Analisis Desain Kontrol Termal. (Poki Agung Budiantoro Dan Ahmad Fauz. ANALISIS DESAIN KONTROL TERMAL PANEL SURYA YANG DAPAT DIBENTANGKAN PADA MIKROSATELIT-SAR LAPAN MENGGUNAKAN METODA SATU NODAL (THERMAL CONTROL DESIGN ANALYSIS OF LAPAN SARMICROSATELLITE DEPLOYABLE SOLAR ARRAY PANEL USING ONE NODAL METHODE) Poki Agung Budiantoro1. Ahmad Fauzi Pusat Teknologi Satelit Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Jl. Cagak Satelit km. 0,4 Rancabungur. Bogor. Indonesia 1e-mail: poki. agung@lapan. Diterima : 05 Juli 2019. Direvisi : 25 September 2019. Disetujui : 30 September 2019 ABSTRAK Mikrosatelit-SAR LAPAN merupakan satelit mikro pertama LAPAN yang sedang dikembangkan dan direncanakan membawa muatan Synthetic Aperture Radar (SAR). Berbeda dengan satelit optis yang telah dikembangkan, mikrosatelit-SAR LAPAN membutuhkan daya listrik yang lebih besar. Panel surya dibutuhkan untuk mengubah radiasi sinar matahari menjadi energi listrik yang digunakan oleh seluruh subsistem satelit sebagai energi untuk menjalankan fungsinya. Semakin besar luasan panel surya, semakin besar pula energi yang didapatkan. Sel surya harus berada pada suhu kerjanya, apabila terjadi panas yang berlebih maka akan mengalami penurunan efisiensi. Bila terjadi penurunan efisiensi pada solar cell, maka akan berdampak pada penurunan daya yang dihasilkan. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan desain termal pasif pada panel surya untuk menjaga suhu sesuai dengan suhu Perhitungan dilakukan terhadap suhu panel surya dengan berbagai nilai termo optik pada permukaan depan dan belakang menggunakan metoda analisis satu nodal. Berdasarkan hasil kalkulasi dari semua disain sistem kontrol termal pasif pada studi ini menunjukkan bahwa. Desain-5 dengan permukaan akhir menggunakan Chemglaze A276 white paint (=0. A=0. pada permukaan depan dan permukaan belakang panel surya yang dapat dibentangkan adalah desain kontrol termal yang lebih baik dari Desain-1, 2, 3, dan 4 sehingga dapat digunakan pada panel surya yang dapat dibentangkan mikrosatelit-SAR LAPAN. Kata kunci : panel surya yang dapat dibentangkan, sel surya, suhu, energi Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 17 No. 2 Desember 2019 : hal 157-168 ABSTRACT LAPAN SAR-Microsatellite is the first LAPAN micro satellite being developed and planned to carry a Synthetic Aperture Radar (SAR) payload. Different from optical satellites that have been developed. LAPAN SAR-Microsatellite requires a lot more power. Solar array panels are needed to covert solar radiation into electrical energy which is used by all of subsystem satellite as energy to keep The larger the area of solar array panel, more greater to the energy obtanied. Solar cell should in working temperature, if they experience excessive heat can be decrease the efficiency. If there is a decrease in efficiency in the solar cell, it will have an impact on the decrease in power produced. The purpose of this study is to conduct passive thermal design on solar panels to maintain temperature according to their working temperature. Calculations are carried out on the temperature of solar array panel with various thermo-optical properties at the front and the back side surface used one nodal analysis methode. According to the calculation result from all of the designs passive thermal control system on this study show that Design-5 used Chemglaze A276 white paint surface finish (=0. A=0. on the front and the back surface of deployable solar array panel is better thermal control design than Design-1, 2 , 3, and 4, so that it can be use for deployable solar array panel LAPAN SAR-microsatellite. Keywords: deployable solar array panels, solar cell, temperature, energy PENDAHULUAN Dalam misinya, satelit membutuhkan daya. Daya pada satelit digunakan untuk menjalankan komponen elektronik yang Komponen elektronik yang dibawa oleh satelit secara umum terdiri dari on-board computers (OBC), attitude control system (ACS), power system, payload system and telemetry, tracking and command (TTC). Daya pada satelit