5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kajian Studi Terdahulu
Penelitian tentang strategi pengisian baterai pada sistem panel surya standalone telah banyak dilakukan, namun dalam penelitian terdahulu terdapat beberapa kendala atau kekurangan yang peneliti anggap perlu untuk ditingkatkan/diperbaiki. Berikut beberapa penelitian terdahulu terkait dengan strategi pengisian baterai pada sistem panel surya standalone (PV-Baterai) yang telah peneliti rangkum.
1. Penelitian yang dilakukan oleh Khusnul Hidayat dkk. tentang Strategi Pengisian Baterai pada Sistem Panel Surya Standalone Berbasis Kontrol PI Multi-Loop [2]. Penelitian ini mengusulkan penggunaan dua buah konverter dc-dc untuk menghubungkan photovoltaic (PV) dan baterai lead-acid ke beban. Konverter DC-DC searah (unidirectional) digunakan sebagai antarmuka antara PV dan bus DC, sedangkan konverter DC-DC dua arah (bidirectional) digunakan sebagai antarmuka antara baterai dan bus DC. Strategi kontrol berperan mengendalikan aliran daya antara konverter dan beban untuk menjaga keseimbangan daya dalam sistem dan mengendalikan baterai untuk mendukung PV ketika daya PV yang tersedia tidak cukup untuk memenuhi beban. Strategi kontrol multi-loop digunakan pada penelitian ini, salah satu loop digunakan untuk menjaga SoC baterai dalam rangka mengendalikan daya keluaran PV untuk menghindari pengisian berlebihan (over-charging). Loop yang lain digunakan untuk memastikan keseimbangan daya sistem saat baterai sedang diisi pada batas maksimal arus pengisiannya. Sistem kontrol yang diusulkan, diimplementasikan tanpa memerlukan syarat kondisi apapun agar kontrol tersebut dapat beroperasi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa kontrol multi-loop yang diusulkan dapat mengendalikan aliran daya pada sistem dengan tetap menjaga batas maksimal arus pengisian dan SoC baterai.
Penelitian diantas menurut peneliti memiliki kelemahan yaitu pada efisiensi listrik yang digunakan, dimana penggunaan dua buah konverter
6 dari PV untuk pengisian baterai menggunakan konverter dc-dc bidirectial, sehingga membuat arus listrik dari PV ke baterai dan dikeluarkan ke beban melalui lebih banyak konverter yang membuat listrik banyak terbuang. Hal tersebut tentu dapat menurunkan tingkat efisiensi listrik. Dalam penelitian ini diusulkan menggunakan tiga buah konverter dc-dc unidirectial yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi penggunaan listrik.
2. Penelitian yang dilakukan oleh Bhule, Jain dan Ghosh, tentang Power Management Control Strategy for PV-Battery Standalone System [1].
Penelitian ini mengusulkan penggunaan tiga buah kontroller dc-dc untuk efisiensi penggunaan listrik, dengan menggunakan skema kontrol cross- coupling pada boostmppt dan buckcharging untuk pengaturan tegangan output dengan mengendalikan buckcharging. Penelitian ini bertujuan untuk memberikan pendekatan yang lebih sederhana dengan membuat sistem PV standalone lebih dapat diandalkan dan efisien. Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan tiga buah kontroller dc-dc dapat digunakan untuk sistem daya yang lebih efisien pada sistem panel surya PV-baterai standalone.
Penelitian diatas menurut peneliti memiliki beberapa kelemahan, yaitu dalam penelitian tersebut tidak dibahas tentang Soc baterai. Soc pada baterai dapat menunjukkan daya baterai yang tersimpan sehingga dapat diketahui apakah baterai dalam keadaan penuh atau kosong. Walaupun baterai diisi dengan menggunakan arus yang sesuai/tidak berlebih, tetapi apabila hal ini dilakukan terus menerus pada saat kondisi baterai penuh akan membuat umur pakai baterai berkurang, sehingga baterai cepat mengalami kerusakan. Dalam penelitian ini diusulkan penggunaan kontroller untuk mengatur pengisian baterai berdasarkan kondisi Soc baterai, sehingga baterai tidak mengalamai over charging.
3. Penelitian yang dilakukan oleh Jain, Dhara dan Agarwal tentang A Voltage-Zone Based Power Management Scheme with Seamless Power Transfer between PV- Battery for OFF-Grid Stand-alone System [3].
Penelitian ini mengusulkan kontrol manajemen daya seamless dan
7 menghilangkan masalah toggling antar mode operasional pada sistem hibrid PV-baterai standalone dengan menggunakan tegangan kontrol sederhana. Teknik voltage band digunakan untuk mengeleminasi toggling baterai antara mode charging dan discarging, sedangkan teknik inner voltage band digunakan untuk mengeleminasi toggling PV antara mode charging dan discharging. Mode peralihan ini didasarkan pada informasi tegangan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem yang diusulkan mudah untuk diimplementasikan pada sistem hibrid PV- Baterai standalone.
Penelitian diatas menurut peneliti memiliki beberapa kekurangan, diantaranya ialah kontrol yang digunakan sederhana sehingga besar kemungkinan terjadi kesalahan dalam perhitungannya. Selain itu penelitian diatas tidak memperhitungkan Soc pada baterai sehingga daya yang tersimpan pada baterai tidak diperhitungkan.
2.2 Kajian Teori
2.2.1 Panel Surya (Photovoltaic)
Panel surya sering kali dikenal sebagai sel Photovoltaic (PV) yang diartikan “cahaya-listrik”. PV mengubah energi sinar matahari menjadi listrik melalui proses aliran-aliran elektron negatif dan positif didalam sel modul tersebut karena ada perbedaan elektron. Hasil dari aliran elektron-elektron akan menjadi listrik DC yang dapat langsung dimanfatkan untuk mengisi baterai/aki sesuai tegangan dan arus yang diperlukan [4].
Sel PV merupakan sebuah semikonduktor yang terdiri dari diode p-n junction, dimana ketika terkena cahaya matahari (foton) akan menghasilkan energi listrik, proses pengubahan ini disebut photoelectric. Hal yang mempengaruhi besarnya daya yang dihasilkan oleh PV yaitu irradiance dan temperature dari modul PV itu sendiri [5].
Ketika photovoltaic mendapat paparan intensitas cahaya matahari dan temperatur, maka photovoltaic akan dapat menghasilkan arus listrik. Besar arus listrik yang dihasilkan oleh photovoltaic berbanding lurus dengan besar intensitas cahaya yang diterima oleh photovoltaic. Sedangkan besar intensitas cahaya matahari dapat berubah sesuai dengan pergeseran posisi matahari dan pengaruh dari cuaca. Faktor cuaca yang dimaksud seperti cuaca mendung dan
8 cuaca cerah. Dalam kenyataannya, modul photovoltaic yang selama ini digunakan memiliki banyak variasi meliputi daya maksimum, tegangan dan arus yang mampu dihasilkan oleh modul saat operasi. Setiap modul surya memiliki parameter yang berbeda, tergantung dengan jenisnya. Perbedaan yang paling utama sendiri ada pada Voc (open circuit voltage) dan Isc (short circuit current). Modul surya sendiri juga memiliki keadaan ideal atau standard condition yaitu pada saat intensitas cahaya matahari 1000W/𝑚2 dan temperatur 25°C [6]. Berikut salah satu contoh panel surya.
Gambar 2.1 Panel surya [7]
Proses perubahan energi cahaya menjadi listrik dikarenakan pada sel photovoltaic terdapat junction antara dua lapisan tipis yang terbuat dari semikonduktor yang masing-masing merupakan semikonduktor tipe-n sebagai elektron (muatan negatif), dan semikonduktor tipe-p sebagai hole (muatan positif). Junction akan membentuk medan listrik sehingga elektron dan hole bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik.
Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka elektron bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p dan membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor tipe- p. Ketika cahaya matahari mengenai susunan p-n junction maka akan mampu
9 mendorong elektron bergerak menuju kontak negatif yang dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menuju elektron datang [8].
2.2.2 Baterai Lead Acid
Baterai Lead-acid dikenal sebagai Accu atau lebih dikenal dengan aki.
Accu ditemukan pertama kali di dunia pada tahun 1800 oleh Alessandro Volta yang dilahirkan di Como, Italia tahun 1745. Dengan susunan elemen pertama yang dibuatnya, yang disebut sebagai “voltaic pile” maka dengan begitu ditemukan pembangkit listrik yang praktis untuk pertama kali. (Imtam Rus Ernawati, Nur Siwi Ismawati 2009 Sejarah, Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional: Jakarta).
