Pembuatan dan Pengujian Pemanas Air Surya Dengan Absorber Bersirip1)

(Making and Research of Solar Water Heater With Fin Absorber)

oleh :R i a n d i2)

Dahnil Zainuddin3)

Abstract

Solar Collector is the one of solar energy of radiation storage device that constitute a good alternative to energy conversion with surroundings friendly. Solar Colector will be able to the absorb energy of solar radiation more by extending wide of heat absorbtion surface area on the Colector. One of the effort to extend surface of heat absorbtion is by enhancing fin at absorber plate of solar collector. Rectangular fins is one of the fin type used to extend wide of absorber plate.

The research based on ASHRAE 93 – 1986 to get characteristic thermal equation which guide by input temperature. Thermal efficiency got based on comparison between energi enter with used energi.

i

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dewasa ini kebutuhan energi terus meningkat, baik konsumsi energi perorangan maupun konsumsi energi bagi masyarakat dan bangsa yang sedang membangun. Didasarkan persediaan sumber energi pada saat ini terutama minyak bumi dan batu bara memang tidak perlu dikawatirkan akan kekurangan, akan tetapi untuk puluhan tahun mendatang perlu dipertimbangkan kembali usaha-usaha untuk peningkatan sumber energi.

Sumber energi yang digunakan sekarang ini sebahagian besar berasal dari energi konvensional, yaitu minyak bumi, batu bara, gas bumi, dan sebagainya. Energi tersebut di atas adalah energi yang tidak bisa diperbaharui. Karena sifatnya itu maka suatu saat energi tersebut akan habis dan tidak bisa dimanfaatkan lagi.

Semakin menipisnya sumber-sumber energi tersebut didorong pula oleh krisis energi yang terjadi dewasa ini, dimana energi konvensional yang menjadi andalan dalam pemenuhan kebutuhan tidak dapat lagi diharapkan untuk memenuhi kebutuhan energi dimasa yang akan datang, akibat kebutuhan yang terus meningkat. Untuk itu diperlukan suatu usaha untuk mencari sumber-sumber energi yang dapat menjamin ketersediaan energi dimasa yang akan datang.

Teknologi kolektor surya telah mengalami pengembangan yang pesat. Salah satu pengembangan dilakukan untuk meningkatkan penyerapan sinar matahari adalah pada pelat absorber. Dewasa ini telah banyak dilakukan pengembangan terhadap pelat absorber tersebut, termasuk di Laboratorium Surya dan Meteorologi jurusan Teknik Mesin Universitas Andalas sendiri.

Pada kesempatan ini penulis mencoba untuk merancang dan membuat kolektor surya yang mempunyai nilai efisiensi lebih baik. Adapun kolektor surya yang dibuat adalah pemanas air energi surya dengan tipe kolektor surya pelat datar dengan absorber yang dipilih adalah absorber yang memiliki sirip yang tegak lurus terhadap permukaan pelat absoerber tersebut. Tujuan Penambahan sirip ini adalah untuk memperluas permukaan penyerapan panas pada kolektor agar jumlah panas dari radiasi lebih banyak diserap oleh kolektor.

1.2 Tujuan Adapun tujuan yang hendak dicapai dalam tugas akhir

ini adalah adalah :1. Membuat alat pemanas air energi surya dengan

absorber yang mempunyai sirip tegak lurus terhadap pelat absorber.

2. Melakukan pengujian terhadap alat pemanas air energi surya.

3. Menganalisa jumlah panas yang diserap oleh pemanas air energi surya.

4. Mencari efisiensi thermal dari pemanas air energi surya.

1.3 ManfaatDari tugas akhir ini diharapkan dapat memberi manfaat

untuk pengembangan energi surya. Dimana dengan bertambahnya luas pelat penyerap pada kolektor surya maka besar energi yang diserap oleh kolektor menjadi lebih besar.

1.4 Batasan Masalah1. Pemanas air surya yang dibuat merupakan kolektor

surya jenis pelat datar dengan absorber bersirip tegak lurus.

2. Metode pengujiannya berdasarkan standar ASHRAE 93 – 1986, dimana kurva efisiensi kolektor berpedoman kepada temperatur input.

3. Dalam penulisan ini pembahasan dibatasi pada pengujian dan analisa terhadap sistem

4. Efisiensi termal kolektor pada pengujian ini adalah efisiensi sesaat dan sistem dianggap dalam keadaan stedi.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Konsep Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Energi di alam adalah suatu kuantitas yang kekal (tidak dapat dimusnahkan) yang dapat berubah bentuk dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Energi dapat ditranformasikan kedalam massa. Setiap massa mengandung energi yang dikenal dengan energi potensial apabila berada pada suatu medan gaya. Untuk massa yang berhubungan dengan gerak mempunyai suatu energi yang disebut energi kinetik.

2.1.1 Klasifikasi Dan Sumber-Sumber EnergiEnergi secara umum terbagi atas energi transional dan

energi tersimpan. Energi transional adalah energi yang bergerak, dan dapat berpindah melintasi batas sistem, sedangkan energi tersimpan adalah energi yang diwujudkan sebagai massa. Bentuk energi tersimpan dapat dengan mudah dikonversikan kedalam energi transional. Energi dapat dikelompokkan menjadi 6 macam yaitu :

Energi mekanikEnergi listrikEnergi elektromagnetikEnergi panasEnergi kimiaEnergi nuklir

2.1.2 Penyimpan Energi

Energi dapat disimpan dalam berbagai bentuk. Dari keenam klasifikasi energi hanya energi elektromaknetik yang sulit disimpan dalam bentuk lain karena merupakan bentuk energi transisi murni. Energi mekanis dapat disimpan kedalam bentuk energi kinetik dan energi potensial, energi listrik dapat disimpan sebagai medan induksi dan medan elektrostatik, energi kimia dan energi nuklir merupakan bentuk murni dari energi

i

1)Tugas akhir mahasiswa yang dilaksanakan di Laboratorium Energi Surya Teknik Mesin UNAND2) Mahasiswa tugas akhir NBP. 971710343) Pembimbing tugas akhir

tersimpan, sedangkan energi panas dapat disimpan hampir pada semua media sebagai panas sensibel maupun sebagai panas laten. Penyimpan panas sensibel diikuti dengan kenaikan temperatur sedangkan penyimpan panas laten diikuti dengan perubahan fasa dan bersifat isothermis.

