TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 80 7 7  ~ 808 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.66 77          8077     Re cei v ed Ma y 29, 201 4; Revi sed Septe m ber  21, 201 4; Acce pted  Octob e r 20, 2 014   New Ge neration Solar PV Powered Sailing Boat Using  Boost Chopper       Soumy a  Das 1 , Pradip Kumar Sadhu* 2 , Supra v a Chakrabo r t y 2 , Nitai  Pal 2 , Gourav   Majumdar 1 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Un iver sit y  In stitute of T e chnolog y, B a rdh a man, W B -713 104, Ind i a   2 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Ind i an  Sc hool of Min e s, Dhan ba d, Jharkh and- 82 60 04, India   3 Departem ent of Electrical En gin eeri ng, KIIT   Univers i t y , Bh u ban es w a r -7 51 024, Odish a , India   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : pradi p_sa d h u @ y a hoo.co.i n       A b st r a ct   T he obj ective  of this pap er is  to establish te c hnic a l an d ec ono mical as pe cts of the appli c ation o f   stand-a l on e p h o tovolta i c (PV)  system  in s a il ing  bo at  usi n g  boost c hop pe r in or der to  si mp lify the  pow er   system an d mi ni mi z e  the   cost Perfor manc e and   co ntrol  of  dc-dc c onvert e r, suitab le  for  photov olta ic (P V)   app licati ons, is  prese n ted  her e. T h is  conv erter  is mai n ly bo ost  converte r f eed ing  a dc  lo ad. How e ver, f o r   integr ation  pur pose  on ly o ne  ind u ctor  is s u fficient for  pow e r  convers i on  in  the co nverter.  Here, th e b o o s t   converter  extra c ts compl e te p o w e r from the   PV sourc e  a n d  feeds  into  the   loa d . F u rther more, the  PV  pa ne l   provi des th e e ssentia l pr otection t o   the  pass eng ers of  bo at from the st ra i ght su nshi ne  a nd  also  fro m  t h e   rainwater.     Ke y w ords :   solar sa ili ng b oat (electric v ehicl e), DC-D C   pow er conv ersio n  (boost  chop per), MOSF ET s,  voltag e contro l, PV         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Tran sp ort in  water  way s  i s  definitely o ne of the m o st indi sp ensable life sust enan ce   feature s  of t he mo dern  society; practi cally all th i s   energy come s fro m  fossil  fuels, it  cre a tes  heavy ecolo g i cal problem s in all large cities. The  m a in solutio n  of these prob lems lie s in the  prop er u s o f  the rene wa ble ene rgy source s, and  t here  are m a ny plausi b le  example s  of this  kind,  li ke   sol a r po wered sailing boat which   u s e s   o n l y  sola ene rg y conve r ted   by Photo V o l t aic   Conve r ters (PVCs) a nd feedin g  a dc l oad [1, 2].  It  is impo rtant to gene rate the pollution -f ree,   Eco frie ndly  natural  ene rg y. Electricity gene rat ed f r o m  photovoltai c  (PV)  po we r system s i s   a   major  re ne wable ene rgy sou r ce whi c h   involves   al most ze ro greenh ou se ga e m ission   a nd  doe sn’t  con s ume a n y fossil fuel [3-5]. Photovoltaic  e nergy i s   an  e fficient source of e nergy: it is  rene wa ble, in exhau stible  a nd p o llution  free, fo r th at,  it is m o re a n d  mo re  ra pidl y been  u s e d   as  an ene rgy so urce. In stan dalon e photo v oltaic gen erator (PVG ), the gen erated  energy is u s ed  either dire ctly  or asso ciate d   wi th  stora ge in  battery  or in  an  ene rgy re se rve, e . g. hydrauli c In  con n e c ted P V G, it may b e  asso ciated  with in verte r s and voltage  step-up o r  st ep-d o wn sy stems  (i.e. ch opp ers). A PVG with  good  efficien cy ca n b e   carried  out if it consta ntly con v erts maxim u available  sola r p o we all th e time  even i n  case of  rai n y day [6]. He re this conve r ter i s   essentia lly  boo st co nvert e rs feedin g  a  dc lo ad.  