Teori Tentang Matahari 1. Pendahuluan Matahari merupakan bintang yang menjadi pusat tata surya. Matahari memiliki bentuk bola nyaris sempurna dengan diameter 1.39 x 109 m yang tersusun atas plasma, dimana pergerakan konveksi didalamnya membangkitkan medan magnet melalui proses reaksi fusi. Sejauh ini matahari merupakan sumber energi yang paling penting untuk bumi, dengan diameter 109 kali diameter bumi dan memiliki massa 330.000 kali massa bumi, matahari menempati 99.86% dari total massa tata surya. Keseluruhan massa matahari tersusun atas hidrogen sebesar 73%, helium 25%, dan komponen penyusun minor seperti oksigen, karbon, neon, dan besi. Sumber energi yang dihasilkan berupa pancaran cahaya dan panas yang kemudian dapat dimanfaatkan melalui proses konversi energi. Matahari memiliki temperatur blackbody efektif sebesar 5777 K, temperatur pada daerah inti berkisar antara 8 x 106 hingga 40 x 106 K[3] Pancaran cahaya dan panas yang dihasilkan oleh matahari merupakan hasil dari reaksi fusi nuklir yang terjadi di dalam inti matahari. Inti matahari mencakup area sebesar 0.23 solar radii terhitung dari titik terdalam dari matahari. Pada cakupan area tersebut nilai tekanannya mencapai jutaan kali tekanan bumi dan nilai temperatur yang mencapai 15 juta kelvin, kondisi lingkungan tersebut mendorong terjadinya reaksi fusi. Proses reaksi fusi nuklir dikenal sebagai ikatan proton dengan proton (proton – proton chain), Rangkaian kejadian proses reaksi fusi pada inti matahari adalah sebagai berikut :
Gambar 1. : Skema reaksi fusi 1. Sepasang proton menyatu , membentuk dua deuteron, positron, dan neutrino. 2. Tiap deuterium menyatu dengan proton lain sehingga menghasilkan helium-3 dan sinar gamma.
3. Dua helium-3 menyatu sehingga menghasilkan beryllium-6, akan tetapi substansi ini tidak stabil dan terpecah menjadi 2 proton dan helium-4[6] Ikatan proton dengan proton terjadi dan berulang sebanyak 9.2 x 1037 kali setiap detik di dalam inti matahari, dan mengubah kurang lebih 3.7 x 1038 photon menjadi partikel alfa (jumlah seluruh photon bebas pada matahari adalah kurang lebih 8.9 x 1056) atau setara dengan 6.2 x 1011 kg/s. Menyatukan 4 molekul proton bebas (hydrogen nuclei) menjadi alpha partikel tunggal (helium nucleus) melepaskan kurang lebih 0.7% massa penyatuan menjadi energi, sehingga matahari melepaskan energi pada laju konversi masa-energi sebesar 4.26 juta metric ton per detik, untuk nilai daya sebesar 384.6 yottawats (1 yottawats = 1024 Watts) Gambar 2. : Pembagian zona pada matahari. 2. Total Energi Dari Matahari 2.1 Konstanta Surya Konstanta surya GSC (solar constant) adalah energi matahari yang diterima di luar lapisan atmosfir pada satuan luas permukaan tegak lurus dengan arah rambatan radiasi per satuan waktu. Sebelum memasuki era penerbangan ruang angkasa, pengukuran konstanta surya dilakukan dari salah satu titik tertinggi di permukaan bumi (contoh : dari puncak gunung) dimana ekstrapolasi diterapkan pada nilai pengukuran yang diperoleh. Dari hasil studi yang dilakukan oleh C.G. Abbot dan kolega di Smithsonian Institution, diperoleh nilai konstanta surya sebesar 1322 W/m2 yang kemudian nilai tersebut direvisi oleh Johnson menjadi 1395 W/m2. Pada tahun 1971, NASA dan ASTM menerima nilai pengukuran konstanta surya sebesar 1353 W/m2. Frohlich memeriksa kembali nilai tersebut dan memasukkan data dari satelit Nimbuzz dan Mariner ke dalam analisis dan merekomendasikan nilai konstanta surya yang baru sebesar 1373 W/m2.
