LAPORAN TUGAS TEKNIK ENERGI SURYA
TRANSMISI RADIASI MELALUI COLLECTOR DAN PENYERAPAN OLEH ABSORBER
Oleh: Eki Kurniawan 0810912085
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ANDALAS PADANG 2013
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan Rahmat serta Karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan tugas Energi Surya mengenai Transmisi Radiasi dan Penyerapan o leh cover . Pelaksanaan dan penyusunan laporan ini tidak mungkin terlaksana tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Ayah dan Ibunda serta keluarga yang selalu memberikan dorongan kepada penulis. 2. Bapak Iskandar R, MT. sebagai dosen pengampu matakuliah Teknik Energi Surya yang telah membimbing dan memberi masukan kepada penulis. 3. Rekan-rekan peserta kuliah Teknik Energi Surya Jurusan Teknik Mesin yang telah berpartisipasi dalam pembuatan presentasi dan penyusunan laporan, serta semua pihak yang membantu penulis baik secara langsung maupun tidak langsung. Semoga laporan akhir ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya, penulis mengharapkan kritik dan saran sara n untuk kesempurnaan laporan akhir ini.
Padang, Maret 2013
Penulis
i
Daftar Isi
KATA PENGANTAR PENGANTAR .................................. ................................................... .................................. .................................. ...................... .....i Daftar Isi........................................... ............................................................ ................................... .................................. ................................ ................ii Daftar Tabel............................................ ............................................................. .................................. .................................. .......................... .........iii Daftar Gambar Gambar ................................... ................................................... .................................. ................................... ............................... ..............iv BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1 I.1 Latar Belakang Belakang ...................... ........................................ ................................... .................................. .................................. ................... 1 I.2 Tujuan Tujuan ................................... .................................................... .................................. .................................. .................................. ................... 2 I.3 Batasan Batasan Masalah ........................................ ........................................................ .................................. ................................. ............... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 3 2.1 Energi Energi Surya Surya ................................. .................................................. .................................. .................................. ........................... .......... 3 2.2 Mekanisme Perpindahan Panas................................................................... 6 2.2.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi.................. ......... .................. .................. ................... ................ ...... 6 2.2.2 Perpindahan Panas Secara Konveksi .................. ......... .................. .................. ................... ................ ...... 8 2.2.3 Perpindahan Panas Radiasi ................................................................ 10 2.3 Hubungan Absorpsi (α), Transmisi (τ) dan Refleksi (ρ) ............................ ............................ 11 BAB III Transmisi Radiasi Melalui Permukaan Per mukaan Mengkilap Penyerapan Radiasi. 12 3.1 Refleksi Refleksi Radiasi .................................. ................................................... .................................. .................................. ................... .. 12 3.2 Penyerapan Dengan Permukaan Mengkilap ................... ......... ................... .................. .................. ......... 15 15 3.3 Sifat Optis Dari Sistem Tertutup ............................................................... 16 3.4 Pemancaran Untuk Pembiasan Radiasi ..................................................... 17 3.5 Hasil Penyerapan Dan Pancaran ............................................................... 19 3.6 Sudut Ketergantungan (τα) ................................ ................................................. .................................. ...................... ..... 20 3.7 Radiasi Matahari Terserap ........................................................................ 20 3.8 Penyerapan Radiasi Rata-Rata Bulanan .................................................... 22 Daftar Pustaka
ii
Daftar Tabel
Tabel 3.1
Rata-rata Indeks bias n dalam Spektrum Spektr um Sola Beberapa Bahan Cover 15
iii
