Pengembangan Fuzzy Logic Control dan Algoritma Genetik Pada Sistem Photovotaic
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Photovoltaic
Photovoltaic
merupakan
suatu
modul
yang
berfungsi
untuk
mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik, perubahan energi ini
disebut sebagai efek photoelectric. Jumlah energi listrik yang dihasilkan oleh
modul photovoltaic bergantung kepada tenaga surya yang tersedia, dan yang
sangat khususnya, bergantung kepada arah modul surya terhadap matahari [1].
Penggunaan photovoltaic dapat dikatakan sangat menguntungkan karena
langsung diambil dari matahari tanpa menggunakan bahan bakar. Hal yang
mempengaruhi performa dari photovoltaic adalah kondisi klimatologi. Kondisi
klimatologi yang dimaksud meliputi temperatur dan radiasi matahari. Radiasi
merupakan jumlah tenaga surya yang tersedia per satuan luas. Jika hal ini
terjadi selama periode tertentu maka disebut sebagai irradiance. Pada saat
photovoltaic mendapat masukan berupa irradiance dan temperatur maka akan
timbul arus. Besar arus yang dihasilkan oleh photovoltaic berbanding lurus
dengan besar irradiance yang masuk ke dalam sel surya. Besar irradiance
berubah sesuai dengan pergeseran posisi matahari dan cuaca. Umumnya,
energi matahari yang dikonversi menjadi energi listrik hanya memiliki efisiensi
sebesar 17%. Efisiensi tersebut akan berkurang nilainya karena dipengaruhi
oleh peralatan listrik berupa pengatur tegangan, baterai, dan inverter [2].
Modul photovoltaic memiliki banyak variasi, meliputi daya maksimum,
tegangan, dan arus. Setiap modul photovoltaic memiliki paramater yang
4
Universitas Sumatera Utara
berbeda-beda. Perbedaan utama terlihat dari Voc (open circuit voltage) dan Isc
(short circuit current). Pada saat siang hari, tenaga surya yang mencapai
permukaan bumi dapat memiliki nilai energi puncak sebesar satu kilowatt (1
kW) per meter persegi per jam[3]. Pada aplikasinya, tenaga listrik yang
dihasilkan oleh satu modul photovoltaic masih cukup kecil, maka untuk
mendapatkan tegangan maupun arus yang lebih besar maka photovoltaic ini
dapat digabungkan dengan cara hubungan seri maupun paralel yang disebut
array.
Gambar 2.1 Hubungan Antara Sel, Modul, Panel dan Array [1]
2.1.1 Prinsip Kerja Photovoltaic
Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi dari sumber
daya alam yang tidak akan habis. Sehingga array photovoltaic dapat
menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas. Array
biasanya dipasang ke arah selatan untuk mengoptimalkan produksi
pada siang hari. Hal ini harus dilakukan dengan ermat untuk
memperoleh nilai energi yang paling besar untuk satu musim atau
selama satu tahun. Array ini memiliki titik operasi yang optimal yang
dikenal dengan sebutan Maximum Power Point (MPP) [4].
Pada prinspnya, sel surya dapat dianalogikan sebagai alat yang
memiliki dua buah terminal atau sambungan, dimana pada saat kondisi
5
Universitas Sumatera Utara
gelap sel surya akan berfungsi seperti dioda dan pada saat sel surya
disinari cahaya matahari maka akan sel surya akan menghasilkan
tegangan. Umumnya, satu sel surya dapat menghasilkan tegangan dc
sebesar 0,5-1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per
cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi,
sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk
modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya,
dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi
penyinaran standar (Air Mass 1.5).
Dalam mengkonversikan energi cahaya menjadi energi listrik
terdapat 5 kondisi, yaitu:
1.
Kondisi Pertama
Pada kondisi ini kedua jenis semikonduktor belum tersambung dan
akan ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 2.2 Kondisi Semikonduktor Masih Terpisah
2.
Kondisi Kedua
Pada kondisi ini kedua semikonduktor telah tersambung. Sehingga,
terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju
6
Universitas Sumatera Utara
semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju
semikonduktor n.
Gambar 2.3 Kondisi pada Saat Kedua Semikonduktor Tersambung
3. Kondisi Ketiga
Pada kondisi ketiga ini elektron dari semikonduktor n bersatu
dengan hole pada semikonduktor p..
Gambar 2.4 Kondisi pada Saat Elektron Bersatu dengan Hole
4.
Kondisi Keempat
Pada kondisi ini akan timbul medan listrik internal (E) secara
sendirinya dikarenakan adanya perbedaan antara muatan positif dan
negatif pada daerah deplesi.
Gambar 2.5 Kondisi pada Saat Timbulnya Medan Listrik Internal
7
Universitas Sumatera Utara
5.
Kondisi Kelima
Pada kondisi ini sambungan p-n inilah proses konversi cahaya
matahari menjadi listrik terjadi.
Gambar 2.6 Proses terjadinya cahaya matahari menjadi listrik
2.1.2 Rangkaian Ekivalen
Rangkaian ekivalen sel surya terdiri dari sebuah photocurrent (Iph),
sebuah dioda, hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rsh), seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 berikut[5].
Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Photovoltaic
8
Universitas Sumatera Utara
Dari rangkaian di atas, light generated current atau photocurrent
(Iph) adalah arus yang dihasilkan langsung akibat penyinaran sinar
matahari pada sel surya. Arus ini bervariasi secara linear dengan radiasi
matahari dan tergantung pada suhu yang diberikan. Hambatan Rsh dan
Rs menunjukkan hambatan intrinsik paralel dan seri dari sel. Biasanya
nilai Rsh lebih besar dibandingkan Rs. Persamaan 1 menjelaskan prinsip
sederhana dari rangkaian ekivalen sel surya di atas. Besarnya arus sel
surya (Ipv) adalah pengurangan dari arus Iph, arus dioda (ID) dan arus
hambatan paralel (Irsh), yang dirumuskan sebagai berikut.:
=
−
(1.1)
−
Persamaan di atas dapat dijabarkan dengan persamaan berikut :
=
−
(
)
−1 −
(
)
(1.2)
Dimana:
Is
= Arus saturasi sel surya
q
= Elektron (1.6 x 10-19C)
Vpv
= Tegangan pada sel
Tc
= Suhu kerja sel
Rs
= Hambatan seri
Rsh
= Hambatan shunt
n
= Faktor ideal
k
= Konstanta Boltzmann (1.38 x 10-23 J/K)
9
Universitas Sumatera Utara
2.1.3 Kurva Karakteristik
Karakteristik listrik dari sebuah modul photovoltaic secara
umum dapat dilihat dari besarnya arus hubung singkat (short circuit
current) dan tegangan rangkaian terbuka (open circuit voltage). Hal ini
bertujuan untuk mengetahui besarnya daya puncak (peak power) yang
dapat dicapai. Secara sederhana, karakteristik dari modul surya ini
diterangkan lewat kurva arus terhadap tegangan (I-V Curve). [6]
Ketika modul mendapatkan pancaran sinar matahari, tegangan
yang dihasilkan dapat diukur pada kutub positif dan negatif dengan
menggunakan voltmeter. Saat itu tidak ada arus yang mengalir karena
sistem belum terhubung dengan beban. Jadi pengukuran ini disebut
dengan open circuit voltage (Voc). Ketika penerapan beban atau
pengisian baterai tersambung diantara kedua terminal, maka arus
mengalir dari modul menuju beban. Saat hal itu terjadi maka tegangan
modul lebih kecil daripada Voc.
Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Listrik Sebuah Modul Photovoltaic
(ABB QT Vol. 10 P. 18)
10
Universitas Sumatera Utara
Dengan menambahkan beban yang tersambung secara paralel,
maka arus lebih banyak mengalir dan tegangan menjadi rendah. Untuk
arus tertinggi yang dapat dihasilkan modul, kedua terminal modul
dapat disambungkan secara langsung, dengan demikian tegangan
yang terjadi adalah 0 (nol/zero), dan saat ini apabila diukur dengan
amperemeter maka dapat diketahui arus maksimum modul tersebut
yang disebut short circuit current atau Isc.
Perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya (disusun
secara seri atau paralel) dalam modul berpengaruh terhadap parameter
utama sel surya yaitu arus, tegangan dan daya keluaran dari sel
surya.Karakteristik kurva hubungan antara arus dan tegangan (kurva
I-V)serta daya dan tegangan (kurva P-V) dianalisa berdasarkan variasi
irradiance, suhu dan susunan sel surya dalam modul. Pengaruh
perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya terhadap keluaran
dari sel surya adalah sebagai berikut:
a. Efek Variasi Irradiance terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Irradiance sangat mempengaruhi besar kecilnya arus yang
dihasilkan. Gambar menunjukkan bahwa arus short circuit
mengalami penurunan ketika irradiance yang diterima oleh
photovoltaic berkurang. Hal ini karena saat irradiance yang
diperoleh
berkurang
menyebabkan
elektron-elektron
yang
terlepas semakin sedikit sehingga arus listrik yang dihasilkan
menurun. Irradiance juga berpengaruh terhadap perubahan
tegangan open circuit. Dimana tegangan open circuit semakin
11
Universitas Sumatera Utara
berkurang ketika irradiance berkurang, namun perubahan yang
dihasilkan tidak begitu signifikan atau dapat dikatakan bahwa
perubahannya sangat kecil[7].
Gambar 2.9 Kurva Karakteristik Akibat Variasi
Irradiance Matahari
b. Efek Variasi Suhu terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Selain jumlah irradiance yang mempengaruhi keluaran dari
sel surya, suhu juga sangat berpengaruh, yaitu semakin besar suhu
maka nilai tegangan open circuit akan semakin kecil. Hal ini
disebabkan penurunan energi gap ketika suhu meningkat. Hal ini
juga diungkapkan oleh Hans Joachim Moller (1993) dengan
menggunakan persamaan berikut:
=
(1.3)
+
12
Universitas Sumatera Utara
Dari hubungan persamaan di atas terlihat bahwa tegangan
open circuit berbanding lurus dengan energi gap dari
semikonduktor penyusun sel surya. Sehingga semakin menurun
energi gap maka semakin menurun tegangan Voc. Gambar berikut
adalah kurva yang menunjukkan kurva karakteristik akibat variasi
suhu[7].
Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Sel Surya Akibat Variasi
Suhu
2.1.4 Faktor Pengoperasian
Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada [8]:
a. Temperatur
Photovoltaic dapat beroperasi secara maksimum jika temperatur
berada pada keadaan yang normal yaitu 25 oC. Setiap kenaikan
temperatur 1 oC akan mengurangi sekitar 0.4 % total tenaga yang
dihasilkan sehingga akan melemahkan Voc.
