BAB II LANDASAN TEORI. yang cermat dalam perhitungan dan ukuran. Teori-teori yang berhubungan dengan alat

BAB II LANDASAN TEORI Proses perancangan suatu alat ataupun mesin yang baik, diperlukan perencanaan yang cermat dalam perhitungan dan ukuran. Teori-teori yang berhubungan dengan alat yang dibuat perlu dijadikan landasan dalam proses merancang alat ataupun mesin, sehingga dapat menghasilkan rancangan alat ataupun mesin yang baik. 2.1 Energi Matahari Matahari merupakan salah satu energi terbarukan, berada di pusat tata surya dan memancarkan energi radiasi elektromagnetik pada tingkat yang sangat besar dan relative konstan, energy ini diteruskan hingga ke permukaan bumi secara radiasi. Radiasi matahari terjadi karena adanya gelombang elektromagnetik, yang memiliki karakteristik secara umum sama namun dibedakan dalam pengaruhnya, hal ini disebabkan karena perbedaan panjang gelombang masing-masing cahaya. Namun, ada tiga alasan penting mengapa hal ini tidak dapat dilakukan, Pertama, perpindahan bumi dari matahari, dan karena energi matahari yang menyebar seperti cahaya dari lilin, sehingga hanya sebagian kecil dari energi yang mampu meninggalkan energi matahari di wilayah yang sama di bumi. Faktor kedua, bumi berotasi pada sumbu kutub, sehingga perangkat koleksi yang terletak di permukaan bumi dapat menerima sebagian energi radiasi matahari hanya setiap hari. Faktor ketiga dan paling tidak bisa 7

8 diprediksi adalah kondisi kulit tipis atmosfer yang mengelilingi permukaan bumi. Atmosfer bumi menyumbang pengurangan 30 persen lagi dalam energi matahari. Seperti banyak diketahui, namun, kondisi cuaca dapat menghentikan semuanya, tetapi jumlah minimal radiasi matahari mencapai permukaan bumi selama beberapa hari berturut-turut. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari, E S, adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Bolzman (σ), pangkat empat temperatur permukaan absolut TS 4 dan luas permukaan πds 2, E s = σ. πds 2 T S 4 W. (2.1) Dimana σ = 5,67 x 10-8 W/(m 2.K 4 ), temperatur permukaan T s dalam K, dan diameter matahari d s dalam meter.dari gambar di atas dapat dilihat jari-jari R adalah sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bumi adalah sama dengan 4πR 2, dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi G = W/m 2..... (2.2) Dengan garis tengah matahari 1,39 x 10 9 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 10 11 m, maka fluksa radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah G =,. (, ) (, ) = 1353W/m 2 (, ) Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfir tegak lurus permukaa matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta

9 surya adalah 1353 W/m2 dikurangi intesitasnya oleh penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet), karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang lansung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran, Pengukuran berikutnya terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada kedudukan tegak-lurus sorotan radiasi yang masuk. 2.2 Konstanta Surya Hubungan geometris dari matahari-bumi ditunjukkan Gambar 2.1. Jarak eksentrisnya dari lintasan bumi adalah jarak antara matahari dan bumi dengan variasi 1,7%. Dari hasil pengukuran astronomi didapat jarak rata-rata bumi-matahari adalah 1,495 x 1011 m, dengan sudut kecenderungan matahari 32. Radiasi yang diemisikan oleh matahari dan ruang angkasa ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari, Gsc, adalah energi dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luasan permukaan yang tegak lurus arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. World Radiation Center (WRC) mengambil nilai konstanta matahari, Gsc, sebesar 1354W/m2, dengan ketidakpastian sebesar 1%.

