TESIS – RE2099
PENGEMBANGAN METODE MAXIMUM POWER POINT TRACKING MENGGUNAKAN FUZZY LOGIC CONTROL DAN BOOST KONVERTER PADA SOLAR SEL
PROGRAM STUDI MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM TENAGA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER 2010
LATAR BELAKANG Pembangkit Listrik
Sumber Energi Alternatif
Diperlukan Metode/Teknologi
Beberapa metode masih ih terdapat d Kekurangan
Bahan Bakar Fosil
Solar Sel
• Harga Mahal •Merusak Lingkungan
Keuntungan •Dapat diperbaruhi •Ramah Lingkungan Kekurangan •Efisiensi Daya Masih Rendah
TUJUAN PENELITIAN 1. Mendapatkan efisiensi maksimum yang tinggi.
pelacakan
daya
2. Mendapatkan hasil analisa dari perbandingan pembangkit Solar Sel menggunakan MPPT d dengan tanpa menggunakan k MPPT
MANFAAT PENELITIAN
¾ Diperoleh suatu metode untuk mendapatkan nilai daya output yang maksimum pada solar sel terhadap p b h irradiasi perubahan i di i dan d temperatur t p t sehingga hi gg dapat d p t meningkatkan efesiensi solar sel.
BATASAN MASALAH 1 Model 1. Model konverter konverter yang digunakan yang digunakan adalah Konverter dc dc‐dc dc tipe boost. 2. Menggunakan Fuzzy Logic Control tipe mandani 3. 3 Pengambilan P bil data dilakukan d dil k k melalui l l i simulasi i l i dengan d membandingkan antara solar Sel yang menggunakan konverter dengan Solar Sel yang tidak dihubungkan dengan konverter. 4. Penelusuran (tracking) dilakukan pada kondisi temperature 25oC, irradiasi temperature 25 C irradiasi 600 W/m 600 W/m2, 800 W/m 800 W/m2, 1000 1000 W/m2 dan beban resistive.
TINJAUAN PUSTAKA
Contoh Aplikasi solar sel ¾ Untuk mendapatkan tegangan yang lebih besar maka Solar Sel dihubungkan secara seri. ¾ Untuk mendapatkan arus yang lebih besar maka Solar Sel dihubungkan secara paralel. paralel
Rangkaian Ekivalen Solar Sel
Gambar 2.3. Rangkaian ekivalen Solar Sel
Sistem Maximum Power Point Tracker Secara Umum Sistem Maximum Power Point Tracker (MPPT) sepenuhnya adalah suatu alat elektronik yang dapat mengubah‐ubah titik operasi dari kurva karakteristik panel surya.
Sistem Panel Surya Yang Terhubung Si t P lS Y T h b Langsung Dengan Beban
Kurva Karakteristik I‐V Dari Panel Surya
Sistem Panel Surya Dengan MPPT Yang Terhubung Kebeban
Pemodelan Panel Surya • Pemodelan dari panel surya berupa rangkaian pengganti sederhana yang terdiri dari sumber arus yang diparalel dengan diode
• • • • •
Pengaruh suhu pada arus saturasi diode (Io). Pengaruh suhu pada arus yang mengalir yang mengalir dari sumber arus panel surya panel surya (IL) Resistor yang dirangkai seri (RS) Faktor kualitas diode (A) yang menjadi parameter variable. F k diode ini Faktor di d i i tergantung dari d i jenis j i sell surya yang digunakan di k
