## Pembuatan Perangkat Monitoring Potensi Energi Surya Berbasis Mikrokontroler
Yuniawan Erwin Seloaji, Edi Leksono dan Eko Mursito Budi Program Studi Teknik Fisika - Institut Teknologi Bandung
Email:

## Abstrak
Pembangunan pembangkit listrik energi surya (PLTS) akan lebih efisien jika dilakukan di tempat yang memiliki potensi energi surya yang tinggi. Potensi energi surya dapat diketahui melalui data- data  irradiasi  surya,  temperatur,  dan  kelembapan  relatif.  Di  Indonesia  data-data  tersebut diterbitkan  oleh  BMKG.  Akan  tetapi,  data-data  yang  tersedia  hanya  untuk  kota-kota  besar  di Indonesia. Data-data dalam lingkup yang lebih kecil diperlukan untuk analisis lebih lanjut tentang pembangunan PLTS di suatu daerah. Untuk itulah pada penelitian ini dibuat perangkat monitoring potensi  energi  surya  berbasis  mikrokontroler  yang  dapat  mengukur  irradiasi  surya,  temperatur, dan kelembapan relatif dalam lingkup yang kecil.
Alat  yang  dibuat  menggunakan  Arduino  sebagai  mikrokontroler,  baterai  sebagai  catu  daya, pyranometer  sebagai  sensor  irradiasi  surya,  modul  SHT1x  sebagai  sensor  temperatur  dan kelembapan  relatif,  dan  modul  GPS  sebagai  sensor  posisi  dan  waktu.  Hasil  pengukuran ditampilkan dengan LCD dan disimpan di dalam SD card. Dari hasil kalibrasi  dengan Automatic  Weather  System (AWS) diketahui  bahwa  alat  yang  dibuat memiliki full scale error rata-rata untuk pengukuran irradiasi surya  sebesar 1,  33%; temperatur sebesar  5,12%;  dan  kelembapan  relatif  sebesar  4,45%.  Sedangkan  standar  deviasi  kesalahan mutlak  untuk  pengukuran  irradiasi  surya  sebesar  19,82;  temperatur  sebesar  0,33;  dan kelembapan sebesar 1,42. Selain itu diukur juga potensi energi surya di beberapa tempat di Kota Bandung  dengan  nilai  insolasi  rata-rata  di  Antapani  3,79  kWh/m 2 /hari;  di  Kiaracondong  3,70 kWh/m 2 /hari; dan ITB 2,30 kWh/m 2 /hari.
Kata kunci: pengukuran, irradiasi surya, insolasi, temperatur, kelembapan relatif, Arduino