10 Gambar 2.1 hubungan geometris bumi-matahari Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8j0gfwmt/preview.html Konstanta radiasi ekstraterestrial, Gon, yaitu radiasi di luar atmosfer bumi yang diukur pada bidang normal terhadap radiasi pada hari ke-n pada satu tahun. Hal ini dikarenakan orbit bumi sebenarnya berbentuk elips, sehngga perlu sedikit koreksi terhadap konstanta matahari di atas. Jadi sebenarnya ada dua penyebab adanya variasi radiasi ekstraterestrial yaitu variasi radiasi yang diemisikan matahari dan variasi jarak matahari-bumi. Persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 10] adalah : G 0n = Gsc (1 + 0.033 cos.....(2.3)

11 2.3 Jenis jenis Radiasi Matahari menjadi : Radiasi matahari yang mengenai suatu kolektor di permukaan bumi dibedakan Sebaran Sorotan pantulan Gambar 2.2 Jenis radiasi matahari yang mengenai permukaan Sumber : http://blog.ub.ac.id/jatmikoekotbp/category/bioenergi/ 1. Radiasi langsung (beam) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari tanpa disebarkan oleh atmosfer. 2. Radiasi hambur (diffuse) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari sesudah arahnya berubah setelah terpencar oleh atmosfer. 3. Radiasi pantulan tanah (ground reflected) 4. Radiasi total : yaitu penjumlahan dari radiasi beam, diffuse dan pantulan tanah.

12 2.4 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi Posisi relatif matahari terhadap suatu bidang di bumi bisa dinyatakan dalam beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.2. Sudut sudut itu adalah: Gamabar 2.3 beberapa sudut penting dalam energi surya Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 a., latitude (garis lintang) : Sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator (khatulistiwa), utara positif ; -90 f 90. b. δ, declination (deklinasi) : Sudut posisi matahari saat solar noon yang berhubungan terhadap bidang khatulistiwa, utara positif; -23,45 < d < 23,45. Sudut deklinasi bisa dihitung dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 13]: δ =23,45 sin ( ).... (2.4) di mana n : tanggal ke-n pada suatu tahun [Wiliam A. Beckman Halaman 14] c. β, slope (kemiringan) : Sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan permukaan horisontal ; 0 b 180.

13 d. γ, surface azimuth angle (sudut permukaan azimuth) : Proyeksi ke bidang horisontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap selatan, timur negatif, barat positif ; -180 g 180. e. ω, hour angle (sudut jam) : Sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15 per jam ; sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif. hour angle bisa dihitung dengan persamaan : ω = 15 (ST 12:00:00)......(2.5) Waktu penyamaan adalah faktor untuk memperhitungkan efek orbit bumi yang bersifat eliptis. E = 292.2 (0,000075 + 0,001868 cos B 0,032077 sin B 0,014615 cos 2 B 0,04089 sin 2 B).. (2.6) dengan: B = ( ).. (2.7) Waktu yang sering digunakan (waktu sipil) tidak selalu sama dengan waktu matahari maka untuk menentukan waktu surya bisa menggunakan persamaan ini. Solar Time = Standart Time + [4(Lst Lloc) + E]..(2.8) Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data f. θ, angle of incidence (sudut datang) : Sudut antara permukaan radiasi langsung normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor. g. θ z, zenith angle (sudut zenith) : Sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis dating sinar matahari

14 sudut zenith dapat dihitung menggunakan persamaan : cos θz = cos δ cos cos ω + sin δ sin.... (2.9) h. α s, solar altitude angle (sudut ketinggian matahari) : Sudut antara garis horisontal dengan garis matahari datang. Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan: αs = 90 - θz....(2.10) i. γs, solar azimuth angle (sudut azimuth matahari) : Sudut penyimpangan dari selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. Penyimpangan ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif. Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan: sinγs =.....(2.11) 2.5 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal Pada suatu waktu (sembarang), radiasi surya yang mengenai permukaan horisontal di luar atmosfer adalah radiasi surya masuk normal dibagi dengan Rb (faktor geometris), persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 40 ] adalah: G 0 = Gsc (1 + 0.033 cos.. cosθz)......(2.12) 2.6 Distribusi Radiasi Matahari pada Suatu Hari dan Jam dengan Cuaca Cerah dan Berawan Indeks kecerahan rata-rata KT, adalah perbandingan antara radiasi rata-rata pada permukaan horisontal terhadap radiasi rata-rata ekstraterrestrial. Dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 77]:

15 K T =....(2.13) 2.7 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam Pada bagian ini akan dijelaskan metode perhitungan untuk memisahkan beam dan diffuse radiation dari radiasi horisontal total. Pemisahan komponen ini diperlukan untuk menghitung radiasi total pada permukaan dengan orientasi yang berbeda dari data pada permukaan horisontal. Persamaan yang digunakan adalah [Wiliam A. Beckman Halaman 82]: 1,0 0,08 K ={ 0,9511 0,1604 K + 4,388 K 16,638 K + 12,336 K 0,165 K T 0,22 0,22 K T 0,80 K T 0,80....(2.14) 2.8 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui perubahan fasa. Ada tiga cara pemindahan panas yakni: a. Konduksi Konduksi ialah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara permukaan-permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau

16 menghubungkan permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain. Pada konduksi, berlaku hukum Fourier : q x = dt dx ka q x = k A dt dx... (2.15) keterangan : qx dt : Laju pindah panas dalam arah x (Watt atau cal/dt, atau Btu/jam) : Perbedaan temperatur (K, oc atau of) dx : Jarak perpindahan panas (m, cm atau ft) A : Luas penampang (m2, cm2, atau ft2) k : konduktifitas panas (Watt/m.k, cal/dt.oc.cm, atau Btu/jam.oF.ft) b. Konveksi Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida. Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas. Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya."

17 Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi ("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku. Laju pindah panas secara konveksi. q = ha (Tw Tf).... (2.16) keterangan : q : laju pindah panas (Watt) h : koefisien pindah panas konveksi (W/m2.K) A : luas area pindah panas (m2) Tw: temperatur permukaan padat (K) Tf : temperatur rata-rata fluida yang mengalir (K) c. Radiasi. Radiasi ialah pemindahan panas atas dasar gelombang-gelombang elektromagnetik. Misalnya tubuh manusia akan mendapat panas pancaran dari setiap permukaan dari suhu yang lebih tinggi dan ia akan kehilangan panas atau memancarkan panas kepada setiap obyek atau permukaan yang lebih sejuk dari tubuh manusia itu. Panas pancaran yang diperoleh atau hilang, tidak dipengaruhi oleh gerakan udara, juga tidak oleh suhu udara antara permukaan-permukaan atau obyek-obyek yang memancar, sehingga radiasi dapat terjadi di ruang hampa. Jumlah keseluruhan panas pindahan yang dihasilkan oleh masing-masing cara hampir seluruhnya ditentukan oleh kondisi-kondisi lingkungan. Umpamanya, udara yang jenuh tak dapat menerima kelembaban tubuh, sehingga pemindahan panas tak dapat terjadi

18 melalui penguapan. Pengondisian suatu ruang seharusnya meningkatkan laju kehilangan panas bila para penghuni terlalu panas dan mengurangi laju kehilangan panas bila mereka terlalu dingin. Tujuan ini tercapai dengan mengolah dan menyampaikan udara yang nyaman dari segi suhu, uap air (kelembaban), dan velositas (gerak udara dan polapola distribusi). Kebersihan udara dan hilangnya bau (melalui ventilasi) merupakan kondisi-kondisi kenyamanan tambahan yang harus dikendalikan oleh sistem penghawaan buatan. q = A. σ. T 4. ε.... (2.17) keterangan : q : aliran panas (Watt) σ : konstanta radiasi = 5.676 x 10 W/m².K = 0.1714 x 10 Btu/h.ft².R A : luas permukaan (m²) T : suhu (K atau R ) ε : emisifitas = 1 untuk benda hitam 2.9 Solar Collector Kolektor energi surya adalah alat penukar kalor jenis khusus yang mengubah energi radiasi matahari ke internal energi. Komponen utama dari setiap sistem surya adalah kolektor surya. Ini adalah perangkat yang menyerap radiasi matahari yang masuk, mengubahnya menjadi panas, dan transfer panas ini ke cairan (biasanya udara, air, atau minyak) mengalir melalui kolektor. Energi matahari sehingga dikumpulkan dilakukan dari cairan yang beredar baik secara langsung dengan air panas atau peralatan

19 ruang pendingin, atau ke energi termal dari tangki penyimpanan yang dapat ditarik untuk gunakan di malam hari atau hari yang berawan. Pada dasarnya ada dua jenis kolektor surya: non-concentrating atau diam dan berkonsentrasi. Sebuah nonconcentrating kolektor memiliki luas yang sama untuk menahan dan untuk menyerap radiasi matahari, sedangkan sun-tracking kolektor surya berkonsentrasi biasanya menggunakan permukaan cermin cekung untuk menahan dan memfokuskan radiasi sinar matahari ke daerapenerima yang lebih kecil, sehingga meningkatkan fluks radiasi. Tabel 2.1 Tipe Solar Collector 2.9.1 Stationary Collector 2.9.1.1 Flate Plate Collector ( FPC ) Panel kolektor pelat datar adalah komponen terpenting dari sistem pemanas air tenaga surya. Energi termal dapat diteruskan melalui pelat tersebut menuju luida yang berada di dalamnya. Kolektor surya pelat datar dapat didesain untuk suatu aplikasi yang membutuhkan transfer energi pada suhu menengah sampai mencapai 100 o C diatas temperatur ambient. (Duffie&Beckman, 1982).

20 Gambar 2.4 Kolektor surya pelat datar Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 Komponen terpenting dari kolektor surya pelat datar adalah pelat datar penyerap ( absorber) yaitu alat yang menerima radiasi energi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas. Pelat tersebut mentransfer panas dihasilkan ke fluida kerja. Radiasi matahari yang masuk ke dalam kolektor surya sebagian ada yangterserap pelat dan sebagian ada yang terpantul. Penggunaan kaca di atas pelat berfungsi agar radiasi yang telah masuk ke dalam kolektor yang kemudian terpantul, tidak langsung keluar dari sistem tetapi terpantul kembali oleh kaca. Penggunaan kaca ini mirip dengan fenomena efek rumah kaca. Solar aperture collector area adalah area maksimum yang diproyeksikan dari solar kolektor dimana sejumlah energi radiasi masuk. 2.9.1.2 Compound Parabolic Collector ( CPC ) Compound parabolic collectors adalah kolektor surya jenis khusus yang dibuat dalam bentuk dua parabola pertemuan. Konsep kolektor berasal oleh Winston pada tahun 1978. konsentrasi rasio dapat dicapai hingga 10 dalam mode non-pelacakan dengan mudah. Oleh karena itu mengarah pada penghematan biaya. Compound parabolic collectors adalah salah satu kolektor yang memiliki konsentrasi tertinggi

21 diperbolehkan oleh batas termodinamika untuk sudut penerimaan yang diberikan. CPC umumnya digunakan untuk uap tekanan sedang, sekitar 150 C - 200 º C. Gambar 2.5 Compound Parabolic Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 2.9.1.3 Evacuated Tube Collector ( ETC ) Evacuated tube collector terbuat dari suatu seri dari tabung-tabung modular, dipasang parallel, dengan jumlah yang dapat ditambahkan atau dikurangi saat kebutuhan akan pengiriman air panas berubah. Jenis dari kolektor ini terdiri dari baris paralel tabung kaca transparan, tiap tabung mengandung sebuah tabung penyerap (tempat dari plat penyerap dari tabung logam dipasang dalam sebuah kolektor plat datar). Tabung tersebut dilindungi dengan lapisan khusus modulasi cahaya. Pada kolektor ini, cahaya matahari masuk melalui tabung kaca terluar memanaskan tabung penyerap yang berada didalamnya.

22 Dua jenis dari kolektor tabung dib edakan oleh cara ( heat transfer) perpindahan panasnya; yang pailng sederhana, memompa suatu fluida perpindahan panas (air) melalui tabung tembaga berbentuk U y ang diletakkan dalam tiap kolektor tabung kaca. Jenis kedua menggunakan sekat pipa panas yang mengandung suatu cairan yang menguap saat dipanaskan; uap naik ke tabuag perpindahan panas berbentuk bulat yang ditempatkan diluar kolektor tabung dalam sebuah pipa melewati suatu cairan perpindahan panas yang dipompakan. Untuk kedua jenis tersebut, cairan yang dipanaskan lalu bersirkulasi melalui suatu penukar panas dan memberikan panasnya pada air yang disimpan dalam tangki penyimpanan (yang dengan sendirinya sebagian tetap hangat oleh cahaya matahari). Evacuated tube collector memanaskan sampai temperatur tinggi dan beberapa model dapat meningkatkan penyerapan solar yang lebih banyak per meter perseginya daripada panel datar. Bagaimanapun kolektor jenis ini lebih mahal dan mudah pecah daripada panel datar. Gambar 2.6 Evacuated Tube Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

23 2.9.2 Single-Axis Tracking Collector 2.9.2.1 Linear Fresnel Collector ( LFC ) Sebuah Linear Fresnel Collector menggunakan serangkaian cermin yang panjang, dan memiliki kelengkungan dangkal (atau bahkan datar) untuk memfokuskan cahaya ke satu atau lebih penerima linier yang ditempatkan di atas cermin. Di atas ditambahkan receiver cermin parabola kecil untuk lebih memfokuskan cahaya. Sistem ini bertujuan untuk menawarkan biaya keseluruhan yang lebih rendah dengan berbagi penerima antara beberapa mirror (dibandingkan dengan konsep palung dan piring), sementara ini masih menggunakan geometri garis-fokus sederhana dengan satu sumbu untuk pelacakan. Hal ini mirip dengan desain palung (dan berbeda dari menara pusat dan hidangan dengan dual-axis). Posisi receiver adalah diam sehingga kopling cairan tidak diperlukan (seperti dalam palung dan hidangan). Cermin juga tidak perlu untuk mendukung receiver, sehingga mereka se cara struktural sederhana. Gambar 2.7 Linear fresnel collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

24 2.9.2.2 Parabolic Trough Collector ( PTC ) Parabolic trough collector adalah jenis lain dari kolektor solar thermal. Jenis ini terdiri dari suatu seri dari trough seperti saluran talang air hujan dengan tabung kosong yang bergerak sepanjang kolektor tersebut. Cahaya matahari direfleksikan oleh cermin dan dikonsentrasikan pada tabung. Fluida perpindahan panas, pelumas dalam sistem Lup, mengalir melalui tabung untuk menyerap panas dari cahaya matahari yang dikonsentrasikan. Gambar 2.8 Parabolic trough collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 2.9.3 Two-Axes Tracking Collector 2.9.3.1 Parabolic Dish Reflector ( PDR ) Parabolic dish reflector adalah seperti suatu piringan ( dish) satelit yang besar tetapi dengan permukaan bagian dalam terbuat dari material cermin. Cermin tersebut memusatkan seluruh energi matahari pada titik tunggal dan dapat mencapai temperatur yang sangat tinggi. Secara tipe, dish ini digabungkan dengan mesin Stirling dalam sebuah sistem Dish-Stirling ( Dish-Stirling System), tetapi juga kadang mesin uap yang

