I
12
A. JUDUL DESAIN DAN IMPLEMENTASI MPPT UNTUK PENINGKATAN DAYA PHOTOVOLTAIC SEBAGAI SOLUSI KRISIS ENERGI YANG RAMAH LINGKUNGAN
B. LATAR BELAKANG MASALAHRasio Elektrifikasi di Indonesia masih rendah, hal ini dikarenakan banyaknya daerah-daerah di Indonesia yang terisolir, sehingga sangat sulit dijangkau oleh jala-jala listrik PLN. Pemaanfaatan energi matahari dengan menggunakan photovoltaic atau lebih dikenal dengan panel surya, dinilai sangat tepat untuk mengatasi masalah ini. Panel surya sebagai salah satu penghasil energi listrik mengalami perkembangan yang cukup pesat. Hal ini disebabkan karena kelebihan-kelebihan yang dimiliki oleh pembangkit tersebut, seperti ramah lingkungan, bebas polusi dan merupakan penghasil energi listrik yang dapat diperbaharui. Panel surya juga bisa ditempatkan di pusat beban di tengah kota maupun di daerah terpencil di pedesaan. Panel surya memang memiliki banyak keunggulan. Namun, perlu diketahui bahwa daya output dari panel surya kurang baik, bahkan efisiensinya bisa disebut relatif rendah. Oleh karena itu perlu dilakukan optimasi, sehingga daya output dari panel surya menjadi lebih baik dan tidak banyak energi yang terbuang. Selain itu kenaikan suhu pada panel surya menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan, sehingga perlu dilakukan kompensasi terhadap hal itu.Pada program ini akan didesain sebuah sistem optimalisasi daya panel surya dengan metode MPPT (Maximum Power Point Tracking) berbasis arus dengan metode maximum power line dengan kompensasi suhu. Prinsip kerja dari MPPT ini adalah melakukan tracking daya maksimal yang dihasilkan oleh suatu panel surya. Bagian utama, dari sistem ini menggunakan konverter daya DC-DC jenis buck converter. MOSFET digunakan sebagai device switching oleh pulsa PWM (Pulse Width Modulation) yang dibangkitkan oleh Mikrokontroller AVR ATMega8535. Sistem ini diharapkan akan mampu meningkatkan efisiensi daya dari panel surya.
C. PERUMUSAN MASALAHAdapun permasalahan yang dibahas dalam program ini yakni :0. Bagaimana memaksimalkan daya keluaram dari panel surya ?0. Bagaimana mendesain sebuah sistem MPPT untuk memaksimalkan daya keluaran dari panel surya?
D. TUJUAN PROGRAMTujuan dari program ini adalah sebagai berikut :1. Mengoptimalkan daya keluaran dari suatu daya output panel surya dengan metode MPPT berbasis Maximum Power Line dengan kompensasi suhu.2. Merancang suatu sistem yang terdiri dari panel surya, MPPT, baterai, untuk menjaga kontinuitas pasokan listrik.
E. LUARAN YANG DIHARAPKANLuaran yang diharapkan dari program ini yaitu terciptanya prototype photovoltaic dengan peningkatan daya 16% - 21% dibandingkan dengan panel surya biasa.
F. KEGUNAAN PROGRAMKegunaan dari program ini adalah:Sebagai solusi alternatif energi yang ramah lingkungan dan bisa digunakan pada daerah terisolir yang tentunya bermanfaat bagi masyarakat.
G. TINJAUAN PUSTAKA1. Panel SuryaPanel surya merupakan sebuah piranti atau alat yang mampu mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Sebuah panel surya terdiri dari beberapa sel surya atau biasa disebut sel photovoltaic yang menurut arti bahasanya adalah cahaya-listrik. Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p.
Gambar 1. Proses konversi energi pada sel suryaParamater paling penting dalam kinerja sebuah panel surya adalah intensitas radiasi matahari atau biasa disebut dengan iradiansi cahaya matahari, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per luas area. Intensitas radiasi matahari diluar atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m2. Setelah disaring oleh atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi sekitar 1000 W/m2. Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan permukaan tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah. Besar dari nilai iradiansi matahari inilah yang akan menentukan besar daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah panel surya.
