PENGUJIAN
SOLAR COOKER
TIPE KOTAK SEDERHANA
YANG DILENGKAPI
PHASE CHANGE MATERIAL
SEBAGAI
THERMAL STORAGE
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
FELIX ONN
NIM. 080401028
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur dan terima kasih penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha
Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini
yang berjudul “Pengujian Solar Cooker Tipe Kotak Sederhana yang dilengkapi PCM (Phase Change Material) sebagai Thermal Storage”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan
Strata-1 (SStrata-1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Teknik Produksi, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, Namun berkat dorongan, semangat, do’a dan bantuan baik materiil, moril,
maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu
sebagai penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST,MT. selaku Dosen pembimbing, yang
dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada
penulis.
2. Bapak Ir. Syahrul Abda, MSc selaku Dosen pembanding I dan Bapak Tulus
B. Sitorus ST,MT selaku Dosen pembanding II.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera.
5. Kedua orang tua penulis, Darwinto Onn dan Ingrin Kustamin serta kakak
penulis, Grinny Onn yang tidak pernah putus-putusnya memberikan
dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis
kuliah.
7. Teman-teman 1 team skripsi, Teguh Wirawan dan Howard yang telah
membantu dan memberikan dukungan.
8. Rekan-rekan khususnya Rudi Martin, Rio Arinedo Sembiring, Juwirianto,
menuntaskan kerja praktek baik kerja praktek manajemen maupun teknologi
mekanik dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008 serta abang-abang
mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat
kepada penulis.
9. Teman-teman yang selalu memotivasi penulis selama mengerjakan skripsi
ini.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu
penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul,
dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata
penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima
kasih.
Medan, 25 April 2012
ABSTRAK
Dunia sedang mengalami krisis energi karena bahan bakar minyak dan gas berkurang tajam akibat penggunaan secara besar-besaran oleh manusia. Sebelum terjadi krisis energi di dunia, harus dicari energi alternatif yang dapat diperbaharui. Salah satunya adalah energi surya. Fokus kajian ini adalah Solar Cooker. Tujuannya adalah mengatasi kelemahan Solar Cooker tipe kotak yaitu tidak dapat memasak secara tidak langsung. Memasak secara tidak langsung sebenarnya mungkin, apabila memakai storage material yang disebut PCM. PCM yang digunakan adalah Erythritol (titik leleh 117 oC). Energi yang telah disimpan selama siang hari, digunakan untuk memasak secara tidak langsung. Hasil pengujian didapat bahwa, 0.3 kg beras dan 0.6 kg air yang dimasak secara tidak langsung telah masak dalam waktu 2 jam. Kesimpulan dari hasil pengujian menunjukkan memasak secara tidak langsung itu memungkinkan. Lokasi pengujian ada pada kota Medan, Indonesia dengan 3,43 o LU 98,44 o BT.
.
ABSTRACT
The world unrenewable energy such as petroleum and gases have decrease dramatically because of the massive use for humanity using. Before facing crisis energy, developing another alternative energy such as renewable energy was needed. One of box solar cooker weakness is cannot use for evening cooking. Actually evening cooking with box solar cooker is possible, if we use storage material which called as PCM. PCM used is Erythritol (melting Temperatur 117 oC).
The stored energy during the sunshine hours is use for indirect cooking. The experimental results showed, food (0.3 kg rice and 0.6 kg water) was found well-cooked within 2 hours. This means, indirect cooking is possible using storage material. Experiment location at Medan, Indonesia, which is the latitude 3,43 ‘ north – longitude 98,44’ east
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR i
ABSTRAK iii
ABSTRACT iv
DAFTAR ISI v
DAFTAR TABEL vii
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR SIMBOL x
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Batasan Masalah 1
1.3 Tujuan Penelitian 1
1.4 Manfaat Penelitian 2
1.5 Sistematika Penulisan 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 4
2.1 Radiasi Surya 4
2.1.1 Teori Dasar Radiasi 4
2.1.2 Pemanfaatan Energi Surya 6
2.2 Konveksi Natural 12
2.3 Solar Cooker 13
2.3.1 Sejarah Solar Cooker 13
2.3.2 Tipe-tipe Solar Cooker 14
2.3.3 Bagian-Bagian Utama Solar Cooker 19 2.4 Penyimpanan Panas Pada Phase Change Material 22 2.4.1 Klasifikasi Phase Change Material 22 2.4.2 Solar Cooker dengan Material Penyimpan Panas (Thermal
Storage material) 27
BAB III METODOLOGI 29
3.1 Peralatan Pengujian 29
3.2 Bahan 39
3.4 Prosedur Pengujian 37
BAB IV DATA DAN ANALISA DATA 39
4.1 Analisa Pengujian Tahap pertama 39
4.2 Analisa Pengujian Tahap kedua 44
4.3 Perbandingan Pengujian dengan Jurnal Internasional 49
4.4 Analisa perhitungan biaya 50
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan 52
5.2 Saran 52
DAFTAR PUSTAKA 53
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Material paraffin 24
Tabel 2.2 Material nonparaffin 24
Tabel 2.3 Material Metallics 25
Tabel 2.4 Material Salt Hydrates 26
Tabel 3.1 Properties of Erythritol 35
Tabel 4.1 Perbandingan Pengujian dengan Jurnal Internasional 49
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi 4
Gambar 2.2 Solar Water Heater 6
Gambar 2.3 Solar Cooker 7
Gambar 2.4 Solar Dries 8
Gambar 2.5 Solar Ponds 9
Gambar 2.6 Solar Architecture 9
Gambar 2.7 Solar Air-Conditioning 10
Gambar 2.8 Solar Chimney 11
Gambar 2.9 Solar Distilation Water 11
Gambar 2.10 Solar Power Plant 12
Gambar 2.11 Solar Cooker Bentuk Box 15 Gambar 2.12 Solar Cooker Bentuk Panel 16 Gambar 2.13 Solar Cooker Bentuk Ketel 16 Gambar 2.14 Solar Cooker Bentuk Parabola 17 Gambar 2.15 Solar Cooker Bentuk Sceffler 18 Gambar 2.16 Vessel (a) Model Buddhi and Sahoo
(b) Model Domanski et al
(c) Model Sharma et al, dan
(d) Model Buddhi dan Sharma 20
Gambar 2.17 Rancangan Narashima Rao 21
Gambar 2.18 Klasifikasi Phase Change Material 23
Gambar 3.1 Komputer 29
Gambar 3.2 Agilent 34972a 30
Gambar 3.3 Hobo Microstationdata logger 30
Gambar 3.4 Vessel 32
Gambar 3.5 Box Solar Cooker 32
Gambar 3.6 Air dan Beras 33
Gambar 3.7 Plat alumunium 34
Gambar 3.8 Erythritol 34
Gambar 3.10 Expermental Set-up pada saat Discharging 36 Gambar 3.11 Diagram Blok Proses Pengerjaan Skripsi 38
Gambar 4.1 Sesaat, Sebelum, dan Sesudah pengujian 39
Gambar 4.2 Vessel Tahap Pertama 39
Gambar 4.3 Perbandingan Radiasi Matahari Aktual dan Teoritis 15 Maret 2012 40
Gambar 4.4 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 15 Maret 2012 41 Gambar 4.5 Perbandingan Radiasi Matahari Aktual dan Teoritis 17 Maret 2012 42
Gambar 4.6 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 17 Maret 2012 43
Gambar 4.7 Vessel Tahap Kedua 45
Gambar 4.7 Perbandingan Radiasi Matahari Aktual dan Teoritis 28 Maret 2012 45
Gambar 4.8 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 28 Maret 2012 46 Gambar 4.9 Perbandingan Radiasi Matahari Aktual dan Teoritis 2 April 2012 46
Gambar 4.10 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 02 April 2012 47 Gambar 4.11 Perbandingan Radiasi Matahari Aktual dan Teoritis 23 April 2012 47
DAFTAR SIMBOL
Simbol Arti Satuan
Ak Luas penampang kolektor m2
Av Luas Penampang vessel m2
cair Panas Jenis air kJ/kg oC
cberas Panas Jenis beras kJ/kg oC
cp Panas Jenis kJ/kg oC
cpcm Panas Jenis pcm kJ/kg oC
dv Diameter vessel m
g gravitasi bumi m/s2
Gsc Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi W/m2
Gaa Rata-rata radiasi matahari selama proses charging W/m2 h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2K
I Intensitas Radiasi W/m2
k Konduktivitas Bahan Termal W/mK
ku Kalor Uap kJ/kg
kl Kalor latent kJ/kg
L Panjang m
Nu Bilangan Nusselt -
Pr Prandatl
-�̇ Laju Perpindahan Panas MJ
Qpcm Energi PCM MJ
Qradiasi Energi Radiasi MJ
Qnasi Energi untuk memasak nasi J
Ra Bilangan Rayleigh -
r Jari-jari vessel cm
Ts Temperatur permukaan oC
Tr Temperatur lingkungan oC
Tpcmmax Temperatur maximum PCM oC
Tabmax Temperatur maximum Plat absorber oC
