bab ii tinjauan pustaka 2.1 energi matahari.repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/20743/3/chapter...

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Matahari.

Radiasi matahari dapat digunakan untuk menghasilkan energi termal untuk

air, bisa juga digunakan sebagai sumber pemanas pada siklus pemanas mesin

sebagai tenaga gerak. Kegunaan yang lain dari energi matahari adalah

menghasilkan listrik dari melalui penggunaan sel photovolyalic.

Kata photovoltaic berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti cahaya

dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari Italia yang menemukan tegangan

listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. Photovoltaic

merupakan sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik.

Efek photovoltaic pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli

Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839.

Baru pada tahun 1876, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans

Day menemukan bahwa material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika

terkena paparan sinar.

Meskipun selenium gagal mengkonversi cukup listrik dari cahaya untuk

menjalankan suatu peralatan, mereka berhasil membuktikan bahwa material padat

dapat menghasilkan listrik tanpa panas ataupun bagian yang bergerak. Pada

perkembangan berikutnya seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil

mengembangkan teknologi sel surya dan dikenal sebagai orang pertama yang

membuat paten peranti solar cell modern.

Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000

watt permeter persegi. Jika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter

persegi memiliki efisiensi 10 persen, maka modul sel surya ini mampu

memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt.

Saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara 5

hingga 15 persen tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal

merupakan jenis piranti sel surya yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya

pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya.

Universitas Sumatera UtaraUniversitas Sumatera Utara

Masalah yang paling penting untuk merealisasikan sel surya sebagai

sumber energi alternatif adalah efisiensi peranti sel surya dan harga

pembuatannya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara tenaga listrik

yang dihasilkan oleh peranti sel surya dibandingkan dengan jumlah energi cahaya

yang diterima dari pancaran sinar matahari.

2.2 Jenis-jenis kolektor

Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang

menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai

sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor

surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan

sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas

tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya

untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi.

Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen

utama, yaitu:

1. Cover berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju

lingkungan.

2. Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.

3. Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .

4. Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari

absorber menuju lingkungan.

5. Frame berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

2.2.1 Kolektor Surya Prismatik

Kolektor surya tipe prismatik adalah kolektor surya yang dapat menerima

energi radiasi dari segala posisi matahari kolektor jenis ini juga dapat digolongkan

dalam kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang

tersusun dari empat bidang yang berbentuk prisma, dua bidang berbentuk segitiga

sama kaki dan dua bidang berbentuk segi empat siku – siku.sehingga dapat lebih


optimal proses penyerapan tipe kolektor jenis prismatik ini dapat dilihat seperti

Gambar (2-1) berikut.

Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic

Sumber : lit 9

2.2.2 Kolektor Surya plat Datar

Kolektor surya type plat datar adalah type kolektor surya yang dapat

menyerap energi matahari dari sudut kemiringan tertentu sehingga pada proses

penggunaannya dapat lebih mudah dan lebih sederhana. Dengan bentuk persegi

panjang seperti pada Gambar (2-2) dibawah ini.


Gambar 2-2. kolektor surya plat datar

Sumber : lit 8

Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan

fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi

matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan

udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C.

dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa

memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung

dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang

sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang

murah.


Gambar 2-3. Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana

Sumber: lit 12

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada

temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya

yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal

tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar

memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ), tidak

membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan.

2.2.3. Concentrating Collectors

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada

temperature antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan

energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan

kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat

dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan

transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan

menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.


http://1.bp.blogspot.com/_qhOtVzaEfzg/SxspPkQxQ-I/AAAAAAAAAKE/XcDydcB24kY/s1600-h/1.png�

Gambar 2-4. Konsentrator

Sumber: Lit 12

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,

concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur

fluida melebihi 4000C dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada

Gambar (2-4) diatas.

2.2.4. Evacuated Tube Collectors

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi

dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya

terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan

panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara

absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu

meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan

luar absorber menuju lingkungan.


http://1.bp.blogspot.com/_qhOtVzaEfzg/SxspTz0copI/AAAAAAAAAKM/CGuoiF9QXd8/s1600-h/2.png�

Gambar 2-5. Evacuated Receiver

Sumber: lit 12

2.3 Aplikasi Energi Matahari

Ada bermacam-macam aplikasi teknologi yang telah dikembangkan untuk

mengambil manfaat energi surya. Teknologi tersebut dapat dibaca lebih jauh

berikut ini.

