Chapter II.pdf - USU Institutional Repository

37 downloads 333 Views 532KB Size Report
2. 1. Radiasi Matahari. Radiasi matahari adalah sinar yang dipancarkan dari matahari .... Gambar 2.4 Deklinasi matahari, posisi pada musim panas. Universitas ...
BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2. 1. Radiasi Matahari Radiasi

matahari

adalah

sinar

yang

dipancarkan

dari

matahari

kepermukaan bumi, yang disebabkan oleh adanya emisi bumi dan gas pijar panas matahari. Radiasi dan sinar matahari dipengaruhi oleh berbagai hal sehingga pancarannya yang sampai dipermukaan bumi sangat bervariasi. Penyebabnya adalah kedudukan matahari yang berubah-ubah, revolusi bumi, dan lain sebagainya. Walaupun cuaca cerah dan sinar matahari tersedia banyak, besarnya radiasi supaya tiap harinya selalu berubah-ubah.

2.1.1. Geometri Radiasi Matahari Untuk mengetahui energi radiasi yang jatuh pada permukaan bumi dibutuhkan beberapa parameter letak kedudukan dan posisi matahar, hal ini perlu untuk mengkonversikan harga fluks berkas yang diterima dari arah matahari menjadi hubungan harga ekivalen ke arah normal permukaan. Berikut ini adalah beberapa definisi yang digunakan, antara lain : 1. Sudut datang  adalah sudut antara sinar datang dengan normal pada permukaan pada sebuah bidang 2. Sudut latitude  pada suatu tempat adalah sudut yang dibentuk oleh garis radial ke pusat bumi pada suatu lokasi dengan proyeksi garis pada bidang equator. Sudut deklinasi berubah harga maksimum +23,450 pada tanggal 21 juni ke harga minimum -23,450 pada tanggal 21 desember. Deklinasi 00 terjadi pada tanggal 21 maret dan 22 desembar. 3. Sudut Zenit  Z adalah sudut yang dibuat oleh garis vertikal ke arah zenit dengan garis ke arah titik pusat matahari. 4. Sudut Azimuth  Z adalah sudut yang dibuat oleh garis bidang horizontal antara garis selatan dengan proyeksi garis normal pada bidang horizontal. Sudut azimut posotif jika normal adalah sebelah timur dari selatan dan negatif pada sebelah barat dan selatan.

Universitas Sumtarera Utara

5. Sudut latitude  adalah sudut yang di buat oleh garis ke titik pusat matahari dengan garis proyeksinya pada bidang horizontal. 6. Sudut kemiringan (slope)  adalah sudut kemiringan yang di buat oleh permukaan bidang dengan horizontal.

2.2. Intesitas Radiasi Surya Karena adanya perubahan letak matahari terhadap bumi maka intensitas radiasi surya yang tiba di permukaan buni juga berubah-ubah. Maka berkaitan dengan hal tersebut di atas radiasi surya yang tiba pada suatu tempat di permukaan bumi dapat kita bedakan menjadi 3 jenis. Ketiga jenis radisi itu adalah 1. Radiasi Lansung (direct radiation) Intensitas radiasi lansung atau sorotan per jam pada sudut masuk normal Ibn dari persamaan berikut ini I bn 

Ib cos  z

………………………………………. (2.1)

dimana Ib adalah radiasi sorotan pada sumbu permukaan horisontal dan cos  z adalah sudut zenit. Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut  terhadap bidang horisontal, intensitas dari komponen sorotan adalah I bT  I bn cos  T  I b

cos  T ………………………… (2.2) cos  z

Dimana  T disebut sudut masuk, dan didefinisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus (900) pada permukaan bidang miring. 2. Radiasi Sebaran (diffuse radiation) Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yang dipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer, dan karena itu berasal dai seluruh bagian hemisfer langit. Radiasi sebaran (langit) didistribusikan merata pada hemisfer (disebut distribusi isotropik), maka radiasi sebaran pada permukaan miring dinyatakan dengan :

1,0  cos   I dT  I d   ………………………………. (2.3) 2 

Universitas Sumtarera Utara

Dimana  adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukan besarnya radiasi sebaran per jam pada suatu permukaan horisontal. 3. Radiasi Pantulan Selain komponen radiasi lansung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan, jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari reflektansi  (albeldo) dari permukaan yang berdekatan itu, dan kemiringan permukaan yang menerima .Radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi pantulan. 1  cos   I rT   I b  I d   ………………………. (2.4) 2   Dimana reflektansi  dianggap 0,20 – 0,25 untuk permukaan-permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk lapisan salju yang baru turun, kecuali jika tersedia data yang lain.

Gambar 2.1..Jenis-jenis radiasi

Indonesia yang terletak di daerah tropis memiliki keadaan cuaca yang cukup berawan sehingga porsi radiasi hambur cukup besar. Alat yang digunakan untuk melakukan pengukuran terhadap besarnya radiasi global di sebut Piranometer. Alat ini mengukur besarnya radiasi matahari yang datang dan segala arah. Sedangkan untuk mengukur radiasi lansung kita menggunakan alat yang disebut Piranograp.

Universitas Sumtarera Utara

Gambar 2.2. Piranometer (kiri) dan Piranograp (kanan)

Lapisan luar dari matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontinu. Untuk pembahasan ini cukup dianggap matahari sebagai sebuah benda hitam, sebuah radiator sempurna pada 5762 K. Dalam ilmu fotovoltaik dan studi mengenai permukaan tertentu, distribusi spektral adalah penting.

Gambar 2.3. Bola Surya

Dimana : ds = Diameter matahari R = Jarak rata-rata matahari – bumi. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari, ES, adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Bolzman  , pangkat empat temperatur permukaan absolut TS4 dan luas permukaan  ds2, E s   .d s Ts W …………………………………… (2.5) 2

4

Universitas Sumtarera Utara

Dimana  = 5,67 x 10-8 W/(m2.K4), temperatur permukaan Ts dalam K, dan diameter matahari ds 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 4  R2, dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi G

d s 2Ts 4 4R

2

W/m2 ………………………………….... (2.6)

Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluksa radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah

G

5,67 x10 8 W /( m 2 .K 4 ) x(1,39 x10 9 ) 2 m 2 x(5,762 x10 3 ) 4 K 4 4 x(1,5 x1011 ) 2 m 2

= 1353 W/m2 Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfir tegak lurus permukaa matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta 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 molekulmolekul 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.

Universitas Sumtarera Utara

Tabel 2.1 Satuan lain untuk Konstanta Surya Konstanta Surya ( Gsc ) 1353 W/m2 429 Btu/(hr.ft2) 116.4 Langley/hr 4.871 MJ/m2.hr (sumber “Tekhnologi Rekayasa Surya”, Diterjemahkan oleh Prof. Wiranto Arismunandar,)

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 terjadinya yang mempengaruhi posisi matahari, posisi dan letak permukaan pada bumi, dan kondisi-kondisi lainnya. Dari tabel diatas memuat konstanta surya dalam satuan lain. Satuan langley sama dengan 1 kalori/cm2, adalah satuan yang umumnya dapat dijumpai dalam literatur mengenai radiasi surya, dimana 1 kalori = 4,187 Joul, maka 1 langley = 1 kalori/cm2 = 0,04187 MJ/m2, suatu faktor konversi yang sering digunakan.

2.2.1 Intensitas Radiasi Surya Pada Bidang Permukaan

Bumi berevolusi pada sumbunya selama 365 hari, bumi juga berrotasi pada sumbunya selama satu hari. Selama berevolusi dan berrotasi pada sumbunya bumi mengalami kemiringan terhadap sumbu vertikalnya sebesar 23,5O.

Gambar 2.4 Deklinasi matahari, posisi pada musim panas

Universitas Sumtarera Utara

Pada gambar diatas (gambar 2.4) dapat dinyatakan di dalam suatu hubungan persamaan sebagai berikut :

cos  sin      cos . cos   . cos ……… (2.7) (sumber “Tekhnologi Rekayasa Surya”, Diterjemahkan oleh prof. Wiranto Arismunandar)

Dimana :



: Sudut sinar datang terhadap garis normal permukaan



: Sudut deklinasi



: Garis lintang dari posisi alat



: Kemiringan sudut permukaan dan alat



: Sudut waktu Besarnya sudut yang dialami bumi terhadap sumbu vertikalnya di sebut

deklinasi. Dan deklinasi inilah yang mempengaruhi terjadinya distribusi sinar matahari dan energi panas surya pada bidang permukaan bumi. Bila hasil perkalian intensitas surya yang diterima bumi dengan cosinus sudut sinar datang, maka besarnya laju energi yang diterima oleh suatu permukaan di bumi dengan luasan persegi dapat ditulis dengan persamaan. q / A  GT . cos 

………………………………………

(2.8)

(sumber “Tekhnologi Rekayasa Surya”, Diterjemahkan oleh prof. Wiranto Arismunandar)

Dimana : q

: Laju energi, (W)

A

: Satuan luas pada bidang, (m2)

GT

: Intensitas radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi, (W/m2)



: Sudut sinar dating

Universitas Sumtarera Utara

2.2.2. Data Radiasi Matahari di Wilayah Indonesia

Bedasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari beberapa lokasi di Indonesia, radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 

Untuk Kawasan Barat Indonesia (KBI) sekitar 4,5 kWh/m2/hari dengan variasi bulanan sekitar 10 %.