Suatu bahan padat yang stabil secara thermal dengan kalor jenis yang relatif tinggi dan rapat massa tinggi dapat digunakan untuk penyimpan kalor. Rapat massa yang tinggi diperlukan untuk meminimumkan volume sarana penyimpanan sedangkan kalor jenis yang tinggi bertujuan agar dapat menyimpan panas lebih banyak.

2.2 Radiasi Matahari Sebagai Sumber Energi

Radiasi adalah suatu energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda dan merambat dalam ruangan dengan kecepatan cahaya, 3 x 108 m/s. Radiasi surya merupakan salah satu bentuk energi termal yang mempunyai panjang gelombang 0,26 – 2,6 m. Pada batas luar atmosfir, radiasi surya total adalah 1353 W/m2 bila bumi berada pada jarak rata-ratanya dari surya. Dipermukaan bumi radiasi surya akan bervariasi sekitar 1000 W/m2 dan tergantung kondisi awan, debu, kabut dan sebagainya.

Besar radiasi surya yang diterima oleh suatu permukaan di bumi bergantung pada faktor–faktor berikut :

Posisi di Bumi terhadap matahari yang berubah dalam setahunLokasi permukaan bumi atau posisi garis lintangWaktu dalam sehariKeadaan cuaca atmosfir bumiKemiringan permukaan benda di bumi yang menerima radiasi surya.

Karena adanya awan, debu, dan sebagainya maka radiasi surya yang sampai ke bumi tersebut dalam bentuk radiasi langsung dan radiasi difusi.

2.3 Arah Radiasi Dan Posisi Matahari Terhadap Permukaan Horizontal

Gerakan matahari menentukan besarnya energi surya yang jatuh di permukaan bumi. Sinar matahari dipandang sebagai sinar monokromatik dan mempunyai sudut datang terhadap bidang tangkap. Posisi bidang tangkap tersebut dapat dicari sehingga kita dapat menangkap sebanyak mungkin radiasi matahari sepanjang hari. Sedangkan posisi matahari jika diamati terhadap bidang horizontal, dilukiskan dalam bentuk sudut zenith (z) dan sudut azimuth (s). Sudut zenith yaitu sudut yang dibentuk antara arah sinar matahari menuju bumi dengan sumbu vertikal terhadap bumi. Sudut azimuth yaitu sudut antara proyeksi horizontal sinar matahari dengan garis batas selatan yang ditarik searah dengan arah jarum jam.

Gambar 2.1 : Deklinasi matahari

Latitude () adalah sudut posisi bidang tangkap dari equator (-90 90) Sudut deklinasi () adalah sudut yang terbentuk antara arah radiasi matahari langsung dengan garis tegak lurus terhadap sumbu polar bumi atau disebut juga sebagai sudut posisi matahari terhadap bidang rata equator. Sudut deklinasi dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

(2.1)

dimana n adalah hari keberapa dari tahun (misal tanggal 10 februari, n = 41)

Sudut kemiringan permukaan bidang tangkap terhadap bidang horizontal adalah , ( 0 180o ). Maksimum kemiringan bidang tangkap untuk pemanasan adalah sama dengan lintang tempat berada (latitude) ditambah 10 derajat. Sudut jam (w) adalah sudut yang terbentuk oleh posisi matahari terhadap bumi pada arah timur dan barat ( pada pagi hari w 0 dan pada sore hari w 0 ) w = 0,25 ( 720 – waktu matahari dalam menit ) (2.2) Sudut insiden ( ) adalah sudut yang dibentuk antara garis tegak lurus permukaan dan arah sinar radiasi langsung. Hubungan antara sudut-sudut tersebut dengan ditentukan dengan persamaan berikut : = sin (sin cos - cos sia cos ) + cos (cos cos

cos w + sin sin cos cos w + sin sin sin w )

Gambar 2.2 : Posisi matahari terhadap permukaan horizontal

2.4 Kolektor Surya ( pengumpul energi matahari )

Kolektor surya adalah suatu alat yang digunakan untuk mengumpulkan radiasi matahari yang kemudian dikonversikan kedalam energi thermis. Radiasi matahari yang dapat diproses berada dalam daerah panjang gelombang 0,26 m sampai 2,6 m. Radiasi tersebut merupakan radiasi langsung dan radiasi difusi yang dirobah kedalam panas dengan menggunakan kolektor.

Penggunaan kolektor surya diantaranya adalah untuk pemanasan air, pemanasan gedung atau ruangan, pengeringan, pengatur temperatur dan lain sebagainya.