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Spektrum radiasi matahari di bumi, data standar NASA/ASTM ....... 3 Gambar 2.2 Ketinggian matahari dan azimuth matahari ............................. ............................. 5 Gambar 2.3 Letak orientasi suatu permukaan. permukaan. ................... .......... .................. .................. ................... ................ ...... 5 Gambar 2.4 Sudut kemiringan permukaan. ................... ......... ................... .................. ................... ................... ............ ... 6 Gambar 2.5 Konveksi tanda aliran panas pada Hukum Fourier untuk Fourier untuk perpindahan panas secara konduksi. .................. ......... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................ ...... 7 Gambar 2.6 Distribusi temperatur T(x) dan aliran a liran panas konduksi pada sebuah pelat .................. ......... ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................ ...... 8 Gambar 2.7 Aliran panas konveksi dari dinding panas pada T w ke fluida dingin pada .................. ......... ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................ ...... 9 Gambar 2.8 Hubungan Hubungan ρ + α + τ = 1 pada 2 buah benda .................................. .................................... .. 11 Gambar 3.1 Sudut datang dan bias dalam media dengan indeks bias n1 dan n2. .. 13 13 Gambar 3.2 Transmisi melalui mela lui satu penutup non penyerap. .................. ......... ................... .............. .... 14 Gambar 3.3 Transmitansi 1, 2, 3, dan 4 cover non menyerap memiliki indeks bias 1,526. 1,526................................... ................................................... .................................. .................................. ................................... ............................ .......... 15 Gambar 3.3 Luasan efektif dari sudut pembiasan radiasi isentropic dan pantulan radiasi insetropik pada tanah. .................. ........ ................... .................. .................. ................... ................... .................. ............ ... 18 Gambar 3.5 Penyerapan radiasi surya oleh o leh plat penyerap di bawah system tertutup. tertutup. ................................. .................................................. .................................. .................................. .................................. ......................... ........ 19 Gambar 3.6 Ciri (τα) / (τα) n grafik untuk penutup 1 sampai 4. Dida sarkan pada Klein (1979).......... (1979)........................... .................................. .................................. .................................. .................................. ......................... ........ 20
iv
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Dewasa ini kebutuhan energi terus meningkat, baik konsumsi energi perorangan maupun konsumsi e nergi bagi masyarakat dan bangsa yang seda ng membangun. Didasarkan persediaan sumber energi pada saat ini terutama minyak bumi dan batu bara memang tidak perlu dikawatirkan akan kekurangan,
akan
tetapi
untuk
puluhan
tahun
mendatang
perlu
dipertimbangkan kembali usaha-usaha untuk peningkatan sumber energi. Sumber energi yang digunakan sekarang ini sebahagian besar berasal dari energi konvensional, yaitu minyak bumi, batu bara, gas bumi, dan sebagainya. Energi tersebut di atas adalah energi yang tidak bisa diperbaharui. Karena sifatnya itu maka suatu saat energi tersebut akan habis dan tidak bisa dimanfaatkan lagi. Semakin menipisnya sumber-sumber energi tersebut didorong pula oleh krisis energi yang terjadi dewasa ini, dimana energi konvensional yang menjadi andalan dalam pemenuhan kebutuhan tidak dapat lagi diharapkan untuk memenuhi kebutuhan energi dimasa yang akan datang, akibat kebutuhan yang terus meningkat. Untuk itu diperlukan suatu usaha untuk mencari sumbersumber energi yang dapat menjamin ketersediaan energi dimasa yang akan datang. Teknologi kolektor surya telah mengalami pengembangan yang pesat. Salah
satu
pengembangan
dilakukan
untuk
meningkatkan
transmisi,
penyerapan sinar matahari adalah pada sistem cover yang digunakan. d igunakan. Dewasa Dewas a ini telah banyak dilakukan pengembangan terhadap sistem cover t ersebut. Pada kesempatan ini penulis mencoba untuk menjelaskan mengenai halhal yang perlu diperhatikan dalam cahaya terkait sifat-sifat yang dimiliki oleh cahaya
sehingga
dapat
diaplikasikan
untuk
memaksimalkan
dalam
perancangan sistem cover collector surya.
1
I.2 Tujuan
Adapun tujuan dari dalam pembuatan laporan ini ada lah: 1.
Mengetahui tentang Transmisi, Refleksi, dan Absorpsi dari radiasi matahari yang dapat dimanfaatkan.
2.
Mengetahui pertimbangan serta asumsi-asumsi yang digunakan dalam mempelajari gelombang cahaya.
3.
Mengetahui properti yang sering digunakan dalam kolektor surya.
4.
Sebagai prasyarat kelulusan ke lulusan matakuliah Teknik Energi Surya.
I.3 Batasan Masalah
Pada dasarnya pembahasan mengenai judul ini sangat banyak dan komplek. Agar dapat dijelaskan dan pembahasan tidak terlalu mengambang, penulis memberikan batasan masalah sebagai berikut: 1.
Energi surya dan sistem perpindahan panas.
2.
Refleksi dari radiasi.
3.
Transmisi Radiasi.
4.
Penyerapan radiasi.
5.
Sifat optik dari sistem cover.
6.
Pancaran untuk pembiasan radiasi. rad iasi.
7.
Hasil penyerapan dan pancaran.
8.
Radiasi matahari rata-rata yang diserap dalam 1 Bulan.
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Surya
Energi surya merupakan salah satu sumber energi selain dari energi dari hasil minyak bumi. Energi matahari ini tidak bersifat merusak, dan terus menerus. Radiasi matahari yang sampai ke bumi ini terdiri dari radiasi langsung dan radiasi difusi. Radiasi yang dapat dimanfaatkan adalah radiasi dalam daerah panjang gelombang 0,26 sampai 2,6 μm. Untuk memanfaatkan energi matahari tersebut dibutuhkan pengetahuan dan teknologi yang baik. Salah satunya adalah kolektor parabolik yaitu peralatan pengumpul pengumpul untuk keperluan temperatur menengah menengah atau tinggi. tinggi. Radiasi surya yang diterima oleh kolektor dipengaruhi oleh Posisi matahari Lokasi dan posisi permukaan di bumi Hari dalam tahun Keadaan cuaca Sinar matahari sebenarnya merupakan suatu bentuk gelombang elektromagnetik yang sifatnya berbentuk gelombang. Dari standar NASA/ASTM digambarkan spektrum irradiasi matahari di bumi dan mempunyai intensitas surya 1353 W m 2 seperti gambar dibawah ini : E , mas 2400