## 1 Pendahuluan
Sebagai negara yang dilalui garis khatulistiwa, Indonesia memiliki sumber energi surya yang  melimpah.  Matahari  bersinar  dengan  durasi  yang  relatif  sama  dalam  setiap  hari sepanjang tahunnya. Dengan  durasi penyinaran  matahari rata-rata  sekitar 12 jam per hari  dengan  energi  rata-rata  harian  sebesar  4,  5  kWh/m 2 /hari  [1],  Indonesia  dapat dikatakan memiliki potensi energi surya yang tinggi.
Dari seluruh wilayah Indonesia, Lampung, Jawa Tengah, Sulawesi Tengah, Papua, Bali, NTB, dan NTT memiliki potensi energi surya rata-rata harian tertinggi, yaitu sekitar 5,7 kWh/m 2 /hari.  Sedangkan  potensi  energi  surya  rata-rata  harian  di  Jawa  Barat, khususnya Bogor dan Bandung hanya sekitar 2, 56 dan 4, 15 kWh/m 2 /hari [1].
Meskipun potensinya cukup tinggi, pemanfaatan energi surya untuk dikonversi menjadi energi  listrik  belum  banyak  dilakukan  di  Indonesia.  Hal  ini  disebabkan  ketersediaan energi surya di Indonesia sepanjang tahunnya tidak merata. Indonesia yang wilayahnya terdiri atas pulau-pulau yang dikelilingi lautan memiliki kelembapan relatif yang cukup tinggi.  Hal  ini  menyebabkan  langit  Indonesia  hampir  selalu  diselimuti  awan.  Awan  di atmosfer akan menghalangi irradiasi surya sampai di permukaan bumi. Di musim hujan awan yang terbentuk lebih banyak sehingga irradiasi surya yang diterima akan menurun drastis.
Selain  itu,  efisiensi  konversi  energi  surya  menjadi  energi  listrik  masih  relatif  rendah, yaitu  sekitar  12-20%  [2].  Nilai  investasi  untuk  membangun  pembangkit  listrik  tenaga surya  juga masih  cukup tinggi, yaitu  sebesar US$1.650/kW  [1], sehingga harga  listrik yang  dihasilkan  belum  ekonomis,  yaitu  sekitar  Rp8.500/kWh  [3].  Untuk  skala  rumah tangga  harga  listrik  ini  masih  jauh  lebih  mahal  dibandingkan  harga  listrik  yang dihasilkan sumber konvensional saat ini, yaitu Rp629/kWh untuk batas daya 1300 VA [4].
Hal inilah yang menyebabkan pembangkit listrik tenaga surya, khususnya di Indonesia, baru dibangun untuk keperluan riset atau instansi dan dalam skala kecil. Pembangkitan listrik memanfaatkan energi surya untuk skala komersial baru akan tercapai jika biaya investasinya sudah relatif rendah dan efisiensi pembangkitannya sudah cukup tinggi.
Mengingat biaya investasinya cukup tinggi, agar lebih efisien pembangkit listrik tenaga surya  harus  dibangun  di  daerah  yang  memiliki  potensi  energi  surya  yang  tinggi.  Di Indonesia  data-data  potensi  energi  surya  diterbitkan  oleh  Badan  Meteorologi, Klimatologi,  dan  Geofisika  (BMKG).  Meskipun  demikian  data  yang  diterbitkan  BMKG hanya tersedia untuk kota-kota besar. Sementara potensi energi surya kota-kota kecil di sekitarnya  belum  tentu  sama.  Bahkan  dalam  satu  kota  pun  besarnya  potensi  energi surya  dapat  berbeda-beda.  Dengan  demikian,  data-data  tersebut  belum  cukup  akurat untuk mengetahui potensi energi surya di suatu lokasi dan memperkirakan energi listrik yang dihasilkan jika di lokasi tersebut dibangun pembangkit listrik tenaga surya.
Untuk  mengatasi  masalah  tersebut  diperlukan  sebuah  perangkat  yang  dapat memantau potensi energi surya dalam lingkup yang lebih kecil (kecamatan, kelurahan, atau  desa).  Data-data  potensi  energi  surya  dalam  lingkup  yang  lebih  kecil  ini  akan sangat  bermanfaat  guna  melakukan  analisis  lebih  lanjut  apabila  di  daerah  tersebut akan dibangun pembangkit listrik tenaga surya maupun sebagai bahan evaluasi kinerja pembangkit  listrik  energi  surya.  Meskipun  demikian,  perangkat  tersebut  diharapkan lebih  terjangkau  namun  memiliki  akurasi  dan  presisi  yang  tidak  kalah  dibandingkan dengan stasiun cuaca BMKG.

## 2 Tinjauan Pustaka

## 2.1 Irradiasi Surya
Besarnya  energi  surya  yang  sampai  ke  permukaan  bumi  dinyatakan  dalam  insolasi. Insolasi  adalah  jumlah  energi  matahari  yang  diterima  sebuah  luasan.  Insolasi dilambangkan  dengan  H  dan  memiliki  satuan  standar  J/m 2 atau  kWh/m 2 .  Meskipun demikian,  dalam  penelitian  ini  besaran  yang  akan  digunakan  untuk  menyatakan besarnya  energi  surya  adalah  irradiasi.  Irradiasi  surya  adalah  jumlah  energi  matahari yang  diterima  setiap  satuan  waktu  oleh  sebuah  luasan.  Irradiasi  surya  dinyatakan dalam lambang E dengan satuan standar W/m 2 .
Irradiasi surya dapat dibedakan menjadi irradiasi ekstraterestrial dan irradiasi terestrial. Irradiasi ekstraterestrial adalah irradiasi surya di atas lapisan atmosfer bumi. Besarnya adalah  1367  W/m 2 [5].  Sedangkan  irradiasi  terestrial  adalah  irradiasi  surya  di permukaan  bumi.  Ketika  menembus  lapisan  atmosfer  energi  surya  berkurang  akibat mekanisme  absorpsi,  refleksi,  dan  difraksi  oleh  partikel-partikel  di  atmosfer.  Hal  ini menyebabkan  irradiasi  surya  yang  mencapai  permukaan  bumi  dapat  dibagi  menjadi dua komponen, yaitu irradiasi langsung dan irradiasi difus. Irradiasi Jumlah dari irradiasi
langsung  dan  irradiasi  difus  disebut  irradiasi  global.  Besarnya  irradiasi  global maksimum di permukaan bumi adalah 1000 W/m 2 [6].
Alat  untuk  mengukur  irradiasi  surya  adalah  radiometer.  Radiometer  dapat  dibedakan menjadi  pyrheliometer  dan  pyranometer.  Pyrheliometer  digunakan  untuk  mengukur irradiasi  langsung,  sedangkan  pyranometer  digunakan  untuk  mengukur  irradiasi  difus dan  global.  Dalam  penelitian  ini  pengukuran  irradiasi  surya  hanya  menggunakan pyranometer.