Gambar 2. Macam-macam panel surya
Berikut faktor-faktor lain yang mempengaruhi kerja dari sel surya agar pengoperasianya maksimum :a. Suhu permukaan panel suryab. Radiasi solar matahari (iradiansi)c. Kecepatan angin bertiupd. Keadaan atmosfir bumie. Orientasi panel atau array PVf. Posisi letak sel surya (array) terhadap matahari (tilt angle)
1. 2. 2.1 2. Karakteristik Panel SuryaUntuk mengetahui karakteristik dari sebuah panel surya, perlu dilakukan pengujian terhadap panel surya tersebut. Dalam pengujian tersebut panel surya dihubungkan dengan sebuah resistor variabel, lalu dicatat perubahan arus (I) dan tegangan (V) yang terjadi mulai dari nilai resistor nol, dimana arus maksimal (Isc) terjadi hingga pada batas dimana arus menjadi nol dan tegangan maksimal (Voc). Pengujian juga dilakukan pada level iradiansi yang berbeda-beda. Setalah data-data tersebut diplot pada kurva, maka akan terbentuk kurva seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Karakteristik I-V dan P-V panel surya
Ketika melihat kurva karakteristik I-V dari panel surya di atas, titik daya maksimal atau maximum power point (MPP) akan sulit ditentukan. Oleh karena itu dibuat kurva karakteristik P-V dari panel surya yang merupakan turunan dari kurva I-V yang sama. Melalui kurva P-V ini titik daya maksimal (MPP) bisa ditentukan dengan mudah, yakni pada titik puncak dari kurva P-V tersebut. Kurva P-V juga sudah tersaji pada gambar 2.2.3. Maximum Power Point Tracking (MPPT)Maximum Power Point Tracking atau sering disingkat dengan MPPT merupakan sebuah sistem elektronik yang dioperasikan pada sebuah panel surya sehingga panel surya bisa menghasilkan daya maksimum. Perlu diperhatikan, MPPT bukanlah sebuah sistem tracking mekanik yang digunakan untuk mengubah posisi modul terhadap posisi matahari sehingga mendapatkan energi maksimum matahari. MPPT benar-benar sebuah sistem elektronik yang bisa menelusuri titik daya maksimum power yang bisa dikeluarkan oleh sebuah panel PV. Sistem MPPT bekerja dengan cara memaksa panel surya agar bekerja pada titik daya maksimumnya, sehingga daya yang mengalir ke beban adalah daya maksimal. Pada umumnya digunakan DC-DC converter dalam sebuah sistem MPPT untuk menggeser daya operasi dari panel surya menjadi titik daya maksimalnya.
Gambar 4. Karakteristik PV dengan dan tanpa MPPT
4. Metode Maximum Power LineUraian di atas merupakan pembahasan tentang MPPT pada umumnya, selanjutnya akan dibahas tentang MPPT yang berbasis pada karakteristik daya dan arus dari sebuah panel surya, yakni metode maximum power line.
Gambar 5. Karakteristik P-I dan MPL panel surya[1]Dari gambar 2.5 di atas terlihat bahwa pada setiap level irradansi memiliki titik optimum (Iopt,Pmax) dan jika ditarik garis lurus pada setiap titik maksimum tersebut akan membentuk suatu garis lurus yang disebut Maximum Power Line (MPL). Keuntungan dari metode ini adalah kita tidak perlu melakukan pencarian nilai arus hubung singkat (Isc) sehingga tidak terjadi gangguan dalam transfer daya antara photovoltaic dengan beban. Dengan penurunan rumus dari gambar 5 diatas, akhirnya didapat,
(2-1)Persamaan diatas memiliki bentuk y=mx+c yaitu bentuk persamaan garis lurus, dengan nilai c dapat diabaikan karena nilainya kecil, maka, (2-2)
5. Kompensasi SuhuKenaikan suhu pada permukaan photovoltaic yang terjadi karena pancaran sinar matahari secara terus menerus ternyata menyebabkan penurunan terhadap daya keluaran maximum (Pmax) hal ini juga menyebabkan perubahan dari titik maksimum secara terus-menerus, maka bila digunakan nilai gain (K) yang tetap maka pada suhu yang berbeda akan terjadi kegagalan dalam optimasi daya karena perubahan nilai tersebut. Seperti yang terlihat pada gambar 6 di bawah ini.