DATA SIMULASI Tabel 4.1. Data teknik panel solar sel
Temperature
T 25°C
Daya Maksimum
Pm
50
W
Arus pada Daya Maksimum
Imp
2.91
A
Arus hubung singkat
ISC
3 25 3.25
A
Tegangan rangkaian terbukaa
VOC
21.75
V
Tegangan pada daya maksimum
Vmp
17.24
V
ff
0.71
Fill factor (FF)
Hasil simulasi panel 4 S1
3.5
S2
2.5 Arus [A]
1000 W/m2
50
P V P ower [W ]
3
60
S1=1KW/m2 S2=0,8KW/m2 S3=0,6KW/m2
S3
2 1.5
40 800 W/m2 30 600 W/m2 20
1
10
0.5 0
0
5
10 15 Tegangan [V]
Gambar 4.2. Karakteristik Tegangan dan Arus PV
20
25
0
0
5
10 15 PV Voltage [V]
Gambar 4.3. Karakteristik Tegangan dan Daya PV
20
25
Tabel 4.2. Daya Maksimum hasil simulasi PV
Irradiasi
Temperatur
(Watt/m²)
((°C) C)
1
250
2
I mp(Ampere)
V mp(Volt)
Pmaks (Watt)
25
0.6418
16.84
10.8086
300
25
0.7678
17.35
13.3217
3
400
25
1.0805
17.35
18.7474
4
500
25
1.3910
17.35
24.1334
5
600
25
1.6987
17.35
29.4717
6
700
25
2.0031
17.35
34.7534
7
800
25
2.3036
17.35
39.9683
8
900
25
2.5997
17.35
45.1051
9
1000
25
2 8906 2.8906
17 35 17.35
50 000 50.000
No.
Simulasi Panel Solar Sel Tanpa Menggunakan MPPT Irradiasi 800 W/m2 dan beban 20 ohm 30 Tegangan Arus Daya
Am mper/ Volt / Watt
25 20 15 10 5 0
1
1.1
1.2
1.3
1.4 1.5 1.6 Waktu (Detik)
1.7
1.8
1.9
2
Gambar 4.4. Kurva keluaran dari panel surya tanpa menggunakan MPPT Parameter Vout Iout Pout Pmax Efisiensi Tracking Daya Max
Hasil Simulasi 20 39 Volt 20.39 1.019Ampere 20.78 Watt 39.9683Watt 51.99 %
Simulasi Panel Solar Sel Tanpa MPPT Dengan Nilai Beban Yang Berubah Tanpa MPPT 50
1000 W/m2 800 W/m2
40 Day a (W W att)
600 W/m2 30 20 10 0
2
4
6
8
10 12 Resistansi (Ohm)
14
16
Gambar 4.5 Daya keluaran dengan beban variasi
18
20
PEMODELAN MPPT MENGGUNAKAN FLC DAN BOOST CONVERTER PADA SOLAR SEL Model Sistem
Gambar 3.1. Diagram blok desain yang diusulkan
MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) ¾ Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah suatu sistem untuk mencari point (titik) maksimum dari tegangan dan arus keluaran pada aplikasi panel surya, sehingga dapat membangkitkan daya maksimum sesuai dengan kemampuan panel surya tersebut ¾ Titik daya maksimum suatu panel solar sel berhubungan dengan daya puncak (peak of power) P(t) = V(t)I(t) Dengan V(t) = tegangan terminal keluaran panel solar sel I(t) = arus terminal keluaran panel surya
PEMODELAN BOOST CONVERTER SEL Rangkaian konverter boost pada rangkaian ini berfungsi untuk menaikkan tegangan sehingga dapat digunakan untuk memaksa panel surya agar didapatkan daya keluaran maksimal yang dapat dihasilkan oleh panel surya