25 digunakan. Ini menciptakan energi kinetik rotasi yang dapat dikonversikan menjadi listrik menggunakan sebuah generator listrik. Gambar 2.9 Parabolic dish reflector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 2.9.3.2 Heliostat Field Collector ( HFC ) Heliostat field collector menggunakan kumpulan ( array) panel datar, cermin yang dapat digerakkan untuk memusatkan sinar matahari pada suatu menara kolektor. Energi tinggi pada titik dari cahaya matahari yang dikonsentrasikan ini dipindahkan ke sebuah substansi yang dapat menyimpan panas untuk selanjutnya digunakan. Material (substansi) perpindahan panas yang baru-baru telah berhasil didemonstrasikan adalah cairan sodium. Sodium adalah suatu logam dengan kapasitas panas tinggi, memberikan energi tersebut untuk disimpan dan dikeluarkan selama malam hari. Energi tersebut, pada gilirannya, akan digunakan untuk mendidihkan air untuk penggunaan dalam turbin

26 uap. Air telah pertama kali digunakan sebagai suatu medium perpindahan panas dalam versi awal power tower (dimana uap resultan digunakan untuk menggerakkan turbin). Gambar 2.10 Heliostat field collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 2.10 Pemanas Tenaga Surya ( Solar Heater) Pemanas tenaga surya atau solar heater adalah alat pengumpul panas dari energi matahari yang digunakan untuk memanaskan fluida. Pemanas ini menggunakan kolektor surya sebagai komponen utamanya. Menurut Duffie&Beckman pada bukunya Solar Engineering Of Thermal Process, 1982, kolektor surya adalah jenis alat penukar kalor yang mengubah energi radiasi menjadi panas. Menurut standard ASHRAE definisi kolektor surya adalah alat yang didesain untuk menyerap radiasi matahari dan mentransfer energi tersebut yang melaluinya.

27 Ditinjau dari jenis solar collector, pemanas air tenaga surya ini memiliki berbagai jenis antara lain flat plate collector, evacuated tube collector, dan concentrating collector. Untuk tipe concentrating collector yang biasa digunakan adalah jenis parabolic through concentrator. Tipe parabolic trough concentrator memiliki beberapa komponen antara lain : 1. Pipa penyerap (absorber) 2. Parabolic concentrator 3. Tangki penampung air 4. Pompa air 5. Pengatur sudut tracking Gambar 2.11 Parabolic trough solar concentrator 3d dan 2 d Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 Komponen terpenting dari parabolic trough concentrator adalah concentrator dan pipa penyerap. Sinar matahari yang datang dari satu arah terdistribusi merata dipantulkan ke arah suatu suatu garis fokal dimana pipa penyerap ditempatkan. Luas

28 bidang pemantul/ concentrator yang menerima sinar akan men-intensifkan sinar ke area yang lebih sempit (pipa penyerap). Dengan demikian temperature yang dibangkitkan dapat lebih tinggi daripada sinar langsung. Pemanasan air terjadi di dalam pipa penyerap secara konveksi dari pipa ke air. Air ini mengalir sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Panas ini yang berasal dari kumpulan (concentrating) sinar matahari yang dipantulkan oleh concentrator secara radiasi diteruskan ke pipa. Di dalam pipa sendiri panas mengalir secara konduksi. Temperatur air yang dapat dibangkitkan parabolic through concentrator dapat mencapai 400 0 C sehingga banyak dimanfaatkan untuk steam generation pada pembangkit listrik maupun industri. 2.11 Desain Optic Solar Concentrator Pengkonsentrasian/concentrator yang dirancang,terbuat dari material plat stainless steel. Plat ini direkatkan pada kayu yang telah dibentuk profil parabola.fokus yang dihasilkan dari pantulan sinar matahari berupa garis yang disebut garis fokal. Jarak garis fokal ini ditentukan oleh ukuran parabola. Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = 4px 2 dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbu-y,p adalah jarak titik focus pada parabola. Luas arperture area (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat dengan mengalikan panjang dan lebar pandangan atas dari parabola.lebar penampang pemantul dan panjang bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : Aa = P x L..(2.18)

