Rancang Bangun Maximum Power Point Tracking Pada Panel Photovoltaic Berbasis Logika Fuzzy di Buoy Weather Station

Transkripsi

1 1 Rancang Bangun Maximum Power Point Tracking Pada Panel Photovoltaic Berbasis Logika Fuzzy di Buoy Weather Station Bayu Prima J. P. (1), Aulia Siti Aisjah (2), dan Syamsul Arifin (3). Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 6111 Indonesia Abstrak Salah satu aplikasi yang sering digunakan dalam bidang energi terbarukan adalah panel photovoltaic. Panel ini memiliki prinsip kerja berdasarkan efek photovoltaic dimana lempengan logam akan menghasilkan energi listrik apabila diberi intensitas cahaya. Untuk menghasilkan daya keluaran panel yang maksimal, maka diperlukan suatu algoritma yang biasa disebut Maximum Power Point Tracking (MPPT).MPPT yang diterapkan pada sistem photovoltaic berfungsi untuk mengatur nilai tegangan keluaran panel sehingga titik kerjanya beroperasi pada kondisi maksimal. Algoritma MPPT pada panel ini telah dilakukan dengan menggunakan logika fuzzy melalui mikrokontroler Arduino Uno sebagai pembangkit sinyal Pulse Width Modulation (PWM) yang akan dikirimkan menuju DC-DC Buck Boost Converter. Keluaran dari buck boost converterakan dihubungkan secara langsung dengan buoy weather station untuk menyuplai energi listrik tiap komponen yang berada di dalamnya. Untuk menguji performansi dari algoritma MPPT yang telah dirancang, maka sistem akan diuji menggunakan variasi beban antara metode direct-coupled dengan MPPT menggunakan logika fuzzy. Hasil pengujian menunjukkan bahwa MPPT dengan logika fuzzy dapat menghasilkan daya maksimum daripada direct-coupled. Pada sistem panel photovoltaic ini memiliki range efisiensi % hingga %. Daya maksimal dapat dicapai oleh sistem untuk tiap variasi beban dan efisiensi maksimal dapat dicapai pada beban Ohm dari hasil pengujian sistem MPPT. Kata Kunci Maximum Power Point Tracking (MPPT), Panel Photovoltaic, logika fuzzy, Buck Boost Converter, Buoy Weather Station. I. PENDAHULUAN Indonesia merupakan salah satu negara maritim dimana komposisi lautan yang lebih besar daripada daratannya. Dengan komposisi lautan yang ada, transportasi laut memiliki peran yang cukup tinggi dalam kehidupan sehari-hari.untuk mendukung adanya transportasi laut tersebut, terdapat Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) yang berfungsi untuk memantau kondisi lingkungan lautan sehingga transportasi laut dapat berjalan dengan lancar[1]. Badan tersebut melakukan pemantauan dengan cara mendirikan stasiun cuaca atau meteorologi di berbagai titik. Buoy Weather Station merupakan suatu perangkat yang berperan dalam hal prediksi cuaca di lautan[2]. Selama ini, buoy weather station yang ada mendapatkan sumber tenaga listrik dari sel surya yang memanfaatkan prinsip photovoltaic.photovoltaic merupakan sebuah lempengan logam yang menghasilkan sejumlah arus listrik jika dikenai cahaya (foton)[3][4]. Arus yang dihasilkan oleh photovoltaic tersebut dipengaruhi oleh beberapa besaran fisis yaitu instensitas cahaya (iradiansi) dan temperatur dari modul photovoltaic itu sendiri.semakin besar intensitas cahaya yang mengenai photovoltaic tersebut, maka arus yang dihasilkan akan semakin besar[]. Namun, kekurangan yang dimiliki oleh PV dan di buoy weather station khususnya adalah masih belum dapat menghasilkan daya maksimal sebagaimana spesifikasi PV. Hal itu disebabkan banyak faktor yang mempengaruhi PV dalam beroperasi antara lain suhu, intensitas, gelombang arus laut yang menyebabkan buoy