BAB II. Landasan Teori

BAB II Landasan Teori Penelitian ini diperlukan adanya teori-teori yang melandasi dan mendasari penelitian ini antara lain: 2.1

Cahaya Cahaya menurut Newton (1642-1727) terdiri dari partikel-partikel ringan

berukuran sangat kecil yang dipancarkan oleh sumbernya segala arah dengan kecepatan yang sangat tinggi. Sementara menurut Huygens (1629-1695), cahaya adalah gelombang seperti halnya bunyi. Perbedaan antara keduanya hanya pada frekuensi dan panjang gelombangnya saja. Bedasarkan hasil penelitiannya tentang sifat-sifat termodinamika radiasi benda hitam. Planck menyimpulkan bahwa cahaya dipancarkan dalam bentuk paket-paket kecil yang disebut kuanta. Gagasan Planck ini akhirnya berkembang di teori baru dalam fisika yang di sebut teori Kuantum. Dengan teori ini, Einstein berhasil menjelaskan peristiwa yang dikenal dengan nama efek foto listrik, yani pemancaran elektron dari permukaan logam tersebut disinari cahaya. Jadi dalam kondisi tertentu cahaya menunjukan sifat sebagai gelombang dan dalam kondisi lain menunjukan sifat sebagai partikel. Hal ini disebut dualisme cahaya.

12

http://digilib.mercubuana.ac.id/

2.2

13

Sifat Cahaya

Cahaya sebagai salah satu spektrum gelombang elektromagnetik yang merambat tanpa memerlukan medium memiliki sifat, antara lain :

2.3



Dapat dilihat oleh mata,



Memiliki arah rambat yang tegak lurus arah getar,



Merambat menurut garis lurus,



Memiliki energi,



Dipancarkan dalam bentuk radiasi,



Dapat mengalami pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Pergerakan Bumi Terhadap Matahari Gerakan bumi terhadap matahari mempunyai orbit yang mendekat bentuk eclips,

dengan satu putaran mengelilingi matahari memakan waktu ± 365 hari. Jarak rata-rata dari pusat bumi ke pusat matahari yaitu jaraknya sekitar 98,3% dari jarak rata-rata bumi – matahari. Jarak Perihelion terjadi pada tanggal 4 Januari. Jarak aphelion merupakan jarak terjauh bumi dengan matahari sekitar 101,7% dari jarak rata-rata bumi – matahari menyebabkan perbedaan besarnya radiasi yang diterima bumi. Bumi juga berputar pada sumbunya dengan laju putaran setiap 24 jam putaran. Sumbu rotasi dari bumi memiliki kemiringan 23,5 derajat terhadap bidang orbitnya, sebagai hasil dari gerakan dan kemiringannya, posisi matahari di angkasa yang terlihat oleh pengamat di bumi bervariasi menurut lokasi pengamat pada permukaan bumi, waktu per hari dan setiap tahunnya. Untuk kepentingan praktis matahari yang terlihat kecil oleh pengamat di bumi, dianggap sebagai titik sumber radiasi.


14

Gambar 2.1 Posisi Bumi Terhadap Matahari Sumber :http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

Pada saat 21 maret dan 22 September, matahari berada tepat di atas garis ekuator bumi dan kutub bumi berada pada jarak, yang sama dari matahari. Equinox berarti seluruh tempat di bumi kucuali kutub memiliki waktu yang sama untuk saat siang hari dan saat malam hari, yaitu masing-masing 12 jam. Saat 21 Juni, kutub Utara berada pada kemiringan 23,5 derajat terhadap matahari, seluruh tempat pada permukaan utara bumi yaitu 66,5 derajat lintang utara mengalami siang hari yang panjang. Sementara itu pada 66,5 derajat lintang selatan mengalami malam hari yang panjang. Sisi utara relatif lebih panas dibanding sisi selatan bumi.


2.4

Sudut Matahari

15

Arah dari sinar matahari dapata digambarkan dengan tiga besaran fundamental yang diketahui, yaitu : 

Lokasi pada permukaan bumi



Waktu dan hari



Hari dalam tahun Hal ini sangat sesuai untuk menyatakan besaran tersebut dalam lintang (I), sudut

waktu (hour angle) dan deklinasi matahari (δ). Gambar di bawah menyatakan titik P pada permukaan utara bumi. Lintang (I) merupakan sudut antara garis OP dan proyeksi OP pada bidang ekuatorial. Dengan demikian garis lintang (I) merupakan sudut di pusat bumi pada bidang meridian yang melalui tempat tersebut dihitung dari ekuator. Ke utara positif dan ke selatan negatif, dari 0 derajat s/d 90 derajat.

Gambar 2.2 Lintang Sudut Waktu dan Deklinasi Matahari Sumber :http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html


16

Sudut waktu (h) merupakan sudut antara proyeksi P pada bidang ekuatorial dan

proyeksi di atas bidang tersebut dari sebuah garis pusat matahari ke pusat bumi. Posisi 15° dari sudut waktu berkorespodensi dengan satu jam waktu. Untuk perhitungan, sudut waktu bernilai negatif saat hari (di bawah jam 12) dan bernilai positif setelah siang hari (di atas jam 12). Besarnya sudut waktu akan bernilai nol saat siang hari dimana matahari tepat di atas kepala, memiliki nilai maksimum saat matahari terbenam dan minimum saat matahari terbit. Namun demikian besarnya waktu setiap harinya adalah identik. 𝐻𝑜𝑢𝑟𝐿𝑆𝑇 }× 24

ℎ = − [180 − ({

𝑀𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒𝐿𝑆𝑇 }× 24 ×60

360 + {

360)]...............................................(2.1)

Deklinasi matahari (δ) merupakan sudut antara garis yang menghubungkan pusat matahari dan bumi dan proyeksi garis tersebut pada bidang ekuatorial. Besarnya deklinasi matahari oleh Spencer dinyatakan dalam derajat dengan persamaan : δ = 23,45 × sin (360 ×

284+𝑛 )........................................................................................(2.2) 365

dimana : n = hari dalam setahun (1 < n < 365) Sudut ketinggian matahari atau attitude angle (β) merupakan sudut antara sinar matahari dan proyeksi sinar tersebut pada permukaan horizontal. Sudut ini menunjukkan posisi matahari di atas horizon, besarnya sudut ketinggian ini dapat dicari dengan persamaan : Sin β = Cos(1). Cos(h). Cos (δ) + Sin (1). Sin (δ) ....................................................(2.3)


17

Keterangan: β

= Sudut ketinggian matahari

1

= Sudut lintang bumi

h

= Sudut waktu harian

δ

= Sudut deklinasi matahari

2.5

Energi Matahari Matahari merupakan salah satu energi terbarukan, berada di pusat tata surya

dan memancarkan energi radiasi elektromagnetik pada tingkat yang sangat besar dan relatit konstan, energi ini diteruskan hingga ke permukaan bumi secara radiasi. Radiasi matahari terjadi karena adanya gelombang elektromagnetik, yang memiliki karakteristik secara umum sama namun dibedakan dalam pengaruhnya, hal ini disebabkan karena perbedaan panjang gelombang masing-masing cahaya. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari 𝐸𝑠 , adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Bolzman (𝜎), pangkat empat temperatur permukaan absolut 𝑇𝑠 4 dan luas permukaan 𝜋. 𝑑𝑠 2 . 𝐸𝑠 = 𝜋. 𝑑𝑠 2 . 𝑇𝑠 4 ...........................................................................................................(2.4) Dimana 𝜎 = 5,67 x 10-8 W/(m².𝐾 4 ), temperatur permukaan Ts dalam K, dan diameter matahari ds dalam meter.dari gambar di atas dapat dilihat jari-jari R adalah sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bumi adalah sama dengan 4𝜋𝑅², dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi


18

G=

𝜎𝑑𝑠2 𝑇𝑠4 4𝑅 2

(W/m2) ....................................................................................................(2.5)

Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluks radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah 10−8

5,67 𝑥 2 𝑥(1,39 𝑥109 )2 𝑚2 𝑥(5,762 𝑥103 )4 𝐾4 𝑚 .𝐾 G= .........................................(2.6) 4(1,5 𝑥1011 )2 𝑚2

= 1353 ( 𝑤⁄𝑚2 ) Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfer tegak lurus permukaan matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta surya adalah 1353, dikurangi intesitasnya oleh penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet), karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang lansung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran. Pengukuran berikutnya terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada kedudukan tegaklurus sorotan radiasi yang masuk.


