Kolektor energi surya adalah jenis heat exchanger khusus yang mengubah energi radiasi surya menjadi energi internal pada medium transpor. Komponen utama apapun pada sistem sel surya adalah kolektor surya. Kolektor adalah perangkat yang menyerap radiasi matahari yang masuk dan mengubah menjadi panas dan mentransfer panas ke fluida (biasanya udara, air, atau minyak) melalui kolektor. Energi matahari dikumpulkan dibawa dari sirkulasi fluida baik langsung ke air panas atau ruangan peralatan pengkondisian atau ke tangki penyimpanan energi panas yang panasnya bisa ditarik untuk digunakan pada malam hari atau pada hari berawan. Jenis kolektor yang paling banyak dipasaran adalah jenis Flat-plate Collector.

Kolektor surya flat-plate ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika radiasi matahari melewati penutup transparan dan menimpa permukaan penyerap menghitam yang memiliki absorptivitas tinggi, sebagian besar energi ini diserap oleh plate dan dipindahkan ke media transportasi di tabung fluida untuk dibawa ke penyimpanan atau penggunaan. Bagian bawah pelat penyerap dan kedua sisinya diisolasi dengan baik untuk mengurangi rugi-rugi konduksi. Tabung cair dapat dilas ke pelat penyerap atau dapat menjadi bagian dari pelat. Tabung fluida dihubungkan di kedua ujungnya oleh tabung header berdiameter besar.

Komponen-komponen Utama Flat-plate Collector

• Cover: Satu atau lebih lembaran kaca atau bahan pemancar radiasi lainnya.
• Heat removal fluid passageways: Tabung, sirip, atau saluran yang mengalirkan atau mengarahkan perpindahan panas fluida dari inlet ke outlet.
• Absorber plate: Pelat datar, bergelombang, atau beralur, yang tabung, sirip, atau saluran terpasang. Plate biasanya dilapisi dengan serapan tinggi, lapisan emisi rendah.
• Headers or manifolds: Pipa dan saluran untuk memasukkan dan mengeluarkan fluida.
• Insulation: Digunakan untuk meminimalkan kehilangan panas dari belakang dan samping pengumpul.
• Container: Casing mengelilingi komponen yang disebutkan di atas dan melindungi mereka dari debu, kelembaban, dan bahan lainnya.

Bahan Kaca (Glazing) Flat-plate Collector

Kaca telah banyak digunakan untuk melapisi kolektor surya karena dapat mentransmisikan sebanyak 90% dari iradiasi matahari gelombang pendek yang masuk saat transmisi hampir tidak ada radiasi gelombang panjang yang dipancarkan ke luar oleh pelat collector. Kaca jendela biasanya memiliki kandungan besi yang tinggi dan tidak cocok untuk digunakan dalam kolektor surya. Kaca dengan kandungan besi yang rendah memiliki sifat yang relatif transmitansi tinggi untuk radiasi matahari (sekitar 0,85 – 0,90 pada kejadian normal), tetapi transmitansinya pada dasarnya nol untuk gelombang panjang radiasi termal (5.0 – 50 μm) dipancarkan oleh permukaan yang dipanaskan matahari.

Kaca harus menerima penyinaran matahari sebanyak mungkin dan mengurangi kehilangan panas ke atas sebanyak mungkin. Meskipun kaca hampir buram pada radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh pelat kolektor, penyerapan radiasi menyebabkan peningkatan suhu kaca dan hilangnya panas ke atmosfer sekitarnya melalui radiasi dan konveksi.

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Kalogirou, Soteris A. 2009. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Amerika Serikat: Elsevier.

