MAKALAH OSN-PERTAMINA 2012BIDANG FISIKA
PEMANFAATAN ENERGI SURYA MELALUI TEKNOLOGI NON-PHOTO-VOLTAIC UNTUK PEMANAS AIR DAN PEMANAS RUANGAN
Oleh:ETHELBERT DAVITSON PHANIAS222184
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKAJURUSAN PENDIDIKAN MIPAFAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKANUNIVERSITAS PALANGKARAYA2012
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan Puji Syukur Kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat-Nya, sehingga penulisan makalah dengan judul Pemanfaatan Teknologi Hibrid Berbasis Energi Surya Dan Angin Untuk Rumah Tangga ini dapat selesai sesuai waktu yang ditentukan, makalah ini disusun untuk memenuhi syarat FINAL SELEKSI OSN PERTAMINA TINGKAT PROVINSI.Saya menyadari dalam pembuatan makalah ini masih cukup banyak terdapat kekurangan-kekurangan.Sehingga saya juga mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk kesempurnaan makalah ini lebih lanjut.Atas perhatian dan partisipasinya saya selaku penyusun mengucapkan terima kasih.Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita semua.AMIN.
Palangka Raya,Oktober 2012Ethelbert Davitson Phanias
BAB IPENDAHULUAN
A. Latar BelakangIndonesia merupakan salah satu negara yang terletak di khatulistiwa serta negara beriklim tropis sehingga matahari bersinar sepanjang tahun. Kondisi ini dapat menjadikan matahari menjadi alternatif sumber energi masa depan. Sumber energi ini merupakan sumber yang tak akan habis bila digunakan sebagai sumber energialternative. Walau Indonesia mempunyai cadangan minyak dan gas bumi yang relatif banyak akan tetapi perlukiranya memperdayakan sumber energi lainnya mengingat minyak, batu bara dan gas bumi adalah sumber energi akan habis dan tidak terbarui.Perkembangan peradaban umat manusia di dunia pada era modern ini diikuti oleh eksploitasi terus-menerus sumber-sumber energi berbasis fosil, seperti minyak bumi, batubara, dan lain-lain, untuk kelangsungan aktivitas-aktivitas hidup umat manusia. Karena sumber-sumber energi berbasis fosil tidak dapat diperbaharui, ketersediaannya semakin berkurang , sehingga cepat atau lambat akan habis padasuatu masa. Di lain pihak, sesungguhnya alam menyediakan berbagai sumber energi lain yang berlimpah, yang sebagian di antaranya dapat diperoleh secara langsung dan cuma-cuma oleh masyarakat, seperti energi surya dan energi angin. Permasalahannya adalah, berbeda dengan hasil-hasil sumber energi fosil yang umumnya dibentuk sebagai bahan bakar minyak, energi surya dan energi angin tidak dapat dipindah-tempatkan dan dikonversi ke bentuk energi lain secara mudah, efektif, dan efisien. Namun demikian, upaya-upaya pengembangan teknologi untuk mengeksploitasi energi surya dan energi angin telah marak dilakukan di dunia dengan segala kendala dan keterbatasannya.Untuk mengatasi masalah tersebut maka diperlukan usaha-usaha untuk mencari sumber energi alternatif seperti energi tenaga air, batu bara, geothermal, gas alam, solar cell, dan sel bahan bakar seperti penggunaan biomassa dan lain-lain. Keunggulan dari energi matahari (solar cell) ini dibandingkan dengan sumber energi alternatif lainnya adalah tidak bersifat polutif, berlimpah, bersifat terbarukan, gratis, tidak pernah habis,dan dapat dimanfaatkan baik secara langsung maupun tidak langsung dan merupakan sumber energi sepanjang masa.Potensi penggunaan energi matahari ini dapat kita manfaatkan untuk penyinaran,pemanas air, pengering hasil pertanian dan perikanan,perkembangan tumbuhan,sebagai bahan bakar,penghasil tenaga listrik dan lain-lain.Sejauh ini, pemanfaatan sumber energi matahari yang paling banyak yaitu untuk pemanas.Pemanas air dengan menggunakan tenaga matahari atau lebih dikenal dengan sebutan solar water heater system yang belakangan ini banyak dibicarakan.Pemanas air ini memanfaatkan energi dari alam yang tidak akan habis.Bandingkan dengan pemanas air yang menggunakan tenaga listrik,gas atau minyak bumi. Seperti yang kita ketahui saat ini suplai listrik sangat terbatas,apalagi di beberapa daerah masih mengalami krisis listrik. Selain itu dari sisi ekonomi,biaya yang dikeluarkan untuk membayar tagihan listrik juga semakin tinggi untuk setiap tahunnya. Sama halnya dengan pemanas air yang menggunakan energi gas, sebagaimana kita ketahui bahwa minyak bumi dan gas merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui,yang tentunya akan habis apabila digunakan secara terus-menerus.
