Solar Tracker Elektro-Pneumatik Berbasis Kendali Fuzzy
Baisrum 1 , Budi Setiadi 2 , Sarjono Wahyu Jadmiko 3 , Sudrajat 4 , Varian Andika Wijayakusuma 5 , Fryma Zhafran Raihan 6 1,2,3,4 Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung, Indonesia
5,6 Teknik Otomasi Industri, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung, Indonesia
Email: baisrum@polban.ac.id 1 , budi.setiadi@polban.ac.id 2 , sarjono@polban.ac.id 3 , sudrajat@polban.ac.id 4 , varian.andika.toi17@polban.ac.id 5 , fryma.zhafran.toi17@polban.ac.id 6
Received 01 October 2020 | Revised 10 October 2020 | Accepted 27 October 2020

## ABSTRAK
Salah  satu  faktor  yang  mempengaruhi  daya  keluaran  listrik  dari  panel  surya  adalah  posisi  dan  tingkat penyerapan sinar UV (Ultraviolet) dari matahari. Penggunaan aktuator motor servo untuk solar tracker membebani listrik yang dihasilkan dari pembangkit internal panel surya. Pada penelitian ini dirancang solar  tracker    menggunakan  silinder  pneumatik  sebagai  pengganti  aktuator  motor  servo.  Sedangkan, sensor  UV  digunakan  untuk  memantau  sudut  pergerakan  matahari.  Nilai  error  dan  ∆error  dari  hasil pengolahan data sensor UV menjadi masukan bagi sistem pengambilan keputusan berbasis kendali fuzzy. Keluaran sistem pengambilan keputusan ini mengatur pergerakan posisi silinder pneumatik naik, turun, atau stop. Pengujian perangkat bekerja dengan baik, menghasilkan respon dinamik overshoot 5,3 % dan error steady state 1,6 %.
Kata kunci : ultraviolet,  pneumatik, fuzzy, overshoot, error

## ABSTRACT
One of the factors that affect the electrical output power of solar panels is the position and the absorption level of UV (Ultraviolet) rays from the sun. The use of a servo motor actuator for solar trackers burdens the  generated  electricity  from  the  solar  panels  internal  generator . In  this  study,  a  solar  tracker  was designed using a pneumatic cylinder as a replacement for the servo motor actuator. While a UV sensor was used to monitor the angle of the sun’s movement. The error and ∆error values from UV sensor data processing results become an input for decision-making systems based on fuzzy control. The output of this decision-making  system  regulates  the  movement  of  the  position  of  the  pneumatic  cylinder  up,  down,  or stopping. The test device worked properly, resulting in a dynamic response overshoot of 5.3% and a steady- state error of 1.6%.
Keywords : ultraviolet,  pneumatic, fuzzy, overshoot, error

## 1. PENDAHULUAN
Pembangkit listrik tenaga angin dan  matahari termasuk kategori pembangkit listrik terbarukan.  Daya keluaran maksimum pada pembangkit listrik tersebut, sangat dipengaruhi posisi sudut turbin angin dan panel surya [1] [2]. Posisi sudut maksimum dari angin, sinar matahari tidak dapat diprediksi berdasar kalender dan waktu. Agar mendapatkan posisi sudut yang baik, generator turbin angin dan panel surya digerakan menggunakan tracker otomatis dengan aktuator motor servo [4] [5] [6] [7]. Integrasi motor servo-generator  turbin  angin  dan  motor  servo-panel  surya,  arah  gerakan  rotasi  translasi  mengikuti masukan dari sensor [10] [12].
Penggunaan motor servo sebagai aktuator untuk menggerakan posisi sudut generator turbin angin atau panel surya memiliki kekurangan. Pasokan energi listrik untuk menggerakan motor servo berasal dari pembangkit internal yang dihasilkan [8] [9]. Dampak dari penggunaan motor servo adalah berkurangnya daya keluaran listrik untuk ke jaringan beban [11] [13].
Penelitian  ini bertujuan untuk  melihat  respon  dinamik  dari  kombinasi  elektro-pneumatik  pada sistem solar tracker .  Perubahan  posisi  sudut  solar tracker digerakkan  secara  mekanik.  Komponen  mekanik yang  digunakan  sebagai  aktuator  solar tracker adalah  tipe  silinder  pneumatik  kerja  ganda.  Silinder pneumatik  bergerak  naik,  turun,  atau stop menggunakan  sumber  energi  angin  yang  alirannya  diatur melalui  4  katup  digital  dan  2  katup  proporsional.  Sedangkan  untuk  kendalinya  menggunakan  sistem elektronik berbasis fuzzy . Sensor UV untuk memantau sudut pergerakan matahari difungsikan sebagai umpan balik atau masukan bagi sistem pengambilan keputusan kendali fuzzy . Sebelumnya nilai masukan sensor  UV  diperbaharui  menjadi  variabel error dan  ∆ error .  Keluaran  sistem  pengambilan  keputusan fuzzy sugeno digunakan untuk mengatur katup digital dan proporsional.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN

## 2.1 Plant Solar Tracker
Gambar  1  menunjukkan  realisasi  solar tracker .  Modul  ini  terdiri  dari  perangkat  pneumatik  dan elektronik.  Modul  ini  dibangun  pada  skala  laboratorium  untuk  kebutuhan  penelitian  dan  pengajaran dengan ukuran panjang 80 cm, lebar 65 cm, dan tinggi 70 cm. Kapasitas berat beban panel surya yang digunakan 1 Kg dengan daya 6 WP.
Gambar 1. Realisasi solar tracker

## 2.2 Desain Perangkat Keras Elektronik
Gambar 2 menunjukkan desain sistem perangkat keras elektronik untuk solar tracker . Sistem terdiri dari perangkat masukan, proses, dan keluaran. Perangkat masukan terdiri dari sensor UV dan potensiometer. Sensor  UV  berfungsi  untuk  memantau  pergerakan  posisi  matahari  dan  potensio  berfungsi  untuk kalibrasi  nilai setpoint. Mikrokontroler  berfungsi  untuk  pengolah  data  sensor  dan  pengambilan keputusan pergerakan silinder pneumatik berbasis kendali fuzzy . Perangkat keluaran terdiri atas driver L298D, DAC ( digital to analog converter ), power amplifier , dan LCD (liquid crystal display ). L298D difungsikan  sebagai  penguat  arus  untuk  mengaktifkan  koil  katup  digital.  DAC  berfungsi  untuk mengubah data hasil keluaran fuzzy menjadi bentuk tegangan 1 sampai dengan 5 Vdc. Power amplifier berfungsi untuk mengubah besaran tegangan 1 sampai dengan 5 Vdc menjadi tegangan 0 sampai dengan 24 Vdc untuk mengatur bukaan katup proporsional. LCD berfungsi untuk menampilkan informasi data hasil pengukuran.
Gambar 2. Desain perangkat keras elektronik
Berikut detail spesifikasi perangkat keras elektronik, seperti  ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi perangkat keras elektronik
No komponen Keterangan 1 2 3 4 5 6 7 VEML6070 potensio mikrokontroler L298D MCP4725 LCD power amplifier
sensor UV, I2C, 2.7-5.5, indek UV, indek infra-red , float karbon, 10 KΩ – 1/4 W ATMega8, berbasis Arduino uno H-bridge ganda, mak 32 Vdc/5 A DAC 8-bit, I2C, 5 Vdc 4x20 karakter,I2C Masukan tegangan 1-5 Vdc, keluaran 0-24 Vdc, 4W

## 2.3 Desain Mekanik Pneumatik
Gambar 3 menunjukkan desain sistem perangkat keras pneumatik. Desain sistem terdiri dari perangkat aktuator silinder pneumatik kerja ganda, 4 buah katup digital, 2 buah katup proporsional, unit pelayanan udara, sumber udara, peredam suara dan tampilan sensor tekanan. Silinder pneumatik berfungsi sebagai aktuator  untuk  mendorong  naik,  turun  atau stop solar tracker ,  melalui  pengaturan  katup  digital. Sedangkan katup proporsional berfungsi untuk mengendalikan kecepatan pergerakan silinder pneumatik melalui  pengaturan  aliran  udara  yang  masuk  maupun  keluar.  Besarnya  bukaan  katup  proporsional  0 sampai dengan 20 %. Kedua bukaan katup dirancang sama untuk menjaga tekanan silinder tetap stabil. Unit pelayanan udara memiliki 3 fungsi, yaitu menyaring unsur air dalam udara, pengaturan tekanan, tampilan, dan pelumasan. Sensor tekanan berfungsi untuk tampilan tekanan. Peredam suara berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu dari luar sistem.
Gambar 3. Desain perangkat keras pneumatik
Berikut mode deskripsi kerja sistem silinder pneumatik, seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Deskripsi kerja silinder pneumatik
mode kd1 kd2 kd3 kd4 kp1 masukan(%) kp2 luaran(%) silinder pneumatik keterangan m1 m2 m3 ON OFF OFF OFF ON OFF OFF ON OFF ON OFF OFF 0,1 s/d 20 0,1 s/d 20 0 0,1 s/d 20 0,1 s/d 20 0 naik turun stop aliran udara (A → B) aliran udara (B →A ) aliran  udara  terkunci didalam silinder
Spesifikasi  lengkap  sistem  pneumatik  yang  dirancang  ditunjukkan  pada  Tabel  3.  Komponen  yang digunakan dipilih dengan mempertimbangkan biaya dan spesifikasi modul yang dibuat dalam bentuk teknologi tepat guna. Komponen yang digunakan merupakan standar industri proses yang sebenarnya.
Tabel 3. Spesifikasi perangkat keras pneumatik
No komponen
Keterangan 1 2 3 4 5 silinder pneumatik katup digital katup proporsional unit pelayanan udara sumber udara
kerja ganda, langkah 250mm, Ø tabug 20mm, selang 6mm 2/2, pegas, koil 24 Vdc, selang 6mm satu arah, 1/8, 0.7 Mpa, analog 24 Vdc/4 W, selang 6mm lubrikan, regulator, oil, 10 bar, selang 8mm 3/4 HP, 220 Vac
Gambar 4 menunjukkan prinsip kerja solar tracker . Solar tracker untuk menghasilkan titik penyerapan UV maksimum, bergerak satu sumbu dari -22,5 ⁰ sampai 22,5 ⁰ . Sensor yang digunakan untuk memantau
pergerakan matahari adalah UV. Sensor ini bekerja berdasarkan penyerapan sinar UV dengan indek 0 sampai  14 floating  point .  Alasan  penggunaan  sensor  UV  dikarenakan  penyerapan  nilai  indek  UV berbanding lurus dengan energi listrik yang dihasilkan, seperti ditunjukkan pada Persamaan (1).
𝑏𝑒𝑠𝑎𝑟 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎  = 104 𝑥 (𝑖𝑛𝑑𝑒𝑘 𝑈𝑉) − 18,365 (1)
Gambar 4. Prinsip kerja solar tracker

## 2.4 Desain Perangkat Lunak
Gambar 5 menunjukkan sistem kendali fuzzy .
Gambar 5. Diagram blok kendali fuzzy
Masukan kendali fuzzy adalah error dan ∆ error yang didapat dari sensor UV. Selanjutnya dicari nilai derajat  keanggotaannya.  Hasil  nilai  derajat  keanggotaan  dilakukan  proses AND dan  selanjutnya diinferensi dengan metode sugeno. Keluaran dari proses inferensi adalah nilai yang masih bersifat fuzzy , sehingga dilakukan defuzzyfikasi. Nilai keluaran selanjutnya digunakan untuk pengambilan keputusan apakah silinder peumatik bergerak naik, turun atau stop .
Data masukan error dan ∆ error diperoleh dari fungsi waktu, seperti ditunjukkan pada Persamaan (2) dan Persamaan (3).
𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 (𝑡) = 𝑟(𝑡) − 𝑦(𝑡) (2) ∆𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 (𝑡) = 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟(𝑡) − 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟(𝑡 − 1) (3)
Dimana  r(t)  adalah  nilai setpoint merupakan    referensi  yang  diinginkan,  y(t)  adalah  nilai  keluaran, error (t) adalah nilai error saat ini, dan error (t-1) adalah nilai error sebelumnya. Fungsi keanggotaan masukan error kendali fuzzy, seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  6.  Sedangkan,  fungsi  keanggotaan masukan ∆ error ,  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  7.  Gambar  8  menunjukkan  fungsi  keanggotaan dengan 5 himpunan linguistic berupa pulsa untuk menghasilkan keluaran yang lebih smooth . Sedangkan,
basis aturan fuzzy yang dirancang seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Hasil simulasi perancangan kendali fuzzy dari sistem solar tracker , seperti ditunjukkan pada Gambar 9 sampai dengan Gambar 12. Gambar 9 menunjukkan hubungan antara masukan dan keluaran. Nilai masukan error dan ∆ error mempengaruhi arah  pergerakan  aliran  udara  pada  katup  digital  (negatif  silinder  pneumatik  turun,  positif  silinder pneumatik naik, 0 silinder pneumatik stop ). Sedangkan, besar kecil nilai negatif, positif mempengaruhi persentasi bukaan  katup  proporsional dan  berdampak  pada kecepatan  pergerakan silinder pneumatik. Gambar 10 menunjukkan pengujian silinder pneumatik naik dengan nilai error positif 12, dan ∆ error 0 menghasilkan nilai positif 9,49. Skala 0 sampai dengan 24 dan sebaliknya menunjukkan persentasi bukaan katup proporsional. Skala 0 menunjukkan katup tertutup, dan skala 24 atau  -24 menunjukkan katup  terbuka maksimum.  Gambar 11  menunjukkan pengujian  silinder pneumatik turun dengan  nilai error negatif  12,  dan ∆ error 0  menghasilkan  nilai  negatif  9,49.  Gambar  12  menunjukkan  pengujian silinder pneumatik turun dengan nilai error 0, dan ∆ error 0 menghasilkan nilai 0.
Gambar 6. Fungsi keanggotaan masukan error (UV)
Gambar 7. Fungsi keanggotaan masukan ∆error (UV)
Gambar 8. Fungsi keanggotaan keluaran katup digital, proporsional (silinder)
No masukan error (UV) masukan ∆ error (UV) keluaran katup digital, proporsional (silinder) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Negatif Negatif
Negatif Normal Normal Normal Positif Positif Positif Negatif Normal Positif Negatif Normal Positif Negatif Normal
Positif Turun cepat Turun cepat Turun lambat Turun lambat
Stop Naik lambat Naik lambat
Naik cepat Naik cepat
Gambar 9. Grafik hubungan masukan dan keluaran
Gambar 10. Tampilan aturan fuzzy dengan keluaran naik
Gambar 11. Tampilan aturan fuzzy dengan keluaran turun
Gambar 12. Tampilan aturan fuzzy dengan keluaran stop

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada tahap ini dilakukan pengujian perangkat keras dan lunak. Pengujian perangkat keras diawali pada sensor UV. Sensor UV bekerja membaca indek UV dan infra-red sekaligus dalam satu waktu. Pengujian sensor UV dilakukan pada kondisi cuaca mendung dan cerah dengan menggerakan sensor secara manual dari -22,5 ⁰ ke 0 ⁰ . Gambar 13a menunjukkan grafik hasil pengujian sensor pada kondisi mendung untuk cahaya  matahari  yang  mengandung  UV.  Terlihat  pembacaan  pengolahan  data  perangkat  lunak menghasilkan nilai indek UV tidak stabil (berosilasi) setiap durasi 2 detik. Gambar 13b menunjukkan grafik  hasil  pengujian  sensor    pada  kondisi  cerah.  Terlihat  menghasilkan  nilai  indek  UV  lebih  stabil dibandingkan dengan kondisi mendung. Gambar 13c menunjukkan grafik hasil pengujian sensor pada kondisi mendung untuk cahaya matahari yang mengandung infra-red . Terlihat pembacaan pengolahan data perangkat lunak menghasilkan nilai indek infra-red tidak stabil (berosilasi) setiap durasi 2 detik. Gambar 13d menunjukkan grafik hasil pengujian sensor  pada kondisi cerah. Terlihat menghasilkan nilai indek infra-red lebih stabil dibandingkan dengan kondisi mendung. Grafik hasil pembacaan satu waktu antara  UV  dan infra-red terlihat  memiliki  pola yang sama.  Pada  penelitian  ini  pembacaan  data  yang digunakan  sebagai  umpan  balik  pengambilan  keputusan fuzzy adalah  indek  UV,  mengacu  pada
Persamaan (1). Sedangkan nilai setpoint 3 digunakan sebagai acuan sistem solar tracker , berdasarkan tingkat rata-rata pembacaan indeks UV di Kota Bandung pada kondisi cerah seperti terlihat pada grafik.
Gambar 13. Hasil pengujian dan pengukuran sensor UV
Pengujian sistem solar tracker merupakan kombinasi perangkat lunak algoritma fuzzy yang dirancang dengan perangkat keras elektronik. Pengujian kombinasi ini bertujuan untuk mengetahui respon dinamik silinder  pneumatik  pada  solar tracker .  Pengujian  dilakukan  dengan  skenario  tanpa  gangguan,  seperti ditunjukkan pada Gambar 14.
Gambar 14. Grafik respon dinamik silinder pneumatik pada solar tracker
Dari    Gambar  14  didapatkan  nilai time  settling atau  t s dan error  steady  state . Setpoint indek  UV=3 ditanam secara program di mikrokontroler. Berikut penjelasan perhitungannya. a. Time settling didapatkan Ts=17s;
b. Error steady state yang didapatkan:
𝑒𝑠𝑠 = (3,05−3)
3 𝑥 100 % = 1,6 % (4)
c. Maksimum Overshoot (Mp) merupakan nilai tertinggi dari grafik adalah 3,16 maka :
𝑀𝑝 = (3,16−3) 3 𝑥 100% = 5,3 % (5)
Berdasarkan  prosentase kesalahan  yang ditetapkan pada penelitian  ini adalah  ess  maksimum 5% dan Mp  maksimum  25%.  Sehingga  nilai  pengujian  sistem  pada setpoint 3  yang  diperbolehkan  adalah 2,85≤ess≤3,15  dan  2,25≤Mp≤3,75.  Grafik  hasil  pengujian  Gambar  14  (garis  tebal  warna  biru) memperlihatkan nilai keluaran mencapai steady state 2,95 pada time settling 17s. Sehingga diperoleh prosentasi nilai ess 1,6%, seperti ditunjukkan pada Persamaan (4). Sedangkan, nilai keluaran overshoot 3,16  pada time  peak 10s.  Sehingga  diperoleh  prosentasi  nilai  Mp  5,3%,  seperti  ditunjukkan  pada Persamaan (5).

## 4. KESIMPULAN
Pengaturan otomatis aktuator  silinder pneumatik  pada solar tracker menggunakan fuzzy sugeno telah berhasil  dirancang  dan  diimplementasikan.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa    sistem  dapat mempertahankan setpoint dengan  respon  dinamik overshoot 5,3  %  dan error  steady  state 1,6%. Penelitian  lebih  lanjut  yang  dapat  dilakukan  adalah  dengan  mengembangkan  metode fuzzy ,  ANFIS untuk menghasilkan respon yang lebih baik dan cepat.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Tim  peneliti  mengucapkan  terima  kasih  kepada  P3M  Politeknik  Negeri  Bandung  atas  pendanaan penelitian melalui skema Peningkatan Kapasitas Laboratorium dengan SK Nomor B/186.21/PL1.R7/PG.00.03/2020.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Smirnov, A.A., Vozmilov, G., and Romanov, P.A., (2019). "Comparison of Discrete Sun Tracking Methods  for  Photovoltaic  Panels", International  Conference  on  Industrial  Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, pp. 1-5.
[2] Díaz, A., Garrido, R., and Soto-Bernal, J.J., (2019). "A Filtered Sun Sensor for Solar Tracking in HCPV and CSP Systems", in IEEE Sensors Journal , 19, pp. 917-925.
[3] Rouzbeh,  B.,  Bone,  G.M.,  and  Ashby,  G.,  (2018)."High-Accuracy  Position  Control  of  a  Rotary Pneumatic Actuator", in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , 23, pp. 2774-2781.
[4] Rahmanian,  E.,  Akbari,  H.,  and  Sheisi,  G.H.,  (2017).  "Maximum  Power  Point  Tracking  in  Grid Connected Wind Plant by Using Intelligent Controller and Switched Reluctance Generator", in IEEE Transactions on Sustainable Energy ,8, pp.1313-1320.
[5] Jabr,  H.M.,  Lu,  D.,  and  Kar,  N.C.,  (2011).  "Design  and  Implementation  of  Neuro-Fuzzy  Vector Control for Wind-Driven Doubly-Fed Induction Generator ", in IEEE Transactions on Sustainable Energy ,2, pp. 404-413.
[6] Chern, T., et al., (2014). "Excitation Synchronous Wind Power Generators With Maximum Power Tracking Scheme ", in IEEE Transactions on Sustainable Energy , 5, pp. 1090-1098.
[7] Cui, Z., Song, L., and Li, S., (2017). "Maximum Power Point Tracking Strategy for a New Wind Power System and Its Design Details ", in IEEE Transactions on Energy Conversion , 32, pp. 1063- 1071.
[8] Lin, Z., Zhang, T., Xie, Q., and Wei, Q., (2018). "Intelligent Electro-Pneumatic Position Tracking System  Using  Improved  Mode-Switching  Sliding  Control  With Fuzzy  Nonlinear  Gain ",  in  IEEE Access , 6, pp. 34462-34476.
[9] Amelia, A.R., et al (2019). "Technologies of solar tracking systems: A review", IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1st International Symposium on Engineering and Technology (ISETech) , 767, pp. 1-10.
[10] Smirnov, A.A., Vozmilov, G., and Sultonov. O.O., (2018). "Investigating t he Effectiveness of Solar Tracking for a PV Facility in Chelyabinsk", Int. Conf. On Industrial Engineering, Application and Manufacturing .
[11] Hamid, A.R., Azim, K., and Bakar, M.H., (2017). "A review on Solar Tracking System", e- Proceeding National Innovation and Invention Competition Through , pp 1-9.
[12] Smirnov, A.A., Malugin, S.A., and Bakanov, A.V., (2017). "Designing Integrated PV Facility with Dual-axis Solar Tracking System Mounted on the South Building Face", Int. Conf. On Industrial Engineering, Application and Manufacturing, pp. 1-4.
[13] Sumathi, V., Jayapragash, R.,  Bakshi, A., and Akella, P.K., (2017). "Solar Tracking  Methods to Maximize PV System Output – A review of the Methods Adopted in Recent Decade", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 74, pp. 130-138.