KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan dari analisis pengujian sistem serta saran untuk pengembangan kedepannya.

BAB 2 DASAR TEORI

2.1. Teori Sistem

Secara umum definisi sistem ialah gabungan komponen-komponen dengan fungsi sederhana untuk menghasilkan sebuah daya usaha yang mampu mengolah pekerjaan yang lebih rumit. Sistem instalasi kolektor pelat datar ialah sebuah sistem yang mendaya gunakan energi matahari untuk memanaskan fluida kerja baik cair maupun gas melalui sebuah kolektor pelat datar atau rangkaiannya sebagai alat pemanen atau pembangkit panas yang dihasilkan dari radiasi matahari.

Sistem instalasi kolektor pelat datar umumnya dikelompokkan ke dalam 2 jenis yaitu :

1. Sistem Pasif 2. Sistem Aktif

2.1.1. Sistem Pasif

Sistem ini hanya mengandalkan energi panas hasil radiasi matahari sebagai penggerak fluida dalam sistem. Sistem ini lebih hemat energi karena tidak menggunakan energi tambahan.

2.1.2. Sistem Aktif

Sistem ini juga sering disebut forced system, sistem ini menggunakan pompa atau kipas, tergantung fluida kerjanya, dalam pensirkulasian fluida sistem. Sistem ini umumnya dipilih untuk keperluan pemanasan fluida dengan kapasitas besar. Sistem aktif menggunakan energi tambahan yaitu energi listrik untuk menggerakkan pompa atau kipas sebagai penggerak fluida.

Pompa berarti biaya tambahan yaitu listrik untuk penyalaan pompa. Cara untuk mengakali biaya ini ialah dengan menggunakan kontroler baik kontrol on-off TDC (Temperature Difference Controller) maupun kontroler terkomputerisasi. Keuntungan dari penggunaan TDC ialah penghematan energi dari penggunaan pompa. Sistem aktif dengan penggunaan TDC memiliki kelebihan antara lain cepatnya pencapaian suhu yang merata dari fluida kerja dan kemampuan untuk mempertahankan temperatur fluida pada batas yang dikehendaki.

2.2. Pemanas Air Tenaga Surya

Pemanas Air Tenaga Surya atau Solar Water Heater adalah alat pengumpul panas dari energi matahari yang digunakan untuk memanaskan air. pemanasan air ini menggunakan kolektor surya sebagai komponen utamanya. Menurut Duffie & Beckman pada bukunya "Solar Engineering of Thermal process", 1992, kolektor surya adalah jenis alat penukar kalor yang mengubah energi radiasi menjadi kalor. Menurut standard ASHRAE definisi kolektor surya adalah alat yang didesain untuk menyerap radiasi matahari dan mentransfer energi tersebut ke fluida yang melaluinya.

2.3. Jenis-Jenis Rangkaian Kolektor Pelat Datar

Panel kolektor pelat datar adalah komponen penting dari sistem pemanas air tenaga surya. Energi termal dapat diteruskan melalui pelat tersebut menuju fluida yang berada di dalamnya. Kolektor surya pelat datar dapat di desain untuk suatu aplikasi yang membutuhkan transfer energi pada suhu menengah sampai 100 ^oC di atas temperatur ambient. Komponen terpenting dalam kolektor surya pelat datar adalah pelat absorber yaitu bagian yang menerima radiasi energi matahari dan mengubahnya menjadi energi kalor. Pelat tersebut mentransfer panas yang dihasilkan ke fluida kerja. Rangkaian kolektor pada sistem merupakan sebuah permasalahan penting yang dapat menentukan tingkat efisiensi dari sistem keseluruhan. Sistem ini secara mendasar terbagi atas 2 tipe, tipe paralel dan seri.

8

Gambar 2.1. Penampang kolektor pelat datar

2.3.1. Rangkaian Tipe Paralel

Rangkaian tipe ini merupakan rangkaian kolektor dengan cara pembagian jalur jalan fluida per kolektor. Pembagian jalan fluida per kolektor berarti setiap kolektor memiliki satu jalur air masuk dan satu jalur air keluar sendiri-sendiri. Skema rangkaian paralel ditunjukkan gambar di bawah

Gambar 2.2. Rangkaian paralel pelat kolektor

2.3.2. Rangkaian Tipe Seri

Rangkaian tipe ini merupakan rangkaian kolektor dimana panel kolektor dihubungkan secara berderet. Pada rangkaian ini jalur masukan dan keluaran fluida terhubung langsung dari satu kolektor ke kolektor lainnya.

Gambar 2.3. Rangkaian seri pelat kolektor

Jadi setiap deret atau seri kolektor hanya mempunyai satu jalur air masuk asli yang berada di kolektor awal dan satu jalur air keluar asli yang berada di kolektor terakhir. Pada rangkaian ini jalur masuk air panel kedua ialah jalur keluar air panel pertama sehingga air pada panel kedua sudah terlebih dahulu dipanaskan oleh panel pertama. Skema rangkaian seri ditunjukkan Gambar 2.3.

2.4. Jenis - Jenis Solar Concentrator

Untuk keperluan temperatur yang lebih tinggi maka digunakan

concentrating solar concentrator. Sinar matahari yang jatuh pada permukaan

pemantul (reflektif) dipantulkan ke permukaan yang lebih sempit (absorber) sebelum dikonversi menjadi panas. Dengan cara ini, absorber menyerap energi yang terkonsentrasi dari pantulan reflektor dan mendapatkan temperatur yang lebih tinggi. Sebelum heat loss akibat radiasi dan konveksi, energi telah terkumpul. Ada empat jenis solar concentrator yang biasa digunakan yaitu

parabolic concentrator, parabolic dish central reciever dan fresnel lense.

Parabolic concentrator mengumpulkan radiasi sinar matahari yang datang

menjadi satu garis sepanjang titik fokus parabola. Pipa penerima (kolektor) yang dialiri fluida ditempatkan, sepanjang garis fokal ini kemudian menyerap radiasi sinar matahari yang terkonsentrasi untuk meneruskan aliran fluida di dalarnnya. Parabola harus diarahkan (tracked) pada satu sumbu setiap beberapa waktu karena posisi matahari yang berubah-ubah. Karena luas permukaan penerima lebih kecil dari pada luas permukaan pemantul, bisa didapat temperatur lebih dari 100 ^oC tanpa heat loss yang berarti.

10

Ditinjau dari jenis solar collector, pemanas air tenaga surya ini miliki berbagai jenis antara lain flat plate collector, evacuated tube collector, dan

concentrating collector. Untuk tipe concentrating collector yang biasa digunakan

untuk pernanas air adalah jenis parabolic through concentrator.

Gambar 2.4. Skema sistem konsentrator parabolik

Komponen terpenting dari parabolic through concentrator adalah konsentrator dan pipa penyerap. Sinar matahari yang datang dari satu arah terdistribusi merata dipantulkan ke arah suatu garis fokal dimana pipa absorber ditempatkan. Luas bidang pemantul/konsentrator yang menerima sinar akan mengintensifkan sinar ke area yang lebih sempit (pipa penyerap). Dengan demikian temperatur yang dibangkitkan dapat lebih tinggi dari pada dengan sinar langsung.

Pemanasan air terjadi di dalam pipa penyerap secara konveksi dari pipa ke air. Air ini mengalir sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Panas ini yang berasal dari kumpulan sinar matahari yang dipantulkan oleh konsentrator secara radiasi diteruskan ke pipa. Di dalam pipa sendiri panas mengalir secara konduksi. Temperatur air yang dapat dibangkitkan parabolic through concentrator dapat mencapai di atas 100 ^oC sehingga banyak dimanfaatkan untuk steam generation pada pembangkit listrik maupun industri.

2.5. Teori dan Rumus Dasar Sistem Instalasi Kolektor Pelat Datar

Radiasi surya yang mengenai absorber melalui cover kaca akan diabsorbsi oleh absorber pelat hitam, kemudian kalor yang dihasilkan ditransfer ke fluida kerja yang mengalir dalam pipa-pipa dibawah absorber. Pemakaian cover tersebut dimaksudkan untuk mengisolasi energi radiasi surya yang sudah mengenai absorber, sehingga energi radiasi surya (terutama inframerah) dapat dengan maksimal ditransfer ke fluida kerja.

