RANCANG BANGUN BATTERY CHARGER DENGAN ME

i

ABAYA

RANCANG BANGUN

BATTERY CHARGER

_DENGAN

METODE

INCREMENTAL CONDUCTANCE

MENGGUNAKAN ARM STM32F4

Mohammad Imron Dwi Prasetyo

NRP. 1310155024

Dosen Pembimbing :

Ir. Sutedjo, MT.

NIP. 19610107.199003.1.001

Endro Wahjono, S.ST., MT.

NIP. 19681109.199103.1.012

PROGRAM STUDI D4 TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

i

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA20

RANCANG BANGUN

BATTERY CHARGER

_DENGAN

METODE

INCREMENTAL CONDUCTANCE

MENGGUNAKAN ARM STM32F4

Mohammad Imron Dwi Prasetyo

NRP. 1310155024

Dosen Pembimbing:

Ir. Sutedjo, MT.

NIP. 19610107.199003.1.001

Endro Wahjono, S.ST., MT.

NIP. 19681109.199103.1.012

PROGRAM STUDI D4 TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

RANCANG BANGUN BATTERY CHARGER DENGAN METODE INCREMENTAL CONDUCTANCE MENGGUNAKAN ARM

STM32F4

Oleh:

Mohammad Imron Dwi Prasetyo NRP. 1310155024

Proyek Akhir ini Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Terapan ( S.ST )

Di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

Disetujui Oleh :

2. Dimas Okky Anggriawan, ST., MT. NIP. 2000000198

3. Diah Septi Yanaratri, S.ST.

NIP. 9002622000000051

Dosen Pembimbing:

1. Ir. Sutedjo, MT.

NIP. 19610107.199003.1.001

2. Endro Wahjono, S.ST., MT.

iii

Energi surya merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang tersedia dan tidak terbatas di alam. Untuk mendapatkan energi listrik yang berasal dari matahari tersebut diperlukan panel surya yang mengubah energi cahaya dari matahari menjadi energi listrik. Energi surya yang dihasilkan oleh panel surya 100 Watt Peak (WP) berkisar antara 10 Volt – 21 Volt. Untuk mendapatkan tegangan pengisian accu 24 Volt diperlukan suatu rangkaian boost converter yang berfungsi menaikkan tegangan menjadi 28 Volt. Guna mendapatkan tegangan konstan dari converter dilakukan pengaturan duty cycle dengan cara memberikan umpan balik dari tegangan keluaran boost converter itu sendiri sebagai charging baterai. Pada proyek akhir ini, digunakanlah metode Incremental Conductance untuk mendapatkan daya maksimum dalam charging baterai. Setelah dilakukan pengujian secara parsial, didapati efisiensi dari boost converter cukup tinggi yakni 94,74 % dengan duty cycle 35%. Error tertinggi dari sensor tegangan 5,3 % dan error sensor arus paling tinggi adalah 7,3 %. Secara integratif, dengan menggunakan MPPT metode Incremental Conductance mampu menaikkan daya output dari solar cell sebesar 21,47%.

ABSTRACT

Solar energy is one of the renewable energy sources available and unlimited in nature. To obtain electrical energy from the sun is needed solar panels that convert light energy from the sun into electrical energy. The solar energy generated by the solar pa nels 100 Watt Peak (WP ) ranges between 10 Volt - 21 Volt. To get a 24 Volt battery charging voltage needed a boost converter circuit that functions to raise the voltage to 28 volts. In order to get a constant voltage of the converter to do the setting duty cycle by giving feedback of the output voltage boost converter itself as charging the battery. At the end of this project, Incremental conductance method is used to get the maximum power in the battery charging. After the partial test, found the efficiency of the boost converter is quite high at 94.74% with a 35% duty cycle. The highest error of 5.3% voltage sensors and current sensors highest error was 7.3%. An integrated manner, using MPPT Incremental conductance method is able to increase the power output of the solar cell by 21,47%.

v

Semua penulis akan mati, hanya karyanya yang akan terus abadi. Demikian petuah kaum cendekia yang selalu penulis ingat. Alhamdulillah, segala puji syukur bagi Allah SWT karena berkat rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan proyek akhir yang berjudul:

“RANCANG BANGUN BATTERY CHARGER

DENGAN METODE INCREMENTAL

CONDUCTANCE MENGGUNAKAN ARM STM32F4”

Bukanlah pertama kalinya penulis menyusun buku Tugas Akhir ini, mengingat di tahun 2015 silam penulis juga telah menyusun buku Tugas Akhir dengan judul “Rancang Bangun Pemberi Makan Ikan Lele Berbasis Mikrokontroler”. Sedikit cerita dalam pembuatan buku yang pertama, terdapat dilema yang panjang dalam menyelesaikanya. Diantaranya kegalauan penulis ketika harus membagi waktunya antara menjadi aktivis akademisi dan aktivis pergerakan. Sehingga hal ini berimplikasi pada kualitas dari buku yang dalam penyajianya lebih merujuk pada data kuantitatif dengan sedikit mengesampingkan data kualitatif. Selain itu kurangnya konsultasi kepada pihak – pihak yang berkaitan dengan pembuatan tugas akhir ini seperti Dinas Perikanan juga menjadikan isi buku hanya cenderung berisikan materi elektro semata.

Menuju Ketahanan Energi Indonesia di Tahun 2045

Thomas Friedman, pengarang The World is Flat dan pemenang Pulitzer prize untuk jurnalis, di dalam artikel Op-Ed New York Times terbarunya (3/7/2013) menyebutkan bahwa negara – negara maju dan berpengaruh dunia sedang berlomba – lomba untuk mencari, menguasai, dan memproduksi energi. Dalam berbagai kajian disebutkan bahwa PDB suatu negara akan berbanding lurus dengan ketersediaan energi per kapita (Bappenas, 2012; IMF 2011). Di sisi lain, hampir seluruh pemerintahan dunia sepakat bahwa era pasca minerba harus dipersiapkan mulai sekarang, diwakili oleh gas rumah kaca (GRK), juga sudah memberikan dampak lingkungan yang sangat nyata.

Indonesia sendiri saat ini mengalami silent energy crisis, dimana minyak, gas, dan batubara (minerba) akan semakin menipis dan habis. Dari sisi keuangan negara, subsidi energi mengokupasi postur APBN yang sangat besar, mencapai 300 trilyun rupiah per tahun. Terdapat paradoks antara ketersediaan energi yang tinggi mendorong peningkatan produk domestik bruto (PDB) terhadap penghematan besar – besaran, salah satunya dengan cara kuota energi, untuk menekan besaran subsidi energi.

Disebabkan oleh peliknya permasalahan keenergian nasional, diperlukan suatu upaya untuk membangun pemahaman yang sama akan ketahanan energi nasional untuk menunjang pertumbuhan ekonomi nasional di masa depan.

Pembuatan dan penyusunan buku Proyek Akhir ini selain diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan studi Diploma-4 (D4) dan memperoleh gelar Sarjana Sains Terapan (S.ST) di jurusan Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, juga didedikasikan kepada Bangsa Indonesia untuk mentransformasikan energi terbarukan. Terdapat beberapa relasi penulis yang sudah tidak sabar akan hasil karya yang nantinya mampu menjawab ketahanan energi ini diantaranya adalah Pemerintah Kabupaten Lamongan dan beberapa Konsultan yang bergerak di bidang jasa konstruksi.

vii dapat bermanfaat bagi pembaca.

Surabaya, 10 Februari 2017

KATA SAMBUTAN

Assalamualaikum Wr. Wb. Yang terhormat Bapak/Ibu Dosen Yang Saya hormati Dosen Pembimbing Serta rekan-rekan yang berbahagia

Puji syukur kami persembahkan kepada Allah SWT yang telah memberikan limpahan rahmat kepada kita semua sehingga kita diberi kesehatan sampai saat ini.

Shalawat serta salam kepada junjungan kita nabi Muhammad SAW, semoga berkah selalu menyelimuti kita semua.

Merupakan sebuah kebanggan yang tak ternilai harganya, saya diberikan ruang untuk menulis sebuah pengantar pada penulisan buku Tugas Akhir ini. Mendengar judulnya saja sangat impresif dan inovatif dalam konteks ketahanan energi nasional. Memang sesuai dengan concern Sahabat saya ini yang semenjak mahasiswa D3 sudah berekspansi berkarir di ranah organisasi mahasiswa ekstra kampus.