29 Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa yang menyerap pantulan sinar dari concentrator, untuk menghitung Luas penampang pipa absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan berikut : Ar = π.d.l... (2.19) 2.11.1 Concentrating Ratio Parabola merupakan kedudukan titik-titik dimana semua sinar yang datang parallel dipantulkan menuju satu titik yang dinamakan titik fokus. Secara matematis, parabola memiliki persamaan y = x2/4p dengan x, y sumbu koordinat dan P adalah titik fokus. Concentrating ratio (Cr) merupakan faktor penting dalam perhitungan solar concentrator. Secara teori peningkatan concentrating ratio meingkatkan performa dan efisiensi solar concentrator. Namun perlu diperhatikan bahwa hal ini membutuhkan keakuratan sudut tracking. Concentrating ratio dinyatakan dengan: Cr =... (2.20) Dari sini dapat dikatakan bahwa untuk memperbesar concentrating ratio dapat dilakukan dengan memperluas bidang pemantul atau mempersempit bidang receiver. 2.11.2 Sudut Rim sudut rim (φ r ) adalah sudut antara tepi parabola, focus dan puncak parabola yang memiliki hubungan matematis : Wa = 4 P tan (φ r /2)... (2.21) 2.11.3 Faktor Geometri A f Dari persamaan parabola y = 4px 2 dapat dibuat berbagai variasi bentuk geometri dan ukuran yang banyak.dari variasi ini maka ada suatu factor yang menentukan kemampuan mengkonentrasi dari parabola ini.faktor ini disebut factor geometri.

30 A f = ( ).....(2.22) 2.11.4 Efisiensi Optic Concentrator Efisinsi optic adalah rasio energy yang dapat dipantulkan tepat ke kolektor terhadap energy dari radiasi matahari yang diterima concentrator seluas Aa.Efisiensi ini melibatkan bentuk geometri,ketepatan sinar pantul mengenai kolector dan sifat material optic dan cover jika ada.secara matematis efisinsi optic η 0 ditulis sebagai : η 0 = ρ m τ c α a γ [(1-A f tan (θ)) cos (θ))].. (2.23) Ket : ρ m = Refleksitas material concentrator τ c = transmisi material cover (jika ada) α a = absorbsivitas pipa kolektor γ = intercept factor θ = sudut incident Dari persamaan ini terlihat bahwa sinar yang diterima dari radiasi matahari akan dipantulkan sebagian besar reflektifitas material concentrator ρ m. sebagian pantulan sinar ini akan berkurang lagi saat menembus cover karena sifat trasnmisifitas material cover itu τ c. setelah sampai ke permukaan kolektor pun energy dari pantulan sinar ini masih dikurangi lagi oleh sifat absorbsivitas pipa kolektor α a selain dipengaruhi sifat sifat optic material,efisiensi optic dipengaruhi oleh tingkat kesempurnaan pantulan γ dab factor geometri. Intercept factor γ didefinisikan sebagai perbandingan energy yang diterima kolektor dengan energy yang dipantulkan oleh kolektor. Nilai γ tergantung pada ukuran

31 receiver, kesalahan/error sudut pada parabola, dan penyebaran sinar matahari. Error atau ketidak-sempurnaan,ketidak-lurusan, ini terbagi dua yaitu random dan non random Random error adalah ketidak-sempurnaan yang alami dan dapat diwakilim dengan distribusi normal probabilitas. Random error antara lain akibat perubahan jarak matahari, efek penyebaran sinar pada permukaaan pemantul,efek random slope error misalnya perbuahan parabola akibat beban dari angin. Nonrandom erroe muncul saat manufaktur dan asembli atau saat pengoprasian solar concentrator. Nonrandom error antara lain akibat ketidak-sempurnaan profil error dihitung secara statistic dalam persamaan berikut : σ = σ + 4σ + σ.. (2.24) Untuk membantu dalam memperkirakan factor γ dapat menggunakan bantuan table efek magnitude error terhadap factor γ berikut ini Tabel 2.2 penentuan factor intercept σ mirror (rad) σ slope (rad) dr (mm) intercept factor γ 0.002 0.004 0 0.98 0.004 0.004 3 0.93 0.002 0.006 3 0.88 0.002 0.008 3 0.81