* 0 . 5 m D a e r a h V i s ua ua l * 0 , 3 8 0 , 7 8 ( c o . 4 7 % d r E o)
W 2
m m 1600 1200
E *
I n f ra ra R e d ( c o . 4 6 % d r . E o)
800 400 0 0 ,2
U V i o le le t ( 7 % d r . E o)
0,6
1,0
1,4
1,8
*
2,2
2 ,6
m
NASA/ASTM Gambar 2.1 Spektrum radiasi matahari di bumi, data standar NASA/ASTM
Radiasi matahari adalah radiasi elektromagnetik yang berpindah akibat dari temperatur matahari yang sangat besar tersebut. Radiasi itu merambat
3
dengan kecepatan 3x108 m/s atau perkalian dari panjang gelombang gelombang (λ) dengan frekuensi radiasi (f) atau dengan persamaan : c = λ.f
(2.1)
Posisi lintang suatu tempat di atas permukaan bumi ( L ) adalah posisi suatu titik yang diukur dari arah Utara-Selatan Ekuator. Sudut jam (w) Sudut Jam (ω), yaitu sudut yang terbentuk oleh posisi matahari terhadap bumi pada arah timur dan barat. Dimana dapat dirumuskan : ω = 0,25(720 - waktu matahari dalam menit) menit)
(2.2)
Dengan demikian satu jam surya sama dengan sudut yang ditempuh matahari sebesar 15, karena surya dalam gerak hariannya yang berupa lingkaran, disebut lingkaran jam surya yang sejajar dengan lingkaran ekuator dan ditempuh dalam waktu 24 jam. Sudut jam dihitung dari tengah hari (solar noon). Sudut jam berharga positif jika lewat tengah hari dan berharga negatif jika jika sebelum tengah hari. hari. Sudut deklinasi adalah sudut posisi matahari terhadap bidang rata ekuator. Pada periode-periode waktu dalam setiap tahunnya, sudut deklinasi matahari dihitung dengan persamaan berikut:
284 n 365
23,45 sin 360
(2.3)
dimana n adalah hari yang ke- n dalam tahun, dihitung dari tanggal 1 Januari, misalnya tanggal 10 Februari mempunyai n = 41. Variabel lain yang diperlukan diperlukan untuk menentukan menentukan sudut datang ( ) adalah : Latitude (Φ), yaitu sudut lokasi utara atau selatan ekuator (-90 (-90˚≤ ˚≤ Φ≤ +90˚). +90˚). Slope (β), yaitu sudut antara permukaan bidang tangkap dengan bidang horizontal ( 0 ≤ β ≤ 180˚). Sudut kemiringan matahari diukur dari suatu bidang datar di bumi hingga matahari, dan sudut azimuth matahari yaitu sudut yang dibentuk
antara
sinarmatahari
dengan
arah
selatan.
Sudut-sudut
ini
diperlihatkan pada gambar 2.2. Persamaan untuk unt uk menghitung β dan da n Φ adalah: sin cos L cos H cos sin L sin
(2-4)
4
untuk harga = 90
sin
cos sin H
(2-5)
cos matahari W
N
S
E Gambar 2.2 2.2 Ketinggian matahari
dan azimuth matahari
Orientasi letak suatu permukaan juga ditentukan dengan parameter parameter berikut ini: ini: Sudut azimuth permukaan matahari ( ) Sudut kemiringan permukaan ( ) Sudut azimuth permukaan ( )
Z e n i t h S u n
h o
z
N o r m a l t o r i z o n t a l s u r f a c e
N
W
S
s
E
Gambar 2.3 Letak orientasi suatu permukaan.
Sudut azimuth permukaan ( ) adalah sudut antara proyeksi horizontal dari normal permukaan dan garis batas selatan yang diukur searah jarum jam, sedangkan sudut azimuth permukaan matahari ( ) adalah sudut yang dibentuk antara azimuth matahari ( ). Harga ( ) berharga (+) bila ia berada pada
5
bidang bidang EOS, dan bertanda negatif jika jika berada pada bidang bidang WOS, seperti terlihar pada gambar dibawah ini :
Permukaan N
S
Horizontal
Gambar 2.4 Sudut kemiringan permukaan.
Sudut
kemiringan
permukaan
adalah
sudut
yang
dibentuk
oleh
permukaan tersebut terhadap horizontal permukaanny permukaannya. a. Jika sudut kemiringan kemiringan permukaan berharga 90, maka sudut timpa matahari dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
cos 1 cos cos
(2-6)
Jika sudut kemiringan berharga 0 , maka sudut timpa matahari dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:
2 90
(2-7)
bila bila sudut kemiringan kemiringan permukaan ( ) berharga antara 0 90 , maka sudut timpa matahari dihitung dengan persamaan berikut ini: cos 3 cos cos sin sin cos
(2-8)
Untuk menentukan kapan matahari terbit dan terbenamnya di suatu tempat dapat dihitung dengan mengambil harga sin 0 , sehingga : sin 0 sin L sin cos L cos cos H H 1 cos
1
tan L tan
(2-9) (2-10)
2.2 Mekanisme Perpindahan Panas
Salah satu ilmu dasar untuk memanfaatkan energi matahari ini adalah ilmu Perpindahan Panas (Heat Transfer). Perpindahan panas merupakan suatu aliran panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur antara bagian
6
yang satu dengan yang bagian lainnya. Didalam perpindahannya, energi panas ini berpindah dengan tiga buah mekanisme, yaitu : 2.2.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi
Konduksi adalah mekanisme perpindahan dari aliran energi panas yang mengalir dari bagian temperatur tinggi ke bagian yang bertemperatur rendah antara molekul-molekul suatu benda, tanpa terjadinya pengendapan molekul. Hukum konduksi didasari pada eksperimen Biot dan akhirnya dinamakan Fourier. Hukum Fourier ini menerangkan bahwa aliran panas secara konduksi dipengaruhi dipengaruhi oleh tiga t iga parameter seperti berikut :
Gradien temperatur pada jarak yang diamati, dT/dx
Luas normal pada jarak yang diamati, A
Konduktivitas termal ter mal yang dimilik bahan, k
Sehingga dalam bentuk persamaan ditulis : dT
Qx = - kA dX r u t a r e p m e t
(2.11) Aliran panas
dT/dx < 0
r u t a r e p m e t
Qx > 0
dT/dx > 0 Qx < 0
Aliran panas
Gbr. 2.5a
Jarak (x)
Gbr. 2.5b
Jarak (x)
Gambar 2.5 Konveksi tanda aliran panas pada Hukum Fourier
untuk perpindahan panas secara konduksi.