Ho wever,  on  a c cou n t of the i n tegratio n th ere i s  o n ly o n e   indu ctor i s  su fficient for po wer  co nversi on in this  co nverter. Here the  boo st converte r extracts  compl e te po wer from the  PV source an d feeds into t he load [7-9].      2. The Propo sed Me thod   Re cent resea r ch  ha s dealt  with most of  the  DC/ DC  converte rs in  orde r to find the mo st  comp atible type in term of overall po wer  syst em efficien cy. Schematic diag ram  of  propo sed   photovoltai c  powere d  saili ng boat with  boost c hop per is  sho w n in Figure 1. Solar ene rgy   conve r si on in to electri c al  p o we r is  natu r ally per fo rme d  by sol a cel l s [10, 11]. T he PV gen erator  transfe rs the   desce nde nt solar ra diation  to a   di re ct voltage  and  current. Th ese  end s provid e a   boo st cho ppe r. The load of  chop per i s  the sep a rately  exited motor [12].    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8077 – 80 84   8078     Figure 1.  Schematic  Diagram of PV powered Sailing Boat      Solar  panel s are  rarely  conne cted  to  the el e c tri c al  equi pment  dire ctly, exce pt grid   con n e c ted sy stem. Powe r gene rated fro m  the so lar p anel dep end s on the stren g th of the sun  light. Boost  converte r i s  p r oviding th e n e ce ssary  su p p ly on th su nny day  as well a s   clou dy  day.  Output of the  motor al so  conne cted to  a  pro pe lle r through  a coupl er. On th e ot her  hand  ano ther  side  of the m o tor shaft is  conne cted  wit h  a die s el ge nerato r   (DG )  prime  m o ver throug an other  clutch coupl e r . Wh en  sola r PV doe no t gene rate n e c e s sary p o wer the n  p r e s sing the  co upl er  this   DG  prime mover is c o nnec t ed  with the  mot o r s haft.  Moreover,  this DG generator  is   con n e c ted  as a b a cku p  p r o t ection.  Co st  comp etitiv e cover d e si gn  with fluo ride in pla c e  of gl ass  is  to be goo d alternative s  when co nsi deri ng co st  an weig ht re du ction of PV  mo dule s  [13,  14] . If  the entire wei ght of a  boat  is lo we r, the  energy is  de sired  rea s o n a b ly less [15 - 1 7 ]. Additionall y the PV pane l provide s  th e ne ce ssary  she ddin g  to  the pa ssen gers of bo at from the di rect  sunli ght and  also fro m  the rain.       3. Rese arch  Metho d   3.1. Mathem atical Re pre sentation o f  Boos t Co nv erter   The  step-up  dc-dc co nvert e r, commo nly kno w as   boo st co nvert e r, is  sh own i n  figure  belo w . Fo r i n tegratio n p u r po se  only o ne in du ctor i s   sufficie n t for p o wer co nversi on i n  t he  conve r ter.  Th e inp u t voltag e 23 0V i s   req u ired  in  the l oad te rmin als for PV  po we red  sailing  bo at  s y s t em. So, the boos t  c onverter is   s u itable for this  purpos e.           