BAB II DASAR TEORI -...
Transcript of BAB II DASAR TEORI -...
4
BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang berkaitan dengan tugas akhir yang dibuat,
antara lain sel surya, maximum power point tracking, buck and boost converter, dan baterai lead-
acid.
2.1. Sel Surya
Sel surya merupakan peralatan elektronik yang mampu mengubah energi cahaya matahari
menjadi energi listrik. Sedangkan panel surya merupakan gabungan dari beberapa modul yang
tersusun dari beberapa sel surya. Sel surya terbuat dari bahan-bahan seperti monocrystalline
silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, kadmium telurida, dan tembaga indium galium
selenida [1].
2.1.1. Prinsip Kerja Sel Surya
Sel surya bekerja berdasarkan efek fotovoltaik, yaitu munculnya tegangan pada sebuah
material dikarenakan terkena cahaya yang memiliki frekuensi di atas ambang batas frekuensi
materi tersebut [2][3]. Energi yang dihasilkan memiliki persamaan :
∆𝐸 = ℎ(𝑣 − 𝑣0) (2.1.)
dengan
E = energi foton (Joule)
h = konstanta Planck (6,625 × 10-34 Joule.detik)
v = frekuensi cahaya
v0 = frekuensi ambang logam
Secara sederhana, cara kerja sel surya adalah sebagai berikut [1][2]:
1. Energi dari cahaya matahari, dalam hal ini adalah foton (energi yang terdapat dalam cahaya,
dikemukakan oleh Albert Einstein, pada 1905), mengenai permukaan sel surya.
2. Foton dengan energi yang kurang energi ambang dari material sel surya akan dilewatkan,
sedangkan foton dengan energi yang sama atau lebih akan diserap.
3. Energi dari elektron kemudian meningkat dan menyebabkan perpindahan elektron dari
tingkat energi rendah ke tingkat energi tinggi.
5
4. Hal ini menyebabkan terbentuknya hole pada tempat elektron sebelumnya dan akhirnya
terbentuk pasangan elektron-hole.
5. Karena sel surya merupakan p-n junction dan di antara lapisan p serta lapisan n diberi
membran semipermeabel, maka elektron yang telah berpindah tingkat energinya tidak dapat
kembali ke tempat semula.
6. Dengan hal tersebut, maka terdapat perbedaan potensial. Dengan pemasangan rangkaian
eksternal, maka elektron akan mengalir ke tempatnya semula, hal ini menimbulkan
terbentuknya arus dan tegangan pada sel surya.
2.1.2. Rangkaian Ekuivalen dari Sel Surya
Sel surya dapat diganti dengan rangkain yang ekuivalen untuk memudahkan dalam analisis.
Berikut adalah rangkaian yang ekuivalen dengan sel surya :
Gambar 2.1. Rangkaian ekuivalen sel surya
Dari rangkaian di atas, maka akan di dapat persamaan :
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 (𝑒𝑞(𝑉𝑑+𝐼𝑅𝑠)
𝑛𝑘𝑇 − 1) −𝑉+𝐼𝑅𝑠
𝑅𝑠ℎ (2.2)
dengan
IL = arus hubung singkat (A)
I0 = arus reverse saturation dioda (A)
q = muatan elektron (1,602 × 10-19 C)
Vd = tegangan dioda (V)
k = konstanta Boltzmann (8,617 × 10-5 eV/K atau 1,381 × 10-23 J/K)
T = suhu sel surya (K)
n = faktor idealitas dioda
Rs = hambatan seri (Ω)
Rsh = hambatan shunt (Ω)
6
2.1.3. Karakteristik Sel Surya
Gambar 2.2. Grafik keluaran V terhadap I pada sel surya [4]
Dari grafik keluaran sel surya di atas, dapat dilihat bahwa sel surya memiliki beberapa hal
penting, yaitu short circuit current (Isc), open circuit voltage (Voc), dan titik daya maksimal. Isc
adalah arus yang mengalir melewati sel surya saat tegangan yang mengalir melewatinya adalah
nol. Sedangkan Voc adalah tegangan yang mengalir melewati sel surya saat arus yang mengalir
melewatinya adalah nol. Kedua hal ini merupakan titik maksimal dari keluaran sel surya.
Sedangkan titik daya maksimal adalah titik di mana keluaran sel surya (tegangan dan arus) yang
dihasilkan menghasilkan daya tertinggi, arus dan tegangan pada titik ini adalah Imp dan Vmp.