Dalam penyerapan radiasi matahari memerlukan peralatan khusus untuk mengumpulkan energi radiasi matahari. Sistem penyerapan energi matahari ini dikenal dengan dua macam peralatan pengumpul yaitu, pengumpul pelat datar dan pengumpul kosentrator. Ditinjau dari media pembawa energi panas yang digunakan dapat dibedakan atas dua macam kolektor, yaitu :

kolektor fluida (air dan minyak) kolektor udara

Kolektor terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu : absorber, cover (pelat penutup), saluran pembawa energi,

ii

storage, isolasi, dan kerangka. Syarat-syarat yang harus dipenuhi oleh sebuah kolektor adalah :

1. Absorber terbuat dari bahan metal bewarna hitam dengan konduktivitas thermal yang tinggi, agar dapat mengbsorbsi energi matahari sebesar mungkin

2. Cover atau plat penutup terbuat dari bahan transparan dengan tujuan untuk menghindari sebesar mungkin kerugian panas secara konveksi dan radiasi. Pada umumnya terdiri dari dua atau tiga lapis kaca.

3. Saluran atau kanal pembawa energi diusahakan sepanjang mungkin agar terjadi kontak yang lama antara absorber dan fluida pembawa energi.

4. Untuk menjaga agar panas stabil dan menyimpan panas dalam waktu yang lebih lama digunakan storage dari bahan yang mempunyai konduktivitas thermal yang tinggi.

5. Isolasi digunakan untuk mencegah terjadinya kehilangan panas secara konduksi.

6. Kerangka yang digunakan diusahakan tidak terlalu berat sehingga mudah dipindahkan.

Keseluruhan bahan tersebut hendaknya dari bahan yang murah dan awet atau tahan dari segala macam gangguan seperti hujan, angin, perbedaan temperatur, korosi dan sebagainya.

Gambar 2.5 Komponen utama kolektor pelat datar

2.4.1 Prinsip Dasar Kolektor Pelat DatarCahaya matahari merupakan radiasi gelobang pendek.

Radiasi ini jika terperangkap dalam kolektor dapat dikonversikan menjadi panas. Dari gambar 2.5 terlihat bahwa radiasi gelombang pendek yang jatuh pada cover melewatkan 85% radiasi, serta 15 % direfleksikan dan diserap cover jika kaca ini kandungan besinya rendah.

Gambar 2.5 : Prinsip dasar kolektor plat datar

Gambar 2.6 : Proses penyerapan energi panas pada kolektor

Radiasi ini selanjutnya jatuh ke absorber penyerap yang biasanya dari aluminium yang dicat hitam. Sehingga akan menyerap kira-kira 66% radiasi surya. Kemudian mengemisikannya sebagai radiasi gelombang panjang ke cover dan memantulkannya, demikian seterusnya sehingga panas akan terus bertambah. Hal ini karena kaca dan plastik tidak akan melewatkan radiasi gelombang panjang, proses inilah yang disebut efek rumah kaca (green House effect). Jika tidak ada fluida yang dilewatkan, maka panas kolektor akan bertambah sampai kira-kira 150oC. Seandainya ada fluida yang dilewatkan di dalam kolektor, maka panas ini akan dipindahkan ke fluida kerja. Perpindahan panas akan lebih maksimal apabila diatas absorber dibuat bersekat-sekat sehingga kontak antara fluida dengan absorber lebih lama.

2.4.2 Keseimbangan Energi Pada Kolektor Keseimbangan energi pada kolektor ditentukan

berdasarkan persamaan energi dimana energi yang masuk ke kolektor sama dengan energi yang keluar dari kolektor.

Qin = Qu + Ql + U (2.4)Dimana :Qin = Energi global yang diterima kolektorQuse = Energi yang dapat digunakan dari kolektorQloss = Energi yang hilang kelingkunganU = Peningkatan energi dalam kolektor

Qin = ( . ) . Ak . Eglob (2.5)Qloss = k . A . (dT/dx) (2.6)

Kolektor dianalisis sebagai volume atur dan jika ditinjau dalam keadaan stedi, maka U = 0, sehingga persamaan menjadi

(2.7)

Gambar 2.7 : Keseimbangan energi pada kolektor

Dari kesetimbangan energinya, maka effisiensi kolektor dapat ditentukan dari besarnya energi yang digunakan dari kolektor terhadap energi global matahari yang diterima.

iii

(2.8)

2.5 Konsep Perpindahan PanasPerpindahan panas adalah perpindahan energi yang

terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari dua buah benda atau material. 2.5.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi

Bila pada suatu benda terdapat gradien temperatur maka akan terjadi perpindahan energi dari bahagian yang bertemperatur tinggi ke bahagian yang bertemperatur rendah. Perpindahan panas terjadi melalui molekul-molekul yang ada pada benda tersebut. Perpindahan panas ini dikenal sebagai perpindahan panas secara konduksi.

Persamaan untuk konduksi diterangkan oleh Hukum Fourier yang menjelaskan bahwa aliran panas secara konduksi dipengaruhi oleh parameter berikut :

Gradien temperatur pada jarak yang diamati

Luas normal pada jarak yang diamati dari aliran panas (A)

Konduktivitas termal bahan (k)

Sehingga dapat ditulis dalam persamaan :

Qx = - k A (Watt) (2.9)

Qx merupakan aliran panas rata-rata untuk nilai x positif, sehingga pada persamaan dicantumkan tanda minus (-)

untuk penurunan temperatur pada jarak x positif, dan yang

negatif. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut dimana untuk gambar 2.8(a) harga dari gradien temperatur adalah negatif dan arah aliran panas adalah positif sesuai arah jarak (x) positif. Sedangkan untuk gambar 2.8(b) sebaliknya, nilai gradien temperatur adalah positif dan arah perpindahan panas berlawanan dengan arah positifnya jarak (x).