13
Universitas Sumatera Utara
b. Radiasi solar matahari (Irradiance)
Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariasi, dan
sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar
matahari akan banyak berpengaruh pada arus (I) dan sedikit pada
tegangan.
c. Kecepatan angin bertiup
Kecepatan tiup angin disekitar lokasi photovoltaic array dapat
membantu
mendinginkan
permukaan
temperatur
kaca-kaca
photovoltaic array.
d. Keadaan atmosfir bumi
Keadaan atmosfir bumi seperti berawan, mendung, jenis partikel
debu udara, asap, kabut dan polusi sangat menentukan hasil
maksimum arus listrik dari photovoltaic.
e. Letak photovoltaic terhadap sudut orientasi matahari
Mempertahankan sinar matahari yang jatuh ke sebuah permukaan
panel photovoltaic secara tegak lurus akan mendapatkan energi
sebesar 1000 W/m2 atau 1 kW/m2. Apabila sinar matahari dengan
bidang photovoltaic tidak tegak lurus, maka dibutuhkan jumlah
bidang photovoltaic yang lebih besar (bidang panel photovoltaic
terhadap sun latitude yang berubah setiap jam dalam sehari). Solar
Panel photovoltaic pada Equator (latitude 0o) yang diletakkan
mendatar akan menghasilkan energi maximum, sedangkan untuk
lokasi dengan latitude berbeda harus dicarikan tilt angle yang
optimum (maksimal).
14
Universitas Sumatera Utara
2.2 Maximum Power Point Tracking
Sistem photovoltaic mempunyai karakteristik yang tidak linier serta sangat
tergantung pada suhu dan intensitas radiasi matahari, sehingga pada sistem
photovoltaic terdapat titik tertentu yang dapat menghasilkan keluaran daya
maksimal. Titik tersebut adalah Maximum Power Point (MPP), letak titik tidak
diketahui tetapi dapat dicari dengan menggunakan perhitungan atau algoritma
tracking. Maximum Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk
mendapatkan daya maksimum dari sistem photovoltaic tanpa tergantung pada
suhu dan radiasi matahari serta menjaga agar titik kerja photovoltaic tetap pada
titik MPP saat terjadi perubahan kondisi lingkungan.
MPPT sangat penting untuk meningkatkan efisiensi. Fungsi utamanya
adalah mengatur tegangan keluaran panel untuk mensuplai energi maksimal ke
beban. Sebagian besar desain saat ini terdiri dari tiga komponen dasar, yaitu:
switch-mode dc-dc converter, sistem kontrol, dan komponen pelacakan.
Konverter mode saklar adalah inti dari keseluruhan pasokan karena energi yang
ditarik disimpan sebagai energi magnetik, dan dilepaskan pada tingkat
potensial yang berbeda. Dengan mengatur bagian switch-mode dengan
topologi buck atau boost converter, tegangan konverter dirancang dengan
tegangan masukan atau arus yang sesuai dengan titik daya maksimum, yang
memungkinkan resistansi keluaran sesuai dengan baterai. Untuk mencapai
mekanisme yang disebutkan di atas, dibutuhkan suatu pengendali yang
berfungsi untuk memantau sistem photovoltaic secara terus menerus dan
memastikan operasinya berada di titik maksimum menggunakan MPP. [9]
15
Universitas Sumatera Utara
Kontrol tegangan MPPT menggunakan PWM (Pulse Width Modulation)
atau lebar pulsa (Duty Cycle) melalui rangkaian DC-DC Converter. Prinsip dari
MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja photovoltaic.
Apabila dalam suatu sistem photovoltaic, tegangan kerja photovoltaic lebih
kecil dari tegangan Vmpp maka tegangan kerja photovoltaic akan dinaikkan
sampai mendekati tegangan Vmpp. Sebaliknya, apabila tegangan kerja
photovoltaic lebih besar dari tegangan kerja Vmpp maka tegangan kerja
photovoltaic akan diturunkan mendekati tegangan Vmpp.
2.3 Fuzzy Logic Control
Sistem Fuzzy Logic Controller merupakan sebuah teknik baru dalam
dunia kontrol. Secara umum, sistem kendali fuzzy berbasis pada aturan Fuzzy
(rule based Fuzzy). Sistem Fuzzy Logic Controller tidak dimodelkan melalui
pemodelan matematika, namun mampu menghasilkan performansi sistem
kontrol yang sangat baik[10]. Dengan kata lain, Fuzzy Logic merupakan
peningkatan dari penerapan logika boolean, pada aljabar boolean yang hanya
mengenal notasi 1 dan 0. Fuzzy logic memungkinkan keanggotaan bernilai
antara 0 sampai dengan 1. Oleh sebab itu bisa dikatakan bahwa sebuah kondisi
bisa bernilai sebagian benar dan sebagian salah pada saat bersamaan. Ada
beberapa alasan mengapa orang menggunakan fuzzy logic, antara lain[11] :
1. Konsep fuzzy logic mudah dimengerti. Konsep matematis yang mendasari
penalaran fuzzy sangat sederhana dan mudah dimengerti.
2. Fuzzy logic sangat fleksibel.
3. Fuzzy logic memiliki toleransi terhadap data-data yang tidak tepat.
4. Fuzzy logic mampu memodelkan fungsi non-linear yang sangat kompleks.
16
Universitas Sumatera Utara
Seiring dengan berkembangnya teknologi, berbagai aplikasi telah
menunjukkan teknik yang berbeda untuk menyesuaikan pengendali PID.
Penelitian terbaru oleh Sant yaitu menggunakan pengendali fuzzy logic yang
dikombinasikan dengan pengendali PID klasik dengan fungsi switching antara
m untuk kontrol kecepatan motor drive. Algoritma switching memungkinkan
setiap jenis kontroler untuk berperforma lebih baik dalam operasi yang
berbeda[10].
