Perpustakaan Unika
ANALISIS STEP-UP CHOPPER SEBAGAI TRANSFORMASI R SEBAGAI INTERFACE PHOTOVOLTAIC DAN BEBAN
LAPORAN TUGAS AKHIR
Oleh : Benediktus Ryan Gumelar 07.50.0020
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2011 i
Perpustakaan Unika
PENGESAHAN
Laporan tugas akhir dengan judul “Analisis Step-Up Chopper sebagai
Transformasi R sebagai Interface Photovoltaic dan Beban“ disetujui dan disahkan pada tanggal . . . November 2011 dan siap untuk diajukan ke ujian tugas akhir. Semarang, . . . November 2011
Menyetujui, Pembimbing
(Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT.) 058.1.1992.110
Mengetahui, Dekan Fakultas Teknologi Industri
(Dr. Florentinus Budi Setiawan, ST, MT) 058.1.1993.150 ii
Perpustakaan Unika
ABSTRAK Kemajuan teknologi elektronika daya pada saat ini telah menyebabkan energi surya (photovoltaic) menjadi populer sebagai salah satu sumber energi terpenting karena sifatnya yang terbarukan, bersih, berlimpah dan bebas polusi. Energi dari photovoltaic (PV) dapat menjadi salah satu alternatif untuk pembangkitan terdistribusi. PV memiliki tingkat energi maksimum pada siang hari, bertepatan dengan waktu kebutuhan listrik yang besar pada jaringan listrik. Dari penelitian yang pernah dilakukan Photovoltaic memiliki tegangan yangtidak stabil tergantung dari intensitas cahaya matahari yang diterima. Untuk memaksimalkan penggunaan daya yang dihasilkan oleh PV digunakan DC-DC chopper sebagai Pengendali Daya Pada Photovoltaic Module. Dengan menggunakan Step - Up chopper sebagai Maximum Power Point Tracker dan maka diharapkan daya yang dikeluarkan oleh PV akan optimal.
iii
Perpustakaan Unika
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan segala rahmat dan anugerahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta laporannya yang menjadi tugas studi penulis sebagai mahasiswa Program Sarjana Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan data – data pengamatan dan pembelajaran (literature) yang diperoleh selama kuliah di Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Pada kesempatan ini penulis tak lupa mengucapkan terima kasih kepada pihak – pihak yang telah banyak membantu selama pelaksanaan Tugas Akhir di Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang dan penulisan laporannya yaitu : 1. Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai setiap jalanku. 2. Bapak, ibu, dan adik
yang tidak henti–hentinya memberikan
dukungan. 3. Bapak Dr. Florentinus Budi Setiawan, ST, MT; selaku Dekan Fakultas Teknologi Industri UNIKA Soegijapranata Semarang, yang telah memberikan saya ijin untuk melaksanakan Tugas Akhir di Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
iv
Perpustakaan Unika
4. Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT; selaku dosen pembimbing dalam penyelesaian Tugas Akhir ini, baik dalam pengerjaan alat telah memberikan saran, kritik, dan semangat hingga selama proses penyusunan laporan Tugas Akhir. 5. Mas E. Agung N, ST; selaku pendamping laboratorium, yang telah memberikan dukungan semangat, informasi mengenai segala hal yang diperlukan selama pengerjaan Tugas Akhir dan selama proses penyusunan laporan Tugas Akhir ini. 6. Seluruh Dosen dan Karyawan Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, yang telah banyak membantu memberikan fasilitas sehingga pengerjaan Tugas Akhir ini dapat berjalan lancar dan cepat selesai. 7. Teman - teman angkatan 2007 : Mbah Otnat, Cizu, Galang, Nico, Apis, Albert, Andika, Dadith dan Matias. 8. Teman - teman Lab Elektro : Vincent, Tedy, Catur, Ram, Yuni, Rufina, Hendy dan lain - lain. Dan semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu – persatu yang telah membantu dalam pelaksanaan Tugas Akhir dan penulisan laporan ini. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih banyak kekurangannya, maka penulis sangat mengharapkan saran maupun kritik dari berbagai pihak untuk perbaikan dimasa yang akan datang. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan permohonan maaf apabila terdapat hal – hal yang kurang berkenan dalam penulisan laporan ini.
