Pengujian Sebuah Kompor Surya Tipe Kotak Yang Dilengkapi Absorber Miring Dengan Modifikasi Penambahan Sekat Pada Bidang Miring
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tinjauan Perpindahan Panas
2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi
Konduksi adalah transfer energi dari partikel yang memiliki energi lebih
besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi
interaksi antara partikel.[11]
Rumus Umum :
q = -k . A .
..................................................... (2.1)
Dimana :
q
= Laju perpindahan panas (W)
A
= Luas penampang dimana panas mengalir (m2)
dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T
terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K)
k
= Konduktivitas termal bahan (W/m.K)
2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi adalah bentuk dari transfer energi diantara permukaan padat dan
fluida yang bergerak serta terkandung efek kombinasi konduksi dan fluida
bergerak.[11]
Rumus Umum :
q = h.A.
........................................................... (2.2)
Dimana :
q = Laju perpindahan panas konveksi (W)
h = Koefisien perpindahan panas konveksi
(W/m2 K)
A = Luas penampang (m2)
∆T = Perubahan atau perbedaan suhu ( K)
4
Universitas Sumatera Utara
Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini
[10].
..................................................................(2.3)
Dimana:
h
= koefisien konveksi ( W / m2. K )
N u = Bilangan Nusselt
k
= konduktivitas termal (W/m.K)
L
= panjang plat (m)
Bilangan Nusselt untuk aliran konveksi sebuah plat dapat ditentukan
dengan melihat sesuai dengan keadaan kasusnya. Misalnya sebuah plat datar yang
ditiup angin dengan kecepatan U ∞ dan temperatur T ∞ . Dengan temperatur plat
adalah konstan sebesar T s . Jika temperatur plat lebih tinggi dari temperatur udara,
maka panas akan mengalir dari plat datar ke fluida. Bilangan Nusselt (Nu) dapat
dihitung berdasarkan kasus ini adalah. [2]
untuk Re < 5x105............................(2.4)
untuk 5x105
107................(2.5)
Dimana :
Nu x = Bilangan Nusselt sepanjang x
Re x
= Bilangan Reynolds sepanjang x
Pr
= Bilangan Prandlt
Secara umum, pola aliran fluida untuk konveksi panas terbagi menjadi tiga
jenis, yaitu aliran laminar, transisi, dan turbulen . Aliran laminar adalah aliran
yang molekul-molekul fluidanya masih tersusun rapi atau tidak acak, sedangkan
aliran turbulen adalah aliran yang molekul-molekul fluidanya acak atau radial.
Aliran transisi merupakan pola aliran yang berada diantara aliran laminar dan
turbulen. Persamaan yang digunakan untuk menghitung bilangan Reynold adalah
sebagai berikut[2].
..............................................................(2.6)
5
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
R e = bilangan Reynold
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
U = kecepatan aliran fluida (m/s)
L = Panjang pipa (m)
μ = viskositas (Ns/m2)
2.1.3 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa
melalui media perantara (padat dan fluida).
Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut
[11]:
q rad = ε A σ ( T s 4-T sur 4 ) .................................... (2.7)
Dimana :
q rad = laju perpindahan panas radiasi (W)
ε
= emisivitas bahan
A
= luas permukaan (m2)
σ
= kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4)
T s = suhu permukaan (K)
T sur = suhu lingkungan (K)
2.2
Radiasi Surya
2.2.1 Teori Dasar Radiasi Surya
Radiasi adalah proses perpindahan panas tampa melalui media. Bila energi
radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan
(refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan
(transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal
sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol (Saharjo, 1997).
Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut
pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut
pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse (Saharjo,
1997).
6
Universitas Sumatera Utara
Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan
bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-30 km), mesosfer (30-50 km), dan
thermosfer (50-400 km) (Saharjo, 1997).
Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (G on ). Radiasi
yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (G beam ). Radiasi akibat
pemantulan dan pembiasan dilambangkan (G diffuse ).
Gambar 2.1 Radiasi surya
(kamusmeteorology.blogspot.com)
2.2.2 Rumusan Radiasi Surya
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari
dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu
pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m.[3]
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi
dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi
pada tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak
7
Universitas Sumatera Utara
1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang
diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.[3]
Gambar 2.2 Pergerakan bumi terhadap matahari
(www.enotes.com)
2.2.3 Menentukan Besarnya Radiasi Surya
Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere
ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
beam [3]:
G beam = G on τ b cos θ z
.......................................................................... (2.8)
Dimana :
G on
= radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)
τb
= faksi radiasi yang diteruskan ke bumi
cos θ z = cosinus sudut zenith
G beam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi
(W/m2)
Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan
kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
diffuse [3] adalah :
G difuse = G on cos θ z (0,271 – 0,294 τ b) .......................... (2.9)
8
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
G on
= radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)
τb
= faksi radiasi yang diteruskan ke bumi
cos θ z = cosinus sudut zenith
G difuse
= Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat
dimanfaatkan.
Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada
persamaan berikut [3] :
G total = G beam + G difuse ......................................... (2.10)
Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor, intensitas radiasi
diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di
hitung mengunakan rumus [3] :
Q = I A Δt
................................................... (2.11)
Dimana:
Q = Energi Radiasi (J)
I = Intensitas radiasi (W/m2)
A = Luas penampang kolektor(m2)
Δt = Selang waktu perhitungan (s)
= Emisivitas kaca (%)
2.3 Konveksi Alamiah
Jika aliran fluida terjadi secara alami sebagai akibat dari adanya
perpindahan panas yang terjadi secara konveksi, maka ini disebut konveksi natural
atau kadang disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah dalam bahasa Inggris
disebut natural convection atau free convection.
2.3.1 Konveksi Alamiah Pada Permukaan Luar
Kasus ini biasanya terjadi pada permukaan kaca yang terpapar oleh sinar
matahari, maka panas dari kaca ini akan hilang ke udara lingkungan. Untuk
memunculkan efek dari perbedaan kerapatan sebagai gaya pendorong aliran
fluida, maka pada persamaan momentum arah vertikal, gaya gravitasi harus
9
Universitas Sumatera Utara
diperhitungkan. Bilangan-bilangan tanpa dimensi yang sering digunakan untuk
menghitung konveksi alamiah adalah [2] :
Ra L =
.................................................. (2.12)
Dimana :
Ra L
= Rayleigh Number
g
= gravitasi bumi (m/s2)
= 1/ T r
Ts
= suhu permukaan (oC)
Tr
= suhu ruangan (oC)
L
= panjang (m)
v
= viskositas kinematik ( μ/ρ )
α
= diffusitas termal ( k/ρ.c p )
Persamaan mencari bilangan Nusselt untuk konveksi alamiah pada plat luar
telah diturunkan secara analitik, dengan asumsi bahwa aliran adalah laminar.
Namun faktanya, aliran tidak selalu laminar melainkan turbulent. Oleh karena itu,
untuk menentukan bilangan Nusselt dapat disesuaikan dengan bilangan Rayleigh
dengan persamaan sebagai berikut. [2]
untuk 104 < Ra L 103 berlaku [2] :
................................. (2.15)
Untuk ruang yang lebih tinggi lagi 2
L/H
10, Pr
105, dan 103
1010
berlaku [1]:
............................ (2.16)
McGregor dan Emery (1969) merekomendasikan dua persamaan berikut untuk
ruang tertutup dengan rasio ketinggian yang lebih besar lagi. [2]
.......................................... (2.17)
dan
Syarat untuk persamaan ini adalah :
kemudian untuk rasio yang lebih tinggi lagi,
....................................................... (2.18)
Syarat
untuk
persamaan
ini
adalah
:
dan
.