Pada penelitian ini dilakukan suatu metode fuzzy logic control yang
terhubung dengan Maximum Power Point Tracking untuk mengoptimalkan
nilai maksimum dari performa photovoltaic. Pada dasarnya Fuzzy Logic
memiliki tiga buah bagian, yaitu:
Fuzzyfication
Fuzzyfication adalah suatu proses untuk mengubah suatu masukan dari
bentuk tegas (crisp) menjadi fuzzy (variabel linguistik) yang biasanya
disajikan dalam bentuk himpunan-himpunan fuzzy dengan suatu fungsi
kenggotaannya masing-masing.
Inferensi Fuzzy
Sistem inferensi fuzzy (FIS) adalah sebuah sistem pengambilan
keputusan yang didasarkan pada teori fuzzy, aturan fuzzy if-then dan
logika fuzzy. Struktur dasar sistem inferensi fuzzy terdiri atas:
1. Sebuah basis aturan yang berisi aturan fuzzyif-then.
2. Basis data yang mendefinisikan fungsi keanggotaan himpunan fuzzy.
3. Unit pengambilan keputusan yang menyatakan operasi inferensi atau
aturan aturan yang ada.
17
Universitas Sumatera Utara
Defuzzyfication
Defuzzyfication adalah proses pengubahan besaran fuzzy yang disajikan
dalam bentuk himpunan-himpunan fuzzy keluaran dengan fungsi
keanggotaannya untuk mendapatkan kembali bentuk tegasnya (crisp).
Gambar 2.11 Step Fuzzy Logic Control
2.4 Algoritma Genetik
Algoritma Genetika merupakan metode adaptive yang biasa digunakan
untuk memecahkan suatu pencarian nilai dalam sebuah masalah optimasi.
Algoritma ini didasarkan pada proses genetik yang ada dalam makluk hidup,
yaitu perkembangan generasi dalam sebuah populasi yang alami, secara lambat
laun mengikuti prinsip seleksi alam[12].
Sebelum algoritma genetik dapat dijalankan, maka sebuah kode yang sesuai
(representatif) untuk persoalan harus dirancang. Untuk ini maka titik solusi
dalam ruang permasalahan dikodekan dalam bentuk string yang terdiri atas
komponen genetik terkecil yaitu gen. Dengan teori evolusi dan teori genetika,
di dalam penerapan algoritma genetik akan melibatkan beberapa operator,
yaitu:
18
Universitas Sumatera Utara
Operasi evolusi yang melibatkan proses selekti di dalamnya.
Operasi genetik yang melibatkan operator pindah silang dan mutasi.
Untuk memeriksa hasil optimasi, kita membutuhan fungsi fitness, yang
menandakan gambaran hasil (solusi) yang sudah dikodekan. Jika algoritma
genetik didesain secara baik maka populasi akan mengalami konvergensi dan
akan didapatkan sebuah solusi yang optimum.
2.5 Boost Converter
Boost converter berguna untuk mengubah tegangan masukan yang rendah
ke tegangan keluaran yang tinggi (penaik tegangan). Konverter ini bekerja
secara periodik saat saklar terbuka dan tertutup. Rangkaian dapat dilihat pada
Gambar 2.12. Untuk konverter ini, parameter yang dibutuhkan untuk dapat
memperoleh rangkaiannya terdiri dari beberapa komponen yaitu saklar daya,
dioda frekuensi tinggi, induktor, kapasitor, dan beban resistor. Saklar yang
dipakai harus mempunyai respon yang cepat saat keadaan on dan off. Saklar
yang dapat digunakan adalah saklar semikonduktor seperti MOSFET[13].
Gambar 2.12 Rangkaian Boost Converter
19
Universitas Sumatera Utara
2.5.1 Prinsip Kerja Boost Converter
Kemampuan boost converter untuk menaikan tegangan dc
berkaitan dengan prinsip switch duration (ton dan toff switch). Saat saklar
atau switch MOSFET pada kondisi tertutup (ton), arus akan mengalir ke
induktor sehingga menyebabkan energi akan tersimpan di induktor. Saat
saklar MOSFET terbuka (toff), arus induktor ini akan mengalir menuju
beban melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan
menurun. Jika dilihat pada Gambar 2.13. Pada saat toff, beban akan
disuplai oleh tegangan sumber ditambah dengan tegangan induktor yang
sedang melepaskan energinya. Kondisi ini yang menyebabkan tegangan
keluaran
menjadi
lebih
besar
dibandingkan
dengan
tegangan
masukannya. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan
konverter ini sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan
waktu pembukaan saklar[13].
(a)
(b)
Gambar 2.13 Prinsip Kerja Boost Converter
(a). Saklar ON
(b). Saklar OFF
20
Universitas Sumatera Utara
Regulator boost dapat menaikkan tegangan keluaran tanpa memerlukan trafo.
Karena memiliki satu buah transistor, regulator ini memiliki efisiensi yang
tinggi dan arus masukan kontinyu. Tegangan keluaran sangat sensitif
terhadap perubahan duty cycle k dan sangat sulit untuk menstabilkan
regulator. Arus keluaran rata-rata lebih kecil dibandingkan dengan arus
induktor rata-rata oleh faktor (1-k), dan banyak arus rms yang lebih tinggi
akan mengalir melalui filter kapasitor, sehingga menghasilkan penggunaan
filter kapasitor dan induktor yang lebih besar dibandingkan regulator
buck[13].