Pengukuran lebih lanjut menggunakan bantuan pesawat ruang angkasa yang dilakukan oleh Hickey pada tahun 1982 diperoleh nilai konstanta surya sebesar 1373 W/m2, dan Wilson pada tahun 1981 memperoleh nilai konstanta surya sebesar 1368 W/m2. Duncan memperoleh nilai pengukuran sebesar 1367, 1372, dan 1374 W/m2 dari penerbangan 3 buah roket. Pada akhirnya World Radiation Center (WRC) menetapkan nilai 1367 W/m2 dengan derajat ketidak pastian sebesar 1% sebagai standar. Sebagai tambahan, perlu dipahami bahwa radiasi ekstraterrestrial (radiasi yang mungkin diterima tanpa keberadaan atmosfir) memiliki distribusi spektrum. Gambar 3. menunjukkan standar distribusi spektrum dari WRC.[3] Gambar 3. : Standar kurva spectral irradiance oleh WRC . 2.2. Variasi Radiasi Ekstraterrestrial Variasi radiasi ekstraterrestrial terjadi oleh karena 2 sebab, yang pertama adalah variasi radiasi matahari sebagai akibat dari aktivitas bintik matahari (sunspot). Sunspot adalah fenomena yang terjadi pada lapisan photospehere dimana daerah yang berwarna lebih gelap mengalami penurunan temperatur permukaan karena proses konveksi Gambar 4. : Variasi radiasi ekstraterrestrial terhambat oleh konsentrasi selama satu tahun . fluks magnetik. Yang kedua adalah variasi radiasi matahari akibat eksentrisitas lintasan bumi terhadap matahari. Variasi ini akan menghasilkan ketidakpastian konstanta surya hingga ±3.3%.[3] Radiasi matahari paling rendah terjadi ketika bumi berada pada posisi terjauh dari matahari (apoapsis) dan menerima radiasi paling tinggi ketika berada pada posisi terdekat (periapsis). Gambar di bawah ini
mengilustrasikan eksentrisitas ekstraterrestrial dalam 1 tahun.
orbit
bumi
dan
grafik
variasi
radiasi
Gambar 5. Eksentrisitas orbit bumi. Radiasi matahari yang diterima oleh bumi dan tanpa mengalami fenomena scattering (perubahan arah rambat oleh atmosphere) disebut radiasi langsung (direct radiation/beam radiation), sedangkan sebagian radiasi yang mengalami fenomena scattering disebut dengan diffused radiation, dan nilai penjumlahan dari kedua jenis radiasi tersebut dinamakan Total Solar Radiation. Laju energi radiasi yang diterima oleh per unit area permukaan dinamakan iradiasi (W/m2), Insolasi adalah istilah yang digunakan untuk iradiasi yang berasal dari radiasi matahari. Iriadiasi yang diterima per unit area selama periode waktu tertentu dinamakan radiant exposure atau Irradiation.[3] 3. Ekstraksi Energi Matahari 3.1 Energi Foton dari Pancaran Matahari Energi surya yang dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan manusia dibagi menjadi 2 jenis, yaitu berupa energi termal dan energi pancaran cahaya (radiant light). Energi termal dapat dimanfaatkan secara langsung (direct), tidak langsung (indirect), dan disimpan (store). Memanfaatkan prinsip perpindahan panas, energi surya termal dapat dimanfaatkan untuk proses pengeringan (direct use), pendingin dan penghangat (thermal storage/indirect). Energi pancaran cahaya dapat dimanfaatkan dalam bentuk energi listrik melalui proses konversi photovoltaic. Proses konversi dari pancaran cahaya menjadi energi listrik dapat dicapai menggunakan material semikonduktor, dimana eksitasi elektron yang dipicu oleh paparan cahaya meningkatkan efek konduktifitas material tersebut. Perangkat konversi energi yang mampu mengakomodasi konversi photovoltaic dinamakan
