BAB III PERANCANGAN SISTEM

25

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini, akan dijelaskan tentang perancangan perangkat keras beserta perangkat lunak sistem yang dibuat.

3.1. Gambaran Sistem

Sistem yang dibuat untuk tugas akhir ini adalah maximum power point tracking

(MPPT) dengan metode perturb and observe (P&O), yaitu sebuah sistem yang dapat memaksimalkan keluaran dari panel surya dengan mencari titik kerja maksimalnya. Hal ini bertujuan agar panel surya dapat dimanfaatkan secara maksimal. Berikut adalah diagram blok dari sistem yang dibuat :

Sensor

LCD 20×4

Arduino Buck & Boost

Converter Baterai lead-acid Load control Beban Sensor tegangan Sensor arus Panel Surya

26

Cara kerja dari sistem ini adalah ketika tegangan dan arus keluaran panel surya melewati sensor, tegangan dan arus tersebut diperhitungkan dengan MPPT oleh Arduino. Setelah perhitungan selesai, Arduino akan menentukan untuk mengaktifkan buck converter

atau boost converter. Konverter ini digunakan untuk memaksimalkan keluaran panel surya dengan cara menaikkan maupun menurunkan tegangan. Keluaran dari konverter ini kemudian menuju langsung ke baterai untuk pengisian. Tegangan dari baterai kemudian diperhitungkan oleh Arduino melalui sensor. Hal ini bertujuan untuk otomatisasi pengisian. Kemudian, data yang telah diperoleh ditampilkan oleh LCD.

3.2. Perancangan Perangkat Keras Sistem

Perangkat keras yang digunakan dalam sistem ini adalah Arduino Nano, sensor arus ACS712, sensor tegangan, LM2577, LM2596, Sunrise Solartech SRM-50D, dan Yuasa YB7B-B. Secara keseluruhan, perangkat keras yang dibuat memiliki dimensi 18 cm × 18 cm × 9 cm, berikut adalah desain dari perangkat keras yang dibuat :

27

Gambar 3.3. Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano

Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari pembacaan sensor, pengolahan algoritma MPPT, pengaturan pengisian baterai, hingga pengaturan saklar beban. Berikut spesifikasi dari Arduino Nano yang digunakan dalam sistem :

28

Tabel 3.1. Spesifikasi Arduino Nano

Mikrokontroler ATmega328 Arsitektur AVR Tegangan Operasi 5 V Memori Flash 32 KB SRAM 2 KB Clock Speed 16 MHz

Analog I/O Pins 8

EEPROM 1 KB

Arus DC tiap Pin I/O 40 mA

Tegangan Masukan 7 – 12 V

Digital I/O Pins 22

PWM Output 6

Konsumsi Daya 19 mA

Ukuran PCB 18×45 mm

Berat 7 gr

Tabel 3.2. Koneksi Pin I/O Arduino Nano

No Pin Terhubung ke

1 A0 Sensor Tegangan Panel Surya 2 A1 Sensor Arus ACS712-5A 3 A2 Sensor Tegangan Baterai 4 A3 Sensor Arus ACS712-20A

5 A4 SDA LCD

6 A5 SCL LCD

7 D2 Saklar Beban

8 D3 Saklar Buck Converter

9 D4 Saklar Boost Converter

10 D5 Saklar Backlight LCD 11 D9 LED Merah

12 D10 LED Hijau 13 D11 LED Biru 14 Reset Saklar Reset

15 Vin 5 Volt Tegangan Supply

29 3.2.2. Sensor Arus

ACS712 merupakan sensor arus yang menerapkan efek Hall. Efek Hall adalah gaya yang timbul akibat adanya pergerakan dari sebuah muatan yang disebabkan oleh medan listrik dan medan magnet. Terdapat dua jenis ACS712 yang digunakan untuk sistem ini, yaitu ACS712-5A dan ACS712-20A. ACS712-5A digunakan untuk mengukur arus keluaran dari panel surya, sedangkan ACS712-20A digunakan untuk mengukur arus pada beban. Spesifikasi dari sensor ini adalah sebagai berikut :

Tabel 3.3. Spesifikasi Sensor Arus ACS712 Tegangan Operasi 8 V

Tegangan Keluaran 8 V

Sensitivitas Sensor • 185 mV/A (ACS712-5A) • 100 mV/A (ACS712-20A)

Ukuran PCB 31×13 mm

30 3.2.3. Sensor Tegangan

Sensor tegangan yang digunakan adalah dua buah resistor sebagai pembagi tegangan dan memiliki hasil akhir keluaran maksimal 5 Volt. Pada sistem yang digunakan ini, menggunakan dua sensor tegangan, pertama untuk mengukur tegangan keluaran panel surya dan yang kedua untuk mengukur tegangan baterai.

Gambar 3.6. Rangkaian sensor tegangan

Untuk panel surya dengan tegangan keluaran maksimal 22 Volt, maka resistor yang digunakan adalah sebagai berikut :

5 Volt = 𝑅2

𝑅1+𝑅2× 22 Volt (3.1) Dengan nilai R1 = 10 kΩ, maka akan didapat R2:

5 22= 𝑅₂ 10 𝑘Ω + 𝑅₂ 22𝑅₂ = 50 𝑘Ω + 5𝑅₂ 17𝑅₂ = 50 𝑘Ω 𝑅2 = 2941,176 Ω ≈ 3 𝑘Ω

Untuk baterai dengan tegangan maksimal 14.4 Volt, maka resistor yang digunakan adalah sebagai berikut :

5 Volt = 𝑅2

𝑅1+𝑅2× 14,4 Volt (3.2) Dengan nilai R1 = 20 kΩ, maka akan didapat R2:

5 14,4=

𝑅₂ 20 𝑘Ω + 𝑅2

31

14,4𝑅2 = 100 𝑘Ω + 5𝑅2

9.4𝑅₂ = 100 𝑘Ω 𝑅₂ = 10638,298 Ω ≈ 11kΩ

3.2.4. Boost Converter, LM2577

Untuk pengisian baterai 12 Volt 7 Ah, maka akan diperlukan tegangan sebesar 13,8 Volt hingga 14,4 Volt dengan arus 10% hingga 30% dari 7 A atau 0,7 A hingga 2,1 A [26]. Kelebihan tegangan dan arus akan mengakibatkan baterai mengalami kerusakan yang ditandai dengan munculnya busa. Sedangkan kekurangan tegangan menyebabkan tidak akan mampu untuk mengisi baterai dan kekurangan arus menyebabkan lebih lamanya pengisian baterai. Dari Bab II subbab buck and boost converter poin 2.3.1. akan didapat komponen rangkaian eksternal boost converter dengan perhitungan :

3.2.4.1. Arus beban maksimal, Iload,max

Dengan tegangan masukan minimal sebesar 7 Volt dan tegangan keluaran 14,4 Volt, maka berdasar persamaan (2.3) akan didapat arus beban :

𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥 ≤

2,1 × 7 14,4 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥 ≤ 1,02 𝐴

Pada penerapan, akan digunakan arus beban maksimal sebesar 1 A. 3.2.4.2. Penentuan nilai Induktansi L

Dari persamaan (2.4) hingga (2.7), maka akan didapat :

𝐷𝑚𝑎𝑥 = 14,4 + 0,5 − 7 14,4 + 0,5 − 0,6 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 0,5524475524 𝐸 ∙ 𝑇 =0,5524475524 · (7 − 0,6) · 10 6 52000 𝐸 ∙ 𝑇 = 67,99354491 𝑉 ∙ 𝜇𝑠 𝐼_{𝑖𝑛𝑑,𝐷𝐶} = 1,05.1 1 − 0,5524475524 𝐼𝑖𝑛𝑑,𝐷𝐶 = 2,34609375 𝐴

32

Dengan nilai E·T dan Iind,DC di atas dan dari Gambar 2.12, didapat kode induktor L100. Dengan menggunakan induktor Schott, maka didapat induktor sebesar 100 µH, 3 A. 3.2.4.3. Penentuan nilai Rc, Cc, dan Cout

Nilai Rc didapat dari persamaan (2.8) :

𝑅𝑐 ≤

750 × 1 × 14,42

72

𝑅_𝑐 ≤ 3173,877551Ω

Dengan nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ, maka didapat Rc sebesar 3kΩ. Untuk nilai Cout dapat dicari dari nilai tertinggi yang didapat dari persamaan (2.9) dan (2.10) berikut :

𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥ 0,19 × 100𝜇 × 3000 × 1 14,4 × 7 𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥ 565,4761905 𝜇𝐹 𝐶_𝑜𝑢𝑡 ≥7 × 3𝑘 × (7 + 100𝜇 × 3,74 × 10 5₎ 487800 × 14,43 𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥ 640,137092 𝜇𝐹

Dari hasil di atas, nilai minimal dari Cout adalah 640,137092 µF. Pada perancangan alat, digunakan nilai Cout sebesar 1000 µF. Sedangkan nilain Cc didapat dari persamaan (2.11) :

𝐶_𝑐 ≥58,5 × 14,4

2_{× 1000𝜇}

30002_{× 7}

𝐶_𝑐 ≥ 0,192548571 𝜇𝐹

Agar rangkaian dapat dimulai dengan baik, maka nilai Cc yang digunakan adalah 0,22 µF.

3.2.4.4. Penentuan nilai R1 dan R2

Tegangan keluaran dari boost converter diatur menjadi 14,4 Volt. Dengan R2 bernilai 1 kΩ, dari persamaan (2.12) akan didapat R1 sebesar :

14,4 = 1,23 × (1 + 𝑅1 1000) 𝑅₁ = 1000 × (14,4

1,23− 1) 𝑅₁ = 10707,31707 Ω ≈ 11 𝑘Ω

33 3.2.4.5. Penentuan nilai Cin

Berdasarkan datasheet dari IC LM2577, penggunaan kapasitor sebesar 0,1 µF digunakan di antara pin masukan dan ground.

3.2.4.6. Penentuan dioda D

Keluaran tegangan maksimal dari boost converter yang dibuat adalah 14,4 Volt, dengan menggunakan Tabel 2.4., maka didapat dioda 1N5820.

3.2.5. Buck Converter LM2596

Untuk buck converter, dari Bab II subbab buck and boost converter poin 2.3.2. akan didapat komponen rangkaian eksternal dengan perhitungan :

3.2.5.1. Penentuan nilai R1 dan R2

Tegangan keluaran dari buck converter diatur menjadi 14,4 Volt. Dengan R1 bernilai 1 kΩ, dari persamaan (2.13) akan didapat R2 sebesar :

14,4 = 1,23 × (1 + 𝑅2 1000) 𝑅2 = 1000 × ( 14,4 1,23− 1) 𝑅2 = 10707,31707 Ω ≈ 11 kΩ

3.2.5.2. Penentuan nilai induktansi L

Nilai induktansi, L, dapat dicari dari Gambar 2.15. dan Tabel 2.5. Tegangan masukan maksimal yang diterima dari panel surya adalah 24 Volt, sedang arus beban maksimalnya adalah 1 A. 𝐸 ∙ 𝑇 = (24 − 14,4 − 1,16) · 14,4 + 0,5 24 − 1,16 + 0,5· 1000 150 𝐸 ∙ 𝑇 = 35,92002285 𝑉 ∙ 𝜇𝑠

Dengan nilai E·T di atas dan arus beban maksimal 1 A, dapat diketahui kode induktornya adalah L29, dengan besar 100 µH, 1,47 A.

3.2.5.3. Penentuan nilai Cout

Nilai dari kapasitor dapat diketahui dari Tabel 2.6. Dengan keluaran 14,4 Volt, maka didapat Cout sebesar 220 µF/35 Volt.

34 3.2.5.4. Penentuan nilai Cff

Dari Tabel 2.6., didapat nilai Cff sebesar 680 pF. 3.2.5.5. Penentuan D

Dengan arus 1,3 kali arus beban, maka didapat arus yang melewati dioda sebesar 1,3 A. Sedang nilai tegangan balik sebesar 1,25 tegangan maksimal masukan, maka didapat tegangan sebesar 30 Volt. Dari nilai-nilai tersebut dan Tabel 2.7., didapat dioda 1N5821. 3.2.5.6. Penentuan nilai Cin

Untuk mencari nilai Cin, dihitung nilai tegangan kapasitor minimal yaitu 1,5 kali tegangan masukan dan dengan arus 0,5 kali arus beban, sehingga didapat nilai 36 Volt, 500 mA. Dari nilai-nilai itu, besarnya Cin didapat dari Gambar 2.16., yaitu sebesar 120 µF.