Tfo out Temperatur dimana makanan dikeluarkan oC
tfo in Waktu dimana makanan dimasukkan Jam
tfo out Waktu dimana makanan dimasukkan Jam
v Viskositas kinematik m2/s
Huruf Yunani
Simbol Arti Satuan
� Koefisien Udara 1 / K
∆� Perbedaan Temperatur awal dan akhir oC
∆� Selang waktu perhitungan s
� Massa Jenis kg/m3
α Diffusivitas termal m2/s
η Effisiensi -
ABSTRAK
Dunia sedang mengalami krisis energi karena bahan bakar minyak dan gas berkurang tajam akibat penggunaan secara besar-besaran oleh manusia. Sebelum terjadi krisis energi di dunia, harus dicari energi alternatif yang dapat diperbaharui. Salah satunya adalah energi surya. Fokus kajian ini adalah Solar Cooker. Tujuannya adalah mengatasi kelemahan Solar Cooker tipe kotak yaitu tidak dapat memasak secara tidak langsung. Memasak secara tidak langsung sebenarnya mungkin, apabila memakai storage material yang disebut PCM. PCM yang digunakan adalah Erythritol (titik leleh 117 oC). Energi yang telah disimpan selama siang hari, digunakan untuk memasak secara tidak langsung. Hasil pengujian didapat bahwa, 0.3 kg beras dan 0.6 kg air yang dimasak secara tidak langsung telah masak dalam waktu 2 jam. Kesimpulan dari hasil pengujian menunjukkan memasak secara tidak langsung itu memungkinkan. Lokasi pengujian ada pada kota Medan, Indonesia dengan 3,43 o LU 98,44 o BT.
.
ABSTRACT
The world unrenewable energy such as petroleum and gases have decrease dramatically because of the massive use for humanity using. Before facing crisis energy, developing another alternative energy such as renewable energy was needed. One of box solar cooker weakness is cannot use for evening cooking. Actually evening cooking with box solar cooker is possible, if we use storage material which called as PCM. PCM used is Erythritol (melting Temperatur 117 oC).
The stored energy during the sunshine hours is use for indirect cooking. The experimental results showed, food (0.3 kg rice and 0.6 kg water) was found well-cooked within 2 hours. This means, indirect cooking is possible using storage material. Experiment location at Medan, Indonesia, which is the latitude 3,43 ‘ north – longitude 98,44’ east
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Di negara berkembang, konsumsi energi yang cukup besar adalah untuk
keperluan memasak (Chen R, 2009). Sebagian besar penggunaan energi untuk
memasak adalah berasal dari bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil selain merupakan
bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, bahan bakar jenis ini juga mengakibatkan
dampak lingkungan diantaranya menyebabkan pemanasan global, dan mengeluarkan
gas beracun akibat pembakaran yang tidak sempurna.
Untuk membantu mengatasi permasalahan di atas, maka diperlukan suatu
inovasi teknologi yang menggunakan tenaga yang dapat diperbaharui (renewable energy) seperti penggunaan energi matahari untuk keperluan memasak atau yang lebih dikenal dengan solar cooker.
Potensi energi matahari di Indonesia khususnya kota Medan sangatlah besar.
Kota Medan berada pada posisi 3,43 oLU 98,44 oBT. Akan tetapi penggunaan energi matahari untuk keperluan memasak memiliki beberapa kelemahan, yaitu
proses memasak akan terganggu jika cuaca mendung dan tidak dapat digunakan pada
malam hari. Untuk mengatasi kelemahan tersebut maka solar cooker perlu dilengkapi dengan Phase Change Material sebagai storage material.
1.2 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah
1. Jenis Phase Change Material yang digunakan adalah Erythritol. 2. Lokasi penelitian berada pada 3,43 oLU 98,44 oBT.
3. Bentuk solar cooker yang digunakan adalah tipe box. 4. Bahan yang akan dimasak adalah beras dan air.
5. Beras dan air dimasak sesaat setelah charging process selesai.
1.3 Tujuan Penelitian
1. Untuk mengetahui solar cooker type box dapat digunakan memasak secara tidak langsung.
2. Untuk mengetahui energi yang di simpan pada Phase Change Material yang dijemur pada saat matahari terik dapat digunakan untuk memasak secara
tidak langsung.
3. Untuk mengetahui efisiensi dan kapasitas maximum beras yang dapat
dimasak dengan 3kg Erythritol sebagai storage material
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat penelitian adalah sebagai berikut :
1. Mengurangi pengunaan energi listrik untuk kebutuhan memasak
2. Menutupi kekurangan dari solar box cooker yang hanya dapat digunakan pada siang hari.
3. Memberikan wacana untuk penelitian lebih lanjut
1.5 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan pada skripsi ini adalah :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan
masalah yang berisi antara lain : latar belakang, batasan masalah, tujuan
penelitan, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai
landasan dalam memecahkan masalah, adapun teori-teori yang dikaji antara
lain mengenai : radiasi surya, konveksi natural, solar cooker, dan penyimpanan panas pada Phase Change Material.
BAB III METODOLOGI
Bab ini berisi kerangka pemikiran dan langkah yang dilakukan untuk
mengidentifikasi permasalahan, juga beberapa aspek yang menunjang metode
BAB IV DATA DAN ANALISA DATA
Bab ini berisi analisis dari data hasil pengujian antara lain : analisa pengujian
tahap pertama, analisa pengujian tahap kedua, perbandingan pengujian
dengan jurnal internasional, dan analisa perhitungan biaya.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dari pengujian yang dilakukan dan saran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Radiasi Surya
2.1.1 Teori Dasar Radiasi
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari
dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu
pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m.
Gambar 2.1 menunjukkan hubungan Matahari dan Bumi.
Gambar 2.1 Hubungan Matahari Dan Bumi
(Sumber : Himsar Ambarita,2011)
Dimana :
Gsc = Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi (W/m2)
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi
dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011, dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak
1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima
atmosfer bumi juga akan berbeda.
Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :
1. Air Mass (m)
Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada
tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m
= 1 , pada sudut zenith 600, m = 2 .
2. Beam Radiation
Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer.
Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).
3. Diffuse Radiation
Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan atmosfer
4. Total Radiation
Adalah jumlah beam dan diffuse radiation.
5. Irradiance [W/m2]
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan
luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan
Intensitas radiasi.
6. Irradiation atau Radian Exposure[J/m2]
Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam
interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G
pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa
disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.
7. SolarTime atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada
tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST ) berbeda dengan
penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD ).
Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi efisiensi
kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga
energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus (Duffle,2006):
Qradiasi = I Ak� 90% (2.1)
Dimana: Qradiasi = Energi Radiasi (MJ)
I = Intensitas radiasi (W/m2) Ak = Luas penampang kolektor(m2)
2.1.2 Pemanfaatan Energi Surya
Dalam era ini, pengunaan sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui
semakin meningkat seiring dengan meningkatnya populasi manusia, kemajuan
teknologi dan lain lain. Namun hal ini berbanding terbalik dengan ketersediaan
sumber daya alam tersebut. Sehingga para ilmuwan telah mencoba mengembangkan
potensi sumber daya alam yang dapat diperbarui contohnya air, angin dan energi
surya. Pembahasan adalah tentang pemanfaatan energi surya, terdapat 2 macam
pemanfaatan energi surya yaitu:
1. Pemanfaatan Fotovoltaic
Pemanfaatan energi surya ini adalah untuk menghasilkan energi listrik.
Menurut Sujono (2009), Energi surya yang diubah menjadi energi listrik
hanya memiliki efisiensi sekitar 10%.
2. Pemanfaatan Termal
Terdapat 9 pemanfaatan termal terbesar yang sudah dilakukan dan diterapkan
dibeberapa negara yaitu:
• Solar Water Heater (Pemanas air dengan Energi Surya)
Prinsip kerja solar water heater adalah memanaskan air dengan energi surya. Air dialirkan ke pipa-pipa yang pipih, biasanya dicat warna hitam
untuk memaksimalkan penyerapan energi surya. Air yang telah mencapai
suhu yang diinginkan disimpan ke sebuah silinder sebagai tempat
penyimpanan. Solar water heater juga dilengkapi beberapa sensor untuk menjaga suhu air yang diinginkan. Solar Water Heater juga dapat memanaskan air mengunakan listrik jika cuaca hujan/mendung. Gambar
2.2 menunjukkan solar water heater.
Gambar 2.2 SolarWater Heater
Keterangan :
1. Pipa-pipa air
2. Tabung silinder
• Solar cooker (Memasak dengan Energi Surya)
Solar Cooker adalah alat memasak yang mengunakan energi surya . Perkembangan pengunaan solar cooker ini telah meluas terutama di Negara India, yang memiliki radiasi matahari per hari sekitar 600W/m2 (Buddhi D dkk : 2003). Solar cooker ini juga memiliki berbagai bentuk konstruksi. Beberapa bentuk memiliki cara kerja yang sedikit berbeda,
tapi pada prinsipnya solar cooker mengunakan energi surya, dan diubah menjadi energi panas untuk memasak makanan.
Buddhi D dkk (2003:1), mereka mendesain solar cooker berbentuk box
dan mengunakan termal storage untuk dapat menyimpan energi panas yang akan digunakan untuk memasak pada malam hari. Gambar 2.3
menunjukkan solar cooker jenis panel.
Gambar 2.3 Solar Cooker
(Sumber:
Keterangan :
1. Vessel
• Solar Driers( Pengering dengan Energi Surya)
Pada negara-negara berkembang, produk-produk pertanian dan
perkebunan sering dikeringkan mengunakan tenaga matahari. Konsep
inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan solar driers.
Cara kerjanya adalah udara yang masuk ke dalam kolektor akan
dipanaskan oleh energi surya, udara yang telah panas kemudian masuk ke
dalam kotak pengering, kotak pengering inilah yang diisi produk-produk
pertanian yang akan dikeringkan. Gambar 2.4 menunjukkan
bagian-bagian utama solar driers.
Gambar 2.4 Solar Driers (Sumber: www.climatetechwiki.org)
• Solar Ponds
Ini tergolong aplikasi dengan skala cukup besar. Cara kerjanya adalah
garam yang mengendap di dasar, dan disinari matahari akan bertambah
panas. Panas ini digunakan untuk memutar turbin. Mengunakan prinsip
Gambar 2.5 Solar Ponds
• Solar Architecture
Dalam bidang arsitektur, pemanfaatan energi surya telah dikembangkan.
Pemanfaatan dalam bidang ini sudah cukup banyak diterapkan di Jepang.
Dari segi artistik juga mendapatkan tanggapan positif demikian juga dari
segi pemanfaatan energi termalnya. Fungsi dari solar architecture adalah untuk membuat ruangan menjadi nyaman. Gambar 2.6 menunjukkan
desain perumahan yang berdasar pada solar architecture.
Gambar 2.6 Solar Architecture
(Sumber :
Pengunaan Air-Conditioning mencapai puncaknya pada saat matahari terik/panas. Inilah yang dimanfaatkan menjadi Solar-Air Conditioning. Cara kerjanya adalah dengan kolektor tabung hampa panas yang
memanaskan air untuk mengerakkan sebuah chiller penyerapan sinar
matahari secara langsung. Udara digunakan sebagai pendingin. Dengan
teknologi ini juga, kerusakan atmosfer akan dapat dihindarkan. Gambar
2.7 menunjukkan bagian-bagian solar air-conditioning.
Gambar 2.7 Solar Air-Conditioning
(Sumber:
• Solar Chimney
Solar Chimney digunakan untuk ventilasi pada gedung-gedung besar. Sirkulasi udara menjadi baik dan ruangan menjadi tidak terlalu panas.
Biasanya juga digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara kerjanya
adalah udara dipanaskan oleh energi surya. Udara yang panas akan
cenderung bergerak ke atas dan keluar melalui cerobong. Pada cerobong
biasanya dipasang turbin. Udara yang bergerak ke atas akan mengerakkan
turbin, sehingga menghasilkan listrik. Gambar 2.8 menunjukkan
Gambar 2.8 SolarChimney
(Sumber: www://freenewsupdate.blogspot.com/2010/04/solar-updraft-dan
concentracing-solar.html)
Keterangan :
1. Turbin
2. Kolektor
3. Tower/Cerobong
• Solar Destilasi/purification
Solar Destilasi/purification digunakan untuk memurnikan air maupun memisahkan air dengan garam. Cara kerjanya adalah air laut dipompakan
setelah itu melewati kolektor, dengan panas dari energi surya ini, air akan
menguap dan menyisakan garam. Uap dikondensasikan menjadi air.
Sehingga didapat 2 hasil yaitu garam dan air tawar. Gambar 2.9
menunjukkan bagian-bagian solar distillation water.
Gambar 2.9 SolarDistilation Water
(Sumber : http://benjimester.hubpages.com/hub/solar-water-distiller-
solar-still)
Ini merupakan aplikasi dengan skala yang sangat besar, bisa diaplikasikan
di daerah gurun. Dapat menghasilkan listrik dalam kapasitas yang sangat
besar. Cara kerjanya ialah energi surya yang terpapar ke reflektor,
direfleksikan ke tower yang di tengah. Dari tower itulah energi surya
dikumpul dan digunakan untuk menghasilkan listrik. Gambar 2.10
menunjukkan solar power plant di Seville, Spanyol.
Gambar 2.10 SolarPower Plant
(Sumber
setting-on-solar-power-in-spain)
2.2 Konveksi Natural
Jika aliran fluida terjadi secara alami, sebagai akibat perpindahan panas yang
terjadi. Konveksi ini disebut konveksi natural atau kadang disebut konveksi bebas
dalam bahasa Inggris disebut natural convection atau free convection.
Asumsi yang umum digunakan untuk dapat menurunkan persamaan
pembentuk aliran pada udara di sekitar plat vertikal ini adalah : aliran 2D,
incompressibel, sifat fisik konstan. Untuk memunculkan efek dari perbedaan
kerapatan sebagai gaya pendorong aliran fluida, maka pada persamaan momentum
arah vertikal, gaya gravitasi harus diperhitungkan. Bilangan-bilangan tanpa dimensi
yang sering digunakan untuk menghitung konveksi alamiah adalah (Incropera,1985)
:
RaL =
�� (��−��)�3
��
(2.2)
g = gravitasi bumi
Ts = suhu permukaan
Tr = suhu ruangan
L = panjang
v = viskositas kinematik ( μ/ρ )
α = diffusitas termal ( k/ρ.cp)
Persamaan mencari bilangan Nusselt untuk konveksi alamiah pada plat luar telah
diturunkan secara analitik, dengan asumsi bawah aliran adalah laminar. Namun
faktanya, aliran tidak selalu laminar melainkan turbulent. Bilangan Nusselt pada plat
vertikal dengan Ts konstan dapat dirumuskan sebagai berikut :
Jika bilangan 10-1<Ra<1012 , maka bilangan Nusselt yang dipakai adalah (Incropera,1985) :
��
�����= 0.68
+
0.387��1 /6[1+(0.492/��)9/16]8/27 (2.3)
Jika bilangan Ra< 109, maka bilangan Nusselt yang dipakai adalah (Persamaan ini lebih akurat) (Incropera,1985) :
��
�����= 0.68
+
0.67�� 1/4[1+(0.492/��)9/16]4/9 (2.4)
Dimana : Pr = bilangan Prandtl
2.3. Solar cooker
2.3.1 Sejarah solar cooker
Pada zaman dulu, memasak dengan energi surya sudah dimulai dan telah
tercatat disebuah dokumen oleh seorang fisikawan berkebangsaan Prancis-Swiss,
Horrace de Saussure pada tahun 1767. Perkembangan dengan energi surya ini tidak
begitu signifikan sampai pada awal tahun 1970. Walaupun memang ada beberapa
dokumen yang mencatat bahwa telah ditemukan dan dilakukannya percobaan sekitar
tahun 1940 dan 1950-an.