Induktor/Kapasitor
Keterangan
L (Induktor)
4.5mH
C (Kapasitor) ( i )
33 9 33.59µF
Parameter Boost konverter
L= C≥
Vin .k f s .ΔI
(3.8)
I o .k f s .ΔVC
(3.9)
FUZZY LOGIC CONTROL Nama = FLC Metode implikasi = min
FLC
Tipe = mamdani Metode Defuzzifikasi = centroid
Tujuan Mendapatkan duty cycle untuk daya maksimum
Vpv 1 1 2 Ipv
FLC
Gambar 3.9. Blok FLC dalam simulink MATLAB
Duty Cycle [k]
Variabel Masukan FLC Tegangan
Derajat Keanggotaa an
MFs Input FLC VVS VS S M B VB VVB
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
5
10
15
20
Vpv
Gambar 3.10. Fungsi keanggotaan input tegangan
Nama = Tegangan Interval = [0 l [ MF1 = VVS : trimf, [0 15.63 MF2 = VS : trimf, [15.63 16.55 MF3 = S : trimf,, [[16.55 17.45 MF4 = M : trimf, [17.45 18.37 MF5 = B : trimf, [18.37 19.27 MF6 = VB : trimf, [19.27 20.18 MF7 VVB t i f [20.18 MF7 = VVB : trimf, [20 18 21.08 21 08
24]] 16.55] 17.45] 18.37]] 19.27] 20.18] 21.08] 24 00] 24.00]
Jumlah l h MFs = 7
Variabel Masukan FLC Arus MFs Input FLC VVS
Derajat Keangg gotaan
1
VS
S
M
B
VB
VVB
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.5
1
1.5
2 Arus
2.5
3
3.5
4
Gambar 3.11. Fungsi keanggotaan input arus
Nama = Arus Interval = [0 MF1 = VVS : trimf, [0.0 0.50 MF2 = VS : trimf, [0.50 1.50 MF3 = S : trimf,f [ [1.50 1.75 MF4 = M : trimf, [1.75 2.00 MF5 = B : trimf, [2.00 2.25 2.5 MF6 = VB : trimf,, [[2.25 MF7 = VVB : trimf, [2.5 3.0
4] 1.50] 1.75] 2.00]] 2.25] 2.50] 3.00]] 4.00]
Jumlah MFs = 7
Variabel Keluaran FLC Duty Cecle MFs Output FLC Derajat Keangg gotaan
VVS 1
VS SMB VB
VVB
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2 0.25 Duty Cycle (k)
0.3
0.35
0.4
0.45
Gambar 3.12 Fungsi keanggotaan ouput duty cycle
Nama = Duty Cycle Interval =[0 0.45] MF1 = VVS : trimf, [0.0 0.01 MF2 = VS: trimf, [0.2095 0.2195 MF3 = S : trimf MF3 = S : trimf, [0 2195 0.2295 [0.2195 0 2295 MF4 = M : trimf, [0.2295 0.2395 MF5 = B : trimf, [0.2395 0.2495 MF6 = VB : trimf, [0.2495 0.2595 MF7 = VVB : trimf, [0.345 0.35
Jumlah MFs = 7 0.02] 0.2295] 0 2395] 0.2395] 0.2495] 0.2595] 0.2695] 0.355]
Tabel 3.1 3 1 Aturan Dasar FLC V VVS
VS
S
M
B
VB
VVB
I VVS
VVS
VVS VVS
VS
VS
VVS
VVS VVS
VS
S
M
B
S
VVS
VVS
VS
S
M
B
VB
M
VVS
VS
S
M
B
VB
VVB
B
VS
B
VB
VVB
VVB
VB
S
M
B
VVB VVB
VVB
VVB
M
B
VB
VVB VVB VVB
VVB
VVB VVB
VB
VVS VVS
Aturan Dasar: 1. If V is VVS and I is VVS then D is VVS 2. If V is VS and I is VVS then D is VVS 3 If V 3. If V is S is S and I and I is VVS is VVS then D then D is VVS is VVS
VS
HASIL SIMULASI MENGGUNAKAN MPPT 24.35
