BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan - Pengujian Performansi Mesin Pengering Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Bersirip Dan Produk Yang Dikeringkan Cabai Merah

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan

Pengeringan hasil pertanian dan perkebunan merupakan salah satu unit operasi energi paling intensif dalam pengolahan pasca panen. Unit operasi ini diterapkan untuk mengurangi kadar air produk seperti berbagai buah-buahan, sayuran, dan produk pertanian atau perkebunan lainnya setelah panen. Pengeringan adalah proses pemindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan panas untuk menguapkan air dari permukaan bahan tanpa mengubah sifat kimia dari bahan tersebut. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dan bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam bahan tersebut.

Pada prinsipnya, pengeringan hasil pertanian dan perkebunan bertujuan untuk mengurangi kadar air yang terkandung pada bahan sampai pada kadar air yang diinginkan. Tujuan mengurangi kadar air adalah untuk memperpanjang kehidupan rak-produk bio-asal dengan mengurangi kadar air ke tingkat yang cukup rendah sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi enzimatik, dan reaksi lainnya yang memperburuk produk pertanian dan perkebunan tersebut.

Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu, kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhir bahan.

2.1.1 Pasca Panen Cabai

Umumnya buah cabai merah dipetik apabila telah masak penuh, ciri-tepat masak dan tidak segera dipasarkan akan terus melakukan proses pemasakan, sehingga perlu adanya penempatan khusus. Oleh karena itu hasil produksi cabai merah sebaiknya ditempatkan pada ruang yang sejuk, terhindar dari sinar matahari, cukup oksigen dan tidak lembab (Anonimb, 2011).

Cabai merah besar merupakan salah satu jenis sayuran yang mempunyai kadar air yang cukup tinggi pada saat panen. Selain masih mengalami proses respirasi, cabai merah akan mengalami proses kelayuan. Sifat fisiologis ini menyebabkan cabai merah memiliki tingkat kerusakan yang dapat mencapai 40%. Daya tahan cabai merah segar yang rendah ini menyebabkan harga cabai merah di pasaran sangat berfluktuasi. Alternatif teknologi penanganan pascapanen yang tepat dapat menyelamatkan serta meningkatkan nilai tambah produk cabai merah (Prayudi, 2010).

Tabel 2.1 Kualitas cabai merah besar segar berdasarkan Standar Nasional Indonesia (SNI 01-4480-1989)

No Jenis Uji Persyaratan

Mutu I Mutu II Mutu III 1. Keseragaman Warna Merah>95% Merah≥95% Merah≥95%

a. Cabai merah besar segar

6. Tingkat Kerusakan dan Busuk a. Cabai merah besar Sumber: Departement Pertanian, Standart Mutu Indonesia SNI 01-4480-1989

2.1.2 Konsep Dasar Penge ringan

Pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian menuju kadar air kesetimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dicegah dari serangan jamur, enzim aktifitas serangga (Hederson and Perry, 1976). Sedangkan, menurut Hall (1957) and Brooker et. al. (1981), proses pengeringan adala h proses pengambilan atau penurunan kadar air sampai batas tertentu sehingga dapat memperlambat laju kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia sebelum bahan diolah atau dimanfaatkan.

Pengeringan meruapaka salah satu cara dalam teknologi pangan yang dilalakukan dengan tujuan pengawetan. Manfaat lain dari pengeringa adalah memperkecil volume dan berat bahan disbanding kondisi awal sebelum pengeringan. Sehingga, akan menghemat ruang (Rahman dan Yuyun, 2005).

Kelembaban udara (RH) juga mempengaruhi proses pengeringan. Kelembaban udara berbanding lurus dengan waktu pengeringan. Semakin tinggi kelembaban udara maka proses pengeringan (waktu pengeringan) akan berlangsung lebih lama. Apabila bahan pangan dikeringkan dengan menggunakan udara sebagai medium pengering, maka semakin panas udara tersebut semakin cepat perngeringan. Berbeda dengan RH, kecepatan aliran udara berbanding tebalik dengan waktu pengeringa. Semakin tinggi kecepatan aliran uda ra, proses pengeringan akan berjalan lebih cepat (Brooker, dkk., 1981).

Faktor lain yaitu kadar air bahan yang dikeringkan bahwa pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air bahan untuk menghambat perkembangan organism pembusuk. Kadar air suatu bahan berpengaruh terhadap banyaknya air yang diuapkan dan lamanya proses pengeringan. Kadar air bahan pangan dapat dinyatakan sebagai kadar air basi kering dan kadar air basis basah. Kadar air basis kering adalah perbandingan berat air dalam bahan dengan berat bahan keringnya. Kadar air basis basah adalah perbandingan berat air dalam bahan dengan berat bahan total (Heldman and Signh, 1981).

Tabel 2.2 Standart Mutu Cabai Kering (SNI 01-3389-1994).

No Jenis Uji Satuan Persyaratan

Mutu I Mutu II

1. Bau dan Rasa Khas Khas

2. Berjamur dan Berserangga (%) Tidak ada Maks 3

3. Excreta Mg/Kg Maks 2 Maks 3

4. Kadar Air (%) % Maks 11 Maks 11

5. Benda Asing % Maks 1 Maks 3

6. Buah Cacat % Maks 5 Maks 5

Sumber: Standart Nasional Indonesia, 1994.

mengurangi jarak gerak panas untuk samapi ke bahan yang dikeringkan (Muchtadi, 1989).

2.1.3 Kadar Air

Salah satu faktor yang mempengaruhi proses pengeringan adalah kadar air, pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air bahan untuk menghambat perkembangan organisme pembusuk. Kadar air suatu bahan berpengaruh terhadap banyaknya air yang diuapakan dan lamanya proses pengeringan (Taib, dkk., 1988).

Kadar air suatu bahan merupakan banyaknya kandungan air persatuan bobot bahan yang dinyatakan dalam persen basis basah (wet basis) atau dalam persen basis kering (dry basis). Kadar air basis basah mempunyai batas maksimum teoritis sebesar 100%, sedangkan kadar air basis kering lebih rendah dari 100%. Kadar air basis basah (b,b) adalah perbandingan antara berat air yang ada dalam bahan dengan berat total bahan.

Kadar air basis basah dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

%

Wd = Berat bahan kering (g) Wt = Berat total (g)

Kadar air basis kering adalah berat bahan setelah mengalami pengeringan dalam waktu tertentu sehingga beratnya konstan. Pada proses pengeringan, air yang terkandung dalam bahan tidak seluruhnya diuapkan meskipun demikian hasil yang diperoleh disebut juga sebagai berat bahan kering (Anonime, 2011).

2.2 Defenisi Vitamin C

Vitamin C adalah vitamin yang berbentuk Kristal putih agak kuning tidak berbau, mudah larut dalam air, terasa asam, mencair pada suhu 190-192oC dan merupakan suatu asam organik. Rumus molekul vitamin C adalah (C6H8O6) dan

berat molekulnya adalah 176.13. Vitamin C mempunyai dua bentuk molekul aktif yaitu bentuk tereduksi (asam askrobat) dan bentuk teroksidasi (asam dehidro askrobat). Bila asam dehidroaskrobat teroksidasi lebih lanjut akan berubah menjadi asam diketoglukonat yang tidak aktif secara biologis. Manusia lebih banyak menggunakan asam askrobat dalam bentuk L; bentuk D asam askrobat hanya dimetabolisme dalam jumlah sedikit. D asam askrobat banyak digunakan sebagai bahan pengawet (daging). Manusia tidak dapat mensintesis asam askrobat dalam tubuhnya karena tidak mempunyai enzim untuk mengubah glukosa atau galaktosa menjadi asam askrobat, sehingga harus disuplai dari makanan.

2.3 Metode Penetapan Kadar Vitamin C

1. Metode Fisika

a. Metode Spektroskopis

Metode ini berdasarkan pada kemampuan vitamin C yang telarut dalam air menyerap ultraviolet dengn panjang maksimum 265 nm. b. Metode Polarografik

2. Metode Kimia

Metode kimia merupakan metode yang paling banyak dan paling sering digunakan. Sebagian besar metode didasarkan pada kemampuan daya reduksi yang kuat dari vitamin C.

Macam- macam penetapan metode kimia antara lain: a. Titrasi dengan Iodimetri

Iodimetri akan mengoksidasi senyawa-senyawa yang mempunyai potensial reduksi yang lebih kecil dibandingkan iodium dimana hal ini potensial reduksi iodium +0,535 volt, karena vitamin C mempunyai potensial reduksi yang lebih kecil (+0,116 volt) dibandingkan iodium sehingga dapat dilakukan titrasi langsung dengan iodium (Andarwulan, 1992; Rohman, 2007).

b. Titrasi dengan Metylen Blue

Vitamin C dapat direduksi oleh metylen blue dengan bantuan cahaya menjadi senyawa leuco (leuco- metylene blue). Reaksi ini sering digunakan untuk menentukan vitamin C secara kuantitatif.

c. Titrasi dengan 2,6-dikhlorofenol indofenol

Metode ini adalah cara yang paling banyak digunakan untuk menentukan vitamin C dalam bahan pangan. Disamping mengoksidasi vitamin C, pereaksi indofenol juga mengoksidasi senyawa lain, misalnya senyawa-senyawa sulfidhril, thiosianat, senyawa-senyawa piridimium, bentuk tereduksi dari turunan asam nikosianat dan riboflavin. Dalam larutan vitamin C, terdapat juga bentuk dehidro asam askrobat yang harus diubah menjadi asam askrobat.

2.4 Metode Analisa Warna Sampel

efek. Analisa warna sampel menggunakan metode RGB yang ada pada Adobe Photoshop.

Warna Additive dibuat dengan bersumber dari sinar. Pesawat televisi maupun monitor komputer menggunakan sistem yang sama, yakni Warna Additive Color. Sumber sinar pada kedua alat tersebut difilter dengan komponen warna merah, hijau dan biru (Red, Green, Blue). Ketiga warna ini selanjutnya akan menghasilkan spektrum warna yang dapat kita tonton baik melalui monitor maupun TV.

Di samping itu, di dalam bekerja dengan komputer anda hanya mengingat 3 konsep, yaitu:

 Kombinasi antara 3 komponen warna Merah, Hijau dan Biru yang dimaksimalkan (diberi intensitas yang maksimal) akan menghasilkan warna putih.

 Sebaliknya jika 3 komponen tersebut dikombinasikan dan dikurangi intensitasnya hingga habis, maka akan menghasilkan warna hitam. Ini sama seperti jika suatu sinar ditutup dengan rapat maka akan menghasilkan kegelapan.

 Karena komponen warnanya terdiri dari Red, Green dan Blue, maka konsep warna ini dikenal juga dengan istilah RGB.

2.5 Jenis - Jenis Pengeringan

Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : (Arun S. Mujumdar, Chung Lim Law. 2009).

a) Baki atau wadah

b) Rotary

Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan terjadinya konduksi.

c) Flash

Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.

d) Spray

Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat. Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone. e) Fluidized bed

f) Vacum

Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.

g) Membekukan

Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya.

h) Batch dryer

Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.

2.6 Matahari (Surya)

2.6.1 Karakteristik Matahari

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, tetapi seperti 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.

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 ((40-50-300 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 (Gdiffuse).

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.

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)

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.

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

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

Gambar 2.6 Sudut sinar dan posisi sinar matahari

Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0 ≤ β ≤ 900_{. permukaan γ adalah sudut penyimpangan sinar}

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

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

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 150. Artinya tepat

pukul 12.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω= -150 dan pukul 14.00, ω = 300.

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 (θz) adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap

garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut:

cos θz= 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 15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o .

ω = 15(STD – 12) + (ST-STD) x 15

60

...

(2.10) Dimana : STD = waktu lokal

ST = solar time

𝜔 = 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

cosθ_z

... (2.11)

Dimana ao = ro (0,4237 - 0,0082 (6 – A)2)

a1 = r1 (0,5055 + 0,00595 (6.5 – 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 θz ... (2.12) Dimana : Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)

τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi

cos θz = 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 θz (0,271 –0,294 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 θz = 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)

2.7 Kolektor Surya

Kolektor surya merupakan sebuah alat yang mampu menyerap sinar radiasi matahari, sehingga dapat memanaskan udara yang ada di dalam ruang kolektor tersebut. Panas di dalam ruang kolektor dapat digunakan untuk berbagai keperluan salah satunya adalah untuk pengeringan di dalam bidang pertanian.

2.7.1 Komponen-komponen Kolektor Surya

Kolektor datar dan konsentrator merupakan alat yang digunakan untuk mengumpulkan energi radiasi surya sedemikian sehingga energi termal yang dihasilkan dapat dimanfaatkan secara lebih praktis untuk berbagai proses. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu:

a) Cover (penutup) transparan

Cover berfungsi untuk meyerap panas dari sinar radiasi matahari dan untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan.

b) Absorber

Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari dan dengan panas tersebut digunakan untuk memanaskan udara yang ada di dalam kolektor.

c) Kanal

d) Isolator

Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.

e) Frame

Frame berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

Gambar 2.7 Komponen-komponen umum kolektor

Panas dari absorber dimanfaatkan melalui penukar panas ke media pembawa panas. Media pembawa panas yang umum digunakan dapat merupakan udara atau air. Ketika menggunakan air sebagai media, absorber akan mengkonduksikan panas menuju ke permukaan pipa-pipa bagian luar. Selanjutnya berlangsung konduksi panas dari permukaan luar ke permukaan dalam. Dengan proses konveksi, panas akan berpindah dari permukaan dalam ke air yang mengalir di dalam pipa tersebut, sehingga suhu air akan meningkat. Air dengan suhu yang tinggi kemudian dimanfaatkan pada di bagian lain di luar kolektor datar. Proses yang mirip terjadi ketika udara digunakan sebagai media pembawa panas, namun dalam hal ini pipa jarang digunakan. Udara di atas (atau di bawah) absorber dipanaskan melalui proses konveksi akibat kontak langsung dengan absorber. Udara dengan suhu tinggi ini kemudian dialirkan keluar kolektor untuk dimanfaatkan pada proses-proses yang memerlukan udara panas.

Absorbtivitas merupakan porsi cahaya yang diserap oleh suatu objek; transmisivitas merupakan porsi cahaya yang d iteruskan oleh suatu objek; sedangkan koefisien pindah panas keseluruhan merupakan daya hantar panas atau kebalikan dari resistansi panas.

2.7.2 Macam-macam Kolektor Surya

Terdapat empat jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya yaitu :

a) Flat-Plate Collectors ( Kolektor Pelat Datar )

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. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.

Gambar 2.8 Kolektor surya pelat datar

(Sumber: daviddarling.info) b) Prismatic Solar Colector ( Kolektor Surya Prismatik )

Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari 4 bidang yang membentuk prisma, 2 bidang berbentuk segi-tiga sama kaki dan 2 bidang yang lain berbentuk segi-empat siku-siku. Keunggulan dari kolektor surya tipe prismatik ini adalah kemampuannya untuk dapat menerima energi radiasi matahari dari segala posisi matahari.

Gambar 2.9 Kolektor surya prismatic

c) Concentrating Collectors( Kolektor Surya Konsentrasi )

absorber. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu line focus dan point focus.

Gambar 2.10 Kolektor surya konsentrator (Sumber: interestingenergyfacts.blogspot.com) d) 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.

Gambar 2.11 Evacuated tube collector

2.8 Perpindahan Panas

Apabila dua logam saling berhimpitan dan suhu-suhu benda itu berbeda, maka akan terjadi proses perpindahan panas dari benda yang panas menuju benda yang lebih dingin, sehingga menyebabkan suhu keduanya menjadi sama.

Perpindahan panas dibagi menjadi tiga klasifikasi, yaitu perpindahan panas konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk lebih mengetahui defenisi dari klasifikasi perpindahan panas ini dapat kita lihat pada penjelasan di bawah ini.

2.8.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari partikel yang bertemperatur tinggi ke partikel yang bertemperatur rendah sebagai hasil dari interaksi antar partikel tersebut. Karena partikelnya tidak berpindah, umumnya konduksi terjadi pada medium padat atau benda padat lainnya. Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antara partikel tanpa diikuti perpindahan partikelnya. Dimana pada alat ini terjadi pada peristiwa kehilangan panas dari kolektor surya yang hilang melewati dinding-dinding dari kolektor.

Gambar 2.12 Perpindahan panas konduksi.

.

dx dT kA

Q_c  ... (2.16)

Dimana : Q.

c = laju perpindahan panas (Watt)

k = konduktivitas thermal ( W /m.K)

A = luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)

     

dx dT

= gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)

2.8.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi adalah adalah perpindahan panas antara permukaan padat yang berbatasan dengan fluida yang mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada alat ini terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara).

Gambar 2.13 Perpindahan panas konveksi.

Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi pada plat datar.

Bilangan Reynold dirumuskan sebagai berikut:



VL

R_e  ……….…..………...…… (2.17)

Dimana : Re = bilangan Reynold

V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s) L = panjang kolektor( m )

ρ = massa jenis ( kg/m3)

μ = viskositas dinamik (kg/m.s)

Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut: Re < 5x105 Laminar

Re > 5x105 Turbulent

Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

. .

) (  _

hAT T

Q_{h s}

………...………….……….. (2.18) Dimana: h = koefisien konveksi ( W / m2. K )

A = luas permukaan kolektor surya (m2)

s

T = temperatur dinding ( K )

T_∞ = temperatur udara lingkungan( K )

.

2.8.3 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya sinar matahari kepermukaan bumi adalah adalah contoh yang paling jelas dari perpindahan panas radiasi. Perpindahan panas radiasi pada alat ini terjadi padakolektor surya.

Gambar 2.15 Perpindahan Panas Radiasi.

Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut:

.

4

. . . _{s s}

r E T

Q  ... (2.19) Dimana: Qr = laju perpindahan panas radiasi (W)

 = emisivitas panas permukaan ( 0  1)

 = konstanta Stefan Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2K4) A = luas permukaan (m2)

2.8.4 Perpindahan Massa

Koefisien perpindahan massa (mass transfer coefficient) mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas, sehingga dapat didefinisikan seperti halnya perpindahan panas.

𝑚 _𝐴= ℎ_𝐷

Difusivitas yang terjadi pada keadaan steady yang melintasi ketebalan

lapisan batas setebal Δy, adalah :

𝑚 𝐴 = 𝐷𝐴𝐵 𝐶_𝐴_𝑦1−𝐶𝐴2 = ℎ𝐷𝐴𝐴 𝐶𝐴1− 𝐶𝐴2 ... (2.21)

Berdasarkan hukum-hukum fenomena dalam persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi mempunyai keserupaan, sehingga profil suhu, kecepatan dan konsentrasi mempunyai bentuk yang sama dalam fenomena lapisan batas.

Karena fenomena yang terjadi dalam lapisan batas mempunyai analogi terhadap hubungan antara profil kecepatan, profil konsentrasi massa dan profil suhu sehingga dalam persoalan perpindahan panas, hubungan fungsional koefisien pindah panas dapat dituliskan dalam bentuk :

ℎ_𝑥𝑥

𝑘 =𝑓 𝑅𝑒,𝑃𝑟 ... (2.22)

Sedangkan dalam hal perpindahan massa, hubungan fungsional koefisien pindah massa dapat dinyatakan dalam bentuk :

ℎ_𝐷𝐴𝑥

𝐷𝐴𝐵 =𝑓 𝑅𝑒,𝑆𝑐 ... (2.23)

Bilangan Schmidt (SC=v/DAB) menyatakan perbandingan antara profil kecepatan dan konsentrasi, sedangkan untuk profil suhu dan konsentrasi dinyatakan dalam bentuk bilangan Lewis (Le =α/DAB). Keserupaan antara persamaan-persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi dalam lapisan batas memberi petunjuk bahwa korelasi empirik untuk koefisien perpindahan massa mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas. Hubungan empirik untuk koefisien perpindahan massa ini dinyatakan oleh Gilliland (1934) dalam Holman (1981) dalam bentuk persamaan :

Analogi Reynold untuk perpindahan panas dengan koefisien gesek pada lapisan batas dapat pula digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan massa dengan koefisien gesek pada lapisan batas, pada aliran laminar, Holman, J.P, (1981) memberikan bentuk persamaan seperti berikut :

untuk perpindahan panas :

ℎ 𝑥

𝑢𝐶𝑝𝑃𝑟

2 3₌𝑓

8 ... (2.25)

untuk perpindahan massa :

ℎ_𝐷𝐴 𝑢𝐶𝑝𝑆𝑐

2 3₌𝑓