TEMU ILMIAH IPLBI 2013 Memperkenalkan Kembali Program Komputer Matahari untuk Membantu Proses Perancangan BIPV dan POSIPV Sangkertadi Lab. Sains & Teknologi Bangunan, Jurusan Arsitektur, Fakultas Teknik, Universitas Sam Ratulangi Manado Abstrak Program Komputer Matahari hasil kreasi penulis, telah mendapatkan HKI tahun 2009, dan kini telah dipakai oleh beberapa Institusi pendidikan arsitektur dan lainnya. Keluaran dari program adalah sudut-sudut matahari dan besar radiasi pada sebarang bidang, waktu dan lokasi. Sebagai masukan adalah posisi lokasi geografi lokasi, waktu, kemiringan bidang, orientasi bidang, kondisi langit dan tingkat penyinaran. Keluaran dapat berupa file text maupun spreadsheet dan grafik. Program ditulis dengan bahasa Visual Basic tampilan Windows. Manfaat program diantaranya untuk menentukan posisi sudut dan arah terbaik dari perangkat sel-surya agar mendapatkan energy matahari optimal. Selain itu juga untuk memberi pemahaman pada peserta didik tentang kepekaan terhadap variabel dan parameter berkaitan dengan energy matahari yang menerpa suatu bidang. Bermanfaat untuk membantu perancangan BIPV (Building Integrated PhotoVoltaic) dan POSIPV (Public Open Space Integrated PhotoVoltaic). Sampai sejauh ini hasil uji coba program dengan kenyataan dilapangan menunjukkan ketepatan yang dapat ditoleransi. Kata kunci: BIPV, Energi terbarukan, POSIPV, Radiasi Matahari, Sudut Matahari Pengantar Hal mengenai penggunaan energy berkelanjutan bagi lingkungan binaan di iklim tropis pada umumnya mengarah pada potensi energy radiasi matahari yang dapat dikonversikan menjadi energy listrik. Penggunaan panel surya sebagai perangkat sumber daya listrik sudah banyak diterapkan bagi berbagai kebutuhan misalnya untuk penerangan jalan, lampu lalu lintas, listrik rumah tangga, dll. Perencana lingkungan binaan, seperti bidang arsitektur dan perancangan kota sudah semestinya terbiasa dengan konsep-konsep rancangan yang menerapkan sistim penyediaan energy matahari sebagai bagian dari komponen atau elemen lingkungan binaan. Untuk itu dibutuhkan pengetahuan memadai mengenai tiga hal pokok, yaitu menyangkut karakteristik energy matahari, tentang material sel surya, dan teknologi konverternya. Namun dalam tulisan ini yang dijadikan tekanan adalah mengenai energy matahari. Energy radiasi matahari di Indonesia pada bidang datar dapat mencapai lebih dari 1000 W/m2 sesaat pada saat langit cerah. Adapun di Indonesia, energy surya potensial harian mencapai rata-rata 5.12 kwh/m 2, terbesar di Kupang sebesar 6.3 kwh/m2 dan terendah di Medan 4.4 kwh/m 2 (Rumbayan, 2013). Sementara itu hasil pengukuran radiasi matahari pada bidang datar dengan alat Solar Power Meter, tanggal 27 Juli 2012 di Kota Manado (sekitar 1 LU), menunjukkan angka 982 W/m2 pada jam 13.00 (Binti, 2013). Dilain sisi, efisiensi sel surya yang ada di sektor komersial, berkisar 7 17%, tergantung jenis atau tipenya (Binti, 2013). Misalnya efisiensinya sebesar 10%, maka secara praktis, dengan besar radiasi 900 W/m 2, maka untuk sel surya seluas 1 m2 akan mampu menghasilkan energy listrik sebesar 10% x 900 W/m2 x 1 m2 = 90 W. Prosiding Temu Ilmiah IPLBI 2013 E -45
Memperkenalkan Kembali Program Matahari untuk Membantu Proses Perancangan BIPV dan POSIPV Daya listrik sebesar 90 W ini mampu menghidupkan 2 lampu TL 40 W. Apabila dibutuhkan daya listrik lebih banyak, maka perlu diatur mengenai jumlah atau luasan sel surya dan posisi kemiringan serta orientasinya. Sering terjadi, bahwa penempatan sel surya bersifat terintegrasi dengan bangunan, dikenal dengan istilah BIPV (Building Integrated PhotoVoltaic). Sementara itu untuk ruang luar, digunakan istilah POSIPV (Public Open Space Integrated PhotoVoltaic) (Binti, 2013). Dalam rangka merancang lingkungan binaan dengan menerapkan BIPV atau POSIPV, maka diperlukan ketrampilan estimasi sudut-sudut matahari dan perhitungan energy radiasi matahari. Tentu saja perhitungan secara manual dan parsial akan membutuhkan waktu dan tenaga yang tidak sedikit, dan mungkin tidak menarik bagi para peserta didik bidang arsitektur karena banyaknya rumus yang harus dipahami. Melalui tulisan ini dijelaskan banwa Program Matahari hasil kreasi penulis, disediakan untuk mempermudah prosedur perhitungan tersebut dan dapat dipakai oleh peserta didik bidang arsitektur. Selain itu dalam perencanaan bangunan tropis untuk tujuan efisiensi energy, kita sering dihadapkan pada permasalahan yang menyangkutbeban panas yang terutama disebabkan oleh radiasi panas matahari. Radiasi inimembebani ruang dalam melalui proses perpindahan panas yang melewati elemenselubung bangunan. Elemen tersebut dapat berupa penutup atap, dinding,kaca jendela dan pintu. Bentuk, posisi dan bahan dari elemen tersebut yang seringkali bersifatkompleks akan memperkompleks pula cara perhitungan perpindahan panasnya serta menyulitkan pendekatan-pendekatan kuantitatip dalam perencanaan arsitekturnya. Untuk membantu mengatasi tingkat kompleksitas perhitungan tersebut, diperlukan bantuan berupa programkomputer. Program komputer "Matahari" di buat dengan tujuan untuk merealisasikan simulasi mengenai tingkat (kuantitas) radiasi sinar matahari (dalam satuan W/m 2 ) yang menyentuh suatu bidang permukaan. Anggapannya bahwa permukaan tersebut adalah permukaan bidang selubungbangunan atau benda lainnya yang terkena sinar matahari diruang luar. Bidang yang dimaksudadalah tipe bidang rata. Berbagai posisi bidang, faktor pemantulan, dan kedudukan matahari(terhadap waktu) diperhitungkan dalam program tersebut. Program ini telah mendapatkan pengakuan perolehan HKI (Hak Kekayaan Intelektual) di Kementerian Hukum dan HAM RI, pada Tahun 2009, setelah didaftarkan pada Tahun 2008. Karena itu, bagi pemakai program ini perlu mendapatkan ijin dari penulis selaku pemegang hak cipta, baik untuk kepentingan social-edukasi maupun untuk tujuan komersial. Melalui tulisan ini ditunjukkan prosedur pemakaian program ini dan dibandingkan dengan hasil ukur lapangan. Metode Tampilan dan format pemasukan data serta format eksekusi, dan contoh hasilnya disajikan beberapa saja. Adapun model kalkulasi yang diterapkan pada Program Komputer Matahari ini berdasarkan pada sejumlah referensi dari Bernard, Menguy dan Schawrtz (Bernard et al, 1980), Sfeir dan Guarracionno (Sfeir et al, 1981), Szkokolay (Szokolay (1980) serta Chauliaguet, dkk (Chauliaguet et al, 1978). Secara umum model diagram alir program, pada Gambar1. Pada gambar tersebut, nampak datadata yang mesti disediakan sebagai masukan, dan nampak pula pilihan format file pada keluaran hasil eksekusi. Secara visual contoh program pada tampilan layar untuk proses input dan eksekusi hasil ditunjukkan pada Gambar-gambar 2 s/d 5. Analisis dan Interpretasi Suatu demo komparasi antara hasil ukur dan simulasi program dilakukan oleh Julien S Binti dalam tesisnya (Binti, 2013). Adapaun sebagai kasus lokasi Kota Manado (1,4 LU; 115 BT), pada tanggal 27 Juli 2012. Hendak dibandingkan E - 46 Prosiding Temu Ilmiah IPLBI 2013
besarnya radiasi matahari antara hasil ukur dengan alat Solar Power Meter dan hasil simulasi dengan program Matahari. Bidang terpapar sinar matahari adalah bidang horizontal dan bidang miring 15 0 dengan arah menghadap Barat. Data input lainnya untuk program ditunjukkan pada Tabel1. Sangkertadi Mulai Data Posisi Geografi Data Waktu yang diinginkan Data Tingkat Penyinaran Perhitungan Sudut Azimut dan Altitud Data Keadaan Langit Data Albedo ruang luar Data Orientasi dan Kemiringan Bidang terkena Radiasi Eksekusi Perhitungan Radiasi Matahari Pada Bidang Sebarang, Setiap Jam Gambar 3. Tampilan Input Program Matahari Eksekusi Format Output dalam format TXT atau XLS Gambar 1.General Flowchart program Matahari Gambar 2. Tampilan Awal Program Matahari Gambar 4. Tampilan Proses Eksekusi Program Matahari Prosiding Temu Ilmiah IPLBI 2013 E -47
Memperkenalkan Kembali Program Matahari untuk Membantu Proses Perancangan BIPV dan POSIPV Tabel 1. Data input lainnya untuk simulasi program Variabel Input Nilai/Ket Kondisi Langit Cerah Albedo 0,5 Tingkat Penyinaran rata-rata 0,5 Analisis dan Interpretasi Gambar 5. Tampilan Hasil Eksekusi dalam format Text Simulasi dan pengukuran yang dibandingkan adalah situasi dari jam 09.00 s/d 15.00, dimana periode ini pada umumnya dilakukan sebagai pedoman untuk perhitungan total energy matahari harian yang dipertimbangkan pada proses perancangan BIPV. Hasil perbandingan disajikan pada Tabel-tabel 2 dan 3 dan pada Gambar.6. Pada Tabel-tabel dan gambar tersebut nampak bahwa terdapat sedikit perbedaan yang masih dapat ditoleransi. Beda Total Wh/m2, baik pada bidang datar maupun bidang miring, hanya terpaut sedikit, sekitar 1 s/d 16%. Memang terdapat perbedaan hasil ukur dan program yang kadangkala cukup signifikan pada proses setiap jam. Hal ini terjadi karena pada saat ukur terjadi perubahan langit secara tiba-tiba (dari cerah menjadi agak redup). Sedangkan denga program, karakteristik cerah langit bersifat konstan pada satu hari. Tabel 2. Kasus pada bidang datar Jam Hasil Ukur Hasil Program Satuan 09.00-10.00 458.00 648.75 W/m 2 10.00-11.00 390.00 808.86 W/m 2 11.00-12.00 775.00 841.88 W/m 2 12.00-13.00 800.00 808.86 W/m 2 13.00-14.00 982.00 712.37 W/m 2 14.00-15.00 750.00 560.27 W/m 2 15.00-16.00 561.00 366.16 W/m 2 Total 4,716.00 4,747.16 Wh/m 2 Gambar 6. Tampilan Hasil Eksekusi dalam format Grafik E - 48 Prosiding Temu Ilmiah IPLBI 2013
Wh/m2 Sangkertadi Tabel 3. Kasus pada bidang miring 15 0 menghadap Barat Jam Hasil Ukur Hasil Program Satuan 09.00-10.00 225.00 440.00 W/m 2 10.00-11.00 321.00 562.76 W/m 2 11.00-12.00 280.00 748.46 W/m 2 12.00-13.00 667.00 822.59 W/m 2 13.00-14.00 775.00 832.09 W/m 2 14.00-15.00 1,018.00 775.28 W/m 2 15.00-16.00 885.00 654.89 W/m 2 Total 4,171.00 4836.08 Wh/m 2 6,000.00 5,500.00 5,000.00 4,500.00 4,000.00 3,500.00 Hasil Ukur Hasil Program Daftar Pustaka Bernard R, Menguy G, Schwartz M. (1980). Le Rayonnement Solaire.Conversion Thermique et application, Techniques et Documentation, Paris. Binti J S. (2013).Public Open Space Integrated Photo Voltaic (POSIPV) di Iklim Tropis Lembab-Studi Kasus di Manado, Tesis Magister Arsitektur, Program Studi S2 Arsitektur Universitas Sam Ratulangi, Manado. Chauliaguet. C, Baratcabal P, Batellier J. P. (1978).l Energie Solaire Dans le Batiment, Eyrolles. Paris. Rumbayan M. (2013). Harapan Baru Energi terbarukan, Orasi Ilmiah Dies Natalis Fakultas Teknik Universitas Sam Ratulangi, Manado. Sfeir A. A, Guarracino G. (1981).Ingenierie Des Systemes Solaires, Technique et Ducumentation. Paris. Szokolay. V. S (1980). Environmental Science Handbook For Architects and Builders. Lancaster: The Construction Press. 3,000.00 2,500.00 2,000.00 Miring 15 derajat Datar Gambar 7. Perbandingan Hasil Ukur dan Program Jadi apabila bidang miring yang dijadikan kasus ini, diterapkan suatu sel surya dengan efisiensi sekitar 10%, maka terdapat potensi energy listrik sebesar sekitar 10% x 4800 Wh/m 2 = 480 Wh/m 2. Kesimpulan Kajian ini menyimpulkan beberapa catatan: 1) Program Komputer Matahari divalidasi terhadap hasil pengukuran lapangan dan menunjukkan kemiripan. 2) Dalam pengoperasian program Matahari masih diperlukan data tambahan yang bisa diperoleh dari Stasiun Meteorologi setempat yakni mengenai tingkat penyinaran matahari dan kecerahan langit rata-rata setiap jam 3) Diperlukan pula data mengenai albedo lokasi yang mesti diketahui dengan cermat oleh pemakai program 4) Pemakai program sebaiknya adalah personal yang memahami teori tentang pergerakan dan radiasi matahari Prosiding Temu Ilmiah IPLBI 2013 E -49
Memperkenalkan Kembali Program Matahari untuk Membantu Proses Perancangan BIPV dan POSIPV Lampiran : Beberapa Tampilan Program E - 50 Prosiding Temu Ilmiah IPLBI 2013