dihasilkan dari cahaya matahari yang ditangkap dan dikonversi menjadi energi listrik oleh sel surya yang disimpan pada baterai, selanjutnya digunakan sebagai sumber energi oleh seluruh komponen Satelit SAR membutuhkan daya yang jauh lebih besar dibandingkan dengan satelit optis, hal ini dikarenakan menjalankan antena SAR sangat besar. Sebagai contoh, pada mikrosatelit SAR LAPAN-Chiba membutuhkan konsumsi energi sebesar 1011 Wh selama 24 jam (Triharjanto, 2. Sehingga dalam pemenuhan daya yang sangat besar tersebut membutuhkan luas area panel surya yang besar yang terpapar sinar Sistem panel surya pada satelit secara umum dibagi menjadi 3, yaitu menempel pada struktur satelit . , membentang . , dan kombinasi keduanya . ody-mounted and Pada sistem body-mounted, panel surya ditempatkan pada struktur satelit yang terpapar sinar matahari. Sedangkan pada sistem deployable, panel surya ditempatkan membentang diluar struktur utama satelit. Dalam membuat desain panel surya satelit, dimungkinkan menggunakan kombinasi body-mounted dan deployable hal ini dikarenakan untuk memaksimalkan memanfaatkan ruang yang tersedia pada struktur utama satelit yang terpapar sinar matahari. Pada Gambar 1-1. terlihat sistem body-mounted panel surya pada struktur utama satelit LAPAN-A2. Gambar 1-2. memperlihatkan sistem deployable panel surya pada satelit SAR ALOS-2. Untuk posisi panel surya pada struktur utama satelit. Septanto . Analisis Desain Kontrol Termal. (Poki Agung Budiantoro Dan Ahmad Fauz. mengatakan bahwa jika mikrosatelit akan memiliki orbit yang sama dengan satelit LAPAN-A3, maka ada dua opsi yaitu normal vektor sejajar dengan sumbu AeYb dan kedua yaitu sejajar dengan sumbu AeZb. Kondisi limgkungan di luar angkasa, khususnya kondisi suhu yang berbeda dengan suhu di bumi. Satelit memiliki kisaran batasan suhu operasi mulai dari -15OC sampai 40OC dan memiliki kisaran batasan suhu untuk tetap bertahan dari 30OC to 70OC (Gilmore, 2. Di ruang angkasa, panel surya terpapar suhu yang sangat ekstrim yaitu sekitar 120OC selama terpapar sinar matahari . dan -170OC ketika tidak terpapar sinar matahri . , dan suhu panel surya mencapai sekitar minimum -60OC dan maksimum 100OC for maximum (Almehisni, 2. Sistem panel surya pada satelit berhubungan langsung dengan panas yang dihasilkan dari radiasi sinar Sel surya yang mengalami panas berlebih akan menyebabkan Penurunan efisiensi pada sel surya memiliki dampak langsung pada penurunan daya yang dihasilkan oleh panel surya, sehingga untuk melakukan pengisian baterai akan memakan waktu yang lebih lama sementara misi satelit harus dijalankan. Oraby Osama A. melakukan analisa kinerja panel surya. Voc Nilainya berkisar 33. 4 V pada 10OC menurun menjadi 29. 9 V pada suhu 70OC, dan fill factor berkisar 0. pada 10OC menurun menjadi 0. 75 pada 70OC. Oleh karena itu sangat penting untuk melakukan perhitungan dan analsis desain kontrol termal panel surya yang dapat dibentangkan bekerja pada kisaran suhu operasi. Gambar 1-1: Body LAPAN-A2 (Sumber: Pusteksat. Gambar 1-2: Deployable panel surya pada satelit SAR ALOS 2 (Sumber: METODA Paduan honeycomb panel telah digunakan untuk desain panel surya komposit yang dapat dibentangkan pada satelit LAPANA5/Chiba memiliki kekauan yang sangat baik (Triharjanto and Budiantoro, 2. Dimana satelit-satelit LAPAN generasi sebelumnya menggunakan material pelat paduan aluminium 7075 T651. Li . telah menggunakan stainless steel untuk yoke dan karbon epoksi untuk fram pendukung panel surya. Pada tulisan ini, digunakan honeycomb panel paduan Analisis termal yang . urface finish treatmen. akan dilakukan. Analisis termal pada satelit dilakukan menggunakan 2 cara, yaitu Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 17 No. 2 Desember 2019 : hal 157-168 perangkat lunak simulasi. Tilok K. Das . telah mengusulkan prosedur mirosatelit dan nanosatelit yang memiliki panel surya yang dapat dibentangkan menggunakan analisis 2 nodal, dan analisis 3 nodal. Totani dkk. 2, 2013, telah mengusulkan prosedur baru nanosatelit yang tidak menggunakan panel surya yang dapat dibentangkan yang menerapkan dua konsep desain perubahan suhu pada struktur utama satelit . ain body of the satellite/ MBS) dengan menggunakan kapasitas panas total pada MBS dan penurunan perubahan suhu pada struktur satelit dipasang pada kisaran suhu yang Almehisni . tulisannya, menggunakan perangkat lunak NX Space Thermal untuk perpindahan panas pada satelit. Dikarenakan Pusteksat Ae LAPAN simulasi termal satelit seperti NX Space Thermal. MSC Sinda. Thermal Desktop dan lain-lain, maka untuk dapat melakukan desain termal kontrol panel surya yang dapat dibentangkan pada mikrosatelit-SAR LAPAN menggunakan perhitungan numerik. Pada tulisan ini, perhitungan numerik menggunakan metoda analisis satu nodal dilakukan untuk perhitungan desain kontrol termal pasif pada kasus panas dan dingin terburuk dengan kondisi steady-state equilibrium. Metoda analisis satu nodal cocok digunakan untuk menghitung suhu panel surya dikarenakan panel surya hanya memiliki satu sumber panas internal sehingga tidak terlalu kompleks dibandingkan dengan sistem satelit yang memiliki berbagai sumber panas internal. Sumber panas internal sistem satelit berasal dari subsitem-subsistem yang dibawanya yang ditempatkan pada struktur utama Selain itu, sistem satelit memiliki struktur utama yang terdiri dari bagian luar dan bagian dalam sehingga memerlukan lebih dari satu nodal untuk melakukan perhitungan suhu satelit. Persamaan energi pada analisis satu nodal dinyatakan sebagai berikut: yco"#$% ya"#$% "() . = ycE(-*$. MULAI Tentukan nilai parameter orbit satelit, worst hot case dan worst cold case Solar constant & Albedo Tentukan and A sel surya dan permukaan Hitung suhu panel surya (T) menggunakan Persamaan . -60OC < T < 100OC Yes Suhu panel surya SELESAI Gambar 2-1. Diagram alur perhitungan desain kontrol termal pasif. Masing-masing tipe kasus desain kontrol termal yang memiliki nilai termo optik berbeda dilakukan perhitungan. Kisaran suhu kerja untuk desain termal panel surya yang dapat dibentangkan Analisis Desain Kontrol Termal. (Poki Agung Budiantoro Dan Ahmad Fauz. adalah -60OC untuk kasus dingin terburuk dan 100OC untuk kasus panas terburuk, dan konduksi antara panel surya dan MBS diabaikan. Akhirnya, desain kontrol termal dengan kisaran suhu kerja yang terbaik yang akan dipilih sebagai desain kontrol termal pasif untuk panel surya yang dapat dibentangkan pada mikrosatelit SAR LAPAN. Gambar 2-1 memperlihatkan diagram alur yang digunakan dalam perhitungan kontrol termal pasif pada panel surya yang dapat LINGKUNGAN TERMAL Pada studi ini, posisi panel surya ditempatkan secara paralel dengan sumbu AeY. Di orbitnya, satelit dan panel surya mendapatkan panas dari beberapa sumber panas yaitu matahari, bumi dan juga dari dalam satelit itu sendiri yang berasal dari komponen-komponen yang Lingkungan termal utama dari satelit dan juga panel surya terdiri dari: solar radiation, albedo, dan IR earth emitted radiation. Ketinggian satelit mempengaruhi suhu pada panel surya karena memiliki perbedaan radius angular dengan bumi. Lingkungan termal pada satelit dengan panel surya yang dapat dibentangkan terlihat pada Gambar 3-1 dibawah ini dan posisi satelit di orbit terlihat pada Gambar 3-2 Sun Solar Radiatio Emitted Radiation to Space Earth IR Radiation Ear Earth Albedo Gambar 3-1: Lingkungan termal satelit dengan panel surya yang dapat Radiasi Sinar Matahari (Solar Radiatio. Bentuk orbit bumi ke matahari disebabkan terdapat jarak terjauh dan terdekat bumi terhadap matahari. Jarak dinamakan aphelion dan jarak terdekat bumi terhadap matahari dinamakan Jarak terjauh dan terdekat bumi terhadap matahari menyebabkan 2 musim yaitu musim panas . dan musim dingin . Jarak terjauh selama musim panas dan jarak terdekat selama musim dingin. Intensitas sinar matahari ke bumi selama musim panas sebesar 1317 W/m2, dan 1419 W/m2 selama musim dingin (W. Tobiska. Perilaku termal pada panel surya satelitmikro-SAR LAPAN yang dapat dibentangkan akan dianalisis pada kondisi kasus panas dan kasus dingin. Energi langsung dari sinar matahari dinyatakan sebagai berikut: ycE/ = yu123 ya# ya"#6 ycaycuyc A. Albedo Bumi (Earth Albed. Albedo bumi adalah fluks sinar matahari yang dipantulkan oleh bumi ke ruang angkasa . Reflektifitas albedo bumi tergantung pada kenyataan bahwa cahaya matahari yang menyinari lautan, daratan, wilayah salju/es, dan tutupan awan. Nilai koefisien albedo bumi adalah 0. 56 pada kondisi kasus panas dan 0. 18 pada kondisi kasus dingin (R. Karam, 1. Energi albedo bumi dinyatakan sebagai berikut: ycE1. yu#<"= ya# ya#<"= yca ya# ya$ yayce ycaycuyc A. Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 17 No. 2 Desember 2019 : hal 157-168 Ka adalah faktor koreksi refleksi dari lingkaran bumi, dinyatakan sebagai ya$ = 0. 521 yuU Oe . 203 yuU N ) . yuU adalah radius angular bumi, yang dinyatakan sebagai berikut: yuU = ycycnycuRS [ ya ycIV Dimana ycIV adalah radius bumi dan H adalah ketinggian satelit. yayce adalah fill factor yang dinyatakan sebagai berikut: yayce = yayceA Oe yaSN Permukaan Akhir . Radiasi Inframerah Bumi (Earth IR Radiatio. Sinar matahari yang menuju bumi sebagian dipantulkan oleh albedo permukaan bumi. Penyerapan sinar matahari oleh permukaan bumi pada akhirnya dipancarkan kembali ke ruang angkasa sebagai energi infra merah Energi tergantung pada suhu lokal permukaan bumi, jumlah awan, dan Emissivity berbagai daerah. Energi inframerah bumi dinyatakan sebagai berikut: ycEV$ = yuA#<"= y. ^ ya#<"= ya= . DESAIN KONTROL TERMAL Sistem Kontrol Termal Pada satelit, sistem kontrol termal diperlukan untuk menjaga kondisi suhu dari seluruh komponen satelit dan juga Secara garis besar, sistem kontrol termal satelit dibagi menjadi 2 Tabel 1: Dimana: yayce Z = ycycnycuN yuU yaitu kontrol termal pasif dan kontrol termal aktif. Kontrol termal pasif tidak memiliki pemanas seperti pada kontrol termal aktif. Panel surya yang dapat kontrol termal pasif. Panel surya yang dapat dibentangkan pada satelitmikroSAR LAPAN menggunakan desain kontrol termal pasif hasil dari nilai termo optikal Tabel Memperlihatkan nilai termo optikal perumukaan akhir material. Material Aluminium NILAI TERMO PERUMUKAAN MATERIAL OPTIKAL AKHIR Absorptivity Emissivity () (A) (Goueffon, (Goueffon. Aluminium (Boushon, (Boushon. Kapton Polyimide (Mitchao, (Mitchao. Tape 235- 3M Black (Boushon, (Boushon. Chemglaze A-276 White (Boushon, (Boushon. Paint Perhitungan Desain Kontrol Thermal Panel Surya yang dapat ycE(-*$. = ycE/ ycEV$ ycE1. Oe ycE"#6 Oe ycE"#_ Oe ycE^SN Oe ycE3=a . Persamaan . memperlihatkan energi masukan untuk panel surya yang dapat dibentangkan berasal dari radiasi sinar matahari . cE/ ), inframerah bumi Analisis Desain Kontrol Termal. (Poki Agung Budiantoro Dan Ahmad Fauz. cEV$ ), dan albedo bumi . cE1. Energi masukan adalah anergi yang diserap oleh panel surya yang dapat dibentangkan, sedangkan energi keluaran adalah energi yang dikeluarkan dari panel surya yang dapat dibentangkan ke ruang angkasa dan radiasi ke MBS. Persamaan energi keluaran dinyatakan sebagai berikut: Tabel 2: PARAMETER PERHITUNGAN Parameter ycE"#6 = yuA123 ya"#6 yua ycN d ycE"#_ = yuA"#_ ya"#_ yua ycN Pembangkit daya yang digunakan adalah sel surya triple junction dari Azure Space solar power GmbH. Tabel 4 memperlihatkan spesifikasi sel ycE^SN = yuA"#6 yuAef/ yaSN ya"#_ yua . cNSd Oe ycNNd ) . ycE"#6 adalah energi keluaran dari bagian depan . ront sid. panel surya yang dapat ycE"#_ keluaran dari bagian belakang . ack sid. panel surya yang dibetangkan , dan ycE^SN adalah energi radiasi dari panel surya yang dapat dibentangkan ke MBS T1=T and T2 adalah suhu MBS. Sel surya ditempatkan pada bagian depan panel surya berfungsi untuk menghasilkan energi listrik dari radiasi sinar matahari. Lintasan satelit yang digunakan adalah polar sun-synchronous dengan ketinggian 600 km dan sudut kemiringan 97O. Sikap operasi satelit adalah mengarah bumi . arth pointin. , dengan perode orbit selama 96. 7 menit dan periode eclipse adalah 35. 5 menit. Perhitungan daya yang dihasilkan oleh panel surya dinyatakan sebagai berikut: ycE3=a = ycE"#$% = yuCh=. ya# ya" yaycuyc yuE ya/1 . r<6=*