24
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Matahari Matahari merupakan bintang yang dekat dengan bumi dan menyediakan energi yang dibutuhkan oleh kehidupan di bumi secara terus–menerus (renewable energy). Sumber energi berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah energi surya dan energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari. Energi surya sangat aktif karena tidak bersifat polutif dan tidak dapat habis. Akan tetapi arus energi yang rendah mengakibatkan digunakannya sistem dan kolektor yang permukaannya luas untuk mengumpulkan dan mengkonsentrasikan energi matahari ini. Matahari adalah sebuah bulatan gas panas yang memiliki diameter 1,39 x 109 m dan berjarak sekitar 1,5 x 1011 m dari bumi. Matahari dianggap sebagai sebuah benda hitam yang memiliki suhu 5762 K. Suhu di pusat adalah 8 x 106 sampai 40 x 106 K dan memiliki densitas 100 kali dari air. Matahari terjadi karena reaksi fusi yang kontinu antara hidrogen dan helium.[2]
2.1.1. Konstanta Matahari Radiasi
matahari
merupakan
suatu
bentuk
radiasi
termal.
Radiasi
yangdipancarkan oleh permukaan matahari Es, adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan Boltzmannσ, pangkat empat temperatur permukaan absolut Ts, dan luas permukaan πds2. [W]
……………………………. 2.1
Dimana : σ = 5,67 x 10-8 (W/m2K4), konstanta stefan-boltzmann ds = Diameter matahari (m) Radiasi flux pada unit area dari permukaan berbentuk bola dalam hal ini matahari dapatdicapai dari persamaan sebagai berikut:
25
G=
σd s2Ts2
[W/m2]
4R 2
………………..………..…. 2.2
Dimana: Ts = temperatur permukaan matahari (K) G = 1353 W/m2, konstanta matahari Harga G ini disebut konstanta surya Gsc. Pengukuran yang baru-baru ini membenarkan harga Gsc yang kemudian telah diterima oleh NASA sebagai standar.[3]
Posisi Matahari Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan miring dari data radiasi pada sebuah permukaan horizontal, maka posisi matahari harus diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi surya yang diteruskan melalui kaca, yang transmisivitas absorbsivitasnya berubah-ubah sesuai dengan sudut masuk matahari. -
Sudut lintang, Φ, adalah sudut lokasi bidang di permukaan bumi terhadap ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positip. Nilai untuk sudut lintang ini : - 90 ≤Φ≤ 90.
-
Sudut kemiringan, β, adalah sudut antara permukaan bidang yang dimaksud terhadap horisontal ; 0 ≤ β≤ 180°.
-
Sudut deklinasi matahari, δ, merupakan sudut kemiringan bumi terhadap matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23,45°≤ δ ≤23,45°. Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :
δ = 23,45 sin 360
284 + n .................................... 2.3 365
dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.
26
N
δ
S MATAHARI BUMI
Gambar 2.1 Deklinasi matahari -
Sudut jam matahari, ω, adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur/barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar pergeseran sudut tersebut 15° tiap jam .
-
Sudut ketinggian matahari, α, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan : [4] sin α = cos φ cos δ cos ω + sin φ sin ω
-
........................ 2.4
Sudut zenith, θz, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan : cos θ z = sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ω
-
........................ 2.5
Sudut azimut (θA) cos θ A =
sin δ − sin φ cos θ z ..............................2.6 cos φ sin θ z
Z Sudut Zenith N
θZ
P
E
θA Sudut Azimut
W
S
Gambar 2.2 Posisi sudut matahari[5]
27
Radiasi Pada Bidang Miring Pada dasarnya data radiasi surya pada bidang miring jarang diperoleh. Karakteristik daripermukaan disekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya sehingga standarisasipengukurannya sulit dibuat. Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Radiasi total padapermukaan miring adalah jumlah dari radiasi komponen sorotan (IbT), komponen sebaran (IdT), dankomponen pantulan (IrT). [MJ/m2] ………………..…………2.7 Radiasi Langsung/Sorotan Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada sudut masuk normal Ibn adalah, [MJ/m2]
………………………………2.8
θz = sudut zenith Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidanghorisontal, intensitas dari komponen sorotan adalah,
[MJ/m2]
……………………..…………2.9
θr disebut sudut masuk dan didefinisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuknormal dan arah komponen tegak lurus (90o) pada permukaan bidang miring.
IbT
Ibn Ibn
θT Ib θz
β
Gambar 2.3Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran
28
Radiasi Sebaran Radiasi sebaran, yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yangdipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer, karena itu berasal dari seluruh bagian hemisfer. Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran pada permukaan miringdinyatakan dengan, [MJ/m2]
…………………………..2.10
Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan besarnya radiasisebaran perjam pada suatu permukaan horisontal. Radiasi Pantulan Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkanradiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan dimana jumlah radiasi yang dipantulkantergantung dari refleksi α dari permukaan yang berdekatan itu, dan kemiringan permukaanyang menerima. Radiasi yang dipantulkan perjam, juga disebut radiasi pantulan, yang dijabarkandalam persamaan. [MJ/m2]
……………………2.11
Dimana reflektansi α dianggap 0,21-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk lapisan saljuyang baru turun.[6]
Sorotan
Sebaran
Pantulan
Permukaan tanah
Gambar 2.4 Komponen radiasi pada permukaan miring
29
2.2. Transmisivitas-Absorbsivitas Transmisi, refleksi, dan absorbsi dari radiasi sinar matahari dari komponen sebuah
kolektor
surya
penting
untuk
menghitung
performansi
kolektor.
Transmisivitas, refleksivitas, dan absorbsivitas merupakan fungsi-fungsi dari radiasi, ketebalan medium, indeks refraksi, dan koefisien pemadaman (extinction). 2.2.1. Refleksivitas dan Transmisivitas Radiasi Refleksivitas radiasi pada permukaan halus melewati medium 1 dengan indeks bias n1, ke medium 2 dengan indeks bias n2 dihitung dengan persamaan : r⊥ =
sin 2 (θ 2 − θ 1 ) sin 2 (θ 2 + θ 1 )
r// =
........................................ 2.12a
tan 2 (θ 2 − θ1 ) ....................................... 2.12b tan 2 (θ 2 + θ1 )
di mana r⏊ adalah komponen radiasi tegak lurus arah matahari dan r∥komponen radiasi
searah arah matahari. Sedangkan
1
dan
2
masing-masing adalah sudut datang
matahari dan sudut bias. Refleksivitas radiasi dapat diperoleh dengan persamaan : r=
Ir 1 = [r⊥ + r// ] Ii 2
................................... 2.13
Sedangkan transmisivitas radiasi diperoleh dengan persamaan : 1 1 − r// 1 − r⊥ .................................... 2.14 + τ r = 2 1 + r// 1 + r⊥ Sinar Pantul, Ir
Sinar Matahari Masuk, Ii
Garis Normal θ1
n1 m 1, Mediu n2 , 2 m Mediu
β
θ2 Io
Gambar 2.5 Sudut datang dan sudut bias pada dua medium Dengan menggunakan hukum pembiasan Snell diperoleh menggunakan persamaan :
2
dengan
30
n1 sin θ 2 = n 2 sin θ 1
................................................... 2.15
di mana : n1 = indeks bias medium 1 n2 = indeks bias medium 2 1= 2
2.2.2
sudut masuk sinar
= sudut bias sinar
Absorbsi Radiasi [7]
KL cos θ 2
τ a = exp −
........................................... 2.16
di mana : K = koefisien extinction/pemadaman (m-1) L = ketebalan kaca (m)
2.2.3
Radiasi yang Diserap Absorber Radiasi yang diserap absorber dapat diperoleh dengan persamaan : [8] S = (τα ) ave I T
.................................................. 2.17
di mana : S
= radiasi yang diserap absorber (MJ/m2)
(τα ) ave = transmisivitas-absorbsivitas rata-rata
IT
2.3
= Radiasi pada bidang miring (MJ/m2)
Perpindahan Kalor
2.3.1. Konduksi Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara, namun bendaperantaranya tidak ikut berpindah.Proses konduksi terjadi karena elektron-elektron bebasatau foton(paket gelombang akustik) yang berpindah. Jadi, tidak tampak perpindahannyasecara makroskopik. Jika atom atau molekul suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebihtinggi daripada molekul di tempat lain, maka atom atau molekul tersebut akan bergerakdengan energi lebih besar daripada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapatdipindahkan kepada molekul-molekul atau atom lainnya.