Aplikasi dari konsep ini dapat diamati pada sebuah plat dengan distribusi temperatur di dalamnya, seperti terlihat pada gambar 2.9. Persamaan 2.9 dapat ditulis menjadi :

Qx = - k A (2.10)

Qx = -k A (2.11)

Arah aliran panas

(a)

tem

pera

tur

Jarak (x)

dx

dT < 0

Qx 0

Arah aliran panas

x1 x2

T1

T2

tem

pera

tur

r

Jarak ( x)

dx

dT 0

Qx 0

(b)

x1 x2

T2

T1

Gambar 2.8 : Konversi tanda aliran panas pada hukum Fourier untuk perpindahan panas konduksi

Di mana x2 – x1 = L , merupakan tebal dari plat pada saat nilainya positif. Untuk situasi khusus seperti di gambarkan pada

gambar 2.9, kita mengetahuti T1 T2 dan di sini T = T1– T2

dan juga bernilai positif. Sehingga aliran panas Qx adalah positif pada x. Aliran panas rata-rata persatuan luas disebut fluks panas, sehingga Qx dibagi dengan luas A, adalah fluks panas qx.

Gambar 2.9 : Distribusi temperatur T(x) dan aliran panas konduksi pada sebuah plat

Maka qx digambarkan sebagai jumlah aliran panas persatuan waktu pada jarak x. Aliran panas Qx satuannya adalah Watt dan fluks panas qx dalam Watt permeter persegi, dimana konduktifitas thermal k memiliki satuan W/ (moC) atau J/ (msoC).

2.5.2 Perpindahan Panas Secara KonveksiPerpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan

kalor dari sebuah permukaan padat menuju fluida yang lewat diatasnya melalui proses hantaran. Proses transfer energinya merupakan gabungan antara konduksi dengan konveksi itu sendiri. Energi disimpan dalam partikel-partikel fluida dan diangkut sebagai gerakan massa fluida seperti terlihat pada gambar 2.10

Gambar 2.10 : Aliran panas konveksi dari dinding panas (Tw) ke fluida dingin (Tf)

Laju perpindahan panas konveksi dari sebuah permukaan padat ke fluida yang ada di sekelilingnya, dinyatakan dengan persamaan :

Qc = hc . A . ( Tw – Tf ) (2.12)dimana :

Qc = Laju perpindahan panas secara konveksi (W)A = Luas permukaan perpindahanpanas (m2)Tw = Temperatur permukaan benda padat (oC)Tf =Temperatur fluida yang berada pada permukaan

benda padat (oC). hc = Kostanta perpan konveksiHarga hc sangat bergantung pada sifat permukaan

benda, sifat fluida yang terlibat, kecepatan fluida, juga beda temperatur antara permukaan benda padat dan fluida (T).

iv

biasanya harga hc diambil harga rata-rata dari keseluruhan permukaan benda.Konveksi dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu :1. Konveksi bebas atau alami. Terjadi apabila gerakan fluida disebabkan karena adanya

perbedaan massa fluida yang timbul akibat adnya gradien temperatur.

2. Konveksi paksa Terjadi apabila gerakan fluida disebabkan karena adanya

pengaruh secara paksa oleh peralatan dari luar seperti pompa, blower, fan dan lain-lain.

Korelasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan panas konveksi dinyatakan dengan :

Bilangan Nusselt, Nu = hc . D / k (2.13)Bilangan Prandtl, Pr = . cp / k (2.14)Bilangan Reynold, Re = . . D / (2.15)

Hubungan antara ketiga bilangan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut :

Nu = C (Re)n . (Pr)m (2.16)dimana harga C, n , m ditentukan secara percobaan.

ASHRAE Fundamental Volume memberikan korelasi yang dapat digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan panas rata-rata untuk berbagai permukaan.

h = 5,5 + 2,7 V (untuk kaca) (2.17)h = 10,21 + 4,57 V (untuk batu bata) (2.18)h = 11,35 + 11,68 V (2.19)

(untuk lapisan plaster semen) (2.19)Panas yang hilang dari pelat datar yang terbuka ke udara luar ditentukan dari persamaan yang diberikan oleh Mc Adams :

hw = 5,7 + 3,8 V (2.20)

2.5.3 Perpindahan Panas Secara RadiasiRadiasi adalah proses perpindahan energi dengan jalan

pelompatan foton dari suatu permukaan ke permukaan yang lain. Radiasi dapat memindahkan energi menyeberangi ruang vakum dan tidak bergantung kepada medium perantara yang menghubungkan dua permukaan.

Pada saat mencapai permukaan lain foton yang diradiasikan juga diserap (absorbsi), dipantulkan (refleksi), atau diteruskan melalui permukaan. Fraksi yang dipantulkan dinamakan reflektifitas (), fraksi yang diserap absorbsivitas (), dan fraksi yang diteruskan dinamakan transmisivitas (). Jumlah fraksi total sama dengan 1, maka berlaku persamaan :

+ + = 1 (2.21)Untuk benda tidak transparan transmisivitasnya adalah nol, sehingga + = 1

Energi yang diradiasikan dari suatu permukaan ditentukan dalam bentuk daya pancar (emissive power) yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat suhu absolutnya. Untuk radiator ideal biasanya berupa benda hitam, dengan daya pancar Eb sebesar :

Eb = . T4 (2.22)Persamaan 2.22 dikenal dengan hukum Stefan-Boltzman, dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltzman (σ = 5,6697 . 10-8 W/(m2 oC ), Eb adalah kekuatan pancaran benda hitam (Watt), dan T adalah temperatur absolut (K).

Perbandingan antara daya pancar nyata E terhadap daya pancar benda hitam Eb pada suhu yang sama adalah sama dengan absorbsivitas benda itu. Perbandingan itu disebut dengan emisivitas benda :

= E / Eb (2.23)Pada banyak bahan emisivitas dan absorbsivitas dapat dianggap sama, = .

Ciri khas pertukaran energi radiasi yang penting lagi adalah sifatnya yang menyebar secara merata kesegala arah. Hubungan geometrik antara kedua permukaan dapat diterangkan dan dihitung dengan memperhatikan faktor bentuk (Fa).