2.3.1 Pemanasan Air

Penyediaan air panas sangat diperlukan oleh masyarakat, baik untuk mandi

maupun untuk alat antiseptik pada rumah sakit dan klinik kesehatan. Penyediaan

air panas ini memerlukan biaya yang besar karena harus tersedia sewaktu-waktu

dan biasanya untuk memanaskan digunakan energi fosil ataupun energi listrik.

Namun dengan menggunakan pemanas air tenaga surya maka hal ini bukan

merupakan masalah karena pemanasan air dilakukan dengan menyerap panas

matahari dengan menggunakan kolektor sehingga tidak memerlukan biaya bahan

bakar.


http://1.bp.blogspot.com/_qhOtVzaEfzg/SxspYo5txwI/AAAAAAAAAKU/FLZZki8QeP4/s1600-h/3.png�

Gambar 2-6. Sistem Pemanas Air

Sumber : lit 11

Prinsip kerjanya adalah panas dari matahari diterima oleh kolektor yang

terdapat di dalam terdapat pipa-pipa berisi air. Panas yang diterima kolektor akan

diserap oleh air yang berada di dalam pipa sehingga suhu air meningkat. Air

dingin dialirkan dari bawah sedangkan air panasnya dialirkan lewat atas karena

massa jenis air panas lebih kecil daripada massa jenis air dingin (prinsip

thermosipon). Air ini lalu masuk ke dalam penyimpan panas. Pada penyimpan

panas, panas dari air ini dipindahkan ke pipa berisi air yang lain yang merupakan

persediaan air untuk mandi/antiseptik. Sedangkan air yang berasal dari kolektor

akan diputar kembali ke kolektor dengan menggunakan pompa atau hanya

menggunakan prinsip thermosipon. Persediaan air panas akan disimpan di dalam

tangki penyimpanan yang terbuat dari bahan isolator thermal. Pada sistem ini

terdapat pengontrol suhu jika suhu air panas yang dihasilkan kurang dari yang

diinginkan maka air akan dimasukkan kembali ke tangki penyimpan panas untuk

dipanaskan kembali.

Kolektor yang digunakan pada pemanas air tenaga panas matahari ini

adalah kolektor surya plat datar yang bagian atasnya terbuat dari kaca yang

berwarna hitam redup sedangkan bagian bawahnya terbuat dari bahan isolator

yang baik sehingga panas yang terserap kolektor tidak terlepas ke lingkungan. Air


http://kamase.org/wp-content/uploads/2009/07/pemanas_air.jpg�

panas di dalam kolektor bisa mencapai 82 C sedangkan air panas yang dihasilkan

tergantung keinginan karena sistem dilengkapi pengontrol suhu.

2.3.2 Distilasi Air

Salah satu manfaat dari sinar matahari adalah menguapkan air (distilasi).

Skema sistem distilasi dapat dilihat pada Gambar (2-7) dibawah ini.

Gambar 2-7. Sistem Distilasi Air

Sumber : lit 10

Cara kerjanya adalah sebuah kolam yang dangkal, dengan kedalaman

25mm hingga 50 mm, ditututup oleh kaca. Air yang dipanaskan oleh radiasi

matahari, sebagian menguap, sebagian uap itu mengembun pada bagian bawah

dari permukaan kaca yang lebih dingin. Kaca tersebut dimiringkan sedikit 10

derajat untuk memungkinkan embunan mengalir karena gaya berat menuju ke

saluran penampungan yang selanjutnya dialirkan ke tangki penyimpanan.

2.3.3 Penerangan Ruangan

Adalah teknik pemanfaatan energi matahari yang banyak dipakai saat ini.

Dengan teknik ini pada siang hari lampu pada bangunan tidak perlu dinyalakan

sehingga menghemat penggunaan listrik untuk penerangan. Teknik ini

dilaksanakan dengan mendesain bangunan yang memungkinkan cahaya matahari

bisa masuk dan menerangi ruangan dalam bangunan.

2.3.4 Kompor Matahari

Prinsip kerja dari kompor matahari adalah dengan memfokuskan panas

yang diterima dari matahari pada suatu titik menggunakan sebuah cermin cekung


http://kamase.org/wp-content/uploads/2009/07/destilasi.jpg�

besar sehingga didapatkan panas yang besar yang dapat digunakan untuk

menggantikan panas dari kompor minyak atau kayu bakar.

