Perancangan Sistem Penjejak Matahari Dua Sumbu Dengan Reflektor Pada Tiga Posisi

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

1

Perancangan Sistem Penjejak Matahari Dua Sumbu Dengan Reflektor Pada Tiga Posisi Septian Rahyudhi, Imam Abadi ST. MT. Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected] Abstrak—Sistem penjejak matahari dirancang supaya dapat mengikuti orientasi matahari sehingga diperoleh daya yang lebih besar dari pada sistem panel tetap. Dalam penelitian ini disesain sistem penjejak matahari dua sumbu dengan reflektor aktif dengan beberapa parameter sudut supaya diperoleh total radiasi tahunan yang optimal. Mekanisme sistem penjejak matahari ditentukan pada tiga sudut utama yaitu pada saat pagi, siang dan sore. Hasil analisa yang didapat menunjukkan bahwa sudut sudut stop optimal panel surya saat pagi dan sore adalah sebesar β=70o dari posisi siang hari, dan sudut switch optimal panel surya sebagai acuan untuk mengubah posisi panel ditentukan setengah dari sudut stop β adalah sebesar θH=35o, keduanya tergantung oleh lokasi lintang sistem ditempatkan. Sudut azimuth yang diperoleh saat pagi dan sore diperoeh sekitar 60o≤γ≤ 80o dengan eror dari nilai optimal sebesar 2% dan 50o ≤γ≤60o dengan eror sebesar kurang dari 5%. Peningkatan daya yang dihasilkan dibandingkan dengan panel tetap adalah sebesar 45,128% pada lintang ϕ=-7o. Untuk desain sudut tilt 1x reflektor yang optimal diperoleh sebesar α= 63o, serta sudut switch reflektor diperoleh θHr=𝟑𝟏, 𝟓𝒐 o. Peningkatan daya yang dihasilkan dengan penambahan reflektor aktif meningkat sebesar 12,981%, sehingga total peningkatan sistem penjejak matahadi dua sumbu dengan reflektor aktif pada tiga posisi diperoleh sebesar 46,117%.

menggunakan metode 3 posisi yaitu pagi, siang, dan sore. Penelitian lainnya dilakukan oleh Hossein M. yang menganalisa sistem solar tracker untuk memaksimalkan daya keluarannya. Berdasarkan metode yang telah ada, penulis mencoba untuk mengembangkan metode yang telah ada dengan cara menerapkan sistem penjejak matahari dua sumbu dengan tracking reflektor datar pada tiga posisi sehingga diharapkan mampu meningkatkan daya keluaran sistem secara optimal. II. ANALISA DESAIN SISTEM PENJEJAK MATAHARI A. Desain Modul Sistem Penjejak Matahari 2 Sumbu dengan Reflektor Gambar 1 merupakan sistem penjejak matahari dua sumbu dengan reflektor. Mekanisme tracking sistem tersebut digerakkan oleh motor servo dan sensor posisi matahari. Sensor posisi matahari berfungsi untuk menyesuaikan agar di posisi tengah sedangkan motor servo berfungsi untuk menggerakkan sistem sehingga panel PV tegak lurus dengan matahari.

Kata Kunci—panel surya, energy surya, penjejak matahari, reflektor datar

I

I. PENDAHULUAN

ndonesia memiliki banyak potensi energi terbarukan, salah satunya adalah potensi surya (matahari) yang bersih dan ramah lingkungan, tetapi pemanfaatannya belum optimal. Belum optimalnya pemanfaatan energi tersebut disebabkan biaya pembangkitan pembangkit listrik energi terbarukan, seperti tenaga surya, tidak dapat bersaing dengan biaya pembangkitan pembangkit listrik berbahan bakar energi fosil (bahan bakar minyak, gas bumi, dan batubara). Indonesia terletak di garis katulistiwa, sehingga Indonesia mempunyai sumber energi surya yang berlimpah dengan intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar 4,8 kWh/m2 per hari di seluruh wilayah Indonesia. Dengan berlimpahnya sumber energi surya yang belum dimanfaatkan secara optimal, maka sistem pembangkitan listrik menggunakan solar cell merupakan salah satu solusi yang dapat dipertimbangkan sebagai salah jenis energi alternatif. Untuk mengembangkan sistem tracking aktif matahari, beberapa penelitian telah dilakukan diantaranya B.J Huang mencoba menganalisa solar tracker satu sumbu