31
Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier.[9] …………...……………….. 2.18
Dimana :
q
= Laju perpindahan panas (Watt)
k
= Konduktivitas Termal (W/m.K)
A
= Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
dT/dx
= Gradien temperatur dalam aliran panas
2.3.2. Konveksi Konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massamedianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya perbedaankecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat pada perbedaan beratjenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi akan mempunyai berat jenisyang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida sejenisnya yang bersuhu lebih rendah.Karena itu, maka fluida yang bersuhu tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilahyang berakibat pada terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sebagai berikut.[10] …………………………….. 2.19
Dimana :
h
= Koefisien konveksi (W/m2.K)
A
= Luas permukaan kolektor surya (m2)
Tw = Temperatur dinding (K) T
= Temperatur fluida (K)
Q
= Laju perpindahan panas (Watt)
32
2.3.3. Radiasi 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. Di samping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperatur benda tersebut. Kedua hal tersebut yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi. Banyaknya kalor yang dipindahkantiap satuan waktu melalui proses radiasi dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmannsebagai : P = e σ A T4 ……………………………… 2.20 Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer. Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsung menimpa permukaan bumi karena: a) Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang b) Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer, sehinggamengalami absorpsi lebih sedikit dari pada jika sudut timpanya miring terhadapnormal. Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu : 1) Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi) 2) Emisivitas (permukaan yang terradiasi) 3) Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi 4) Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber radiasi).[11]
33
Gelombang elekromagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang bertingkah laku seperti benda hitam. Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda yang bertingkahlaku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya. Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu kita sebut sebagai penyerap paling baik atau permukaan hitam. Jadi permukaan yang tidak memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat : 1. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse). 2. Pada semua temperatur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak daripada benda hitam. 3. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah datangnya sinar.[11]
34
Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkahlaku seperti benda hitam : 1. Emisivisitas Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temperatur yang sama. Emisivitas merupakan ukuran kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas sama dengan satu (ε=1) tetapi objek sesungguhnya memiliki emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semakin reflektif suatu benda, maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah satuan yang tidak berdimensi. Emisivitas bergantung pada faktor di antaranya temperatur, sudut emisi, dan panjang gelombang radiasi. 2. Absorpsivitas (Penyerapan) Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi dimana tidak semua energi diserap oleh permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut. 3. Transmisivitas Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi–tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas yang rendah (ε rendah) dalam daerah inframerah.[12]
35
2.4.
Tinjauan Mekanika Fluida
2.4.1. Viskositas Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida, yaitu ukuran tahanan fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefinisikan sebagai perbandingan tegangan geser terhadap laju regangan geser. Untuk distribusi kecepatan linier viskositas dinamik adalah :
µ=
F/A v/d
Sedang viskositas kinematik
[kg/m.s]
..........………………………. 2.21
merupakan viskositas dinamik dibagi massa jenis
ρ.[13] v=
µ ρ
[m2/s ]
…………………………….. 2.22
2.4.2. Bilangan Reynold Re =
vd i ρ
µ
…………………….………….. 2.23
Merupakan hubungan antara massa jenis , viskositas dinamik , dan kecepatan ratarata suatu fluida dalam sebuah pipa dengan diameter dalam di. Bilangan ini tidak memiliki dimensi dan sering dinyatakan dalam laju aliran massa fluida
.