Radiasi termal adalah bentuk emisi dan perpindahan energi yang bergantung pada karakteristik suhu permukaan emisi. Tidak ada perantara, seperti pada perpindahan panas lainnya, yaitu konduksi dan konveksi. Radiasi termal sebenarnya adalah gelombang elektromagnetik yang merambat dengan kecepatan cahaya (C = 300.000 km/s dalam ruang hampa). Kecepatan ini terkait dengan panjang gelombang (λ) dan frekuensi (f) radiasi seperti yang ditulis dengan persamaan:

C = λf

Ketika seberkas radiasi termal datang pada permukaan benda, sebagian dipantulkan dari permukaan, sebagian diserap oleh benda, dan sebagian lagi disebarkan melalui benda. Berbagai besaran yang terkait dengan ini fenomena adalah fraksi radiasi yang dipantulkan, yang disebut reflektivitas (ρ); fraksi radiasi yang diserap, disebut absorptivitas (α); dan fraksi radiasi ditransmisikan, disebut transmisivitas (τ). Ketiga besaran tersebut dihubungkan, muncullah persamaan:

ρ+α+τ =1

Perlu dicatat bahwa besaran radiasi yang baru saja didefinisikan tidak hanya fungsi permukaan itu sendiri tetapi juga arah dan panjang gelombang radiasi . Oleh karena itu, Persamaan di atas berlaku untuk besaran rata-rata di atas seluruh spektrum panjang gelombang. Persamaan berikut digunakan untuk menyatakan ketergantungan besaran ini pada panjang gelombang:

ρ_λ + α_λ + τ_λ =1

• ρ_λ = reflektivitas spektral
• α_λ = penyerapan spektral
• τ_λ = transmisivitas spektral

Kebanyakan benda padat tidak tembus cahaya, sehingga τ = 0 dan ρ+α =1. Jika benda menyerap semua radiasi termal yang menimpa sehingga τ = 0 , ρ = 0, dan α =1 , terlepas dari karakter spektral atau preferensi arah radiasi, disebut benda hitam (blackbody). Ini adalah idealisasi hipotetis yang tidak ada dalam kehidupan nyata.

Benda hitam bukan hanya penyerap sempurna, tetapi juga dicirikan oleh batas atas emisi radiasi termal. Energi yang dipancarkan oleh benda hitam adalah fungsi dari suhunya dan tidak merata didistribusikan ke semua panjang gelombang. Tingkat energi emisi per satuan luas pada panjang gelombang tertentu disebut daya emisi monokromatik. Max Planck adalah orang pertama yang menurunkan hubungan fungsional untuk daya pancar monokromatik dari benda hitam dengan suhu dan panjang gelombang. Hal ini dilakukan dengan menggunakan teori kuantum, dan persamaan radiasi benda hitam Planck yang dituliskan:

E_bλ = C₁ / {λ⁵ [exp (C₂/ λT) -1]}

• E_bλ = daya pancar monokromatik benda hitam (W/m2 -μm).
• T = Temperatur benda (K)
• λ = Panjang gelombang (μm)
• C₁ = Konstanta = 3.74 x 10⁸ W-μm⁴/m²
• C₂ = Konstanta = 1.44 x 10⁴ μm-K

Daya emisivitas/pancar total E_b dan daya pancar monokromatik, E_bλ dari benda hitam dirumuskan menjadi

E_b = ∫E_bλ dλ

E_b = σT⁴ ; σ = Konstanta Stefan-Boltzmann = 5.6697 x 10^-8 W/m² -K⁴

Benda hitam juga merupakan pemancar sempurna, sehingga intensitas radiasinya, I_b konstan ke segala arah yang dapat dirumuskan menjadi:

E_b = I_b π

Tentu saja, permukaan benda nyata memancarkan lebih sedikit energi daripada benda hitam. Rasio total daya emisi E dari permukaan nyata dengan total emisi daya E_b dari benda hitam pada suhu yang sama, disebut emisivitas (ε) dari permukaan nyata yang dirumuskan sebagai

ε = E/E_b

Energi radiasi yang meninggalkan permukaan termasuk emisi aslinya dan sinar pantulannya. Tingkat emisi total meninggalkan permukaan per satuan permukaan daerah disebut radiositas ( J ), yang dapat dituliskan rumusnya menjadi

J = ε E_b + ρH ; H = Iradiasi pada permukaan per satuan luas permukaan (W/m²)

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Kalogirou, Soteris A. 2009. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Amerika Serikat: Elsevier.

Dalam perhitungan energi matahari, Apparent Solat Time/waktu matahari nyata (AST) harus digunakan untuk menyatakan waktu hari. Waktu matahari semu didasarkan pada gerakan sudut semu dari matahari melintasi langit. Waktu ketika matahari melintasi garis bujur pengamat adalah siang matahari lokal. Biasanya tidak bertepatan dengan pukul 12:00 pada waktu suatu daerah. Untuk mengubah waktu standar lokal menjadi waktu matahari nyata, dua perhitungan koreksi diterapkan yaitu persamaan koreksi waktu dan garis bujur.

Perhitungan Koreksi Waktu (Equation of Time)

Karena faktor-faktor yang berhubungan dengan orbit bumi mengelilingi matahari, kecepatan orbit bervariasi sepanjang tahun, sehingga waktu matahari nyata bervariasi sedikit dari waktu rata-rata yang disimpan oleh jam yang berjalan pada tingkat yang seragam. Variasinya disebut persamaan waktu/Equation of Time (ET). Persamaan waktu muncul karena panjang hari, yaitu waktu yang diperlukan bumi untuk menyelesaikan satu putaran pada sumbunya sendiri terhadap matahari, tidak seragam di seluruh tahun. Sepanjang tahun, rata-rata panjang hari adalah 24 jam; Namun, panjangnya sebuah hari bervariasi karena eksentrisitas orbit bumi dan kemiringan sumbu bumi dari bidang normal orbitnya. Karena eliptisitas orbit, bumi lebih dekat dengan matahari pada tanggal 3 Januari dan terjauh dari matahari pada tanggal 4 Juli. Karena itu kecepatan bumi mengorbit lebih cepat dari kecepatan rata-rata setengah tahun (dari sekitar Oktober hingga Maret) dan lebih lambat dari kecepatan rata-rata untuk sisa setengah tahun (dari sekitar April sampai September).

Nilai persamaan waktu sebagai fungsi hari dalam setahun ( N ) diperoleh kira-kira dari persamaan berikut:

ET = 9.87 sin(2B) – 7.53 cos(B) – 1.5 sin (B) [menit]

B = (N – 81) (360/364)

Perhitungan Koreksi Garis Bujur

Waktu jam standar dihitung dari garis bujur yang dipilih di dekat pusat dari zona waktu atau dari garis bujur standar Greenwich yang berada di garis bujur 0 °. Karena matahari membutuhkan waktu 4 menit untuk melintang 1 ° dari garis bujur, koreksi bujur 4 X (Bujur standar – Bujur lokal) harus ditambahkan atau dikurangi dengan waktu jam standar lokal. Koreksi ini konstan untuk garis bujur tertentu, dan aturan berikut harus diikuti. Jika lokasinya di sebelah timur garis bujur standar, koreksi waktu ditambahkan ke waktu jam. Jika lokasinya di barat, maka dikurangi. Persamaan umum untuk menghitung waktu matahari nyata (AST) adalah

AST = LST +ET ± 4 (SL – LL) – DS

• LST= local standard time.
• ET = equation of time.
• SL = standard longitude. (bujur standar)
• LL = local longitude. (bujur lokal)
• DS = daylight saving ( 0 – 60 min). (pemajuan waktu saat musim panas di daerah subtropis)

Jika suatu lokasi berada di sebelah timur Greenwich, tanda Persamaan. diatas adalah minus (-), dan jika barat, tandanya plus (+). Jika waktu musim panas digunakan, ini harus dikurangkan dari waktu standar setempat. Istilah DS tergantung pada apakah waktu musim semi beroperasi (biasanya dari akhir Maret hingga akhir Oktober) atau tidak. Istilah ini biasanya diabaikan dari persamaan ini dan dianggap hanya jika estimasi berada dalam periode DS.

Contoh Soal

Temukan persamaan AST untuk kota Nicosia, Siprus!

Untuk wilayah Siprus, bujur standar (SL) adalah 30 ° E. Kota Nicosia berada pada bujur lokal (LL) 33,33° timur Greenwich. Oleh karena itu, garis bujur koreksi adalah – 4 X (30 – 3.33) = 13,32 menit Jadi, Persamaan AST dapat ditulis menjadi

AST = LST + ET + 13.32 [menit]

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Kalogirou, Soteris A. 2009. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Amerika Serikat: Elsevier.