Baterai merupakan alat yang dapat menyimpan energi listrik dalam bentuk bahan kimia. Baterai memiliki tegangan yang berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan dan kapasitas dari baterai dinyatakan dalam ampere hour (Ah). Nilai Ah pada baterai menunjukan nilai arus yang dapat dialirkan dikalikan dengan lama pelepasannya. Baterai aki di golongkan menjadi 2 jenis yaitu Flooded Lead Acid Battery (FLA) dan Valve Regulated Lead Acid (VRLA) (Juan Prasetyadi, 2017).
Terdapat parameter-parameter pada baterai yang digunakan sebagai acuan dari penggunaan kapasitas baterai yaitu state of charge (SoC) yang didefinisikan sebagai rasio dari total kapasitas energi yang dapat digunakan oleh sebuah baterai dengan kapasitas baterai seluruhnya. state of charge (SoC) menggambarkan energi yang tersedia, dan dituliskan dalam persentase, dari besarnya arus listrik yang tersisa setelah dipakai. Kapasitas nominal energi dari sebuah baterai tidak dapat dikeluarkan secara total karena akan berdampak pada umur baterai, dengan state of charge (SoC) baterai ini kita dapat menentukan total energi yang dapat digunakan dari sebuah baterai.
2.2.3 PID
Sistem kendali PID terdiri dari tiga macam kendali, yaitu kendali P (Proportional), I (Integral) dan, D (Derivatif) dengan masing – masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Tujuan penggabungan ketiga jenis kendali tersebut adalah untuk menutupi kekurangan dan menonjolkan kelebihan dari masing-masing jenis kendali [9].
10 Proporsional (P), Integral (I) dan Derivatif (D) adalah tiga parameter utama dari kontroler PID. Nilai dari tiga parameter ini ditafsirkan dalam hal waktu, di mana 'P' tergantung pada error saat ini, 'I' pada akumulasi kesalahan sebelumnya dan 'D' adalah prediksi kesalahan masa depan, berdasarkan level saat perubahan. Dengan tuning tiga parameter dalam algoritma PID controller, kontroler dapat memberikan aksi kendali yang dirancang untuk kebutuhan proses tertentu. Nilai proporsional, integral dan derivatif dijumlahkan untuk menghitung keluaran dari kontroler PID. Hasil akhir ditentukan oleh u(t) seperti persamaan berikut:
Gambar 2.2 Blok diagram PID
Cara mentuning parameter-parameter PID bisa dilakukan dengan melihat tabel parameter PID. Dengan menganalisa respon yang dihasilkan, nilai-nilai Kp, Ki, dan Kd bisa diubah-ubah sesuai dengan tabel. Tabel parameter PID ditunjukan pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Tabel parameter PID
Parameter Rise Time Overshoot Settling
Time S-S Error
Kp Berkurang Bertambah Minor
Change
Berkurang Ki Berkurang Bertambah Bertambah Menghilang
Kd Minor
Change
Berkurang Berkurang Minor Change
11 2.2.4 Maximum Power Point Tracker (MPPT)
Maximum Power Point Tracker (MPPT) merupakan teknik pelacakan titik daya keluaran sistem PV maksimal. Prinsip kerja MPPT adalah membaca setiap titik keluaran di kurva karakteristik P – V pada panel surya. Sistem kendali MPPT akan mengubah titik kerja sehingga konverter memaksakan kerja panel surya sesuai kemampuan untuk selalu mencapai titik daya maksimum. MPPT bukan merupakan sebuah sistem mekanik yang membuat sistem panel surya bergerak mengikuti sesuai arah datang intensitas matahari, melainkan sistem elektronis yang bekerja untuk mengoptimalkan keluaran daya dari panel surya [10][11]. Kebanyakan MPPT modern sekitar 93%
sampai 97% efisien dalam konversi. Yang biasa didapatkan, keuntungan 20%
sampai 45% listrik di musim dingin dan 10% sampai 15% di musim panas [12]. Keuntungan yang sebenarnya dapat bervariasi tergantung dengan kondisi cuaca, suhu, keadaan baterai biaya, dan faktor lainnya. Karakteristik MPPT digambarkan seperti kurva berikut.
Gambar 2.3 Karakteristik MPPT pada kurva P–V
12 2.2.5 Algoritme Incremental Conduction
Incremental Conductance (IC) dirancang berdasarkan pengamatan dari PV kurva karakteristik. Algoritme ini dikembangkan pada tahun 1993 dan dimaksudkan untuk mengatasi beberapa kelemahan dari algoritme P&O [13].
Algoritme IC mencoba untuk meningkatkan waktu pelacakan dan untuk menghasilkan lebih banyak energi pada lingkungan perubahan radiasi besar.
Algoritme ini disusun dalam diagram alir sebagai berikut.
Gambar 2.4 Diagram alir algoriteme IC [13]
2.2.6 Konverter DC-DC
Sistem catu daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu daya linier.
Oleh karena itu, hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal sebagai SMPS (Switched Mode Power Supply).
Komponen utama dari sistem catu-daya adalah konverter DC–DC yang berfungsi untuk mengkonversikan daya elektrik bentuk DC (searah) ke nilai DC lainnya.
13 Secara umum, konverter DC-DC berfungsi untuk mengkonversikan daya listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik DC lainnya yang terkontrol arus, atau tegangan, atau dua-duanya. Ada tiga rangkaian dasar dari konverter DC-DC non-isolasi, yaitu buck, boost, buck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja mirip dengan topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh dari konverter dc-dc yang dianggap sebagai turunan rangkaian buck adalah forward, push-pull, half-bridge dan full-bridge.
Contoh dari turunan rangakain boost adalah konverter yang bekerja sebagai sumber arus. Contoh dari turunan rangkaian buck-boost adalah konverter flyback [5]. Dalam penelitian ini konverter DC-DC yang digunakan adalah buck konverter dan boost konverter.
1. Buck konverter (topologi penurunan tegangan)
Konverter jenis buck merupakan konverter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Seperti terlihat pada gambar 1, rangkaian ini terdiri terdiri atas satu saklar aktif (Mosfet), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.
Gambar 2.5 Rangkaian Konverter DC-DC tipe Buck
Secara umum, komponen-komponen yang menyusun DC Chopper tipe Buck adalah sumber masukan DC, Mosfet, Dioda Freewheeling, Induktor, Kapasitor, Rangkaian Kontrol, serta Beban (R). Mosfet digunakan untuk mencacah arus sesuai duty cycle sehingga keluaran DC Chopper dapat sesuai dengan yang diinginkan. Rangkaian kontrol digunakan untuk
14 mengendalikan Mosfet. Diode Freewheeling digunakan untuk mengalirkan arus yang dihasilkan induktor ketika Mosfet off.
Kinerja dari DC Chopper tipe Buck dibagi menjadi 2 kerja utama yaitu:
a. Ketika Mosfet on (tertutup) dan diode off, arus mengalir dari sumber menuju ke induktor, disaring dengan kapasitor, lalu ke beban, kembali lagi ke sumber.
Gambar 2.6 Rangkain Konverter DC Buck dengan Mosfet On
b. Ketika Mosfet off (terbuka) dan diode on, arus yang disimpan induktor dikeluarkan menuju ke beban lalu ke diode freewheeling dan kembali lagi ke induktor.
Gambar 2.7 Rangkain Konverter DC Buck dengan Mosfet Off Pada rangkaian DC Chopper Tipe Buck dapat diketahui bahwa semakin besar duty cyle maka semakin besar pula tegangan keluaran yang dihasilkan. Namun keluaran tersebut selalu lebih kecil atau sama dengan masukan DC Chopper. Maka diperoleh persamaan sebagai berikut:
15
Vout = D*Vin (2.1)
Dimana :
Vout = Tegangan Keluaran Vin = Tegangan Masukan D = Duty Cylce
2. Boost konverter (topologi penaik tegangan)
Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin. Untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi daripada masukannya, tipe Boost ini menggunakan komponen switching untuk mengatur duty cyle-nya.
Komponen switching tersebut dapat berupa thyristor, Mosfet, IGBT, dan lain-lain. Rangkaian DC Chopper tipe Boost akan ditunjukan pada gambar berikut.
Gambar 2.8 Rangkaian Konverter DC-DC tipe Boost
Mosfet yang digunakan pada rangkaian DC Chopper tipe Boost adalah bertindak sebagai saklar yang dapat membuka atau menutup rangkaian sehingga arus dapat dikendalikan sesuai duty cycle yang diinginkan. Jika saklar Mosfet pada kondisi tertutup, arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor
16 naik. Saat saklar Mosfet terbuka, arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan turun. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Keunggulan dari konverter boost adalah mampu menghasilkan arus masukan yang kontinu.
Semakin besar duty cyle, maka semakin besar pula tegangan keluaran yang dihasilkan DC Chopper Tipe Boost. Namun, tegangan keluaran tersebut selalu lebih besar atau sama dengan masukan DC Chopper. Hubungan antara tegangan masukan dan keluaran tipe Boost
dapat digambarkan melalui persamaan berikut:
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 = 1
1−𝐷 (2.2)
