SKRIPSI: ANALISA KUALITAS DAN KUANTITAS HASIL DISTILASI AIR LAUT DENGAN MENGGUNAKAN KOLEKTOR TENAGA SURYA DENGAN PIPA SALURAN UAP TIPE DUA PERMUKAAN KACA MIRING Sambungan BAB II

energi cahaya (radian flux), kerapatan aliran energi cahaya (radiant flux density), intensitas terpaan (irradiance) dan intensitas pancaran cahaya (emmitance).

Tenaga surya pada dasarnya adalah sinar matahari yang merupakan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang yang tampak dan yang tidak tampak, yakni mencakup spectrum cahaya inframerah sampai dengan cahaya ultraviolet. Masingmasingmasing spektrum cahaya matahari memiliki penjang gelombang , frekkuensi dan energi yang berbeda. Uraian rinci tentang hal ini dapat dilihat pada tabel 2.1 berikut ini:

Tabel 2.1 Karakteristik Cahaya Penyusun Sinar Matahari

Jenis Cahaya	Kisaran Panjang Gelombang (nm)	Panjang gelombang representative (nm)	Frekuensi (10¹⁴ Hertz)	Energi (kJ mol ^-1)
Ultraviolet	<400	254	11,80	471
Violet	400-425	410	7,31	292
Biru	425-490	460	6,52	260
Hijau	490-560	520	5,77	230
Kuning	560-585	570	5,26	210
Jingga	585-640	620	4,84	193
Merah	640-740	680	4,41	176
Inframerah	>740	1400	2,14	85

Sumber : Lakitan, B. (2002, Dasar-dasar Klimatologi )

Wisnubroto, S. (2004) mengatakan bahwa sinar matahari memiliki panjang gelombang ( λ ) antara 0,15 – 4 μm, dan hanya panjang gelombang ( λ ) antara 0,32 –2 μm yang mampu menembus kaca transparan.

2.4 Radiasi Matahari

Radiasi matahari adalah sinar yang dipancarkan dari matahari kepermukaan bumi, yang disebabkan oleh adanya emisi bumi dan gas pijar panas matahari. Radiasi dan sinar matahari dipengaruhi oleh berbagai hal sehingga pancarannya yang sampai dipermukaan bumi sangat bervariasi. Penyebabnya adalah kedudukan matahari yang berubah-ubah, revolusi bumi, dan lain sebagainya. Walaupun cuaca cerah dan sinar matahari tersedia banyak, besarnya radiasi supaya tiap harinya selalu berubah-ubah.

2.5 Geometri Radiasi Matahari

Aspek geometri berpengaruh langsung terhadap penerimaan radiasi surya pada suatu permukaan pengumpul panas ( kolektor). Aspek geometri berhubungan dengan orientasi letak dari bidang pengumpul panas, dimana arah radiasi tegak lurus permukaan pengumpul (kolektor plat surya). Pengaruh geometri terpenting dimana jumlah dari radiasi surya diterima pada permukaan kolektor yaitu sudut dimana sinar menyentuh bidang penyerapan dengan arah tegak lurus bidang permukaan penyerapan.

Untuk mengetahui energi radiasi yang jatuh pada permukaan bumi dibutuhkan beberapa parameter letak kedudukan dan posisi matahari, hal ini perlu untuk mengkonversikan harga fluks berkas yang diterima dari arah matahari menjadi hubungan harga ekivalen ke arah normal permukaan. Dalam hal ini akan timbul hubungan-hubungan sudut seperti pada gambar di bawah ini:

Gambar 2.6 Geometri matahari

Berikut ini adalah beberapa definisi yang digunakan, antara lain :

1. Sudut datang θ adalah sudut antara sinar datang dengan normal pada permukaan pada sebuah bidang.

2. Sudut latitude Φ pada suatu tempat adalah sudut yang dibentuk oleh garis radial ke pusat bumi pada suatu lokasi dengan proyeksi garis pada bidang equator. Sudut deklinasi berubah harga maksimum +23,45⁰ pada tanggal 21 juni ke harga minimum -23,450⁰ pada tanggal 21 desember. Deklinasi 0⁰ terjadi pada tanggal 21 Maret dan 22 Desember.

3. Sudut Zenit θ_Zadalah sudut yang dibuat oleh garis vertikal ke arah zenit dengan garis ke arah titik pusat matahari.

4. Sudut Azimuth δ_Zadalah sudut yang dibuat oleh garis bidang horizontal antara garis selatan dengan proyeksi garis normal pada bidang horizontal. Sudut azimut positif jika normal adalah sebelah timur dari selatan dan negatif pada sebelah barat dan selatan.

5. Sudut latitude α adalah sudut yang di buat oleh garis ke titik pusat matahari dengan garis proyeksinya pada bidang horizontal.

6. Sudut kemiringan (slope) β adalah sudut kemiringan yang di buat oleh permukaan bidang dengan horizontal.

2.6 Intensitas Radiasi Surya

Karena adanya perubahan letak matahari terhadap bumi maka intensitas radiasi surya yang tiba di permukaan bumi juga berubah-ubah. Maka berkaitan dengan hal tersebut di atas radiasi surya yang tiba pada suatu tempat di permukaan bumi dapat kita bedakan menjadi 3 jenis. Ketiga jenis radiasi itu adalah :

1. Radiasi Langsung (direct radiation)

Intensitas radiasi langsung atau sorotan per jam pada sudut masuk normal I_bndari persamaan berikut ini:

……………………………...……Pers (2.6) lit 2 hal 30

dimana I_b adalah radiasi sorotan pada sumbu permukaan horisontal dan cosθ_z adalah sudut zenit. Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horisontal, intensitas dari komponen sorotan adalah:

………………..Pers (2.7) lit 2 hal 31

Dimana

disebut sudut masuk, dan didefinisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus (90⁰) pada permukaan bidang miring.

2. Radiasi Sebaran (diffuse radiation)

Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yang dipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer dan karena itu berasal dari seluruh bagian hemisfer langit. Radiasi sebaran (langit) didistribusikan merata pada hemisfer (disebut distribusi isotropik), maka radiasi sebaran pada permukaan miring dinyatakan dengan :

………………………Pers (2.8) lit 2 hal 34

Dimana

adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukan besarnya radiasi sebaran per jam pada suatu permukaan horisontal.

3. Radiasi Pantulan

Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan, jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari reflektansi

(albeldo) dari permukaan yang berdekatan itu, dan kemiringan permukaan yang menerima radiasi yang dipantulkan per jam, juga disebut radiasi pantulan.

…………………….Pers (2.9) lit 2 hal 37

Dimana reflektansi

dianggap 0,20 – 0,25 untuk permukaan-permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk lapisan salju yang baru turun, kecuali jika tersedia data yang lain.

Gambar 2.7 Jenis-Jenis radiasi

Lapisan luar dari matahari yang disebut fotosfer memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontinue. Untuk pembahasan ini cukup dianggap matahari sebagai benda hitam, sebuah radiator sempurna pada 5762 K. Dalam ilmu Fotovoltaik dan studi mengenai permukaan tertentu, distribusi spektral adalah penting.

Gambar 2.8 Bola Surya

Dimana:

ds = Diameter Matahari

R = Jarak rata-rata matahari - bumi

Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari, E_s adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Bolzman

, pangkat empat temperatur permukaan absolut TS⁴ dan luas permukaan A= πd_s²,

…………………………………Pers (2.10) lit 2 hal 16

Dimana

= 5,67 x 10^-8 W/(m².K⁴), temperatur permukaan T_s dalam K, dan diameter matahari d_s dalam meter dari gambar di atas dapat dilihat jari-jari R adalah sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bumi adalah sama dengan 4π R², dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi

………….……………………Pers (2.11) lit 2 hal 16

Dengan garis tengah matahari 1,39 x 10⁹ m, temperatur permukaan matahari 5762 ⁰K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 10¹¹ m, maka fluksa radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah:

= 1353 W/m2

Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfer tegak lurus permukan matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta surya adalah 1353 W/m² dikurangi intensitasnya oleh penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet), karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang lansung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran. Pengukuran berikutnya terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada kedudukan tegak-lurus sorotan radiasi yang masuk.