Mungkin saya adalah orang yang paling beruntung di dunia ini karena telah mengenal sosok seorang Imron yang tegas namun santun, inovatif dan progresif. Bagaimana tidak mengenalnya, saya sudah hampir 5 tahun berorganisasi di rahim yang sama sampai dengan merintis perusahaan Jasa Konsultan Proyek Konstruksi. Dari situlah saya mengetahui kepribadian dan karakternya yang memiliki relasi dengan tokoh – tokoh nasional sekaliber Anis Baswedan, Harry Azhar Aziz, Dwi Soetjipto, Achmad jazidie, dan masih banyak yang lainya.

ix

hasil tanpa menggunakan metode yang digunakan penulis.

Semoga dari hasil penelitian ini mampu diupayakan untuk dilakuakn study kursus lebih lanjut yang nantinya mampu mendedikasikan memitigasi ketergantungan energi dari satu sumber saja.

Terima kasih sekali lagi saya utarakan atas porsi yang diberikan kepada saya selaku teman dekat dan sebagai Direktur CV. Surya Milenia Engineering.

Billahitaufiq Walhidayah Wassalamualaikum Wr. Wb.

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan penuh rasa syukur kehadirat Allah S.W.T dan tanpa menghilangkan rasa hormat yang mendalam, saya selaku penyusun dan penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis untuk menyelesaikan proyek akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada .

1. Keluargaku tercinta, Bapak, Ibu dan Kakak yang telah

membesarkan, membimbing, memberikan motivasi selama ini, baik secara materiil maupun moril.

2. Bapak Epyk Sunarno, S.ST., MT. selaku Ketua Program Studi D4 Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.

3. Bapak Ir. Sutedjo, MT. dan Bapak Endro Wahjono, S.ST., MT. yang tak mengenal lelah dalam membimbing penulis untuk menyelesaikan Proyek Akhir ini.

4. Seluruh dosen yang telah mengajarkan ilmunya dan insya Allah bermanfaat, serta tak lupa seluruh karyawan PENS.

5. Prof. Iwan Vanany, ST., MT., Ph.D. (Guru Besar ITS) dan

Dr. Eng. Febriliyan Samopa, S.Kom., M.Kom. (Ketua

Jurusan Sistem Informasi FTIF ITS 2010 – 2015) yang telah

membantu dan memberikan kesempatan penulis untuk melanjutkan studi Lanjut Jenjang D4.

6. Prof. Dr. Ir. Hening Widi Oetomo, M.M., Ph.D. (Ketua

Pasca Sarjana STIESIA) dan Ir. Rachmat Ardji Wardana (Pendiri PKBPI Surabaya) selaku mentor spiritual penulis. Terima kasih atas ilmu “Hakikat Kehidupan” yang selama ini telah diajarkan kepada penulis.

7. Dr. Eng. Son Kuswadi yang selama ini senantiasa memberikan

motivasi kepada penulis untuk menyelesaikan buku Tugas Akhir.

8. Ir. Rudi Kurniawan (Direktur PT. SIAP TECHNOVATION

UNGGUL) atas pembelajaran berwirausaha ketika menjadi mahasiswa.

9. Fadli Ama, ST., MT. (Kasubdit SDM Universitas Airlangga)

xi

Milenia Engineering, atas dukungan serta perjuanganya dalam mengikuti tender yang penulis jalani secara simultan mengerjakan Tugas Akhir.

11. Segenap keluarga besar organisasi mahasiswa dan masyarakat yang telah membesarkan penulis dalam mendalami ilmu yang bermanfaat untuk umat dan bangsa, diantaranya adalah HMI, FAM PII, Rumah Pancasila, serta Rumah Intelejensia.

12. Teman–teman LJ D4 ELIN 2015 dan segenap keluarga besar Teknik Elektro Industri, atas kebersamaan dan kerjasamanya yang terjalin selama ini.

13. Saudara Ahmad yang telah intens membimbing penulis dalam merumuskan dan merealisasikan konsepsi MPPT metode Incremental Conductance yang dikonversi dalam sebuah program.

14. Semua teman-teman yang selama ini mendukung serta mendoakan penulis yang tidak bisa diucapkan satu persatu.

DAFTAR ISI

xiii

3.3 Perencanaan dan Pembuatan Software ... 44

BAB IV. PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Metode Pengujian ... 49 4.2 Pengujian Parsial ... 49 4.3 Pengujian Seluruh Sistem ... 62

BAB V.PENUTUP

5.1 Kesimpulan ... 73 5.2 Saran ... 74 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1.1 Potensi Tenaga Surya Dibandingkan Tenaga

Alternatif Lainya ... 1

1.2 Blok Diagram Sistem ... 3

2.1 Bentuk Fisik Panel Surya ... 7

2.2 Karakteristik Kurva I-V pada Panel Surya ... 9

2.3 Karakteristik Arus dan Tegangan Terhadap Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari ... 11

2.4 Grafik Efisiensi Kerja Dari Panel Surya Terhadap Radiasi Matahari ... 11

2.5 Grafik Daya Keluar Terhadap Tegangan Pengaruh Temperatur ... 12

2.6 Grafik Arus Terhadap Temperatur ... 12

2.7 Kurva Kenaikan dan Penurunan Tegangan MPPT . 14

2.8 Proses Tracking dari dP/dV pada Posisi yang Berbeda ... 14

2.9 Flowchart Algoritma ICM ... 17

2.10 Karakteristik Metode Constant Voltage dan Constant Current ... 19

2.17 Pembangkitan Sinyal PWM dengan Mikrokontroler ... 25

2.18 Sensor Tegangan Metode Resistor Pembagi Tegangan ... 26

2.19 Skema Penggunaan Terminal pada Allegro ACS712 ... 27

2.20 Rangkaian skematik dari Allegro ACS712 ... 28

2.21 Mikrokontroler ARM STM32F407VG ... 28

2.22 Blok Diagram ARM STM32F407 VG ... 29

xv

3.9 Rangkaian Simulasi Konverter Tanpa Kontrol MPPT ... 41

3.10 Hasil Simulasi Sistem Tanpa MPPT ... 42

3.11 Rangkaian Simulasi Konverter dengan Kontrol MPPT ... 42

4.5 Grafik Karakteristik Tegangan Keluaran dari Sensor Tegangan ... 55

4.6 Hardware Sensor Arus ACS712-5 A ... 56

4.7 Grafik Karakteristik Tegangan Keluaran Sensor Arus Terhadap Arus Sensing ... 57

4.8 Rangkaian Totempole dengan ARMSTM32F4 ... 58

4.9 Gelombang Penyulutan PWM PINC.6 dari ARMSTM32F4 dengan Duty Cycle 50%, Volt/div 0.5 Volt, Time/div=5μs, F=40 KHz ... 59

4.10 Hasil Pengujian Induktor dengan LCR Meter ... 59

4.11 Gelombang Penyulutan Vpulse Keluaran dari Totempole dengan Duty cycle 60 %, F=40 KHz, V/div= 0.1 V. T/div=5μs ... 61

4.12 Gelombang Penyulutan VGS MOSFET IXFH50N60 dengan Duty Cycle 60%, F=40 KHz, V/div= 0.1 V T/div=5μs ... 61

4.13 Gelombang VDS MOSFET IXFH50N60 dengan Duty Cycle 60 %, F=40KHz, V/div= 0.1 V T/div=5μs ... 61

xvii

Tabel Halaman

2.1 Daftar pin ACS712 ... 27

3.1 Tabel I/O Mikrokontroler STM32F407VG ... 44

4.1 Name Plate Solar Cell 100 WP ... 50

4.2 Pengujian Solar Cell 100 WP Pukul 09.15 WIB ... 51

4.3 Pengujian Solar Cell 100 WP Pukul 09.45 WIB ... 51

4.4 Pengujian Solar Cell 100 WP Pukul 10.15 WIB ... 52

4.5 Hasil Pengujian Sensor Tegangan ... 54

4.6 Hasil Pengujian Sensor Arus ACS712-5A ... 56

4.7 Hasil Pengujian Rangkaian Boost converter dengan Beban 40 Ohm ... 60

4.8 Hasil Pengujian Integrasi Seluruh Sistem Tanpa MPPT 63

4.9 Hasil Pengujian Integrasi Seluruh Sistem Dengan MPPT ... 64

4.10 Nilai Kenaikan Daya Kontrol MPPT Metode Incremental Conductance ... 65

4.11 Nilai Selisih Daya MPPT Metode Incremental Conductance dengan Kondisi Ideal Solar Cell ... 67

1

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Dewasa ini permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia. Hal ini dikarenakan pesatnya pertumbuhan ekonomi dunia sehingga kebutuhan manusia akan sumber energi pun meningkat. Jumlah energi di seluruh dunia itu sendiri masih didominasi oleh sumber-sumber fosil utama yaitu minyak bumi, gas alam dan batu bara. Ketiga sumber energi yang tidak dapat diperbaharui ini menyumbang hingga 87.7% dari total konsumsi energi dunia.

