bab iii acid perancangan sistem load control · 2018. 3. 21. · bagian dalam sistem 3.2.1. arduino...

15
25 BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini, akan dijelaskan tentang perancangan perangkat keras beserta perangkat lunak sistem yang dibuat. 3.1. Gambaran Sistem Sistem yang dibuat untuk tugas akhir ini adalah maximum power point tracking (MPPT) dengan metode perturb and observe (P&O), yaitu sebuah sistem yang dapat memaksimalkan keluaran dari panel surya dengan mencari titik kerja maksimalnya. Hal ini bertujuan agar panel surya dapat dimanfaatkan secara maksimal. Berikut adalah diagram blok dari sistem yang dibuat : Sensor LCD 20×4 Arduino Buck & Boost Converter Baterai lead- acid Load control Beban Sensor tegangan Sensor arus Panel Surya Gambar 3.1. Diagram blok sistem

Upload: others

Post on 26-Feb-2021

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

25

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini, akan dijelaskan tentang perancangan perangkat keras beserta perangkat

lunak sistem yang dibuat.

3.1. Gambaran Sistem

Sistem yang dibuat untuk tugas akhir ini adalah maximum power point tracking

(MPPT) dengan metode perturb and observe (P&O), yaitu sebuah sistem yang dapat

memaksimalkan keluaran dari panel surya dengan mencari titik kerja maksimalnya. Hal ini

bertujuan agar panel surya dapat dimanfaatkan secara maksimal. Berikut adalah diagram

blok dari sistem yang dibuat :

Sensor

LCD 20×4

ArduinoBuck & Boost

Converter

Baterai lead-

acid

Load control

Beban

Sensor

teganganSensor arus

Panel Surya

Gambar 3.1. Diagram blok sistem

Page 2: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

26

Cara kerja dari sistem ini adalah ketika tegangan dan arus keluaran panel surya

melewati sensor, tegangan dan arus tersebut diperhitungkan dengan MPPT oleh Arduino.

Setelah perhitungan selesai, Arduino akan menentukan untuk mengaktifkan buck converter

atau boost converter. Konverter ini digunakan untuk memaksimalkan keluaran panel surya

dengan cara menaikkan maupun menurunkan tegangan. Keluaran dari konverter ini

kemudian menuju langsung ke baterai untuk pengisian. Tegangan dari baterai kemudian

diperhitungkan oleh Arduino melalui sensor. Hal ini bertujuan untuk otomatisasi pengisian.

Kemudian, data yang telah diperoleh ditampilkan oleh LCD.

3.2. Perancangan Perangkat Keras Sistem

Perangkat keras yang digunakan dalam sistem ini adalah Arduino Nano, sensor arus

ACS712, sensor tegangan, LM2577, LM2596, Sunrise Solartech SRM-50D, dan Yuasa

YB7B-B. Secara keseluruhan, perangkat keras yang dibuat memiliki dimensi 18 cm × 18

cm × 9 cm, berikut adalah desain dari perangkat keras yang dibuat :

Gambar 3.2. Desain perangkat keras sistem

Page 3: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

27

Gambar 3.3. Bagian dalam sistem

3.2.1. Arduino Nano

Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

pembacaan sensor, pengolahan algoritma MPPT, pengaturan pengisian baterai, hingga

pengaturan saklar beban. Berikut spesifikasi dari Arduino Nano yang digunakan dalam

sistem :

Gambar 3.4. Arduino Nano [24]

