Pengaruh Sudut Kemiringan Panel Surya Tipe Monocrystalline Terhadap Efisiensi Daya Keluaran Panel Surya
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Matahari
Matahari merupakan materi yang tersusun dari gas yang sangat panas
dengan diameter 1,39 x 109 m, dan jarak 1.5 x 1011 m dari bumi. Matahari
memiliki suhu permukaan efektif 5777 K. Suhu di daerah inti matahari berkisar 8
x 106 sampai 40 x 106 dan densitasnya diperkirakan 100 kali lebih besar dari air.
Matahari pada dasarnya adalah sebuah reaktor fusi kontinyu dengan gas
penyusunnya tetap dipertahankan oleh gaya gravitasi. Energi yang dipancarkan
oleh matahari berasal dari reaksi fusi. Energi diproduksi pada bagian dalam
matahari dan terkirim ke permukaan dan kemudian teradiasi ke luar angkasa.
Matahari merupakan sumber utama bagi kehidupan di bumi, sumber
energi yang dihasilkan oleh matahari berupa energi panas dan energi cahaya yang
dipergunakan makhluk hidup untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Bumi
menerima 175 x 10 5 Watt radiasi surya pada atmosfer terluar. Kurang lebih 30 %
dari total radiasi terefleksi kembali ke ruang angkasa, dimana 70% sisanya
terserap oleh awan, lautan, dan juga daratan.
2.1.1 Radiasi yang Dipancarkan Matahari
Jarak eksentrisitas orbit bumi sedemikian rupa sehingga jarak antara
matahari dan bumi bervariasi sebesar 1,7%. Dari hasil pengukuran astronomi
didapat jarak rata-rata bumi matahari adalah 1,495 x 1011 m dengan sudut
kecenderungan matahari 320. 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) menetapkan nilai konstanta matahari (Gsc) sebesar 1367
W/m2 dengan ketidakpastian sebesar 1% . Gambar hubungan matahari dan bumi
dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1].
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi
Intensitas radiasi matahari yang sampai ke bumi bergantung pada jarak
antara matahari dan bumi yang dalam satu tahun bervariasi antara 1,47 x 108 Km
dan 1,52 x 108 Km. Akibatnya radiasi matahari berfluktuasi antara 1325 W/m2
dan 1412W/m2. Nilai rata-rata yang dirujuk sebagai konstanta surya adalah 1367
W/m2. Nilai radiasi tersebut tidak mencapai permukaan bumi. Atmosfer bumi
mengurangi insolasi melalui refleksi, penyerapan (oleh ozon, uap air, oksigen dan
karbon dioksida) dan penyebaran (yang disebabkan oleh molekul udara, partikel
debu atau polusi). Pada cuaca cerah pada siang hari, radiasi bisa mencapai 1000
W/m2 di permukaan bumi [2].
2.1.2 Radiasi Matahari Yang Diterima oleh Bumi
Radiasi matahari yang melewati atmosfer, sebagian diserap dan sebagian
menyebar. Radiasi matahari yang diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi
tiga jenis, yaitu[3]:
6
Universitas Sumatera Utara
a. Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation)
Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima dari matahari dalam suatu
garis lurus, tanpa penyebaran oleh atmosfer. Sinarnya sejajar satu sama lain; Oleh
karena
itu
radiasi
langsung
dapat
meciptakan
bayangan
dan
dapat
dikonsentrasikan oleh cermin.
b. Radiasi tersebar (diffuse radiation)
Radiasi menyebar terdiri dari cahaya yang tersebar oleh atmosfer (udara,
awan, aerosol). Difusi adalah fenomena yang menyebarkan cahaya matahari
menuju ke segala arah. Di langit, sinar matahari disebarkan oleh molekul udara,
butiran uap air (awan) dan debu. Tingkat penyebaran sinar sangat bergantung
pada kondisi cuaca.
c. Radiasi pantulan
Radiasi pantulan adalah radiasi yang dipantulkan oleh tanah, yang
bergantung pada keadaan lingkungan sekitar. Contohnya yaitu salju, yang
memantulkan radiasi dengan jumlah yang besar. Sedangkan aspal nyaris tidak
memantulkan radiasi.
Radiasi total matahari pada permukaan bumi adalah adalah jumlah dari
radiasi langsung, radiasi tersebar, dan radiasi pantulan. Gambar total radiasi
matahari pada permukaan bumi dapat dilihat pada Gambar 2.2 [3].
Gambar 2.2 Total Radiasi pada Permukaan Bumi
7
Universitas Sumatera Utara
Ada beberapa hal yang dapat mempengaruhi intensitas radiasi matahari
pada bumi, yaitu [2]:
o Pengurangan intensitas karena refleksi oleh atmosfer bumi
o Pengurangan intensitas karena penyerapan zat – zat di atmosfer
o Pengurangan intensitas karena Rayleigh scattering
o Pengurangan intensitas karena Mie scattering
Sedangkan radiasi yang jatuh pada permukaan material akan mengalami
refleksi, absorbs, dan transimisi. Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi
tergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler
terjadi pemantulan sinar pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama
dengan sudut pantul. Sedangkan refleksi difusi terjadi berupa pantulan kesegala
arah. Transmisi menjelaskan besar nilai radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu
lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan dari suatu permukaan merupakan hal
yang penting pada pemanfaatan radiasi surya. Absorbsivitas menjelaskan besar
nilai radiasi yang dapat diserap. Misalnya pada bagian absorber pada sebuah
kolektor radiasi surya. Refleksi, transmisi dan absorbs adalah hal yang penting
dalam proses pemanfaatan radiasi surya, karena menyangkut efektifitas
pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya.
