Matahari (Surya)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.6 Matahari (Surya)

Matahari adalah bintang terdekat dari bumi. Seperti halnya bintang yang lain, matahari memancarkan cahayanya sendiri. Cahaya yang terpancar dari matahari disebabkan oleh adanya reaksi fusi nuklir yang terjadi di inti matahari. Selain memancarkan cahaya, matahari juga menghasilkan energy yang sangat besar dalam bentuk panas. Energi dari proses reaksi di inti hingga terhantar ke permukaan matahari berlangsung melalui proses yang kompleks. Terjadinya reaksi nuklr di inti dan proses penghantarannya di bagian dalam matahari menyebabkan matahari selalu beraktivitas secara dinamis sepanjang waktu.

Gambar 2.1 Matahari

a) Inti matahari

Matahari bukanlah satu benda padat yang homogen, tetapiseperti bola gas raksasa yang terdiri atas lapisan- lapisan yang berbeda. Pada bagian inti, reaksi fusi nuklir berlangsung pada suhu sekitar 15 juta derajat Celcius. Inti matahari mengsisi sepertiga jari-jari terdalam dari matahari. Di sini, bergabung empat inti hydrogen membentuk satu buah inti helium. Reaksi ini menghasilkan energy yang sangat besar dalam bentuk gelombang electromagnet dan partikel. Energi yang besar ini kemudian merambat ke bagian yang lebih luar melalui cara radiasi atau pancaran.

b) Daerah radiasi

Bagian dalam matahari yang menghantarkan energy secara radiasi disebut sebagai daerah radiasi (radiation zone). Daerah radiasi ada pada bagian terluar inti matahari hingga jarak sekitar 0.8 jari-jari matahari. Daerah radiasi memiliki kerapatan yang sangat tinggi sehingga gelombang elektromagnetik dari inti matahari membutuhkan waktu hingga ratusan ribu tahun untuk sampai di bagian terluarnya. Pada bagian dasar daerah radiasi, suhunya mencapai 7 juta derajat Celcius, sedangkan bagian luarnya memiliki suhu 2 juta derajat Celcius.

c) Daerah konveksi

Di bagian luar daerah radiasi terdapat daerah konveksi. Di bagian ini, energy menjalar ke permukaan matahari melalui proses konveksi atau aliran. Aliran energy ini terbawa oleh medium plasma yang mengisi daerah konveksi. Plasma adalah gas yang terionisasi oleh suhu yang sangat tinggi sehingga electron-elektronnya terpisah dari atom atau molekulnya . Pada daerah konveksi, aliran plasma begitu kompleks sehingga menghasilkan medan magnet yang berfluktuasi sepanjang waktu. Dinamika medan magnet ini sangat aktif sehingga mempengaruhi munculnya beragam aktivitas di permukaan matahari. Aktivitas matahari ini kadang teramati dari bumi dan sering mengakibatkan pengaruh yang besar terhadap kondisi cuaca antariksa secara keseluruhan.

Bagian matahari yang terlihat dari bumi adalah permukaan matahari atau fotosfer. Fotosfer terletak di atas daerah konveksi. Suhu di fotosfer

sekitar 6000 derajat Celcius. Sebagian dari proses konveksi tampak di fotosfer berupa luapan plasma seperti gelembung yang disebut granula. Di fotosfer juga terjadi beberapa aktivitas matahari akibat dari dinamika medan magnet di daerah konveksi.

Di atas fotosfer terdapat lapisan atmosfer matahari yang disebut kromosfer. Kromosfer memiliki suhu antara 4500 hingga 25.000 derajat Celcius. Suhu di atas kromosfer meningkat dengan tajam hingga mencapai 2 juta derajat Celcius pada daerah yang dinamakan korona. Meskipun jauh lebih panas dari permukaan matahari, korona lebih redup darinya sehingga tidak tampak dari bumi kecuali pada saat gerhana matahari. Pada bagian atmosfer matahari ini terjadi beberapa aktivitas matahari yang dapat berpengaruh pada cuaca anatraiksa.

2.6.2 Teori Dasar Radiasi Surya

Radiasi adalah proses perpindahan panas tampa melalui media. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas dianggap no l.

Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse.

Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-40 km), mesosfer (40-50 km), dan thermosfer (50-300 km).

Gambar 2.3 Lapisan atmosfer bumi

Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (Gon). Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam). Radiasi akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (G_diffuse).

2.6.3 Rumusan Radiasi Surya

Matahari mempunyai diameter 1,39×10⁹ m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×10¹¹ m.

Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x10¹¹ m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak 1,52x10¹¹ m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.

Gambar 2.4 Pergerakan bumi terhadap matahari

Untuk menghitung radiasi pada hari ke- n, diperlukan rumusan Duffie dan Beckmann (1991):

Gambar 2.5 Hubungan matahari dan bumi

Persamaan radiasi pada atmosfer yang diajukan oleh Spencer pada tahun 1971. Gon = Gsc (1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,000719 cos 2B

+ 0,000077 sin 2B) ... .(2.3) dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut :

B =

ⁿ−1 360

365

...

(2.4) Dimana :

Gsc = Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi (1367 W/m²) B = konstanta yang bergantung pada nilai n

Gon = radiasi yang diterima atmosfer bumi (W/m²) Nilai n bergantung pada urutan hari (i)

Tabel 2.3 Urutan Hari Berdasarkan Bulan

(Sumber: Duffle, 2006)

Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah : a) Air Mass (m)

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m=1 , pada sudut zenith 60⁰, m=2. Pada sudut zenit dari 0⁰-70⁰.

m = ¹

COS θ ^{... (2.5)}

b) Beam Radiation

Radiasi energy dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).

c) Diffuse Radiation

Radiasi energy surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

d) Total Radiation

Adalah jumlah beam dan diffuse radiation.

e) Irradiance (W/m²)

Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan

Bulan N Januari I Februari 31+i Maret 59+i April 90+i Mei 120+i Juni 151+i Juli 181+i Agustus 212+i September 243+i Oktober 273+i November 304+i Desember 334+i

luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi.

f) Irradiation atau Radian Exposure (J/m²) Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.

g) Solar Time atau Jam Matahari

Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). Hubungannya adalah:

ST =STD ±4(Lst-Lloc)+E... (2.6) Dimana : STD = waktu lokal

Lst = standart meridian untuk waktu lokal (^o)

Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (^o) ; untuk bujur Timur digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4 E = faktor persamaan waktu

Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.

E = 229,2(0,000075 + 0,001868 cos B - 0,032077 sin B - 0,014615 cos 2B - 0,04089 sin 2B) ... .(2.7)

Dimana : B = konstanta yang bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu

Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.6. Beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.

Gambar 2.6 Sudut sinar dan posisi sinar matahari

Slope adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0 ≤ ≤ 900. permukaan adalah sudut penyimpangan sinar

pada bidang proyeksi dimana 0^o pada selatan dan positif ke barat. Sudut

penyinaran (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith z adalah sudut yang dibentuk

garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs (solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari s adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap se latan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif.

Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi

δ , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang.

Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω

berkurang 15⁰ dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 1η0

. Artinya tepat

pukul 1β.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω= -15⁰ dan pukul 14.00, ω = γ00

.

Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi :

 = C1 + C2CosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B + C7sin3B ...(2.8) Dimana  = sudut deklinasi (rad)

C2 = -0.399912 C6 = -0.002679

C3 = 0.070257 C7 = 0.00148

C4 = -0.006758

Nilai B dihitung dengan menggunakan persamaan (2.2) dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 2.1.

Sudut zenith ( z) adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut:

cos _z= cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ ... (2.9) Dimana z = Sudut zenith

φ = Sudut posisi lintang

 = Sudut deklinasi. ω = Sudut jam matahari.

Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut

jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang

15^o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 1ηo

.

ω = 1η(STD – 12) + (ST-STD) x ¹⁵

60

...

(2.10) Dimana : STD = waktu lokal

ST = solar time

= sudut jam matahari (^o)

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosphere ke permukaan bumi (Duffle, 2006) adalah:

τb = ao + a1 exp −k

cos _z

...

(2.11)

Dimana ao = ro (0,4237 - 0,0082 (6 – A)²) a1 = r1 (0,5055 + 0,00595 (6.5 – A)²) k = rk (0.2711 + 0.01858 (2.5 – A)²)

Tabel 2.4 Faktor Koreksi Iklim Iklim ro r1 rk Tropical 0,95 0,98 1,02 Midatude summe r 0,97 0,99 1,02 Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01 Midatude Winte r 1,03 1,01 1,00 (Sumber : Duffle, 2006)

Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam :

Gbeam = Gonτbcos z ... (2.12) Dimana : Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m²)

τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos z = cosinus sudut zenith

Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m²)

Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse adalah :

Gdifuse = Goncos z (0,271 –0,β94 τb) ... (2.13) Dimana : Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan.

Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m²) τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos z = cosinus sudut zenith

Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada persamaan berikut :

Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi effisiensi kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus :

Q = I A Δt 90% ... (2.15) Dimana: Q = Energi Radiasi (J)

I = Intensitas radiasi (W/m²) A = Luas penampang kolektor(m²)

Δt = Selang waktu perhitungan (s)