52
PERANCANGAN PERALATAN UNTUK PENGUKURAN
RADIASI GELOMBANG PENDEK MATAHARI
Jihand Aulia Sashiomarda*, Djoko PrabowoSekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta *Email : sashiomarda@gmail.com
ABSTRAK
Radiasi matahari merupakan salah satu parameter yang penting dalam pengukuran kenaikan pengaruh aktivitas manusia terhadap atmosfer oleh Global Atmosphere Watch (GAW) dikarenakan semakin tinggi potensi pemanasan global. Radiasi matahari dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu radiasi gelombang pendek dan radiasi gelombang panjang. Dalam penelitian ini dirancang dan dibuat Sistem Monitoring Radiasi Gelombang Pendek Cahaya Matahari yang terdiri dari komponen radiasi secara global dan radiasi secara difusi. Sensor utama yang digunakan adalah Termopile yang akan mengukur intensitas radiasi gelombang pendek cahaya matahari. Sensor pelengkap yang digunakan adalah sepasang Light Dependent Resistor (LDR) yang digunakan untuk solar tracker untuk menggerakkan shadow band pada komponen radiasi secara difusi. Hasil pengukuran dari alat ini berupa tegangan yang diolah dan dikonversi oleh
mikrokontroller ATMega2560 menjadi satuan radiasi matahari Watt/m2 dengan menggunakan nilai
sensitifitas yang diperoleh dari kalibrasi pyranometer standar di laboratorium kalibrasi BMKG. Hasil pengukuran diuji dengan pyranometer di Stasiun Klimatologi Semarang dengan metode korelasi sederhana untuk mengetahui tingkat kedekatan antara dua alat tersebut.
Kata kunci :Radiasi Matahari, Gelombang Pendek, Pyranometer, Termopile,
ABSTRACT
Solar radiation is one of the most important parameters in the measurement of the increase of human activity on the osphere by the Global Atmosphere Watch (GAW) due to the higher global warming potential. Solar radiation can be classified into two short-wave radiation and long-wave radiation. In this research, Short-Wave Radiation Monitoring Systems is designed and manufactured that consists of components global radiation and diffuse radiation. The main sensors used are Thermopile that will measure the intensity of short-wave solar radiation. Complementary sensor used is a pair of Light Dependent Resistor (LDR) used for the solar tracker to move the shadow band on diffuse radiation component. The measurement results of this instrument in the form of a voltage that is processed and converted by a microcontroller ATMega2560 into units of solar radiation Watt/m2 using sensitivity values obtained from calibration standard pyranometer at BMKG calibration laboratory. The measurement results are tested with a pyranometer in Semarang Climatological Station by using simple correlation method to determine the closeness between these two instrumentations.
Keywords : Solar Radiation, Shortwave, Pyranometer, Thermopile
1. PENDAHULUAN
Para pakar lingkungan sangat perhatian dengan isu iklim terutama berkaitan dengan pemanasan global. Salah satu parameter penting dalam pemanasan global adalah radiasi matahari. Intensitas radiasi matahari diukur dan dipantau oleh Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) pada Stasiun Global Atmosphere Watch (GAW). BMKG mempunyai berbagai macam
peralatan untuk mengukur intensitas matahari, baik peralatan konvensional maupun peralatan otomatis. Peralatan konvensional untuk mengukur intensitas matahari antara lain adalah Actinograph Bimetal, Campbell Stokes dan Gun Bellani. Sedangkan peralatan otomatis untuk mengukur intensitas matahari adalah Pyranometer, Net Radiometer , Pyrgeometer, Pyrheliometer, dan lain-lain.
53 BMKG kini mencanangkan program
otomatisasi untuk peralatan observasi dan mulai mengganti peralatan konvensional menjadi peralatan otomatis Permasalahan yang muncul ketika memulai penggunaan peralatan otomatis adalah ketersediaan peralatan dan sparepart yang terbatas di dalam negeri dan harganya yang cukup tinggi.
