SISTEM MONITORING INTENSITAS RADIASI MATAHARI
MONITORING SYSTEM OF SOLAR RADIATION INTENSITY
DYAH PRIHARTINI DJENALSekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi Dan Geofisika, Jl. Perhubungan I No. 5 Pondok Aren, Tangerang Selatan 15221
email : dyahprihartini@ymail.com
ABSTRAK
Radiasi matahari adalah salah satu parameter cuaca yang diamati oleh BMKG. Menyambut era digitalisai untuk BMKG, maka diharapkan semua alat operasional yang digunakan sudah bersifat otomatis. Untuk itu, dibuat rancangan Sistem Monitoring Intensitas Radiasi Matahari.
Dalam perancangan alat ini, sensor yang akan digunakan adalah sensor photovoltaic yang akan mendeteksi sinar matahari kemudian diolah oleh mikrokontroler ATMega 328, sehingga akan didapatkan hasil radiasi matahari dalam satuan Watt/m2. Hasil pembacaan alat akan disimpan pada SD Card dan komputer dan ditampilkan pada LCD 16x2 dan komputer melalui komunikasi serial RS-232.
Kata Kunci: Radiasi Matahari, Photovoltaic, Mikrokontroler, RS-232.
ABSTRAK
Solar radiation is one of the weather parameters observed by BMKG. Welcomes the era of digitalization for BMKG, it is expected that all operational tools are automatic. So that, created a draft Intensity Solar Radiation Monitoring System.
In the design of this tool, the sensor to be used is a photovoltaic sensor that will detect sunlight then processed by a microcontroller ATMega 328, so we will get the result of solar
radiation in units of Watts / m2. Instrument readings will be stored on the SD card and the
computer and displayed on the LCD 16x2 and computer via RS-232 serial communications.
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Radiasi ini merupakan faktor paling utama yang berperan dalam proses pembentukan cuaca di atmosfer bumi karena dari radiasi mataharilah “panas” diperoleh untuk menjadi “penggerak” siklus-siklus di atmosfer yang menyebabkan perubahan cuaca dari waktu ke waktu.
BMKG (Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika) sebagai instansi yang melayani data cuaca menyediakan data intensitas radiasi matahari. Data radiasi yang disediakan tergantung dari jenis radiasi yang diukur. Menyambut era digitalisai untuk BMKG, maka diharapkan semua alat operasional yang digunakan sudah bersifat otomatis agar pengambilan dan pengumpulan data menjadi efektif dan efisien serta data yang dihasilkan berkualitas yakni akurat dan dapat dipertanggung jawabkan.
1.2. Batasan Masalah
Perancangan dan penulisan ini memiliki beberapa batasan masalah, yakni:
1. Menggunakan data Net Radiasi dari Data model dalam satuan Watt/m2. 2. Menampilkan dalam bentuk data
radiasi matahari dengan satuan Watt/m2 pada LCD 16x2.
3. Menggunkan RTC (Real Time Clock) dan SD Card sebagai media penyimpanan data.
1.3 Tujuan
Perancangan ini memilik tujuan, untuk merealisasikan sistem monitoring intensitas radiasi matahari yang bersifat otomatis menggantikan alat pengukur intensitas radiasi matahari manual.
1.4 Dasar Teori
1.4.1 Radiasi Matahari
Dasar teori pada perancangan dan penulisan adalah radiasi matahari. Radiasi matahari adalah pancaran energi yang berasal dari proses thermonuklir yang terjadi di Matahari. Energi radiasi matahari berbentuk sinar dan gelombang elektromagnetik. Spektrum radiasi matahari sendiri terdiri dari dua yaitu, sinar bergelombang pendek dan sinar bergelombang panjang. Sinar yang termasuk gelombang pendek adalah sinar x, sinar gamma, sinar ultra violet, sedangkan sinar gelombang panjang adalah sinar infra merah.
Adapun jenis-jenis dari radiasi matahari adalah sebagai berikut :
Radiasi solar adalah radiasi yang dikeluarkan oleh matahari. Kira-kira 99.9 % dari radiasi ini m berupa cahaya.
Selebihnya berupa energi
elektromagnetik Inframerah dan ultraviolet (UV).
