Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Sebagai bintang yang paling dekat dari planet biru Bumi, yaitu hanya berjarak sekitar 150.000.000 km, sangatlah alami jika hanya pancaran energi matahari yang
mempengaruhi dinamika atmosfer dan kehidupan di Bumi sebagai. Energi yang datang ke bumi sebagian besar merupakan pancaran radiasi matahari. Energi ini kemudian
ditransformasikan menjadi bermacam-macam bentuk energi, misalkan pemanasan pemukaan Bumi, gerak dan pemanasan atmosfer, gelombang lautan, foto sintesa tanaman
dan reaksi foto kimia lainya. Penyebaran sinar matahari tiap tahun di belahan bumi berfariasi termasuk
Indonesia . Indonesi rata – rata menerima sinar matahari delapan 8 jam perhari. Dapat dikatakan bahwa Negara Indonesia yang merupakan Negara kepulauan dan Negara
agraris, oleh karena itu penulis mencoba untuk merancang sebuah alat yang dapat digunakan di tengah-tengah masyarakat dengan pemanfaatan energi surya untuk
memanaskan Air untuk kebutuhan mandi, air minum dsb dan intensitas sinar matahari yang masuk ditentukan posisi matahari terhadap kolektor.
2. 1. Jenis – Jenis Kolektor Surya
Kolektor Surya merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengumpulkan energi matahari yang masuk dan diubah menjadi energi thermal dan meneruskan energi tersebut
ke fluida. Kolektor surya memiliki beberapa komponen yaitu : transmisi, refleksi, dan absorbsi. Komponen transmisi dapat diperoleh dengan- menggunakan kaca, refleksi dari
elemen cermin dan absorber dari bahan aluminium atau kuningan yang dilapisi dengan
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
permukaan benda hitam.Komponen utama kolektor surya adalah cover yang berfungsi sebagai penutup kolektor yang transparan, absorber untuk menyerap energi dan
mengkonversikan energi matahari menjadi energi thermal, insulation untuk menahan panas dalam kolektor, saluran atau kanal untuk mengalirkan fluida pembawa energi
matahari. Jadi dapat disimpulkan Secara prinsip bahwa metode kerja dari kolektor surya
dalah sama yaitu menyerap sinar matahari 2. 1. 1. Kolektor Surya Prismatik
Kolektor surya tipe prismatik adalah kolektor surya yang dapat menerima energi radiasi dari segala posisi matahari kolektor jenis ini juga dapat digolongkan dalam
kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari empat bidang yang berbentuk prisma, dua bidang berbentuk segitiga sama kaki dan dua
bidang berbentuk segi empat siku – siku.sehingga dapat lebih optimal proses penyerapan tipe kolektor jenis Prismatik ini dapat dilihat seperti gambar berikut.
Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic
Sumber : Philip kristianto James Laeyadi Jurnal Teknik mesin Universitas Kristen petra
2. 1. 2. Kolektor Surya plat Datar
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
= dx
dT KA
- q
Kolektor surya type plat datar adalah type kolektor surya yang dapat menyerap energi matahari dari sudut kemiringan tertentu sehingga pada pross penggunaanya dapat
lebih mudah dan lebih sederhana. Dengan bentuk persegi panjang seperti pada gambar berikut :
Gambar 2-2. kolektor surya plat datar Sumber : PT. Aditya Sarana Graha. Pinangsia, Jakarta pusat.
2. 2. Tinjauan perpindahan panas
Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan
melalui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi, apabila sirkulasi dilakukan dengan sebuah pompa, maka kita menyebutnya
konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke plat penutup kaca umumnya menutupi kolektor dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi.
2. 2. 1. Konduksi.
Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan
Hukum Fourrier
………………………….. 2. 1
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana q
= Laju perpindahan panas w K
= Konduktifitas Termal W m.k A
= Luas Penampang yang terletak pada aliran panas m2 dTdx
= Gradien temperatur dalam arah aliran panas - km
2. 2. 2. Konveksi
Udara yang mengalir diatas 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 penulis menyebutnya sebagai konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka penulis menyebutnya
konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sbb.
q = h A Tw – T watt …
…………….. 2. 2
Dimana h = Koefisien konveksi w m
2
.
o K
A = Luas permukaan kolektor surya m
2
Tw = Temperatur dinding
O K
T = Temperatur fluida
o K
Q = Laju perpindahan panas watt Karena aliran dalam pemas cairan surya itu laminer dan tabung – tabungnya
adalah relatif pendek, maka bilangan nusselt rata – rata dan karena itu harga rata-rata h dalam tabung dapat dicari dari gambar brikut seperti yang dianjurkan oleh duffie dan
Becman. Untuk menggunakan grafik dalam gambar haruslah dihitung trlebih dahulu
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
sebuah bilangan tanpa dimensi lain yang disebut bilangan prandtl yaitu dengan persamaan Pr = C
p
µk.
Gambar 2-3. Bilangan Nusselt rata-rata dalam pipa pendek untuk berbagai bilangan prandtl. Sumber :Prof. Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 9
Untuk pemanas surya yang bekerja dalam bilangan Reynols antara 2000 sampai 10000, dan nilai bilangan nusselt sebesar lit teknologi rekayasa surya hal 10
N
u =
0,00269. Re ………………………… 2. 3 R
e
Yang dimaksud adalah bilangan Reynold yang biasanya berkisar antara 2000 sampai 10000 untuk aliran turbulen, dan dibawah 2000 untuk aliran linier. Bilangan
Reynold dapat dirumuskan
µ
ρ i
e
Vd R
=
…………………………... 2. 4
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana Re = Bilangan Reynold.
V = Kecepatan Rata-rata dari Fluida m s di = Diameter pipa m
= Massa jenis kg m
3
= Viskositas dinamik kg m.s
2. 2. 3. Radiasi
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 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 ini dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga
absorpsivitas yang tinggi , tinggi dalam daerah panjang gelombang pendek Radiasi surya dan harga emisivitas yang rendah , rendah dalam daerah infra merah.
Permukaan semacam itu disebut permukaan selektif. Salah satu diantaranya adalah khrom hitam Black chrome yang mempunyai harga = 0.90 dan = 0.12.
Penukaran panas netto secara radiasi termak antara dua badan ideal Hitam adalah :
…………………. 2. 5 watt
T T
q
4 2
4 1
− Α
− =
σ
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana = Stefan – Boltzman yang besarnya 5.67 x 10-8 w m
2
. k
4
T = Temperatur mutlak Benda k A = Luas Bidang m
2
Dalam praktek, permukaan bukan merupakan pemancar ataupun penyerap yangsempurna dari radiasi termal. Permukaan kelabu warna tersebut dapat ditandai oleh
fraksi – fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan , emisivitas dan diserap ,
absorbsivitas. Misalnya, perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah kolektor surya adalah perpindahan panas radiasi dari plat penyerap ke plat penutup kaca. Maka dapat
dilihat seperti berikut ini.
1
2 1
4 2
4 1
− +
− Α
=
ε ε
τ
i i
T T
q
……………………….. 2. 6
ternyata bermanfaat, Dimana = 1 dan 2 adalah emisivitas dari pelat – pelat penyerap
dan kaca.
2. 3. Tinjauan mekanika fluida 2. 3. 1. Viskositas
Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan
geser dan laju regangan geser.
2. 3. 2. Posisi Matahari
Sudut zenit diperlihatkan sebagai sudut antara zenit z, atau garis lurus dibawah kepala, dan garis pandang ke matahari. Persamaan untuk sudut zenit dapat dirumuskan
lit teknologi rekayasa surya hal 27 Cos
z
= Sin Sin Ø + Cos Cos Cos ……………. 2. 7
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
− =
365 284
360 45
, 23
n x
Sin
δ
Dimana z = Sudut zenith
= Deklinasi Ø = Sudut lintang
= Sudut jam
15 o
Catt : Deklinasi, Yaitu sudut yang dibentuk oleh matahari dengan bidang ekuator, ternyata berubah sebagai akibat kemiringan Bumi dari +23,45
o
musim panas 21 juni ke – 23,45
o
di musim dingin 21 Desember harga deklinasi pada setiap saat dapat diperkirakan dengan persamaan berikut lit teknologi rekayasa surya hal 28
..……………….. 2. 8 Dimana n Adalah hari dari tahun yang bersangkutan.