1.1 Sensor termopile TS118-3
Alat pengukur radiasi gelombang pendek matahari menggunakan sensor termopile TS118-3 yang memiliki prinsip kerja mengubah perubahan suhu menjadi tegangan. Terdapat dua tipe sensor dalam perancangan ini, global dan diffuse.
Gambar 1. Ilustrasi thermopile
1.2 Pyranometer
Alat ukur ini digunakan untuk mengukur radiasi gelombang pendek matahari baik radiasi global maupun radiasi diffuse dari spektrum 300 nm sampai dengan 3000 nm. Radiasi global merupakan radiasi matahari yang diterima dari sudut ruang 2π steradian (berbentuk setengah bola) pada permukaan horizontal
Gambar 2. Pyranometer
Perhitungan radiasi matahari dijelaskan di dalam buku manual pyranometer Kipp & Zonnen sebagai berikut:
Esolar = (1)
Keterangan:
Esolar = Radiasi matahari (W/m2)
Uemf = Tegangan output pyranometer ( μV) Sensitivity = Sensitivitas (μV/ W/m2)
Metode uji kalibrasi terdapat di dalam buku manual perangkat kalibrasi Kipp & Zonen tipe CFR. Perhitungan tersebut yaitu:
R1 = R¬pos1 - REpos1 (2) R2 = R¬pos2 - REpos2 (3) T1 = T¬pos1 - TEpos1 (4) T2 = T¬pos2 - TEpos2 (5) ST=SR. ((T1+T2))/((R1+R2)) (6) Keterangan:
R = Tegangan keluaran sensor standar kalibrasi saat di sorot lampu (µV)
RE = Tegangan keluaran sensor standar kalibrasi saat gelap (µV)
T = Tegangan keluaran sensor uji saat di sorot lampu (µV)
T = Tegangan keluaran sensor uji saat gelap (µV)
ST = Sensitivitas sensor uji (µV/Wm-2) SR = Sensitivitas sensor standar kalibrasi (µV/Wm-2)
2. PERANCANGAN SISTEM 2.1 Perancangan perangkat keras
Perancangan alat membutuhkan blok diagram alat untuk mempermudah pembuatan. Termopile mengukur panas yang diterima permukaan hitam dari radiasi cahaya matahari kemudian keluaran tegangan berorde mikro volt difilter dan diamplifikasi dengan pengkondisi sinyal sehingga sinyal noise dapat tereduksi dan diperbesar 10.000 kali agar sinyal pengukuran dapat dibaca oleh ADC dari ATMega2560.
54
Gambar 3. Blok diagram alat
Diffuse pyranometer menggunakan shading device untuk menghalangi radiasi cahaya matahari mengenai permukaan hitam secara langsung. Shading device terhubung dengan dua motor servo yang terhubung ke ATMega2560. Pergerakan motor servo ditentukan oleh besarnya nilai dari kedua LDR pada sensor diffuse pyranometer.
Gambar 4. Skema Rangkaian Sistem
Nilai keluaran tegangan sensor dibaca oleh ATMega2560 dan dikonversi menjadi satuan radiasi matahari (Watt/m2) dan ditampilkan pada LCD 20x4 dan PC melalui komunikasi serial atau telemetri. Data pengukuran disimpan pada SD card dan PC. Power supply diperlukan untuk menghidupkan tiap-tiap komponen rangkaian. RTC digunakan untuk pewaktuan pada mikrokontroler dan PC.
(a)
(b)
Gambar 5. Rancangan sistem (a) tampak atas (b) tampak samping
2.2 Perancangan perangkat lunak
Perancangan perangkat lunak antara lain perancangan pada aplikasi Visual Basic dan perancangan pada PHP dan MySQL.
