OPTIMASI DAYA KELUARAN PANEL SURYA DENGAN MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) BERBASIS MIKROKONTROLER

Transkripsi

1 1 OPTIMASI DAYA KELUARAN PANEL SURYA DENGAN MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) BERBASIS MIKROKONTROLER Ficky Febrisetyo Suwarno, Ir. Wisnu Adi Prasetyanto, Dr. Ir Dian Retno Sawitri, MT Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Dian Nuswantoro, Semarang Jl. Nakula No. 1-5, Semarang fickyfebrisetyo12@gmail.com, wisnu@dosen.dinus.ac.id,dian@dosen.dinus.ac.id Abstrak Sinar matahari adalah sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk sumber energi listrik.indonesia diuntungkan dengan letak geografisnya yang strategis karena dekat dengan khatulistiwa.melimpahnya sumber daya ini perlu dimanfaatkan dengan konversi energi matahari menjadi energi listrik dengan panel surya. Pada penelitian ini, dirancang sistemoptimasi daya keluaran panel surya dengan Maximum Power Point Tracking (MPPT) berbasis mikrokontroler. Daya keluaran dari panel surya 9V 3W P akan dilacak dan terus dipertahankan dengan algoritma MPPT Perturb & Observe. Daya keluarannya digunakan untuk pengisian accumulator/accu 12V 2.3 Ah. Didapatkan hasil yaitu, MPPT boost converter bekerja mempertahankan tegangan keluaran sesuai set point 14 Volt dengan tegangan keluaran berosilasi pada rentang Volt. Rata-rata tegangan keluaran dari panel surya adalah 9.16 Volt dan rata-rata tegangan keluaran dari boost converter adalah Volt. Sedangkan rata-rata arus keluaran dari panel surya adalah A dan rata-rata arus keluaran dari boost converter adalah A. Didapatkan efisiensi sistem MPPT ini sebesar 92.2%.Dengan digunakannya panel surya 9V 3W P dan accu 12V 2.3Ah. Maka, lama pengisian accu adalah selama 2 hari, dengan panel surya yang rata-rata terpapar sinar matahari selama 6-7 jam per hari. Kata Kunci : tenaga surya, solar cell, MPPT, Boost Converter, PWM 1. Pendahuluan Pada kemajuan teknologi dewasa ini, energi listrik merupakan suatu komponen penting dalam menunjang produktivitas hidup manusia.energi listrik merupakan nyawa dari setiap peralatan elektronik dalam kehidupan kita seharihari, mulai dari listrik sebagai sumber daya peralatan dalam skala rumah tangga seperti lampu, kipas angin, maupun televisi, hingga listrik sebagai sumber daya peralatan dan mesin-mesin dalam skala industri.sehingga, tidak dapat dipungkiri bahwa listrik merupakan komponen yang sangat penting yang tidak dapat dipisahkan dalam kehidupan seharihari manusia. Sinar matahari adalah salah satu sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk sumber energi listrik.dalam hal ini, Indonesia sangat diuntungkan dengan letak geografisnya yang strategis karena dekat dengan garis khatulistiwa. Data statistik menunjukkan, rata-rata daerah di Indonesia mendapat intensitas cahaya matahari sebesar 4,8 kwh/m2 setiap harinya[9]. Melimpahnya sumber daya ini perlu dimanfaatkan secara optimal dengan melakukan konversi energi matahari menjadi energi listrik dengan panel surya (solar cell). Dalam konversi energi matahari menjadi energi listrik ini, ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam usaha optimasi koversi daya yang didapatkan.pertama, gerak semu harian matahari yang disebabkan oleh rotasi bumi. Gerak semu harian matahari menyebabkan terjadinya siang dan malam di belahan bumi tertentu, sehingga satu bagian bumi tidak mendapatkan sinar matahari selama 24 jam penuh. Kedua, adalah gerak semu tahunan matahari. Bumi merupakan planet yang berbentuk elips dan