Seiring percepatan kemajuan teknologi, permintaan listrik global meningkat dengan laju yang belum pernah terjadi sebelumnya. Peningkatan permintaan ini menuntut pengembangan sistem pembangkitan listrik yang lebih efisien dan berskala besar. Metode pembangkitan listrik tradisional yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil seperti batu bara, gas alam, dan minyak bumi tidak hanya terbatas ketersediaannya, tetapi juga berkontribusi besar terhadap kerusakan lingkungan melalui emisi gas rumah kaca. Seiring sumber daya bahan bakar fosil semakin langka dan dampak negatifnya terhadap lingkungan semakin nyata, peralihan menuju sumber energi terbarukan menjadi sebuah keniscayaan [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Energi terbarukan, khususnya tenaga surya, telah muncul sebagai solusi penting untuk memenuhi kebutuhan energi global yang terus meningkat [7], [8], [9], [10]. Energi surya bersifat melimpah, tidak akan habis, dan ramah lingkungan, sehingga menjadi alternatif yang ideal terhadap bahan bakar fosil untuk pembangkitan listrik.
Pemanfaatan energi surya untuk pembangkitan listrik menawarkan solusi yang berkelanjutan dan jangka panjang bagi krisis energi, dengan mengurangi ketergantungan pada sumber daya tak terbarukan serta meminimalkan jejak karbon dari proses pembangkitan listrik [11], [12], [13], [14]. Salah satu keunggulan utama energi surya adalah kemampuannya untuk dimanfaatkan pada tingkat rumah tangga, sehingga rumah dapat menghasilkan listrik sendiri melalui sistem energi surya rumah tangga (Solar Home Energy). Sistem Solar Home Energy umumnya terdiri atas panel surya, inverter, dan unit penyimpanan baterai, yang memungkinkan rumah tangga menghasilkan, menyimpan, dan menggunakan listrik tanpa bergantung pada jaringan listrik nasional. Di negara seperti Indonesia, dengan PLN (Perusahaan Listrik Negara) sebagai pemasok utama, penerapan energi surya dapat menghasilkan penghematan yang signifikan pada tagihan listrik karena rumah tangga menjadi lebih mandiri dalam memenuhi kebutuhan energinya [15], [16]. Selain itu, sistem energi surya membantu mengurangi beban jaringan listrik nasional, terutama di wilayah dengan permintaan energi tinggi atau infrastruktur terbatas, sehingga meningkatkan keamanan dan keandalan pasokan energi [17], [18], [19].
Perancangan dan penerapan pengisi daya baterai otomatis dapat menggunakan berbagai jenis konverter, termasuk konverter forward, boost, swiss, dan vienna [20]. Konverter boost jarang digunakan karena rugi konduksi yang tinggi serta rugi pemulihan dioda (diode recovery losses) [21]. Sementara itu, konverter swiss dan vienna memiliki topologi perangkat keras yang kompleks [22]. Namun, konverter DC-DC forward merupakan komponen penting untuk mengoptimalkan sistem energi surya bagi penggunaan rumah tangga. Konverter DC-DC forward berfungsi mengatur tegangan dan arus yang disalurkan ke baterai, sehingga pengisian berlangsung efisien dan aman. Jenis konverter ini sangat sesuai untuk aplikasi yang memerlukan konversi dari tegangan masukan rendah menjadi tegangan keluaran yang lebih tinggi, sebagaimana umum terjadi pada sistem energi surya [23]. Dengan mengintegrasikan pengendali logika fuzzy, sistem dapat menyesuaikan parameter pengisian secara dinamis berdasarkan kondisi pengisian baterai (state of charge) dan kondisi lingkungan, sehingga kinerja menjadi optimal serta umur pakai baterai lebih panjang [24], [25], [26], [27]. Lebih lanjut, penggunaan pengendali logika fuzzy bersama konverter DC-DC forward memungkinkan pengendalian proses pengisian yang lebih presisi. Berbeda dari pengendali konvensional yang bekerja berdasarkan aturan tetap, pengendali logika fuzzy dapat beradaptasi terhadap perubahan kondisi secara waktu nyata, sehingga cocok untuk sistem yang kompleks dan tidak linier seperti penyimpanan energi surya [28], [29]. Metode kendali ini meningkatkan efisiensi energi dan memastikan baterai menerima pengisian yang konstan serta stabil, meskipun tingkat radiasi matahari berfluktuasi. Dengan menggabungkan teknologi tersebut, sistem Solar Home Energy dapat mencapai otonomi dan efisiensi yang lebih tinggi, sehingga ketergantungan pada sumber listrik eksternal seperti PLN dapat dikurangi. Dampaknya, rumah tangga tidak hanya dapat menekan biaya energi, tetapi juga berkontribusi terhadap tujuan yang lebih luas, yaitu transisi menuju energi terbarukan dan berkelanjutan pada skala global.
Sebagian besar penelitian berfokus pada upaya memaksimalkan efisiensi saat radiasi matahari berada pada puncaknya. Namun, salah satu kesenjangan penting ialah minimnya kajian yang membahas peningkatan efisiensi konverter DC-DC forward pada periode iradiasi matahari rendah (pagi hari, sore hari, dan saat cuaca berawan). Hal ini sangat penting di wilayah tropis yang kondisi penyinarannya cenderung berfluktuasi. Karena itu, diperlukan penelitian untuk meningkatkan kinerja konverter pada kondisi yang kurang menguntungkan tersebut [30], [31]. Selain itu, meskipun pengendali logika fuzzy telah diterapkan pada konverter DC-DC untuk mengoptimalkan pengisian baterai, masih relatif sedikit penelitian yang menyoroti kesehatan baterai dalam jangka panjang pada sistem Solar Home Energy. Dampak siklus pengisian berulang terhadap umur baterai, serta pengembangan algoritme untuk mencegah pengisian berlebihan, pengisian kurang, dan degradasi termal masih belum banyak dieksplorasi [32], [33], [34]. Pada [35], ditambahkan integrasi ZigBee dan PLC. Modul pengukuran energi berbasis ZigBee digunakan untuk memantau konsumsi energi peralatan rumah tangga dan penerangan. Selanjutnya, gateway energi terbarukan berbasis PLC melacak pembangkitan dari sumber energi terbarukan. Selain itu, pada [36] pengisian menggunakan sistem manajemen baterai (Battery Management System/BMS) menjadi era baru seiring pertumbuhan kendaraan listrik. Makalah tersebut mengkaji teknologi esensial dalam BMS dengan menitikberatkan pada pemodelan baterai, estimasi keadaan, dan proses pengisian. Kajian ini memberikan analisis komprehensif terhadap berbagai model baterai, seperti model listrik, termal, dan elektrotermal.
Belakangan, integrasi sistem Solar Home Energy dengan smart grid menjadi area yang berkembang, tetapi belum sepenuhnya dieksplorasi. Konverter DC-DC forward berpotensi berperan penting dalam mengelola aliran daya antara panel surya, penyimpanan baterai, dan jaringan listrik. Namun, penelitian mengenai bagaimana konverter ini dapat diadaptasi untuk mendukung aliran daya dua arah serta berkomunikasi dengan infrastruktur jaringan secara waktu nyata masih terbatas. Rancangan dan implementasi dalam kajian ini telah divalidasi secara ketat melalui simulasi dan hasil eksperimen, serta memberikan kontribusi berarti dengan mengatasi keterbatasan yang dicatat pada penelitian-penelitian sebelumnya mengenai sistem fotovoltaik (PV) dan aplikasi Solar Home Energy [1]揫32]. Studi ini mengusulkan solusi baru yang menggabungkan konverter DC-DC forward dengan pengendali logika fuzzy. Validasi melalui eksperimen menegaskan potensinya untuk diterapkan secara praktis, sekaligus menjadi langkah penting dalam pengembangan sistem energi terbarukan.
Diagram blok sistem ditunjukkan pada Gambar 1. Rancangan keseluruhan terdiri atas enam bagian. Pemilihan rancangan pada simulasi ditetapkan berdasarkan spesifikasi masukan dan keluaran. Bagian pertama adalah sel surya yang berfungsi sebagai sumber utama sistem. Proses pengisian baterai ditenagai oleh tiga sel surya 135 Wp yang tersusun seri. Sel surya tersebut menyediakan tegangan masukan sebesar 160 V. Bagian kedua adalah konverter DC-DC forward yang berfungsi menurunkan tegangan hingga mencapai tingkat yang sesuai untuk pengisian baterai, yaitu 96 V. Bagian ketiga terdiri atas sensor arus dan sensor tegangan. Sensor tegangan bertugas mendeteksi tegangan keluaran konverter, kemudian hasilnya dikirimkan kembali (umpan balik) ke mikrokontroler sebagai masukan untuk kendali logika fuzzy. Sementara itu, sensor arus digunakan untuk mendeteksi arus pengisian yang mengalir menuju baterai. Bagian keempat adalah mikrokontroler. Mikrokontroler yang digunakan ialah sistem minimum STM32F4 Discovery dengan mikrokontroler ARM STM32F4. Mikrokontroler berfungsi mengendalikan dan menyesuaikan duty cycle. Pengaturan duty cycle dilakukan melalui PWM internal mikrokontroler dengan metode pengendali logika fuzzy. Bagian kelima terdiri atas layar LCD TFT dan alarm yang berperan sebagai antarmuka masukan/keluaran bagi mikrokontroler. Alarm berfungsi sebagai indikator yang akan berbunyi saat baterai terisi penuh. Selain itu, perangkat dilengkapi fitur mati otomatis (auto shut-off) yang memutus hubungan baterai dari sumber daya ketika arus keluaran mendekati nol (menandakan proses pengisian telah selesai). Bagian keenam adalah beban baterai. Baterai yang digunakan memiliki spesifikasi 12 V 45 Ah per unit dan disusun seri, sehingga kapasitas total baterai menjadi 96 V 45 Ah.
Hasil dan Pembahasan
Dalam makalah ini, disajikan beberapa hasil pengujian eksperimen. Tegangan masukan konverter forward ditunjukkan pada Gambar 2. Respons tegangan masukan berada pada kondisi tunak (steady-state). Selanjutnya, logika fuzzy diuji pada variasi tegangan keluaran konverter forward, yaitu 100 V, 110 V, dan 115 V. Tujuan pengujian ini adalah untuk menilai dan memvalidasi kinerja kendali sistem. Pada Gambar 3 ditunjukkan respons kendali logika fuzzy. Pada Gambar 4(a), set point ditetapkan sebesar 100 V. Terlihat bahwa kendali bekerja secara efektif pada konverter: tegangan keluaran meningkat hingga mencapai set point, kemudian mencapai kondisi tunak. Pada pengujian dengan set point 100 V, keluaran konverter mencapai 96,9 V, yang menunjukkan bahwa kendali berhasil menstabilkan keluaran konverter mendekati set point. Persentase galat pada set point 100 V adalah 3,1%. Ketika set point diubah menjadi 110 V, respons menunjukkan kinerja yang memuaskan, termasuk galat yang kecil sebesar 3,27% dan kemampuan mengikuti set point dengan baik, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3(b). Selanjutnya, galat meningkat menjadi 7,7% ketika set point diubah menjadi 115 V, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3(c). Pada Tabel 2 ditampilkan pengendali logika fuzzy yang digunakan pada konverter forward dalam sistem loop tertutup (closed loop) dengan variasi tegangan referensi. Pengujian ini bertujuan untuk menguji ketangguhan (robustness) pengendali, dengan beban uji berupa beban DC 100 W, 220 V. Data eksperimen menunjukkan bahwa kombinasi sistem loop tertutup tersebut memberikan respons yang baik, yakni mampu mengikuti set point dengan baik dan menghasilkan galat yang kecil.
Tahap berikutnya adalah pengujian integrasi sistem menggunakan Kendali Logika Fuzzy, dengan pemberian set point sesuai dengan referensi tegangan. Tabel 1 menyajikan hasil integrasi sistem untuk proses pengisian menggunakan kendali logika fuzzy ketika state of charge baterai berada pada 60% atau 98,5 V, dengan set point 110 V. Data ini dikumpulkan pada kondisi sinar matahari cerah antara pukul 11.30 hingga 12.10. Pada Tabel 2 terlihat bahwa, dengan penggunaan kendali logika fuzzy, tegangan keluaran konverter forward DC-DC dapat dipertahankan pada tingkat yang konstan. Kurva efisiensi ditunjukkan pada Gambar 4. Meskipun memiliki keunggulan tersebut, kinerja sistem masih dibatasi oleh pemilihan material dan parameter perancangan. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, tegangan pengisian yang diberikan oleh konverter masih belum memadai dan tidak mencapai tegangan pengisian yang ditetapkan oleh set point. Hasil pengujian menunjukkan tegangan pengisian sebesar 100,5 V, sehingga menghasilkan galat 8,63% dari tegangan yang direncanakan. Selain itu, arus pengisian yang terukur adalah 1,4 A, dengan galat 68,89% dari arus pengisian yang direncanakan. Ketidakmampuan konverter untuk mencapai tegangan pengisian yang ditentukan dikaitkan dengan terjadinya saturasi pada transformator yang dirancang. Saturasi transformator ini disebabkan oleh berbagai faktor, salah satunya pengaruh inti ferit (ferrite core) yang digunakan. Oleh karena itu, dalam perancangan transformator, pemilihan material攌hususnya inti ferit攈arus mendapatkan perhatian yang cermat. Selain itu, keterbatasan duty cycle konverter juga turut berkontribusi terhadap kegagalan konverter dalam mencapai tegangan pengisian yang ditetapkan. Saturasi transformator membatasi kemampuan konverter untuk mencapai parameter pengisian yang diinginkan, yang berpotensi menurunkan efisiensi dan keandalan sistem. Lebih lanjut, galat arus pengisian yang tinggi mengindikasikan perlunya peningkatan perancangan dan kalibrasi pengendali logika fuzzy beserta komponen terkait. Permasalahan ini perlu diselesaikan untuk meningkatkan skalabilitas dan keterterapan sistem. Upaya perbaikan dapat dilakukan melalui eksplorasi material alternatif untuk inti transformator, optimalisasi rentang duty cycle, serta penyempurnaan algoritme kendali logika fuzzy. Selain itu, penelitian terkait integrasi konverter ini dengan sistem manajemen baterai (battery management system) dan perangkat pemantauan lanjutan dapat semakin meningkatkan kinerja dan keandalan. Dengan mengatasi tantangan tersebut, rancangan yang diusulkan berpotensi memberikan dampak yang lebih luas dalam pengembangan solusi energi berkelanjutan untuk aplikasi rumah tangga maupun industri. Faktor lingkungan, khususnya variasi temperatur dan fluktuasi iradiasi matahari, berpengaruh signifikan terhadap kinerja konverter forward DC-DC dan pengisi daya baterai berbasis kendali logika fuzzy yang diusulkan. Faktor-faktor ini secara langsung memengaruhi keluaran panel surya serta efisiensi operasi konverter. Temperatur tinggi dapat menurunkan efisiensi sel fotovoltaik sehingga tegangan keluarannya berkurang. Ketika panel surya menghasilkan tegangan yang lebih rendah pada temperatur tinggi, masukan ke konverter DC-DC dapat turun di bawah tingkat optimal, sehingga kinerja sistem dalam mempertahankan parameter pengisian yang diinginkan menjadi kurang maksimal. Selain itu, fluktuasi iradiasi matahari menyebabkan masukan daya ke konverter menjadi tidak konsisten. Pengendali logika fuzzy dirancang untuk beradaptasi terhadap perubahan ini; namun, fluktuasi yang sangat cepat atau ekstrem dapat melampaui kemampuan sistem untuk mempertahankan keluaran yang stabil, sehingga menimbulkan ketidakefisienan atau kinerja yang bersifat terputus-putus.
Tabel 1. Hasil Closed Loop Forward Converter dan kontrol Fuzzy Logic
| 120 | 155 | 0.4 | 119.4 | 0.3 |
| 110 | 154 | 0.38 | 110.8 | 0.3 |
| 100 | 155 | 0.3 | 99.3 | 0.29 |
| 90 | 156 | 0.24 | 89.8 | 0.25 |
| 80 | 156 | 0.22 | 79.6 | 0.24 |
Tabel 2. Hasil integrasi dengan kontrol Fuzzy logic
| Time | |||||
| 110 | 11.30 a.m. | 152 | 1.3 | 99.8 | 1.35 |
| 11.40 a.m. | 151 | 1.35 | 100 | 1.4 | |
| 11.50 a.m. | 151 | 1.3 | 100.2 | 1.35 | |
| 12.00 p.m. | 151 | 1.35 | 100.3 | 1.4 | |
| 12.10 p.m. | 151 | 1.3 | 100.5 | 1.35 |
Gambar 4. Kurva efisiensi
Makalah ini menunjukkan perancangan dan implementasi pengisi daya baterai otomatis menggunakan konverter DC-DC forward dengan pengendali logika fuzzy, yang bertujuan mengoptimalkan penyimpanan energi pada sistem Solar Home Energy. Hasil penelitian menunjukkan bahwa meskipun sistem kendali logika fuzzy mampu mempertahankan tegangan keluaran yang stabil, tegangan dan arus pengisian masih belum mencapai nilai set point, sehingga diperlukan optimalisasi lebih lanjut.
Perbedaan yang teramati, seperti galat tegangan sebesar 8,63% dan galat arus yang sangat besar sebesar 68,89%, terutama disebabkan oleh saturasi transformator, yang kemungkinan dipengaruhi oleh inti ferit (ferrite core) serta keterbatasan duty cycle. Penelitian ini menegaskan pentingnya pemilihan material, khususnya dalam perancangan transformator, untuk mencegah saturasi dan meningkatkan efisiensi. Selain itu, keterbatasan duty cycle pada konverter turut menyebabkan kinerja konverter terbatas dalam memenuhi parameter pengisian yang diinginkan.
Pada penelitian selanjutnya, dapat dieksplorasi penggunaan material inti transformator alternatif dan penyesuaian duty cycle, yang berpotensi meningkatkan kinerja pengisian serta menurunkan tingkat galat, sehingga efektivitas solusi penyimpanan energi terbarukan untuk aplikasi rumah tangga dapat semakin ditingkatkan.
Penulis: Muhammad Syahril Mubarok, Ph.D.
Prodi: Teknik Elektro
Email: syahril.mubarok@ftmm.unair.ac.id
Fakultas: Teknologi Maju dan Multidisiplin
Tautan Artikel:
