1
Simulasi Photovoltaic dan Kincir Angin Savonius Sebagai Sumber Energi Penggerak Motor Kapal Nelayan Adam Daniary Ibrahim, Ridho Hantoro Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Kapal/perahu nelayan pada umumnya menggunakan bahan bakar minyak sebagai sumber energi penggerak motor perahu. Maka dari itu, perlu dilakukan simulasi photovoltaic dan kincir angin savonius untuk mengganti bahan bakar sebagai sumber energi. Simulasi dilakukan dengan menggunakan simulink sebagai alat bantu pemodelan sistem. Photovoltaic yang digunakan adalah 2 panel masing-masing 150 WP dan ukuran sebuah kincir angin savonius yang digunakan yaitu tinggi rotor 2 meter dan diameter rotor 1,5 meter untuk memenuhi kebutuhan load 380 watt selama 4 jam (1520 watt.jam). Dari hasil optimasi sistem hybrid, dipilih 50% : 50% penggunaan daya output dari masing-masing sistem agar spesifikasi dan ukuran kedua sistem cocok digunakan untuk ukuran perahu dan tetap memenuhi kebutuhan load. Kata Kunci— Kapal Nelayan, Photovoltaic, Kincir Angin Savonius, Simulasi, Optimasi Hybrid.
I. PENDAHULUAN
H
arga bahan bakar minyak merupakan faktor utama biaya operasional nelayan saat melaut untuk penggerak motor baling-baling perahu. Sedangkan telah diketahui bahwa harga bahan bakar minyak semakin tinggi. Perahu yang digunakan nelayan kecil rata-rata telah menggunakan mesin motor. Berdasarkan data armada perikanan di Jawa Timur tahun 2010 terdiri dari kapal motor 16.244 unit, motor tempel 38.068 unit dan perahu tanpa motor 6.650 unit [1]. Di samping itu, Indonesia memiliki potensi sumber daya alam yang besar dan dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif pengganti bahan bakar minyak pada perahu nelayan, yaitu angin (kincir angin) dan radiasi matahari (photovoltaic). Simulasi pada sistem kincir angin yang digunakan adalah tipe Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT) model savonius. Model savonius dipilih karena rotor tipe ini mampu bekerja optimum pada kecepatan angin yang rendah sehingga sesuai dengan kondisi di Indonesia[2]. Sedangkan untuk sistem photovoltaic digunakan spesifikasi sesuai kebutuhan. Akan tetapi, meskipun output daya kedua sistem
memenuhi permintaan load, masih perlu dioptimalkan dengan ukuran kapal nelayan. Maka dari itu perlu dilakukan optimasi persentasi penggunaan daya dari masing-masing sistem dengan cara hybrid sampai ditemukan spesifikasi panel photovoltaic dan kincir angin savonius yang optimal. Penggunaan sistem photovoltaic dan kincir angin savonius digunakan untuk memenuhi beban selama 4 jam. Beban/load yang digunakan adalah sebuah motor listrik DC 380 watt yang sedang beroperasi selama 4 jam. Tahanan air laut, angin, atau yang lainnya terhadap kapal/perahu tidak diperhitungkan dalam penelitian ini dan dianggap memberi pengaruh yang sangat kecil. Data yang digunakan merupakan data sekunder seperti spesifikasi kapal/perahu, profil angin, profil radiasi matahari, model matematis komponen sistem hybrid photovoltaic, kincir angin savonius, dan baterai berdasarkan hasil penelitian sebelumnya[3][4][5]. Diasumsikan perubahan suhu tidak memberi pengaruh besar sehingga tidak disertakan pada penelitian ini.
2 II. METODE A. Flowchart Penelitian
C. Pengumpulan Data Radiasi Matahari dan Kecepatan Angin
Gambar 2 Profil radiasi matahari Dari profil tersebut, daya yang dihasilkan oleh energi matahari selama satu hari adalah 4,4 kWh, dimana radiasi matahari mulai ada pada pukul 5.00-18.00. Radiasi matahari tertinggi terjadi pada pukul 12.00.
Gambar 1 Alur penelitian B. Spesifikasi Perahu Nelayan Untuk mengetahui spesifikasi perahu nelayan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu dengan cara mengumpulkan data ukuran kapal kemudian menghitung dengan menggunakan cara pengukuran TMS 1969 untuk panjang kapal kurang dari 24 meter dengan rumus GT= 0,25 x V (1) Adapun data ukuran kapal/perahu yang digunakan yaitu panjang kapal sepanjang 7 meter, lebar kapal 1,5 meter, dan tinggi kapal 0,8 meter. Dan hasil perhitungan dari data tersebut didapatkan tipe kapal yaitu GT = 0,25 x 8,4 m3 = 2,1 gross tonnage (GT) atau tipe kapal 2 GT. Dari ukuran kapal yang digunakan, maka penggunaan photovoltaic dan kincir angin savonius harus mengikuti ukuran kapal yang digunakan, atau dengan kata lain komponen sistem tidak melebihi kapasitas kapal.
Gambar 3 Profil kecepatan angin Berdasarkan profil tersebut, kecepatan angin rata-rata dalam sehari 3.2 m/s. Kecepatan angin terjadi secara fluktuatif. D. Model Matematis Panel Photovoltaic Untuk melakukan pemodelan panel photovoltaic terlebih dahulu dibutuhkan model matematis yang kemudian diaplikasikan pada Simulink. Adapun persamaan matematis[7] yang digunakan yaitu : (2) Dimana : Pmax : daya maksimum Isc : short-circuit current Voc : open-circuit voltage FF : Fill factor Adapun efisiensi dari panel dihasilkan senilai 19,4%. E. Model Matematis Kincir Angin Savonius Daya yang dihasilkan oleh kincir angin Savonius yaitu dipengaruhi oleh beberapa parameter seperti diameter dan
3
F. Model Matematis Baterai (Lead Acid) Baterai yang digunakan pada sistem ini berfungsi mengkonversi energi listrik menjadi energi kimia dan dapat disimpan atau dikonversi kembali menjadi energi listrik saat dibutuhkan. Pada sistem ini, digunakan baterai dengan tipe Lead-Acid dengan kapasitas 2x12 V 2x150 Ah. Pemodelan pada komponen ini digunakan dari penelitian sebelumnya[3], didasarkan pada tegangan baterai yang merepresentasikan kapasitas. Pemodelan matematis pada baterai dapat ditulis dengan persamaan (4) dimana C adalah kapasitas saat waktu yang ditentukan, C0 adalah kapasitas awal pada baterai, dan Im adalah arus charge dimana akan bernilai postif saat charging dan negatif saat discharging.
digunakan dan harus memenuhui kebutuhan beban/load. Untuk melakukan optimasi hanya dapat dilakukan saat kedua sistem digabung (hybrid). III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pemodelan Radiasi Matahari dan Kecepatan Angin Untuk mendapatkan model matematisnya digunakan tool pada Matlab yaitu Curve Fitting Tool dimana saat fitting digunakan metode fourier series orde 6 : f(x) = 221.1 + (-195.5)*cos(x*0.3148) + (-277.8)*sin(x*0.3148) + (-64.18)*cos(2*x*0.3148) + 129.5*sin(2*x*0.3148) + 27.56*cos(3*x*0.3148) + 5.531*sin(3*x*0.3148) + (-22.92)*cos(4*x*0.3148) + 11.53*sin(4*x*0.3148) + 39.53*cos(5*x*0.3148) + 25.1*sin(5*x*0.3148) + 1.594*cos(6*x*0.3148) + (-24.2)*sin(6*x*0.3148) 800
700
600
Irradiance (Watt/m2)
tinggi rotor. Berdasarkan jurnal [9], untuk mendapatkan daya hasil dari turbin Savonius digunakan persamaan : (3) Dimana : P : daya output kincir angin Cps : koefisien power (0,5) As : luas rotor dari hasil perkalian tinggi dan diameter rotor, ρ : massa jenis udara (1,2) V3 : kecepatan angin. Efisiensi kincir angin savonius adalah 30%[10].