Yang paling terkenal adalah percobaan yang dibuat oleh Barbara Kerr dari
menyerap energi surya dan mengubahnya menjadi energi panas, dan terperangkap di
dalam box yang tertutup. Panas yang diserap inilah yang digunakan untuk memasak. Pada solar cooker, panas dapat mencapai 200oC. Solar cooker yang dibuat memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda-beda. Tapi pada prinsipnya, solar cooker
memerangkap panas untuk digunakan memasak, kecuali pada bentuk parabola.
2.3.2 Tipe-Tipe Solar cooker
Ada beberapa Tipe-Tipe Solar cooker yaitu sebagai berikut : 1) Solar cooker Tipe Box
Sebuah Solar cooker tipe box biasanya memiliki kaca transparan atau plastik, dan memiliki reflektor tambahan untuk mengkonsentrasikan sinar matahari
ke dalam box. Bagian atas biasanya dapat dibuka untuk memungkinkan vessel
bewarna hitam berisi makanan untuk ditempatkan di dalam. Satu atau lebih
reflektor logam yang mengkilap atau bahan berlapis alumunium foil dapat
diposisikan untuk menambah cahaya tambahan ke bagian dalam box. Wadah untuk memasak dan bagian bawah dalam box harus berwarna gelap atau hitam. Di dalam dinding harus reflektif untuk mengurangi kehilangan panas
radiasi dan memantulkan cahaya menuju bagian bawah absorber yang gelap,
yang bersentuhan dengan vessel. Box juga harus memiliki sisi terisolasi. Isolasi termal untuk solar box cooker harus mampu menahan suhu sampai 150°C (300°F) tanpa meleleh atau bereaksi dengan panas yang dapat
menimbulkan gas beracun. Gumpalan koran, wol, kain, rumput kering,
lembar kardus, dll dapat digunakan untuk mengisolasi dinding cooker. Logam
vessel dapat diberi warna hitam baik dengan cat hitam (yang tidak beracun ketika panas), jelaga minyak, atau arang. Solar box cooker biasanya mencapai suhu 150°C (300°F). Hal yang terbaik adalah mulai memasak sebelum tengah
hari, meskipun juga tergantung pada garis lintang dan cuaca. Cooker ini juga dapat digunakan untuk menghangatkan makanan dan minuman. Gambar 2.11
Gambar 2.11 Solar Cooker Bentuk Box
(Sumber:
Keterangan :
1. Kaki penyangga
2. Kaca
3. Reflektor
2) Solar Cooker Tipe Panel
Solar Cooker tipe panel yang tergolong murah merupakan solar cooker yang menggunakan panel reflektif untuk mengarahkan sinar matahari, untuk
memasak makanan di dalam panci yang tertutup. Sebuah model umum adalah
CoolKit.
Dikembangkan pada tahun 1994 oleh Internasional solar cooker, bahan yang paling sering digunakan adalah bahan reflektif contohnya aluminium foil,
setelah itu dipotong dan dilipat, biasanya ditempelkan pada karton yang telah
dibentuk sedemikian rupa. Hal ini mempermudah penyimpanan. Jenis yang
lainnya adalah hotpot, sebuah bentuk desain panel canggih yang terdiri dari mangkuk kaca. Panel mengunakan aluminium yang mengkilap, hotpot juga memiliki keuntungan termal yang tinggi karena memanfaatkan efek rumah
Gambar 2.12 Solar Cooker Tipe Panel
(Sumber:
Keterangan :
1. Reflektor
2. Vessel
3) Solar cooker tipe ketel
Solar cooker tipe ketel dapat digunakan untuk mendidihkan air dengan mengandalkan energi matahari saja. Berteknologi rendah yang digunakan
untuk menghasilkan minuman panas. Ada juga yang menggunakan teknologi
tinggi yaitu dengan menggunakan teknologi tabung vakum. Gambar 2.13
menunjukkan solar cooker tipe ketel.
Gambar 2.13 Solar Cooker Tipe Ketel (Sumber:
Keterangan :
1. Reflektor
2. Kaki penyangga
4) Solar cooker tipe parabola
Sebuah solar cooker konsentrator parabola memiliki kolektor, yang merefleksikan energi surya ke satu titik. Vessel ditempatkan pada titik fokus. Keuntungan dari jenis sistem konsentrator adalah bahwa mereka dapat
mencapai suhu yang tinggi. Di sisi lain, kebutuhan untuk pelacakan sering
memaksa pengguna untuk bekerja di bawah sinar matahari di bawah kondisi
yang berat terutama panas dan silau. Gambar 2.14 menunjukkan solar cooker
tipe parabola.
Gambar 2.14 Solar Cooker Tipe Parabola (Sumber:
Keterangan :
1. Vessel
2. Reflektor
5) Solar cooker tipe Scheffler
Sebuah cooker bernama Scheffler (penemunya bernama Wolfgang Scheffler) menggunakan reflektor ideal paraboloidal besar yang diputar sekitar suatu
sumbu yang sejajar dengan bumi sebagai mekanisme mekanik, berputar 15
derajat per jam untuk mengimbangi rotasi bumi. Sumbu melewati pusat
reflektor dari massa, sehingga reflektor akan berubah arah dengan mudah.
Pemasak terletak pada fokus yang ada pada sumbu rotasi, sehingga cermin
dapat mengkonsentrasikan sinar matahari sepanjang hari. Untuk menjaga
fokus stasioner, bentuk reflektor harus bervariasi.
Oleh karena itu, reflektor Scheffler harus fleksibel, agar dapat diposisikan
untuk menyesuaikan bentuknya. Gambar 2.15 menunjukkan solar cooker tipe
Gambar 2.15 Solar Cooker Tipe Sceffler (Sumber:
Keterangan :
1. Vessel
2. Reflektor
6) Solar cooker tipeindirect
Solar cooker tipe Indirect adalah tipe solar cooker yang memasak secara tidak langsung atau menggunakan media lain untuk dipanaskan dan
kemudian menyalurkan panas pada cooker atau PCM yang mau dipanaskan. Biasanya tipe solar cooker ini digunakan untuk kebutuhan rumah tangga. Sharma et al dkk (2005:3), mereka mengembangkan solar cooker yang dibuat berfungsi untuk memasak pada malam hari, dibuat berdasar pada evacuated tube. Lokasi pengujian dilakukan di Jepang. PCM yang digunakan adalah Erythritol.
Hussein dkk (2008:2), mereka mengembangkan solar cooker juga dibuat untuk memasak malam hari, dan langsung dihubungkan ke dalam ruangan
(memasak didalam rumah). Lokasi pengujian berada di Egypt, dan berhasil memasak di siang dan sore hari, sekaligus juga dapat digunakan untuk
memanaskan makanan pada malam hari. PCM yang digunakan adalah magnesium nitrate hexahydrate.
2.3.3 Bagian – Bagian utama Solar cooker
Adapun bagian-bagian utama dari Solar cooker adalah
Booster Mirror merupakan desain dari beberapa tipe kaca dengan sudut tertentu untuk mengoptimasi pantulan cahaya pada solar cooker. Biasanya
booster mirror digunakan pada solar cooker tipe box.
2. Glazing Material
Glazing material termasuk diantaranya kaca, acrelic, fiberglass, dan lain-lain. Glazing material digunakan hanya dalam beberapa aplikasi khusus, namun peranan dari glazing material ini sangat penting. Panel kaca tunggal adalah yang paling sederhana dari jenis - jenis kaca yang lain dan memiliki
tranmisi energi solar yang tinggi. Walaupun sekarang yang paling banyak digunakan adalah 2 panel. Kaca dua panel adalah 2 kaca dibuat menjadi 1
unit.