11
Universitas Sumatera Utara
Disini perlu diperhatikan bahwa bilangan Nu dan Ra semua dinyatakan
dengan lebar ruang, yaitu H dan tinggi L.
Untuk ruang tertutup dengan rasio ketinggian kurang dari 1, atau ruang
pendek seperti yang ditampilkan pada gambar 2.5, rekomendasi yang diajukan
oleh Bejan dan Tien (1978) dapat digunakan [2]:
.............................................................. (2.19)
Pada Gambar 2.4 dibawah ini, ditampilkan ruang tertutup dengan posisi
dinding panas di bawah. Jika kasusnya seperti ini, pola aliran yang terjadi di
dalam ruang akan sangat bervariasi dan sangat tergantung pada bilangan Rayleigh
nya. Pola aliran yang terjadi tetap memutar, tetapi ada kemungkinan sumbu
putaran lebih dari satu. Fenomena putaran di ruang tertutup yang lebih dari satu
ini biasanya dikenal dengan istilah ruang Benard atau Benard cell. Nama ini
disesuaikan dengan nama orang pertama yang mengamati dan melaporkannya
tahun 1900. [2]
Gambar 2.4 Ruang tertutup
Jika fluida yang ada di ruangan tertutup ini adalah udara, maka persamaan
yang diajukan oleh Jakob (1949) dapat digunakan [2]:
Rumus umum :
untuk
...................................(2.20)
untuk
..................................... (2.21)
Dimana :
12
Universitas Sumatera Utara
Nu = Bilangan Nusselt
Ra = Bilangan Rayleigh
Meskipun persamaan ini dikhususkan untuk udara tetapi masih dapat
digunakan untuk gas yang lain selama bilangan Prandtl memenuhi 0,5 < Pr < 2 .
Sementara untuk jangkauan fluida selain gas Globe dan Dropkin (1959)
mengajukan persamaan berikut [2]:
Rumus umum :
Nu = 0,069 Ra1L 3 Pr 0, 074 ......................................... (2.22)
Dimana :
Nu = Bilangan Nusselt
Ra = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Syarat
bilangan
Rayleigh
agar
persamaan
ini
berlaku
adalah
3 × 10 5 < Ra L < 7 × 10 9 . Dan yang terbaru Holland dkk. (1976) mengajukan
persamaan berikut untuk digunakan pada kasus ini [2]:
Rumus Umum :
Ra L 1 3
1708
+
− 1
Nu = 1 + 1,44 1 −
18
Ra L
........................................... (2.23)
+
+
Syarat penggunaan persamaan ini adalah Ra L < 10 5 . Arti dari operator
[ ] + adalah yang diambil hanya nilai positif. Jika nilai yang didalam kurung
negative maka hasilnya sama dengan nol. Perhatikan operasi berikut [2] + = 2
tetapi [−2] + = 0
Pada umumnya, solar kolektor plat datar mempunyai penutup kaca yang
fungsinya meneruskan sinar matahari tetapi mengurangi panas terbuang ke
lingkungan. Kemudian, solar kolektor dimiringkan untuk menangkap lebih
banyak sinar matahari. Susunan absorber dengan penutup kaca akan membentuk
ruang tertutup persegi yang miring dan didalamnya terjadi konveksi natural
seperti pada gambar 2.5 berikut. [2]
13
Universitas Sumatera Utara
ca
Ka gin)
n
i
(d
H
L
Tc
flu
ida
g
TH
r
rbe
so as)
b
A an
(P
θ
Gambar 2.5 konveksi natural pada ruang tertutup yang miring
Pada gambar 2.5 ditampilkan sebuah solar kolektor plat datar yang dapat
dimodelkan sebagai ruang tertutup persegi yang miring. Sebenarnya pada kolektor
ini terdapat dua buah kaca, tetapi pada model ini hanya ditampilkan satu lapis.
Asumsi dilakukan disini adalah perpindahan panas yang terjadi adalah dua
dimensi dan dinding samping dari kolektor diisolasi dengan baik.
Pada kasus ini tidak banyak penelitian yang telah dilakukan. Tetapi
rekomendasi yang diajukan oleh Holland, dkk (1976) dapat digunakan. [2]
........................................................................................................... (2.24)
Syarat persamaan ini adalah rasio lebar tehadap ketinggian cukup besar
H/L
12,
, dan sudut kemiringan kurang dari 70o, ( 0< θ < 70o)
Sementara untuk ruang persegi yang miring dengan rasio lebar terhadap
ketinggian H/L < 12, Catton (1978) mengusulkan menggunakan persamaan
berikut :
14
Universitas Sumatera Utara
........................ (2.25)
Syarat menggunakan persamaan ini adalah sudut kemiringan harus lebih
kecil dari sudut kritis 0 <
<
. Nu untuk sudut 0o dapat digunakan persamaan
yang diajukan Holland,dkk(1976) diatas dan untuk 90o , persamaan (82) atau (83)
dapat digunakan. Tetapi disini perlu kehati-hatian menggunakan parameter L dan
H, jangan sampai tertukar. Sudut kemiringan kritis berbeda untuk masing-masing
rasio untuk beberapa rasio ditampilkan pada tabel 2.1. [2]
Tabel 2.1. Sudut kritis ruang tertutup miring.
Rasio H/L
Sudut Kritis,
1
25o
3
53o
6
60o
12
67o
>12
70o
Jika Sudut kemiringan melebihi sudut kritis, maka rekomendasi oleh
Ayyaswamy dan Catton (1973) dapat digunakan. [2]
............................................................... (2.26)
Persamaan ini berlaku untuk
kemiringannya melebihi dari
dan semua H/L. Sementara jika
, Arnold, dkk(1974) dapat digunakan. [2]
..................................................... (2.27)
Berlaku untuk sudut 90o < θ < 180o dan semua H/L.[2]
15
Universitas Sumatera Utara
2.4 Kompor surya
2.4.1 Sejarah Kompor Surya
Saat ini, masih ada manusia yang belum mengetahui cara memasak
makanan. Sebagian orang makan makanan dalam kondisi mentah. Kemudian
manusia menemukan bahwa api bisa dikendalikan dan digunakan untuk memasak
makanan. Api pada dasarnya adalah tenaga surya yang disimpan dalam kayu.
Melihat cara ini, cara memasak dengan kayu adalah metode pertama memasak
dengan energi surya di bumi ini.
Awal memasak dengan energi surya dapat ditemukan dari beberapa cerita
terisolasi di masa lalu. Kaum Esseni, suatu sekte awal Yahudi, membuat wafer
lembut dengan memanaskan wafer
pada tanah yang tumbuh biji-bijian pada
bebatuan diatasnya kemudian biji-bijian tersebut dipanaskan oleh matahari padang
pasir. Tujuannya adalah agar wafer tidak terlalu panas.
Orang yang pertama
mengetahui Kompor surya adalah Horase de
Saussure, seorang naturalis Swiss. Dia memasak buah-buahan dalam Kompor
surya tipe kotak yang dapat
mencapai suhu 190° F. Kemudian orang
menganggapnya sebagai kakek dari Kompor surya.
