BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Komponen – Komponen Mesin Pendingin Tenaga Surya
2.2.1 Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. [2]
Kolektor surya pada umumnya mempunyai komponen yang terdiri dari: 1. Cover
Berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi ke lingkungan. 2. Absorber
Berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3. Kanal
Berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja. 4. Isolator
Berfungsi meminimalisir kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.
5. Frame
Berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.
Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya. [2]
1. Flat Plate Collectors (Kolektor Plat Datar)
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energy radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang
dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri. [2] Struktur kolektor plat datar:
1. Glazing
Untuk melindungi komponen di dalam kolektor dari dampak lingkungan. Penutup ini harus dibuat dari kaca yang dikeraskan dan memiliki co-efisien transmisi tinggi.
2. Absorber Plate
Pelat absorber menyerap energi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas. Absorber terbuat dari bahan konduktivitas tinggi seperti tembaga dengan lapisan selektif di atasnya untuk penyerapan maksimum radiasi matahari dan emisi radiasi inframerah minimal.
3. Flow Tubes
Cairan yang mengalir melalui kolektor mengumpulkan panas dari pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi terutama melalui proses konduksi dan konveksi. Oleh karena itu, tabung harus terbuat dari bahan konduktivitas tinggi seperti tembaga.
Isolasi termal mengurangi hilangnya panas yang tidak diinginkan dari bagian belakang dan samping kolektor. Isolasi juga harus mampu menahan suhu maksimum pelat absorber.
5. Header
Header merupakan jalan utama fluida untuk didistribusikan ke flow tubes.
Gambar Flat Plate Collector (Kolektor Plat Datar) dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Flat Plate Collector [3] 2. Concentrating Collector
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperature antara 100°C – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan Point Focus.
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 400C dapat dicapai pada sistem kolektor ini. [2]
Struktur dari concentrating collector dapat dilihat pada gambar 2.3:
1. Receiver
Berfungsi untuk menangkap panas dari radiasi cahaya matahari. Kadang receiver juga diselimuti dengan kaca tabung transparan untuk mengurangi heat loss.
2. Concentrate reflective surface
Berfungsi untuk mengkonsentrasikan panas radiasi cahaya matahari ke insulated tube yang berisi refrigeran yang menghantarkan panas dari kolektor ke boiler.
3. Tracking mechanism
Berfungsi untuk merotasi tabung absorber agar fokus terhadap cahaya matahari.
3. Evacuated Tube Collector
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan covernya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan. [5]
Kolektor evacuated-tube memiliki sub kategori yang berbeda berdasarkan bahan yang digunakan dan kebutuhan aplikasi. Masa pakai evacuated tube bervariasi dari 5 hingga 15 tahun. Karakteristik utama dari kolektor evacuated tube harus:
1. Mampu bertahan dalam berbagai kondisi lingkungan, seperti hujan debu dan lain – lain.
2. Mampu mempertahankan variasi suhu yang lebar.
3. Resistensi terhadap kebocoran pada setiap bagian dari sistem. 4. Stabil dan tahan lama.
5. Mudah diinstal.
6. Efisiensi dalam konversi energi.
Gambar 2.4 Evacuated Tube Collector [6] 2.2.1.1 Koefisien Kerugian ( )
Panas hilang dari bagian atas pelat penyerap karena konveksi ala dan karena radiasi ke permukaan dalam dari pelat penutup kaca. Sebagian dari radiasi itu akan benar-benar melalui penutup kaca, tetapi dalam analisis ini hal itu akan diabaikan. Panas ini akan dikonduksikan oleh pelat kaca ke permukaan luarnya. Kemudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi. [1]
Gambar 2.5 Perpindahan Panas Kolektor Surya Plat Datar [7]
Kerugian panas ini dinamai kerugian atas (top loss), dinyatakan dengan: [8]
= U (T − T )
... (2.10) dimana:U = koefisien kerugian atas, W (m . K)⁄ T = temperatur plat (K)
T = temperatur lingkungan(K)
Kebalikan dari U, 1/U adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari pelat ke lingkungan yang dinyatakan dengan sirkuit seri-pararel sederhana dalam gambar 2.6
Gambar 2.6 Sirkuit ekivalen untuk tahanan perpindahan panas melalui bagian atas kolektor, I U⁄ [8]
Dalam sirkuit ini,
a) h = koefisien konveksi (alam) dalam b) h = koefisen radiasi (ekivalen) dalam
c) R = harga R dari kaca tebal / konduktivitas termal d) h = koefisien konveksi luar
e) h = koefisien radiasi (ekivalen) luar
Dimana satuan - satuan untuk koefisien konveksi dan koefisien radiasi adalah W/(m2.K). Karena dalam suatu sirkuit pararel konduktansi-konduktansi dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuitseri tahanannya dijumlahkan, maka tahanan total dapat ditulis: [8]
a) koefisien konveksi alam
Koefisien konveksi alam hi antara pelat-pelat miring yang dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh Hollands dkk. untuk sudut miring lain antara 0o dan 70° yang dinyatakan dalam bilangan Rayleigh (perbandingan gaya apung terhadap gaya viskos) dan sudut miring β. Koefisien tersebut dapat dengan mudah dinyatakan dari sela z, antara pelat penyerap dan penutup kaca, dengan sudut miring sebagai parameter. [8]
Dan temperatur rata-rata (Tm):
T =
... (2.12) b) koefisien radiasi dalam (ekivalen) hriPenukaran panas radiasi antara penyerap dan penutup adalah:
q =
... (2.13)yang dapat ditulis sebagai fungsi koefisien radiasi ekuivalen hri sebagai: [8]
q = h T − T
... (2.14) dimana:h =
... (2.15)c) tahanan termal kaca dinyatakan dengan:
dimana: t = tebal kaca
k = konduktivitas termal
d) koefisien konveksi luar h dihitung dengan;
h = 5.7 + 3.8 V
... (2.17) dimana:V = kecepatan angin dalam m/s
e) koefisien radiasi luar ekivalen dapat ditulis:
h =
... (2.18)dimana temperatur langit diperkirakan oleh Swinbank adalah: T = 0.0552 T ... (2.19) Temperatur luar T adalah dalam derajat Kelvin (K)
Koefisien kerugian total U ditentukan dengan menambahkan koefisien kerugian bawah dari kolektor pada U, atau
U = U + U
... (2.20) 2.2.1.2 Persamaan Empiris untuk Koefisien Kerugian UtSebuah persamaan empiris disarankan untuk memperhitungkan ketergantungan sudut Ut pada kemiringin : [8]
U =
.
+ +
dimana:
N = jumlah kaca penutup
F = (1 − 0.04h + 0.0005h )(1 + 0.091N) C = 250{1 − 0.0044(β − 90o)]
Harga h = 5.7 + 3.8V W m . K⁄