Gambar 6. Maximum Power Line pada suhu yang berbeda
Gambar 7. Diagram blok MPPT metode maximum power line dengankompensasi suhu
6. Buck ConverterBuck Converter merupakan konverter daya DC-DC yang berfungsi menurunkan tegangan output panel surya agar sesuai dengan tegangan daya maksimal yang diinginkan.[2] Rangkaian ini menggunakan komponen energi storage seperti induktor dan kapasitor untuk mengontrol aliran energi dari sumber tegangan DC dengan menggunakan switching on-off frekuensi tinggi pada MOSFET.
Gambar 8. Rangkaian dasar buck converter
H. METODE PELAKSANAAN PROGRAMProses perancangan sistem optimalisasi panel surya dengan MPPT menggunakan metode maximum power line dilakukan dengan metodologi yang direpresentasikan dalam diagram seperti gambar 9.
MULAI
PENGUMPULAN DATA
PEMBUATAN KURVA I-V
PENENTUAN MPP
PERANCANGAN & PEMBUATAN HARDWARE
PERANCANGAN & PEMBUATAN ALGORITMA PEMROGRAMAN
ANALISA & PENGUJIAN
PENYUSUNAN LAPORAN
SELESAI
Gambar 9. Diagram metodologi penelitianSedangkan mengenai perancangan desain dari sistem optimalisasi panel surya menggunakan Maximum Power Point Tracking (MPPT) berupa hardware dan software. Untuk perancangan hardware itu sendiri terdiri dari perancangan sensor tegangan, perancangan sensor arus, perancangan sensor suhu, rangkaian Buck Converter, dan rangkaian optocoupler. Untuk inisialisasi ADC dan PWM dari mikrokontroler AVR ATMega8535 menggunakan software CodeVisionAVR 1.25. [3] Rincian masing-masing kegiatan pada diagram alir diatas akan dijelaskan pada sub bab berikutnya. Untuk lebih jelasnya terlebih dahulu ditunjukkan bagan kinerja sistem optimalisasi panel surya dengan MPPT secara detail ditunjukkan pada gambar 10.
PV
DC-DC ConverterLoad
Sensor I VPWM Driver
Sensor V V
Sensor T VMikrokontroler
Gambar 10. Diagram sistem MPPT metode maximum power linePada bagian yang pertama terdapat panel surya yang berfungsi menghasilkan energi listrik dari sinar matahari yang di serap. Output dari panel surya tersebut akan menghasilkan tegangan dan arus yang berubah-ubah tergantung dengan kondisi suhu, dan intensitas radiasi matahari (irradiance). Pada bagian selanjutnya terdapat DC-DC Converter mode buck converter yang berfungsi untuk menurunkan nilai tegangan dari panel surya (Voc) agar mencapai titik daya maksimal ketika dihubungkan dengan beban. Dibawahnya terdapat bagan kontroler, yang dalam penelitian ini menggunakan Mikrokontroler AVR ATMega8535.Mikrokontroler berfungsi membangkitkan sinyal PWM (pulse width modulation) untuk switching MOSFET pada rangkaian buck converter. Dengan mengatur nilai duty cycle (lebar pulsa) pada sinyal PWM maka akan mengubah nilai tegangan output dari buck converter sesuai dengan set point yang diinginkan. Outputan dari buck converter kemudian dapat dihubungkan langsung pada beban.