Dimana Qx adalah aliran panas rata-rata pada jarak (X) positif, sehingga luas A menjadi normal pada jarak (X), dan gradien temperatur pada jarak itu. Tanda (-) yang diberikan pada persamaan (2.5) akan dijelaskan pada gambar (2.1a), yaitu jika temperatur turun pada jarak (X) positif, dT/dX menjadi negatif sehingga Qx menjadi positif apabila diberikan notasi tanda (-). Dan juga Qx menjadi menjadi negatif jika aliran panas pada jarak (X) ( X) negatif, negatif, seperti pada gambar (2.1b) sehingga notasi yang digunakan pada persamaan (2.5) menghasilkan nilai Qx positif.
7
Untuk lebih jelasnya maka dibuatlah penggambaran aplikasi dari konsep ini dengan mengamati sebuah pelat dengan distribusi temperatur didalamnya seperti gambar (2.2). Hal ini mengakibatkan persamaan dari (2.5) akan lebih jelas jelas dengan menjadi menjadi : Qx = - kA Qx = - kA Qx = - kA
dT
(2.12)
dX T 2 T 1 x 2 x1
kA
T 1 T 2
(2.13)
x 2 x1
T
(2.14)
L
Dimana x2 – x1 = L, L adalah tebal dari pelat pada saat nilainya positif. Untuk situasi khusus seperti digambarkan pada gambar 2.2, dapat diketahui T1>T2 dan ∆T = T1 – T1 – T2 bernilai bernilai positif. positif. Hal ini mengakib mengakibatkan atkan aliran aliran panas Qx akan positif pada jarak (X). Aliran panas rata-rata persatuan luas disebut fluks panas, dimana jika Qx dibagi dengan luas A pada jarak (X).
A
T1 T2
X1
X2
Jarak
Gambar 2.6 Distribusi temperatur T(x) dan aliran panas konduksi pada sebuah pelat.
Sehingga didapat persamaan : qx =
Qx A
(2.15)
maka qx digambarkan sebagai jumlah aliran panas persatuan waktu pada jarak (X) ketika aliran aliran panas Qx satuannya satuannya adalah Watt dan fluks fluks panas qx dalam Watt persatuan meter persegi, dimana konduktivitas termal (k) memiliki dimensi (W/m.°C) atau (J/m.s.°C).
8
2.2.2 Perpindahan Panas Secara Konveksi
Jika kita alirkan fluida diatas sebuah benda padat dengan temperatur yang berbeda, maka perpindahan panas yang terjadi antara fluida dengan tempat sentuhan berupa zat padat sebagai arah dari gerakan fluida. Mekanisme ini disebut dengan perpindahan panas konveksi, selama arah dari fluida mengikuti aturan gerak fluida pada aliran panas rata-rata. Dengan kata lain jika tidak ada aliran fluida, maka perpindahan panas konduksi. Jika arah aliran fluida terjadi disebabkan oleh adanya gangguan dari luar seperti pemakaian pemakaian pompa, blower dan lainny lainnya, a, maka mekanism mekanismee ini disebut disebut dengan konveksi paksa. Dan jika arah fluida diakibatkan oleh gerakan dari perbedaan kerapatan massa dan temperatur didalam fluida, mekanisme dari aliran fluida ini disebut dengan konveksi bebas. Pada aplikasi teknik, penyederhanaan perhitungan perhitungan aliran aliran panas, besarnya besarnya disebut disebut koefisien koefisien perpindahan perpindahan panas (h). Penjabaran konsep ini menghitung aliran dari fluida dingin pada temperatur Tf diatas permukaan panas dengan temperatur Tw, seperti terlihat pada gambar 2.3. Dengan menggunakan q menjadi fluks panas (W/m2) dari fluida ke dinding, maka koefisisen perpindahan panas h didefinisikan sebagai : f
T a d a p n i g n i d a d i u F
Profil temperatur pada fluida
Aliran anas Tw
Aliran panas konveksi dari dinding dinding panas pada Tw ke fluida fluida dingin padaT pada Tf Gambar 2.7 Aliran panas
Jika fluks panas dalam W/m2 dan temperatur dalam °C atau Kelvin (K), maka koefisien perpindahan panas memiliki satuan W/(m2°C) dan selalu bernilai bernilai positif. positif. Jika persamaan (2.4) diubah menjadi menjadi : q = h(Tf – Tw)
(2.16)
hal ini merupakan fluks panas (q) dari dinding ke fluida. Pada umumnya dalam menentukan koefisien perpindahan panas untuk masalah konveksi sangat kompleks sebab (h) bergantung pada :
9
Tipe-tipe aliran (laminar, transisi, turbulen)
Geometri dari medium sentuhan
Sifat fisik dari fluida
Perbedaan temperatur
Posisi sepanjang permukaan dari medium sentuhan
