optimasi energi surya

RADIASI ENERGI SURYA

2.1. PENDAHULUAN

            Beberapa fakta tentang matahari (surya), matahari mempumyai diameter 1,39 x 10⁹m. bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk elips dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata rata matahari dari pemukaan bumi adalah 1,495 x 10¹¹m. waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Dari gambar dibawah menunjukan hubungan antara matahari dan bumi.

            Karena lintasan  bumi berbentuk elips, maka jarak matahari dari bumi tidak tetap. Jarak terdekat 1,47 x 10¹¹m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh 1,52 x 10¹¹m pada 4 juli. Perbedaan jarak ini hanya sekitar 3,3% dari jarak rata rata. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi permukaan di luar atmosfer akan berbeda setiap hari. Radiasi biasanya di simbolkan dengan G_on, pada hari yang ke n dirumuskan oleh Duffie dan Beckmann (1991):

G_on = G_sc                                                                                                                     (1)

Sementara G_sc = 1367 W/m² adalah konstanta surya.

Untuk yang lebih teliti dapat digunakan persamaan yang di ajukan oleh spencer  (1971):

G_on = G_sc (1,00011 + 0,034221cosB + 0,00128sinB + 0,0007192B + 0,000077sin2B)             (2)

Dimana B dirumuskan dengan:

B = ( n – 1)                                  (3)

               

2.2. Definisi – definisi

            Beberapa istilah berikut akan di jumpai selama  pembhasan.

a.      Air mass, m

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang di lalui sinar jika matahari tetap pada posisi zenith. Artinya pada posisi tegak lurus (zenith=0) nilai m = 1, pada posisi zenith 60, m = 2 pada posisi zenith dari 0 -70⁰, dirumuskan:

m =                                          (4)

b.      Beam  radiation

Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).

c.       Diffuse radiation

Radiasi energy surya dari matahari yang telah dibelokan oleh atmosfer.

d.      Total radiation

Dalah jumlah beam dan diffuse radiation.

e.      Irradiance (W/m²)

Adalah laju energy radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut. Solar irradiance biasanya disimbolkan G. dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya di sebut dengan intensitas radiasi.

f.        Irradiation atau radian exposure (J/m²)

Jumlah energy radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari disimbolkan H dan untuk 1 jam biasanya 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 penunjukan jam biasa (standart time, disimbolkan STD ) Hubunhannya adalah:

ST = STD ±4(L_st-L_ioc) + E                       (5)

Pada persamaan ini L_st standard meridian untuk waktu local. L_ioc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, juka daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus di depan angka4 dan jika bujur brat adalah tanda plus.

E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh spencer (1971):

E = 229,2(0,000075 = 0,001868cosB -  0,032077sinB – 0,014615cos2B – 0,04089sin2B (6)

Parameter B dihitung dengan menggunakan persamaan     (3)

Contoh 1:

Sebuah kota pada posisi 89,4⁰BB dan derajat waktu standardnya adalah 90⁰BB sedang menunujukan pada pukul 10:33. Tentukan jam matahari saat itu pada tangga 3 februari.

Penyelesaian:

Pada tanggal 3 februari n=34. Dengan menggunanakan persamaan  (3) didapat B = 32,54⁰. Dengan persamaan (6) didapat E = -13,5 menit. Maka waktu mataharinya adalah:

ST = 10:30 + 4(90 – 89, 4) – 13,5 = 10:19

2.3. Arah Radiasi

            Karena garis edar semu matahari di angkasa cukup kompleks, maka akan dikenal beberapa sudut untuk mendefinisikannya. Beberapa sudut akan didefinisikan pada gambar di bawah ini

Slopeβ adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0 ≤ β ≤ 90⁰ . sudut azimuth permukaan y adalah sudut penyimpangan sinar pada bidang proyeksi diamana 0⁰ pada selatan dan positif ke barat. Sudut penyinaran 𝞠 (angle accident) adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari α_s (solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimuth matahari y_s adalah sudut proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dank e barat adalah positif.

            Sudut lain sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan bumi antara lain sudut deklinasi δ, yaitu kemiringan sumbu terhadap garis, perhitungan berdasarkan jam (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15⁰  dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15⁰. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω = 0, pukul 11.00 pagi ω=- 15⁰ menit dan pukul 14.00, ω=30⁰.

Sudutb deklinasi dapat dihitung dengan persamaan yang diajukan cooper(1961):

δ  =                                                                  (7)

spencer (1971) mengajukan persamaan yang lebih teliti:

δ = c₁ + c₂ cos B + c₃ sin B + c₄ cos2B + c₅ sin2B + c₆ cos 3B + c₇ sin3B                                   (8)

dimana c₁=0,006918, c₂=-0,399912, c₃=0,070257,c₄=-0,006758,c₅=0,00907, c₆=-0,002679,c₇=0,00148. B dihitung dengan menggunakan persamaa (3) dan n adalah urutan hari pada satu tahun.

Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada table

Bulan	Niali n pada hari Yang ke - i
Januari	I
Februari	31+i
Maret	59+i
April	90+i
Mei	120+i
Juni	151+i
Juli	181+i
Agustus	212+i
September	243+i
Oktober	273+i
November	304+i
desember	334+i

            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:

Cos 𝞠 = sin δ Ø sin β – sin β cos Ø cos y + cos δ cos Ø cos β cos ω + cosδ sin Ø sin β cos y cos ω + cos δ sin β sin y sin ω                                                                            (9)

Atau

Cos 𝞠 = cos 𝞠_z cos β + sin 𝞠_z sin β cos(y_s – y)                                               (10)

            Kedua persamaan ini berlaku umum, dimana semua sudut di perhitungkan. Ada beberapa kasus yang umum dipakai dalam perhitungan sudut penyinaran, misalnya jikia suatu permukaan tepat diletakan pda garis utara-selatan, hal ini umum dilakukan saat menempatkan sebuah solar kolektor. Pada ksus ini sudut azimuth akan benilai nol y=0 atau y=90. Padsa permukaan vertical (β=90⁰), persamaan (9) menjadi:

Cos 𝞠 = -sinδ cos Ø cos y + cos δ sin Ø cos y cos ω + cos δ sin y sin ω                     (11)

Pada permukaan datar (β = 0⁰), persamaan (9) menjadi:

Cos 𝞠_z = cos Ø cos δ cos ω + sin Ø sin δ                                                                    (12)

Dan sudut azimuth matahari dihitung dengan persamaan berikut:

Y_s = sign (ω) │cos ^-1                                       │                                                                        (13)