkaian buck chopper.
Gambar 2.8 Prinsip kerja Buck Chopper
Secara matematika praktis besarnya tegangan keluaran yang dihasilkan buck chopper dapat dihitung menggunakan rumus Vo = D x Vs. Jenis saklar yang digunakan untuk rangkaian buck chopper banyak sekali. Namun pada
pembuatan alat proyek akhir ini, penulis menggunakan MOSFET. Untuk mengetahui lebih jelasnya, dibawah ini penulis akan membahas driver yang digunakan.
2.3.3 Parameter Umum Mosfet
Karakteristik dapat menjelaskan keistimewaan atau ciri-ciri suatu komponen yang berdasarkan pada hasil rangakain pengujian yang akurat. Karakteristik juga dapat mengindikasikan batasan (range) besaran nilai yang digunakan pada suatu komponen tersebut. Hal ini tentu sangat berguna untuk menetukan pemakaian suatu komponen terhadap kebutuhan suatu sistem. Adapun beberapa parameter penting yang dapat digunakan untuk menetukan penggunaan MOSFET adalah :
1. Drain-Source voltage (VDS)
Nilai tegangan maksimum yang akan mengkonduksi bahan substrat yang ada di antara drain dan source agar arus dapat mengalir dari drain ke sumber.
2. Countinuous direct drain current (ID)
Nilai arus maksimum yang dapat melewati kanal drain. 3. Gate-Source voltage (VGS)
Nilai tegangan yang lebih besar dari nilai tegangan konduksi (VT) agar
MOSFET pada kondisi ON dan dapat mengalirkan arus. 4. Total power dissipation (Ptot or PD)
Nilai maksimum disipasi daya untuk komponen tersebut.
2.3.4 Prinsip Kerja Mosfet
MOSFET merupakan komponen yang terdiri dari tiga terminal yang disebut gate , drain dan source. Antara drain dan source ada bahan substrat. Bahan substrat ini yang akan mengalirkan arus dari drain ke source. Konduktifitas bahan substrat ditentukan oleh tegangan yang diberikan antara gate dan source.
Gambar 2.9 konstruksi MOSFET
MOSFET dikendalikan oleh tegangan dan memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi. Gerbang akan mengalirkan arus bocor yang sangat kecil pada orde nanoampere. Walaupun MOSFET memiliki impedansi yang sangat tinggi. Tetapi masih bisa mengalirkan arus dengan memberikan tegangan gerbang ke sumber. Hal ini akan mempengaruhi sifat konduktivitas substrat yang ada didalam MOSFET. MOSFET memiliki masalah pengosongan elektro statis karena substrat yang didalamnya bersifat penyimpan muatan.
Pada dasarnya fungsi MOSFET dapat dibagi dua, yaitu sebagai saklar dan sebagai penguat arus. Sebagai saklar, MOSFET dapat mengalirkan arus jika diberikan tegangan gerbang-sumber (VGS) yang lebih besar dari tegangan
konduksi (VT). Saat VGS < VT maka MOSFET OFF, saat VGS > VT maka
MOSFET ON. Kecepatan switching sangat tinggi dalam orde nanodetik. Dalam aplikasinya penulis menggunakan MOSFET enhancement tipe kanal-n.
2.3.5 Mosfet Enhancement Mode
MOSFET tipe enhancement tidak memiliki kanal doping yang menghubungkan antara silicon drain dan sumber secara fisik. Kanal akan terbentuk dengan memberikan VGS. MOSFET tipe enhancement bisa diibaratkan sebuah saklar terbuka, yang akan tertutup apabila diberi VGS yang lebih dari tegangan konduksi MOSFET itu sendiri.
Konstruksi MOSFET Gerbang bahan substrat Sumber n Drain n
2.3.6 Mosfet Tipe Enhancement Kanal-n
Konstruksi rangkaian dan karakteristik MOSFET tipe enhancement kanal-n yaitu: VGS= 2 VGS= 3 VGS= VT =1 VGS= 4 VGS= 5 VGS= 6 VGS= 7 1 2 3 4 5 6 7 8 8 ID (mA) ID (mA) VGS VDS
Gambar 2.10 karakteristik MOSFET Tipe Kanal-n
Pada MOSFET tipe enhancement kanal-n. tegangan pada drain lebih positif dari pada tegangan pada sumber. Dan sumber diberi tegangan yang lebih negatif dari pada gate. Jika VGS diset pada 0V maka arus keluaran (ID) yang di
hasilkan 0A (MOSFET OFF). MOSFET akan mengalirkan arus apabila diberi VGS yang lebih besar dari tegangan konduksi/disebutkan juga tegangan Tresh
hold (VT). arus akan mengalir dari drain ke sumber. Apabila VGS diperbesar
terus maka Arus drain ID akan lebih besar, dan kenaikan arusnya terlihat seperti
karakteristik diatas.
