Rancang Bangun Sistem Pengaturan Lampu Taman Menggunakan Tenaga Surya Melalui Kontroler Logika Fuzzy
Vera Oxto Tri Arndiyati1, Ir. Moh Zaenal Efendi, MT2, Ir. Sutedjo, MT3 Jurusan Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus PENS-ITS, Keputih, Sukolilo, Surabaya. Telp (+62) 031-59447280 .Fax (+62) 031-5946114 Email:
[email protected] ABSTRAK Lampu taman yang ada di Indonesia masih menggunakan tegangan AC yang berasal dari PLN. Dilain pihak energi matahari sangat berlimpah dan kurang dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Makalah ini mengajukan pemakaian sumber energi matahari sebagai energi alternatif untuk penerangan lampu taman menggunakan lampu LED bertegangan DC. Selain itu penggunaan tegangan sumber dari PLN dapat digunakan sebagai cadangan. Dari solar cell energi listrik disimpan dalam accu dengan cara melakukan pengisian terhadap accu, dimana tegangan keluaran dari solar cell diatur dalam buck converter dengan menggunakan kontroler fuzzy agar didapatkan tegangan keluaran yang konstan untuk proses pengisian accu. Dari desain buck konverter yang telah dibuat dengan tegangan input 16-22 volt, arus 2 A didapat hasil experiment yang menunjukkan bahwa meskipun tegangan input berubah-ubah namun tegangan output tetap konstan 13.5 Volt. Kata Kunci : Accu, Fuzzy, Lampu LED, Buck konverter ABSTRACT Lightning garden in Indonesia is still using the AC voltage from PLN. On the other hand solar energy is abundant and underutilized as a source of electrical energy. This paper proposed the use of solar energy as alternative energy for lighting using LED garden lights, DC voltage. In addition, the use of voltage source of PLN can be used as a backup. From solar photovoltaic electric energy stored in batteries by performing charge of batteries, where the voltage output of solar cells arranged in a buck converter using fuzzy logic controller in order to have a constant output voltage for charging the batteries. Buck converter design has been created with input voltage 16-22 volts, current 2 A obtained experiment results show that although the input voltage changes but the output voltage remains constant 13.3 volts. Keywords : LED, Accu, Fuzzy, Buck converter
1.
surya[4], sebagai negara tropis Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup besar. Pemanfaatan tenaga surya ini tentunya akan lebih efektif jika dalam pengaplikasiannya disertai dengan sitem kontrol yang efektif pula. Salah satu kontrol yang efektif dan sudah mulai banyak diterapkan baik dalam dunia industri maupun dalam penelitian adalah logika fuzzy[3]. Logika fuzzy[3] adalah suatu cara yang tepat untuk memetakan suatu ruang input ke dalam ruang output. Meskipun ada beberapa cara namun logika fuzzy [3]mampu memberikan solusi yang paling baik serta konsep logika fuzzy [3] yang mudah dimengerti. Logika fuzzy[3] memberikan solusi praktis dan ekonomis untuk mengendalikan sistem yang kompleks dan tidak terbatas.
PENDAHULUAN
Pertumbuhan penduduk yang terus meningkat mengakibatkan kebutuhan energipun terus bertambah. Hal ini bertolak belakang dengan ketersediaan energi fosil yang selama ini menjadi bahan bakar utama yang semakin menipis, energi fosil ini sendiri adalah energi yang tidak dapat diperbaharui karena membutukan waktu yang sangat lama dalam pembentukkannya[1]. Untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat, pemerintah terus mengembangkan berbagai energi alternatif, di antaranya energi terbarukan. Potensi energi terbarukan, seperti biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, dan energi angin sampai saat ini belum banyak dimanfaatkan, padahal potensi energi terbarukan di Indonesia sangat besar[2]. Terkait dengan energi
1
Dalam proyek akhir ini, energi matahari dimanfaatkan sebagai energi alternatif pada lampu taman. Energi matahari akan diubah menjadi energi listrik menggunakan sel surya[4] untuk selanjutnya disimpan dalam battery atau accu. Logika fuzzy[3] digunakan dalam converter [5] [6]yang berfungsi mengatur tegangan keluaran dari sel surya selalu konstan sebelum selanjutnya disimpan dalam accu. Tujuan dari proyek akhir ini adalah mengimplementasikan fuzzy logic controller[3] pada buck converter[5] [6] dalam sistem sel surya yang digunakan sebagai tenaga alternatif untuk lampu taman. Manfaat dari proyek akhir ini adalah pemanfaatan energi matahari sebagai energi alternatif yang digunakan untuk lampu taman.
mencapai level tegangan yang ditentukan/accu tidak terisi penuh, maka mikrokontroler akan bekerja untuk mengaktifkan kontak relay sehingga accu akan diisi
2. METODE PENELITIAN
3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Blok diagram secara keseluruhan dari sistem ditunjukkan pada Gambar 1. Energi cahaya matahari yang diterima permukaan panel surya diubah menjadi aliran listrik dc oleh elektron dari photovoltaic. Tegangan keluaran dari sel surya akan diturunkan oleh rangkaian buck converter sebelum masuk ke accu 12 Volt.