Dari persamaan kontinuitas, kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut : v=
4m ρπd i
[m/s]
…………………….............. 2.24
dengan mensubstitusikan v dalam persamaan di atas dapat diperoleh :[14] Re =
4m …………………………………….. 2.25 πd i µ
2.4.3. Persamaan Kontinuitas Fluida yang mengalir melalui suatu penampang akan selalu memenuhi hukum kontinuitas, yaitu laju massa fluida yang masuk masuk akan selalu sama dengan laju massa fluida yang keluar. Persamaan kontinuitas dirumuskan : ρ1 A1V1 = ρ 2 A2V2 = kons tan …………...…………… 2.26
Untuk aliran tak mampu mampat, ρ1 = ρ2 maka persamaan kontinuitas menjadi,[15] 3 Q = A1V1 = A2V 2 [m /s]
……………...................…… 2.27
36
2 V2 A2
V1
1
A1
Gambar 2.6 Penampang saluran pipa 2.4.4. Perpindahan Kalor pada Air Sebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan temperatur. Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi), air tidak mengikuti pola yang biasa. Jika air pada 0oC dipanaskan volumenya menurun sampai mencapai 4oC. Di atas 4oC air berperilaku normal dan volumenya memuai terhadap bertambahnya temperatur. Air dengan demikian memiliki massa jenis yang paling tinggi pada 4oC. Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika temperatur air di danau yang temperaturnya di atas 4oC dan mulai mendingin karena kontak langsung dengan udara yang dingin. Air yang berada di atas permukaan danau akan tenggelam karena massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat. Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap (konstan). Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan : [kg/m2].................................... 2.27 Dimana : P = Tekanan (kg/m2) ρ = massa jenis zat cair (kg/m3) g = percepatan gravitasi(m/s2) h = kedalaman permukaan air danau(m) ρ3
Permukaan danau
P3
h3
ρ2
Tengah danau
P2
h2
ρ1
Dasar Danau
P1
h1
Maka: ρ1>ρ2>ρ3 ; P1> P2> P3 dan h3> h2> h1
37
Dari keterangan di atas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu berada pada bagian pemukaan air. Hal ini dikarenakan massa jenis air panas lebih kecil daripada massa jenis air dingin, dengan sendirinya air panas akan berada pada permukaan.[16] 2.5. Penukar Kalor (Heat Exchanger) Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu sekat pemisah. Penukar kalor yang digunakan di industri lebih diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida (boleh sama zatnya) yang berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua kedua fluida atau secara kontak langsung (fluidanya bercampur). Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida (panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa (panas laten). Laju perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh banyak faktor seperti kecepatan aliran fluida , sifat-sifat fisik yang dimiliki oleh kedua fluida yang saling dipertukarkan energinya (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas panas spesifik), beda temperatur antara kedua kedua fluida, dan sifat permukaan bidang perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida. Jenis-Jenis Penukar Kalor Pada umumnya penukar kalor bekerja pada temperatur dan tekanan yang tinggi serta kadang-kadang menggunakan fluida yang bersifat kurang ramah terhadap kehidupan kita. Sehingga diperlukan beberapa proses perpindahan panas yang tepat untuk mencegah adanya kerusakan dan kegagalan operasi. Berdasarkan proses perpindahan panas yang terjadi, penukar kalor dapat dibedakan menjadi dua golongan, yaitu : a. Tipe kontak langsung, di mana antara dua zat yang dipertukarkan energinya dicampur atau dikontakkan secara langsung. b. Tipe tidak kontak langsung, maksudnya antara kedua zat yang dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padatan seperti dinding pipa, pelat, dan lain sebagainya sehingga antara kedua zat tidak tercampur.