## 2.2 Pengaruh Temperatur dan Kelembapan Relatif terhadap Irradiasi Surya
Besarnya irradiasi surya yang sampai ke bumi dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain sudut elevasi matahari, durasi penyinaran matahari, jarak bumi dan matahari, dan iklim setempat [5]. Dalam penelitian ini akan parameter yang mempengaruhi besarnya irradiasi surya yang akan dibahas adalah temperatur dan kelembapan relatif.
Kelembapan  relatif  yang  tinggi  akan  membuat  suatu  daerah  cenderung  selalu diselimuti  awan  [7].  Keberadaan  awan  di  atmosfer  akan  mengurangi  transmitivitas atmosfer,  yaitu  persentase  irradiasi  langsung  yang  sampai  ke  permukaan  bumi  tanpa mengalami  penghamburan  di  atmosfer.  Transmitivitas  atmosfer  yang  rendah  akan mengurangi komponen irradiasi langsung dan menambah komponen irradiasi difus.
Meskipun tidak memiliki pengaruh langsung terhadap irradiasi surya, temperatur udara memiliki keterkaitan yang kuat dengan kelembapan relatif. Seiring dengan peningkatan temperaturnya, udara akan memiliki memiliki tekanan saturasi uap air yang lebih besar sehingga  jumlah  uap  air  yang  dapat  ditampungnya  menjadi  semakin  banyak.  Jika konsentrasi uap air tidak bertambah, maka kelembapan relatif akan berkurang [8].
Pada  pengukuran  temperatur  dan  kelembapan  udara  di  luar  ruangan,  sensor  harus ditempatkan di dalam sebuah pelindung bernama Stevenson screen . Stevenson screen berfungsi  untuk  melindungi  sensor  dari  irradiasi  matahari,  hujan,  dan  angin,  sehinga pembacaan sensor tetap akurat.

## 3 Perancangan Alat

## 3.1 Konfigurasi Sistem secara Keseluruhan
Alat  yang  akan  dibuat  terdiri  atas  pyranometer  sebagai  sensor  irradiasi  surya,  modul SHT1x  sebagai  sensor  temperatur  dan  kelembapan,  modul  GPS  sebagai  pemberi informasi  waktu  dan  posisi,  dan  Arduino  sebagai  mikrokontroler.  Hasil  pembacaan sensor  diakuisisi  dan  diolah  oleh  Arduino.  Keluarannya  ditampilkan  di  LCD  dan disimpan di SD card. Konfigurasi sistem keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 1.

## Gambar 1 Konfigurasi sistem secara keseluruhan

## 3.2 Perancangan Rangkaian Pengondisi Sinyal Pyranometer
Pyranometer yang digunakan  memiliki sensitivitas sebesar 9,9 μV/W.m -2 . Untuk dapat dibaca  oleh  masukan  analog  Arduino  pyranometer  membutuhkan  penguatan  sebesar 494  kali.  Penguatan  ini  diberikan  dengan  rangkaian  pengondisi  sinyal  pyranometer seperti  pada  Gambar  2.  Rangkaian  pengondisi  sinyal  pyranometer  ini  terdiri  atas penguat instrumentasi dan low pass filter (LPF). Pada penguat instrumentasi penguatan ini diberikan oleh resistor gain sebesar 100 Ω. Sedangkan frekuensi cutoff LPF adalah 16 Hz, yang dihasilkan oleh R = 100kΩ dan C = 100nF.
Gambar 2 Rangkaian pengondisi sinyal pyranometer
Selain  itu  dibuat  juga  rangkaian  catu  daya  rangkaian  pengondisi  sinyal  pyranometer seperti pada Gambar 3. Rangkaian catu daya ini berfungsi untuk memberikan tegangan suplai sebesar +5V, -5V, dan tegangan referensi ( ground ) bagi penguat instrumentasi.