Perbedaan MOSFET tipe enhancement kanal-p dan kanal-n, adalah terletak pada polaritas dan arah arus yang mengalir. Parameter yang bisa didapat ID = k(VGS-VT)2
VCC Output Output GND N.C Katoda Anoda N.C Ke Source MOSFET R 0.1 uF N.C Dari PWM N.C Ke Gate MOSFET + 15 2.3.7 Konfigurasi Optocoupler
Dalam membuat rangkaian pengendali gate MOSFET, diperlukan sebuah optocoupler . Optocoupler adalah suatu IC yang meskipun secara fisik menjadi satu, tetapi sebenarnya di dalamnya terdiri dari dua bagian yang terpisah antara bagian cahaya dengan bagian deteksi sumber cahaya. Pada optocoupler terdapat isolasi elektris, yaitu kondisi yang terisolasi antara masukan dan keluarannya (electrical isolation). Penggunaannya memungkinkan untuk memisahkan dua bagian. Optocoupler yang digunakan adalah IC TLP 250, karena di dalamnya sudah dilengkapi rangkaian penguatan.
Gambar 2.11 Pin Optocoupler TLP
Gambar 2.12 Rangkaian Optocoupler TLP 250
2.4 MPPT kontroler
2.4.1 ADC ( Analog to Digital Converter )
ADC adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal-sinyal digital. Mikrokontroler dengan ADC ini dapat digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang memerlukan informasi analog misalnya voltmeter, arus dan pengukur suhu. Ada banyak cara yang dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital yang nilainya proposional. Jenis ADC yang biasa digunakan dalam perancangan adalah jenis Successive Approximation Convertion
(SAR) atau pendekatan bertingkat yang memiliki waktu konversi jauh lebih singkat dan tidak tergantung pada nilai masukan analognya atau sinyal yang akan diubah. Pada ADC ini digunakan tegangan referensi (VREF) 5 Vdc.
2.4.2 PWM ( Pulse Width Modulation )
PWM dari mikrokontroler berfungsi untuk mengatur duty cycle
pensaklaran perangkat MOSFET pada rangkaian buck chopper. Dengan pengaturan duty cycle MOSFET, maka tegangan keluaran buck chopper dapat berubah-ubah. AT-MEGA 16 memiliki PWM digital 10 bit maka sinyal PWM yang akan dibangkitkan mempunyai resolusi 0-1024 mewakili duty cycle 0-100% .
Gambar 2.13 Pengaturan PWM menggunakan mikrokontroler
Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 10 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 2 pangkat 10 = 1024 variasi mulai dari 0 1024 perubahan nilai. Compare adalah nilai pembanding. Nilai ini merupakan nilai referensi duty cycle dari PWM tersebut. Nilai compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari PWM. Dalam gambar nilai compare ditandai dengan garis warna merah, dimana posisinya diantara dasar segitiga dan ujung segitiga.
Clear digunakan untuk penentuan jenis komparator apakah komparator
inverting atau non-inverting. Mikrokontroler akan membandingkan posisi keduanya, misalkan bila PWM diset pada kondisi clear down, berarti apabila garis segitiga berada dibawah garis merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 0. Begitu pula sebaliknya apabila garis segitiga berada diatas garis merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 1. Lebar sempitnya logika 1 ditentukan oleh posisi compare, lebar sempitnya logika 1 itulah yang menjadi nilai keluaran PWM,dan kejadian ini terjadi secara harmonik terus-menerus. Maka dari itu nilai compare inilah yang dijadikan nilai
duty cycle PWM. Clear Up adalah kebalikan (invers) dari Clear Down pada keluaran logikanya.
Gambar 2.14 Pengaturan lebar PWM
digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM. Nilai bervariasi yaitu 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024. Misalkan jika prescale diset 64 berarti timer/PWM akan menghitung 1 kali bila clock di CPU sudah 64 kali, Clock CPU adalah clock mikrokontroler itu sendiri. Perioda dari PWM dapat dihitung menggunakan rumus
Setting prescale disini digunakan untuk mendapatkan frekuensi dan periode kerja PWM sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan. Dengan cara mengatur
dan dalam satu perioda gelombang melalui pemberian
besar sinyal referensi output dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang diinginkan. dari PWM dapat dinyatakan sebagai
!!
" #
" #$ %%
&&'
Dengan menghitung duty cycle, maka tegangan keluaran dapat dihitung secara matematis dengan rumus:
(
) #
) #$)** (+
2.4.3 Algoritma MPPT Kontroler
MPPT suatu metoda untuk menetapkan titik daya maksimum solar sel dengan memperhatikan karakteristik baterai juga memperhatikan karakteristik panel surya.Titik daya maksimum didapatkan dengan melihat karakteristik grafik hubungan antara daya dan tegangan atau grafik hubungan antara tegangan dan arus dari panel surya. MPPT ini mengoptimalkan transfer daya antara panel surya dan baterai.