Beberapa sifat-sifat kaca secara umum adalah :
1. Berwujud padat tapi susunan atom-atomnya seperti pada zat cair.
2. Tidak memiliki titik lebur yang pasti (ada range tertentu).
3. Mempunyai viskositas cukup tinggi (lebih besar dari 1012 Pa.s).
4. Transparan, tahan terhadap serangan kimia, kecuali hidrogen fluoride.
Karena itulah kaca banyak dipakai untuk peralatan laboratorium.
5. Efektif sebagai isolator.
6. Mampu menahan vakum tetapi rapuh terhadap benturan.
3. CookingVessel
Bentuk yang biasa digunakan untuk vessel masak adalah silinder yang terbuat dari aluminium yang digunakan untuk memasak di dalam SBC (Solar Box Collector). Bagian luar dari vessel masak itu dilapisi/dicat warna hitam dan didempetkan pada plat absorber untuk mendapatkan hubungan kontak
antara plat absorber dengan vessel masak dan juga untuk mendapatkan dan meningkatkan perpindahan panas secara konduksi antara plat absorber
Vessel masak ini harus dapat menyerap panas baik secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Radiasi yang didapatkan adalah energi solar
yang masuk ke dalam kaca selanjutnya merambat ke vessel. Konduksi yang didapatkan adalah energi solar yang masuk ke box dan diserap absorber kemudian merambat ke vessel masak ini.
Sharma et al dkk (2005:2), mereka mendesain dan menemukan tabung
silinder yang digunakan untuk mengisi PCM, dan digunakan untuk cooker tipe box. PCM yang mengelilingi makanan, akan meningkatkan perpindahan panasnya, sehingga proses memasak lebih cepat selesai.
Buddhi dan Sharma (2003:1), mereka mendesain dan menemukan
container yang cocok untuk mengisi PCM. Mereka mengunakan Acetanilide sebagai PCM. Gambar 2.16 menunjukkan beberapa desain vessel oleh beberapa peneliti.
Gambar 2.16 Vessel (a) Model Buddhi and Sahoo, (b) Model Domanski et al, (c) Model Sharma et al, dan (d) Model Buddhi dan Sharma
(Sumber: Muthusivagami R.M dkk, 2010)
Narashima Rao dkk (2003), mereka melakukan penelitian tentang vessel
absorber. Mereka mengatakan bahwa perpindahan panas dari plat absorber ke
vessel akan lebih baik. Gambar 2.17 menunjukkan rancangan Narashima Rao.
Gambar 2.17 Rancangan Narashima Rao
(Sumber: Narashima Rao, 2003)
4. Absorber Tray
Absorber tray dari box cooker adalah FPC (Flat Plate Collector) sederhana. Ketika radiasi solar datang dan melewati kaca dan menuju ke permukaan absorber yang memiliki absorptivity yang tinggi, energi yang
besar diserap oleh vessel ini dan di transfer ke makanan yang akan dimasak dan ditempatkan dalam vessel masak.
5. Insulation (isolasi)
Penting untuk aplikasi panas matahari untuk menyimpan panas energi
maksimum agar tercipta efisiensi dalam bekerja. Untuk mencegah transmisi
energi panas dari dalam box ke luar box, maka penting untuk menyediakan isolasi agar dapat mencegah panas keluar, karena sebagian besar kehilangan
panas dapat terjadi apabila hanya menggunakan kaca atau plastik. Oleh
karena itu isolasi diperlukan di antara dinding luar box dan isolasi sangat
berpengaruh besar terhadap suhu keseluruhan dan kekuatan memasak. Ada
beberapa bahan yang dapat digunakan untuk isolasi misalnya : Glass wool, gulungan kertas, jerami, dan lain-lain. Hal yang perlu diperhatikan dalam
isolasi adalah material tersebut harus kering. Nahar (2001), telah melakukan
isolasi dan tanpa isolasi dan hasil yang didapatkan adalah dengan mengisolasi
setebal 40 mm, mereka mendapati suhu 158oC dan tanpa isolasi mereka memperoleh suhu 117oC. Dari hasil tersebut diperoleh bahwa dengan isolasi, hasil yang didapatkan lebih efisien.
2.4 Penyimpanan Panas latent pada Phase Change Material (PCM)
PCM termasuk material penyimpan panas latent. PCM ini mengunakan ikatan kimia untuk menyimpan dan melepas panas. Perpindahan panas ini terjadi
ketika terjadi perubahan fasa pada PCM. Cara kerja PCM ini adalah temperatur dari
PCM akan meningkat ketika PCM menyerap panas. Ketika PCM mencapai temperatur dimana PCM akan berubah fasa (titik leleh), PCM akan menyerap panas yang cukup besar tanpa bertambah temperaturnya. Temperatur akan konstan sampai
proses pelelehan berakhir. Panas yang diserap selama perubahan fasa inilah yang
disebut dengan panas latent.
Ketika temperatur lingkungan turun, maka PCM akan berubah menjadi padatan, ketika itulah PCM melepaskan panas latent. PCM menyimpan panas per satuan volume lebih banyak 5-14 x dari pada material penyimpan panas sensible.
Suatu material unsur kimia dapat dikatakan sebagai PCM jika memenuhi beberapa kriteria seperti sifat panas, sifat kimia, sifat fisik, sifat kinetik dan ekonomis.
Buddhi D dkk(2003:1), dalam pengujiannya mengunakan Acetanilide sebagai
termal storage, dia juga menyarankan bahwa untuk dapat memasak 2 kali pada malam hari, diperlukan PCM yang memiliki titik leleh diantara 105-110o C. Sharma dkk (2005:5), mereka mengunakan Erythritol sebagai termal storagenya.
2.4.1 Klasifikasi Phase Change Material ( PCM)
Banyak jenis PCM yang tersedia sesuai yang diinginkan. Range temperatur yang tersedia berkisar antara 0-150 OC biasanya digunakan untuk aplikasi energi
Gambar 2.18 Klasifikasi Phase Change Material (Sumber : Lalit M.Bal 2010)
1. PCM Organik
Lebih jauh, material organik diklasifikasikan menjadi 2 yaitu material
paraffin dan non paraffin . Material organik harus bisa mencair secara
sempurna sehingga cairan dan padatan memiliki komposisi yang sama,
perbedaan antara massa jenis fasa cair dan fasa padat menyebabkan segregasi
dan menghasilkan perubahan komposisi kimia dari suatu material. Material
organik dibagi atas 2 macam yaitu :
• Material Paraffin
Parafin terdiri dari campuran ikatan alkane CH3–(CH2)–CH3. Ikatan CH3
yang mengalami proses kristalisasi melepaskan banyak sekali panas latent.
Titik leleh dan heat fusion akan meningkat sesuai dengan panjang rantai CH3. Paraffin merupakan material yang aman, dapat diandalkan, bisa di
Tabel 2.1 Material Paraffin
Paraffin*
Freezing
point/range (oC)
Heat of
Fusion (kJ/kg) Group*
6106 42-44 189 1
P116 45-48 210 1
5838 48-50 189 1
6035 58-60 189 1
6403 62-64 189 1
6499 66-68 189 1
Sumber : Lalit M.Bal 2010
*Group I: Most promising; Group II : Promising; Group III : Less Promising; Group IV : -
• Material Non-Paraffin
Material organik Non-Paraffin ini adalah PCM dengan jumlah variasi paling banyak. Masing-masing material ini memiliki sifat-sifat tersendiri, tidak
seperti material paraffin yang rata-rata memiliki sifat yang hampir sama.
Jenis material ini adalah material penyimpan panas yang paling sering
digunakan. Beberapa material organik ini memiliki sifat-sifat yaitu :
1. Kalor jenis latent yang tinggi
2. Titik nyala kecil
3. Termal konduktivitas yang rendah
4. Tidak mudah terbakar
5. Tidak terlalu berbahaya
Tabel 2.2 Material Non Paraffin
Material Formula Melting
Point (oC)
Latent heat
(kJ/kg)
Group
Acetic acid CH3COOH 16.7 184 1
Material Formula Melting
Point (oC)
Latent heat
(kJ/kg)
Group
Tristearin (C17H35COO)C3H5 56 191 I
Stearic acid CH3(CH2)16-COOH 69.4 199 I
Acetamide CH3CONH2 81 241 I
Sumber : Lalit M.Bal 2010
2. PCM Non-Organik
Lebih jauh, PCM Non-Organik dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis yaitu
salt hydrates dan metallics.