Perbandingan antara Voc dan Isc dengan Vmp dan Imp disebut sebagai fill factor (FF). FF ini
digunakan untuk mengukur kualitas dari sebuah sel surya. Sedangkan efisiensi dari sel surya dapat
dituliskan dengan persamaan [5][6]:
𝜂 =𝑉𝑚𝑝×𝐼𝑚𝑝
𝑉𝑜𝑐×𝐼𝑠𝑐 (2.3)
dengan
η = efisiensi sel surya (%)
2.1.4. Jenis-Jenis Sel Surya
7
Dalam perkembangannya, sel surya terbuat dan tersusun dari berbagai macam bahan, yang
kemudian dapat dikelompokkan menjadi generasi pertama, kedua, dan ketiga [7]. Generasi
pertama disebut sebagai sel surya tradisional, terbuat dari crystalline silicon yang di dalamnya ada
polycrystalline silicon dan monocrystalline silicon. Generasi kedua merupakan thin film solar cell.
Yang merupakan sel surya generasi kedua adalah amorphous silicon, CdTe, dan CIGS. Generasi
ketiga sebagian merupakan thin film solar cell yang belum dipublikasikan dan sebagiannya
merupakan sel surya yang terbuat dari materi organik yang masih dalam penelitian dan
pengembangan. Berikut adalah penjelasan dari beberapa jenis sel surya [6] [7]:
2.1.4.1. Monocrystalline Silicon Solar Cell
Monocrystalline silicon biasa disebut silikon kristal tunggal, Si kristal tunggal, mono c-
Si, atau mono-Si. Selain digunakan untuk sel surya, silikon jenis ini banyak digunakan dalam
peralatan elektronik untuk chip. Sel surya jenis ini dibuat dari silikon yang setiap kisinya tidak
terputus dan bentuknya seragam. Pembuatan dari sel surya ini menggunakan silikon murni maupun
didoping.
Gambar 2.3. Panel surya Mono-Si [8]
2.1.4.2. Polycrystalline Silicon Solar Cell
Polycrystalline silicon atau polysilicon atau poly-Si, memiliki tingkat kemurnian silikon
yang cukup tinggi. Kristal yang terbentuk adalah polikristal dan proses pemurniannya dengan
proses Siemens. Bentuk dari kristal sel surya jenis ini acak, arahnya tidak teratur, dan ukurannya
tidak seragam.
8
Gambar 2.4. Panel surya Poli-Si [9]
2.1.4.3. Amorphous Silicon Solar Cell
Amorphous silicon (a-Si) merupakan wujud non-kristal dari silikon. Jenis silikon ini
banyak digunakan dan dikembangkan untuk sel surya jenis thin film. Sel surya ini dibuat dengan
mengendapkan silikon sehingga membentuk lapisan yang tipis, sekitar 1 mikrometer. Endapan
silikon ini dapat dibuat dengan suhu rendah, sekitar 75°C.
Gambar 2.5. Lapisan sel surya a-Si [10]
9
Gambar 2.6. Panel surya a-Si [11]
2.1.4.4. Cadmium Telluride (CdTe)
Sel surya jenis ini tidak dibuat dengan silikon, melainkan kadmium telurida. Walaupun
kadmium merupakan bahan yang sangat beracun, akan tetapi kadmium telurida tidak terlalu
beracun seperti kadmium. Memiliki keunggulan biaya pembuatan lebih rendah dibanding dengan
silikon dalam tingkat sistem multi kilowatt.
10
Gambar 2.7. Lapisan sel surya CdTe [12]
Gambar 2.8. Panel surya CdTe [13]
2.1.4.5. Copper Indium Gallium Selenide (CIGS)
CIGS atau CI(G)S atau CIS adalah sel surya yang dibuat dengan mengendapkan lapisan
tipis dari tembaga, indium, galium, dan selenida pada kaca, logam, maupun plastik dengan
elektroda pada bagian depan dan belakangnya. Sel surya ini memiliki keuntungan ringan dan
fleksibel.
11
Gambar 2.9. Panel surya CIGS [14]
2.2. Maximum Power Point Tracking
Maximum power point tracking (MPPT) merupakan cara yang digunakan untuk
memaksimalkan energi keluaran dari sumber daya listrik, seperti panel surya. MPPT diperlukan
dalam panel surya karena keluaran dari panel surya tidaklah linear. Hal ini disebabkan oleh adanya
perubahan intensitas cahaya matahari dan suhu yang tidak tetap tiap saatnya [6].