memiliki kemiringan sumbu rotasi sebesar 23,5 derajat. Bumi berevolusi mengelilingi matahari sambil terus berotasi, dengan kemiringan sumbunya tersebut menyebabkan dalam rentang waktu tertentu, matahari seolah-olah berada pada bagian utara khatulistiwa, terkadang tepat di tengah khatulistiwa dan terkadang di bagian selatan khatulistiwa. Yang ketiga adalah faktor cuaca, banyak sedikitnya awan pada cuaca cerah maupun mendung akan mempengaruhi intensitas cahaya matahari yang diterima oleh panel surya, sehingga mempengaruhi konversi daya. Diperlukan suatu solusi untuk mengatasi hambatan diatas, yaitu sistem pelacakan titik daya maksimum yang dihasilkan oleh panel surya atau Maximum Power Point Tracking (MPPT). Dengan MPPT, panel surya dioperasikan dengan sebuah sistem elektronik berupa rangkaian DC-DC Converter dengan kontroler. Sehingga, panel surya dapat selalu menghasilkan daya maksimum sesuai kapasitasnya.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 yang bisa dikeluarkan oleh sebuah panel surya.lebih lanjut, dengan sistem yang didesain ini diharapkan pemanfaatannya dapat menunjang kebutuhan catu daya peralatan rumah tangga yang membutuhkan sumber daya arus searah/dc,

2 2 sehingga dihasilkan sistem pengisian daya yang bersumber dari sinar matahari yang ramah lingkungan dan terjadi penghematan biaya dikarenakan tidak tergantung sepenuhnya oleh sumber daya listrik dari PLN. Maximum Power Point Tracking (MPPT) berbasis mikrokontroler Optimasi yang disajikan pada Gambar Metode Penelitian 2.1. Blok Diagram Perancangan Sistem Berikut adalah blok diagram perancangan sistem Optimasi Daya Keluaran Panel Surya dengan Maximum Power Point Tracking (MPPT) berbasis mikrokontroler yang disajikan pada Gambar 1. Gambar 2.Perancangan Perangkat Keras Gambar 1.Blok Diagram PerancanganSistem Target cara kerja sistem adalah saat sinar matahari menyinari panel surya, arus dan tegangan keluarannya diukur oleh mikrokontroler melalui pin ADC, data kemudian diproses dengan algoritma MPPT dan sebagai nilai keluarannya adalah nilai PWM yang dikeluarkan oleh mikrokontroler untuk mengatur pewaktuan pensaklaran (switching) rangkaian DC-DC converter sesuai target daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh spesifikafikasi panel surya yang digunakan. Kemudian, daya keluaran dari DC-DC converter digunakan untuk pengisian akumulator/aki, yang status dayanya (arus dan tegangan) dimonitor oleh mikrokontroler melalui pin ADC. Digunakan DC-DC konverter jenis boost ini pada MPPT sebab menilik dari letak geografis Indonesia yang dekat dengan garis khatulistiwa akan menguntungkan karena daya dari sinar matahari cenderung melimpah sekitar 4,8 kwh/m 2 setiap harinya[9]. Selain itu, dengan jumlah musim hanya dua dibandingkan dengan negara di belahan bumi yang jauh dari khatulistiwa menyebabkan jumlah awan yang menyelimuti atmosfer akan lebih sedikit, maka jumlah sinar matahari yang sampai ke permukaan bumi akan lebih banyak. Dua faktor diatas akan menyebabkan tegangan pada panel surya cenderung selalu mendekati puncak dikarenakan banyaknya sinar matahari, maka hanya diperlukan menaikkan tegangan saat kondisi banyak awan/mendung yang menyelimuti langit Perancangan Perangkat Keras Berikut adalah perancangan perangkat keras (hardware) sistem Optimasi Daya Keluaran Panel Surya dengan Target cara kerja sistem Maximum Power Point Tracking (MPPT) seperti disajikan pada Gambar 2 diatas adalah ketika panel surya mendapatkan sinar matahari, maka akan menghasilkan output berupa