Gambar. 1. Desain modul sistem penjejak matahari dua sumbu bengan reflektor aktif pada tiga posisi

Sensor posisi matahari terdiri atas dua elemen sensor yang dipisahkan oleh sebuah shading plate. Pergerakan matahari akan mempengaruhi kondisi photosensing yang tertutup oleh bayangan. Berdasarkan posisi matahari, sinyal yang ditangkap membuat motor akan bergerak menuju posisi tertentu yang paling dekat dengan matahari. Desain sensor yang digunakan akan menentukan kapan PV sistem merubah posisinya.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

2

Daftar simbol A

Ketinggian lokasi pengamatan, kilometer Parameter untuk σb, tidak 𝑎0 , 𝑎1 , 𝑘, 𝑎𝑜∗ , 𝑎1∗ , 𝑘 ∗ , 𝑟0 , 𝑟1 , 𝑟𝑘 bersatuan Radiasi atmosfir matahari (AM0) pada bidang Go horizontal Gbn Berkas radiasi pada bidang hotizontal, W/m2 Gsc Konstanta Matahari 1353 W/m2 Ic clear sky horizontal radiation, J m2 Iob clear sky horizontal beam radiation, J/ m2 Iod clear sky horizontal diffuse radiation, J/ m2 Ion Radiasi matahari di atmosfir (AM0), J/ m2 IT Radiasi yang ditangkap permukaan, J/ m2 n Hari ke-n dalam satu tahun, hari Pv Ukuran PV modul, Wp Qopt Radiasi total tahunan yang optimal,MJ/ m2 Qtotal Radiasi total tahunan , MJ/ m2 ρ Konstanta pantulan difus tanah, tidak bersatuan Desain reflektor terhadap bidang PV didasarkan atas pengembangan desain reflektor pasif yaitu tanpa tracking. Penempatan reflektor diletakkan pada sisi selatan sehingga tidak mengganggu arah datang sinar matahari menuju panel PV. Dengan sistem penjejakan matahari, reflektor dapat aktif bergerak pada sudut 0 derajat sampai 90 derajat. Skema reflektor terhadap panel PV dapat dilihat pada gambar 2. Mekanisme penjejak matahari pada reflektor memiliki kaidah sang serupa seperti pada panel PV yaitu pada saat pagi, siang, dan sore. Sistem digerakkan oleh motor DC dengan arah orientasi pada dua sumbu, yaitu orientasi sudut α dan pergerakan pada orientasi azimuth. Namun, pergerakan pada orientasi azimuth didesain mengikuti orientasi panel penjejak matahari. Desain mekanik dibuat cukup sederhana agar sistem bekerja tidak terlalu berat serta dapat beroperasi secara efisien.

σb

Transmisi berkas radiasi atmosfir, tidak bersatuan

σd

Transmisi berkas radiasi baur atmosfir, tidak bersatuan

Rb γ λ δ ϕ θ θz θr θH θHr ω α β

Rasio sinar datang pada panel terhadap bidang horizontal, tidak bersatuan Sudut azimuth, derajat Slope permukaan, derajat Sudut deklinasi, derajat Sudut lintang, derajat Sudut datang/insiden terhadap garis normal PV, derajat Sudut zenith, derajat Sudut datang reflektor, derajat Sudut switch panel, derajat Sudut switch reflektor, derajat Sudut jam, derajat Sudut tilt reflektor, derajat Sudut stop panel, derajat

