Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar untuk Pemanas Air Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

No Tanggal Pengujian Titik-titik Kolektor Surya Temperatur Maksimum

1 04 Januari 2016 Air Masuk 460C

Pukul 12.41 WIB Pipa Tembaga 520C

Ruangan Kolektor Surya 570C

Kaca Penutup 2 580C

Kaca Penutup 2 490C

Temperatur Air Laut 460C

Plat Absorber 520C

Kaca Penutup 2 560C

Plat Absorber 620C

(8)

Plat Absorber 510C

Kaca Penutup 2 720C

Kaca Penutup 1 410C

Air Keluar 600C

Permukaan Kayu 390C

Air Sirkulasi 540C

Air Keluar dari APK 540C

Plat Absorber 820C

Kaca Penutup 2 680C

Kaca Penutup 1 510C

Air Keluar 540C

Permukaan Kayu 360C

Air Sirkulasi 470C

Air Keluar dari APK 500C

(9)

(10)

(11)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Duffie John A. & Beckmann William A. 1991. Solar Engineering of Thermal

Processes. John Wiley & Sons, Inc, New York.

[2] Philip Kristanto & James Laeyadi. Kolektor Surya Prismatik. Jurnal Teknik

[4] Inti solar. Kolektor Flat.http://www.intisolar.com/news/kolektor_flat.html.

Diakses tanggal 15 Februari 2016.

[5] Rosa Yasmendra. Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar Energi Surya

untuk Sistem Pengeringan Pasca Panen.Jurnal Teknik Mesin

Politeknik Negeri Padang Vol.4, No.2, Desember 2007;ISSN

1829-8958.

[6] Handoyo E.A. Pengruh Jarak Kaca ke Plat Terhadap Panas yang Diterima

Suatu Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin Universitas

Kristen Petra Vol.3, No.2, Oktober 2001:52-56.

[7] Tirtoatmodjo R. Handoyo E.A. Unjuk Kerja Pemanas Air Jenis Kolektor

Surya Plat Datar dengan Satu dan Dua Kaca Penutup. Jurnal Teknik

Mesin Universitas Kristen Petra Vol. 1, No.2, Oktober 1999:115-121.

[8] Philip K, San Y.K. Pengaruh Tebal Plat dan Jarak Antar Pipa Terhadap

Performansi Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin

Universitas Kristen Petra Vol.3, No.2, Oktober 2001:47-51.

[9] Literatur 2 Hal 250

[10] Literatur 2 Hal 296

[11] http://www.google.com/flat-platecollector//gambar.html

[12] http://www.google.com/consentratorcollector.html

(12)

[14] http://www.google.com/evacuatedreceivedpicture.html

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating

[16] Literatur 2 Hal 23.

[17] Literatur 3 Hal 27-28.

[18] Literatur 3 Hal 30-37.

[19] Welty, Wicks, Wilson, Rorrer. Fundamental Of Momentum, Heat, And Mass

Transfer. 2002. Vol.2. Edisi Ke-empat, Alih Bahasa, Ir. Gunawan

Prasetio. Erlangga, Jakarta. Hal : 2.

[20] http://bloghasnan

blogspot.com/2012/04/memahami.sifat-sifat.dasar.aliran.html

[21] Cengel, A. Yunus. 2002. Heat Transfer. Ebook Edition. Hal : 28.

[22] Koestoer, Raldi Artono. 2002. Perpindahan Kalor. Edisi pertama. Salemba

Teknika, Jakarta. Hal : 187.

[23] Matuska T.Z. hal.V Mathematical Model and Desaign Tool KOLEKTOR 2.2

Referrence Handbook (3rd draft, 01-2009). Czech Technical

University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering Dept. Of

Environmental Engineering; 2009.

[24] Lienhard IV JH. Lienhard V JH. A Heat Transfer Textbook, Third Edition

Phlogiston Press. Cambridge Massachusetts; 2003.

[25] Johnson’s D. Table of absorptivity and emissivity of common materials and coatings. http://www.solarmirror.com/fom/fom-serve/cache/43.html.

Diakses tanggal 20 Februari 2016

[26] L. Streeter, Victor. 1995. Mekanika Fluida jilid 2. Alih Bahasa, Arko Prijono,

M.S.E. Erlangga, Jakarta. Hal : 10.

[30] Soteris. A.Kalogirou (2009),Solar Energy Engineering, Printed in the United

States Of America

[31] Mehmet Esent, Hikmet Hesen, (2005), Experimental Investigation Of A Two-

Phase Closed Thermosyphon Solar Water Heater, Solar Energy 79

(13)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian

Metedologi merupakan tahapan-tahapan dalam pengerjaan skripsi.

Penelitian ini dilakukan dengan kegiatan-kegiatan yang meliputi :

Tidak

Ya Tahap Persiapan :

1. Perancangan kolektor surya

2. Persiapan tangki air laut dan sirkulasi 3. Pembuatan pipa distribusi dan APK 4. Pengujian kolektor surya

(14)

3.2. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan pada bulan November 2015 sampai Februari 2016

bertempat di gedung lantai IV Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas

Teknik, Universitas Sumatera Utara.

3.3. Metode Perancangan

Perancangan alat pemanas air meliputi kolektor surya. Kolektor yang dipilih

adalah plat datar.

Kolektor surya ini nantinya sebagai pengganti pemanas (heater) pada

desalinasi air laut dengan suhu air laut yang dicari adalah 270C – 500C. Tujuannya

untuk mendapatkan uap air murni yang dikondensasikan melalui evaporator

dalam keadaan vacuum sehingga menghasilkan air murni dan konsentrat garam,

juga mengurangi penggunaan arus listrik atau bahan bakar untuk memanaskan air

laut. Oleh karena itu pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perancangan ini,

yaitu ekonomis, produktifitas tinggi, mudah pembuatan dan mudah dioperasikan.

Perancangan kolektor yang akan dibahas meliputi plat absorber, penutup

transparan (kaca) dan isolasi pada kolektor. Adapun langkah perancangan terdiri

dari 4 tahap atau fase, yakni : (Pahl dan Beitz)

1. Fase perumusan (Formulation Phase)

2. Fase fungsi (Functional Phase)

3. Fase perancangan (Design Phase)

4. Hasil (Result)

3.4. Perancangan Kolektor surya

3.4.1. Perancangan Kaki Penyangga

Untuk kaki penyangga kolektor surya ini haruslah kuat dan kokoh karena

memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor dan dudukan lemari yang dirangkai dan

dilas. Pemilihan bahan kaki penyangga kolektor surya ini mempertimbangkan

beban yang akan dipikul oleh penyangga tersebut, oleh karena itu bahan yang

(15)

3.4.2. Perancangan Absorber

Perancangan absorber pada kolektor surya berfungsi untuk menyerap radiasi

surya dan mengkonversikannya menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida

kerja udara secara konveksi. Absorber yang dirancang disini, yakni plat

alumunium. Dengan mengacu fungsinya sebagai absorber, maka dipilih sifat

bahan antara lain.

