T1__BAB II Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Alat Peraga Sistem Maximum Power Point Tracking dengan Metode Perturb and Observe untuk Solar Charger Controller 7 Ampere T1 BAB II

4

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang berkaitan dengan tugas akhir yang dibuat, antara lain sel surya, maximum power point tracking, buck and boost converter, dan baterai lead-acid.

2.1. Sel Surya

Sel surya merupakan peralatan elektronik yang mampu mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Sedangkan panel surya merupakan gabungan dari beberapa modul yang tersusun dari beberapa sel surya. Sel surya terbuat dari bahan-bahan seperti monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, kadmium telurida, dan tembaga indium galium selenida [1].

2.1.1.Prinsip Kerja Sel Surya

Sel surya bekerja berdasarkan efek fotovoltaik, yaitu munculnya tegangan pada sebuah material dikarenakan terkena cahaya yang memiliki frekuensi di atas ambang batas frekuensi materi tersebut [2][3]. Energi yang dihasilkan memiliki persamaan :

∆� = ℎ � − � (2.1.)

Secara sederhana, cara kerja sel surya adalah sebagai berikut [1][2]:

1. Energi dari cahaya matahari, dalam hal ini adalah foton (energi yang terdapat dalam cahaya, dikemukakan oleh Albert Einstein, pada 1905), mengenai permukaan sel surya.

2. Foton dengan energi yang kurang energi ambang dari material sel surya akan dilewatkan, sedangkan foton dengan energi yang sama atau lebih akan diserap.

5

4. Hal ini menyebabkan terbentuknya hole pada tempat elektron sebelumnya dan akhirnya terbentuk pasangan elektron-hole.

5. Karena sel surya merupakan p-n junction dan di antara lapisan p serta lapisan n diberi membran semipermeabel, maka elektron yang telah berpindah tingkat energinya tidak dapat kembali ke tempat semula.

6. Dengan hal tersebut, maka terdapat perbedaan potensial. Dengan pemasangan rangkaian eksternal, maka elektron akan mengalir ke tempatnya semula, hal ini menimbulkan terbentuknya arus dan tegangan pada sel surya.

2.1.2.Rangkaian Ekuivalen dari Sel Surya

Sel surya dapat diganti dengan rangkain yang ekuivalen untuk memudahkan dalam analisis. Berikut adalah rangkaian yang ekuivalen dengan sel surya :

Gambar 2.1. Rangkaian ekuivalen sel surya Dari rangkaian di atas, maka akan di dapat persamaan :

= �− (�

n = faktor idealitas dioda Rs = hambatan seri (Ω)

6 2.1.3.Karakteristik Sel Surya

Gambar 2.2. Grafik keluaran V terhadap I pada sel surya [4]

Dari grafik keluaran sel surya di atas, dapat dilihat bahwa sel surya memiliki beberapa hal penting, yaitu short circuit current (Isc), open circuit voltage (Voc), dan titik daya maksimal. Isc adalah arus yang mengalir melewati sel surya saat tegangan yang mengalir melewatinya adalah nol. Sedangkan Voc adalah tegangan yang mengalir melewati sel surya saat arus yang mengalir melewatinya adalah nol. Kedua hal ini merupakan titik maksimal dari keluaran sel surya. Sedangkan titik daya maksimal adalah titik di mana keluaran sel surya (tegangan dan arus) yang dihasilkan menghasilkan daya tertinggi, arus dan tegangan pada titik ini adalah Imp dan Vmp. Perbandingan antara Voc dan Isc dengan Vmp dan Imp disebut sebagai fill factor (FF). FF ini digunakan untuk mengukur kualitas dari sebuah sel surya. Sedangkan efisiensi dari sel surya dapat dituliskan dengan persamaan [5][6]:

� = � �_{� �}

� (2.3)

dengan

7

Dalam perkembangannya, sel surya terbuat dan tersusun dari berbagai macam bahan, yang kemudian dapat dikelompokkan menjadi generasi pertama, kedua, dan ketiga [7]. Generasi pertama disebut sebagai sel surya tradisional, terbuat dari crystalline silicon yang di dalamnya ada polycrystalline silicon dan monocrystalline silicon. Generasi kedua merupakan thin film solar cell. Yang merupakan sel surya generasi kedua adalah amorphous silicon, CdTe, dan CIGS. Generasi ketiga sebagian merupakan thin film solar cell yang belum dipublikasikan dan sebagiannya merupakan sel surya yang terbuat dari materi organik yang masih dalam penelitian dan pengembangan. Berikut adalah penjelasan dari beberapa jenis sel surya [6] [7]:

2.1.4.1. Monocrystalline Silicon Solar Cell

Monocrystalline silicon biasa disebut silikon kristal tunggal, Si kristal tunggal, mono c-Si, atau mono-Si. Selain digunakan untuk sel surya, silikon jenis ini banyak digunakan dalam peralatan elektronik untuk chip. Sel surya jenis ini dibuat dari silikon yang setiap kisinya tidak terputus dan bentuknya seragam. Pembuatan dari sel surya ini menggunakan silikon murni maupun didoping.