tegangan dan arus sesuai intensitas cahaya matahari yang didapat. Kemudian rangkaian pengukur arus dan tegangan inputmembaca data analog dari sensor melalui port ADC Arduino dan nilai analog hasil pembacaan tersebut dikalkulasikan secara matematis dalam algoritma program menjadi nilai arus dan tegangan yang aktual. Arus dan tegangan yang dihasilkan oleh panel surya menjadi input dari boost converter, yang dalam hal ini bertugas menaikkan tegangan sesuai target tegangan yang telah disebutkan dalam program. Pensaklaran dari MOSFET yang ada pada rangkaian boost converter dikontrol oleh pin Arduino yang memberikan sinyal PWM. Nilai Duty Cycle PWM yang dikeluarkan oleh Arduino bergantung pada pembacaan rangkaian sensor tegangan output boost converter yang berfungsi sebagai rangkaian umpan balik/feedback. Selanjutnya, data yang telah dibaca dari sensor akan ditampilkan pada LCD dan disimpan pada SD card. Agar data yang ditampilkan menjadi valid dan aktual sesuai waktu pembacaan, maka diberikan penanda waktu (timestamp) baik pada tampilan LCD, maupun pada penyimpanan data pada SD Card Perancangan Perangkat Lunak Perangkat lunak (software) yang tertanam pada mikrokontroler ATMEGA328 pada papan Arduino Nano diprogram dengan bahasa C, dengan menyertakan pustaka dan fungsi-fungsi pada program yang sesuai dengan cara kerja sistem. Pemrograman diketikkan pada program Arduino IDE (Integrated Development Environtment) dan diunggah pada mikrokontroler Arduino Nano melalui komunikasi serial via kabel USB antara Arduino dengan PC. Adapun diagram alir program secara keseluruhan disajikan pada Gambar 3 sebagai berikut:

3 3 berbasis mikrokontroler ini dibagi menjadi dua bagian. Pada bagian pertama, diuji sensor tegangan dan sensor arus secara individual, kemudian dilanjutkan dengan pengujian rangkaian MPPT secara keseluruhan. Pada pengujian sensor secara individu, digunakan alat ukur tegangan dan arus universal yaitu multimeter digital sebagai pembanding nilai arus dan tegangan yang diukur oleh mikrokontroler. Selanjutnya pada pengujian rangkaian MPPT secara keseluruhan, dilakukan pengambilan data dengan penempatan alat pada luar ruangan, sehingga dihasilkan data yang valid sesuai dengan kondisi cuaca dan intensitas cahaya matahari pada saat pengambilan data berlangsung. Gambar 3.Perancangan Perangkat Lunak Keterangan: P(t) = Nilai daya saat ini (t) P(t-1) = Nilai daya waktu sebelumnya (t-1) ΔP = Selisih nilai daya saat ini dan nilai daya waktu sebelumnya V(t) = Nilai tegangan saat ini (t) V(t-1) = Nilai tegangan waktu sebelumnya (t-1) ΔV = Selisih nilai tegangan saat ini dan nilai tegangan waktu sebelumnya Program dimulai dengan menyertakan pustaka program yang dibutuhkan oleh mikrokontroler Arduino untuk berkomunikasi dengan modul, kemudian dilanjutkan dengan deklarasi variabel-variabel yang digunakan untuk menyimpan data dan kondisi. Selanjutnya, masuk pada bagian voidsetup(), yaitu bagian program yang berjalan/dieksekusi hanya sekali, yang berisi inisialisasi metode komunikasi antara mikrokontroler Arduino dengan periferal, inisialisasi modul-modul, dan inisialisasi pin yang digunakan sebagai input dan output dalam sistem. Setelah status semua modul terinisialisasi, maka program berlanjut pada void loop(), yaitu dimana jalannya algoritma program kerja sistem berlangsung. Jalannya sistem akan terus berlanjut sampai adanya interupsi dari luar yaitu saat catu daya sistem dimatikan. 3. Pengujian dan Analisis Pengujian dan analisis sistem Optimasi Daya Keluaran Panel Surya dengan Maximum Power Point Tracking (MPPT) Gambar 4.Pengujian Sistem MPPT 3.1. Pengujian Sensor Tegangan dan Arus Pada pengujian sensor tegangan dan arus digunakan sumber tegangan dan arus dari adaptor sebagai input yang kemudian data yang terbaca pada tampilan LCD dibandingkan dengan multimeter digital. Diambil 10 sampel data tegangan input dan tegangan output yang disajikan pada Tabel 1, kemudian data arus input dan arus output disajikan pada Tabel 2 dibawah sebagai berikut. Tabel 1. Data Hasil Pengujian Sensor Tegangan Dibandingkan dengan Multimeter Tegangan Input Multimeter % Error Tegangan Output Multimeter % Error

4 4 Tabel 2. Data Hasil Pengujian Sensor Arus Dibandingkan dengan Multimeter Arus Input Multimeter % Error Arus Output Multimeter % Error Pada Tabel 1 diatas ditunjukkan bahwa terdapat selisih nilai pembacaan (error) sensor tegangan dengan mikrokontroler yang ditunjukkan oleh LCD yang dibandingkan dengan nilai tegangan yang terbaca pada voltmeter digital. Pada data pengukuran Tegangan Input didapatkan rata-rata selisih nilai pembacaan sebesar 0.1 Volt atau dalam persentase nilai error yaitu 1.03%. Sedangkan pada pengukuran Tegangan Output didapatkan rata-rata selisih nilai pembacaan sebesar 0.1 Volt atau dalam persentase nilai error yaitu 0.7%. Selanjutnya, pada Tabel 2 disajikan data pengujian Arus Input dan Arus Output. Terdapat selisih nilai pembacaan arus dengan sensor oleh mikrokontroler dengan nilai yang terukur pada amperemeter digital. Pada pengukuran Arus Input didapatkan rata-rata selisih nilai pembacaan sebesar 0.004A, jika dalam persentase nilai error yaitu 2.07%. Sedangkan pada pengukuran Arus Outputdidapatkan rata-rata selisih nilai pembacaan sebesar 0.003A yang dalam persentase nilai error yaitu 3.17% Pengujian Rangkaian MPPT Sebagai Satu Kesatuan Pada sub bab ini, dilakukan pengujian rangkaian MPPT secara keseluruhan yang dilangsungkan pada tanggal 27 Mei 2016 mulai pukul sampai dengan pukul yang bertempat pada rumah penulis. Panel surya diposisikan tegak lurus, dengan permukaannya menghadap ke arah langit. Data Tegangan Input dan Tegangan Output berbanding terhadap waktu yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 5 dibawah ini sebagai berikut: Gambar 5.Grafik Tegangan Input Berbanding Tegangan Output Dalam Satuan Waktu Grafik pada Gambar 5 disajikan data Tegangan Input dari keluaran panel surya berbanding dengan Tegangan Output keluaran dari boost converter yang dimulai pada pukul sampai dengan pukul Pada grafik diatas ditunjukkan bahwa saat dimulai pengambilan data pada pukul sampai dengan pukul 07.15, tegangan keluaran dari panel surya belum mencapai 9 Volt dikarenakan intensitas cahaya matahari masih sedikit, sehingga nilai tegangan yang dikeluarkan oleh panel surya kecil (antara 3-5 Volt) yang menyebabkan tegangan keluaran boost converter juga kecil dan belum dapat mengisi accu. Kemudian, mulai diatas pukul data menunjukkan keluaran tegangan dari panel surya mencapai 9 Volt, sehingga boost converter mulai bekerja menaikkan tegangan keluarannya sesuai set point yang telah ditetapkan yaitu 14 Volt. Selanjutnya, tegangan keluaran yang dihasilkan oleh panel surya mencapai puncaknya pada pukul sampai dengan pukul yaitu mendekati 11 Volt. Pada saat ini, boost converter mulai menunjukkan kestabilan nilainya. Kemudian, pada hari pengambilan data terdapat cuaca berawan yang ditunjukkan oleh grafik pada pukul sampai dengan yang menyebabkan data tegangan masukan pun turun, sedangkan data tegangan keluaran dari boost converter tetap terjaga pada rentang Volt. Nilai tegangan keluaran dari panel surya mulai turun yang menandakan turunnya intensitas cahaya matahari yang semakin sedikit pada pukul yang menyebabkan boost converter berhenti bekerja dikarenakan tegangan keluaran dari panel surya hanya berkisar 3-6 Volt. Pada saat tersebut, nilai tegangan keluaran panel surya dan tegangan keluaran boost converter menunjukkan nilai yang tidak jauh berbeda dengan selisih 1-2 Volt. Selanjutnya, disajikan data grafik perbandingan arus keluaran panel surya dengan arus keluaran boost converter pada Gambar 6 dibawah sebagai berikut:

5 5 converter adalah atau A. Sedangkan nilai daya masukan rata-rata adalah 1.67 W dan rata-rata daya keluaran dari rangkaian MPPT adalah 1.54 W. Dengan demikian, nilai efisiensinya adalah: η= (Daya keluaran)/(daya masukan)*100%, maka: = (12.52* 0.123)/(9.16*0.182)* 100% = 1.54/1.67* 100% = 92.2% Gambar 6.Grafik Arus Input Berbanding Arus Output Dalam Satuan Waktu Grafik pada Gambar 6 disajikan data Arus Input dari keluaran panel surya berbanding dengan Arus Output keluaran dari boost converter yang dimulai pada pukul sampai dengan pukul Pada grafik diatas ditunjukkan bahwa saat dimulai pengambilan data pada pukul sampai dengan pukul 07.15, arus keluaran dari panel surya terukur kecil sekali dengan rentang antara 6-10 ma, hal tersebut berbanding lurus dengan nilai tegangan yang dihasilkan belum mencapai nilai 9 Volt dikarenakan sedikitnya intensitas cahaya matahari pada kondisi waktu tersebut masih sedikit. Sebanding dengan arus keluaran dari panel surya yang kecil, arus keluaran dari boost converter pun terukur kecil sekali dengan rentang antara 5-9 ma. Selanjutnya, disajikan data grafik perbandingan daya keluaran panel surya dengan daya keluaran boost converter Gambar 7 dibawah sebagai berikut: Didapatkan efisiensi dari sistem MPPT diatas adalah 92.2%.Maka, dapat dikalkulasikan bahwa rugi daya (Power Loss) rata-rata, yaitu daya yang didisipasikan dalam rangkaian sebesar 7.8% dari total daya masukan. internet tertentu ada dan dapat menerima permintaan-permintaan. Ping digunakan untuk memastikan bahwa satu komputer yang dituju sedang aktif dan memberikan respon balik Lama Pengisian Aki Dengan digunakannya akumulator/accu dengan tegangan kerja 12V dan dapat menyuplai arus 2.3 Ah. Maka, lama pengisian akumulator/accu adalah sebagai berikut: Daya keluaran panel surya = 3 Wp Daya keluaran boost converter = 92.2 % 3 Wp = Wp I = P 2.49 W = = A V 14 Volt Maka, Lama Pengisian Tcharge = = 2.3 Ah = 11.7 jam A Kapasitas Aki Arus Pengisian Nilai 11.7 jam diatas adalah asumsi jika panel surya selalu terpapar sinar matahari, sehingga selalu menghasilkan arus pengisian aki. Sedangkan pada kenyataannya, dalam satu hari hanya terdapat rata-rata 6-7 jam sinar matahari yang terang. Maka, perhitungan lama pengisian diatas menjadi: Lama Pengisian Tcharge = jam = 1.95 hari ~ 2 hari Gambar 7.Grafik Daya Input Berbanding Daya Output 3.3. Efisiensi Sistem MPPT Dari data yang dihasilkan pada pengujian diatas, nilai ratarata Tegangan Keluaran dari panel surya adalah 9.16 Volt, nilai Tegangan Keluaran dari boost converter adalah Volt. Sedangkan nilai rata-rata arus keluaran dari panel surya adalah A dan nilai rata-rata arus keluaran dari boost Jadi, lama pengisian hingga aki terisi penuh dengan rata-rata 6-7 jam sinar matahari penuh adalah 2 hari. 4. KESIMPULAN Berdasarkan pengujian yang dilakukan pada sistem, didapatkan hasil yang penting sebagai berikut: 1. Pada saat intensitas cahaya matahari yang mengenai permukaan panel surya cukup banyak, maka tegangan