Start
Inisialisasi variabel dan port com
Input data dari mikrokontrol er Simpan data menjadi vb.txt Stop Tampilkan Data
55 Proses pada Visual Basic diawali dengan
mulai program. Proses selanjutnya adalah menginialisasi variable yang digunakan dalam program dan komunikasi. Data berupa perubahan-perubahan pengukuran sensor diinput dari mikrokontroler melalui serial komunikasi atau telemetri. Data ditampilkan pada PC dan disimpan dalam bentuk file vb.txt yang digunakan untuk update database MySQL.
Gambar 7. Flowchart PHP dan MySQL
Tampilan utama untuk menampilkan data menggunakan web browser. Proses dimulai dari PHP melakukan koneksi ke database MySQL. Data penyimpanan dari vb.txt di-input ke database MySQL. Web browser menampilkan data yang ada di database MySQL.
3. PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengujian kalibrasi sensor
Alat perancangan diuji dengan alat standar kalibrasi pyranometer Kipp&Zonen CMP21 pada tanggal 3 Agustus 2016, pukul 13.00 WIB hingga pukul 15.00 WIB di laboratorium kalibrasi BMKG.
Tabel 1. Nilai uji kalibrasi tegangan keluaran sensor standar kalibrasi dengan sensor uji global
radiation Tegangan Sensor Standar Kalibrasi (µV) Tegangan Sensor Uji (µV) Posisi Disorot lampu (R) Gelap (RE) Disorot lampu (T) Gelap (TE) 1 3815 4 359 89 2 4043 3 364 84
Tabel 2. Nilai uji kalibrasi tegangan keluaran sensor standar kalibrasi dengan sensor uji diffuse
radiation Tegangan Sensor Standar Kalibrasi (µV) Tegangan Sensor Uji (µV) Posisi Disorot lampu (R) Gelap
(RE) Disorot lampu (T)
Gelap (TE) 1 3804,2 -14,2 273,8 47,2 2 4007,3 -14,3 289,6 49,2
Sensitivitas sensor standar kalibrasi adalah 8,40 µV/Wm-2, sehingga dari persamaan (6) sensitivitas sensor uji global radiation dan diffuse radiation dapat diperoleh nilai sebagai berikut :
1. Sensitivitas sensor uji global radiation
= , .(( ))
ST = 0,58846 µV/Wm-2
2. Sensitivitas sensor uji diffuse radiation
= , .(( ,, , ), )
56 Nilai sensitivitas sensor uji tersebut
selanjutnya digunakan dalam pemrograman mikrokontroller ATMega2560 untuk mengkonversi keluaran sensor yang memiliki satuan tegangan (µV) menjadi satuan radiasi matahari (µV/Wm-2) dengan menggunakan persamaan (1).
Data hasil kalibrasi sensor alat perancangan dengan alat standar kalibrasi Kipp & Zonen CMP21 pada Tabel 1 dan Tabel 2 divalidasi dengan menggunakan rumus koefisien korelasi sederhana..
Gambar 8. Diagram korelasi hasil kalibrasi sensor global radiation antara Kipp & Zonen CMP21 dengan alat perancangan berdasarkan tabel 1.
Gambar 8. merupakan diagram tebar hasil perhitungan korelasi sederhana dari variabel x (data pengukuran oleh Kipp & Zonen CMP21) dengan variabel y (data pengukuran oleh alat perancangan) untuk sensor global radiation. Perhitungan tersebut menghasilkan nilai korelasi R2 = 0,999 sehingga R = 0,999. Nilai korelasi tersebut menunjukkan bahwa kedua sensor tersebut memiliki hubungan yang erat dengan bentuk hubungannya linear positif.
Gambar 9. merupakan diagram hasil perhitungan korelasi sederhana dari variabel x (data pengukuran oleh Kipp & Zonen CMP21) dengan variabel y (data pengukuran oleh alat perancangan) untuk sensor global radiation. Perhitungan tersebut menghasilkan nilai korelasi R2 = 0,999 sehingga R = 0,999. Nilai korelasi tersebut menunjukkan bahwa kedua sensor tersebut memiliki hubungan yang erat dengan bentuk hubungannya linear positif.
