Solar Chimney merupakan suatu sistem yang digunakan untuk ventilasi pada ruangan. Penggunaan Solar Chimney pada bangunan merupakan salah satu cara untuk meningkatkan ventilasi alami sebagai upaya untuk memperbaiki kualitas udara didalam bangunan [11]. Disisi lain Solar Chimney dapat juga digunakan untuk menghasilkan energi listrik yaitu Solar Chimney Power Plant (SCPP). Solar Chimney Power Plant terbagi menjadi tiga bagian, yaitu: kolektor, turbin, dan Chimney. Kolektor merupakan bagian yang digunakan untuk memproduksi udara panas. Turbin digunakan untuk mengubah udara menjadi energi mekanik.
Sedangkan chimney merupakan cerobong sebagai tempat udara mengalir. [12]
2.5.1 Prinsip kerja solar chimney
Prinsip kerja Solar Chimney adalah radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka pada plat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur plat menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja pada absorber. Karena adanya perbedaan temperatur,
terjadilah aliran udara secara alamiah, dari udara bertemperatur tinggi ke udara bertemperatur rendah. [13]
Gambar 2.23 Skema Prinsip Kerja Solar Chimney [13]
Pada gambar 2.4 diatas dapat dijelaskan sebagai berikut, pada poin (a) udara masuk ke sistem Solar Chimney, pada poin (b) udara menjadi panas, sehingga terjadi aliran udara karena perbedaan kerapatan (density), dan kemudian poin (c) aliran udara dihambat dengan sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energi mekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d) dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat udara tersebut.
Adapun dua prinsip yang menjadi dasar mendesain Solar Chimney menurut Autodesk Sustainability Workshop, yaitu [14]:
1. Stack Ventilation, yang menyatakan bahwa udara dapat bergerak keatas karena adanya perbedaan temperatur. Udara yang lebih panas terangkat karena memiliki tekanan dan kerapatan yang lebih rendah dari pada udara yang lebih dingin. Biasanya efek ini disebut juga dengan Stack effect atau Bouyancy Ventilation.
2. Bernoulli’s Principle, yang menyatakan bahwa udara dapat digerakkan ke atas oleh perbedaan kecepatan. Hal ini sesuai dengan hukum Bernoulli’s “Semakin cepat udara bergerak, semakin rendah
tekanannya”, Sehingga udara yang lebih rendah tekanannya akan terangkat ke atas.
Adapun beberapa syarat yang perlu diperhatikan dalam mendesain Solar Chimney untuk aplikasi ventilasi ruangan adalah posisi, ketinggian, jarak dari ruangan, dan bentuknya. Posisi Solar Chimney harus diperhitungkan sedemikian rupa sehingga menerima pancaran sinar matahari. Ketinggian Solar Chimney juga harus sebanding dengan volume ruangan yang akan digunakan. Membangun Solar Chimney setinggi mungkin juga tidak akan memberikan hasil yang lebih maksimal.
Salah satu cara untuk memaksimalkan pergerakan udara di dalam chimney yaitu dengan melapisi dinding chimney dengan cat hitam. Adanya lapisan cat hitam akan membuat dinding chimney semakin banyak menyerap radiasi matahari sehingga udara di dalam chimney akan lebih cepat panas dan terangkat ke atas.
2.5.2 Perkembangan solar chimney
Teknologi Solar Chimney mengalami perkembangan yang semakin baik hingga sekarang ini. Peneliti dari Indonesia maupun negara lain sudah banyak melakukan percobaan dalam bidang Solar Chimney [12] meneliti tentang Rancang Bangun Solar Chimney Sebagai Alat Pengkonversian Energi Surya Menjadi Energi Mekanik Dengan Kolektor Bersirip.
Penelitian tentang teknologi Solar Chimney telah dilakukan di berbagai negara. Penelitian dilakukan dengan berbagai tujuan. Tujuan umum penelitian yang dilakukan adalah untuk mencari energi alternatif yang dapat digunakan untuk kepentingan di negaranya sendiri maupun sampai ke luar negeri. Berikut ini beberapa penelitian tentang teknologi Solar Chimney:
1. Manzares Prototype
Penalitian terdahulu tentang teori dan eksperimen terowongan angin mendorong pada uji coba pembangkit dengan daya 50 kW pada Spanish utility union Electica Fenosa di Manzanaras sekitar 150 km sebelah selatan kota Madrid pada tahun 1981-1982[16] dengan dana yang disediakan oleh Kementrian Riset dan Teknologi Jerman. Tujuan dari penelitian ini sudah diverifikasi, melalui pengukuran langsung di lapangan, kinerja sistem yang dihitung berdasarkan teori, untuk menguji pengaruh komponen pada daya keluaran sistem dan juga efisiensi pada
kondisi cuaca yang sebenarnya. Hasilnya menunjukkan bahwa komponen sistem tersebut dapat diandalkan dan pembangkit tersebut secara keseluruhan mampu melakukan operasi yang handal.
Gambar 2.24 Penelitian di Manzanares [17]
2. Teknologi Surya di Nigeria
Penelitian mengenai penggunaan Solar Chimney Power Plant juga dilakukan di Nigeria [18] . Nigeria yang geografisnya terletak pada 30 – 14o BT dan 4o-14o LU memiliki 160 juta penduduk dengan luas wilayah 923.768 km2 . Nigeria memiliki potensi energi matahari yang sangat besar. Hal tersebut yang mendorong terciptanya pembangkit listrik tenaga surya. Penggunaan Solar Chimney Power Plant bertujuan untuk mengurangi emisi CO2 dari pembangkit listrik tenaga batu bara yang biasanya mengeluarkan 0,95 kg CO2 per kWh dari listrik yang dihasilkan. Potensi lainnya dari nigeria yaitu pada musim kering dimana lamanya sinar matahari hingga 9 jam, dengan radiasi 7 kW/m2 perharinya.
3. Solar Chimney di Uni Emirat Arab
Model analisis pembangkit surya di Teluk Arab dilakukan untuk menghitung pengaruh geometri dari pembangkit tersebut [19]. Hasilnya menunjukkan bahwa ketinggian dari Chimney (cerobong) dan tekanan turbin merupakan hal yang paling penting dalam mendesain solar
chimney. Hasil penelitian menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan meningkat seiring dengan bertambahnya tinggi Chimney dan atau diameter chimney. Model yang dikembangkan digunakan untuk menganalisis kelayakan Solar Chimney Power Plant untuk iklim di UEA yang memiliki karakteristik khas. Suatu Solar Chimney Power Plant dengan tinggi chimney 500 m, dan diameter kolektor 1000 m, akan menghasilkan daya sebesar 8 MW.
4. Solar Chimney di China
Perpindahan panas yang digunakan untuk membandingkan kinerja Solar Chimney Power Plant yang konvensional dan dua solar Chimney yang memiliki kemiringan dengan kolektor pada 300C dan 600C, masing masing dikembangkan di China [20]. Solar chimney power plant di daerah juga dikembangkan. Hasilnya menunjukkan bahwa semakin besar sudut kolektor meningkatkan kinerja pada musim dingin tetapi kinerjanya berkurang pada musim panas. Sudut kolektor yang optimal di Lanzhou, China yaitu sekitar 600C. Faktor utama yang mempengaruhi kinerja dari SCPP yaitu ketinggian Chimney dan juga kondisi udara.
Kehilangan panas, refleksi radiasi matahari, dan kerugian gesekan pada Chimney merupakan kerugian utama dalam Solar Chimney Power Plant.
5. Teknologi Surya di Algeria
Penelitian di Algeria tentang analisis sistem pendingin pasif untuk tempat tinggal [21]. Hal ini berkaitan dengan kinerja Solar Chimney, geometri dan kondisi lingkungan. Lokasi penelitian berada di wilayah selatan Aljazair, lokasi ini dipilih karena temperatur dan radiasi matahari yang baik. Distribusi temperatur kaca, laju aliran massa dalam Chimney, suhu dinding intenal dan perubahan suhu setiap jam menjadi parameter yang perlu dipertimbangkan. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kecepatan udara meningkat ketika lebar saluran mengecil. Radiasi matahari merupakan parameter penting dalam analisis kinerja dari Solar Chimney dan celah antara kaca dengan plat absorber juga menjadi parameter yang penting.
6. Penelitian tentang desain baru solar chimney di Irak
Penelitian ini membahas tentang desain solar chimney yang digabungkan dengan photovoltaic. Fungsi solar chimney adalah sebagai pendingin PV. Dengan membuat 2 sistem yang berbeda, maka diihasilkan bahwa sistem B yang memiliki temperatur PV yang lebih rendah, menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan sistem A.
Gambar 2.25 Penelitian di Irak [4]