5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Maximum Power Point Tracking
Maximum Power Point Tracking (MPPT) merupakan sistem elektronik yang berjalan pada panel surya, sehingga panel surya dapat menghasilkan daya yang maksimal. Sistem MPPT bukan pelacakan mekanis yang digunakan untuk mengubah posisi modul ke posisi matahari yang berguna mendapatkan energi matahari yang maksimal. Sistem MPPT dapat menghasilkan daya maksimum dengan melacak titik daya maksimum. Keluaran sel surya dipengaruhi oleh sinar matahari. Dalam MPPT dibutuhkan algoritma untuk mencari titik daya maksimum dan mempertahankan titik operasi tersebut (Dalimunthe, 2019).
Setiap titik pada kurva I-V memiliki nilai tertentu dan nilai IR didefinisikan sebagai daya. Untuk titik tertentu, kurva I-V hanya memiliki satu titik yang sesuai dengan daya optimal yang disebut maximum power point (MPP) atau titik daya maksimum. Untuk semua sumber energi, yang terbaik adalah memberikan energi listrik ke beban pada nilai yang mendekati nilai MPP ini.
Garis ini akan memotong karakteristik panel, dan karakteristik panel mungkin dekat atau jauh dari nilai MPP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 (Suriadi, 2019).
Gambar 2.1 Kurva titik kerja panel surya (Suriadi, 2019)
Dengan mengacu pada posisi ini, energi yang dikirim ke beban hanya sebagian kecil dari energi yang dapat didukung oleh panel MPP. Untuk memperbaiki ketidakseimbangan ini dan mencegah kehilangan energi yang berlebihan yang seharusnya digunakan, metode pemanfaatan yang disebut MPPT
6 dikembangkan. Titik operasi panel surya akan berubah sesuai dengan perubahan nilai tahanan beban. Jika didapatkan nilai tahanan beban yang sesuai, titik operasi terbaik dapat dicapai sehingga didapat daya maksimum. Prinsip kerja MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja panel surya. Jika pada sistem panel surya tegangan kerja jatuh di daerah kiri (tegangan kerja lebih kecil dari tegangan ) maka tegangan kerja panel surya akan meningkat hingga mencapai
begitu juga sebaliknya jika tegangan kerja panel surya lebih besar daripada
maka panel surya akan turun hingga mencapai . Setelah mencapai tegangan titik maksimum, secara otomatis daya keluaran pada panel surya juga akan menjadi maksimal (Suriadi, 2019).
2.2. Logika Fuzzy
Logika Fuzzy merupakan salah satu komponen soft computing. Dasar dari Logika Fuzzy adalah teori himpunan fuzzy. Dalam teori himpunan fuzzy, derajat keanggotaan sangat penting untuk menentukan ada tidaknya unsur-unsur dalam himpunan tersebut. Nilai derajat keanggotaan atau derajat keanggotaan atau derajat fungsi keanggotaan merupakan ciri utama penggunaan Logika Fuzzy ini untuk penalaran (Kusumadewi, 2010).
Salah satu contoh pemetaan suatu input output dalam bentuk grafis seperti terlihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Contoh pemetaan input-output (Kusumadewi, 2010)
Logika Fuzzy merupakan penyempurnaan dari penerapan Logika Boolean pada Aljabar Boolean. Aljabar Boolean hanya mengenali simbol 1 dan 0. Logika fuzzy memungkinkan nilai keanggotaan berada di antara 0 dan 1. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa suatu kondisi dapat menjadi benar sebagian dan sebagian
7 salah pada saat yang bersamaan. Pada umumnya orang menggunakan Logika Fuzzy karena berbagai alasan, antara lain:
1. Konsep Logika Fuzzy mudah dipahami. Konsep matematika dasar dari penalaran fuzzy sangat sederhana dan mudah dipahami.
2. Logika Fuzzy sangat fleksibel.
3. Logika Fuzzy dapat mentolerir data yang salah.
4. Logika Fuzzy dapat memodelkan fungsi nonlinier yang kompleks
5. Logika Fuzzy dapat langsung membangun dan menerapkan pengalaman ahli tanpa melalui proses pelatihan.
6. Logika Fuzzy dapat digunakan bersama dengan teknologi kontrol konvensional.
7. Logika Fuzzy didasarkan pada bahasa alami (Kusumadewi, 2010).
2.2.1. Fuzzifikasi
Ada beberapa macam fungsi keanggotaan yang biasa digunakan, pada penelitian ini digunakan dua fungsi yaitu fungsi linier dan fungsi segitiga (Dorteus, 2015).