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 5 Perbandingan intensitas radiasi sebelum dan setelah di Fourier
G. Load
Berdasarkan gambar 5, garis yang berwarna biru adalah profil data radiasi matahari sebelum di fourier, sedangkan garis yang berwarna merah adalah profil hasil data yang telah difourier agar mendapatkan persamaan matematis (4). Perbandingan antara data sebelum dan sesudah difitting terdapat selisih nilai, dimana selisih rata-rata nilai dari data keduanya adalah 0,48 watt/m2. Untuk mendapatkan model matematis kecepatan angin digunakan tool pada Matlab yaitu Curve Fitting Tool dimana saat fitting digunakan metode fourier series orde 8:
Gambar 4 Profil load Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa sistem harus dapat memenuhi beban motor listrik DC dengan daya 0,38 kW (380 watt) yang akan digunakan selama 4 jam perhari, yaitu dari jam 12.00 sampai 15.00 untuk menggerakkan perahu saat penangkapan ikan di laut. Maka dari itu, penggunaan beban motor total yang digunakan yaitu 1520 Watt.jam. H. Optimasi Sistem Hybrid Otimasi pada sistem ini bertujuan untuk mendapatkan spesfikasi sistem yang tepat dengan cara membandingkan persentase grafik pada Simulink. Acuan saat melakukan pemilihan spesifikasi sistem yaitu spesifikasi komponen sistem harus mengikuti spesifikasi ukuran dari perahu yang
f(x) = 3.263 + (-0.04171)*cos(x*0.2482) + (-0.5959)*sin(x*0.2482) + 0.05288*cos(2*x*0.2482) + (-0.1775)*sin(2*x*0.2482) + 0.2376*cos(3*x*0.2482) + (-0.008966)*sin(3*x*0.2482) + (-0.09349)*cos(4*x*0.2482) + 0.1813*sin(4*x*0.2482) + (-0.05483)*cos(5*x*0.2482) + (-0.209)*sin(5*x*0.2482) + 0.03905*cos(6*x*0.2482) + (-0.09555)*sin(6*x*0.2482) + 0.07902*cos(7*x*0.2482) + (-0.1874)*sin(7*x*0.2482)
4 C. Simulasi Pemodelan Kincir Angin Savonius
Kecepatan Angin (m/s)
4
3.5
3
2.5
2
1.5
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 6 Perbandingan kecepatan angin sebelum dan setelah di Fourier Berdasarkan gambar 6, garis yang berwarna biru adalah profil data kecepatan angin sebelum di fourier, sedangkan garis yang berwarna merah adalah profil hasil data yang telah difourier agar mendapatkan persamaan matematis (5). Perbandingan antara data sebelum dan sesudah difitting terdapat selisih nilai, dimana selisih rata-rata nilai dari data keduanya adalah 0,14 watt/m2. B. Simulasi Model Panel Photovoltaic Pada penelitian ini digunakan datasheet panel PV merk Solar Frontier dengan spesifikasi berikut : Power Max = 150 WP Isc = 2,10 A Voc = 110 V Imax = 1,9 A Vmax = 79 V STC = 1000 W/m2 Size = 1,25m x 0,97m = 1,212 m2 Akan tetapi untuk memenuhi beban dibutuhkan lebih dari satu panel atau disebut dengan array photovoltaic, dimana panel tersusun lebih dari satu buah panel untuk menghasilkan daya yang lebih besar. 200 180
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 8 Daya hasil kincir angin savonius Pada sistem kincir angin savonius ini menghasilkan daya sebesar 831,1 watt.jam, sedangkan kebutuhan beban sebesar 1520 watt.jam masih belum terpenuhi dengan efisiensi 30%. D. Pemodelan Baterai Baterai yang digunakan adalah jenis lead acid dengan kapasitas 12v 150Ah sebanyak 1 buah. Kapasitas baterai dipilih berdasarkan daya load sebesar 1520 watt.jam. 11.8 11.6 11.4 11.2 11 10.8
0
5
10
15
20
25
15
20
25
Waktu (jam)
140
Arus (ampere)
Daya (watt)
160
Pemodelan kincir angin savonius dibuat berdasarkan persamaan 3 yang kemudian akan menghasilkan keluaran daya total. Untuk nilai tegangan kincir angin diasumsikan tetap sebesar 12 volt dikarenakan pada umumnya nilai efisiensi pada motor/generator mendekati 100% saat motor/generator tersebut dalam keadaan baru. Sehingga berubah adalah arus yang dihasilkan yang kemudian dikalikan dengan tegangan. Pada penelitian ini, spesifikasi yang digunakan untuk satu buah kincir angin savonius yaitu sebagai berikut : Tinggi rotor = 1 m Diameter rotor = 1,5 m Intensitas Udara = 1,2
Daya (watt)
4.5
Tegangan (volt)
+ (-0.1323)*cos(8*x*0.2482) + 0.09619*sin(8*x*0.2482)
120 100 80 60 40
40 30 20 10 0
0
5
10
Waktu (jam)
20 0
0
5
10
15
20
25
Gambar 9 Perbandingan arus dan tegangan baterai
Waktu (jam)
Gambar 7 Daya yang dihasilkan satu panel photovoltaic Berdasarkan profil daya yang dihasilkan oleh satu panel photovoltaic seperti pada gambar 7, didapatkan daya total sebesar 1050 Watt.jam. Jika dibandingkan dengan total load yang dibutuhkan sebesar 1520 Watt.jam, maka spesifikasi sebuah panel PV 150 WP belum dapat memenuhi permintaan kebutuhan load dengan nilai effisiensi sebesar 19,49%.
Dapat dilihat perbandingan arus dan tegangan pada baterai berdasarkan load yang ada. Tegangan mengalami penurunan sekitar jam 12.00 tepat saat load digunakan. E. Pemodelan Load Diasumsikan keadaan motor sebagai load telah bekerja dengan daya 380 watt. Motor yang digunakan adalah motor listrik DC sehingga daya dari sistem photovoltaic ataupun kincir angin savonius tidak perlu membutuhkan inverter untuk merubah dari DC menjadi AC. Penggunaan motor
5 digunakan selama 4 jam dari pukul 12.00-15.00 sehingga total load adalah 1520 watt.jam untuk beroperasi. 400
350
Dari hasil perbandingan daya output kincir angin savonius dengan load yang dibutuhkan, berdasarkan nilai total kincir angin yaitu 1662 watt.jam telah dapat memenuhi total load sebesar 1520 watt.jam.
Daya (watt)
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 9 Profil load Digunakan 2 buah sinyal step sebagai faktor utama untuk mengikuti karakteristik load yang ada. Dan pada gambar 10 adalah respon yang dihasilkannya. F. Verifikasi Sistem Photovoltaic Pada verifikasi sistem photovoltaic digunakan 2 buah panel photovoltaic 150 WP. Diupayakan spesifikasi dapat memenuhi seluruh kebutuhan load baterai sehingga daya output dari sistem photovoltaic lebih besar dari pada permintaan load
H. Optimasi Sistem Hybrid Hasil optimasi dapat diketahui dari persentase penggunaan daya dari masing-masing sistem. Perbandingan utama adalah ukuran kincir angin terhadap jumlah panel photovoltaic. Penggunaan 100% dari kincir angin adalah tinggi rotor sepanjang 2 meter dimana diamater rotor tetap 1,5 meter sehingga menghasilkan total daya 1662 watt.jam. Penggunaan 100% daya dari photovoltaic dengan spesifikasi 2 buah panel 150 WP dengan panjang total 2,5 meter, dimana satu panel memiliki panjang 1,25 meter dan diasumsikan lebar panel tetap 0,97 meter sehingga menghasilkan total daya 2097 watt.jam. I. Optimasi Sistem Hybrid 50% Photovoltaic dan 50% Kincir Angin Savonius
PV Power vs Load 400
350
Daya (watt)
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 10 Perbandingan daya output dan load sistem photovoltaic
G. Verifikasi Sistem Kincir Angin Savonius Spesifikasi rotor yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan beban saat ini yaitu rotor dengan diameter 1,5 meter dan tinggi 2 meter. Savonius Power vs Load 400
350
Daya (watt)
300
Gambar 12 Verifikasi sistem hybrid perbandingan 50% : 50% Hybrid vs Load 400
350
300
Daya (watt)
Dari hasil verifikasi dapat dilihat profil daya keluaran photovoltaic lebih besar dibandingkan profil daya load. Perbandingan nilai daya photovoltaic juga lebih besar 2098 watt.jam dibandingkan daya load hanya sebesar 1520 watt.jam.
250
200
150
100
250
50 200
0 150
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 13 Perbandingan hybrid dan load dengan sistem 50%:50%
100
50
0
0
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 11 Perbandingan daya output dan load sistem kincir angin savonius
Dari hasil percobaan dengan menggunakan daya dari masing-masing sistem sejumlah 50%, didapatkan total daya 1880 watt.jam sehingga nilai tersebut telah mampu
6 memenuhi kebutuhan beban 1520 watt.jam dengan efisiensi 39,7%. Jika daya yang digunakan 50%, maka masing-masing spesifikasi sistem juga digunakan sejumlah 50% untuk tetap memenuhi load. Jadi jumlah panel photovoltaic yang digunakan adalah 1 panel (panjang 1,25 meter) sehingga menghasilkan daya total 1049 watt.jam. Sedangkan tinggi rotor yang digunakan dari kincir angin adalah 1 meter dan menghasilkan total daya 830,9 watt.jam. Dengan menggunakan spesifikasi tersebut, dapat diketahui perbandingan ukuran spesifikasi masing-masing sistem terhadap ukuran kapal dengan panjang 7 meter dan lebar 1,5 meter sudah tepat diaplikasikan pada kapal/perahu nelayan. J. Optimasi Sistem Hybrid 20% Photovoltaic dan 80% Kincir Angin Savonius Gambar 4.15 Grafik perbandingan spesifikasi panjang rotor savonius dan jumlah panel photovoltaic
Hybrid vs Load 400
350
Daya (watt)
300
Didapatkan persentase penggunaan yang optimal digunakan dengan ukuran perahu adalah 50% : 50% dari daya masing-masing sistem.
