TINJAUAN PUSTAKA
5. Energi Surya
2.3 Perpindahan Panas
Panas dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ketempat atau kebenda lain. Panas dapat berpindah dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang lebih dingin. Dengan kata lain, panas hanya akan berpindah dari suatu benda ke benda lainnya bila terdapat perbedaan temperatur di antara dua benda tersebut[11]. Atau panas akan berpindah dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang temperatur lebih rendah. Karena itu dapat disimpulkan
bahwa perbedaan temperatur (∆t) adalah merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan panas. Dalam proses perpindahan, dikenal 3 macam metode perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas suatu benda yang partikel-partikel dalam benda tersebut mentransfer energi melalui tumbukan. Konduksi panas hanya terjadi apabila terdapat perbedaan temperatur.
Panas yang mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum fourrier
[4].
…………...…………(β.2) Dimana, Q = Laju perpindahan panas
k = Konduktivitas termal (W / (m.K))
A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m²) T2 = Temperatur akhir (ºC)
T1 = Temperatur awal (ºC) L = Tebal plat (m)
Dari Persamaan (2.1) dapat disederhanakan menjadi persamaan yang dikenal dengan konsep resistansi thermal yang dianalogikan dengan resistansi listrik. Hal ini karena laju aliran kalor dianggap sebagai sebuah aliran listrik yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah (perbedaan temperatur). Konsep resistansi thermal juga berlaku untuk kedua jenis perpindahan panas yang lain. Dengan demikian, persamaan (2.3) menjadi [4]:
………....…
(2.3) ……...………...(β.4)Dimana, Q = laju perpindahan panas (W)
k = konduktivitas termal (W/ (m.K))
A = luas penampang yang terletak pada aliran panas (m²) T2 = temperature akhir (ºC)
T1 = temperature awal (ºC) L = tebal plat (m)
R = resitansi thermal (ºC/m) 2. Konveksi
Perpindahan panas konveksi terjadi di antara permukaan benda dan suatu fluida. Dengan kata lain, perpindahan panas konveksi adalah perpaduan perpindahan panas konduksi dengan suatu aliran fluida. Perpindahan panas konveksi terdiri dari tiga jenis, yaitu konveksi paksa aliran dalam, aliran luar, dan alamiah. Apabila aliran fluida disebabkan oleh blower/fan maka disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradient massa jenis maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton, yaitu sebagai berikut [3]
̇= hA (Ts – Tf)...(2.5)
Dimana,Q = Laju perpindahan panas
A = Luas permukaan kolektor surya (m²) Ts = Temperatur plat (ºC)
Tf = Temperatur fluida (ºC)
Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut[3]
………...………
(2.6)
Dimana, h = koefisien konveksi (W / m².K) Nu = bilangan Nusselt
k = konduktivitas termal (W/m.K) L = panjang plat (m)
Secara umum, pola aliran terbagi menjadi 3 jenis, yaitu aliran
laminar, transisi, dan turbulen[3]. Aliran laminar adalah aliran yang molekul-molekul fluidanya masih tersusun rapi atau tidak acak, sedangkan aliran turbulen adalah aliran yang molekul-molekul fluidanya acak atau radial. Aliran transisi merupakan pola aliran yang berada diantara aliran laminar dan turbulen. Persamaan yang digunakan untuk menghitung bilangan Reynold adalah sebagai berikut [3].
………...……….
(2.7)
Dimana, Rₑ = bilangan Reynold
ρ = massa jenis fluida (kg/m³)
U = kecepatan aliran fluida (m/s) L = panjang pipa (m)
µ = viskositas (Ns/m²)
Bilangan Nusselt sebuah plat dapat ditentukan dengan melihat kasusnya. Berikut ini adalah beberapa kasus dalam menentukan bilangan Nusselt.
1. Pada kasus plat dengan temperature konstan.
Misalnya sebuah plat datar yang ditiup angin dengan kecepatan dan temperature . temperature plat adalah konstan sebesar . Jika temperature plat lebih tinggi dari temperature udara,
maka panas akan mengalir dari plat ke fluida. Bilangan Nusselt ( ) dapat dihitung berdasarkan kasus ini adalah[3]
N = 0,332 x R -1/2 untuk < 5x105
...(2.8)
N = 0,0296 x untuk 5x105 107...(2.9) Dimana, N = bilangan Nusselt sepanjang x
R = bilangan Reynold sepanjang x
Pr = bilangan prandlt
2. Konveksi natural permukaan luar bidang horizontal.
Misalnya permukaan kaca yang terpapar oleh sinar matahari, maka panas dari kaca ini akan hilang ke udara linkungan. Bilangan Nusselt (Nu) untuk kasus ini dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut [3].