horizontal radiasi saat kondisi cerah; yang dihitung dengan menggunakan model matematis Hottel, yaitu: 𝐼𝑐𝑏 = 𝐼𝑜𝑛 𝜏𝑏 cos 𝜃𝑧 . (3) Tetapan transmisi atmosfir terhadap berkas radiasi 𝜏𝑏 adalah perbandingan antara berkas radiasi Gbn terhadap Air Mass Zero (AM0) radiasi luar angkasa, 𝜏𝑏 = 𝐺𝑏𝑛 /𝐺0 . (4) yang ekivalen dengan persamaan berikut: 𝜏𝑏 = 𝑎0 + 𝑎1 𝑒 −𝑘/ cos 𝜃𝑧 . (5) Tetapan 𝑎0 = 𝑟0 𝑎0∗ ; 𝑎1 = 𝑟1 𝑎1∗ ; 𝑘 = 𝑟𝑘 𝑘 ∗ untuk atmosfir standar pada jarak 23 km pandangan, ditentukan dari 𝑎0∗ , 𝑎1∗ , 𝑘 ∗ yang diberikan untuk ketinggian kurang dari 2.5 km dengan: 𝑎0∗ = 0.4237 − 0.00821 6 − 𝐴 2 , 𝑎1∗ = 0.5055 + 0.00595(6.5 − 𝐴)2 , (6) 𝑘 ∗ = 0.2711 + 0.01858(2.5 − 𝐴)2 , dimana A adalah ketinggian pengamat dalam kilometer. Parameter 𝑟0 , 𝑟1 , 𝑟𝑘 tergantung pada tipe iklim, yang ditunjukkan pada tabel 1. Variabel 𝐼𝑜𝑛 merupakan akumulasi berkas radiasi luar angkasa (atau AM0) untuk satu periode (missal 1 menit) pada hari ke n dalam satu tahun. 𝐼𝑜𝑛 =

𝐺0𝑛 𝑑𝑡 =

𝐺𝑠𝑐 1 + 0.033 cos

360𝑥𝑛 365

𝑑𝑡.

(7)

2

𝐺𝑠𝑐 adalah konstanta matahari(1353 W/m ) Variabel 𝐼𝑐𝑑 pada persamaan (1) merupakan radiasi difuse, yang dihitung menggunakan model persamaan Liu & Jordan, yaitu: 𝐼𝑐𝑑 = 𝐼𝑜𝑛 𝜏𝑑 cos 𝜃𝑧 . (8) 𝜏𝑑 = 0.2710 + 0.2939 𝜏𝑏 . (9) Gambar 2. Desain reflektor terhadap bidang panel PV

B. Radiasi Total Sesaat pada Sistem Penjejak Matahari 2 Sumbu dengan Reflektor Berdasarkan gambar 3, tentang koordinat sistem penjejak PV, maka dapat dihitung radiasi matahari sesaat pada penjejak matahari 2A3P modul PV dengan menggunakan persamaan Liu and Jordan, yaitu: 𝐼𝑇 = 𝐼𝑐𝑏 𝑅𝑏 + 𝐼𝑐𝑑 𝑅𝑏 =

cos 𝜃 cos 𝜃𝑧

1+cos 𝛽 2

+ 𝐼𝑐 𝜌

1−cos 𝛽 2

(1) (2)

dimana 𝜌 adalah koefisien pemantulan tanah, yaitu 0.2 untuk tanah bebas salju dan 0.7 untuk tanah bersalju. λ adalah kemiringan permukaan PV, Icb adalah berkas

Gambar. 3. Geometri sistem penjejak matahari dengan reflektor

Berdasarkan gambar 3, sudut datang matahari terhadap vektor garis normal PV 𝜃, dan sudut zenith 𝜃𝑧 berhubungan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

3

(13)

𝛾 adalah azimuth permukaan PV dari arah selatan (negative untuk arah timur dan positif untuk arah barat); 𝜙 adalah lokasi lintang tempat instalasi, 𝜔 adalah solar time (negative untuk pagi, positif untuk sore, dan nol saat siang hari, 15 derajat per jam) Tabel 1. Nilai Konstanta Iklim 𝑟0 , 𝑟1 , 𝑟𝑘

𝑟0

Tipe Iklim

0.95 0.97 0.99

Tropical Mid-latitude summer Sub-arctic summer

1+cos 𝜆 2

---

10000

---

8000 ---

6000 --- Sudut stop optimal = 70o Qopt= 12.820MJ/m2yr

4000

40

30

20

10

𝑟1

𝑟𝑘

0.98 0.99 0.99

1.02 1.02 1.01

0

+ 𝐼𝑟 𝜌𝑟 𝐹𝑟−𝑐 + 𝐼𝑐 𝜌

1−cos 𝜆 2

0

10

20

30

40 50 60 Stop angle  (degree)

70

80

0 90

Gambar 4. Variasi radiasi total tahunan pada Panel dengan desain sudut 0 10 20 30 40 50 60 70 80 stop 𝛽 . Stop angle  (degree)

Untuk sistem reflektor penjejak matahari, yaitu studi kasus dengan orientasi sudut 𝛼, maka komponen sudut diabaikan, artinya 𝛽 = 0. Sehingga persamaan (10) menjadi: cos 𝜃𝑟 = sin α sin 𝜙 cos 𝛾𝑟 cos 𝛿 cos 𝜔 −sin α cos γr cos 𝜙 cos 𝛿 + sin 𝛼 sin 𝛾𝑟 cos 𝛿 sin 𝜔 (14) + cos 𝛼 sin 𝜙 sin 𝛿 + cos 𝛼 cos 𝜙 cos 𝛿 sin 𝜔 dengan, 𝛾𝑟 = 𝛾 + 90𝑜 (15) cos 𝜆 pada merupakan inner product dari vector garis normal PV dan vector zenith, yang dirumuskan: cos 𝜆 = cos 𝛼 cos 𝛽, (16) Melalui persamaan-persamaan di atas, maka total radiasi tahunan sistem penjejak matahari dengan reflektor pada tiga posisi maka persamaan (1) menjadi: 𝐼𝑇 = 𝐼𝑐𝑏 𝑅𝑏 + 𝐼𝑐𝑑

12000

(17)

dimana 𝜌𝑟 adalah tetapan pantulan diffuse pada reflektor; Ir radiasi pada permukaan reflektor, dengan diasumsikan Ir=Ic, dan Fr-c adalah view factor permukaan terhadap reflektor.

(2). Sudut stop 𝛽 optimal untuk desain panel pada variasi lintang di Indonesia Plot grafik berikut ini merupakan desain sudut stop pada variasi latitude 6o, -7o, dan -11o. Variasi didasarkan pada latitude di Indonesia, bernilai positif jika pada lintang utara dan bernilai negatif jika pada lintang selatan. Sumbu y merupakan radiasi total tahunan matahari sebagai fungsi dari sudut stop yang ada pada sumbu x. Desain masing-masing lintang/latitude dapat dilihat pada gambar 5. Berdasarkan grafik pada gambar 5, pola variasi latitude di Indonesia meunjukkan pengaruh yang berbeda-beda terhadap desain sistem penjejak matahari dua sumbu pada tiga posisi yang dibuat, baik untuk sudut stop maupun radiasi total tahunan yang di peroleh. Untuk latitude 6o, desain sudut stop menunjukkan pada nilai 48o, dengan Q optimal menunjuk pada 10.890 MJ/ m2yr. Untuk latitude 11o, yaitu lokasi lintang 11o LS, menunjukkan sudut stop optimal adalah sebesar 74o dengan Q optimal sekitar 13.390 MJ/m2yr. Pada latitude -7o, .yaitu lokasi instalasi sistem yang dibuat, desain sudut stop adalah pada 70o dengan Q optimal adalah 12.820 MJ/m2yr. Desain optimal pada lokasi latitude yang berbeda dirangkum dalam tabel 2.

0 90

Optimal Switching Angle (H) (deg)

, deg,

50

50

Optimal Switching Angle (H) (deg)

365

-3 A = 6 m---Latitude -----Latitude = -7º ---- A==-7º 6.10 km--

14000

Yearly Total Irradiance (MJ/m2yr)