Figure 2. Circuit diagra m  of a Boost Con v erter       1                  (1)           1              (2)           1              (3)            1              ( 4 )            1              ( 5 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Gen e rati on Solar PV Powe red Saili ng Boat Usi n g Boost Ch op per (So u m y Da s)  8079 Let,        and                            ( 6 )                        ( 7 )     The in put a n d  outp u t po wer m u st  alwa ys be  eq ual,  as m u st th eir avera g e s . T here  a r e   no pla c e s  fo r ene rgy to b e  lost in  this  conve r ter. S w itch -1  ca rrie s  Iin when  o n . Whe n  it is off,  swit ch-2 mu st be on and switch -1 mu st block V out. Therefo r e 1 m u st be a forward– co ndu cti ng,  forwa r d – b lo cking d e vice.  Switch -2 can  be a diod e.  No w, Assu mi ng that the inducto r cu rren t rise s linea rly from I1  to I2   in time t1 [1 8],      .   . ∆               ( 8 )      . ∆                   ( 9 )     And the indu ctor cu rrent falls linea rly fro m  I 2   to I  in ti me t 2,                                                                            . ∆                    ( 1 0 )     ∆                  ( 1 1 )     Let Rippl e in indu ctor curre n t:     ∆                 ( 1 2 )     ∆     .                   ( 1 3 )     Subs tituting,      . ,     1 .           ( 1 4 )     .     1              ( 1 5 )     Dut y  cy cle,                       ( 1 6 )       ∆                   ( 1 7 )     Substituting the value of t 1     ∆           ( 1 8 )     And,          /               ( 1 9 )           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8077 – 80 84   8080 3.2. Designi ng Calcula t ion and Spec ification for Requir e d Mo del  Usually it h a s  b een  seen  that a  sin g l e  1 H P  d c   motor i s   suff icient fo ca rrying 4   passe nge rs  weig hing  app roximately 35 0kg i n  a  PV  powere d   saili ng bo at an if the co nvert e efficien cy is consi dered a s  85% then,   I/P to  the cho pper= (1×746 )/0.85 = 877.6 4  Watt  I/P to  the cho pper= o/p of  PV panel   If single pan e l  is of 300 wat t No of pan el=  (1×746 )/ (0.8 5×3 00)=2.9 2 3.     3.2.1. Modeling of PV Arr a y  Using Ma tlab     Here in th Matlab  simul a tion of   a P V  module  th e pa ramete rs of the  sola cell s a r e   being  taken  a s  p e r phot ovoltaic mo dule   P67230 0WB   300-watt M o d u le [19]. T he  value of V o c for  the mod u le i s  44.72 volt. As 72  sol a cel l s a r e b e ing  conne cted i n  serie s   so in dividual fo r a  sol a cell it is comi ng 44.72/72 =0.62 volt. Six solar  cell s are co nn ceted  in serie s  first, then they a r e   masked  into  a sub s ystem  & thre e in  a serie s   are   being  add ed  to ma ke it  18 a nd the n   two   sub s ystem s   of 18 are co n necte d  in series to  ma ke 36. Then two  subsy s tem s  of 36 are bei ng  con n e c ted to  make it a m odule  of 72  solar  cell s an d  finally 3 mod u les  are  co n eecte d in  se ries  [20-26].         Figure 3.  