v
Perpustakaan Unika
Akhirnya besar harapan penulis bahwa laporan ini dapat memberikan sumbangan yang berarti bagi kemajuan ilmu dan teknologi di lingkungan kampus Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
Semarang,
November 2011
Penulis
vi
Perpustakaan Unika
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ ii ABSTRAK ............................................................................................................. iii KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv DAFTAR ISI ........................................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR ...............................................................................................x DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ....................................................................................1 1.2 Perumusan Masalah .............................................................................3 1.3 Tujuan dan Manfaat ............................................................................3 1.5 Sistematika Penulisan .........................................................................3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluan .........................................................................................5 2.2 Sel PV ..................................................................................................5 2.3 MPPT (Maximum Power Point Tracker) .............................................8 2.4 Chopper (DC – DC Converter) ............................................................8 2.4.1 Topologi Converter DC - DC ....................................................9 2.4.2 Topologi Buck .........................................................................10
vii
Perpustakaan Unika
2.4.3 Prinsip Kerja Buck ...................................................................12 2.4.4 Chopper Step Down Dengan Beban RL ..................................14 2.4.5 Topologi Boost ........................................................................19 2.4.6 Prinsip Kerja Chopper Step Up ...............................................20 2.4.7 Chopper Step Up Dengan Beban RL .......................................24 BAB III FUNGSI CHOPPER SEBAGAI TRANSFORMASI R 3.1 Pendahuluan .......................................................................................26 3.2 Solar Cell............................................................................................27 3.2.1 Prinsip Kerja Solar Cell ...........................................................28 3.2.2 Karakteristik Solar Cell ...........................................................29 3.3 Pembebanan PV secara langsung.......................................................30 3.4 Konsep sel PV dengan Chopper ........................................................32 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Pendahuluan ......................................................................................40 4.2 Prinsip Kerja Sistem Step – Up Chopper MPPT ...............................40 4.2.1 Pergeseran Daya dari A ke B ...................................................42 4.2.2 Pergeseran Daya dari B ke A ...................................................43 4.2.3 Pergeseran Daya dari C ke D ...................................................43 4.2.4 Pergeseran Daya dari D ke C ...................................................44 4.3 Konsep Kendali .................................................................................45 4.4 Rangkaian Multiplier ........................................................................45 4.5 Kontrol Propotional Integral .............................................................46 4.6 Rangkaian Driver ..............................................................................47
viii
Perpustakaan Unika
4.7 PWM (Pulse Width Modulation) ......................................................49 4.8 Pembangkit Gelombang Segitiga ......................................................51 4.9 Simulasi dengan Menggunakan Power Simulator ............................52 4.10 Pengujian Laboratorium ..................................................................54 4.10.1 Pengujian Photovoltaic ..........................................................54 4.10.2 Pengujian MPPT ....................................................................55 4.10.3 Boost MPPT ...........................................................................57 4.11 Pembahasan ......................................................................................59 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan .......................................................................................61 5.2 Saran ..................................................................................................62 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................63 LAMPIRAN ...........................................................................................................64
ix
Perpustakaan Unika
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Rangkaian Ekivalen Solar Panel ..........................................................6 Gambar 2.2 Model sel PV ........................................................................................7 Gambar 2.3 Kurva karakteristik sel PV ...................................................................7 Gambar 2.4 Rangkaian Chopper Boost Converter ...................................................8 Gambar 2.5 Topologi Buck ....................................................................................11 Gambar 2.6 Chopper step down dengan Beban Resitif .........................................13 Gambar 2.7 Chopper dengan Beban RL ................................................................17 Gambar 2.8 Topologi Converter Boost ..................................................................19 Gambar 2.9 Kerja untuk Operasi Step Up .............................................................20 Gambar 2.10 Susunan Transfer Energi ..................................................................22 Gambar 2.11 Chopper Step Up dengan Beban RL ................................................24 Gambar 3.1 diagram Blok Cara Kerja MPPT terhadap PV ...................................26 Gambar 3.2 Rangkaian Ekivalen Solar panel ........................................................29 Gambar 3.3 Daerah Operasi Solar panel ................................................................29 Gambar 3.4 Pembebanan langsung pada sel PV ....................................................31 Gambar 3.5 Titik operasi Kurva I-V pd Pembebanan sel PV secara langsung......31 Gambar 3.6 Titik operasi Kurva P-V pd Pembebanan sel PV secara langsung .....31 Gambar 3.7 Rangkaian Step-Down Chopper .........................................................32 Gambar 3.8 Rangkaian ekuivalen step-down chopper saat saklar S ON ...............33 Gambar 3.9 Rangkaian ekuivalen step-down chopper saat saklar S OFF .............33
x
Perpustakaan Unika
Gambar 3.10 Rangkaian ekuivalen sisi keluaran step-down chopper....................34 Gambar 3.11 Kurva perbandingan tahanan masukan dan keluaran terhadap duty cycle pada step-down chopper ..........................................................33 Gambar 3.12 Rangkaian Step-Up Chopper............................................................37 Gambar 3.13 Rangkaian ekuivalen step-up chopper saat saklar S ON ..................37 Gambar 3.14 Rangkaian ekuivalen step-up chopper saat saklar S OFF ................38 Gambar 3.15 Kurva Duty Cycle.............................................................................39 Gambar 4.1 Kurva Karakteristik Photovoltaic .......................................................40 Gambar 4.2 Pergeseran Daya pada Step – Up Chopper ........................................42 Gambar 4.3 Rangkaian Multiplier .........................................................................45 Gambar 4.4 Diagram Blok Kontrol PI ...................................................................47 Gambar 4.5 Optocoupler TLP 250 .........................................................................47 Gambar 4.6 Rangkaian Driver ...............................................................................48 Gambar 4.7 Rangkaian Penghasil Pulsa PWM ......................................................49 Gambar 4.8 Pulse Width Modulation ....................................................................50 Gambar 4.9 skema Rangkaian Pembangkit Gelombang Segitiga ..........................51 Gambar 4.10 Pembangkit Gelombang Segitiga .....................................................52 Gambar 4.11 Gelombang Segitiga dari XR-2206 ..................................................52 Gambar 4.12 Rangkaian PV - MPPT .....................................................................53 Gambar 4.13 Hasil Simulasi Keluaran Pada Vo dan Vsaklar ................................53 Gambar 4.14 Skema Rangkaian Kendali Dari PV - MPPT ...................................55 Gambar 4.15 Hasil Keluaran Multiplier.................................................................56 Gambar 4.16 Hasil pengalian sinyal AD633 setelah melewati differensiator .......56
xi
Perpustakaan Unika
Gambar 4.17 Sinyal Keluaran dari polaritas Differensiator...................................56 Gambar 4.18 Hasil sinyal dari Rangkaian Error MPPT.........................................57 Gambar 4.19 Gelombang Saklar IGBT pada Pengujian Laboratorium .................57 Gambar 4.20 Sinyal input dan output boost MPPT ...............................................58
xii
Perpustakaan Unika
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Solar Cell .............................................................................27 Tabel 4.1 Pengujian PV secara langsung ...............................................................54 Tabel 4.2 Tabel pembebanan photovoltaic setelah melewati MPPT .....................58
xiii