Cara kerja dari MPPT adalah mencari titik kerja maksimal dan mempertahankan
keluarannya agar bekerja di titik maksimal tersebut. Terdapat 19 metode MPPT dengan metode
yang berbeda untuk memaksimalkan daya keluaran. Metode-metode itu antara lain [15]:
Tabel 2.1. Metode-Metode MPPT Beserta Kriterianya
MPPT Methods PV Array
Dependent?
True
MPPT?
Analog
or
Digital?
Periodic
Tuning
Convergence
Speed
Implementation
Complexity
Sensed
Parameter
P&O No Yes Both No Varies Low Voltage,
Current
IncCond No Yes Digital No Varies Medium Voltage,
Current
Fractional Voc Yes No Both Yes Medium Low Voltage
Fractional Isc Yes No Both Yes Medium Medium Current
Fuzzy Logic
Control Yes Yes Digital Yes Fast High Varies
Neural Network Yes Yes Digital Yes Fast High Varies
RCC No Yes Analog No Fast Low Voltage,
Current
Current Sweep Yes Yes Digital Yes Slow High Voltage,
Current
DC Link Capacitor
Droop Control No No Both No Medium Low Voltage
Load I or V
Maximization No No Analog No Fast Low
Voltage,
Current
dP/dV or dP/dI
Feedback Control No Yes Digital No Fast Medium
Voltage,
Current
Array
Reconfiguration Yes No Digital Yes Slow High
Voltage,
Current
Linear Current
Control Yes No Digital Yes Fast Medium Irradiance
Impp & Vmpp
Computation Yes Yes Digital Yes N/A Medium
Irradiance,
Temperature
State-based MPPT Yes Yes Both Yes Fast High Voltage,
Current
OCC MPPT Yes No Both Yes Fast Medium Current
BFV Yes No Both Yes N/A Low None
LRCM Yes No Digital No N/A High Voltage,
Current
Slide Control No Yes Digital No Fast Medium Voltage,
Current
14
Pada tugas akhir ini digunakan MPPT metode perturb and observe (P&O). Metode
ini sering digunakan karena tingkat kekompleksan algoritma yang rendah, sehingga
memudahkan dalam penerapannya. Akan tetapi, metode ini juga memiliki kekurangan,
yaitu dapat dengan mudahnya kehilangan jejak titik maksimum saat perubahan dari
penyinaran berganti-ganti dengan cepat. Hal ini dikarenakan ketika terjadi perubahan
sinar matahari secara cepat, P&O berosilasi di sekitar daerah MPP. Sebelum menemukan
MPP, P&O akan selalu berpindah-pindah di sekitar titik MPP. Hal ini mengurangi
efisiensi dari algoritma P&O [16][17]. Metode ini menggunakan perubahan data dari
tegangan dan daya dari panel surya. Kemudian, perubahan tegangan dan daya yang
dihasilkan untuk mengubah tegangan referensi (hal ini dinamakan perturbation). Berikut
adalah tabel perubahan dari perturbation dan daya.
Tabel 2.2. Data Perubahan Perturbation dan Daya
Perturbation Perubahan Daya Perturbation Selanjutnya
Positif Positif Positif
Positif Negatif Negatif
Negatif Positif Negatif
Negatif Negatif Positif
Dari tabel di atas, dapat diketahui bahwa saat perubahan tegangan dan dayanya
positif, maka perturbation selanjutnya juga positif. Hal ini menunjukkan daya pada saat
tersebut masih belum maksimal, sehingga diperlukan penambahan pada tegangan
referensi untuk menambah dayanya. Kemudian, pada saat perubahan tegangannya positif,
sedangkan perubahan dayanya negatif, maka perturbation selanjutnya adalah negatif. Hal
ini dikarenakan daya maksimal sudah dilewati, sehingga diperlukan penurunan tegangan
referensi guna meningkatkan daya ke titik maksimalnya. Selanjutnya, ketika perubahan
tegangannya negatif, akan tetapi perubahan dayanya positif, hal ini menunjukkan daya
maksimal sudah dilewati. Oleh sebab itu, diperlukan perturbation negatif untuk kembali
ke titik maksimalnya. Ketika perubahan tegangan dan dayanya negatif, perturbation
selanjutnya adalah positif. Hal ini ditujukan untuk meningkatkan daya yang mengalami
penurunan dari titik maksimalnya. Dari keterangan tersebut, akan didapat diagram alir
sebagai berikut :
15
MULAI
Po = 0
Vo = 0
Ambil data
Vsp dan Isp
Psp = Vsp *
Isp
ΔP = 0?