Gambar 2.3. Panel surya Mono-Si [8] 2.1.4.2. Polycrystalline Silicon Solar Cell

8

Gambar 2.4.Panel surya Poli-Si [9] 2.1.4.3. Amorphous Silicon Solar Cell

Amorphous silicon (a-Si) merupakan wujud non-kristal dari silikon. Jenis silikon ini banyak digunakan dan dikembangkan untuk sel surya jenis thin film. Sel surya ini dibuat dengan mengendapkan silikon sehingga membentuk lapisan yang tipis, sekitar 1 mikrometer. Endapan silikon ini dapat dibuat dengan suhu rendah, sekitar 75°C.

9

Gambar 2.6. Panel surya a-Si [11] 2.1.4.4. Cadmium Telluride (CdTe)

10

Gambar 2.7. Lapisan sel surya CdTe [12]

Gambar 2.8. Panel surya CdTe [13] 2.1.4.5. Copper Indium Gallium Selenide (CIGS)

11

Gambar 2.9. Panel surya CIGS [14]

2.2. Maximum Power Point Tracking

Maximum power point tracking (MPPT) merupakan cara yang digunakan untuk memaksimalkan energi keluaran dari sumber daya listrik, seperti panel surya. MPPT diperlukan dalam panel surya karena keluaran dari panel surya tidaklah linear. Hal ini disebabkan oleh adanya perubahan intensitas cahaya matahari dan suhu yang tidak tetap tiap saatnya [6].

Tabel 2.1. Metode-Metode MPPT Beserta Kriterianya

Impp & Vmpp

Computation Yes Yes Digital Yes N/A Medium

Irradiance, Temperature

State-based MPPT Yes Yes Both Yes Fast High Voltage,

Current

OCC MPPT Yes No Both Yes Fast Medium Current

BFV Yes No Both Yes N/A Low None

LRCM Yes No Digital No N/A High Voltage,

Current

Slide Control No Yes Digital No Fast Medium Voltage,

14

Pada tugas akhir ini digunakan MPPT metode perturb and observe (P&O). Metode ini sering digunakan karena tingkat kekompleksan algoritma yang rendah, sehingga memudahkan dalam penerapannya. Akan tetapi, metode ini juga memiliki kekurangan, yaitu dapat dengan mudahnya kehilangan jejak titik maksimum saat perubahan dari penyinaran berganti-ganti dengan cepat. Hal ini dikarenakan ketika terjadi perubahan sinar matahari secara cepat, P&O berosilasi di sekitar daerah MPP. Sebelum menemukan MPP, P&O akan selalu berpindah-pindah di sekitar titik MPP. Hal ini mengurangi efisiensi dari algoritma P&O [16][17]. Metode ini menggunakan perubahan data dari tegangan dan daya dari panel surya. Kemudian, perubahan tegangan dan daya yang dihasilkan untuk mengubah tegangan referensi (hal ini dinamakan perturbation). Berikut adalah tabel perubahan dari perturbation dan daya.

Tabel 2.2. Data Perubahan Perturbation dan Daya Perturbation Perubahan Daya Perturbation Selanjutnya

Positif Positif Positif

Positif Negatif Negatif

Negatif Positif Negatif

Negatif Negatif Positif

15

Gambar 2.10. Diagram alir algoritma MPPT-P&O 2.3. Buck and Boost Converter

16

adalah perhitungan untuk menentukan komponen eksternal dari LM2577 dan LM2596 [18][19]:

2.3.1. Boost Converter, LM2577

LM2577 adalah boost converter dengan osilator 52 kHz sebagai frekuensi penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan :

Gambar 2.11. IC LM2577 [20]

Gambar 2.12. Rangkaian boost converter dengan IC LM2577 [18] 2.3.1.1. Penentuan arus beban maksimal, Iload,max