Dengan semakin menipisnya cadangan energi fosil dunia, setiap negara berlomba-lomba untuk mencari sumber energi alternatif lain yang lebih murah dan dapat diperbaharui. Beberapa sumber energi alternatif yang saat ini banyak dikembangkan adalah tenaga air, biomassa, tenaga angin dan tenaga surya. Namun, karena perkembangan dan penanaman modal yang membutuhkan biaya besar, hingga saat ini pemanfaatan sumber energi alternatif yang dapat diperbaharui masih didominasi oleh tenaga air.

Gambar 1.1 Potensi Tenaga Surya Dibandingkan Tenaga Alternatif Lainya

Salah satu energi alternatif yang mempunyai potensi sangat besar namun sering kali terabaikan adalah sinar matahari. 1Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh

1

permukaan bumi sebesar 69% dari total energi pancaran matahari. Sedangkan suplai energi surya dari sinar matahari oleh permukaan bumi mencapai 3x1024 joule pertahun, energi ini setara dengan 2x1017 Watt. Jumlah energi tersebut setara dengan 10.000 kali konsumsi energi dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0.1% saja permukaan bumi dengan perangkat solar cell yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini. Ilustrasi ketersediaan tenaga surya dibandingkan ketersediaan energi alternatif lainya ditunjukkan pada Gambar 1.1.

Dalam merancang sistem panel surya yang efisien tentunya tidak akan lepas dari penjejak (tracker) Maximum Power Point (MPP) yang berada pada kurva karakteristik V-I keluaran panel surya tersebut. Titik dimana daya yang dihasilkan oleh panel surya berada paling maksimum. MPPT adalah sistem sepenuhnya merupakan kontrol elektronik. Terdapat beberapa algoritma MPPT yang telah ditemukan dan ditulis pada jurnal ilmiah internasional seperti Perturb and Observe, Incremental Conductance, Hill Climbing, Dynamic Approach, Temperature Methods, Artificial Neural Network method, Fuzzy Logic method. Semua algoritma tersebut berbeda - beda dalam beberapa aspek termasuk kesederhanaan, kecepatan, sensor yang dibutuhkan, biaya, dan efektifitas. Selain jenis kontrol, pada sistem MPPT juga membutuhkan konverter sebagai pengatur tegangan keluaran panel surya. Jenis konverter yang pernah digunakan pada jurnal ilmiah adalah Cuk Converter dan Boost Converter.

Oleh sebab itu, berangkat dari paradigma berfikir diatas dan dengan memanfaatkan potensi sumber energi solar cell, maka dalam tugas akhir ini digunakanlah sebagai alternatif untuk charging accu dengan metode Incremental Conductance menggunakan ARM STM 32F4.

1.2 TUJUAN

Tujuan utama dari proyek akhir ini adalah merancang dan membuat sebuah battery charger dengan boost converter sebagai regulator tegangan dari sumber solar cell menggunakan metode Incremental Conductance untuk mengoptimalkan daya maksimum.

1.3 RUMUSAN MASALAH

1. Bagaimana membuat sistem charging untuk mendapatkan daya maksimum dengan MPPT menggunakan metode Incremental Conductance.

2. Bagaiamana merancang dan membuat boost converter dengan mengatur duty cycle PWM yang dihasilkan mikrokontroler.

1.4 BATASAN MASALAH

Untuk memfokuskan masalah pada proyek akhir ini, maka perlu di batasi masalah yang akan dibahas yaitu :

1. Panel surya yang digunakan adalah 100 WP dengan tegangan output 10-21 volt.

2. Penggunaan Accumulator 17 Ah dengan total tegangan 24 volt (merangkai seri 2 Accumulator masing-masing 12 volt).

1.5 METODOLOGI PENELITIAN

Dalam pengerjaan proyek akhir ini penulis menerapkan metodologi karya ilmiah yaitu mulai dari sebelum melakukan penelitian, saat melakukan dan setelah melakukan penelitian. Metodologi tersebut terbagi menjadi 6 tahap, yaitu:

1.5.1. Studi Literatur

Studi literatur ini merupakan pengumpulan konsep dasar proyek akhir yang bertujuan untuk mendapatkan metode yang terbaik dan tepat. Studi literatur ini bertujuan untuk memperoleh teori-teori penunjang yang melandasi pemecahan masalah di lapangan, baik itu bersumber dari buku, website, maupun jurnal ilmiah.

Dalam Proyek Akhir ini mempelajari karakteristik dari pengujian solar cell, teknik MPPT dengan metode Incremental Conductance dan pengaturan duty cycle pada Boost Converter .

1.5.2. Perencanaan Sistem

Gambar 1.2 Blok Diagram Sistem

1.5.3. Desain dan Pembuatan Hardware

Pembuatan hardware dilakukan berdasarkan literatur yang tersedia pada jurnal maupun pada beberapa mata kuliah yang telah dipelajari. Setelah pembuatan hardware selesai maka dilakukan pengukuran atau pengujian perangkat keras agar hasil pada hardware tersebut bisa dilihat dan diukur untuk disinkronkan dengan literatur yang ada.

Pada tahap ini dilakukan pembuatan perangkat keras yang meliputi boost converter, totempole, sensor tegangan dan arus, serta ARM STM32F4.

1.5.4. Desain Pembuatan Software

Dengan pembuatan perangkat lunak (software), maka untuk mencapai tujuan dari proyek akhir ini dengan mendapatkan daya maksimum untuk charging battery metode Incremental Conductance akan terealisasi. Selain itu untuk menunjang dari prospek kerja perangkat keras (hardware) dalam bekerja juga sangat dipengaruhi oleh perangkat lunak. Pada pembuatan perangkat lunak (software) ini meliputi include program di software koil ke ARM STM32F4.

1.5.5. Integrasi dan Pengujian Sistem

Pada tahap ini dilakukan pengujian terhadap sistem yang dibuat sehingga dapat ditemukan permasalahan dan dilakukan perbaikan (trial and error). Beberapa hal diujikan terhadap alat diantaranya adalah perbandingan daya yang dihasilkan solar cell antara menggunakan MPPT metode Incremental Conductance dengan tanpa menggunakan MPPT. Tidak hanya itu, pada boost converter juga dilakukan pengujian

untuk mendapatkan tegangan yang sesuai untuk dapat melakukan pengecasan akumulator.

1.5.6. Pembuatan Laporan Akhir

Pembuatan buku laporan dilakukan untuk menyusun sistematika dan proses pembuatan sistem yang dibuat mulai dari awal sampai akhir. Buku laporan ini berisi laporan mengenai semua yang dilakukan pada proyek akhir ini dan tentang teori-teori yang mendukung dalam pembuatan sistem.

1.6 SISTEMATIKA PENULISAN

Sistematika penulisan yang akan diuraikan dalam buku laporan proyek akhir ini terbagi dalam bab-bab yang akan dibahas sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dijelaskan mengenai latar belakang dilaksanakan tugas akhir ini, pokok permasalahan yang akan di teliti, batasan-batasan masalah yang digunakan, tujuan dan sistematika yang digunakan dalam proyek ini.

BAB II DASAR TEORI

Bab ini menjelaskan secara detail teori-teori tentang perangkat keras, perangkat lunak dan konsep dasar yang dipergunakan dalam tugas akhir ini.

BAB III PERANCANGAN

Penjelasan tentang yang akan dilakukan pada tugas akhir ini akan dijelaskan pada bab ini.

BAB IV PENGUJUAN DAN ANALISIS

Dari perancangan yang dilakukan pada bab sebelumnya, pada bab ini akan dijelasakan hasil dari pengujian sistem yang telah dibuat. BAB V PENUTUP

1.7 TINJAUAN PUSTAKA

Pada Proyek Akhir yang ditulis oleh Dwiky Alif Satria tahun 2012 dengan judul “Maximum Power Point Tracker (MPPT) untuk Panel

Surya Statis dengan Metode Hill Climbing”, membahas terkait dengan

sistem charging pada baterai dengan teknik MPPT menggunakan metode Hill Clambing.

Selain itu, pada Proyek Akhir yang ditulis oleh Tria Tiara Putra tahun 2015 dengan judul “Maximum Power Point Tracking (MPPT)

Metode Incremental Conductance Dengan DC – DC Fullbridge

Converter 3 Fasa Terisolasi Untuk Suplai Inverter 3 Fasa”,

menjelaskan bahwa sistem charging dengan menggunakan Incremental Conductance. Dimana untuk converter yang digunakan adalah DC-Dc Fullbridge Coverter 3 Fasa.

