BAB II DASAR TEORI
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil Penelitian
Telah dilakukan pengumpulan energi surya dengan menggunakan kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru, dengan dan tanpa penutup kaca untuk menentukan konstanta waktu. Kolektor surya plat datar disinari langsung dengan sinar matahari selama tiga jam dari jam 10:00 WIB s/d 13:00 WIB.
Penelitian untuk menentukan konstanta waktu kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas, diawali dengan menganalisis sistem fisis kolektor yaitu dengan membuat persamaan kesetaraan panas. Setelah diperoleh persamaan kesetaraan panas, kemudian dilakukan eksperimen terhadap empat jenis kolektor dengan tipe yang berbeda untuk mendapatkan data-data yang diperlukan. Untuk setiap tipe kolektor surya plat datar dilakukan pengukuran laju aliran air, suhu air masukan, serta intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran.
Pengukuran laju aliran air yang melewati kolektor dilakukan dengan cara menghitung waktu yang dibutuhkan air untuk mengisi gelas ukur dengan volume 50 mL, 100 mL, 150 mL, 200 mL, dan 250 mL sebanyak tiga kali. Hasil pengukuran laju aliran air pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Data hasil pengukuran laju aliran air pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca.
Waktu (s) Volume Air (mL) I II III 50 10,8 10,8 10,8 100 21,6 21,8 21,1 150 32,0 31,9 32,1 200 41,9 42,0 42,3 250 52,7 51,9 52,7
Dari data hasil pengukuran tersebut, dihitung laju aliran air yang melewati kolektor yaitu dengan membagi volume air terhadap waktu. Setelah itu satuannya dirubah menjadi massa per satuan waktu. Kemudian hasil laju aliran air pada Tabel 4.1 di atas dirata-ratakan, sehingga menghasilkan laju aliran air kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca adalah 0,004 kg/s.
Setelah mengukur laju aliran air yang melewati kolektor, selanjutnya adalah mengukur suhu air yang menuju kolektor. Data hasil pengukuran suhu air masukan kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran B.1. Dari data hasil pengukuran suhu air masukan diperoleh nilai suhu air masukan dengan merata-ratakan nilai suhu air masukan. Nilai suhu air masukan kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s adalah (33,8 0,2) ± o
C.
Langkah selanjutnya adalah pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran. Grafik hasil pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran
pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan n = 0,004 kg/s tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Gambar 4.1 dan 4.2.
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Waktu (s) In te ns it a s R a di a si M a ta ha ri ( lux)
Gambar 4.1 Grafik hubungan intensitas radiasi matahari terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s. 34 36 38 40 42 44 46 48 0 50 100 150 200 250 300 350 400
Waktu (s)
S
uhu A
ir
K
e
lu
a
ra
n (
oC
)
Gambar 4.2 Grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada kolektor
surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.
Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa intensitas radiasi matahari yang mengenai permukaan kolektor adalah konstan. Selanjutnya dibuat grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu seperti yang terlihat pada Gambar 4.2. Dari Gambar 4.2 dibuat grafik perbedaan suhu air terhadap waktu seperti yang ditampilkan pada Gambar 4.3 dibawah ini.
0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 350 400
Waktu (s)
P
e
rb
ed
aan
S
u
h
u
A
ir
(
o
C)
Gambar 4.3 Grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.
Perbedaan suhu air diperoleh dari selisih suhu air keluaran terhadap suhu air masukan. Dari Gambar 4.3 kemudian dilakukan fit grafik dengan persamaan (2.15). Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s dapat dilihat pada Gambar 4.4 dibawah ini.
Gambar 4.4 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.
Dengan cara yang sama pengambilan data untuk tiga tipe kolektor surya plat datar yang lain telah dilakukan. Data hasil pengukuran laju aliran air dan suhu air masukan, pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, dan kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran A dan B.
Data hasil pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, dan kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca ditampilkan dalam bentuk grafik. Grafik hubungan intensitas radiasi matahari terhadap waktu dan grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor
surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, serta kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran C.
Dari grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada Lampiran C, selanjutnya dibuat grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu. Grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, serta kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran D. Dari Gambar D.1, D.2, dan D.3 pada Lampiran D, selanjutnya dilakukan fit grafik dengan persamaan (2.15). Hasil fit grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu dengan persamaan (2.15) pada tiga tipe kolektor surya plat datar ditampilkan pada Gambar 4.5, 4.6, dan 4.7.
Gambar 4.5 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.
Gambar 4.6 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor
surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.
Gambar 4.7 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.
Dari hasil fit grafik pada Gambar 4.4, 4.5, 4.6, dan 4.7 diperoleh nilai konstanta waktu dengan laju aliran air 0,004 kg/s pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, dan kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca berturut-turut adalah (93±1) s, (82±1) s, (116±1) s, dan (115±1) s.
B. Pembahasan
Kolektor surya plat datar adalah alat yang dapat mengkonversi energi surya menjadi panas. Kemampuan kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas diketahui dari karakteristik statik dan karakteristik dinamik.
Karakteristik statik adalah karakteristik dari sistem yang timbul sebagai akibat dari ciri fisik sistem. Misalnya, perbedaan kemampuan kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dalam mengkonversi energi surya menjadi panas. Demikian pula perbedaan kemampuan kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca dan dengan penutup kaca dalam mengkonversi energi surya menjadi panas [Saputro, 2005].
Karakteristik dinamik berkaitan dengan respon sistem akibat dikenainya input. Karakteristik dinamik kolektor surya plat datar ditentukan dari nilai konstanta waktu. Untuk dapat melihat serta menganalisis respon kolektor surya plat datar terhadap masukan harus dilakukan pengukuran yang bersifat kontinu.
Untuk mendapatkan data secara kontinu diperlukan alat yang dapat mengikuti proses yang terjadi selama pengukuran berlangsung. Pada penelitian ini digunakan
alat ukur thermometer probe, lightsensor dan loggerpro yang sudah terhubung dengan komputer. Keunggulan lain dari sistem pengukuran ini adalah dapat merekam data sebanyak-banyaknya, serta dapat menampilkan data sehingga membantu peneliti untuk menganalisis data saat pengukuran berlangsung. Selain itu, sistem pengukuran ini dapat mengurangi efek kesalahan pembacaan skala. Pada penelitian ini pengukuran diawali dengan mengukur laju aliran air yang melewati kolektor.
Pengukuran laju aliran air yang melewati kolektor dilakukan sebanyak tiga kali dengan cara menghitung waktu yang diperlukan air untuk mengisi gelas ukur. Setelah diperoleh hasil pengukuran, selanjutnya dirata-ratakan nilai laju aliran air pada semua tahapan untuk mendapatkan laju aliran air yaitu massa per satuan waktu yang melewati kolektor surya plat datar.
Setelah didapat laju aliran air untuk masing-masing tipe kolektor, langkah selanjutnya adalah pengukuran suhu air masukan. Kemudian dilakukan pengukuran intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor dan suhu air keluaran.
Pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran dilakukan bersamaan. Intensitas radiasi matahari sebagai input fungsi tangga dikenakan pada kolektor dengan cara membuka penghalang kolektor dari sinar matahari saat dimulainya pengukuran. Selama pengukuran suhu air keluaran, intensitas radiasi matahari yang terbaca harus konstan. Pada Gambar 4.1 dan Gambar C.1, C.3, C.5 pada Lampiran C, memperlihatkan bahwa intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor surya plat datar adalah konstan. Pengukuran intensitas radiasi matahari dan
suhu air keluaran diakhiri apabila suhu air keluaran yang terbaca pada layar komputer konstan.
Pada Gambar 4.2, dan Gambar C.2, C.4, C.6 pada Lampiran C terlihat bahwa suhu air keluaran naik secara eksponensial kemudian bergerak konstan mengikuti persamaan (2.15). Pada Gambar 4.2, dan Gambar C.2, C.4, C.6 pada Lampiran C juga memperlihatkan bahwa suhu air keluaran akan bergerak menuju ke keadaan yang konstan apabila telah melewati konstanta waktunya.
Konstanta waktu diperoleh dengan mem-fit grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu seperti pada Gambar 4.3, dan D.1, D.2, D.3 pada Lampiran D dengan persamaan (2.15). Fit grafik dilakukan menggunakan perangkat lunak loggerpro. Pada perangkat tersebut, fit grafik dilakukan dengan mencari grafik yang mendekati bentuk asli yakni grafik perbedaan suhu air terhadap waktu seperti yang terlihat pada Gambar 4.4, 4.5, 4.6, dan 4.7. Dari hasil fit grafik diperoleh nilai konstanta waktu keempat tipe kolektor surya plat datar. Nilai konstanta waktu keempat tipe kolektor surya plat datar dapat dilihat pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Nilai konstanta waktu dari empat tipe kolektor surya plat datar dengan n = 0,004 kg/s.
Konstanta Waktu (s) Warna plat
penyerap Tanpa penutup kaca Dengan penutup kaca
Hitam 93 ± 1 82 ± 1
Dari Tabel 4.2 diperoleh nilai konstanta waktu rata-rata untuk empat tipe kolektor surya plat datar yaitu (101±17) s. Apabila nilai konstanta waktu empat tipe kolektor surya plat datar pada Tabel 4.2 dibandingkan dengan nilai konstanta waktu rata-rata maka terdapat selisih. Nilai selisih ini merupakan efek dari warna plat penyerap dan penggunaan penutup kaca pada kolektor.
Nilai konstanta waktu dari masing-masing tipe kolektor seperti yang terlihat pada Tabel 4.2 menunjukan bahwa kolektor surya plat datar berwarna hitam memiliki respon yang cepat ketika diberi input dibandingkan dengan kolektor surya plat datar berwarna biru. Hal ini terjadi karena plat penyerap berwarna hitam memiliki kemampuan menyerap energi surya yang lebih baik dibandingkan plat penyerap berwarna biru. Demikian pula kolektor surya plat datar dengan penutup kaca memiliki respon yang cepat dibandingkan kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca. Hal ini terjadi karena adanya penyerapan energi surya yang maksimal pada kolektor surya plat datar dengan penutup kaca.
Dari hasil analisis di atas dapat diketahui bahwa untuk mempercepat respon kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas dilakukan dengan memperkecil nilai konstanta waktunya. Oleh karena itu beberapa hal yang dapat dilakukan beberapa hal adalah sebagai berikut.
1. Menggunakan plat penyerap berwarna hitam dalam menyerap energi surya. 2. Menambahkan penutup kaca pada kolektor surya plat datar.
3. Menaikan nilai hambatan panas dari isolatornya.
BAB V PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil eksperimen, pengolahan serta analisis data, maka pada penelitian ini disimpulkan bahwa,
1. Alat ukur thermometer probe, lightsensor dan loggerpro dari Vernier Software and Technology dapat digunakan untuk menentukan konstanta waktu.
2. Nilai konstanta waktu yang merupakan karakteristik dinamik dengan rata-rata laju aliran air 0,004 kg/s dari kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca, secara berturut-turut adalah (93±1) s, (82±1) s, (116±1) s, dan (115±1) s.
B. Saran
Pada penelitian berikutnya diharapkan dapat melakukan beberapa saran berikut ini.
1. Dapat menggunakan bahan konduktif lain yang memiliki permukaan berwarna hitam.