A. Fungsi Linier
Pada representasi linier, pemetaan input ke derajat keanggotaannya digambarkan sebagai suatu garis lurus. Ada dua keadaan himpunan fuzzy linier, yaitu linier naik dan linier turun. Representasi himpunan fuzzy linier naik seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3 sedangkan representasi himpunan fuzzy linier turun seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4 (Dorteus, 2015).
Gambar 2.3 Fungsi linier naik (Dorteus, 2015)
8 Gambar 2.4 Fungsi linier turun (Dorteus, 2015)
Fungsi keanggotaan linier naik didefinisikan sesuai Persamaan 2.1 serta fungsi keanggotaan linier turun didefinisikan sesuai Persamaan 2.2 (Dorteus, 2015).
[ ] {
⁄
}
(2.1)
[ ] {
⁄
} (2.2)
B. Fungsi Segitiga
Fungsi segitiga pada dasarnya merupakan gabungan antara dua garis (linier) seperti terlihat pada Gambar 2.5. Fungsi keanggotaan segitiga didefinisikan sesuai Persamaan 2.3 (Dorteus, 2015).
Gambar 2.5 Fungsi segitiga (Dorteus, 2015)
[ ] { ⁄ ⁄
} (2.3)
9 2.2.2. Rule Base
Rule base pada Logika Fuzzy adalah sekumpulan aturan dasar yang terdiri dari fungsi perbandingan pada setiap kondisi sistem. Pada umumnya aturan fuzzy dinyatakan dalam bentuk „If-Then’ yang merupakan inti dari relasi fuzzy. Relasi dari kontroler fuzzy dinyatakan dengan R, atau biasa juga disebut implikasi fuzzy.
Bentuk umum dari aturan yang digunakan dalam fungsi implikasi ditunjukkan pada Persamaan 2.4 (Dorteus, 2015).
( ) ∘ ( ) ∘ …. ∘ ( ) (2.4) Dimana x dan y adalah skalar, sedangkan A dan B adalah himpunan fuzzy, dan ∘ adalah operator (misal: “or” atau “and”). Proposisi yang mengikuti “if”
disebut sebagai anteseden sedangkan proposisi yang mengikuti “then” disebut konsekuen. Secara umum fungsi implikasi yang dapat digunakan adalah Dot (product) dan Min (minimum). Pada penelitian kali ini, fungsi implikasi yang digunakan adalah fungsi minimum (Dorteus, 2015).
2.2.3. Defuzzifikasi
Metode Fuzzy Mamdani merupakan metode dalam penarikan kesimpulan yang paling mudah dimengerti oleh manusia, karena paling sesuai dengan naluri manusia. Sehingga dengan menggunakan Metode Fuzzy Mamdani akan menghasilkan keputusan terbaik untuk suatu permasalahan (Salman, 2012).
Dibandingkan dengan metode lain dari Fuzzy Inference System, yaitu Metode Sugeno, metode tersebut tidak melalui proses komposisi aturan dan defuzzifikasi dengan Metode Centroid. Proses tersebut berguna untuk mengetahui nilai output dari pusat daerah fuzzy. Selain itu, Metode Fuzzy Mamdani lebih memperhatikan kondisi setiap daerah fuzzynya, sehingga menghasilkan hasil yang lebih akurat.
Pada Metode Fuzzy Mamdani output yang dihasilkan berupa suatu nilai pada domain himpunan fuzzy yang dikategorikan ke dalam komponen linguistik, sedangkan pada Metode Sugeno output yang dihasilkan berupa fungsi linear atau konstanta (Salman, 2012).
Proses pengambilan keputusan dengan menggunakan Metode Fuzzy Mamdani untuk memperoleh keputusan yang terbaik, dilakukan dengan melalui beberapa tahapan, yaitu pembentukan himpunan fuzzy; aplikasi fungsi implikasi;
10 komposisi aturan; defuzzifikasi. Kelebihan pada Metode Fuzzy Mamdani adalah lebih spesifik, artinya dalam prosesnya Metode Fuzzy Mamdani lebih memperhatikan kondisi yang akan terjadi untuk setiap daerah fuzzynya, sehingga menghasilkan hasil keputusan yang lebih akurat (Bova, 2010). Selain itu juga, metode ini lebih cocok apabila input diterima dari manusia, sehingga lebih diterima oleh banyak pihak (Salman, 2012).