𝛿 = 23.45 sin 360

284+𝑛

C. Desain Optimal Sistem Penjejak Matahari 2 Sumbu (1). Sudut stop 𝛽 optimal untuk desain PV pada lintang -7o Desain sudut stop diatas, diperoleh pada latitude 𝜙 = -7o, yang merupakan posisi lintang lokasi instalasi pengambian data serta diambil pada ketinggian A= 6.10-3 km. Pada Sumbu y1 merupakan radiasi total tahunan matahari sebagai fungsi sudut stop, 𝛽. Sedangkan pada sumbu y2 yaitu pada bagian kiri grafik merupakan sudut switch panel surya 𝛽 melalui kaidah 𝜃𝐻 = 2. Berdasarkan gambar 4, diperoleh desain sudut stop optimal pada kondisi tersebut sebesar 𝛽 =70o. Untuk sudut stop optimal tersebut, radiasi total tahunan diperoleh sebesar Qopt = 12.820 MJ/m2yr. Desain sudut switch diperoleh berdasarkan kaidah yang telah ditentukan sehingga diperoleh sudut switch optimal sistem penjejak matahari dua sumbu adalah sebesar 𝜃𝐻 = 35𝑜 .

Yearly Total Irradiance (MJ/m2yr)

dengan sudut elevation / tilt angle 𝛼, sudut stop 𝛽 dan sudut deklinasi matahari 𝛿, yang dihitung menggunakan persamaan (11) dan (12), yang berasal dari posisi relatif matahari dan letak PV. cos 𝑖 = sin α cos 𝛽 sin 𝜙 cos γ cos 𝛿 cos 𝜔 −sin α cos 𝛽 cos γ cos 𝜙 cos 𝛿 −sin 𝛽 sin 𝛾 sin 𝜙 cos 𝛿 cos 𝜔 +sin 𝛽 sin γ cos 𝜙 sin 𝛿 + sin 𝛼 cos 𝛽 sin 𝛾 cos 𝛿 sin 𝜔 + sin 𝛽 cos 𝛾 cos 𝛿 sin 𝜔 (10) + cos 𝛼 cos 𝛽 sin 𝜙 sin 𝛿 + cos 𝛼 cos 𝛽 cos 𝜙 cos 𝛿 sin 𝜔 Untuk panel dengan slope tetap, maka pergerakan panel untuk orientasi utara-selatan ditentukan oleh azimuth, γ, sehingga untuk kasus ini, 𝛼 = 0𝑜 , persamaan menjadi: cos 𝜃 = −sin 𝛽 sin 𝛾 sin 𝜙 cos 𝛿 cos 𝜔 +sin 𝛽 sin γ cos 𝜙 γ sin 𝛿 + sin 𝛽 cos 𝛾 cos 𝛿 sin 𝜔 (11) + cos 𝛽 sin 𝜙 sin 𝛿 + cos 𝛽 cos 𝜙 cos 𝛿 sin 𝜔 cos 𝜃𝑧 = cos 𝜙 cos 𝛿 cos 𝜔 + sin 𝜙 sin 𝛿 (12) dan,

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

4 Variation Yearly Totally Irradiance with Azimuth Angle 16000

Variation Yearly Totally Irradiance with Latitude Angle 16000

14000

Error < 2%

Yearly Total Irradiance MJ/m2yr

12000 10000 8000 6000

12000 10000 8000 6000

Azimuth 50o Azimuth 60o

4000

Azimuth 70o

4000 o

Azimuth 95o

Latitude -7o o

0 -25

Latitude -11 0

Azimuth 80o

2000

Latitude 6 2000

0

10

20

30

40 50 60 Stop angle  (degree)

70

80

Gambar 5. Variasi radiasi total tahunan dengan desain sudut stop 𝛽 terhadap latitude di Indonesia.

Dalam perancangan sudut latitude tidak hanya berpengaruh pada besar radiasi total tahunan yang dihasilkan, namun juga berpengaruh terhadap sudut stop masing-masing lokasi di lintang tersebut. Hal ini menandakan bahwa lokasi instalasi sistem penjejak matahari dengan reflektor tidak boleh ada perubahan, sesuai pada desain yang telah ditentukan. Selain itu, lokasi instalasi sistem yang didesain menunjukkan bahwa pada lintang 7o LS merupakan lokasi yang cukup baik untuk perancangan sistem penjejak matahari, walupun lebih baik dibandingkan pada lintang 11o LS. Pada daerah lintang ini, intensitas radiasi matahari yang menyinari bumi cukup tinggi sehingga cocok untuk diterapkan sebagai daerah dalam mengembangkan sistem penjejak matahari.

