transmisi radiasi dan penyerapan melalui absorber

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

i

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 oleh 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 untuk kesempurnaan laporan akhir ini.

Padang, Maret 2013

Penulis

ii

Daftar Isi

KATA PENGANTAR .......................................................................................... i

Daftar Isi .............................................................................................................. ii

Daftar Tabel ........................................................................................................ iii

Daftar Gambar .................................................................................................... iv

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

I.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1

I.2 Tujuan ........................................................................................................ 2

I.3 Batasan Masalah ......................................................................................... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 3

2.1 Energi 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 Mengkilap Penyerapan Radiasi. 12

3.1 Refleksi Radiasi ....................................................................................... 12

3.2 Penyerapan Dengan Permukaan Mengkilap .............................................. 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

iii

Daftar Tabel

Tabel 3.1 Rata-rata Indeks bias n dalam Spektrum Sola Beberapa Bahan Cover 15

iv

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. ..................................................... 5

Gambar 2.4 Sudut kemiringan permukaan. ........................................................... 6

Gambar 2.5 Konveksi tanda aliran panas pada Hukum Fourier untuk perpindahan

panas secara konduksi. ......................................................................................... 7

Gambar 2.6 Distribusi temperatur T(x) dan aliran panas konduksi pada sebuah

pelat ..................................................................................................................... 8

Gambar 2.7 Aliran panas konveksi dari dinding panas pada Tw ke fluida dingin

pada ..................................................................................................................... 9

Gambar 2.8 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

Gambar 3.2 Transmisi melalui satu penutup non penyerap. ................................ 14

Gambar 3.3 Transmitansi 1, 2, 3, dan 4 cover non menyerap memiliki indeks bias

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 plat penyerap di bawah system

tertutup. ............................................................................................................. 19

Gambar 3.6 Ciri (τα) / (τα) n grafik untuk penutup 1 sampai 4. Didasarkan pada

Klein (1979)....................................................................................................... 20

1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Dewasa ini kebutuhan energi terus meningkat, baik konsumsi energi

perorangan maupun konsumsi energi bagi masyarakat dan bangsa yang sedang

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 sumber-

sumber 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. Dewasa

ini telah banyak dilakukan pengembangan terhadap sistem cover tersebut.

Pada kesempatan ini penulis mencoba untuk menjelaskan mengenai hal-

hal yang perlu diperhatikan dalam cahaya terkait sifat-sifat yang dimiliki oleh

cahaya sehingga dapat diaplikasikan untuk memaksimalkan dalam

perancangan sistem cover collector surya.

2

I.2 Tujuan

Adapun tujuan dari dalam pembuatan laporan ini adalah:

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 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.

7. Hasil penyerapan dan pancaran.

8. Radiasi matahari rata-rata yang diserap dalam 1 Bulan.

3

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 untuk keperluan temperatur menengah atau 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 2mW seperti gambar dibawah ini :

*

2 ,6

U V io le t (7 % d r. E o)

D a e ra h V isua l 0 ,3 8 * 0 ,7 8 (c o . 4 7 % d r E o)

masE , m 5.0*

0 ,6 1 ,0 1 ,4 1 ,8 2 ,2 0

4 0 0

8 0 0

1 2 0 0

2 4 0 0

mmW2

0 ,2

1 6 0 0

E * In fra R e d

(c o .46 % d r. E o)

m

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

4

dengan kecepatan 3x108 m/s atau perkalian dari panjang 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) (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 sebelum tengah 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:

365

284360sin45,23 n (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 untuk menentukan sudut datang ( ) adalah :

Latitude (Φ), yaitu sudut lokasi utara atau selatan ekuator (-90˚≤ Φ≤

+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 menghitung β dan Φ adalah:

sinsincoscoscossin LHL (2-4)

5

untuk harga = 90

cos

sincossin H (2-5)

matahari

S

W

N

E

Gambar 2.2 Ketinggian matahari dan azimuth matahari

Orientasi letak suatu permukaan juga ditentukan dengan parameter-

parameter berikut ini:

Sudut azimuth permukaan matahari ( )

Sudut kemiringan permukaan ( )

Sudut azimuth permukaan ( )

s

S u n Z e n i t h

N o r m a l t o h o r i z o n t a l s u r f a c e

W

S E

N

z

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

6

bidang EOS, dan bertanda negatif jika berada pada bidang WOS, seperti

terlihar pada gambar dibawah ini :

Permukaan

Horizontal S

N

Gambar 2.4 Sudut kemiringan permukaan.