Transfer energi radiasi surya ke absorber dapat dijelaskan dengan persamaan neraca energi berikut

𝐸_𝑎𝑐𝑐 = 𝐸_𝑖𝑛 − 𝐸_𝑜𝑢𝑡 (2.1) 𝑚_𝑃 𝑐_𝑃 ^𝑑𝑇𝑃

𝑑𝑡 = 𝐴_𝐶 𝐺_𝑇 𝛼 𝜏 − 𝑄_𝑈+ 𝐴_𝐶 𝑈_𝐿 (𝑇_𝑝 − 𝑇_𝑎) (2.2) Pada kondisi steady state, performa kolektor merupakan kesetimbangan energi yang mengindikasikan distribusi dari energi radiasi matahari menjadi energi yang berguna, kehilangan panas, dan kehilangan optik. Karena steady state

maka 𝑚_𝑃 𝑐_𝑃 ^𝑑𝑇𝑃

𝑑𝑡 = 0 , sehingga

𝑄_𝑈 = 𝐴_𝐶 𝐺_𝑇 𝛼 𝜏 − 𝑈_𝐿 (𝑇_𝑝 − 𝑇_𝑎) (2.3) dimana 𝑄_𝑈 = performa dari kolektor, 𝐴_𝐶 = luas bidang tangkap absorber

terhadap radiasi surya; 𝐺_𝑇 𝛼 𝜏 = intensitas radiasi surya yang jatuh tegak lurus pada absorber; 𝛼 = koefisien absorptivitas absorber; 𝜏 = koefisien transmisivitas cover; 𝑈_𝐿 = koefisien kerugian kalor total; 𝑇_𝑃 = temperatur absorber; 𝑇_𝑎=

12

2.5.1. Koefisien Kerugian Kalor Total (Overall Heat Loss Coefficient)

Kerugian kalor dari absorber terjadi pada bagian atas, samping dan bawah absorber, sehingga

𝑈_𝐿 = 𝑈_𝑡 + 𝑈_𝑏+ 𝑈_𝑒 (2.4) Dimana UL= koefisien kerugian kalor total;U_t = koefisien kerugian kalor bagian atas; U_b = koefisien kerugian kalor bagian bawah; U_e = koefisien kerugian kalor bagian samping.

2.5.1.1. Kerugian Kalor Bagian Atas

Panas yang hilang dari bagian atas pelat penyerap karena adanya konveksi alam dan radiasi dari bagian dalam pelat kolektor ke permukaan kaca. Dan panas ini dikonduksikan melalui kaca ke permukaan luarnya yang kemudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi. Namun biasanya pada pelat kolektor, kerugian kalor secara konduksi diabaikan sebab tebal cover dan sirip pelat absorber kecil sehingga perbedaan temperatur tidak begitu signifikan.

Gambar 2.5. Koefisien kerugian kalor pada bagian atas

Nilai koefisien kerugian kalor bagian atas secara teori dapat didekati dengan persamaan berikut :

𝑈_𝑡 = ¹ 𝑅_{𝑝 −𝑐1} + 𝑅_{𝑐1−𝑐2} + 𝑅_𝑐2−𝑎

=

₁ ¹ ℎ 𝑐,𝑝−𝑐1 + ℎ𝑟,𝑝−𝑐1 ⁺ 1 ℎ 𝑐,𝑐1−𝑐2 + ℎ𝑟,𝑐1−𝑐2 ⁺ 1 ℎ 𝑤𝑖𝑛𝑑 + ℎ𝑟,𝑐2−𝑎

(2.5)

Dimana dengan mempergunakan persamaan Empiric S.A. Klein yang telah dimodifikasi oleh Agarwal dan Larson, maka kerugian kalor bagian atas :

𝑈_𝑡

=

^𝑁 𝐶 𝑇𝑝 𝑇𝑝 – 𝑇𝑎 𝑁 + ƒ 0.33

+

¹ ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑} −1

+

^{𝜎 (𝑇𝑝 + 𝑇𝑎) (𝑇𝑝} 2+ 𝑇_𝑎²) 𝜀_𝑝+ 0.05 𝑁 (1− 𝜀_𝑝) ⁻¹+ ^{2𝑁 + ƒ−1} 𝜀𝑐 – 𝑁

(2.6) Dengan ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑}

= 5.7 + 3.8v (W/m².K) ƒ = (1 – 0.04 ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑} + 0.0005 ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑}² ) (1 + 0.091 N) C = 250 (1 – 0.0044(β – 90^o)) Keterangan :

v = Kecepatan angin diatas permukaan cover paling atas (m/s)

