Bab+II+Radiasi+Surya.pdf

Energi Surya Prepared by: Himsar AMBARITA

Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 1

Bab II

Radiasi Energi Surya

..Merupakan sumber energi terbarukan yang paling tua..

Bab ini akan membahas perhitungan-perhitungan dasar energi surya, termasuk berapa kerapatan energi yang bisa diambil dari sumber energi surya pada daerah tertentu.

I. Pendahuluan

Beberapa fakta tentang matahari (surya). Matahari mempunyai diameter 91039,1 m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellips dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1110495,1 m. Waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Gambar 1 menampilkan hubungan antara matahari dan bumi. Pada gambar juga ditampilkan nilai konstanta matahari SCG , yang merupakan daya radiasi rata-rata yang diterima bumi (diluar atmosfer) dari matahari pada arah tegak lurus permukan.

1,39 x 109m

Gambar 1 Hubungan antara matahari dan bumi

Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak matahari dari bumi tidak tetap. Jarak terdekat 111047,1 m terjadi pada 3 Januari dan jarak terjauh 111052,1 m pada 4 July. Perbedaan jarak ini hanya sekitar 3,3% dari jarak rata-rata. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi dipermukaan diluar atmosfer akan berbeda setiap hari. Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan onG , pada hari yang ke n dirumuskan oleh Duffie dan Beckmann (1991):

+=

365360

cos033,01 nGG SCon [W/m2] (1)

Sementara 1367=SCG W/m2 adalah konstanta surya. Untuk yang lebih teliti dapat digunakan persamaan yang diajukan oleh Spencer (1971):

)2sin000077,02cos000719,0sin00128,0cos034221,000011,1(BB

BBGG SCon++

++= (2)

Dimana B dirumuskan dengan:

365360)1( = nB (3)

1.1. Defenisi-defenisi Beberapa istilah berikut akan dijumpai selama

pembahasan. a. Air mass, m

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai 1=m , pada sudut zenith 60, 2=m . Pada sudut zenit dari 0-70o, dirumuskan:

z

mcos

1= (4)

b. Beam radiation Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan

oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation). c. Diffuse radiation

Radiasi enegi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer. d. Total radiation

Adalah jumlah beam dan diffuse radiation. e. Irradiance [W/m2]

Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut. Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi. f. Irradiation atau Radian Exposure [J/m2]

Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I. g. Solar time atau jam matahari

Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST ) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD ). Hubungannya adalah:

ELLSTDST locst += )(4 (5) Pada persamaan ini stL standard meridian untuk waktu lokal. locL adalah derajat bujur daerah yang sedang



dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer (1971):

BBBBE

2sin04089,02cos014615,0sin032077,0cos001868,0000075,0(2,229

+= (6)

Parameter B dihitung dengan menggunakan persamaan (3).

Contoh 1 Sebuah kota berada pada posisi 89,4oBB dan derajat waktu standardnya adalah 90oBB sedang menunjukkan pukul 10:30. Tentukan jam matahari saat itu pada tanggal 3 February. Penyelesaian: Pada tanggal 3 February 34=n . Dengan menggunakan persamaan (3) didapat 54,32=B o. Dengan persamaan (6) didapat 5,13=E menit. Maka waktu mataharinya adalah:

19:105,13)4,8990(430:10 =+=ST

1.2 Arah radiasi Karena garis edar semu matahari di angkasa cukup

komplex, maka akan dekenal beberapa sudut untuk mendefenisikannya. Bebera sudut akan didefenisikan pada Gambar 2.

S

EW

N

s

Zenith

Normal to

horizontal surface

z

s

s

S

W

E

N

Gambar 2 Sudut-sudut sinar dan posisi matahari

Slope adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0900 . Sudut azimut

permukaan adalah sudut penyimpangan sinar pada bidang proyeksi dimana 0o pada selatan dan positif ke barat. Sudut penyinaran (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith z adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari s (solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari s adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negative dan ke barat adalah positif.

Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, bertambah 150. Artinya tepat pukul 12.00 siang, 0= , pukul 11.00 pagi 15= 0 dan pukul 14.00, 30= 0.

Sudut deklinasi dapat dihitung dengan persamaan yang diajukan Cooper (1969):

+=

365284360sin45,23 n (7)

Spencer (1971) mengajukan persamaan yang lebih teliti:

BcBcBcBcBcBcc

3sin3cos2sin2cossincos

76

54321

++

++++= (8)

Dimana =1c 0,006918, 399912,02 =c , 070257,03 =c , 006758,04 =c , 000907,05 =c , 002679,06 c ,

00148,07 =c . B dihitung dengan menggunakan persamaan (3) dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 1. Tabel 1 Urutan hari berdasarkan bulan

Bulan Nilai n pada hari yang ke-i

January i February i+31 Maret i+59 April i+90 Mei i+120 Juni i+151 July i+181 Agustus i+212 September i+243 Oktober i+273 November i+304 Desember i+334

Karena jarak matahari-bumi, persamaan waktu (E), dan sudut deklinasi bervariasi terus, maka sudut jatuhnya sinar pada suatu permukaan akan bervariasi. Persamaan yang diajukan oleh Beckman (1991) dapat digunakan menghitung besar sudut ini:



sinsinsincoscoscossinsincoscoscoscoscos

coscossincossinsincos

+

++

=

(9)

Atau ( ) += szz cossinsincoscoscos (10)

Kedua persaman ini berlaku umum, dimana semua sudut diperhitungkan. Ada beberapa kasus yang umum dipakai dalam perhitungan sudut penyinaran, misalnya jika suatu permukaan tepat diletakkan pada garis utara-selatan. Hal ini umum dilakukan saat menempatkan sebuah solar kolektor. Pada kasus ini sudut azimuth (lihat Gambar 2) akan bernilai nol 0= atau 90= . Pada permukaan vertikal ( 90= 0), persamaan (9) menjadi:

sinsincoscoscossincoscoscossincos

+

+= (11)

Pada permukaan datar ( 0= 0), persamaan (9) menjadi: sinsincoscoscoscos +=z (12)

Dan sudut azimuth matahari dihitung dengan persamaan berikut:

=

cossin

sinsincoscos)( 1

z

zs sign (13)

Contoh 2 Hitung sudut jatuhnya sinar pada suatu permukaan yang berlokasi di suatu kota yang mempunyai lintang 430N ( 43= ) pada waktu matahari ST=10:30 pada 13 February jika permukaan dimiringkan 450 terhadap horizontal dan diarahkan 150 ke barat dihitung dari selatan. Penyelesaian: Dari data yang diberikan 44=n dan dari persamaan (7 atau 8) hitung 14= 0. Pukul 10:30, jam matahari adalah -22,50. Dari soal sudut slope 45= 0 dan sudut azimuth

15= 0. Ditanya: sudut jatuhnya sinar ke permukaan ini ?= Gunakan persamaan (9) untuk menjawab soal ini.

)5,22sin(15sin45sin)14cos()5,22cos(15cos45sin43sin)14cos(

)5,22cos(45cos43cos)14cos(15cos43cos)14sin(45cos43sin)14sin(cos

+

+

+

=

35817,0cos == 0.

Contoh 3 Hitung sudut zenith dan sudut azimuth pada permukaan di suatu lokasi di 430 lintang utara pada: (a) 13 February pukul 9:30 pagi dan (b) pada 1 July pukul 6:30 sore. Penyelesaian: Gunakan persamaan (12) dan persamaan (13). Jawabannya: (a). 5,66=z 0 dan 40=s 0 (b). 6,79=z 0 dan 112=s 0

Waktu matahari terbenam pada suatu tempat, dapat dihitung dengan memasukkan sudut zenith 90=z kedalam persamaan (12).

tantancoscos

sinsincos ==s (14)

Dengan mengetahui sudut ini, maka waktu dapat dihitung, yaitu 150 untuk tiap jam. Sementara waktu terbit dapat dihitung dengan mengunakan fakta bahwa sudut terbit adalah negatif dari sudut terbenam. Kemudian dengan mengetahui jam matahari terbit dan terbenam, lamanya matahari bersinar dalam satuhari dapat dihitung:

( ) tantancos152 1

=N (15)

Contoh 4 Pada suatu lokasi di 43o lintang utara, hitung waktu matahari terbit, sudut ketinggian matahari, dan azimuth matahari pada 16 Maret pukul 16:00 jam matahari. Kemudian pada sebuah permukaan yang dimiringkan 600 terhadap horizontal dan dibuat 250 ke barat dari selatan hitung waktu matahari terbit dan matahari terbenam pada permukaan ini. Penyelesaian: Pada 16 Maret 75=n , hitung sudut deklinasi dengan persamaan (7)

4,2365

75284360sin45,23 =

+= 0

Dengan sudut lintang 43= 0, hitung sudut jam matahari terbenam dengan menggunakan persamaan (14).

)4,2tan(43tancos =s atau 8,87=s 0. Maka sudut jam matahari terbit adalah -87,80. Karena setiap 1 jam = 150, maka sudut jam ini sama dengan 5,85 jam atau 5 jam 51 menit. Maka waktu matahari terbit adalah mengurangkan 5 jam 51 menit dari 12.00 dan matahari terbenam menambahkan 5 jam 51 menit. Atau matahari terbit jam 6:09 dan terbenam jam 17:51. Sudut ketinggian matahari s adalah fungsi dari waktu dan sudut deklinasi. Pada 16:00 jam matahari 60= 0. Gunakan fakta ( ) szz sin90sincos == dan substitusi ke persamaan (12):

337,0)4,2sin(43sin60cos)4,2cos(43cossin =+=s Atau: 7,19=s 0 dan 3,70=z 0. Sudut azimut matahari dihitung dengan menggunakan persamaan (13):

8,6643cos3,70sin

)4,2sin(43sin3,70coscos 1 =

=

s 0.

Waktu matahari terbenam pada permukaan tersebut dihitung dengan mensubstitusikan 90= ke persamaan ( 9):

sin25sin60sin)4,2cos(cos25cos60sin43sin)4,2cos(

cos60cos43cos)4,2cos(25cos43cos)4,2sin(60cos43sin)4,2sin(0

+

+

+

=

Jika diselesaikan: sin8657,0cos9077,0008499,00 ++=

Jika persamaan ini diselesaikan akan didapat 6,68= 0 dan 4,112= 0. Artinya matahari terbit pada permukaan



ini adalah 4,57 jam sebelm jam 12.00 atau jam 7:26. Sementara matahari terbenam pada permukaan adalah 112,40. Karena sudut ini lebih besar dari sudut jam matahari terbenam di tempat itu 87,80, maka matahari sudah terbenam pada pukul 17:51.

Documents

Bab+II+Radiasi+Surya.pdf