 Absorbsivitas tinggi ( )

 Emisifitas panas rendah ( )

 Kapasitas panas kecil (Cp)

 Konduktifitas besar (k)

 Refleksi rendah ( )

 Tahan panas dan tahan korosi

 Kaku dan mudah dibentuk

 Ada di pasaran

Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk plat pengumpul panas yakni: seng,

alumunium, tembaga, kuningan dan baja. Sesuai dengan pertimbangan diatas

dalam perancangan ini digunakan plat alumunium dengan ketebalan 0,3 mm dan

permukaannya dilapisi dengan cat hitam kusam (dof), agar tidak terjadi korosi dan

mempunyai absorbsivitas maksimum.

3.4.3. Perancangan Kaca Penutup

Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah

panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan

fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat:

 Transmisivitas tinggi

(16)

3.4.4. Perancangan Isolasi

Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke

lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi

perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh

sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan adalah:

 Konduktifitas termal bahan (k) kecil

 Mudah dibentuk dan praktis

 Tahan lama

 Ada di pasaran

Isolasi yang dirancang pada kolektor surya terdiri dari 3 lapisan, tujuannya adalah

agar dapat mengurangi panas yang terbuang ke lingkungan akibat perpindahan

panas konduksi, yaitu: rockwoll, sterofoam, dan kayu triplek yang berfungsi juga

sebagai frame daripada kolektor.

3.5. Alat dan Bahan

Penelitian ini menggunakan alat dan bahan untuk perancangan dan

pengukuran selama proses pembuatan dan pengujian.

3.5.1. Alat

Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian di antaranya :

1. Pemotong pipa tembaga (Tube Cutter)

Digunakan untuk memotong pipa tembaga. Prinsip kerjanya adalah dengan

menjepit dan memutar pipa tembaga sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.

(17)

2. Las Gas

Digunakan untuk menyambung pipa tembaga antara satu dengan yang

lainnya mengunakan pipa sambungan U.

Gambar 3.3 Las Gas

3. Pompa

Pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air ke dalam pipa tembaga

adalah pompa aquarium yang memiliki daya cukup rendah.

Dengan spesifikasi pompa sebagai berikut :

Merk/model : Armada AR-1800

Frequence : 50 Hz

Tegangan/frekuensi : 220-240 V

Daya : 28 Watt

Total head : 1.5 m

Kapasitas maksimum : 1500 L/H

(18)

4. Gelas ukur

Digunakan untuk mengukur jumlah air yang masuk kedalan bejana air laut

dan air sirkulasi. Dalam bejana 1 air laut diisi sebanyak 20 Liter dan

bejana 2 sebagai air sirkulasi sebanyak 10 liter.

Gambar 3.5 Gelas ukur

5. Agilent (Termokopel)

Digunakan untuk mengukur suhu di setiap titik pada kolektor maupun

tangki air.

Gambar 3.6 Agilent (termokopel)

Spesifikasi agilent :

a. Daya 35 Watt

b. Jumlah saluran termokopel 20 buah

c. Tegangan 250 volt

d. Mempunyai 3 saluran utama

e. Ketelitian termokopel 0,030C

f. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik

(19)

h. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistence

Temperature Detector (RTD), termistor, dan arus listrik AC

6. Hobo Microstation Data Logger

Digunakan untuk mengukur temperatur udara, kecepatan angin, intensitas

cahaya dan kelembaban.

Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger

Spesifikasi sebagai berikut :

a. Skala pengoperasian : 200– 500C dengan baterai alkalin

400– 700C dengan baterai litium

b. Input sensor : 3 sensor pintar multi channel monitoring

c. Dimensi : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

d. Berat : 0,36 kg

e. Memori : 512Kb penyimpanan data nonvolatile flash

f. Interval pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)

g. Akurasi waktu : 0 - 2 detik

7. Anemometer

Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang mengalir pada

(20)

Gambar 3.8 Anemometer

Spesifikasi :

 Measuring Range of Temperature : -100C to 450C

 Wind Speed Measuring Range : 0.3 to 30 m/s

 Accuracy of Temperature : ±₂0_C

 Accuracy of Wind Speed : ±₃0_C±_{0.1 dgts}

 Wind Speed Unit Selection : m/s,ft/min,knots,km/hr,mph

3.5.2. Bahan

1. Besi siku

Bahan ini digunakan sebagai kerangka atau dudukan dari bagian isolator

pada kolektor surya, ukuaran dari kerangka ini adalah panjang 126 cm, lebar 66

cm dan tinggi 20,5 cm.

Gambar 3.9 Kerangka Besi

2. Kayu Triplek

Bahan ini digunakan sebagai bagian luar pada kolektor surya, juga

(21)

Konduktivitas termal kayu adalah 0,140 W/mK. Ukurannya adalah dengan

panjang 125 cm, lebar 64 cm. Ketebalan triplek yang digunakan adalah 7 mm.

Gambar 3.10 Kayu Triplek

3. Rockwool

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah

panas dari kolektor hilang keluar. Jenis rockwool yang dipakai adalah wire mesh

yang memiliki konduktivitas 0, 042 W/mk. Pada rancang bangun ini ketebalan

rockwool yang dirancang pada kolektor adalah 60 mm.

Gambar 3.11 Rockwool

4. Gabus (Sterofoam)

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, untuk mencegah kehilangan

panas pada kolektor surya. Konduktivitas sterofoam adalah 0,036 W/m.K.

(22)

Gambar 3.12 Gabus (Steorofom)

5. Kaca

Bahan ini digunakan sebagai jalur masuknya radiasi matahari dan untuk

mengurangi udara panas yang berada didalam kolektor agar tidak keluar, dalam

hal ini kaca penutup dibuat 2 lapis dengan ukuran sebagai berikut.

Kaca Penutup I

a. Panjang = 1000 mm

b. Lebar = 500 mm

c. Tebal = 5 mm

Kaca penutup II

a. Panjang = 1200 mm

b. Lebar = 600 mm

c. Tebal = 5 mm

Konduktivitas termal kaca berbahan glass adalah 1,3 W/m.K, transmisivitas ( ) =

0,85, refleksi ( ) = 0,09 absorsivitas ( ) = 0,06 dan emisivitas ( ) = 0,88.

(23)

6. Plat Aluminium

Bahan ini digunakan sebagai absorber. Plat aluminium ini memiliki

konduktivitas yang baik yaitu sebesar 237 W/m.K, emisivitas ( ) = 0,97 diberi cat

hitam agar radiasi yang masuk pada kolektor surya akan diserap sepenuhnya oleh

plat.

Gambar 3.14 Plat Alumunium

7. Pipa tembaga

Bahan ini digunakan sebagai penukar kalor untuk sirkulasi air, pipa tembaga

memilki penyerap dan penghantar panas yang baik. Konduktivitas tembaga adalah

385 W/m.K. Ukuran pipa tembaga yang digunakan adalah dimater ¼ inchi (6,35

mm), panjang total 18 m.