2. Radiasi Terrestrial
Radiasi terrestrial adalah radiasi yang dikeluarkan oleh planet bumi termasuk atmosfernya
3. Radiasi Total
Radiasi total adalah jumlah radiasi solar dan radiasi terrestrial. Biasanya dibedakan dalam dua
Sehubungan dengan bentuk bumi, posisi sumbu rotasi bumi, rotasi dan revolusi bumi mengelilingi matahari maka penerimaan radiasi matahari di suatu wilayah akan bergantung pada waktu (jam pada hari dan hari pada tahun) serta bujur dan lintang wilayah tersebut. Perbedaan-perbedaan tersebut dapat dijelaskan melalui Solar Geometry (Geometri Surya).
Pengujian alat dilakukan dengan mengujikan keluaran dari alat hasil rancangan dengan data pemodelan net radiasi dari satelit NOAA yang merupakan reanalisis 1 NCEP (National Centers for
Environmental Prediction)/ NCAR(National Center for Atmospheric Research) untuk
Surface Flux Data. Data Model adalah hasil perhitungan rumus-rumus numeric untuk mengetahui keadaan atmosfer menggunakan data masa lalu dari 1948 hingga saat ini. Tersedia 4 kali sehari Format dan rata-rata harian.
Gambar 1. Website U.S. Department of Commerce | National Oceanic & Atmospheric
Administration | NOAA Research
1.4.3 Sensor
Sel surya merupakan suatu bahan semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.
1.4.4 Mikrokontroler Arduino Uno R3 Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328 (datasheet). Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai output PWM (Pulse Width Modulation) dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP (In Circuit Serial
Programming) header, dan tombol reset.
Untuk mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang-ke adaptor-DC atau baterai untuk menjalankannya.
Gambar 3. Mikrokontroler Arduino Uno R3
1.4.5 LCD (Liquid Crystal Display)
LCD yang digunakan dalam penelitian ini adalah LCD 16x2.Dalam modul LCD terdapat mikrokontroler yang berfungsi sebagai pengendali tampilan karakter LCD.Mikrokontroler pada
LCD dilengkapi dengan memori dan register.
Gambar 4. LCD 16x2
1.4.6 RTC (Real Time Clock)
Real-time clock DS1307 adalah IC
yang dibuat oleh Dallas Semiconductor. IC ini memiliki kristal yang dapat mempertahankan frekuensinya dengan baik.
Gambar 1.5 RTC
1.4.7 SD Card
Kartu Secure Digital SD adalah
memory Card flash ultra kecil yang
dirancang untuk menyediakan memori berkapasitas tinggi dalam ukuran yang kecil.
Portable device seperti kamera digital, camcorder video digital, notebook, audio player dan ponsel semuanya membutuhkan
SD Card.
II. PERANCANGAN ALAT 2.1 Perancangan Perangkat Keras
Pada perancangan ini, perangkat keras yang digunakan adalah sensor Photovoltaic untuk mendeteksi perubahan rangsang berupa cahaya, mikrokontroler Arduino Uno R3 untuk memproses data, RTC sebagai penanda waktu, LCD 16x2 untuk menampilkan datadan SD Card untuk menyimpan data hasil pengamatan.
START Ada sumber DC? baterai Inisialisasi Proses Data? Input Data Konversi Tampil Data Radiasi LCD Tampil LCD? Koneksi ke PC? Data Radiasi Simpan Data di SD Card Tampil Data Radiasi di PC Simpan Data di PC Pengukuran FINISH Yes Yes Yes Yes No No No Yes No No
Gambar 7. Flowhart Alat
Rangkaian akhir sistem ini dapat dilihat pada skema rangkaian alat dan hasil rancangan alat seperti yang terdapat pada Gambar 8. di bawah ini
Gambar 8. Rangkaian Akhir Alat rancangan
2.2 Perancangan Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang dirancang adalah perangkat lunak untuk interface menggunakan Labview. START PC “On”? Inisialisasi Sudah Terkoneksi? Memastikan Port pada device manager Koneksi Lagi? Baca Input COM Serial Tampil Data Pembacaan FINISH Yes No No Yes No Yes No
Gambar 9. Flowchart Interface
Berikut ini merupakan gambar block
diagram dari program aplikasi yang
berfungsi untuk menampilkan data radiasi matahari pada front panel.
Gambar 10. List Program Interface
Di bawah ini merupakan rancangan tampilan hasil pengukuran alat di layar komputer menggunakan software LabView 2011.
Gambar 11. Rancangan Tampilan Interface
Fitur-fitur yang yang disediakan pada tampilan tersebut diantaranya:
a. Save Data : Menyimpan data ke dalam direktori yang diinginkan.
b. Start/Stop : Untuk memulai dan mengakhiri proses.
c. Com Port : Mengatur Port yang digunakan.
d. Grafik untuk menampilkan data radiasi matahari.
e. Menampilkan nilai data radiasi matahari.
III. PENGUJIAN DAN ANALISA
Setelah tahap perancangan selesai maka akan dilakukan tahap pengujian untuk mengetahui kinerja pada alat hasil rancangan.
3.1 Tempat dan Waktu Pengujian Hari/tanggal : 15-30 Juni 2015 Waktu : 00.00-10.00 UTC
Tempat : Taman Alat,
Kampus STMKG 3.2 Pengujian
Pengujian yang dilakukan untuk mengetahui output radiasi matahari yang dihasilkan oleh alat hasil rancangan
3.2.1 Pengujian Titik 0 (Nol)
Pengujian titik nol ini untuk mengetahui nilai awal pada saat sensor tidak menerima rangsang apapun. Dimana sensor pada alat hasil rancangan dikondisikan tidak menerima rangsangan cahaya apapun. Pengujian titik 0 (nol) dilakukan pada malam hari dan sensor ditutup menggunakan alumunium foil sehingga tidak menerima rangsangan cahaya apapun. Hasil pengujian diperoleh:
Tabel 1. Tabel Hasil Pengujian Titik 0 (nol)
Berdasarkan Tabel 4.1 diperoleh bawah titik 0 (nol) dari alat hasil rancangan adalah 0 (nol).
3.2.2 Pengujian Nilai
Pengujian kedua yakni untuk mengetahui keluaran dari alat hasil rancangan. Pengujian dilakukan di taman alat Kampus Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika pada tanggal 15 Juni 2015. Pengamatan dilakukan dari pukul 00.00-10.00UTC.
Gambar 12. Posisi Alat Saat Pengujian
Adapun hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah ini:
Tabel 2. Hasil Pengukuran Alat Hasil Rancangan dan Data Model
Tanggal Jam (UTC) Data Model (Watt/m2) Alat Rancangan (mV) Alat Rancangan (Watt/m2) 15 0 -546 140 549.67 15 6 -233 63 259.60 16 0 -439 115 451.51 16 6 -200 50 196.31 17 0 -486 120 471.15 17 6 -310 75 294.47 18 0 -571 140 549.67 18 6 -298 70 274.83 19 0 -443 115 451.51 19 6 -211 55 215.94 20 0 -552 145 569.30 20 6 -241 60 235.57 21 0 -472 125 490.78 21 6 -231 55 215.94 22 0 -436 110 431.88 22 6 -217 55 215.94
23 0 -416 110 431.88 23 6 -232 60 235.57 24 0 -518 125 490.78 24 6 -309 70 274.83 25 0 -483 125 490.78 25 6 -234 65 255.20 26 0 -578 140 549.67 26 6 -307 75 294.47 27 0 -415 105 412.25 27 6 -194 50 196.31 28 0 -389 110 431.88 28 6 -276 65 255.20 29 0 -487 135 530.04 29 6 -223 55 215.94 30 0 -472 125 490.78 30 6 -234 60 235.57 Jumlah -11653 2968
Dari data pengujian di peroleh 1 mv = |11.653|/2968= 3.92Watt/m2.
3.2.3 Pengujian Penyimpanan dan
Interface
Dalam perancangan ini
menggunakan media komunikasi berupa RS-232. Dan media penyimpanan pada SD card yang ada pada alat dan pada PC dalam bentuk file notepad atau excel.
Gambar 13. Data Pada SD Card
Gambar 14. Data Pada PC
3.3 Validasi
Dalam penelitian ini validasi diperlukan untuk menguji data net radiasi dari alat hasil rancangan apakah mendekati nilai dari alat pembanding. Validasi ini menggunakan metode korelasi.
Korelasi Sederhana merupakan suatu Teknik Statistik yang dipergunakan untuk mengukur kekuatan hubungan 2 Variabel dan juga untuk dapat mengetahui bentuk hubungan antara 2 Variabel tersebut dengan hasil yang sifatnya kuantitatif.
Korelasi = – – – Keterangan: R = Korelasi X = variabel 1 Y = variabel 2
Tabel 3. Hasil Perhitungan Korelasi Alat Hasil Rancangan Dan Data Model
Data Model (x) Data Alat
Rancangan (y) Data Model (x) 1 Data Alat Rancangan (y) 0.989155199 1
Tabel 4. Kriteria Korelasi
r Kriteria Hubungan
0 Tidak ada Korelasi
0 – 0.5 Korelasi Lemah 0.5 – 0.8 Korelasi sedang 0.8 – 1 Korelasi Kuat/erat
1 Korelasi Sempurna
3.4 Analisa
Pengujian nilai dengan melakukan pengujian alat hasil rancangan pada tanggal 15 Juni 2015 pukul 00 UTC sampai 10 UTC karena sensor yang digunakan adalah sensor
photovoltaic maka dalam keadaan remang
sudah tidak mampu menerima cahaya matahari lagi. Begitu pun pengujian nilai dengan membandingkan alat hasil rancangan dengan data model di lakukan pada pukul 00 UTC sampai 10 UTC namun dilakukan dari tanggal 15 Juni 2015 sampai 30 Juni 2015.
Dari hasil yang diperoleh dapat di tampilkan dalam bentuk grafik sebagai berikut.
Gambar 15. Hasil Pengukuran Alat Hasil Rancangan dan Data Model Pada Jam
00 UTC
Gambar 16. Grafik Hasil Pengukuran Hasil Pengukuran Alat Hasil Rancangan dan
Data Model pada jam 06 UTC
Pada gambar grafik 15 dan grafik 16 dapat dilihat bahwa keluaran alat hasil rancangan memiliki nilai yang mendekati dengan hasil dari Data Model.
Sedangkan perbedaan keluaran dari alat hasil rancangan dan data model
dikarenakan posisi alat rancangan yang berada ada di permukaan bumi sedangkan data model yang dihasilkan oleh satelit NOAA tidak berada di permukaan bumi. Bias awan juga mempengaruhi karena memfilter gelombang infra red yang dipancarkan oleh satelit. begitu juga dengan resolusi satelit dimana pembacaan yang dilakukan oleh satelit bergantung resolusi(pixel) untuk suatu daerah tertentu tergantung lokasi yang ditentukan sedangkan untuk alat hasil rancangan hanya pada satu titik.
Hasil validasi menggunakan metode korelasi menunjukan angka 0.989155199. Pada pengujian kedua ini nilai korelasi yang dihasilkan menunjukan nilai postitif yang menunjukan pasangan data Variabel X dan Variabel Y memiliki Korelasi Linear Positif yang kuat/Erat. Berdasarkan tabel penentuan umum kriteria korelasi maka nilai 0.98 menunjukan korelasi yang kuat/erat.
VI. KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat disimpulkan: 1. Keseluruhan sistem telah bekerja sesuai
dengan rancangan.
2. Data yang dihasilkan hanya pada jam 00-11 UTC dikarenakan sensor yang digunakan adalah sensor photovoltaic
yang merupakan sensor yang merespon perubahan cahaya.
3. Konversi nilai radiasi yang diterapkan bergantung dengan alat pembanding atau nilai pembanding yang digunakan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] World Meteorological Organization. (2008).
Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. WMO-No. 8
Seventh Edition, Secretary WMO, Geneva, Switzerland.
[2] Djenal, Dyah Prihartini. (2015). Sistem
Monitoring Intensitas Radiasi Matahari.
Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. Jakarta.
[3] Djenal, Dyah Prihartini. (2014). Studi Awal
Rancang Bangun Prototipe Actinograph
Digital Berbasis Mikrokontroler. Sekolah
Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. Jakarta.
[4] Tjasyono, Bayong. (2008). Sains
Atmosfer. Badan Meterologi
Klimatologi dan Geofisika. Jakarta. [5] Pratama, Uray R. P. 2014. Kajian Daya
Keluaran Dari Ketidakharmonisan Modul Fotovoltaik Terhadap Temperatur Ruang Dan Intensitas Cahaya Matahari. Teknik Elektro Universitas Tanjung Pura. Pontianak.
