Perancangan Coupling Antara Solar Collector - Serat Optik Untuk Sistem Pencahayaan Alami

Transkripsi

1 JURNAL TEKNK POMTS Vl. 1, N. 1, (2013) Perancangan Cupling Antara Slar Cllectr - Serat Optik Untuk Sistem Pencahayaan Alami Bantara Bayu Perrmana Putra, Sekartedj, Agus M. Hatta. Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknlgi ndustri, nstitut Teknlgi Sepuluh Npember (TS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya sekar@ep.its.ac.id, amhatta@ep.its.ac.id Abstrak Slar lighting merupakan salah satu energi alternatif yang memanfaatkan matahari sebagai sumber cahaya untuk penerangan ruangan. Slar lighting dapat diaplikasikan dengan berbagai macam metde, salah satunya adalah dengan menggunakan serat ptik. Sistem slar lighting berbasis serat ptik terdiri dari dua kmpnen utama, yaitu slar cllectr dan serat ptik. Slar cllectr merupakan alat yang digunakan untuk memantulkan dan mengumpulkan sinar matahari pada satu titik, sedangkan serat ptik merupakan alat yang digunakan sebagai media transmisi cahaya. Salah satu masalah yang dapat mempengaruhi transmisi cahaya adalah cupling dari slar cllectr ke serat ptik. Dalam tugas akhir ini dilakukan perancangan sistem cupling antara slar cllectr dengan serat ptik pada sistem slar lighting berbasis serat ptik dengan hasil intensitas keluaran serat ptik sesuai dengan standar SN dalam pencahayaan labratrium (500 ). Dasar perancangan dalam sistem cupling adalah pemilihan - pemilihan parameter dari klektr parabla dan serat ptik untuk besar berkas masukan cahaya tertentu. Berdasarkan diameter berkas cahaya yang diterima klektr dan sudut penerimaan maksimal dari serat ptik dapat ditentukan besar harga parameter panjang fkus (f) dan aperture (D) yang menghasilkan cupling yang maksimum. Selain itu panjang serat ptik dapat mempengaruhi dari transmisi. Pada tugas akhir ini digunakan serat ptik sepanjang 50 m sebagai salah satu batasan penelitian. Hasil dari perhitungan, untuk memperleh intensitas sebesar 500 pada keluaran serat ptik diperlukan parabla dengan panjang fkus 1,51 m dan aperture 1,31 m, sedangkan hasil eksperimen dengan panjang fkus dan aperture yang sama diperleh intensitas kurang dari 500. Ketidaksesuaian antara hasil perhitungan dengan eksperimen ini dapat diakibatkan leh kurang simetrisnya klektr parabla yang dibuat. Hal ini dapat dilihat dari terjadinya pelebaran spt size berkas cahaya masukan pada serat ptik. Kata kunci- Slar Lighting, Klektr, dan Serat Optik. P. PENDAHULUAN eningkatan knsumsi energi listrik di dunia semakin meningkat seiring dengan berkembangnya teknlgi, pembangunan dan lain lain pada tiap negara. Khususnya pada negara ndnesia, telah digunakan energi listrik sebesar GWh pada tahun 2010 yang meningkat 2 kali lipat dari tahun 2000 [1]. Diperlukan energi alternatif untuk mengurangi pemakaian energi listrik tersebut. Saat ini energi alternatif yang berkenaan dengan listrik banyak diteliti seperti penggunaan slar cell atau pun yang lain khususnya pada pemanfaatan pencahayaan. Adapun beberapa cnth yaitu penggunaan lampu LED (Light Emiting Dide), pemanfaatan jendela sebagai pencahayaan alami pada siang hari. Namun slusi tersebut masih belum dapat mengurangi pemakaian listrik secara berarti. Berbagai slusi lain telah ditawarkan