N = Jumlah penutup/cover

𝜀_𝑐 = Emisivitas cover

𝜀_𝑝 = Emisivitas pelat absorber

ζ = Konstanta Stefan Boltzman (5.67x10⁻⁸ W /m².K4

) 𝑇_𝑝 = Temperatur pelat absorber (K)

𝑇_𝑎 = Temperatur lingkungan (K)

2.5.1.2. Kerugian Kalor Bagian Bawah

Kerugian kalor pada bagian bawah terjadi secara konduksi dari absorber ke panel bawah (bottom of panel), sedangkan kerugian konveksi dan radiasi diabaikan sebab nilainya lebih kecil dibandingkan kerugian secara konduksi.

14

Gambar 2.6. Kerugian kalor pada bagian bawah

Nilai koefisien kerugian kalor bagian bawah didekati dengan persamaan berikut :

U_b = ^k

L (2.7) dimana k = konduktivitas termal insulator bagian bawah; L = tebal insulator.

2.5.1.3. Kerugian Kalor Pada Bagian Samping

Nilai koefisien kerugian kalor bagian samping juga didekati dengan persamaan berikut :

U_e = ^{(UA )edge}

Ac (2.8) dimana UA = k/L x keliling kolektor x ketebalan kolektor

2.5.2. Energi Antar Pipa

Besarnya fluks kalor antar pipa melalui sirip-sirip penghubung pipa dirumuskan :

𝑞 _𝑓𝑖𝑛 = 𝑊 − 𝐷 . 𝐹 𝑆 − 𝑈_𝐿 𝑇_𝑏 − 𝑇_𝑎 (2.9) dimana F adalah efisiensi sirip, yaitu perbandingan panas yang dipindahkan ke dalam sirip dibagi dengan panas yang dipindahkan apabila seluruh sirip itu ada pada temperatur dasar. F dirumuskan sebagai berikut :

F

=

^{tanh m} W −D 2 m^{W −D} 2 (2.10)

Dimana F' adalah faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa, yang dirumuskan :

F

^′

=

^{1 UL} W ¹ U L D + W −D .F ⁺ 1 C b⁺ 1 π D i hfi (2.11)

𝐷_𝑖 = diameter dalam pipa , 𝐶_𝑏 = ^𝑘𝑏 . 𝐷

𝛾

=

konduktansi perekat (bond conductance) , ℎ_𝑓𝑖 = koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja.

2.5.3. Menentukan koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja

1. Mencari bilangan Reynolds

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynoldss adalah rasio antara gaya inersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini merupakan bilangan tanpa dimensi dan digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Dalam mencari bilangan Reynolds Dapat menggunakan persamaan berikut :

Re

=

^{4 m}

D_i . π . μ

𝜇 = viskositas dinamik fluida

2. Mencari bilangan Prandtl

Bilangan Prandtl merupakan parameter yang menghubungkan antara medan kecepatan dan medan suhu. Besarnya bilangan Prandtl dihitung dengan persamaan berikut :

Pr = ^{Cp . μ} k

3. Mencari nilai bilangan Nusselt

Bilangan berikutnya yaitu bilangan Nusselt, bilangan ini dapat diartikan sebagai kebalikan (inverse) terhadap tebal lapisan batas kalor. Cari nilai dari kemudian dari persamaan berikut dapat ditentukan nilai bilangan Nusselt (Nu), Ladalah panjang pipa dalam kolektor.