weather seringkali berubah posisi. Maka dari itu, dalam makalah ini telah dirancang sebuah sistem panel photovoltaic yang diletakkan pada buoy weather station yang berfungsi sebagai sumber energi listrik bagi buoy weather dalam beroperasi sehingga kebutuhan energi listrik dapat terpenuhi. Selain itu, untuk menghasilkan daya keluaran optimal maka akan digunakan metode Maximum Power Point Tracking (MPPT) untuk mengontrol duty cycle pada DC-DC converter. MPPT merupakan suatu algoritma yang digunakan untuk melacak dimana letak titik tegangan dan arus listrik optimal PV sehingga daya optimal dapat tercapai.pada umumnya, MPPT biasa digunakan dengan algoritma Perturbation and Observation (P&O). Namun, pada tugas akhir ini rancang bangun sel surya akan dibuat dengan menggunakan logika fuzzy untuk mengontrol besar pulsa sinyal PWM yang diberikan kepada DC-DC buck boost converter.masukan logika fuzzy sistem berupa variasi intensitas dan suhu PV.Sedangkan, keluaran fuzzy berupa pulsa PWM untuk mengatur switch pada DC-DC buck boost converter. II. PANEL PHOTOVOLTAIC Photovoltaic sudah banyak digunakan sebagai energi alternatif untuk mengatasi krisis energi akibat global warming yang melanda dunia saat ini. Photovoltaic terdiri dari susunan sel surya dimana akan terjadi efek photovoltaic jika terkena intensitas matahari sehingga dapat menghasilkan arus listrik[3]. Arus listrik itulah yang dapat digunakan untuk keperluan selanjutnya atau untuk disimpan dalam perangkat penyimpan (storage battery). Kinerja dari photovoltaic akan berpengaruhkepada lama charging pada baterai, banyak daya yang dihasilkan, dan efisiensi dari photovoltaic itu sendiri. Secara teori, arus yang dihasilkan oleh modul photovoltaic dapat dimodelkan sesuai dengan rangkaian elektronik di bawah ini.

2 2 Gambar1.Rangkaian elektronik ekuivalen photovoltaic[6] Dalam aplikasinya, hal yang paling diperhatikan di dalam photovoltaic adalah besar daya keluaran (P out ). Daya yang dihasilkan oleh photovoltaic bergantung pada tegangan dan arus yang dihasilkan saat terkena cahaya matahari. Sedangkan, tegangan dan arus photovoltaic bergantung dari besaran-besaran antara lain[7]: a. Intensitas Matahari b. Temperatur permukaan modul photovoltaic c. Posisi dan sudut letak photovoltaic terhadap matahari d. Lokasi pemasangan photovoltaic e. Arah dan kecepatan angin Dari kelima besaran di atas, faktor yang paling berpengaruh terhadap daya keluaran photovoltaic adalah intensitas matahari dan temperatur permukaan modul photovoltaic. Untuk melihat pengaruh kedua besaran tersebut, dapat ditunjukkan dengan kurva karakteristik I-V dan P-V pada gambar di bawah ini. faktor tersebut. Spesifikasi panel yang digunakan dapat ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Tabel 1. Spesifikasi Panel Photovoltaic Maximum Power (P max ) Watt Power Tolerance ± 3% Voltage at P max 17.4 Volt Current at P max 1.1 Ampere V oc (Open Circuit) 21.6 Volt I sc (Short Circuit) 1.27 Ampere Normal Operating Cell 47 ±2 C Temperature (NOCT) Standard Test Condition 1 kw/m 2 and 2 C (AM1.) III. MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) Sesuai dengan kurva karakteristik P-V yang ditunjukkan pada gambar 1 dan gambar 2, modul photovoltaic dapat menghasilkan daya maksimumnya pada suatu titik yang dinamakan Maximum Power Point (MPP) [8]. Pada titik MPP tersebut, modul photovoltaic dapat menghasilkan tegangan dan arus maksimumnya. Pada dasarnya, titik ini tidak dapat diketahui keberadaannya dikarenakan faktor intensitas matahari dan temperatur permukaan modul yang berubahubah berdasarkan waktu. Tetapi, titik MPP dapat dicari dengan menggunakan suatu algoritma [8]. Untuk menjaga modul agar tetap bekerja pada daerah operasinya, maka diperlukan suatu algoritma yang disebut dengan Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pada umumnya, terdapat banyak metode untuk menerapkan algoritma MPPT tersebut antara lain Perturbation and Observation (P&O), Hill- Climbing, Incremental Conditional, Proportional-Integral (PI), Logika Fuzzy, dan lain-lain. Beberapa metode tersebut dapat digunakan untuk menanamkan MPPT. Secara teori, algoritma MPPT ini berfungsi untuk mencari titik tegangan dan arus keluaran photovoltaic sehingga daya maksimum dihasilkan oleh modul [7]. Diagram blok dari sistem dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar 2. Kurva karakteristik V-I tentang pengaruh intensitas matahari dan temperatur permukaan photovoltaic[6] Photovoltaic (PV) DC-DC Converter Beban (Load) Vin D Iin Arduino UNO Gambar 4. Diagram Blok Sistem MPPT[9] Gambar 3. Kurva karakteristik P-V tentang pengaruh intensitas matahari dan temperatur permukaan photovoltaic[6] Gambar 2 dan gambar 3 di atas menjelaskan tentang pengaruh intensitas matahari dan temperatur permukaan modul photovoltaic. Kurva V-I pada gambar 2 menunjukkan tentang hubungan arus dan tegangan modul jika terjadi variasi kedua IV. PERANCANGAN LOGIKA FUZZY Dalam perancangan logika fuzzy, hal-hal yang perlu diperhatikan antara lain, membership function, fuzzifikasi, inferenceengine, dan defuzzifikasi []. 1) Fungsi Keanggotaan (MembershipFunction) Langkah pertama dalam merancang suatu logika fuzzy adlah menentukan masukan dan keluaran fuzzy []. Dalam penelitian ini, masukan-masukan sistem berupa nilai error dan deltaerror yang diperoleh dari hasil pembacaan tegangan dan arus pada pin analoginput Arduino. Keluaran dari logika

3 3 fuzzy berupa dutycycle yang akan diberikan kepada converter.masukan dan keluaran logika fuzzy dinyatakan dalam fungsi keanggotaan (membershipfunction) untuk mengelompokkan variabel-variabel yang ada.berikut adalah membershipfunction dari masukan dan keluaran fuzzy. Gambar. MembershipFunction Masukan Fuzzy Berupa Error akhir. Dasar perancangan rulebase pada logika fuzzy adalah sistem trialanderror. Dengan masukan fuzzy yang ada (error dan deltaerror) dan keluaran duty cycle, dapat dirancang rulebase sebanyak sembilan buah rule. Rulebase logika fuzzy MPPT : Tabel 2.Rule Base Logika Fuzzy MPPT error/d_error N Z P N N N N Z N Z P P P P P Dengan sembilan buah rule yang telah dirancang, akan terbentuk surface fuzzy seperti gambar di bawah ini. Gambar 8. Surface Viewer Logika Fuzzy Gambar 6. MembershipFunction Masukan Fuzzy Berupa DeltaError Gambar 7. MembershipFunction Keluaran Fuzzy Berupa DutyCycle Jumlah fungsi keanggotaan yang digunakan dalam setiap masukan dan keluaran adalah berjumlah tiga buah dengan tipe fungsi trapezium dan segitiga. Pada masukan error (dp/dv), memiliki range masukan mulai dari -1.2 hingga 1.2 dengan fungsi keanggotaan antara lainnegative (N), Zero (Z), dan Positive (P). Untuk deltaerror (E[n] E[n-1]), memiliki range masukan mulai dari -.7 hingga.7 dengan nama fungsi keanggotaan yang sama dengan variabel error. Keluaran logika berupa dutycycle memiliki range hingga 1 yang akan direpresentasikan berupa pulsa PWM (Pulse Width Modulation) - volt yang merupakan keluaran dari Arduino pada pin DigitalOutput. Masukan fuzzy berupa numerik akan di-fuzzifikasi sehingga berubah menjadi crisp untuk diolah dalam inferenceengine. 2) InferenceEngine Bilangan crisp yang dinyatakan dalam fungsi keanggotaan akan diolah dalam inferenceengine yang memiliki prinsip sebab akibat (IF.THEN). di dalam inferenceengine terdapat rulebase yang mengatur keluaran fuzzy sesuai masukan yang diterima sistem. Rulebase merupakan sekumpulan aturan sebab akibat yang digunakan untuk mengambil keputusan V. PENGUJIAN PULSA PWM DAN OPTO COUPLER TOTEM POLE Pengujian ini dilakukan untuk melihat sinyal PWM yang dikirimkan oleh Arduino menuju pin MOSFET pada buck boost converter. Rangkaian opto-coupler dan totem pole digunakan untuk memisahkan antara sinyal PWM dari Arduino dan sinyal PWM 12 volt yang dibangkitkan oleh TLP.Pengujian dilakukan dengan menggunakan osiloskop untuk melihat sinyal PWM.Tata letak dan hasil pengujian dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar 9. Rangkaian Pengujian PWM Gambar.Tampilan Osiloskop pulsa PWM 4 khz

4 4 melewati sensor. Data hasil pengujian sensor arus ditunjukkan pada gambar 12 dan tabel 4. Gambar 11. Hasil Pengujian Rangkaian Opto Coupler dan Totem Pole Hasil pengujian menunjukkan bahwa rangkaian berhasil membangkitkan pulsa PWM frekuensi 4 khz dengan tegangan puncak Volt.Pada puncak pulsa PWM tersebut, terdapat tegangan yang naik sehingga puncak pulsa tidak tepat pada Volt.Hal ini dapat disebabkan oleh suplai tegangan yang kurang stabil dan rangkaian pemisah sinyal dan pembangkit tegangan yang kurang sempurna. VI. PENGUJIAN BUCK BOOST CONVERTER Komponen ini merupakan komponen terpenting dalam sistem MPPT karena dengan inilah tegangan kerja sistem dapat diubah melalui dutycycle (D)[11]. Buck boost converter sendiri memiliki fungsi untuk menaikkan atau menurunkan level tegangan. DC-DC converter yang digunakan dalam sistem MPPT ini diuji terlebih dahulu untuk mengetahui nilai efisiensi yang dapat dihasilkan oleh rangkaian converter secara keseluruhan.pengujian dilakukan dengan melihat daya yang diberikan kepada buck boost dan daya yang dihasilkan pada variasi duty cycle. Pengaturan dari besar duty cycle dilakukan dari pemrograman Arduino dan dihubungkan menuju rangkaian opto coupler dan totem pole.data hasil pengujian dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Dari data tersebut, efisiensi dari rangkaian memiliki range antara 31.6 % hingga 7.8 %. Efisiensi masih dapat dikategorikan rendah dikarenakan factor komponen induktor yang terdapat pada rangkaian masih belum optimal dan efisien. Tabel 3. Tabel Pengujian Buck Boost Converter Duty Cycle (%) P in (Watt) P out (Watt) Efisiensi(%) bit PWM VII. PENGUJIAN SENSOR ARUS Sensor arus digunakan untuk membaca arus keluaran dengan melihat tegangan keluaran sensor yang proporsional dengan arus yang dibaca. Pengujian dilakukan dengan menggunakan regulator DC untuk melakukan variasi arus yang dikeluarkan Gambar 12. Pengujian Sensor Arus Tabel 4. Hasil pengujian sensor arus Arus (Amp) V out (Volt) Berdasarkan data hasil pengujian diatas sensor arus yang digunakan dapat bekerja sesuai dengan prinsip kerja efek Hall, dimana tegangan keluaran sensor berbanding terbalik terhadap arus yang mengalir. Modul photovoltaic memiliki spesifikasi arus maksimum sebesar 1,2 Ampere, hasil pengujian sensor arus menunjukkan bahwa sensor dapat digunakan untuk modul photovoltaic. VIII. PENGUJIAN SENSOR TEGANGAN Sensor tegangan mempunyai karakteristik linier dimana tegangan keluaran sensor akan proporsional dengan tegangan masukan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan regulator DC 24 Volt. Tegangan regulator yang menjadi masukan (V in ) sensor diubah-ubah sehingga tegangan keluaran (V out ) voltage divider dapat terlihat. Hasil pengujian sensor tegangan ditunjukkan pada tabel di bawah ini: Tabel. Hasil pengujian sensor tegangan Vin Vout (Volt) (Volt)