• Salt Hydrates
Salt Hydrates memiliki beberapa sifat yang dapat dikategorikan menjadi
Phase Change Material yaitu :
1. Memiliki panas latent yang tinggi per satuan volume.
2. Memiliki konduktivitas termal yang cukup tinggi.
3. Perubahan volume yang kecil ketika mencair.
4. Tidak korosif, tingkat racun kecil dan tidak bereaksi dengan plastik.
• Metallics
Kategori logam yang termasuk dalam metallics adalah logam dengan titik leleh yang rendah dan logam euthetics. Bahan metallics ini masih jarang dipakai sebagai PCM karena kerugian pada jumlah/berat bahan yang diperlukan. Seperti diketahui, besarnya energi termal yang bisa disimpan itu berbanding lurus dengan
volume. Perbedaan dengan PCM lainnya ialah metallics memiliki konduktivitas termal yang tinggi.
Tabel 2.3 Material Metallics
Material Melting Point (oC) Latent heat((kJ/kg) Group
Gallium-Gallium 30.0 80.3 1
Cerrolow eutectic 58 90.9
-Bi-Cd-In eutectic 61 25
Material Melting Point (oC) Latent heat((kJ/kg) Group
Bi-Pb –In eutectic 70 29
-Bi –ln eutectic 72 25
-Bi-Pb-Tin eutectic 92 28
-Bi-Pb Gallium 90 29
-Sumber : Lalit M.Bal 2010
Tabel 2.4 Material Salt Hydrates
Material Melting Point (oC) Latent heat((kJ/kg) Group
K2HPO4-6H2O 14.0 109 II
FeBr3-6H2O 21.0 105 II
Mn(NO3)2-6H2O 25.5 148 II
FeBr3-6H2O 27.0 105 II
CaCl2-12H2O 29.8 174 I
LiNO3-2H2O 30.0 296 I
LiNO3-3H2O 30 189 I
Na2CO3-10H2O 32 267 II
Na2SO4-10H2O 32.4 241 II
KFe(SO4)2-OH 33 173 I
CaBr2-6H2O 34 138 II
LiBr2-2H20 34 124 I
Zn(NO3)2-6H2O 36.1 134 III
FeCl3-6H2O 37.0 223 I
Mn(NO3)2-4H2O 36.1 115 II
Na2HPO4-12H2O 40.0 279 II
CaSO4-7H2O 40.7 170 I
KF-2H2O 42 162 III
Mgl2-8H2O 42 133 III
Cal2-6H2O 42 162 III
K2HPO4-7H2O 45 145 II
Zn(NO3)2-4H2O 45 110 III
Mg(NO3)2-4H2O 47 142 II
Ca(NO3)2-4H2O 47 153 I
Material Melting Point (oC) Latent heat((kJ/kg) Group
Na2S2O3-5H2O 48 168 II
K2HPO4-3H2O 48 99 II
Na2SiO3-4H2O 48.5 210 II
MgSO4-7H2O 48.5 202 II
Ca(NO3)2-3H2O 51 104 I
Zn(NO3)2-2H2O 55 68 III
FeCl3-2H2O 56 90 I
Ni(NO3)2-6H2O 57 169 II
MnCl2-4H2O 58 151 II
MgCl2-4H2O 58 178 II
CH3COONa3H2O 58 265 II
Fe(NO3)2-6H2O 60.5 126
-NaAl(SO4)210H2O 61 181 I
NaOH-H2O 64.3 273 I
Na3PO4-12H2O 65 190
-LiCH3COO-2H2O 70 150 II
Al(NO3)2-9H2O 72 155 I
Ba(OH)2-8H2O 78 265 II
Mg(NO3)2-6H2O 89.9 167 II
Sumber : Lalit M.Bal, 2010
2.4.2 Solar cooker dengan Material Penyimpan Panas (Thermal Storage material)
Material penyimpan energi sekarang merupakan alternative yang paling banyak
digunakan untuk peningkatan efisiensi energi. Banyak metode penyimpanan energi
dalam beberapa bentuk yaitu mekanikal, elektronikal, dan termal. Energi termal
dapat disimpan pada cairan dan padatan.
Ada 3 jenis penyimpanan energi termal yaitu:
1. Penyimpanan panas sensible ( Sensible Heat Storage).
Pada penyimpanan panas sensible, energi termal di simpan dengan cara
telah diserap oleh cairan/padatan, dan melepaskanya ke temperatur di
sekelilingnya pada saat menyimpan dan melepas panas. Besarnya energi
panas yang dapat simpan bergantung pada panas spesifik(Specific Heat) dari medium, jumlah material penyimpan energi, dan perubahan temperature.
Panas sensible dapat dihitung dengan (Atul Sharma,2009):
Q=∫mCpdT = mCp(Δ�) (2.5)
Dimana : m = massa PCM (kg)
Cp = kalor jenis PCM (kJ/kg oC)
Δ� = Perubahan temperatur (oC)
2. Penyimpanan panas Latent (Latent Heat Storage).
Penyimpanan panas Latent adalah penyerapan dan pelepasan panas ketika
Material penyimpan energi ini berubah fasa dari padat menjadi cair maupun
cair menjadi gas kira-kira pada temperatur constant. Material yang digunakan
disebut juga dengan Phase Change Material ( PCM).
Jumlah dari panas latent yang dapat disimpan pada Phase Change Materials adalah (Atul Sharma,2009) :
Q= mCp(Δ�) + m kl + mCp(Δ�) (2.6)
Dimana : m = massa PCM (kg) Cp = kalor jenis (kJ/kg oC)
Δ� = Perubahan temperatur (oC)
kl = kalor latent (kJ/kg)
3. Penyimpanan panas Termo-Kimia.
Sistem penyimpanan panas termo-kimia bergantung pada energi yang
diserap dan dilepaskan dalam proses pembentukan dan pelepasan ikatan
molekul pada reaksi kimia. Dalam hal ini, besarnya energi panas yang dapat
disimpan bergantung pada jumlah material penyimpan energi, reaksi panas
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Untuk dapat digunakan memasak secara tidak langsung, PCM dijemur pada terik matahari (charging process). Panas yang didapat selama charging process adalah panas sensible dan panas latent. Dari panas yang diserap, itulah yang digunakan untuk memasak secara tidak langsung (discharging process). Dengan mengoptimalkan perpindahan panas dan penyimpanan panas latent, memasak secara
tidak langsung menjadi mungkin. Waktu pengujian dilakukan pada bulan
Maret-April.
3.1 Peralatan Pengujian
Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah :
1. Komputer.
Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan
dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972a.
3.1Komputer
Spesifikasi :
- Processor : Intel(R)Pentium R, dual CPU T3400, 2.16 GHz
- Memory : 1792 Mb RAM
- Windows : Xp Proffesional
Alat ini dihubungkan dengan termocouple yang dipasang pada titik-titik
yang akan diukur temperaturnya, setelah itu akan disimpan ke dalam alat
ini, setelah itu dipindahkan ke komputer untuk dapat di olah datanya.
Gambar 3.2 Agilient 34972 A
Dengan Spesifikasi :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah Saluran Termocouple 20 buah c. Tegangan 250 Volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem control
g. Fungsional antara lain pembacaan suhu Termocouple, RTD, dan Termistor, arus listrik AC
3. Hobo Microstation data logger.
Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke komputer untuk di olah datanya.
Keterangan :
1. Ambient Measurement apparatus
Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar.
2. Pyranometer
Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu
lokasi.
3. Wind Velocity Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin.
4. T and RH smart sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban udara.
Dengan Spesifikasi :
• Skala pengoperasian : 20 o C -50 o C dengan baterai alkalin
40o C -70 o C dengan baterai lithium
• Input Processor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring
• Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
• Berat : 0,36 Kg
• Memori : 512 kb Penyimpanan data nonvolatile • Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam
• Akurasi Waktu : 0 – 2 detik
4. Vessel
Vessel ini dirancang khusus untuk dapat digunakan memasak pada malam hari, terdiri dari 2 tabung sepusat, ruang antara tabung ini diisi dengan
Erythritol yang berfungsi sebagai sumber panas yang digunakan untuk
memasak beras dan air. Bahan vessel ini adalah aluminium A380. Bagian luar
Gambar 3.4 Vessel
Keterangan Gambar :
1. PCM
2. Tutup luar vessel
3. Tutup dalam vessel
4. Vessel bagian dalam 5. Vessel bagian luar
5. Solar box cooker
Cooker berbentuk box ini dirancang untuk dapat memanaskan vessel yang berisi Erythritol pada siang hari. Perancangan dan performansi dari box
ini akan menentukan panas yang dapat diserap oleh Erythritol.
