44-Article Text-67-1-10-20180105

Please download to get full document.

View again

of 9
0 views
PDF
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Document Description
Jurnal
Document Share
Document Transcript
  Jurnal JPE, Vol.21, No.02, Bulan November, Tahun 2017 JPE UNHAS © 2017 Jurnal Penelitian Enjiniring, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Hal | 16 Sistem Pengendali Pengisian Baterai pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya   Asma Ainuddin* 1 , Salama Manjang 1 , Faizal Arya Samman 1 1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Makassar Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10, Tamalanrea Indah, Makassar, *Email: asmaainuddin11@gmail.com  Abstrak Kerusakan baterai merupakan permasalahan yang sering terjadi pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Beberapa  penyebabnya yaitu keadaan pengisian yang berlebih, tegangan terlampau rendah dan suhu baterai yang terlalu panas. Pemanfaatan sistem kendali pengisian baterai merupakan solusi terbaik. Selain berfungsi untuk mempertahankan tegangan luaran panel surya pada level tegangan baterai, sistem ini juga mengendalikan waktu pengisian. Pada paper ini, sistem pengisian baterai dibangun dari rangkaian DC ke DC konverter menggunakan charge pump , rangkaian kendali menggunakan Arduino Mega, dan rangkaian pengisian baterai. Tahap perancangan terdiri dari simulasi,  pembuatan perangkat keras, dan perangkat lunak. Simulasi karakteristik charge pump  menggunakan PSpice dengan konfigurasi dioda dan Mosfet sebagai komponen pensaklaran. Karakteristik yang didapatkan berupa penguatan tegangan maksimum sebesar 2.44×, rekuensi kerja 10 kHz hingga 250 kHz, dan nilai tahanan beban antara 1 Ohm hingga 5 kOhm. Berdasarkan hasil tersebut diketahui pula bahwa penggunaan dioda lebih baik dibanding penggunaan Mosfet, oleh karena itu perangkat keras charge pump  dirancang dengan menggunakan dioda. Pengetesan rangkaian dilakukan dengan menghubungkan panel surya ke masukan sistem kendali, hasil akhir menunjukkan sistem kendali  pengisian baterai mampu mempertahankan kondisi tegangan pada level baterai yaitu sebesar 12 V walaupun tegangan  panel surya bervariasi pada nilai 6 V hingga 10 V.  Abstract The Battery fault is a problem that occurs in Solar Power Plant. It happens because over-charging, undervoltage and over-temperature. Used battery charging control system is the best solution. In addition to maintaining the output voltage of the solar panel at the battery voltage level, this system also controls the charging time. In this paper, the  battery charging system is built from DC to DC converter circuit using charge pump, control circuit using Arduino Mega, and battery charging circuit. The design stage consists of simulation, hardware-design, and software-design. Simulation of charge pump characteristics using Pspice with diode configuration and Mosfet as switching component. Characteristics obtained in the form of maximum voltage gain of 2.44x, working frequency of 10 kHz up to 250 kHz, and load resistance value between 1 Ohm to 5 kOhm. Based on these results, the circuit with diodes is better than Mosfets, therefore the charge pump hardware is designed using diodes. The circuit testing by connecting the solar  panel to the control system input, the final result shows that the battery charging control system is able to maintain the voltage condition at the battery level of 12 V although the solar panel voltage varies from 9 V to 10 V. Kata-kunci:  Energi terbarukan, Konverter DC/DC, Kontroler PID.   1.   