Apakah mekanisme konveksi bebas atau konveksi paksa sewaktu angin berembus berembus diatas permukaan yang yang dipanaskan dipanaskan seperti kolektor, maka harga koefisien perpindahan panas akan dipengaruhi kecepatan angin, geometri permukaan dan faktor penempatan penempatan pada struktur. Tetapi yang yang lebih lebih dominan dominan disini adalah faktor kecepatan udara. ASHRAE Fundamentals Volume memberikan hubungan harga koefisien panas untuk jenis permukaan kaca dengan kecepatan angin adalah : h = 5,5 +2,70v
(2.17)
Sedangkan Adam’s menyarankan koefisien panas untuk permukaan kaca dengan kecepatan angin adalah : h = 5,7 + 3,8v untuk v ≤ 5 m/s
(2.18)
h = 9,05v0,78untuk 9,05v0,78untuk 5 ≤ v ≤ 30 m/s
(2.19)
2.2.3 Perpindahan Panas Radiasi
Radiasi adalah proses yang membawa energi dengan jalan pelompatan foton dari suatu ke permukaan yang lain. Radiasi dapat memindahkan energi menyeberangi ruang vakum dan tidak tergantung pada medium perantara yang menghubungkan dua permukaan. Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya pancar (Emissitive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding sebanding dengan pangkat empat temperatur absolutnya. Untuk radiator ideal biasanya berupa benda hitam daya pancar Eb adalah : Eb = σT4
(2.20)
Persamaan ini merupakan fluks radiasi maksimum dari benda pada temperatur T yang disebut Hukum Stefan-Boltzmann, Stefan- Boltzmann, dimana σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann [σ = 5,6697 x 10 -8 W/(m2.K4)], Eb adalah
10
kekuatan pancaran benda hitam, dan T adalah temperatur absolut pada derajat Kelvin : K = °C + 273,15
(2.21)
Fluks radiasi q oleh sebuah benda pada temperatur absolut T selalu lebih kecil dari kekuatan emisitas benda hitam, maka persamaan : q = εEb = εσT4
(2.22)
dimana ε adalah emisivitas benda yang mana lebih kecil dari 1 untuk benda hitam. hitam. 2.3 Hubungan Absorpsi (α), Transmisi (τ) dan Refleksi (ρ)
Bila emisi radiasi matahari seperti gambar 2.4 yang menerima permukaan suatu bahan, bahan, maka sebagian sebagian dari radiasi tersebut akan dipantulkan dipantulkan (reflection), (reflect ion), sebagian diserap (absorption) (absor ption) dan
sebagian lagi diteruskan diterus kan
(transmition). Fraksi yang dipantulkan diberi penamaan reflektifitas (ρ), fraksi yang diserap dinamakan absorpsivitas (α) dan fraksi yang diteruskan adalah transmisivitas (τ). Jadi hubungan ketiga fraksi ini adalah ρ + α + τ = 1 Radiasi matahari
Refleksi Refleksi (ρ)
Radiasi matahari
Absorpsi (α) kaca
Transmisi (τ)
Refleksi (ρ) Absorpsi (α)
Benda padat
Gambar 2.8 Hubungan ρ + α + τ = 1 pada 2 buah benda
Untuk benda padat yang tidak meneruskan radiasi termal, maka harga transmisivitas mendekati nol, sehingga : ρ+α=1
(2.23)
11
BAB III TRANSMISI RADIASI MELALUI PERMUKAAN MENGKILAP PENYERAPAN RADIASI
Transmisi,
refleksi,
dan
penyerapan
radiasi
matahari
oleh
berbagai
bagian dari suatu kolektor surya perlu diketahui dalam menentukan kinerja kolektor. Transmitan, reflektansi, dan absorptanceadalah fungsi dari radiasi yang masuk, ketebalan, indeks bias, dan kepunahan koefisien material.Secara umum, indeks
bias
n
dan
koefisien
pemadaman
K
bahan
penutup
adalah
fungsi dari panjang gelombang radiasi. rad iasi. Namun, dalam bab ini, semua sifat awalnya akan dianggap tidak terpengaruhterhadap panjang gelombang. Ini adalah asumsi yang sangat baik untuk kaca, bahan penutup kolektor surya yang paling umum. Beberapa bahan penutup memiliki variasi sifat optik yang signifikan dengan panjang gelombang, dan ketergantungan sifat spektral dibahas dalam sub bab 5.7. Sinar datang radiasimatahari adalah tak terpolarisasi (atau hanya sedikit terpolarisasi). Namun, pertimbangan polarisasi penting sebagai radiasi menjadi parsial terpolarisasi terpolarisas i saat melewati penutup kolektor. 3.1 Refleksi Radiasi
Untuk permukaan yang halus Fresnel telah menurunkan persamaan untuk refleksi radiasi tak terpolarisasi yang melewati medium 1 dengan indeks bias n1 dan untuk medium 2 dengan indeks bias n 2 : Refleksi tegak lurus bidang ( ┴) ┴)
(3.1) Refleksi paralel (‖)
(3.2) Refleksi radiasi rata-rata
12
(3.3)
Gambar 3.1 Sudut datang dan bias dalam media dengan indeks bias n1 dan n2.
