ISSN: 1693-6930
191
SISTEM KENDALI PENJEJAK SINAR MATAHARI DUA LINTASAN KEBEBASAN BERBASIS MIKROKONTROLER AT89C51 Joko Purwono, Muchlas, Tole Sutikno Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Ahmad Dahlan Kampus III Jln. Prof. Dr. Soepomo, Janturan, Yogyakarta 55164, Telp. 379418 Ext. 220 email:
[email protected],
[email protected] Abstract Instalation of solar cell panels permanently will not get maximum power point tracker (MPPT). To get the MPPT, the controlling of solar cell panels are needed in order to follow the direction of sun. In this paper, the design of control system of solar panel that capable to control of solar panel with 2 freedom track based on AT89C51 microcontroller is described. The movement is movement from east to west according to the earth rotation and movement from north to south in according to the earth revolution to get the MPPT. As a result, the prototype of design system has capable to control motor drive of solar cell panel, both automatically and manually with 2-line track to get MPPT. Keywords: MPPT, solar cell, microcontroller, AT89C51, motor
Abstrak Panel sel surya yang dipasang secara permanen tidak akan mendapatkan penjejakan titik daya maksimum. Agar dapat menghasilkan titik daya secara maksimum, panel sel surya perlu dikendalikan mengikuti arah pergerakkan matahari. Pada paper ini akan dideskripsikan rancangan sistem yang mampu mengendalikan panel surya dengan 2 lintasan kebebasan berbasis mikrokontroler AT89C51, yaitu pergerakan arah timur ke barat sesuai rotasi bumi dan pergerakan arah utara ke selatan sesuai revolusi bumi untuk mendapatkan penjejakan titik daya maksimum. Hasil penelitian menunjukkan bahwa purwarupa sistem yang dirancang, mampu mengendalikan kemudi motor pada panel sel surya, baik secara otomatis maupun manual dengan 2 lintasan edar untuk mendapatkan penjejakan titik daya maksimum. Kata kunci: titik daya maksimum, panel sel surya, mikrokontroler, AT89C51, motor
1. PENDAHULUAN Pada tahun-tahun terakhir ini, sumber energi mulai menjadi permasalahan umat. Banyak eksploitasi dan perhatian penelitian diarahkan pada ditemukannya sumber energi baru. Tak terkecuali, sumber energi matahari menjadi objek penelitan yang kian menarik banyak perhatian. Sel surya merupakan salah satu alternatif alat yang mampu mengubah energi sinar matahari menjadi energi listrik. Saat ini pemasangan panel sel surya masih banyak dilakukan secara permanen (fixed), sehingga kurang efisien dan fleksibel dalam penerimaan intensitas sinar matahari terbesar [1-5]. Berdasarkan pengaruh rotasi bumi dan revolusi bumi pada sistem tata surya akan terdapat fenomena yang berbeda. Pada saat bumi berevolusi, bumi juga melakukan gerak rotasi yaitu berputar pada porosnya. Salah satu gejala yang ditimbulkan saat bumi berotasi adalah peristiwa siang dan malam (perbedaan permukaan bumi yang menghadap ke matahari). Revolusi bumi adalah peredaran bumi mengelilingi matahari, selama revolusi bumi condong atau miring dengan arah yang sama terhadap bidang ekliptika, terbentuk sudut 23,5°. Revolusi bumi salah satunya dapat mengakibatkan gerak semu tahunan matahari, pengamatan yang dapat dilakukan adalah melihat kedudukan matahari yang seakan-akan bergerak dari katulistiwa ke 23,5°LU kembali ke katulistiwa, terus ke 23,5°LS, dan kembali lagi ke katulistiwa. Pergeseran kedudukan matahari yang demikian itu berlangsung setiap 1 tahun. Dengan
Sistem Kendali Penjejak Sinar Matahari Dua Lintasan Kebebasan …… (Joko Purwono)
ISSN: 1693-6930
192
demikian, untuk mendapatkan intensitas sinar matahari secara maksimal dapat dilakukan dengan penjejakan dua lintasan edar, yaitu dari arah timur ke barat dan arah utara ke selatan. Piao, et.al [3] pada penelitiannya telah berhasil meningkatkan keluaran daya panel sel surya 21% lebih tinggi dengan sistem penjejakan 1 lintasan edar dibandingkan dengan sistem pemasangan panel surya secara permanen. Sedangkan Abu dan Asghar [5], telah mengembangakan 2 algoritma penjejakan yang disebut Perturb and Observation (PAO) dan Maximum Power Point Voltage (MPPV) untuk meningkatkan keluaran daya panel surya. Namun kedua metode ini relatif kompleks. Pada penelitian ini, dikembangkan metode penjejakan sinar matahari yang simple dengan 2 lintasan kebebasan, yaitu: pergerakan lintasan edar Timur ke Barat menggunakan mode otomatis dengan membandingkan masukan sensor berbasis mikrokontroler AT89C51, sedangkan pergerakan lintasan edar Utara ke Selatan menggunakan mode manual dengan lintasan yang telah ditentukan sesuai gerak semu tahunan matahari.
2. METODE PENELITIAN Secara umum blok diagram rancangan penjejakan sinar matahari dua lintasan kebebasan ditunjukkan pada Gambar 1 dan diagram alir program utama sistem penjejak dua lintasan kebebasan ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 1. Blok diagram penjejakan sinar matahari dua lintasan kebebasan 2.1. Pengambilan data analog Pengambilan data-data dalam bentuk analog (data_west, dan data_east) dilakukan secara bergantian dikendalikan ADC0809 oleh multiplekser sesuai alamat yang dipilih dengan address decoder di alamat Add A, Add B, atau Add C. Pada pengambilan data-data analog ini digunakan channel IN0 untuk data analog west dan IN1 untuk data analog east. Dari kedua sensor tersebut mempunyai gambar rangkaian yang sama. Rangkaian dari pengambilan datadata analog ditunjukkan pada Gambar 3. 2.2. Rangkaian ADC0809 Rangkaian ADC0809 ini menggunakan port 0 untuk masukan data (D0-D7) ke mikrokontroler dan untuk port kendali ADC menggunakan port 1 dari mikrokontroler. Dengan tegangan Vcc dan Vref ADC=5V dan 8 channel masukan analog, dalam perancangan ini cukup membutuhkan 2 channel masukan analog yaitu AN0: data analog west dan AN1: data analog east. Setiap data analog akan terhubung dengan sensor LDR yang terpasang di penampang. Penghitungan resolusi ADC dapat diketahui dari, jika Vref=5 Volt diketahui ADC 8bit, maka
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 3, Desember 2008 : 191 - 198
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
■ 193
8
2 =256 step. Sehingga resolusi ADC tersebut adalah 5Volt/256=19,53mV atau mendekati 20mV.
START
T MANUAL
CEK STATUS =1
STATUS MODE=0 Y
STATUS MODE=1
Konversi Analog_West
Simpan RAM_West
Konversi Analog_East
Simpan RAM_East
Y DIAM
RAM_West = RAM_East
T T Putar East
Limit East = 0
Y
Y
T Putar West
Limit West = 0
Y
RAM_West > RAM_East
T
Y
RAM_West < RAM_East
T
Gambar 2. Diagram alir program utama penjejak dua lintasan kebebasan
5V Data Analog_West LDR_West
VR1 50K Data Analog_East
LDR_East
VR2 50K
Gambar 3. Pengambilan data-data analog sensor LDR Sistem Kendali Penjejak Sinar Matahari Dua Lintasan Kebebasan …… (Joko Purwono)
ISSN: 1693-6930
194
2.3. Proses konversi analog Seperti pada diagram alir, eksekusi akan dimulai dengan pemilihan alamat multiplekser ADC, Memberikan sinyal perubahan dari logika ‘0’ ke logika ‘1’ pada ALE (Address Latch Enable) kemudian untuk memulai konversi dengan memberikan sinyal di kaki start 0-1-0 atau write 1-0-1 dan proses konversi selesai jika EOC terdapat perubahan dari logika 0 ke logika 1. Untuk membaca keluaran dengan memberikan logika 1 pada kaki OE (Output Enable), untuk meyimpan hasil konversi dapat digunakan RAM Internal keperluan umum 30H hingga 7FH. Disini menggunakan RAM 30H untuk data west, dan 31H untuk data east. 2.4. Proses pembanding data Pada proses penjejakan masukan sensor akan selalu berubah-ubah hingga masukan tersebut mempunyai nilai selisih mendekati atau sama dengan nol, untuk mencapai selisih atau dapat disebut eror sekecil mungkin maka sensor penampang harus bergerak hingga mencapai titik tengah dari sumber cahaya. Proses pembanding data mempunyai sebuah alur, yaitu pembanding data west_east. Untuk hasil keputusan arah putar motor maka data RAM_West dan data RAM_East harus diperbandingkan yaitu dengan memberikan instruksi SUBB, jika hasil pengurangan tersebut melimpah (nilainya kurang dari 0), maka bit carry akan bernilai ‘1’ dan west<east apabila tidak maka bit carry berisi ‘0’. Ketika bit carry ‘0’ apakah A=B atau hasil pengurangan 0, maka motor akan diam dan jika tidak maka west>east. Diagram alir pembanding (compare) data masukan ditunjukkan pada Gambar 4.
START
A: RAM_WEST B: RAM_EAST C: 0
SUBB A,B A-B
C=1 ?
Y WEST<EAST
Putar West
WEST=EAST
Diam
T A=0 ?
Y
T WEST>EAST
Putar East
Gambar 4. Diagram alir pembanding (compare) data masukan
2.5. Rangkaian Pengendali Berbasis Mikrokontroler AT89C51 Rangkaian pengendali sistem penjejak matahari berbasis mikrokontroler AT89C51 yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 5. 2.6. Tombol otomatis dan eksekusi manual Secara normal alat penjejakan ini berjalan dengan mode otomatis, dimana seluruh fungsi dari sistem dilakukan secara otomatis. Meskipun alat ini mampu bekerja secara otomatis, alat ini juga menyediakan fasilitas penjejakan secara manual. Fasilitas mode manual ini untuk melakukan pergerakan lintasan arah utara ke selatan dengan lintasan yang telah ditentukan
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 3, Desember 2008 : 191 - 198
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
■ 195
sesuai gerak semu tahunan matahari. Dalam eksekusi manual terdapat 4 eksekusi arah yaitu Timur, Barat, Utara dan Selatan.
P2.0 East_Lim it P2.1 North_Limit
DATA ADC
P2.2 5V
South_Limit
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
D0-D7 D0: LSB J1 D7:MSB
SAKLAR PEMBATAS
West_Limit
P2.3
West_BTN
CONTROL ADC+STATUS MODE
5V
J2
P1.0: P1.1: P1.2: P1.3: P1.4: P1.5: P1.6: P1.7:
R/W enable Status Mode MANUAL/OTO EOC Write Read ADD A ADD B ADD C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 19 18 9
5V
31
30pF 10uF
P2.5
AT89C51
P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7
P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/R D
XTAL1 XTAL2 RST
PSEN ALE/PROG
21 22 23 24 25 26 27 28
North_BTN P2.6 South_BTN P2.7
10 11 12 13 14 15 16 17
MNL/OTO BTN INT_0: P3.2
MODE MANUAL/OTOMATIS
29
P3.4 Motor Driv er_1A
30 P3.5
Motor Driv er_1B
EA/VPP
+ P3.6 Motor Driv er_2A
12 Mhz
5V R1
10K
R eset
P3.7
R2 100
30pF
OUTPUT MOTOR
U1 LSB 39 38 37 36 35 34 33 MSB 32
TOMBOL MANUAL
P2.4 East_BTN
Motor Driv er_2B
Gambar 5. Rangkaian pengendali berbasis AT89C51 Pada alur penjejakan, dua lintasan kebebasan yang mempunyai dua lintasan edar sehingga setiap scan button akan mengecek kombinasi tombol yang sedang aktif. Sebagai contohnya: jika lintasan west_east tombol east aktif dan lintasan north_south tombol north aktif, maka setelah digunakan metode scan data akan dihasilkan nilai kombinasi sesuai dalam Tabel 1. Eksekusi north_east dengan kombinasi bit 1001 biner (90H) akan mampu mengeksekusi dua lintasan edar sekaligus. Tabel 1. Kombinasi tombol eksekusi manual PORT HEX 00H 10H 20H 30H 40H 50H 60H 70H 80H 90H A0H B0H C0H D0H E0H F0H
P2.7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
HIGH NIBLE P2.6 P2.5 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1
P2.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
P2.3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
LOW NIBLE = 0 P2.2 P2.1 P2.0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
EKSEKUSI X EAST WEST X SOUTH SOUTH_EAST SOUTH_WEST SOUTH NORTH NORTH_EAST NORTH_WEST NORTH X EAST WEST X
Sistem Kendali Penjejak Sinar Matahari Dua Lintasan Kebebasan …… (Joko Purwono)
ISSN: 1693-6930
196
2.7. Saklar pembatas Saklar Normally Open (NO) yang berfungsi pembatas posisi maksimal atau minimal penampang saat motor melakukan gerakan penjejakan sehingga kondisi penampang sel surya lebih aman dan beredar pada daerah yang telah ditentukan. 2.8. Arah putar motor dan pengecekan saklar pembatas penampang Subrutin arah putar motor akan dieksekusi oleh subrutin scan button pada mode manual, ataupun setelah proses compare (pembanding) data pada mode otomatis. Pengarah gerakan motor akan mengecek kondisi limit (saklar pembatas penampang) pada setiap melakukan arah putar. Ketika kondisi limit aktif, maka arah putar akan berhenti dan kembali pada subrutin awal sesuai Tabel 2. Tabel 2. Kombinasi Motor Output East
West
Eksekusi arah
South
North
Eksekusi arah
0
0
Diam
0
0
Diam
0
1
West
0
1
North
1
0
East
1
0
South
1
1
Diam
1
1
Diam
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pemasangan penampang menggunakan penjejakan dua lintasan kebebasan Sumber Cahaya
Penampang Penjejakan Lintasan Sumber Cahaya: 0-180 derajat Sumber Cahaya : Sinar Matahari Waktu Pengukuran : pukul 05:00-18:00
Lintasan Sumber Cahaya
90 derajat
Sudut Matahari
Sensor Intensitas
0 Timur Sudut Penampang
Penampang
Gambar 6. Pergerakan penjejakan lintasan Timur ke Barat TELKOMNIKA Vol. 6, No. 3, Desember 2008 : 191 - 198
180 Barat
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
■ 197
Sumber Cahaya
Lintasan Sumber Cahaya: 66.5-113.5 derajat Sumber Cahaya : Sinar Matahari
66.5
113.5 23.5LS
23.5LU
Lintasan Sumber Cahaya
Sensor Intensitas
Utara
Selatan
Garis Balik Utara
Garis Balik Selatan
Penampang
Gambar 7. Pergerakan penjejakan lintasan arah Utara ke Selatan
Tabel 3. Perhitungan keoptimalan penjejakan pada sudut penampang terhadap sudut sinar matahari Sudut Penyinaran Matahari (lintasan)
Sudut Penampang (lintasan)
Optimal
~
90
90
0 10 22 40 53
90 79 68 49 37
90 89 90 89 90
62 80 95 115 130
27 10 5 24 41
89 90 90 91 89
148 160 171 180
58 72 80 90
90 88 91 90
~
90
90
M - P=90°
Pada penjejakan ini, pergerakan lintasan arah Timur ke Barat mempunyai rumusan sebagai berikut:
Sistem Kendali Penjejak Sinar Matahari Dua Lintasan Kebebasan …… (Joko Purwono)
ISSN: 1693-6930
198 Sudut penyinaran matahari Sudut penampang
: :
∠M ∠P
Jika diharapkan sebuah penampang mampu menerima sinar tegak lurus: 90° Maka
∠ M - ∠ P = 90°
Keoptimalan pada alat penjejakan ini dapat diketahui dengan memperhitungkan sudut matahari dengan sudut penampang yang telah mendekati atau sama dengan 90°, yaitu akan sudut penampang akan tegak lurus terhadap sudut sinar datang. Hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3. Dari data pada Tabel 3 tersebut terlihat bahwa nilai kesalahan pada penjejakan ini adalah maksimal 2° tegak lurus terhadap sudut sinar datang. 4. SIMPULAN Paper ini telah mendeskripsikan rancangan sistem yang mampu mengendalikan panel surya dengan 2 lintasan kebebasan berbasis mikrokontroler AT89C51, yaitu pergerakan arah timur ke barat sesuai rotasi bumi dan pergerakan arah utara ke selatan sesuai revolusi bumi untuk mendapatkan penjejakan titik daya maksimum. Hasil penelitian menunjukkan bahwa purwarupa sistem yang dirancang, mampu mengendalikan kemudi motor pada panel sel surya, baik secara otomatis maupun manual dengan 2 lintasan edar untuk mendapatkan penjejakan titik daya maksimum. DAFTAR PUSTAKA [1]. A. K. Saxena and V. Dutta, "A versatile microprocessor based controller for solar tracking" in Photovoltaic Specialists Conference, 1990., Conference Record of the Twenty First IEEE, 1990, pp. 1105-1109 vol.2. [2]. H. Chihchiang and S. Chihming, "Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system", in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1998. APEC '98. Conference Proceedings 1998., Thirteenth Annual, 1998, pp. 679-685 vol.2. [3]. Z. G. Piao, J. M. Park, J. H. Kim, G. B. Cho, and H. L. Baek, "A study on the tracking photovoltaic system by program type", in Electrical Machines and Systems, 2005. [4]. S. Armstrong and W. G. Hurley, "Self-regulating maximum power point tracking for solar energy systems", in Universities Power Engineering Conference, 2004. UPEC 2004. 39th International, 2004, pp. 604-609 vol. 1. [5]. T. Abu and Asghar, M.S.J., “Development of microcontroller-based maximum power point tracker for a photovoltaic panel”, IEEE Power India Conference, 2006.
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 3, Desember 2008 : 191 - 198
