HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 1 Uraian Teknis Kegiatan
32
III.2 Perancangan Sistem
Baterai merupakan perangkat yang digunakan untuk menyimpan energi listrik dan merupakan salah satu komponen penting pada PLTS. Perangkat ini
berfungsi agar PLTS dapat bekerja dengan stabil pada berbagai kondisi cuaca dan saat malam hari.
Pada pemakaian normal, baterai digunakan pada saat malam hari atau saat cuaca dimana sinar matahari kurang. Bila terjadi kondisi beban yang berlebih
pada siang hari, baterai dapat digunakan untuk menambah daya yang dihasilkan panel surya agar memenuhi permintaan beban.
Perancangan sistem secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 2. Mikrokontroler berfungsi sebagai kendali utama pada sistem BCU yang mengolah
data dan mengirimkan data dari ke modul sun tracer, menampilkan data baterai ke LCD, dan membaca data baterai arus, tegangan, temperatur. Kemudian
interface akan mengolah sinyal output sensor supaya bisa dibaca oleh mikrokontroler. Perangkat sensor membaca data baterai selama proses charge
dan discharge. Modul MPPT dan sun tracer kemudian menentukan lokasi dari panel surya agar menangkap sinar matahari yang optimal dan memaksimalkan
daya output. Selanjutnya DC to AC converter inverter akan mengubah tegangan dc dari baterai ke tegangan jala-jala.
Secara garis besar, pelaksanaan perancangan sistem BCU diprioritaskan mulai dari perangkat bagian
charger atau pengisi, perancangan sun tracer,
perancangan inverter dan monitoring sistem. Pada awal tahun penelitian ini difokuskan pada bagian
charger dengan menggunakan MPPT.
Apabila panel surya beroperasi pada titik Maximum Power Point MPP, makan daya maksimal dapat dihasilkan dari panel. Pengoperasian panel surya di luar titik
tersebut akan mengurangi pemanfaatan daya yang tersedia sekaligus akan mengurangi efisiensi. Pelacakan titik MPP pada teganganarus panel surya
disebut dengan Maximum Power Point Tracking. Dalam tahapan ini kegiatan dititikberatkan pada metoda pengisian baterai
dari panel surya dengan menggunakan kontrol charger yang menggunakan MPPT. Charger ini berfungsi sebagai kontrol untuk mengekstrak daya maksimal panel
surya supaya berada pada daerah operasi MPP, mengontrol proses pengisian agar baterai lebih tahan lama, melindungi baterai dari over-charging dan under-
charging, serta melindungi dari pemakaian yang overload.
33
III.3 Maximum Power Point Tracking
MPPT merupakan sistem elektronik yang mengatur dan mengkondisikan panel surya sedemikian rupa sehingga panel surya tersebut menghasilkan daya
maksimal. MPPT bukan merupakan sistem mekanik yang memposisikan panel terhadap matahari, namun merupakan murni rangkaian elektronik yang mengatur
titik kerja panel agar diperoleh transfer daya terbaik yang dimiliki panel surya. Sifat panel surya diwakili oleh karakteristik arus dan tegangannnya yang
disebut kurva I-V seperti terlihat pada Gambar 3. Kurva tersebut menunjukkan arus yang dihasilkan oleh panel surya -- dalam hal ini disebut modul fotovoltaik--
I
m
, sebagai suatu fungsi dari tegangan modul fotovoltaik V
m
, pada suatu radiasi spesifik dan temperatur sel spesifik. Jika sebuah modul fotovoltaik dikenai
hubung singkat V
m
= 0 , maka arus hubung singkat
I
sc
mengalir. Pada keadaan rangkaian terbuka
I
m
= 0 , maka tegangan modul disebut tegangan terbuka
V
oc
. Daya yang dihasilkan modul fotovoltaik adalah sama dengan hasil kali arus dan
tegangan yang dihasilkan oleh modul fotovoltaik.