Tegangan [Volt]]
24.3
Hasil simulasi menngunakan k MPPT dengan irradiasi 1000 dan beban 12 Ohm
24.25
24.2
24.15
24.1
0.015
0.0155
0.016
0.0165
0.017 0.0175 0.018 Waktu [Detik]
0.0185
0.019
0.0195
0.02
Gambar 4.6 Tegangan keluaran sistem panel surya dengan MPPT Arus Keluaran Pada Beban 12 Ohm dengan Irradiasi 1000 W?m2 2.03
Arus [Amper]
2.025
2.02
2.015
2.01
2.005 0.017
0.0175
0.018
0.0185 Waktu [Detik]
0.019
0.0195
0.02
Gambar 4.7 Arus keluaran sistem panel surya dengan MPPT
Tabel 4.4 Hasil simulasi menngunakan MPPT dengan irradiasi 1000 dan beban 12 Ohm Daya Keluaran Pada Beban 12 Ohm Dengan Irradiasi 1000 W/m2 60 Daya M D Masukan k Daya Keluaran
Parameter
50
Daya [Watt]
MPPT
MPPT
40
30
20
10
0
Tanpa
0
0 002 0.004 0.002 0 004 0.006 0 006 0 0.008 008 0.01 0 01 0.012 0 012 0.014 0 014 0.016 0 016 0.018 0 018 Waktu [Detik]
Gambar 4.8 Daya keluaran sistem panel surya dengan MPPT
0 02 0.02
Vout
19.99 V
24.23 V
Iout
1.67 A
2.017 A
Pout
33.30 W
48.87 W
Pma Pmax
50 W
50 W
Frekuensi
20 kHz
Duty Cycle (k)
0.26
Efisiensi
66.6%
97.74 %
MPPT Kenaikan eff.
31.14 %
Simulasi Panel Solar Sel Dengan Menggunakan MPPT Arus Keluaran Pada Beban 14 Ohm 1.71 Vo pada beban 14 Ohm 23.9
1.7 23.8
1.69 Arus {Amper]
23.7
Tegangan [Volt]
23.6 23.5 23.4
1.68
1.67
1.66
23.3 23.2
1.65
23.1
1.64 23
0.017
0.0175
0.018 0.0185 Waktu [Detik]
0.019
0.0195
Daya Keluaran Pada Beban 14 Ohm Dengan Irradiasi 800 W/m2
0.0175
0.018 0.0185 Waktu [Detik]
0.019
0.0195
0.02
Parameter
Tanpa MPPT
Dengan MPPT
Vout
19.83 V
23.54 V
30
Iout
1.42 A
1.68 A
25
Pout
28.08 W
39.56
Pmax
39.69 W
39.69
45 40 35
Daya [Watt]
0.017
0.02
20 15 10
Daya Masukan Daya Keluaran
5 0
0
0.005
0.01
0.015 Waktu [Detik]
0.02
0.025
Frekuensi
20 kHz
Duty Cycle (k)
0.24
0.03
Efisiensi MPPT Kenaikan ef. PPT
70.75%
99.67 % 28.92 %
Simulasi Panel Solar Sel Dengan Menggunakan MPPT- 600 W/m2 Keluaran Tegangan Pada Beban 20 Ohm Dengan Irradiasi 600 W/m2
Keluaran Arus Pada Beban 20 Ohm Dengan Irradiasi 600 W/m^
23.85 1.192
23.8
1.19 1.188 Arus [Amper]
23.7
23.65
1 186 1.186 1.184 1.182 1.18
23.6 1.178
23.55
1 176 1.176 0.017
23.5 0.017
0.0175
0.018
0.0185 Waktu [Detik]
0.019
0.0195
0.0175
0.018
0.02
0.0185 Waktu [Detik]
0.019
0.0195
0.02
Parameter
Tanpa MPPT
Dengan MPPT
30
Vout
19 85 V 19.85
23 72 V 23.72
25
Iout
0.99 A
1.19 A
20
Pout
19.70
28.14 W
15
Pmax
29 43 W 29.43
29 43 W 29.43
10
Frekuensi
20 kHz
5
Duty Cycle (k)
0.22
Keluaran Daya Pada Beban 20 Ohm Dengan Irradisi 600 W/m2
Daya a [Watt]
Tegangan [Volt]
23.75
0
0
0 002 0.004 0.002 0 004 0.006 0 006 0 0.008 008 0.01 0 01 0.012 0 012 0.014 0 014 0.016 0 016 0.018 0 018 Waktu [Detik]
