Sistem Pemanas Surya: Dari Solusi Pasif hingga Aktif untuk Pemanasan Rumah Berkelanjutan
Latar Belakang
Dalam satu detik, Matahari memancarkan energi 13 juta kali lebih besar dari seluruh konsumsi Amerika Serikat dalam setahun. Meskipun hanya sebagian kecil yang mencapai Bumi, jumlah tersebut cukup untuk menyeluruh seluruh planet.
Energi surya pertama kali membuktikan potensi listriknya pada tahun 1950-an, ketika NASA membutuhkan sumber daya listrik yang andal untuk satelit luar angkasa. Selikon silikon pioniris yang diproduksi di Bell Labs masih mengonversi hanya sekitar 18% cahaya matahari menjadi listrik. Meskipun efisiensi modest ini, tenaga surya telah berhasil mendorong proyek-proyek terkenal seperti Balai Internasional Tantangan Surya.
Penangkapan panas dari Matahari telah terbukti sangat efektif untuk air panas rumah tangga dan pengendalian iklim bangunan. Kolam renang rutin menggunakan kolektor surya. Untuk pemanasan ruang tinggal, ada dua tipe sistem utama:
- Pemanasan surya pasif memasukkan sinar matahari langsung ke dalam bangunan melalui jendela yang menghadap selatan (halbulan utara) atau melalui dinding atau atap yang menyerap, menyimpan, dan mentransfer panas ke dalam ruangan. Variannya—sistem gain terisolasi—menyimpan panas dalam kamar terpisah seperti tempat tidur batu.
- Pemanasan surya aktif menggunakan air atau udara sebagai medium pengangkut panas. Kolektor di atap yang menghadap Selatan menyalurkan panas ke tempat tidur batu atau tangki air. Panas yang disimpan kemudian dapat disalurkan melalui saluran udara, unit fan-coil, atau sirkulasi udara langsung.
Sistem pendingin juga dibagi menjadi desain pasif dan aktif, yang memanfaatkan aliran udara malam dan kondensasi untuk menurunkan suhu indoor.
Berbagai tipe kolektor cocok untuk aplikasi tertentu. Kolektor plat datar, dengan lapisan kaca atas dan plate penyerab hitam, cocok untuk penggunaan domestik. Kolektor konsentrator—berbentuk parabol atau mangkuk—digunakan untuk aplikasi industri.
Sejarah
Matahari selalu menjadi sumber panas utama umat manusia, tetapi kolektor surya buatan manusia yang pertama kali tercatat berasal dari tahun 1776 ketika ilmuwan Swiss Horace de Saussure membangun "kotak panas" sederhana.
Sir John Herschel kemudian menggunakan kotak panas untuk memasak makanan selama ekspedisi Afrika pada tahun 1830-an. Memasak dengan tenaga surya dan penyulingan air kemudian menyebar di beberapa bagian Afrika.
Di Amerika Serikat, pionir pada akhir abad ke-19 menggunakan panci dan wajan hitam untuk memanaskan air di siang hari, yang memicu adopsi luas di wilayah yang sebelumnya bergantung pada bahan bakar impor. Pada tahun 1897, hampir 30% rumah di Pasadena, California, menggunakan pemanas air surya.
Teknologi surya berkembang secara stabil selama abad ke-20, mencapai puncaknya selama krisis energi tahun 1970-an. Setelah krisis menurun, minat menurun, hanya untuk naik kembali pada tahun 1990 seiring dengan meningkatnya khawatir terhadap emisi bahan bakar fosil dan keamanan nuklir.
Bahan Baku
Sistem pemanasan surya bervariasi, tetapi yang berikut ini fokus pada konfigurasi pasif dan aktif dasar untuk rumah tinggal.
Sistem pasif memerlukan panel kolektor plat datar hitam: plate penyerab baja yang ditutupi dua lembar kaka, dikelilingi oleh isolasi foam fiber-glass atau polyurethane dengan penghalang kelembaban foil aluminium. Unit tersebut diletakkan dalam kotak kayu dangkal, baja tergalvanis, atau aluminium. Wadah penyimpan panas—diisi dengan kerikil atau batu kering—menangkap panas berlebih. Termostat diferensial memberikan kontrol suhu manual, dan modul penanganan udara (saluran udara, filter, blower, damper otomatis) mendistribusikan udara yang telah dipanaskan.
Sistem aktif yang menyimpan panas dalam air memerlukan kolektor plat datar dengan satu atau dua lapisan transparan, pipa logam hitam, dan isolasi. Sistem juga mencakup pompa air, tangki penyimpanan, coil penukar panas, pemanas tambahan, kipas, filter, dan klep kontrol. Jika penyimpanan batu digunakan sebagai ganti air, wadah terisolasi menahan batu dan menghilangkan kebutuhan akan pompa dan coil.
Semua instalasi pemanasan surya menggunakan kaus, siding aluminium, dan strip penutup yang terbuat dari karet, cat, atau kayu untuk menutup persimpangan dan melindungi sistem.
Proses Manufaktur
Kolektor
- Kolektor plat datar dipasang pada atap miring atau dinding vertikal dengan memasang wadah pipah lemah—yang mirip loyang baking besar—di setiap ujung dan mengikatnya pada kuda-kuda atap. Kaus diterapkan di sekitar tepi atas wadah pipah. Pelapis kemudian dipasang, dan semua sambungan ditutup dengan kaus. Lubang slot dipotong dalam pelapis, dan penguat dipasang di sekitar sekeliling.
- Plate penyerab diposisikan di atas pelapis, memperluas ke blokir wadah pipah luar. Penutup ujung—biasanya karet—menutup ujung, dan tepi atas dan bawah ditutup kaus.
- Batang kayu dipasang pada plate penyerab, dan sistem pelapis—satu lapis kaca pada atap atau ganda pada dinding—dipasang.
- Bar pelapis aluminium membingkai sekeliling kolektor.
Sistem Penanganan Udara dan Kontrol
- Dalam sistem pasif, unit penanganan udara terdiri sepenuhnya dari saluran udara antara kolektor dan ruang tinggal, kipas, dan saklar manual. Sistem gain terisolasi menambahkan kamar penyimpanan terpisah dan saluran udara yang menghubungkannya ke bangunan.
- Dalam sistem aktif, wadah penyimpanan (batu atau air) menyimpan panas berlebih. Saluran udara dengan damper on-off menghubungkan kolektor ke wadah, wadah ke rumah, dan kolektor langsung ke rumah. Dua kipas menyirkulasi udara.
Penyimpanan
- Sistem penyimpanan batu menggunakan wadah terisolasi yang diisi dengan batu kecil (1–5 in, 2.5–12.7 cm) yang diatur agar udara dapat melewati sambungan saluran.
- Sistem penyimpanan air mencerminkan pengaturan batu tetapi menyimpan panas dalam air sebagai ganti batu.
Kontrol Kualitas
Untuk instalasi rumah tinggal, kecocokan penutup ujung dan integritas kaus diverifikasi dengan tes bom asap sebelum pelapis. Tes ini mendeteksi kebocoran dan memastikan kinerja kedap udara.
Masa Depan
Seiring dengan berkembangnya prototipe rumah dan bangunan komersial yang dipanasi serta dipenuhi daya oleh surya, energi surya beralih dari eksperimental ke mainstream. NGO lingkungan, Departemen Energi AS, dan badan internasional secara aktif mempromosikan adopsi yang lebih luas dan terus menginovasi aplikasi baru.
Fasilitas Riset Energi Surya DOE menampilkan kemajuan fotovoltaik, sementara bangunan itu sendiri menjadi contoh manfaat desain yang didorong oleh cahaya alami. Arsitektur tangga dengan banyak jendela menunjukkan bagaimana pemanasan surya dapat diintegrasikan secara mulus ke dalam arsitektur.
Amerikan Solar Energy Society menyoroti proyek surya praktis melalui tur rumah surya tahunannya dan menginformasikan anggota tentang perkembangan legislatif. Sebagai contoh, pada Juli 1996, masyarakat membela legislasi pendanaan energi terbarukan—upaya yang, meskipun tidak diterapkan, menandakan minat Kongres terhadap energi surya. Internasional Solar Energy Society mengejar tujuan serupa secara global, mendorong ketergantungan yang lebih besar pada tenaga surya di seluruh dunia.
