1. PENDAHULUAN
Matahari adalah pabrik tenaga nuklir yang dengan memakai proses fusi mengubah sejumlah empat ton massa hidrogen yang banyak terdapat di jagad raya raya menjadi helium tiap detiknya dan menghasilkan energi dengan laju 10 20 kWJam/detik. Berbeda dengan proses fusi nuklir yang berbahaya, proses yang terjadi merupakan yang paling bersih dan gratis, selain itu energi ini tidak memerlukan sarana angkutan atau transmisi jarak
Gambar Bagian Internal Matahari (http://www.ast.obsmip.fr/users/donati/press/images/sun.jpg)
jauh, tidak tidak berisik serta memiliki memiliki potensi yang besar di berbagai lokasi untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi
2. ENERGI SURYA SUMBER BERBAGAI SUMBER ENERGI
Energi surya memegang peranan paling penting dari berbagai sumber energi lain yang dimanfaatkan oleh manusia.
Energi surya merupakan sumber berbagai sumber energi. Energi surya mengawali terbentuknya sumber energi yang lain dan sumber energi lain akan tercipta selama ada matahari. Sebagian besar radiasi surya yang masuk ke atmosfer akan diserap oleh mahluk hidup yang memiliki klorofil kemudian menggunakannya untuk
Gambar Surya sebagai Sumber Berbagai Sumber Energi http://openlearn.open.ac.uk
membentuk biomassa yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi baik secara langsung maupun melalui pembentukan bahan bakar fosil. Selain itu, radiasi surya yang jatuh pada permukaan air akan memanaskan dan menguapkan air tersebut sehingga daur hidrologi terbentuk. Pada topografi permukaan bumi yang berbeda, daur hidrologi yang ada dipermukaan ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Ketidakseragaman radiasi surya di permukaan bumi juga membantu dalam pembentukan pusat-pusat tekanan udara tinggi dan rendah yang mengakibatkan terjadinya angin sebagai sumber energi. Mengingat kembali hukum
/file.php/1697/t206b1c01f26.jpg
Termodinamika I, sumber-sumber energi ini pun dapat diubah menjadi bentuk yang lain seperti listrik, kimia, elektromagnetik, panas, dan lain-lain.
3. POTENSI ENERGI SURYA
Potensi
energi
surya
pada
suatu wilayah sangat bergantung pada
posisi
antara
matahari
dengan
kedudukan
wilayah
tersebut
dipermukaan
bumi.
Potensi ini akan berubah tiap waktu,
tergantung
atmosfer,
dan
dari
kondisi
tempat
(garis
lintang) serta waktu (hari dalam tahun
dan
Indonesia
jam
yang
dalam berada
hari). dalam
wilayah khatulistiwa mempunyai potensi energi surya yang cukup besar sepanjang tahunnya. Selain menjadi sumber energi bagi sumber energi lainnya, energi surya sangat berpotensi untuk dimanfaatkan
secara
langsung
sebagai sumber energi alternatif.
Pemanfaatan dapat
energi
dilakukan
maupun
melalui
surya
ini
secara
termal
energi
listrik.
Pemanfaatan secara termal dapat dilakukan
secara
langsung
dengan membiarkan objek pada radiasi
matahari,
atau
menggunakan
peralatan
mencakup
kolektor
yang dan
konsentrator surya.
4. GEOMETRI SURYA
Sehubungan dengan bentuk bumi, posisi sumbu rotasi bumi, rotasi dan revolusi bumi mengelilingi matahari maka penerimaan radiasi matahari di suatu wilayah akan bergantung pada waktu (jam pada hari dan hari pada tahun) serta bujur dan lintang wilayah tersebut. tersebut
Perbedaan-perbedaan dapat
dijelaskan
melalui
Solar Geometry (Geometri Surya).
Radiasi
surya
diterima
di
permukaan bumi dalam dua cara, yaitu
secara
langsung
(radiasi
langsung) dan melalui pantulan dari awan atau massa udara (radiasi baur)
(Animasi 1 ). Geometri surya ini lebih mempengaruhi nilai radiasi langsung yang
diterima
daripada
radiasi
baurnya. Bentuk bumi yang mendekati bola membuat radiasi matahari akan jatuh pada
intensitas
yang
berbeda
di
berbagai wilayah di permukaan bumi. Koordinat
pada
bumi
dinyatakan
dengan bujur (B) dan lintang (L). Pada
suatu
mempengaruhi
wilayah penerimaan
bujur radiasi
pada satu hari sedangkan lintang mempengaruhi
penerimaan
radiasi
rata-rata dalam satu tahun. Sudut
jam
merupakan
sudut
antara normal permukaan bumi dan sinar matahari yang diproyeksikan berdasarkan pandangan dari kutub selatan ( Gambar ) Sudut ini berubah sepanjang hari akibat adanya rotasi bumi.