Gambar 3. Karakteristik daya pada panel surya
Pada penelitian ini, algoritma yang digunakan untuk menentukan MPPT adalah
Perturb and Observe . Prinsipnya yaitu memodifikasi tegangan dan arus
panel surya sampai mendapatkan daya maksimal. Bila kenaikan tegangan sel ternyata menaikkan daya keluaran maka sistem akan menaikkan tegangan
sampai daya keluaran mulai turun. Bila sampai tahap ini terjadi, maka tegangan
34
akan diturunkan sampai diperoleh daya maksimum lagi. Jadi titik daya maksimum akan diperoleh pada kisaran nilai tersebut.
Gambar 4 menunjukkan algoritma pemrograman yang digunakan untuk membangun sistem MPPT. Dalam pelaksanaannya, perancangan dan pembuatan
pemrograman dilakukan dengan menggunakan modul mikrokontroler AVR. Perangkat lunak yang digunakan adalah AVR Studio dari Atmel dengan
menggunakan bahasa pemrograman C. Beberapa pemrograman yang sudah dilakukan adalah pembuatan
routine untuk kontrol keypad, Analog to Digital Converter 10 bit, dan kontrol IO.
Sedangkan pembuatan algoritma PO dikerjakan pada modul MP612.
Gambar 4. Algoritma Pemrograman MPPT
35
Gambar 5. Perancangan program mikrokontroler dengan menggunakan AVR Studio
Skema blok pengontrol utama MPPT MP612 dapat dilihat pada Gambar 6 di bawah. Adapun fungsi yang penting dari skema tersebut antara lain adalah
sebagai pengukur tegangan dan arus dari sumber panel surya, implementasi algoritma MPPT termasuk di dalamnya adalah perhitungan daya dan penjejak
daya maksimum, pengontrol sinyal PWM, pengukur arus luaran, proteksi dan komunikasi serial.
C1 C2
PWM BUCK-BOOST CONVERTER
MPPT charge controller
BOOST ON
L1 D1
BUCK ON
ANALOG SIGNAL CONDITIONING CIRCUIT
PV current
sense and
voltage sense
PV voltage sense
MPT612 IC
PV current sense BAT voltage sense
BAT current sense 3.3 V
1.8 V clock
reset temperature sense
+ +
+ +
+
LOAD CONTROL AND MONITOR
CIRCUIT MOSFET GATE
DRIVER CIRCUIT PWM
POWER SUPPLY RESET AND
CLOCK CIRCUIT
dari solar panel
ke baterai
beban DC
LEDIndikator Kontrol
Komunikasi Port Serial
sensor tegangan dan arus batere
Gambar 6. Blok diagram pengontrol utama MP612
36
Sistem MPPT lebih kompleks dibandingkan dengan sistem PWM biasa. Tegangan pada panel surya berubah-ubah dipengaruhi oleh suhu dan waktu.
Tegangan optimal pengisian baterai berubah mengikuti kondisi dari baterai pada saat itu, seperti yang tercantum pada Gambar 7 di bawah ini.
Q1
Q3 Q4
Q2 V
V
V V
BAT+ PV+
PV- BAT-
Gambar 7. Rancangan DC-to-DC Converter
Blok DC to DC converter merupakan rangkaian step updown
yang berfungsi menyalurkan daya dari panel surya ke beban. Mengacu pada