Dengan Spesifikasi :
• Dimensi : Tinggi = 29,5 cm
Panjang = 1 m
Lebar = 1 m
Tebal = 0,0825 m
• Insulation : Polystrene (k=0,036 W/mK) Rockwool (k = 0,042 W/mK)
• Frame : Kayu Meranti (k = 0,19 W/mK)
• Absorber : Aluminium Plate (k= 237 W/mK)
• Penutup : Kaca (k = 1,4 W/mK)
3.2 Bahan
Adapun beberapa bahan yang digunakan untuk pengujian yaitu :
1. Air (H2O) dan Beras.
Kedua bahan ini merupakan bahan yang akan dimasak, baik dalam memasak
air maupun memasak beras. Berat masing-masing bahan ini disesuaikan
dengan takaran yang tepat.
Gambar 3.6 Air dan Beras
2. Plat Aluminium.
Bahan ini digunakan sebagai bahan dasar pembuatan vessel. Konduktivitas yang bagus dari Aluminium akan mempengaruhi perpindahan panas dari
Gambar 3.7 Plat Aluminium
Dengan Spesifikasi :
a. Panjang = 690 mm
b. Lebar = 690 mm
c. Tebal = 0,2 mm
d. Tipe Aluminium = A380
Spesifikasi Aluminium:
- Mg : 0,1 %
- Cu : 2,5 %
- Si : 10,5 %
e. Konduktivitas Termal = 237 W/m.K
3. Erythritol.
PCM yang digunakan adalah Erythritol (Gambar 3.8). Erythritol sendiri adalah bahan dasar gula diet. Di sini Erythritol berfungsi sebagai storage material. Sifat-sifat Erythritol ditunjukkan pada tabel 3.1.
Tabel 3.1 Properties of Erythritol
Melting Temperature 117 o C
Latent Heat of Fusion 339.8 kJ/kg
Specific Heat Liquid : 1.38 kJ/kgo C
Solid : 2.76 kJ/kgo C
Density 1300 kg/m3
Thermal Conductivity 0.326 W/m o C
Sumber : Atul Sharma, 2009
3.3 Experimental Setup.
Pengujian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termocouple ke agilient dan kemudian sisi termocouple lainnya dihubungkan ke panci pelat absorber, kaca, dan dinding untuk memperoleh data temperatur. Setelah itu,
flash disk dihubungkan ke agilient untuk dibaca. Setelah agilient membaca
temperatur selama waktu yang telah diatur, flash disk dicabut dan dibaca
dalam bentuk Microsoft excel pada komputer.
Gambar 3.10 Experimental setup pada saat discharging
Adapun beberapa parameter yang akan diukur ialah :
1. Temperatur udara(Tu)
Ini adalah temperatur lingkungan sekitar pengujian. Dapat diambil lebih dari
1 titik pengujian, yang kemudian akan dirata-ratakan.
2. Radiasi Solar (Gaa)
Ini menunjukkan seberapa besar radiasi solar pada 1 hari dalam 1 m2. Biasanya data di hitung setiap jam, dari jam 08:00-16:00, kemudian
dirata-ratakan sehingga didapatkan radiasi solar per hari.
3. Temperatur Absorber (Tp)
Ini adalah temperatur plat absorber. Data diambil selama charging process.
4. Waktu (t)
Parameter ini digunakan untuk mengetahui berapa lama bahan makan
dimasak, dari mentah menjadi masak.
5. Temperatur PCM ( TPCM)
3.4 Prosedur Pengujian.
Adapun prosedur pengujian yang dilakukan adalah :
1. Pada jam 08.30 solar box cooker dijemur, demikian juga dengan vessel, dimasukkan ke dalam, proses ini disebut dengan charging process.
2. Parameter-parameter yang akan diukur dihubungkan ke data logger dan komputer.
3. Charging process dilakukan pada saat matahari masih terik.
4. Ketika charging process tidak mungkin lagi dilakukan, beras dan air
dimasukkan ke dalam vessel yang berada didalam box.
5. Proses memasak secara tidak langsung dimulai, dan disebut dengan
proses discharging.
Dalam Skripsi ini dilakukan dengan melalui beberapa tahapan proses,
Tidak
Ya
Tidak
Ya
Gambar 3.11 Diagram Blok Proses Pengerjaan Skripsi Kesimpulan
Analisa hasil pengujian
Buku referensi, Jurnal dll
Studi literatur
Pengujian dan pengambilan data memasak beras secara
indirect
Perancangan Vessel dan Solar box cooker
Pembelian PCM Erythritol
Perbandingan dengan jurnal internasional
Pengujian Pelelehan Erythritol
Apakah bisa? Mulai
BAB IV
DATA DAN ANALISA DATA
Pengujian dilakukan selama bulan Maret-April di kota Medan, Indonesia
dengan posisi lintang 3,43 o LU dan 98,44 o BT dengan solar box cooker dan vessel
yang telah didesain (Gambar 3.4 dan 3.5). Perbandingan hasil pengujian akan
dilakukan dengan Jurnal Energy Conversion and management 44 (2003) oleh Buddhi
D
Pengujian untuk membuktikan pengunaan storage material telah dilakukan. Dengan mengunakan vessel tahap ke dua, storage material dipanaskan secara manual mengunakan gas, sampai meleleh sebagian. Setelah itu, vessel dimasukkan ke dalam container dan 0.5 kg(0.3kg air + 0.2 kg beras) dimasukkan ke dalam vessel, dan 1 jam kemudian nasi telah matang (Gambar 4.1). Ini membuktikan bahwa jika storage material itu meleleh, berarti dimungkinkan untuk memasak hanya dengan mengunakan storage material tersebut.
Gambar 4.1 Sesaat Sebelum dan Sesudah Pengujian
4.1 Analisa Pengujian tahap pertama
Pengujian tahap pertama ini dilakukan pada bulan Maret di Kota Medan,
Indonesia. Untuk melakukan pengujian, maka di desain vessel khusus. Gambar 4.2 menunjukkan bentuk vessel tahap pertama.
Keterangan Gambar :
1. PCM
2. Tutup luar vessel
3. Tutup dalam vessel
4. Vessel dalam 5. Vessel luar
Pada tanggal 15 Maret 2012, radiasi matahari aktual dan teoritis dari pukul
09:00 sampai pukul 16:00 ditunjukkan pada gambar 4.3.
Gambar 4.3 Radiasi Matahari Tanggal 15 Maret 2012
Rata-rata radiasi matahari pada tanggal 15 Maret 2012 adalah 618 W/m2. Pada jam 11:00 terjadi penurunan radiasi yang cukup signifkan karena mendung.
Sebanyak 4 kg Erythritol yang telah dimasukkan ke dalam vessel yang di desain khusus di uji. Pengujian di lakukan dari pukul 09:00 sampai 16:00. Waktu yang
diperlukan untuk mencapai titik leleh dari Erythritol sangat lama. Baru pada pukul
14:26 temperatur Erythritol mencapai 117oC. Gambar 4.4 memperlihatkan temperatur masing-masing titik yang diukur.
0,0
Radiasi Pengukuran tanggal 15 Maret 2012
Radiasi Pengukuran
Gambar 4.4 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 15 Maret 2012
Melalui pendekatan melalui rumus-rumus perpindahan panas dapat
diperkirakan jumlah Erythritol yang meleleh. Diasumsikan konveksi pada plat
vertikal. Di hitung pada waktu dimana Erythritol mencapai 117oC yaitu pada pukul 14:28-15:05.