Sudut kemiringan permukaan adalah sudut yang dibentuk oleh

permukaan tersebut terhadap horizontal permukaannya. Jika sudut kemiringan

permukaan berharga 90, maka sudut timpa matahari dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut:

coscoscos 1 (2-6)

Jika sudut kemiringan berharga 0 , maka sudut timpa matahari dapat

dihitung dengan persamaan berikut ini:

902 (2-7)

bila sudut kemiringan permukaan ( ) berharga antara 900 , maka

sudut timpa matahari dihitung dengan persamaan berikut ini:

cossinsincoscoscos 3 (2-8)

Untuk menentukan kapan matahari terbit dan terbenamnya di suatu

tempat dapat dihitung dengan mengambil harga 0sin , sehingga :

HLL coscoscossinsin0sin (2-9)

tantancos 11 LH

(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

7

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 oleh tiga parameter seperti berikut :

Gradien temperatur pada jarak yang diamati, dT/dx

Luas normal pada jarak yang diamati, A

Konduktivitas termal yang dimilik bahan, k

Sehingga dalam bentuk persamaan ditulis :

Qx = - kA dXdT

(2.11)

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 negatif jika aliran panas pada jarak (X) negatif, seperti pada

gambar (2.1b) sehingga notasi yang digunakan pada persamaan (2.5)

menghasilkan nilai Qx positif.

dT/dx < 0

Qx > 0

tem

pera

tur

tem

pera

tur

Aliran panas

Aliran panas

Jarak (x) Jarak (x) Gbr. 2.5b Gbr. 2.5a

dT/dx > 0

Qx < 0

8

A

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 dengan menjadi :

Qx = - kAdXdT (2.12)

Qx = -12

21

12

12

xxTTkA

xxTTkA

(2.13)

Qx = - kALT (2.14)

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 – T2 bernilai positif. Hal ini mengakibatkan 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).

Gambar 2.6 Distribusi temperatur T(x) dan aliran panas konduksi pada sebuah pelat.

Sehingga didapat persamaan :

qx = A

Qx (2.15)

maka qx digambarkan sebagai jumlah aliran panas persatuan waktu pada

jarak (X) ketika aliran panas Qx satuannya adalah Watt dan fluks panas qx

dalam Watt persatuan meter persegi, dimana konduktivitas termal (k)

memiliki dimensi (W/m.°C) atau (J/m.s.°C).

T1

T2

X1 X2 Jarak (X)

9

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 pompa, blower dan lainnya, maka mekanisme ini 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 aliran panas, besarnya disebut koefisien 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 :

Gambar 2.7 Aliran panas konveksi dari dinding panas pada Tw ke fluida dingin pada Tf

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 positif. Jika persamaan (2.4) diubah 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 :

Profil temperatur pada fluida

Fuid

a di

ngin

pad

a T f

Tw

Aliran panas

10

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 diatas permukaan yang dipanaskan seperti kolektor, maka harga

koefisien perpindahan panas akan dipengaruhi kecepatan angin, geometri

permukaan dan faktor penempatan pada struktur. Tetapi yang lebih 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 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 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, dimana σ adalah

tetapan Stefan-Boltzmann [σ = 5,6697 x 10 -8 W/(m2.K4)], Eb adalah

11

Absorpsi (α)

kaca

Absorpsi (α)

Benda padat

Radiasi matahari Refleksi (ρ)

Transmisi (τ)

Radiasi matahari Refleksi (ρ)

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.

2.3 Hubungan Absorpsi (α), Transmisi (τ) dan Refleksi (ρ)

Bila emisi radiasi matahari seperti gambar 2.4 yang menerima

permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi tersebut akan dipantulkan

(reflection), sebagian diserap (absorption) dan sebagian lagi diteruskan

(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

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)

12

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.

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 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 n2 :

Refleksi tegak lurus bidang (┴)

(3.1)

Refleksi paralel (‖)

(3.2)

Refleksi radiasi rata-rata

13

(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 pemantulan cahaya yang berbunyi :

Sinar datang, sinar pantul dan garis 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

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 terpisah.

Dengan mengabaikan penyerapan dalam bahan cover ditunjukkan pada

Gambar 3.2 dan mempertimbangkan untuk sementara hanya komponen tegak

14

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 - r┴) dipantulkan kembali ke yang pertama, dan seterusnya.