Pendahuluan Permintaan energi dunia terus meningkat sepanjang sejarah peradaban umat manusia. Proyeksi permintaan energi pada tahun 2050 hampir mencapai tiga kali lipat. Tampaknya masalah energi akan tetap menjadi topik yang harus dicarikan solusinya secara bersama-sama. Pemanfaatan energi telah berkembang dan meningkat sesuai dengan perkembangan manusia itu sendiri. Usaha untuk mendapatkan energi alternatif telah lama dilakukan untuk mengurangi ketergantungan terhadap sumber daya minyak bumi. Pemanfaatan minyak bumi diperkirakan akan habis dalam waktu yang tidak lama jika pola pemakaian seperti sekarang ini yang justru semakin meningkat dengan meningkatnya industri maupun transportasi [1]. Permintaan listrik di Indonesia tumbuh dari 90 terawatt-hours  (TWh) di tahun 2003 menjadi 190 TWh di tahun 2013. Namun,  jumlah pasokan tidak dapat mengejar laju  permintaan yang mengakibatkan terjadinya  pemadaman. Solusi saat ini masih bergantung  pada bahan bakar minyak dimana kurang lebih 13 persen dari listrik Indonesia masih dihasilkan dari bahan bakar minyak. Biaya untuk menghasilkan listrik dari bahan bakar minyak tidak murah, yaitu dikisaran harga 0,18 sen/kWh dibandingkan dengan 0,05 sen/kWh  Jurnal JPE, Vol.21, No.02, Bulan November, Tahun 2017 JPE UNHAS © 2017 Jurnal Penelitian Enjiniring, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Hal | 17  jika menggunakan batu bara. Hanya 1 GW dari  potensi geotermal Indonesia yang dikembangkan. Kekurangan sumber daya listrik yang handal dan murah menjadi  penghambat bagi pertumbuhan industri dan  pembangunan sektor manufaktur di Indonesia untuk terus tumbuh mencapai skala yang sama dengan negara-negara tetangganya [2]. Krisis energi yang terjadi dapat diatasi dengan memanfaatkan potensi energi lain yang terbarukan, misalnya energi surya. Pemanfaatan pembangkit listrik tenaga surya di Indonesia memiliki potensi yang sangat besar, didukung dengan letak geografis dan iklim yang ada. Indonesia yang berada dalam wilayah khatulistiwa rata-rata setiap harinya mendapatkan intensitas penyinaran selama 10 sampai 12 jam [3]. Gambar 1. Bagian-bagian PLTS Terlihat pada Gambar 1 bagian-bagian pada PLTS diantaranya panel surya, MPPT, kontrol charger  , baterai, DC-DC converter  , inverter  , dan beban AC. Energi surya dikonversi menjadi energi listrik melalui panel surya atau fotovoltaik. Energi listrik yang dihasilkan kemudian disalurkan ke beban dan sebagian disimpan dalam sebuah baterai. Baterai merupakan komponen penting pada  pembangkit listrik tenaga surya, yang berfungsi untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh panel surya. Sehingga listrik tetap dapat digunakan pada malam hari. Kontrol charger   digunakan sebagai kendali pengisian baterai dan menjaga level teagangan baterai pada kondisi normal. DC-DC converter   mampu mengubah nilai keluaran baterai menjadi nilai tertentu sehingga dapat digunakan langsung untuk beban DC. Sedangkan inverter digunakan untuk mengubah tegangan keluaran  baterai menjadi tegangan AC agar dapat digunakan oleh beban AC. Tahun 2011, Shi-cheng Zheng dan Liang-yu Wang melakukan penelitian dengan judul  Research on Charging Control for Battery in  Photovoltaik System . Penelitian ini bertujuan mengatasi masalah rentan hidup baterai yang  belum optimal, yang merupakan kendala pada  perkembangan industri panel surya. Dalam  penelitian ini dilakukan simulasi untuk menganalisa arus, tegangan, dan temperature  baterai. Metode pengisian tiga tahap digunakan untuk mempertahankan kondisi baterai dalam sistem ini. Hasil penelitian menunjukkan  bahwa proses pengisian membutuhkan waktu yang singkat dan peningkatan tingkat akurasi  pengisian pada tegangan konstan dan out-charge  sehingga rentan hidup baterai dapat lebih panjang [4]. Tahun 2013, Kevin O. Davis, dkk melakukan penelitian dengan judul  Novel Cascaded Batterry Charging Architecture for  Photovoltaik System . Dalam karya ini, arsitektur pengisian baterai yang diusulkan dan divalidasi menggunakan energi fotovoltaik optimal untuk melakukan pengisian baterai dengan cepat dan aman. Menggunakan charge controller   bertujuan untuk memperpanjang hidup baterai melalui pemantauan karakteristik  baterai, dan kemudian menentukan proses  pengisian baterai yang tepat, cepat dan esfsien. Penelitian ini dilakukan dengan simulasi, dimana panel surya disusun secara array  dengan MPPT menggunakan algoritma  Perturb and Observe  (P&O) untuk mencari daya output maksimum yang terintegrasi dengan sistem  pengisian baterai [5]. Tahun 2015, Florin Biziitu melakukan  penelitian dengan judul  Dickson Charge Pump  Regulation Mecanism Optimized for EMC  Performance . Pada penelitiannya, ditambahkan kontrol adaptif pada tegangan sumber  Dickson charge pump  sehingga mampu meningkatkan efisiensi daya [6]. 2.   Deskripsi Permasalahan Salah satu permasalahan yang sering terjadi  pada PLTS yaitu kerusakan baterai. Keadaan over charging  , under voltage  dan temperatur  baterai yang terlalu panas sering menjadi  pemicu kerusakan pada baterai. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah Sistem Pengendali Pengendali Pengisian Baterai pada PLTS sebagai topik penelitian pada paper ini, sehingga kondisi baterai dapat diketahui secara real time. Dengan sistem kontrol ini, usia  penggunaan baterai dapat diperpanjang.  Jurnal JPE, Vol.21, No.02, Bulan November, Tahun 2017 JPE UNHAS © 2017 Jurnal Penelitian Enjiniring, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Hal | 18 3.   Perancangan Gambar 2. Blok diagram sistem pengendali kontrol charging baterai Blok diagram pengisian baterai diperlihatkan pada Gambar 2, sistem menggunakan rangkaian DC ke DC konverter. Tipe konverter yang digunakan yaitu Charge  Pump , CP (pompa muatan). CP menggunakan kapasitor sebagai elemen penyimpan energi untuk membuat sumber daya tegangan menjadi tinggi atau rendah. CP digunakan dalam  banyak aplikasi seperti Power IC, CMOS [7], time filters , dan EEPROM, karena tegangan yang lebih tinggi dari catu daya sering dibutuhkan. Rangkaian CP yang digunakan dalam penelitian yaitu CP 2 tahap dengan dioda. Gambar 3. Model simulasi CP: (a) dioda; (b) Mosfet Gambar 3 menunjukkan skema rangkaian dengan mengganti saklar dengan konfigurasi dioda (a) dan Mosfet (b). Keuntungan utama yang diberikan oleh dioda adalah tidak adanya sinyal kontrol saklar. Kelemahannya adalah  pengurangan voltase keluaran CP karena ketika sebuah dioda dibias maju, hal itu menyebabkan kehilangan tegangan sama dengan voltase maju dioda [8]. Sistem yang dirancang menggunakan Arduino Mega sebagai kontroler utama. Arduino beroperasi berdasarkan program yang disematkan di dalam memori mikrokontroler-nya. Perintah yang disematkan termasuk  pembacaan sensor tegangan dan pembangkitan  pulsa untuk mengatur waktu pensaklaran CP [9]. 3.1. Pemodelan PSpice Pemodelan simulasi CP dengan dioda terdiri dari tiga skenario yaitu simulasi CP terhadap tegangan masukan bervariasi dengan tahanan beban dan frekuensi tetap, simulasi CP terhadap frekuensi yang bervariasi dengan tegangan masukan dan tahanan beban yang tetap, dan simulasi CP terhadap tahanan beban  bervariasi dengan tegangan masukan dan frekuensi yang tetap. Model rangkaian CP menggunakan dioda sebagai komponen pensaklaran pada ditunjukkan pada Gambar 4, sedangkan CP menggunakan Mosfet pada Gambar 5. Gambar 4. Model Rangkaian simulasi CP dioda Gambar 5. Model rangkaian simulasi CP Mosfet 3.2. Skenario Simulasi Gambar 6 (a) adalah diagram pengukuran  pada simulasi CP terhadap tegangan masukan  bervariasi dengan tahanan beban dan frekuensi tetap. Pengukuran ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP terhadap perubahan tegangan masukan. Parameter tegangan masukan akan diatur bervariasi tanpa mengubah tahanan  beban RL dan frekuensi pulse. Tegangan masukan maksimum yang diberikan sesuai dengan spesifikasi  solar cell   yaitu sebesar 36 V. Tegangan minimum yang diberikan yaitu 6 V.  