Sedangkan pada Proyek Akhir yang ditulis oleh Suci Nur Mashita tahun 2016 dengan judul “Maximum Power Point Tracker Pada Solar Panel Statis Dengan DC-DC Converter Paralel Full Bridge Untuk

Beban Pompa Air”, menyajikan sebuah penelitian dengan mengangkat

sistem charging solar cell dengan teknik MPPT metode Incremental Conductance guna menyuplai pompa air. Pada tugas akhir ini digunakan parallel full bridge converter untuk menaikkan tegangan hasil output dari solar cell.

BAB II

TEORI PENUNJANG

Pada Proyek Akhir ini terdapat beberapa teori penunjang yang akan mendukung penelitian, diantaranya mengenai:

2.1 PANEL SURYA

Secara umum, panel surya mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik. Panel surya menghasilkan arus yang digunakan untuk mengisi baterai. Panel surya terdiri dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas cahaya. Saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus listrik yang dihasilkan juga akan berkurang. Dengan menambah panel surya (memperluas) berarti menambah konversi tenaga surya. Umumnya panel surya dengan ukuran tertentu memberikan hasil tertentu pula. Contohnya ukuran � ×

� menghasilkan listrik DC sebesar x Watt per hour. Gambar 2.1 menunjukan bentuk fisik dari panel surya.

Gambar 2.1 Bentuk Fisik Panel Surya

Berikut adalah bahan-bahan yang dipakai sebagai bahan pembuatan solar sel antara lain sebagai berikut :

a. Mono-crystalline

Dibuat dari silikon kristal tunggal yang didapat dari peleburan silikon dalam bentuk bujur. Sekarang monocrystalline dapat dibuat setebal 200 mikron dengan nilai efisiensi 24%.

b. Poly-crystalline/Multi-crystalline (Si)

Dibuat dari peleburan silikon dalam tungku keramik kemudian pendinginan perlahan untuk mendapatkan bahan campuran silikon yang akan timbul diatas lapisan silikon. Sel ini kurang efektif dibandingkan dengan sel polycrystalline (efektifitas 18%), tetapi biaya lebih murah. c. Gallium Arsenide (GaAs)

Sel surya III-V semikonduktor yang sangat efisien sekitar 25%. Karakteristik kerja dari sel surya ketika sinar matahari jatuh pada diode silikon (silicon cell) yang menghasilkan foton, secara konstan yang akan menghasilkan energi berkisar ±0.5 voltmax. 600 mV pada 2A, dengan kekuatan radiasi sinar matahari 1000 W/m2 = “1 sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm² per sel surya.

Cara kerja panel surya sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Bila panel surya dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p.

Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung panel surya. Jika pada kedua ujung panel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir melalui beban.

Gambar 2.2 Karakteristik Kurva I-V pada Panel Surya

Keterangan Gambar 2.2 : Isc = Arus hubung singkat. Voc = Tegangan tanpa beban. Vmpp = Tegangan optimum. Impp = Arus optimum.

Pada kurva I-V yang menggambarkan keadaan sebuah panel surya beroperasi secara normal. Panel surya akan menghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan Im juga maximum. Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt = nol. Voc adalah volt maximum pada nilai arus nol, Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari. Kurva I-V terdiri dari 3 hal yang penting:

1. Maximum Power Point (Vmp dan Imp) adalah titik operasi, dimana maksimum luaran/output yang dihasilkan oleh panel surya saat kondisi operasional. Dengan kata lain, Vmp dan Imp dapat diukur pada saat panel surya kondisi berbeban pada 25oC dan radiasi 1000 W/m2.

2. Open Circuit Voltage (Voc) adalah kapasitas tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak adanya arus (current).

3. Short Circuit Current (Isc) adalah maksimum output arus dari panel surya yang dapat dikeluarkan (output) di bawah kondisi dengan tidak ada resistansi atau short circuit.

Faktor-faktor yang mempengaruhi unjuk kerja/performansi dari panel surya:

1. Bahan pembuat panel surya.

2. Resistansi beban

3. Intensitas cahaya matahari 4. Suhu/temperatur panel surya. 5. Bayangan/shading.

Terdapat beberapa kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh panel surya. Kelebihan-kelebihan yang menyebabkan panel surya banyak dikembangkan diantaranya:

1. Membutuhkan waktu yang singkat dalam perencanaan, instalasi, dan pembuatan plant baru.

2. Bersifat modular (modul-modul), sehingga praktis 3. Pemakaian daya mudah disesuaikan dengan kebutuhan.

4. Mempunyai life time yang lama dan perawatan yang mudah karena komponen bersifat statis.

5. High mobile dan portable karena tidak terlalu berat.

Selain memiliki kelebihan, panel surya juga memiliki beberapa kekurangan, diantaranya:

1. Karena energi didapat dari matahari, maka panel surya tidak dapat bekerja pada malam hari.

2. Pengaturan tegangan keluar hanya dapat melalui sistem elektrik. 3. Harga panel surya yang masih tergolong mahal.

Selain pengaruh cahaya, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi besar tegangan keluar dari panel surya, diantaranya: 1. Radiasi Matahari

Gambar 2.3 Karakteristik Arus dan Tegangan Terhadap Pengaruh Intensitas Cahaya Matahari2

Panel surya sangat terpengaruh dengan radiasi matahari, semakin besar nilai radiasi matahari maka efisiensi panel surya juga semakin meningkat. Pada Gambar 2.4 memperlihatkan efisiensi panel surya terhadap besar radiasi matahari yang menunjukkan pengaruh radiasi matahari terhadap efisiensi panel surya.

Gambar 2.4 Grafik Efisiensi Kerja dari Panel Surya Terhadap Radiasi Matahari3

2. Sudut Datang Cahaya

Panel surya akan menghasilkan tegangan dan arus keluaran maksimum saat sudut datang cahaya tegak lurus atau 90º terhadap permukaan panel surya. Nilai tegangan keluar sel surya akan turun dengan fungsi cosines sampai pada sudut 50º. Setelah melebihi sudut 50º, penurunan tegangan keluar akan signifikan.

3. Pengaruh Temprature

2 _{Ika W, Rancang Bangun Sistem Penggerak Pintu Air dengan}

Memanfaatkan Energi Alternatif Matahari, PENS – ITS, hal. 24.

3

Sebuah Panel surya dapat beroperasi secara maksimum jika temperatur sel tetap normal (pada 25°C), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada panel surya akan melemahkan tegangan keluaran (Voc). Setiap kenaikan temperatur panel surya 1°C (dari 25°C) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur sel per 10°C. Pelemahan arus ini menyebabkan berkurangnya daya keluar seperti yang terlihat pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 yang merupakan gambar grafik pengaruh dari temperatur terhadap tegangan output panel surya dan pengaruh temperatur terhadap daya.

Gambar 2.5 Grafik daya keluar terhadap tegangan pengaruh temperatur

Kecepatan angin disekitar panel dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array. Keadaan atmosfir bumi – berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara, kabut, dan polusi sangat menentukan hasil maksimum arus listrik dari deretan PV.

Orientasi dari rangkaian PV (array) kearah matahari secara optimum sangat penting agar panel PV dapat menghasilkan energy maksimum. Selain arah orientasi, sudut orientasi (tilt angle) dari panel PV juga sangat mempengaruhi hasil energi maksimum. Tilt angle (sudut orientasi matahari) mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maksimum. Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan bidang PV, maka ekstra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap perubahan gerak matahari yang berubah setiap waktu).

2.2 MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT)

4_{Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah sebuah} metode yang digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu panel surya. Daya keluaran yang maksimal ini akan menghasilkan rasio daya yang tinggi dan mengurangi rugi-rugi suatu panel surya.

Adapun prinsip kerja dari MPPT seperti pada Gambar 2.7 adalah menaikkan tegangan dan menurunkan tegangan kerja panel surya. Apabila dalam suatu sistem panel surya, tegangan kerja panel surya jatuh pada daerah disebelah kiri Vmp (tegangan kerja lebih kecil dari pada tegangan Vmp), maka tegangan kerja panel surya akan dinaikkan sampai mencapai Vmp, begitu juga sebaliknya apabila tegangan kerja panel surya lebih besar dari pada Vmp, maka tegangan kerja panel surya akan diturunkan sampai mencapai Vmp. Setelah mencapai tegangan maximum point (Pmax), secara otomatis daya keluaran pada panel surya juga akan menjadi maksimal.