Dalam penelitian ini dirancang sebuah buck converter dan fuzzy logic controller dengan pembahasan seperti di bawah ini:
Gambar 2. Rangkaian buck converter
3.1. Buck Converter Untuk memverifikasi performansi konverter buck yang diajukan, didesain sebuah konverter dengan parameter sebagai berikut : Tegangan input solar cell 50 Wp (DC) : 16 – 20 V Frekuensi switching : 40 kHz Tegangan output : 14.4 V Arus beban : 2 A (max) Ripple arus : 20% (400 mA) Ripple tegangan : 4% (0,576 Volt) Inductor : 292µH Capasitor filter output : 1000µF Saklar Q : E Mosfet chanel N, IRFP460 (500 V 18,4 A) Dioda D1 dan D2 : MUR3040PT (Ultrafast rectifiers 30 A 200–600 V) dan FR307 (3.A fast recovery diode)
Gambar 1. Blok diagram system
Dari nilai-nilai komponen di atas, buck converter dapat disimulasikan dengan menggunakan Matrix Laboratory (MATLAB) sebelum diberi kontrol fuzzy seperti terlihat pada Gambar 3 dan Gambar 4 di bawah ini.
Dari blog diagram Gambar 1, konfigurasi rangkaian buck konverter yang diusulkan terlihat pada Gambar 2. Buck converter berfungsi sebagai penurun tegangan. Dalam penelitian ini digunakan software Matrix Laboratory (MATLAB) untuk mensimulasikan fuzzy logic controller sebagai pengatur tegangan keluaran dari buck converter setelah sel surya. pada sistem tersebut solar cell dihubungkan ke buck konverter yang berfungsi mengatur tegangan keluaran buck konverter agar konstan yang nantinya akan digunakan untuk mengisi accu dan sesuai dengan tegangan yang diperlukan untuk mengisi accu 12 Volt yaitu 14.4 Volt. Tegangan keluaran dari buck ini diatur dengan metode logika fuzzy melalui mikrokontroler. Selanjutnya accu langsung digunakan untuk mensuplai beban DC. Jika pada accu tidak
Gambar 3. Tegangan output buckconverter saat sebelum kontrol
2
Gambar 5. Bentuk tegangan output buck konverter setelah menggunakan kontrol fuzzy.
Gambar 4. Arus output buck converter saat sebelum kontrol
Sedangkan pengujian hardware dan kontrol buck konverter secara lengkap dilakukan dua tahapan yaitu pengujian performance buck konverter dan pengujian kontrol fuzzy. Parameter utama yang diamati adalah tegangan output buck konverter berdasarkan tegangan input yang bervariasi. Tabel 2 menunjukkan karakteristik buck konverter dan Tabel 3 menunjukkan performance kontrol yang telah dibuat. (6) Tabel 2. Karakteristik buck konverter (7)
3.2. Kontrol Logika Fuzzy Kontrol logika fuzzy yang dipakai dalam sistem ini adalah tipe mamdani. Fungsi keanggotaan yang direncanakan untuk input Err dan ∆Err (kesalahan dan perubahan kesalahan) yang masingmasing terdiri dari tiga membership function, di mana: Err(n) = SP(n) – PV(n) ∆Err(n) = Err(n) – Err(n-1) Sedangkan fungsi keanggotaan output fuzzy terdiri dari 3 membership function. Membership function input dan output dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini:
D_cycle (%)
Tabel 1. Membership fuction input dan output fuzzy Derr Error NE ZE PE
NER PBE PSE NSE
ZER PME ZE PME
PER PSE NSE NBE P
ada penelitian ini, input dari logika fuzzy yang digunakan adalah input tegangan yang terdiri dari input error dan delta error. Metode yang digunakan pada logika fuzzy ini adalah menggunakan metode Mamdani. Pengujian performance desain konverter dilakukan dengan menggunakan software Matrix Laboratory (MATLAB) yang digunakan untuk mensimulasikan fuzzy logic controller sebagai pengatur tegangan keluaran dari buck converter setelah sel surya. Parameter utama yang diamati adalah Tegangan output buck konverter. Gambar 5 bentuk tegangan output buck konverter dengan tegangan output solar cell yang berubah-ubah. Dari hasil simulasi kontrol logika fuzzy dapat digunakan untuk mengatur tegangan output buck converter.
3
Vout_p(in=20) (Volt)
Vout_t(Volt)
%error
0
0
0
0%
5
1.33
1
33%
10
2.24
2
12%
15
3.01
3
0.33%
20
3.79
4
5.25%
25
4.76
5
4.8%
30
5.65
6
5.83%
35
6.65
7
5%
40
7.63
8
4.63%
45
8.65
9
3.89%
50
9.64
10
3.6%
55
10.60
11
3.6%
60
11.59
12
3.72%
65
12.62
13
2.92%
70
13.59
14
2.92%
75
14.60
15
2.67%
80
15.67
16
2.06%
85
16.74
17
1.52%
90
17.93
18
0.38%
95 100
18.87 19.6
19 20
0.68% 2%
Tabel 3. Pengujian kontrol fuzzy yang digunakan untuk peangaturan tegangan keluaran buck konverter.
4.
KESIMPULAN 1.
Vin (Volt)
tegangan output beban 7,2 ohm
beban 13,6 ohm
beban 28ohm
beban aki 12 V,10Ah
15
14,04
14,38
14,28
13,8
16
14,68
14,7
14,67
14,51
17
14,64
14,69
14,72
14,76
18
14,68
14,64
14,66
14,35
19
14,63
14,71
14,65
14,78
20
14,65
14,72
14,17
14,85
21
14,67
14,72
14,55
14,53
22
14,63
14,66
14,65
14,64
2.
3.
Gambar 6 menunjukkan dutty cycle saat Vin 20 Volt(a) utput dari mikro (b) Output dari tottempole (c) Output tottempole yang sudah disambungkan k mosfet
Sel surya dengan daya 50 Watt Peak dapat digunakan selama 5 jam untuk mengisi accu 10 Ah dengan arus pengisian sebesar 2 A dan pada malam hari aki bisa digunakan untuk menyalakan lampu taman selama 11 jam, maka sistem ini dapat menghemat penggunaan listrik PLN selama 11 jam. Setting point tegangan yang digunakan selama proses pengisian aki yaitu 13,5 dan mendapatkan arus sekitar 2 Ampere untuk proses pengisian aki. Jika digunakan setting 14,4 ,maka arus charging bisa mencapai 3 Ampere. Saat mengisi aki dilakukan pemutusan pengisian setiap 5 menit untuk mengukur tegangan aki saat ini. Jika aki belum terisi penuh maka pengisian akan dilanjutkan, namun jika aki sudah terisi penuh maka pengisian akan berhenti dengan cara mengaktifkan relay.
DAFTAR PUSTAKA
(a)
[1]
[1] Malvino.1992. Prinsip-prinsip Elektronika, Erlangga.
[2]
Lutfiyah.2005. Sinyal Generator Ecg Standart Berbasis Mikro, PENS-ITS, Surabaya.
[3] Timothy J. Ross. 1995. Fuzzy Logic with Engineering Aplication, University of New Mexico.
(b)
[4]
Mukund R. Patel. 1999. Wind and Solar Power System, CRC Press, US Merchant Academi Kings Point, New York.
[5] Dr. Zainal Salam. 2003. Power Electronic and drives (chapter 3- 2003), UTM,TB. [6]
Rashid, Muhammad H. 1993 Power Electronic Circuit, Devices, and Apllications, Second Edition, Prentice-Hall International, Inc.
[7]
Datasheet of ATmega16 8-bit Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash diakses tanggal : 30/06/2011 19:06 dari alldatasheet. http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/78532/ATMEL/ATMEGA16.html
[8]
Datasheet IRFP460 N-CHANNEL 500V 0.22W - 18.4A TO-247 PowerMesh™II MOSFET diakses tanggal : 07/04/2011 07:35 dari alldatasheet. http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/17799/PHILIPS/IRF540.html
(c) Gambar 6. Dutty cycle saat Vin 20 Volt(a) utput dari mikro (b) Output dari tottempole (c) Output tottempole yang sudah disambungkan k mosfet dari hasil pengujian diketahui bahwa sebelum digunakan kontrol tegangan output dari buck konverter akan naik seiring dengan naiknya tegangan input. Namun setelah kontrol fuzzy diberikan meskipun tegangan output solar cell/ tegangan input buck berubah-ubah namun tegangan output dari buck converter tetap konstan ±14.4 V. Jika tegangan output konstan maka arus ouput buck konverter juga akan konstan sekitar 2 A. Arus tersebut cukup digunakan untuk mengisi accu selam 5 jam, karena accu yang digunakan 10Ah.
4
5
6