## Gambar 3 Rangkaian catu daya pengondisi sinyal pyranometer

## 3.3 Perancangan Program
Perancangan  perangkat  lunak  dalam  penelitian  ini  meliputi  pembuatan sketch (program) Arduino untuk menjalankan fungsi-fungsi yang diinginkan. Pembuatan sketch Arduino dilakukan dengan Arduino IDE.
Sketch dimulai  dengan  mendefinisikan  variabel,  menyertakan  library,  mengatur kecepatan transfer data, dan inisialisasi perangkat. Arduino kemudian akan membaca kalimat NMEA GPS dan menerjemahkannya.
Periode sampling pengukuran  adalah  5  detik,  sedangkan  periode  perata-rataan pengukuran  adalah  1  menit.  Jika  waktu  yang  diterjemahkan  merupakan  kelipatan  5 detik,  maka  Arduino  akan  menjalankan  perintah-perintah  untuk  membaca  irradiasi, temperatur,  kelembapan,  menjumlahkannya  dengan  data  sebelumnya,  serta menampilkannya di serial monitor Arduino dan LCD. Setelah 1 menit, data-data tersebut dirata-ratakan  dan  disimpan  di  dalam  SD  card.  Demikian  perintah-perintah  tersebut berulang sampai catu daya diputus.

## 4 Pengujian, Pengukuran, dan Analisis

## 4.1 Pengujian Linieritas Rangkaian Pengondisi Sinyal Pyranometer
Pengujian  linieritas  rangkaian  pengondisi  sinyal  pyranometer  dilakukan  menggunakan rangkaian  pembagi tegangan  sebagai  pengganti  pyranometer seperti pada  Gambar 4. Rangkaian  pembagi  tegangan  akan  memberikan  masukan  dari  0-10  mV  dengan kenaikan  1  mV.  Hasil  pengujian  linieritas  rangkaian  pengondisi  sinyal  pyranometer ditunjukkan  oleh  Gambar  5.    Dari  Gambar  5  terlihat  bahwa  penguatan  sinyal pyranometer adalah linier.
Gambar 4 Rangkaian pembagi tegangan pengganti pyranometer
Gambar 5 Grafik hubungan input terhadap output rangkaian pengondisi sinyal pyranometer

## 4.2 Kalibrasi Alat
Kalibrasi alat dilakukan  di  Taman  Alat Meteorologi ITB  pada  tanggal 11-14 Desember 2012.  Alat  standar  yang  digunakan  sebagai  pembanding  adalah Automatic  Weather Station (AWS).  Hasil  kalibrasi  alat  pada  tanggal  12-14  Desember  2012  ditunjukkan pada  Gambar  6  Dari  hasil  kalibrasi  didapatkan  parameter  akurasi  dan  presisi alat seperti pada Tabel 1.
Gambar 6 Hasil kalibrasi alat pada tanggal 12-14 Desember 2012
Tabel 1 Parameter akurasi dan presisi alat setelah kalibrasi tanggal 12-14
Desember 2012 Pengukuran Rata-rata kesalahan mutlak Rentang nilai pengukuran AWS Full scale error (%) Standar deviasi kesalahan mutlak Irradiasi 11,66 W/m 2 879 W/m 2 1,33 19,82 Temperatur 0,42 ºC 8,1 ºC 5,12 0,33 Kelembapan relatif 1,74 % 39 % 4,45 1,42

## 4.3 Pengukuran Potensi Energi Surya di Kota Bandung
Pengukuran  potensi  energi  surya  di  Kota  Bandung  dilakukan  pada  tanggal  27 Desember 2012-22 Januari 2013 di Antapani, Kiaracondong, dan ITB. Lamanya waktu pengukuran  di  masing-masing  tempat  adalah  tujuh  hari.  Hasil  pengukuran  potensi energi  surya  di  Kota  Bandung  ditampilkan  pada  Gambar  7  sampai  dengan  Gambar  9 dan Tabel 2 sampai dengan Tabel 4.
Tabel 2 Hasil pengukuran irradiasi surya, temperatur, dan kelembapan relatif di
Antapani Irradiasi (W/m 2 ) Temperatur (ºC) Kelembapan relatif (%) max 952 35,2 94 min 0 21,0 48 rata-rata 315,93 28,26 69,41 Insolasi 3,79 kWh/m 2 /hari
Tabel 3 Hasil pengukuran irradiasi surya, temperatur, dan kelembapan relatif di
Kiaracondong Irradiasi (W/m 2 ) Temperatur (ºC) Kelembapan relatif (%) max 945 33,4 96 min 0 19,9 51 rata-rata 307,94 26,86 71,45 Insolasi 3,70 kWh/m 2 /hari
Tabel 4 Hasil pengukuran irradiasi surya, temperatur, dan kelembapan relatif di ITB
Irradiasi (W/m 2 ) Temperatur (ºC) Kelembapan relatif (%) max 958 29,2 99 min 0 20,7 65 rata-rata 229,97 24,43 83,36 Insolasi 2,30 kWh/m 2 /hari
Dari  hasil  pengukuran  potensi  energi  surya  di  atas  terlihat  bahwa  nilai  irradiasi  surya yang  didapatkan  tidak  jauh  berbeda  dibandingkan  dengan  hasil  pengukuran  potensi energi  surya  yang  dilakukan  BPPT  untuk  Kota  Bandung,  yaitu  4,149  kWh/m 2 /hari. Selisih  yang  terjadi  disebabkan  lamanya  waktu  pengukuran  yang  hanya  tujuh  hari. Selain  itu,  pada  bulan  Desember  dan  Januari,  sebagian  besar  wilayah  Indonesia, khususnya  Kota  Bandung  mengalami  musim  hujan.  Untuk  mendapatkan  data  yang dapat  menggambarkan  potensi  energi  surya  suatu  daerah  dengan  lebih  akurat pengukuran  hendaknya  dilakukan  dalam  rentang  waktu  yang  lebih  panjang,  yaitu sekurang-kurangnya  satu  tahun,  sehingga  potensi  energi  surya  saat  musim  kemarau pun dapat terpantau.
(a) (b) (c)
Gambar 7 Hasil pengukuran irradiasi surya di Antapani (a), Kiaracondong (b), dan
ITB (c)
(a) (b) (c)
Gambar 8 Hasil pengukuran temperatur di Antapani (a), Kiaracondong (b), dan ITB
(c)
(a) (b) (c)
Gambar 9 Hasil pengukuran kelembapan relatif di Antapani (a), Kiaracondong (b), dan ITB (c)