16

Dengan nilai konstanta a, b, m dan n dari tabel berikut :

Tabel 2.1. Konstanta untuk mencari bilangan Nusselt

Prandtl Number a b m n

0.7 0.00398 0.0114 1.66 1.12

10 0.00236 0.00857 1.66 1.13

∾ 0.00172 0.00281 1.66 1.29

Nu_∾ ≈ 4.4

2.6. Faktor Pelepasan Kalor (Heat Removal factor) Kolektor Pelat Datar

Gambar 2.7. Keseimbangan energi pada elemen fluida

𝑚 /𝑛 𝐶_𝑝 𝑇_𝑓|_𝑦 − 𝑚 /𝑛 𝐶_𝑝 𝑇_𝑓|_𝑦+∆𝑦 + 𝑞′_𝑢 . ∆𝑦 = 0 (2.13) Bagi persamaan diatas dengan ∆y dan limitkan ∆y →0 , dan substitusikan persamaan untuk energi antara pipa maka akan dihasilkan persamaan berikut :

𝑑𝑇_𝑓

𝑑𝑦

−

^{𝑛 .𝑊 .𝐹′}

𝑚 .𝐶_𝑝

𝑆 − 𝑈

_𝐿

𝑇

_𝑓

− 𝑇

_𝑎

= 0

(2.14) Dimana n.W = Ac. Karena F' dan UL tergantung pada dimensi/ukuran kolektor dan bahan yang digunakan dalam kolektor maka dapat diasumsikan keduanya bernilai konstan untuk suatu rancangan tertentu, sehingga menjadi

𝑇_𝑓𝑜−𝑇_𝑎− 𝑆 𝑈_𝐿

𝑇_𝑓𝑖−𝑇_𝑎− 𝑆 𝑈_𝐿

= 𝑒𝑥𝑝 −

^𝐴𝑐 𝑈_𝐿 𝐹′

𝑚 𝐶_𝑝 (2.15)

dimana 𝑇_𝑓𝑖= temperatur fluida masuk kolektor, 𝑇_𝑓𝑜 = temperatur fluida keluar dari

kolektor; 𝐶_𝑝 = kapasitas kalor fluida kerja; 𝑚 = jumlah massa fluida kerja yang dapat ditransfer tiap detik (kg/s).

Dengan mengetahui besarnya faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa (F'), kita dapat menentukan besarnya faktor pelepasan kalor (F_R) dari kolektor. Faktor pelepasan kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang dapat dikumpulkan terhadap energi yang mungkin dikumpulkan, apabila temperatur fluida sepanjang pipa adalah sama dengan temperatur masuk. Dalam bentuk persamaan dasarnya FR adalah sebagai berikut :

FR = 𝑚 𝐶_𝑝 𝑇_𝑓𝑜−𝑇_𝑓𝑖 𝐴_𝑐 𝑆−𝑈_𝐿 𝑇_𝑓𝑖−𝑇_𝑎

(2.16)

F

R

=

_𝐴^{𝑚 𝐶𝑝} 𝑐 𝑈_𝐿

1 −

𝑆 𝑈 𝐿 ^{– 𝑇𝑓𝑜−𝑇𝑎} 𝑆 𝑈 𝐿 ^{– 𝑇𝑓𝑖−𝑇𝑎}

(2.17)

Dengan mensubstitusikan persamaan di atas dengan persamaan (2.15) maka akan diperoleh :

F

_R

=

_𝐴^{𝑚 𝐶𝑝}

𝑐 𝑈_𝐿

1 − 𝑒𝑥𝑝 −

^𝐴𝑐 𝑈_𝐿 𝐹′

𝑚 𝐶_𝑝

(2.18)

2.7. Teori dan Rumus Dasar Sistem Instalasi Konsentrator Parabolik

Parabola adalah himpunan titik-titik yang jaraknya terhadap suatu titik F (titik fokus) sembarang dan suatu garis lurus sembarang (sejajar sumbu-x atau sumbu-y) adalah sama. Secara matematis, parabola memiliki persamaan y = x²/4P dengan x, y sumbu koordinat dan P adalah jarak titik fokus ke pusat kelengkungan parabola (vertex) dengan pusat vertex berada pada (0,0).

Concentrating ratio (Cr) merupakan faktor penting dalam perhitungan solar concentrator. Secara teori peningkatan concentrating ratio meningkatkan

performa dan efisiensi solar concentrator. Namun perlu diperhatikan bahwa hal ini membutuhkan keakuratan sudut tracking.

18

Concentrating ratio dinyatakan dengan:

Cr = Aa

Ar

(2.19) Dari sini dapat dikatakan bahwa untuk memperbesar concentrating ratio dapat dilakukan dengan memperluas bidang pemantul atau mempersempit bidang

receiver. Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa

yang menyerap pantulan sinar dari konsentrator. Sedangkan luas apertura (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat dengan mengalikan panjang dengan lebar pandangan dari atas parabola. Jadi luas apertura bukan luas pelat sebelum ditekuk mengikuti bentuk kurva melainkan dengan mengikuti lebar kayu penopang

2.7.1. Koefisien Kerugian Kalor Total (Overall Heat Loss Coefficient)

Panas yang diberikan untuk memanaskan air tidak semuanya terpakai. Sebagian terbuang menjadi kerugian. Kerugian panas ini timbul dengan tiga cara yaitu : radiasi, konveksi, dan konduksi. Ketiganya dinyatakan dalam koefisien kerugian kalor total. Dalam perhitungan overall heat loss coefficient, UL, dengan menganggap pipa absorber tanpa cover sebagai penerima pantulan sinar radiasi. Asumsikan tidak ada perbedaan temperatur di sekitar pipa. Heat transfer

coefficient karena konveksi (hw), radiasi (hf) dan konduksi (Ucond) pada struktur

dinyatakan dengan :

UL = hw + hr + Ucond (2.20) Koefisien konveksi akibat angin/udara menurut persamaan McAdams :

hw = 5.7+3.8v (2.21) Koefisien radiasi dihitung dengan

hr = 4ζεT3 (2.22) Sedangkan koefisien perpindahan panas total (overall heat transfer

coefficient), Uo, didapat dengan menjumlahkan semua tahanan panas dari heat loss, konduksi pipa dan konveksi pemanasan air/fluida. Sehingga dapat ditulis

sebagai berikut :

U

_o

=

¹ U_L

+

^Do h_fi D_i

+

^Doln D_o D_i 2k −1 (2.23)

Dengan :

Do = diameter luar pipa kolektor (m) Di = diameter dalm pipa kolektor (m)

hfi = keofisien perpindahan panas konveksi air/fluida (W/m² C) K = koefisien perpindahan panas konduksi pipa (W/m ^oC)

2.7.2. Faktor Pelepasan Kalor (Heat Removal Factor)

Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara energi berguna yang dikumpulkan terhadap energi berguna yang mungkin dikumpulkan apabila temperatur fluida sepanjang pipa sama dengan temperatur fluida masuk.

F

R

=

^{𝑚 𝐶𝑝}

𝐴_𝑐 𝑈_𝐿

1 − exp −

^𝐴𝑐 𝑈_𝐿 𝐹^′

𝑚 𝐶_𝑝

(2.24) Dengan :

FR = faktor pelepas panas

m = laju aliran masa fluida (kg/s) Cp = kapasitas panas air (kJ/kg) F^′ = faktor efisiensi kolektor

Faktor efisiensi kolektor merupakan perbandingan koefisien perpindahan kalor total terhadap koefisien heat loss total. Untuk mencari faktor efisiensi kolektor digunakan persamaan dibawah ini :

F′

=

₁ ^{1 UL} U L⁺ D o h i Di⁺ D o ln D o D i 2k (2.25) Dengan :

hi = koefisien perpindahan panas di dalam pipa

k = koefisien perpindahan panas konduksi

2.8. Panas Keluar Rangkaian (F_R U_L)

Faktor pemindahan panas kolektor (collector heat removal factor), FR

20

sebenarnya terhadap perolehan energi berguna bila seluruh permukaan kolektor berada pada temperatur fluida masuk. Sedangkan overall heat loss coefficient menjelaskan ukuran dari kemampuan keseluruhan dari serangkaian hambatan konduktif dan konveksi untuk mentransfer panas. Jadi, besar kerugian panas

(overall heat loss) dikali dengan faktor pemindah panas (heat removal factor), FR

UL, menunjukkan panas yang keluar dari rangkaian setiap meter perseginya.

BAB 3

PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA

Pengujian yang dilakukan berupa pengambilan data-data eksperimen berupa temperatur, debit air dan besamya irradiasi matahari selama proses pengujian dilaksanakan.

Peralatan uji yang digunakan adalah pemanas air tenaga surya yang terdiri dan 8 buah panel kolektor pelat datar yang dirangkai secara seri maupun parallel yang kemudian diserikan lagi terhadap 2 buah konsentrator parabolik yang tersusun seri. Sistem yang digunakan adalah sistem aktif dengan menggunakan sebuah pompa air untuk mengalirkan fluida kerja ke dalam rangkaian.