B. Rumusan MasalahAdapun rumusan masalah pada makalah ini adalah :1. Apa saja kelebihan dan kekurangan dari pemanas non-photo-voltaic?2. Mengapa pemanas air dan pemanas ruangan dari energi surya begitu penting?3. Bagaimana mendesain sistem pemanas air dan pemanas ruangan yang efektif dan efisien?
C. Tujuan PenelitianAdapun tujuan penelitian pada makalah ini adalah:1. Mengetahui kelebihan dan kekurangan dari pemanas non-photo-voltaic.2. Mengetahui pentingnya pemanas air dan pemanas ruangan dari energi surya.3. Mengetahui bagaimana mendesain sistem pemanas air yang efektif dan efisien.
D. Batasan MasalahPenulis hanya membatasi masalah pada lingkup :1. Tenaga atau energi yang digunakan adalah energi dari radiasi sinar matahari.
E. Manfaat PenelitianHasil dari penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat dalam beberapa hal yaitu:1. Memperkenalkan desain sistem pemanas air menggunakan radiasi sinar matahari kepada masyarakat luas.Terutama bagi mereka yang menggunakan air panas untuk keperluan mandi keluarga.2. Diharapkan agar masyarakat khususnya masyarakat pengguna air panas/hangat untuk kebutuhan mandi keluarga dapat mengetahui,memahami,dan dapat mendesain alat tepat guna sebagai pemanas air alternatif selain pemanas air tenaga listrik,minyak bumi atau gas yang mana jumlah cadangannya semakin menipis. 3. Sebagai penerapan dari ilmu perpindahan panas yang diterapkan pada pemanas air dengan memanfaatkan energi dari radiasi matahari.
BAB IITINJAUAN PUSTAKA
A. MatahariMatahari adalah bintang yang terdapat di jagat raya ini dan berada paling dekat dengan bumi.Matahari menyadiakan energi yang dibutuhkan oleh kehidupan di bumi ini secara terus-menerus dan berputar pada porosnya.Sumber energi berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah energi surya dan energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari. Energi surya sangat aktif karena tidak bersifat polutif dan tidak dapat habis. Akan tetapi arus energi yang rendah mengakibatkan digunakannya sistem dan kolektor yang permukaannya luas untuk mengumpulkan dan mengkonsentrasikan energi matahari ini.
1. Karakteristik MatahariMatahari bintang terdekat yang memberikan energi untuk mempertahankan kehidupan dibumi.Jika kita memandang matahari ketika terbit dan terbenam atau melalui lapisan awan,maka matahari tampak seperti piringan yang pinggirnya jelas. Piringan matahari yang tampak ini disebut fotosfer. Dalam suatu kesempatan kita dapat melihat noda-noda (spots) hitam pada fotosfer. Diameter matahari sekitar 14 x 105 km atau 109 kali diameter bumi. Massa matahari 333.400 kali massa bumi atau secara pendekatan 1,99 x 1030 Kg. Dengan mengetahui ukuran dan massa matahari maka diperoleh densitas matahari rata-rata 1,41 g/cm3 yang lebih rendah seperempat kali dibandingkan densitas bumi rata-rata.Diatas fotosfer terdapat lapisan kromosfer atau lapisan warna (sphere of color) yang tebalnya sekitar 16.000 km. Kromosfer menandai transisi dari fotosfer ke atmosfer matahari bagian luar yang meluas sampai jutaan kilometer ke dalam angkasa.2. Energi MatahariSetiap menit matahari meradiasikan energi sebesar 56 x 1026 kalori. Energi matahari persatuan luas pada jarak jauh dari permukaan bola dengan matahari sebagai pusat bulatan dan jari-jari bulatan 150 juta Km (jarak rata-rata bumi dengan matahari) adalah:S = = 2,0 kal.cm-2 menit-1 (pembulatan) = Langley menit-1 S = 2,0 Ly menit-1, yang disebut konstana matahari
Energi matahari yang diterima bumi dengan jari-jari 6370 km adalah :Eb = a2 S= 3,14 x (637 x 106 cm)2 x 2 kal cm-2 menit-1= 2,55 x 1018 kal.menit-1= 3,67 x 1021 kal/hari
B. Radiasi Matahari1. PengertianRadiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium (ini yang menyebabkan mengapa perpindahan panas radiasi sangat penting pada ruang vakum),disamping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperatur benda tersebut.Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi,karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer.Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer.2. Sifat sifat RadiasiGelombang elekromagnetik berjalan melalui suatu medium (vacum) dan mengenai suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan sedangkan,gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus kedalam medium atau permukaan yang dikenainya.Pada saat melalui medium, intensitas gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan tersebut berlangsung sampai tidak ada lagigelombang yang akan menembus permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang bertingkah laku seperti benda hitam.Jika gelombang melalui suatu medium tanpa mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda yang bertingkahlaku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya.Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam.Benda non logam umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya,oleh karena itu kita sebut sebagai penyerap paling baik atau permukaan hitam.3. Karakteristik Radiasi dari Permukaan yang Bertingkah laku seperti Benda Hitam.a) Emisi PermukaanSifat dari permukaan radiasi (emisivitas) didefinisikan sebagai perbandingan radiasi yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam pada temperatur yang sama.Emisivitas mempunyai nilai yang berbeda tergantung kepada panjang gelombang dan arahnya.Nilai emisivitas bervariasi dari 0-1,di mana benda hitam mempunyai nilai emisivitas 1.b) Absorpsivitas (Penyerapan)Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal ini bergantung kepada radiasi yang datang ke kepermukaan. Absorpsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi dimana tidak semua energi diserap oleh permukaan tersebut,melainkanada sebagian yang dipantulkan atau ditransmisikan.Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.
c) TransmisivitasTransmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.
C. Perpindahan KalorKalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi kebenda lain dengan temperatur yang lebih rendah.Bagaimanapun, fluida kalor tidak pernah dideteksi. Kemudian diabad ke 19 ditemukan bahwa berbagai fenomena yang berhubungan dengan kerja dan energi.Pertama kita lihat bahwa suatu satuan yang umum untuk kalor, yangmasih digunakan sekarang dinamakan kalori.Satuan ini disebut kalori (kal) dan didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur 1gram air sebesar 1 derajat celcius (Giancoli. 2001: 489).Jika kalor diberikan pada suatu benda maka temperaturnya naik.Pada abad ke 18,orang-orang yang melakukan percobaan telah melihat bahwa besar kalor Q yang dibutuhkan untuk merubah temperatur zat tertentu sebanding dengan massa m zat tersebut dan dengan perubahan temperatur T. Keserdehanaan alam yang menakjubkan ini dapat dinyatakan dalam persamaanQ = mc TKeterangan: Q adalah kalorm adalah massa zatT adalah perubahan temperaturc adalah kalor jenis(Giancoli. 2001: 492).Kalor berpindah dari suatu tempat ke tempat dengan tiga cara,konduksi,konveksi dan radiasi.1. KonduksiPada proses konduksi,kalor dipindahkan melalui benda perantara, namun benda perantaranya tidak ikut berpindah.Proses konduksi terjadi karena elektron-elektron bebas atau fonon (paket gelombang akustik) yang berpindah.Jadi, tidak tampak perpindahannya secara makroskopik.Jika atom atau molekul suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebih tinggi daripada molekul di tempat lain, maka atom atau molekul tersebut akan bergerak dengan energi lebih besar daripada bagian lainnya.Melalui proses tumbukan, energi dapat dipindahkan kepada molekul-molekul atau atom lainnya
.
2. KonveksiKonveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massa medianya,dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya perbedaan kecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat pada perbedaan berat jenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi akan mempunyai berat jenis yang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida sejenisnya yang bersuhu lebih rendah.Karena itu, maka fluida yang bersuhu tinggi akan naik sambil membawa energi.Hal inilahyang berakibat pada terjadinya perpindahan kalor konveksi.3. RadiasiRadiasi adalah proses perpindahan kalor melalui perambatan gelombang elektromagnetik.Misalnya,pada perambatan energi dari matahari ke bumi.Penggunaan gelombang mikro pada alat masak dan lain sebagainya. Banyaknya kalor yang dipindahkan tiap satuan waktu melalui proses radiasi dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmann sebagaiP = e A T4e adalah emisivitas, yaitu bilangan tak berdimensi yang menyatakan kemampuan benda untuk memancarkan kalor,atau sama dengan perbandingan antara energi yang dipancarkannya oleh benda hitam sempurna.Benda hitam sempurna adalah benda yang memancarkan seluruh energi secara sempurna. Yang dimaksud dengan benda hitam sempurna bukanlah benda yang berwarna hitam.Suatu lubang kecil yang menyebabkan radiasi yang mengenainya terjebak dalam lubang (karena pemantulan berulang-ulang sebelum diserapnya) merupakan benda yang memiliki sifat ini.
Keterangan: adalah tetapan Stefan Boltzmann, yang besarnya sama dengan 5,67 x 10-8 J/(sm2k4)A adalah luas permukaan benda yang memancarkan kalor.T adalah suhu benda yang memancarkan kalor.
D. TemperaturPerpindahan energi sebagai panas selalu bertolak dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi kebenda yang temperaturnya lebih rendah.Istilah hangat dan dingin menyatakan temperatur relatif kedua benda tersebut. Temperatur dapat dipandang sebagai pontesial pendorong bagi berlangsungnya pepindahan energi sebagai panas.Gagasan penting lainnya mengenai temperatur adalah bahwa sifat ini merupakan penunjuk bagi arah perpindahan energi sebagai panas.Energi cenderung untuk berpindah sebagai panas dari berbagai daerah bertemperatur tinggi ke berbagai daerah bertemperatur rendah.Jika dua buah sistem berada dalam keseimbangan termal, keduanya haruslah mempunyai temperatur yang sama.Jika setiap sistem tersebut berada dalam keseimbangan dengan sistem ketiga,maka ketiganya mempunyai temperatur yang sama,jadi ketiganya berada dalam keseimbangan termal.Pada keadaan ini kalor/panas tidak akan mengalir dari satu sistem ke sistem lainnya.
E. Karakteristik AluminiumTembaga (Cu) mempunyai sistim kristal kubik, secara fisik berwarna kuning dan apabila dilihat dengan menggunakan mikroskop bijih akan berwarna pink kecoklatan sampai keabuan.Unsur tembaga terdapat pada hampir 250 mineral, tetapi hanya sedikit saja yang komersial. Pada endapan sulfida primer, kalkopirit (CuFeS2) adalah yang terbesar, diikuti oleh kalkosit (Cu2S),bornit (Cu5FeS4),kovelit (CuS),dan enargit (Cu3AsS4).Mineral tembaga utama dalam bentuk deposit oksida adalah krisokola (CuSiO3.2HO), malasit (Cu2(OH)2CO3), dan azurit (Cu3(OH)2(CO3)2).Walaupun tembaga mempunyai daya gabung yang tinggi terhadap oksigen,dan karena itu dikatakan bahwa mudah sekali mengoksidasi (berkarat), dalam kenyataannya mempunyai daya tahan karat yang sangat baik.Hal itu disebabkan oleh lapisan tipis,akan tetapi jenuh oksigen yang terbentuk pada permukaan akan melindunginya dari serangan atmosfer.Disamping sifat tahan karat yang baik,tembaga mempunyai sifat penghantar panas yang tinggi setelah perak.
F. Fluida1. Tekanan pada fluidaTekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas,dimana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A:Tekanan P = (Giancoli.2001:326)keterangan: P adalah tekananF adalah gayaA adalah luas permukaanSatuan SI untuk tekanan adalah N/m2 .Satuan ini mempunyai nama resmi pascal (Pa).2. Gerak Fluida dan Laju AliranDua jenis aliran utama pada fluida yaitu lurus atau laminar dan aliran turbulen.Aliran lurus atau laminar adalah jika aliran tersebut mulus,yaitu lapisan-lapisan yang bersebelahan meluncur satu sama lain dengan mulus. Sedangkan aliran turbulen ditandai dengan lingkaran-lingkaran tak menentu, kecil dan menyerupai pusaran yang disebut sebagai arus eddy.Laju aliran massa didefinisikan sebagai massa m dari fluida yang melewati titik tertentu persatuan waktu t; laju aliran massa = m/t. Pada gambar volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A1) dalam waktu t adalah A1l1, di mana l1 adalah jarak yang dilalui fluida dalam waktu t. Karena kecepatan fluida yang melewati titik 1 adalah v1 = l1/t,laju aliran massa m/t melalui luas A1 adalah
(Giancoli.2001:340)
Aliran Fluida Melalui Pipa yang Diameternya Berubah-ubahDimana V1 = A1 l1 adalah volume dengan massa m1 dan 1 adalah massa jenis fluida. Dengan cara yang sama, pada titik 2 (melalui luas A2), laju alir adalah 2A22.Karena tidak ada aliran fluida yang masuk atau keluar dari sisi-sisi, laju aliran melalui A1 dan A2 harus sama. Dengan demikian, karena:
maka
(Giancoli.2001:340).Persamaan ini disebut persamaan kontinuitas.Jika fluida tersebut tidak dapat ditekan ( tidak berubah terhadap tekanan),yang merupakan pendekatan yang baik untuk zat cair dalam sebagian besar kondisi (dan kadang-kadang juga untuk gas), maka 1 = 2 dan persamaan kontinuitas menjadi
A11 = A22 [ = konstan](Giancoli.2001:340)Persamaan ini memberitahu kita bahwa di mana luas penampang lintang besar, kecepatan kecil,dan di mana luas penampang kecil,kecepatan besar.Untuk mendapatkan kalor yang maksimal maka luas penampang dibuat besar dan debit air yang digunakan kecil.3. Perpindahan Kalor Pada AirSebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan temperatur.Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi),air tidak mengikuti pola yang biasa. Jika air pada 0C dipanaskan volumenya menurun sampai mencapai 4C. Di atas 4C air berperilaku normal dan volumenya memuai terhadap bertambahnya temperatur.Air dengan demikian memiliki massa jenis yang paling tinggi pada 4C.Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika kita mengamati temperatur air didanau yang temperaturnya di atas 4C dan mulai mendingin karena kontak langsung dengan udara yang dingin.Air yang berada di atas permukaan danau akan tenggelam karena massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat.Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap (konstan)(Giancoli.2001:357).
Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan;P = ghDimana, P adalah tekanan adalah massa jenis zat cair (dianggap konstan)g adalah percepatan gravitasih adalah kedalaman dari permukaan air danau
misalkan:
Dari keterangan diatas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu berada pada bagian pemukaan air.Hal ini dikarenakan massa jenis air panas lebih kecil daripada massa jenis air dingin,dengan sendirinya air panas akan berada pada permukaan.
G. AirAir adalah zat yang sangat umum di muka bumi.Air menempati lebih dari 70 % planet kita,dan kadarnya bisa lebih besar atau lebih kecil di dalam tanah, udara, dan organisme yang ada di mana-mana.Air berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, dan bergerak dari satu tempat ke tempat yang lainnya dan air tidak dapat dibuat. Air adalah suatu zat yang luar biasa dan mempunyai sifat yang sangat unik dalam berbagai karakteristik yang penting.Misalnya saja,air adalah satu-satunya zat yang dapat ditemukan dalam tiga keadaan (fase) yaitu: cair, padat, gas. Kandungan besar dari embun bumi berbentuk air.Air dapat diubah menjadi bentuk gas (uap air) dengan penguapan, atau menjadi bentuk padat (es) dengan membekukannya.Uap air dapat diubah menjadi air dengan kondensasi atau secara langsung menjadi es dengan sublimasi. Es dapat diubah menjadi air dengan mencairkannya atau menjadi uap air dengan sublimasi. Dalam masing-masing proses akan terjadi penambahan atau pengurangan panas. Embun pada tanaman dapat keluar melalui daun-daunan menuju udara sebagai uap dalam suatu proses yang disebut transpirasi.
BAB IIIMETODOLOGI PENELITIAN
A. Energi SuryaEnergi surya adalah energi yang didapat dengan mengubah energi panas surya melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain. Hanya dalam satu detik, Matahari mengeluarkan 13 juta kali energi yang dihasilkan oleh semua listrik yang dikonsumsi dalam satu tahun di Amerika Serikat. Hanya sepersejuta energi matahari mencapai bumi, tetapi jumlah ini sedikit akan lebih dari cukup untuk memenuhi kebutuhan energi dari seluruh planet kita. Kesulitan relatif dalam mengekstraksi energi dari Matahari, bila dibandingkan dengan sistem yang memperoleh energi dari bahan bakar fosil atau tenaga nuklir, telah menghambat perkembangannya sebagai sumber luas energi. Pada skala yang lebih kecil dan dalam proyek-proyek eksperimental banyak, namun energi matahari telah terbukti sangat efektif dalam menghasilkan baik listrik dan panas.Energi matahari pertama kali dieksplorasi untuk keperluan listrik pada 1950-an, ketika kebutuhan untuk pembangkit listrik terus listrik pada satelit ruang melahirkan pengembangan sel surya di Bell Telephone Laboratories dari Amerika Serikat. Bahkan saat ini, meskipun, sel surya silikon terbaik mengkonversi sinar matahari menjadi tenaga listrik dengan hanya 18% efisiensi. Namun, percobaan telah memanfaatkan matahari listrik yang dihasilkan dengan sukses besar.