Page 4: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

28

Tabel 3.1. Spesifikasi Arduino Nano

Mikrokontroler ATmega328

Arsitektur AVR

Tegangan Operasi 5 V

Memori Flash 32 KB

SRAM 2 KB

Clock Speed 16 MHz

Analog I/O Pins 8

EEPROM 1 KB

Arus DC tiap Pin I/O 40 mA

Tegangan Masukan 7 – 12 V

Digital I/O Pins 22

PWM Output 6

Konsumsi Daya 19 mA

Ukuran PCB 18×45 mm

Berat 7 gr

Tabel 3.2. Koneksi Pin I/O Arduino Nano

No Pin Terhubung ke

1 A0 Sensor Tegangan Panel Surya

2 A1 Sensor Arus ACS712-5A

3 A2 Sensor Tegangan Baterai

4 A3 Sensor Arus ACS712-20A

5 A4 SDA LCD

6 A5 SCL LCD

7 D2 Saklar Beban

8 D3 Saklar Buck Converter

9 D4 Saklar Boost Converter

10 D5 Saklar Backlight LCD

11 D9 LED Merah

12 D10 LED Hijau

13 D11 LED Biru

14 Reset Saklar Reset

15 Vin 5 Volt Tegangan Supply

16 Ground Ground Tegangan Supply

Page 5: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

29

3.2.2. Sensor Arus

ACS712 merupakan sensor arus yang menerapkan efek Hall. Efek Hall adalah gaya

yang timbul akibat adanya pergerakan dari sebuah muatan yang disebabkan oleh medan

listrik dan medan magnet. Terdapat dua jenis ACS712 yang digunakan untuk sistem ini,

yaitu ACS712-5A dan ACS712-20A. ACS712-5A digunakan untuk mengukur arus

keluaran dari panel surya, sedangkan ACS712-20A digunakan untuk mengukur arus pada

beban. Spesifikasi dari sensor ini adalah sebagai berikut :

Tabel 3.3. Spesifikasi Sensor Arus ACS712

Tegangan Operasi 8 V

Tegangan Keluaran 8 V

Sensitivitas Sensor • 185 mV/A (ACS712-5A)

• 100 mV/A (ACS712-20A)

Ukuran PCB 31×13 mm

Gambar 3.5. Sensor Arus ACS712 [25]

Page 6: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

30

3.2.3. Sensor Tegangan

Sensor tegangan yang digunakan adalah dua buah resistor sebagai pembagi tegangan

dan memiliki hasil akhir keluaran maksimal 5 Volt. Pada sistem yang digunakan ini,

menggunakan dua sensor tegangan, pertama untuk mengukur tegangan keluaran panel

surya dan yang kedua untuk mengukur tegangan baterai.

Gambar 3.6. Rangkaian sensor tegangan

Untuk panel surya dengan tegangan keluaran maksimal 22 Volt, maka resistor yang

digunakan adalah sebagai berikut :

5 Volt = 𝑅2

𝑅1+𝑅2× 22 Volt (3.1)

Dengan nilai R1 = 10 kΩ, maka akan didapat R2:

5

22=

𝑅2

10 𝑘Ω + 𝑅2

22𝑅2 = 50 𝑘Ω + 5𝑅2

17𝑅2 = 50 𝑘Ω

𝑅2 = 2941,176 Ω ≈ 3 𝑘Ω

Untuk baterai dengan tegangan maksimal 14.4 Volt, maka resistor yang digunakan

adalah sebagai berikut :

5 Volt = 𝑅2

𝑅1+𝑅2× 14,4 Volt (3.2)

Dengan nilai R1 = 20 kΩ, maka akan didapat R2:

5

14,4=

𝑅2

20 𝑘Ω + 𝑅2

Page 7: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

31

14,4𝑅2 = 100 𝑘Ω + 5𝑅2

9.4𝑅2 = 100 𝑘Ω

𝑅2 = 10638,298 Ω ≈ 11kΩ

3.2.4. Boost Converter, LM2577

Untuk pengisian baterai 12 Volt 7 Ah, maka akan diperlukan tegangan sebesar 13,8

Volt hingga 14,4 Volt dengan arus 10% hingga 30% dari 7 A atau 0,7 A hingga 2,1 A [26].

Kelebihan tegangan dan arus akan mengakibatkan baterai mengalami kerusakan yang

ditandai dengan munculnya busa. Sedangkan kekurangan tegangan menyebabkan tidak

akan mampu untuk mengisi baterai dan kekurangan arus menyebabkan lebih lamanya

pengisian baterai. Dari Bab II subbab buck and boost converter poin 2.3.1. akan didapat

komponen rangkaian eksternal boost converter dengan perhitungan :

3.2.4.1. Arus beban maksimal, Iload,max

Dengan tegangan masukan minimal sebesar 7 Volt dan tegangan keluaran 14,4 Volt,

maka berdasar persamaan (2.3) akan didapat arus beban :

𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥 ≤2,1 × 7

14,4

𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥 ≤ 1,02 𝐴

Pada penerapan, akan digunakan arus beban maksimal sebesar 1 A.

3.2.4.2. Penentuan nilai Induktansi L

Dari persamaan (2.4) hingga (2.7), maka akan didapat :

𝐷𝑚𝑎𝑥 =14,4 + 0,5 − 7

14,4 + 0,5 − 0,6

𝐷𝑚𝑎𝑥 = 0,5524475524

𝐸 ∙ 𝑇 =0,5524475524 · (7 − 0,6) · 106

52000

𝐸 ∙ 𝑇 = 67,99354491 𝑉 ∙ 𝜇𝑠

𝐼𝑖𝑛𝑑,𝐷𝐶 =1,05.1

1 − 0,5524475524

𝐼𝑖𝑛𝑑,𝐷𝐶 = 2,34609375 𝐴

Page 8: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

32

Dengan nilai E·T dan Iind,DC di atas dan dari Gambar 2.12, didapat kode induktor

L100. Dengan menggunakan induktor Schott, maka didapat induktor sebesar 100 µH, 3 A.

3.2.4.3. Penentuan nilai Rc, Cc, dan Cout

Nilai Rc didapat dari persamaan (2.8) :

𝑅𝑐 ≤750 × 1 × 14,42

72

𝑅𝑐 ≤ 3173,877551Ω

Dengan nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ, maka didapat Rc sebesar 3kΩ. Untuk nilai Cout

dapat dicari dari nilai tertinggi yang didapat dari persamaan (2.9) dan (2.10) berikut :

𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥0,19 × 100𝜇 × 3000 × 1

14,4 × 7

𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥ 565,4761905 𝜇𝐹

𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥7 × 3𝑘 × (7 + 100𝜇 × 3,74 × 105)

487800 × 14,43

𝐶𝑜𝑢𝑡 ≥ 640,137092 𝜇𝐹

Dari hasil di atas, nilai minimal dari Cout adalah 640,137092 µF. Pada perancangan

alat, digunakan nilai Cout sebesar 1000 µF. Sedangkan nilain Cc didapat dari persamaan

(2.11) :

𝐶𝑐 ≥58,5 × 14,42 × 1000𝜇

30002 × 7

𝐶𝑐 ≥ 0,192548571 𝜇𝐹

Agar rangkaian dapat dimulai dengan baik, maka nilai Cc yang digunakan adalah 0,22

µF.

3.2.4.4. Penentuan nilai R1 dan R2

Tegangan keluaran dari boost converter diatur menjadi 14,4 Volt. Dengan R2 bernilai

1 kΩ, dari persamaan (2.12) akan didapat R1 sebesar :

14,4 = 1,23 × (1 +𝑅1

1000)

𝑅1 = 1000 × (14,4

1,23− 1)

𝑅1 = 10707,31707 Ω ≈ 11 𝑘Ω

Page 9: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

33

3.2.4.5. Penentuan nilai Cin

Berdasarkan datasheet dari IC LM2577, penggunaan kapasitor sebesar 0,1 µF

digunakan di antara pin masukan dan ground.

3.2.4.6. Penentuan dioda D

Keluaran tegangan maksimal dari boost converter yang dibuat adalah 14,4 Volt,

dengan menggunakan Tabel 2.4., maka didapat dioda 1N5820.

3.2.5. Buck Converter LM2596

Untuk buck converter, dari Bab II subbab buck and boost converter poin 2.3.2. akan

didapat komponen rangkaian eksternal dengan perhitungan :

3.2.5.1. Penentuan nilai R1 dan R2

Tegangan keluaran dari buck converter diatur menjadi 14,4 Volt. Dengan R1 bernilai

1 kΩ, dari persamaan (2.13) akan didapat R2 sebesar :

14,4 = 1,23 × (1 +𝑅2

1000)

𝑅2 = 1000 × (14,4

1,23− 1)

𝑅2 = 10707,31707 Ω ≈ 11 kΩ

3.2.5.2. Penentuan nilai induktansi L

Nilai induktansi, L, dapat dicari dari Gambar 2.15. dan Tabel 2.5. Tegangan masukan

maksimal yang diterima dari panel surya adalah 24 Volt, sedang arus beban maksimalnya

adalah 1 A.

𝐸 ∙ 𝑇 = (24 − 14,4 − 1,16) ·14,4 + 0,5

24 − 1,16 + 0,5·

1000

150

𝐸 ∙ 𝑇 = 35,92002285 𝑉 ∙ 𝜇𝑠

Dengan nilai E·T di atas dan arus beban maksimal 1 A, dapat diketahui kode

induktornya adalah L29, dengan besar 100 µH, 1,47 A.

3.2.5.3. Penentuan nilai Cout

Nilai dari kapasitor dapat diketahui dari Tabel 2.6. Dengan keluaran 14,4 Volt, maka

didapat Cout sebesar 220 µF/35 Volt.

Page 10: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

34

3.2.5.4. Penentuan nilai Cff

Dari Tabel 2.6., didapat nilai Cff sebesar 680 pF.

3.2.5.5. Penentuan D

Dengan arus 1,3 kali arus beban, maka didapat arus yang melewati dioda sebesar 1,3

A. Sedang nilai tegangan balik sebesar 1,25 tegangan maksimal masukan, maka didapat

tegangan sebesar 30 Volt. Dari nilai-nilai tersebut dan Tabel 2.7., didapat dioda 1N5821.

3.2.5.6. Penentuan nilai Cin

Untuk mencari nilai Cin, dihitung nilai tegangan kapasitor minimal yaitu 1,5 kali

tegangan masukan dan dengan arus 0,5 kali arus beban, sehingga didapat nilai 36 Volt, 500

mA. Dari nilai-nilai itu, besarnya Cin didapat dari Gambar 2.16., yaitu sebesar 120 µF.

3.2.6. Sunrise Solartech SRM-50D

Panel surya yang digunakan untuk sistem ini adalah Sunrise Solartech SRM-50D.

Panel surya ini merupakan jenis panel surya mono-Si. Spesifikasi dari panel surya ini

adalah :

Tabel 3.4. Spesifikasi Panel Surya

Daya standar 50 Wp

Tegangan Daya Maksimum (Vmp) 17,4 V

Arus Daya Maksimum (Imp) 2,88 A

Open Circuit Voltage (Voc) 21,4 V

Short Circuit Current (Ioc) 3,14 A

Tegangan Maksimum Sistem DC1000W

Jumlah Sel Surya 36

Ukuran Panel Surya 629×535×28 mm

Page 11: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

35

Gambar 3.7. Panel surya Sunrise Solartech SRM-50D [27]

3.2.7. Baterai Yuasa YB7B-B

Yuasa YB7B-B adalah baterai lead-acid yang dipakai dalam tugas akhir ini.

Spesifikasi dari baterai ini adalah :

Tabel 3.5. Spesifikasi Baterai Yuasa YB7B-B

Tegangan 12 Volt

Kapasitas 7 Ah

Dimensi 152 × 61 × 132 mm

Berat 3,1 Kg

Page 12: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

36

Gambar 3.8. Baterai Yuasa YB7B-B [28]

Pengisian baterai ini diperlukan tegangan antara 2,3 Volt hingga 2,4 Volt tiap selnya,

atau 13,8 Volt hingga 14,4 Volt. Pada kondisi kosong, baterai akan bertegangan 11 Volt

hingga 11,5 Volt. Dan pada kondisi penuh, tegangan baterai akan bertegangan di atas 12,7

Volt.