4 _{Aries Pratama Kurniawan, Optimalisasi Sel Surya menggunakan}

Gambar 2.7 Kurva Kenaikan dan Penurunan Tegangan MPPT

Metoda MPPT digunakan karena sifat dari cahaya matahari yang berubah-ubah sehingga mengakibatkan perubahan daya keluaran pada solar sel.

Gambar 2.8. Proses Tracking dari dP/dV pada Posisi yang Berbeda5

Pada Gambar 2.8, terdapat 3 jenis titik yang berada pada 3 posisi. Di sebelah kiri puncak dP/dV>0, di puncak kurva dP/dV=0 dan di sebelah kanan puncak dP/dV<0. Perancangan MPPT ini membutuhkan 2 parameter untuk menentukan slope yaitu tegangan input konverter (Vin) dan arus input konverter (Iin), sesuai dengan persamaan 2.1.

Pin n =Vin n ×Iin(n) 2.1

5 _{Rusminto Tjatur Widodo dkk, Maximum Power Point Tracker Sel}

Dari dua parameter tersebut didapat daya Pin(n), dan tegangan Vin(n), maka dibandingkan dengan parameter pembacaan data yang sebelumnya yaitu Pin(n-1) dan Vin(n-1). Hasil perbandingan itu didapatkan P dan I6, sesuai dengan persamaan 2.2 dan 2.3.

∆V=Vin n-Vin(n-1) 2.2 ∆P=Pin(n)-Pin(n-1) 2.3 Dan hasil dari pembagian P dan V dinamakan slope, yang dapat dirumuskan dalam persamaan 2.4. MPP menunjukkan daerah dengan sinyal nol, yang menunjukkan nilai maksimum yang baru, dan sebaliknya jika nilai sinyal (slope) negatif, maka tegangan panel surya akan turun. Arah slope ditentukan dengan perbandingan P dan V. Dengan karakteristik dari konverter yang digunakan akan didapatkan ketetapan arah dari duty cycle. Jika hasil perbandingan (slope) tersebut menghasilkan nilai positif maka nilai duty cycle ditambah, dan jika menghasilkan nilai negatif maka nilai nilai duty cycle dikurangi. Dengan menentukan slope maka didapatkan referensi duty cycle yang baru.

MPPT ini berbeda dengan sistem pengontrol-pengontrol sebelumnya. MPPT selain 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 aki. Selain itu juga dengan MPPT ini, transfer daya ke aki dapat

6

dilakukan meskipun tegangan pada panel surya lebih rendah dari pada tegangan di aki yaitu dengan menggunakan Boost Converter.

2.3 INCREMENTAL CONDUCTANCE

Metode Incremental Conductance (ICM) bekerja berdasarkan gradien kurva P-V karakteristik sel surya. Titik kerja maksimum sel surya terletak pada nilai tegangan yang berbeda untuk setiap kondisi lingkungan yang berbeda, disebut VMPP. MPPT memberikan Vref agar

titik kerja sel surya terdapat di nilai VMPP tersebut. Flowchart dari

algoritma ICM ditunjukan oleh Gambar 2.9. Karakteristik P- V sel surya merupakan fungsi daya terhadap tegangan, mencapai itik maksimum ketika gradiennya bernilai nol. Hal tersebut dapat dituliskan dalam persamaan 2.5.

dP

dV=0 2.5 Keterangan Persamaan 2.5 :

dP = perubahan daya (watt) dV = perubahan tegangan (volt)

Karena P= V.I, maka Persamaan 2.5 dapat dijabarkan menjadi Persamaan 2.6 sebagai berikut :

d V.I

dI = perubahan arus ampere

dV = perubahan tegangan volt

I = arus ampere

V = tegangan volt

Perubahan Vref yang diberikan ICM tetap untuk setiap iterasi. Besar perubahan Vref tersebut dipertimbangkan dari waktu penjajakan menuju nilai maksimum dan osilasi pada nilai maksimum. Kedua parameter tersebut memiliki hubungan terbalik, sehingga selalu terdapat kompensasi untuk setiap parameter yang ingin diperbaiki. Perubahan Vref yang besar akan mempercepat waktu penjajakan, namun sulit mencapai VMPP dan menyebabkan osilasi di sekitar MPP. Oleh karena

itu, modifikasi dari algoritma ICM yang telah berkembang selama ini adalah dengan membuat besar perubahan Vref bervariasi.

Gambar 2.9. Flowchart Algoritma ICM7

7 _{Esram and Chapman, Comparasion of PV Array Maximum Power}

2.4 ACCUMULATOR / AKI

8

Accumulator atau sering disebut aki adalah salah satu komponen utama dalam kendaraan bermotor, baik mobil atau motor, semua memerlukan aki untuk dapat menghidupkan mesin kendaraan (mencatu arus pada dinamo starter kendaraan). Aki mampu mengubah tenaga kimia menjadi tenaga listrik. Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiawi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dari elemen basah dan elemen kering. Reaksi kimia pada elemen primer yang menyebabkan elektron mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksinya (elemen kering). Sehingga dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros. Contoh elemen primer adalah batu baterai (dry cells).

Elemen sekunder dalam pemakaiannya harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara mengalirkan arus listrik (secara umum dikenal dengan istilah 'disetrum'). Akan tetapi, tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali berulang kali. Elemen sekunder ini lebih dikenal dengan aki. Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang reversible (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversible yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (discharging). Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia (charging).

2.5 CHARGER

Charger adalah suatu rangkaian listrik yang berfungsi untuk mentransfer energi listrik dari sumber AC (Alternatif Current) maupun DC (Dirrect Current) kedalam battery agar kapasitas battery kembali penuh dan dapat digunakan kembali. Battery diisi dengan kapasitas arus yang sesuai dengan kebutuhan battery hingga tegangan battery penuh. Pada pengisian battery secara otomatis, ketika level tegangan yang

8

Pitvande Yanuar Hidayat , “Rancang Bangun Suatu Sistem Pemanfaatan Sumber Energi

ditentukan itu telah tercapai, maka arus pengisian akan turun secara otomatis ke level yang aman tepatnya yang telah ditentukan dan menahan arus pengisian hingga menjadi lebih lambat sehingga indicator menyala menandakan baterai telah terisi penuh. Pengisian battery secara otomatis dapat memberikan efek awet pada battery.

9_{Metode pengisian baterai kering diklasifikasi berdasarkan oleh}

aplikasi dari baterai. klasifikasi aplikasi baterai dibagi menjadi 2 yaitu Baterai sebagai Catu daya utama dan baterai sebagai daya cadangan. Metode pengisian Baterai kering sebagai catu daya yang termasuk standard Charging terbagi menjadi 2 yaitu Metode pengisian Constant Voltage dan Metode Pengisian Constant current and Constant Voltage.

Metode pengisian Constant Voltage adalah untuk mengisi baterai dengan menggunakan metode Constant Voltage diantara terminal baterai. Baterai kering dapat mengalami over-charged tanpa dikontrol menggunakan constant Voltage. Ketika baterai mengalami over-charged, air didalam elektrolit terurai oleh elektrolisis untuk menghasilkan gas oksigen yang banyak daripada apa yang bisa diserap oleh elektroda negatif. Elektrolit diubah menjadi gas oksigen dan gas hydrogen dan hilang dari sistem baterai. oleh karena itu, kontrol tegangan yang pasti dan waktu pengisian yang tepat dalam metode pengisian constant Voltage sangat penting untuk menjaga life time yang diharapkan dari baterai.

Gambar 2.10 Karakteristik Metode Constant Voltage dan Constant Current

9_{Ecy Dwiasta Rosella, “Solar Cell Sebagai Sumber Energi Penggerak}

Aerator Pada

Pada Gambar 2.10 dengan menggunakan metode constant Voltage dan constant current, tegangan pada stage 1 akan naik namaun arus akan konstan. Dan pada tahap 2 arus akan turun dan tegangan akan naik perlahan karena baterai mulai terisi penuh sampai akhirnya arus pengisian bernilai nol dan tegangan konstan mencapai set pengisian.

2.6 BOOST CONVERTER

10_{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.

Seperti halnya konverter buck, konverter boost memiliki rangkaian yang terdiri dari induktansi, kapasitor, diode frewheel, dan komponen switching seperti Thyristor, MOSFET, IGBT, dan GTO. Proses switching pada konverter ini juga disulut oleh PWM sebagai pengaturan duty cycle yang sangat berpengaruh pada besar kecilnya tegangan output dari konverter boost. Gambar 2.11 berikut merupakan rangkaian sederhana dari boost converter.