Gambar 9. Diagram korelasi hasil kalibrasi sensor diffuse radiation antara Kipp & Zonen CMP21 dengan alat perancangan berdasarkan
tabel 2
3.2 Pengujian perbandingan alat
Alat perancangan diuji dengan Eppley PSP pyranometer pada tanggal 6 Agustus 2016 pukul 18.00 WIB hingga tanggal 7 Agustus 2016 pukul 00.00 WIB di taman alat Stasiun Klimatologi Semarang.
Tabel 3. Pengujian nilai threshold untuk pengukuran global radiation
No Waktu (WIB) Nilai Eppley PSP pyranometer (W/m2) Nilai Alat Perancangan (W/m2) 1 18.00 - 0 2 18.30 - 0 3 19.00 -2,79 0 4 19.30 -2,79 0 5 20.00 -3,19 0 6 20.30 -2,46 0 7 21.00 -1,99 0 8 21.30 -0,68 0 9 22.00 -1,99 0 10 22.30 -2,30 0 11 23.00 -0,69 0 12 23.30 -0,62 0 13 00.00 -0,93 0
Pada Tabel 3 dan Tabel 4 menunjukkan bahwa nilai keluaran dari sensor Eppley PSP pyranometer pada saat gelap (tidak ada radiasi matahari) cenderung negatif. Keluaran dari sensor uji global radiation dan diffuse radiation dapat menghasilkan nilai nol dengan mengatur offset output pada rangkaian pengkondisi sinyal ketika gelap (tidak ada radiasi matahari).
R² = 0,999 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2000 4000 6000 Se ns or U ji
Sensor Standar Kalibrasi
R² = 0,999 0 100 200 300 400 -2000 0 2000 4000 6000 Se ns or U ji
57
Tabel 4. Pengujian nilai threshold untuk pengukuran diffuse radiation
No Waktu (WIB) Nilai Eppley PSP pyranometer (W/m2) Nilai Alat Perancangan (W/m2) 1 18.00 -1,99 0 2 18.30 -2,08 0 3 19.00 -2,78 0 4 19.30 -1,99 0 5 20.00 -2,73 0 6 20.30 -1,35 0 7 21.00 -1,19 0 8 21.30 0,28 0 9 22.00 -1,17 0 10 22.30 -1,39 0 11 23.00 -0,39 0 12 23.30 -0,38 0 13 00.00 -0,39 0
Pengujian untuk menentukan tingkat radiasi gelombang pendek dilakukan di taman alat Stasiun Klimatologi Semarang pada tanggal 13 Agustus 2016 pada pukul 5.00 WIB hingga tanggal 14 Agustus 2016 pada pukul 00.00 WIB. Pengujian nilai radiasi gelombang pendek cahaya matahari dilakukan pada saat matahari mulai terbit hingga matahari mulai terbenam.
Tabel 5. Pengujian tingkat radiasi gelombang pendek matahari untuk pengukuran global
radiation Waktu (WIB) Nilai Eppley PSP pyranometer (W/m2) Nilai Alat Perancangan (W/m2) 5:00 -1,42012 0 5:30 -1,18343 0 6:00 2,485207 0 6:30 27,52663 0 7:00 51,86982 0 7:30 83,38462 0 8:00 230,568 168,0063 8:30 252,1065 295,1738 9:00 208,2249 250,4469 9:30 179,503 258,9505 10:00 95,33728 138,9083 10:30 194,2604 5,86106 11:00 378,9586 268,0641 11:30 390,8521 408,6446 12:00 350,1183 474,3788 12:30 555,0533 496,9564 13:00 236,8639 356,5153 13:30 220,8284 321,8451 14:00 274,3432 337,5624 14:30 394,7574 416,0197 15:00 143,5385 284,0363 15:30 148,3314 203,9646 16:00 119,6331 111,3669 16:30 100,4852 75,94058 17:00 30,69822 0,122353 17:30 4,781065 0,508106 18:00 -2 0 18:30 -1,18343 0 19:00 -2,84024 0
Pada Tabel 5 menunjukkan bahwa sensor Eppley PSP pyranometer mulai menghitung tingkat global radiation pada pukul 6.00 WIB ketika matahari terbit sedangkan sensor uji mulai menghitung tingkat global radiation pada pukul 8.00 WIB ketika matahari sudah mulai tinggi. Sensor Eppley PSP pyranometer menghasilkan nilai radiasi negatif sedangkan sensor uji menghasilkan nilai tepat nol pada pukul 18.00 WIB yaitu ketika matahari sudah terbenam.
Tabel 3.6 Pengujian tingkat radiasi gelombang pendek matahari untuk pengukuran diffuse
radiation Waktu (WIB) Nilai Eppley PSP pyranometer (W/m2) Nilai Alat Perancangan (W/m2) 5:00 -0,35503 0 5:30 0,236686 0 6:00 2,840237 0 6:30 25,53846 0 7:00 42,29586 0 7:30 71,81065 0 8:00 180,6982 85,4398 8:30 202,6391 174,0354 9:00 183,4911 204,0216 9:30 154,3787 112,734 10:00 83,76331 65,27254
58 10:30 164,3432 3,539427 11:00 322,3077 183,5366 11:30 330,2249 310,3983 12:00 290,6982 266,1685 12:30 376,0118 394,743 13:00 207,3609 274,7003 13:30 190,2959 155,5089 14:00 233,6686 136,6726 14:30 257,5858 171,7671 15:00 120,4142 217,0842 15:30 126,7929 62,56052 16:00 97,30178 88,70551 16:30 81,34911 69,13773 17:00 26,72189 0,011991 17:30 3,988166 0 18:00 -2 0 18:30 -1,18343 0 19:00 -2,60355 0
Pada Tabel 6 menunjukkan bahwa sensor Eppley PSP pyranometer mulai menghitung tingkat global radiation pada pukul 6.00 WIB ketika matahari terbit sedangkan sensor uji mulai menghitung tingkat global radiation pada pukul 8.00 WIB ketika matahari sudah mulai tinggi. Sensor uji menghasilkan nilai nol ketika pukul 17.30 WIB.
Sensor Eppley PSP pyranometer menghasilkan nilai radiasi negatif pada pukul 18.00 WIB yaitu ketika matahari sudah terbenam. Data hasil perbandingan alat perancangan dengan Eppley PSP pyranometer pada Tabel 5 dan Tabel 6 divalidasi dengan menggunakan rumus koefisien korelasi sederhana.
Gambar 10 merupakan diagram tebar hasil perhitungan korelasi sederhana dari variabel x (data pengukuran oleh Eppley PSP pyranometer) dengan variabel y (data pengukuran oleh alat perancangan) pada Tabel 5. Diagram tersebut menunjukkan nilai koefisien korelasi sederhana R2 = 0,711 atau dapat dinyatakan R = 0,843 sehingga dapat dikatakan bahwa pengukuran oleh alat perancangan memiliki hubungan yang kuat dengan pengukuran oleh Eppley PSP pyranometer dan bentuk hubungannya adalah linear positif.
Gambar 10. Diagram korelasi pengukuran global radiation antara Eppley PSP pyranometer
dengan alat perancangan berdasarkan tabel 5
Gambar 11 merupakan diagram tebar hasil perhitungan korelasi sederhana dari variabel x (data pengukuran oleh Eppley PSP pyranometer) dengan variabel y (data pengukuran oleh alat perancangan) pada Tabel 6. Diagram tersebut menunjukkan nilai koefisien korelasi sederhana R2 = 0,639 atau dapat dinyatakan R = 0,799 sehingga dapat dikatakan bahwa pengukuran oleh alat perancangan memiliki hubungan yang sedang dengan pengukuran oleh Eppley PSP pyranometer dan bentuk hubungannya adalah linear positif.
Gambar 11. Diagram korelasi pengukuran diffuse radiation antara Eppley PSP pyranometer dengan
alat perancangan berdasarkan tabel 4.6
4. KESIMPULAN
Alat pengukur radiasi gelombang pendek cahaya matahari telah diimplementasikan sehingga dapat menghasilkan data global
R² = 0,711 0 100 200 300 400 500 600 0 200 400 600 Al at P er an ca ng an Eppley PSP Pyranometer R² = 0,639 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 100 200 300 400 Al at P er an ca ng an Eppley PSP Pyranometer
59 radiation dan diffuse radiation. Proses
kalibrasi sensor termopile dari alat perancangan dengan alat standar pyranometer Kipp & Zonen CMP21 menghasilkan sensitivitas alat perancangan sehingga dapat digunakan untuk mengkonversi nilai keluaran sensor termopile yang berupa tegangan menjadi satuan radiasi matahari. Data yang dihasilkan dari alat perancangan disimpan di dalam SD card dan komputer, serta dapat ditampilkan pada LCD 20x4 dan tampilan interface pada web browser.
Pengembangan selanjutnya menggunakan sensor termopile dengan desain rancang bangun yang hampir sama dengan pyranometer. Sensor termopile diharapkan memiliki tingkat akurasi yang tinggi dan resolusi yang kecil. Sistem baiknya menggunakan glass dome dengan yang memiliki indeks bias yang tinggi sehingga radiasi cahaya matahari yang berada pada dekat horizon dapat dibiaskan menuju sensor yang berada ditengah agar dapat terukur dengan baik. Serta menggunakan pengkondisi sinyal dengan rangkaian filter yang dapat menghilangkan sinyal noise sehingga sinyal asli dapat terukur dengan baik
DAFTAR PUSTAKA
Djenal, Dyah P., 2014, Studi Awal Rancang Bangun Prototipe Actinograph Digital Berbasis Mikrokontroler, Tugas Akhir, Instrumentasi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta.
Djenal, Dyah P., 2015, Sistem Monitoring Intensitas Radiasi Matahari, Skripsi, Instrumentasi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tangerang.
Gillett, W.B., 1980, The Kipp solarimeter: A review of its operation and calibration, Commission of the european communities, Luxembourg.
Halliday, D. dan Resnick, R., 1978, Physics, 3rd Edition, John Willey & Sons, Inc, New York.
Kipp dan Zonen, 2006, CFR Calibration Facility Instruction Manual, Netherlands
Kurniawan, E. dan Satria, B. 2009, Analisis Ketidakpastian QPSP Pyranometer Berbasis Termopile, Buletin Megasains, Vol. 3. 1-13.
Manik, T. K., 2012, Klimatologi Dasar; Unsur Iklim dan Proses Pembentukan Iklim, Graha Ilmu, Yogyakarta.
Purnama, Agus, http://elektronika- dasar.web.id/penguat-tak-membalik-non-inverting-amplifier/ (diakses pada tanggal 21 Februari 2016)
Ridwan, Muhammad, 2012, Alat pengukur lama penyinaran matahari, Tugas Akhir, Instrumentasi, Akademi Meteorologi dan Geofisika, Tangerang. Ridwan, Muhammad, 2015, Alat Pengukur Durasi Penyinaran Matahari Digital dengan Pendeteksi Pergerakan Matahari, Skripsi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tangerang.
Ridwan, M. Sutanto, Agus T., 2014, Studi Awal Perancangan dan Pembuatan Alat Pengukur Durasi Penyinaran Matahari. Jurnal Dinamika, edisi VII-Vol.1 Juni 2014..
Rösemann, Reinhold, 2011, A Guide to Solar Radiation Measurement, Gengenbach Messtechnik, Netherlands.
Tjasyono, Bayong, 2004, Klimatologi, ITB, Bandung.
Tjasyono, Bayong, 2007, Meteorologi Indonesia 1; Karakteristik & Sirkulasi Atmosfer, Badan Meteorologi & Geofisika, Jakarta.
WMO, 2008, Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, WMO-No.8 seventh edition, Switzerland.