Page 13: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

37

3.3. Perancangan Perangkat Lunak Sistem

Gambar 3.9. Diagram alir perangkat lunak sistem

Page 14: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

38

Terdapat tiga subprogram dijalankan secara bersamaan dalam perangkat lunak ini.

Tiga bagian itu antara lain indikator LED, saklar beban, dan kondisi pengisian baterai yang

di dalamnya terdapat MPPT. Penjelasan dari diagram alir pada gambar 3.9. di atas adalah

sebagai berikut :

1. Ketika sistem mulai dinyalakan, program akan langsung dijalankan.

2. Sensor akan membaca tegangan dan arus dari panel surya dan tegangan baterai (Vsp,

Vbt, dan Isp).

3. Program menghitung daya dari panel surya (Psp).

4. Ketiga subprogram dijalankan sebagai berikut :

a. Indikator LED :

i. Ketika tegangan baterai (Vbt) kurang dari 11,7 Volt, LED merah akan

dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai pada kondisi habis dan perlu diisi

ulang.

ii. Ketika tegangan baterai (Vbt) di antara 11,7 Volt dan 13 Volt, LED hijau akan

dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai masih bisa untuk dipakai.

iii. Ketika tegangan baterai (Vbt) di antara 13 Volt dan 14 Volt, LED putih

dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai pada kondisi penuh dan siap pakai.

iv. Ketika tegangan baterai (Vbt) lebih dari 14 Volt, LED putih berkedip. Hal ini

menunjukkan baterai telah overcharged dan perlu untuk mematikan pengisi

baterai.

b. Saklar beban :

i. Ketika daya dari panel surya kurang dari 2 Watt dan tegangan baterai lebih

dari 11,7 Volt, saklar beban akan diaktifkan. Hal ini dikarenakan pada kondisi

daya panel surya 2 Watt menunjukkan suasana mendung atau gelap dan

baterai mencukupi untuk digunakan, sehingga saklar beban diaktifkan.

ii. Ketika kondisi berlawanan dengan kondisi di atas, saklar beban akan

dimatikan. Hal ini dikarenakan baterai tidak mampu untuk digunakan dan

panel surya dapat mengisi baterai.

c. Kondisi pengisian aki :

i. Ketika daya panel surya kurang dari 1 Watt dan tegangan baterai lebih dari

12,5 Volt, pengisian baterai dimatikan.

Page 15: BAB III acid PERANCANGAN SISTEM Load control · 2018. 3. 21. · Bagian dalam sistem 3.2.1. Arduino Nano Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari

39

ii. Ketika daya panel surya lebih dari 1 Watt dan tegangan baterai kurang dari

12,5 Volt, pengisian dimulai.

iii. Saat tegangan baterai lebih dari 13,6 Volt, pengisi baterai dimatikan dan

diberi delay 10 detik. Hal ini karena baterai sudah penuh, akan tetapi jika

kurang dari 10 detik tegangan baterai drop, pengisian dilakukan kembali.

iv. Jika tegangan baterai kurang dari 13,6 Volt, pengisi baterai diaktifkan dengan

mengggunakan MPPT-P&O sebagai berikut :

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini lebih dari sebelumnya dan

tegangan saat ini juga lebih dari sebelumnya, maka boost converter akan

dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menaikkan tegangan agar daya dari

panel surya dapat maksimal.

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini lebih dari sebelumnya dan

tegangan saat ini kurang dari sebelumnya, maka buck converter akan

dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menurunkan tegangan agar daya dari

panel surya dapat maksimal.

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini kurang dari sebelumnya dan

tegangan saat ini lebih dari sebelumnya, maka buck converter akan

dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menurunkan tegangan agar daya dari

panel surya dapat maksimal.

• Saat daya panel surya pada kondisi saat ini kurang dari sebelumnya dan

tegangan saat ini juga kurang dari sebelumnya, maka boost converter

akan dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menaikkan tegangan agar daya

dari panel surya dapat maksimal.