5 IX. PENGUJIAN SISTEM TANPA MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) Pada pengujian sistem tanpa menggunakan MPPT atau yang lebih dikenal dengan direct-coupled dilakukan untuk mengetahui daya keluaran panel photovoltaic jika langsung dihubungkan dengan variasi beban.beban yang digunakan adalah resistor Watt dengan besar resistansi mulai dari.33 Ohm hingga Ohm.Pengujian data dilakukan pada tanggal 4 Juni 13 pukul..data hasil pengujian sistem tanpa MPPT dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Daya (Watt) Gambar 12. Grafik Daya Keluaran Sistem Direct-Coupled Daya keluaran panel saat diberikan beban Ohm adalah sebesar Watt dengan tegangan 16. Volt dan arus sebesar.9 ampere. Dengan sistem direct-coupled ini, panel hanya dapat menghasilkan daya di atas WP pada beban Ohm saja X. PENGUJIAN MPPT MENGGUNAKAN LOGIKA FUZZY Berbeda dengan pengujian yang sebelumnya, pada kali ini seluruh rangkaian yang terlibat dalam sistem MPPT dihubungkan seluruhnya sesuai dengan diagram blok. Keluaran dari panel photovoltaic dihubungkan secara seri dengan sensor arus (ACS712) dan paralel dengan sensor tegangan (voltage divider). Keluaran dari buck boost converterakan dihubungkan dengan beban yang bervariasi untuk menguji performansi sistem saat diberikan algoritma MPPT dengan logika fuzzy dari mikrokontroler Arduino Uno. Beban yang digunakan sama dengan pengujian sistem directcoupled yang telah dilakukan sebelumnya. Daya (Watt) 1 Direct Coupled Fuzzy - MPPT Gambar 13. Grafik Daya Keluaran Panel Menggunakan MPPT Fuzzy Untuk melihat perbandingan antara daya keluaran dari panel menggunakan algoritma MPPT dan direct-coupled dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Daya (Watt) 2 1 MPPT Vs Direct Coupled MPPT - FLC Direct Coupled Daya Maks Gambar 14. Grafik Perbandingan Daya Keluaran Panel Surya Menggunakan MPPT dan Direct-Coupled Dari gambar di atas, dapat terlihat secara jelas perbedaan hasil daya keluaran antara kedua percobaan. Daya keluaran dari sistem yang menggunakan algoritma MPPT dilengkapi logika fuzzy dapat menghasilkan daya yang lebih tinggi untuk tiap variasi beban, kecuali daya pada beban Ohm dimana daya keluaran dari sistem menggunakan algoritma tersebut lebih rendah daripada direct-coupled. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor antara lain, disipasi daya saat buck boost converter bekerja, induktor converter yang kurang baik, dan rangkaian sensor yang masih dapat dikatakan sederhana sehingga pembacaan ADC pada Arduino masih belum dapat menghasilkan efisiensi yang cukup tinggi. Untuk mengukur performansi dari algoritma MPPT Fuzzy yang diterapkan, maka nilai efisiensi merupakan hal yang penting untuk dibahas.efisiensi sistem dapat dihitung dari perbandingan daya keluaran sistem dengan daya yang masuk dari panel photovoltaic.perhitungan efisiensi dilakukan pada tiap beban yang diberikan kepada sistem secara keseluruhan.gambar di bawah ini merupakan efisiensi sistem untuk tiap variasi beban resistor. Efisiensi (%) Effisiensi Gambar 1. Grafik Efisiensi Sistem Menggunakan MPPT Fuzzy Dari gambar di atas, dapat dijelaskan bahwa sistem mampu menghasilkan efisiensi dalam range % hingga %. Efisiensi tertinggi tercapai saat beban yang

