BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.5. Alat Pemanas Air Tenaga Surya
Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang
memanfaatkan energi thermal surya yang cukup popular dan banyak digunakan,
terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, mulai beredar beberapa merek PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan
di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk produk ini, berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan.
Kualitas unit PATS bergantung pada keandalan fisik dan kemampuan
thermal system seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan
panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya
rugi-rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan. Sifat-sifat yang dimiliki bahan yang dipakai sebagai komponen PATS sangat mempengaruhi kinerja dari PATS, oleh karena itu material yang dipilih haruslah tepat agar dapat menangkap panas dan mencegah panas keluar ke
lingkungan, menyerap panas secara maksimal, menjaga suhu air agar tetap
panas, dan meningkatkan efisiensi dari PATS.
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi tersebut maka kaca penutup harus mempunyai sifat berikut ini:
Transmisivitas tinggi( )
Absorsivitas rendah( )
Refleksivitas rendah( )
Tahan panas
Plat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan
mengkonversikannya menjadi panas. Kemudian energi matahari yang dapat diserap dan dipindahkan ke pipa nantinya akan semakin besar. Kemudian energi dialirkan melalui fluida kerja air yang terdapat didalam pipa secara konveksi. Kemudian air yang berada dalam pipa mengalirkan energike air yang berada pada tangki air. Dengan mengacu fungsinya sebagai absorber, maka dipilih sifat bahan antara lain:
Absorsivitas tinggi( )
Emisifitas panas rendah( )
Kapasitas panas kecil (Cp)
Refleksi rendah ( )
Tahan panas dan tahan korosi
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk plat penyerap panas yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Sesuai dengan pertimbangan diatas pada alat pemanas tenaga surya ini bahan yang digunakan sebagai plat absorber adalah tembaga dan permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat hitam kusam (dof), agar jangan terjadi korosi dan mempunyai absorbsivitas maksimum.
Isolator berfungsi untuk memperkeil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Jika isolasi pada kolektor bagus,maka air yang terdapat di dalam tangki suhunya akan terjaga dengan baik, artinya dengan adanya isolasi ini laju pindahan panas dari tangki ke lingkungan dapat diminimalisir. Pada isolasi terjadi pindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan, sehingga isolasi yang digunakan harus memiliki sifat-sifat berikut:
Konduktifitas termal bahan (k) kecil
Mudah dibentuk dan praktis
Mudah diperoleh
Tahan panas dan tahan lama
Dalam hal ini Rockwool mempunyai tingkat isolasi yang sangat baik. Berikut di jelaskan beberapa keunggulan rockwool menurut Kamstrup [12].
Tidak tergolong benda berbahaya
Mempunyai tingkat insulasi yang sangat baik
Mampu menahan pemanasan sampai suhu 820oC
Mempunyai densitas yang besar
Tidak Korosif, tidak bersifat karsinogen, mutagenic dan toxic
Tidak mudah rusak selama pemasangan
Memiliki tingkat durabilitas yang baik
Tingkatheat lossyang rendah ( sekitar 5%)
Dengan sifat insulasi yang baik, dapat dihindari kebocoran panas, sehingga energi panas yang di serap oleh PATS dapat dimanfaatkan sebaik baiknya. Dalam
PATS ini di insulasi di daerah sekitar pelat absorber, dinding reservoir air dan seluruh daerah yang memungkinkan terjadinya kehilangan panas.
Gambar 2.17 menunjukkan alat pemanas air tenaga surya yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar 2.17. Alat Pemanas Air Tenaga Surya
2.5.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya
Gambar 2.17 menunjukkan sebuah alat pemanas air tenaga surya dengan media pemanas air. Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa ditingkatkan. Sehingga energi panas yang dipancarkan oleh matahari diserap dan dikumpulkan untuk ditingkatkan temperaturnya oleh kolektor. Panas tersebut dialirkan terhadap pipa tembaga (1-2) yang berisi air, kemudian air akan menjadi panas. Akibatnya air berubah wujud dari cair menjadi gas dan massa jenis di titik 2 lebih kecil dari massa jenis di titik 1, sehingga air cenderung bergerak dari titik 1 ke titik 2. Air di titik 2 akan terdorong menuju titik 3 sambil melepaskan panas ke air yang ada pada tangki air. Pelepasan panas ini membuat air berubah wujud dari gas menjadi cair, dan suhunya akan turun. Pergerakan air ini meyebabkan terjadinya sirkulasi alamiah yang disebabkan efek termosipon dimana air yang suhunya lebih tinggi massa jenisnya lebih rendah dan
cenderung bergerak kesebelah atas. Posisinya akan digantikan air lain yang lebih dingin.
2.5.2. Energi yang sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya
Untuk menghitung energi yang sampai pada kolektor atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu perlu diketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber alat pemanas air tenaga surya menurut Soteris [13] dapat di lihat pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber Alat Pemanas Air Tenaga Surya
Pada Gambar 2.18 dapat dilihat bahwa panas matahari (Q incident) sebagian
dipantulkan ke atmosfir dan sebagian lagi diserap oleh kolektor. Panas yang
diserap oleh kolektor (Qabs) inilah yang akan digunakan untuk memanaskan
refrigeran.
Gambar 2.19. Ilustrasi pengaruh arah sudut sumber energi terhadap besaran energi yang diterima Qincident Qref Q Pelat absorber Kaca penutup
Menurut Incropera [14] besaran energi radiasi yang diterima alat pemanas air tenaga surya di pengaruhi oleh sudut datangnya energi panas matahari seperti gambar 2.19. Energi radiasi yang sampai ke permukaan bumi akan diserap oleh kolektor yang digunakan untuk memanaskan air pada alat pemanas air tenaga surya. Jumlah energi radiasi per satuan luas yang diterima kolektor selama proses penelitian disebut Qincident.
Menurut Mehmet Esent [15], besarnya Qincident dapat dihitung dengan
menggunakan rumus di bawah ini:
2 1 Idt A Qincident ... (2.24) Dimana:A = luas penampang dari pelat absorber (m2)
I = intensitas cahaya matahari (W/m2)
Sedangkan panas yang diserap oleh absorber dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
incident
abs
Q
Q α
... (2.25)Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah:
incidentref
Q
Q 1α
... (2.26)Dimana:
α = difusifitas bahan
2.5.3. Energi yang diserap oleh air
Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap
air. Besarnya energi tersebut menurut Mehmet Esent [15] dapat ditentukan
dengan menggunakan rumus:
Tw2 Tw1
Cm
Dimana:
mw = Massa air (kg)
Cpw = Panas jenis dari air (kJ/kg.0C)
Tw1 = Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (0C)
Tw2 = Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (0C)
2.5.4. Efisiensi dari Kolektor
Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang diberikan kolektor ke air dengan panas incident. Hal itu menurut Mehmet Esent [15] dapat dirumuskan sebagai berikut:
w w
incident pw wC T T Q m 2 1 / η ... (2.28)Definisi efisiensi disini adalah kemampuan dari kolektor untuk memanasi air sampai suhu maksimum dalam rentang waktu tercepat. Semakin cepat didapat pemanasan suhu maksimum, maka akan semakin besar pula tingkat efisiensi yang diperoleh dan semakin lama rentang waktu pencapaian suhu maksimum, semakin kecil pula tingkat efisiensi yang didapat oleh kolektor. Nilai efisiensi yang ditinjau pada penelitian ini adalah nilai efisiensi saat temperatur air maksimum.