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 6111 E-mail: hantoro@ep.its.ac.id 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 15 WP dan ukuran sebuah kincir angin savonius yang digunakan yaitu tinggi rotor 2 meter dan diameter rotor 1,5 meter untuk memenuhi kebutuhan load 38 watt selama 4 jam (152 watt.jam). Dari hasil optimasi sistem hybrid, dipilih 5% : 5% 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. H I. PENDAHULUAN 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 21 terdiri dari kapal motor 16.244 unit, motor tempel 38.68 unit dan perahu tanpa motor 6.65 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 38 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.-18.. Radiasi matahari tertinggi terjadi pada pukul 12.. 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=,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,8 meter. Dan hasil perhitungan dari data tersebut didapatkan tipe kapal yaitu GT =,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 : P max : daya maksimum I sc : short-circuit current V oc : 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 tinggi rotor. Berdasarkan jurnal [9], untuk mendapatkan daya hasil dari turbin Savonius digunakan persamaan : (3) Dimana : P : daya output kincir angin C ps : koefisien power (,5) A s : luas rotor dari hasil perkalian tinggi dan diameter rotor, ρ : massa jenis udara (1,2) V 3 : kecepatan angin. Efisiensi kincir angin savonius adalah 3% [1]. 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 2x15 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, C adalah kapasitas awal pada baterai, dan I m adalah arus charge dimana akan bernilai postif saat charging dan negatif saat discharging. G. Load 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*.3148) + (-277.8)*sin(x*.3148) + (-64.18)*cos(2*x*.3148) + 129.5*sin(2*x*.3148) + 27.56*cos(3*x*.3148) + 5.531*sin(3*x*.3148) + (-22.92)*cos(4*x*.3148) + 11.53*sin(4*x*.3148) + 39.53*cos(5*x*.3148) + 25.1*sin(5*x*.3148) + 1.594*cos(6*x*.3148) + (-24.2)*sin(6*x*.3148) Irradiance (Watt/m2) 8 7 6 5 4 3 2 1 Gambar 5 Perbandingan intensitas radiasi sebelum dan setelah di Fourier 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,48 watt/m 2. 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,38 kw (38 watt) yang akan digunakan selama 4 jam perhari, yaitu dari jam 12. sampai 15. untuk menggerakkan perahu saat penangkapan ikan di laut. Maka dari itu, penggunaan beban motor total yang digunakan yaitu 152 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 + (-.4171)*cos(x*.2482) + (-.5959)*sin(x*.2482) +.5288*cos(2*x*.2482) + (-.1775)*sin(2*x*.2482) +.2376*cos(3*x*.2482) + (-.8966)*sin(3*x*.2482) + (-.9349)*cos(4*x*.2482) +.1813*sin(4*x*.2482) + (-.5483)*cos(5*x*.2482) + (-.29)*sin(5*x*.2482) +.395*cos(6*x*.2482) + (-.9555)*sin(6*x*.2482) +.792*cos(7*x*.2482) + (-.1874)*sin(7*x*.2482)
4 + (-.1323)*cos(8*x*.2482) +.9619*sin(8*x*.2482) Kecepatan Angin (m/s) 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 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,14 watt/m 2. B. Simulasi Model Panel Photovoltaic Pada penelitian ini digunakan datasheet panel PV merk Solar Frontier dengan spesifikasi berikut : Power Max = 15 WP I sc = 2,1 A V oc = 11 V I max = 1,9 A V max = 79 V STC = 1 W/m 2 Size = 1,25m x,97m = 1,212 m 2 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. 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 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 15 Watt.jam. Jika dibandingkan dengan total load yang dibutuhkan sebesar 152 Watt.jam, maka spesifikasi sebuah panel PV 15 WP belum dapat memenuhi permintaan kebutuhan load dengan nilai effisiensi sebesar 19,49%. C. Simulasi Pemodelan Kincir Angin Savonius 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 1% 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 6 5 4 3 2 1 Gambar 8 Daya hasil kincir angin savonius Pada sistem kincir angin savonius ini menghasilkan daya sebesar 831,1 watt.jam, sedangkan kebutuhan beban sebesar 152 watt.jam masih belum terpenuhi dengan efisiensi 3%. D. Pemodelan Baterai Baterai yang digunakan adalah jenis lead acid dengan kapasitas 12v 15Ah sebanyak 1 buah. Kapasitas baterai dipilih berdasarkan daya load sebesar 152 watt.jam. Tegangan (volt) Arus (ampere) 11.8 11.6 11.4 11.2 11 1.8 4 3 2 1 Gambar 9 Perbandingan arus dan tegangan baterai Dapat dilihat perbandingan arus dan tegangan pada baterai berdasarkan load yang ada. Tegangan mengalami penurunan sekitar jam 12. tepat saat load digunakan. E. Pemodelan Load Diasumsikan keadaan motor sebagai load telah bekerja dengan daya 38 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.-15. sehingga total load adalah 152 watt.jam untuk beroperasi. 4 35 3 25 2 15 1 5 Gambar 9 Profil load Digunakan 2 buah sinyal step sebagai faktor utama untuk mengikuti karakteristik load yang ada. Dan pada gambar 1 adalah respon yang dihasilkannya. F. Verifikasi Sistem Photovoltaic Pada verifikasi sistem photovoltaic digunakan 2 buah panel photovoltaic 15 WP. Diupayakan spesifikasi dapat memenuhi seluruh kebutuhan load baterai sehingga daya output dari sistem photovoltaic lebih besar dari pada permintaan load 4 PV Power vs Load 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 152 watt.jam. 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 1% dari kincir angin adalah tinggi rotor sepanjang 2 meter dimana diamater rotor tetap 1,5 meter sehingga menghasilkan total daya 1662 watt.jam. Penggunaan 1% daya dari photovoltaic dengan spesifikasi 2 buah panel 15 WP dengan panjang total 2,5 meter, dimana satu panel memiliki panjang 1,25 meter dan diasumsikan lebar panel tetap,97 meter sehingga menghasilkan total daya 297 watt.jam. I. Optimasi Sistem Hybrid 5% Photovoltaic dan 5% Kincir Angin Savonius 35 3 25 2 15 1 5 Gambar 1 Perbandingan daya output dan load sistem photovoltaic Dari hasil verifikasi dapat dilihat profil daya keluaran photovoltaic lebih besar dibandingkan profil daya load. Perbandingan nilai daya photovoltaic juga lebih besar 298 watt.jam dibandingkan daya load hanya sebesar 152 watt.jam. 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. 4 35 3 25 2 15 1 5 Savonius Power vs Load Gambar 11 Perbandingan daya output dan load sistem kincir angin savonius Gambar 12 Verifikasi sistem hybrid perbandingan 5% : 5% 4 35 3 25 2 15 1 5 Hybrid vs Load Gambar 13 Perbandingan hybrid dan load dengan sistem 5%:5% Dari hasil percobaan dengan menggunakan daya dari masing-masing sistem sejumlah 5%, didapatkan total daya 188 watt.jam sehingga nilai tersebut telah mampu
6 memenuhi kebutuhan beban 152 watt.jam dengan efisiensi 39,7%. Jika daya yang digunakan 5%, maka masing-masing spesifikasi sistem juga digunakan sejumlah 5% untuk tetap memenuhi load. Jadi jumlah panel photovoltaic yang digunakan adalah 1 panel (panjang 1,25 meter) sehingga menghasilkan daya total 149 watt.jam. Sedangkan tinggi rotor yang digunakan dari kincir angin adalah 1 meter dan menghasilkan total daya 83,9 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 2% Photovoltaic dan 8% Kincir Angin Savonius 4 35 Hybrid vs Load Gambar 4.15 Grafik perbandingan spesifikasi panjang rotor savonius dan jumlah panel photovoltaic 3 25 2 15 Didapatkan persentase penggunaan yang optimal digunakan dengan ukuran perahu adalah 5% : 5% dari daya masing-masing sistem. 1 5 Gambar 4.14 Perbandingan hybrid dan load dengan sistem 2% PV :8% Savonius Dari hasil percobaan dengan menggunakan daya dari photovotaic sebesar 2% dan kincir angin 8% 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 1% PV maksudnya adalah penggunaan daya dari photovoltaic sepenuhnya, sedangkan 1% 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 15 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 15 WP sehingga menghasilkan daya total 298 watt.jam untuk memenuhi load total 152 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 152 watt.jam. 3. Spesifikasi yang cocok untuk diterapkan pada perahu yaitu perbandingan 5% dari sistem photovoltaic dan 5% dari kincir angin savonius dengan daya total 188 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] Dinas Perikanan dan Kelautan Provinsi Jawa Timur, 211 [2] 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, 21 [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, 211. [4] Dimas, Studi Experimental Sistem Pembangkit Listrik Hibrida PV-Wind Off Grid Skala Kecil Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 27. [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, 27. [8] Burcin. Mehmet. Aydogan. "An Experimental Study on Improvement of a Savonius Rotor Performance with Curtaining" Pamukkale University and Ege University, 28 [9] Alam. Iqbal A Low Cut-In Speed Marine Current Turbine, Memorial University of Newfoundland, 21 [1] Dadan. Kadek. Lambang."Analisis Kinerja Solar Photovoltaic System (SPS) Berdasarkan Tinjauan Efisiensi Energi dan Eksergi" Universitas Padjajaran, 211 [11] Siti Rohmah."Experimental Study of Development Vertical Axix Wind Turbine (VAWT) Using Protection Blade" Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 21