Perhitungan sudut ini juga
ditentukan
oleh
bujur
dimana
pengukuran radiasi dilakukan. Sudut jam dihitung menggunakan
dimana ts merupakan waktu surya yang dihitung berdasarkan:
oleh karena itu sudut jam bernilai negatip sebelum jam 12 dan positip setelah jam 12 (waktu surya). Posisi bumi dan sumbu putarnya terhadap bidang edar bumi terhadap matahari dapat dilihat pada Gambar 1. Akibat adanya tumbukan meteor pada berjuta tahun yang lalu, sumbu putar
bumi
membentuk
sudut
(inklinasi) kira-kira 23.45 o terhadap sumbu edarnya.
yang tegak
lurus
Selama
revolusi
bidang bumi
dalam waktu 365.25 hari, radiasi matahari yang jatuh ke suatu wilayah di permukaan bumi akan berbeda. Pada tanggal 21 Juni, 23 Desember, 21 September dan 21 Maret sudut yang dibentuk antara bidang ekuator berada pada nilai-nilai yang ekstrim. Karena posisi sumbu rotasi bumi ini tetap maka saat bumi berevolusi sudut yang terbentuk antara sinar matahari terhadap suatu bidang di equator
akan
berubah
sepanjang
tahun.
Sudut ini disebut sebagai
deklinasi surya.
Hubungan antara
deklinasi surya terhadap hari selama satu tahun dinyatakan sebagai:
Karena
permukaan
merupakan
permukaan
bumi yang
melengkung, maka akan lebih mudah untuk
menganalisis
matahari horizontal.
pada
sudut
sistem
Dengan
datang koordinat
menggunakan
sistem koordinat horizontal, radiasi matahari
terhadap
permukaan
(bidang) datar dapat digambarkan seperti pada Animasi 2. Azimuth surya merupakan sudut
antara proyeksi sinar matahari di bidang horzontal dari arah selatan. Altitude (tinggi) matahari merupakan
sudut yang dibentuk antara sinar matahari dengan proyeksinya pada bidang horizontal. Sedangkan sudut zenit
(sudut
datang)
merupakan
komplemen dari sudut tinggi surya yaitu diukur dari zenit. Sudut zenit ini ditentukan berdasarkan persamaan:
dimana
Pada
waktu
sinar
melintasi
atmosfer, sebagian energi terserap, besarnya
penurunan
energi
sepanjang garis lintang ini ditentukan oleh
konstanta
penurunan
energi
(extinction coefficient ) B.
Dimana: IDN
= radiasi langsung
(W/m2) A, B H
= tetapan = ketinggian suatu
tempat di atas permukaan laut (m) P/Po
= nisbah tekanan di suatu terhadap
tempat tekanan
atmosfer baku θz
=
sudut
datang
terhadap normal, zenith (derajat) Besarnya nilai konstanta B sangat bergantung pada kejernihan atmosfer sedangkan besarnya konstanta A dan B
dapat
dilihat
Perhitungan keadaan
pada
energi
cerah
tabel
global
dengan
1.
pada
memakai
rumus di atas harus ditambahkan sebesar 5-10% karena adanya radiasi baur.