Nu = 0,54 x untuk 104 < R < 107...(2.10) Nu = 0,15 x untuk 107<R < 109...(2.11) Dimana, N = bilangan Nusselt
R = bilangan Rayleigh
3. Konveksi natural pada ruang tertutup yang dipanasi dari sisi bawah.
Solar kolektor plat datar umumnya mempunyai penutup kaca yang fungsinya meneruskan sinar matahari tetapi mengurangi panas terbuang ke lingkungan. Susunan absorber dengan penutup kaca ini akan membentuk ruang tertutup persegi yang miring dan didalamnya terjadi konveksi natural. Bilangan Nusselt (Nu) untuk kasus ini dapat dihitung berdasarkan persamaan diajukan oleh Holland dkk (1976) dengan RaL < 10, yaitu [3]
Nu = 1 + 1,44 +
...(2.12)
Dimana, N = Bilangan Nusselt R = Bilangan Rayleigh
Arti dari operator []+ adalah yang diambil hanya nilai positif. Jika nilai yang di dalam kurung negatif maka hasilnya sama dengan nol. Perhatikan operasi berikut [1]+ = 1 tetapi [-1]+ = 0 Untuk bilangan Rayleigh sendiri dapat dihitung dari persamaan berikut [5]
=
...(2.13)
Dimana, R = bilangan Rayleigh
= 1/Tr
g = percepatan gravitasi (9,81 m/s²) Ts = temperature permukaan plat (K) Tr = temperature referensi (K)
L = panjang karakteristik (luas permukaan (m))
= difusivitas thermal v = viskositas kiematik 3 Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photom) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium (ini yang menyebabkan mengapa perpindahan panas radiasi sangat penting pada ruang vakum). Disamping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperature benda tersebut. Kedua hal tersebut yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.
Energi matahari merupakan energi terbesar yang diterima bumi. Matahari mempunyai diameter 1,39x 109 m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk elips dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49 x 1011 m.
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk elips, maka jarak antara bumi dan matahari tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47 x 1011 m yang terjadi pada tanggal 3 januari 2011, dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli
dengan jarak 1,52 x 1011m. Karena adanya perbedaan ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga berbeda [5]
Persamaan radiasi pada atmosfer ( ) yang diajukan oleh Spencer
tahun 1971 [2] adalah :
Gon = Gsc(1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,00071 cos 2B+0,000077sinβB) ………...……(2.14) Dimana, =daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi(W/m2)
dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut [2]
B =
...(2.15)
Dimana, = 1367 W/m2
B = konstanta yang bergantung pada nilai n = raadiasi yang diterima atmosfer bumi (W/m2)
n = tanggal ke-i
Beberapa istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah : 1. Air Mass ( )
Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenith. Artinya pada posisi tegak lurus (zenith = 0) nilai ma = 1, pada sudut zenith 60º, m= 2. Pada sudut zenith dari 0º-70º [2]
=
...(2.16) 2. Beam Radiation
Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Intilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation)
3. Diffuse Radiation
Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.
4. Total Radiation
Adalah jumlah beam dan diffuse radiation
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi.
6. 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 biasanya disimbolkan I.
7. Solar Time atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semua matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). hubungannya adalah [2] :
ST =STD ± 4(Lst –δ loc) + E ………..(2.17) Dimana, STD = waktu local
Lst = standart meridian untuk waktu local (º)
Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (º) ; untuk bujur timur , digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4
E = factor persamaan waktu
Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu local. 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 dalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971 [2].
E=229,2(0,000075+0,001868cosB–0,032077sinB– ,014615cos2B–
0,04089sin2B………...(2.18) Dimana, B = konstanta yang bergantung pada nilai n
Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.