Gambar 2.11 Rangkaian Converter DC-DC Tipe Boost

Prinsip Kerja Boost converter ada 2 yaitu :

 Ketika Mosfet On (Tertutup) dan dioda off seperti pada Gambar 2.12, arus searah jarum jam dari sumber menuju induktor (terjadi pengisian arus pada induktor). Polaritas induktor pada sisi kiri lebih positif dibandingkan sisi kanannya. Kapasitor dalam keadaaan discharge untuk menjaga outputnya.

10_{Ir. M. Zaenal Efendi, MT. “}

Gambar 2.12 Mosfet Boost Converter ON

Diode mendapatkan tegangan balik dan dengan menggunakan hukum khirchhoff tegangan :

Laju perubahan arus konstan, sehingga arus naik secara linier pada saat saklar ditutup. Perubahan arus induktor dapat dihitung dengan : arus yang disimpan di induktor akan berkurang karena impedansi yang lebih tinggi. Berkurangnya arus pada induktor meyebabkan induktor tersebut melawannya dengan membalik polaritasnya lebih negatif pada sisi kiri). Sehingga, arus yang mengalir pada dioda dan pada beban adalah penjumlahan antara arus pada sumber dan arus pada induktor (seri). Disaat yang bersamaan kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya boost converter memiliki keluaran lebih tinggi dibandingkan dengan masukannya.

Gambar 2.13 Mosfet Boost Converter OFF

dt

Laju perubahan arus induktor konstan, sehingga arys berubah secara linier. Perubahan arus induktor ketika saklar dibuka adalah :

L

Pada operasi steady state, total perubahan arus induktor adalah Nol.

Yang akan menghasilka Vo : 0 L = Induktansi Lilitan D = Duty Cycle T = Periode

dt

diL

= Perubahan arus magnetisasi tiap satuan waktu

2.7 RANGKAIAN SNUBBER

11_{Rangkaian snubber merupakan rangkaian yang dapat}

menyebabkan terjadinya spike saat perpindahan saklar ON ke OFF atau sebaliknya. Pada rangkaian converter DC-DC dibutuhkan rangkaian

snubber untuk memotong tegangan Vds yang mempunyai spike terlalu tinggi atau melampaui tegangan Vds pada MOSFET. Untuk rangkaian boost converter setelah di-supply tegangan pada sisi masukan, tegangan spike yang ditimbulkan oleh induktansi bocor (leakage inductance) cukup tinggi. Untuk itu digunakan rangkaian snubber yang akan meredam tegangan spike tersebut. Berikut Gambar 2.14 rangkaian snubber :

Gambar 2.14 Rangkaian Snubber

2.8 PWM (PULSE WIDTH MODULATION)

PWM atau Pulse Width Modulation adalah salah satu teknik pemodulasian sinyal dimana besar duty cycle pulsa dapat diubahubah. PWM biasa digunakan untuk aplikasi-aplikasi analog yang menggunakan kontrol digital atau mikrokontroler, hal ini dikarenakan mikrokontroler tidak mampu menghasilkan tegangan analog secara langsung. Terdapat beberapa teknik untuk membangkitkan sinyal PWM, namun secara garis besar terbagi dalam 2 cara, yaitu pembangkitan sinyal dengan rangkaian analog dan dengan kontrol digital atau dengan mikrokontroler. Secara analog, pembangkitan sinyal PWM yang paling sederahana adalah dengan cara membandingkan sebuah sinyal segitiga atau gigi gergaji dengan tegangan referensi seperti yang terlihat pada Gambar 2.15 Gelombang segitiga atau gigi gergaji sebagai frekuensi pembawa yang juga merupakan frekuensi sinyal keluaran PWM. Sedangkan tegangan referensi adalah tegangan yang menentukan besarnya duty cycle dari keluaran sinyal PWM.

Csnubber

Dioda

Gambar 2.15 Pembangkitan dengan komparator

Cara kerja dari komparator analog ini adalah membandingkan gelombang tegangan gigi gergaji dengan tegangan referensi seperti yang terlihat pada Gambar 2.16 saat nilai tegangan referensi lebih besar dari tegangan ramp (gigi gergaji) maka keluaran komparator akan bernilai high atau saturasi mendekati Vcc. Namun saat tegangan referensi bernilai lebih kecil dari tegangan ramp, maka keluaran komparator akan bernilai low atau cut-off. Dengan memanfaatkan prinsip kerja dari komparator inilah, untuk mengubah duty cycle dari sinyal keluaran cukup dengan mengubah-ubah besar tegangan referensi.

Gambar 2.16 Gelombang Komparator Analog

Teknik pembangkitan pulsa yang lain adalah dengan cara kontrol digital yang salah satu contohnya adalah menggunakan mikrokontroler. Seperti halnya pembangkitan PWM dengan rangkaian analog, pembangkitan pulsa dengan menggunakan kontrol mikrokontroler juga

Vref

menggunakan cara pembandingan dua buah nilai. Jika pada rangkaian analog nilai yang dibandingkan adalah dua buah sinyal tegangan (tegangan referensi dengan tegangan carrier), pembangkitan PWM pada mikrokontroler adalah dengan membandingkan dua buah variable yang tersimpan dalam memori mikrokontroler. Yaitu variable TCNTx dengan OCRxx (salah satu contohnya). Apabila timer yang digunakan adalah timer 0, maka variabel yang dipakai adalah TCNT0 dan OCR0. TCNT0 adalah suatu variabel yang nilainya terus bertambah setiap satu satuan waktu (bergantung pada setting timer) yang jika dianalogikan ke rangkaian analog adalah sinyal ramp. Sedangkan OCR0 adalah suatu variabel yang berfungsi sebagai nilai referensi kapan keluaran PWM berubah dari high ke low ataupun sebaliknya. Keadaan ini dapat diilustrasikan seperti Gambar 2.17.

Gambar 2.17 Pembangkitan Sinyal PWM dengan Mikrokontroler

Pada rangkaian converter DC-DC dibutuhkan rangkaian snubber untuk memotong tegangan Vds yang mempunyai spike terlalu tinggi/melampaui tegangan Vds pada MOSFET. Untuk rangkaian boost converter setelah di-supply tegangan pada sisi masukkan, tegangan spike yang ditimbulkan oleh induktansi bocor (leakage inductance) cukup tinggi. Untuk itu digunakan rangkaian snubber yang akan meredam tegangan spike tersebut.

2.9 SENSOR TEGANGAN

tegangan (voltage devider) seperti yang terlihat pada Gambar 2.18 dibawah. Sensor tegangan ini dirancang untuk pengukuran tegangan pada output panel surya dan output dc-dc konverter.

Dari nilai tegangan VDC output dari panel surya dan output dari

dapat diteruskan kedalam persamaan hukum kirchoff 1 (resistor pembagi tegangan) sesuai persamaan 2.18.`

Vss=_RR2

1+R2×Vin 2.18

Keterangan persamaan 2.18 : Vin = Tegangan input (Volt)

Vss = Tegangan sensor (Volt)

R1 = Resistor pembagi tegangan 1 (Ohm)

R2 = Resistor pembagi tegangan 2 (Ohm)

Nilai VSS diatur sehingga didapat nilat tegang sebesar Vin=3 V,

nilai ini sesuai dengan nilai tagangan maksimum pada port ADC ARM STM32F407VG.

Gambar 2.18 Sensor Tegangan Metode Resistor Pembagi Tegangan

2.10 SENSOR ARUS ACS712

Gambar 2.19 Skema Penggunaan Terminal pada Allegro ACS712

Dari skema yang ditunjukan oleh Gambar 2.25, fungsi setiap pin pada ACS712 dapat dijelaskan oleh Tabel 2.1. Untuk penggunaan pin 6 dapat diabaikan apabila tidak dibutuh hasil yang sangat presisi. Pada proyek akhir ini pin 7 (VIOUT) akan diteruskan pada port ADC microcontroler ARM STM32F4 untuk diproses. Penggunaan sensor arus ACS712 akan lebih cocok untuk pengindera arus dengan perubahan level arus yang signifikan.

Tabel 2.1. Daftar pin ACS712

Pin Nama Keterangan

1 dan 2 IP+ Terminal untuk arus yang akan diukur

3 dan 4 IP- Terminal untuk arus yang akan diukur

5 GND Terminal untuk pentanahan sinyal 6 FILTER Terminal untuk kapasitor (set

bandwidth)

7 VIOUT Keluaran sinyal analog

8 VCC Terminal catu daya

Gambar 2.20 Rangkaian skematik dari Allegro ACS712

2.11 ARM STM32F4

ARM STM32F4 merupakan mikrokontroler dengan berbasis Digital Signal Processing (DSP) yang dilengkapi dengan hardware Floating Point Unit (FPU) sehingga memiliki kemampuan clock atau perhitungan bilangan yang lebih cepat dibanding mikrokontroler tanpa FPU. Mikrokontroler ARM STM32F4 dilengkapi dengan hardware yang mendukung aplikasi motor control seperti 2 channel ADC dan 15 Channel Timer.