2. 3. 3. Radiasi pada bidang miring. Intensitas
Karakteristik dari permukaan pada radiasi bidang miring berbeda dari satu tempat dengan tempat yang lainya. Komponen radiasi pada suatu permukaan miring yaitu
komponen sorotan I
bT
yang diperoleh dengan mengubah radiasi sorotan pada permukaan horizontal menjadi masuk normal dengan menggunakan sudut zenit. Dan kemudian
mendapatkan komponen pada permukaan miring dengan menggukan sudut masuk. Radiasi sprotan pada permukaan horizontal diperoleh dari selisih antara pengukuran
radiasi total antara pengukuran radiasi sebaran untuk lokasi tertentu. Radiasi sorotan I
bT
pada permukaan miring dapat dihitung dengan radiasi sorotan terukur Id pada sebuah permukaan horizontal perhitungan ini dapat dilakukan dengan
dua cara pertama dengan mendistribusikan radiasi sebaran secara merata diatas hemisfer langit, kedua dengan meneliti sebaran berasal dari daerah langit dekat matahari,
komponen yang dipantulkan pada permukaan bidang miring I
rT
dapat dihitung apabila
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
refleksi dari permukaan disekitarnya dapat diketahui. Dari beberapa komponen yang miring seperti yang diterangkan diatas dapat dilihat sebagai berikut.
lit teknologi rekayasa surya hal 30 …………………... 2. 9
Gambar 2-4. Radiasi sorotan setiap jam pada permukaan miring dari pengukuran I
b.
Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 31. Radiasi langsung : sudut masuk Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada
sudut masuk normal I
bn
, dari gambar 2 – 4 dapat dilihat.
………………... 2. 10
Dimana I
b
adalah radiasi sorotan pada suatu permukaan horizontal dan cos
z
adalah sudut zenit yang ditentukan dari persamaan ….dengan demikian untuk suatu permukaan
yang dimiringkan dengan sudut terhadap bidang horizontal Gambar 2. 4 intensitas dari komponen sorotan ialah.
………….. 2. 11
rT dT
bT T
I I
I I
+ +
=
θ
Cos I
I
b bn
=
z T
b T
bn bT
Cos I
I I
θ θ
θ
cos cos
= =
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
ω φ
δ φ
δ ω
β φ
δ β
φ δ
cos cos
cos sin
sin cos
cos cos
sin sin
+ −
+ −
= I I
bT
Dimana T = Sudut masuk yang didefenisikan sebagai sudut antara arah
sorotan pada sudut masuk normaldan arah komponen 90 o pada permukaan bidang miring
Apabila permukaan dimiringkan dengan suatu sudut terhadap horizontal, maka hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar dengan arah jarum jam sebesar
sudut , dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama,
gambar….hubungan untuk
Z
untuk garis lintang – kemudian dapat digunakan untuk permukaan ya
ng dimiringkan pada garis lintang karena garis lintang ditentukan dari bidang ekuator, maka kemiringan permukaan mengarah ke ekuator, yaitu bahwa
permukaan itu dimiringkan ke selatan bagi hemisfer bagian utara.
………... 2. 12
Berikut ini dapat dilihat spesifikasi kolektor surya dan data suhu udara kota medan sesuai dengan pemantauan Badan Meteorologi dan Geofisika Balai Wilayah satu
Polonia Medan.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Tabel 2 – 1 : Kelembaban udara, suhu udara dan kecepatan angin yang berhembus kota medan. Sumber : Badan Meteorologi dan Geofisika Kota Medan.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Gambar 2 – 5. Spesifikasi beberapa produk kolektor Surya Sumber : PT. Aditya Sarana Graha, Jakarta Pusat.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Gambar 2 – 6. Peruntukan dan peletakan kolektor Surya Sumber : PT. Aditya Sarana Graha, Jakarta Pusat
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB III ALAT DAN BAHAN