Gambar 2-8. Kompor Matahari

Sumber : lit 13

Untuk diameter cermin sebesar1,3 meter kompor ini memberikan daya thermal

sebesar 800 watt pada panci. Dengan menggunakan kompor ini maka kebutuhan

akan energi fosil dan energi listrik untuk memasak dapat dikurangi.

2.3.5 Pengeringan Hasil Pertanian

Hal ini biasanya dilakukan petani di desa-desa daerah tropis dengan

menjemur hasil panennya dibawah terik sinar matahari. Cara ini sangat

menguntungkan bagi para petani karena mereka tidak perlu mengeluarkan biaya

untuk mengeringkan hasil panennya. Berbeda dengan petani di negara-negara

empat musim yang harus mengeluarkan biaya untuk mengeringkan hasil panennya

dengan menggunakan oven yang menggunakan bahan bakar fosil maupun

menggunakan listrik.


http://kamase.org/wp-content/uploads/2009/07/kompor_surya.jpg�

2.3.6 Sistem Fotovoltaik

Sel surya bekerja dengan mengubah secara langsung sinar matahari

menjadi listrik. Elektron-elektron di dalam bahan semikonduktor, bahan yang

digunakan untuk menangkap sinar matahari, akan bergerak ketika energi matahari

dalam bentuk foton menabraknya. Energi matahari yang memaksa elektron

berpindah, terjadi secara terus menerus, dan akibatnya terjadi pula produksi listrik

yang kontinyu. Proses tersebut, yang mengubah sinar matahari (foton) menjadi

listrik (tegangan), disebut dengan efek fotovoltaik.

2.3.7 Sel Surya Film Tipis

Sel surya film tipis menggunakan beberapa lapis bahan semikonduktor

dengan ketebalan dalam skala mikrometer. Teknologi tersebut memungkinkan

untuk membuat sel surya yang diintegrasikan dengan atap rumah hingga skylight.

Bahkan sel surya untuk aplikasi tersebut didesain mempunyai kekuatan yang sama

dengan atap rumah sebenarnya.

Gambar 2-9. Sel surya film tipis

Sumber: lit 14


2.3.8 Sel Surya Terkonsentrasi

Beberapa sel surya juga didesain untuk bekerja dengan sinar matahari

yang difokuskan (concentrated sunlight). Sel-sel surya tersebut diintegrasikan ke

dalam kolektor sinar matahari yang biasanya menggunakan lensa untuk

memfokuskannya ke atas sel surya. Ada beberapa keuntungan dan kerugian

dengan menggunakan teknik ini jika dibandingkan dengan panel surya pelat datar.

Tujuan utamanya adalah menggunakan sesedikit mungkin bahan semikonduktor

yang mahal sembari meningkatkan efisiensinya dengan lebih banyak

melipatgandakan energi matahari yang mengenai permukaan sel. Tetapi karena

lensa harus diarahkan ke matahari, penggunaan kolektor menjadi dibatasi oleh

lokasi atau wilayah yang paling banyak mendapatkan sinar matahari. Hampir

sama dengan panel surya pelat datar, teknologi ini juga bisa dipasang di atas

perangkat penjejak matahari yang sederhana, tetapi sebagian besar menggunakan

perangkat yang canggih. Akibatnya, pemakaian teknologi sel surya ini masih

terbatas pada perusahaan listrik, industri dan bangunan-bangunan besar.

2.3.9. Pembangkit Listrik Tenaga Matahari

Sebagian besar pembangkit listrik yang ada saat ini menggunakan bahan

bakar fosil sebagai sumber panas untuk mendidihkan air. Uap air yang dihasilkan

kemudian memutar turbin, yang pada akhirnya menggerakkan generator untuk

menghasilkan listrik. Tetapi kini mulai banyak pembangkit listrik yang

menggunakan sistem konsentrator surya, menggunakan matahari sebagai sumber

panas. Ada tiga tipe utama sistem konsentrator surya, yaitu : parabolic,

dish/engine, menara pembangkit

Sistem parabolik memusatkan energi sinar matahari dengan menggunakan

cermin panjang berbentuk U. Cermin-cermin tersebut diatur mengarah sinar

matahari dan memusatkan sinar matahari ke sebuah pipa berisi minyak yang

memanjang di tengah-tengah titik pusat parabolik tersebut. Minyak panas tersebut

digunakan untuk mendidihkan air di generator uap konvensional dan

menghasilkan listrik.