2.5.1

Radiasi Matahari

19

Matahari memiliki energi panas yang sangat besar. Energi ini diteruskan hingga ke permukaan bumi melalui perpindahan panas radiasi. Seluruh panjang gelombang pada daerah infrared, cahaya yang terlibat (visible light), dan salah satu bagian spektrum sinar ultraviolet merupakan daerah yang direferensikan sebgai radiasi panas, karena pada bagian ini spektrum elektromagnetik menghasilkan efek memanaskan. Radiasi panas terjadi pada spektrum cahaya dengan panjang gelombang 1m s/d 100 m. Radiasi panas total yang mengenai permukaan dari seluruh arah dan seluruh sumber disebut iradiasi total atau iradiasi global (G) dengan satuan ( 𝑤⁄𝑚2 ). Energi radiasi panas yang jatuh pada permukaan sebagian besar berasal dari absorpsi, refleksi dan transmisi melalui benda trasnparan. Absorpsi merupakan transformasi energi dari energi radiasi kedalam bentuk energi panas yang tersimpan dalam skala molekul benda. Refleksi merupakan peristiwa dipantulkannya radiasi yang jatuh pada permukaan benda tanpa perubahan frekuensi gelombang. Sedangkan transmisi merupakan radiasi yang melewati medium dari benda (benda transparan), tanpa terjadi perubahan frekuensi gelombang. Dengan demikian energi yang jatuh pada permukaan dapat dinyatakan sebagai : α + ρ + τ = 1 ...............................................................................................................(2.7) dimana : α

= Absorpsivitas, fraksi dari radiasi termal yang diserap

ρ

= Reflektifitas, fraksi dari radiasi termal yang dipantulkan


20

τ

= Transmisivitas fraksi dari radiasi termal yang diteruskan melewati medium benda. Energi radiasi berasal pada permukaan atau bagian dalam medium benda karena

adanya temperatur dari material. Laju energi yang diemisikan dinyatakan dengan kekuatan emisi total ( E). Besarnya nilai ini bergantung pada temperatur sistem dan juga karakteristik material dari sistem. Beberapa permukaan memancarkan energi yang lebih besar daripada yang lainnya pada temperatur yang sama. Satuan dari E adalah ( 𝑤⁄𝑚2 ), dimana E adalah jumlah total energi yang dipancarkan ke lingkungan segala arah. Dengan demikian energi radiasi yang meninggalakan sebuah permukaan buram (opaque surface) (r = 0) berasal dari dua sumber yaitu : 

Energi yang dipancarkan dan,



Radiasi yang dipantulkan Permukaan yang tidak memantulkan radiasi (ρ = 0) dinamakan benda hitam

(blackbody), karena tidak memancarkan atau mentransmisikan radiasi, menyebabkan tidak ada radiasi yang terlihat oleh mata (gelombang spektrum) dan benda terlihat gelap / hitam. Benda hitam (blackbody) merupakan penyerap radiasi yang sempurna. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa penyerap sempurna (perfect absorber) radiasi merupakan pemancar yang sempurna (perfect emitter), sehingga pemancar sempurna radiasi dinamakan benda hitam juga. Sebuah pemancar benda hitam (black emitter), memberikan kekuatan emisif monokromatik maksimum pada panjang gelombang yang dinyatakan dengan satuan mikrons dengan persamaan temperatur.


21

Matahari yang memiliki temperatur permukaan sekitar 6000 K, memancarkan

radiasi maksimum pada daerah panjang gelombang jarak lihat (visible range). Pada kenyataannya benda hitam sengat jarang, untuk permukaan sebenarnya ditambahakan faktor penggali berupa emitansi , sehingga persamaan kekuatan emisi total (E) dapat ditulis : E = εEB .......................................................................................................... (2.8) Nilai emitansi ini bervariasi menurut temperatur permukaan benda, kondisi permukaan benda, tingkat kekotoran permukaan dan sebagainya. 2.5.2

Jenis–Jenis Radiasi Matahari

Radiasi matahari yang mengenai suatu kolektor di permukaan bumi dibedakan menjadi :  Radiasi hambur (diffuse) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari sesudah arahnya berubah setelah terpencar oleh atmosfer.  Radiasi pantulan tanah (ground reflected).  Radiasi total : yaitu penjumlahan dari radiasi beam, diffuse dan pantulan tanah.  Radiasi langsung (beam) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari tanpa disebarkan oleh atmosfer.


22

Gambar 2.3 Jenis Radiasi Matahari yang Mengenai Permukaan Sumber :http://blog.ub.ac.id/jatmikoekotbp/category/bioenergi/

2.5.3

Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal Pada suatu waktu (sembarang), radiasi surya yang mengenai permukaan

horizontal di luar atmosfer adalah radiasi surya masuk normal dibagi dengan 𝑅𝑏 (faktor geometris), persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 40 ] adalah: 360°.𝑛

Go = Gsc (1 + 0.033 cos (

365°

) . 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧) ................................................................(2.9)

Distribusi radiasi matahari pada suatu hari dan jam dengan cuaca cerah dan berawan indeks kecerahan rata-rata 𝐾𝑇 , adalah perbandingan antara radiasi rata-rata pada permukaan horizontal terhadap radiasi rata-rata ekstraterrestrial. Dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 77]: “(Persamaan 2.10)” 𝐺

𝐾𝑇 = 𝐺0 ......................................................................................................................(2.10)


23

2.5.4

Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam Pada bagian ini akan dijelaskan metode perhitungan untuk memisahkan beam

dan diffuse radiation dari radiasi horizontal total. Pemisahan komponen ini diperlukan untuk menghitung radiasi total pada permukaan dengan orientasi yang berbeda dari data pada permukaan horisontal. Persamaan yang digunakan adalah [Wiliam A. Beckman Halaman 82]: “(Persamaan 2.11)” 1,0 − 0,08 𝐾𝑇 𝐾𝑇 ≤0,22

𝐺𝑑 0,9511 − 0,1604 𝐾𝑇 + 4,388 𝐾𝑇 2 { == 𝐺 − 16,638 𝐾𝑇 3 + 12,336 𝐾𝑇 4 {

0,165

0,22≤ 𝐾𝑇 ≤ 0,80

}

𝐾𝑇 ≥0,80

..............................................................................................................................................(2.11)

2.6

Konstanta Surya Hubungan geometris dari matahari-bumi ditunjukkan Gambar 2.4. Jarak

eksentrisnya dari lintasan bumi adalah jarak antara matahari dan bumi dengan variasi 1,7%. Dari hasil pengukuran astronomi didapat jarak rata-rata bumi-matahari adalah 1,495 x 1011 m, dengan sudut kecenderungan matahari 32°. Radiasi yang diemisikan oleh matahari dan ruang angkasa ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari 𝐺𝑠𝑐 , adalah energi dari matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luasan permukaan yang tegak lurus arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. World Radiation Center (WRC)


24

mengambil nilai konstanta matahari 𝐺𝑠𝑐 , sebesar 1354 W/m², dengan ketidakpastian sebesar 1%.

Gambar 2.4 Hubungan Geometris Bumi – Matahari Sumber :http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

Konstanta radiasi ekstraterestrial, Gon, yaitu radiasi di luar atmosfer bumi yang diukur pada bidang normal terhadap radiasi pada hari ke-n pada satu tahun. Hal ini dikarenakan orbit bumi sebenarnya berbentuk eclips, sehingga perlu sedikit koreksi terhadap konstanta matahari di atas. Jadi sebenarnya ada dua penyebab adanya variasi radiasi ekstraterestrial yaitu variasi radiasi yang diemisikan matahari dan variasi jarak matahari-bumi. Persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 10] adalah : 360°.𝑛

Go = Gsc (1 + 0.033 cos (

365°

) ...........................................................................(2.12)


25

2.7

Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi Posisi relatif matahari terhadap suatu bidang di bumi bisa dinyatakan dalam

beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.5. Sudut sudut itu adalah:

Gambar 2.5 Beberapa Sudut Penting dalam Energi Surya Sumber :www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

∅, altitude (garis lintang) : Sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator (khatulistiwa), utara positif : - 90° dan 90°. δ, declination (deklinasi) : Sudut posisi matahari saat solar noon yang berhubungan terhadap bidang khatulistiwa, utara positif; -23,45° < d < 23,45°. Sudut deklinasi bisa dihitung dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 13]: δ =23,45 sin (

360(284+𝑛) 365

) .........................................................................................(2.13)


di mana n : tanggal ke-n pada suatu tahun [Wiliam A. Beckman Halaman 14]

26

𝛽, slope (kemiringan) : Sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan permukaan horizontal : 0° dan 180°. 𝛾, surface azimuth angle (sudut permukaan azimuth) : Proyeksi ke bidang horisontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap selatan, timur negatif, barat positif : -180° dan 180°. 𝜔, hour angle (sudut jam) : Sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15° per jam ; sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif. Hour angle bisa dihitung dengan persamaan : 𝜔 = 15° (ST – 12:00:00) ...........................................................................................(2.14) Waktu penyamaan adalah faktor untuk memperhitungkan efek orbit bumi yang bersifat eliptis. E = 292.2 (0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B – 0,014615 cos2 B – 0,04089 sin2 B) ......................................................................................................(2.15) dengan:

B=

360(𝑛−1) 365

............................................................................... (2.16)

Waktu yang sering digunakan (waktu sipil) tidak selalu sama dengan waktu matahari maka untuk menentukan waktu surya bisa menggunakan persamaan ini.