32 NB : untuk perhitungan diatas nilai σ matahari =0.04 rad untuk cuaca cerah dan β = 0.0035(tracking error maksimum) 2.12 Kerugin Panas Keseluruhan (Overall Heat Loss) Panas yang diberikan untuk memanaskan air tidak semuanya terpakai.sebagaian terbuang menjadi kerugian/loses. Kerugian panas ini timbul dengan tiga cara yaitu radiasi, konveksi terhadap udara luar, dan konduksi. Ketignya dinyatakan dalam koefesien heat loss total. Dalam perhitungn koefisien overall heat loss coefficient U L, dengan menganggap pipa absorber tanpa cover sebagai penerima pantulan sinar radiasi.asumsikan tidak ada perbedaan temperature di sekitar pipa. Heat transfer coeficien karena konveksi (h w ),radiasi (h r ) dan konduksi(u cond ) pada struktur dinyatakan : U L = h w x h r.....(2.25) Koefisien konveksi akibat angin/udara h w =Nu.. (2.26) koefisien radiasi dihitung dengan h r = 4 σε T 3....(2.27) Sedangkan koefisien perpindahan panas total (U 0 ) didapat dengan menjumlahkan semu tahanan panas dari heat loss,konduksi pipa dan konveksi pemanasan air /fluida. Sehingga dapat ditulis sebagai berikut : U 0 = ( + + ) -1.....(2.28)

33 Dengan D = diameter luar pipa kolector (m) D = diameter dalam pipa kolector (m) h = koefisien perpindahan panas konveksi air/fluida (W/m 2o C) k = koefisien perpindahan panas konveksi pipa (W/m o C) 2.13 Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor) Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara energy berguna yang dikumpulkan terhadap energy berguna yang mungkin dikumpulkan apabila temperature fluida sepnjang pipa sama dengan temperature fluida masuk. F r = ṁ [1 e -( A U F /ṁc )]..(2.29) Dengan F r = factor pelepasan panas ṁ = laju aliran air (kg/s) C = kapasitas panas air(kj/kg) F = factor efisiensi kolector Factor efisiensi kolektor merupakan perbandingan koefisien perpindahan kalor total terhadap koefisien heat loss total. Untuk mencari factor efisiensi kolektor digunakan persamaan berikut : F =...(2.30)

34 3.14 Performa Suatu mesin dapat dinilai kemampuanya dengan performa yang dihasilkan.performa adalah kemampuan suatu mesin untuk melakukan kerja yang dinyatakan dalam bentuk energy atau daya yang dihasilkan Berdasarkan pada standard ASHRAE 93 (Duffie &Beckman,1982), performa concentrating collector yang beroprasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan dibawah ini : q u = F r A a [I η 0 dengan q u = energy berguna (Watt) F r = Faktor pelepasan panas A a = luas aperture (m 2 ) (T T )] = ṁ C (T T )...(2.31) I = intensitas radiasi matahari (W/ m 2 ) η 0 = efesinsi optic (concentrator) U = koefesien kerugian panas (W/ m 2 ) T = Tempratur fluida/air masuk ( o C) T = Tempratur fluida/air keluar ( o C) T = Tempratur ambient ( o C) ṁ = Laju aliran massa air (kg/s) C = koefisien panas fluida (J/KgK)

35 3.15 Efisiensi Termal Kolektor Efisiensi adalah perbandingan antara energy yang berguna dibandingkan terhadap energy yang digunakan atau diterima. Dalam hal Parabolic trough collector energy yang diterima adalah radiasi matahari pada luasan tertentu. Sedangkan energy yang berguna adalah energy yang digunakan untuk menaikan temperature fluida yang mengalir dengan debit tertentu. Efisiensi termal dari collector dinyatakan dengan : η = F r [η 0 (T T )] = ṁ ( ). (2.32)