## 5 Kesimpulan
Penelitian  ini  menghasilkan  perangkat  monitoring  potensi  energi  surya  yang  dapat mengukur irradiasi surya, temperatur dan  kelembaban  relatif  berbasis mikrokontroler. Dari  hasil  kalibrasi  alat  dengan Automatic  Weather  Station (AWS)  di  Taman  Alat Meteorologi  ITB  didapatkan full  scale  error rata-rata  untuk  pengukuran  radiasi  surya, temperatur dan kelembaban sebagai berikut 1, 33 %; 5, 12 % dan 4, 45 %. Sementara standar  deviasi  kesalahan  mutlak  untuk  pengukuran  irradiasi  surya,  temperatur  dan kelembaban  adalah  19,  82  ;  0,  33  dan  1,  42.  Pengukuan  potensi  energi  surya  juga telah  dilakukan  di  Kota  Bandung  (Antapani,  Kiaracondong  dan  ITB)  pada  tanggal  27 Desember 2012 hingga 22 Januari 2013. Dari hasil pengukuran tersebut diperoleh nilai insolasi rata –rata di Antapani sebesar 3, 79 kWh/m 2 hari, di Kiaracondong sebesar 3, 70 kWh/m 2 hari dan di ITB sebesar 2, 30 kWh/m 2 hari.

## 6 Daftar Pustaka
[1] Rahardjo,  Irawan,  dkk., Analisis  Potensi  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  di Indonesia :, BPPT, Jakarta, tanpa tahun. Pp. 1-8.
[2] “Top  10  World's  Most  Efficient  Solar PV  Mono-Crystalline  Cells”, http://www.solarplaza.com/top10-monocrystalline-cell-efficiency .  (Diakses  pada bulan Januari 2013)
[3] I  Dewa  Ayu  Sri  Santiari.  2011.  “Studi  Pemanfaatan  Pembangkit  Listrik  Tenaga Surya Sebagai Catu Daya Tambahan pada Industri Perhotelan di Nusa Lembongan Bali”. Tesis , Universitas Udayana, Denpasar.
[4] Peraturan  Menteri  Energi  dan  Sumber  Daya  Mineral  Republik  Indonesia  No.  30 Tahun 2012 tentang Tarif Tenaga Listrik PT PLN (Persero).
[5] Sukhatme,  S.P.,  et.al..  2008. Solar  Energy,  Principles  of  Thermal  Collection  and Storage 3rd Edition , McGraw Hill, New Delhi, 71-73.
[6] TU Delft OpenCourseWare, “Solar Radiation”. http://ocw.tudelft.nl//fileadmin/ocw/courses/SolarCells/res00026/CH2_Solar_radi ation.pdf . (Diakses pada bulan Januari 2013)
[7] Walcek, Chris J. 2004. “Cloud Cover and Its Relationship to Relative Humidity during a Springtime Midlatitude Cyclone”. American Meteorological Society , 1021-1023.
[8] Ahrens, C.  Donald, Essentials of Meteorology, an  Invitation to the Atmosphere 3rd Edition, 79-80.