Gambar 2.11 : Sifat radiasi terhadap bahan transparan

Sifat optik permukaan, yaitu emisivitas, absorbsivitas, refleksifitas, dan transmisifitas juga memperngaruhi laju perpindahan panas radiasi. Pertukaran energi secara radiasi antara suatu permukaan dengan permukaan lain yang jauh lebih luas, seperti kolektor dengan :

Q1-2 = A . . ( T14 – T2

4 ) (2.24)Harga tergantung jenis bendanya dan dapat dilihat pada tabel emisivitas benda.2.6.1 Hambatan Thermal Dan Koefisien Perpindahan

Panas Total

Perpindahan panas pada konveksi, konduksi dan radiasi yang terjadi secara bersamaan dapat disederhanakan. Jika perpindahan panas radiasi

dinyatakan dengan suatu hantaran radiasi seperti

(2.25)

Dengan hr adalah koefisiesi perpindahan panas equivalen radiasi. Jika persaman ini dibandingkan dengan persamaan 2.19, maka hr dapat dinyatakan sebagai :

(2.26)

Perlu diperhatikan Q adalah aliran kalor analog dengan hukum ohm :

I = V/R (2.27)maka persaman panasnya dapat ditulis :

(2.28)

Dengan RT hambatan termal. Untuk ketiga macam perpindahan panas dinyatakan :

(2.29)

Untuk persoalan yang melibatkan hambatan termal tersebut, maka akan diperoleh hambatan termal total, sehingga diperoleh perpindahan panas menyeluruh atau total sebesar :

v

(2.30)

Aliran panas menyeluruh sebagai hasil gabungan hambatan termal total diatas dinyatakan dengan koefisien perpindahan panas total atau menyeluruh U, sehingga :

(2.31)Di mana :

(2.32)

Jika dibandingkan dengan persamaan 2.28, maka koefisien perpindahan panas total menyeluruh adalah :

(2.33)

2.7 Panas Yang Dimanfaatkan Oleh Kolektor

Besarnya panas aktual yang dibutuhkan oleh kolektor agar terjadi peningkatan temperatur fluida kerja adalah :

(2.34)

Dilihat dari kesetimbangan energi, energi yang berguna pada kolektor adalah besar energi yang diterima absorber dikurangi dengan kerugian panas kelingkungan, maka : (2.35)

(2.36)

Panas yang diserap kolektor dipengaruhi oleh harga transmisivitas () kaca penutup, harga absorsivitas () dari plat absorber, serta intensitas matahari yang diterima kolektor.

Pengaruh transmisivitas dan absorsivitas bahan dengan transmitance absorbtance product seperti gambar 2.7, d adalah harga reflektibitas dari kaca penutup. Dari proses tersebut maka transmittance absorbtance product adalah :

(2.37)

Besar harga transmisivitas, absorbsivitas dan refleksivitas dari suatu kaca penutup dipengaruhi oleh sudut jatuh () dari radiasi matahari. Sudut jatuh radiasi matahari ke kaca penutup diasumsikan pada sudut 90o (tegak lurus kolektor), dari tabel harga = 0,85 dan harga d = 0,09. Harga absorbsivitas plat absorber = 0,95 dan harga emitance = 0,89Panas yang diserap kolektor (Qin) adalah :

(2.38)Besarnya energi yang dipindahkan kefluida kerja (air) dinyatakan dengan persamaan :

(2.39)

(2.40)

2.8 Kerugian Panas Kolektor Ke Lingkungan

Kerugian panas dari kolektor kelingkungan terjadi tiga daerah yaitu bagian atas kolektor, bagian bawah dan bagian samping. Total kerugian panas secara keseluruhan kelingkungan ditinjau dari keseimbangan energinya, yaitu :

(2.41)Besar kerugian panas ke sisi bawah, samping dan atas

kolektor dapat dihitung dari harga koefisien perpindahan panas dari sisi-sisi tersebut.

(a) Kerugian Panas pada Bagian Bawah dan Samping Kolektor

Elemen-elemen bagian bawah kolektor terdiri dari isolator dengan ketebalan (t), konduktivitas termal (k), koefisien perpindahan panas konveksi udara bagian bawah kolektor (hb), temperatur sisi belakang (Tbk), luas isolator (Ab), dan temperatur lingkungan (Tamb).

R1 merupakan tahanan thermal plat aluminium, R2

tahanan thermal isolator (kayu) dan R3 tahanan thermal lingkungan.Harga koefisien perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

Bentuk kehilangan panas oleh angin menurut Mc. Adam dapat dinyatakan dengan persamaan :

(2.43)Di mana : V = kecepatan angin (m/s)

hb,amb = koefisien perpindahan panas oleh angin (w/m2 oC)Dari harga Ub diatas kehilangan panas oleh bagian bawah kolektor ditentukan dengan persamaan :

(2.44)

Dari peralatan di atas, dapat juga ditentukan laju kehilangan panas dari sisi samping kolektor dengan persamaan :

(2.45)

(b) Koefisien Kehilangan Panas Melalui Sisi Atas KolektorPanas yang hilang kebagian atas kolektor karena

konveksi alamiah dan karena radiasi kepermukaan dari plat penutup kaca. Panas ini dikonduksikan oleh plat kaca ke permukaan luarnya, kemudian dipendahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi.Koefisien perpidahan panas total melalui bagian atas kolektor dapat dirumuskan :

(2.46)Di mana harga Aat sama dengan harga Ak, dan hi, hri, ho,

dan hro adalah koefisien perpindahan panas karena konveksi bebas plat absorber, koefisien perpindahan panas karena pengaruh radiasi plat absorber, koefisien perpindahan panas karena konveksi bebas kaca penutup dan koefisien perpindahan panas karena pengaruh radiasi kaca penutup.