6 6 diberikan sebesar Ohm.Rata-rata efisiensi sistem adalah sebesar %. Tabel 6. Nilai Efisiensi Sistem Pada Tiap Variasi Beban Efisiensi (%) Efisiensi sistem pada kisaran ± % ini masih dikatakan rendah dikarenakan beberapa hal antara lain, faktor kualitas dari buck boost converter, rangkaian sistem yang masih sederhana, dan daya panel yang kecil dibandingkan dengan panel yang memiliki daya lebih. berikut: XI. KESIMPULAN Adapun kesimpulan dari penelitian ini adalah sebagai Algoritma MPPT yang dilengkapi dengan logika fuzzy dapat menghasilkan daya mak-simum rata-rata dibandingkan dengan direct-coupled untuk masingmasing variasi beban. Efisiensi buck-boost converter yang mampu dicapai adalah dalam range 33.7 % hingga %. Efisiensi maksimum dapat dicapai pada beban resistor Ohm. Algoritma MPPT dengan logika fuzzy mampu menaikkan daya rata-rata keluaran panel pho-tovoltaic sebesar 2.7 % untuk tiap variasi beban. Algoritma MPPT menggunakan logika fuzzy dapat meningkatkan efisiensi panel rata-rata sebesar 1.4 % pada irradiansi sebesar 98.6 W/m2. XII. SARAN Converter yang digunakan memiliki induktor dengan kualitas yang lebih tinggi dengan memperhatikan aspek lilitan kawat , jenis core yang digunakan, dan efek skin yang terjadi saat induktor bekerja.kemudian, sisi disipasi daya yang terjadi saat sistem bekerja dapat dipertimbangkan untuk menghasilkan efisiensi yang lebih baik. jurusan Teknik Fisika, dan seluruh Mahasiswa Teknik Fisika, atas kesan-kesan yang pernah saya buat di jurusan ini bersama beliau-beliau dan teman-teman sekalian. XIV. DAFTAR PUSTAKA [1] BMKG, "Dokumen Standar Operasional Prosedur Peringatan Dini Pelaporan Dan Diseminasi Informasi Cuaca Ekstrim," BMKG, Jakarta,. [2] LLC, Down East Instrumentation, "Automated Buoy Weather Station," LLC, 2. [3] S. A. Kalogirou, "Solar Thermal Collectors And Applications," vol , 4. [4] P. Takun, "Maximum Power Point Tracking using Fuzzy Logic Control for Photovoltaic Systems," IMECS, 11. [] M. M. Algazar, "Maximum Power Point Tracking Using Fuzzy Logic Control," El Sevier, 12. [6] Y. Yongchang and Y. Chuanan, "Implementation of a MPPT Controller Based on AVR Mega 16 for Photovoltaic Systems," International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems, Zhengzhou, 12. [7] G. Balasubramanian and S. Singaravelu, "Fuzzy Logic Controller for The Maximum Power Point Tracking in Photovoltaic System," International Journal of Computer Applications ( ), Annamalainagar, 12. [8] R. F. a. S. Leva, "Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems," ISSN 179-6, 8. [9] M.A.S.Masoum and M.Sarvi, "A New Fuzzy-Based Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Applications," Iranian Journal of Electrical and Electronic Engineering Vol.1, Tehran,. [] S. Kusumadewi, Artificial Intelligence, Yogyakarta: Graha Ilmu, 3. [11] R. M, Power Electronics Handbook, New York: Academic Press, 1. BIODATA PENULIS Penulis lahir di kota Pontianak pada 12 Juli 1992 dengan nama Bayu Prima J. P sebagai anak pertama dari dua bersaudara. Riwayat pendidikan penulis adalah SDN Dr. Soetomo V Surabaya (1997 3), SMPN 22 Surabaya (3 6), SMAN 1 Surabaya (6 9). Penulis diterima sebagai mahasiswa S1 Teknik Fisika ITS pada tahun 9 hingga saat ini dan mengambil bidang minat rekayasa instrumentasi. Untuk menghubungi penulis, dapat melalui bayu9@mhs.ep.its.ac.id atau bayuprimajp@gmail.com. XIII. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada seluruh dosen dan staf pengakar