Posted by: lizenhs | April 24, 2010

Energi Radiasi Matahari: Pemanfaatan Pada Pertanian, Perikanan, Bangunan dan Listrik

Energi Radiasi Matahari: Pemanfaatan Pada Pertanian, Perikanan, Bangunan dan Listrik

Ditulis oleh Haslizen Hoesin

Pendahuluan
Bila berbicara mengenai Radiasi Matahari, terdapat satu bagian didalamnya yang disebut Cahaya Tampak. Berbicara mengenai pengukuran. Pengukuran radiasi matahari dengan cahaya tampak (penerangan) satu dengan lain saling membatasi diri (terpisah) meskipun bersumbar sama. Ini disebabkan daerah panjang gelobang yang diamati berbeda. Radiasi Matahari daerah panjang gelombang lebih luas dari cahaya tampak. Untuk mengetahui daerah panjang gelombang ini, baca pada Radisasi Matahari, Kandungan Atmosfir, Lingkungan Hidup dan Spektral Radiasi Matahari  http://lizenhs.wordpress.com/2011/05/03/radiasi-matahari-kandungan-atmosfir-lingkungan-hidup-dan-spektral-radiasi-matahari/ .
Oleh karena radiasi matahari dan cahaya tampak bersumber sama. Sangat beralasan bahwa bila radiasi matahari diketahui maka penerangan alami siang hari dapat pula diketahui. Disadari atau tidak, pemanfatanRadiasi Matahari sangat luas dalam kebidupan sehari-hari. Bila ditinjau dari pengelompokan energi, energi radiasi matahari termasuk kepada energi terbarukan (renewable energy).

Komponen Radiasi Matahari
Radiasi matahari yang sampai dipermukaan bumi terdiri dari tiga komponen, yaitu langsung, baur dan Global. Radiasi global merupakan gabungan langsung dan baur. Radiasi langsung dapat pula dibagi dua bentuk yaitu radiasi langsung normal dan horizontal. Radiasi langsung normal dan horizontal digunakan bila memperkirakan radiasi pada permukaan datar, miring dan tegak. Permukaan miring meliputi lereng bukit/gunung (pertanian dan perkebunan), plat penadah miring (pengeringan, rumah kaca, pemanas air surya, panel sel surya, atap rumah dll.). Radisi pada permukaan tegak bangunan (dinding). Radiasi pada permukaan datar di pertanian dan perikanan (penguapan di hamparan sawah, bentangan kolam dan bendungan dll). Untuk memperkirakan radiasi pada permukaan miring dan tegak, sudut kemiringan dan orientasi permukaan merupakan factor penentu.

Pemanfaatan
Pemanfaatan Radiasi matahari dalam hidup dan kehidupan sangat luas. Bila berbicara mutu, maka itu berbicara mengenai Spektral radiasi matahari. Bila spektral radiasi matahari buruk intensitas radiasi matahari berkurang dipermukaan bumi, mutu kehidupan di bumi dipastikan turun.Pada radiasi matahari yang dimanfaatkan adalah energi panas, sedangkan cahaya tampak adalah penerangan. Pemanfaatan radiasi matahari dan cahaya tampak yang sangat dekat dengan hidup dan kehidupan adalah pada sistem bangunan (Danugondho dan Aldy).Diantara sekian banyak kemanfaatan energi panas radiasi matahari baik berupa radiasi langsung normal dan horizontal, radiasi baur, pantul maupun global, yang paling dekat disekitar lingkungan tinggal diantaranya: pengeringan, penguapan dan penghematan energi pada bangunan.

Pengeringan. Pengeringan hasil pertanian dan perikanan dengan radiasi matahari telah dikenal sejak lama dalam kehidupan sehari-hari. Bila diketahui ketersediaan energi radiasi (jumlah dan lama) maka dapat diperkirakan lama pengeringan dan ketebalan optimal sesuatu bahan, bila tak mencukupi digunakan energi kovensional, jangan terbalik. Penetapan penggunaan pengeringan dari radiasi matahari, menghemat pemakaian energi konfensional (listrik atau BBM), istilah sekarang disebut hemat (efisiensi). Bila pengeringan menggunakan plat penadah energi matahari, maka untuk mendapatkan energi panas yang optimal pada plat penadah tersebut, permukaannya dimiringkan. Alat pengeing biji-bijian menggunakan radiasi matahari disebut KPES. Baca juga Teknologi Tepat Guna (TTG): Kamar Pengering dengan Energi Surya http://lizenhs.wordpress.com/2013/02/26/teknologi-tepat-guna-ttg-kamar-pengering-dengan-energi-surya/

Penguapan. Penguapan akibat dari radiasi matahari adalah pada pembuatan garam. Bila diketahui ketersediaan radiasi (jumlah dan lama) dapat ditentukan kedalaman air yang optimal pada kolam garam sehingga diperoleh penguapan yang optimal. Pada kolam ikan, ketersediaan radiasi menghangatkan air dan mengakibatkan penuapan. Aliran masukan air dan kehangatan air pada kedalaman tertentu akan menghasilkan produksi kolam optimal. Pada pengairan pertanian, bila diketahui ketersediaan radiasi matahari akan diperoleh laju penguapan dan kebutuhan air untuk kedalaman tertentu. Perhitungan kedalaman air, menghasilkan pembagian air merata, jangan terjadi air disuatu tempat melebih kedalaman tertentu ditempat lain kekeringan. Hasil perhitungan ini akan diperoleh sistem pengairan yang optimal. Pada bendungan, laju penguapan air akibat radiasi matahari diperlukan dalam menentukan persediaan dan distribusi air dimusim kemarau. Dan lain-lain.

Bahan. Penetapan jenis, luas bahan, ketebalan untuk keperluan tertentu yang optimal berdasarkan ketersediaan radiasi matahari (panas). Perhitungan ini akan terjadi efisiensi penggunaan bahan.

Bangunan. Ketersediaan radiasi matahari pada bidang tegak lurus dan miring, untuk keperluan konservasi energi (tataudara (AC) dan tatacahaya) dalam bangunan. Berikut terjadi penghematan energi listrik. Mengenai bangunan baca juga judul Fisika Bangunan, Bangunan Apa ……. Ituuu?  http://lizenhs.wordpress.com/2011/11/26/fisika-bangunan-bangunan-apa-ituuu/

Energi Listrik. Energi matahari dapat pula diubah menjadi energi listrik, menggunakan sel surya (solar cel). Ketersediaan radiasi matahari dapat digunakan untuk memperkirakan luas dan kemiringan yang optimal panel cel surya untuk mengasilkan energi listrik. Panel cel surya sangat bermanfaat untuk daerah terpencil. berarti menghemat BBM. Persoalan sekarang, adakah sel surya buatan para pakar Indonesia. Bila ada meskipun efisiensi panel sel surya rendah tidak masalah, kerena dibuat sendiri. Bila dibuat sendiri, dapat dikembangkan sehingga diperoleh efisiensi yang lebih baik setiap waktu.

Perkiraan radiasi matahari dipermukaan bumi untuk diubah kebentuk energi lain, dapat digunakan model matematis (sederhana). Model matematis tersebut didasarkan model atmosfir seperti yang dipaparkan berikut (dibawah) ini.

Model Atmosfir
Perkiraan ketersediaan radiasi matahari dapat dilakukan dengan berbagai cara, satu diantaranya dengan model atmosfir. Model atmosfir pun banyak dirancang para pakar (Hoesin), diantaranya Moon, Schuepp dan Rao dan Sesadri.
Pada paparan ini model yang dipakai adalah model Rao dan Sesadri. Model ini didasarkan pada data langit biru bersih di daerah tropis (India) keadaan atmosfir teoritis dan radiasi matahari normal (ICN). Keadaan baku tersebut atmosfir berisikan: 300 partikel debu, 2.5 mm Ozone dan 15 mm uap air dengan tekanan 760 mmHg.Berdasarkan model atmosfir Rao dan Sesadri dirumuskan model matematis ketersediaan radiasi matahari dalam beberapa komponen (Hoesin).

Bilangan Kebeningan
Intensitas radiasi matahari di permukaan bumi, sangat dipengaruhi kandungan (kekeruhan) langit (atmosfir). Model atmosfir yang dirumuskan Rao dan Sesadri dinyatakan sebagai atmosfir keadaan langit bening yang sering dijumpai. Pada model atmosfir Rao dan Sesadri ini, Sharma dan Pal menyatakan CN = 1.

Untuk keadaan lain, CN (0.00 spi 0,49) langit berawan atau mendung. CN (0,5 spi 0,69) langit keruh, CN (0.7 spi 0.89) langit biru buram. CN (0.9 spi 1.09) langit biru, CN (1,1 spi 1,3) langit biru sekali, CN diatas 1.3 sangat biru sekali, jarang dijumpai.
Di daerah khatulistiwa (Indonesia) untuk sementara harga-harga CN yang diusulkan Sharma dan Pal disarankan dipakai.

