BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2. Konstanta Surya Konstanta surya (G) adalah konstanta yang digunakan sebagai dasar acuan untuk mengetahui besarnya intensitas radiasi surya sebelum mengalami penurunan karena berbagai macam hambatan dalam perjalanannya menuju permukaan bumi. Hambatan yang timbul itu adalah seperti ketika radiasi surya melewati lapisan-lapisan atmosfir, itu yang mempengaruhi posisi matahari, letaknya pada permukaan bumi, dan kondisi-kondisi lainnya. Lapisan luar dari matahari memancarkan suatu spectrum radiasi yang kontinyu. Matahari dapat dianggap sebagai sebuah benda hitam atau sebuah radiator sempurna pada 5762 K. Tabel 2. Satuan lain untuk Konstanta Surya Konstanta Surya (G) 353 W/m Btu/(hr.ft2) 6.4 Langley/hr 4.87 MJ/m 2.hr (sumber: Wiranto Arismunandar, 985 hal: 7) Dari tabel di atas memuat konstanta surya dalam satuan lain. Satuan langley sama dengan kalori/cm 2, adalah satuan yang umumnya dapat dijumpai dalam literatur mengenai radiasi surya, dimana kalori = 4,87 Joule, maka langley = kalori/cm 2 = 0,0487 MJ/m Radiasi Matahari Radiasi matahari merupakan sumber energi utama untuk proses-proses fisika atmosfer yang menentukan kedaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi. Permukaan matahari bertemperatur 6000 K, dengan jarak dari bumi 50 juta km. Radiasi yang sampai di puncak atmosfer.360 W/m 2, yang sampai ke permukaan bumi setengah dari yang diterima di puncak atmosfer. Rata-rata 30% radiasi yang sampai di permukaan bumi dipantulkan kembali ke angkasa luar. Kemudian tidak semua radiasi Teknik Konversi Energi 6

2 matahari sampai ke permukaan bumi, karena sebagian ada yang dipantulkan lagi oleh awan ke angkasa dan sebagian lagi diserap oleh atmosfer bumi. Sebagian radiasi matahari diserap oleh permukaan bumi (di darat dan di laut) yang kemudian membuat permukaan bumi menjadi hangat Radiasi yang dipancarkan permukaan matahari (Es) adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Boltzmann (ς), pangkat empat temperatur permukaan absolute (T 4 s ), dan luas permukaan (π.d 2 s ). Persamaannya adalah sebagai berikut: Es = ς. π. d s 2. T s 4 [W] (2.) σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 0-8 [W/m 2.K 4 ] T s d s = temperatur permukaan matahari [K] = diameter matahari =,39 x 0 9 [m] Radiasi flux pada unit area dari permukaan itu berbentuk bola, dan dalam hal ini konstanta matahari dapat dicapai dari persamaan sebagai berikut: G = ς.π.d s 2.T s 4 4R 2 [W/m 2 ]..(2.2) T s = temperatur permukaan matahari [K] = 5762 K R = jarak rata-rata antara matahari dan bumi [m] =,5 x 0 (sumber: Ted J. Jansen, 985 hal: 4) 2..2 Jenis-jenis Radiasi Jenis-jenis radiasi matahari yang nantinya akan mengenai suatu kolektor di permukaan bumi dibedakan menjadi: ) Radiasi langsung (beam) Radiasi langsung adalah radiasi surya yang diterima dari matahari tanpa disebarkan oleh atmosfer. Intensitas radiasi langsung atau sorotan per-jam pada sudut masuk normal I bn adalah: Teknik Konversi Energi 7

3 I bn = I b cos z...(2.3) I bn I b = radiasi langsung pada sudut masuk normal = radiasi sorotan pada suatu permukaan horizontal cos z = sudut zenith (sumber: Wiranto Arismunandar, 985 hal: 3) 2) Radiasi hambur (diffuse) Radiasi hambur adalah radiasi surya yang diterima dari matahari sesudah arahnya berubah setelah terpencar oleh atmosfer. Radiasi hambursebaran atau disebut juga radiasi langit (sky radiation) adalah radiasi yang dipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer, karena itu berasal dari seluruh permukaan hemister. Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran pada permukaan miring dinyatakan dengan: I dt = Id ( I dt I d.0+cos β )...(2.4) 2 = radiasi sebaran pada bidang miring = radiasi sorotan terukur pada suatu permukaan horizontal cos β = reflaktansi dianggap untuk permukaan tanpa salju dan 0.7 untuk lapisan salju yang baru turun (sumber: Wiranto Arismunandar, 985 hal: 30) 3) Radiasi pantulan tanah (ground reflected) Radiasi pantulan tanah adalah radiasi yang berasal dari matahri yang diserap oleh tanah dan dipantulkan kembali ke atmosfer. Persamaannya adalah: I rt = I bt + I T...(2.5) I rt = radiasi komponen pantulan I bt I T = radiasi komponen sorotan = radiasi total pada permukaan bidang miring (sumber: Wiranto Arismunandar, 985 hal: 30) Teknik Konversi Energi 8

4 4) Radiasi total Radiasi total adalah penjumlahan dari radiasi beam, diffuse dan pantulan tanah. I T = I bt + I rt + I dt...(2.6) I T I bt I rt I dt = radiasi total pada permukaan bidang miring = radiasi komponen sorotan = radiasi komponen pantulan = radiasi sebaran pada bidang miring (sumber: Wiranto Arismunandar, 985 hal: 30) 2.2. Hukum Pemantulan Cahaya Snellius Ada dua hukum pemantulan cahaya yang dikemukakan oleh Snellius, yaitu:. Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik pada bidang itu. 2. Sudut antara sinar pantul dan garis normal (sudut pantul/ r) sama dengan sudut antara sinar datang dan garis normal (sudut datang/ i = r). Garis normal adalah garis yang tegak lurus bidang datar. Gambar 2. Sudut datang dan sudut pantul pada bidang datar (Sumber: Hukum Pembiasan Cahaya Snellius Pembiasan cahaya (refraksi) adalah pembelokan arah rambat cahaya ketika memasuki medium lain yang berbeda kerapatan optiknya. Ada dua hukum pembiasan cahaya yang dikemukakan oleh Snellius, yaitu:. Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik. Teknik Konversi Energi 9

5 2. Sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat dibiaskan mendekati garis normal. Sebaliknya, sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat dibiaskan menjauhi garis normal. Berdasarkan teori muka gelombang, rambatan cahaya dapat digambarkan sebagai muka gelombang yang tegak lurus arah rambatan dan muka gelombang itu membelok saat menembus bidang batas medium dan medium 2 seperti dipelihatkan gambar di bawah ini: Gambar 2.2 Muka gelombang pada peristiwa pembiasan (Sumber: Jenis-jenis Pemantulan Cahaya Cahaya yang datang pada suatu permukaan akan dipantulkan tergantung dari sifat permukaannya, atau dikenal dengan pemantulan teratur dan pemantulan baur (difus). Sifat-sifat pemantulan teratur: - Sinar sejajar dipantulkan sejajar juga, - Banyak sinar pantul yang mengenai mata pengamat sehingga benda tampak bersinar terang, - Terjadi pada objek/benda, - Benda yang permukaannya halus (rata) seperti kaca, baja, dan alumunium. Gambar 2.3 pemantulan teratur Teknik Konversi Energi 0

6 Sifat-sifat pemantulan baur (difus): - Berkas sinar-sinar sejajar dipantulkan ke segala arah, - Hanya sedikit sinar pantul yang mengenai mata pengamat sehingga benda tampak suram, dan - Terjadi pada benda yang mempunyai permukaan kasar (tidak rata). Gambar 2.4 pemantulan baur (difus) (sumber: Dahnil Zainuddin, 999 vol. hal: 23) 2.3 Konduktivitas Termal Konduktivitas termal adalah sifat fisik dari suatu bahan atau material. Satuan yang digunakan untuk konduktivitas termal adalah W/m. o C. Nilai konduktivitas fluida bervariasi, nilai maksimal adalah logam dan paling rendah adalah serbuk yang telah dipress. Zat padat dengan konduktivitas rendah digunakan untuk bahan isolator yaitu untuk membuat aliran kalor minimum. Nilai konduktivitas beberapa bahan untuk memperlihatkan urutan besaran yang digunakan saat perhitungan diantaranya: Tabel 2.2 Nilai Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Material Bahan Logam Konduktivitas Termal (k) W/m. o C Btu/h.ft. o F Perak (murni) Tembaga (murni) Aluminium (murni) 2 7 Nikel (murni) Besi (murni) Baja karbon, % C Bukan Logam Magnesit 4,5 2,4 Kaca 0,78 0,45 Serbuk gergaji 0,059 0,034 Teknik Konversi Energi

7 Glasswool 0,038 0,022 Zat Cair Air-raksa 8,2 4,74 Air 0,556 0,327 Amonia 0,540 0,32 Freon 2, CCL 2 F 2 0,0753 0,042 Gas Hidrogen 0,75 0,0 Udara 0,024 0,039 Uap air (jenuh) 0,0206 0,09 Karbon dioksida 0,046 0,00844 (Sumber: J.P Holman, 994 hal: 7) 2.4 Radiasi Benda Hitam Benda-benda nyata bukan merupakan benda hitam meradiasikan energi lebih sedikit dibandingkan dengan benda hitam. Untuk memperhitungkan hal tersebut harus didefenisikan emissivitas (ε) dalam daya radiasi benda nyata dan benda hitam yang dihitung pada temperatur yang sama. Perbandingan daya radiasi total benda (W) terhadap daya radiasi total benda hitam (Wb) didefinisikan sebagai daya emissivitas. Disebut benda hitam karena bahan yang mematuhi hukum ini tampak hitam. Benda hitam juga dapat dikatakan sebagai banda yang menyerap seluruh radiasi yang menimpanya. Beberapa hukum-hukum radiasi benda hitam diantaranya adalah:. Hukum Stefan Boltzman Fluks radiasi panas dari sebuah permukaan benda hitam disebut daya radiasi (W), dikemukakan oleh Stefan Boltzman. Pertimbangan termodinamika memperlihatkan bahwa W sebanding dengan pangkat empat dari Temperatur mutlak (absolut). Jadi, total radiasi yang diradiasikan oleh benda hitam yaitu sebagai berikut: W = ε. σ. T 4...(2.7) W = Total energi radiasi (W/m 2 ) ε σ T = Emissivitas benda = Tetapan Stefan Bolzman 5,669 x 0-8 W/ m 2 K 4 atau = 0,74 x 0-8 Btu/jam ft 2 R 4 = Temperatur absolut (K) (sumber: Sri Wuryanti, 995 hal: 89) Teknik Konversi Energi 2

8 Nilai emissivitas pada benda berbeda-beda nilainya, di bawah ini beberapa nilai emissivitas benda sebagian dari keseluruhan yang ada pada sumber tertulisnya. Tabel 2.3 Emissivitas Total Normal Berbagai Permukaan No Permukaan Emissivitas (ε) Logam Aluminium Pelat mengkilap 98,3% murni 0,039 0,057 Pelat lembaran 0,09 Pelat teroksidasi 0,2 0,3 2 Kuningan Pelat pudar 0,22 Krom 0,08 0,36 3 Pelat Tembaga dipanaskan 0,78 4 Baja lunak 0,2 0,32 5 Perak murni 0,02 0,032 6 Seng 0,23 Bahan-tahan api, bahan bangunan, cat dan logam Bata merah 0,93 2 Karbon pelat kasar 0,77 3 Aluminium cat hitam 0,52 4 Karet 0,94 5 Air 9,95 0,963 (Sumber: J.P Holman, 994 hal: ) 2. Hukum Planck Jika didistribusikan dalam spektrum benda hitam, daya emissitivitas monokromatik benda hitam ditetapkan pada hukum Planck. Energi monokromatik yang dipancarkan oleh permukaan yang melakukan radiasi tergantung pada temperatur permukaan selain panjang gelombang radiasi. 3. Hukum Wien Pada Temperatur tertentu, daya radiasi monokromatik mempunyai harga maksimum, untuk gelombang (λ maks). Besarnya λ maks berbanding terbalik dengan temperatur absolut. 2.5 Sistem Pemanas Air Surya Pemanas air surya atau solar water heater adalah alat yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai sumber pemanas untuk memanaskan air. Pemanas air surya ini pada umumnya terdapat dua sistem, yaitu sistem pemanas air surya aktif dan sistem pemanas air surya pasif. Teknik Konversi Energi 3