0 02 0.02
Efisiensi MPPT Kenaikan Efisiensi MPPT
66 94 % 66.94
95 62 % 95.62 28.68 %
Simulasi Panel Solar Sel Menggunakan MPPT Dengan Nilai B b Yang Beban Y g Berubah B b h Simulasi panel surya dibebani dengan berbagai nilai beban resistansi, mulai dari 1 Ohm sampai 14 Ohm, dengan suhu kerja panel surya sebesar 25 oC. 50
Dayya (Watt)
40
30
20 Po --> 1000 W/m2 Po --> 800 W/m2
10
Po --> 600W/m2 0
2
4
6 8 Resistansi (Ohm)
10
12
Gambar 4.15. Daya keluaran dengan beban variasi
14
4.4. Perbandingan Hasil Simulasi Menggunakan MPPT dan tanpa MPPT MPPT dan Tanpa MPPT
MPPT dan Tanpa MPPT
50
40
45
35
Daya (W Watt)
35 30 25 MPPT1 Tanpa MPPT MPPT2
20 15
2
4
6
8 Resistansi (Ohm)
10
12
30 25 20 MPPT1 Tanpa MPPT MPPT2
15
14
Gambar 4.16. Daya keluaran untuk irradiasi 1000 W/m2
10
2
4
6
8 Resistansi (Ohm)
MPPT dan Tanpa MPPT
25
20
15
MPPT1 Tanpa MPPT MPPT2
10
5
2
4
10
12
14
Gambar 4.17 Daya keluaran untuk irradiasi 800 W/m2
30
Daya (Watt)
Daya (W Watt)
40
6
8 Resistansi (Ohm)
10
12
14
Gambar 4.18 : Daya keluaran untuk irradiasi 600 W/m2
60
3
50
2.5
40
2
Arus (Am mper)
Power(W Watt)
Perbandingan Daya Hasil Simulasi Menggunakan MPPT dan Daya Puncak
30 20
Ppeak Pmppt
10 0 300
400
500
600
700
800
900
1.5 1 0.5
1000
0 300
Insolation (Watt/m2)
25 Vpeak Vmppt Vo oltage(Volt)
20
15
10
5 300
400
500
600
700
800 2
Insolation(Watt/m )
900
Ipeak Imppt
1000
400
500
600
700
800 2
Insolation (Watt/m )
900
1000
Tabel 4.7. Perbandingan daya puncak dan daya hasil MPPT Irradiasi
Ppuncak
PMPPT
Duty Cycle
η MPPT
(k) 300 W/m2
13.32 W
13.18 W
0.01
98.91%
400 W/m2
18.75 W
18.57 W
0.01
99.06%
500 W/m2
24.13 W
23.94 W
0.01
99.23%
600 W/m2
29.47 W
29.02 W
0.13
98.47%
700 W/m2
34 75 W 34.75
32 72 W 32.72
0 23 0.23
94 16% 94.16%
800 W/m2
39.97 W
38.25 W
0.23
95.70%
900 W/m2
45.11 W
43.54 W
0.25
96.51%
1000 W/m2
50.00 W
48.33 W
0.28
96.65%
PENUTUP KESIMPULAN
1. Penggunaan sistem Maximum Power Point Traking (MPPT) pada sistem i panell surya dapat d memaksa k panell surya menghasilkan h ilk daya keluaran yang maksimum pada berbagai irradiasi matahari. 2. Presentase kenaikan daya output Solar Sel saat menggunakan MPPT pada temperatur 25ºC dan variasi irradiasi Solar Sel 1000 W/m2, 800 W/m2 serta 600 W/m2 adalah 31,14%, 28.92% dan 28.68%. 3. Daya input dan output Boost Converter tidak sama, hal tersebut disebabkan karena adanya rugi‐rugi pada konverter yang disebabkan oleh rugi‐rugi proses switching yang tidak idial, sehingga gg efisiensi berkurang. g 4. Efisiensi MPPT mencapai 94,16% sampai 99,23 %
SARAN
1.