MPPT adalah sebuah metoda atau cara untuk mencari letak titik maksimum dari kurva I-V pada sebuah photovoltaic yang selalu berubah secara dinamis mengikuti perubahan intensitas matahari, dan temperatur. Berikut adalah kurva I-V
Gambar 2.15 Karakteristik kurva I-V Panel Surya
Banyak teknik atau metoda MPPT yang telah dilakukan penelitian dan dipublikasikan, tetapi dari sekian banyak itu ada tiga algoritma utama yaitu :
1. Perturb and Observe
2. Incremental Conductance
3. Dynamic Approach
4. Temperature Methods
MPPT atau Maximum Power Point Tracker yang dibuat menggunakan salah satu algoritma yang populer yaitu INCREMENT CONDUCTANCE.
Metoda ini membandingkan nilai konduktansi lama dengan konduktansi baru. Konduktansi dapat dihitung secara matematis yaitu R= I/V. Pada alat proyek akhir ini, nilai perubahan konduktansi akan menentukan naik turunnya PWM sehingga secara bertahap daya keluaran panel surya mendekati maksimal pada perubahan tegangan input yang berbeda-beda dan dipengaruhi intensitas cahaya yang berbeda beda.
Flowchart Algoritma Increment Conductance dapat kita lihat dibawah ini :
Gambar 2.16 Flowchart Algoritma Increment Conductance
Deskripsi Kerja :
Mensensor tegangan dan arus baru, dianggap tegangan dan arus baru adalah 0, Selanjutnya hitung perubahan arus (dI) dan tegangan (dV) Hitung G baru yaitu arus baru dibagi dengan tegangan baru dan hitung dG yakni dI dibagi dV.
Jika dV= 0 maka identifikasi apakah dI=0 jika benar maka itu titik MPPT sehingga program akan kembali ke proses sensing, namun jika dI>0 maka naikan duty cycle serta jika dI<0 maka turunkan duty cycle
r maka itu titik
MPPT sehingga program akan kembali dan melakukan sensing, namun jika G>dG maka naikan duty cycle serta jika G<dG maka turunkan duty cycle.
2.4.5 Konfigurasi AT-MEGA 16
Pada MPPT kontroler penulis menggunakan perangkat keras/ hardware
mikrokontroler AT-MEGA 16. Fungsi dari perangkat ini adalah untuk menghasilkan PWM ( pulse width modulation ) dan untuk pembacaan data ADC. PWM yang dihasilkan akan mempengaruhi duty cycle MOSFET sehingga penurunan tegangan yang dihasilkan buck chopper dapat diatur sebelum dihubungkan ke baterai, sedangkan ADC ( analog to digital converter)
merupakan proses pembacaan data analog berupa tegangan input dan arus menjadi digital dan masuk ke mikrokontroler. Pembacaan ADC akan digunakan untuk proses perhitungan di program algoritma, dengan kata lain hasil perhitungan ADC akan mengatur lebar pulsa PWM yang dikeluarkan mikrokontroler. Berikut adalah konfigurasi mikrokontroler AT-MEGA 16.
Gambar 2.17 Konfigurasi pin AT-MEGA 16
Berdasarkan gambar diatas susunan kaki standar 40 pin DIP mikrokontroler AVR ATMega16 yang setiap kaki memiliki fungsi-fungsi sebagai berikut:
VCC merupakan pin masukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika digital tentunya butuh sumber catudaya yang umumnya sebesar 5 V, itulah sebabnya di PCB kit mikrokontroler selalu ada IC regulator 7805.
GND sebagai pin Ground
deprogram sebagai pin masukan ADC.
khusus, yaitu timer/counter, komparator analog, dan SPI.
khusus, yaitu TWI, komparator analog, dan timer Osilator.
khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial.
Reset merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler. XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock eksternal. Suatu
mikrokontroler membutuhkan sumber clock agar dapat mengeksekusi intruksi yang ada dimemory. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat mikrokontroler tersebut.
AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC AREF sebagai masukan tegangan referensi.
Berikut adalah konfigurasi hardware dari AT-MEGA 16. AT-MEGA 16 memiliki banyak fitur-fitur diantaranya adalah:
Saluran I/O sebanyak 32 buah,yaitu port A, Port B, Port C, dan Port D
ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 chanel Tiga buah timer/counter dengan kemampuan perbandingan. CPU yang terdiri dari 32 buah register.
131 instruksi andal yang umumnya hanya membutuhkan 1 siklus clock.
Watchdog Timer dengan osilator internal Dua buah timer/counter 8 bit
Satu buah timer/counter 16 bit
Tegangan operasi 2.7V- 5.5V pada ATMega16 Internal SRAM sebesar 1KB
Memori flash sebesar 16 KB dengan kemampuan Read While Write Unit interupsi internal dan eksternal.
Port antar muka SPI
EEPROM sebesar 512 byete yang dapat deprogram saat operasi Antarmuka komparator analog
4 chanel PWM
3x8 general purpose register
Hampir mencapai 16 MIPS pada kristal 16 Mhz Port USART programble untuk komunikasi serial
Gambar 2.18 Blok diagram AT-MEGA 16