9 2.5. Sistem Pemanas Air Surya Aktif Sistem pemanas air surya aktif merupakan sistem yang menggunakan bantuan pompa untuk mensirkulasikan air ke dalam kolektor, dimana sistem pemanas air surya aktif ini terdiri dari kolektor, pompa sekunder, tangki penyimpan (storage), heater, dan pipa-pipa air. Gambar 2.5 skema sistem solar water heater aktif (sumber: Matilda, Yohannes, Ferdinan, fisika teknik 2003) Cara kerja dari sistem solar water heater tersebut yakni air dipompa dari sumur ke tangki penyimpan hingga penuh, kemudian saat matahari bersinar, pompa yang berada pada saluran pipa tangki dihidupkan untuk menggerakkan fluida kerja (air). Fluida kerja yang bersirkulasi dalam pipa di kolektor tersebut akan mentransfer kalor dari kolektor ke tangki penyimpan air. Kemudian air dari tangki penyimpan disalurkan melalui pipa tembaga berisolasi ke keran keluaran Sistem Pemanas Air Surya Pasif Sistem pemanas air surya pasif adalah sistem yang menggunakan prinsip thermosiphon, sehingga tidak memerlukan pompa untuk mensirkulasikan air. Sirkulasi air yang terjadi di dalam pemanas air thermosiphon berlangsung secara alami, sirkulasi alami disebabkan karena perbedaan massa jenis air antara air kolektor (panas) dengan air yang masuk kolektor (dingin). yang keluar dari Teknik Konversi Energi 4

10 Gambar 2.6 Pemanas Air Termosiphon (Sumber: Komponen-Komponen Kolektor surya Peralatan utama dan beberapa komponen pada sistem kolektor surya (pemanas air) meliputi beberapa hal sebagai berikut: 2.6. Box Kolektor Surya Box kolektor surya dengan luas permukaan total 0,6 m 2 dirangkai seperti gambar design yang telah ditentukan. Box kolektor surya bekerja dengan menampung sinar radiasi surya pada permukaan penyerap panas dengan menggunakan pelat penyerap. Luas permukaan pelat penyerap (absorber) sama dengan luas permukaan yang terkena sinar matahari Pelat Penyerap (absorber) Pelat penyerap pada pengumpul kolektor berfungsi menyerap energi radiasi matahari kemudian mengubahnya menjadi energi panas. Energi ini dipindahkan secara konduksi dan konveksi ke air yang mengalir di dalam pipa. Pelat penyerap merupakan bagian terpenting dari pemanas tenaga surya. Alat ini sebagai media perpindahan panas yang berlangsung secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Pelat penyerap terdiri dari pipa-pipa pelat tembaga yang dihubungkan oleh pelat absorber yang dicat hitam. Cat hitam ini berfungsi untuk meningkatkan penyerapan radiasi matahari oleh pelat penyerap. Selain dicat hitam, umumnya pelat kolektor terbuat dari bahan dengan konduktivitas panas tinggi. Karena temperatur pelat lebih tinggi dari temperatur udara sekitar, maka ada perpindahan panas yang tidak diinginkan dari pelat ke udara sekitar. Teknik Konversi Energi 5

11 Hal ini membuat fluida yang dialirkan dalam kolektor surya keluar pada temperatur lebih rendah. Panas yang dari pelat ke permukaan sebelah dalam kaca penutup yaitu dalam bentuk konveksi bebas dan radiasi. Sedang dari permukaan luar kaca penutup panas hilang secara konveksi ke udara sekitar. Semakin luas permukaan pelat penyerap, semakin banyak energi radiasi yang diserap oleh pelat, maka kehilangan panas secara konveksi dan radiasi semakin besar juga. Kehilangan panas ini dapat dikurangi dengan memasang kaca penutup yang transparan terhadap radiasi matahari tetapi tidak transparan terhadap radiasi panas. Dengan demikian panas akibat radiasi panas kolektor ke sekeliling dapat dikurangi Kaca Penutup Transparan Energi surya yang diterima kolektor surya sebagian diserap oleh kaca penutup, sebagian dipantulkan kembali ke udara dan sebagian lagi diteruskan ke pelat kolektor. Dengan demikian, energi surya dikonversi menjadi panas. Dengan menyerap panas, teperatur kaca penutup naik, begitu juga temperatur pelat kolektor. Namun, temperatur pelat kolektor lebih tinggi daripada kaca penutup karena energi surya yang diserap pelat lebih banyak daripada yang diserap kaca penutup. Menurut John A. Duffie dan William A. Beckman, panas yang diserap kolektor dipengaruhi oleh kaca penutup. Jenis kaca penutup yang digunakan menentukan banyaknya energi matahari yang diserap kaca, yang ditransmisikan ke udara diantara kaca pelat dan yang direfleksikan kembali ke atmosfir Pipa Tembaga Berkelok Kolektor Surya yang memiliki pipa fluida seri berkelok ini memiliki satu aliran fluida pada pipa panjang yang dibentuk fleksibel. Pada bentuk ini tidak ada permasalahan dalam perbedaan laju aliran fluida, karena hanya ada satu jalur fluida yang dikenal dengan sebutan seri. Sebagai perbandingan, biasanya masalah utama pada kolektor yang memiliki tipe pipa paralel adalah adanya pembatasan pada laju aliran fluidanya (hambatan atau rugi-rugi), maka pembatasan laju aliran akan semakin besar dan akan memberikan beban yang tidak perlu pada pompa sirkulasi. Dengan membuat kolektor dengan tipe pipa berkelok akan menghilangkan masalah tersebut. Pada proses pembuatannya, yang perlu diperhatikan adalah saat menekuk (bending) bagian pipa agar jangan sampai material menjadi rusak. Teknik Konversi Energi 6

12 Gambar 2.7 Bentuk pipa fluida berkelok 2.7 Menentukan Karakteristik dan Parameter Kolektor Untuk mendapatkan karakteristik dari kolektor dan menghitung efisiensi kolektor dapat menggunakan persamaan-persamaan sebagai berikut: 2.7. Efisiensi Kolektor Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi panas yang diserap oleh air dari kolektor dengan energi panas yang diterima kolektor Energi Berguna yang Diberikan Kolektor ke Air Energi panas yang diserap oleh air dari kolektor dapat diketahui dari persamaan di bawah ini: q out = m x Cp x T... (2.8) q out m Cp T berikut: = panas yang diserap oleh air (J/s) atau (W) = laju aliran massa air (kg/s) = panas spesifik air (J/kg.K), dicari dari tabel = selisih Tair keluar dan Tair masuk (K) Laju alir massa dapat dapat dicari dengan menggunakan persamaan m = Q x ρ... (2.9) Q = debit aliran air (m 3 /s) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) Teknik Konversi Energi 7