Gambar 2-10. Kolektor surya parabolik

Sumber: lit 14

Sistem dish/engine menggunakan piringan cermin untuk mengumpulkan sinar

matahari pada sebuah penerima yang berfungsi untuk menerima sinar matahari

dan memindahkan panasnya ke cairan yang berada di dalam mesin. Panas yang

terjadi mengakibatkan cairan di dalam mengembang dan menekan piston atau

turbin dan menghasilkan energi mekanis. Energi mekanis tersebut kemudian

digunakan untuk memutar generator ataupun alternator untuk menghasilkan

listrik.

Sementara itu, menara pembangkit menggunakan cermin dalam jumlah

yang besar dan ditempatkan di suatu lokasi yang luas untuk mengumpulkan sinar

mataharidan memusatkannya ke bagian atas sebuah menara dimana sebuah

penerima ditempatkan. Panas yang dihasilkan mencairkan garam yang kemudian

mengalir untuk memanaskan air. Uap yang dihasilkan dari air panas digunakan

untuk memutar generator uap konvensional. Garam cair bisa menyimpan panas


dalam waktu yang lama. Artinya listrik bisa dihasilkan pada saat matahari telah

terbenam atau pada saat langit sangat berawan.

2.4. Jenis-Jenis Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat didefenisikan sebagai berpindahnya energi dari

suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah –

daerah tersebut. Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga

cara perpindahan panas yang berbeda: radiasi (radiation), konduksi (conduction ;

juga dikenal dengan istilah hantaran), dan konveksi (convection; juga dikenal

dengan istilah ilian).

2.4.1 Radiasi

Jika suatu benda ditempatkan di dalam sebuah ruangan, dan suhu dinding

– dinding ruangan lebih rendah dari pada suhu benda maka suhu benda tersebut

akan turun sekalipun ruangan tersebut ruang hampa. Proses dengan perpindahan

panas dari suatu benda terjadi berdasarkan suhunya tanpa bantuan dari suatu zat

antara (medium) disebut radiasi termal. Defenisi lain dari radiasi termal ialah

radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya.

Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik, radiasi termal hanyalah salah

satu diantaranya. Apa pun jenis radiasi itu, ia akan selalu merambat dengan

kecepatan cahaya, cm/s. Kecepatan ini sama dengan hasil perkalian

panjang gelombang dengan frekuensi radiasi,

.................................................................... 2-1 (lit 3 hal 341)

Dimana:

c = kecepatan cahaya (cm/s)

= panjang gelombang (cm)

= frekuensi (Hz)

Satuan boleh centimeter, angstrom ( cm), atau mikrometer (1µm =

. Radiasi termal terletak dalam rentang antara 0,1 – 100 µm, sedangkan

bahagian cahaya tampak dalam spektrum itu sangat sempit, yaitu terletak antara

kira – kira 0,35 – 0,75 µm.


2.4.1.1 Sifat – Sifat Radiasi

Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian

radiasi itu dipantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorpsi), dan sebagian lagi

diteruskan (transmisi).

Radisi datang Refleksi

Absorpsi

Transmisi

Gambar 2-11. Bagan menunjukkan pengaruh radiasi datang.

Jika disebut refleksifitas, disebut absorptivitas, disebut transmitivitas, maka

hubungan ketiganya adalah

Karena benda padat tidak meneruskan radiasi termal, maka transmisivitas

dianggap nol. Sehingga,

Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu

permukaan. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi, maka dapat dikatakan

refleksi itu spekular (specular). Di lain pihak, apabila berkas yang jatuh itu

tersebar merata ke segala arah sesudah refleksi maka refleksi itu disebut baur

(diffuse).

(a)


(b)

Gambar 2-12. Refleksi cahaya (a) Spekular, (b) Baur

Releksi spekular memberikan bayangan cermin dari sumber itu kepada

pengamat. Tetapi tidak ada permukaan yang sebenarnya yang hanya spekular atau

baur. Sebuah cermin biasa tentu bersifat spekular untuk cahaya tampak tetapi

belum tentu bersifat spekular untuk keseluruhan rentang panjang gelombang radisi

termal. Biasanya, permukaan kasar lebih menunjukkan sifat baur dari pada

permukaan yang mengkilap.

2.4.1.2 Daya Emisi dan Emisivitas Benda

Daya emisi (emissive power) E suatu benda ialah energi yang dipancarkan

benda itu persatuan luas per satuan waktu. Dalam suatu ruangan tertutup terbuat

dari benda hitam sempurna yaitu yang menyerap seluruh radisi yang menimpanya,

ruang itu juga akan memancarkan radiasi. Besarnya fluks radiasi yang diterima

ruangan itu ialah W/m2. Jika suatu benda ditempatkan di ruangan tersebut dan

dibiarkan mencapai kesetimbangan, maka energi yang diserap benda itu mesti

sama dengan energi yang dipancarkan; sebab, jika tidak, tentu ada energi yang

mengalir masuk atau keluar benda itu dan menyebabkan suhunya naik atau turun

atau yang disebut dengan hukum kesetimbangan energi. Pada kesetimbangan

dapat ditulis

............................................................... 2-2 (lit 3 hal 344)

Dimana:

E = Daya emisi (W/m2)

A = Luas permukaan (m2)


= Fluks radiasi (W/m2)

= Emisivitas

Jika dalam ruangan itu diganti dengan benda hitam sempurna

yang bentuk dan ukurannya sama, dan benda hitam itu di biarkan mencapai

kesetimbangan dengan ruang itu pada suhu yang sama, maka

......................................................... 2-3 (lit 3 hal 344)

Dimana:

= Daya emisi benda hitam (W/m2)

Jika persamaan (2-2) dibagi dengan persamaan (2-3), diperoleh

Perbandingan daya emisi suatu benda dengan benda hitam pada suhu yang

sama ialah sama dengan absorptivitas benda itu. Perbandingan ini yang disebut

dengan emisivitas benda. Maka,

....................................................................... 2-4 (lit 3 hal 345)

Sehingga: ........................................................................ 2-5 (lit 3 hal 345)

Dimana:

= Emisivitas benda

2.4.1.3 Stefan-Boltzmann Law

Bilangan Stefan-Boltzmann diperoleh dari pengembangan hukum Planck,

dimana daya emisi total yang diberikan benda hitam merupakan integrasi dari

emisi monokromatik benda hitam pada perubahan panjang gelombang.

............................. 2-6 (lit 8 hal 530)

Dimana:

= Panjang gelombang (µm)

C1 = 3,743 x 108 (W µm4/m2)`

C2 = 1,4387 x 104 (µm.K)


= daya emisi monokromatik (W/m2)

= daya emisi monokromatik benda hitam (W/m2)

Jika , maka , atau

saat = ∞, maka

saat = 0, maka

dx

Karena

maka


Daya emisi benda hitam per satuan luas:

Dimana:

= konstanta stefan-Boltzmann (W/m2K4)

W/m2K4

Benda hitam (black body) memancarkan energi dengan laju yang

sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu dan berbanding lurus

dengan luas permukaan.

...................................................... 2-7 (lit 3 hal 13)

Pertukaran radiasi dalam ruang kurung antara dua permukaan dengan luas

A dan emisivitas benda berbanding lurus dengan perbedaan suhu absolut

pangkat empat.

.............................. 2-8 (lit 3 hal 14)

2.4.1.4 Radiasi surya

Radiasi surya (solar radiation) merupakan suatu bentuk radiasi thermal

yang mempunyai distribusi panjang gelombang khusus. Intensitasnya sangat

bergantung dari kondisi atmosfer, saat dalam tahun, dan sudut timpa (angle of

incidence) sinar matahari dipermukaan bumi. Pada batas luar atmosfer, iradiasi

surya total ialah 1395 W/m2 bilamana bumi berada pada jarak rata-ratanya dari

matahari. Angka ini disebut konstanta surya (solar constant).

Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai

permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap

air di atmosfer. Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung


dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang

maksimum akan mencapai permukaan bumi bilamana berkas sinar itu langsung

menimpa permukaan bumi, karena terdapat bidang pandang yang lebih luas

terhadap fluks surya yang datang dan berkas sinar surya menempuh jarak yang

lebih pendek di atmosfer, sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit daripada jika

sudut timpanya miring terhadap normal.

Matahari mempunyai diameter kira – kira 1,39 x 109 m dan massa 2 x 1030

kg dan, berjarak 1,5 x 1011 dari bumi. Untuk menghitung suhu matahari maka

dapat di gunakan Persamaan 2-9 dibawah ini.

..................................................... 2-9 (lit 8 hal 571)

Dimana:

L = jarak antara matahari dan bumi

Gs = konstanta surya

r = jari – jari matahari

sehingga:

2.4.2 Konduksi

Konduksi adalah proses dengan panas mengalir dari daerah yang bersuhu

lebih tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah didakam suatu medium (padat,

cair atau gas) atau antara medium – medium yang berlainan yang bersinggungan

secara langsung. Dalam aliran panas konduksi, perpindahan energi terjadi karena

hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang

cukup besar. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh

kecepatandan posisi relatif molekul – molekulnya disebut energi dalam. Jadi,

semakin cepat molekul – molekul bergerak, semakin tinggi suhu meupun energi

dalam elemen zat. Bila molekul – molekul di satu daerah memperoleh energi

kinetik rata – rata yang lebih besar dari pada yang dimiliki oleh molekul –


molekul di suatu daerah yang berdekatan, sebagaimana diujudkan oleh adanya

beda suhu, maka molekul –molekul yang memiliki energi yang lebih besar itu

akan memindahkan sebagian energinya kepada molekul – molekul di daerah yang

bersuhu lebih rendah.

Konduksi adalah satu – satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir

dalam zat padat yang tidak dapat tembus cahaya. Konduksi penting dalam fluida,

tetapi di dalam medium yang bukan padat biasanya tergabung dengan konveksi,

dan radiasi.

Energi berpindah secara konduksi (conduction ) atau hantaran dan bahwa

laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradien suhu normal:

Jika dimasukkan konstanta proporsionaliltis atau tetapan kesebandingan,

maka

............................................... 2-10 (lit 3 hal 2)

Dimana:

q = Laju perpindahan panas ( W )

k = Konduktifitas Termal yang searah dengan perpindahan

kalor ( W / m.oC)

A = Luas Penampang yang terletak pada aliran panas (m2)

dT/dx = Gradien temperatur dalam arah aliran panas ( oC/m )

Tanda minus diselipkan untuk memenuhi hukum kesua termodinamika, yaitu

bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Persamaan

2-10 disebut hukum Fourier tentang konduksi kalor.

Persamaan (2-10) merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal.

Berdasarkan rumusan itu maka dapat dilaksanakan pengukuran dalam percobaan

untuk menentukan konduktivitas berbagai bahan. Nilai konduktivitas berbagai

bahan dapat dilihat pada tabel dan grafik dibawah ini.


Daftar 2-1. Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 oC

Sumber: lit 3 hal 7


Gambar 2-13. Konduktivitas termal beberapa gas (1 W/m.oC = 0,5779 Btu/h.ft oF)

Sumber: lit 3 hal 8

Gambar 2-14. Konduktivitas termal beberapa zat zair

Sumber: lit 3 hal 9


Gambar 2-15. Konduktivitas termal beberapa zat padat

Sumber: lit 3 hal 9

2.4.3 Konveksi

Konveksi adalah proses transver energi dengan kerja gabungan dari

konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat

penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat

dan cairan atau gas.

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang

suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap.

Pertama, panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel –

partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian

akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel fluida ini. Kemudian partikel

fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam fluida

dimana partikel tersebut akan bercamp\ur dan memindahkan sebaian energinya

pada partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun

energi. Energi disimpan didalam partikel – partikel fluida dan diangkut sebagai

akibat gerakan massa partikel tersebut.


Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas ( free

convection)dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan

cara alirannya. Bila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat

dari perbedaaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient suhu, maka proses ini

yang disebut dengan konveksi bebas atau alamiah (natural). Bila gerakan

mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka

prosesnya disebut konveksi paksa.

Aliran Arus bebas

T∞

u q

Tw dinding

Gambar 2-16. Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat

Pada Gambar (2-16) suhu plat ialah Tw dan suhu fluida T∞. Kecepatan

aliran seperti Gambar (2-16) yaitu nol pada permukaan plat sebagai akibat aksi

kental viskos (viscous action). Oleh karena kecepatan lapisan fluida pada dinding

fluida adalah nol maka disini kalor hanya dapat berpindah dengan cara konduksi

saja. Jadi, dapat dihitung perpindahan kalornya dengan menggunakan rumus

konduksi Persamaan (2-10),dengan menggunakan konduktivitas termal fluida dan

gradien suhu pada dinding. Gradien suhu bergantung pada laju fluida membawa

kalor dari permukaan-dalam plat tersebut. Kecepatan yang tinggi akan

menyebabkan gradien suhu yang besar, demikian juga sebaliknya. Gradien suhu

pada dinding bergantung dari medan aliran.