Sebuah flowmeter dipasang pada aliran masuk rangkaian untuk menghitung besarnya debit air selama pengujian dilakukan, untuk menghitung besamya temperatur fluida kerja maka pada jalur masuk dan keluar tiap panel kolektor masing-masing dipasang sebuah termokopél. Pembacaan temperatur dilakukan dengan alat pembaca elektronik Autonics tipe T4WM.

Besarnya radiasi matahari diukur dengan pyranometer Kipp & Zonen tipe CM5 dengan daerah sensitivitas 9 — 15 mV / W/m2. Pengambilan data berupa tegangan output yang dibaca oleh multimeter Fluke tipe 189.

3.1. Prosedur Pengujian

Pengujian ini menggunakan delapan unit kolektor tenaga surya pelat datar yang dapat dirangkai secara seri dan parallel. Pengaturan tipe rangkaian dilakukan dengan mengatur bukaan katup pada pipa sepanjang aliran yang dilalui fluida kerja. Untuk mengetahui distribusi temperatur selania pengujian dipasang sensor temperatur berupa termokopel pada aliran masuk dan keluar setiap unit kolektor serta sebuah termokopel untuk mengukur temperatur lingkungan.

Fluida kerja adalah berupa air yang ditampung pada tangki penampung yang berukuran 1m x 1m x 1m, sehingga volume total air yang digunakan

22

memiliki kapasitas debit maksimum sebesar 33 ltr / menit. Selama pengujian, debit air diukur dengan sebuah flowmeter yang dipasang in line pada aliran masuk rangkaian. Data irradiasi matahari diukur dengan menggunakan pyranometer yang dipasang sesuai dengan posisi kemiringan kolektor. Data-data hasil pengujian dicatat setiap 5 menit dengan rentang waktu 6 jam setiap pengujian berlangsung.

Gambar 3.1. Skema sistem rangkaian seri

Gambar 3.2. Skema sistem rangkaian paralel

3.2. Spesifikasi Komponen Alat Uji

Peralatan uji yang digunakan terdiri dan beberapa komponen peralatan yaitu:

1. Panel Kolektor Pelat Datar

Merupakan unit kolektor tenaga surya yang di dalamnya terdapat pelat absorber, pipa header inlet dan outlet yang dihubungkan oleh pipa-pipa raiser. Unit ini menggunakan isolator polyurethane dan penutup kaca tipe tunggal.

Ukuran pipa header 0,5‗dan pipa raiser 0,25‘. Setiap unit kolektor dirangkai oleh pipa tembaga yang berukuran ¼‘ yang diisolasi oleh material

aeroflex untuk mencegah terjadinya penurunan temperatur akibat kehilangan

panas.

Spesifikasi panel kolektor pelat datar yang digunakan adalah sebagai berikut: - Luasan absorber : 1.802 m x 0.928 m.

- Absorber material : Al Alloy (a198), Nickel Black on galvanized iron. - Pipa : Tembaga

- Casing kolektor : Zincalume

- Penutup atas : Misliteglasses 5 mm.

- Isolator : Polyurethane PU dan Polyurethane Toho - Tekanan kerja maksimum : 4 bar

- Berat kosong : 46 kg - Berat penuh : 48,5kg

24

Gambar 3.3. Kondisi kolektor pelat datar

2.Katup

Peralatan uji yang digunakan merupakan rangkaian dan 8 buah panel kolektor pelat datar yang dapat dirangkai secara seri dan parallel maupun kombinasinya. Pada pengujian ilmiah ini, hanya digunakan tipe rangkaian seri semua dan parallel semua. Pemilihan tipe rangkaian ini diatur oleh katup yang dipasang pada pipa-pipa aliran sehingga aliran air dapat diatur sesuai dengan tipe rangkaian yang diinginkan. Total jumlah katup yang digunakan adalah 22 buah katup pengatur aliran dan 2 buah katup tambahan sebagai katup pembilasan, selain itu juga terdapat 1 buah katup pengatur debit aliran air.