Umumnya dipasaran ARM STM32F4 dijual dalam bentuk modul kit seperti yang terlihat pada Gambar 2.21 sehingga lebih dimudahkan dalam penggunaanya.

Gambar 2.21 Mikrokontroler ARM STM32F407VG12

12_{User Manual “ARM STM32F407VG” diakses dari}

http://www.st.com/resource/en/user_manual/dm00039084.pdf, pada

Kemampuan ARM STSM32F4 didukung oleh processor ARM-Cortex-M dengan kemampuan sampai dengan 168 MHz. Untuk mikrokontroler ARMSTM32F407VG tipe processor yang terpasang adalah ARM-Cortex M4, dimana terdapat layer struktur pemprograman tunggal yaitu Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS). Pada Gambar 2.22 dibawah inimenjelaskan spesifikasi dari keluarga ARM STM32F4.

Gambar 2.22 Blok Diagram ARM STM32F407 VG13

13_{Datasheet “ARM STM32F407VG” diakses dari}

Sedangkan fitur yang disediakan oleh ARM STM32F4 berupa: a. STM32F407VGT6 microcontroller featuring32-bit ARM

Cortex-M4F core, 1 MB Flash, 192KB RAM in an LQFP100 package.

b. On-board ST-LINK/V2 with selection mode switch to use the kit as a standalone STLINK/V2 (with SWD connector forprogramming and debugging).

c. Board power supply: through USB bus or froman external 5 V supply voltage.

d. External application power supply: 3 V and 5 V.

e. LIS302DL, ST MEMS motion sensor, 3-axisdigital output accelerometer.

f. MP45DT02, ST MEMS audio sensor, omnidirectionaldigital microphone.

g. CS43L22, audio DAC with integrated class Dspeaker driver. h. Eight LEDs:

1. LD1 (red/green) for USB communication. 2. LD2 (red) for 3.3 V power on.

3. Four user LEDs, LD3(orange), LD4(green), LD5(red) and LD6(blue).

4. 2 USB OTG LEDs LD7 (green) VBus and. i. LD8 (red) over-current.

j. USB OTG FS with micro-AB connector.

BAB III

PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT

3.1 KONFIGURASI SISTEM

Pada bab ini, membahas terkait perencanaan proses charging battery dengan metode Incremental Conductance menggunakan ARM STM32F4 yang meliputi boost converter, sensor arus dan tegangan. Eksistensi perangkat lunak maupun perangkat keras memiliki peranan yang sangat penting. Pembuatan perangkat keras pada sistem ini akan diintegerasikan pada perangkat lunak yang menggunakan mikrokontroler ARM STM32F4. Dimana nantinya bisa disebut sistem untuk mencapai tujuan yang sama yaitu mengoptimalkan daya maksimum dari solar cell.

Secara keseluruhan proyek akhir ini dapat digambarkan secara blok diagram sistem seperti pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem

Rancang Bangun Batteray Charger dengan Metode Incremental Conductance Menggunakan ARM STM32F4 merupakan sebuah gagasan proyek akhir dengan menggunakan solar cell sebagai alat untuk

mengkonversi cahaya matahari ke dalam bentuk energi listrik yang akan disimpan dalam accumulator.

Tegangan maksimum yang dihasilkan dari solar cell 100 WP hanya berkisar 10-21 volt. Sedangkan accumulator yang digunakan pada proyek akhir ini adalah 24 volt 14 AH, maka diperlukanlah sebuah boost converter untuk menaikkan tegangan output solar cell tersebut. Tegangan dan arus keluaran dari solar cell akan dibaca oleh sensor tegangan1 dan sensor arus1 sebagai bahan referensi untuk mendapatkan daya maksimum. Daya maksimum ini diperoleh dari metode Maximum Power Point Tracking (MPPT) yang digunakan yakni Incremental Conductance.

Sensor tegangan2 digunakan untuk membaca tegangan keluaran boost converter guna menstabilkan charging accumulator 24 volt dengan mengatur duty cycle. Duty cycle inilah yang akan diolah dalam mikrokontroler ARM STM32F4 sebagai otak dari sistem dengan memerhatikan tegangan input boost converter untuk merubah tegangan outputnya. Sedangkan sensor arus2 digunakan sebagai monitoring arus charging atau arus keluaran dari boost converter untuk memonitoring proses pengisian accumulator.

3.2 PERENCANAAN DAN PEMBUATAN HARDWARE

Desain hardware pada Proyek Akhir Rancang Bangun Battery Charger Dengan Metode Incremental Conductance Menggunakan ARM STM32F4 ini terdiri dari perencanaan perangkat keras (hardware) yang meliputi:

1. Perencanaan kebutuhan kapasitas baterai 2. Perencanaan kebutuhan panel surya

3. Perencanaan dan pembuatan Boost Converter 4. Perencanaan dan pembuatan totempole 5. Perencanaan dan pembuatan sensor tegangan 6. Perencanaan dan pembuatan sensor arus

7. Perencanaan dan pembuatan Konverter dengan Kontrol MPPT

3.2.1 Perencanaan Kebutuhan Kapasitas Baterai

Untuk menentukan kebutuhan aki yang akan digunakan, maka diperlukan perhitungkan seperti berikut.

Energi = P beban x lama penggunaan = 50 watt x 6 jam

= 300 Watthour

10% → asumsi kebutuhan daya untuk peralatan lainnya 330 Wh / 6 jam = 55 watt

55 watt / 24 volt = 2,3 Ampere Kapasitas aki :

2,3 Ampere x 6 jam = 13,8 AH ≈ 14 AH

3.2.2 Perencanaan Kebutuhan Panel Surya

Dalam menentukan kebutuhan berapa WP solar panel yang akan digunakan, perlu ditentukan terlebih dahulu kebutuhan battery dan komponen charging lainnya. Dari perhitungan perencanaan kapasitas baterai yang digunakan yakni acumulator 14 AH 24 volt (merangkai seri 2 acumulator). Adapun perhitungan solar panel yang digunakan adalah sebagai berikut.

Io Boost = 2,8 A; 20% dari kapasitas aki Vo Boost = 28 Volt

Energi saat efisiensi Boost 100%

Energi = Vo x Io x waktu pengisian aki Jadi solar cell yang digunakan adalah 100 WP

3.2.3 Perencanaan dan Pembuatan Boost Converter

Gambar 3.2 Simulasi Rangkaian Boost Converter pada PSIM

Sedangkan Gambar 3.3 merupakan hasil tegangan dari boost converter yang telah disimulasikan

Gambar 3.3 Hasil Simulasi Tegangan Output pada PSIM

Gambar 3.4 Skematik Rangkaian Boost Converter

Dalam perencanaan juga terdapat perhitungan untuk menentukan nilai dari komponen-komponen yang digunakan, perhitungannya sebagai berikut:

Vs min = 10 Volt Vs max = 20 Volt Vo = 28.8 Volt

Io = 2.8 A (20% dari 14 AH)

F = 40 KHz

1. Nilai Duty Cycle Vo=_1-DVs

Vo 1-D =Vs 1-D=Vs_Vo

2. Nilai Induktor

R =Vo_{Io = . = . Ω}. ∆IL= %- % x IL avg

∆IL= . x (_{R -D ) = . x ( .}Vsmin _{- .} ) = . x . = . A

L = _F Vo+Vf-Vs min (Vsmin_Vo+Vf)_∆IL

L = K . + . - ( . + . ) . = . μH

3. Maksimum Arus Induktor

I max =Is+ ∆IL= (_{R -D ) +}Vsmin ∆IL

I max = ( . - . ) + .