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 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 telah diberikan 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

15

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 Spektrum 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 sebanding

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)

16

Dimana K adalah konstanta proporsionalitas, kepunahan koefisien, yang

diasumsikan konstan dalam spektrum matahari. Mengintegrasikan sepanjang

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

m-1 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 refleksi dan penyerapan, 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 :

흉 = 흉풂(ퟏ 풓 )ퟐ

ퟏ (풓 흉풂)ퟐ = 흉풂ퟏ 풓ퟏ 풓

ퟏ 풓 ퟐ

ퟏ (풓 흉풂)ퟐ (3.9)

흆 = 풓 + (ퟏ 풓 )ퟐ흉풂ퟐ풓ퟏ (풓 흉풂)ퟐ = 풓 (ퟏ + 흉풂흉 ) (3.10)

휶 = (ퟏ − 흉풂) ퟏ 풓ퟏ 풓 흉풂

(3.11)

Hasil serupa ditemukan untuk komponen paralel polarisasi. Untuk radiasi

langsung tak terpolarisasi, sifat optik ditemukan dari rata-rata dua komponen.

Persamaan untuk pemancaran dari kolektor tetutup dapat disederhanakan

dalam persamaan 3.1 (setara untuk komponen paralel polarisasi) hampir

17

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 sampul menjadi.

흉 ≡ 흉풂흉풓 (3.12)

hubungan ini sangat bagus untuk kolektor surya dengan bahan penutup dan

sudut kepentingan praktis. Penyerapan dari penutup kolektor surya dapat

diasumsikan di Persamaan 3.12 menjadi kesatuan sehingga,

휶 ≡ ퟏ − 흉풂 (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.

18

Gambar 3.3 Luasan efektif dari sudut pembiasan radiasi isentropic dan pantulan radiasi

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 pemancaran sudut balok atas

kejadian yang sesuai. Integrasi ini telah dilakukan oleh 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 berbayang. Garis putus-

putus yang ditunjukkan pada Gambar 3.3 diberikan untuk tanah-radiasi

tercermin dari,

19

휽풆 = ퟗퟎ − ퟎ,ퟓퟕퟖퟖ휷 + ퟎ,ퟎퟎퟐퟔퟗퟑ휷ퟐ (3.14)

Dan untuk pembiasan radiasi adalah :

휽풆 = ퟓퟗ,ퟕ − ퟎ,ퟏퟑퟖퟖ휷 + ퟎ,ퟎퟎퟏퟒퟗퟕ휷ퟐ (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.

(3.16)

d

nd

n

)1(1

])1[()(0

20

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 oleh produk transmitansi-absorptance sesuai.

21

푺 = 푰풃푹풃(흉휶)풃 + 푰풅(흉휶)풅ퟏ 퐜퐨퐬 휷

ퟐ+ 흆품(푰풃 + 푰풅)(흉휶)품

ퟏ 퐜퐨퐬 휷ퟐ

(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, 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 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, 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 oleh permukaan penyerap

ditentukan oleh,

푺 = (푰풃 + 푰풅푨풊)푹풃(흉휶)풃 + 푰풅(ퟏ − 푨풊)(흉휶)풅ퟏ 퐜퐨퐬 휷

ퟐퟏ + 풇풔풊풏ퟑ 휷

ퟐ+

푰흆품(흉휶)품ퟏ 퐜퐨퐬 휷

ퟐ (3.18)

Masing-masing aliran radiasi pada kolektor diperlakukan secara terpisah.

Pada waktuitu mudah untuk mendefinisikan penyerapan transmitansi rata-rata

sebagai rasio dari radiasimatahari terserap, S , untuk radiasi matahari

langsung, IT . Dengan demikian,

푺 = (흉휶)풂풗 (3.20)

Ketika fraksi pancaran tinggi, (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

22

tinggi, dan sebagai pendekatan ketika data IT yang tersedia, berikut ini

dapat diasumsikan:

(흉휶)풂풗 ≅ ퟎ.ퟗퟔ(흉휶)풃 (3.21)

3.8 Penyerapan Radiasi Rata-Rata Bulanan

Metode untuk evaluasi kinerja sistem surya jangka panjang mengharuskan

bahwa rata-rata 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 rata-

rata bulanan radiasi penyerapan matahari menggunakan data bertahun-tahun.

Ia mendefinisikan :

(흉휶)풂풗 = 푺풂풗푯푻풂풗

= 푺풂풗푯푹풂풗

(3.22)

Menggunakan asumsi difus isotropik, Persamaan 2.19.1 menjadi,

푺 = 푯풃풂풗푹풃풂풗(흉휶)풅풂풗 + 푯풅(흉휶)풅풂풗ퟏ 퐜퐨퐬 휷

ퟐ+ 푯흆품풂풗(흉휶)품풂풗

ퟏ 퐜퐨퐬 휷ퟐ

(3.23)

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 Waermetechnik,

Universitaet Stuttgart 1988.

Kleemann M, M Mellis, Regenerative Energiequellen, Springer Verlag,

Heidelberg 1988.