Adapun nilai dari hri dan hro masing-masing diperoleh dari persamaan 2.47 dan persamaan 2.48.

(2.47)

Di mana Tp dan Tk masing-masing adalah temperatur rata-rata permukaan plat dan temperatur kaca.

vi

(2.48)

Di mana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank sebagai

(2.49)

Di mana temperatur luar Tamb adalah dalam derjat kelvin (K).Laju kehilangan panas melalui bagian atas kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan :

(2.50)

Dengan demikian koefisien perpindahan panas total pada kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan :

(2.51)

Energi total yang hilang kelingkungan ,

(2.52)

2.9 Efisiensi Kolektor Surya

Jika intensitas radiasi surya yang tiba pada permukaan kolektor dengan kemiringan adalah E’glob dan luas pelat penyerap adalah Ak maka energi radiasi surya yang tiba pada kolektor adalah :

(2.53)

Efisiensi termal untuk keadaan stationer dapat diperhitungkan dari hubungan berikut. Energi yang dapat digunakan oleh kolektor sama dengan energi yang diserap oleh kolektor dikurangi dengan energi yang hilang dari kolektor, atau sama juga dengan energi yang dipindahkan kepada fluida pembawa energi.

(2.54) =

(2.55)

Sedangkan efisiensinya adalah :

(2.56)

sehingga

(2.57)

sehingga persamaannya dapat ditulis

(2.58)

atau

(2.59)

dimana :

FR = Faktor transport panas kolektor = Transmision – absorbtion product

Keff.m = Koefisien kerugian panas kolektorTamb = Temperarur lingkungan sekitar

Dalam pemodelan grafik efisiensi, biasanya dilakukan terhadap parameter perubahan temperatur Ω dalam bentuk :

(2.60)

Dari hubungan persamaan (2.58) terhadap persamaan (2.59) secara teoritik menyatakan bahwa untuk temperatur rata-rata fluida keluar yang meningkat efisiensi akan turun. Ini disebabkan oleh Ω yang mempunyai koefisien yang negatif.

BAB IIIMETODOLOGI

3.1 Perencanaan dan Pembuatan Kolektor suryaKolektor Surya direncanakan untuk menyerap energi

surya kemudian menyampaikan sebagian besar energi yang diserap kedalam air yang mengalir melewati pipa pengalir/kanal. Agar penyerapan energi surya dapat lebih maksimal maka pada kolektor surya ini ditambahkan sirip-sirip pada pelat absorber. Tujuan dari penambahan sirip ini adalah untuk menambah luas permukaan pelat absorber, sehingga kontak yang terjadi antara pelat absorber dengan panas menjadi lebih besar.

Komponen utama dari kolektor surya yang akan dibuat ini adalah terdiri dari 5 komponen utama yang terdiri dari :

Tabel 3.1 Komponen utama dan spesifikasi kolektor surya

NoBagian Bahan Keterangan

1 Penutup transparan

Kaca Tebal 5 mm

2 Pipa pengalir Alumunium Diameter 8 mm

3 Pelat absorber Alumunium Tebal 0.4 mm

4 Isolasi Stereofoam Tebal

- Dinding : 2,5 cm

- Alas : 3 cm

5 Kotak kolektor Papan kayu Tebal 15 mm vii

Dimensi kolektor surya secara umum :

Panjang kolektor : 1,15 m

Lebar kolektor : 0.85 m

Luas kolektor : 0.9775 m

3.2 Teknik Pengujian

3.2.1 Skema Pengujian

Gambar 3.2 Skema pengujian koletor surya

3.2.2 Alat – Alat Yang Digunakan

Peralatan Pengujian :

- Kolektor surya

- Kontruksi penyangga kolektor

- Termos es

- Switch rotary

Alat ukur yang digunakan :

- Multimeter

- Termokopel

- Termometer

- Solarimeter

3.2.2 Alat Ukur

1. Alat Ukur Temperatur

Termokopel

Prinsip dasr dari termokopel yaitu memanfatkan gejala adanya arus listrik pada rangkaian tertutup dua logam yang berbeda dan dua sambungannya itu mempunyai suhu yang berbeda. Efek ini meupakan konversi energi termal menjadi energi listrik. Karena timbulnya energi listrik ini diakibatkan karena suhu maka titik hubung dua kawat yang berbeda dapat digunakan sebagai sensor suhu yang dikenal dengan termokopel

Ada beberapa macam bahan termokopel seperti Cu-CuNi, Fe-CuNi, NiCr-Ni, dan PtRh-Pt. Untuk pengukuran temperatur dalam range -200oC sampai 200oC lebih cocok menggunakan termokopel Cu-CuNi.

Gambar 3.2 : Termokopel terpasang

Termometer

Termometer yang dipakai adalah dengan skala dimulai dari –10o C sampai dengan 110o C, sebuah cembul yang relatif besar dibagian bawah termometer menampung sebagian besar zat cair yang akan menguap bila dipanaskan dan mengisi tabung kapiler yang berisi garis-garis penanda skala.

2. Alat Ukur IntensitasAlat ukur yang digunakan untuk mengukur intensitas radiasi

matahari adalah solarimeter. Prinsip kerja dari solarimeter yaitu menerima radiasi dengan detektor dari pyranometer. Kemudian diolah sehingga menimbulkan suatu signal yang kemudian dideteksi oleh suatu sensor.