misalnya penggunaan fiber ptic day lighting system [2]. Saat ini telah banyak dikembangkan penelitian lain yang berkaitan dengan fiber ptic day lighting system dengan berbagai desain pada cllectr dan sistem transmisinya. Misalnya pada penelitian yang dilakukan leh Cuture dimana diteliti seberapa besar pengaruh 4 jenis klektr, masing-masing dilengkapi dengan dan tanpa lensa Fresnel. Disimpulkan bahwa klektr harus memiliki bentuk mengerucut atau memiliki fkus agar cahaya yang ditangkap agar dapat masuk dalam serat ptik [3]. Selain itu penelitian telah dilakukan leh Nugrahani dengan judul Perancangan Sistem Transmisi Sinar Melalui Serat Optik [4]. Pada penelitian tersebut dibahas tentang percbaan dengan menggunakan berbagai jenis slar cllectr, yakni jenis parabla, cermin datar, limas segi empat dan kerucut. Bentuk Parabla digunakan untuk primary cllectr sedangkan cermin datar, limas segi empat dan kerucut digunakan untuk secndary cllectr. Hasil transmisi daya maksimal didapatkan dengan menggunakan parabla sebagai primary cllectr dan kerucut sebagai secndary cllectr, dimana utput atau intensitas yang diukur pada ujung keluaran fiber sebesar 206. Namun untuk mendapatkan utput atau intensitas pada serat ptik yang tinggi perlu dilakukan analisa pada setiap sistem slar lighting itu sendiri. Salah satu masalah yang berpengaruh adalah cupling antara slar cllectr dengan serat ptik. Dalam tugas akhir ini dilakukan perancangan cupling antara slar cllectr dengan serat ptik untuk memperleh transmisi daya yang ptimum.. URAAN PENELTAN Penelitian tugas akhir ini disusun berdasarkan beberapa tahapan yaitu perancangan dengan perhitungan dan perancangan dengan eksperimen. A. Perancangan dengan Perhitungan Perancangan dengan perhitungan ini merupakan perancangan slar cllectr dengan bantuan sftware OSLO. Perancangan slar cllectr ini digunakan adalah bentuk parabla. Perancangan slar cllectr menggunakan aperture (d) dan panjang fkus (f) yang telah ditentukan. Kemudian perancangan tersebut disimulasikan dengan sftware OSLO. Dengan menggunakan perbandingan f dan d maka akan diperleh sudut θ atau sudut yang dibentuk leh sinar matahari di titik fkus sesuai dengan rumus berikut : 1 2arctan (1) f d

2 JURNAL TEKNK POMTS Vl. 1, N. 1, (2013) Adapun parameter parameter yang digunakan dalam OSLO yaitu aperture (d) dan panjang fkus (F) seperti gambar di bawah ini. d x d x = Aperture surface x = Aperture surface awal = x = awal Setelah memperleh nilai intensitas awal di masing masing NA maka dilakukan perancangan dengan mengubah parameter aperture (d) dan panjang fkus (f) di masing masing sudut θ menggunakan perbandingan gemetrik seperti gambar berikut Gambar 1. Skema parameter klektr parabla yang digunakan di dalam OSLO. Adapun spesifikasi dari serat ptik yang digunakan adalah sebagai berikut : Jenis : Slid cre end glw cable Bahan cre : Plymethil Methacrylate Resin (PMMA) Bahan cladding : Flurinated Plymer Bahan jacket : black PVC ndeks bias cre : 1,49 Diameter cre : 6 mm Sudut penerimaan : 60 Lss : 0,3 db/m Penyesuaian spesifikasi serat ptik yaitu besar numerical aperture. Penyesuaian numerical aperture dapat diperleh dengan menggunakan rumus berikut NA nsin (2) NA = Numerical Aperture n = ndeks bias udara θ = Sudut penerimaan Langkah pertama yang dilakukan adalah mendapatkan besar intensitas dititik fkus dengan menggunakan persamaan dibawah ini in lss ( db/ m) 10 lg ut (3) lss (db/m) = besar nilai lss pada serat ptik in = masukan ut = keluaran Data intensitas keluaran sebesar 153. Data tersebut diambil dari penelitian Nugrahani dengan panjang fkus klektr sebesar 46 cm. Kemudian mencari besar sudut dengan menggunakan NA sebesar 0.866, 0.766, , 0.5, 0.342, dan dengan panjang fkus 46 cm. Setelah nilai aperture diperleh dilakukan perhitungan untuk memperleh intensitas pada masing masing NA. Adapun perhitungan perbandingan tersebut dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut d x x (4) d Gambar 2. Penjalaran Sinar pada Setiap Sudut. Kemudian dilakukan perhitungan kembali agar mendapatkan intensitas di titik fkus pada setiap sudutnya. Perhitungan tersebut dilakukan dengan menggunakan analgi perbandingan antara panjang fkus dengan intensitas seperti persamaan berikut. f f x xn (5) f x = Panjang fkus surface x f = Panjang fkus surface awal xn = xn = awal Setelah mendapatkan intensitas dari persamaan (5) maka dilakukan kembali perhitungan dengan menggunakan persamaan (3) dengan intensitas masukan serat ptik ( in ) sama dengan intensitas xn. B. Perancangan dengan Eksperimen Perancangan dengan eksperimen ini merupakan hasil rancangan dari perhitungan yang direalisasikan dengan menentukan aperture (d) dan panjang fkus (f) yang telah memenuhi SN. Perancangan dengan eksperimen ini dilakukan 3 pengambilan data yaitu pengambilan data pada intensitas matahari, intensitas di titik fkus dan intensitas keluaran serat ptik.. ANALSA DATA DAN PEMBAHASAN A. Perancangan dengan Perhitungan Perancangan dengan perhitungan ini merupakan perancangan klektr parabla dengan mengubah parameter panjang fkus dan aperture. Hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar sudut berkas cahaya yang dipantulkan leh klektr pada muka serat ptik atau sudut θ.

3 JURNAL TEKNK POMTS Vl. 1, N. 1, (2013) masih perlu diperbaiki dalam hal bentuk (kelengkungan) dari klektr. Gambar 3. Parameter parameter yang digunakan dalam OSLO. Sesuai Gambar 3. parameter yang digunakan adalah efl atau titik fkus sebesar 46 cm. Nilai tersebut dimaksudkan bahwa titik fkus berada pada jarak 46 cm dan angka negatif merupakan letak titik fkus tersebut berada di sebelah kiri sumbu x. Hal ini terjadi karena sinar datang pada sftware OSLO berasal dari sumbu x atau berasal dari sumbu negatif. Kemudian parameter kedua adalah aperture. Nilai Aperture tersebut sebesar 80 cm dan diletakkan pada surface kedua dalam OSLO disebut aperture stp (AST). Aperture stp yaitu letak dimana sinar cahaya tersebut akan berakhir atau berhenti sehingga surface kedua ini berfungsi sebagai letak dimana sinar tersebut akan dipantulkan dan difkuskan. Setelah kedua parameter tersebut sesuai selanjutnya dilakukan perubahan numerical aperture serat ptik seperti Gambar 4. Gambar 4. Penyesuaian numerical aperture serat ptik. Pada Gambar 4. dapat dilihat parameter yang diubah adalah parameter numerical aperture. Nilai parameter tersebut sebesar 0,866. Angka ini diperleh dari hasil perhitungan pada persamaan 2. dimana syarat sinar matahari yang dipantulkan dapat masuk secara maksimal pada serat ptik harus membentuk sudut Dengan menggunakan parameter NA, sinar yang dapat masuk secara maksimal hanya sebesar cm. Nilai tersebut terlihat pada klm aperture di surface kedua. Sehingga dengan menggunakan panjang fkus 46 cm dan aperture sebesar 80 cm, sinar yang dipantulkan dan difkuskan tidak sepenuhnya masuk atau diterima leh serat ptik (sesuai spesifikasi θ 60 0 ) melainkan sebagian sinar keluar atau tidak diterima. Hal tersebut terjadi karena sinar tersebut membentuk sudut θ sebesar 60 0 dengan menggunakan perhitungan gemetri. Dapat disimpulkan bahwa desain sistem ptik tersebut Gambar 5. Penjalaran sinar yang membentuk sudut Setelah melakukan perbandingan gemetri untuk mencari sudut yang dibentuk kemudian mencari intensitas pada titik fkus. Besar nilai intensitas keluaran pada serat ptik sementara menggunakan hasil pengukuran Nugrahani yang diperleh sebesar 153. Dengan menggunakan persamaan 3. intensitas yang masuk pada serat ptik sebesar 4838,284. Seharusnya sinar yang masuk lebih besar dua kali lipat yaitu ± Hal ini terjadi karena sebagian tidak masuk pada serat ptik atau sinar sinar tersebut tidak membentuk sudut 60 0 melainkan lebih seperti Gambar 5. Setelah mengetahui besar intensitas yang diperleh dengan menggunakan desain Nugrahani dan desain perubahan NA dilakukan perhitungan besar intensitas kurang dari sama dengan sudut di titik fkus Sudut pada titik fkus (degree) Gambar 6. Grafik hubungan intensitas dengan sudut pada panjang fkus sebesar 46 cm. Dari gambar 6. dapat dilihat bahwa semakin kecil sudut yang dibentuk maka intensitas yang dapat masuk semakin kecil pula. Dalam gambar tersebut terlihat planya dari kanan ke kiri besar intensitas semakin kecil. Pada sudut 60 0 intensitas yang dihasilkan adalah 4838,384 dan besar aperture 39,836 cm. Pada sudut 50 0 besar intensitas lebih kecil daripada sudut 60 0 yaitu sebesar ± atau besar aperture yang dibentuk adalah cm. Kemudian pada sudut 40 0 pun besar intensitasnya semakin kecil yaitu dan aperture sebesar cm. Dapat disimpulkan bahwa aperture sebanding dengan intensitas dan sudut. Hal ini dibuktikan dengan semakin besar aperture maka semakin besar pula intensitas yang dihasilkan dan semakin kecil sudut yang dibentuk maka nilai dari aperture akan semakin kecil. Perubahan kelengkungan parabla ini merupakan perancangan desain klektr parabla agar sinar matahari yang datang dan dipantulkan akan membentuk sudut 60 0 sesuai dengan spesifikasi dari serat ptik. Sesuai dengan

4 JURNAL TEKNK POMTS Vl. 1, N. 1, (2013) persamaan 1. sudut tersebut dapat diatur dengan mengubah tingkat kelengkungan dari parabla itu sendiri. Perubahan kelengkungan dapat dilakukan dengan perbandingan rasi antara panjang fkus dengan aperture. Perubahan kelengkungan ini dilakukan dengan acuan sinar yang dibentuk sudut Panjang Fkus (cm) sudut 60 sudut 50 sudut 40 sudut 30 sudut 20 Sudut 10 Gambar 7. Grafik hubungan intensitas dengan panjang fkus pada setiap sudut. Perubahan kelengkungan ini dilakukan dengan mengubah besar aperture dan panjang fkus agar mendapatkan intensitas Perubahan tersebut dilakukan agar sinar yang terbentuk pada titik fkus yaitu 60 0, 50 0, 40 0, 30 0, 20 0 dan Untuk sudut 60 0 perbandingan rasi antara panjang fkus dengan aperture sebesar 1,1547. Kemudian untuk sudut 50 0 atau perbandingan antara panjang fkus dengan aperture sebesar Untuk sudut sebesar 40 0 atau perbandingan antara panjang fkus dengan aperture adalah Untuk sudut sebesar 30 0 atau perbandingan antara panjang fkus dengan aperture adalah 2,00. Untuk sudut sebesar 20 0 atau perbandingan antara panjang fkus dengan aperture adalah 2,92. Dan untuk sudut sebesar 10 0 atau perbandingan antara panjang fkus dengan aperture adalah 5,76. Hasil intensitas pada Gambar 7. tersebut diperleh dengan menghitung menggunakan perbandingan sesuai dengan persamaan 5. Pada gambar diatas fkus bernilai negatif karena didalam sftware OSLO sinar datang dari arah sumbu negatif sehingga pada saat sinar tersebut mengenai klektr akan dipantulkan dan difkuskan pada sumbu negatif juga. Pada Gambar 7. grafik tersebut linier naik ke atas karena semakin besar titik fkus maka semakin besar intensitas yang dihasilkan. Jika diamati pada Gambar 7. tersebut intensitas pada sudut 60 0 memiliki aperture lebih besar dari cm dan panjang fkus lebih dari -151 cm. Kemudian untuk sudut 50 0 berada pada panjang fkus -191 cm dan aperture sebesar cm. Untuk sudut 40 0 berada pada panjang fkus -271 cm dan aperture sebesar cm. Dan untuk sudut 30 0 berada pada panjang fkus -421 cm dan aperture sebesar 210,5 cm. Namun untuk sudut 20 0 dan 10 0 nilai intensitas kurang dari untuk rentang panjang fkus 5 meter. Namun intensitas akan didapat apabila panjang fkus lebih dari 5 meter. Dari beberapa hasil yang diperleh dengan mengubah perbandingan antara panjang fkus dengan diameter (aperture), didapatkan desain sistem yang ptimal yaitu memiliki panjang sistem yang pendek, permukaan yang luas dan dapat menghasilkan intensitas pada titik fkus Desain tersebut adalah desain dengan sudut yang dibentuk pada titik fkus sebesar 60 0 yang memiliki panjang fkus 1,51 m dan aperture 1,3m. B. Perancangan dengan Eksperimen Perancangan dengan eksperimen merupakan perancangan klektr parabla dengan parameter aperture (D) dan panjang fkus (f) yang maksimal dan diperleh dari perhitungan. Rancangan yang digunakan adalah panjang fkus 1,51 m dan aperture atau diameter 1,3 m. Tabel 1. Pengukuran intensitas cahaya matahari dengan intensitas cahaya pada fkus parabla. 29 Juni Juni Juli 2013 di Fkus Parabla di Fkus Parabla di Fkus Parabla 10: : : : : Tabel 2. Pengukuran Cahaya dengan Cahaya pada Fkus Parabla Juli Juli Juli 2013 di Fkus Parabla di Fkus Parabla 10: : : : : Tabel 3. Besar Keluaran Serat Optik 29 Juni Juni Juli Juli Juli :00 11:00 12:00 13:00 14:00 244,7 268,5 268,8 268,8 233,4 233,2 148, , ,6 227, ,7 213, ,4 208,2 183,4 11,7 25,6 39,3 126,8 109,5 Dengan melakukan pengukuran intensitas matahari, intensitas pada titik fkus dan intesitas keluaran serat ptik yang dimulai pukul 10:00 sampai 15:00 dapat dilihat pada Tabel 1, 2 dan 3. Pada Tabel 1 dan 2 terlihat bahwa intensitas matahari mengalami kenaikan 2 kali lipat dititik fkus. Hal tersebut akibat luasan parabla yang menerima intensitas matahari kemudian sinar matahari difkuskan pada luasan yang lebih kecil sehingga intensitas tersebut naik. Kemudian dilakukan persentase antara besar intensitas di titik fkus dengan intensitas yang pada keluaran serat ptik seperti Tabel 4. Tabel 4. Persentase Cupling antara di Titik Fkus denngan Keluaran Serat Optik.

5 JURNAL TEKNK POMTS Vl. 1, N. 1, (2013) :00 11:00 12:00 13:00 14:00 29 Juni ,1271% 0,1361% 0,1391% 0,138% 0,2167% 30 Juni ,1288% 0,1232% 0,1492% 0,5427% 0,3938% 01 Juli ,1219% 0,2854% 0,316% 0,5313% 0,524% 06 Juli ,1241% 0,1348% 0,1227% 0,1174% 0,2698% 07 Juli ,1234% 0,2719% 0,2884% 0,2822% 0,3614% Pada tabel 4. dapat dilihat bahwa cahaya tidak dapat ditransmisikan dengan baik. Dalam perhitungan cahaya seharusnya dapat ditransmisikan secara maksimal. Namun hal tersebut terjadi akibat pada pembuatan parabla yang kurang tepat atau simetris. Hal ini dapat dilihat pada perhitungan dengan menggunakan sftware OSLO spt size kurang dari diameter cre yaitu sebesar 4,13 x 10-3 mm sedangkan dalam eksperimen lebih besar dari diameter cre. V. KESMPULAN Kesimpulan yang didapat dari penelitian yang telah dilakukan adalah: Telah dilakukan perancangan sistem pencahayaan alami dengan serat ptik dengan menggunakan 1 klektr parabla dan 1 serat ptik jenis end glw sepanjang 50 m. Dari hasil perhitungan dapat diperleh klektr parabla dengan panjang fkus 1,51 m dan aperture radius atau diameter 1,30 m yang dapat memenuhi kriteria SN yaitu intensitas keluaran serat ptik sebesar 500. Pada percbaan diperleh persentase cupling rata rat 0,2% sehingga sistem cupling cahaya tidak dapat berfungsi secara penuh. Hal ini diakibatkan leh bentuk parabla yang kurang simetris sehingga diameter spt size berkas lebih besar daripada diameter cre. [7] Edwards, L., & Trcellini, P. (2002). A Literature Review f the Effect f Natural Light n Building Occupants. Natinal Renewable Energy Labratry. [8] Grisé, W., & Patrick, C. (2003). Passive Slar Lighting Using Fiber Optics. Jurnal f ndutrial Technlgy. [9] Kandilli, C., & Ulgen, K. (2007). Review and Mdelling the Systems f Transmissin Cncentrated. Elsevier. [10] Keiser, G. (1991). Optical Fiber Cmmunicatin. Singapre: McGraw-Hill Bk. [11] Stine, W. B. (2003). Pwer frm the Sun. Retrieved Maret 12, 2012, frm html [12] Whang, A. J.-W., Chen, Y. Y., & Wu, Y. B. (2009). nnvative Design f Cassegrain Slar Cncentratr System fr ndr lluminatin Utilizing Chrmatic Aberratin t Filter Out Ulltravilet and nfrared in Sunlight. [13] Xie, W. T., Dai, Y. J., Wang, R. Z., & Sumathy, K. (2010). Cncentrated Slar Energy Applicatins Using Fresnel Lens. V. UCAPAN TERMA KASH Terima kasih kepada Allah SWT atas rahmat dan kebesarannya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tidak lupa juga dengan dsen bidang minat ftnika yang membimbing selama pengerjaan tugas akhir dan seluruh Mahasiswa Teknik Fisika atas kesan-kesan yang pernah saya buat di jurusan ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Djjnegr, W. (1992). Pengembangan dan penerapan energi baru dan terbarukan, Lkakarya "Bi Mature Unit" (BMU) untuk pengembangan masyarakat pedesaan. Jakarta: BPPT. [2] Werring, C. G. (2009). Design And Applicatin Of Fiber Optic Daylighting Systems. [3] Cuture, P., Mstefa, M., & Al-Azzawi, A. (2008). Designs f Slar Cllectr fr Hybrid Fiber Optic Lighting System. EEE. [4] Nugrahani, E. F. (2012). Perancangan Sistem Transmisi Cahaya Melalui Serat Optik Untuk Pencahayaan Ruangan. [5] , S. (2001). Tata cara perancangan sistem pencahayaan buatan pada gedung. [6] Crpratin, L. R. (2005). OSLO. Littletn.