photovoltaic cell/solar cell.[5] Konversi energi sel fotovoltaik merupakan konversi energi dari sinar matahari secara langsung. Sinar matahari mengandung partikel foton yang dikonversi menjadi energi listrik. Besar energi foton ini diformulasikan sebagai berikut (Creatore, 2010):
Gambar Spektrum Cahaya Diatas menunjukkan spektrum cahaya matahari, dimana spektrum cahaya matahari yang dapat dilihat mata manusia mempunyai panjang gelombang =0.39 µm (violet) sampai =0.77 µm (merah). Dengan memasukkan nilai panjang gelombang pada persamaan 2.1, energi foton cahaya Gambar 7. Distribusi spectrum cahaya pada panajang matahari (dapat gelombang λ. dilihat) yang terbesar terletak pada spektrum cahaya violet dengan besar energi sebesar 5.09e-19 Joule atau setara dengan 3.1790 eV dan yang terkecil ada pada spektrum cahaya merah dengan besar energi 2.58e-19 Joule atau 1.6101 eV. 3.2 Posisi Matahari dan Orientasi Terhadap Permukaan Bumi
Gambar 8. Sudut – sudut property penentuan posisi matahari (a) isometric view, (b) plan north view
Seperti telah dibahas pada poin sebelumnya, posisi bumi relatif terhadap matahari selalu mengalami perubahan karena eksentrisitas orbit bumi terhadap matahari, oleh karena itu besar energi matahari yang dapat diekstraksi baik energi termal maupun energi pancaran cahaya merupakan fungsi dari posisi matahari itu sendiri. Posisi matahari dapat ditentukan menggunakan relasi orientasi permukaan datar (plane) terhadap permukaan bumi dengan arah kedatangan radiasi langsung (beam). Relasi tersebut diilustrasikan oleh gambar 8.[3] Pengertian untuk setiap sudut adalah sebagai berikut : Sign convention Simbol
Penamaan
Definisi Positive Negative
φ
Latitude
sudut terhadap equator
Utara
Selatan
λ
Longitude
Sudut yang menunjukkan posisi barat dan timur di permukaan bumi
Timur
Barat
δ
Declination
sudut antara matahari dan bidang plane equator
Utara
Selatan
β
Slope
sudut antara permukaan bidang dan horizontal
ɣ
Surface Azimuth sudut yang terbentuk dari posisi Angle bidang terhadap horizontal, dimana zelatan bernilai 0, barat bernilai positif dan timur bernilai negative
Barat
Timur
ω
Hour Angle
Siang
Pagi
θ
Angle Incidence
θz
Zenith Angle
perpindahan sudut matahari dari timur ke barat akibat rotasi bumi dengan nilai 15o tiap jamnya of sudut antara beam radiatio pada permukaan dan normal dari permukaan tersebut sudut antara garis vertikal dan beam radiation
0 ≤ β ≤ 180o
0 ≤ θ ≤ 90o
0 ≤ θz ≤ 90o
αs
Solar Altitude sudut antara garis horizontal dan Angle / Elevation beam radiation, θz + αs = 90o
ɣs
Solar Angle
Azimuth sudut yang terbentuk dari proyeksi radiasi terhadap bidang horizontal, dimana zelatan bernilai 0, barat bernilai positif dan timur bernilai negatif
0 ≤ θz ≤ 90o
Barat
Timur
4. Kelebihan dan Kekurangan Energi Surya Energi surya merupakan sumber daya yang tidak hanya berkelanjutan (sustainable), akan tetapi juga dapat diperbaharui terus menerus. Tenaga surya dapat digunakan untuk menghasilkan listrik, juga digunakan dalam teknologi yang relatif sederhana untuk memanaskan air (pemanas air matahari). Penggunaan skylight dalam konstruksi rumah juga dapat mengurangi pengeluaran energi yang dibutuhkan untuk penerangan kamar dalam rumah di siang hari. Panel surya juga membutuhkan sedikit perawatan. Setelah instalasi dan dioptimasi, panel ini sangat handal, karena faktanya mereka secara aktif menciptakan listrik dengan luasan hanya beberapa milimeter dan tidak memerlukan jenis bagian mekanis yang kemungkinan bisa gagal. Keuntungan lainnya adalah operasional tenaga surya sangat minim polusi udara sehingga sangat ramah lingkungan. Kerugian utama dari tenaga surya adalah bahwa jelas energinya tidak dapat diproduksi di malam hari. Daya yang dihasilkan juga berkurang pada saat mendung (meskipun energi masih diproduksi pada saat mendung). Keluaran energi panel surya maksimal ketika panel langsung menghadap matahari. Ini berarti bahwa panel di lokasi yang tetap, seperti gedung di atas, akan berkurang produksinya ketika matahari tidak pada sudut yang optimal. Banyak PLTS skala besar yang mengatasi masalah ini dengan panel yang dapat melacak matahari untuk menjaga panel di sudut yang optimal sepanjang hari.
5. Kesimpulan Konsumsi di dunia ini yang paling besar bersumber dari energi panas atau termal. Energi Matahari adalah energi yang tidak akan pernah habis. Energi yang disediakan oleh sang Maha Kuasa ini dapat dimanfaatakan sebagai pengganti energi fosil yang lambat laun akan segera habis. (Renac, 2015) mengatakan bahwa 1 m2 hasil iradiasi matahari yang jatuh ke sebuah benda setara dengan 90 sampai 230 Ltr minyak (tergantung letak geogrfisnya). Keluaran daya yang dihasilkan modul fotovoltaik bergantung pada kondisi iradiasi. Oleh sebab itu, pemanfaatn energi matahari sangat tergantung akan iradiasinya. Semakin besar tingkat iradiasi yang jatuh ke permukaan modul semakin tinggi arus yang akan dihasilkan nantinya dan mengurangi rugi-rugi energi.
Daftar Pustaka [1] Boxwell, M. (2012). Solar Electricity Handbook. Warwickshire: Greenstream Publishing. [2] Creatore, M. (2010). Photovoltaic Conversion. Course 4P510 Renewable Energi Sources. North Brabant, Netherland: TU Eindhoven. [3] Duffie, J., & Beckman, W. (1980). Solar Engineering of Thermal Processes. New York: Wiley. [4] Garg, H. (1982). Fundamentals of Solar Energi. In Treatise on Solar Energi: Volume 1 (pp. 375-381). New York: Wiley. [5] Sorensen, B. (2004). Renewable Energy Its physics, engineering, use, environmental impacts, economy and panning aspects Third edition. Elsevier Science [6] McCracken, Garry. And Stott, Peter. “Fusion : The Energi of The Universe”, Elsevier Inc. San Diego : 2005. [7] https://greenwichmeantime.com/longest-day/equinox-solstice-2010-2019.htm
Lampiran Pada penulisan ini metode analisis diterapkan untuk memperkirakan nilai radiasi global (Gg) yang diterima oleh kota Surakarta pada 7 Februari pukul 09:00, 12:00, dan 15:00. Koordinat geografis, waktu, arah dan iklim menjadi variable pada persamaan matematis untuk mengetahui besaran nilai intensitas radiasi matahari yang sampai pada daerah tertentu, sehingga penetuan data awal berpengaruh pada hasil akhir perhitungan. Koordinat kota Surakarta ditentukan sebagai langkah awal, kota Surakarta terletak pada -7.5666667° Lintang Selatan dan 110.8166667° Bujur Timur. Waktu memiliki pengaruh dalam pengukuran intensitas radiasi matahari, pada penulisan ini waktu pengukuran telah ditentukan pada pukul 09:00, 12:00, dan 15:00 waktu setempat. Dalam pengukuran intensitas radiasi matahari perlu adanya penyesuain waktu dari waktu local menjadi solar time. Solar time adalah peninjukan waktu yang berdasarkan pada gerakan angular matahari yang terlihat di langit. Solar time ditentukan menggunalan persamaan di bawah ini[1] : Dimana Lst adalah standard meridian untuk zona waktu setempat dalam derajat (°), Lloc letak wilayah yang ditinjau pada garis bujur dalam derajat (°), dan E adalah parameter waktu dalam satuan menit yang dapat ditentukan menggunakan persamaan berikut[1] :
Dari persamaan diatas diperoleh nilai E = -7.720 menit, dan bersama dengan Lst = 120°[2] dan Lloc = 110.8166667 masuk ke dalam persamaan solar time sehingga diperoleh nilai sebesar 30 menit, yang berarti jeda antara local time dan solar time adalah 30 menit. Posisi bumi selalu berubah relative terhadap matahari, penentuan arah rambatan radiasi matahri terhadap area/permukaan yang akan ditinjau mempengaruhi nilai energi radiasi matahari yang diterima oleh area/permukaan yang ditinjau. Arah rambatan radiasi matahari ditentukan melalui sudut – sudut penting yang menjadi variable dalam perhitungan. Sudut – sudut penting yang Tabel 1. : Nilai sudut – sudut penting setiap solar time. digunakan untuk masing – masing solar time adalah dalam penulisan ini adalah : Sudut/Solar Time ω Ƴ
9:30 -37.5 0
11:30 -7.5 0
15:30 52.5 0
β Φ δ
0 -7.5666 -15.84
0 -7.5666 -15.84
0 -7.5666 -15.84
Dimana : ω : Perpindahan sudut matahari antara barat dan timur dengan nilai 15° untuk setiap jam. Ƴ : Perbedaan posisi pada proyeksi bidang horizontal normal terhadap bidang horizontal garis bujur local. β : Perbedaan sudut antara permukaan yang ditinjau dengan bidang datar horizontal.
Φ : Posisi sudut antara utara dengan selatan terhadap ekuator. δ : Posisi sudut matahari pada saat solar noon. Nilai δ dapat ditentukan menggunakan persamaan[1] : Apabila semua nilai sudut – sudut penting sudah ditentukan, arah rambatan radiasi matahari dapat ditentukan menggunakan persamaan[1] : Pada penulisan ini nilai β dan Ƴ bernilai 0 karena radiasi matahari dinggap jatuh pada bidang horizontal datar, sehingga persamaan arah rambatan matahari menjadi[1] : Dari persamaan cos θz untuk permukaan horizontal didapatkan nilai sudut arah rambat radiasi matahari (θz) untuk masing – masing solar time yang dirangkum dalam tabel di bawah ini :
ω Ƴ β Φ δ Cos θz Θz
9:00:00 AM/9:30 Solar Time Sine Cosine -37.5 -0.608761429 0.79335334 0 0 1 0 0 1 -7.5666 -0.131678549 0.991292469 -15.84 -0.272951936 0.962027672 0.792523951 37.57799178
ω Ƴ β Φ δ Cosine θz Θz
11:00:00 AM/11:30 Solar Time Sine Cosine -7.5 -0.130526192 0.991444861 0 0 1 0 0 1 -7.5666 -0.131678549 0.991292469 37.57799178 0.609840788 0.792523951 0.981434083 11.05783274
3:00:00 PM/3:30 Solar Time Sine Cosine ω 52.5 0.79335334 0.608761429 Ƴ 0 0 1 β 0 0 1 Φ -7.5666 -0.131678549 0.991292469 δ 45.68529375 0.715513446 0.698598961 Cosine θz 0.61648773 Θz 51.93989888 Dengan sudah ditentukannya sudut arah rambat radiasi matahari (θz) maka, nilai radiasi extraterrestrial (nilai radiasi yang paling mungkin apabila tidak terdapat atmosfir) dapat dihitung melalui persamaan di bawah ini[1] : Nilai hasil perhitungan radiasi extraterrestrial yang didapatkan untuk setiap waktu pengukuran yang ditetapkan, dipaparkan melalui tabel di bawah ini : Radiasi Extraterrestrial 9:30 12:30 15:30 Gsc (w/m2) 1367 1367 1367
n 38 38 38 cos θz 0.792523951 0.981434086 0.61648773 Go (W/m2) 1111.751654 1376.754567 864.8082533
Nilai radiasi extraterrestrial yang diperoleh tidak memperhitungkan efek atmosfer terhadap energi radiasi matahri yaitu mengurai dan menyerap energi radiasi matahari, meskipun demikian efek atmosfer terhadap energi radiasi matahari selalu mengalami perubahan yang tergantung pada waktu, air mass, dan kondisi cuaca. Sehingga, perlu diketahui energi radiasi setelah melewati atmosfer dengan anggapan cuaca sedang cerah (clear sky). Persamaan yang digunakan untuk mengetahui nilai radiasi clear sky adalh sebagai berikut[1] : Dimana Gon adalah radiasi extraterrestrial dan τb adalah kemampuan atmosfer untuk meneruskan radiasi beam dengan mempertimbangkan iklim suatu daerah. τb ditentukan melalui persamaan[1] : [1] Nilai a0, a1, dan k ditentukan dengan : Untuk menentukan nilai !"* , !"* , dan ! * digunakan persamaan di bawah ini[1] : A adalah ketinggain area yang ditinjau terhadap permukaan laut. Untuk kota Surakarta nilai ketinggian rata – rata digunakan sebagai acuan yaitu : 0.095 km. Hasil perhitungan untuk clear sky radiation untuk setiap solar time dirangkum dalam tabel di bawah ini :
A cos θz r0 r1 rk a0* a1* k* a0 a1 k τb Gcnb (W/m2) Gcb (W/m2)
Clear Sky Radiation 9:30 12:30 0.095 0.095 0.792523951 0.981434086 0.95 0.95 0.98 0.98 1.02 1.02 0.137425305 0.137425305 0.749592949 0.749592949 0.378567185 0.378567185 0.13055404 0.13055404 0.73460109 0.73460109 0.386138528 0.386138528 0.581840045 0.626211189
15:30 0.095 0.61648773 0.95 0.98 1.02 0.137425305 0.749592949 0.378567185 0.13055404 0.73460109 0.386138528 0.523226285
646.8616326 862.1391142 452.4904098 512.6533368 846.1327136 278.9547856
Selanjutnya perhitungan untuk menentukan nilai air mass digunakan persamaan di bawah ini. Air mass adalah perbandingan massa atmosfer yang dilalui radiasi beam dengan massa atmosfer yang dilalui radiasi beam ketika matahari pada posisi zenith[1]. hasil perhitungan air mass untuk setiap solar time dirangkum dalam tabel di bawah ini.
h cos θz θz m
Air Mass 9:30 12:30 15:30 0.095 0.095 0.095 0.792523951 0.981434086 0.61648773 37.57799178 11.05783274 51.93989888 1.260735135 1.01853656 1.61934727
Radiasi global yang sampai pada kota Surakarta ditentukan menggunakan -../0 [1] persamaan !" = 1.1 ∗ !( dimana !" = 1.353 ∗ 0.7+, . Hasil perhitungan radiasi global dirangkum pada tabel di bawah ini :
AM GD (kW/m2) Gd (kw/m2) Gg (kW/m2)
Beam 9:30 12:30 1.260747898 1.01854687
15:30 1.619363663
0.891344874 0.942874191 Global 9:30 12:30
0.825122639
0.891344874
0.942874191
0.852122639
0.980479361
1.03716161
0.937334903
15:30