Gambar 3.15 Pipa tembaga

8. Air murni dan air laut

Air murni digunakan sebagai sirkulasi pada pipa penukar kalor untuk

memanaskan air laut, sedangkan air laut yang akan dipanasi untuk mendapatkan

(24)

9. Poros (pejal)

Bahan ini digunakan sebagai penyangga kolektor yang akan disambungkan ke

bearing, untuk mengatur kemiringan dari kolektor surya.

Gambar 3.16 Poros (pejal)

10.Bearing

Bahan ini digunakan sebagai penyangga poros, untuk mengatur kemiringan dari

kolektor surya.

11.Tangki Air sirkulasi

Tangki ini terbuat dari sterofoam. Digunakan sebagai tempat air sirkulasi yang

akan dipompakan ke dalam pipa tembaga pada pada kolektor, ukuran dari

tangki ini adalah tinggi 30 cm, lebar 40 cm.

(25)

12.Tangki Air laut

Digunakan sebagai tempat air laut yang akan dipanasi oleh pipa penukar kalor,

ukuran tangki ini yaitu 0,3 m x 0,3 m x 0,4 m

Gambar 3.18 Tangki air laut

13.Penyangga Kolektor surya.

Digunakan sebagai penyangga atau dudukan pada kolektor surya. Ukurannya

adalah panjang 1,7 m x 1 m x 1,25 m.

(26)

3.6. Set Up Experimental

Kabel termokopel yang terhubung ke agilent ditempelkan ke plat absorber,

kaca, kayu, pipa tembaga, kaca, ruang kolektor, air laut dan air sirkulasi. Untuk

memperoleh data-data temperatur dalam setiap menitnya (interval waktu

perekaman dapat disesuaikan). Lalu pada bagian belakang agilent dipasang

flasdisk untuk merekam data-data temperatur dari setiap kabel-kabel tersebut,

kemudian tekan tombol scan pada agilent, lalu dihubungkan ke laptop

menggunakan kabel data USB. Setelah proses perekaman selesai, data dari kedua

alat ukur ini dapat dilihat pada laptop dalam bentuk Microsoft excel.

Gambar 3.16 Set Up Experimental

Aigilent Kabel Termokopel

1

2

3

6

7

4

₈

5

10

9

(27)

Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya

Chanel 101 Air Masuk Titik 1

Chanel 108 Air Keluar Titik 2

Chanel 112 Pipa Tembaga Titik 3

Chanel 113 Air Sirkulasi Titik 4

Chanel 114 Air Laut Titik 5

Chanel 115 Plat Absorber Titik 6

Chanel 116 Kaca Atas Titik 7

Chanel 117 Air Keluar APK Titik 8

Chanel 118 Ruangan Titik 9

Chanel 119 Kaca Bawah Titik 10

Berikut prosedur dalam pengujian, adapun langkah-langkah pengaturan agilent sebagai berikut :

1. Tentukan titik-titik yang akan diukur pada kolektor surya, yang tertera pada tabel diatas.

2. Hubungkan termokopel yang telah dipasang pada kolektor ke Agilent data

acquisition.

3. Tandai kabel-kabel termokopel sesuai chanel pada agilent data acquition dengan memberi label supaya data pengukuran tidak tertukar.

4. Masukkan flasdisk ke port usb.

5. Hidupkan alat dengan menekan tombol on/off.

6. Tekan tombol interval untuk mengatur lama pengukuran yang akan dilakukan. Selanjutnya gunakan tombol pemindah angka dan switch perubah angka untuk mengatur waktu yang diinginkan.

7. Jika batas pengukuran telah dicapai, tekan tombol scan lama sampai muncul scan stop pada display alat, kemudian keluarkan flasdisk.

8. Data pengukuran temperatur telah tersimpan dalam format Microsoft

(28)

BAB IV

RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA

4.1. Rancang Bangun Alat

Gambar 4.1 Kolektor Surya

4.1.1. Penyangga Kolektor Surya

Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya, rangka alat pemanas ini

memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor. Oleh karena itu haruslah kuat dan

kokoh, maka bahan yang dipilih yaitu besi siku ketebalan 3mm. Pada rancang

bangun ini, penyangga alat pemanas air ini memiliki dimensi dengan panjang 1,7

m, lebar 1 dan tinggi 1,25 m, dan ukuruan dari besi siku L tersebut adalah 5cm x

5cm.

4.1.2. Perancangan Tangki Air Laut.

Pada perancangan tangki air laut dirujuk dari kapasitas evaporator pada skripsi

Frengky Nababan, 2016 hal (33-34). Untuk menguapkan air laut sebanyak 20

(29)

panjang 0,3 m, lebar 0,3 m dan tinggi 0,4 m, terbuat dari bahan fiber glassdan

diisoalsi agar panasnya tidak mudah hilang.

Luas alas = p x l sehingga A = 0,3m x 0,3m = 0,09 m2

Maka; V = A x t = 0,036 m3

Dimensi yang diperoleh, p = 0,3m; l = 0,3m; t = 0,4m.

Gambar 4.2Perancangan Tangki

4.1.3. Perancangan Pipa Air Sirkulasi.

 Perancangan pipa pada kolektor.

Pipa yang digunakan pada kolektor adalah pipa tembaga, ukuran ¼ inchi (6,35

(30)

Gambar 4.3 Perancangan Pipa

 Perancangan pipa pada tangki air laut.

Perancangan pipa sebagai penukar kalor pada tangki air laut, dengan jenis pipa

tembaga galvanize, ukuran ¼ inchi (6,35 mm), panjang 2 m.

Gambar 4.4 Pipa Penukar Kalor

Jumlah energi panas untuk menaikkan temperatur air (qA)dapat dihitung. Dimana

laju aliran air yang melewati pipa-pipa penukar panas adalah 400ml/menit atau

0,0004m3/menit.Pada tanggal 4 Januari 2016, temperatur rata-rata antara air

sebelum masuk dan keluar pipa ̅A = (30,14+38,96)/2 = 34,55oC maka dari

lampiran 3 dan4 diperoleh sifat-sifat air A = 994,3 kg/m3dancpA = 4178 J/kg.K.

Sedangkan massa air mApada menit pertama adalah:

ṁA = A × QA

= 994,3× 0,0004

(31)

Maka kapasitas panas pada air qApada menit pertama adalah:

qA = mA × cpA × (TAf - TAi)

= 0,0066167 × 4178 × (311,96-303,14)

= 243,784 Watt

4.1.4. Perancangan Kolektor Surya

Kolektor surya pada rancang bangun ini adalah tipe plat datar. Panjang dari

pada kolektor surya ini adalah 1,5 m dengan lebar 0,64m. Berikut ini adalah

gambar detail kolektor surya beserta ukurannya [dalam mm].

Gambar 4.6 Dimensi Kolektor Surya

Kolektor surya terdiri atas 4 lapisan yaitu kayu, sterofoam, rockwoll dan plat

alumunium.

Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan

Kaluminium = 237 W/m.K Ksterofoam = 0,036 W/m.K

Kkayu= 0,140 W/m.K Kglass= 1,3W/m.K

Krockwoll= 0,042 W/m.K Ktembaga = 385 W/m.K

Berikut dimensi dari kolektor surya :

(Keterangan : A=Luas; p=panjang; l=lebar; t=tebal)

A1 = p1 x l1 = 1,5 m x 0,169 m = 0.253 m2, A1.1 = 0,64 m x 0,169 m = 0,108 m2

A2 = p2 x l2 = 1,5 m x 0,160 m = 0.240 m2, A1.2 = 0,64 m x 0,160 m = 0,102 m2

A3 = p3 x l3 = 1,5 m x 0,110 m = 0.165 m2, A1.3 = 0,64 m x 0,110 m = 0,070 m2

(32)

A5 = p5 x l5 = 1,5 m x 0,51 m =0.765 m2

A6 = p6 x l6 = 1,5 m x 0,55 m = 0.825 m2

A7 = p7 x l7 = 1,5 m x 0,60 m = 0.90 m2

A8 = p8 x l8 = 1,5 m x 0,64 m = 0.96 m2

t1 = t8 = 7 mm

t2 = t7 = 50 mm

t3 = t6 = 60 mm

t4 = t5 = 0,3 mm

4.2. Perhitungan dan Hasil Data

Pada penelitian ini, perhitungan dan hasil data diperoleh dari pengujian alat

yang dilakukan pada tanggal 4 Januari 2016 saat kondisi matahari cerah.

4.2.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)

Intensitas radiasi matahari diukur dengan menggunakan alat ukur sensor

radiasi yaitu pyranometer yang terdapat pada Hobo Micro Station Data Logger.

Alat ukur ini berada di Laboratorium Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik,

Universitas Sumatera Utara.

Berikut data hasil pengukuran Hobo terhadap IntensitasRadiasi Matahari pada

tanggal 04 Januari 2016.

Tabel Data Intensitas Matahari 04 Januari 2016 untuk permenitnya tertera pada

lampiran 1.

Berikut adalah grafik Intensitas matahari tanggal 04 Januari 2016, pada gambar

(33)

Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 04 Januari 2016

Radiasi rata-rata intensitas radiasi matahari pada tanggal 04 Januari 2016

dari pukul 09.00 WIB – 17.00 WIB adalah 434,8 W/m2.

4.2.2. Perhitungan Kolektor Surya

Perhitungan panas dan efisiensi pada kolektor surya dilakukan setiap menit.

Untuk perhitungan pada laporan ini digunakan data pengujian pada hari ke empat

pengujian, yaitu pada tanggal 04 Januari 2016 saat intensitas radiasi matahari

maksimum pada pukul 12.41 WIB. Temperatur permukaan plat, permukaan kaca

dan dalam kolektor diperoleh dari data Agilent, sedangkan temperatur lingkungan

dan intensitas radiasi matahari diambil dari data Hobo.

Berikut adalah data suhu pada tiap titik kolektor dan Intensitas Radiasi Matahari

maksimum pada tanggal 04Januari 2016 pukul 12.41 WIB.

Tabel 4.2 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari 04 Januari 2016 pada pukul

12.41 WIB.

Waktu

Suhu (0C) Intensitas

Matahari

(W/m2) Plat Ruang

Kolektor

Kaca

1

Kaca

2

Kayu Lingkungan

(34)

Berikut adalah grafik temperatur beberapa titik pada kolektor, pada gambar 4.8

Gambar 4.8 Grafik Temperatur Pada Beberapa Titik Kolektor vs Waktu

tanggal04 Januari 2016

Grafik diatas menunjukkan temperatur pada tiap titik kolektor dan

lingkungan seperti plat absorber, ruang kolektor, dan bagian terluar kolektor yakni

kayu, dapat kita lihat temperatur tertinggi adalah plat absorber pada warna garis

hitam menunjukkan bahwa konduktivitas dari bahan plat absorber yakni plat

alumunium yaitu 237 W/m.K, dengan diberi cat hitam yang dapat menyerap

radiasi matahari sangat baik. Dapat juga kita lihat pada grafik bahwa perubahan

atau naik turunnya temperatur berdasarkan waktu dengan kondisi matahari cerah

atau tertutup awan yang menyebabkan berkurangnya radiasi yang masuk sehingga

menurunnya temperatur pada beberapa titik kolektor dan sebaliknya.

4.2.3. Menghitung Koefisien Konveksi

a. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Luar (h1)

Koefisien konveksi permukaan luar adalah koefisen konveksi antara udara

lingkungan terhadap permukaan kayu, h1 (koefisien konveksi natural)

Temperatur Lingkungan (TL) vs Temperatur Permukaan Kayu (Tk)

Temperatur Lingkungan (TL) = 33,860C = 306,86 K

Temperatur Kayu (Tk) = 38,840C = 311,84 K

(35)

Tabel 4.3 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 309,35 K, pada lampiran 2.

309,35 1.1302698 1007.003 1,8901508 2,699219 2,317348 0,705690

 Menghitung bilangan Grashoff (GrL)

= viskositas udara = 1,8901508 Ns/m2

Maka :

GrL = 1,92 x 109

 Menghitung bilangan Rayleigh (RaL)

RaL = GrL x Pr

 Menghitung bilangan Nusselt (Nu%)

Nux = 0,59 RaL0,25 untuk 104≤ RaL ≤ 109

Nux = 0,1 RaL1/3 untuk 109≤ RaL ≤ 1013

Nux = bilangan Nusselt

(36)

Karena RaL diantara 104≤ RaL ≤ 109, maka besarnya bilangan Nusselt adalah

Nux = 0,59 RaL0,25

= 0,59 x (1,35 x 109)0,25

= 113,249

 Menghitung koefisien konveksi (h1)

Nux = atau h1=

l = lebar kolektor surya= 0,64 m

k = konduktivitas termal udara = 2,699219 x 10-2 W/mk

maka :

h1 =

= 4,776 W/m2K

Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang

tertera pada lampiran 5.

b. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Dalam (h2)

Koefisien konveksi permukaan dalam adalah koefisien konveksi antara udara

dalam kolektor terhadap permukaan plat absorber.

Temperatur udara kolektor (Tu) vs temperatur permukaan plat absorber (Tp)

Temperatur udara kolektor (Tu) = 61,340C = 334,34 K

Temperatur plat absorber (Tp) = 69,410C = 342,41 K

Temperatur Film (Tf) = 65,370C = 338,37 K

Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 338,37 K, pada lampiran 2.

Tf

(37)

 Menghitung bilangan Grashoff (GrL)

= viskositas udara = 2,027146 Ns/m2

Maka :

GrL = 2,07 x 109

 Menghitung bilangan Raykeight (RaL)

RaL = GrL x Pr

 Menghitung bilangan Nusselt (Nux)

Nux = 0,59 RaL0,25 untuk 104≤ RaL ≤ 109

(38)

Nux = atau h2=

l = lebar penampang plat= 0,05 m

k = konduktivitas termal udara = 2,027146 x 10-2 W/mk

maka :

h2 =

= 67,011 W/m2K

Untuk hasil perhitungan setiap setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel

yang tertera pada lampiran 5.

4.2.4. Menghitung Kehilangan Panas

1. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Dinding (Q1)

Q1 = Ud.A(Tu– TL)=

Ud = koefesien pindahan panas menyeluruh pada dinding

h1 = koefesien konveksi permukaan luar (W/m2.K)

kst = konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)

krw = konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)

kp = konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)

A1 = luas permukaan kayu pada sisi dinding (m2)

A2 = luas permukaan sterofoam pada sisi dinding (m2)

A3 = luas permukaan rockwoll pada sisi dinding (m2)

(39)

Gambar 4.9 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor

= 0,197238 K/W

= 5.787037 K/W

= 8,658008 K/W

= 0,00001688 K/W

= 0,19897185 K/W

Maka :

Qa =

= 1,75 Watt

Pada sisi dinding atas dan bawah meiliki dimensi yang sama, maka kehilangan

panas pada sisi dinding atas dan bawah 1,75 x 2 = 3,5 Watt.

Kehilangan panas pada sisi dinding lainnya,

A1.1 = luas permukaan kayu pada sisi dinding (m2)

A2.1 = luas permukaan sterofoam pada sisi dinding (m2)

A3.1 = luas permukaan rockwoll pada sisi dinding (m2)

(40)

Q1 = Ud.A(Tu– TL)=

panas pada sisi kiri dan kanan 0,744 x 2 = 1,489 Watt.

Jadi total kehilangan panas pada seluruh sisi dinding kolektor surya adalah,

Q1 = 3,5 + 1,489 = 4,989 Watt

2. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Alas (Q2)

Q2 = UbA(Tu-Tr) =

Ub = koefisien pindahan panas menyeluruh pada sisi bawah (alas)

h1 = koefisien konveksi permukaan luar (W/m2.K)

kst = konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)

krw = konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)

kp = konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)

A8 = luas permukaan kayu pada sisi alas (m2)

A7 = luas permukaan sterofoam pada sisi alas (m2)

A6 = luas permukaan rockwoll pada sisi alas (m2)

(41)

3. Menghitung Kehilangan Panas pada kaca/Cover (Q3)

Berikut adalah disain dari kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis, pada

gambar 4.10.

Gambar 4.10Dimensi Kolektor Surya

qa = Ua x Aa x (TPA– TL)

Keterangan :

Qa = Kehilangan panas dari bagian atas

Aa = Luas sisi kolektor bagian atas

TPA = Temperatur plat absorber

(42)

Tk2 = Temperatur kaca penutup 2

TG1 = Ruangan antara kaca penutup 1 dan 2

TG2 = Ruangan kolektor surya (antara kaca 2 dan absorber).

TL = Temperatur lingkungan

Gambar 4.11 Grafik Temperatur Kaca Penutup 1 dan Penutup 2

Nilai qa sebanding dengan perkalian koefisien kehilangan energi panas dari bagian

atas (Ua) dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan temperatur plat abosrber

(TPA) dan lingkungan (TL).

Ua =

hv-K1 = Koefisien kehilangan panas secara konveksi akibat angin yang berhembus

diatas permukaan kaca penutup 1.

hv-K1 = 5,7 + 3,8v (v< 5 m/s)

hv-K1 = 6,4 v0,78 (v> 5 m/s)

dimana nilai kecepatan angin (v) yang terukur pada pukul 12.41 WIB adalah

0,006 m/s lebih kecil dari 5 m/s2

hv-K1 = 5,7 + 3,8v

= 5,7 + (3,8 x 0,006)

(43)

hd-K1atau hd-K2 = Koefisien kehilangan energi panas karena konduktivitas termal

kaca penutup 1 atau 2.

hd-K1 =

k = konduktivitas termal kaca berbahan glass adalah 1,3 W/m.k

t = tebal kaca penutup 1 ( 5mm = 0,005m).

hd-K1 =

= 260 W/m2.K

hv-K2 = Koefisien kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2.

hv-K2 =

Nu = bilangan Nusselt

k = konduktivitas termal udara

t = ketinggian pada ruangan kosong antara kaca penutup 1 dan 2 (G1)

Dalam perhitungan bilangan tersebut memerlukan sifat-sifat udara yang dianalisa

pada temperatur ruangan kosong antara penutup 1 dan 2 (G1) yang diperoleh dari

nilai rata-rata antara Tk1 dan Tk2.

TG1 =

= 328,44 K

Tabel 4.5 Sifat fisik udara pada temperatur 328,44 K, pada lampiran 2.

Tf

328,44 1.0667500 1008.137 0,0000188 0,0284045 0.703018

(44)

Sehingga bilangan RaL diperoleh dengan persamaan .

RaL(G1) = GrL(G1) × PrL(G1)

= 6301090,184× 0.703296

= 4429781,899

Bilangan NuLuntuk 102< RaL< 108 dapat dihitung dengan persamaan berikut.

Dimana dari tabel 2.4 dengan  = 0 diperoleh parameter m = 0,07, n = 0,32 × 104,

Maka hv-K2didapat dengan persamaan.

hv-K2 =

=

= 70,61 W/m2.K.

hd-K2sama dengan nilaihd-K1karena konduktivitas bahan dan tebal kaca sama, yaitu

260 W/m2.K.

hr-PA = kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan dapat

ditentukan dengan persamaan berikut.

(45)

Perhitungan hv-PA perlu diketahui dulu sifat udara pada temperatur ruang antara

kaca 2 dan plat absorber (TG2) = 61,18oC = 334,34 K.

Tabel 4.6 Sifat fisik udara pada temperatur 334,34 K, pada lampiran 2.

Tf

334,34 1.0470965 1,0083738 0,00001935 0,028841 0,702191

Sedangkan tG2 = 0,04 m. Maka GrL pada ruang antara kaca dengan plat absorber

(46)

Setelah hv-PA diperoleh maka Uaadalah:

Ua =

= 4,05 W/m2. K

Besarnya kehilangan panas melalui permukaan kaca penutup 1 dengan luas AK1 =

0,96 m2dapat dihitung dengan persamaan.

Q3 = Ua × AK1 × (TPA-TL)

= 4,05 × 0,96 x ( 307,09)

= 137,45 Watt

Dari hasil perhitungan kehilangan panas yang telah dilakukan, maka diperoleh

total kehilangan panas pada kolektor adalah :

Qloss = Qdinding + Qalas + Qatas

= 4,99 + 5,38 + 137,45

= 147,838 Watt.

Untuk hasil perhitungan setiap menitnya dihitung menggunakan Microsoft Excel yang tertera pada lampiran6.