Tabel 1. Nilai konstanta A,B dan C Tanggal
Hari
Ф
A
B
C
(W/m2)
Ke-
Persamaan Waktu (menit)
21 Januari
19.85
-20
1230
0.142
0.058
-11.2
21 Februari
54.06
-10
1215
0.144
0.060
-13.9
21 Maret
80.00
0.0
1186
0.156
0.071
-7.5
21 April
110.47
+11.6
1136
0.180
0.097
+1.1
21 Mei
140.15
+20.0
1104
0.196
0.121
+3.3
21 Juni
172.50
+23.45
1088
0.205
0.134
-1.4
21 Juli
201.84
+20.60
1085
0.207
0.136
-6.2
21 Agustus
232.49
+12.30
1107
0.201
0.122
-2.4
21 September
265.00
+0.00
1150
0.177
0.092
+7.5
21 Oktober
292.34
-10.50
1192
0.160
0.073
+15.4
21 Nopember
324.20
-19.80
1221
0.149
0.063
+13.8
21 desember
357.50
-23.45
1233
0.142
0.057
+1.6
Sumber: Duffie&Beckman, 1981
Pada suatu bidang datar, besarnya iradiasi global, H yang merupakan penjumlahan antara radiasi langsung dan baur, dapat ditentukan dengan rumus berikut:
Suku pertama ruas kanan merupakan komponen radiasi langsung, sedangkan suku kedua mengacu pada radiasi baur. Dimana: α
C
= sudut ketinggian surya (altitude) = presentase sinar baur
Contoh Soal
o
Pada suatu hari cerah di suatu lokasi 6 LS, tentukan Iradiasi normal dan iradiasi globlal untuk tanggal 21 Nopember (hari ke-325) jam 10.00 pagi waktu surya. Diketahui pula bahwa letak lokasi tersebut berada pada ketinggian yang sama dengan permukaan laut. Jawab:
a. Iradiasi normal Pertama-tama tentukan ketinggian surya dan azimuth pada 2 jam dari tengah hari
0
Deklinasi surya pada hari ke-325 adalah : d = -20 (tabel 1) sedangkan besarnya altitude:
sehingga sudut azimuth menjadi:
2
Bila ditentukan koefisien B = 0.149 dan A = 1221 W/m pada tanggal 21 Nopember, maka:
b. Iradiasi global untuk iradiasi global perlu ditentukan nilai koefisien C. Untuk nilai C = 0.063, maka jumlah iradiasi global H DN menjadi:
5. KOLEKTOR DATAR
Kolektor datar dan konsentrator merupakan alat yang digunakan untuk mengumpulkan energi radiasi surya sedemikian sehingga energi termal yang dihasilkan dapat dimanfaatkan secara lebih praktis untuk berbagai proses.
Proses yang terjadi
pemanfaatan
radiasi
surya
pada oleh
kolektor datar dapat dilukiskan seperti pada Animasi 1. Kolektor datar surya terdiri dari cover (penutup) transparan, absorber dan insulator. Radiasi surya yang jatuh pada permukaan bahan transparan dalam gelombang pendek akan diteruskan oleh bahan transparan untuk kemudian diserap oleh absorber. Warna hitam pada absorber memiliki sifat absorpsi terhadap radiasi yang lebih besar sehingga sebagian besar radias
matahari
akan
diserap.
Penyerapan radiasi ini akan membuat
suhu absorber menjadi tinggi. Radiasi panas akan dipancarkan oleh absorber akan tetapi dalam bentuk gelombang panjang.
Kebanyakan
bahan
transparan akan memiliki sifat opak terhadap radiasi gelombang panjang dan oleh karena itu sebagian radiasi gelombang panjang ini dipantulkan kembali oleh bahan transparan menuju absorber. dipantulkan
Sebagian tersebut
radiasi akan
yang diserap
kembali dan sisanya akan mengalami proses yang sama yaitu sebagian dipantulkan
kembali
ke
absorber.
Dengan demikian, kehilangan panas akibat radiasi menjadi minimal dengan menggunakan kolektor datar.
Selain
itu, penutup transparan juga berfungsi sebagai penahan kehilangan panas yang
dibawa
oleh
udara
absorber menuju lingkungan.
di
atas
Panas
dari
absorber
dimanfaatkan
melalui penukar panas ke media pembawa panas.
Media
pembawa
panas
yang
umum digunakan dapat merupakan udara atau air. Ketika menggunakan air sebagai media, absorber akan mengkonduksikan panas menuju ke permukaan pipa-pipa bagian
luar.
Selanjutnya
berlangsung
konduksi panas dari permukaan luar ke permukaan konveksi,
dalam. panas
akan
Dengan
proses
berpindah
dari
permukaan dalam ke air yang mengalir di dalam pipa tersebut, sehingga suhu air akan meningkat.
Air dengan suhu yang
tinggi kemudian dimanfaatkan pada di bagian lain di luar kolektor datar. Proses yang mirip terjadi ketika udara digunakan sebagai media pembawa panas, namun dalam hal ini pipa jarang digunakan. Udara di
atas
(atau
di
bawah)
absorber
dipanaskan melalui proses konveksi akibat kontak langsung dengan absorber. Udara dengan suhu tinggi ini kemudian dialirkan keluar kolektor untuk dimanfaatkan pada proses-proses yang memerlukan udara panas. Kinerja sebuah kolektor surya akan bergantung dari karakteristik absorptivitas dari absorber, transmisivitas dari bahan transparan, overall heat transfer coefficient (koefisien pindah panas keseluruhan) dari insulator,
bahan
transparan
serta
absorber. Absorptivitas merupakan porsi cahaya yang
diserap
transmisivitas yang
merupakan
diteruskan
sedangkan
oleh
oleh
koefisien
suatu
objek;
porsi
cahaya
suatu
objek;
pindah
panas
keseluruhan merupakan daya hantar panas atau kebalikan dari resistansi panas.
1.1. Keseimbangan termal Keseimbangan dapat
secara
termal
dari
sederhana
kolektor
dinyatakan
sebagai panas yang dikumpulkan (untuk kemudian
dimanfaatkan)
adalah
panas
yang diserap dikurangi panas yang hilang ke lingkungan atau dinyatakan sebagai:
Panas yang dikumpulkan bergantung dari nilai absorptivitas dari absorber dan transmisivitas dari penutup kolektor. Hasil kali kedua nilai tersebut disebut sebagai efisiensi
optik.
Panas
yang
diserap
tersebut dinyatakan sebagai:
Sedangkan panas yang hilang dari sistem kolektor berbanding lurus dengan beda antara suhu absorber kolektor dengan suhu
lingkungan,
luas
kolektor
dan
koefisien pindah panas keseluruhan pada kolektor ke lingkungan. Jika luas kolektor cukup tipis sehingga luas kolektor dan kehilangan
panas
melalui
insulator
diabaikan maka panas yang hilang ini
dapat dinyatakan sebagai:
Dengan demikian persamaan ( )dapat dinyatakan sebagai:
Untuk setiap satuan luas persamaan ( ) dapat dinyatakan sebagai:
1.2. Efisiensi kolektor datar Efisiensi
kolektor
menyatakan
perbandingan antara panas yang dapat dikumpulkan terhadap radiasi matahari
Jika (f c disebut sebagai titik pengoperasian atau fungsi efisiensi) maka plot antara efisiensi dan titik pengoperasian dapat dilukiskan pada Gambar Informasi yang dapat diperoleh dari kurva di atas adalah bahwa efisiensi tertinggi diperoleh ketika suhu absorber sama dengan suhu lingkungan, yaitu pada f c=0. Nilai efisiensi tertinggi kolektor sama
dengan efisiensi optiknya. Selain itu kurva juga menyatakan bahwa terdapat nilai radiasi dimana efisiensi menjadi nol atau tidak ada panas yang dikumpulkan, yaitu pada:
Tingkat radiasi ini disebut sebagai tingkat radiasi threshold . Pada nilai-nilai radiasi dibawah I t tersebut suhu kolektor tidak dapat bertahan pada T c. Dengan cara yang sama, pada tingkat radiasi tertentu maka terdapat nilai Tc
dimana
dikumpulkan
panas
tidak
(disebut
ada
yang
sebagai
suhu
stagnasi ) yang besarnya adalah:
Pada
tingkat
suhu
kolektor
T cs,
sehubungan dengan besarnya perbedaan antara suhu dengan suhu lingkungan maka kehilangan
panas
yang
terjadi
sama
dengan tingkat radiasi yang diserap oleh kolektor.
Contoh soal: 1. Tentukan luas kolektor datar yang harus dikonstruksi, jika panas yang dibutuhkan untuk suatu proses blanchhing berasal dari kolektor datar sebesar 3000 W. Diketahui rata-rata 2
o
radiasi adalah 500 W/m , suhu kolektor 80 C, o
suhu lingkungan 30 C, koefisien pindah panas 2
keseluruhan 5 W/m -K, efisiensi optik 0.8. Jawab: Panas yang dibutuhkan diperoleh dari panas yang dikumpulkan oleh kolektor datar. Untuk menentukannya, terlebih dahulu harus diketahui efisiensi kolektor, yaitu:
Panas yang dapat dikumpulkan per satuan luas adalah
Sehingga luas kolektor yang diperlukan adalah:
6. KOLEKTOR PENGKONSENTRASI (KONSENTRATOR)
Pada
konsentrator,
radiasi
dikonsentrasikan pada titik atau garis untuk kemudian panas yang dihasilkan
dimanfaatkan
proses-proses
yang
untuk sesuai.
Berdasarkan
prinsip
pengkonsentrasian konsentrator
cahaya
dapat
dibedakan
menjadi dua yaitu konsentrator yang memiliki reflektor (cermin) dan konsentrator yang memiliki refraktor
(lensa).
Reflektor
bekerja berdasarkan pemantulan cahaya
sedangkan
refraktor
berdasarkan pembiasan cahaya. Hasil pemantulan atau pembiasan cahaya
tersebut
kemudian
diterima oleh receiver. Konsentrator
tiga
dimensi
memiliki bentuk receiver sebagai titik sedangkan konsentrator dua dimensi memiliki bentuk receiver garis.
Namun demikian,
kenyataannya
pada
fokusnya
merupakan disc atau segiempat panjang.
Rasio
konsentrasi
S u m b er : w w w. creitb.or.id/Solar/SolarColector2.jpg
merupakan area dari permukaan dengan area absorber (receiver). Rasio
konsentrasi
merupakan konsentrasi dapat
maksimum
ukuran optik
dicapai
teoritis
energi oleh
yang
sebuah
konsentrator.
FOTOVOLTAIK
Fotovoltaik merupakan alat/transducer untuk mengkonversi energi surya menjadi energi listrik. Fotovoltaik terbuat dari bahan semikonduktor. Umumnya sel fotovoltaik dibuat dari kristal silikon, yang bersifak semikonduktor. Sampai saat ini ada tiga jenis fotovoltaik , yaitu 1. single crystal silicon, 2. multy crystal silicon, dan 3. amorphous silicon.
Secara
ringkas
pembuatan
sel
fotovoltaik adalah sebagai berikut: pada silikon murni ditambahkan sejumlah kecil unsur lain (proses droping ) pada waktu pembentukan kristal. Penambahan unsur fosfor
menyebabkan
adanya
beberapa
elektron bebas, disebut silikon tipe N. Sedangkan
penambahan
unsur
boron
menghasilkan lubang ( hole) yang tidak diisi oleh elektron, disebut silikon tipe P. Kedua tipe silikon ini (N dan P) disatukan dan
membentuk jembatan semikonduktor. Bila sebuah foton (bentuk fisik cahaya yang terkecil) mengenai bahan semikonduktor tersebut,
maka
sebuah
elektron
akan
dipaksa keluar dari tempatnya. Medan listrik yang ada pada batas lapisan akan menghalangi elektron pada silikon tipe N menempati lubang pada pada silikon tipe P, sehingga silikon tipe N akan menjadi kutub negatif dan tipe P menjadi kutub positif. Jika
kutub
positif
dan
negatif
ini
dihubungkan melalui suatu beban listrik, maka akan timbul arus listrik. Sistem fotovoltaik pada umumnya akan menggunakan baterai sebagai penyimpan listrik
yang
dihasilkan.
Sehubungan
dengan ketersediaan radiasi matahari yang berfluktuasi,
untuk
menyediakan
listrik
secara kontinyu dan konstan maka listrik yang dihasilkan disimpan terlebih dahulu di dalam baterai.
8. APLIKASI ENERGI SURYA UNTUK PENGERINGAN PRODUK PERTANIAN
Energi surya dapat dimanfaatkan ke dalam dua bentuk yaitu pemanfaatan
secara termal dan pemanfaatan untuk listrik. Pada bidang pertanian pemanfaatan energi surya termal biasa digunakan pada proses pengeringan bahan pertanian. Pengeringan bisa dilakukan secara alami (penjemuran) maupun secara buatan. Terdapat berbagai tipe pengering surya yang telah berkembang saat ini, salah satunya adalah pengeringan yang menggunakan kolektor berbentuk bangunan yang disebut dengan efek rumah kaca (ERK) yang telah dikembangkan di IPB oleh Kamaruddin dan para kolega penelitinya sejak tahun 1993 sampai saat ini secara berkesinambungan. Pada prinsipnya pengeringan efek rumah kaca yaitu sinar matahari yang memiliki radiasi gelombang panjang masuk melalui dinding transparan untuk kemudian diserap oleh absorber atau komponen lain di dalam bangunan pengering sehingga suhu absorber dan komponen tersebut akan meningkat. Radiasi yang dipancarkan oleh absorber/komponen dalam pengering dalam bentuk gelombang panjang sehingg a sulit untuk menembus dinding transparan. Dengan demikian, terjadi peningkatan suhu udara pengering dan udara dihembuskan melalui produk yang akan dikeringkan. Udara yang telah lembab kemudian dikeluarkan dari
bangunan pengering. Beberapa contoh jenis pengering ERK yang telah dikembangkan di IPB diberikan pada Gambar.