3.Pompa Air

Rangkaian yang dipakai merupakan sistem aktif tertutup dimana air

disirkulasikan terus menerus selama pengujian berlangsung sehingga

membutuhkan pompa untuk mengalirkan air. Tipe pompa yang digunakan adalah Shimizu 130 BT dengan kapasitas maksimum 33 liter / menit dan daya 125 W.

Gambar 3.4. Pompa air SHIMIZU 130

4.Tangki Air

Media penampung air yang digunakan adalah berupa tangki air berukuran lmx 1m x 1m berbahan plastik. Pada pengujian kali ini media penampung tidak digunakan sebagai penampung yang dapat menyimpan panas yang telah didapat oleh air karena tangki air ini tidak diisolasi oleh material isolator.

Gambar 3.5. Tangki air

5. Sensor Temperatur

Untiik mengukur temperatur yang telah dicapai selama pengujian berlangsung, digunakan termokopel sebagal sensor temperatur yang dipasang

26

21 buah. Jenis termokopel yang digunakan adalah termokopel tipe K dengan material junction nickel-chromium dan nickel-aluminum. Pembacaan temperatur menggunakan indikator temperatur Autonics digital tipe T4WM.

6. Flowmeter

Pembacaan data debit aliran air menggunakan flowmeter analog tipe inline merk Healthy dengan kapasitas aliran maksimum 20 lpm dan ketelitian pembacaan 1 lpm. Flowmeter ini dipasang pada aliran masuk rangkaian.

Gambar 3.6. Flowmeter

7. Pyranometer

Besarnya irradiasi matahari diukur dengan pyranometer Kipp & Zonen tipe CM5 dengan daerah sensitivitas 9— 15 mV / W/m2. Pengambilan data berupa tegangan output yang dibaca oleh multimeter Fluke tipe 189.

Gambar 3.7. Pyranometer Kipp & Zonen CM 5

7. Konsentrator Parabolik

Konsentator parabolik yang telah dikerjakan sebelumnya berjumlah 2 buah dan dirangkaikan seri. Absorber yang dipasang adalah absorber seperti pada kolektor plat datar dengan pipa raise berukuran 0,25‘.

Gambar 3.8. Konsentrator parabolik

3.3. Pengambilan Data

Pengambilan data merupakan proses pengujian langsung peralatan uji dan mencatat parameter-parameter yang dibutuhkan seperti temperatur, irradiasi matahari dan debit aliran air. Tempat pengujian dilakukan pada lantai atas gedung Engineering Center FTUI. Proses pengambilan data dilakukan pada rentang waktu

28

pengambilan data pada awal pengujian, pompa dijalankan sekitar 15 menit untuk membuat temperatur air dalam sistem lebih stabil karena sisa-sisa air di dalam panel kolektor telah mengalami pemanasan sebelumnya.

Persiapan dan pengambilan data yang dilakukan dalam pengujian adalah sebagai berikut:

1. Mengatur pembukaan dan penutupan katup sehingga menjadi rangkaian yang diinginkan.

2. Memastikan pemasangan kabel termokopel pada terminal dan indikator berfungsi dengan baik.

3. Memasang alat ukur irradiasi matahari dan mengeset multimeter. 4. Periksa level ketinggian air pada tangki.

5. Mencatat angka awal flowmeter (sebelum pompa dijalankan)

6. Memeriksa pompa dan menjalankan pompa 15 menit sebelum data temperatur diambil.

7. Pengambilan data temperatur dan irradiasi matahari setiap 5 menit.

3.3.1 Data Lokasi Tempat

Data lokasi tempat dihutuhkan untuk mengetahui posisi dimana pengujian berlangsung terhadap garis lintang dan garis bujur bumi. Lokasi kota Depok berada pada -6.39° LS dan 106.83° BT (Sumber LanSat LAPAN).

3.3.2 Data Irradiasi

Irradiasi matahari merupakan intensitas radiasi yang jatuh pada suatu area, data irradiasi diukur oleh pyranometer merk Kipp & Zonen tipe CM 5 yang dipasang pada rig panel kolektor dengan kemiringan 6° menghadap utara terhadap bidang horizontal.

3.3.3 Data Temperatur dan Debit Aliran

Pengambilan data temperatur dilakukan selama 6 jam per hari antara jam 9

sedangkan data debit aliran air dicatat pada awal dan akhir pengujian. Untuk