Gambar 3.3 : Solarimeter

3. Alat Ukur Debit aliran

Untuk menghitung debit aliran memasuki kolektor digunakan digunakan flowmeter. Prinsip kerja dari dari flowmeter tergantung dari jenis flowmeternya. Flowmeter jenis impeller daun misalnya. Ketelitian pengukuran alat ini 0,0001 m3, artinya 1 skala terkecil melewatkan volume air sebesar 0,0001 m3, jika roda giginya berputar 1 keliling (10 skala), maka volume air yang lewat adalah : 10 x 0,0001 m3. Dengan demikian untuk menentukan debit aliran Q berlaku :

dimana t merupakan selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan 1 putaran penuh.

3.2.4 Kalibrasi Alat UkurKalibrasi yang dilakukan :

1. Kalibrasi Temperatur Termokopel.2. Kalibrasi Solarimeter.

Alat ukur yang digunakan sebelum dipakai dikalibrasi terlebih dahulu. Kalibrasi termokopel dapat dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran referensi dari 0o C sampai dengan suhu 100o C menggunakan termometer dan termokopel.

viii

Gambar 3.4 : Skema kalibrasi thermokopelKalibrasi termokopel dilakukan dengan cara

menyatukan ujung-ujung dua metal yang berlainan dan diletakkan pada wadah yang akan diukur temperaturnya. Diantara kedua metal ini akan timbul suatu perbedaan tegangan yang tergantung pada tinggi rendahnya temperatur. Kemudian sebagai temperatur pembanding (0o C) ujung-ujung lain diletakkan pada suatu wadah berisi es.

Pengkalibrasian termokopel biasanya dilakukan dengan membandingkan harga temperatur ukur, misalnya 0oC, 5oC, 10oC,….,90oC, 100oC terhadap beda tegangan yang ditimbulkan, misalnya 2 mV, 4mV, 7mV,….,25mV, 29mV. Kemudian kedua besaran ini diambil persamaan regresinya sehingga didapat bentuk persamaan :

Y = a.X CDimana Y, a, X dan C berturut-turut adalah temperatur yang diukur (oC), konstanta kalibrasi (oC/mV), beda tegangan yang ditimbulkan, konstanta linier.

Untuk mengkalibrasi solarimeter dilakukan dengan cara membandingkan hasil pengukuran intensitas matahari menggunakan solarimeter standar dengan solarimeter yang dipakai.

3.3 Asumsi-asumsi Laju aliran massa air konstan kebocoran air disaluran pipa dan selang diabaikan. Massa jenis air = 1000 kg/m3. Perubahan energi kinetik dan energi potensial

diabaikan.

3.4 Parameter-parameter yang diukur. Temperatur air masuk kolektor (Tin). Temperatur air keluar kolektor (T0ut). Temperatur lingkungan (Tamb). Temperatur pelat absorber (T1, T2,……T6) Intensitas matahari (Eglob)

Debit aliran air ( )

3.5 Pelaksanaan Pengujian 3.5.1 Tujuan Pengujian

Mengetahui cara kerja dan karakteristik pengujian kolektor surya.

Mendapatkan parameter sistem yang dapat mempengaruhi prestasi kolektor.

Menentukan efisiensi termal kolektor. Menentukan pengaruh laju aliran massa terhadap

efisiensi termal kolektor surya.

3.5.2 Prosedur Pengujian1. Mempersiapkan instalasi pengujian, yaitu kolektor,

sumber air, pompa termos berisi es sebagai acuan nol temperatur termokopel, shield cable, solarimeter, multimeter, flowmeter, stop watch.

2. Pasang perangkat pengujian dan alat ukur pada masing-masing titik uji pada kolektor dan solarimeter seperti pada gambar 3.1

3. Alirkan air memasuki sistem kolektor sesuai dengan pengaturan debit alir yang diinginkan.

4. Lakukan pencatatan data pengujian dengan debit alir yang konstan sesuai dengan lama waktu yang diinginkan.

5. Lakukan pengujian dengan memvariasikan debit alir fulida.

6. Hitung efisiensi kolektor dengan rumus yang ada dengan memasukan parameter-parameter yang didapat dari pengujian.

7. Lakukan analisa dan pembahasan terhadap hasil yang didapat dari pengujian dan perhitungan.

BAB IVHASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Grafik Hasil PengujianA. Pengujian Prestasi Thermal Kolektor Surya

Gambar 4.1 Grafik Perubahan Temperatur - Efisiensi

Pengujian Pengaruh Laju Aliran Massa – Efisiensi

ix

Gambar 4.2 Grafik Laju Aliran Massa – Efisiensi

Gambar 4.3 grafik monogram η vs dan Ω pengujian

4.2 Analisa Dan PembahasanBerdasarkan grafik hasil perhitungan dari pengujian

yang dilakukan, maka dapat dibuat analisis dan pembahasan sebagai berikut :

Gambar 4.1 adalah grafik yang menjelaskan hubungan antara:

terhadap

(4.1)

(4.2)

Dimana η didefenisikan sebagai efisiensi thermal dari kolektor, FR dan keff biasanya hampir konstan dalam daerah operasi kolektor. Persamaan efisiensi yang didapat merupakan suatu persamaan garis lurus y = b + mx, dimana b adalah sumbu y yang terpotong dan m adalah kemiringan garis tersebut. Persamaan efisiensi termal yang didapat dari pengujian adalah: = 0.733 – 39,351 Berdasarkan persamaan efisiensi yang didapat dari pengujian dapat diambil hubungan dengan dengan persamaan 4.2 diatas, bahwa :

- Harga efisiensi maksimum (

) kolektor surya adalah 0.733

- Harga koefisien FR.keff.m kolektor surya adalah 39,351

Harga dan diatas merupakan

karakteristik prestasi thermal dari kolektor surya.