6 6 keluaran dari panel surya terukur 9 Volt, dan arus yang dihasilkan mulai naik. Saat tersebut rangkaian MPPT boost converter mulai bekerja dengan maksimal mempertahankan tegangan keluaran sesuai set point yaitu 14 Volt. Nilai tegangan keluaran yang dihasilkan berosilasi pada rentang Volt yang dipengaruhi oleh pengontrolan nilai PWM dari mikrokontroler sebagai pensaklar Gate pada MOSFET. Pada saat tersebut, spesifikasi pensaklaran MOSFET memegang peranan penting. 2. Dari hasil pengujian ditunjukkan nilai rata-rata Tegangan Keluaran dari panel surya adalah 9.16 Volt, nilai Tegangan Keluaran dari boost converter adalah Volt. Sedangkan nilai rata-rata arus keluaran dari panel surya adalah A dan nilai rata-rata arus keluaran dari boost converter adalah A. Didapatkan efisiensi dari sistem MPPT diatas adalah 92.2%. Maka, dapat disimpulkan bahwa rugi daya (Power Loss) rata-rata, yaitu daya yang didisipasikan dalam rangkaian dan terkonversi sebagai panas sebesar 7.8% dari total daya masukan. Dengan digunakannya panel surya 9V 3W P dan akumulator/accu 12V 2.3Ah. Maka, lama pengisian accu dari sistem MPPT dengan efisiensi 92.2% diatas adalah selama 2 hari, dengan panel surya yang rata-rata terpapar sinar matahari selama 6-7 jam per hari. 5. DAFTAR PUSTAKA [1] Cullen, Richard A. What is Maximum Power Point Tracking (MPPT) and How does It Work?.Blue Sky Energy, inc., [Online].Available FTP: hat_is_mppt.pdf. Diakses 14 November 2015 [2] Aprian Farhan Perancangan Stand Alone PV Systemdengan Maximum Power Point Tracker (MPPT) Menggunakan Metode Modified Hill Climbing. Skripsi Jurusan Teknik Elektro, Surabaya: Institut Teknologi 10 November. [3] Hendriono, Dede. (2014, Agustus 6).Mengenal Arduino Nano. [Online].Available: Diakses 14 November 2015 [4] Atmel. (2015, November).ATmega328. revision J. [Online]Available: Diakses 14 November 2015 [5] Heryanto, M Ari., Wisnu Adi Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroller ATMEGA Yogyakarta: Penerbit Andi. [6] Bejo, Agus C & AVR. Jakarta: Graha Ilmu. [7] Blocher, Richard. Dasar Elektronika, Yogyakarta [8] Rosu-Hamzescu and Oprea. (2012, November 29). Practical Guide to Implementing Solar Panel MPPT Algorithms.[Online].Available: spx?appnote=en Diakses 14 November 2015 [9] Administrator ESDM. (2013, April 13). Maksimalkan Produksi Listrik Energi Surya Dengan Solar Tracker.[Online].Available: Diakses 14 November [10] Barr, Michael. (31 Agustus 2001).Introduction to Pulse Width Modulation.[Online]. Available: blogs/beginners-corner/ /introduction-to-pulse- Width-Modulation.Diakses 12 Januari [11] Maxim Integrated, Inc. (Maret 2015). DS3231 Extremely Accurate I2C-Integrated RTC/TCXO/Crystal.[Online].Available: datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ds3231.pdf.dia kses 12 Januari [12] Tangient LLC. (18 Desember 2015). SD- Cards.[Online].Available: 12 Januari [13] Grusin, Mike. Serial Peripheral Interface (SPI).[Online].Available: Diakses 12 Januari 2016 [14] SFUptownMaker. I2C. [Online]Available: Diakses 12 Januari [15] Allegro Microsystems, LLC. (16 November 2012). ACS712-Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kv RMS Isolation and Low- Resistance Current Conductor.[Online].Available: /ACS712-Datasheet.ashx?la=en [16] Purnomo Sejati, dkk Maximum Power Point Tracker Sel Surya Menggunakan Algoritma Perturb and Observe. Skripsi Jurusan Teknik Elektro. Surabaya: Institut Teknologi 10 November.