Deteksi Posisi Matahari Menggunakan Solar Tracker Prodi Teknik Elektro ITI
24 Okt 2019

Deteksi Posisi Matahari Menggunakan Pelacak Surya (Solar Tracker)

Beritahu teman
>>>
Tulisan yang diambil dari sebagian laporan akhir [1] ini membahas mengenai pelacak surya (solar tracker) dan pergerakan matahari dikaitkan dengan besarnya energi surya yang didapat dengan menggunakan panel modul sel surya. Adapun sistematika tulisan ini adalah pembahasan poin-poin sebagai berikut:
1. Pendahuluan
2. Pergerakan Matahari
3. Penentuan Sudut Kemiringan Surya
4. Pelacak Surya (Solar Tracker)

Sebagai rangkuman, pergerakan matahari tersebut dimonitor atau dideteksi menggunakan pelacak surya. Solar tracker ini dibuat dengan menggunakan sensor giroskop dan kompas berdasarkan informasi sudut posisi elevasi dan sudut posisi azimuth matahari. Dalam mendeteksi arah cahaya matahari digunakan sensor LDR (Light Dependent Resistor) dan motor stepper sebagai penggeraknya.

 

1. Pendahuluan

Matahari adalah sebuah bintang di pusat tata surya. Bentuknya yang hampir bulat mengandung plasma panas yang bercampurkan medan magnet. Memiliki garis tengah (diameter) sekitar 1.392.684 km, yaitu lebih kurang 109 kali garis tengah planet bumi. Total massa matahari adalah kira-kira 2 × 10 pangkat 30 kilogram atau lebih kurang 330.000 kali massa planet bumi! Massa matahari ini merupakan sekitar 99,86% massa total dari tata surya kita.

Matahari merupakan sumber energi utama bagi kebanyakan makhluk hidup di bumi ini. Manusia pun memanfaatkan matahari sebagai sumber energi, dengan cara mengubah energi panasnya menjadi energi listrik. Energi listrik inilah yang dipakai manusia untuk penerangan, menghidupkan barang-barang elektronik dan berbagai macam kebutuhan lainnya.

Energi matahari termasuk energi terbarukan yang ketersediaannya tidak terbatas -selain sebagai sumber energi panas dan cahaya terbesar- yang memiliki peranan penting bagi kehidupan manusia. Ia juga merupakan sumber energi yang ramah lingkungan karena tidak memancarkan emisi karbon berbahaya yang berkontribusi terhadap perubahan iklim seperti pada bahan bakar fosil.

Setiap konsumsi watt energi yang dihasilkan dari matahari berarti kita telah ikut mengurangi pemakaian bahan bakar fosil. Dengan itu kita juga telah membantu mengurangi dampak perubahan iklim. Konsumsi energi matahari juga tidak memancarkan oksida nitrogen atau sulfur dioksida, yang berarti tidak menyebabkan hujan asam atau kabut asap.

Terlihat bahwa pemanfaatan energi matahari memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan. Namun untuk mencapai pemanfaatan energi matahari secara optimal diperlukan sebuah sistem untuk mendapatkan arah cahaya dan posisi matahari yang efisien.

Efisiensi yang dimaksud adalah efisiensi pemanfaatan energi cahaya dari matahari dalam menghasilkan atau melakukan sesuatu, semisal energi listrik, membantu proses fotosintesis, menjaga temperatur tumbuhan dan lain-lain.

Oleh karena itulah, pada tulisan ini diperkenalkan sebuah rancang bangun sistem pendeteksi posisi cahaya matahari. Deteksi ini berdasarkan informasi sudut posisi elevasi dan sudut posisi azimuth dengan menggunakan sensor giroskop dan kompas.

Sudut elevasi merupakan sudut yang dihasilkan oleh arah utara dari titik yang dipasang dengan arah vertikal. Sedangkan sudut azimuth merupakan sudut putar pada arah horizontal, di mana arah utara digunakan sebagai referensi sudut nol. Alat ini akan mendeteksi arah cahaya matahari dengan sensor LDR (Light Dependent Resistor) dan motor stepper sebagai penggeraknya.

 

 

2. Pergerakan Matahari

Pengetahuan akan pergerakan matahari sangat menentukan besarnya energi surya nantinya yang dapat dihasilkan. Hal ini karena modul surya akan menyerap energi surya paling optimal pada keadaan tegak lurus atau mendekati pada posisi tersebut. Matahari bergerak dari timur menuju barat menurut pengamatan dari bumi dan juga mengalami pergerakan antara utara dan selatan. Pergerakan dari timur dan barat mengakibatkan terjadinya siang dan malam, sedangkan pergerakan antara utara dan selatan mengakibatkan terjadinya empat musim pada daerah sub tropis.

 

Gbr1-Pergeseran matahari yang membentuk sudut deklinasi
Gambar 1. Pergeseran matahari sepanjang tahun yang membentuk sudut deklinasi[2]

 

Posisi matahari pada musim panas di belahan selatan bumi (bulan Desember) sudut deklinasinya mencapai 23,45 derajat (Honsberg, 2012) dari khatulistiwa ke arah selatan. Begitu pula pada musim dingin (bulan Juni) sudut deklinasi mencapai 23,45 derajat ke arah utara.

Pada Gambar 1 ditunjukkan pergerakan matahari antara utara dan selatan dengan sudut δ (deklinasi) tersebut. Hal ini menyebabkan untuk menentukan sudut kemiringan modul sel surya harus memperhitungkan derajat pergerakan matahari pada siang hari antara utara dan selatan pada masing-masing daerah.