Dari grafik hasil pengujian ini memperlihatkan bahwa pada pengujian yang dilakukan, untuk yang cenderung meningkat mengakibatkan penurunan harga efisiensi. Penurunan harga efisiensi terjadi pada saat harga parameter-parameter :

Temperatur lingkungan yang rendah, ini menjelaskan bahwa pada saat temperatur lingkungan kecil, panas yang ada pada absorber mempunyai kecenderungan mengalir ke lingkungan. Panas ini akan menjadi rugi-rugi panas dari kolektor.

Temperatur fluida masuk dan fluida keluar kolektor cenderung bertambah besar. Hal ini menjelaskan bahwa pada pada temperatur rata-rata fluida besar akan mengakibatkan lambatnya terjadi keseimbangan panas antara absorber dengan fluida. Akibatnya akan terjadi kerugian panas ke lingkungan dalam bentuk konduksi melalui dinding rangka kolektor dan dalam bentuk aliran konveksi dan radiasi ke permukaan kolektor.

Harga Eglob besar. Ini menjelaskan bahwa pada kondisi kuantitas panas yang masuk ke kolektor besar akan memperlambat terciptanya kesetimbangan aliran panas dari absorber ke fluida, akibatnya akan terjadinya aliran panas berupa konduksi dan konveksi.

Efisiensi akan berharga maksimum pada saat temperatur rata-rata fluida berharga sama atau mendekati temperatur lingkungan. Artinya pada kondisi ini sudah tercapai keseimbangan panas didalam dengan diluar kolektor sehingga tidak terjadi aliran panas ke lingkungan. Dengan kata lain fulida akan maksimal menyerap panas dari pelat absorber.

Efisiensi akan sama dengan nol (efisiensi stagnasi) bila harga sama dengan 0.019. Hal ini akan terjadi bila kolektor mengalami kehilangan panas besar sekali. Artinya panas yang diterima absorber tidak ada yang dimanfaatkan fluida, semuanya menjadi bentuk rugi-rugi panas kolektor. Fenomena ini akan terjadi bila :

Aliran fluida dalam saluran tidak ada atau juga karena temperatur fluida masuk sama dengan temperatur fluida keluar.

Isolasi rangka kolektor tidak berfungsi dengan baik sehingga panas yang diterima kolektor semuanya pindah ke lingkungan.

Temperatur fluida kecil sehingga kecepatan aliran panas ke lingkungan sangat besar dibandingkan ke fluida.

Gambar 4.2 adalah grafik pengaruh laju aliran massa terhadap efisiensi kolektor surya.. Grafik ini menjelaskan bahwa peningkatan laju aliran massa diiringi dengan peningkatan efisiensi secara tajam. Pada batas laju aliran massa tertentu

x

efisiensi akan meningkat perlahan sekali dengan kecenderungan bentuk grafik landai mendekati harga maksimum.

Fenomena ini menjelaskan bahwa peningkatan laju aliran massa akan mempercepat laju keseimbangan panas, dengan demikian akan mengurangi kehilangan panas ke lingkungan. Pada batas laju aliran massa tertentu, panas dari absorber akan maksimal dimanfaatkan oleh fluida. Kondisi ini merupakan batas minimum dari laju aliran massa untuk menyerap panas dengan kehilangan panas ke lingkungan minimum. Bila dilakukan penambahan laju aliran massa melebihi batas minimumnya maka dalam penyerapan panas oleh fluida akan sedikit terjadi kehilangan panas. Artinya berapapun laju aliran massanya harga efisiensinya akan konstan.

Jelasnya hubungan efisiensi terhadap laju aliran massa dan Ω dapat diplot dalam bentuk grafik monogram fisiensi seperti pada gambar 4.3 diatas. Pada grafik tersebut menunjukan bahwa kenaikan laju aliran massa akan diiringi dengan kenaikan efisiensi secara tajam sampai batas laju aliran tertentu, dan setelah melewati batas tersebut efisiensi akan naik secara perlahan mendekati efisiensi maksimumnya.

BAB VPENUTUP

5.1 KesimpulanDari pengujian kolektor surya dapat ditarik beberapa

kesimpulan, yaitu :

Hubungan harga efisiensi terhadap parameter Ω adalah berbanding terbalik. Persamaannya yang didapat dari pengujian adalah = 0.733 – 39,351

Karakteristik prestasi thermal kolektor surya yang didapat dari pengujian adalah :

- adalah 0.733 yang merupakan efisiensi

maksimum kolektor surya. - adalah 39.351

Efisiensi stagnasi kolektor surya adalah pada saat harga parameter Ω = 0.019

Meningkatnya perubahan temperatur (Ω) mengakibatkan penurunan harga efisiensi (η) kolektor surya.

Faktor-faktor yang mempengaruhi grafik efisiensi kolektor surya :

- Temperatur lingkungan- Tingkat radiasi surya- Temperatur fluida masuk kolektor

Peningkatan laju aliran massa berpengaruh terhadap efisiensi kolektor surya

Hubungan laju aliran massa dengan efisiensi kolektor surya ditentukan dengan persamaan

5.2 SaranDalam pengujian prestasi kolektor pelat datar, sangat

dinginkan proses pengujian berlancar lancar dan data yang didapatkan lebih baik. Untuk itu disarankan hal – hal berikut :

Dalam melakukan pengujian lagi semua alat ukur yang digunakan harus dikalibrasi ulang lagi, karena alat ukur yang sudah lama tidak digunakan akan tidak akurat lagi

Pengambilan data pada pengujian hendaknya dilakukan lebih banyak lagi agar didapat hasil yang baik.

Untuk ketelitian dan data yang diperoleh lebih baik, sebaiknya pengambilan dan pengolahan data dilakukan dengan menggunakan program komputasi.

xi

.

.

0045.0

86.0

m

m

.

.

0045.0

86.0

m

m