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Waktu (jam)
Gambar 4.14 Perbandingan hybrid dan load dengan sistem 20% PV :80% Savonius Dari hasil percobaan dengan menggunakan daya dari photovotaic sebesar 20% dan kincir angin 80% didapatkan daya total dari kedua sistem 1773 watt.jam. Nilai ini masih mencukupi kebutuhan load dengan efisiensi 27.8%. Untuk melakukan optimasi, syarat utamanya yaitu daya total dari kedua sistem harus dapat memenuhi load yang dibutuhkan. Akan tetapi, diusahakan untuk optimal dengan ukuran. Dari gambar 4.17, menjelaskan persentase penggunaan daya dari masing-masing sistem. Untuk mengetahui pembagian daya dan spesifikasi yang tepat, maka dilakukan optimasi sistem saat di hybrid. Dari grafik 100% PV maksudnya adalah penggunaan daya dari photovoltaic sepenuhnya, sedangkan 100% SV adalah penggunaan daya dari kincir angin savonius sepenuhnya. Penggunaan daya dari kedua sistem akan berpengaruh pada ukuran panjang rotor savonius dan panjang panel photovoltaic. Pada rotor savonius¸pada umumnya ukuran panjang dapat dibuat sesuai keinginan dengan mudah, akan tetapi pada panel photovoltaic akan mempengaruhi kapasitas daya yang dihasilkan jika ukuran panel diubah sehingga kemungkinan penggunaan panel tidak sepenuhnya 150 WP untuk tiap panel.
IV. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Setelah dilakukan simulasi pada kedua sistem maupun optimasi pada sistem hybrid didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada sistem photovoltaic, digunakan 2 buah panel 150 WP sehingga menghasilkan daya total 2098 watt.jam untuk memenuhi load total 1520 watt.jam 2. Pada sistem kincir angin savonius dibutuhkan spesifikasi tinggi rotor 2 meter dan diameter 1,5 meter sehingga menghasilkan daya total 1662 watt.jam untuk memenuhi load total load 1520 watt.jam. 3. Spesifikasi yang cocok untuk diterapkan pada perahu yaitu perbandingan 50% dari sistem photovoltaic dan 50% dari kincir angin savonius dengan daya total 1880 watt.jam. B. Saran Saran yang dapat diajukan untuk pengembangan penelitian ini yaitu : 1. Implementasi simulasi photovoltaic dan kincir angin savonius pada model kapal/perahu nelayan. 2. Mencari nilai efisiensi jika diterapkan pada perahu dengan mempertimbangkan hambatan perahu saat berada di laut. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis A.D. mengucapkan terima kasih kepada seluruh mahasiswa dan dosen jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya yang telah memberikan dukungan bimbingan dan ilmu dalam menyelesaikan penelitian ini.
7 DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
Dinas Perikanan dan Kelautan Provinsi Jawa Timur, 2011 Hermawan, “Unjuk Kerja Model Turbin Angin Poros Vertikal Tipe Savonius dengan Variasi Jumlah Sudu dan Variasi Posisi Sudut Turbin”, Jurusan Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, 2010 [3] Unggul,“Sizing PV-DG Berbasis Mathematical Programming pada Konfigurasi Serial Sistem Hibrid di PT Gerbang Multindo Nusantara”, Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2011. [4] Dimas, “Studi Experimental Sistem Pembangkit Listrik Hibrida PV-Wind Off Grid Skala Kecil” Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2007. [5] http://www.retscreen.net [6] International Convention on Tonnage Measurement of Ships, 1969 [7] Wei Zhou. Hongxing Yang. Zhaohong. "A Novel Model for Photovoltaic Array Performance Prediction" The Hong Kong Polytechnic University and Shangdong University of Architecture, 2007. [8] Burcin. Mehmet. Aydogan. "An Experimental Study on Improvement of a Savonius Rotor Performance with Curtaining" Pamukkale University and Ege University, 2008 [9] Alam. Iqbal “A Low Cut-In Speed Marine Current Turbine”, Memorial University of Newfoundland, 2010 [10] Dadan. Kadek. Lambang."Analisis Kinerja Solar Photovoltaic System (SPS) Berdasarkan Tinjauan Efisiensi Energi dan Eksergi" Universitas Padjajaran, 2011 [11] Siti Rohmah."Experimental Study of Development Vertical Axix Wind Turbine (VAWT) Using Protection Blade" Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2010