Dimana
θ1 dan θ2 adalah sudut datang dan refraksi, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.1. Persamaan (3.1) merupakan komponen tegak lurus radiasi tak terpolarisasi, r ┴ , dan Persamaan (3.2) merupakan komponen paralel radiasi tak terpolarisasi,
r ‖. (Paralel dan tegak lurus merujuk pada
bidang ditentukan oleh pancaran sudut datang dan permukaan normal). Persamaan (3.3) kemudian memberikan pantulan radiasi tak terpolarisasi sebagairata-rata dari dua komponen. Sudut
θ1 dan θ2 berkaitan dengan indeks
bias oleh hukum Snellius, mengenai mengenai pemantulan cahaya yang berbunyi :
Sinar datang, sinar pantul dan garis gar is normal terletak pada satu bidang datar.
Sudut sinar datang sama dengan sudut sinar pantul ( i = r )
(3.4) Dalam aplikasi surya, transmisi radiasi melalui sebuah lempengan atau bahan film jadi ada dua antarmuka per penutup yang menyebabkan kerugian refleksi.
Pada
sinar
datang
tidak biasa, radiasi
tercermin tercer min
pada sebuah antarmuka berbeda untuk setiap komponen polarisasi, sehingga radiasi tercermin dikirim dan sebagian menjadi terpolarisasi. Karena itu, perlu untuk memperlakukan setiap komponen polarisasi secara t erpisah. Dengan mengabaikan penyerapan dalam bahan cover ditunjukkan pada Gambar 3.2 dan mempertimbangkan untuk sementara hanya komponen tegak
13
lurus dari polarisasi dari radiasi yang masuk, (1 - r ┴ ┴ ) dari pancaran sinar datang dari interface yang kedua. Dari jumlah ini, (1 ± r ┴ )2 melewati interface dan r ┴ (1 (1 - r ┴ ) dipantulkan kembali ke yang pertama, dan seter usnya.
Gambar 3.2 Transmisi melalui satu penutup non penyerap.
Mengabungkan persamaan, persamaan untuk komponen tegak lurus polarisasi adalah:
(3.5) Tepat hasil ekspansi yang sama ketika komponen paralel polarisasi dianggap. Komponen r ┴ dan komponen r ┴ dan r ‖ tidak sama (kecuali pada kejadian normal) dan transmitansi radiasi awalnya tak terpolarisasi adalah transmitansi rata-rata rata-r ata dari dua komponen, yaitu :
(3.6) Transmitan matahari dari kaca menyerap tidak mempunyai indeks bias rata-rata 1.526 dalam spektrum matahari. Hasil bagi dari satu sampai empat gelas penutup pe nutup telah d iberikan pada Gambar 3.3 Ini adalah penghitungan kembali hasil yang disajikan oleh Hottel danWoertz (1942). Indeks bias bahan bahan yang telah dipertimbangkan untuk penutup kolektor surya diberikan dalam Tabel 3.1. Nilai sesuai dengan spektrum matahari dan dapat
14
digunakanuntuk
menghitung
kerugian
ketergantungan
sudut
refleksi
sama dengan angka 3.3.
Gambar 3.3 Transmitansi 1, 2, 3, dan 4 cover non menyerap memiliki indeks bias 1,526.
Tabel 3.1 Rata-rata Indeks bias n dalam Spektru m Sola Beberapa Bahan Cover
Material Cover
Rata-rata Indeks bias
Kaca
1.526
Polymethyl methacrylate
1.49
Polyvinyl fluoride
1.45
Polyfluorinated ethylenepropylene
1.34
Polytetrafluoroethylene
1.37
Polycarbonate
1.6
Fiber Glass
1.5
3.2 Penyerapan Dengan Permukaan Mengkilap
Penyerapan radiasi dalam media sebagian transparan dijelaskan oleh hukum Bouguer, yang didasarkan pada asumsi bahwa radiasi diserap se banding dengan intensitas lokal dalam medium dan jarak x radiasi telah melakukan perjalanan di media. Hal ini telah dinyatakan oleh Bouger dalam hukum Bouger, yaitu dalam bentuk persamaan, (3.7)
15
Dimana K adalah konstanta proporsionalitas, kepunahan koefisien, yang diasumsikan konstan dalam spektrum matahari. matahar i. Mengintegrasikan s epanjang jalur yang sebenarnya dalam medium (misalnya, dari nol sampai L / cos
θ2 )
menghasilkan:
(3.8) Dimana subscript yang a adalah pengingat bahwa hanya kerugian penyerapan yang dipertimbangkan. Untuk kaca, nilai K bervariasi dari sekitar 4 -1
m
untuk kaca "air putih" (yang terlihat putih ketika dilihat di tepi) untuk
sekitar 32 m-1 untuk (kehijauan pada tepi) kaca tipis. 3.3 Sifat Optis Dari Sistem Tertutup
Pemancaran, faktor refleksi, dan penyerapan dari satu sistem, yang memungkinkan untuk kedua kerugian faktor fakt or refleksi dan pe nyerapan, dapat ditentukan oleh teknik ray-tracing teknik yang mirip dengan yang digunakan untuk menurunkan untuk komponen tegak lurus dari polarisasi, Pemancaran
τ ┴ , Faktor refleksi ρ ┴ dan penyerapan α ┴ . Dari system tertutup adalah :
() = () = ()
= +
(
) ( ) = ( + )
= ( − )
(3.9)
(3.10)
(3.11)
Hasil serupa ditemukan untuk komponen paralel polarisasi. Untuk radiasi langsung tak terpolarisasi, sifat optik ditemukan dari rata-rata dua komponen. komponen. Persamaan untuk pemancaran dari kolektor tetutup dapat disederhanakan dalam persamaan 3.1 (setara untuk komponen paralel polarisasi) hampir
16
kesatuan, karena
τa jarang kurang dari 0,9 dan r ada di urutan 0,1 pada
penutup kolektor. Dengan penyederhanaan ini dan dengan persamaan 1.8, transmitan dari satu sa mpul menjadi.
≡
(3.12)
hubungan ini sangat bagus untuk kolektor surya dengan bahan penutup dan sudut kepentingan praktis. prakt is. Penyerapan dari penutup kolektor kolekto r surya dapat diasumsikan di Persamaan 3.12 menjadi kesatuan sehingga,
≡ −
(3.13)
3.4 Pemancaran Untuk Pembiasan Radiasi
Analisis
sebelumnya
hanya berlaku
untuk
komponen
sinar
radiasi matahari. Radiasi langsung pada kolektor juga terdiri dari radiasi matahari tersebar dari langit dan mungkin memantulkan radiasi matahari dari tanah. Pada prinsipnya, jumlah ini radiasi yang melewati sistem tertutup dapat dihitung dengan mengintegrasikan meneruskan radiasi ke semua sudut. Namun, distribusi sudut radiasi ini umumnya tidak diketahui. Untuk radiasi langsung isotropik (yaitu, langsung dari sudut), integrasi bisa dilakukan. Penyajian hasil dapat disederhanakan dengan menentukan sudut setara untuk radiasi sinar yang memberikan transmitansi sama seperti radiasi difus. Untuk lebar berbagai kondisi ditemui dalam aplikasi kolektor surya, sudut ini setara pada dasarnya adalah 60 °. Dengan kata lain, sinar radiasi datang pada sudut 60° memiliki pemancaran sama seperti radiasi pembiasan isotropik. Circumsolar pembiasan radiasi dapat dianggap sebagai memiliki sudut sama sebagai berkas radiasi. Pembiasan radiasi dari cakrawala biasanya kontribusi kecil untuk total dan sebagai perkiraan dapat diambil sebagai memiliki sudut yang sama luasnya sebagai radiasi isotropik.
17
embiasan radiasi isentropic dan pantulan radiasi Gambar 3.3 Luasan efektif dari sudut p embiasan insetropik pada tanah.
Kolektor
surya
biasanya
berorientasi
sehingga
mereka
"melihat"
baik langit dan tanah. Jika pembiasan radiasi dari langit dan radiasi, memantulkan dari tanah keduanya isotropik, maka transmitansi sistem kaca dapat ditemukan dengan mengintegrasikan pe mancaran sudut balok atas at as kejadian yang sesuai. s esuai. Integrasi ini telah dilakukan oleh o leh Brandemuehl dan Beckman (1980), hasilnya disajikan pada Gambar 3.3 dalam hal sudut kejadian tunggal efektif. Jadi, semua pembiasan radiasi dapat dianggap sebagai memiliki sudut setara kejadian tunggal, dan semua radiasi-tanah tercermin dapat dianggap sebagai memiliki sudut lain setara kejadian. Daerah berbayang mencakup berbagai pelapis kaca. Kurva atas adalah untuk satu penutup etilena propilena polyflorinated kaca tanpa penyerapan internal, sedangkan kurva yang lebih rendah merupakan kaca dua-penutup kaca dengan KL panjang 0,0524. Semua satu-dan dua- penutup sistem dengan indeks bias antara 1,34 dan 1,526 dan panjang kurang dari 0,0524 berada di wilayah w ilayah berbayang. Gar is putus putus yang ditunjukkan pada Gambar 3.3 diberikan untuk tanah-radiasi tanah-radias i tercermin dari,
18
= −, + ,
(3.14)
Dan untuk pembiasan radiasi adalah :
= , − , + ,
(3.15)
3.5 Hasil Penyerapan Dan Pancaran
Dari radiasi yang melewati sistem cover dan kejadian di atas pelat, sebagian dipantulkankembali ke sistem penutup. Namun, semua radiasi ini tidak hilang karena beberapa dari itu, pada gilirannya, dipantulkan kembali ke piring. Situasi ini diilustrasikan pada Gambar 5.5.1, di mana
τ adalah
transmitansi sistem tertutup pada sudut yang diinginkan dan
α adalah
absorptance sudut dari pelat absorber. Dari energi insiden,
τα diserap oleh plat
penyerap dan (1 - α)τ tercermin kembali ke sistem tertutup. Refleksi dari pelat absorber diasumsikan difus (dan tak terpolarisasi) sehingga fraksi (1 - α)τ yang menyerang sistem cover radiasi difus dan (1 - α)
τρd tercermin kembali ke plat
absorber. Kuantitas ρd mengacu pada reflektansi sistem penutup atas insiden berdifusi radiasidari sisi bawah dan dapat diperkirakan dari persamaan 3.14 sebagai perbedaan antara τa dan
τ pada sudut 60°. Jika sistem penutup terdiri
dari dua (atau lebih) meliputi bahan berbeda, ρd akan berbeda (sedikit) dari pantul dari radiasi matahari insiden (lihat Equation 3.16). Refleksi beberapa radiasi menyebar terus sehingga fraksi energi insiden akhirnya diserap.
Gambar 3.5 Penyerapan radiasi surya oleh plat penyerap di bawah system tertutup.
( ) [(1 ) d ] n
n 0
1 (1 ) d
(3.16)
19
3.6 Sudut Ketergantungan (τα)
Ketergantungan absorptance dan transmitansi pada sudut dari kejadian dari kejadian radintion telah ditunjukkan dalam Bagian 3.6 sampai 3.8. Untuk memudahkan dalam menentukan ( τα) sebagai fungsi sudut
θ kejadian, Klein
(1979) mengembangkan hubungan antara ( τα) / (τα) n dan
θ berdasarkan
ketergantungan sudut dari yang ditunjukkan pada Gambar 3.6 dan di ketergantungan sudut
τ untuk kaca meliputi dengan KL= 0,04. Hasilnya tidak
sensitif terhadap KL dan dapat diterapkan untuk semua penutup memilikidosis indeks bias dengan kaca. Kurva Klein ditunjukkan pada Gambar 3.6. Hasil yang diperoleh dengan menggunakan angka ini pada dasarnya sama dengan yang diperoleh secara independen menemukan ketergantungan sudut
α dan τ
dan seperti yang diilustrasikan pada contoh-contoh untuk mengikuti Dalam bab ini.
Gambar 3.6 Ciri
(τα) / (τα) n grafik untuk penutup 1 sampai 4. Didasarkan pada Klein (1979).
3.7 Radiasi Matahari Terserap
Radiasi langsung memiliki tiga distribusi spasial yang berbeda radiasi pancaran, radiasi difusi, dan radiasi pantulan tanah, dan masing-masing harus diperlakukan secara terpisah. Menggunakan konsep difus isotropik per jam, Persamaan 2.15.1 dapat dimodifikasi untuk mencari radiasi diserap S dengan mengalikan setiap istilah ist ilah oleh produk transmitansi-absorptance sesuai.
20
+ ( + )( ) = () + ()
(3.17)
dimana (1 + cos β)/2 dan (1 - cos β)/2 masing -masing merupakan faktor pandangan darikolektor ke langit dan dari kolektor ke tanah. Subscrip b, d , dan g merupakan pancaranradiasi, pancar anradiasi, difusi, dan tanah. Jika kolektor miring diberikan. Persamaan 5.5.1 atau 5.5.2 kemudian dapat digunakan untuk mencari (τα)d dan (τα)g. Sudut
θ untuk pancaranradiasi, yang diperlukan dalam
mengevaluasi Rb, digunakan untuk mencari ( τα)b Atau, (τα)n dapat ditemukan dari sifat-sifat penutup dan penyerap dan Gambar 5.6.1 dapat digunakan pada sudut kelangsungan yang tepat untuk setiap aliran radiasi untuk menentukan tiga
produk penyerapan penyerapan
transmitansi.Perhitungan
radiasi
terserap
menggunakan model HDKR radiasi difus (Persamaan 2.16.7) mirip dengan yang
didasarkan
pada
model
isotropik
kecuali
bahwa
difus
circumcular diperlakukan sebagai kenaikan ke pancaran radiasi, radias i, cakrawala cerah dianggap. Diasumsikan bahwa sudut difus circumsolar langsung adalah sama dengan pancaran sinar dan sudut difusilangsung dari cakrawala adalah sama dengan isotropik. Energi yang diserap d iserap oleh per mukaan penyerap ditentukan oleh,
+ + = ( + )() + ( − )() (3.18) () Masing-masing aliran radiasi pada kolektor diperlakukan secara terpisah. Pada waktuitu mudah untuk mendefinisikan penyerapan transmitansi rata-rata sebagai rasio ra sio dari radiasimatahari radiasimatahar i terserap, ter serap, S , untuk radiasi matahari mat ahari langsung, IT . Dengan demikian,
= ()
(3.20)
Ketika fraksi pancaran tinggi t inggi,, (τα)av dekat dengan (τα) b. Ketika fraksi difus
tinggi, menggunakan nilai (τα)d pada (τα)av mungkin asumsi yang masuk akal. Energi yang bergunaoleh kolektor yang tertinggi ketika pancaran radiasi
21
tinggi, dan sebagai pendekatan ketika ketika data IT yang tersedia, berikut ini dapat diasumsikan: (
) ≅ .()
(3.21)
3.8 Penyerapan Radiasi Rata-Rata Bulanan
Metode untuk evaluasi kinerja sistem surya jangka panjang mengharuskan bahwa rata-rata rata-rat a radiasi diserap oleh kolektor dievaluasi untuk jangka waktu bulanan. Transmitansi surya dan penyerapan adalah fungsi sudut di mana radiasi matahari adalah langsung pada kolektor. Klein (1979) menghitung ratarata bulanan radiasi penyerapan matahari menggunakan data bertahun-tahun. Ia mendefinisikan :
(
) = =
(3.22)
Menggunakan asumsi difus isotropik, isot ropik, Persamaan 2.19.1 menjadi,
+ () = () + () (3.23)
22
Daftar Pustaka
Duffie JA, WA Beckmann, Solar Engineering of Thermal Process , John Willey & Sons, New York 1980. Fisch MN, Solartechnik I , Institute fuer Thermodynamik und und Waermetechnik, Universitaet Stuttgart 1988. Kleemann M, M Mellis, Regenerative Regenerative Energiequellen Energiequellen, Springer Verlag, Heidelberg 1988.