2.2 Hubungan Geometri Matahari – Bumi
2.2.1 Sistem Koordinat Bumi
Garis lintang (latitude, φ) adalah garis maya yang melingkari bumi ditarik
dari arah barat hingga ke timur atau sebaliknya , sejajar dengan equator (garis
khatulistiwa), sedangkan Garis bujur (longitude, λ ) adalah garis maya yang
ditarik dari kutub utara hingga ke kutub selatan atau sebaliknya.
Deklinasi (δ) adalah sudut antara bidang ekuator dan bidang orbit bumi
yang berubah karena bumi bergerak sepanjang orbitnya sepanjang tahun.
Deklinasi dapat diperoleh dengan persamaan :
8
Universitas Sumatera Utara
δ = 23.45 sin (360
284+�
365
)
(2.1)
Dimana:
n= hari dalam tahun
Nilai n yang digunakan berdasarkan hari yang direkomendasikan dalam
satu bulan untuk perhitungan radiasi matahari yang diterima panel surya perbulan.Tabel 2.1 menunjukkan nilai hari yang direkomendasikan untuk satu bulan
[1].
Tabel 2.1 Hari yang direkomendasikan untuk satu bulan, dan nilai n berdasarkan
bulan
Bulan
Nilai n untuk hari
ke - i dari bulan
Januari
Februari
Maret
April
Mei
Juni
Juli
Agustus
September
Oktober
November
Desember
i
31 + i
59 + i
90 + i
120 + i
151 + i
181 + i
212 + i
243 + i
273 + i
304 + i
334 + i
Rata – rata hari perbulan dalam
setahun
tanggal
n
17
17
16
47
16
75
15
105
15
135
11
162
17
198
16
228
15
258
15
288
14
318
10
344
Nilai n dari Tabel 2.1 adalah hari dalam tahun ( 1
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Matahari
Matahari merupakan materi yang tersusun dari gas yang sangat panas
dengan diameter 1,39 x 109 m, dan jarak 1.5 x 1011 m dari bumi. Matahari
memiliki suhu permukaan efektif 5777 K. Suhu di daerah inti matahari berkisar 8
x 106 sampai 40 x 106 dan densitasnya diperkirakan 100 kali lebih besar dari air.
Matahari pada dasarnya adalah sebuah reaktor fusi kontinyu dengan gas
penyusunnya tetap dipertahankan oleh gaya gravitasi. Energi yang dipancarkan
oleh matahari berasal dari reaksi fusi. Energi diproduksi pada bagian dalam
matahari dan terkirim ke permukaan dan kemudian teradiasi ke luar angkasa.
Matahari merupakan sumber utama bagi kehidupan di bumi, sumber
energi yang dihasilkan oleh matahari berupa energi panas dan energi cahaya yang
dipergunakan makhluk hidup untuk memenuhi kebutuhan hidupnya. Bumi
menerima 175 x 10 5 Watt radiasi surya pada atmosfer terluar. Kurang lebih 30 %
dari total radiasi terefleksi kembali ke ruang angkasa, dimana 70% sisanya
terserap oleh awan, lautan, dan juga daratan.
2.1.1 Radiasi yang Dipancarkan Matahari
Jarak eksentrisitas orbit bumi sedemikian rupa sehingga jarak antara
matahari dan bumi bervariasi sebesar 1,7%. Dari hasil pengukuran astronomi
didapat jarak rata-rata bumi matahari adalah 1,495 x 1011 m dengan sudut
kecenderungan matahari 320. 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) menetapkan nilai konstanta matahari (Gsc) sebesar 1367
W/m2 dengan ketidakpastian sebesar 1% . Gambar hubungan matahari dan bumi
dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1].
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi
Intensitas radiasi matahari yang sampai ke bumi bergantung pada jarak
antara matahari dan bumi yang dalam satu tahun bervariasi antara 1,47 x 108 Km
dan 1,52 x 108 Km. Akibatnya radiasi matahari berfluktuasi antara 1325 W/m2
dan 1412W/m2. Nilai rata-rata yang dirujuk sebagai konstanta surya adalah 1367
W/m2. Nilai radiasi tersebut tidak mencapai permukaan bumi. Atmosfer bumi
mengurangi insolasi melalui refleksi, penyerapan (oleh ozon, uap air, oksigen dan
karbon dioksida) dan penyebaran (yang disebabkan oleh molekul udara, partikel
debu atau polusi). Pada cuaca cerah pada siang hari, radiasi bisa mencapai 1000
W/m2 di permukaan bumi [2].
2.1.2 Radiasi Matahari Yang Diterima oleh Bumi
Radiasi matahari yang melewati atmosfer, sebagian diserap dan sebagian
menyebar. Radiasi matahari yang diterima oleh permukaan bumi dibagi menjadi
tiga jenis, yaitu[3]:
6
Universitas Sumatera Utara
a. Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation)
Radiasi langsung adalah radiasi yang diterima dari matahari dalam suatu
garis lurus, tanpa penyebaran oleh atmosfer. Sinarnya sejajar satu sama lain; Oleh
karena
itu
radiasi
langsung
dapat
meciptakan
bayangan
dan
dapat
dikonsentrasikan oleh cermin.
b. Radiasi tersebar (diffuse radiation)
Radiasi menyebar terdiri dari cahaya yang tersebar oleh atmosfer (udara,
awan, aerosol). Difusi adalah fenomena yang menyebarkan cahaya matahari
menuju ke segala arah. Di langit, sinar matahari disebarkan oleh molekul udara,
butiran uap air (awan) dan debu. Tingkat penyebaran sinar sangat bergantung
pada kondisi cuaca.
c. Radiasi pantulan
Radiasi pantulan adalah radiasi yang dipantulkan oleh tanah, yang
bergantung pada keadaan lingkungan sekitar. Contohnya yaitu salju, yang
memantulkan radiasi dengan jumlah yang besar. Sedangkan aspal nyaris tidak
memantulkan radiasi.
Radiasi total matahari pada permukaan bumi adalah adalah jumlah dari
radiasi langsung, radiasi tersebar, dan radiasi pantulan. Gambar total radiasi
matahari pada permukaan bumi dapat dilihat pada Gambar 2.2 [3].
Gambar 2.2 Total Radiasi pada Permukaan Bumi
7
Universitas Sumatera Utara
Ada beberapa hal yang dapat mempengaruhi intensitas radiasi matahari
pada bumi, yaitu [2]:
o Pengurangan intensitas karena refleksi oleh atmosfer bumi
o Pengurangan intensitas karena penyerapan zat – zat di atmosfer
o Pengurangan intensitas karena Rayleigh scattering
o Pengurangan intensitas karena Mie scattering
Sedangkan radiasi yang jatuh pada permukaan material akan mengalami
refleksi, absorbs, dan transimisi. Refleksi adalah pemantulan dari sebagian radiasi
tergantung pada harga indeks bias dan sudut datang radiasi. Refleksi spektakuler
terjadi pemantulan sinar pada sebuah cermin datar dimana sudut datang sama
dengan sudut pantul. Sedangkan refleksi difusi terjadi berupa pantulan kesegala
arah. Transmisi menjelaskan besar nilai radiasi yang dapat diteruskan oleh suatu
lapisan permukaan. Kemampuan penyerapan dari suatu permukaan merupakan hal
yang penting pada pemanfaatan radiasi surya. Absorbsivitas menjelaskan besar
nilai radiasi yang dapat diserap. Misalnya pada bagian absorber pada sebuah
kolektor radiasi surya. Refleksi, transmisi dan absorbs adalah hal yang penting
dalam proses pemanfaatan radiasi surya, karena menyangkut efektifitas
pemanfaatan pada sebuah pengumpul radiasi surya.
2.2 Hubungan Geometri Matahari – Bumi
2.2.1 Sistem Koordinat Bumi
Garis lintang (latitude, φ) adalah garis maya yang melingkari bumi ditarik
dari arah barat hingga ke timur atau sebaliknya , sejajar dengan equator (garis
khatulistiwa), sedangkan Garis bujur (longitude, λ ) adalah garis maya yang
ditarik dari kutub utara hingga ke kutub selatan atau sebaliknya.
Deklinasi (δ) adalah sudut antara bidang ekuator dan bidang orbit bumi
yang berubah karena bumi bergerak sepanjang orbitnya sepanjang tahun.
Deklinasi dapat diperoleh dengan persamaan :
8
Universitas Sumatera Utara
δ = 23.45 sin (360
284+�
365
)
(2.1)
Dimana:
n= hari dalam tahun
Nilai n yang digunakan berdasarkan hari yang direkomendasikan dalam
satu bulan untuk perhitungan radiasi matahari yang diterima panel surya perbulan.Tabel 2.1 menunjukkan nilai hari yang direkomendasikan untuk satu bulan
[1].
Tabel 2.1 Hari yang direkomendasikan untuk satu bulan, dan nilai n berdasarkan
bulan
Bulan
Nilai n untuk hari
ke - i dari bulan
Januari
Februari
Maret
April
Mei
Juni
Juli
Agustus
September
Oktober
November
Desember
i
31 + i
59 + i
90 + i
120 + i
151 + i
181 + i
212 + i
243 + i
273 + i
304 + i
334 + i
Rata – rata hari perbulan dalam
setahun
tanggal
n
17
17
16
47
16
75
15
105
15
135
11
162
17
198
16
228
15
258
15
288
14
318
10
344
Nilai n dari Tabel 2.1 adalah hari dalam tahun ( 1