21
Universitas Sumatera Utara
DASAR TEORI
2.1 Photovoltaic
Photovoltaic
merupakan
suatu
modul
yang
berfungsi
untuk
mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik, perubahan energi ini
disebut sebagai efek photoelectric. Jumlah energi listrik yang dihasilkan oleh
modul photovoltaic bergantung kepada tenaga surya yang tersedia, dan yang
sangat khususnya, bergantung kepada arah modul surya terhadap matahari [1].
Penggunaan photovoltaic dapat dikatakan sangat menguntungkan karena
langsung diambil dari matahari tanpa menggunakan bahan bakar. Hal yang
mempengaruhi performa dari photovoltaic adalah kondisi klimatologi. Kondisi
klimatologi yang dimaksud meliputi temperatur dan radiasi matahari. Radiasi
merupakan jumlah tenaga surya yang tersedia per satuan luas. Jika hal ini
terjadi selama periode tertentu maka disebut sebagai irradiance. Pada saat
photovoltaic mendapat masukan berupa irradiance dan temperatur maka akan
timbul arus. Besar arus yang dihasilkan oleh photovoltaic berbanding lurus
dengan besar irradiance yang masuk ke dalam sel surya. Besar irradiance
berubah sesuai dengan pergeseran posisi matahari dan cuaca. Umumnya,
energi matahari yang dikonversi menjadi energi listrik hanya memiliki efisiensi
sebesar 17%. Efisiensi tersebut akan berkurang nilainya karena dipengaruhi
oleh peralatan listrik berupa pengatur tegangan, baterai, dan inverter [2].
Modul photovoltaic memiliki banyak variasi, meliputi daya maksimum,
tegangan, dan arus. Setiap modul photovoltaic memiliki paramater yang
4
Universitas Sumatera Utara
berbeda-beda. Perbedaan utama terlihat dari Voc (open circuit voltage) dan Isc
(short circuit current). Pada saat siang hari, tenaga surya yang mencapai
permukaan bumi dapat memiliki nilai energi puncak sebesar satu kilowatt (1
kW) per meter persegi per jam[3]. Pada aplikasinya, tenaga listrik yang
dihasilkan oleh satu modul photovoltaic masih cukup kecil, maka untuk
mendapatkan tegangan maupun arus yang lebih besar maka photovoltaic ini
dapat digabungkan dengan cara hubungan seri maupun paralel yang disebut
array.
Gambar 2.1 Hubungan Antara Sel, Modul, Panel dan Array [1]
2.1.1 Prinsip Kerja Photovoltaic
Cahaya matahari merupakan salah satu bentuk energi dari sumber
daya alam yang tidak akan habis. Sehingga array photovoltaic dapat
menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak terbatas. Array
biasanya dipasang ke arah selatan untuk mengoptimalkan produksi
pada siang hari. Hal ini harus dilakukan dengan ermat untuk
memperoleh nilai energi yang paling besar untuk satu musim atau
selama satu tahun. Array ini memiliki titik operasi yang optimal yang
dikenal dengan sebutan Maximum Power Point (MPP) [4].
Pada prinspnya, sel surya dapat dianalogikan sebagai alat yang
memiliki dua buah terminal atau sambungan, dimana pada saat kondisi
5
Universitas Sumatera Utara
gelap sel surya akan berfungsi seperti dioda dan pada saat sel surya
disinari cahaya matahari maka akan sel surya akan menghasilkan
tegangan. Umumnya, satu sel surya dapat menghasilkan tegangan dc
sebesar 0,5-1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per
cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi,
sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk
modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya,
dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi
penyinaran standar (Air Mass 1.5).
Dalam mengkonversikan energi cahaya menjadi energi listrik
terdapat 5 kondisi, yaitu:
1.
Kondisi Pertama
Pada kondisi ini kedua jenis semikonduktor belum tersambung dan
akan ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 2.2 Kondisi Semikonduktor Masih Terpisah
2.
Kondisi Kedua
Pada kondisi ini kedua semikonduktor telah tersambung. Sehingga,
terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju
6
Universitas Sumatera Utara
semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju
semikonduktor n.
Gambar 2.3 Kondisi pada Saat Kedua Semikonduktor Tersambung
3. Kondisi Ketiga
Pada kondisi ketiga ini elektron dari semikonduktor n bersatu
dengan hole pada semikonduktor p..
Gambar 2.4 Kondisi pada Saat Elektron Bersatu dengan Hole
4.
Kondisi Keempat
Pada kondisi ini akan timbul medan listrik internal (E) secara
sendirinya dikarenakan adanya perbedaan antara muatan positif dan
negatif pada daerah deplesi.
Gambar 2.5 Kondisi pada Saat Timbulnya Medan Listrik Internal
7
Universitas Sumatera Utara
5.
Kondisi Kelima
Pada kondisi ini sambungan p-n inilah proses konversi cahaya
matahari menjadi listrik terjadi.
Gambar 2.6 Proses terjadinya cahaya matahari menjadi listrik
2.1.2 Rangkaian Ekivalen
Rangkaian ekivalen sel surya terdiri dari sebuah photocurrent (Iph),
sebuah dioda, hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rsh), seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 berikut[5].
Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Photovoltaic
8
Universitas Sumatera Utara
Dari rangkaian di atas, light generated current atau photocurrent
(Iph) adalah arus yang dihasilkan langsung akibat penyinaran sinar
matahari pada sel surya. Arus ini bervariasi secara linear dengan radiasi
matahari dan tergantung pada suhu yang diberikan. Hambatan Rsh dan
Rs menunjukkan hambatan intrinsik paralel dan seri dari sel. Biasanya
nilai Rsh lebih besar dibandingkan Rs. Persamaan 1 menjelaskan prinsip
sederhana dari rangkaian ekivalen sel surya di atas. Besarnya arus sel
surya (Ipv) adalah pengurangan dari arus Iph, arus dioda (ID) dan arus
hambatan paralel (Irsh), yang dirumuskan sebagai berikut.:
=
−
(1.1)
−
Persamaan di atas dapat dijabarkan dengan persamaan berikut :
=
−
(
)
−1 −
(
)
(1.2)
Dimana:
Is
= Arus saturasi sel surya
q
= Elektron (1.6 x 10-19C)
Vpv
= Tegangan pada sel
Tc
= Suhu kerja sel
Rs
= Hambatan seri
Rsh
= Hambatan shunt
n
= Faktor ideal
k
= Konstanta Boltzmann (1.38 x 10-23 J/K)
9
Universitas Sumatera Utara
2.1.3 Kurva Karakteristik
Karakteristik listrik dari sebuah modul photovoltaic secara
umum dapat dilihat dari besarnya arus hubung singkat (short circuit
current) dan tegangan rangkaian terbuka (open circuit voltage). Hal ini
bertujuan untuk mengetahui besarnya daya puncak (peak power) yang
dapat dicapai. Secara sederhana, karakteristik dari modul surya ini
diterangkan lewat kurva arus terhadap tegangan (I-V Curve). [6]
Ketika modul mendapatkan pancaran sinar matahari, tegangan
yang dihasilkan dapat diukur pada kutub positif dan negatif dengan
menggunakan voltmeter. Saat itu tidak ada arus yang mengalir karena
sistem belum terhubung dengan beban. Jadi pengukuran ini disebut
dengan open circuit voltage (Voc). Ketika penerapan beban atau
pengisian baterai tersambung diantara kedua terminal, maka arus
mengalir dari modul menuju beban. Saat hal itu terjadi maka tegangan
modul lebih kecil daripada Voc.
Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Listrik Sebuah Modul Photovoltaic
(ABB QT Vol. 10 P. 18)
10
Universitas Sumatera Utara
Dengan menambahkan beban yang tersambung secara paralel,
maka arus lebih banyak mengalir dan tegangan menjadi rendah. Untuk
arus tertinggi yang dapat dihasilkan modul, kedua terminal modul
dapat disambungkan secara langsung, dengan demikian tegangan
yang terjadi adalah 0 (nol/zero), dan saat ini apabila diukur dengan
amperemeter maka dapat diketahui arus maksimum modul tersebut
yang disebut short circuit current atau Isc.
Perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya (disusun
secara seri atau paralel) dalam modul berpengaruh terhadap parameter
utama sel surya yaitu arus, tegangan dan daya keluaran dari sel
surya.Karakteristik kurva hubungan antara arus dan tegangan (kurva
I-V)serta daya dan tegangan (kurva P-V) dianalisa berdasarkan variasi
irradiance, suhu dan susunan sel surya dalam modul. Pengaruh
perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya terhadap keluaran
dari sel surya adalah sebagai berikut:
a. Efek Variasi Irradiance terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Irradiance sangat mempengaruhi besar kecilnya arus yang
dihasilkan. Gambar menunjukkan bahwa arus short circuit
mengalami penurunan ketika irradiance yang diterima oleh
photovoltaic berkurang. Hal ini karena saat irradiance yang
diperoleh
berkurang
menyebabkan
elektron-elektron
yang
terlepas semakin sedikit sehingga arus listrik yang dihasilkan
menurun. Irradiance juga berpengaruh terhadap perubahan
tegangan open circuit. Dimana tegangan open circuit semakin
11
Universitas Sumatera Utara
berkurang ketika irradiance berkurang, namun perubahan yang
dihasilkan tidak begitu signifikan atau dapat dikatakan bahwa
perubahannya sangat kecil[7].
Gambar 2.9 Kurva Karakteristik Akibat Variasi
Irradiance Matahari
b. Efek Variasi Suhu terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Selain jumlah irradiance yang mempengaruhi keluaran dari
sel surya, suhu juga sangat berpengaruh, yaitu semakin besar suhu
maka nilai tegangan open circuit akan semakin kecil. Hal ini
disebabkan penurunan energi gap ketika suhu meningkat. Hal ini
juga diungkapkan oleh Hans Joachim Moller (1993) dengan
menggunakan persamaan berikut:
=
(1.3)
+
12
Universitas Sumatera Utara
Dari hubungan persamaan di atas terlihat bahwa tegangan
open circuit berbanding lurus dengan energi gap dari
semikonduktor penyusun sel surya. Sehingga semakin menurun
energi gap maka semakin menurun tegangan Voc. Gambar berikut
adalah kurva yang menunjukkan kurva karakteristik akibat variasi
suhu[7].
Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Sel Surya Akibat Variasi
Suhu
2.1.4 Faktor Pengoperasian
Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada [8]:
a. Temperatur
Photovoltaic dapat beroperasi secara maksimum jika temperatur
berada pada keadaan yang normal yaitu 25 oC. Setiap kenaikan
temperatur 1 oC akan mengurangi sekitar 0.4 % total tenaga yang
dihasilkan sehingga akan melemahkan Voc.