B. Energi Surya Non-Photo-VoltaicEnergi surya merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dimanfaatkan melalui dua macam teknologi yaitu teknologi fotovoltaik (PV) dan teknologi fototermik (surya termal). Teknologi PV mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik melalui perangkat semikonduktor yang disebut sel surya, sedangkan teknologi surya termal memanfaatkan panas dari radiasi matahari dengan menggunakan alat pengumpul panas atau yang biasa disebut kolektor surya.Pada sistem surya termal (non-photo-voltaic), kolektor surya menyerap radiasi matahari dan mengkonversinya menjadi energi panas yang digunakan untuk memanaskan medium fluida seperti air atau udara yang dapat digunakan secara langsung atau pun tidak langsung untuk berbagai aplikasi seperti ; pemanas air (water heater), pengering hasil pertanian (solar dryer), distilasi / desalinasi, memasak (solar cooker), pendingin surya (solar cooling), pembangkit listrik (solar thermal power plant), etc. Selain itu teknologi surya termal juga berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai sumber pemanas tambahan untuk proses-proses produksi pada industri yang membutuhkan energi termal.Energi surya Non-Photo-Voltaic tanpa perlu mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik, jadi disinilah kelebihan dari Non-Photo-Voltaic. Selain mudah digunakan biayanya pun tidak terlalu mahal. Namun kekurangannya,teknologi ini hanya bersifat sementara dan hanya berguna memanaskan medium Fluida seperti air dan udara saja.
C. Pentingnya Energi Surya Non-Photo-VoltaicSel surya mengandalkan bahan silikon sebagai material penyerap cahaya matahari. Dan harga silikon ini meningkat seiring dengan permintaan industri semikonduktor ditambah dengan suplai bahan baku silikon yang terbatas. Silikon yang dipakai sebagai bahan dasar chip di dunia mikroelektronika/semikonduktor ini semakin dibutuhkan mengingat adanya peningkatan tajam untuk produksi peralatan elektronika mulai dari komputer, monitor, televisi dsb. Hal ini diperparah dengan jenis sel surya yang paling banyak dipasarkan di dunia yakni sel surya jenis silikon sehingga sel surya secara langsung harus berkompetisi dengan industri lain untuk mendapatkan bahan baku silikon. Jika seseorang ingin membeli sel surya untuk keperluan penerangan rumah tangga yang sekitar 900 Watt, maka secara kasar biaya yang perlu dikeluarkan (diinvestasikan?) sebesar 900 Watt x US$ 8 = US$ 7200. Harga ini sudah termasuk biaya pemasangan dan beberapa komponen pendukung untuk dipasang di atap sebuah rumah.Untuk negara berkembang seperti negara Indonesia ini,harga untuk sebuah panel surya masih terlalu mahal,sehingga masing jarang rumah-rumah warga yang menggunakan Panel Surya. Tetapi dengan hadirnya Energi surya Non-Photo-Voltaic sungguh sangat membantu masyarakat,karena biayanya cukup murah dan tidak perlu mengeluarkan uang untuk membayar tagihan listrik.
D. Pemanas Ruangan Panas yang terjadi didalam ruang pemanas sebagai akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari yang dikenal dengan efek rumah kaca (Green House Effect),diserap benda yang ada didalamnya, sebagian energi ini diserap dan dipantulkan dalam bentuk gelombang panjang yang tidak tembus penutup transparan.Pemanasan ruang dengan bantuan sinar matahari langsung merupakan sistem pemananasan yang sudah lama dikenal,umumnya digunakan untuk keperluan pengeringan (direct solar drying) dimana produk dimasukkan ke dalam alat pengering yang transparan sehingga sinar matahari langsung mengenai produk yang berada di dalam alat pengering.Ruang pemanas efek rumah kaca yang digunakan untuk pengeringan (green house effect solar dryer) diperkenalkan pertama kali oleh Kamaruddin A.et al. Pada tahun 1990. Panas yang terjadi didalam ruang pemanas merupakan efek rumah kaca (Green House Effect)sebagai akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari, diserap benda yang ada didalamnya,sebagian energi ini diserap dan dipantulkan dalam bentuk gelombang panjang yang tidak tembus penutup transparan. Lapisan penutup transparan memungkinkan radiasi gelombang pendek dari matahari masuk dan menyekat radiasi gelombang panjang.
Jika matahari mengenai bahan tembus cahaya, maka sebagian sinar itu diteruskan selain di serap dan dipantulkan kembali. Oleh karena itu penutup transparan memerlukan bahan yang memiliki daya tembus (transmissivity) yang tinggi dengan daya serap (absortivity) dan daya pantul (reflectivity)yang rendah agar dapat memerangkap gelombang pendek sebanyak mungkin.
1. Peralatan PercobaanRuang pemanas tipe kubus mempunyai bentuk seperti gambar dibawah.Rangka dari ruang pemanas dibuat dengan menggunakan besi hollow, sedangkan dindingnya menggunakan polycarbonatepada dinding terdapat dua buah jendela dan satu buah vortek dibagian atap untuk sirkulasi udara . Dimensi dari ruang pengering ini adalah panjang 3m, lebar 2m dan tinggi 2,25 m, lantai dari batu bata yang bewarna hitam. Pengering ini mempunyai dua buah pintu yang memudahkan dalam pengambilan data dan waktu loading -unloadingnantinya sewaktu dilakukan proses pengeringan.
Keterangan gambar : 1. Kipas outlet 2. Lantai 3. Tungku biomassa4. Sensor temperatur 5. Kipas inlatDalam alat ini akan dilakukan pembuatan ruang pemanas dan tungku biomassa serta dilakukan pengujian temperatur ruang pemanas dengan cahaya matahari langsung dan dengan tungku biomassa, diharapkan melalui alat ini didapatkan temperatur ruang pemanas berada pada range50C sampai dengan 70C, agar dapat diterapkan untuk alat pengering kulit, hasil pertanian dan laut.
E. Pemanas AirPemanfaatan energi matahari dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pada sistem modul surya dan sistem pemanas air. Dalam sistem pemanas air, panas matahari merupakan sumber utama yang dibutuhkan, serta sebuah kolektor pengumpul panas yang berfungsi mengumpulkan panas matahari serta memperbesar suhu dari panas matahari dalam suatu ruangan tertutup yang didalamnya terdapat pipa tembaga yang dirancang sedemikian rupa sebagai tempat air melakukan sirkulasi.Pemanas air dengan tenaga surya dapat digunakan dalam kebutuhan sehari-hari seperti mencuci, mandi, dan lain sebagainya. Karena menggunakan panas matahari sebagai sumber energinya, maka hasilnya bergantung pada keadaan cuaca dalam mempengaruhi radiasi panas matahari yang sampai ke Bumi.Pengalaman sehari-hari membuk-tikan bahwa aliran air yang dikucurkan dari kran selalu diawali oleh aliran air yang memiliki panas cukup tinggi. Namun aliran air panas ini hanya berlangsung sesaat dan kemudian akan terasa sejuk biasa. Hal ini menunjukkan bahwa air yang tertampung disepanjang instalasi pipa mampu menyimpan energi panas atau kalor. Hipotesis merujuk bahwa aliran air panas sesaat ini berasal dari kalor yang tersimpan di dalam pipa air yang memperoleh energi panas dari semen beton yang menutupi pipa tersebut. Sedangkan panas di dalam semen beton berasal dari cahaya surya yang menyinari permukaaan semen beton melalui mekanisme konduksi panas.Penelitian ini dimulai dengan merancang medium perantara bagi penyerap kalor/energi surya dalam bentuk campuran semen-karbon dengan komposisi 7:3. Di dalam medium ini ditanamkan pipa tembaga yang tersusun secara spiral planar (mendatar). Bingkai kotak berukuran 100 cm x 70 cm, tinggi 5 cm dan tebal 2 cm. Diameter dalam dan luar pipa tembaga masing-masing adalah 11,0 mm dan 12,5 mm dan panjang keseluruhan pipa 8,3 m.
Selanjutnya medium perantara ini disusun menjadi sebuah sistem pemanas air dalam ukuran yang masih dikategorikan prototipe.
Kehandalan prototipe sebagai sebuah sistem pemanas diuji berdasar persamaan dengan mengkondisikan air yang sebelum statis menjadi dinamis di dalam medium penerima kalornya. Dari sini diperoleh persamaan matematika yang mendeskripsikan variabel yang paling berperan dari susunan prototipe.