Selama waktu ini, sudah banyak orang yang mulai menggunakan Kompor
surya. Di India, seorang tentara Inggris mempatenkan Kompor surya yang cukup
canggih dan dikenal dengan nama solar chef. Pada tahun 1894, ada sebuah
restoran di Cina yang melayani makanan yang dimasak dengan energi surya. Ada
juga cerita tentang seorang kapten laut yang menciptakan Kompor surya yang
bisa digunakan pada perjalanan panjang. [12]
Kompor surya yang pertama kali diakui adalah milik seorang
berkebangsaan Amerika yang bernama Barbara Kerr dari Arizona. Prinsip kerja
Kompor surya -nya adalah menyerap energi solar dan mengkonversinya menjadi
panas serta memerangkapnya dalam ruang tertutup (Abhishek Saxenaa : 2011-2).
Pada tahun 1950-an PBB dan badan-badan pendanaan memulai penelitian
untuk merancang Kompor surya yang dapat mengurangi ketergantungan pada
16
Universitas Sumatera Utara
bahan bakar. Sejumlah insinyur disewa untuk mempelajari aspek yang berbeda
dari desain Kompor surya . Studi ini menyimpulkan bahwa Kompor surya yang
dibangun tidak hanya dapat memasak makanan secara menyeluruh dan bergizi,
tetapi cukup mudah untuk membuat dan digunakan.
PBB kemudian mensponsori studi dan program untuk memperkenalkan
Kompor surya ke budaya kaum primitif. Upaya ini terbukti tidak berhasil. Dalam
suatu studi, Sebanyak 500 Kompor surya diberikan ke sebuah kampung
pengungsi. Tiga bulan kemudian mereka kembali menggunakan kayu bakar. Para
ilmuwan sosial menyimpulkan bahwa metode memasak dengan Kompor surya
tidak terlalu menarik perhatian dan kaum primitif tidak mau beradaptasi dengan
metode memasak ini.
Sehingga PBB,menyimpulkan bahwa Kompor surya bukan pilihan yang
layak dan semua dana untuk Kompor surya dihentikan.Karena mereka merasa
desain yang dipromosikan terlalu rumit. Juga, kompor terlalu mahal bagi
pengguna yang dituju sehingga mereka merasa bahwa banyak pekerjaan yang
dibutuhkan untuk mendesain Kompor surya.
Baru pada tahun 1987, sebuah demonstrasi besar–besaran mendukung agar
Kompor surya digunakan di dataran tinggi Bolivia, suatu daerah di mana kayu
sudah langka. Dua organisasi, Pillsbury Corporation dan sebuah organisasi nonpemerintah yang disebut Meals for Millions,, bersama-sama mensponsori
demonstrasi memasak dan kemudian mengajarkan orang desa bagaimana
membangun Kompor surya dengan bahan lokal. Pada tahun 1988, Pillsbury,
bekerjasama dengan Foster Parents (sekarang Save the Children) mensponsori
sebuah proyek serupa di Guatemala. Proyek ini merupakan proyek awal PBB dan
kemudian dimulailah aliran proyek-proyek tersebut di seluruh dunia yang terus
mengalir hingga saat ini.[12]
2.4.2 Tipe-Tipe Kompor surya
Ada beberapa tipe-tipe Kompor surya yaitu sebagai berikut :
1) Kompor surya tipe box
17
Universitas Sumatera Utara
Sebuah Solar box cooker biasanya memiliki kaca transparan atau plastik,
dan mungkin memiliki reflektor tambahan untuk mengkonsentrasi sinar matahari
ke dalam kotak. Bagian atas biasanya dapat dibuka untuk memungkinkan pot
berisi makanan untuk ditempatkan di dalam. Satu atau lebih reflektor logam
mengkilap atau bahan berlapis alumunium foil dapat diposisikan untuk menambah
cahaya tambahan ke bagian dalam ruang oven. Wadah untuk memasak dan
bagian bawah dalam box harus berwarna gelap atau hitam. Di dalam dinding harus
reflektif untuk mengurangi kehilangan panas radiasi dan memantul cahaya menuju
bagian bawah pot. Kotak itu harus memiliki sisi terisolasi. Isolasi termal untuk
Solar box cooker harus mampu menahan suhu sampai 150 ° C (300 ° F) tanpa
meleleh atau bereaksi dengan panas yang dapat menimbulkan
gas beracun.
Gumpalan koran, wol, kain, rumput kering, lembar kardus, dll dapat digunakan
untuk mengisolasi dinding kompor. Solar box cooker biasanya mencapai suhu 150
° C (300 ° F). Waktu terbaik memasak adalah sebelum tengah hari, meskipun
terkadang tergantung pada garis lintang dan cuaca. Kompor surya dapat
digunakan untuk menghangatkan makanan dan minuman .
Gambar 2.6 Kompor surya tipe box
Keterangan Gambar 2.6 :
1.Boosted Mirror, fungsinya merefleksikan cahaya ke absorber.
2.Kolektor, fungsinya untuk menyerap dan menangkap panas matahari
18
Universitas Sumatera Utara
2) Kompor surya tipe panel
Kompor surya tipe panel menggunakan panel reflektif untuk mengarahkan
sinar matahari untuk memasak panci yang tertutup dalam kantong plastik bening.
Sebuah model umum adalah CooKit . Dikembangkan pada tahun 1994 oleh
International Kompor surya , seringkali diproduksi dengan menyisipkan bahan
reflektif, seperti aluminium foil, lalu dipotong dan dilipat karena biasanya karton
berbentuk gelombang. Hal ini agar mempermudah penyimpanan.
Hotpot adalah sebuah bentuk Kompor surya canggih yang
mencakup mangkuk kaca. Panel dipoles kilat pada bagian aluminium.Hotpot
memiliki keuntungan termal yang tinggi karena memanfaatkan efek rumah kaca
pada bagian mangkuk kacanya. Hotpot ini sering digunakan dalam proyek-proyek
di seluruh dunia.
Gambar 2.7 Kompor surya tipe panel
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.7 :
1. Boosted Mirror, fungsinya merefleksikan cahaya ke absorber.
2. Reflektor, fungsinya untuk merefleksikan cahaya matahari ke pot.
3) Kompor surya tipe ketel
Kompor surya tipe ketel adalah perangkat panas matahari yang dapat
memanaskan air ke titik didih dengan mengandalkan reflektor dan
energi
matahari. Berteknologi rendah yang digunakan untuk menghasilkan minuman
19
Universitas Sumatera Utara
panas, dan untuk mensterilkan air. Ada juga yang menggunakan teknologi tinggi
yaitu dengan menggunakan teknologi tabung vakum.
Gambar 2.8 Kompor surya tipe ketel
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.8 :
1.Reflektor, fungsinya merefleksikan cahaya ke ketel.
2.Ketel, fungsinya sebagai wadah untuk menampung air .
4) Kompor surya tipe parabola
Sebuah Kompor surya dengan konsentrator parabola
memiliki reflektor yang dapat memfokuskan cahaya pada satu titik fokus. Panci
masak ditempatkan pada titik fokus atau titik tengah. Keuntungan dari jenis sistem
konsentrator adalah bahwa panci masak dapat mencapai suhu yang tinggi.
Kelemahan dari Kompor surya ini adalah dibutuhkannya pelacakan yang sering
memaksa pengguna untuk bekerja di bawah sinar matahari dan di bawah kondisi
yang berat terutama panas dan silau.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Kompor surya tipe parabola
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.9 :
1.Reflektor, fungsinya merefleksikan cahaya ke ketel.
