TUGAS AKHIR STUDI TENTANG PERILAKU SUPERKAPASITOR TERSUSUN SERI SEBAGAI PENGGANTI BATERAI MENGGUNAKAN SIMULINK MATLAB Diajukan untuk memenuhi persyaratan dalam Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Oleh: TONY PUTRA L. TOBING NIM : 110402042 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
ABSTRAK Superkapasitor adalah sebuah perangkat baru dari penyimpanan energi, yang memiliki perbedaan yang jauh antara kapasitor biasa dan baterai. Superkapasitor memiliki kapasitansi dan kerapatan energi yang lebih tinggi dibanding kapasitor biasa. Superkapasitor juga memiliki waktu pengisian-pengosongan yang cepat, serta umur yang panjang. Namun superkapasitor hanya memiliki rentang nilai tegangan antara 2,3-2,7 V. Jadi untuk mendapatkan nilai tegangan yang lebih besar, superkapasitor harus disusun secara seri. Superkapasitor yang tersusun seri ini pun menghadirkan masalah baru seperti adanya ketidakseimbangan tegangan pada tiap-tiap superkapasitor, hal ini dapat mengakibatkan berkurangnya kapasitas penyimpanan superkapasitor. Oleh karena itu akan diadakan studi mengenai superkapasitor tersusun seri. Studi ini berdasarkan pada simulasi yang dilakukan pada perangkat lunak MATLAB menggunakan SIMULINK. Hasil yang diperoleh dari studi penelitian ini adalah berdasarkan pengujian dengan baterai 3.6 V dan 0.9 Ah didapatkan bahwa, satu superkapasitor tidak dapat digunakan sebagai pengganti baterai. Sementara untuk superkapasitor yang tersusun seri dapat menggantikan baterai, untuk dua superkapasitor selama 23.5 detik, tiga superkapasitor 30.5 detik, dan empat superkapasitor selama 30.1 detik. Semakin banyak superkapasitor yang tersusun seri, maka nilai tegangan akan semakin bertambah. Namun juga akan semakin cepat mengalami penurunan tegangan. Kata kunci : Superkapasitor, Tersusun seri, Penyimpanan energi i
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan kesanggupan dan kekuatan pada penulis untuk menyusun dan menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah: Studi Tentang Perilaku Superkapasitor Tersusun Seri Sebagai Pengganti Baterai Menggunakan Simulink MATLAB Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada orangtua tercinta yaitu Ayahanda Luther L. Tobing beserta Ibunda Hotna Br. Sitompul, dan adik satu-satunya Tedy Hartono L. Tobing yang selalu menjadi sumber semangat dan motivasi serta doa-doa yang memampukan penulis menyelesaikan masa studi dan menyusun Tugas Akhir ini. Selama masa kuliah hingga penyelesaian Tugas Akhir ini penulis banyak mendapatkan dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. Arman Sani, M.T., sebagai dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan banyak waktu dan pikirannya untuk mengarahkan dan membimbing saya selama penyusunan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Emerson Sinulingga, S.T., M. Sc., Ph.D., selaku Dosen Penguji Tugas Akhir yang telah memberikan banyak masukan demi perbaikan Tugas Akhir ini. ii
3. Bapak Drs. Hasdari Helmi, M.T., selaku Dosen Penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si., selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah banyak memberikan bimbingan selama perkuliahan. 5. Bapak Emerson Sinulingga, S.T., M. Sc., Ph.D., selaku dosen wali penulis yang telah banyak memberikan bimbingan selama perkuliahan. 6. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik serta memberikan pelajaran hidup yang berharga selama penulis menjalani masa perkuliahan. 7. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro FT USU. 8. Seluruh keluarga besar dari keluarga Ompu Naek Tobing. 9. Seluruh keluarga besar dari keluarga Ompu Andri Sitompul. 10. Seluruh kawan-kawan satu kos penulis Terompet 28 Riandi, Yudha, Ari Bembeng), Immanuel, Goster, Helbert, Riwando, Dolok, Argindo, Freddy (Denago), Bg Hitler, Bg Tono, Bg Herman, Dll. 11. Kawan kawan dari kos bahagia yang bersedia menampung penulis selama masa penulisan tugas akhir ini, Afrisanto Pakpahan (Susuk), Mangatur Sihombing (Totentot), Putra Matondang, Irvan Hutajulu (Vhanta). 12. Kawan-kawan SD CENDERAMATA angkatan 1999, SMPN 7 Medan angkatan 2005, dan SMK TI Raksana jur. Elektronika angkatan 2008. 13. Kawan-kawan satu stambuk yang telah menemani penulis dari awal perkuliahan hingga penulis dapat menyelesaikan sarjananya, seperti James Napitupulu, Yudha Simamora, Ari ginting, Riandi SembiringAlbert Sitorus, Christo Surbakti, Emir Pahlevi, Winner Roedily, Andri Simamora, Andri Sihite, Ricki Sitorus, Samgar Siahaan, Sandro Panggabean, Yoshua Bangun, iii
Canboy Doloksaribu, Seprianti, Frans Silaban, Mian Sianturi, Risjen Sianturi, Anriadi Sinaga, Roni Sihite, Zhuhri Purba, Ikhyar Siregar, Ferdi Wandi, dan teman-teman lain yang tidak dapat dituliskan. 14. Kawan-kawan dari COC, Clan ElektroUSU, dan Clan IniSayaLae 15. Semua pihak yang tidak dapat penulis tuliskan satu persatu. Saran dan kritik dari pembaca sangat penulis harapkan untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang terkait Tugas Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pembacanya. Medan, September 2016 Penulis Tony Putra L. Tobing iv
DAFTAR ISI Halaman Abstrak... i Kata Pengantar... ii Daftar Isi... v Daftar Gambar... viii Daftar Tabel... x Bab I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Manfaat Tugas Akhir... 3 1.6 Metodologi Penelitian... 3 1.7 Sistematika Penulisan... 4 Bab II. Tinjauan Pustaka 2.1 Kapasitor... 5 2.1.1 Kapasitansi... 6 2.1.2 Energi Pada Kapasitor... 7 2.1.3 Hubungan Seri dan Paralel... 7 2.1.4 Pengisian Muatan pada Kapasitor... 9 2.1.5 Pengisian Muatan pada Kapasitor... 13 2.2 Superkapasitor... 15 v
2.2.1 Perbedaan antara superkapasitor-kapasitor-baterai... 17 2.2.2 Rangkaian ekuivalen superkapasitor... 18 2.3 Baterai... 19 Bab III. Perancangan Simulasi 3.1 Umum... 22 3.2 Prosedur Penelitian... 23 3.2.1 Pelaksanaan Penelitian... 24 3.3 Spesifikasi Perangkat... 26 3.3.1 Spesifikasi Perangkat Lunak... 26 3.3.2 Spesifikasi Perangkat Keras... 26 3.4 Fasilitas simulator yang digunakan... 26 3.4.1 Superkapasitor... 26 3.4.2 Tahanan... 28 3.4.3 Sumber Arus... 28 3.4.4 Baterai... 29 3.4.5 Pengatur Waktu... 30 3.4.6 Multimeter... 30 Bab IV. Hasil Simulasi dan Analisis 4.1 Umum... 31 4.2 Hasil Pengujian Sistem... 31 4.2.1 Pengujian untuk menentukan karakteristik dari Baterai... 32 4.2.1 Pengujian dan Analisis Data untuk satu Superkapasitor... 32 4.2.2 Pengujian dan Analisis Data Dua Superkapasitor Terhubung Seri... 39 vi
4.2.3 Pengujian dan Analisis Data Tiga Superkapasitor Terhubung Seri... 45 4.2.4 Pengujian dan Analisis Data Empat Superkapasitor Terhubung Seri.. 51 Bab V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan... 58 5.2 Saran... 59 Daftar Pustaka... 60 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Rangkaian Sederhana Kapasitor Terhubung Dengan Sumber DC... 5 Gambar 2.2 Ilustrasi pemindahan muatan dalam kapasitor... 5 Gambar 2.3 Rangkaian kapasitor sederhana... 7 Gambar 2.4 Kapasitor tersusun seri... 8 Gambar 2.5 Kapasitor tersusun paralel... 9 Gambar 2.6 Kapasitor terhubung dengan sumber tegangan... 10 Gambar 2.7 Pengisian Kapasitor... 10 Gambar 2.8 Kurva pengisian dari kapasitor... 11 Gambar 2.9 Kapasitor terhubung ke beban... 13 Gambar 2.10 Kapasitor terhubung seri ke beban... 14 Gambar 2.11 Kurva pengosongan dari kapasitor... 14 Gambar 2.12 Gambar Ragone... 15 Gambar 2.13 Struktur dari Superkapasitor... 16 Gambar 2.14 Diagram dari konstruksi superkapasitor... 17 Gambar 2.15 Rangkaian ekuivalen superkapasitor... 18 Gambar 2.16 Rangkaian ekuivalen superkapasitor... 19 Gambar 2.17 Sel Baterai... 20 Gambar 2.18 Perbedaan antara baterai Lithium-ion dan baterai Lead-acid... 21 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian... 23 Gambar 3.2 Rangkaian ekuivalen dari superkapasitor... 27 Gambar 3.3 Parameter internal superkapasitor... 28 Gambar 3.4 GUI Sumber Arus... 29 Gambar 3.5 GUI dari Baterai... 29 viii
Gambar 3.6 GUI dari Measurement... 30 Gambar 4.1 Rangkaian simulasi untuk baterai... 32 Gambar 4.2 Parameter internal dari baterai... 32 Gambar 4.3 Grafik Arus & Tegangan vs Waktu... 33 Gambar 4.4 Kurva karakteristik pengosongan baterai... 34 Gambar 4.5 Rangkaian ekuivalen dari satu superkapasitor... 35 Gambar 4.6 Rangkaian simulasi untuk satu superkapasitor... 36 Gambar 4.7 Grafik Tegangan vs Waktu untuk dua superkapasitor tersusun seri... 38 Gambar 4.8 Rangkaian ekuivalen untuk dua superkapasitor terhubung seri... 40 Gambar 4.9 Rangkaian Simulasi untuk dua superkapasitor... 41 Gambar 4.10 Grafik Tegangan vs Waktu untuk dua superkapasitor tersusun seri... 43 Gambar 4.11 Rangkaian ekuivalen untuk tiga superkapasitor terhubung seri... 45 Gambar 4.12 Rangkaian simulasi untuk tiga superkapasitor tersusun seri... 47 Gambar 4.13 Grafik Tegangan vs Waktu untuk tiga superkapasitor tersusun seri... 49 Gambar 4.14 Rangkaian ekuivalen empat superkapasitor tersusun seri... 52 Gambar 4.15 Rangkaian simulasi untuk empat superkapasitor tersusun seri... 53 Gambar 4.16 Grafik Tegangan vs Waktu untuk empat superkapasitor tersusun seri. 55 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan antara baterai kapasitor konvensional dan superkapasitor. 18 Tabel 4.1 Hasil pengujian dari satu superkapasitor... 37 Tabel 4.2 Data Pengujian dari dua superkapasitor terhubung seri... 42 Tabel 4.3 Data Pengujian dari tiga superkapasitor terhubung seri... 48 Tabel 4.4 Data Pengujian dari empat superkapasitor terhubung seri... 55 x