27

Solar Time = Standart Time + [4(Lst – Lloc) + E]....................................................(2.17)

Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data. θ, sudut datang (angle of incidence) : Sudut antara permukaan radiasi langsung normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor. θz, zenith angle (sudut zenith) : Sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis dating sinar matahari sudut zenith dapat dihitung menggunakan persamaan : cos 𝜃z = cos 𝛿 cos ∅ cos 𝜔 + sin 𝛿 sin ∅ .................................................................(2.18) 𝛼s, sudut ketinggian matahari (solar altitude angle) : Sudut antara garis horisontal dengan garis matahari datang. Untuk menghitung sudut altitude matahari bisa menggunakan persamaan: αs = 90° - 𝜃z .............................................................................................................(2.19) 𝛾s, sudut azimuth matahari (solar azimuth angle) : Sudut penyimpangan dari selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. Penyimpangan ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif. Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan:

𝑠𝑖𝑛𝛾𝑠 =

𝑠𝑖𝑛𝜔𝑐𝑜𝑠𝛿 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑧

..................................................................................................(2.20)


28

2.8

Solar Collector Kolektor energi surya adalah alat penukar kalor jenis khusus yang mengubah

energi radiasi matahari ke internal energi. Komponen utama dari setiap sistem surya adalah kolektor surya. Ini adalah perangkat yang menyerap radiasi matahari yang masuk, mengubahnya menjadi panas, dan transfer panas ini ke cairan (biasanya udara, air, atau minyak) mengalir melalui kolektor. Energi matahari sehingga dikumpulkan dilakukan dari cairan yang beredar baik secara langsung dengan air panas atau peralatan ruang pendingin, atau ke energi termal dari tangki penyimpanan yang dapat ditarik untuk gunakan di malam hari atau hari yang berawan. Pada dasarnya ada dua jenis kolektor surya: non-concentrating atau diam dan berkonsentrasi. Sebuah non-concentrating kolektor memiliki luas yang sama untuk menahan dan untuk menyerap radiasi matahari, sedangkan sun-tracking kolektor surya berkonsentrasi biasanya menggunakan permukaan cermin cekung untuk menahan dan memfokuskan radiasi sinar matahari ke daerapenerima yang lebih kecil, sehingga meningkatkan fluks radiasi.


Tabel 2.1 Tipe Solar Collector

2.8.1

29

Jenis-Jenis Solar Collector

2.8.1.1 Flate Plate Collector ( FPC ) Panel kolektor pelat datar adalah komponen terpenting dari sistem pemanas air tenaga surya. Energi termal dapat diteruskan melalui pelat tersebut menuju fluida yang berada di dalamnya. Kolektor surya pelat datar dapat didesain untuk suatu aplikasi yang membutuhkan transfer energi pada suhu menengah sampai mencapai 100 °C diatas temperatur ambient. (Duffie&Beckman, 1982).

Gambar 2.6 Kolektor Surya Plat Datar Sumber :www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096


30

Komponen terpenting dari kolektor surya pelat datar adalah pelat datar penyerap

( absorber) yaitu alat yang menerima radiasi energi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas. Pelat tersebut mentransfer panas dihasilkan ke fluida kerja. Radiasi matahari yang masuk ke dalam kolektor surya sebagian ada yang terserap pelat dan sebagian ada yang terpantul. Penggunaan kaca di atas pelat berfungsi agar radiasi yang telah masuk ke dalam kolektor yang kemudian terpantul, tidak langsung keluar dari sistem tetapi terpantul kembali oleh kaca. Penggunaan kaca ini mirip dengan fenomena efek rumah kaca. Solar aperture collector area adalah area maksimum yang diproyeksikan dari solar kolektor dimana sejumlah energi radiasi masuk. 2.8.1.2 Compound Parabolic Collector ( CPC ) Compound Parabolic Collector adalah kolektor surya jenis khusus yang dibuat dalam bentuk dua parabola pertemuan. Konsep kolektor berasal oleh Winston pada tahun 1978. konsentrasi rasio dapat dicapai hingga 10 dalam mode non-pelacakan dengan mudah. Oleh karena itu mengarah pada penghematan biaya. Compound parabolic collector adalah salah satu kolektor yang memiliki konsentrasi tertinggi diperbolehkan oleh batas termodinamika untuk sudut penerimaan yang diberikan. CPC umumnya digunakan untuk uap tekanan sedang, sekitar 150 °C - 200 ºC.


31

Gambar 2.7 Compound Parabolic Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

2.8.1.3 Evacuated Tube Collector ( ETC ) Evacuated tube collector terbuat dari suatu seri dari tabung-tabung modular, dipasang parallel, dengan jumlah yang dapat ditambahkan atau dikurangi saat kebutuhan akan pengiriman air panas berubah. Jenis dari kolektor ini terdiri dari baris paralel tabung kaca transparan, tiap tabung mengandung sebuah tabung penyerap (tempat dari pelat penyerap dari tabung logam dipasang dalam sebuah kolektor plat datar). Tabung tersebut dilindungi dengan lapisan khusus modulasi cahaya. Pada kolektor ini, cahaya matahari masuk melalui tabung kaca terluar memanaskan tabung penyerap yang berada didalamnya. Dua jenis dari kolektor tabung dibedakan oleh cara ( heat transfer) perpindahan panasnya yang paling sederhana, memompa suatu fluida perpindahan panas (air)


32

melalui tabung tembaga berbentuk U yang diletakkan dalam tiap kolektor tabung kaca. Jenis kedua menggunakan sekat pipa panas yang mengandung suatu cairan yang menguap saat dipanaskan; uap naik ke tabuag perpindahan panas berbentuk bulat yang

ditempatkan diluar kolektor tabung dalam sebuah pipa melewati suatu cairan perpindahan panas yang dipompakan. Untuk kedua jenis tersebut, cairan yang dipanaskan lalu bersirkulasi melalui suatu penukar panas dan memberikan panasnya pada air yang disimpan dalam tangki penyimpanan (yang dengan sendirinya sebagian tetap hangat oleh cahaya matahari). Evacuated tube collector memanaskan sampai temperatur tinggi dan beberapa model dapat meningkatkan penyerapan solar yang lebih banyak per meter perseginya daripada panel datar. Bagaimanapun kolektor jenis ini lebih mahal dan mudah pecah daripada panel datar.

Gambar 2.8 Evacuated Tube Collector Single-Axis Tracking Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096


2.8.1.4 Linear Fresnel Collector ( LFC )

33

Sebuah Linear Fresnel Collector menggunakan serangkaian cermin yang panjang, dan memiliki kelengkungan dangkal (atau bahkan datar) untuk memfokuskan cahaya ke satu atau lebih penerima linier yang ditempatkan di atas cermin. Di atas ditambahkan receiver cermin parabola kecil untuk lebih memfokuskan cahaya. Sistem ini bertujuan untuk menawarkan biaya keseluruhan yang lebih rendah dengan berbagi penerima antara beberapa mirror (dibandingkan dengan konsep palung dan piring), sementara ini masih menggunakan geometri garis-fokus sederhana dengan satu sumbu untuk pelacakan. Posisi receiver adalah diam sehingga kopling cairan tidak diperlukan. Cermin juga tidak perlu untuk mendukung receiver, sehingga mereka secara struktural sederhana.

Gambar 2.9 Linear Fresnel Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096


2.8.1.5 Parabolic Trough Solar Collector ( PTSC )

34

Parabolic Trough Solar Collector adalah jenis lain dari kolektor solar thermal. Jenis ini terdiri dari suatu seri dari trough seperti saluran talang air hujan dengan tabung kosong yang bergerak sepanjang kolektor tersebut. Cahaya matahari direfleksikan oleh cermin dan dikonsentrasikan pada tabung. Fluida perpindahan panas, pelumas dalam sistem lup, mengalir melalui tabung untuk menyerap panas dari cahaya matahari yang dikonsentrasikan.

Gambar 2.10 Parabolic Trough Solar Collector Two-Axes Tracking Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

2.8.1.6Parabolic Dish Reflector ( PDR ) Parabolic dish reflector adalah seperti suatu piringan (dish) satelit yang besar tetapi dengan permukaan bagian dalam terbuat dari material cermin. Cermin tersebut memusatkan seluruh energi matahari pada titik tunggal dan dapat mencapai temperatur


35

yang sangat tinggi. Secara tipe, dish ini digabungkan dengan mesin Stirling dalam

sebuah sistem Dish-Stirling (Dish-Stirling System), tetapi juga kadang mesin uap yang digunakan. Ini menciptakan energi kinetik rotasi yang dapat dikonversikan menjadi listrik menggunakan sebuah generator listrik.

Gambar 2.11 Parabolic Dish Reflector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

2.8.1.7 Heliostat Field Collector ( HFC ) Heliostat Field Collector menggunakan kumpulan panel datar, cermin yang dapat digerakkan untuk memusatkan sinar matahari pada suatu menara kolektor. Energi tinggi pada titik dari cahaya matahari yang dikonsentrasikan ini dipindahkan ke sebuah substansi yang dapat menyimpan panas untuk selanjutnya digunakan. Material (substansi) perpindahan panas yang baru-baru telah berhasil didemonstrasikan adalah cairan sodium. Sodium adalah suatu logam dengan kapasitas panas tinggi, memberikan energi tersebut untuk disimpan dan dikeluarkan selama malam hari. Energi tersebut,


36

pada gilirannya, akan digunakan untuk mendidihkan air untuk penggunaan dalam turbin

uap. Air telah pertama kali digunakan sebagai suatu medium perpindahan panas dalam versi awal power tower (dimana uap resultan digunakan untuk menggerakkan turbin).

Gambar 2.12 Heliostat Field Collector Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096

2.8.1.8 Pemanas Tenaga Surya ( Solar Heater) Pemanas tenaga surya atau solar heater adalah alat pengumpul panas dari energi matahari yang digunakan untuk memanaskan fluida. Pemanas ini menggunakan kolektor surya sebagai komponen utamanya. Menurut Duffie & Beckman pada bukunya “Solar Engineering Of Thermal Process”, 1980, kolektor surya adalah jenis alat penukar kalor yang mengubah energi radiasi menjadi panas. Menurut standard ASHRAE definisi kolektor surya adalah alat yang didesain untuk menyerap radiasi matahari dan mentransfer energi tersebut yang melaluinya.


37

Ditinjau dari jenis kolektor surya, pemanas air tenaga surya ini memiliki berbagai jenis antara lain flat plate collector, evacuated tube collector, dan concentrating collector. Untuk tipe concentrating collector yang biasa digunakan adalah jenis parabolic through solar concentrator. Tipe parabolic trough concentrator memiliki beberapa komponen antara lain : Pipa penyerap (absorber), Parabolic concentrator, Tangki penampung air, Pompa air, Pengatur sudut tracking.

Gambar 2.13 Parabolic Trough Solar Collector 3D dan 2D

Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096 Komponen terpenting dari parabolic trough solar collector adalah konsentrator dan pipa kollektor. Sinar matahari yang datang dari satu arah terdistribusi merata dipantulkan ke arah suatu suatu garis fokal dimana pipa penyerap ditempatkan. Luas


38

bidang pemantul / concentrator yang menerima sinar akan men-intensifkan sinar ke area yang lebih sempit (pipa penyerap). Dengan demikian temperatur yang dibangkitkan dapat lebih tinggi daripada sinar langsung. Pemanasan air terjadi di dalam pipa penyerap secara konveksi dari pipa ke air. Air ini mengalir sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Panas ini yang berasal dari

kumpulan (concentrating) sinar matahari yang dipantulkan oleh konsentrator secara radiasi diteruskan ke pipa. Di dalam pipa sendiri panas mengalir secara konduksi. Temperatur air yang dapat dibangkitkan parabolic through concentrator dapat mencapai 4000 °C sehingga banyak dimanfaatkan untuk steam generation pada pembangkit listrik maupun industri. 2.9

Desain Optik Solar Concentrator Pengkonsentrasian / konsentrator yang dirancang,biasanya terbuat dari material

plat stainless steel. Pelat ini direkatkan pada kayu yang telah dibentuk profil parabola.Fokus yang dihasilkan dari pantulan sinar matahari berupa garis yang disebut garis fokal. Jarak garis fokal ini ditentukan oleh ukuran parabola. Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = x2/4p dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbu-y, p adalah jarak titik focus pada parabola. Dengan perhitungan desain titik fokus menggunakan parabola kalkulator :


39

Gambar 2.14 Ukuran Tinggi Titik Fokus pada Prototype PTSC Sumber : Parabolic Calcullator Software

Luas arperture area (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat dengan mengalikan panjang dan lebar pandangan atas dari parabola. Lebar penampang pemantul dan panjang bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : Aa = P x L ................................................................................................................(2.21) Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa yang menyerap pantulan sinar dari konsentrator, untuk menghitung Luas penampang pipa absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan berikut : Ar = π.d.l .............................................................................................................................(2.22)

2.10

Concentrating Ratio Parabola merupakan kedudukan titik-titik dimana semua sinar yang datang

parallel dipantulkan menuju satu titik yang dinamakan titik fokus. Secara matematis,


40

parabola memiliki persamaan y = x2/4P dengan x, y sumbu koordinat dan P adalah titik fokus. Rasio Konsentrasi (Cr) merupakan faktor penting dalam perhitungan

solar

concentrator. Secara teori peningkatan concentrating ratio meingkatkan performa dan efisiensi solar concentrator. Namun perlu diperhatikan bahwa hal ini membutuhkan keakuratan sudut tracking. Rasio konsentrasi dinyatakan dengan: 𝐴𝑎

Cr = 𝐴𝑟 ......................................................................................................................(2.23) Dari sini dapat dikatakan bahwa untuk memperbesar rasio konsentrasi dapat dilakukan dengan memperluas bidang pemantul atau mempersempit bidang receiver. 2.11

Sudut Rim

Sudut rim (𝜑r) adalah sudut antara tepi parabola, focus dan puncak parabola yang memiliki hubungan matematis. 𝑊𝑎 = 4.p.tan (𝜑r/2) ....................................................................................................(2.24) 2.12

Pemantulan Cahaya Hukum pemantulan cahaya dikemukakan oleh Snellius, yaitu :

Sinar datang pada garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik pada bidang itu. Sudut antara sinar pantul dan garis normal (sudut datang / i) (i = r)


41

Gambar 2.15 Pemantulan Cahaya: Sudut Datang Sama dengan Sudut Pantul. Sumber :http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

2.12.1 Jenis Jenis Pemantulan Cahaya 2.12.1.1Pemantulan Biasa Pada permukaan benda yang rata seperti cermin datar, cahaya dipantulkan membentuk suatu pola yang teratur. Sinar-sinar sejajar yang datang pada permukaan cermin dipantulkan sebagai sinar-sinar sejajar pula. Akibatnya cermin dapat membentuk bayangan benda, pemantulan semacam ini disebut pemantulan teratur atau pemantulan biasa.

Gambar 2.16 Pemantulan Biasa pada Cermin Membentuk Bayangan Benda Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html


2.12.1.2 Pemantulan Baur

42

Berbeda dengan benda yang memiliki permukaan rata, pada saat cahaya mengenai suatu permukaan yang tidak rata, maka sinar-sinar sejajar yang datang pada permukaan tersebut dipantulkan tidak sebagai sinar-sinar sejajar. Gambaar 2.17 memperlihatkan bagaimana sinar-sinar yang datang ke permukaan kayu dipantulkan ke berbagai arah sehingga kita dapat melihat kayu ini pada posisi A, B, dan C. Perhatikan bahwa sinar-sinar yang datang ke permukaan kayu merupakan sinar-sinar yang sejajar, namun sinar-sinar pantulnya tidak, pemantulan seperti ini disebut pemantulan baur.

Gambar 2.17 Pemantulan Baur pada Permukaan Bidang yang Tidak Rata Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

Akibat pematulan baur ini kita dapat melihat benda dari berbagai arah. Misalnya pada kain atau kertas yang disinari lampu sorot di dalam ruang gelap kita dapat melihat apa yang ada pada kain atau kertas tersebut dari berbagai arah. Pemantulan baur yang dilakukan oleh partikel-partikel debu di udara yang berperan dalam mengurangi kesilauan sinar matahari.


2.12.1.3 Pemantulan Sempurna

43

Pemantulan sempurna pada medium tembus cahaya terjadi apabila : 

Sinar datang dan medium lebih rapat ke medium kurang rapat.



Sudut datang sinar lebih besar dari sudut batas, yang dimaksud sudut batas adalah sudut sinar datang yang menghasilkan sinar bias yang sejajar bidang bias dua medium.

Gambar 2.18 Pemantulan Sempurna pada Berlian Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

2.12.1.4 Pembiasan Cahaya (Refraksi) Pembiasan cahaya adalah pembelokan arah rambat cahaya ketika memasuki medium lain yang berbeda kerapatan optiknya.


44

Gambar 2.19 Pembiasaan Cahaya Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

Hukum pembiasan pada Snellius meliputi :  Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik.  Sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat dibiaskan mendekati garis normal. Sebaliknya, sinar datang dari medium kurang rapat dibiaskan menjauhi garis normal.  Sinar yang melalui fokus utama akan dipantulkan sejajar sumbu utama.

Gambar 2.20 Sinar yang Melalui Fokus Utama di Pantulkan Sejajar Sumbu Utama Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html


2.13

Rambat Cahaya Transmisivitas Cover Pipa Kaca

45

Cover atau pelapis pipa kaca yang di gunakan untuk melapisi receiver logam dan memberikan segel untuk menampung ekspansi thermal yang berbeda antara tabung pipa dan tabung kaca luar. Receiver ini juga membantu mempertahankan tingkat kevakuman yang lebih kecil, sehingga mengurangi tingkat kehilangan panas (Heat Loss) pada temperatur operasi yang tinggi. Mengecilnya tingkat kerugian panas ini juga melindungi permukaan pipa solar absorber dari oksidasi. Pelapisan dengan tabung kaca ini di pilih dengan material dengan sifat absorbsi yang baik dan nilai emitansi yang rendah agar megurangi kerugian panas berlebih. Temperatur di dalam pipa yang mencapai titik 400 °C hingga cairan yang mengalir terkonversi menjadi uap panas. Material kaca yang biasa di gunakan adalah jenis kaca AR (Anti-Reflektif) yang memaksimalkan transmitansi surya. Kerugian panas jika menggunakan kaca biasa, maka udara di dalam tabung gelas memerlukan yang telah dilapisi dengan lapisan AR. Baik coating adhesi AR pada kaca borosilikat telah dikembangkan menggunakan sol-gel, dalam bentuk nano-berpori (~ 35%) silika (dengan indeks ~ 1,4581 / 2 = 1.2) dan campuran Asam Fosfat (SiO2). AR Pipa kaca dengan spesifikasi surya yang tinggi : o Nilai transmisivitas cahaya hingga mencapai lebih dari 0,96. o Kaca jenis borossilicate ini dilapisi oleh sol-gel yang biasa terdapat dalam alkohol yang di proses dengan nano teknologi agar meningkatkan ketahanan abrasi atau goresan. o Memiliki sifat transmisivitas cahaya yang baik.


46

Gambar 2.21 Nilai Transmisivitas Kaca Biasa dan Kaca Borossilicate Sumber : Transmitance of Glass, Solar photo energy systems

Gambar 2.22 Pipa Logam Absorber yang di Lapisi Pipa Kaca Sumber : Transmitance of Glass, Solar photo energy systems Pipa kaca AR atau borosilicate di gunakan sebagai pipa receiver tube yang menjadi cover atau lapisan pipa absorber dan merupakan komponen terpenting dari PTSC yang memiliki efisiensi yang baik dengan fungsi mengurangi kerugian panas (adanya kevakuman , agar penyerapan panas lebih baik walaupun di kondisi emitansi yang rendah).


47

Gambar 2.23 Komponen Energi yang Berada di Dalam Pipa Receiver Sumber : Transmitance of Glass, Solar photo energy systems Penyerapan panas pada pipa logam lebih baik (penyerapan panas yang efisien karena transmisivitas cahaya yang baik dari luar kaca yang masuk ke dalam).Pipa penerima panas logam harus dirancang untuk meminimalkan kehilangan panas. Penutup berupa pipa kaca berfungsi menguragi kehilangan panas dan memberikan efek keuntungan panas. Beberapa energi akan dipantulkan dari permukaan depan dan permukaan belakang pipa kaca dan tidak mencapai pipa penerima. Permukaan bagian dalam dari pipa kaca dapat dilapisi dengan lapisan AR dan permukaan luar dari pipa kaca mengurangi refleksi dari permukaan, berfungsi meningkatkan transmisi. 2.14

Kalor Panas atau kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. satuan SI

untuk panas adalah Joule. Panas bergerak dari daerah bersuhu tinggi kedaerah bersuhu rendah. Setiap benda memiliki energi dalam yang berhubungan dengan gerak acak dari atom-atom atau molekul penyusunnya. Energi dalam ini berbanding lurus terhadap suhu benda. Ketika dua benda dengan suhu berbeda bergandengan, mereka akan bertukar energi internal sampai suhu kedua benda tersebut seimbang. Jumlah energi yang disalurkan adalah jumlah energi yang tertukar.


48

Kesalahan umum untuk menyamakan panas dan energi internal. Perbedaanya

adalah panas dihubungkan dengan pertukaran energi internal dan kerja yang dilakukan oleh sistem. Mengerti perbedaan ini dibutuhkan untuk mengerti hukum pertama termodinamika. Radiasi inframerah sering dihubungkan dengan panas, karena objek dalam suhu ruangan atau di atasnya akan memancarkan radiasi kebanyakan terkonstentrasi dalam "band" inframerah-tengah.Menurut asas Black: (Kalor yang di lepas = Kalor yang diterima) Catatan : Kalor jenis suatu benda tidak tergantung dari massa benda, tetapi tergantung pada sifat dan jenis benda tersebut. Jika kalor jenis suatu benda adalah kecil maka kenaikan suhu benda tersebut akan cepat bila dipanaskan. 2.14.1 Jenis – Jenis Perambatan atau Perpindahan Kalor Menurut Kreith, perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai berpindahnya suatu energi dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan suhu pada daerah tersebut. Di dalam perpindahan kalor dikenal tiga macam cara yang berbeda, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi.


49

Gambar 2.24 Perpindahan Kalor Sumber : http://avtr-eng-d-24.blogspot.com/2012/08/Konveksi-konduksi.html 2.14.1.1

Konduksi

Konduksi adalah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara permukaan-permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau menghubungkan permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain. Pada konduksi, berlaku hukum Fourier : 𝑞𝒙 =

𝑑𝑇

= 𝑑𝑥

⁄𝑘𝐴

𝑑𝑇

𝑞𝑥 = 𝑘𝐴 𝑑𝑥 ...................................................................................(2.25)

keterangan : qx

= Laju pindah panas dalam arah x (Watt atau cal/dt, atau Btu/jam)


dT

= Perbedaan temperatur (°K, ℃ atau ℉)

dx

= Jarak perpindahan panas (m, cm atau ft) A

50

: Luas penampang (𝑚2 , 𝑐𝑚2 ,

atau 𝑓𝑡 2 ) k

= Konduktifitas panas (Watt/m.k, cal/dt.℃.cm, atau Btu/jam.℉.ft)

Gamsbar 2.25 Perpindahan Kalor Secara Konduksi Melalui Dinding Datar Sumber : http://avtr-eng-d-24.blogspot.com/2012/08/Konveksi-konduksi.html 2.14.1.2 Konveksi Perpindahan panas konveksi bebas atau konveksi paksa adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya antara permukaan solid dan permukaan fluida. Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas.


51

Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan

oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya". Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi (sebanding dengan). Akan tetapi, secara umum konveksi tidak pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku. Laju pindah panas secara konveksi. q = hA (𝑇𝑤 − 𝑇𝑓 )………………………………………………...……….………(2.26) Dengan: q

= Laju pindah panas (Watt)

h

= Koefisien pindah panas konveksi (𝑤⁄𝑚2 𝐾)

A

= Luas area pindah panas (𝑚2 )

𝑇𝑤

= Temperatur permukaan (K)

𝑇𝑓

= Temperatur rata-rata fluida yang mengalir (K)


52

Gambar 2.26 Proses Konveksi dari Sepanci Air yang di Panaskan Sumber : http://avtr-eng-d-24.blogspot.com/2012/08/Konveksi-konduksi.html 2.14.1.3 Perambatan Kalor Radiasi Perambatan

kalor

dengan

pancaran

berupa

gelombang–gelombang

elektromagnetik. Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan luas permukaan benda (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutalak permukaan benda itu, secara matematis persamaan di atas dapat di tulis : Pancaran kalor secara radiasi mengikuti Hukum Stefanz Boltzman. (1). 𝑄 𝑡

= 𝜎. ℯ. 𝐴. 𝑇 4 ..........................................................................................................(2.26)

Dengan : Q /t

= Laju aliran kalor secara radiasi (Watt)


σ ( sigma)

= Tetapan Stefan Boltzman = 5,669 x 10-8 𝑤⁄𝑚2 𝐾 4

A

= Luas permukaan benda 𝑚2

T

= Suhu permukaan benda 𝐾 4

ℯ

= Koefisiean emisivitas benda

53

Gambar 2.27 Perpindahan Kalor Melalui Proses Radiasi Sumber : Perpindahan Panas ( J.P HOLMAN) 2.15

Fluida

2.15.1 Fluida dan Jenisnya Mekanika Fluida adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari mengenai zat fluida (cair, gas dan plasma) dan gaya yang bekerja padanya. Mekanika fluida dapat dibagi menjadi statika fluida, ilmu yang mempelajari keadaan fluida saat diam; kinematika fluida, ilmu yang mempelajari fluida yang bergerak dan dinamika fluida adalah ilmu yang mempelajari efek gaya pada fluida yang bergerak. Fluida pada dasarnya terbagi atas dua kelompok besar berdasarkan sifatnya, yaitu fluida cairan dan fluida gas. Fluida diklasifikasikan atas 2, yaitu:


54

Θ Fluida Newton : Dalam fluida Newton terdapat hubungan linier antara besarnyategangan geser diharapkan dan laju perubahan bentuk yang diakibatkan. Θ Fluida non Newton : Disini terdapat hubungan yang tak linier antara besarnya tegangan geser yang diterapkan dengan laju perubahan bentuk sudut. Berdasarkan tegangan geser yang dikenakan :  Fluida Newton adalah fluida yang memiliki hubungan linear antara besarnya tegangan geser yang diberikan dengan laju perubahan bentuk yang diakibatkan.

 Fluida non Newton adalah fluida yang memiliki hubungan tidak linear antara besarnya tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. 2.15.2 Sifat – Sifat Fisik Fluida Sifat dari fluida adalah mengalir, mengisi ruangan yang mewadahinya. Beberapa diantara sifat-sifat fluida adalah:  Densitas (massa jenis) dan berat spesifik: Densitas adalah massa per satuan volume, sedangkan berat spesifik adalah berat per satuan volume.  Tekanan: Dalam hal ini, ada tekanan absolut dan ada juga tekanan alat ukur (gauge pressure). Yang disebut terakhir tidak lain adalah tekanan absolut dikurangi tekanan atmosfir (1 atm). Tekanan fluida biasanya diukur dengan manometer (cairan) atau barometer (gas).  Temperatur (suhu), panas spesifik (specific heat), konduktivitas termal, dan koefisien ekspansi termal: Panas spesifik adalah jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan satu satuan massa sebesar satu derajat.


55

Konduktivitas termal menunjukkan kemampuan fluida untuk menghantarkan (mengkonduksikan)

panas.

Sedangkan

koefisien

ekspansi

termal

menghubungkan antara temperatur dan densitas pada tekanan konstan.  Viskositas: menunjukkan resistensi satu lapisan untuk meluncur (sliding) diatas lapisan lainnya. Definisi lain dari viskositas dikaitkan dengan ada tidaknya geseran (shear). Dengan demikian, viskositas berhubungan langsung dengan besarnya friksi dan tegangan geser yang terjadi pada partikel-partikel fluida.  Tegangan permukaan (surface tension): adalah besarnya gaya tarik yang bekerja pada permukaan fluida (cair). Definisi lainnya adalah: intensitas daya tarikmenarik molekular per satuan panjang pada suatu garis manapun dari permukaan fluida. Dimensi dari tegangan permukaan adalah gaya per panjang. 2.15.3 Perbedaan Jenis dan Sifat Aliran Fluida pada Pipa 2.15.3.1

Laminar dan Turbulen

Orang yang pertama kali membedakan aliran laminar dan turbulen adalah Osborne Reynolds yang membuat bilangan Reynolds, Re = ρud/μ. Aliran tersebut merupakan aliran dalam pipa.  Laminar Aliran laminar terjadi apabila partikel-partikel fluida bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Aliran laminar mempunyai kecepatan alir yang rendah dengan kekentalan yang besar. Aliran laminar mempunyai bilangan Reynolds < 2100. Untuk aliran laminar dalam pipa, hanya terdapat satu komponen kecepatan yaitu:


56

Gambar 2.28 Skema Aliran Laminar Fluida Dalam Pipa atau Tabung Sumber : https://mechanicals.wordpress.com/2014/03/23/fluida-dan-sifat-sifatnya/

 Turbulen Aliran turbulen terjadi apabila partikel-partikel fluida bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Aliran turbulen mempunyai kecepatan alir yang besar dengan kekentalan yang rendah. Aliran turbulen mempunyai bilangan Reynolds > 4000. Untuk aliran turbulen dalam pipa, komponen kecepatannya merupakan komponen acak yaitu:

Gambar 2.29 Skema Aliran Fluida Turbulen Dalam Pipa atau Tabung Sumber : https://mechanicals.wordpress.com/2014/03/23/fluida-dan-sifat-sifatnya/

2.16

Titik Didih Normal atau Titik Uap Cairan Titik didih atau titik uap adalah suhu (temperatur) ketika tekanan uap sebuah zat

cair sama dengan tekanan eksternal yang dialami oleh cairan. Sebuah cairan di dalam vakum akan memiliki titik didih yang rendah dibandingkan jika cairan itu berada di


57

dalam tekanan atmosfer. Cairan yang berada di dalam tekanan tinggi akan memiliki titik didih lebih tinggi jika dibandingkan dari titik didihnya di dalam tekanan atmosfer. Titik didih normal (juga disebut titik didih atmospheris) dari sebuah cairan merupakan kasus istimewa ketika tekanan uap cairan sama dengan tekanan atmosfer di permukaan laut, satu atmosphere. Pada suhu ini, tekanan uap cairan bisa mengatasi

tekanan atmosfer dan membentuk gelembung di dalam massa cair. Pada saat ini (per 1982). Standar titik didih atau titik uap yang ditetapkan oleh IUPAC adalah suhu ketika pendidihan terjadi pada tekanan 1 bar. Pada tekanan dan temperatur udara standar (76 cmHg, 25 °C) titik didih atau titik uap air sebesar 100 °C - ∞. 2.17

Faktor Geometri Faktor geometri “Af” merupakan salah satu faktor yang menentukan performa

solar concentrator. Faktor geometri berpengaruh pada efisiensi optik (solar concentrator). Semakin kecil faktor geometri semakin baik efisiensi optiknya. Secara matematis faktor geometri di tuliskan dengan persamaan :

𝐴𝑓 =

2 𝐴 2 .𝐴𝑎 .ℎ.𝑝(1+ 𝑎 ) 3 𝑎

𝐴𝑎

.............................................................................(2.27)

Dengan: 𝐴𝑎

= Luas bidang konsentrator (m²)

h

= Tinggi parabola (m)

P

= Jarak titik fokus parabola (m)


58

Geometri parabola memungkinkan untuk membentuk konsentrator dengan berbagai variasi rasio fokus terhadap luas apperture-nya. Semakin ke atas kurva parabola semakin curam.

Gambar 2.30 Grafik Fokus Rasio Terhadap Luas Aparture Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html

2.18

Nilai Refleksi Material Energi Radiasi Berguna Energi total yag di pancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut,

yang akan di kalikan dengan persamaan konsatanta stefan Boltzman, ialah energi yang di radiasikan per satuan waktu dan per satuan luas radiasi ideal yang nilainya 𝜎 = 5,669 × 10−8 . Persamaan ini di dapat dari buku [ Holman, J.P Halaman 366 ].


59

𝐸𝑏 =

𝜎.𝑇 4

..................................................................................................................(2.28)

Dan adanya pertukaran kalor antara benda dengan permukaan spekular dari nilai reflektifitas penting sekali mempengaruhi faktor radiasi, iradiasi hingga radiositas, sehingga : 𝜌 = 1 − 𝛼 = 1 − 𝜖 ...................................................................................................(2.29) Higga radiositas : 𝐽 = 𝜖 . 𝐸𝑏 + (1 − 𝜖)𝐺 ..............................................................................................(2.30) Untuk menghasilkan energi radiasi refleksi bersih: 𝑞𝒏𝒆𝒕 =

𝐺−𝐽 𝜖 .𝐴

................................................................................................................(2.31)

Keterangan : 𝐸𝑏

= Energi berguna

𝜎

= Kostanta Stefan Boltzman

𝜌

= Reflektivitas material

𝐽

= Radiositas

𝐺

= Iradiasi

𝑞𝑛𝑒𝑡

= Energi radiasi bersih

𝐴

= Luas Penampang

𝛼

= Absorpsivitas


2.19

Efisiensi Optik Konsentrator

60

Efisinsi optik adalah rasio energi yang dapat dipantulkan tepat ke kolektor terhadap energi dari radiasi matahari yang diterima konsentrator seluas 𝐴𝑎 . Efisiensi ini melibatkan bentuk geometri,ketepatan sinar pantul mengenai kolektor dan sifat material optik dan cover jika ada. Secara matematis efisinsi optik 𝜂𝑜 ditulis sebagai :

𝜂𝑜 = 𝜌𝑚 𝜏𝑐 𝛼𝑎 𝛾 [(1-𝐴𝑓 tan (𝜃)) cos (𝜃))] .......................................................(2.32) Keterangan : 𝜌𝑚

= Reflektivitas material konsentrator

𝜏𝑐

= Transmisivitas material cover

𝛼𝑎

= Absorpsivitas pipa kolektor

𝛾

= Faktor intercept

𝜃

= Sudut incident Dari persamaan ini terlihat bahwa sinar yang diterima dari radiasi matahari akan

dipantulkan sebagian besar reflektifitas material konsentrator 𝜌𝑚 . Sebagian pantulan sinar ini akan berkurang lagi saat menembus cover karena sifat trasnmisivitas material cover itu 𝜏c. setelah sampai ke permukaan kolektor pun energi dari pantulan sinar ini masih dikurangi lagi oleh sifat absorbsivitas pipa kolektor 𝛼𝑎 selain dipengaruhi sifat – sifat optik material,efisiensi optik dipengaruhi oleh tingkat kesempurnaan pantulan 𝛾dan faktor geometri.


61

Intercept factor 𝛾 didefinisikan sebagai perbandingan energi yang diterima kolektor dengan energi yang dipantulkan oleh kolektor. Nilai 𝛾 tergantung pada ukuran receiver, kesalahan/error sudut pada parabola, dan penyebaran sinar matahari. Error atau ketidak-sempurnaan,ketidak-lurusan, ini terbagi dua yaitu random dan non random Random error adalah ketidak-sempurnaan yang alami dan dapat diwakili dengan distribusi normal probabilitas. Random error antara lain akibat perubahan jarak matahari, efek penyebaran sinar pada permukaaan pemantul, efek random slope error

misalnya perbuahan parabola akibat beban dari angin. Nonrandom error muncul saat manufaktur dan asembling atau saat pengoprasian konsentrator surya. Nonrandom error antara lain akibat ketidak-sempurnaan profil error dihitung secara statistik dalam persamaan berikut :

2 2 + 4𝜎 2 𝜎 = √𝜎𝑠𝑢𝑛 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 + 𝜎𝑚𝑖𝑟𝑟𝑜𝑟 .............................................................................(2.33)

Untuk mesmbantu dalam memperkirakan faktor 𝛾 dapat menggunakan bantuan tabel efek magnitude error terhadap faktor 𝛾 berikut ini : Tabel 2.2 Penentuan Faktor Intercept 𝛾 𝜎mirror (rad)

𝜎slope (rad)

𝑑𝑟 (mm)

intercept factor 𝛾

0.002

0.004

0

0.98

0.004

0.004

3

0.93

0.002

0.006

3

0.88

0.002

0.008

3

0.81


62

NB : untuk perhitungan diatas nilai 𝜎 matahari = 0.04 rad untuk cuaca cerah dan s𝛽 = 0.0035 (tracking error maksimum)

Energi yang di trasnmisikan ke dalam pipa kaca dan di vakumkan hingga terserap ke dalam pipa absorber : q ⁄A total = Aa × 𝜂o × 𝑞𝑛𝑒𝑡 ......................................................................................(2.34) 2.20

Luas Area yang Terkonsentrasi Kalor Luas area yang terkonsentrasi energi akan mempengaruhi nilai efisiensi PTSC

dari energi yang akan di hasilkan oleh alat tersebut. Area selimut tabung : 2𝜋𝑟(𝑟 + 𝑡) Area parabola dengan persamaan ½ bola [J.P HOLMAN] : 2𝜋𝑟 ....................................................................................................................................(2.35) 2.21

Nilai Temperatur Absorpsivitas Material pada Parabola dan Pipa Kolektor Adanya pengaruh radiasi terhadap pengukuran suhu pada parabola dan kolektor

akan mempengaruhi nilai kehilangan panas. Suhu lingkungan atau temperatur ambient sangat mempengaruhi nilai pengukuran suhu terakhir yang akan di serap oleh jenis material yang di tentukan sejak awal pada parabola dan kolektor. Persamaan itu di dapatkan pada referensi buku yang di tulis oleh [ J.P HOLMAN Halaman 423 ]:


63

Gambar 2.31 Perpindahan Kalor Konduksi dan Konveksi dari Sumber Kalor Sumber : http://www.rumus-fisika.com/2012/11/perpindahan-energi-kalor.html Koefisien perpindahan kalor konveksi sebenarnya dipengaruhi oleh : 𝑞 ⁄𝐴 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 . ∝ 𝑠𝑢ℎ𝑢𝑡 𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 = ∝ 𝑠𝑢ℎ𝑢 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑎ℎ . 𝜎 (𝑇 4 − 𝑇 4 𝐴𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡)

..

............................................................................................................................................ (2.36)

Keterangan : 𝑞⁄ 𝑎 𝑠𝑢𝑟𝑦𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛

= Energi radiasi bersih masukan pada parabola dan kolektor

𝛼 𝑠𝑢ℎ𝑢 𝑡𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖

= Nilai absorpsivitas tinggi material

𝛼 𝑠𝑢ℎ𝑢 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑎ℎ

= Nllai absorpsivitas rendah material

𝑇 4 𝐴𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡

= Temperatur lingkungan

𝑇4

= Temperatur


64

2.22

Perpindahan Kalor Terjadi pada Pipa dan Fluida (Overall Heat Transfer

Coeficient) Perpindahan kalor yang terjadi dalam pipa dan tabung yang di pengaruhi oleh persamaan nilai konveksi-paksa, karena adanya pencarian nilai dan jenis aliran yang terjadi dalam tabung absorber sangat mempengaruhi nilai koefisien perpindahan kalor di setiap satuan panjang dan luas pada pipa absorber. Rumus-rumus empiris sangat mempengaruhi nilai perpindahan kalor tersebut dengan adanya laju aliran massa hingga temperatur fluida yang akan di hasilkan dari pipa kolektor yang di berikan sumber kalor yang berubah-ubah hingga tetap. Mencari persamaan perpindahan panas terdapat pada buku yang di tulis oleh [ J.P HOLMAN Halaman 261). Mencari nilai Bilangan Reynolds yang akan menentukan jenis sebuah aliran dalam pipa dengan ukuran tertentu : Re =

𝝆𝒖𝒎 𝑫 𝝁

................................................................................................................(2.37)

Setelah mendapatkan jenis aliran fluida dalam pipa, kita baru akan bisa menentukan bilangan Nuselt untuk di masukkan ke dalam persamaan yang mencari nilai koefisien perpindahan kalor dalam tabung tersebut yang di pengaruhi oleh faktor temperatur tetap pipa yang menyerap energi radiasi dari pantuan reflektor. Persamaan Reynold untuk aliran fluida laminar pada dalam pipa. 1

𝑁𝑢𝑑 =

(𝑅𝑒)(𝑃𝑟)(𝑑) 3 (1,86) [ ] 𝐿

× [(𝜇

(𝜇 𝑎𝑖𝑟 350 𝐶)

𝑤

0,14

] 𝑑𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑝𝑖𝑝𝑎40,30 𝐶)

Koefisien perpindahan panas :


.......................................(2.38)

65

ħ=

𝑘.𝑁𝑢𝑑 𝑑

..................................................................................................................(2.39)

Dengan nilai laju aliran massa fluida dalam pipa : 𝑚 = 𝜌.

𝜋𝑑2 4

𝑢𝑚 ........................................................................................................(2.40)

Hingga di dapatkan perbedaan temperatur suhu fluida yang berbeda antara fluida masuk dan fluida keluar dengan adanya faktor temperatur ambient pada lingkungan, persamaan pada buku perpindahan kalor [ J.P HOLMAN ]: 𝑞 = ħ. 𝜋𝑑𝑙 (𝑇𝑤 −

𝑇𝑏1+𝑇𝑏2 2

) = 𝑚𝐶𝑝 (𝑇𝑏1 − 𝑇𝑏2) .....................................................(2.41)

Keterangan : ħ

= Koefisien perpindahan panas rata-rata

𝑘

= Konduktivitas termal

𝑚

= Laju aliran massa

𝑇𝑏1

= Tempertur fluida masuk

𝑇𝑏2

= Temperatur fluida keluar yang di cari

𝜌

= Densitas fluida

𝑁𝑢

= Angka Nuselt

𝑅𝑒

= Angka Reynold

𝑢𝑚

= Kecepatan aliran

𝐶𝑝

= Kalor spesifik pada tekanan konstan


66

𝑃𝑟

= Angka Prandtl

𝜇

= Viskositas dinamis

𝑇𝑤

= Temperatur di pengaruhi oleh suhu dinding pipa

2.23

Kerugian Panas Keseluruhan (Overall Heat Loss) Panas yang diberikan untuk memanaskan air tidak semuanya terpakai.

Sebagaian terbuang menjadi kerugian/loses. Kerugian panas ini timbul dengan tiga cara yaitu radiasi, konveksi terhadap udara luar, dan konduksi . Ketiganya dinyatakan dalam koefesien heat loss total. Dalam perhitungn koefisien kerugian panas rata-rata 𝑈𝐿 , dengan menganggap pipa absorber tanpa cover sebagai penerima pantulan sinar radiasi. Asumsikan tidak ada perbedaan temperatur di sekitar pipa. Mencari persamaan perpindahan panas terdapat pada buku yang di tulis oleh [ J.P HOLMAN Halaman 432). Koefisien perpindahan kalor karena konveksi (hw) ,radiasi (hr) dan konduksi (Ucond) pada struktur dinyatakan : 𝑈𝐿 = ℎ𝑤 x ℎ𝑟 ...............................................................................................................(2.42) Koefisien konveksi akibat angin/udara: 𝑘

ℎ𝑤 = Nu 𝑙 ..................................................................................................................(2.43) Koefisien radiasi dihitung dengan :

hr =

σ( Tα1+Tα2)(Tα1+Tα2) 1 Ac1 1 +( )( −1) ϵ1 Aa2 ϵ2

.......................................................(2.44)


67

Dan tetap di pengaruhi oleh Bilangan Reynold dan Angka Nuselt, untuk mencari nilai yang menentukan adanya faktor konveksi oleh angin: Re =

𝜌𝑢𝐷 𝜇

....................................................................................................................(2.45)

dan 𝑁𝑢 = 0,3(𝑅𝑒)0,6 .......................................................................................................(2.46) Keterangan : 𝐴𝑎 2

= Luas penampang aparture

𝐴𝑐 1

= Luas area pipa yang terkonsentrasi

ℎ𝑤

= Koefien kerugian panas akibat konveksi alamiah

ℎ𝑟

= Koefisien radiasi rata-rata

𝑇𝛼1 & 𝑇𝛼2

= Temperatur absorpsivitas tetap yang terserap parabola dan pipa

𝜖1 & 𝜖2

= Nilai emisivitas material pada parabola dan pipa

2.24

Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor) Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara energi berguna yang

dikumpulkan terhadap energi berguna yang mungkin dikumpulkan apabila temperatur fluida sepanjang pipa sama dengan temperatur fluida masuk. m𝐶𝑝

Fr = 𝐴

𝑐 𝑈𝐿

[1 – e-(𝐴𝑐 𝑈𝐿 𝐹 ′ /m𝐶𝑝 )] ................................................................................(2.47)

Keterangan :


𝐹𝑟

= Faktor pelepasan panas

𝑚

= Laju aliran massa (kg/s)

𝐶𝑝

= Kalor spesifik pada tekanan konstan (kj/kg)

𝐹′

= Faktor efisiensi kolektor

𝐴𝑐

= Area yang terkonsentrasi

68

Faktor efisiensi kolektor merupakan perbandingan koefisien perpindahan kalor total terhadap koefisien kerugian panas total. Untuk mencari faktor efisiensi kolektor digunakan persamaan berikut : F’ =

2.25

q⁄ a total 𝑈𝐿

...................................................................................(2.48)

Performa Suatu mesin dapat dinilai kemampuanya dengan performa yang dihasilkan.

Performa adalah kemampuan suatu mesin untuk melakukan kerja yang dinyatakan dalam bentuk energi atau daya yang dihasilkan . Berdasarkan pada standar ASHRAE 93 (Duffie & Beckman,1982). Performa Concentrating Collector yang beroperasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan dibawah ini: 𝑈 q 𝑞𝑢 1 = Fr Aa [ ⁄A total . η𝑜 𝐶𝐿 (𝑇𝑓𝑖 − 𝑇𝑎 )]............................................................(2.50) 𝑟

dan 𝑞𝑢 2 = m𝐶𝑝 (𝑇𝑓𝑜 − 𝑇𝑓𝑖 ) ............................................................................(2.51)


Penghitungan energi rata-rata yang di hasilkan alat PTSC : 𝑞𝑢 𝑟𝑎𝑡𝑎 − 𝑟𝑎𝑡𝑎 =

𝐪𝐮𝟏+𝐪𝐮𝟐 𝟐

69

........................................................................................(2.52)

Keterangan : 𝑞𝑢

= Energi berguna (Watt)

𝐹𝑟

= Faktor pelepasan panas

𝐴𝑎

= Luas arperture (𝑚2 )

q ⁄A total = Intensitas yang radiasi refleksi parabola dan di terima pipa receiver (W/ m2)

η𝑜

= Efisiensi optik (konsentrator)

UL

= Koefesien kerugian panas (℃ = 𝑤⁄𝑚2 )

Tfi

= Temperatur fluida/air masuk (℃)

Tfo

= Temperatur fluida/air keluar (℃)

Ta

= Temperatur ambient (℃)

𝑚

= Laju aliran massa air (kg/s)

𝐶𝑝

𝑗 = Kalor spesifik pada tekanan konstan ( ⁄𝑘𝑔)

2.26

Efisiensi Termal Kolektor Efisiensi adalah perbandingan antara energi yang berguna dibandingkan

terhadap energi yang digunakan atau diterima. Dalam hal Parabolic Trough Collector


70

energi yang diterima adalah radiasi matahari pada luasan tertentu. Sedangkan energi

yang berguna adalah energi yang digunakan untuk menaikkan temperatur fluida yang mengalir dengan debit tertentu. Efisiensi termal dari kolektor dinyatakan dengan :

𝜂 = Fr [η𝑜 −

𝑈𝐿 𝐺𝑐

(𝑇𝑓𝑖 − 𝑇𝑎 )] =

m𝐶𝑝 (𝑇𝑓𝑜 −𝑇𝑓𝑖 ) 𝐴𝐼

..............................................(2.53)

Dan adanya hasil penurunan rumus:

𝜂=

𝑞𝑈 𝐺𝐴𝑐

..................................................................................................................(2.54)


BAB II. Landasan Teori

Recommend Documents