13
Universitas Sumatera Utara
b. Radiasi solar matahari (Irradiance)
Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariasi, dan
sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar
matahari akan banyak berpengaruh pada arus (I) dan sedikit pada
tegangan.
c. Kecepatan angin bertiup
Kecepatan tiup angin disekitar lokasi photovoltaic array dapat
membantu
mendinginkan
permukaan
temperatur
kaca-kaca
photovoltaic array.
d. Keadaan atmosfir bumi
Keadaan atmosfir bumi seperti berawan, mendung, jenis partikel
debu udara, asap, kabut dan polusi sangat menentukan hasil
maksimum arus listrik dari photovoltaic.
e. Letak photovoltaic terhadap sudut orientasi matahari
Mempertahankan sinar matahari yang jatuh ke sebuah permukaan
panel photovoltaic secara tegak lurus akan mendapatkan energi
sebesar 1000 W/m2 atau 1 kW/m2. Apabila sinar matahari dengan
bidang photovoltaic tidak tegak lurus, maka dibutuhkan jumlah
bidang photovoltaic yang lebih besar (bidang panel photovoltaic
terhadap sun latitude yang berubah setiap jam dalam sehari). Solar
Panel photovoltaic pada Equator (latitude 0o) yang diletakkan
mendatar akan menghasilkan energi maximum, sedangkan untuk
lokasi dengan latitude berbeda harus dicarikan tilt angle yang
optimum (maksimal).
14
Universitas Sumatera Utara
2.2 Maximum Power Point Tracking
Sistem photovoltaic mempunyai karakteristik yang tidak linier serta sangat
tergantung pada suhu dan intensitas radiasi matahari, sehingga pada sistem
photovoltaic terdapat titik tertentu yang dapat menghasilkan keluaran daya
maksimal. Titik tersebut adalah Maximum Power Point (MPP), letak titik tidak
diketahui tetapi dapat dicari dengan menggunakan perhitungan atau algoritma
tracking. Maximum Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk
mendapatkan daya maksimum dari sistem photovoltaic tanpa tergantung pada
suhu dan radiasi matahari serta menjaga agar titik kerja photovoltaic tetap pada
titik MPP saat terjadi perubahan kondisi lingkungan.
MPPT sangat penting untuk meningkatkan efisiensi. Fungsi utamanya
adalah mengatur tegangan keluaran panel untuk mensuplai energi maksimal ke
beban. Sebagian besar desain saat ini terdiri dari tiga komponen dasar, yaitu:
switch-mode dc-dc converter, sistem kontrol, dan komponen pelacakan.
Konverter mode saklar adalah inti dari keseluruhan pasokan karena energi yang
ditarik disimpan sebagai energi magnetik, dan dilepaskan pada tingkat
potensial yang berbeda. Dengan mengatur bagian switch-mode dengan
topologi buck atau boost converter, tegangan konverter dirancang dengan
tegangan masukan atau arus yang sesuai dengan titik daya maksimum, yang
memungkinkan resistansi keluaran sesuai dengan baterai. Untuk mencapai
mekanisme yang disebutkan di atas, dibutuhkan suatu pengendali yang
berfungsi untuk memantau sistem photovoltaic secara terus menerus dan
memastikan operasinya berada di titik maksimum menggunakan MPP. [9]
15
Universitas Sumatera Utara
Kontrol tegangan MPPT menggunakan PWM (Pulse Width Modulation)
atau lebar pulsa (Duty Cycle) melalui rangkaian DC-DC Converter. Prinsip dari
MPPT adalah menaikkan dan menurunkan tegangan kerja photovoltaic.
Apabila dalam suatu sistem photovoltaic, tegangan kerja photovoltaic lebih
kecil dari tegangan Vmpp maka tegangan kerja photovoltaic akan dinaikkan
sampai mendekati tegangan Vmpp. Sebaliknya, apabila tegangan kerja
photovoltaic lebih besar dari tegangan kerja Vmpp maka tegangan kerja
photovoltaic akan diturunkan mendekati tegangan Vmpp.
2.3 Fuzzy Logic Control
Sistem Fuzzy Logic Controller merupakan sebuah teknik baru dalam
dunia kontrol. Secara umum, sistem kendali fuzzy berbasis pada aturan Fuzzy
(rule based Fuzzy). Sistem Fuzzy Logic Controller tidak dimodelkan melalui
pemodelan matematika, namun mampu menghasilkan performansi sistem
kontrol yang sangat baik[10]. Dengan kata lain, Fuzzy Logic merupakan
peningkatan dari penerapan logika boolean, pada aljabar boolean yang hanya
mengenal notasi 1 dan 0. Fuzzy logic memungkinkan keanggotaan bernilai
antara 0 sampai dengan 1. Oleh sebab itu bisa dikatakan bahwa sebuah kondisi
bisa bernilai sebagian benar dan sebagian salah pada saat bersamaan. Ada
beberapa alasan mengapa orang menggunakan fuzzy logic, antara lain[11] :
1. Konsep fuzzy logic mudah dimengerti. Konsep matematis yang mendasari
penalaran fuzzy sangat sederhana dan mudah dimengerti.
2. Fuzzy logic sangat fleksibel.
3. Fuzzy logic memiliki toleransi terhadap data-data yang tidak tepat.
4. Fuzzy logic mampu memodelkan fungsi non-linear yang sangat kompleks.
16
Universitas Sumatera Utara
Seiring dengan berkembangnya teknologi, berbagai aplikasi telah
menunjukkan teknik yang berbeda untuk menyesuaikan pengendali PID.
Penelitian terbaru oleh Sant yaitu menggunakan pengendali fuzzy logic yang
dikombinasikan dengan pengendali PID klasik dengan fungsi switching antara
m untuk kontrol kecepatan motor drive. Algoritma switching memungkinkan
setiap jenis kontroler untuk berperforma lebih baik dalam operasi yang
berbeda[10].
Pada penelitian ini dilakukan suatu metode fuzzy logic control yang
terhubung dengan Maximum Power Point Tracking untuk mengoptimalkan
nilai maksimum dari performa photovoltaic. Pada dasarnya Fuzzy Logic
memiliki tiga buah bagian, yaitu:
Fuzzyfication
Fuzzyfication adalah suatu proses untuk mengubah suatu masukan dari
bentuk tegas (crisp) menjadi fuzzy (variabel linguistik) yang biasanya
disajikan dalam bentuk himpunan-himpunan fuzzy dengan suatu fungsi
kenggotaannya masing-masing.
Inferensi Fuzzy
Sistem inferensi fuzzy (FIS) adalah sebuah sistem pengambilan
keputusan yang didasarkan pada teori fuzzy, aturan fuzzy if-then dan
logika fuzzy. Struktur dasar sistem inferensi fuzzy terdiri atas:
1. Sebuah basis aturan yang berisi aturan fuzzyif-then.
2. Basis data yang mendefinisikan fungsi keanggotaan himpunan fuzzy.
3. Unit pengambilan keputusan yang menyatakan operasi inferensi atau
aturan aturan yang ada.
17
Universitas Sumatera Utara
Defuzzyfication
Defuzzyfication adalah proses pengubahan besaran fuzzy yang disajikan
dalam bentuk himpunan-himpunan fuzzy keluaran dengan fungsi
keanggotaannya untuk mendapatkan kembali bentuk tegasnya (crisp).
Gambar 2.11 Step Fuzzy Logic Control
2.4 Algoritma Genetik
Algoritma Genetika merupakan metode adaptive yang biasa digunakan
untuk memecahkan suatu pencarian nilai dalam sebuah masalah optimasi.
Algoritma ini didasarkan pada proses genetik yang ada dalam makluk hidup,
yaitu perkembangan generasi dalam sebuah populasi yang alami, secara lambat
laun mengikuti prinsip seleksi alam[12].
Sebelum algoritma genetik dapat dijalankan, maka sebuah kode yang sesuai
(representatif) untuk persoalan harus dirancang. Untuk ini maka titik solusi
dalam ruang permasalahan dikodekan dalam bentuk string yang terdiri atas
komponen genetik terkecil yaitu gen. Dengan teori evolusi dan teori genetika,
di dalam penerapan algoritma genetik akan melibatkan beberapa operator,
yaitu:
18
Universitas Sumatera Utara
Operasi evolusi yang melibatkan proses selekti di dalamnya.
Operasi genetik yang melibatkan operator pindah silang dan mutasi.
Untuk memeriksa hasil optimasi, kita membutuhan fungsi fitness, yang
menandakan gambaran hasil (solusi) yang sudah dikodekan. Jika algoritma
genetik didesain secara baik maka populasi akan mengalami konvergensi dan
akan didapatkan sebuah solusi yang optimum.
2.5 Boost Converter
Boost converter berguna untuk mengubah tegangan masukan yang rendah
ke tegangan keluaran yang tinggi (penaik tegangan). Konverter ini bekerja
secara periodik saat saklar terbuka dan tertutup. Rangkaian dapat dilihat pada
Gambar 2.12. Untuk konverter ini, parameter yang dibutuhkan untuk dapat
memperoleh rangkaiannya terdiri dari beberapa komponen yaitu saklar daya,
dioda frekuensi tinggi, induktor, kapasitor, dan beban resistor. Saklar yang
dipakai harus mempunyai respon yang cepat saat keadaan on dan off. Saklar
yang dapat digunakan adalah saklar semikonduktor seperti MOSFET[13].
Gambar 2.12 Rangkaian Boost Converter
19
Universitas Sumatera Utara
2.5.1 Prinsip Kerja Boost Converter
Kemampuan boost converter untuk menaikan tegangan dc
berkaitan dengan prinsip switch duration (ton dan toff switch). Saat saklar
atau switch MOSFET pada kondisi tertutup (ton), arus akan mengalir ke
induktor sehingga menyebabkan energi akan tersimpan di induktor. Saat
saklar MOSFET terbuka (toff), arus induktor ini akan mengalir menuju
beban melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan
menurun. Jika dilihat pada Gambar 2.13. Pada saat toff, beban akan
disuplai oleh tegangan sumber ditambah dengan tegangan induktor yang
sedang melepaskan energinya. Kondisi ini yang menyebabkan tegangan
keluaran
menjadi
lebih
besar
dibandingkan
dengan
tegangan
masukannya. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan
konverter ini sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan
waktu pembukaan saklar[13].
(a)
(b)
Gambar 2.13 Prinsip Kerja Boost Converter
(a). Saklar ON
(b). Saklar OFF
20
Universitas Sumatera Utara
Regulator boost dapat menaikkan tegangan keluaran tanpa memerlukan trafo.
Karena memiliki satu buah transistor, regulator ini memiliki efisiensi yang
tinggi dan arus masukan kontinyu. Tegangan keluaran sangat sensitif
terhadap perubahan duty cycle k dan sangat sulit untuk menstabilkan
regulator. Arus keluaran rata-rata lebih kecil dibandingkan dengan arus
induktor rata-rata oleh faktor (1-k), dan banyak arus rms yang lebih tinggi
akan mengalir melalui filter kapasitor, sehingga menghasilkan penggunaan
filter kapasitor dan induktor yang lebih besar dibandingkan regulator
buck[13].
21
Universitas Sumatera Utara