3.2.6. Sunrise Solartech SRM-50D

Panel surya yang digunakan untuk sistem ini adalah Sunrise Solartech SRM-50D. Panel surya ini merupakan jenis panel surya mono-Si. Spesifikasi dari panel surya ini adalah :

Tabel 3.4. Spesifikasi Panel Surya

Daya standar 50 Wp

Tegangan Daya Maksimum (Vmp) 17,4 V Arus Daya Maksimum (Imp) 2,88 A

Open Circuit Voltage (Voc) 21,4 V

Short Circuit Current (Ioc) 3,14 A Tegangan Maksimum Sistem DC1000W

Jumlah Sel Surya 36

35

Gambar 3.7. Panel surya Sunrise Solartech SRM-50D [27]

3.2.7. Baterai Yuasa YB7B-B

Yuasa YB7B-B adalah baterai lead-acid yang dipakai dalam tugas akhir ini. Spesifikasi dari baterai ini adalah :

Tabel 3.5. Spesifikasi Baterai Yuasa YB7B-B

Tegangan 12 Volt

Kapasitas 7 Ah

Dimensi 152 × 61 × 132 mm

36

Gambar 3.8. Baterai Yuasa YB7B-B [28]

Pengisian baterai ini diperlukan tegangan antara 2,3 Volt hingga 2,4 Volt tiap selnya, atau 13,8 Volt hingga 14,4 Volt. Pada kondisi kosong, baterai akan bertegangan 11 Volt hingga 11,5 Volt. Dan pada kondisi penuh, tegangan baterai akan bertegangan di atas 12,7 Volt.

37 3.3. Perancangan Perangkat Lunak Sistem

38

Terdapat tiga subprogram dijalankan secara bersamaan dalam perangkat lunak ini. Tiga bagian itu antara lain indikator LED, saklar beban, dan kondisi pengisian baterai yang di dalamnya terdapat MPPT. Penjelasan dari diagram alir pada gambar 3.9. di atas adalah sebagai berikut :

1. Ketika sistem mulai dinyalakan, program akan langsung dijalankan.

2. Sensor akan membaca tegangan dan arus dari panel surya dan tegangan baterai (Vsp, Vbt, dan Isp).

3. Program menghitung daya dari panel surya (Psp). 4. Ketiga subprogram dijalankan sebagai berikut :

a. Indikator LED :

i. Ketika tegangan baterai (Vbt) kurang dari 11,7 Volt, LED merah akan dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai pada kondisi habis dan perlu diisi ulang.

ii. Ketika tegangan baterai (Vbt)di antara 11,7 Volt dan 13 Volt, LED hijau akan dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai masih bisa untuk dipakai.

iii. Ketika tegangan baterai (Vbt) di antara 13 Volt dan 14 Volt, LED putih dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai pada kondisi penuh dan siap pakai. iv. Ketika tegangan baterai (Vbt) lebih dari 14 Volt, LED putih berkedip. Hal ini

menunjukkan baterai telah overcharged dan perlu untuk mematikan pengisi baterai.

b. Saklar beban :

i. Ketika daya dari panel surya kurang dari 2 Watt dan tegangan baterai lebih dari 11,7 Volt, saklar beban akan diaktifkan. Hal ini dikarenakan pada kondisi daya panel surya 2 Watt menunjukkan suasana mendung atau gelap dan baterai mencukupi untuk digunakan, sehingga saklar beban diaktifkan.

ii. Ketika kondisi berlawanan dengan kondisi di atas, saklar beban akan dimatikan. Hal ini dikarenakan baterai tidak mampu untuk digunakan dan panel surya dapat mengisi baterai.

c. Kondisi pengisian aki :

i. Ketika daya panel surya kurang dari 1 Watt dan tegangan baterai lebih dari 12,5 Volt, pengisian baterai dimatikan.

39

ii. Ketika daya panel surya lebih dari 1 Watt dan tegangan baterai kurang dari 12,5 Volt, pengisian dimulai.

iii. Saat tegangan baterai lebih dari 13,6 Volt, pengisi baterai dimatikan dan diberi delay 10 detik. Hal ini karena baterai sudah penuh, akan tetapi jika kurang dari 10 detik tegangan baterai drop, pengisian dilakukan kembali. iv. Jika tegangan baterai kurang dari 13,6 Volt, pengisi baterai diaktifkan dengan

mengggunakan MPPT-P&O sebagai berikut :

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini lebih dari sebelumnya dan tegangan saat ini juga lebih dari sebelumnya, maka boost converter akan dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menaikkan tegangan agar daya dari panel surya dapat maksimal.

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini lebih dari sebelumnya dan tegangan saat ini kurang dari sebelumnya, maka buck converter akan dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menurunkan tegangan agar daya dari panel surya dapat maksimal.

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini kurang dari sebelumnya dan tegangan saat ini lebih dari sebelumnya, maka buck converter akan dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menurunkan tegangan agar daya dari panel surya dapat maksimal.

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini kurang dari sebelumnya dan tegangan saat ini juga kurang dari sebelumnya, maka boost converter

akan dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menaikkan tegangan agar daya dari panel surya dapat maksimal.