Batasan dari arus beban yang dapat diterima oleh LM2577 adalah

I a , ax , A ×V_V i , i (2.3)

dengan syarat V 6 V

17 2.3.1.2. Induktansi, L

Untuk mencari nilai L, pertama kali tentukan nilai maksimum dari duty cycle. D ax = V_V +V_+Vf−Vi , i

f− , V (2.4)

dengan

Vf = 0,5 V untuk dioda Schottky dan 0,8 V untuk lainnya

Selanjutnya, cari kode L dari perpotongan nilai E·T dan Iind,DC. E ∙ T = ax×(Vi , i − , V)×

z V ∙ μs (2.5)

Ii , = , ×₋ a , ax_ax (2.6)

18

Tabel 2.3. Kode Induktor

Jika Dmax ≥ 0,85, maka nilai L minimal dicari dengan :

L i = , .(Vi , i − , V). ._{− ax} ax− μH (2.7)

2.3.1.3. Rc, Cc, dan Cout

Besarnya nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ dan dapat dihitung dengan :

R × a , ax×V

Vi , i (2.8)

Nilai minimum Cout didapat dari hasil tertinggi antara : C , ×L×R × a , ax

Vi , i ×V (2.9)

dan

C Vi , i ×R × Vi , i +�× , ×

×V (2.10)

Nilai Cc didapat dengan :

C , ×V_{R ×V} ×

i , i (2.11)

Agar saat sirkuit dapat mulai dengan baik, diperlukan Cc ≥ 0,22 µF. 2.3.1.4. R1 dan R2

Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari boost converter.

V = V +R_R (2.12)

dengan

19 2.3.1.5. Dioda, D

Nilai dioda didapat dari tabel :

Tabel 2.4. Jenis Dioda

2.3.2. Buck Converter, LM2596

LM2596 adalah buck converter dengan osilator 150 kHz sebagai frekuensi penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan :

20

Gambar 2.15. Rangkaian buck converter dengan IC LM2596 [19] 2.3.2.1. R1 dan R2

Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari buck converter.

V = V +R_R (2.13)

dengan

Vref = 1,23 V

2.3.2.2. Induktansi, L

Untuk mencari nilai L, pertama kali dihitung nilai Volt·microseconds dengan persamaan :

E ∙ T = Vi − V − Va ∙_{Vi −V a +V}V +V ∙ _z V ∙ μs (2.14)

dengan

Vsat = 1,16 V Vd = 0,5 V

21

Gambar 2.16. Grafik untuk mencari kode induktor [19]

22 2.3.2.3. Kapasitor keluaran, Cout

Kapasitor keluaran dapat diketahui dari tabel berikut : Tabel 2.6. Nilai Kapasitor Keluaran

Kapasitas tegangan dari kapasitor minimal adalah 1,5 kali dari tegangan keluaran buck converter. Selain itu, peletakan kapasitor ini harus dekat dengan IC.

2.3.2.4. Kapasitor feedforward, Cff

Nilai Cff dapat dilihat dari Tabel 2.6. 2.3.2.5. Dioda, D

Untuk mencari dioda yang tepat, pertama arus yang mampu dilewatkan dioda memiliki besar minimal 1,3 kali arus beban, kedua tegangan balik dioda minimal 1,25 kali dari tegangan maksimal masukan. Peletakan dioda juga harus dekat dengan IC. Berikut adalah tabel jenis dioda yang dapat digunakan :

23 2.3.2.6. Kapasitor masukan, Cin

Kapasitor yang digunakan untuk masukan adalah kapasitor dengan tegangan kapasitor minimal 1,5 kali tegangan masukan dan arus 0,5 kali arus beban. Setelah itu, besarnya kapasitor dapat dicari dengan melihat Gambar 2.17.

Gambar 2.17. Grafik untuk mencari besarnya kapasitor masukan

2.4. Baterai Lead-Acid

Baterai adalah peralatan yang mampu mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu anoda, katoda, dan elektrolit. Anoda merupakan kutub negatif dari baterai yang memberi elektron ketika terhubung dengan rangkaian eksternal. Katoda merupakan kutub positif dari baterai yang menerima elektron ketika terhubung dengan rangkaian eksternal. Sedangkan elektrolit merupakan penghantar antara katoda dan anoda saat ion terbentuk [22].

24

menghasilkan energi listrik. Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang ketika sudah tidak dapat menghasilkan listrik [22][23].

Baterai lead-acid merupakan jenis baterai sekunder. Listrik dari baterai lead-acid dihasilkan dari reaksi kimia [23]:

Elektoda Positif ∶ � + � + +_{+ �}− _{→ �� + (2.15)}

Elektoda Negatif ∶ � + � → �� + +_{+ �}− _(2.16)

Reaksi Total ∶ � + � + � → �� + (2.17)