B menyatakan besaran/ukuran kinerja pemanas (C/jam), 1dan 1 + i masing-masing me-nyatakan suhu air di dalam tangki pada jam ke -t1 dan pada jam ke -t1 + i dalam satuan (C), t1 dan t1 + i waktu penyinaran ke-1 dan ke-(1 + i) dalam satuan (jam) dan menyatakan rapat massa air (kg/m3).Pemantauan suhu dilakukan secara manual menggunakan termometer digital setiap lima belas menit sekali pada tiap harinya selama bulan basah (frekuensi hujan tinggi) dan bulan kering (frekuensi hujan rendah). Probe termometer digital diletakkan pada bagian atas tangki/tandon air guna memantau suhu air.Laju asupan energi panas menyatakan jumlah panas yang diterima oleh air dalam satuan waktu, secara matematis dituliskan sebagai P= Q/t. Jika parameter waktu dinyatakan dalam satuan detik, maka laju asupan panas dituliskan P= 4,193 m (/t).Dari persamaan diketahui bahwa :
Maka, P= 4,193 m.B(kJ/s)
BAB IVPEMBAHASAN
A. Kelebihan dan Kekurangan Pemanas Non-Photo-Voltaic1. Kelebihan Tidak perlu dikonversi menjadi energi listrik. Biayanya lebih murah. Penggunaannya praktis. Efisiensinya tinggi2. Kekurangan Hanya bisa digunakan untuk medium fluida Panas yang dihasilkan ttidak terlalu lama
B. Pentingnya Pemanas Non-Photo-VoltaicPemanas Non-Photo-Voltaic dirasa sangat penting karena saat sekarang ini deperlukan adanya teknologi Hibrid yang ramah lingkungan dan mudah dalam penggunaannya. Tenaga surya juga sudah benar-benar ramah lingkungan menghasilkan emisi karbon sama sekali tidak ada atau produk sampingan berbahaya lainnya apapun. Hal ini dapat digunakan dengan baik dan efektif biaya hampir di mana saja di planet ini. Anda tidak perlu tinggal di iklim tropis atau gurun untuk manfaat dari kekuatan ini. Ini telah digunakan dengan sukses dalam iklim dingin banyak dan bahkan di daerah kutub.C. Desain Alat yang Efektif dan EfisienDesain alat memegang peranan penting, karena desain sangat mempengaruhi hasil yang akan dicapai. Sehingga mendesain alat ini sedemikian rupa untuk memperoleh hasil yang maksimal. Selain itu,desain dibuat sesederhana mungkin sehingga mudah dipahami oleh masyarakat luas yang ingin membuat alat ini sendiri, khususnya masyarakat yang berpenghasilan rendah. Dengan demikian alat ini diharapkan dapat dinikmati oleh semua lapisan masyarakat.Alat ini memanfaatkan energi dari radiasi matahari. Kelebihan energi matahari yaitu tidak bersifat polutif,berlimpah,bersifat terbarukan (renewable), dan dapat dikembangkan baik secara langsung maupun tidak langsung dan merupakan sumber energi sepajang masa.Bahan untuk kolektor terbuat dari Tembaga. Pemilihan bahan ini didasarkan pada beberapa pertimbangan diantaranya adalah: (1) nilai konduktivitasnya terbaik setelah Perak, (2) tidak mudah mengalami korosi, (3) harganya relatif lebih murah. Untuk memaksimalkan panas yang diperoleh, maka kolektor terbuat dari plat dan dicat hitam agar dapat lebih banyak menyerap panas yang berasal dari radiasi sinar matahari.Untuk menghindari kerugian kalor ke lingkungan kolektor diletakkan di dalam kotak (box) yang terbuat dari kaca transparan. Hal ini dikarenakan box kaca (transparan) dapat dilalui oleh radiasi matahari dan dapat mengurangi konduksi dan konveksi panas yang hilang dengan mempertahankan lapisan udara panas di atas plat kolektor dan juga mengurangi kehilangan panas radiasi kembali dari plat kolektor. Berkurangnya panas yang hilang dari sebuah plat kolektor matahari berarti pula peningkatan efisiensi.
BAB VPENUTUP
A. Kesimpulan1. Alat ini dikatakan efektif karena kolektor dibuat sebanyak dua buah dengan tujuan untuk memperluas bidang penyerap radiasi dari sinar matahari. Semakin luas kolektor maka semakin banyak juga radiasi sinar matahari yang ditangkap, sehingga temperatur air yang melewatinya semangkin meningkat. Kolektor diletakkan di dalam kotak dari kaca transparan dengan tujuan untuk menghindari atau mengurangi kehilangan kalor dari kolektor ke lingkungan. 2. Semakin tipis dan bening kaca yang digunakan untuk pemanas ruangan, maka semakin bagus pula panas yang dihasilkan.
B. Saran1. Untuk menghasilkan air dengan temperatur lebih tinggi maka ukuran permukaan kolektor dapat diperluas sehingga banyak menangkap radiasi matahari yang datang padanya dan dapat mengkonversi menjadi panas.2. Kebocoran kolektor juga perlu diperhatikan agar dapat menghindari kerugian kalor yang hilang ke lingkungan.3. Temperatur ruang pemanas dengan tambahan tungku Biomassa,hasilnya akan lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA
http://lib.uin-malang.ac.id/thesis/fullchapter/05540004-puji-astuti.pshttp://ejournal.undip.ac.id/index.php/berkala_fisika/article/download/3030/2713http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/20743/3/Chapter%20II.pdfhttp://ejournal.undip.ac.id/index.php/berkala_fisika/article/download/2810/2496http://lp2mk.unsada.ac.id/files/genap2011_yefri.pdf