Modelling of Six sola r cell s a r e con n ceted i n  seri es      The solar in solation is ta ken as 1 000 w/m^2. For getting maximu m powe r  voltage an maximum po wer  cu rre nt the value of loa d  resi stan ce  sho u ld be (V m / Im) 13.15     Table 1. Spe c ificatio n of Single PV mod u le   No. of  cells  per  Module  Max i mum  Power  (w att)  Open  Circuit  Voltage  (Voc Volt  Short  Circuit  Curre nt  ( I sc)   Amp  Max i mum  Power  Voltage  (V)   Max i mum  Power  Curre nt   (A)   Weight  (Kg)     (Apro x )   Dimensions  (Length × Width  × Depth)    (Apro x )   72 300  44.72   8.62  35.86   8.18  23  77 mm× 39 mm×  1.5 mm     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Gen e rati on Solar PV Powe red Saili ng Boat Usi n g Boost Ch op per (So u m y Da s)  8081     Figure 4. Flow ch art algo ri thm of PV mo dule un der M a tlab Simulin     3.2.2. Modeling of Bo ost  Conv erter   After that the modul e is conn ecte with  a bo ost  conve r ter to  make the V o c value  boosted upto  230volt.In doi ng that the  parameters of boost converte r is taken as follows [27]:  Fs =100 kh z,   ∆  30% (Acco rdi ng to IEC harm oni cs sh ould b e  b ound ed withi n  30%.),    ∆  5 %  (Acco rdin g to IEC harmo nics sh ould b e  boun ded  wi thin 5%),   I/p voltage is taken a s ,Vin=35.86 ×3 =10 7 . 58volt  108 volt  (aprox).   O/p voltage is taken a s  ,Vo=23 0volt, O/p l oad cu rrent is take n as.Io =3.88A (apro x ).  So from the a bove data dut y cycle is to b e  cal c ulate d  as,D=5 3%  C u rr en t r i p p l I= 0.3 amp,  Inducto r value,L=0.4 92 m H , Cap a cito r value,C=1.78  uF,   Re sisto r  Valu e,Ro =59.2 7         Figure 5.  Flow ch art algo ri thm of Boost conve r ter u n d e     3.2.3. Modeling of PV With Buck  Conv erter   Modelin g of  PV array an d  boo st  conve r ter i s  al rea d discu s sed  ea rlier.  From  th e ab ove   discu ssi on it  has  bee n se en that inp u t of the  chop per i s  the  ou tput of PV panel. Now th e pv  model an d the buck conve r ter is b e ing i m pleme n t ed i n  the same  ci rcuit u s ing m a tlab simuli nk.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8077 – 80 84   8082   Figure 6.  Flow ch art algo ri thm of PV wi th Boost converter u nde r M a tlab simuli nk      4.  Results a nd Discu ssi on  As discussed earlier 3PV module are  connect ed in  series to generate 877.64  Watt. Now  it has been  shown in Tabl e 2, that each PV  module  can gen erate maximum p o we r voltage  and   curre n t are of  35.86 Volt and 8.18 Amp  resp ecti vely. So the maximum power  output voltage of  the PV array  is 107.5 8  Vol t. But accordi ng to the sim u lation g r aph  the voltage is app roximat e ly  108.25 Volt a nd cu rrent is  8.2  Approxim ately.            Figure 7.  Simulation resu lt of maximum voltage, cu rre nt and   Power      Similarly, from the above cal c ulatio n output  voltage for the buck converte r is  230 Volt.  But form the simulatio n  re sult the outpu t volt age is 234Volt and o u tput cu rre nt is 3.94 Amp.   All the experi m ental value s  are ne arly  same  as  wit h  the theo ret i cal o n e s . Th e slig ht  differen c e in the value s  is n o t hampe ring  the prop osed  model.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Gen e rati on Solar PV Powe red Saili ng Boat Usi n g Boost Ch op per (So u m y Da s)  8083     Figure 8.  Simulation resu lt of Boost co nverter      Like wi se, After  com b ining  both th e P V  and  co nve r ter  circuit i n  Matlab  sim u link the  Output  voltag e of PV array 107.9 Volt which is al so th e input voltage of buck con v erter. No w the  output of the buck convert e r is 23 3Volt (Aprox ).          Figure 9.  Simulation resu lt of PV with Boost       5. Conclusio n     Solar pv powered  sailing boat  using boost converter i s  pr oposed here.  converters were  impleme n ted.  The effectiv ene ss of the  prop osed  co ntrol sch e me  is also teste d  and the n  the  followin g  con c lu sion were drawn from  this  st udy: 1 )  Thi s  i s  a n e w a nd in nov ative appli c at ion  whi c h i s  fully environ menta l  friendly. 2)  This  sc hem is almo st p o l u tion le ss. 3 )   Upp e r p o rtio n  of  the boat i s  u nused, so solar pa nel s are  impleme n te d  in that portio n . For that ex tra sp ace is  n o requi re d. 4)  Fuel cost n o t requi red i n  the morni ng,  as sun light  is availabl e in day time. 5)    Energy pay  back pe riod  will be lesse r  than  di esel  run boat. 6) Furthe rmore ,  the PV panel   provide s  the  essential  protection  to the   passe nge rs o f  boat from th e st raig ht sun s hin e  a nd  also   from the rainwater.       Referen ces   [1]    P Vorobiev, Yu Vorobiev.  Auto matic Su n T r acking S o lar El ectric Systems for Appl icatio ns o n   T r ansport 7th Internatio na C onfere n ce on Electrical  Eng i neer ing, C o mp uting Sc ie nce  and A u tomati c   Contro l. 201 0.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8077 – 80 84   8084 [2]    Sharma C, Jai n  A. Simulink  Based Mu lti Varia b le So lar  Pane l Mode lin g,  T E LKOMNIKA Indones ia n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri ng.  2014; 12(8) : 5784 ~ 5792, DOI: 10. 11591/telkomnika.v12i8.6071.   [3]    Nob u y ul u Kas a , T a kahiko Iid a , Hide o  I w am oto. An  inverte r  using  buck-b oost t y p e  cho p per circu i ts for   pop ular sma ll-s c ale p hotov olta ic po w e r s y ste m IEEE.  1999.   [4]    Peng   Zha ng, W e n y ua L i , Sher w i n Li,  Y ang   W ang,  W e ido ng Xia o .   Reli ab ilit y a ssessment of  photov olta ic p o w e r s y stems:  Revie w   of  c u rrent status  and futur e  p e r spectives.  Ap plie d En ergy.   Scienc e Direct.  2013;1 04: 82 2 –83 3,  [5]    M Nag ao, H  Horika w a , K  H a rad a . Photov ol taic S y stem   usin g Buck-B o ost PW M Inverter.  T r ans. of   IEEJ . 1994; ll4- D : 885-8 92.   [6]    A Zegaou i, M Ailleri e, P Petit, JP Sa w i c k i, JP  Charles ,  AW Belarbi.  D y n a mic be h a vio u r of PV  gen erator trac kers un der irr a di ati on a nd te mperatur e cha nges.  So lar E nergy.  Sci ence  Direct. 201 1 ;   85: 295 3– 29 64    [7]    Veerac har y M u mmadi. M u lti- Input  Integr ate d  Buck-B oost  Conv erter  F o r  Photov oltaic   Appl icatio ns.   IEEE. 2008.   [8]    Yao w  Mi ng Ch en, Yuan C h u a n  Liu, She ng H s ien L i n. Dou b l e -in put PW M dc/dc converter  for high/l o w   voltag e sourc e s.  IEEE  Trans on Ind. Electronics . 200 6: 53( 5): 1538- 15 45.   [9]    Hassa ne  B en Sliman e,  Be n Moussa De nn ai,  He lm a oui   Abderr a chi d . T heor etical  Stu d y  of Mu ltip l e   Solar Ce lls S ystem as a  F unction of T e mperatur e.  T E LKOMNIKA Indones ian Jo urn a l of Electrical   Engi neer in g . 2014; 12( 7): 4928-4933, DOI: 10. 11591/telk omnika.v12i7.5363.   [10]    H El Fad il, F Giri. Climatic s ensor  less ma xi m u m p o w e poi nt tracking  i n  PV ge ner ati on s y stems .   Scienc e Direct.  2011; 1 9 ; 513 –52 1.  [11]    Ehsan  Hoss ei ni. Mo del ing   and  Simu lati o n  of S ilic on  Sol a r C e ll  i n  MAT L AB/SIMULINK fo r   Optimization.  T E LKOMNIKA Indo nesi a n  Jo urna of E l ectri c al E ngi ne erin g . 