Tabel 2.2 Satuan lain untuk Konstanta Surya

Konstanta Surya ( Gsc )

1353 W/m²

429 Btu/(hr.ft²)

116.4 Langley/hr

4.871 MJ/m².hr

(sumber “Teknologi Rekayasa Surya”, Diterjemahkan oleh Prof. Wiranto Arismunandar)

Konstanta surya (G) adalah konstanta yang digunakan sebagai dasar acuan untuk mengetahui besarnya intensitas radiasi surya sebelum mengalami penurunan karena berbagai macam hambatan dalam perjalanannya menuju permukaan bumi. Hambatan yang timbul itu adalah seperti, ketika radiasi surya melewati lapisan-lapisan atmosfir, itu terjadinya yang mempengaruhi posisi matahari, posisi dan letak permukaan pada bumi dan kondisi-kondisi lainnya.

Dari tabel diatas memuat konstanta surya dalam satuan lain. Satuan langley sama dengan 1 kalori/cm², adalah satuan yang umumnya dapat dijumpai dalam literatur mengenai radiasi surya, dimana 1 kalori = 4,187 Joule, maka 1 langley = 1 kalori/cm² = 0,04187 MJ/m², suatu faktor konversi yang sering digunakan.

2.6.1 Intensitas Radiasi Surya Pada Bidang Permukaan

Bumi berevolusi pada sumbunya selama 365 hari, bumi juga berotasi pada sumbunya selama satu hari. Selama berevolusi dan berotasi pada sumbunya bumi mengalami kemiringan terhadap sumbu vertikalnya sebesar 23,5 ⁰.

Gambar 2.9 Deklinasi matahari, posisi pada musim panas

Pada gambar diatas dapat dinyatakan didalam suatu hubungan persamaan sebagai berikut :

cosϴ = sinδ ( α-β ) + cosδ.cos ( α-β ). cosω.............Pers ( 2.12 ) lit 2 hal 29

Dimana :

ϴ = Sudut sinar datang terhadap garis normal permukaan

δ = Sudut Deklinasi

α = Garis lintang dari posisi alat

β = kemiringan sudut permukaan dan alat

ω = Sudut datang

Besarnya sudut yang dialami bumi terhadap sumbu vertikalnya di sebut deklinasi. Dan deklinasi inilah yang mempengaruhi terjadinya distribusi sinar matahari dan energi panas surya pada bidang permukaan bumi.

Bila hasil perkalian intensitas surya yang diterima bumi dengan cosinus sudut sinar datang, maka besarnya laju energi yang diterima oleh suatu permukaan di bumi dengan luasan persegi dapat ditulis dengan persamaan :

…………………………………..Pers (2.13) lit 2 hal 29

Dimana :

q : Laju energi, (W)

A : Satuan luas pada bidang, (m²)

G_T : Intensitas radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi, (W/m²)

θ : Sudut sinar datang

Penggunaan kolektor sangat tergantung pada intensitas cahaya matahari. Intensitas cahaya matahari tersebut adalah besaran yang menunjukkan banyak energi radiasi surya pada suatu daerah. Intensitas cahaya matahari sangat dipengaruhi oleh sudut datang cahaya matahari, semakin tegak lurus arah sudut datang cahaya matahari terhadap bidang serap maka intensitasnya akan semakin tinggi. Gerak relatif matahari terhadap bumi akibat rotasi bumi pada poros mengakibatkan posisi atau sudut datang cahaya berubah setiap saat sepanjang hari pada daerah tertentu di permukaan bumi. Begitu juga dengan gerak revolusi bumi berubah setiap saat berkisar antara -23,45 derajat sampai + 23,45 atau disebut juga sudut deklinasi matahari (δ). Dalam menentukan intensitas cahaya matahari pada kolektor dapat dipergunakan suatu alat khusus “solarimeter” dengan dektor sensor “Pyrranometer” atau dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :