MEMAKSIMALKAN KONVERSI ENERGI PV MODULE BERDASARKAN KURVA KARAKTERISTIK PADA LERENG TEGANGAN LAPORAN TUGAS AKHIR OLEH : FRANCISCO BOBBY HERMAWAN 06.50.0002 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2011
PENGESAHAN Laporan tugas akhir dengan judul : Memaksimalkan Konversi Energi PV Module Berdasarkan Kurva Karakteristik Pada Lereng Tegangan diajukan untuk memenuhi sebagian dari persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro pada Program Studi Teknik Elektro di Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disetujui pada tanggal 2011 dan siap untuk diajukan ke ujian Tugas Akhir. Semarang,..2011 Menyetujui, Pembimbing (Leonardus Heru.P, ST, MT) 058.1.2000.234 Mengetahui, Dekan Fakultas Teknologi Industri Koordinator TA (Dr. Florentinus Budi Setiawan, MT) (Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT) 058.1.1994.150 058.1.1992.110 ii
ABSTRAK Panel surya (solar cell) adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Sel surya atau sel PV bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara dua lapisan bermuatan yang berlawanan. PV mempunyai dua karakteristik yaitu P-V dan I-V karakteristik. Dalam tugas akhir ini teknik untuk mendapatkan daya maksimal menggunakan karakteristik tegangan dari solar cell (Maximum power point) untuk mendapatkan effesiensi maksimum pada solar cell. Hysteresis kontrol juga di terapkan untuk sistem kendali pada MPPT dengan menggunakan buck converter, guna mendapatkan respon yang cepat. Dari hasil ujicoba skala laboratorium sistem memiliki efektivitas dengan nilai rata-rata mencapai 86.8%. iii
KATA PENGANTAR Pertama-tama penulis panjatkan puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat dan rahmat kasih-nya yang selalu menyertai penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis mendapat banyak sekali dari bantuan dari berbagai pihak. Melalui kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kepada RAMP-IPB yang telah mendanai program tugas akhir ini. 2. Kepada Dr. Ir. Faiz Syuaib, MAgr yang telah banyak memberikan masukan dan saran sewaktu mengikuti pre-mentoring RAMP-IPB. 3. Kepada Ir. Susilo Sarwono selaku Dosen pembimbing dan narasumber sewaktu mengikuti pre-mentoring RAMP-IPB. 4. Kepada Dr. Ir. Desrial, MEng selaku Dosen pembimbing sewaktu mengikuti pre-mentoring RAMP-IPB. 5. Bapak Leonardus Heru.P, ST, MT. selaku Dosen pembimbing dalam penyusunan Tugas Akhir. 6. Kepada Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT yang telah bersedia membantu dalam peminjaman solar cell. 7. Mas E. Agung Nugroho, ST yang telah membantu penulis dalam proses pengerjaan Tugas Akhir. 8. Keluarga yang selalu memberikan dukungan dan doa kepada penulis. iv
9. Teman Teman Fakultas Teknologi Industri angkatan 2006 yang telah menjalani masa perkuliahan bersama sama. Demikian ucapan terima kasih yang dapat saya ungkapkan. Dengan berhasilnya disusun laporan ini, tetapi hasil laporan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu laporan ini tidak jauh dari kesalahan dan saya meminta maaf yang sebesar-besarnya atas ketidaksempurnaan itu. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang dapat membangun dan semakin menyempurnakan karya ini. Akhir kata, semoga karya ini dapat berguna dan membantu bagi siapa saja yang membacanya. Semarang, 2011 Penulis v
DAFTAR ISI Halaman judul... Halaman pengesahan... Abstrak... Kata Pengantar... Daftar Isi... Daftar Gambar... Daftar Tabel... i ii iii iv vi viii xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan... 3 1.4 Manfaat... 3 1.5 Pembatasan Masalah... 4 1.6 Metode Penelitian... 4 1.7 Sistematika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI... 7 2.1 Solar Cell... 8 2.1.1 Semikonduktor Tipe-P Dan Tipe-N... 9 2.1.2 Sambungan P-N... 10 2.2 Topologi Konverter DC-DC... 14 2.2.1 Prisip Dasar Pengubah Daya DC-DC (Tipe Peralihan)14 vi
2.3.1 Buck Converter... 16 2.3.1.1 Continuous Mode... 17 2.3.1.2 Discontinuous Mode... 21 2.3.1.3 Discontinuous To Continuous Mode... 24 2.3.1.4 Output Voltage Riple...... 26 2.4 Modulasi Delta... 28 2.4.1 Konsep Modulasi.... 30 BAB III IMPLEMENTASI SISTEM... 32 3.1 Blok Diagram... 32 3.2 Cara Kerja Tiap Blok... 33 3.2.1 Modul Sistem Panel Surya... 33 3.2.2 Modul Buck DC-DC converter... 34 3.2.3 Modul Sensor tegangan... 35 3.2.4 Modul Filter... 37 3.2.5 Modul Kontroller... 39 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA... 41 4.1 Pengujian dan Analisa Simulasi... 41 4.2 Pengujian dan Analisa Hardware... 42 BAB V PENUTUP... 45 5.1 Kesimpulan... 48 5.2 Saran... 49 DAFTAR PUSTAKA... 50 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Penampang dua dimensi dari kristal silikon. 9 Gambar 2.2 Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan)..... 10 Gambar 2.3 Diagram pita energi semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan)...10 Gambar 2.4 Diagram energi sambungan p-n dan munculnya daerah deplesi....11 Gambar 2.5 Kurva I-V sel surya pada keadaan gelap dan diberikan cahaya....11 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Rangkaian persamaan sel surya...12 Karakteristik P-V untuk level radiasi yang berbeda. Tiap titik mewakili MPP dari masing-masing kurva... 13 Gambar 2.8 Karakteristik I-V pada temperatur permukaan sel surya yang berbeda....14 Gambar 2.9 Pengubah tipe peralihan.... 15 Gambar 2.10 Tegangan keluaran.... 15 Gambar 2.11 Buck converter circuit diagram.... 17 Gambar 2.12 Grafik tegangan dan arus dengan waktu dalam operasi buck konverter ideal di continuous mode...17 Gambar 2.13 Mode On.... 18 Gambar 2.14 Mode Off.... 18 viii
Gambar 2.15 Grafik tegangan dan arus dengan waktu dalam operasi buck konverter ideal di discontinuous mode...21 Gambar 2.16 Perubahan tegangan output dinormalisasi dengan arus keluaran dinormalisasi...24 Gambar 2.17 Rangkaian PWM penghasil pulsa MLP...28 Gambar 2.18 Modulasi Lebar Pulsa...29 Gambar 2.19 Modulasi Delta...30 Gambar 2.20 Hysteresis...31 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Kendali daya maksimal dengan konsep tegangan...32 Karakteristik P-V untuk level radiasi yang berbeda. Tiap titik mewakili MPP dari masing-masing kurva...34 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Buck Converter...34 Sensor tegangan...36 Respon HPF...37 HPF...37 Rangkaian HPF...38 Skema switching pada kontrol...39 Switching saklar mosfet...40 Gambar 3.10 Skema rangkaian hysteresis...40 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Simulasi daya maksimal dengan konsep kendali tegangan...41 Hasil simulasi daya maksimal dengan konsep kendali tegangan...41 Gambar 4.3 Rangkaian driver dari sistem MPPT (kiri, di dalam ix
garis kuning) dan rangkaian kontrol dari sistem MPPT (kanan, di dalam garis kuning)...42 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Sinyal output dengan tegangan input 20V...43 Sinyal output dengan tegangan input 10V...43 Sinyal switching mosfet (gate)...44 Ilustrasi pengukuran tegangan...45 Ilustrasi pengukuran arus...45 Pengujian tanpa buck converter...47 x
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Aturan daya maksimal dengan tegangan terkendali...40 Tabel 4.1 Pengujian pada cuaca cerah (tanggal 19/07/2011)...46 Tabel 4.2 Pengujian pada cuaca cerah (tanggal 19/07/20011)...47 xi