1. Perancangan dan Simulasi Buck ConverterBuck converter adalah penurun tegangan DC ke DC dengan switching MOSFET frekuensi tinggi sebagai device pensaklaran. Dan MOSFET sendiri bekerja jika ada switching pada gate. Dalam perencanaan buck converter mengacu pada karakteristik panel surya model SX60V2. Perancangan SensorDalam sistem MPPT ini digunakan tiga macam sensor seperti terlihat pada gambar 3.2, yakni sensor arus, sensor tegangan dan sensor suhu. Ketiga sensor ini berperan dalam penentuan nilai Impp, nilai yang merupakan setpoint untuk mencapai daya maksimal panel surya. Berikut ini akan dibahas tentang perancangan ketiga sensor tersebut.3. Perancangan Optocoupler dan PWM DriverRangkaian optocoupler berfungsi sebagai pemisah rangkaian pembangkit pulsa pada sisi masukan dengan rangkaian keluaran. Sehingga jika terjadi gangguan pada rangkaian keluaran tidak berpengaruh pada rangkaian pembangkit pulsa. Hasil pulsa keluaran optocoupler sama persis dengan pulsa inputnya. Karena tegangan output dari optocoupler terlalu kecil maka digunakan IC optocoupler TLP 250. [4]
Gambar 11. Desain rangkaian optocoupler dan PWM driver
4. Pengambilan Data Panel SuryaPengambilan data yang dilakukan pertama kali adalah data spesifikasi dari panel surya yang digunakan pada waktu penelitian. Kemudian dilanjutkan dengan pengambilan data arus dan tegangan panel surya untuk mendapatkan kurva karakteristik I-V.5. Pembuatan Kurva Karakteristik I-V dan P-IKurva karakteristik I-V dan P-I dibuat berdasarkan data arus dan tegangan Pembuatan kurva karakteristik I-V dan P-I merupakan kegiatan yang bertujuan untuk mendapatkan titik tegangan dan arus dimana daya maksimal (MPP) dari panel surya dihasilkan. [5]6. Penulisan Algoritma Pemrogaman MPPT Metode Maximum Power Line dengan Kompensasi SuhuSetelah semua komponen dalam sistem MPPT dengan metode maximum power line selesai dibuat dan kemudian dilakukan pengujian terhadap semua komponen, maka algoritma MPPT dapat ditanamkan pada mikrokontroler AT Mega 8535 berdasarkan data karakteristik dari panel surya dan data akurasi dan error komponen dari sistem MPPT. Hal ini bertujuan agar program yang dirancang memiliki akurasi atau ketepatan yang baik dalam memaksimalkan daya keluaran dari panel surya. [6] I. JADWAL KEGIATANTabel 1. Jadwal KegiatanNo.KegiatanBulan IBulan IIBulan IIIBulan IVBulan V
12341234123412341234
1.Pengumpulan data dan studi literatur
2.Penyusunan Proposal
3.Survei komponen
4.Pembuatan prototype dan trouble shooting
5.Uji coba dan pengambilan data
6.Penyusunan laporan akhir
J. RANCANGAN BIAYATabel 2. Rancangan BiayaNoJenis PengeluaranJumlahSatuanHarga SatuanTotal
A.Pembelian Bahan dan Komponen Elektronika
1.AT Mega 35855buahRp. 53.000,00Rp. 265.000,00
2.LCD 2x162buahRp. 51.000,00Rp. 102.000,00
3.Kapasitor50buahRp. 2.500,00Rp. 125.000,00
4.Resistor200buahRp. 200,00Rp. 40.000,00
5.Accu1buahRp. 150.000,00Rp. 150.000,00
6.Panel Surya 50 WP2buahRp.1.700.000,00Rp. 3.400.000,00
7.Minimum sistem2buahRp. 250.000,00Rp. 500.000,00
8.Downloader1buahRp. 200.000,00Rp. 200.000,00
9.Regulator 780510buahRp. 10.000,00Rp. 100.000,00
10.Kabel Pelangi5MeterRp. 7.000,00Rp. 35.000,00
11.Sensor Arus2BuahRp. 525.000,00Rp. 1.050.000,00
12. Sensor Tegangan2BuahRp. 650.000,00Rp. 1.300.000,00
13.Sensor Suhu4BuahRp. 100.000,00Rp. 400.000,00
14.Kabel5MeterRp. 5.000,00Rp. 25.000,00
15.Akrilik1m2Rp. 300.000,00Rp. 300.000,00
16.Terminal20BuahRp. 6.500,00Rp. 130.000,00