12( 8): 2 014:  60 47~ 6 054 ,   DOI: 10.11591/telkomnika.v12i8.5294.   [12]   A Saadi, A Mo ussi. Optimisati on of Ch opp in g  rati o of Back- Boost Conv erter b y  MPPT  techni que  w i t h  a   varia b le refer e nce volta ge a p p lie d to the Ph otovolta ic W a ter Pumpi ng S ystem.  IEEE. z 2 006.   [13]    T  Gorter, AHME Rei n d e rs. A  comparis on  of  15  pol ym ers fo r ap plic ation  i n   photov olta ic m odu lesi n PV- po w e red b oats .   Applie d Ener gy.  Science D i r e ct. 2012; 92:  286 –2 97    [14]    Gocherma nn  H. Gocherma nn sol a r tech nol og y; 20 11.  < h ttp:// w w w . g o cherm ann.co m>  [retreive d   05.10.1 1 ].   [15]   Gorter T ,  Voerman E, Jo or P, Rein ders  A, Van H oute n  F .   PV-boats: d e si gn iss ues in th e  real i z a t i on  of   PV-pow ered b oats.  Proceed i ngs of the 25t h Europ ean P hotov o l taic Sol a r Energ y  Co nferenc e/5t h   W o rld Co nfere n ce on Ph otov oltaic En er g y  C onvers i on, Val enci a , Spai n. 2010.   [16]   Dud h ia A. Ph ysics of ro w i n g ; 201 0.  < h ttp:// w w w . atm.o x . a c.uk>  [retrieved  19.05.1 0 ].   [17]    Z h ikun  W ang.  Sol a r El ectric  Bic y cle  Bo d y  Mod e li ng  an d  Simul a tio n .  TEL K OMNIKA . 201 3; 1 1 (10):   580 6 ~  5814.    [18]   Po w e r El ectron ics Han dbo ok b y  M.H.Ras h i d [19]   http:// w w w . w h o l esal eso l ar.co m /products.fol der/m od ule-fo l der/ET / ET -P67230 0W B. html   at 7:38  on   7t h   may  20 14    [20]    Mr G Venkate s w a rlu, Dr P  Sang ames w a r  Raju . Simsc a pe Mo del Of  Photovo l taic C e ll. IJAREEIE.   201 3; 2(5).   [21]    A Rostami, K Abbasi an, N   Gorji. Efficien c y Optimiz a tio n  in a Rai n b o w   Qu antum D o t Solar Ce ll.   Internatio na l Journ a l on T e c h nical  and P h ysi cal Prob le ms o f  Engine eri ng (IJT PE).  2011; 3(2) 106- 109.   [22]    M Sojo udi, R  Madatov, T  Sojoud i. Optimizat i on  of Efficienc y of Solar C e lls  b y  Acc e l e rated  Electron r a to Have an Opt i mal an d Co nstant Energ y Internati ona lJo u r nal o n  T e chnic a l an d Physica l  Proble m s o f   Engi neer in g (IJT PE) . 2011; 9(3): 8-71.   [23]    Yunco ng Ji an g, Jaber A.  Abu Qah ouq  and Mo ha med  Orabi. Matla b /Pspice Hy bri d  Si mul a tio n   Mode lin g of Solar PV C e ll /Modul e.  Proc eedings  of Tw ent y -Six th  A nnual IEEE A pplied P o w e r   Electron ics Co nferenc e an d Exp o siti on APE C. 2011: 1 244- 125 0.   [24]    RK Nema, SavitaNema,  Gayatri Ag ni hot ri. Co mp uter  Simulati on B a sed Stu d y of  Photov oltai c   Cells/Mo d u l es  an d the i r E x peri m e n tal  V e rificati on.  Int e rnati ona l Jo u r nal  of Rec e nt T r ends in   Engi neer in g. 2009; 1(3): 1 51- 156.   [25]    Sheriff MA, Ba bag an a B, Ma i na BT A Study  of Si lico n  S o la r Cel l and  Mo dul es us in g PS PICE.  Wo rld  Journ a l of App l ied Sci ence  an T e chnolo g y 201 1; 3: 124-1 301.    [26]    Yunco ng J i a n g ,  Jaber  A. A b u  Qaho uq, I Bat a rseh.  I m prov ed Solar PV  Cell  Ma tl ab  Simu la ti o n  Mo del  and  Co mpar is on.  Proc eedings of  2010 I EEE International S y m posium   on Circ u its  and S y stem s   (ISCAS). 2010:   2770 – 2 773.   [27]   http://ethesis.nitrkl.ac.in/2469/ 1/deba_don. pdf  at  7:02pm on 9th may       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.