 

3. Penentuan Sudut Kemiringan Modul Surya

Sudut kemiringan pada modul sel surya tipe statis harus diperhitungkan menurut data pergerakan matahari pada suatu daerah sepanjang tahun agar mendapat energi surya yang optimal. Sudut kemiringan diperhitungkan berdasarkan posisi matahari yang paling kuat intensitasnya, yaitu pada saat siang/tengah hari. Namun karena seperti pembahasan sebelumnya bahwa matahari pun bergerak antara selatan dan utara, maka sudut elevasi (ketinggian) matahari pun pada siang hari berubah sepanjang tahun.

Sebagai contoh, pada daerah Jakarta pada bulan Desember menurut data dari software Suntime memiliki ketinggian maksimum sudut elevasi 72 derajat pada sebelah selatan, sedangkan pada bulan Juni memiliki sudut elevasi 60 derajat pada sebelah utara. Sehingga untuk menentukan kemiringan modul sel surya tipe statis dapat diperhitungkan seperti pada gambar berikut ini.

 

Gbr2-Pengamatan matahari dari daerah Jakarta
Gambar 2. Pengamatan matahari dari daerah Jakarta

 

Gambar 2 di atas menunjukkan pergerakan matahari di daerah Jakarta di mana matahari bergerak sejauh 48 derajat sepanjang tahun. Jika diambil nilai optimal pada pertengahan sudut pergerakan tersebut, maka nilai pergeseran menjadi 48 / 2 = 24 derajat . Atau jika dilihat dari arah utara maka sudut elevasinya menjadi 60 + 24 = 84 derajat di sebelah utara.

 

 

Penentuan sudut kemiringan modul surya harus tegak lurus terhadap matahari seperti pada gambar di bawah ini.

 

Gbr3-Sudut Kemiringan Modul Surya
Gambar 3. Sudut kemiringan modul sel surya[3]

 

Sudut α merupakan sudut elevasi matahari, sedangkan sudut β merupakan sudut kemiringan modul terhadap horisontal tanah. Kemiringan terbaik dari modul adalah tegak lurus terhadap matahari, maka α + β = 90 derajat. Jika menggunakan kasus daerah Jakarta sebelumnya di mana sudut elevasi 84 derajat, maka kemiringan modul surya tipe statis yang optimal yaitu β = 90 – 84 = 6 derajat.

Namun data rill sudut elevasi pada saat tengah hari di Indonesia sepengetahuan kami belum pernah diukur secara detail oleh badan resmi seperti Badan Metereologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG). Sampai saat ini data tentang sudut elevasi didapat dari perhitungan-perhitungan astronomi dan software-software simulasi yang menggunakan perhitungan-perhitungan astronomi pula.

Padahal perhitungan-perhitungan tersebut memiliki tingkat kesalahan tertentu sehingga dibutuhkan pengukuran data secara langsung agar lebih akurat. Hal ini pula yang menyebabkan ketiadaan standar pemasangan modul surya dengan tipe statik di Indonesia pada umumnya dan kabupaten atau kota-kota pada khususnya.

 

4. Solar Tracker (Pelacak Surya)

Sistem ini sudah banyak dibahas dan dibuat baik di kalangan akademisi maupun kalangan praktisi tenaga surya. Namun perkembangan penggunaannya di Indonesia terhambat karena ketiadaan data pergerakan matahari tersebut. Pelacak surya merupakan perangkat tambahan yang dipasang pada PLTS untuk meningkatkan efisiensi modul surya yang ada.

(Baca juga: Sel Surya pada Prototipe Solar Tracker Otomatis)

Perangkat ini mampu mendeteksi posisi matahari dan mengarahkan modul surya tegak lurus dengan matahari sehingga penyerapan energi surya menjadi lebih optimum (Syafrialdi, 2015). Pada umumnya pelacak surya memiliki unit sensor, kontroler (biasanya menggunakan mikrokontroler), driver dan motor penggerak.

 

Gbr4-Blok Diagram Solar Tracker Secara Umum
Gambar 4. Blok diagram solar tracker secara umum

 

Cara kerja dari Solar Tracker tersebut adalah sebagai berikut. Sinyal sensor LDR (Light Dipendent Resistor) yang masih berupa sinyal analog akan diubah menjadi digital dengan menggunakan ADC (Analog Digital Converter). Lalu data digital tersebut akan masuk ke mikrokontroler untuk diolah dan digunakan untuk menggerakkan motor melalui driver motor.

Semua sensor memberi masukan data pengukuran pada mikrokontroler. Hasil pengukuran dari 5 sensor LDR akan digunakan untuk menghasilkan keluaran pada driver motor ULN2003 baik untuk menggerakkan motor stepper Timur-Barat maupun motor stepper Utara-Selatan. Sistem ini akhirnya akan mengarahkan sistem pada posisi matahari.

 

Catatan:
1. Tulisan berjudul Deteksi Posisi Matahari Menggunakan Solar Tracker di atas adalah karya Edwin Kamal dan Adi Setiawan. Keduanya adalah staf pengajar di Prodi Teknik Elektro, Institut Teknologi Indonesia, BSD, Tangerang Selatan, Banten.

 

Referensi:
[1] Edwin Kamal dan Adi Setiawan. Rancang Bangun Sistem Pendeteksi Posisi Matahari Untuk Menentukan Sudut Hadapan dan Kemiringan Modul Surya. Laporan Akhir PDP. Institut Teknologi Indonesia, 2018.
[2] https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/%EA%B2%BD%EC%82%AC%EA%B0%81-declination-angle
[3] https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/solar-radiation-on-a-tilted-surface

Tinggalkan Balasan