-10 -5 0 latitude  (degree)

5

10

15

D. Desain Optimal Reflektor Aktif Gambar 7 merupakan desain sudut tilt reflektor penjejak matahari. Pada sumbu y merupakan nilai radiasi total tahunan matahari. Sedangkan pada sumbu x adalah sudut tilt reflektor, yaitu sudut kemiringan reflektor diukur dari permukaan horizontal. Desain sudut tilt optimal pada reflektor pada gambar 7 diperoleh dengan parameter latitude 𝜙 = -7o dan 𝛽 =70o. Sesuai dengan pemodelan reflektor yang dilakukan, hasil simulasi desain tilt angle diperoleh sekitar 63o dan diperoleh Qoptimal pada titik tersebut sebesar 18,710 MJ/m2yr. Desain sudut switch diperoleh dengan aturan 𝜃𝐻𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 𝛼 sehingga diperoleh 𝜃 = 3,5𝑜 . 𝐻𝑟 2 --Latitude = -7º ---- Stop Angle  = 70o--

4

2

x 10

50

---

6o

-7o

-11o

Sudut stop optimal, 𝛽

48o

70o

74o

Sudut switch optimal, 𝜃𝐻

24o

35o

37o

Qopt (MJ/m2yr)

10.890

12.820

13.390

(3). Sudut azimuth optimal untuk desain panel Desain grafik latitude dengan variasi sudut azimuth ditunjukkan pada gambar 6. Daerah latitude diset pada daerah lintang katulistiwa dimana panel PV diinstalasikan yaitu sebesar ϕ= -7o. Desain sudut azimuth digunakan untuk menyesuaikan sistem penjejak matahari pada arah orientasi utara dan selatan. Penambahan sumbu ini didesain mengikuti orientasi sudut azimuth matahari sehingga diharapkan sistem yang dirancang dapat mengikuti arah matahari dengan baik setiap saat. Berdasarkan hasil perancangan yang diperoleh menunjukkan bahwa untuk daerah di sekitar lintang 7o LS, dihasilkan azimuth paling optimum pada daerah sekitar 60o sampai 80o dengan error kurang dari 2%. Sedangkan pada daerah di sekitar azimuth 50o error berada di sekitar 5% dan untuk azimuth 95o error dari nilai optimum mencapai lebih dari 5%, sehingga sistem kurang baik diterapkan pada sistem untuk daerah tersebut.

Yearly Total Irradiance (MJ/m2yr)

Tipe Iklim

-15

Gambar 6. Variasi radiasi total tahunan dengan desain sudut Azimuth

Tabel 2 Desain Optimal pada Latitude yang berbeda

Latitude

-20

90

1.5

Optimal Switching Angle Reflector(Hr),deg

Yearly Total Irradiance MJ/m2yr

14000

--- o

Sudut tilt optimal = 63 Qopt= 18.710MJ/m2yr

0

10

20

30

40 50 tilt angle  , degree

60

70

80

0 90

Gambar 7. Variasi radiasi total tahunan dengan desain sudut tilt reflektor

III. DAYA PENINGKATAN SISTEM PENJEJAK MATAHARI DUA SUMBU DENGAN REFLEKTOR AKTIF PADA TIGA POSISI

A. Daya Peningkatan Sistem Penjejak Matahari Tanpa Reflektor Gambar 8 menunjukkan peningkatan daya keluaran panel PV dibandingkan dengan kondisi tetap/pasif. Perbedaan mendasar panel surya menggunakan sistem penjejak matahari dengan yang tidak menjejak (atau dalam kondisi tetap), terletak pada sudut datang yang ditangkap panel surya yang tentu berbeda. Karakteristik ini yang menjadi acuan untuk menentukan besar peningkatan daya yang dibangkitkan oleh panel surya penjejak matahari dengan panel surya pada kondisi tetap.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

5

Berdararkan gambar diatas, hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa peningkatan yang dihasilkan sistem penjejak matahari dua sumbu pada tiga posisi adalah sebesar 45,128% dibandingkan dengan sistem panel dalam keadaan tetap. Hasil ini didapatkan berdasarkan desain yang telah dirancang, dengan mempertimbangkan beberapa parameterparameter lingkungan dan iklim.

maka, %𝑃 =

255,505.622 MJoule /year −221,531.155.2 MJoule /year 255,505.622 MJoule /year

𝑥100%

%𝑃 = 13,3348972 % atau dengan kata lain bahwa daya peningkatan yang dihasilkan oleh sistem reflektor penjejak matahari sebesar 0,29087924 %. 4

Variation Yearly Totally Irradiance with Azimuth Angle

2

Variation Yearly Totally Irradiance with Azimuth Angle

x 10

11000

---- 40

---- Fixed PV Without Tracking 20

Yearly Total Irradiance MJ/m2yr

12000

Yearly Total Irradiance Increase (%)

---- PV With Tracking

13000 Yearly Total Irradiance MJ/m2yr

60 1.5

 PV With Tracking

 Fixed PV 20 ---- 10

-10 -15

-10

-5

0

latitude  (degree)

Berdasarkan hasil validasi yang telah dilakukan, besarnya energi rata-rata tahunan sistem penjejak matahari dua sumbu diperoleh sebagai berikut. Diketahui: P panel_fix = 221,531.155.2 MJoule/year P panel_tracking = 254,762.410 MJoule/year maka, 254,762.410 MJoule /year −221,531.155.2 MJoule /year 254,762.410 MJoule /year

-8

-7

-6 -5 -4 latitude  (degree)

-3

-2

-1

0

Gambar 9. Daya Peningkatan Sistem Keseluruhan

Gambar 8. Daya Peningkatan Panel Surya

%𝑃 =

-9

Yearly Total Irradiation Increase (%)

 Tracking PV + Reflektor 14000

𝑥100%

%𝑃 =13,0440179 % Perbedaan peningkatan daya total tahunan hasil simulasi dengan hasil validasi diperoleh akibat beberapa keadaan yang diangap ideal saat simulasi. Hasil simulasi yang dilakukan terlihat lebih baik daripada penilitian sebelumnya pada sistem penjejak matahari satu sumbu. Sistem penjejak matahari dua sumbu memiliki efisiensi yang lebih bagus dibandingkan dengan satu sumbu karena dalam sistem ini tidak dikenal “misalignment error” sehingga dapat menjejak matahari pada orientasi azimuth, dan hasil efisiensinya menjadi lebih baik. B. Daya Peningkatan Sistem Keseluruhan Gambar 9 menjelaskan tentang perbandingan peningkatan daya panel PV saat dalam kondisi tetap, dengan penjejakan, serta dibandingkan dengan penambahan penjejakan reflektor. Hasil yang diperoleh bahwa peningkatan daya keseluruhan adalah sekitar 46,117% dibandingkan dengan kondisi pasif/ tetap dengan pengaruh penambahan reflektor hanya meningkat rata-rata sekitar 12,981%. Hasil simulasi diatas jika dibandingkan dengan peningkatan daya pada yang sebenarnya, hasilnya berbeda cukup besar. Berdasarkan hasil validasi yang telah dilakukan, diperoleh besar peningkatan daya yang dihasilkan dalam rentang satu tahun adalah sebagai berikut. Diketahui: P panel_fix = 221,531.155.2 MJoule/year P reflektor_tracking = 255,505.622 MJoule/year

Jika dibandingkan dengan hasil simulasi, yaitu peningkatan yang dihasilkan sebesar 46,117%, penyimpangan ini cukup realistis. Hal ini dikarenakan, sistem mekanik yang dirancang tidak dalam keadaan ideal sehingga terjadi penyimpangan yang berarti. Sistem reflektor ini jika dianalisa memiliki desain yang kurang baik. Jika dibandingkan penelitian yang telah ada sebelumnya, yaitu peningkatan 2 x reflektor datar yang dipasang tetap, dihasilkan peningkatan sebesar 23%. Nilai ini terpaut cukup jauh dibandingkan sistem yang ada saat ini. Reflektor penjejak matahari didesain dengan menggunakan 1 sumbu kebebasan yaitu padaorientasi sudut tilt. Kekurangan dalam sistem ini bahwa reflektor tidak mengikuti gerak panel dalam arah orientasi sudut stop, sehingga terjadi banyak penyimpangan saat kondisi pagi ataupun sore. Desain ini yang menyebabkan sistem menjadi kurang efisien dibandingkan dengan fix reflektor. IV. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dalam penelitian ini diperoleh beberapa desain optimal sistem penjejak matahari dua sumbu dengan reflektor aktif pada tiga posisi. Desain sudut sudut stop optimal panel surya saat pagi dan sore adalah sebesar β=70o dari posisi siang hari, dan sudut switch optimal panel surya sebagai acuan untuk mengubah posisi panel ditentukan setengah dari sudut stop β adalah sebesar θH=35o, keduanya tergantung oleh lokasi lintang sistem ditempatkan. Sudut azimuth yang diperoleh saat pagi dan sore diperoeh sekitar 60o ≤γ≤ 80o dengan eror dari nilai optimal sebesar 2% dan 50o ≤γ≤ 60o dengan eror sebesar kurang dari 5%. Peningkatan daya yang dihasilkan dibandingkan dengan panel tetap adalah sebesar 45,128% pada lintang ϕ=-7o. Untuk desain sudut tilt 1x reflektor yang optimal diperoleh sebesar α=63o, serta sudut switch reflektor diperoleh θHr=31,5𝑜 o. Peningkatan daya yang dihasilkan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 dengan penambahan reflektor aktif meningkat sebesar 12,981%, sehingga total peningkatan sistem penjejak matahadi dua sumbu dengan reflektor aktif pada tiga posisi diperoleh sebesar 46,117%. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada pihakpihak yang turut membantu dalam penelitian ini terutama kepada pembimbing dan rekan-rekan tim matahari yang telah menempuh penelitian dari awal hingga akhir. Penulis juga menyampaikan terimakasih kepada Jurusan Teknik Fisika yang telah memfasilitasi penelitian ini sehingga dapat selesai tepat waktu. DAFTAR PUSTAKA [1]. Appelbaum J, Flood DJ, Crutchik M. Solar Radiation On Mars: Tracking Photovoltaic Array. NASA Technical Memorandum 106700; September 1994. [2]. Duffie JA, Beckman WA. Solar engineering of thermal processes. New York: Wiley Interscience; 1980. p. 28–110 [3]. Hilman, Catur. Aplikasi Kendali Logika Fuzzy (Klf) Pada Sistem Tracking Aktif Matahari Tipe Single-Axis Panel Surya. 2010. ITS: Surabaya [4]. Hossein M, Alireza K, Arzhang J. A Review Of Principle And SunTracking Methods For Maximizing Solar Systems Output. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009; 13: 1800–1818 [5]. Huang BJ, Ding WL, Huang YC. Long-Term field Test Of Solar PV Power Generation Using One-Axis 3-Position Sun Tracker. Solar Energy 2011;85: 1935–1944. [6]. Huang BJ, Sun FS. Feasibility Study Of One-Axis Three Positions Tracking Solar PV With Low Concentration Ratio Reflector. Energy Conversion and Management 2007; 48:1273–1280. [7]. Kok-Keong C, Chee-Woon. General Formula for On-Axis SunTracking System. Universiti Tunku Abdul Rahman, Malaysia; 13. [8]. Sebastijan S, Gorazd S. A Novel Prediction Algorithm For Solar Angles Using Solar Radiation And Differential Evolution For DualAxis Sun Tracking Purposes. Solar Energy 2011; 85: 2757–2770. [9]. Toshio Matsushima, Tatsuyuki Setaka, Seiichi Muroyama. Concentrating Solar Module With Horizontal Reflectors. Solar Energy Materials & Solar cells 2003; 75: 603–612 [10]. Yizhu Guo, Wei Liu, Jianzhong Cha. A System Modeling Method for Optimization of a Single Axis Solar Tracker. 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling (ICCASM 2010): V11-30 - V11-34 [11]. S. Ozcelik, dkk. Two-Axis Solar Tracker Analysis and Control for Maximum Power Generation. Procedia Computer Science 2011; 6; 457–462 [12]. T. Maatallah, S. Alimi & S. Nassrallah. Performance modeling and investigation of fixed, single and dual-axis tracking photovoltaic panel in Monastir city, Tunisia. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2011; 15; 4053–4066

6