Metode Fuzzy Sugeno merupakan salah satu inferensi Logika Fuzzy yang dapat digunakan dalam menentukan jumlah persediaan. Pada Metode Fuzzy Sugeno, setiap aturan direpresentasikan menggunakan himpunan-himpunan fuzzy, dengan fungsi keanggotaan yang monoton. Untuk menentukan nilai output crisp/hasil yang tegas (Z) dicari dengan cara mengubah input berupa himpunan fuzzy yang diperoleh dari komposisi aturan-aturan fuzzy menjadi suatu bilangan pada domain himpunan fuzzy tersebut. Cara ini disebut dengan metode defuzzifikasi (penegasan) (Aprizal, 2018).
Penalaran pada Metode Sugeno hampir sama dengan penalaran Mamdani, hanya saja keluaran (konsekuen) sistem tidak berupa himpunan fuzzy melainkan berupa konstanta atau persamaan linier. Metode ini diperkenalkan oleh Takagi- Sugeno Kang pada tahun 1985. Metode Fuzzy Sugeno memperbaiki kelemahan yang dimiliki oleh sistem fuzzy murni untuk menambah suatu perhitungan matematika sederhana sebagai bagian “then”. Pada perubahan ini, sistem fuzzy memiliki suatu nilai rata-rata tertimbang (Weighted Average Values) di dalam bagian aturan fuzzy „If-Then’. Sistem Fuzzy Sugeno juga memiliki kelemahan terutama pada bagian “then”, yaitu dengan adanya perhitungan matematika sehingga tidak dapat menyediakan kerangka alami untuk merepresentasikan pengetahuan manusia dengan sebenarnya (Saputri, 2019).
Metode Fuzzy Sugeno memiliki karakteristik, yaitu konsekuen tidak merupakan himpunan fuzzy, namun merupakan suatu persamaan linear dengan variabel-variabel sesuai dengan variabel-variabel input-nya (Sitio, 2018).
Persamaan dari metode defuzzifikasi Weighted Average ditunjukkan pada Persamaan 2.5 (Dorteus, 2015).
∑
∑
(2.5)
11 2.3. Baterai
Baterai adalah suatu proses kimia listrik, di mana pada saat pengisian energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran (discharge) energi kimia diubah menjadi energi listrik. Baterai menghasilkan listrik melalui proses kimia.
Baterai atau akumulator adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berkebalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Reaksi elektrokimia reversible yang dimaksud adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan) dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia (proses pengisian) dengan cara proses regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai yaitu, dengan melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan di dalam sel (Hamid, 2016).
Kapasitas baterai adalah kemampuan baterai untuk menyimpan energi listrik atau energi yang dapat disimpan dan dilepaskan oleh baterai. Besar kecilnya kapasitas tergantung pada jumlah komponen aktif pada plat positif dan negatif dari reaksi, dan dipengaruhi oleh jumlah tiap plat baterai, ukuran dan ketebalan plat, kualitas elektrolit dan masa pakai baterai. Kapasitas energi sebuah baterai dinyatakan dalam ampere-hour (Ah), misalnya baterai berkapasitas 100 Ah dengan tegangan 12 V artinya arus keluaran yang dapat dikeluarkan selama 20 jam pada kondisi ideal adalah 5 A. Besar kecilnya tegangan baterai tergantung dari banyaknya baterai yang ada di dalamnya. Namun arus hanya akan mengalir bila konduktor dan beban dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai menunjukkan kemampuan baterai untuk melakukan pengosongan (discharge) dalam jangka waktu tertentu. Ketika baterai diisi (charge) maka baterai sedang mengumpulkan muatan listrik (Hamid, 2016).
2.4. Sel Surya
Sel surya terdiri dari setumpuk lapisan silikon kecil yang dilapisi dengan bahan kimia khusus, yang membentuk dasar sel surya. Ketebalan minimum sel surya biasanya 0,3 mm, dan terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan elektroda positif dan negatif. Setiap sel surya biasanya menghasilkan tegangan 0,5 V. Sel surya merupakan komponen aktif (semikonduktor) yang mengubah energi
12 matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan efek photovoltaic (Alfanz, 2015).
Singkatnya, sel surya tersusun dari sambungan material semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Saat terkena sinar matahari akan menyebabkan terjadinya aliran elektron. Aliran elektron ini disebut arus. Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan elektron adalah negatif (n = negatif), sedangkan semikonduktor tipe-p memiliki lubang berlebih, sehingga kelebihan elektronnya adalah positif (p = positif). Konduktansi semikonduktor alami listrik dan panas. Dalam semikonduktor natural (semikonduktor intrinsik), jumlah elektron dan lubangnya sama. Kelebihan elektron dan lubang akan meningkatkan konduktivitas dan konduktivitas termal dari semikonduktor (Alfanz, 2015).
Untuk mendapatkan tegangan atau arus yang dibutuhkan, setiap sel surya biasanya dihubungkan secara seri atau paralel sehingga membentuk rangkaian yang disebut modul. Banyak modul biasanya terdiri dari 36 sel surya atau 33 sel dan 72 sel. Menurut garansi yang diberikan oleh produsen panel surya, masa pakai panel surya bisa mencapai 25 tahun. Modul-modul ini kemudian dirangkai menjadi panel surya, jika panel surya ini dihubungkan dalam baris dan kolom maka disebut array (Alfanz, 2015).
Pengaruh iradiasi terhadap tegangan dan arus pada panel surya ditunjukkan pada sebuah grafik pada Gambar 2.6, sedangkan untuk pengaruh suhu terhadap tegangan dan arus panel surya ditunjukkan pada Gambar 2.7.
Gambar 2.6 Pengaruh iradiasi terhadap tegangan dan arus panel surya (Achmad, 2016)
13 Gambar 2.7 Pengaruh temperatur terhadap produksi energi panel
surya (Wijaya, 2016)
2.5. Bayangan Parsial (Partial Shading)
Bayangan adalah fenomena umum yang menutupi panel surya dengan awan, bangunan yang berdekatan, dan lain-lain. Bayangan parsial (partial shading) maupun bayangan keseluruhan (full shading) pada array panel surya akan mengurangi daya keluaran, dan juga akan menyebabkan karakteristik keluaran I-V tampak nonlinier, dan beberapa maksimum lokal muncul pada kurva P-V. Dalam modul panel surya, bayangan tidak hanya akan berkurang, tetapi juga titik panas dan kerusakan pada baterai ini. Untuk menghindari tekanan termal pada unit yang tertutupi bayangan, dioda bypass dihubungkan secara anti-paralel dengan modul panel surya. Pengaruh bayangan tergantung pada jenis modul, penempatan dioda bypass, konfigurasi string, dan tingkat keparahan bayangan.
Bayangan yang menutupi panel surya menyebabkan kehilangan daya, ketidaksesuaian arus dalam string panel surya, dan ketidaksesuaian tegangan antara string paralel (Djalab, 2019).
Ketika modul panel surya menerima radiasi matahari yang bervariasi karena perubahan cuaca atau kondisi lingkungan setempat, akan muncul bayangan parsial (partial shading), sehingga panel surya tertutup oleh bayangan awan, bangunan atau pohon. Situasi ini akan menyebabkan daya keluaran dari array panel surya berkurang. Menurut kurva panel surya, partial shading memiliki
14 pengaruh langsung, sehingga penurunan tegangan atau arus akan mengakibatkan penurunan daya keluaran panel surya (Achmad, 2016).
2.6. Buck Converter
Buck converter (konverter step-down) adalah konverter daya DC-ke-DC yang menurunkan tegangan dengan meningkatkan arus dari input (suplai) ke output-nya (beban). Buck converter terdiri dari setidaknya dua semikonduktor (dioda dan transistor) dan setidaknya terdapat satu elemen penyimpanan energi, kapasitor, induktor, atau keduanya dalam kombinasi. Untuk mengurangi riak tegangan, filter yang terbuat dari kapasitor (terkadang dikombinasikan dengan induktor) biasanya ditambahkan ke output konverter (filter sisi beban) dan input (filter sisi suplai) (Hart, 2010).
Gambar 2.8 Topologi buck converter (Hart, 2010)
Prinsip kerja buck converter ada 2 yaitu, tahapan on dan off. Pada bagian on, saklar ditutup dimana dioda terbuka karena tegangan katoda lebih tinggi dari anoda. Ketika saklar pertama kali ditutup (on-state), arus akan mulai meningkat, dan induktor akan menghasilkan tegangan berlawanan di terminalnya sebagai respons terhadap arus yang berubah. Penurunan tegangan ini melawan tegangan sumber sekaligus mengurangi tegangan bersih di seluruh beban. Seiring waktu, laju perubahan arus berkurang, dan tegangan di induktor juga menurun, meningkatkan tegangan pada beban. Selama ini, induktor menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Jika saklar dibuka saat arus masih berubah, maka akan selalu ada penurunan tegangan pada induktor, sehingga tegangan bersih pada beban akan selalu lebih kecil dari sumber tegangan input. Ketika saklar on, induktor akan mengisi daya dan tegangan pada induktor akan menjadi perbedaan antara output dan input (Hart, 2010).
15 Ketika saklar dibuka kembali (off-state), sumber tegangan akan dilepas dari rangkaian, dan arus akan berkurang. Arus yang menurun akan menghasilkan penurunan tegangan pada induktor (berlawanan dengan penurunan pada keadaan on), dan sekarang induktor menjadi sumber arus. Energi yang tersimpan dalam medan magnet induktor mendukung aliran arus yang melalui beban. Arus ini, mengalir ketika sumber tegangan input terputus, ketika digabungkan dengan arus yang mengalir selama keadaan hidup, total arus lebih besar dari arus masukan rata-rata (menjadi nol selama keadaan mati). Peningkatan arus rata-rata membuat penurunan tegangan, dan idealnya mempertahankan daya yang disediakan untuk beban. Selama off-state, induktor melepaskan energi yang tersimpan ke seluruh rangkaian (Hart, 2010). Perhitungan nilai duty cycle, induktansi, dan kapasitansi menggunakan Persamaan 2.6, 2.7, dan 2.8 (Hart, 2010).
(2.6)
( )
(2.7)
(
)
(2.8)
2.7. Penelitian Terdahulu
Penelitian tugas akhir ini terinspirasi berdasarkan referensi penelitian- penelitian yang sudah ada sebelumnya. Penelitian terdahulu yang terkait dengan penelitian ini terlampir pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu
Peneliti Judul Metode dan Hasil
Aprian, 2010
Perancangan Stand Alone PV System Dengan Maximum Power Point Tracker (MPPT)
Metode : Sistem MPPT menggunakan metode Modified Hill Climbing dengan Buck- Boost Converter pada Stand Alone PV.
Hasil : Sistem ini berhasil mengalirkan daya keluaran panel surya dengan efisiensi hingga 90% dari daya output maksimal. Semakin
16 Menggunakan
Metode Modified Hill Climbing
besar profil beban harian semakin besar juga desain baterai yang diperlukan untuk melayani beban tersebut.
Achmad, 2016
Desain MPPT Pada Solar Cell Kondisi Partial Shading Berbasis Perturb and Observe (P&O)
Metode : Penelitian ini menggunakan perangkat lunak Power Simulator (PSIM) untuk kasus desain MPPT dengan Algoritma Perturb and Observe (P&O) pada sistem PV.
Hasil : Metode yang diusulkan berhasil dalam mendeteksi perubahan perubahan cuaca lokal kondisi partial shading sehingga dapat diperoleh daya maksimum pada sistem PV.
Suryoatmojo dkk, 2017
Desain MPPT Berbasis Kontrol Logika Fuzzy Untuk Aplikasi Pesawat Terbang Tanpa Awak Bertenaga Surya
Metode : Sistem MPPT menggunakan metode Logika Fuzzy dibandingkan dengan metode Hill Climbing.
Hasil : Sistem MPPT dengan kontrol Logika Fuzzy memiliki kecepatan tracking yang lebih tinggi serta nilai osilasi yang lebih kecil dibandingkan metode Hill Climbing.
Dalimunthe dkk, 2019
Pengaruh Penggunaan Perturb & Observe
pada MPPT
terhadap Daya Keluaran Sel Surya
Metode : Sistem MPPT menggunakan metode Perturb & Observe dengan Buck- Boost Converter.
Hasil : Sistem mampu mengoptimalkan daya dengan faktor selisih dari rata-rata daya sebesar 37.82% dan mampu mengoptimalkan daya keluaran panel surya meskipun iradiasi, suhu, dan beban yang bervariasi.
Suriadi dkk, 2019
Reduksi Osilasi Daya Pada MPPT Panel Surya Dengan Metode Kombinasi PNO dan Fuzzy
Metode : Sistem MPPT menggunakan metode Kombinasi Perturb & Observe dan Fuzzy Logic dengan Boost Converter.
Hasil : Sistem menunjukkan bahwa metode kombinasi MPPT PNO-Fuzzy dapat mengurangi lebih dari 78,57% osilasi daya
17 dari yang hanya menggunakan metode MPPT PNO.