Memperkirakan Radiasi Matahari di Permukaan Bumi
Bila ingin memperkirakan radiasi di permukaan bumi berdasarkan ketinggian matahari. Radiasi surya dapat dibedakan atas Radiasi Matahari Normal, Radiasi Matahari Langsung, Baur (diffuse) dan Global.Pengertian Komponen Radiasi Matahari.

Radiasi matahari yang paling banyak diukur pada permukaan datar (horizontal) disebut radiasi global horizontal. Radiasi Global horizontal adalah gabungan radiasi langsung dan baur di permukaan horizontal. Radiasi matahari langsung adalah radiasi yang langsung diterima permukaan dari Surya (matahari itu sendiri). Radiasi baur adalah radiasi yang sampai dipermukaan akibat dihamburkan berbagai partikel di Atmosfir. Radiasi baur sering juga disebur radiasi langit. (Liu and Jordan, Sharma and Pal). Model matematis untuk komponen radiasi langsung dan baur telah banyak dirumuskan untuk keadaan langit baku ataupun sembarang.

Model matematis Radiasi Matahari Normal (ICN) pada atmosfir baku.
ICN = [AC Sin(te)]/[Sin(te) + BC] …… (1)
dengan te adalah sudut ketinggian surya.

Model matematis Radiasi Langsung pada permukaan datar horizontal (IDH)
IDH = IDN Sin(te) ……(2)

Radiasi Langsung pada permukaan tegak (vertical) (IDV)
IDV = IDN Sin(te) x Cos(AP – A0) ……(3)
dengan Ap azimut permukaan terhadap utara sebenarnya (deg) dan A0 azimut surya terhadap utara sebenarnya (deg).

Radiasi langit (baur) pada permukaan datar (horizontal) (Idh)
Secara teoritis persamaannya cukup rumit, karena banyak factor/keadaan (kandungan) atmosfir. Bila berdasarkan data pengukuran (empiris), Parmele mengusulkan berbentuk hubungan linier yaitu
Idh = X – Y IDH ……(4)
dengan X dan Y adalah konstanta yang bervariasi mengikuti ketinggian surya.

Radiasi global horizontal IGH merupakan gabungan dari langsung dan baur.
IGH = k1 Sin(te) + k2 IDN Sin(te) ……. (5)
dengan k1 dan k2 konstanta.

Radiasi Matahari Normal
Pada keadaan atmosfir standar Rao dan Sesadri, Sharma dan Pal mengusulkan model matematis radiasi matahari normal (ICN). Bila persamaan (1) dalam satuan Wm-2. maka AC = 1285.4 dan BC = 0.3135.
Maka ICN = [1285.4 Sin(te)]/[ Sin(te) + 0.3135] ……(6)
ICN dalam satuan Wm-2

Karena radiasi matahari melintasi atmosfir bumi, maka selama melitasi akan terjadi pengurangan (hamburan dan penyerapan). Pengurangan ini disebut faktor transmisi atau koefisien tansmisi. Koefisien atau faktor transmisi ini Sharma dan Pal menyatakan sebagai Bilangan Kebeningan Atmosfir (clearness number-CN).

Untuk keadaan atmosfir (langit) sembarang, Bilangan Kebeningan atmosfir CN didefinisikan sebagai perbandingan antara Radiasi Matahari Normal di Permukaan Bumi (IDN) dengan ICN, maka berlaku CN = IDN/ICN dalam bentuk lain IDN = CN ICN, maka
IDN = [1285.4 Sin(te)]/[Sin(te) + 0.3135] CN ……(7)

Radiasi matahari pada permukaan Horizontal
Bila berdasarkan atmosfir baku maka persamaan radiasi matahari dalam bentuk yang sederhana yang dirumuslan Sharma dan Pal, diperoleh model matematis (Hoesin) sebagaimana pemaparan dibawah ini.

Radiasi Matahari langsung pada permukaan horizontal IDH adalah sebagai berikut
IDH = {[(1285,4 Sin(te))] x Sin (te)}/[0.3135 + Sin(te)]} x CN ……(8)

Radiasi Matahari langit (baur) pada permukaan datar Idh sebagai berikut
Idh = [494,0 Sin(te)] – {[490,12302 Sin(te) x Sin(te)]/[0,3135 + Sin(te)]} x CN ……(9)

Radiasi matahari global horizontal IGH pada permukaan datarIGH = [494,0 Sin(te)] + {[795,27689 Sin(te) x Sin(te)]/[0,3135 + Sin(te)]} x CN ……(10)

Radiasi Matahari pada permukaan Tegak (Vertikal)
Radiasi Matahari langsung pada permukaan tegak, di permukaan sembarang dilambangkan dengan IDV adalah sebagai berikut
IDV = {[(1285,4 Sin(te))] x Sin (te) x Cos(Ap – A0)}/[0.3135 + Sin(te)]} x CN ……(11)

Radiasi langit pada permukaan tegak orientasi sembarang Idv sebagai berikut
Idv = Idh x KL…….(12)
dengan KL disebut komponen langit. KL = Cos(te)

Radiasi Pantul Terhadap Permukaan Tegak
Radiasi pantul oleh permukaan lain terhadap permukaan tegak IRV
IRV = 0.5 A IGH …….. (13)
dengan A adalah albedo permukaan sekitarRadiasi total yang diterima permukaan tegak ITV orientasi sembarang
ITV = IDV + Idv + IRV ……….(14)

Radisi Pantul Oleh Permukaan
Radiasi pantul adalah radiasi yang dipantulkan permukan IRS ditentukan oleh sudut kemiringan permukaan (S) maka:
IRS = IGH x A x ½ [1 – cos(S)] …….. (15)
dengan A, albedo permukaan

Rariasi Matahari Pada Permukaan Miring
Berbicara mengenai pemanfaatan radiasi matahari pada permukaan miring, berarti melibatkan radiasi pantul. Radiasi pantul sangat ditentukan oleh pantulan permukaan dan keadaan permukaan lingkungan sekitar yang sering disebut albedo.
Sebagaimana dipaparkan diatas bahwa radiasi pada permukaan miring sangat banyak pemanfaatanya. dalam berbagai bidang. Memperkirakan radiasi matahari pada berbagai kemiringan permukaan, untuk berbagai kegunaan dipengaruhi oleh ketinggian surya (waktu). Persamaan tersebut dilengkapi dengan selain fungsi ketinggian matahari juga sudut kemiringan dan orientasi (azimut) permukaan.

Radiasi langsung pada permukaan miring IDS adalah sebagai berikut
IDS = IDN [sin(te) Cos(S) + Cos(te) Sin(S) Cos(A0 – Ap)] ……(16)
dengan S sudut kemiringan permukaan terhadap horizontal.

Radiasi baur Ids adalah sebagai berikut
Ids = Idh x [1 – Cos(S)]/2 = Idh Cos(kdt)(S/2)]……(17)
dengan kdt adalah kuadrat atau pangkat 2

Memperkirakan radiasi global pada permukaan miring (Duffie and Beckman) dapat dihitung dengan beberapa cara, tergantung pada pendekantan atau data yang tersedia, dapat melalui pendekatan radiasi global atau radiasi normal.

Menggunakan radiasi global gorizontal IGH
IGS = (IGH – Idh) R + Idh Cos(kdt)(S/2) + AIGH Sin(kdt)(S/2) …… (18)
denganR = [Cos(L – S) Cos(dkl) Cos(sdj) + Sin(L – S) Sin(dkl)]/ [CosL Cos(dkl) Cos(sdj) + SinL SinS] ……(19)
dengan L lintang (positif arah utara), dkl deklinasi surya, sdj sudut jam matahari (nol pada saat matahari dipuncaknya).

Menggunakan radiasi normal IDN
IGS = IDN Sin(te) R + Idh Cos(kdt)(S/2) + A IGH Sin(kdt)(S/2) ……(20)
dengan Cos(kdt)(S/2) = (1 – CosS)/2 dan Sin(kdt)(S/2) = (1 – SinS)/2

Hubungan Radiasi Matahari Dengan Penerangan Alami
Sebagaimana dipaparkan diatas, bahwa pengukuran radiasi matahari dengan penerangan Alami Siang Hari dilakukan satu dengan lain saling membatasi diri (terpisah). Berdasar pemikiran bahwa bersumber sama, sangat beralasan bahwa, bila radiasi matahari diketahui maka penerangan alami siang hari dapat pula diketahui.
Hubungan radiasi dengan penerangan ditunjukkan oleh kadar penerangan (luminous efficacy). Kadar penerangan (K) didefinisikan sebagai perbandingan antara iluminasi normal (EDN) terhadap radiasi matahari normal (IDN), sering juga disebut faktor. Numan menyatakan hubungan tersebut sebagai berikut:EDN = KS IDN lux …….. (21)
dengan Ks disebut factor kadar penerangan.

