Sistem Pengisian Aki 12 DC Menggunakan Algoritma MPPT Berbasis Arduino Uno
Debyo Saptono
Program Studi Teknik Elektro
Sekolah Tinggi Teknik Multimedia Cendikia Abditama Kab. Tangerang – Indonesia
Abstract—.Panel surya ini memiliki karakteristik daya yang di tentukan oleh intensitas cahaya, temperatur matahari, dan faktor geografis. Panel surya ini pun harus dilengkapi dengan suatu alat yang dapat mengatur aliran listrik ke beban dan mengisi ulang baterai. MPPT memanipulasi keluaran digital sedemikian rupa sehingga menghasilkan sinyal analog. Mikrokontroler mengeset output digital ke high dan low bergantian dengan membagi waktu tertentu untuk setiap nilai keluarannya. Durasi waktu untuk nilai high disebut pulse width atau panjang pulsa.Rangkaian charge controller ini dapat bekerja mengisi baterai/aki dengan tegangan maksimal 14,7 Volt. Dan arus yang didapat dialiri panel surya sebesar 0,15 Ampere arus ini sangat kecil dibanding Isc yang terdapat pada spesifikasi panel surya karena pada saat pengambilan dalam kondisi keadaan mendung. Dengan arus 0,15 Ampere panel surya mampu mengisi baterai/aki 12 Volt 7,2 Ah selama 48 jam.
Kata Kunci—Panel Surya, MPPT(Maximum Power Point Tracker)
I. PENDAHULUAN
Energi listrik pada saat ini masih memegang peranan penting dalam kehidupan sehari-hari, hal ini jelas akan meningkatkan kebutuhan listrik terus menerus. Sedangkan Indonesia masih menggunakan energi fosil atau energi yang tidak terbarukan, yang semakin hari semakin menipis. Oleh sebab itu energi terbarukan menjadi alternatif untuk mengurangi penggunaan fosil salah satunya adalah energi matahari, untuk memperoleh energi listrik
yang berasal dari sinar matahari dibutuhkan suatu alat yang dinamakan panel surya.
Panel surya ini memiliki karakteristik daya yang di tentukan oleh intensitas cahaya, temperatur matahari, dan faktor geografis. Panel surya ini pun harus dilengkapi dengan suatu alat yang dapat mengatur aliran listrik ke beban dan mengisi ulang baterai sebagai energi listrik cadangan apabila sinar matahari tidak tersedia.
Untuk mengatasi masalah di atas, maka alat ini perlu di realisasikan. Karena alat ini mampu mengisi ulang baterai yang digunakan sebagai sumber listrik cadangan. Alat ini juga dapat mengatur aliran listrik dari panel surya atau baterai yang dapat digunakan oleh beban DC.
II. LANDASANTEORI
Panel Surya
Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Saat disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan DC sebesar 0,5-1 V dan arus short-circuit (Isc) dalam skala milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan DC sebesar 12 V. Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar di bawah menunjukkan ilustrasi dari modul surya.
Gambar 2.1 Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output
Struktur Sel Surya
Sesuai dengan perkembangan sains &
teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun
berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula.
Gambar 2.2 Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor.
.
Jenis-Jenis Sel Surya
Monokristal (Mono-crystalline)
Merupakan panel yang paling efisien yang dihasilkan dengan teknologi terkini dan menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Monokristal dirancang untuk penggunaan yang memerlukan konsumsi listrik besar pada tempat-tempat yang beriklim ekstrim dan dengan kondisi alam yang sangat ekstrim.
Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.
Gambar 2.3 Mono-crystalline Solar Panel
Polikristal (Poly-crystalline)
Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak karena dibuat dengan proses pengecoran. Type ini memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama. Panel surya jenis ini memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan type monokristal, sehingga memiliki harga yang cenderung lebih rendah.
Gambar 2.4 Poly-crystalline Solar Panel
Thin Film Photovoltaic
Merupakan panel surya ( dua lapisan) dengan struktur lapisan tipis mikrokristal-silicon dan amorphous dengan efisiensi modul hingga 8.5%
sehingga untuk luas permukaan yang diperlukan per watt daya yang dihasilkan lebih besar daripada monokristal & polykristal. Inovasi terbaru adalah Thin Film Triple Junction PV (dengan tiga lapisan) dapat berfungsi sangat efisien dalam udara yang sangat berawan dan dapat menghasilkan daya listrik sampai 45% lebih tinggi dari panel jenis lain dengan daya yang ditera setara.
Gambar 2.5 Thin Film Photovoltaic
METODE CHARGING
Terdapat bermacam-macam metode charging yang bisa digunakan untuk rangkaian charging. Metode tersebut berbeda dalam cara pemberian energi listrik dari catu daya ke accumulator atau battery.
Metode-metode tersebut diantaranya adalah sebagai berikut:
Constant voltage
Pada dasarnya adalah berupa DC power supply biasa. Terdiri dari transformator stepdown dengan rangkaian penyearah untuk memberikan tegangan DC yang digunakan untuk mengisi baterai. Metode seperti ini sering digunakan pada pengisi daya pada aki mobil. Selain itu, baterai Lithium-Ion juga menggunakan metode constant voltage walaupun sering ditambahkan rangkaian yang kompleks untuk melindungi baterai dan penggunannya.
Constant current
Metode constant current memvariasikan nilai tegangan sehingga didapatkan besarnya arus yang konstan. Metode ini biasanya digunakan untuk mengisi daya pada nikel-cadmiun dan nikel-metal hibrida atau biasa disebut baterai.
Taper current
Metode taper current mengisi daya batterai dari sumber tegangan konstan. Arus akan berkurang seiring dengan terbentuknya gaya gerak listrik (GGL) pada tegangan sel. Ada bahaya serius yaitu kerusakan sel jika pengisian dilakukan berlebihan.
Untuk menghindari hal ini, laju pengisian dan
durasi pengisian diberi batasan. Metode ini hanya cocok untuk baterai Solid Lead Acid (SLA).
Pulse charge
Metode ini bekerja dengan mengirimkan arus listrik berbentuk pulsa pada baterai. Tingkat pengisian dikendalikan dengan memvariasikan lebar pulsa sekitar satu detik berdasarkan rata-rata arus.
Selama proses pengisian, terdapat selang waktu sebesar 20 sampai 30 milidetik yang digunakan untuk memungkinkan terjadinya reaksi kimia pada baterai sehingga elektroda menjadi stabil. Selang waktu tersebut dapat menghindarkan proses pengisian dari efek-efek yang tidak diinginkan seperti timbulnya gelembung gas, timbulnya kristal dan passivasi.
Gambar 2.9 Pulsa Arus Pada Metode Pulsed Charged dan Burp Charging
Burp Charging
Metode ini merupakan kebalikan dari metode pulsed charged. Pengisian terjadi dengan menggunakan pulsa negatif pada baterai.
Trickle charge
Metode ini dirancang untuk mengimbangi debit baterai. Tingkat pengisian disesuaikan dengan frekuensi debit baterai yang akan diisi. Metode ini tidak cocok untuk beberapa jenis baterai yang rentan akan kerusakan akibat pengisian yang berlebihan, misalnya NiMh dan Lithium[5].
Kapasitas Baterai
Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai menyimpan daya listrik atau besarnya energi yang dapat disimpan dan dikeluarkan oleh baterai.
Besarnya kapasitas, tergantung dari banyaknya bahan aktif pada plat positif maupun plat negatif yang bereaksi, dipengaruhi oleh jumlah plat tiap- tiap sel, ukuran, dan tebal plat, kualitas elektrolit serta umur baterai. Kapasitas energi suatu baterai dinyatakan dalam ampere jam (Ah), misalkan kapasitas baterai 100 Ah 12 volt artinya secara ideal arus yang dapat dikeluarkan sebesar 5 ampere selama 20 jam pemakaian.
Besar kecilnya tegangan baterai ditentukan oleh besar / banyak sedikitnya sel baterai yang ada di dalamnya. Sekalipun demikian, arus hanya akan mengalir bila ada konduktor dan beban yang dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai juga menunjukan kemampuan baterai untuk mengeluarkan arus (discharging) selama waktu tertentu, dinyatakan dalam Ah (Ampere – hour).
Berarti sebuah baterai dapat memberikan arus yang kecil untuk waktu yang lama atau arus yang besar untuk waktu yang pendek. Pada saat baterai diisi (charging), terjadilah penimbunan muatan listrik.
Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat ditampung oleh baterai disebut kapasitas baterai dan dinyatakan dalam ampere jam (Ampere - hour), muatan inilah yang akan dikeluarkan untuk menyuplai beban ke pelanggan. Kapasitas baterai dapat dinyatakan dengan persamaan dibawah ini[1]
:
Ah = Kuat arus (ampere) x waktu (jam) ………(1) Dimana : Ah = Kapasitas baterai aki
I = Kuat arus (ampere) t = waktu (jam/sekon)
Algoritma Maximum Power Point Tracker (MPPT)
Algoritma ini merupakan salah satu metode yang digunakan untuk menentukan titik daya maksimum yang dihasilkan oleh panel surya. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Priananda dan Sulistyowati [7], salah satu keuntungan
penggunaan MPPT adalah cepat terpenuhinya kondisi equilibrium p hotovoltaic untuk kondisi yang diperlukan oleh beban dan yang dapat dipenuhi panel surya. MPPT memerlukan dua komponen pendukung dalam pengoperasiannya:
arus input (I) dan tegangan input (V). Dua komponen ini dikombinasikan untu mendapatkan nilai daya P seperti pada persamaan (1).
.
P = V x I ………... (1).
Dalam kondisi temperatur dan irradiasi berbeda,diperoleh nilai MPP yang berbeda. Metode yang tepat diperlukan untuk memperoleh nilai daya maksimum yang dihasilkan oleh panel surya.
Mikrokontroler Arduino Uno
III. PERANCANGANDANIMPLEMENTASI Blok diagram, seperti yang ditunjukkan gambar 3.1, merupakan salah satu tahapan dari perancangan perangkat. Pembuatan blok diagram dilakukan yang bertujuan untuk menentukan urutan kerja alat dan komponen yang ada pada perangkat. Dimana setiap blok mempunyai fungsi tertentu dan gabungan dari tiap-tiap blok tersebut akan membentuk sistem.
Gambar 3.1 diagram blok charge controller MPPT yang diimplementasikan ke dalam sistem sebagaimana diilustrasikan oleh gambar berikut :
Transfer daya maksimum (Maximum Power Transfer) merupakan tujuan dari keseluruhan sistem yaitu kemampuan untuk membangkitkan daya maksimum. Perubahan tegangan dan pendeteksian MPPT merupakan cara bagaiaman MPPT dihasilkan.
Detil operasinya terdiri dari dua bagian: (1) konversi tegangan (2) deteksi dimana titik maksimum dihasilkan. Agar memiliki kemampuan untuk memodifikasi tegangan, MPPT menaikkan atau menurunkan tegangan dengan merubah duty cycle. Untuk mendeteksi titik kerja maksimum dilakukan dengan tracking daya yang dihasilkan yang didapatkan dari sensor tegangan dan arusnya.
IV. KESIMPULAN
Setelah dilakukan pengujian pada rangkaian charge controller ini dapat bekerja mengisi baterai/aki dengan tegangan maksimal 14,7 V. Dan arus yang didapat dialiri panel surya sebesar 0,15 A arus ini sangat kecil dibanding Isc yang terdapat pada spesifikasi panel surya karena pada saat pengambilan dalam kondisi keadaan mendung.
Dengan arus 0,15A panel surya mampu mengisi baterai/aki 12V 7,2Ah selama 48 jam.
Rangkaian charge controller ini juga mampu mengontrol/mengatur beban DC dimana pada saat tegangan baterai 11.5V, maka baterai/aki otomatis terhubung dengan beban dan sebaliknya.
Daftar Pustaka
[1] Sri Utami, “Implementasi Algoritma Perturb and Observe Untuk Mengoptimasi Daya Keluaran Solar Cell Menggunakan MPPT”, Jurnal Infotel Vol.9,No.1, Februari 2017, ISSN : 2085-3688; e-ISSN : 2460-0997.
[2] Manurung.Rumianto. 2014. Analisis Daya Pada Baterai Dengan Metode Charge Dan Discharge. Medan.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA.
[3] Ardhi. Faizal Zul. 2011. Rancang Bangun Charge Controller Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Depok.
Universitas Indonesia.
[4] Adityawan. Aurino P. SISTEM PENGISIAN BATTERAY LEAD ACID SECARA ADAPTIVE.
Surabaya. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
[5] Sastriawan. Yudhana,”Design of Charge and Discharge Controller Using Solar Cells Energy”, Depok, Universitas Gunadarma,2016.
[6] Prayudi. Rahmat, “DESAIN CHARGE AND DISCHARGE BATTERY CONTROLLER PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS).
Banda Aceh”, Universitas Syiah Kuala. 2016.