38
Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali laluan dengan multi atau banyak laluan. Pada jenis satu laluan masih terbagi dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari fluida, yaitu : a. Penukar kalor tipe berlawanan, yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat meninggalkan penukar kalor. b. Penukar kalor tipe aliran sejajar, yaitu bila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain. c. Penukar kalor dengan aliran silang, artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana aliran air pendingan mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan.[17]
2.6. Kaca Kaca adalah amorf (non kritalin) material padat yang bening, transparan (tembus pandang), dan biasanya rapuh. Jenis yang paling banyak digunakan selama berabadabad adalah jendela dan gelas minum. Kaca dibuat dari campuran 75% Silikon dioksida (SiO2),Na2O, CaO, dan beberapa zat tambahan. Suhu lelehnya adalah 2.000 derajatCelsius. Sifat Kaca Sifat kaca yang penting adalah sifat pada saat kaca berbentuk fasa cair dan fasa padatnya. Sifat fasa cair dari kaca digunakan dalam proses pengambangan (floating) dan pembentukan kaca, sedangkan untuk sifat fasa padat dari kaca digunakan di dalam pemakaiannya (kegunaannya). Beberapa sifat fisik dan kimia yang penting dari kaca antara lain : 1. Sifat mekanik Tension strength atau daya tarik adalah sifat mekanik utama dari kaca.Tensile strength merupakan tegangan maksimum yang dialami oleh kaca sebelum terpisahnya kaca akibat adanya tarikan (fracture). Sumber fracture ini dapat muncul jika kaca
39
mempunyai cacat di permukaan, sehingga tegangan akan terkonsentrasi pada cacat tersebut. Kekuatan dari kaca akan bertambah jika cacat di permukaan dapat dihilangkan. 2. Densitas dan Viskositas Densitas adalah perbandingan antara massa suatu bahan dibagi dengan volumenya. Nilai densitas dari kaca adalah sekitar 2,49 g/cm3. Densitas dari kaca akan menurun seiring dengan kenaikan temperatur. Sedangkan, viskositas merupakansifat kekentalan dari suatu cairan yang diukur pada rentang temperatur tertentu. Harga viskositas dari kaca merupakan fungsi dari suhu dengan kurva eksponensial. 3. Sifat termal Konduktivitas panas dan panas ekspansi merupakan sifat thermal yang penting dari kaca. Kedua sifat ini digunakan untuk menghitung besarnya perpindahan panas yang diterima oleh cairan kaca tersebut. Nilai dari tahanan kaca sekitar 1020 – 1Ω cm13. 4. Optical properties •
Refractive properties Kaca mempunyai sifatmemantulkan cahaya yang jatuh pada permukaan kaca
tersebut. Sebagian sinar dari kaca yang jatuh itu akan diserap dan sisanya akan diteruskan. Apabila cahaya dari udara melewati medium padat seperti kaca, maka kecepatan cahaya saat melewati kaca menurun. Perbandingan antara kecepatan cahaya di udara dengan kecepatan cahaya yang lewat gelas ini disebut dengan indeks bias. Nilai indeks bias untuk kaca adalah ± 1,52. •
Absorptive properties Intensitas cahaya yang masuk ke dalam akan berkurang karena adanya
penyerapan sepanjang tebal kaca tersebut. Jika kaca semakin tebal, maka energi cahaya yang diserap akan semakin banyak sedangkan intensitas cahaya yang masuk melalui kaca akan semakin rendah. 5. Stabilitas kimia Stabilitas kimia adalah ketahanan suatu bahan terhadap pengaruh zat kimia. Stabilitas kimia banyak dipengaruhi oleh bahan–bahan pembentuk kaca.[18]
40
2.7. Garam Secara fisik, garam adalah benda padatan berwarna putih berbentuk kristal yang merupakan kumpulan senyawa dengan bagian terbesar Natrium Chlorida (NaCl) (>80%) serta senyawa lainnya seperti Magnesium Chlorida (MgCl), Magnesium Sulfat (MgSO4), Calsium Chlorida (CaCl), dan lain-lain. Garam mempunyai sifat/karakteristik higroskopis yang berarti mudah menyerap air, bulk density (tingkat kepadatan) sebesar 0,8-0,9 dan titik lebur pada tingkat suhu 801 oC. Natrium klorida, juga dikenal dengan garam dapur atau halit adalah senyawa kimia dengan rumus molekul NaCl. Senyawa ini adalah garam yang paling mempengaruhi salinitaslaut. Larutan garam bersifat konduktif dan memiliki kestabilan termal yang tinggi, tidak mudah terbakar, rentang cair yang tinggi, dan kemampuannya sebagai pelarut berbagai senyawa.[19] 2.8. Kolektor Surya Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu [20]: 1) Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan 2) Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3) Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja . 4) Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan 5) Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
41
2.8.1. Klasifikasi Kolektor Surya Terdapat tiga 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.
1. Flat-Plate Collector Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara.Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. Dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air. Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah dengan 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. Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar, tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparant cover, absorber, insulasi, dan kerangka.[21]
Gambar 2.7 Kolektor surya pelat datar sederhana[22]
42
2. Concentrating Collector Jenis kolektor ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur antara 100–400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorbernya jenis ini dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu, Line Focus dan Point Focus.[23]
Gambar 2.8 Konsentrator [23] Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas. 3. Evacuated Tube Collector 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 penutupnya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.[24]
43
Gambar 2.9 Evacuated Receiver[25]
2.8.2. Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Langsung dan Tidak Langsung 1. Sistem Langsung Sistem langsung atau sistem loop terbuka mensirkulasikan air yang dipanaskan langsung melalui kolektor. Sistem ini lebih murah daripada sistem tidak langsung dan menawarkan perpindahan panas yang baik dari kolektor ke tangki penyimpanan, namun memiliki banyak kekurangan seperti : •
Memberikan perlindungan panas yang kecil atau tidak ada.
•
Pada daerah dingin tidak memberikan perlindungan terhadap pembekuan.
Sistem ini sering tidak dianggap cocok untuk cuaca dingin karena kolektor yang rusak akibat pembekuan air.
Gambar 2.10Pemanas air sistem langsung :[26] (A) sistem pasif dengan tangki di atas kolektor. (B) sistem aktif dengan pompa dan kontroler didukung oleh sebuah panel photovoltaic.
44
2. Sistem Tidak Langsung Sistem tidak langsung atau sistem loop tertutup menggunakan alat penukar panas yang memisahkan air dari fluida penghantar panas (Heat Transfer Fluid) yang bersirkulasi melalui kolektor. Dua jenis fluida penghantar panas yang paling umum adalah air dan antibeku yaitu campuran air yang biasanya menggunakan glikol propilen yang tidak beracun. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem tidak langsung memberikan
perlindungan
terhadap
pembekuan
dan
biasanya
memberikan
perlindungan terhadap kehilangan panas.
Gambar 2.11Pemanas air sistem aktif tidak langsung :[26] (C) sistem tidak langsung dengan penukar panas dalam tangki (D) sistem tidak langsung dengan reservoir drainback. Dalam skema kontroller dan pompa didorong oleh listrik. 2.8.3. Sistem Pasif dan Sistem Aktif Sistem
pasif
mengandalkan
sistem
berbasis
konveksi
panas
untuk
mensirkulasikan air atau fluida penukar pemanas dalam sistem. Sistem pemanas air tenaga surya pasif memerlukan biaya yang kecil dan pemeliharaan yang sangat rendah, namun efisiensi sistem pasif secara signifikan lebih rendah daripada sistem aktif. Sistem aktif menggunakan satu atau lebih pompa untuk mensirkulasikan air atau fluida penghantar panas dalam sistem. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem aktif menawarkan beberapa keuntungan:
45
•
Tangki
penyimpanan
dapat
diletakkan
lebih
rendah
dari
kolektor,
memungkinkan kebebasan dalam desain sistem dan memungkinkan tangki penyimpanan yang sudah ada untuk digunakan. •
Tangki penyimpanan dapat disembunyikan dari pandangan.
•
Tangki penyimpanan dapat ditempatkan di ruang AC atau semi AC, mengurangi kehilangan panas.
•
Efisien yang tinggi.
•
Meningkatnya kontrol atas sistem. Sistem aktif yang sudah modern memiliki pengendali elektronik yang
menawarkan berbagai macam fungsi seperti modifikasi pengaturan yang mengontrol sistem, interaksi dengan listrik, fungsi keamanan, akses remote, dan menampilkan berbagai informasi seperti pembacaan suhu.[26]
