transmisi radiasi dan penyerapan melalui absorber
TRANSCRIPT
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.