= . + . = . A

4. Output Capacitor

r=∆Vo_{Vo →∆Vo=r x Vo= . % x Vo= . % x . = .}

Id peak= Io_{D = .}. = . A

Id rms= Id peak x √D= . x √ . = . A Ic rms=√Id rms -Io = √ . - . = . A ∆Vo=∆Q_C =Ic rms x D x T_C

C=Ic rms x D x T_∆Vo = _.. x . _{x K =} . = . mF

Gambar 3.5 Rangkaian Snubber pada Boost Converter

Dan nilai komponen-komponen pada rangkaian snubber ditentutan dengan perhitungan sebagai berikut :

ION = Il = IO X Vo_VS = 2,8 x . = 8.064 A

VOFF = VO = 28.8 V

T = 1

F

T = T = 25µs;

(digunakan dengan FR307 untuk diode snubber)

Csnubber≈Ion x t fall x Voff

Csnubber= . _{x .} x n

Csnubber = 6.02 nF ≈ nF

Rsnubber< _{x Csnubber}D x T

Rsnubber< , _{x n} x μ

Rsnubber < 815 Ω Rsnubber ≈ 390 Ω

Untuk menentukan ukuran kawat tembaga yang digunakan harus berdasarkan besar arus rms induktor.

Csnubber

Dioda

IL rms=√IL avg + ∆IL

√ =√ . + .

√ = . A

Jika kawat displit sebanyak 7 kali, maka:

A WG=iL rms_split = . = .

Cross Sectional Area of Wire (qw)

qw=A_J; J=current density= 4,5A/mm2 qw= . _,

qw= , mm

1. Penentuan Nilai Lilitan Induktor Bmax = 0,25 Tesla (Ferrit Core PQ 3535)

= 1109.752 cm

= 11.097 meter = 12 meter

Sehingga menilik dari perhitungan diatas dapat dilihat bahwa panjang kawat yang digunakan untuk mendesain induktor adalah sekitar 12 meter. Karena AWG pada perencanaan sebesar 1.149 maka menggunakan diameter kawat sebesaar 0.57 milimeter seperti pada Tabel 1 di lampiran. Pada proyek akhir ini, liltan induktor menggunakan Ferrit Core PQ3535 dengan jumlah lilatan sebanyak 19 lilitan.

3.2.4 Perencanaan dan Pembuatan Totempole

Pada proyek akhir ini, Rangkaian totemplole digunakan untuk mengurangi atau meminimalisir power losses pada switching elektronik (electronic switching) saat mendesain suatu rangkaian elektronika daya. Switch losses terjadi karena terdapat perubahan dari kondisi high ke kondisi low secara cepat. Drive citcuit mosfet harus dapat dengan cepat memberikan arus dan membuang arus pada saat berada pada switching frekuensi tinggi. Rangkaian yang sangat cocok digunakan sebagai drive circuit pada MOSFET adalah yang dinamakan “totempole”. Desain rangkaian totempole pada proyek akhir ini seperti pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Desain Rangkaian Totempole

3.2.5 Perencanaan dan Pembuatan Sensor Tegangan

dua buah resistor (R1 dan R2) yang tersusun secara seri, dengan tegangan

DC masukan adalah besarnya tegangan sebenarnya yang akan diukur dan tegangan DC keluaran pada R2 merupakan tegangan output dari

rangkaian pembagi tegangan. Nilai dari R1 dan R2 harus diatur agar

tegangan output pada R2 memiliki nilai maksimal sebesar 3 volt, hal ini

dikarenakan tegangan output R2 ini akan digunakan untuk sensing pada

GPIO ADC mikrokontroler. Mikrokontroler yang digunakan adalah ARM STM32F407VG dengan tegangan referensi ADC sebesar 3 volt. Gambar 3.7 merupakan rangkaian dari sensor tegangan.

Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Tegangan

Perencanaan sensor tegangan untuk sisi input Boost Converter dapat diuraikan sebagai berikut :

Vin = 28,8 Volt

Vout = 3 Volt, dengan R1 ditentukan R1 = 10 KΩ

VinxR =Voutx R +R , xR = K+R , R = K+ R , R - R = K , R = K R = _{, = , KΩ} K

3.2.6 Perencanaan dan Pembuatan Sensor Arus

pengisisan keluaran dari solar cell dan boost converter, untuk diumpan ke dalam mikrokontroler guna mendapatkan daya maksimum pada solar cell. Pada Gambar 3.8 merupakan rangkaian desain sensor arus ACS712-5 A.

Gambar 3.8 Rangkaian Sensor Arus ACS712-5 A

3.2.7 Perencanaan Algoritma Incremental Conductance

Perencanaan algoritma MPPT Incremental Conductance ini dilakukan dengan simulasi melalui software PSIM. Gambar 3.9 merupakan rangkaian simulasi konverter tanpa kontrol MPPT.

beban yang digunakan 10 ohm. Hasil daya simulasi dari konverter tanpa kontrol MPPT ditampilkan pada Gambar 3.10. Berdasarkan hasil simulasi ini terlihat bahwa nilai Pin konverter tidak mencapai nilai Pmax.

Gambar 3.10 Hasil Simulasi Sistem Tanpa MPPT

Simulasi sistem dengan kontrol MPPT dirancang dengan variabel yang memiliki parameter yang sama dengan simulasi sistem tanpa kontrol MPPT, sehingga dari hasil simulasi ini dapat dibandingkan nilai Pin pada sistem tanpa kontrol dengan sistem dengan kontrol MPPT. Gambar 3.11 menunjukan rangkaian simulasi konverter dengan kontrol MPPT.

Hasil simulasi kontrol MPPT ditunjukkan pada Gambar 3.12. Berdasarkan hasil simulasi ini dapat dibuktikan bahwa secara teoritis kontrol MPPT metode Incremental Conductance dapat digunakan sebagai tracker daya puncak pada solar cell statis.

Gambar 3.12 Hasil Simulasi Sistem dengan MPPT

3.3 PERENCANAAN DAN PEMBUUATAN SOFTWARE

Perangkat lunak pada proyek akhir ini diantaranya adalah : 1. Perencanaan dan pembuatan software GPIO (General Input

Output) pada Minimum Sistem Mikrokontroler 2. Perencanaan dan pembuatan software LCD

3. Perencanaan dan pembuatan software PWM dan ADC

4. Perencanaan dan pembuatan software kontrol MPPT Incremental Conductance

3.3.1 Perencanaan dan pembuatan software GPIO (General Input

Output) pada Minimum Sistem Mikrokontroler

dengan kegunaan dari PORT tersebut berdasarkan datasheet. Tabel 3.1 menunjukan daftar penggunaan PORT dari mikrokontroler ARM STM32F07VG.

Tabel 3.1 Tabel I/O Mikrokontroler STM32F407VG

PORT PIN Input/Output Keterangan

PORTC 6 Output Untuk PWM

3.3.2 Perencanaan dan Pembuatan Software LCD

Perencanaan LCD meliputi penentuan GPIO yang digunakan untuk data LCD dan pembuatan software untuk menampilkan data pembacaan sensor yang dibaca oleh ADC. LCD yang digunakan pada Proyek Akhir ini yaitu LCD 4x20 dengan tipe liquid crystal. Dalam pembuatan program LCD pada software Keil uVision diperlukan penambahan library LCD pada program.

3.3.3 Perencanaan dan Pembuatan Software PWM dan ADC ADC pada proyek akhir ini digunakan untuk membaca data dari hasil pembacaan sensor arus dan sensor tegangan. Hasil pembacaan ini akan menjadi umpan balik pada sistem, yang digunakan dalam penentuan nilai PWM untuk switching konverter. Hasil pembacaan ADC akan ditampilkan pada LCD dan digunakan sebagai parameter dalam kontrol MPPT.

hampir bersamaan. ADC yang digunakan yaitu 12 bit atau 4095 per scaler. Data hasil pembacaan dari ADC akan disimpan dalam variabel array.

3.3.4 Perencanaan dan Pembuatan Software Kontrol MPPT Incremental Conductamce

Pada proyek akhir ini digunakan kontrol MPPT dengan algoritma Incremental Conductance. Prinsip dan alur kerja dari algoritma ini secara umum dijelaskan Gambar 3.13 yaitu flowchart dari algoritma Incremental Conductance.

Gambar 3.13 Flowchart Incremental Conductance

MPP yang diperoleh melalui pengujian PV. Agar dapat merealisasikan flowchart tersebut maka digunakan sistem if else pada bahasa C sebagai pengambilan keputusan dalam menentukan kondisi MPP. Berikut ini adalah program sesuai dengan flowchart dari metode Incremental Conductance.

void rule_inco(void) {

sensor(); ADC_SoftwareStartConv(ADC1); if(status==0)

{

vganjil=vIn; iganjil=iIn;

deltav=vganjil-vgenap; deltai=iganjil-igenap;

}

else {

if (((perubahan+(Z))<=zs)||((perubahan+(Z))>=zz)) pwm=pwm;

if ((perubahan+(Z))>zs) {

pwm=pwm+2; if(pwm>44)

pwm=44; }

if ((perubahan+(Z))<zz) {

pwm=pwm-1; if(pwm<16)

pwm=16; }