(47)

Gambar 4.12 Grafik Kehilangan Panas pada Dinding, Alas, dan Atas vs Waktu

pada Tanggal 04 Januari 2016

4.2.5 Menghitung Energi yang Sampai ke Kolektor untuk Kaca Berlapis

Energi yang sampai pada kolektor dapat dihitung dengan menggunakan rumus:



 2

1 Idt A Qincident

Dimana:

A : Luas penampang dari pelat absorber (m2)

: 0,96 m2

Penelitian dimulai pukul 09.00 WIB pada intensitas awal 385 W/m2 dan

intensitas tertinggi 870 W/m2 pada pukul 12.41 WIB. Dengan memperhatikan

grafik intensitas matahari yang terjadi pada saat penelitian ini ditunjukkan pada

Gambar 4.10, maka dapat kita hitung besarnya energi berguna kolektor Alat

pemanas air tenaga surya.

Dengan memperhatikan grafik intensitas matahari yang terjadi saat penelitian ini

maka dapat kita hitung besarnya energi yang sampai pada solar kolektor pemanas

(48)

Gambar 4.10. Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu,Tanggal 04 Januari 2016

Untuk menyelesaikan persamaan: 



2

Idtdapat dihitung dari luas dibawah kurva dengan menggunakan metode

trapesium. Dimana setiap 1 menit (60 detik) kita menghitung luas dibawah kurva

dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Sehingga luas dibawah kurva dalam 1 (satu) menit adalah 23.250 Joule/m2.

Karena air telah mencapai temperatur maksimum pada pukul 12.41 WIB, dengan

menggunakan bantuan MS Excel, maka besarnya luas di bawah kurva di dapat

sebagai berikut:

7.380.345 

L

Sehingga energi yang sampai pada kolektor adalah:

(49)

kJ

Q

_incident



5972

.

123

4.2.6 Energi yang Diserap oleh Air Pada Kolektor Kaca Berlapis

Energi ini dapat di hitung dengan menggunakan rumus:

)

Cp.w = Panas jenis dari air laut(kJ/kg.

0

C) = 4,18 kJ/kg0C

Tw1 = Temperatur awal air sebelum dipanaskan oleh kolektor (

0

C) = 33,080C

Tw2 = Temperatur aktual setelah dipanaskan oleh kolektor (

0

4.2.7 Efisiensi dari Kolektor dengan Kaca Berlapis

Efisiensi kolektor untuk memanaskan air dengan menggunakan air

(50)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Adapun kesimpulan dari rancang bangun ini adalah :

1. Telah dirancang bangun pemanas kolektor surya plat datar dengan kaca

berlapis. Adapun ukuran kolektor surya adalah 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m

yang tersusun atas 4 lapisan yaitu kayu (triplek), sterofoam, rockwoll sebagai

isolator dan plat alumunium sebagai penyerap panas, sedangkan ukuran kaca

berlapis pada kolektor surya kali ini, kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m x

0,005 m dan kaca penutup 2 yaitu 1,0 m x 0,5 m x 0,005 m dengan jarak

antara kaca penutup 1 dan kaca penutup 2 yaitu 50 mm. Dan tangki air yang

dipanasi dengan ukuran 0,3 m x 0,3 m x 0,4 m dengan kapasitas 30 liter.

Dengan menggunakan kaca berlapis panas pada kolektor tidak mudah hilang

akibat dari panas yang terperangkap pada ruangan antara kaca 1 dan 2.

2. Temperatur maksimum beberapa titik kolektor pada tanggal 04 Januari 2016

pukul 12.41 WIB sebagai berikut :

a. Plat absorber : 69,41 0C

b. Kaca penutup 1 : 48,02 0C

c. Kaca penutup 2 : 62,85 0C

d. Gap 1 : 55,44 0C

e. Gap 2 : 61,34 0C

3. Dari hasil perhitungan yang dilakukan, maka diperoleh prestasi kerja dari

pada kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis sebagai berikut :

(51)

1. Supaya lebih memperhitungkan lagi pada saat pembuatan untuk

mengurangi kebocoran-kebocoran pada bagian kolektor, terkhusus pada

pipa APK yang langsung terhubung ke tangki air laut dan air surya, supaya

mengurangi kehilangan panas.

2. Perlu diperhatikan dalam hal posisi peletakan kolektor surya agar dapat

menerima radiasi matahari secara maksimal.

3. Temperatur maksimum air yang dipanasi adalah 530C, air akan

berevaporasi pada suhu 1000C, maka nantinya perancangan evaporator

pada desalinasi air laut harus dalam kondisi vacumm agar air dapat

(52)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Kolektor Surya Plat Datar

Kolektor suryaplat datar seperti pada gambar 2.1 merupakan kotak tertutup

yang bagian atas dipasang kaca atau plastik transparan dengan lempengan

konduktor penyerap panas di bagian bawahnya. Kolektor ini biasanya dilapisi

dengan lapisan untuk menyerap dan meminimalkan kehilangan panas.

Gambar 2.1. Bagian Kolektor Surya Plat Datar [3]

Sistem kerja dari kolektor ini yaitu sinar matahari akan melewati kaca

transparan pada kolektor dan langsung menuju lempengan konduktor penyerap

panas (plat absorber) yang kemudian mengubah energi matahari yang diterima

menjadi energi panas. Selanjutnya panas ditransfer ke cairan dalam pipa tembaga

yang melekat pada plat absorber yang dicat menggunakan bahan khusus yang

menyerap dan mempertahankan panas lebih baik dari cat hitam biasa. Plat

absorber terbuat dari logam tembaga atau aluminium, karena logam merupakan

konduktor panas yang baik. Tembaga adalah konduktor yang lebih baik tetapi

kurang tahan terhadap korosi dibandingkan aluminium dan harganyalebih mahal.

Keuntungan utama dari kolektor surya plat datar adalah kolektor ini

memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung

dan sebaran sehingga tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena

(53)

pembuatan yang murah. Kolektor plat datar juga dapat bertahan selama lebih dari

25 tahun [4].

Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:

1. Kaca penutup

Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa

gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan

pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai

berpengaruh kepada temperatur penyerapan plat absorber didapat bahwa

temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening dengan

tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat absorber 20 mm [6].

Jumlah kaca penutup dari kolektor mempengaruhi unjuk kerja dari

kolektor.Secara umum diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan dua buah kaca

penutup diperolehefisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu

kaca.Perbedaan suhu antaraair keluar kolektor dan yang masuk ke kolektor

dengan 2 kaca penutup bisa lebih tinggi hinggasekitar 17°C dibandingkan

kolektor dengan sebuah kaca penutup [7].