Jurnal JPE, Vol.21, No.02, Bulan November, Tahun 2017 JPE UNHAS © 2017 Jurnal Penelitian Enjiniring, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Hal | 19 Gambar 6. Diagram pengukuran tanpa sistem kendali: (a) Tegangan masukan berubah; (b) Frekuensi Pulse Berubah; (c) Tahanan beban berubah Gambar 6 (b) adalah diagram pengukuran  pada simulasi CP terhadap frekuensi yang  bervariasi dengan tegangan masukan dan tahanan beban yang tetap. Pengukuran ini  bertujuan untuk melihat karakteristik CP terhadap perubahan frekuensi pulse dan mengamati frekuensi maksimum dan minimum yang dapat diberikan pada CP. Parameter frekuensi pulse akan diatur bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RL dan tegangan masukan. Frekuensi pulse yang diberikan yaitu sebesar 1 Hz hingga 260 kHz. Tegangan masukan yang diberikan yaitu 12V dengan resistor beban 10 Ohm. Gambar 6 (c) adalah diagram pengukuran simulasi CP terhadap tahanan beban bervariasi dengan tegangan masukan dan frekuensi yang tetap. Pengukuran ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP terhadap perubahan tahanan  beban dan mengamati nilai tahanan maksimum dan minimum yang dapat diberikan pada CP. Parameter tahanan akan diatur bervariasi tanpa mengubah frekuensi pulse dan tegangan masukan. Tahanan beban yang diberikan yaitu sebesar 1Ohm hingga 20 k  Ω . Tegangan masukan yang diberikan yaitu 12V dengan frekuensi pulse sebesar 100 kHz. 3.3. Perangkat keras Gambar 7 memperlihatkan blok dari sistem kendali pengisian baterai yang dibuat. Fungsi dari masing-masing blok yaitu :     Photo coupler  . Blok ini berfungsi untuk memisahkan jalur tegangan power dan kontrol. Terdiri dari komponen photo coupler sebagai pemisah dan resistor sebagai  pembatas arus dan pull up.     Relay driver  . Blok ini berfungsi sebagai  penggerak relay. Menggunakan transistor sebagai saklar elektronik dan resistor  pembatas arus. Kerja dari relay tergantung dari sinyal yang di umpankan pada basis transistor.    Gate Driver  . Blok ini merupakan penggerak Power Mosfet. Terdiri dari transistor dan resistor. Masukan sinyal didapat dari  Photo coupler  , luaran dari blok ini terhubung dengan  gate Power Mosfet.     Power Mosfet  . Merupakan rangkaian daya yang berfungsi menguatkan sinyal pulsa yang akan umpankan ke blok 2  stage charge  pump .    2  stage charge pump . Bagian ini merupakan rangkaian DC-DC konverter. Rangkaian ini menggunakan dioda sebagai komponen  pensaklaran dan kapasitor yang berfungsi sebagai kapasitor transfer dan kapasitor  beban. Gambar 7. Diagram blok perancangan sistem kendali pengisian baterai Gambar 8 menunjukkan diagram alir dari sistem kendali yang dibuat. Kendali yang digunakan merupakan sistem kendali sederhana yang disematkan pada rangkaian kontrol Arduino Mega Sistem akan membandingkan nilai pembacaan keluaran dengan nominal keluaran yang telah ditetapkan. Jika nilai luaran lebih besar dari nilai yang ditetapkan, maka sistem akan memberikan isyarat pada ragkaian CP untuk mengurangi  penguatan. Sedangkan saat nilai luaran kurang dari nilai yang ditetapkan, maka sistem kendali
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks