## PENENTUAN KEMIRINGAN SUDUT OPTIMAL PANEL SURYA
T.M. Azis Pandria *1 , Mukhlizar 2 1,2 Program Studi Teknik Industri, Fakultas Teknik, Universitas Teuku Umar E-mail: 1 azispdr@gmail.com, 2 mukhlizar@utu.ac.id

## ABSTRACT
This paper discusses the determination of the optimal tilt angle of solar panels in the Nagan Raya aims to maximize acceptance of solar radiation. Adjust the titl angle customized panels with latitude location can maximize the acceptance of solar radiation. Calculation of the optimal angle variations is simulated at an angle of 10  – 50  intervals between angle 10  . For the purposes of simulation calculation of optimal tilt angle against the value-based maximum radiation on tilted surface, use data that NASA SEE. A study conducted in Nagan Raya this is determined based on the google maps coordinates of the point. This research resulted in recommendations for the optimum tilt angle in Nagan Raya who was the tilt 40  with South-facing orientation. The results of the technical study of this research can be used as initial references against the installation of a solar panel fixed type in the Nagan Raya.
Keywords : Optimum angle, Solar panels, NASA SSE, Nagan Raya, Renewable Energy

## 1. PENDAHULUAN
Energi  matahari  merupakan  sumber  energi  abstrak  yang  tak  terbatas,  dan merupakan salah satu sumber energi terbarukan. Pemanfaatan energi dari sumber energi terbarukan  (EBT)  meningkat  tajam  di  seluruh  dunia,  termasuk  Indonesia.  Nagan  Raya merupakan salah satu wilayah di Indonesia yang memiliki potensi energi matahari yang cukup  besar  (5.02  kWh/m 2 )  rata  –  rata  per  tahun.  Pemanfaatan  energi  matahari  sebagai pembangkit energi listrik sangat tepat untuk diterapkan di Nagan Raya, mengingat letak geografis Nagan raya yang dekat dengan garis equator [1]. Pemanfaatan energi matahari menjadi  energi  listrik  menggunakan  perangkat phoyovoltaic panel (panel  surya).  Oleh karena itu diperlukan kajian teknis terhadap penentuan sudut optimum panel surya, untuk memaksimalkan penerimaan energi matahari oleh panel surya [2].
Salah  satu  cara  memaksimalkan  penerimaan  radiasi  matahari  oleh  panel  surya adalah dengan memposisikan panel pada posisi kemiringan optimal. Tujuan memiringkan panel pada posisi optimal, agar permukaan panel selalu berada tepat menghadap matahari sepanjang  tahun. latitude lokasi  berpengaruh  terhadap  radiasi  yang  diterima  permukaan panel, sehingga posisi optimum suatu lokasi dengan lokasi lainnya dapat berbeda. Kajian teknis terhadap sudut kemiringan optimum diberbagai tempat di seluruh dunia telah banyak dilakukan,  seperti  Tarek  O.Kaddoura  et  al.  [3]  melakukan  penentuan  terhadap  sudut kemiringan optimum di berbagai kota di Kerajaan Arab Saudi, menggunakan perhitungan teoritis. Data radiasi pada permukaan horizontal dari NASA digunakan untuk memprediksi sudut kemiringan optimum, menggunakan program Matlab. kode Matlab dibangun untuk mensimulasikan  variasi  sudut  miring.  Hasil  penelitian  menunjukkan,  dengan
menyesuaikan sudut kemiringan optimum per bulan dan per musim dapat meningkatkan penerimaan energi sekitar 7,74 % dan 6,38 %, dibandingkan dengan sudut miring tetap. Penyesuaian sudut miring diusulkan secara berkala dapat meningkatkan penerimaan energi matahari 7.35 % dibandingkan dengan penyesuaian bulanan. Rudi Darussalam et al. [4] melakukan  optimalisasi  sudut  azimut  dan  sudut  kemiringan  panel  surya  di  Kabupaten Bandung, yang bertujuan untuk memaksimalkan penyerapan radiasi matahari oleh panel surya. Kajian ini merupakan tinjauan teoritis penentuan sudut optimal berdasarkan latitude lokasi. Hasil penelitian menunjukkan variasi sudut optimal yang terjadi di wilayah Ciparay, Kabupaten Bandung. Handoyo et al. [5] melakukan penentuan sudut kemiringan optimal solar collector berdasarkan  radiasi  global  dan  tersebar  bulanan.  Estimasi  penerimaan radiasi  berdasarkan  nilai  radiasi  langsung  maksimal  pada  permukaan  kolektor  yang terpasang  di  Surabaya  pada  lokasi latitude 4.2  dari  arah  utara.  Hasil  penelitian menunjukkan, untuk collector yang terpasang di surabaya, sudut optimal antara tanggal 12 Maret – 30 September bervariasi antara 0  – 40  (orientasi ke utara) dan selama tanggal 1 Oktober  –  11  Maret  antara  0  -  30  (orientasi  ke  selatan).  Pilihan  lain  adalah  dengan memasang  dua  buah collector secara bersamaan,  dengan kondisi satu  menghadap timur untuk pagi hari, dan satu lagi menghadap barat untuk sore hari. Pada orientasi tersebut, sudut optimal adalah 36  - 39.4  . Kadir Bakirci [6] melakukan penentuan sudut kemiringan optimal panel surya, untuk memaksimalkan penerimaan energi menggunakan data radiasi yang  diukur  di  delapan  provinsi  besar  di  Turki.  Hasil  menunjukkan,  sudut  kemiringan optimum permukaan bervariasi dari 0  - 90  . Sudut optimum ditentukan dengan mencari nilai maksimum total per hari selama periode tertentu. Sudut kemiringan optimum berubah antara 0  - 65  sepanjang tahun di Turki. Sudut optimum terendah terjadai pada Juni dan Juli yang berada pada 0  .
Makalah  ini  melakukan  penentuan  sudut  kemiringan  optimal  panel  surya  di kabupaten  Nagan  Raya  (3.4  LU  –  96.11  BT),  berdasarkan  nilai  radiasi  total  pada permukaan  bidang  miring.  Penyesuaian  sudut  optimal  bertujuan  untuk  memaksimalkan penerimaan radiasi matahari oleh panel surya.

## 2. METODE PENELITIAN
Memposisikan  panel surya pada sudut  kemiringan  optimal,  dapat  meningkatkan efesiensi hingga pada tingkat maksimal. Semakin tinggi nilai efesiensi sebuah panel, maka akan semakin baik performa dari panel tersebut [2]. Posisi sudut kemiringan yang berada tidak pada posisi optimal berpotensi kehilangan nilai radiasi maksimal. Sudut kemiringan optimal  ditentukan  berdasarkan  nilai  radiasi  yang  mengenai  permukaan  bidang  miring. Penelitian ini menggunakan metode faktor geografis, untuk menentukan nilai rasio radiasi langsung  pada  permukaan  miring  ( Rb ).  Nilai  rasio  merupakan  salah  satu  faktor  dari komponen radiasi total pada permukaan bidang miring [7].

## 2.1 Radiasi Matahari pada Sudut Permukaan Miring
Radiasi  matahari  yang  mengenai  permukaan  bidang  miring  terdiri  dari  tiga komponen, diantaranya radiasi langsung ( H B ), radiasi tersebar ( H D ) dan radiasi pantulan ( H R ). Secara matematis ketiga komponen radiasi tersebut diberikan pada persamaan (1) [3]. 1 cos 2 1 cos 2 (1)
dimana Hg dan Hd merupakan radiasi langsung dan tersebar pada permukaan horizontal, dan R b merupakan rasio radiasi langsung terhadap permukaan miring. Semua nilai tersebut
dipengaruhi  oleh latitude lokasi.  Untuk  lokasi  yang  berada  di  sisi  utara  bumi,  maka permukaan  panel  surya  harus  dihadapkan  tepat  ke  selatan  untuk  mendapatkan  orientasi optimum. Nilai R b untuk lokasi utara bumi diberikan pada persamaan (2) [7].
cos cos (2)
Cos  merupakan  sudut  datang  radiasi  matahari  yang  ditentukan  dengan  persamaan  (3)
seperti diberikan dibawah ini [7].
cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos cos cos sin sin sin cos sin sin cos cos                          (3)
dan untuk nilai cos  z merupakan nilai azimut matahari yang dihitung dengan persamaan (4) seperti diberikan sebagai berikut.
cos  cos  cos cos  sin  sin (4)
dimana  merupakan latitude lokasi, β merupakan sudut miring permukaan panel surya,  merupakan azimut permukaan, 0  menghadap selatan dan 180  menghadap utara. Notasi  merupakan sudut jam,  merupakan sudut deklinasi matahari yang dapat ditentukan dengan persamaan (5) [7].
23.45 sin 360 365 284 (5)
dimana notasi n merupakan nomor untuk hari pertama setiap bulan, yang diberikan pada Tabel 1.
Tabel 1 Nomor Hari Pertama Setiap Bulan [7] Bulan Nomor  Bulan Nomor Jan n = 1 Jul n = 182 Feb n = 32 Agt n = 213 Mar n = 60 Sep n = 244 Apr n = 91 Okt n = 274 Mei n = 121 Nov n = 305 Jun n = 152 Des n = 335
Hubungan skematik antar sudut terhadap permukaan miring, baik pada permukaan solar collector maupun panel surya tampak pada Gambar 1.

## 2.2 Radiasi Langsung
Komponen  radiasi  langsung  pada  permukaan  miring  ( H B )  dihitung  berdasarkan nilai radiasi langsung pada permukaan horizontal ( H b ), hubungan tersebut secara matematis diberikan pada persamaan (6) [6].
(6)
Gambar 1 Hubungan Skematik Antar Sudut Terhadap Permukaan Miring [8]. dimana H g dan H d merupakan radiasi global dan radiasi tersebar pada permukaan horizontal di suatu lokasi, dan Rb merupakan rasio radiasi langsung pada permukaan.

## 2.3 Radiasi Tersebar
Radiasi tersebar pada permukaan bidang miring ( H D ), dihitung menggunakan nilai radiasi  tersebar  pada  permukaan  horizontal  ( H d ).  Secara  matematis  hubungan  terhadap radiasi tersebar diberikan pada persamaan (7) [9].
(7)
Salah satu unsur yang diperhitungkan pada persamaan tersebut adalah rasio radiasi tersebar  ( R d )  pada  permukaan  miring,  disamping  radiasi  pada  permukaan  horizontal. Prediksi terhadap nilai rasio radiasi tersebar secara umum terbagi atas dua model, pertama model isotropic dan  kedua  model anisotropic. Model isotropic mengasumsikan  intesitas radiasi  bernilai  sama  di  seluruh  penjuru  kubah  langit,  sehingga  radiasi  tersebar  pada permukaan  miring  tergantung  kilasan  cahaya  yang  terlihat  di  kubah  langit  [8].  Model anisotropic  mengasumsikan  radiasi  tersebar  yang  mengelilingi  matahari  (dekat  piringan matahari) dijumlahkan dengan komponen radiasi tersebar dari sisi kubah langit. Terdapat beberapa model isotropic yang diusulkan, diantaranya :
Model Badescu [8].
3 cos 2
4 (8) Model Tien et al. [8] 1 180
(9)
Model Liu and Jordan [8]
1 cos 2 (10)
Sedangkan  untuk  model  anisotropic  seperti  yang  di  usulkan  oleh  Reindel  et  al. diberikan pada persamaan berikut.
1 1 cos 2 1 2
(11)
Nilai rasio radiasi tersebar yang digunakan pada penelitian menggunakan ini model yang diusulkan oleh Liu and Jordan.

## 2.4 Radiasi Pantulan
Nilai radiasi pantulan dapat diprediksi menggunakan persamaan (12), dimana pada persamaan ini komponen ground albedo turut dihitung [3]. 1 cos 2 (12)
Ground albedo atau  nilai  pantulan  permukaan  merupakan  nilai  spesifik  dimana panel surya dipasang. Bila jenis permukaan tidak diketahui, maka nilai ground albedo dapat diasumsikan  sebesar  0,2  [6].  Nilai ground albedo berdasarkan  permukaan  tanah  seperti diberikan Tabel 2.
Tabel 2. Nilai Albedo Permukaan [7]. Material Albedo (ALB) Material Albedo (ALB) Garss (July, Aug) 0.25 Aspalt 0.15 Lawn 0.18 ...0.23 Concrete, clean 0.30 Unnown fieds 0.26 Concrate, weathered 0.20 Wood 0.05 ...0.18 Snow cover, new 0.80...0.90 Heat surfaces 0.10...0.25 Snow cover, old 0.45...0.70
Interaksi semua jenis radiasi terhadap bumi baik pada posisi luar atmosfir, maupun dalam atmosfir tampak pada Gambar 2.
Gambar 2 Interaksi Radiasi Terhadap Bumi [4].
Berdasarkan simulasi sofware Pvsyst V5.52, data radiasi variasi radiasi dan solar path di wilayah Nagan Raya menggunakan data NASA SSE ditampilkan pada Tabel 3.

## 2.5 Simulasi dan Optimalisasi
Coding Matlab  digunakan  untuk  membangun  simulasi  guna  mendapatkan  nilai sudut  kemiringan  optimum  per  bulan  yang  ditentukan  pada  waktu  maksimum  radiasi matahari yang dihitung menggunakan persamaan (13).
(13)
Tabel 3 Radiasi Global Nagan raya
dimana H T adalah  radiasi  total  pada  permukaan  bidang  miring, H B adalah  total  radiasi langsung  pada  permukaan  miring, H D merupakan  total  radiasi  tersebar  pada  permukaan miring,  dan H R merupakan  radiasi  pantulan  dari  permukaan  bumi  terhadap  permukaan panel  [3]. Artikel ini menggunakan data radiasi pada permukaan horizontal yang sediakan website NASA. data radiasi langsung dan tersebar merupakan data rata – rata selama 22 tahun  di  banyak  lokasi.  Data  yang  telah  diperoleh  kemudian  dirubah  kedalam  bentuk coding Matlab untuk dibangun dan disimulasikan variasi sudut kemiringan panel surya. Coding Matlab mencari variasi nilai terhadap sudut miring menggunakan persamaan (1) mulai dari sudut 10  - 90  dengan interval 10  . Radiasi yang dihasilkan digunakan untuk mengambarkan urutan variasi radiasi matahari menurut sudut kemiringan per bulan selama setahun.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  3  menampilkan  sudut  kemiringan  optimal  panel  surya  di  Nagan  Raya selama  setahun,  dengan  orientasi  panel  menghadap  selatan  (equator).  Orientasi  tepat menghadap  utara  merupakan  orientasi  optimum  dengan  asumsi  arah  tidak  terjadi penyimpangan arah orientasi (sudut azimut). Variasi sudut optimal dihasilkan yaitu bulan Januari 40  , Februari 20  , Maret 10  , April 40  , Mei 40  , Juni 40  , Juli 10  Agustus 40  , September 40  , Oktober 20  , November 20  , Desember 40  .
Gambar 3 Sudut Kemiringan Optimum Orientasi Menghadap Selatan
Grafik yang tampak pada gambar menampilkan perbedaan yang cukup jauh antar sudut, dan pengulangan sudut yang paling banyak berada di sudut 40  . Untuk sudut lainnya hanya  terjadi  dua  kali  pengulangan  saja,  seperti  pada  bulan  Maret  dan  Juli  10  ,  dan Februari, Oktober – November sudut  20  . Kondisi tersebut terjadi karena lokasi tempat panel surya dipasang berada disebelah utara equator, sehingga saat permukaan panel surya dihadapkan ke selatan ketinggian matahari berada di posisi puncak dan kemiringan panel terhadap matahari paling optimal berada diatas sudut 30  .
Gambar  4  menampilkan  sudut  optimum  panel  surya  dengan  orientasi  panel menghadap selatan. Tampak pada gambar, nilai radiasi yang dihasilkan di beberapa sudut bernilai negatif. Kondisi ini terhadi karena saat panel dihadapkan ke utara, matahari berada dibelakan panel surya. Saat matahari berada di belakang panel surya, radiasi yang diterima panel  berada  pada  nilai  negatif.  Naum  kondisi  tersebut  sebenar  juga  merupakan  sudut optimal juga.
40 20 10 40 40 40 10 40 40 20 20 40 9 12 8,5 12 8,5 6,5 16 7 5 8,5 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 su dut (  ) Bulan sudut radiasi
Gambar 4 Sudut Kemiringan Optimum Orientasi Menghadap Utara
Memposisikan sudut kemiringan panel surya berdasarkan periode tertentu sepeti per  bulan  atau  per  musim  dapat  meningkatkan  penerimaan  radiasi  maksimal  sepanjang tahun. Kondisi tersebut dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4, dimana penyesuaian sudut per bulan  dapat  meningkatkan  penerimaan  radiasi  matahari  tahunan.  Sudut  kemirngan  40  dapat  dijadikan  patokan  penyesuaian  per  bulan,  karena  sudut  ini  paling  banyka  terjadi pengulangannya selama satu tahun.

## 4. KESIMPULAN
Sudut kemiringan optimal di Nagan Raya berdasarkan hasil perhitungan simulasi dan analisa  dapat  disimpulkan bahwa  penyesuaian  sudut  miring permukaan  panel surya dari Januari – Desember dengan orientasi menghadap selatan pada variasi sudut 10  – 50  dapat meningkatakan penerimaan radiasi matahari oleh panel surya.  Sudut optimal yang direkomendasikan diwilayah Nagan Raya berada pada sudut 40  .

## 5. SARAN
Disarankan untuk dilakukan pengukuran langsung terhadap nilai radiasi matahari di wilayah Nagan Raya dan sekitarnya, karena perbedaan nilai radiasi mungkin saja terjadi. Bila terjadi perbedaan nilai radiasi global antara data NASA dengan pengukuran langsung, maka sudut optimal per bulan dapat saja berubah.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] “https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse.” , diakses tanggal 02/08/2017.
[2] A. K. Yadav and S. S. Chandel, “Tilt angle optimization to maximize incident solar
‐40 20 10 40 40 40 ‐10 40 40 ‐20 20 ‐40 9 12 8,5 12 8,5 6,5 16 7 5 8,5 8 10 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 sudu t (  ) Bulan sudut radiasi
radiation : A review,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 23, pp. 503–513, 2013.
[3] T. O. Kaddoura, M. A. M. Ramli, and Y. A. Al-turki, “On the estimation of the optimum tilt angle of PV panel in Saudi Arabia,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 65, pp. 626–634, 2016.
[4] R. Darussalam, A. Rajani, and T. D. Atmaja, “PENGATURAN ARAH AZIMUTH DAN  SUDUT  TILT  PANEL  PHOTOVOLTAIC  UNTUK  OPTIMALISASI RADIASI MATAHARI,” vol. V, pp. 31–36, 2016.
[5] E. A. Handoyo and D. Ichsani, “The optimal tilt angle of a solar collector,” Phys. Procedia , vol. 32, pp. 166–175, 2013.
[6] K. Bakirci, “General models for optimum tilt angles of solar panels: Turkey case study,” Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol. 16, no. 8. Elsevier, pp. 6149–6159, 2012.
[7] J. A. Duffie and W. A. Beckman, “Solar Engineering of Thermal Processes Solar Engineering,” 2013, p. 936.
[8] D. Yang, “Solar radiation on inclined surfaces : Corrections and benchmarks,” Sol. Energy , vol. 136, pp. 288–302, 2016.
[9] K. Mertens, Photovoltaics ," (Fundamental, Technology and Practice), John Wiley & Sons Ltd, 2014.