Sifat-sifat di evaluasi pada temperatur 397 K; β = 1/Tr = 0.0025
T
(K)
ρ
(kg/m3)
v.106 (m2/s)
k.103 (W.mK)
α .106
(m2/s) Pr
g
(m/s2) L
(m)
397 0.878 26.08 33.5 37.79 0.69 9.81 0.1
Menghitung Erythritol yang meleleh :
• Menghitung bilangan RaL : (Ts = 404.5 K; Tr = 390.1 K)
RaL =
�� (��−��)�3
��
Dimasukkan nilai masing-masing didapatkan RaL = 605118.4 ( karena RaL
>109), maka :
• Menghitung Nusselt :
��
���� = 0.68 + 0.67��
1/4
[1 + (0.492/��)9/16]4/9
Dimasukkan nilai masing-masing didapatkan ������= 15.04, maka :
• Menghitung koefisien konveksi : (dengan dv = l = 0.1 m)
h =
��������
�
Dimasukkan nilai masing-masing didapatkan h = 4.22 W/m2 K, maka :
• Menghitung �̇ ( dengan Av = 0.106 m2)
�̇ = h A Δ� x 60 s
Dimasukan nilai masing-masing, didapatkan �̇ = 457 J, maka :
• Menghitung massa lebur
�̇ =���
Didapatkan nilai massa Erythritol yang meleleh adalah 9.55 gr
Sedikitnya massa Erythritol yang meleleh, kemungkinan untuk memasak
secara tidak langsung adalah kecil. Pengujian kedua dilakukan pada tanggal
17 Maret 2012.
Pada tanggal 17 Maret 2012, radiasi matahari aktual dan teoritis dari pukul
09:00 sampai pukul 16:00 ditunjukkan pada gambar 4.5.
Gambar 4.5 Radiasi Matahari Tanggal 17 Maret 2012
Rata-rata radiasi pada tanggal 17 Maret 2012 adalah 685 W/m2, di lakukan pengujian dari pukul 09:15 sampai pukul 15:40, dengan intensitas radiasi
yang lebih tinggi dibandingkan 15 Maret 2012, pada sekitar pukul 13:00 0,0
Radiasi Pengukuran tanggal 17 Maret 2012
Radiasi Pengukuran
Erythritol sudah mencapai titik lelehnya. Gambar 4.6 memperlihatkan
temperatur masing-masing titik yang diukur.
Gambar 4.6 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 17 Maret 2012
Melalui pendekatan melalui rumus-rumus perpindahan panas dapat diperkirakan
jumlah Erythritol yang meleleh. Diasumsikan konveksi pada plat vertikal. Di hitung
pada waktu dimana Erythritol mencapai 117oC yaitu pada pukul 13:25-14:47. Menghitung massa Erythritol yang meleleh :
Sifat-sifat udara dievaluasi pada temperatur 400 K ; β = 1/Tr = 0.0025
T
(K)
ρ
(kg/m3)
v.106 (m2/s)
k.103 (W.m K)
α .106
(m2/s) Pr
g
(m/s2) L
(m)
400 0.871 26.4 33.8 38.3 0.69 9.81 0.1
• Menghitung bilangan RaL : (Ts = 410K; Tr =389.9K)
RaL =
�� (��−��)�3 ��
Dimasukkan nilai masing-masing didapatkan RaL= 835286.5 (karena RaL
>109), maka :
• Menghitung Nusselt:
��
����= 0.68 + 0.67��
1/4
[1 + (0.492/��)9/16]4/9
Dimasukkan nilai masing-masing didapatkan ������= 16.02, maka :
• Menghitung koefisien konveksi : (dengan dv = l = 0.1 m)
h =
��������
�
Dimasukkan nilai masing-masing didapatkan h = 4.5 W/m2 K, maka :
• Menghitung �̇ : (dengan Av =0.106 m2)
�̇ = h A Δ� x 60 s
Dimasukkan nilai masing-masing, didapatkan �̇ = 631 J, maka :
• Menghitung massa lebur
�̇ =���
Didapatkan nilai massa Erythritol yang melebur adalah 86.55 gr
Dengan lamanya pencapaian titik leleh dari Erythritol, maka dilakukanlah
improvisasi yaitu pada desain vessel dan dilakukan pengurangan quantity
Erythritolnya. Dan dilakukanlah pengujian tahap ke dua.
4.2 Analisa Pengujian tahap kedua
Pengujian tahap kedua dilakukan setelah vessel di improvisasi dan quantity
dari PCM di kurangi (dari 4 kg menjadi 3kg). Pengujian dilakukan pada bulan Maret-April di Kota Medan, Indonesia. Gambar 4.5 menunjukkan desain vessel tahap dua.
Perhitungan dimensi vessel :
- Massa PCM = 3 kg
- Volume beras dan air = 1.5 Liter
- Tinggi vessel = 12 cm - ρ pcm = 1300 kg/m3
• Jari-jari vessel bagian dalam : V = π r2 t
1.5 = 3.14 (r2) 1.2 r = 0.65 dm = 6.5 cm
• Jari-jari vessel bagian luar:
V = m / ρ Vtot = π r2 t
Gambar 4.7 Vessel Tahap kedua Keterangan Gambar :
1. PCM
2. Tutup luar vessel
3. Tutup dalam vessel
4. Vessel bagian dalam 5. Vessel bagian luar
Pada tanggal 28 Maret 2012, radiasi matahari aktual dan teoritis dari pukul
08:30 sampai pukul 15:00 ditunjukkan pada gambar 4.7.
Gambar 4.7 Radiasi Matahari Tanggal 28 Maret 2012
Rata-rata radiasi matahari pada tanggal 28 Maret 2012 adalah 564 W/m2. Pengujian ini masih dilakukan untuk mengetahui performansi dari vessel yang baru.
Storage material dimasukkan ke solar box cooker sekitar pukul 08.30 sampai 15.00. Gambar 4.8 memperlihatkan temperatur masing-masing titik yang diukur.
0,0
Radiasi Pengukuran tanggal 28 Maret 2012
Radiasi pengukuran
Gambar 4.8 Grafik time vs temperatur pengujian tanggal 28 Maret 2012 Pada tanggal 2 April 2012, radiasi matahari aktual dan teoritis dari pukul
08:30 sampai pukul 16:30 ditunjukkan pada gambar 4.9.
Gambar 4.9 Radiasi Matahari Tanggal 2 April 2012
Rata-rata radiasi matahari pada tanggal 28 Maret 2012 adalah 479.7 W/m2.
Vessel dimasukkan ke solar box cooker sekitar pukul 08.30-16.30. Pada jam 12:31 terjadi penurunan radiasi yang signifikan, diakibatkan oleh cuaca yang mendung.
Sehingga tidak memungkinkan untuk memasak secara langsung. Pada jam 13:00,
makanan (beras 200gr + air 250 gr) dimasukkan ke dalam vessel. Dengan bantuan -200,0
Radiasi Pengukuran tanggal 2 April 2012
Radiasi Pengukuran
Poly. (Radiasi Pengukuran)
energi panas yang telah diserap selama charging proses, pada jam 14:00 nasi telah
matang.
Gambar 4.10 Grafik Time vs Temperatur Pengujian Tanggal 02 April 2012
Pada tanggal 23 April 2012, radiasi matahari aktual dan teoritis dari pukul
08:30 sampai pukul 16:25 ditunjukkan pada gambar 4.11.
Gambar 4.11 Radiasi Matahari Tanggal 23 April 2012 0
Radiasi Pengukuran tanggal 28 April 2012
Radiasi Pengukuran
Poly. (Radiasi Pengukuran)
Rata-rata radiasi matahari pada tanggal 23 April 2012 adalah 522 W/m2. Dilakukan pengujian, dimulai dari jam 08:30-16:25. Makanan (0.2kg beras dan 0.3kg
air) dimasukkan ke dalam vessel yang berada didalam box pada pukul 14:51. Pada jam 16:25 nasi telah masak. Temperatur masing-masing titik yang diukur
diperlihatkan pada gambar 4.12.
Gambar 4.12 Grafik Time vs Temperatur Pengujian 23 April 2012
Perhitungan efisiensi yang didapat selama charging process (jam 08:30- 16:25), efisiensi kaca diasumsikan 90%, maka:
Q PCM = m c Δ�
= 3 (2.76)(104- 27)
= 637.56 kJ
= 0.63 MJ
Qrad = ∑ ( I AkΔ� 90 % )
= 7 MJ
Dimana : I = Radiasi matahari(W/m2) Ak = Luas kolektor (m2)
Δ� = Selang waktu perhitungan (sec)