Untuk Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m2/hari dengan variasi bulanan 9 %.



Dengan demikian, kecepatan angin rata-rata di Indonesia sekitar 4,8kWh/m2/hari dengan variasi bulanan 9 %.

Catatan : Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari di bumi mampu mencapai nilai 1000 W/m2 = 1 kW/m2 = 100mW/cm2. Tabel 2.2 Radiasi Penyinaran Matahari di Indonesia Pebruari 2008 WILAYAH

POTENSI RADIASI

VARIASI BULANAN

Kawasan Barat Indonesia (KBI)

Per hari 4,5 kWh/m2

10 %

Per hari 5,1 kWh/m2

9%

4,5 – 4,8 kWh/m2/hari

9,5 %

Kawasan Timur Indonesia (KTI) Rata-Rata Wilayah Indonesia

(sumber “htp;//theindonesiannoor.com/index2.html”.)

Kemudian diadakan suatu pendekatan Intensitas radiasi surya (GT) yang diterima oleh permukaan atmosfir bumi sesuai tanggal dan bulan sebagai waktu pelaksanaan, sehingga pada akhirnya radiasi surya yang tiba pada permukaan bumi akan berkurang. Intensitas surya yang diterima oleh permukaan atmosfir bumi dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

Universitas Sumtarera Utara

  360 xn  GT = GR 1  0.033 cos  …………………….  365.25  

(2.9)

(sumber “Tekhnologi Rekayasa Surya”. Diterjemahkan oleh prof. Wiranto Arismunandar)

Dimana : GT

: Intensitas radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi.

GR

: Konstanta surya (4500 W/m2). (sumber tabel 2.2)

n

: Jumlah hari, dihitung mulai 1 januari

2.3 Dasar-Dasar Perpindahan Kalor

Definisi dari perpindahan kalor adalah berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainya sebagai akibat perbedaan suhu antara daerah-daerah tersebut. Secara umum perpindahan kalor dapat dukategorikan dalam tiga cara yang berbeda , yaitu :

a) Perpindahan kalor secara konduksi

Konduksi adalah suatu proses dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi menuju daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu media (padat, cair dan gas), atau antara media-media yang berlainan yang bersinggungan secara lansung. Untuk menghitung laju aliran secara konduksi dapat dijabarkan dalam suatu persamaan yang dinyatakan dengan hukum Fourier, yaitu :  dT  q kond   kA  …………………………………..  dx 

(2.11)

(Sumber Holman, J.P Perpindahan Panas, hal. 2)

Dimana : qkond

: Laju perpindahan kalor dengan cara konduksi, (W)

k

: Konduktivitas thermal, (W/m.K)

Ε

: Luas penampang tegak lurus pada aliran kalor, (m2)

dT dx

: Gradien temperatur dalam arah aliran panas

Universitas Sumtarera Utara

Dalam aliran kalor konduksi, perubahan energi terjadi karena hubungan molekul secara lansung tanpa adanya perpindahan molekul-molekul yang cukup besar.

b) Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan kalor dengan kerja gabungan dan kalor konduksi, menyimpan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan kalor secara konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan kalor antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. Panas secara konveksi menurut cara menggeraknnya dibagi dua bagian yaitu : 

Konveksi

alamiah

(free

convection)

terjadi

jika

gerakan

mencampur berlansung, semata-mata akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien massa jenis. 

Konveksi

paksa

(forced

convection)

terjadi

jika

gerakan

mencampur di sebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas. Pada umumnya,. Perpindahan kalor dengan cara konveksi antara suatu permukaan dengan suatu fluida dapat dihitung dengan suatu persamaan, yaitu :



q konv  hA TW  T f



……………………………………

(2.12)

(Sumber Holman, J.P Perpindahan Panas, hal. 11)

Dimana : qkonv

: Laju perpindahan panas dengan cara konveksi, (W)

A

: Luas permukaan perpindahan kalor, (m2)

h

: Koefesien konveksi, (W/(m2.K))

Tf

: Temperatur

Tw

: Temperatur dinding, (K)

fluida, (K)

Universitas Sumtarera Utara

c) Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Radiasi adalah proses dimana kalor mengalir dari benda bersuhu tinggi menuju ke suatu benda yang bersuhu lebih rendah, bila benda-benda itu terpisah dalam ruangan dan bahkan bila terdapat ruang hampa di antara benda-benda tersebut. Untuk menghitung laju pancaran radiasi pada suatu permukaa dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

q   . . A.T 4 ……………………………………... (2.13) (Sumber Holman, J.P Perpindahan Panas, hal 11)

Dimana :

q

: Laju perpindahan kalor radiasi, (W)



: Emisivitas benda, (0< 