ΔP > 0?
ΔV > 0?ΔV > 0?
YA
TIDAK
YATIDAK
Naikkan
tegangan
referensi
Turunkan
tegangan
referensi
TIDAKYA
YATIDAK
Gambar 2.10. Diagram alir algoritma MPPT-P&O
2.3. Buck and Boost Converter
Buck and boost converter merupakan konverter tegangan DC ke DC yang dapat
mengubah tegangan sumber menjadi lebih tinggi (boost) maupun lebih rendah (buck).
Buck and boost converter merupakan konverter bertipe SMPS (switching-mode power
supply), yaitu power supply yang menggunakan pengaturan penyaklaran untuk mengubah
daya secara lebih efisien. Dalam tugas akhir ini digunakan LM2577 dan LM2596 sebagai
buck and boost converter. Kedua IC ini bekerja dengan prinsip yang sama, yaitu dengan
penyaklaran pada bagian dalam IC dengan frekuensi yang berbeda-beda. Ditambah
dengan komponen eksternal, maka akan didapat keluaran yang dapat disesuaikan. Berikut
16
adalah perhitungan untuk menentukan komponen eksternal dari LM2577 dan LM2596
[18][19]:
2.3.1. Boost Converter, LM2577
LM2577 adalah boost converter dengan osilator 52 kHz sebagai frekuensi
penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan :
Gambar 2.11. IC LM2577 [20]
Gambar 2.12. Rangkaian boost converter dengan IC LM2577 [18]
2.3.1.1. Penentuan arus beban maksimal, Iload,max
Batasan dari arus beban yang dapat diterima oleh LM2577 adalah
Iload,max ≤2,1A ×Vin,min
Vout (2.3)
dengan syarat
Vout ≤ 60 V
Vout ≤ 10 × Vin,min
17
2.3.1.2. Induktansi, L
Untuk mencari nilai L, pertama kali tentukan nilai maksimum dari duty cycle.
Dmax =Vout+Vf−Vin,min
Vout+Vf−0,6 V (2.4)
dengan
Vf = 0,5 V untuk dioda Schottky dan 0,8 V untuk lainnya
Selanjutnya, cari kode L dari perpotongan nilai E·T dan Iind,DC.
E ∙ T =Dmax×(Vin,min−0,6 V)×106
52000Hz V ∙ μs (2.5)
Iind,DC =1,05×Iload,max
1−Dmax (2.6)
Gambar 2.13. Grafik untuk mencari kode induktor [18]
Jika nilai Dmax < 0,85, maka dari kode dapat dicari nilai L dengan tabel :
18
Tabel 2.3. Kode Induktor
Jika Dmax ≥ 0,85, maka nilai L minimal dicari dengan :
Lmin =6,4.(Vin,min−0,6 V).(2.Dmax−1)
1−DmaxμH (2.7)
2.3.1.3. Rc, Cc, dan Cout
Besarnya nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ dan dapat dihitung dengan :
Rc ≤750×Iload,max×Vout
2
Vin,min2 (2.8)
Nilai minimum Cout didapat dari hasil tertinggi antara :
Cout ≥0,19×L×Rc×Iload,max
Vin,min×Vout (2.9)
dan
Cout ≥Vin,min×Rc×(Vin,min+𝐿×3,74×105)
487800×Vout3 (2.10)
Nilai Cc didapat dengan :
Cc ≥58,5×Vout
2×Cout
Rc2×Vin,min
(2.11)
Agar saat sirkuit dapat mulai dengan baik, diperlukan Cc ≥ 0,22 µF.
2.3.1.4. R1 dan R2
Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari boost converter.
Vout = Vref (1 +R1
R2) (2.12)
dengan
Vref = 1,23 V
19
2.3.1.5. Dioda, D
Nilai dioda didapat dari tabel :
Tabel 2.4. Jenis Dioda
2.3.2. Buck Converter, LM2596
LM2596 adalah buck converter dengan osilator 150 kHz sebagai frekuensi
penyaklaran. Komponen-komponen eksternal yang dibutuhkan ditentukan dengan :
Gambar 2.14. IC LM2596 [21]
20
Gambar 2.15. Rangkaian buck converter dengan IC LM2596 [19]
2.3.2.1. R1 dan R2
Nilai R1 dan R2 menentukan nilai tegangan keluaran dari buck converter.
Vout = Vref (1 +R2
R1) (2.13)
dengan
Vref = 1,23 V
2.3.2.2. Induktansi, L
Untuk mencari nilai L, pertama kali dihitung nilai Volt·microseconds dengan
persamaan :
E ∙ T = (Vin − Vout − Vsat) ∙Vout+Vd
Vin−Vsat+Vd∙
1000
150 kHz(V ∙ μs) (2.14)
dengan
Vsat = 1,16 V
Vd = 0,5 V
Setelah nilai Volt·microseconds didapat dan arus beban maksimal ditentukan, maka
kode induktor dapat ditentukan dengan :
21
Gambar 2.16. Grafik untuk mencari kode induktor [19]
Setelah kode induktor ditemukan, maka nilai induktor dapat diketahui dengan :
Tabel 2.5. Kode Induktor
22
2.3.2.3. Kapasitor keluaran, Cout
Kapasitor keluaran dapat diketahui dari tabel berikut :
Tabel 2.6. Nilai Kapasitor Keluaran
Kapasitas tegangan dari kapasitor minimal adalah 1,5 kali dari tegangan keluaran
buck converter. Selain itu, peletakan kapasitor ini harus dekat dengan IC.
2.3.2.4. Kapasitor feedforward, Cff
Nilai Cff dapat dilihat dari Tabel 2.6.
2.3.2.5. Dioda, D
Untuk mencari dioda yang tepat, pertama arus yang mampu dilewatkan dioda
memiliki besar minimal 1,3 kali arus beban, kedua tegangan balik dioda minimal 1,25
kali dari tegangan maksimal masukan. Peletakan dioda juga harus dekat dengan IC.
Berikut adalah tabel jenis dioda yang dapat digunakan :
Tabel 2.7. Jenis Dioda
23
2.3.2.6. Kapasitor masukan, Cin
Kapasitor yang digunakan untuk masukan adalah kapasitor dengan tegangan
kapasitor minimal 1,5 kali tegangan masukan dan arus 0,5 kali arus beban. Setelah itu,
besarnya kapasitor dapat dicari dengan melihat Gambar 2.17.
Gambar 2.17. Grafik untuk mencari besarnya kapasitor masukan
2.4. Baterai Lead-Acid
Baterai adalah peralatan yang mampu mengubah energi kimia menjadi energi
listrik. Baterai terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu anoda, katoda, dan elektrolit. Anoda
merupakan kutub negatif dari baterai yang memberi elektron ketika terhubung dengan
rangkaian eksternal. Katoda merupakan kutub positif dari baterai yang menerima elektron
ketika terhubung dengan rangkaian eksternal. Sedangkan elektrolit merupakan
penghantar antara katoda dan anoda saat ion terbentuk [22].
Secara umum, baterai dibedakan berdasar kemampuannya untuk diisi ulang secara
elektrik. Terdapat dua jenis baterai baterai, yaitu baterai primer dan sekunder. Baterai
primer merupakan baterai yang tidak dapat diisi ulang ketika sudah tidak dapat
24
menghasilkan energi listrik. Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang ketika sudah
tidak dapat menghasilkan listrik [22][23].
Baterai lead-acid merupakan jenis baterai sekunder. Listrik dari baterai lead-acid
dihasilkan dari reaksi kimia [23]:
Elektoda Positif ∶ 𝑃𝑏𝑂2 + 𝐻2𝑆𝑂4 + 2𝐻+ + 2𝑒− → 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 (2.15)
Elektoda Negatif ∶ 𝑃𝑏 + 𝐻2𝑆𝑂4 → 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻+ + 2𝑒− (2.16)
Reaksi Total ∶ 𝑃𝑏𝑂2 + 𝑃𝑏 + 2𝐻2𝑆𝑂4 → 2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 (2.17)
Ketika proses pengisian berlangsung, konsentrasi asam sulfat meningkat dan
konsentrasi maksimalnya adalah saat baterai terisi penuh. Sedangkan pada proses
pengosongan, hal sebaliknya berlangsung. Metode pengisian dari baterai lead-acid adalah
menggunakan tegangan 2,3 volt hingga 2,4 volt untuk tiap selnya [22].