2.
3. 4.
Penelitian ini dapat dilanjutkan dengan mengaplikasikan pada peralatan‐peralatan l l yang tersedia di di laboratorium l b i b d berdasarkan k parameter‐parameter yang telah disimulasikan. Untuk dapat memperoleh efisiensi yang lebih baik pada setiap beban dan iradiasi maka metode FLC diperlukan uji coba yang lebih banyak. Untuk meningkatkan effisiensi MPPT yang lebih baik dapat dilanjutkan dengan menggunakan Buck_boost Buck boost converter. Dengan menggunakan metode yang lain, diharapkan dapat menghasilkan metode kendali yang lebih baik pada penggunaan Solar Sel p pada masa yyangg akan datang. g
DAFTAR PUSTAKA [1] Geoff Walker “Evaluating MPPT Converter Topologies Using A Matlab PV Model”, Dept of Computer Science and Electrical Engineering, University of Quensland, Australia. [2] Kyoungsoo Roo and Saifur Rahman “Two-Loop Controller for Maximizing Performance of a Grid-Connected Solar Cell-Fuel Cell Hybrid Power Plant”, IEEE Transactions T t on Energy E C Conversion, V l 13, Vol. 13 No.3, N 3 September S t b 1998. 1998 [3] Eftichios Koutroulis, Kostas Kalaitzakis . “Development of a MicrocontrollerBased, Solar Cell Maximum Power Point Tracking Control System”. Elsevier : IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16. No. 1, January 2001.
[4]Th d L Kottas, K tt Yi i S. S Boutalis B t li and d Athanassios Ath i D Karlis. K li “New “N [4]Theodoros L, Yiannis D. Maximum Power Point Tracking for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks”. Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No.3, September 2006. [5] Yiannis,Boutalist, Athanassios D, Karlis, Theodoros L, Kottas,”Fuzzy Cognitive y Controller as self adapting p g control system y for Tracking g Networks+Fuzzy Maximum Power Point at a PV_Array”,IEEE Transactions on Energy Conversion,1-4244-0136-4/06/2006 [6]I H Altas, [6]I.H Altas A.M. A M Sharaf, Sharaf ”aa Novel Maximum Power Fuzzy Logic Controller for Photovoltaic Solar Energy Systems”, Elsevier,388-399 (2008) [7]Tom Markvart and Luis Castaner, “Solar Cells : Fundamental and Applications” Elsevier, Ltd. 2003. [8]Ned Mohan,
Tore M. Undeland, William P. Robins, “Power Electronic
pp and Design”, g John Wiley y & Sons, Inc. Converters, Applications,
[9] Rashid, R hid Muhammad M h d H, H “Power “P El t i Circuits, Electronics Ci it Devices, D i A d Applications” And Appli ti ” Third Edition, Pearson Education International. [10] Prof. Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng.,”Tutorial Power Electronic”, 2008 [11] J,-S.R. Jang.C.-T.Sun. E. Mizutani, “Neuro-Fuzzy and Soft Computing”, Prentice_Hall International © 1997 g Agus g Naba, ”Belajar j Cepat p Fuzzy y Logic g Menggunakan gg Matlab”,Andi [12] Dr. Eng. Yogyakarta. 2009 [13] JancarleL, Santos, Fernando Antunes, Anis Chehab, Cicero Cruse, “ A maximum power point tracking for PV system using a high performance boost converter”, solar energy, 2006