konfigurasi rangkaiannya, converter ini dapat dioperasikan sebagai buck-only
tegangan panel surya harus lebih
BAT_12 V PV_positive
PV_current_ref_B PV_voltage_ref
PV input
J14D 282856-8
PV_current_ref_A Rsense
PV_power PV_positive
BAT_gate_drive BAT_gate_drive
V
DD3V3
BAT_voltage_ref BAT_current_ref_A
BAT_current_ref_B Load_current_ref_B
Load_current_ref_A BAT_POWER
6 7
5 8
Buck mode_enable PV_power
Load_cutoff BAT_12V
3 1
2 VCC
U3 IRS21171
IN
C14 10 F
25 V R28
10 k 5
R3 68.1 k
1
KK 1
2 7
8 +
MOV1
CN2220K25G
A2 P
N P
N P
N N
A1
R5 3.9 k
1
D19 24 V
0.5 W
Q11 PMBT2222A
2 Q9
PBSS4160T Q13
PBSS4160T
DNI R122
33 5
C62 4.7 F
50 V C4
680 F 35 V
C3 1000 F
50 V C5
1000 F 50 V
R32 10 k
5 R21
10 k 5
R121 100 k
5 R33
20 k 5
R6 0.010
1
R111 10 k
5 R31
C70 0.1 F
C13 0.1 F
C71 0.1 F
R81 20 k
5 R82
20 k 5
R124 1 k
5
NC1 COM
1 2
P C
3 2
1 1
2 3
2 1
E B
BAT_overvoltage Buck_PWM
Buck mode_enable
N
C15 10 F
63 V
P N
C69 0.1 F
C16 10 F
63 V R22
3 4
4 4
20 k 5
R76 1 k
5 R10
0.01 1
R1 C1
15 5
R2 15
5 4.7 nF
200 V C2
4.7 nF 200 V
D9 12 V
0.5 W
P 1
2 N
3 4
8 7
6 5
VB HO
V
S
NC2
TP11
1
TP7
1
TP12 Q5
PBSS8110Z M5
PMV65XP M6
PMV65XP Q1
PSMN8R2-80YS1 1
D2 STPS40L45CG
K A2
A1
D5 BYV42E
J14C F1
12 A fuse holder
282856-8 J14A
282856-8
KK 12 V battery
LOAD 2 LOAD 1
+ A2
A1 5
6
1
TP2
1
D8 BYV44
KK A2
A1
TP4
1
TP9
1
TP5
1
TP6
1
TP30
1
TP3 D1
ES1B
1 2
1
D7 ES1B
2 1
BAT_12V
D12 ES1B
2 1
TP1
1
Q3 PSMN8R2-80YS
D13 BYV42E
R4 27.4 k
1
R7 4.7 k
1 R8
0.005 1
R113 47 k
5
R16 33
5 R115
47 k 5
Q2 PSMN1R3-30YL1
Q8 PBSS4160T
Q4 PSMN1R3-30YL
L1 85 H
20 A TP8
4
1 4
9 3
10 2
11 1
12 P
N
C7 680 F
35 V C27
4.7 F 50 V
F2 12 A fuse holder
1 +
2
J14B 282856-8
3 +
4
Gambar 8. Rancangan DC-to-DC Converter
37
besar dari tegangan baterai, boost-only
tegangan panel surya harus lebih kecil dari tegangan baterai atau
buck-boost dimana tegangan panel surya boleh
bervariasi perpaduan operasi buck
dan boost
. Sampai pada akhir kegiatan ini telah dirancang rangkaian DC-DC Buck-
Boost Converter BCU dengan skema seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Masukan DC-DC Buck-Boost Converter didesain untuk dapat menangani variasi
tegangan DC yang berkisar antara 10 – 27 V tegangan nominal panel surya 12V, dengan arus pengisian maksimum 6 A.
VoltageCurrent Sense Bagian ini berfungsi mendeteksi besar arus dan tegangan yang diberikan pada
masukan DC-DC Buck-Boost Converter, atau arus dan tegangan yang dihasilkan sumber listrik dalam hal ini adalah modul surya. Parameter nilai yang dideteksi
memungkinkan untuk digunakannya sebagai pengatur konfigurasi DC-DC converter. Pada gambar berikut diperlihatkan model rangkaian elektronika
VoltageCurrent Sense.
PV voltage sense circuit
PV current sense circuit
PV_voltage_ref 2nd order low-pass filter
PV volt sense_boost
PV volt sense_buck V
DD3V3_A
V
DD3V3_A
V
DD3V3
1 2
U4B LPV324M
R23 10 k
1 C20
0.01 F C22
0.01 F
C21 0.1 F
L8 121E_bead
C19 10 F
16 V CMAX
TP13
5 6
7 1
11 4
V
DD3V3_A U4A
LPV324M
3 2
1 11
4
R26 10 k
1 R27
1 k 1
R24 10 k
1 R25
68.1 k 1
0.01 F C18
U4C LPV324M
R64 10 k
1 C68
0.01 F TP15
10 9
8 1
11 4
R35 10 k
1 R66
10 k 1
V
DD3V3_A
GNDA GNDA
GNDA GNDA
GNDA GNDA
GNDA
GNDA GNDA
PV_current_ref_A
C25 0.01 F
TP14
1 1
2 5
3 4
VIN+ V+
U14 VIN
GND INA194AIDBVT
OUT GAIN 50
R29 68.1 k
1
2nd order low-pass filter
PV current sense GNDA
GNDA
C26 0.01 F
GNDA
C49 0.1 F
C24 0.1 F
V
DD3V3_A
V
DD3V3_A
U4D LPV324M
12 13
14 11
4
R30 68.1 k
1 0.01 F
C23 R86
100 1
PV_current_ref_B
R87 1
1 100
1
GNDA
GNDA
Gambar 9. Rangkaian voltagecurrent sense
38
MPT612 Digital Circuit Bagian ini merupakan divais utama untuk implementasi algoritma MPPT dimana
proses identifikasi atau tracking daya maksimum masukan dari modul surya dilakukan. Bagian ini juga merespon parameter pembacaan besar arus dan
tegangan solar panel dalam bentuk pengisian daya pada baterei atau distribusi arus pada beban. MPT612 merupakan mikrokontroler yang mengendalikan proses
tracking, sensing arus dan tegangan serta kontrol lain termasuk port untuk komunikasi. Bentuk rangkaian elektronika dari MPT612 digital circuit dapat dilihat
seperti pada gambar berikut.
V
DD3V3 D10
MMBD4148
X1 12.000 MHz
SW2 RESET SW
R72 47 k
5
R120 1 M
5 C41
0.1 F
DC1 0.1 F
C42 22 pF
C43 22 pF
3 1
2
MPT612FBD48
PIO19MAT1_2MISO1 1
42 2
3 44
47 48
41 45
46 13
14 29
30 22
23 24
28 18
21 32
PIO20MAT1_3MOSI1 PIO21SSEL1MAT3_0
PIO20 PIO21
PIO14EINT1SCK1DCD1 PIO17CAP1_2SCL1
PIO18CAP1_3SDA1 PIO13MAT1_1DTR1
PIO15EINT2RI1 PIO16EINT0MAT0_2
PIO0MAT3_1TXD0 PIO1MAT3_2RXD0
TXD0 EINT1
PIO17 PIO18
RXD0 PIO8TXD1PWMOUT1
PIO9RXD1PWMOUT2 PIO4SCK0
PIO5MISO0 PIO6MOSI0
PWMOUT0 PIO2SCL0
PIO3SDA0 PVVOLTSENSEBUCK
33 PVVOLTSENSEBOOST
34 PVCURRENTSENSE
35 PIO10CAP1_0RTS1AD3
36 PIO11CAP1_0CTS1AD4
37 PIO12MAT1_0DSR1AD5
PV volt sense_buck Powerdown_wakeup
Buck_power_enable PIO09
PIO08 Load_cutoff
Buck_PWM
PV volt sense_boost PV current sense
PIO2 PIO3
Load current sense BAT current charge
NTC for ambient temp measurement
NTC response At 25 C = 1.5 k
At 0 C = 4.28 k At 85 C = 440
BAT volt sense
GNDA GNDA
V D
D A
D C
38 PIO25AD6
39 7
19 31
43 PIO26AD7
GNDA 8
TRSTPIO27CAP2_0 9
TMSPIO28CAP2_1 10
TCKPIO29CAP2_2 15
PIO30MAT3_3TDI 16
PIO31TDO 26
RTCK 27
JTAGSEL
6 RST
TRST TMS
TCK TDI
TDO RTCK
DEBUGSEL
11 X1
DR3 10 k
5
4 V
DDRTC
25 RTXC2
DR4 10 k
5 R79
2.2 k 1
V
DD3V3
A K
U15 V
DD3V3
R75 2.2 k
5 D18
LED_RED1
V
DD3V3
A K
V
DD3V3 R57
1 k 5
V
DD3V3
Buck mode_enable
R53 10 k
5 R56
4.7 k 5
L4 121E_bead
R65 4.7 k
5 D17
LED_GREEN1
V
DD3V3
A K
R58 2.2 k
5 D16
LED_YELLOW1
DR2 10 k
5 DR1
10 k 5
R67 10 k
5
R84 100
1 NTC1
NTC
20 RTXC1
G N
D G
N D
G N
D A
D C
G N
D 12
X2
TP19
1
TP23
1
TP24
1
TP31
1 2
1
TP32
1
TP25
1
TP21
1 5
V D
D C
V
DD1V8 L3
121E_bead C40
0.1 F C38
0.1 F C37
0.1 F C39
0.1 F
2 1
40 17
V D
D I
O V
D D
I O
V
DD3V3 L2
121E_bead
2 1
V
DD3V3_A
Gambar 10. Rangkaian Digital MPT612
39
Power Supply Rangkaian power supply didesain untuk memberikan supply daya pada divais
elektronika BCU. Rangkaian power supply dapat bekerja dengan mengambil energi listrik dari baterai 12 V
DC
dan menghasilkan luaran 3,3 V
DC
. Skema rangkaian elektronika power supply dapat dilihat seperti pada gambar di bawah.
U12 74LVC1G332GW
Q6 PMBT2222A
D11 PMEG6010CEJ
M1 PMV65XP
N CMAX
U10 TPS73018DBV
Q7 PMBT2222A
U11B LPV324M
U11C LPV324M
GNDA Load_current_ref_B
Load_current_ref_A Load current sense
Buck_power_enable U11A
LPV324M
R123 100 k
1 TP27
2 3.3 V_standby
3.3 V_standby BAT_voltage_ref
1
BAT voltage comparator Switching regulator circuit for V
DD3V3
1
PV voltage comparator 3
1 1
1 3
2 5
B C
E E
B C
C59 0.1 F
4 6
4 11
R77 100 k
1 R118
4.7 k 5
R108 22 k
1 R107 DNI
10 k 1
R116 15 k
1 R106
15 k 1
R103 1 M
5 TP26
L7 47 H
1 1
2 3
4 K
A 2
C56 0.1 F
C51 330 pF
C55 0.1 F
C54 680 F
10 V C57
0.1 F C58
0.1 F C52
2.2 F 16 V
R119 4.7 k
5 R101
10 k 5
R100 47 k
5 R96
20.5 k 1
R93 0.2
C53 47 F
25 V CMAX
C65 4.7 F
50 V L5
121 Bead
2 1
L6 121
Bead
1 2
U11D LPV324M
R104 100 k
1 TP29
12 3.3 V_standby
PV_voltage_ref Powerdown_wakeup
13 14
1 11
4
R110 20.5 k
1 R105
10 k 1
R98 100
1 R99
12.4 k 1
R97 100
5
R94 2.2 k
1 R102
1 M 2 5
R109 1 M
5 TP28
1
3.3 V_standby 5
6 11
4 7
10 9
11 4
8 3.3 V_standby
3.3 V_standby
R78 10 k
1 R117
15 k 1
3.3 V_standby V
DD3V3
1 3
5 4
2 GND
IN EN
OUT NR
3.3 V_standby GNDA
BAT_current_ref_B BAT_12 V
V
DD1V8
MT1 MOUNTING
HOLE
BAT_current_ref_B 1
R114 2 M 2
1 C61
4.7 nF
C60 0.1 F
C73 0.33 F
3.3 V_standby 1
7 6
5 8
SW emitter Timing cap
GND SW collector
I peak sense V
CC
Comp inv IP Drive collector
U9
MC33063A
1 1
1
Gambar 11. Skema Power Supply
Realisasi Rangkaian PCB Seluruh sub-sistem rangkaian BCU selanjutnya diimplementasikan pada papan
PCB seperti diperlihatkan pada gambar berikut tampilan tampak atas dan bawah.
40
Gambar 12. Printed Circuit Board prototype BCU
III.4 Prototip, Pengujian dan Pengukuran
Pada tahun pertama kegiatan ini pekerjaan yang dilakukan lebih banyak dititikberatkan pada pekerjaan perancangan. Tiap blok atau bagian-bagian
rangkaian sudah dalam tahap penyelesaian desain dan dilakukan oleh peneliti yang berbeda. Untuk itu pengukuran parameter dengan menggunakan alat ukur
masih sedikit dilakukan. Sampai dengan tahap ini, perancangan BCU dilakukan pada modul-modul
terpisah, seperti modul charger, modul mikrokontroler dan modul komunikasiinterface. Pembuatan protitip mulai dilakukan dengan perancangan
pada PCB. Bagian sun tracker secara fisik mulai dikerjakan pada tahap ini. Sun tracker
memerlukan desain mekanik dan kontrol yang baru akan dilakukan di tahun selanjutnya. Namun sebagai persiapan, telah dilakukan studi tentang pola dan
radiasi matahari dalam rentang waktu satu tahun. Hal ini penting dilakukan sebagai acuan kerja mikrokontroler nantinya.
Kontrol untuk motor stepper sudah mulai dibuat untuk penggerak solar panel. Rancangan awal dilakukan untuk merealisasikan mode single-axis
menggunakan IC L298N lihat Gambar 17.
41
Gambar 13. Pengukuran karakterisasi panel surya
Gambar 14. Pengukuran menggunakan beban untuk menentukan kurva I-V
Karakterisasi energi matahari yang diterima oleh panel surya diperoleh dari sampel pengukuran selama satu bulan dan dapat dilihat pada gambar berikut.
42
5 10
15 20
25 30
35 40
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13
Gambar 15. Grafik rata-rata daya output panel surya 50Wp di lokasi 6°5252.60 S 107°3640.05 E Komplek LIPI Bandung
Dari grafik pengukuran menunjukkan bahwa pada siang hari energi yang mampu diserap oleh panel surya tidak sepenuhnya berada pada titik maksimal.
Pengukuran prototipe battery control unit dapat dilihat pada tabel di bawah. Nilai parameter disesuaikan dengan spesifikasi komponen yang digunakan pada
modul MP612.
Parameter Nilai
Tegangan PV
nom
12 V
Tegangan PV
max
27 V
Arus PV
max
6 A
Tegangan Minimum untuk operasi MPP
10 V
Daya PV
max
100Watt
Baterai
Jenis Baterai Lead-acid, gel
Tegangan Baterai
nom
12V
Po W
day n
Sampel: Mei 2011
P
avg
= 30,1 Watt
43
Arus Pengisian
max
6A
Beban
Load DC voltage sama dengan tegangan
baterai Maximum load current
8A PV reverse polarity protection
Ya PV reverse current flow protection
Ya Surgetransient protection
1.5 kVA Maximum controller standby current
10mA Tabel 2. Pengukuran parameter battery control unit
Gambar 16. Pemrograman kontrol motor menggunakan modul mikrokontroler
Penggerak motor untuk rangkaian mekanis panel direalisasikan menggunakan IC L298N. Sedangkan kontrolnya ditangani oleh mikrokontroler. IC ini bisa
difungsikan untuk stepper motor maupun DC motor dual, seperti terlihat pada gambar di bawah.
44
Gambar 17. Diagram rangkaian penggerak motor untuk mekanik panel sampai dengan 2 A
Gambar 19. Pengujian BCU di laboratorium
45
IV. KESIMPULAN DAN SARAN IV.1 Kesimpulan
Sampai dengan akhir kegiatan tahun pertama, telah dilakukan studi literatur yang bersumber dari tulisanjurnal nasional, tulisanjurnal internasional,
panduanmanual produk panel surya dan browsing internet. Telah dilakukan juga studi yang lebih intensif mengenai algoritma MPPT dengan algoritma PO.
Walaupun lebih rumit namun menggunakan MPPT ini lebih efisien dibandingkan metoda lain.
Komponen dan bahan dapat dipenuhi dari pasar lokal, sedangkan sebagian komponen dari luar negeri sedang dalam tahap proses pengadaan. Walaupun
fokus penelitian ini adalah merancang pengontrol baterai yang didalamnya merupakan rangkaian elektronik, namun pada kenyataanya tidak lepas dari
komponen dan bahan yang lain seperti panel surya, baterai dan bahan mekanik. Bahan-bahan tersebut dibeli dari pasar lokal. Kendala yang dihadapi masih sedikit
dan sifatnya masih bisa diatasi. Diantaranya adalah keterbatasan referensi tulisan atau jurnal ilmiah internasional yang berhubungan dengan teknologi MPPT dan
ketersediaan alat ukur di laboratorium. Selain dari itu tidak ada lagi kendala yang berarti.
Pengujian baterai control unit masih dilakukan dengan cara sederhana menggunakan beban resistif. Dari pengujian tersebut arus pengisian baterai
maksimal adalah 8 Ampere dengan beban maksimal 6 Ampere.