2.Panci, fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan .
5) Kompor Surya tipe scheffler
Kompor surya bernama Scheffler (penemunya bernama Wolfgang
Scheffler) menggunakan reflektor paraboloidal besar yang diputar sekitar suatu
sumbu yang sejajar dengan bumi dengan mekanisme mekanik, berputar di 15
derajat per jam untuk mengimbangi rotasi bumi. Sumbu melewati pusat reflektor
dari massa, sehingga reflektor yang akan berubah dengan mudah. Pemasakan
terletak pada fokus yang terletak pada sumbu rotasi, sehingga cermin dapat
mengkonsentrat sinar matahari sepanjang hari. Cermin harus sesekali miring
sekitar sebuah sumbu tegak lurus untuk mengkompensasi variasi musiman dalam
deklinasi matahari. Untuk menjaga fokus stasioner, bentuk reflektor harus
bervariasi. Oleh karena itu, reflektor Scheffler harus
fleksibel agar
dapat
membungkuk untuk menyesuaikan bentuknya.
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Kompor Surya tipe Sceffler
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.10 :
1.Reflektor, fungsinya merefleksikan cahaya ke Vessel
2.Vessel, fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan ataupun air
6) Kompor surya tipe Indirect
Kompor surya tipe Indirect adalah tipe Kompor surya yang memasak
secara tidak
langsung
atau menggunakan media lain untuk dipanaskan dan
kemudian menyalurkan panas pada kompor atau PCM yang mau dipanaskan
.Biasanya tipe Kompor surya ini digunakan untuk kebutuhan rumah tangga .
22
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Kompor Surya tipe Indirect
(Paper Thermal Performance of solar cooker based on evacuated
tube solar collector with phase change material and applications)
2.4.3
Bagian – Bagian utama Kompor surya
Adapun bagian-bagian utama dari Kompor surya adalah :
1. Booster Mirror
Boosted Mirror merupakan desain dari beberapa tipe kaca dengan sudut
tertentu untuk mengoptimasasikan pantulan cahaya pada Kompor surya .Biasanya
Boosted mirror digunakan pada Kompor surya tipe box.Prinsip kerjanya adalah
dengan mengunakan cermin atau bahan yang mengkilap sehingga memantulkan
cahaya radiasi ke dalam Box.
2. Glazing Material
Glazing Material
termasuk diantaranya kaca, acrelic,fiberglass dan
material lainnya. Walaupun setiap material itu digunakan dalam beberapa aplikasi
khusus,pengunaan kaca ini sudah terbukti digunakan di macam-macam aplikasi.
Panel kaca tunggal adalah yang paling sederhana dari jenis – jenis kaca dan
23
Universitas Sumatera Utara
memiliki tranmisi energi solar yang tinggi. Walaupun sekarang yang paling
banyak digunakan adalah 2 panel.,kaca dua panel adalah 2 kaca di buat menjadi 1
unit.
3. Cooking Vessel
Bentuk yang biasa digunakan untuk vessel masak adalah silinder yang
terbuat dari aluminium yang digunakan untuk memasak di dalam SBC ( Solar Box
Collector). Di luar dari vessel masak itu di lapisi /dicat warna hitam dan
didempetkan pada plat absorber untuk mendapatkan hubungan kontak antara plat
absorber
dengan
tempat
masak,untuk
mendapatkan
dan
meningkatkan
perpindahan panas secara konduksi antara plat absorber dengan vessel masak ini.
Vessel masak ini harus dapat menyerap panas baik secara radiasi maupun
konduksi. Radiasi yang didapatkan adalah energi solar yang masuk ke dalam kaca
,selanjutnya merambat ke vessel. Konduksi yang didapatkan adalah energi solar
yang masuk ke box dan diserap absorber kemudian merambat ke vessel masak ini.
4. Absorber Tray
Absorber tray dari box cooker adalah FPC (Flat Plate Collector)
sederhana. Ketika radiasi solar datang dan melewati kaca dan menuju ke
permukaan absorber yang memiliki absorptivity yang tinggi, energi yang besar di
serap oleh baki ini dan di transfer ke makanan yang akan dimasak dan
ditempatkan dalam vessel masak.
5. Insulation (isolasi)
Isolasi adalah komponen penting dalam hal untuk menyimpan energi
panas.
Untuk mencegah transmisi energi panas dari dalam box keluar box
diperlukan suatu isolasi. Isolasi berperan penuh dalam hal untuk menjaga suhu
didalam box tetap konstant.
Ada beberapa bahan yang dapat digunakan untuk isolasi misalnya : Glass
wool, gulungan kertas, jerami dan lain-lain. Hal yang perlu diperhatikan dalam
isolasi adalah material tersebut harus kering. Nahar (2001) telah melakukan
beberapa penelitian mengenai kinerja dari Kompor surya dengan menggunakan
isolasi dan tanpa isolasi dan hasil yang didapatkan adalah dengan mengisolasi
24
Universitas Sumatera Utara
setebal 40 mm, mereka mendapati suhu 158oC dan dengan tanpa isolasi mereka
memperoleh suhu 117oC. Dari hasil tersebut kita peroleh bahwa dengan isolasi
,hasil yang didapatkan lebih efisien.
2.5 Prinsip Memasak
Lof (1963;7:125-33) mendeskripsikan prinsip memasak dengan ketentuan
bahwa energi yang diperlukan untuk memasak adalah maksimum panas sensibel
selama masa jemur. Panas diperlukan untuk perubahan fisik dan kimia.Energi
yang dibutuhkan untuk memasak secara spesifik adalah tidak tetap dan dapat
berubah sesuai dengan metode yang digunakan .Selama proses memasak, 20%
dari energi digunakan untuk membuat makanan pada temperatur mendidih, 35%
panas digunakan untuk menguapkan air dan 45 % lainnya hilang ke udara.
Memasak merupakan salah satu cara untuk menghilangkan kuman
penyakit yang terdapat dalam makanan. Dalam pengujian kali ini yang menjadi
bahan untuk dimasak adalah air. Salah satu cara untuk menghilangkan kuman
penyakit dari air yang akan dikonsumsi adalah dengan memanaskan atau
memasak air.
Pasteurisasi pada air yang akan dikonsumsi dapat dilakukan dengan jalan
memanaskan air pada temperatur 55°C - 60°C selama sepuluh menit. Hal tersebut
akan mematikan sebagian besar pathogen yang ada dalam air. Cara lain yang lebih
efektif adalah memasak atau merebus air yang akan kita konsumsu hingga
mendidih. Cara ini sangat efektif untuk mematikan semua pathogen yang ada
dalam air seperti virus, bakteri, spora, fungi dan protozoa.
2.6 Kalor Laten dan Kalor Sensibel
2.6.1 Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu,
aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami
perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap
(mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan
25
Universitas Sumatera Utara
disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari materi
bermassa m adalah [5] :
.....................................................(2.28)
Dimana :
Q L = Kalor laten zat (J)
L e = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
m = Massa zat (kg)
2.6.2 Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut
merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat diukur
dengan
termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat
diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas
sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang
dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa
menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut. Kalor yang diperlukan untuk
merubah temperatur suatu materi bermassa m adalah [5] :
..........................................................(2.29)
Dimana :
Q s = Kalor sensibel zat (J)
m = Massa zat (kg)
C P = kalor spesifik (J/kg K)
ΔT = perubahan temperatur (K)
26
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tinjauan Perpindahan Panas
2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi
Konduksi adalah transfer energi dari partikel yang memiliki energi lebih
besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi
interaksi antara partikel.[11]
Rumus Umum :
q = -k . A .
..................................................... (2.1)
Dimana :
q
= Laju perpindahan panas (W)
A
= Luas penampang dimana panas mengalir (m2)
dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T
terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K)
k
= Konduktivitas termal bahan (W/m.K)
2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi adalah bentuk dari transfer energi diantara permukaan padat dan
fluida yang bergerak serta terkandung efek kombinasi konduksi dan fluida
bergerak.[11]
Rumus Umum :
q = h.A.
........................................................... (2.2)
Dimana :
q = Laju perpindahan panas konveksi (W)
h = Koefisien perpindahan panas konveksi
(W/m2 K)
A = Luas penampang (m2)
∆T = Perubahan atau perbedaan suhu ( K)
4
Universitas Sumatera Utara
Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini
[10].
..................................................................(2.3)
Dimana:
h
= koefisien konveksi ( W / m2. K )
N u = Bilangan Nusselt
k
= konduktivitas termal (W/m.K)
L
= panjang plat (m)
Bilangan Nusselt untuk aliran konveksi sebuah plat dapat ditentukan
dengan melihat sesuai dengan keadaan kasusnya. Misalnya sebuah plat datar yang
ditiup angin dengan kecepatan U ∞ dan temperatur T ∞ . Dengan temperatur plat
adalah konstan sebesar T s . Jika temperatur plat lebih tinggi dari temperatur udara,
maka panas akan mengalir dari plat datar ke fluida. Bilangan Nusselt (Nu) dapat
dihitung berdasarkan kasus ini adalah. [2]
untuk Re < 5x105............................(2.4)
untuk 5x105
107................(2.5)
Dimana :
Nu x = Bilangan Nusselt sepanjang x
Re x
= Bilangan Reynolds sepanjang x
Pr
= Bilangan Prandlt
Secara umum, pola aliran fluida untuk konveksi panas terbagi menjadi tiga
jenis, yaitu aliran laminar, transisi, dan turbulen . Aliran laminar adalah aliran
yang molekul-molekul fluidanya masih tersusun rapi atau tidak acak, sedangkan
aliran turbulen adalah aliran yang molekul-molekul fluidanya acak atau radial.
Aliran transisi merupakan pola aliran yang berada diantara aliran laminar dan
turbulen. Persamaan yang digunakan untuk menghitung bilangan Reynold adalah
sebagai berikut[2].
..............................................................(2.6)
5
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
R e = bilangan Reynold
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
U = kecepatan aliran fluida (m/s)
L = Panjang pipa (m)
μ = viskositas (Ns/m2)
2.1.3 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa
melalui media perantara (padat dan fluida).
Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut
[11]:
q rad = ε A σ ( T s 4-T sur 4 ) .................................... (2.7)
Dimana :
q rad = laju perpindahan panas radiasi (W)
ε
= emisivitas bahan
A
= luas permukaan (m2)
σ
= kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4)
T s = suhu permukaan (K)
T sur = suhu lingkungan (K)
2.2
Radiasi Surya
2.2.1 Teori Dasar Radiasi Surya
Radiasi adalah proses perpindahan panas tampa melalui media. Bila energi
radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan
(refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan
(transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal
sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol (Saharjo, 1997).
Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut
pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut
pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse (Saharjo,
1997).
6
Universitas Sumatera Utara
Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan
bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-30 km), mesosfer (30-50 km), dan
thermosfer (50-400 km) (Saharjo, 1997).
Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (G on ). Radiasi
yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (G beam ). Radiasi akibat
pemantulan dan pembiasan dilambangkan (G diffuse ).
Gambar 2.1 Radiasi surya
(kamusmeteorology.blogspot.com)
2.2.2 Rumusan Radiasi Surya
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari
dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu
pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m.[3]
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi
dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi
pada tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak
7
Universitas Sumatera Utara
1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang
diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.[3]
Gambar 2.2 Pergerakan bumi terhadap matahari
(www.enotes.com)
2.2.3 Menentukan Besarnya Radiasi Surya
Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere
ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
beam [3]:
G beam = G on τ b cos θ z
.......................................................................... (2.8)
Dimana :
G on
= radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)
τb
= faksi radiasi yang diteruskan ke bumi
cos θ z = cosinus sudut zenith
G beam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi
(W/m2)
Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan
kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
diffuse [3] adalah :
G difuse = G on cos θ z (0,271 – 0,294 τ b) .......................... (2.9)
8
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
G on
= radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)
τb
= faksi radiasi yang diteruskan ke bumi
cos θ z = cosinus sudut zenith
G difuse
= Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat
dimanfaatkan.
Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada
persamaan berikut [3] :
G total = G beam + G difuse ......................................... (2.10)
Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor, intensitas radiasi
diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di
hitung mengunakan rumus [3] :
Q = I A Δt
................................................... (2.11)
Dimana:
Q = Energi Radiasi (J)
I = Intensitas radiasi (W/m2)
A = Luas penampang kolektor(m2)
Δt = Selang waktu perhitungan (s)
= Emisivitas kaca (%)
2.3 Konveksi Alamiah
Jika aliran fluida terjadi secara alami sebagai akibat dari adanya
perpindahan panas yang terjadi secara konveksi, maka ini disebut konveksi natural
atau kadang disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah dalam bahasa Inggris
disebut natural convection atau free convection.
2.3.1 Konveksi Alamiah Pada Permukaan Luar
Kasus ini biasanya terjadi pada permukaan kaca yang terpapar oleh sinar
matahari, maka panas dari kaca ini akan hilang ke udara lingkungan. Untuk
memunculkan efek dari perbedaan kerapatan sebagai gaya pendorong aliran
fluida, maka pada persamaan momentum arah vertikal, gaya gravitasi harus
9
Universitas Sumatera Utara
diperhitungkan. Bilangan-bilangan tanpa dimensi yang sering digunakan untuk
menghitung konveksi alamiah adalah [2] :
Ra L =
.................................................. (2.12)
Dimana :
Ra L
= Rayleigh Number
g
= gravitasi bumi (m/s2)
= 1/ T r
Ts
= suhu permukaan (oC)
Tr
= suhu ruangan (oC)
L
= panjang (m)
v
= viskositas kinematik ( μ/ρ )
α
= diffusitas termal ( k/ρ.c p )
Persamaan mencari bilangan Nusselt untuk konveksi alamiah pada plat luar
telah diturunkan secara analitik, dengan asumsi bahwa aliran adalah laminar.
Namun faktanya, aliran tidak selalu laminar melainkan turbulent. Oleh karena itu,
untuk menentukan bilangan Nusselt dapat disesuaikan dengan bilangan Rayleigh
dengan persamaan sebagai berikut. [2]
untuk 104 < Ra L 103 berlaku [2] :
................................. (2.15)
Untuk ruang yang lebih tinggi lagi 2
L/H
10, Pr
105, dan 103
1010
berlaku [1]:
............................ (2.16)
McGregor dan Emery (1969) merekomendasikan dua persamaan berikut untuk
ruang tertutup dengan rasio ketinggian yang lebih besar lagi. [2]
.......................................... (2.17)
dan
Syarat untuk persamaan ini adalah :
kemudian untuk rasio yang lebih tinggi lagi,
....................................................... (2.18)
Syarat
untuk
persamaan
ini
adalah
:
dan
.
11
Universitas Sumatera Utara
Disini perlu diperhatikan bahwa bilangan Nu dan Ra semua dinyatakan
dengan lebar ruang, yaitu H dan tinggi L.
Untuk ruang tertutup dengan rasio ketinggian kurang dari 1, atau ruang
pendek seperti yang ditampilkan pada gambar 2.5, rekomendasi yang diajukan
oleh Bejan dan Tien (1978) dapat digunakan [2]:
.............................................................. (2.19)
Pada Gambar 2.4 dibawah ini, ditampilkan ruang tertutup dengan posisi
dinding panas di bawah. Jika kasusnya seperti ini, pola aliran yang terjadi di
dalam ruang akan sangat bervariasi dan sangat tergantung pada bilangan Rayleigh
nya. Pola aliran yang terjadi tetap memutar, tetapi ada kemungkinan sumbu
putaran lebih dari satu. Fenomena putaran di ruang tertutup yang lebih dari satu
ini biasanya dikenal dengan istilah ruang Benard atau Benard cell. Nama ini
disesuaikan dengan nama orang pertama yang mengamati dan melaporkannya
tahun 1900. [2]
Gambar 2.4 Ruang tertutup
Jika fluida yang ada di ruangan tertutup ini adalah udara, maka persamaan
yang diajukan oleh Jakob (1949) dapat digunakan [2]:
Rumus umum :
untuk
...................................(2.20)
untuk
..................................... (2.21)
Dimana :
12
Universitas Sumatera Utara
Nu = Bilangan Nusselt
Ra = Bilangan Rayleigh
Meskipun persamaan ini dikhususkan untuk udara tetapi masih dapat
digunakan untuk gas yang lain selama bilangan Prandtl memenuhi 0,5 < Pr < 2 .
Sementara untuk jangkauan fluida selain gas Globe dan Dropkin (1959)
mengajukan persamaan berikut [2]:
Rumus umum :
Nu = 0,069 Ra1L 3 Pr 0, 074 ......................................... (2.22)
Dimana :
Nu = Bilangan Nusselt
Ra = Bilangan Rayleigh
Pr = Bilangan Prandlt
Syarat
bilangan
Rayleigh
agar
persamaan
ini
berlaku
adalah
3 × 10 5 < Ra L < 7 × 10 9 . Dan yang terbaru Holland dkk. (1976) mengajukan
persamaan berikut untuk digunakan pada kasus ini [2]:
Rumus Umum :
Ra L 1 3
1708
+
− 1
Nu = 1 + 1,44 1 −
18
Ra L
........................................... (2.23)
+
+
Syarat penggunaan persamaan ini adalah Ra L < 10 5 . Arti dari operator
[ ] + adalah yang diambil hanya nilai positif. Jika nilai yang didalam kurung
negative maka hasilnya sama dengan nol. Perhatikan operasi berikut [2] + = 2
tetapi [−2] + = 0
Pada umumnya, solar kolektor plat datar mempunyai penutup kaca yang
fungsinya meneruskan sinar matahari tetapi mengurangi panas terbuang ke
lingkungan. Kemudian, solar kolektor dimiringkan untuk menangkap lebih
banyak sinar matahari. Susunan absorber dengan penutup kaca akan membentuk
ruang tertutup persegi yang miring dan didalamnya terjadi konveksi natural
seperti pada gambar 2.5 berikut. [2]
13
Universitas Sumatera Utara
ca
Ka gin)
n
i
(d
H
L
Tc
flu
ida
g
TH
r
rbe
so as)
b
A an
(P
θ
Gambar 2.5 konveksi natural pada ruang tertutup yang miring
Pada gambar 2.5 ditampilkan sebuah solar kolektor plat datar yang dapat
dimodelkan sebagai ruang tertutup persegi yang miring. Sebenarnya pada kolektor
ini terdapat dua buah kaca, tetapi pada model ini hanya ditampilkan satu lapis.
Asumsi dilakukan disini adalah perpindahan panas yang terjadi adalah dua
dimensi dan dinding samping dari kolektor diisolasi dengan baik.
Pada kasus ini tidak banyak penelitian yang telah dilakukan. Tetapi
rekomendasi yang diajukan oleh Holland, dkk (1976) dapat digunakan. [2]
........................................................................................................... (2.24)
Syarat persamaan ini adalah rasio lebar tehadap ketinggian cukup besar
H/L
12,
, dan sudut kemiringan kurang dari 70o, ( 0< θ < 70o)
Sementara untuk ruang persegi yang miring dengan rasio lebar terhadap
ketinggian H/L < 12, Catton (1978) mengusulkan menggunakan persamaan
berikut :
14
Universitas Sumatera Utara
........................ (2.25)
Syarat menggunakan persamaan ini adalah sudut kemiringan harus lebih
kecil dari sudut kritis 0 <
<
. Nu untuk sudut 0o dapat digunakan persamaan
yang diajukan Holland,dkk(1976) diatas dan untuk 90o , persamaan (82) atau (83)
dapat digunakan. Tetapi disini perlu kehati-hatian menggunakan parameter L dan
H, jangan sampai tertukar. Sudut kemiringan kritis berbeda untuk masing-masing
rasio untuk beberapa rasio ditampilkan pada tabel 2.1. [2]
Tabel 2.1. Sudut kritis ruang tertutup miring.
Rasio H/L
Sudut Kritis,
1
25o
3
53o
6
60o
12
67o
>12
70o
Jika Sudut kemiringan melebihi sudut kritis, maka rekomendasi oleh
Ayyaswamy dan Catton (1973) dapat digunakan. [2]
............................................................... (2.26)
Persamaan ini berlaku untuk
kemiringannya melebihi dari
dan semua H/L. Sementara jika
, Arnold, dkk(1974) dapat digunakan. [2]
..................................................... (2.27)
Berlaku untuk sudut 90o < θ < 180o dan semua H/L.[2]
15
Universitas Sumatera Utara
2.4 Kompor surya
2.4.1 Sejarah Kompor Surya
Saat ini, masih ada manusia yang belum mengetahui cara memasak
makanan. Sebagian orang makan makanan dalam kondisi mentah. Kemudian
manusia menemukan bahwa api bisa dikendalikan dan digunakan untuk memasak
makanan. Api pada dasarnya adalah tenaga surya yang disimpan dalam kayu.
Melihat cara ini, cara memasak dengan kayu adalah metode pertama memasak
dengan energi surya di bumi ini.
Awal memasak dengan energi surya dapat ditemukan dari beberapa cerita
terisolasi di masa lalu. Kaum Esseni, suatu sekte awal Yahudi, membuat wafer
lembut dengan memanaskan wafer
pada tanah yang tumbuh biji-bijian pada
bebatuan diatasnya kemudian biji-bijian tersebut dipanaskan oleh matahari padang
pasir. Tujuannya adalah agar wafer tidak terlalu panas.
Orang yang pertama
mengetahui Kompor surya adalah Horase de
Saussure, seorang naturalis Swiss. Dia memasak buah-buahan dalam Kompor
surya tipe kotak yang dapat
mencapai suhu 190° F. Kemudian orang
menganggapnya sebagai kakek dari Kompor surya.
Selama waktu ini, sudah banyak orang yang mulai menggunakan Kompor
surya. Di India, seorang tentara Inggris mempatenkan Kompor surya yang cukup
canggih dan dikenal dengan nama solar chef. Pada tahun 1894, ada sebuah
restoran di Cina yang melayani makanan yang dimasak dengan energi surya. Ada
juga cerita tentang seorang kapten laut yang menciptakan Kompor surya yang
bisa digunakan pada perjalanan panjang. [12]
Kompor surya yang pertama kali diakui adalah milik seorang
berkebangsaan Amerika yang bernama Barbara Kerr dari Arizona. Prinsip kerja
Kompor surya -nya adalah menyerap energi solar dan mengkonversinya menjadi
panas serta memerangkapnya dalam ruang tertutup (Abhishek Saxenaa : 2011-2).
Pada tahun 1950-an PBB dan badan-badan pendanaan memulai penelitian
untuk merancang Kompor surya yang dapat mengurangi ketergantungan pada
16
Universitas Sumatera Utara
bahan bakar. Sejumlah insinyur disewa untuk mempelajari aspek yang berbeda
dari desain Kompor surya . Studi ini menyimpulkan bahwa Kompor surya yang
dibangun tidak hanya dapat memasak makanan secara menyeluruh dan bergizi,
tetapi cukup mudah untuk membuat dan digunakan.
PBB kemudian mensponsori studi dan program untuk memperkenalkan
Kompor surya ke budaya kaum primitif. Upaya ini terbukti tidak berhasil. Dalam
suatu studi, Sebanyak 500 Kompor surya diberikan ke sebuah kampung
pengungsi. Tiga bulan kemudian mereka kembali menggunakan kayu bakar. Para
ilmuwan sosial menyimpulkan bahwa metode memasak dengan Kompor surya
tidak terlalu menarik perhatian dan kaum primitif tidak mau beradaptasi dengan
metode memasak ini.
Sehingga PBB,menyimpulkan bahwa Kompor surya bukan pilihan yang
layak dan semua dana untuk Kompor surya dihentikan.Karena mereka merasa
desain yang dipromosikan terlalu rumit. Juga, kompor terlalu mahal bagi
pengguna yang dituju sehingga mereka merasa bahwa banyak pekerjaan yang
dibutuhkan untuk mendesain Kompor surya.
Baru pada tahun 1987, sebuah demonstrasi besar–besaran mendukung agar
Kompor surya digunakan di dataran tinggi Bolivia, suatu daerah di mana kayu
sudah langka. Dua organisasi, Pillsbury Corporation dan sebuah organisasi nonpemerintah yang disebut Meals for Millions,, bersama-sama mensponsori
demonstrasi memasak dan kemudian mengajarkan orang desa bagaimana
membangun Kompor surya dengan bahan lokal. Pada tahun 1988, Pillsbury,
bekerjasama dengan Foster Parents (sekarang Save the Children) mensponsori
sebuah proyek serupa di Guatemala. Proyek ini merupakan proyek awal PBB dan
kemudian dimulailah aliran proyek-proyek tersebut di seluruh dunia yang terus
mengalir hingga saat ini.[12]
2.4.2 Tipe-Tipe Kompor surya
Ada beberapa tipe-tipe Kompor surya yaitu sebagai berikut :
1) Kompor surya tipe box
17
Universitas Sumatera Utara
Sebuah Solar box cooker biasanya memiliki kaca transparan atau plastik,
dan mungkin memiliki reflektor tambahan untuk mengkonsentrasi sinar matahari
ke dalam kotak. Bagian atas biasanya dapat dibuka untuk memungkinkan pot
berisi makanan untuk ditempatkan di dalam. Satu atau lebih reflektor logam
mengkilap atau bahan berlapis alumunium foil dapat diposisikan untuk menambah
cahaya tambahan ke bagian dalam ruang oven. Wadah untuk memasak dan
bagian bawah dalam box harus berwarna gelap atau hitam. Di dalam dinding harus
reflektif untuk mengurangi kehilangan panas radiasi dan memantul cahaya menuju
bagian bawah pot. Kotak itu harus memiliki sisi terisolasi. Isolasi termal untuk
Solar box cooker harus mampu menahan suhu sampai 150 ° C (300 ° F) tanpa
meleleh atau bereaksi dengan panas yang dapat menimbulkan
gas beracun.
Gumpalan koran, wol, kain, rumput kering, lembar kardus, dll dapat digunakan
untuk mengisolasi dinding kompor. Solar box cooker biasanya mencapai suhu 150
° C (300 ° F). Waktu terbaik memasak adalah sebelum tengah hari, meskipun
terkadang tergantung pada garis lintang dan cuaca. Kompor surya dapat
digunakan untuk menghangatkan makanan dan minuman .
Gambar 2.6 Kompor surya tipe box
Keterangan Gambar 2.6 :
1.Boosted Mirror, fungsinya merefleksikan cahaya ke absorber.
2.Kolektor, fungsinya untuk menyerap dan menangkap panas matahari
18
Universitas Sumatera Utara
2) Kompor surya tipe panel
Kompor surya tipe panel menggunakan panel reflektif untuk mengarahkan
sinar matahari untuk memasak panci yang tertutup dalam kantong plastik bening.
Sebuah model umum adalah CooKit . Dikembangkan pada tahun 1994 oleh
International Kompor surya , seringkali diproduksi dengan menyisipkan bahan
reflektif, seperti aluminium foil, lalu dipotong dan dilipat karena biasanya karton
berbentuk gelombang. Hal ini agar mempermudah penyimpanan.
Hotpot adalah sebuah bentuk Kompor surya canggih yang
mencakup mangkuk kaca. Panel dipoles kilat pada bagian aluminium.Hotpot
memiliki keuntungan termal yang tinggi karena memanfaatkan efek rumah kaca
pada bagian mangkuk kacanya. Hotpot ini sering digunakan dalam proyek-proyek
di seluruh dunia.
Gambar 2.7 Kompor surya tipe panel
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.7 :
1. Boosted Mirror, fungsinya merefleksikan cahaya ke absorber.
2. Reflektor, fungsinya untuk merefleksikan cahaya matahari ke pot.
3) Kompor surya tipe ketel
Kompor surya tipe ketel adalah perangkat panas matahari yang dapat
memanaskan air ke titik didih dengan mengandalkan reflektor dan
energi
matahari. Berteknologi rendah yang digunakan untuk menghasilkan minuman
19
Universitas Sumatera Utara
panas, dan untuk mensterilkan air. Ada juga yang menggunakan teknologi tinggi
yaitu dengan menggunakan teknologi tabung vakum.
Gambar 2.8 Kompor surya tipe ketel
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.8 :
1.Reflektor, fungsinya merefleksikan cahaya ke ketel.
2.Ketel, fungsinya sebagai wadah untuk menampung air .
4) Kompor surya tipe parabola
Sebuah Kompor surya dengan konsentrator parabola
memiliki reflektor yang dapat memfokuskan cahaya pada satu titik fokus. Panci
masak ditempatkan pada titik fokus atau titik tengah. Keuntungan dari jenis sistem
konsentrator adalah bahwa panci masak dapat mencapai suhu yang tinggi.
Kelemahan dari Kompor surya ini adalah dibutuhkannya pelacakan yang sering
memaksa pengguna untuk bekerja di bawah sinar matahari dan di bawah kondisi
yang berat terutama panas dan silau.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Kompor surya tipe parabola
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.9 :
1.Reflektor, fungsinya merefleksikan cahaya ke ketel.
2.Panci, fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan .
5) Kompor Surya tipe scheffler
Kompor surya bernama Scheffler (penemunya bernama Wolfgang
Scheffler) menggunakan reflektor paraboloidal besar yang diputar sekitar suatu
sumbu yang sejajar dengan bumi dengan mekanisme mekanik, berputar di 15
derajat per jam untuk mengimbangi rotasi bumi. Sumbu melewati pusat reflektor
dari massa, sehingga reflektor yang akan berubah dengan mudah. Pemasakan
terletak pada fokus yang terletak pada sumbu rotasi, sehingga cermin dapat
mengkonsentrat sinar matahari sepanjang hari. Cermin harus sesekali miring
sekitar sebuah sumbu tegak lurus untuk mengkompensasi variasi musiman dalam
deklinasi matahari. Untuk menjaga fokus stasioner, bentuk reflektor harus
bervariasi. Oleh karena itu, reflektor Scheffler harus
fleksibel agar
dapat
membungkuk untuk menyesuaikan bentuknya.
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Kompor Surya tipe Sceffler
(www.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)
Keterangan Gambar 2.10 :
1.Reflektor, fungsinya merefleksikan cahaya ke Vessel
2.Vessel, fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan ataupun air
6) Kompor surya tipe Indirect
Kompor surya tipe Indirect adalah tipe Kompor surya yang memasak
secara tidak
langsung
atau menggunakan media lain untuk dipanaskan dan
kemudian menyalurkan panas pada kompor atau PCM yang mau dipanaskan
.Biasanya tipe Kompor surya ini digunakan untuk kebutuhan rumah tangga .
22
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Kompor Surya tipe Indirect
(Paper Thermal Performance of solar cooker based on evacuated
tube solar collector with phase change material and applications)
2.4.3
Bagian – Bagian utama Kompor surya
Adapun bagian-bagian utama dari Kompor surya adalah :
1. Booster Mirror
Boosted Mirror merupakan desain dari beberapa tipe kaca dengan sudut
tertentu untuk mengoptimasasikan pantulan cahaya pada Kompor surya .Biasanya
Boosted mirror digunakan pada Kompor surya tipe box.Prinsip kerjanya adalah
dengan mengunakan cermin atau bahan yang mengkilap sehingga memantulkan
cahaya radiasi ke dalam Box.
2. Glazing Material
Glazing Material
termasuk diantaranya kaca, acrelic,fiberglass dan
material lainnya. Walaupun setiap material itu digunakan dalam beberapa aplikasi
khusus,pengunaan kaca ini sudah terbukti digunakan di macam-macam aplikasi.
Panel kaca tunggal adalah yang paling sederhana dari jenis – jenis kaca dan
23
Universitas Sumatera Utara
memiliki tranmisi energi solar yang tinggi. Walaupun sekarang yang paling
banyak digunakan adalah 2 panel.,kaca dua panel adalah 2 kaca di buat menjadi 1
unit.
3. Cooking Vessel
Bentuk yang biasa digunakan untuk vessel masak adalah silinder yang
terbuat dari aluminium yang digunakan untuk memasak di dalam SBC ( Solar Box
Collector). Di luar dari vessel masak itu di lapisi /dicat warna hitam dan
didempetkan pada plat absorber untuk mendapatkan hubungan kontak antara plat
absorber
dengan
tempat
masak,untuk
mendapatkan
dan
meningkatkan
perpindahan panas secara konduksi antara plat absorber dengan vessel masak ini.
Vessel masak ini harus dapat menyerap panas baik secara radiasi maupun
konduksi. Radiasi yang didapatkan adalah energi solar yang masuk ke dalam kaca
,selanjutnya merambat ke vessel. Konduksi yang didapatkan adalah energi solar
yang masuk ke box dan diserap absorber kemudian merambat ke vessel masak ini.
4. Absorber Tray
Absorber tray dari box cooker adalah FPC (Flat Plate Collector)
sederhana. Ketika radiasi solar datang dan melewati kaca dan menuju ke
permukaan absorber yang memiliki absorptivity yang tinggi, energi yang besar di
serap oleh baki ini dan di transfer ke makanan yang akan dimasak dan
ditempatkan dalam vessel masak.
5. Insulation (isolasi)
Isolasi adalah komponen penting dalam hal untuk menyimpan energi
panas.
Untuk mencegah transmisi energi panas dari dalam box keluar box
diperlukan suatu isolasi. Isolasi berperan penuh dalam hal untuk menjaga suhu
didalam box tetap konstant.
Ada beberapa bahan yang dapat digunakan untuk isolasi misalnya : Glass
wool, gulungan kertas, jerami dan lain-lain. Hal yang perlu diperhatikan dalam
isolasi adalah material tersebut harus kering. Nahar (2001) telah melakukan
beberapa penelitian mengenai kinerja dari Kompor surya dengan menggunakan
isolasi dan tanpa isolasi dan hasil yang didapatkan adalah dengan mengisolasi
24
Universitas Sumatera Utara
setebal 40 mm, mereka mendapati suhu 158oC dan dengan tanpa isolasi mereka
memperoleh suhu 117oC. Dari hasil tersebut kita peroleh bahwa dengan isolasi
,hasil yang didapatkan lebih efisien.
2.5 Prinsip Memasak
Lof (1963;7:125-33) mendeskripsikan prinsip memasak dengan ketentuan
bahwa energi yang diperlukan untuk memasak adalah maksimum panas sensibel
selama masa jemur. Panas diperlukan untuk perubahan fisik dan kimia.Energi
yang dibutuhkan untuk memasak secara spesifik adalah tidak tetap dan dapat
berubah sesuai dengan metode yang digunakan .Selama proses memasak, 20%
dari energi digunakan untuk membuat makanan pada temperatur mendidih, 35%
panas digunakan untuk menguapkan air dan 45 % lainnya hilang ke udara.
Memasak merupakan salah satu cara untuk menghilangkan kuman
penyakit yang terdapat dalam makanan. Dalam pengujian kali ini yang menjadi
bahan untuk dimasak adalah air. Salah satu cara untuk menghilangkan kuman
penyakit dari air yang akan dikonsumsi adalah dengan memanaskan atau
memasak air.
Pasteurisasi pada air yang akan dikonsumsi dapat dilakukan dengan jalan
memanaskan air pada temperatur 55°C - 60°C selama sepuluh menit. Hal tersebut
akan mematikan sebagian besar pathogen yang ada dalam air. Cara lain yang lebih
efektif adalah memasak atau merebus air yang akan kita konsumsu hingga
mendidih. Cara ini sangat efektif untuk mematikan semua pathogen yang ada
dalam air seperti virus, bakteri, spora, fungi dan protozoa.
2.6 Kalor Laten dan Kalor Sensibel
2.6.1 Kalor Laten
Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi
perpindahan kalor antara benda dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu,
aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami
perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap
(mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan
25
Universitas Sumatera Utara
disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari materi
bermassa m adalah [5] :
.....................................................(2.28)
Dimana :
Q L = Kalor laten zat (J)
L e = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)
m = Massa zat (kg)
2.6.2 Kalor Sensibel
Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut
merubah temperatur dari suatu benda. Perubahan intensitas panas dapat diukur
dengan
termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat
diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai panas
sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang
dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa
menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut. Kalor yang diperlukan untuk
merubah temperatur suatu materi bermassa m adalah [5] :
..........................................................(2.29)
Dimana :
Q s = Kalor sensibel zat (J)
m = Massa zat (kg)
C P = kalor spesifik (J/kg K)
ΔT = perubahan temperatur (K)
26
Universitas Sumatera Utara