2. Plat absorber

Plat penyerap atau plat absorber berfungsi menyerap radiasi matahari yang

diteruskan kaca penutup dan mengkonversikan menjadi energi panas. Energi

panas dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Bahan-bahan yang

dipakai untuk plat penyerap biasanya yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan

baja. Berdasarkan fungsi plat absorber maka dalam pemilihan bahan plat harus

(54)

a. Absorbsivitas tinggi ( )

b. Emisifitas panas rendah ( )

c. Kapasitas panas kecil (Cp).

d. Konduktifitas besar (k)

e. Refleksi rendah ( )

f. Tahan panas dan tahan korosi

g. Kaku dan mudah dibentuk

h. Ada dipasaran

Ketebalan plat penyerap dan jarak antar pipa penyalur cairan terhadap

performansi kolektor plat datar memiliki hubungan yang cukup signifikan.

Performansi kolektor plat datar berbahan tembagatertinggi dihasilkan dengan

konfigurasi ketebalan plat1,2 mm dan jarak antar pipa penyalur cairan 73,6 mm[8].

3. Isolasi

Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke

lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor.Pada isolasi terjadi

perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh

sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan haruslah memenuhi kreteria berikut [5]:

a. Konduktivitas termal bahan kecil

b. Mudah dibentuk dan praktis

c. Harga murah dan ada dipasaran

d. Tahan lama

2.2. Klasifikasi Kolektor Surya

Kolektor surya dapat didefenisikan 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 didalam kolektor surya

untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada

(55)

1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju

lingkungan.

2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.

3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.

4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari

absorber menuju lingkungan.

5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

2.2.1. Jenis Kolektor Surya

Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam solar

thermal collector system dan juga memiliki korelasi dengan pengklaisifikasian

kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.

1. Flat-Plate Collector

Kolektor surya merupakan plat datar merupakan alat yang digunakan

untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan

mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan

berupa cairan minyak, air, oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai

temperatur keluaran dibawah 95oC. Dalam aplikasinya kolektor plat datar

digunakan untuk memanaskan udara dan air.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah dengan

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 umunya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan

dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada

temperatur dibawah 100oC. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang

berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi,

dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor plat datar memanfaatkan radiasi

matahari langsung dan terpancar. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain

(56)

panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor plat datar antara

lain, transparant cover, absorber, insulasi, dan kerangka. [10]

Gambar 2.2 Kolektor surya plat datar [11]

2. Concentrating collector

Jenis kolektor ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi

panas temeperatur antara 100-400oC. Kolektor 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 absorbernya jenis ini

dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu, Line Focus dan Point Focus.[12]

Gambar 2.3 Konsentrator

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber,

konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur

fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada

(57)

3. Evacuated Tube Collector

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi

dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaan terletak

pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya

yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan

penutupnya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu

meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan

luar absorber menuju lingkungan. [13]

Gambar 2.4 Evacuated Receiver[14]

2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya

1. Sistem Langsung

Sistem langsung atau sistem loop terbuka mensirkulasikan air yang

dipanaskan langsung melalui kolektor. Sistem ini lebih murah dari pada sistem

tidak langsung dan melakukan perpindahan panas yang baik dari kolektor ke

tangki penyimpanan, namun memiliki banyak kekurangan seperti :

 Memberikan perlindungan panas yang kecil atau tidak ada

 Pada daerah dingin tidak memberikan perlindungan terhadap

pembekuan

Sistem ini sering tidak dianggap cocok untuk cuaca dingin karena kolektor

(58)

Gambar 2.5 Pemanas air sistem langsung [15]

a. Sistem pasif dengan tangki diatas kolektor

b. Sistem aktif dengan pompa dan kontroler didukung oleh sebuah

pane photovolatic.

2. Sistem Tidak Langsung

Sistem tidak langsung atau sistem loop tertutup menggunakan alat penukar

panas yang memisahkan air dari fluida penghantar panas (Heat transfer fluid)

yang bersirkulasi melalui kolektor. Dua jenis fluida penghantar panas yang paling

umum adalah air dan anti beku yaitu campuran air yang biasanya menggunakan

glikol propilen yang tidak beracun. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem tidak

langsung memberikan perlindungan terhadap pembekuan dan biasanya

memberikan perlindungan terhadap kehilangan panas.

Gambar 2.6 Pemanas air sistem aktif tidak langsung [15]

(59)

d. Sistem tidak langsung dengan reservoir drainback. Dalam skema

kontroller dan pompa didorong oleh listrik.

2.3. Posisi Matahari

Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan

miring dari radiasi pada sebuah permukaan horizontal, maka posisi matahari harus

diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi

surya yang diteruskan melalui kaca, yang transmisivitas absorbsivitasnya

berubah-ubah sesuai dengan sudut masuk matahari.

- Sudut lintang , adalah sudut lokasi bidang dipermukaan bumi terhadap

ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positif. Nilai

untuk sudut lintang : - 90 ≤ ɸ≤ 90.

- Sudut kemiringan β, adalah sudut antara permukaan bidang yang

dimaksud terhadap horizontal : 0 ≤ β ≤ 180o

.

- Sudut deklinasi matahari , merupakan sudut kemiringan bumi terhadap

matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23,

45o≤ ≤23, 45o.

Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :

... 2.1

Dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali

dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.

(60)

- Sudut jam matahari , adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur

barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar

pergeseran sudut tersebut 15o tiap jam.

- Sudut ketinggian matahari , adalah sudut antara radiasi langsung dari

matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan :

[16]

sin = cos cos cos + sin ɸ sin ... 2.2

- Sudut zenith , adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan

garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan :

cos = sin ... 2.3

- Sudut azimut (

cos =

... 2.4

Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari [17]

2.4. Perpindahan panas

2.4.1. Konduksi

Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke

daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara,

namun benda perantaranya tidak ikut berpindah. Proses konduksi terjadi karena

elektron-elektron bebas atau foton (paket gelombang akustik) yang berpindah.

(61)

suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebih tinggi dari pada molekul di tempat lain,

maka atom atau molekul tersebut akan bergerak dengan energi lebih besar dari

pada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapat dipindahkan kepada

molekul-molekul atau atom lainnya.

Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum

Fourrier. [19]

Gambar 2.9 Perpindahan Panas Konduksi

Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier

... 2.10

dimana : = Laju perpindahan panas (Watt)

k = Konduktivitas Termal (W/m.K)

A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)

= Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)

Nilai angka konduktifitas termal menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir

dalam bahan tertentu.

(62)

Peristiwa perpindahan konduksi pada kolektor surya terjadi pada sisi-sisi

kolektor yang diisolasi oleh rockwoll, sterofoam dan kayu. Energi panas hilang

(Qloss) berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju temperatur yang

lebih dingin (temperatur lingkungan).

2.4.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massa

medianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya

perbedaan kecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat

pada perbedaan berat jenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi

akan mempunyai berat jenis yang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida

sejenisnya yang bersuuhu lebih rendah. Karena itu, maka fluida yang bersuhu

tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilah yang berakibat pada

terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir diatas suatu

permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara

konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara

disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan

oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.

Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural

Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh

(63)

Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar[20]

Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut :

...2.11

dimana :

Re = bilangan Reynold

V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)

L = panjang kolektor (m)

= massa jenis (kg/m3)

= viskositas dinamik (kg/m.s)

Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut :

Re ≤ 5x105

untuk aliran Laminar

Re ≥ 5x105

untuk aliran Turbulen

Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai

berikut :

...2.12 dimana :

h = koefisien konveksi (W/m2.K)

A = luas permukaan kolektor surya (m2)

Ts = temperatur dinding (K)

= temperatur udara lingkungan (K)

Qh = laju perpindahan panas (Watt)

Kolerasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan

(64)

...2.13

= Koefisien udara pada temperatur film (1/K)

L = Panjang Kolektor (m)

k = Konduktivitas termal (W/m.K)

Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan

bilangan GrL yang telah didefenisikan pada persamaan :

... 2.16

Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut :

1. Bidang vertikal

Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua

kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida

sehingga mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari

temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan

mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda.

Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang

(65)

dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada Mc

Adams (1945), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu :

Nu = 0,5 RaL0,25 untuk 104 RaL 109... 2.17

Nu = 0,1 RaL1/3 untuk 109 RaL 1013... 2.18

2. Bidang miring

Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan 900.

Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut kemiringannya

kurang dari 900. Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural, maka semua

persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya harus

diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah plat yang panas dimiringkan dengan

sudut kemiringan < 900 terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.15

Gambar 2.13 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas pada Bidang Miring

2.4.3. Radiasi

Radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang

elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada

jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Disamping

itu jumlah energi yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi

(66)

Gambar 2.14 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut

... 2.19 dimana :

Qr = laju perpindahan panas radiasi (W)

= emisivitas panas permukaan (0 ≤1)

= konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2K4)

A = luas permukaan (m2)

Banyaknya kalor yang dipindahkan tiap satuan waktu melalui proses radiasi

dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmann sebagai :

... 2.20

Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai

permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap

air di atmosfer.

Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar

debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan

mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsnug menimpa permukaan

bumi karena :

a. Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang

b. Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer,

sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit dari pada sudut timpanya

(67)

Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut

memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi

yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu :

a. Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi)

b. Emisivitas (permukaan yang terradiasi)

c. Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi

d. Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan

yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber

radiasi). [21]

Gelombang elektormagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai

suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan

sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium

atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas

gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan

tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus

permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang

bertingkah laku seperti benda hitam.

Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh

padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua

panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa

mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan

dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini

disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda

yang bertingkah laku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan

tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya.

Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam

umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat

seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan

memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu disebut sebagai

(68)

memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah

permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat :

a. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa

melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse).

b. Pada semua temepratur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada

permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak dari pada benda

hitam.

c. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi

dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah

datangnya sinar. [21]

Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkah laku seperti benda hitam :

1. Emisivitas

Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu

dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temepratur yang sama.

Emisivitas merupakan ukuran kemampuan suatu benda untuk

meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki

emisivitas sama dengan satu ( tetapi objek sesungguhnya memiliki

emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda

tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semakin reflektif suatu benda,

maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah

satuan yang tidak berdimensi. Emisivitas bergantung pada faktor

diantaranya temperatur, sudut emisi, dan panjang gelombang radiasi.

2. Absorbsivitas (Penyerapan)

Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan

transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal

ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah

proses pada saat suatu permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang

dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan

ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena

(69)

3. Transmisivitas

Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang

ditransmisikan berjumlah total energi radiasi yang diterima suatu

permukaan. Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap

oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh

karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi-tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas

memancarkan radiasi termal dalam daerah batas yang masih praktis. Plat

penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah

panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat

dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan

khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam

daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas

yang rendah ( rendah) dalam daerah inframerah [22]

2.5. Penukar Kalor (Heat Exchanger)

Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat

penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk

memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan

oleh suatu sekat pemisah. Penukar kalor yang digunakan di industri lebih

diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida (zatnya boleh sama) yang

berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau

permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak

langsung (fluidanya bercampur).

Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida

(panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa (panas laten). Laju

perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh banyak faktor seperti

kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik yang dimiliki oleh kedua fluida yang saling

dipertukarkan energinya (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas panas

spesifik), beda temperatur antara kedua fluida, dan sifat permukaan bidang

(70)

2.5.1. Jenis Penukar Kalor

Pada umumnya penukar kalor bekerja pada temperatur dan tekanan yang

tinggi serta kadang-kadang menggunakan fluida yang bersifat kurang ramah

terhadap kehidupan kita. Sehingga diperlukan beberapa proses perpindahan panas

yang tepat untuk mencegah adanya kerusakan dan kegagalan operasi.

Berdasarkan proses perpindahan panas yang terjadi, penukar kalor dapat

dibedakan menjadi dua golongan, yaitu :

a. Tipe kontak langsung, dimana antara dua zat yang diperlukan energinya

dicampur atau dikontakkan secara langsung.

b. Tipe tidak kontak langsung, maksudnya antara kedua zat yang

dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padatan

seperti dinding pipa, plat, dan lain sebagainya antara kedua zat tidak

tercampur.

Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali

laluan dengan multi atau banyak laluan.

Pada jenis satu laluan masih terbagi dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari

fluida, yaitu :

a. Penukar kalor tipe berlawanan, yaitu bila kedua fluida mengalir dengan

arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini mungkin terjadi bahwa

temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih

tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat

meninggalkan penukar kalor.

b. Penukar kalor tipe aliran sejajar, yaitu bila arah aliran dari kedua fluida

didalam penukar adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang

satu dan keluar dari sisi yang lain.

c. Penukar kalor dengan aliran silang, artinya arah aliran kedua fluida saling

bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana

aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling

(71)

2.6. Kehilangan Panas pada Bagian Atas

Kehilangan energi panas tersebut terjadi dari bagian atas (qa),bawah (qb)

dan samping (qs).Indikator perubahan panas ditunjukkan dari perubahan

temperatur lingkungan (TL), kaca penutup 1 (TK1), gap udara 1 (TG1),kaca penutup

2 (TK2), gap udara 2 (TG2), plat absorber (TPA).

Gambar 2.15Kehilangan Panas pada Bagian Atas

Nilaiqasebanding denganperkaliankoefisien kehilangan energi panas dari

bagian atas (Ua)dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan selisih temperatur

plat absorber (TPA) dan lingkungan(TL)dansecara matematis seperti pada

persamaan.

qa = Ua × Aa× (TPA-TL)... 2.22

Dimana Ua dalam satuan W/m2.Kdapat dihitung dengan persamaan (2.23).

Ua =

... 2.23

hv-K1merupakan koefisien kehilangan panas secara konveksiakibat angin

yang berhembus diatas permukaan kaca penutup 1 dapat dihitung dengan

persamaan (2.24) dan (2.25) yang diusulkan oleh McAdams [23].

hv-K1 = 5,7 + 3,8v (v< 5 m/s)... 2.24

hv-K1 = 6,47v0,78 (v> 5 m/s)... 2.25