Pengaruh konduksi secara menyeluruh pada fluida disebut dengan

perpindahan kalor secara konveksi. Rumus empiris perpindahan kalor konveksi

digunakan hukum Newton tentang pendinginan:


................................. 2-11 (lit 3 hal 11)

Dimana:

h = Koefisien perpindahan kalor konveksi ( W / m2 oC)

A = Luas permukaan (m2)

Tw = Temperatur dinding (oC )

T∞ = Temperatur fluida (oC )

Q = Laju perpindahan panas konveksi ( Watt )

Disebut pendinginan karena fluida yang dialirkan melalui plat tersebut

digunakan untuk mendinginkan plat itu juga. Laju perpindahan kalor dihubungkan

dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A.

Perpindahan kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida disamping

ketergantungannya pada sifat – sifat termal fluida ( kondukt ivitas termal, kalor

spesifik, densitas). Hal ini dapat dimengerti karena viskositas mempengaruhi

profil kecepatan, dan karena itu mempengaruhi laju perpindahan energi didaerah

dinding.

2.5 Perpindahan kalor di sepanjang pipa

Uraian perhitungan perpindahan kalor disepanjang pipa seperti Gambar

(2-17) adalah sebagai berikut.

Gambar 2-17. Volume kendali untuk analisis energi dalam tabung

Suhu dinding ialah Tw, jari – jari tabung ro, dan kecepatan pada pusat

tabung uo. Distribusi kecepatan diturunkan dengan memperhatikan unsur unsur

fluida seperti Gambar 2-18 dibawah ini.


Gambar 2-18 Neraca gaya pada unsur fluida dalam aliran tabung

Gaya tekan :

Gaya geser viskos :

Gaya tekanan diimbangi oleh gaya geser viskos, sehingga

Atau

dan

........................................................... 2-12

Dengan kondisi batas

Kecepatan pada pusat tabung

.......................................................................... 2-13

Sehingga distribusi kecepatan dapat ditulis sebagai


........................................................................ 2-14

Dimana:

= kecepatan aliran fluida pada jari – jari tabung = r

= kecepatan aliran aliran fluida di pusat tabung ,r = 0

Fluks kalor pada dinding tabung konstan

Aliran kalor yang dikonduksikan kedalam unsure anulus adalah

Dan kalor yang dihantar keluar

Kalor yang dikonveksi keluar unsur

Neraca energi adalah energi neto yang dikonveksi keluar = kalor neto yang

dikonduksi kedalam atau dengan mengabaikan diferensial orde kedua, maka

Yang dapat ditulis kembali sebagai

...................................................................... 2-15


Karena fluks kalor tetap sehingga suhu fluida rata – rata bertambah secara linear

dengan x, sehingga

Hal ini berarti bahwa profil suhu pada berbagai posisi x sepanjang tabung itu

akan serupa. Kondisi batas untuk Persamaan 2-15 adalah

= 0 pada r = 0

Dengan menganggap bahwa sifat – sifat fluida dalam aliran tetap maka Persamaan

2-14 disubstitusikan kedalam Persamaan 2-15

Integrasi menghasilkan

Dan integrasi kedua memberikan

Dengan menerapkan kondisi batas (r = 0), maka diperoleh temperatur pada pusat

tabung ( ):


Distribusi temperatur (T) saat laju aliran fluida di r adalah

............................................................ 2-16

Dalam aliran tabung koefisien perpindahan kalor konveksi didefenisikan:

)

Dimana:

Tw = Suhu dinding (oC)

Tb = Suhu limbak (oC)

Suhu limbak (bulk temperature) adalah suhu fluida yang dirata – ratakan

energinya diseluruh penampang tabung yang dapat dihitung dari:

.......................................................... 2-17

Jika diketahui temperatur fluida masuk (Tb1) dan temperatur fluida keluar

pipa maka suhu limbak menjadi,

.......................................................................... 2-18

Suhu limbak digunakan dalam merumuskan koefisien perpindahan kalor

dalam aliran tabung. Dalam aliran tabung tidak dapat kondisi aliran bebas. Pada

setiap posisi x, suhu yang menunjukkan energi total yang mengalir ialah suhu rata

– rata massa-energi yang terintegrasi keseluruh bidang aliran. Pembilang pada

Persamaan(2-17) menunjukkan energi total yang mengalir melalui tabung.

Penyebut adalah hasil perkalian aliran massa dan kalor spesifik, yang

diintegrasikan di seluruh bidang aliran. Jadi suhu limbak menunjukkan

keseluruhan energi yang mengalir pada suatu lokasi tertentu. Suhu limbak sering

disebut suhu ”mangkuk pencampur” (”mixing cup” temperature) karena suhu itu

yang akan dicapai fluida kalau ditempatkan di dalam ruang pencampur dan


dibiarkan mencapai kesetimbangan. Suhu limbak merupakan fungsi linear x

karena flux kalor pada dinding tabung itu konstan.

Dari Persamaan (2-17) diperoleh

Suhu limbak:

............................................................ 2-19

Suhu dinding:

.................................... 2-20 (lit 3 hal 231)

Kalor yang diterima oleh fluida secara konveksi sama dengan kalor yang

dilepas pipa secara konduksi saat laju aliran fluida nol (r = ro) sehingga hubungan

perpindahan kalor konveksi dan konduksi adalah:

................................................ 2-21

gradien suhu diberikan oleh

............................................................... 2-22


Dengan mensubstitusikan Persamaan (2-19),(2-20), (2-22) kedalam Persamaan

(2-21) maka diperoleh

atau dengan menggunakan bilangan nusselt, maka:

...................................................................... 2-23

Bilangan Nusselt untuk perpindahan kalor aliran laminar dalam tabung:

....................................... 2-24

Persamaan (2-24) berlaku jika:

Dimana:

= Bilangan Nusslet

= Bilangan Reynolds

= Bilangan Prandtl

= Viskositas dinamik suhu fluida(kg/m.s)

= Viskositas dinamik pada suhu dinding pipa (kg/m.s)

= Massa jenis fluida (kg/m3)

= diameter pipa (m)

= Panjang pipa (m)


Bilangan Nusselt untuk perpindahan kalor aliran turbulen dalam tabung:

................................................................. 2-25

Nilai eksponen n adalah:

n = 0,4 untuk pemanasan

n = 0,3 untuk pendinginan

Persamaan (2-25) berlaku untuk aliran turbulen dengan angka Prandtl-nya

berkisar antara 0,6 sampai 100.

2.6 Efisiensi Termal

Jika ditinjau dari laju aliran massa fluida, banyaknya kalor yang

dibutuhkan untuk menaikkan temperatur fluida adalah

................................................................. 2-26

Jika ditinjau dari perpindahan kalor secara konveksi, banyaknya kalor

yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur fluida adalah

............................................................. 2-27

Karena nilai temperatur fluida masuk (Tb1) dan temperatur fluida keluar

(Tb2) pipa yang diperoleh dari penelitian ini maka, formula perpindahan kalor dari

pipa ke fluida menggunakan Persamaan (2-26),

Jika ditinjau sumber kalor pipa (berasal dari intensitas cahaya) maka

Fluks kalor pada dinding pipa adalah

....................................................................................... 2-28

Dimana:

I = Intensitas cahaya (W/m2)

A = luas penampang (m2)

Dengan memperhitungkan faktor – faktor atau penyebab hilangnya kalor,

dimana nilainya dimasukkan dalam suatu konstanta efisiensi ( ) maka hubungan

fluks kalor dengan perubahan temperatur fluida di dalam pipa adalah:


.................................................................................. 2-29

Sehingga efisiensi termal,

......................................................... 2-30

Fluks kalor berpindah secara konduksi di sepanjang penampang pipa maka,

.......................................................................... 2-31

Jika Persamaan(2-32) disubstitusikan ke Persamaan (2-30) diperoleh,

Dimana k, A, cp merupakan konstanta sehingga,

............................................................................ 2-32

Dari Persamaan (2-33) dapat dilihat bahwa efisiensi termal dan perubahan

temperatur disepanjang pipa ekuivalen dengan laju aliran massa dan perubahan

temperatur fluida.

Karena fluks kalor konstan maka,

Apabila laju aliran massa fluida dinaikkan di ikuti dengan meningkatnya

nilai efisiensi termal dan perubahan temperatur fluida maka, dapat disimpulkan

bahwa kemampuan fluida untuk menyerap kalor dari dinding pipa juga semakin

besar sehingga dapat mengurangi kalor yang hilang.


bab ii tinjauan pustaka 2.1 energi matahari.repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/20743/3/chapter...

Documents