17.LED20BuahRp. 1.250,00Rp. 250.000,00
18.Ampere Meter1BuahRp. 75.000,00Rp. 75.000,00
19. Volt Meter1BuahRp. 75.000,00Rp. 75.000,00
20.Transistor50BuahRp. 2.500,00Rp. 125.000,00
21.Induktor75BuahRp. 2.000,00Rp. 150.000,00
22.Adaptor1BuahRp. 150.000,00Rp. 150.000,00
23.Pin Header20buahRp. 5.000,00Rp. 100.000,00
25.White Housing45BuahRp. 4.500,00Rp. 202.500,00
TotalRp.9.249.500,00
B.Pembelian Peralatan Kerja
1.Gergaji1BuahRp. 35.000,00Rp. 35.000,00
2.Obeng1SetRp. 45.000,00Rp. 45.000,00
3.Solder3BuahRp. 25.000,00Rp. 25.000,00
4.Timah1RolRp. 40.000,00Rp. 40.000,00
5.Penyedot Timah1BuahRp. 25.000,00Rp. 25.000,00
6.Bor + Mata Bor1SetRp. 55.000,00Rp. 55.000,00
7.Peminjaman Osciloscope1BuahRp. 150.000,00Rp. 150.000,00
8.Peminjaman Function Generator1BuahRp. 150.000,00Rp. 150.000,00
TotalRp. 525.000,00
CPengadaan Laporan
1.Kertas1RimRp. 35.000,00Rp. 35.000,00
2.Tinta4BotolRp. 30.000,00Rp. 120.000,00
3.PenjilidanRp. 25.000,00Rp. 25.000,00
TotalRp. 180.000,00
TOTALRp. 9.954.500,00
K. DAFTAR PUSTAKA[1] D.C. Riawan, C.V. Nayar. Design and Implementation of P-I Based MPPT Scheme for PV Modules Operated on Wide Temperature Range. Department of Electrical & Computer Engineering, Curtin University of Technolgy Autralia.[2] Muhammad H. Rasyid, 1993. Power Electronics, Second Edition, Prentice Hall International Inc. [3] M.A.S. Masoum, H. Dehbonei, 1999. Design construction and testing of a voltage-based maximum power point tracker for small satellite power supply, Proceedings of 13th annual AIAA/USU Conference on Small Satellite, .[4] Roberto F. Coelho, Filipe M. Concer, Denizar C. Martins. A MPPT Approach Based on Temperature Measurement Applied in PV Systems. Electrical Engineering Department, Power Electronics Institute, Federal University of Santa Carina, Florianopolis, Brazil.[5] Frederick M. Isenghoma, Lars E. Norum, 2002. Design and Implementation of Digially Controlled Stand-Alone Photovoltaic Power Suply. Department of Electrical Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.[6] William G. Dunford, 2004. A Modified Adaptive Hill Climbing MPPT Method for Photovoltaic Power System. Annual IEEE Power Electronic Specialists Conference.
L. LAMPIRAN1) BiodataKelompokKETUA KELOMPOKNama: Ony Asrarul QudsiNRP: 2208 100 113Fakultas / Program Studi: Fakultas Teknologi Industri / Teknik ElektroPerguruan Tinggi: ITSWaktu untuk kegiatan PKM: 9 jam / minggu
Ketua Pelaksana Ony Asrarul Qudsi NRP: 2208 100 113
ANGGOTA KELOMPOK 1Nama: Angga Mey SendraNRP: 2208 100 107Fakultas / Program Studi: Fakultas Teknologi Industri / Teknik ElektroPerguruan Tinggi: ITSWaktu untuk kegiatan PKM: 6 jam / minggu
Anggota 1Angga Mey SendraNRP: 2208 100 107
ANGGOTA KELOMPOK 2Nama: Aprilian Firman UtomoNRP: 2208 100 137Fakultas / Program Studi: Fakultas Teknologi Industri / Teknik ElektroPerguruan Tinggi: ITSWaktu untuk kegiatan PKM: 6 jam / minggu
Anggota 2Aprilian Firman UtomoNRP : 2208 100 137.
ANGGOTA KELOMPOK 3Nama: Syahrul HidayatNRP: 2209 100 161Fakultas / Program Studi: Fakultas Teknologi Industri / Teknik ElektroPerguruan Tinggi: ITSWaktu untuk kegiatan PKM: 6 jam / minggu
Anggota 3Syahrul HidayatNRP: 2209 100 161
2) BiodataDosenPembimbingNama: Dr.Eng.Ardyono Priyadi, ST,M.Eng.NIP: 1973 09 27 1998 03 1004Jabatan Fungsional: Dosen Fakultas / Jurusan: FTI/ Teknik ElektroPerguruan Tinggi: ITSBidang Keahlian: Sistem Tenaga ListrikWaktu untuk kegiatan PKM:
DosenPembimbing,(Dr.Eng.Ardyono Priyadi, ST,M.Eng)NIP. 1973 09 27 1998 03 1004