Slope adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. ζilai 0 ≤ ≤ 90º. θermukaan adalah sudut penyimpangan sinar pada
bidang proyeksi dimana 0º 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 angle) adalah sudut antara sinar dengan permukaan.Sudut azimuth
matahari s adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ketimur 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 , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis
siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam,
ω berkurang 1ηº dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 1ηº. Artinya tepat pukul 1β.00 siang, ω=0, pukul 11.00 pagi ω = -15º dan pukul 14.00,
ω = γ0º.
Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi yaitu [2]:
= C1+C2cosB+C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B + C7sin3B...…(2.19) Dimana: C1 = 0,006918 C2 = -0,399912 C3 = 0,070257 C4 = -0,006758 C5 = 0,000907 C6 = -0,002679 C7 = 0,00148 n = hari ke-
B = konstanta hari
Sudut zenith z adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut [2]
Cos z = cos cos cos ω + sin sin ………(2.20)
Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Defenisi
sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dri garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1
jam, ω berkurang 1ηº, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 1ηº [β] ω = 1η(STD – 12) + (ST-STD) x
...(2.21)
Dimana : STD = waktu local ST = solar time
ω = sudut jam matahari (º)
Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosfer ke permukaan bumi adalah [2]
= ao + a1exp
...(2.22)
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) A = ketinggian dari permukaan laut (km)
ro,r1,rk = factor koreksi akibat iklim Tabel 2.2 Faktor koreksi iklim
Iklim Ro r1 Rk Tropical Midatude Summer Subarctic Summer Midatude Summer 0,95 0,97 0,99 1,03 0,98 0,99 0,99 1,01 1,02 1,02 1,01 1,00
Radiasi beam adalah radiasi yang berlangsung di transmisikan dari atmosfer ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam adalah [2]),
Gbeam = Gon bcos z……...………..(2.23) Dimana :
Gon = radiasi yang diterima atmosfer (W/m²) b = fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi z = sudut zenith
Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosfer ke permukaan bumi (W/m²)
Radiasi diffuse adalah radiasi yang dipantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatkan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse adalah [2]:
Gdifuse = Goncos z (0,271 –0,β94 b)………...(2.24) Dimana :
Gon = radiasi yang diterima atmosfer
b = fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi z = sudut zenith
Gdifuse = radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan
Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse adalah sebagai berikut [2]
Gtotal = Gbeam + Gdiffuse………..(2.25)
Radiasi total yang diterima oleh suatu permukaan, tidak semuanya mampu diserap oleh kolektor. Hal ini disebabkan adanya absorbsivitas, reflektansi, dan transmisivitas suatu medium. Untuk kolektor dengan kaca penutup, panas hilang radiasi kolektor dapat ditentukan dengan mengetahui nilai temperatur absorber, temperatur kaca penutup, emisivitas absorber, dan emisivitas kaca penutup. Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung panas hilang radiasi yang terjadi [5]
̇ =
...(2.26)
Dimana, Q = laju perpindahan panas (W) A = luas permukaan plat (m²)
Ts = temperature plat
Tcl = temperature kaca terluar s = emisivitas plat
cl = emisivitas kaca terluar 2.4 Perkembangan Teknologi Pemanas Air 1. Akhir Tahun 1800an
Solar Water Heater (Pemanas Air Tenaga Surya atau Matahari) mulai tumbuh dan berkembang di akhir tahun 1800 an di California, Amerika Serikat. Adalah seorang Clarence M Kemp yang mematenkan pemanas air tenaga surya/matahari komersial pertama di dunia pada tahun 1891 [9].
Konsep sistem pemanas yang dibuat oleh Kemp, menempatkan tangki air bercat hitam (terdiri dari tiga tangki) di dalam sebuah kotak kaca yang tertutup kemudian dibagian bawah kotak dipanaskan, air dingin dalam tangki menyerap panas dan air tersebut menjadi cukup panas untuk mandi atau keperluan lainnnya. Tetapi Pemanas air komersial pertama ini memiliki kekurangan yaitu air yang dipanaskan akan terus disimpan didalam tangki, yang pada malam hari air tersebut terkena suhu malam sehingga pada saat pagi hari air menjadi tidak terlalu panas untuk dipergunakan. Pada tahun 1895, Kemp menjual hak eksklusif manufaktur sistem pemanas air nya kepada dua pengusaha dari Pasadena, California.