13 Energi Panas yang Diterima Kolektor Energi panas yang diterima kolektor adalah sebagai berikut: q in = Ak x Ig... (2.0) q in = panas yang diterima kolektor (J/s) atau (W) Ak = luas penampang kolektor (m 2 ) I = pancaran radiasi matahari (Watt/m 2 ) (Sumber: J.P Holman, 994 hal: ) 2.8 Persamaan-Persamaan untuk Perhitungan Keenergian secara Teoritis Efisiensi Sirip F = tanh [ [ Ul k.δ.(s d 2 ) ] Ul k.δ.(s d 2 ) ] Keterangan: s = jarak antar pipa d = diameter pipa k = konduktivitas termal pelat alumunium δ = tebal pelat U L U L = kerugian kalor total = Ut + Ub Ut = koefisien kerugian atas Ub = koefisien kerugian bawah Skema tahanan perpindahan panas melalui bagian atas pelat adalah sebagai berikut: /h o Tudara sekitar /h i Tc R (kaca) Tc 2 /h ro Tpelat /h ri Teknik Konversi Energi 8

14 = Ut hi+hri + R (kaca) + ho+hro Dimana : h i = koefisien konveksi (alam) dalam h ri = koefisien radiasi (ekivalen) dalam R (kaca) = harga R dari kaca, t k h o h ro = koefisien konveksi luar = koefisien radiasi (ekivalen) luar fungsi ф, ф2, ф3 adalah fungsi untuk mencari nilai h i, misal saja: ф = ф = T m = Ф2 = Ф3 = 37 (Tm +200) 3 x Tm /2 37 (34,5+200) 3 x 34,5 /2 = 0,965 (Tp +Tc) 2 Tp Tc 50 = 428.(Tm +200) 2/3 = 34,5 K 320,8 307,5 50 = 0,266 Tm 2 = 428.(34,5+200)2/3 34,5 2 = 0,929 Koefisien konveksi alam h i, dalam celah udara sebagai fungsi dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai parameter. Karena itu z. Ф2.Ф3 Dari grafik di buku Ted Jansen didapatkan h i = hi. Ф. Ф2 Koefisien radiasi dalam (ekivalen): hri = ς.(tp 4 Tc 4 ) εp +.(Tp Tc) εc Harga R (kaca) = t k Koefisien konveksi luar kolektor (h o ): h o = 5,7 + (3,8 x Va) = 5,7 + (3,8 x Va) Koefisien radiasi luar (ekivalen) h ro : h ro = εc.ς.(tc 4 Tlangit 4 ) (Tc Tlangit ) Dengan : T langit = 0,0552 (Ta 3/2 ) Teknik Konversi Energi 9

15 Maka tahanan total Perpindahan panas adalah: = + R kaca + Ut hi+hri ho+hro Koefisien kerugian bawah (Ub) = k L Didapatkan Kerugian kalor total (U L ) Tahanan Sirip (Rs): Rs = Ul. F. s d + d = Ut + Ub Viskositas dinamik (μ) pada Trata-rata air, dan laju alir massa pipa per jam (ṁ) didapatkan dari tabel A-9 perpindahan panas pada air. Bilangan Reynold (Re): 4.ṁ Re = ᴫ.di.μ Bilangan Prandl (pr): Cp.μ Pr = k Pada grafik (Re. Pr. di ) di buku Ted Jansen Bab I hal.3, bisa didapat bilangan L Nusselt. Bilangan Nusselt rata-rata (h): h = Nu. k di Tahanan thermal fluida ke dinding (Rtf) adalah: Rt = h.ᴫ.di Tahanan thermal total (Rt): Rt = Rs + Rtf Dari rangkaian perhitungan di atas, didapatkan faktor efisiensinya (F ): F = s x Ul Ul. s d.f+d + h.ᴫ.di Faktor kehilangan panas: Fr G.Cp = F Ul.F Ul.F x exp ( ) G.Cp Efisiensi Kolektor Surya Teoritis (ɳ): Tin Ta ɳ = Fr. (τ.α) Fr. U L. I (sumber: Ted J. Jansen, 985 Bab. III) Teknik Konversi Energi 20