Paparan lebih lanjut tentang penerangan alami siang hari, baca Cahaya Tampak: “Photosynthesis” Dan Penghematan Energi, pada kategori Barukan hematkan “Energi”.

Penutup
Bila merancang untuk berbagai kegunaan dan keadaan permukaan baik itu untuk pertanian, pengairan, perikanan, bangunan dan perkotaan, pemahaman terhadap energi radiasi matahari maupun penerangan alami sangat diperlukan. Bentuk-bentuk perkiraan itu berupa model matematis, karena berkait dengan hitung-menghitung optimalisasi dan efisiensi energi buatan.

Baca juga
Pemodelan Matematis Radiasi Matahari pada kategori Lihat “Model” Yok;http://lizenhs.wordpress.com/2009/01/17/model-matematis-perkiraan-radiasi-matahari/
Krisis Ketersediaan Energi atau Krisis Akhlak  http://lizenhs.wordpress.com/2010/11/04/krisis-ketersediaan-energi-atau-krisis-akhlak/
Konsumsi BBM Dibatasi, Radiasi Matahari: Data dan Informasi Energi.   http://lizenhs.wordpress.com/2009/01/19/konsumsi-bbm-dibatasi-radiasi-matahari-data-dan-informasi-energi/
AYO……. CA-LIS-TUNG, BELAJAR DAN MENELITI  http://lizenhs.wordpress.com/2008/12/23/ayo-ca-lis-tung-belajar-dan-meneliti/
Hidup Ini Indah Dengan Membaca, Kemudian Buat dan Sampaikan http://lizenhs.wordpress.com/2010/03/27/hidup-ini-indah-dengan-membaca-kemudian-buat-dan-sampaikan/
Energi Matahari Mencemarkan Lingkungan.  http://lizenhs.wordpress.com/2013/04/30/energi-matahari-mencemarkan-lingkungan/
Teknologi Tepat: Pemafaatan Tenaga Radiasi Matahari, Pemukiman dan Lingkungan Hidup http://lizenhs.wordpress.com/2013/12/16/teknologi-tepat-pemanfaatan-tenaga-radiasi-matahari-pemukiman-dan-lingkungan-hidup/

Daftar pustaka

Danusugondho, Iskandar and Aldy Anwar (1976). “Framework For Solar Energy Research And Development Policy Proposed For Indonesia And Its Relevance To Solar Energy Utilization In Building Syatems”. Presented at Symposium UNESCO/World Organization Solar Energy, Geneva August 20 – Septembre 3.

Diuffie. John A. and Williams A. Beckman (1974). “Solar Energy Thermal Processes”. New York. John Wiley & Sons. Inc.

Hoesin, Haslizen (1978), “Penelitian & Studi Energi Radiasi Matahari Yang Menimpa Bangunan Dan Pengaruhnya Terhadap Pemakaian Energi Untuk Penerangan Di Siang Hari Dalam Bangunan”. (Tugas Akhir). Departemen Fisika Teknik. Istitut Teknologi Bandung.

Hoesin, Haslizen (1981), “Saling Ketergantungan Energi, Lingkingan Hidup, Cuaca & Iklim Dan Radiasi Matahari”. Hasil-Hasil Seminar Energi Nasional II. Komote Nasional Indonesia Word Energy Conference (KNI-NEC). Jakarta 9 – 12 Juli.

Krochmann, J. (1974). “Quantitative Data on Daylight for Illuminating Engineering”. Lighting Research & technology. Vol 6 no 3 (165 – 171).

Liu, Benjamin Y. and Richard C. Jordan (1960). “The Interrelationship and Charakteristic Distribution of Direct, Diffuse and Total Solar Radiation”. Solar Energy vol IV no 3 Juli (1 – 19).

Moon, Perry., (1940). “Proposed Standard Soilar Radiation Curves For Engineering Use”, Journal of Franklin Institute, Vol 230 no 5. November, (583 – 617).

Numan, M. Y. (1973). “A Mathematical Model to Standardise Prediction and Predict Quantities of Illuminance for Clear Sky”. E.A.R.I. (47 –62).Rao, K. R. and Sesadri, T. N. (1962), Solar Insulation Curve. Indian Journal of Meteorology and Geophysics 12 no 2, April (267 –272).

Robinson, N. (1966). “Solar Radiation”. Amsterdam, Elsevier, Publ. Campany.

Sharma. M. R. and R. S. Pal. (1965). “Interrelationships Between Total, Direct and Diffuse Solar Radiation in The Tropics”. Solar Energy no 4, vol 9 (183 – 192).

About these ads

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Categories

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: