Pengujian Kompor Surya Tipe Kotak Dilengkapi Absorber Miring

PENGUJIAN KOMPOR SURYA TIPE KOTAK

DILENGKAPI

ABSORBER

_MIRING

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HERU MANIMBUL HUTASOIT

NIM. 090401043

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

PENGUJIAN KOMPOR SURYA TIPE KOTAK

DILENGKAPI

ABSORBER

_MIRING

HERU MANIMBUL HUTASOIT

NIM. 09 0401 043

Diketahui / Disahkan : Disetujui Oleh :

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tekad Sitepu

PENGUJIAN KOMPOR SURYA TIPE KOTAK

DILENGKAPI

ABSORBER

_MIRING

HERU MANIMBUL HUTASOIT

NIM. 090401043

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 695 pada Tanggal 25 Juli 2014

Pembimbing,

PENGUJIAN KOMPOR SURYA TIPE KOTAK

DILENGKAPI

ABSORBER

_MIRING

HERU MANIMBUL HUTASOIT

NIM. 090401043

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 695 pada Tanggal 25 Juli 2014

Pembanding I, Pembanding II,

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJA

NA MAHASISWA

NO : 2133/TS/2013 Sub. Program Studi : Konversi Energi

Bidang Studi : Perpindahan Panas

Judul Tugas : Pengujian Kompor Surya Tipe Kotak Dilengkapi Absorber Miring.

Diberikan Tgl. : 18 Februari 2014 Selesai Tgl.: 18 Agustus 2014 Dosen Pembimbing : Ir. Tekad Sitepu Nama Mhs : Heru Manimbul H.

N.I.M : 090401043

No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen Pemb. 1. 18 Februari 2014 Spesifikasi tugas skripsi

2. 27 Februari 2014 ACC proposal

3. 3 Maret 2014 Asistensi Bab I

4. 15 Maret 2014 Asistensi Bab II

5. 12 Mei 2014 Asistensi Bab III

6. 7 Juni 2014 Pembuatan Alat

7. 14 Juni 2014 Pengujian

8. 21 Juni 2014 Asistensi Bab IV

9. 10 Juli 2014 Asistensi Bab V

10. 17 Juli 2014 Asistensi keseluruhan

11. 19 Juli 2014 ACC seminar

12.

CATATAN : Diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing setiap Asistensi. F.T. U.S.U

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.

3. Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen,

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2133/TS/2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : 17 / 02 /2013 MEDAN PARAF :

TUGAS SARJANA

NAMA : HERU MANIMBUL HUTASOIT

N I M : 090401043

MATA PELAJARAN : PERPINDAHAN PANAS

SPESIFIKASI : Lakukanlah pengujian sebuah kompor surya tipe kotak yang dilengkapi absorber miring sebagai kolektor dan penyuplai panas pada kompor surya tersebut secara konveksi natural dengan luas absorber rata dan miring adalah 0,59 m x 0,59 m dan 0,9 m x 0,59 m. Ujilah kompor tersebut dengan memanaskan air (H2O) secara

langsung pada kondisi cerah. Lakukanlah pengukuran temperatur maksimum yang dicapai air, efisiensi kompor tersebut dan intensitas radiasi matahari selama pengujian berlangsung.

DIBERIKAN TANGGAL : 18 Februari 2014 SELESAI TANGGAL : 18 Agustus 2014

MEDAN, 18 Februari 2014 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tekad Sitepu

PENGUJIAN KOMPOR SURYA TIPE KOTAK

DILENGKAPI

ABSORBER

_MIRING

HERU MANIMBUL HUTASOIT

NIM. 090401043

Telah disetujui oleh:

Pembimbing,

Ir.Tekad Sitepu NIP. 195212221978031002

Penguji I, Penguji II,

Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT Tulus B Sitorus, ST., MT NIP. 197206102000121001 NIP. 197209232000121003

Diketahui oleh :

Departemen Teknik Mesin Ketua,

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “PENGUJIAN KOMPOR SURYA TIPE KOTAK DILENGKAPI ABSORBER MIRING” dengan baik. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak berupa dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil, moril, maupun spirital. Untuk itu pada kesempatan ini, Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua penulis M.Hutasoit dan R.Sihotang yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

2. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh

kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

3. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita,ST.MT. dan Bapak Tulus B.Sitorus, ST.MT sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun.

4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

6. Bapak Mahadi, ST selaku dosen wali.

8. Rekan satu team skripsi yaitu Zulvia C.Ginting.

9. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara terkhusus stambuk 2009 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

Dengan sepenuh hati, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata,penulis mengucapkan terima kasih atas perhatiannya.

Medan, 18 Februari 2014 Penulis,

ABSTRAK

Penelitian dilakukan melalui percobaan memanaskan air dengan kompor surya tipe kotak yang dilengkapi absorber dan miring yang memiliki luas kolektor 0,59 m x 0,59 m dan 0,9 m x 0,59 m. Penelitian dilakukan pada kondisi cuaca cerah. Pada kompor surya diharapkan absorber miring dapat mensuplai panas dengan prinsip konveksi alamiah. Percobaan dilakukan dengan memanaskan air sebanyak 1, 2 dan 3 liter mencapai suhu 87,83oC, 77,97oC, dan 88,74 oC dengan efisiensi 4,357 %, 6,091 % dan 10,419 %. Perbedaan temperatur tersebut dipengaruhi oleh besarnya intensitas radiasi selama pengujian dengan besar intersitas radiasi pengukuran rata-rata 595,9 W/m2, 478,5 W/m2 , dan 619,26 W/m2. Efisiensi meningkat seiring meningkatnya kapasitas air yang diuji serta laju penyerapan energi oleh air. Semakin banyak energi yang diserap oleh air maka efisiensi akan meningkat pula. Energi panas yang diterima air selama pengujian 1 liter, 2 liter dan 3 liter adalah 0,2397 MJ, 0,423 MJ ,dan 0,735 MJ dengan energi radiasi yang diserap oleh absorber sebesar 5,5 MJ, 6,94 MJ dan 7,05 MJ.

ABSTRACT

The study was conducted through an experiment heating water with solar cookers box type absorber equipped and oblique that has collector area of 0.59 mx 0.59 mx 0.59 m and 0.9 m. The study was conducted in fine weather conditions. In the solar cooker can be tilted absorber is expected to supply heat to the principle of natural convection. Experiments carried out by heating the water as much as 1, 2 and 3 liters of reach temperatures 87,83oC, 77,97oC, and 88.74 ° C with efficiency 4.357%, 6.091% and 10.419%. The difference in temperature is influenced by the magnitude of the intensity of radiation during the tests with large intersitas average radiation measurements 595.9 W / m 2, 478.5 W / m 2, and 619.26 W / m 2. Efficiency increases with increasing the capacity of the water tested as well as the rate of energy absorption by water. The more energy that is absorbed by water, the efficiency will increase as well. Heat energy received 1 liter of water during the test, 2 liters and 3 liters is 0.2397 MJ, MJ 0.423, and 0.735 MJ of radiation energy absorbed by the absorber at 5.5 MJ, 6.94 MJ and 7.05 MJ

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

KATA PENGANTAR ... ii

ABSTRAK ... iv

ABSTRACT ... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR GRAFIK... ix

DAFTAR SIMBOL... x

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Tujuan Penelitian ... 2

1.3Batasan Masalah ... 2

1.4Manfaat Penelitian ... 2

1.5Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1Perpindahan Panas ... 5

2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 5

2.1.2 Teori Dasar Konveksi ... 5

2.1.3 Perhitungan Panas Radiasi... 6

2.2Radiasi Surya ... 6

2.2.1 Teori Dasar Radiasi Surya ... 7

2.2.2 Posisi Matahari ... 9

2.3 Konveksi Paksa... 11

2.4 Konveksi Alamiah ... 12

2.4.1 Konveksi Alamiah pada Plat luar ... 12

2.4.2 Konveksi Alamiah pada Ruang Tertutup ... 13

2.5 Efisiensi Termal ... 17

2.7 Kompor Surya ... 21

2.7.1 Sejarah Kompor Surya... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 23

3.1 Objek Penelitian ... 23

3.2 Parameter Penelitian ... 23

3.3 Waktu dan Tempat ... 23

3.4 Peralatan Pengujian ... 23

3.5 Bahan Pengujian ... 27

3.6 Experimental Setup... 29

3.7 Prosedur Pengujian ... 31

BAB IV DATA DAN ANALISA DATA ... 32

4.1 Design Kompor Surya ... 33

4.2 Rancangan Perhitungan Kehilangan Panas Kompor Surya ... 47

4.3 Hasil Pengujian ... 47

4.3.1 Hasil Pengujian 11 Juni 2014 ... 48

4.3.2 Hasil Pengujian 12 Juni 2014 ... 50

4.3.3 Hasil Pengujian 13 Juni 2014 ... 51

4.4 Analisa Data Hasil Pengujian ... 51

4.4.1 Analisa Data Hasil Pengujian 11 Juni 2014 ... 55

4.4.2 Analisa Data Hasil Pengujian 12 Juni 2014 ... 59

4.4.3 Analisa Data Hasil Pengujian 13 Juni 2014 ... 62

4.5 Efisiensi ... 62

4.5.1 Efisiensi Pengujian 11 Juni 2014 ... 62

4.5.2 Efisiensi Pengujian 12 Juni 2014 ... 63

4.5.3 Efisiensi Pengujian 13 Juni 2014 ... 64

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 64

5.1 Kesimpulan ... 64

5.2 Saran ... 64

DAFTAR PUSTAKA ... 65

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari

pengukuran I_b ... 8

Gambar 2.2 Radiasi sinar matahari ... 9

Gambar 2.3 Deklinasi matahari ... 10

Gambar 2.4 Posisi sudut matahari ... 11

Gambar 2.5 Ruang tertutup yang tinggi dan rendah ... 13

Gambar 2.6 Ruang tertutup ... 14

Gambar 2.7 konveksi alamiah pada ruang tertutup yang miring ... 16

Gambar 2.8 Solar Water Heater[ ... 19

Gambar 2.9 Kompor surya panel ... 19

Gambar 2.10 Solar Driers ... 20

Gambar 3.1 Komputer ... 23

Gambar 3.2 Agilient 3 a 972 A... 24

Gambar3.3 Hobo Microstation data logger ... 25

Gambar 3.4 Kompor Surya ... 26

Gambar 3.5 Kayu ... 28

Gambar 3.6 Rockwool ... 28

Gambar 3.7 Kaca ... 29

Gambar 3.8 Sterofoam ... 29

Gambar 3.9 Pelat Aluminium ... 29

Gambar 3.10 Experiment Setup ... 30

Gambar 3.11 Diagram Alir ... 32

Gambar 4.1 Design Kompor Surya ... 33

Gambar 4.2 Body 1 Kompor Surya ... 34

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Temperatur terhadap waktu pada pengujian I. ... 36

Grafik 2.2 Intensitas Rad.Matahari terhadap waktu pada pengujian I ... 37

Grafik 4.3 Temperatur terhadap waktu pada pengujian II ... 38

Grafik 4.4 Intensitas Rad.Matahari terhadap waktu pada pengujian II ... 38

Grafik 4.5 Temperatur terhadap waktu pada pengujian III ... 39

Grafik 4.6 Intensitas Rad.Matahari terhadap waktu pada pengujian III ... 40

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

A Luas penampang m2

�� Panas jenis kJ/kg. K

ℎ Koefisien perpindahan panas konveksi W/m2. K

Konduktivitas termal bahan W/m. K

L Panjang plat m

t Tebal isolasi m

� Bilangan Nusselt -

� Bilangan Prandtl -

�� Bilangan Reynold kJ

�∞ Temperatur lingkungan luar ℃

� Temperatur permukaan ℃

Viskositas kinematik m2/s

I Intensitas radiasi W/m2

�� Bilangan Rayleigh -

q Laju perpindahan panas W

Q Energi panas MJ

m Massa zat kg

g Grafitasi m/s2

Huruf Yunani

Simbol Arti Satuan

∆� Perbedaan Temperatur awal dan akhir oC

� Massa Jenis kg/m3

� Effisiensi -

� Koefisien udara 1/K

σ Konstanta Stefan Boltzomann(5,67 x 10-8) �/ 2�4

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sudut kritis ruang tertutup miring ... 17

Tabel 4.1 Perhitungan Radiasi pada Permukaan Miring hari I... 43

Tabel 4.2 Perhitungan Radiasi pada Permukaan Miring hari II ... 46

ABSTRAK

Penelitian dilakukan melalui percobaan memanaskan air dengan kompor surya tipe kotak yang dilengkapi absorber dan miring yang memiliki luas kolektor 0,59 m x 0,59 m dan 0,9 m x 0,59 m. Penelitian dilakukan pada kondisi cuaca cerah. Pada kompor surya diharapkan absorber miring dapat mensuplai panas dengan prinsip konveksi alamiah. Percobaan dilakukan dengan memanaskan air sebanyak 1, 2 dan 3 liter mencapai suhu 87,83oC, 77,97oC, dan 88,74 oC dengan efisiensi 4,357 %, 6,091 % dan 10,419 %. Perbedaan temperatur tersebut dipengaruhi oleh besarnya intensitas radiasi selama pengujian dengan besar intersitas radiasi pengukuran rata-rata 595,9 W/m2, 478,5 W/m2 , dan 619,26 W/m2. Efisiensi meningkat seiring meningkatnya kapasitas air yang diuji serta laju penyerapan energi oleh air. Semakin banyak energi yang diserap oleh air maka efisiensi akan meningkat pula. Energi panas yang diterima air selama pengujian 1 liter, 2 liter dan 3 liter adalah 0,2397 MJ, 0,423 MJ ,dan 0,735 MJ dengan energi radiasi yang diserap oleh absorber sebesar 5,5 MJ, 6,94 MJ dan 7,05 MJ.

ABSTRACT

The study was conducted through an experiment heating water with solar cookers box type absorber equipped and oblique that has collector area of 0.59 mx 0.59 mx 0.59 m and 0.9 m. The study was conducted in fine weather conditions. In the solar cooker can be tilted absorber is expected to supply heat to the principle of natural convection. Experiments carried out by heating the water as much as 1, 2 and 3 liters of reach temperatures 87,83oC, 77,97oC, and 88.74 ° C with efficiency 4.357%, 6.091% and 10.419%. The difference in temperature is influenced by the magnitude of the intensity of radiation during the tests with large intersitas average radiation measurements 595.9 W / m 2, 478.5 W / m 2, and 619.26 W / m 2. Efficiency increases with increasing the capacity of the water tested as well as the rate of energy absorption by water. The more energy that is absorbed by water, the efficiency will increase as well. Heat energy received 1 liter of water during the test, 2 liters and 3 liters is 0.2397 MJ, MJ 0.423, and 0.735 MJ of radiation energy absorbed by the absorber at 5.5 MJ, 6.94 MJ and 7.05 MJ

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Semakin langkanya bahan bakar fossil menimbulkan berbagai masalah dalam kehidupan sehari-hari. Kelangkaan itu diakibatkan semakin tingginya ketergantungan kita akan penggunaan bahan bakar fossil sementara cadangan yang tersedia dibumi ini semakin menipis dan tidak menutup kemungkinan suatu saat akan habis. Penggunaan bahan bakar fossil diketahui menimbulkan masalah perubahan kondisi bumi yang tidak lagi kondusif seperti suhu udara yang tidak lagi menentu akibat gas efek rumah kaca yang dihasilkan penggunaan bahan bakar fossil. Kelangkaan bahan bakar fossil mengakibatkan pasokan menjadi terbatas sehingga peningkatan harga tidak bisa dibendung. Kenaikan harga bahan bakar fossil menimbulkan efek domino yakni barang kebutuhan pokok dan yang

lainnya ikut naik.

Dewasa ini banyak solusi alternatif yang ditawarkan untuk mengurangi

dampak permasalahan ini. Salah satu solusinya yakni menggantikan penggunaan energi yang tidak dapat diperbaharui dengan energi terbarukan serta ramah lingkungan. Energi terbarukan ini berupa energi yang tersedia di alam secara gratis dan tidak akan habis bila digunakan seperti energi angin, energi gelombang pasang-surut air laut, energi potensial air terjun, energi matahari dan energi lainnya.

Panas matahari merupakan suatu energi yang potensial untuk di kelola dan dikembangkan lebih lanjut sebagai sumber cadangan energi terutama bagi negara– negara yang terletak di daerah garis khatulistiwa termasuk di Indonesia, di mana matahari dapat bersinar sepanjang tahun.

Energi panas matahari sangat potensial untuk dimanfaatkan karena Indonesia terletak di garis khatulistiwa. Energi matahari mempunyai keuntungan yaitu kita tidak perlu membayar untuk memperolehnya, tetapi mempunyai kelemahan karena tidak konstan intensitasnya.

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 diatas, maka diperlukan suatu inovasi teknologi yang menggunakan tenaga yang dapat diperbaharui (renewable energy) seperti penggunanan energi matahari untuk keperluan memasak atau yang lebih dikenal dengan kompor surya. Potensi energi matahari di Indonesia khususnya kota medan sangatlah besar. Oleh karena itu ,Penulis tertarik untuk merancang kompor surya sehingga dapat menghemat penggunaan bahan bakar fosil dimasa mendatang.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian adalah sebagai berikut :

1. Untuk mengetahui apakah rancangan kompor surya tipe kotak dilengkapi absorber miring dapat digunakan memasak air secara langsung.

2. Menghitung efisiensi kompor surya.

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah

1. Pengujian kompor surya yang digunakan adalah tipe kotak yang dilengkapi dengan absorber miring dimana udara sebagai fluida kerjanya.

2. Proses perpindahan panas dari absorber miring dengan cara konveksi natural.

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitian adalah sebagai berikut :

1. Memberikan solusi alternatif peralatan rumah tangga untuk memasak tanpa bahan bakar, aman dan ramah lingkungan.

2. Menghemat pemakaian bahan bakar fosil dan energi listrik.

3. Mengurangi pemanasan global dengan upaya penggunaan energi yang ramah lingkungan.

4. Memberikan sumbangan aplikasi teknologi energi yang terbarukan dengan energi surya di Indonesia.

5. Memberikan alternatif peluang bisnis dimasa depan.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah : BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : Latar belakang, batasan masalah, tujuan penelitian, 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 dan menganalisis permasalahan

yang berkaitan dengan perpindahan panas, pemanfaatan energi surya dan jenis kompor surya.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi metode perancangan serta langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur dan perlengkapan pengujian meliputi waktu dan tempat penelitian, peralatan pengujian, bahan pengujian, experimental set up, dan prosedur pengujian.

BAB IV DATA DAN ANALISIS DATA

pada kaca kemudian analisis dari data hasil pengujian. Hasil analisis data akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Panas

2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi

Konduksi adalah transfer energi dari partikel yang memiliki energi lebih besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi interaksi antara partikel.[6]

Rumus Umum :

q

c

= -k

. A .

�

... (2.1)

Dimana :

q

c = Laju perpindahan panas (W)

A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2)

dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K)

k = Konduktivitas termal bahan (W/m.K)

2.1.2 Teori Dasar Konveksi

Konveksi adalah bentuk dari transfer energi diantara permukaan padat dan fluida yang bergerak serta terkandung efek kombinasi konduksi dan fluida bergerak.[6]

Rumus Umum :

q

h = h.A.∆� ... (2.2)

Dimana :

q

h = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 K) A = Luas penampang (m2)

2.1.3 Perhitungan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa

melalui media perantara (padat dan fluida).

Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut [6]:

qrad= A ( Ts4-Tsur4 ) ... (2.3)

dimana :

qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)

= emisivitas bahan A = luas permukaan (m2)

= kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4) Ts = suhu permukaan (K)

Tsur = suhu lingkungan (K)

Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus [3] :

Q = I A Δt ∈ ... (2.4)

Dimana: Qrad = Energi Radiasi (J)

I = Intensitas radiasi (W/m2) A = Luas penampang kolektor(m2)

Δt = Selang waktu perhitungan (s)

∈ = Efisiensi Kaca (%)

2.2 Radiasi Surya

sistem dan kolektor yang permukaannya luas untuk mengumpulkan dan mengkonsentrasikan energi matahari ini.

Matahari adalah sebuah bulatan gas panas yang memiliki diameter 1,39 x 109 m dan berjarak sekitar 1,5 x 1011 m dari bumi. Matahari dianggap sebagai sebuah benda hitam yang memiliki suhu 5762 K. Suhu di pusat adalah 8 x 106 sampai 40 x 106 K dan memiliki densitas 100 kali dari air. Matahari terjadi karena reaksi fusi yang kontinu antara hidrogen dan helium.[2]

2.2.1 Teori Radiasi Surya

Radiasi Pada Bidang Miring

Pada dasarnya data radiasi surya pada bidang miring jarang diperoleh. Karakteristik daripermukaan disekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya sehingga standarisasipengukurannya sulit dibuat.

Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Radiasi total padapermukaan miring adalah jumlah dari radiasi komponen sorotan (IbT),

komponen sebaran (IdT), dankomponen pantulan (IrT).

IT = IbT + IdT + IrT[MJ/m2] ………..………(2.5)

Radiasi Langsung/Sorotan

Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada sudut masuk normal Ibn

adalah,

Ibn = Ib

cosθ_z[MJ/m

2

] ………(2.6)

θz = sudut zenith

Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidanghorisontal, intensitas dari komponen sorotan adalah,

I_bn = I_bT

cosθT =

cosθr

cosθz

[MJ/m2] ………..……….(2.7)

θr disebut sudut masuk dan didefinisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada

β

IbT

Ibn

Ibn

θz θT Ib

Gambar 2.1 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuranI_b

Radiasi Sebaran

Radiasi sebaran, yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yangdipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer, karena itu berasal dari

seluruh bagian hemisfer.

Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran pada

permukaan miringdinyatakan dengan,

I_dT = I_d 1,0+cos

2 [MJ/m

2

] ………..(2.8)

Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan

besarnya radiasisebaran perjam pada suatu permukaan horisontal. Radiasi Pantulan

Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkanradiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan dimana

jumlah radiasi yang dipantulkantergantung dari refleksi α dari permukaan yang

berdekatan itu, dan kemiringan permukaanyang menerima. Radiasi yang dipantulkan perjam, juga disebut radiasi pantulan, yang dijabarkandalam persamaan.

IrT = Ib+ Id

1−cos

2 [MJ/m

2

] ………(2.9)

Dimana reflektansi α dianggap 0,21-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7

Gambar 2.2 Radiasi sinar matahari.[5]

2.2.2 Posisi Matahari

Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan

miring dari data 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, Φ, adalah sudut lokasi bidang di permukaan bumi terhadap ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positip. Nilai untuk sudut lintang ini : - 90 ≤Φ≤ 90.

- Sudut kemiringan, β, adalah sudut antara permukaan bidang yang

dimaksud terhadap horisontal ; 0 ≤ β≤ 180°.

- Sudut deklinasi matahari, , merupakan sudut kemiringan bumi terhadap

matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23,45°≤

≤23,45°.

Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :

...( 2.10)

dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.

   



 



365 284 360 sin 45 ,

23 n

N

S

δ

BUMI

MATAHARI

Gambar 2.3 Deklinasi matahari

- Sudut jam matahari, ω, adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur/barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar

pergeseran sudut tersebut 15° tiap jam .

- Sudut ketinggian matahari, α, adalah sudut antara radiasi langsung dari

matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan : [5]

... (2.11)

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

garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan :

... (2.12) - Sudut azimut (θA)

z z

A _{ }

   

sin cos

cos sin sin

cos   ...(2.13)

    

 cos cos cos sin sin

sin  

   



 sin sin cos cos cos

Gambar 2.4 Posisi sudut matahari[5]

2.3 Konveksi Paksa

Konveksi adalah perpindahan panas yang diakibatkan oleh aliran molekul fluida, sebagai medium perpindahan panas. Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang dipaksa mengalir.[1]

Dalam menentukan koefisien konveksi, ada bilangan tanpa dimensi yang digunakan untuk mensederhanakan parameter yakni bilangan Nusselt (Nu) dan

Bilangan Reynold,(Re) yakni :

Nu = ℎ ... (2.14)

ReL = �

. .

� ... (2.15) Perhitungan bilangan Nu rata-rata untuk permukaan plat datar dimana fluida mengalir sejajar permukaan plat, yaitu

1.Untuk aliran laminar Re < 5x 105

Nu = 0,644 ReL0,5Pr1/3 ... (2.16)

2.Untuk aliran turbulen, 5x 105 < Re < 107

Nu = 0,037 ReL0,8Pr1/3 ... (2.17) P

Z

N

S W

E

A

Z

Sudut

Zenith

2.4 Konveksi Alamiah

Jika aliran fluida terjadi secara alami, sebagai akibat perpindahan panas

yang terjadi. Konveksi ini disebut konveksi alamiah 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 [1]) :

RaL = �

2_{�� � −�} 3

�2 Pr ... (2.18)

Dimana : RaL = Rayleigh Number

g = gravitasi bumi. Ts = suhu permukaan Tr = suhu ruangan L = panjang

μ = viskositas dinamik (ρv ) Pr = Bilangan Prandl

2.4.1 Konveksi Alamiah Pada Plat Luar

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 temperatur permukaan, Ts konstan dapat dirumuskan sebagai berikut :

Jika bilangan 10-1 < Ra < 1012 , maka bilangan Nusselt yang dipakai adalah [1] :

�

= 0.825+ 0.387��

1/6

[1+(0.492/� )9/16_]8/27 ... (2.19)

Jika bilangan Ra < 109, maka bilangan Nusselt yang dipakai adalah (Persamaan

ini lebih akurat) .[1]:

�

= = 0.68 + 0.67��

1/4

Dimana : Pr = bilangan Prandtl

2.4.2 Konveksi Alamiah Pada Ruang Tertutup

H

Gambar 2.5 Ruang tertutup yang tinggi dan rendah

Untuk ruang tertutup seperti pada gambar 2.5 dengan aspek rasio L/H > 1, rekomendasi Berkovsky dan Polekov (1997) dapat digunakan. Ruang dengan ketinggian 1 < L/H < 2, dan syarat tambahan RaH Pr/0,2 + Pr>103 berlaku [1] :

McGregor dan Emery (1969) merekomendasikan dua persamaan berikut untuk ruang tertutup dengan rasio ketinggian yang lebih besar lagi. [1]

� = 0,42�� 0,25 −0,3 ... (2.23)

Syarat untuk persamaan ini adalah : 10 40, 1 � 2 × 104, dan

104 �� 107 kemudian untuk rasio yang lebih tinggi lagi,

� = 0,046�� 1/3 ... (2.24)

Syarat untuk persamaan ini adalah : 1 40, 1 � 20, dan 106

Disini perlu diperhatikan bahwa bilangan Nu dan Ra semua dinyatakan dengan lebar ruang, yaitu H dan tinggi L.

Untuk ruang tertutup dengan rasio ketinggian kurang dari 1, atau ruang pendek seperti yang ditampilkan pada gambar 2.5, rekomendasi yang diajukan oleh Bejan dan Tien (1978) dapat digunakan [1]:

� = 1 + 1 dalam ruang akan sangat bervariasi dan sangat tergantung pada bilangan Rayleigh nya. Pola aliran yang terjadi tetap memutar, tetapi ada kemungkinan sumbu putaran lebih dari satu. Fenomena putaran di ruang tertutup yang lebih dari satu ini biasanya dikenal dengan istilah ruang Benard atau Benard cell. Nama ini disesuaikan dengan nama orang pertama yang mengamati dan melaporkannya tahun 1900. [1]

Gambar 2.6 Ruang tertutup

Jika fluida yang ada di ruangan tertutup ini adalah udara, maka persamaan yang diajukan oleh Jakob (1949) dapat digunakan [1]:

Rumus Umum :

Ra = Bilangan Rayleigh

Meskipun persamaan ini dikhususkan untuk udara tetapi masih dapat

digunakan untuk gas yang lain selama bilangan Prandtl memenuhi 0,5Pr2.

Sementara untuk jangkauan fluida selain gas Globe dan Dropkin (1959) mengajukan persamaan berikut [1]:

Rumus Umum :

Nu = Bilangan Nusselt Ra = Bilangan Rayleigh Pr = Bilangan Prandalt

Syarat bilangan Rayleigh agar persamaan ini berlaku adalah

9

persamaan berikut untuk digunakan pada kasus ini [1]:

L H

g

Tc

fluida Kaca (ding in)

Abso rber

(Pana s)

TH

θ

Gambar 2.7 konveksi alamiah pada ruang tertutup yang miring

Pada gambar 2.7 ditampilkan sebuah solar kolektor plat datar yang dapat dimodelkan sebagai ruang tertutup persegi yang miring. Sebenarnya pada kolektor

ini terdapat dua buah kaca, tetapi pada model ini hanya ditampilkan satu lapis. Asumsi dilakukan disini adalah perpindahan panas yang terjadi adalah dua

dimensi dan dinding samping dari kolektor diisolasi dengan baik.

Pada kasus ini tidak banyak penelitian yang telah dilakukan. Tetapi rekomendasi yang diajukan oleh Holland, dkk (1976) dapat digunakan. [1]

� = 1 + 1,44 1−_{�� � �}1708

+

1−1708_{�� � �} � 1,8� 1,6 +

�� � � 1/3

18 −1

+

... (2.30)

Syarat persamaan ini adalah rasio lebar tehadap ketinggian cukup besar H/L 12, �� < 105, dan sudut kemiringan kurang dari 70o, ( 0< θ < 70o)

Sementara untuk ruang persegi yang miring dengan rasio lebar terhadap ketinggian H/L < 12, Catton (1978) mengusulkan menggunakan persamaan berikut :

Nu = Nu_θ=0

Nu_θ=90

Nu_θ=0

θ/θ_cr

Syarat menggunakan persamaan ini adalah sudut kemiringan harus lebih

kecil dari sudut kritis 0 < θ < θ_cr. Nu untuk sudut 0o dapat digunakan persamaan yang diajukan Holland,dkk(1976. Tetapi disini perlu kehati-hatian menggunakan parameter L dan H, jangan sampai tertukar. Sudut kemiringan kritis berbeda untuk masing-masing rasio untuk beberapa rasio ditampilkan pada tabel 2.1. [1]

Tabel 2.1. Sudut kritis ruang tertutup miring.

Rasio H/L Sudut Kritis, θ_cr

1 25o

3 53o

6 60o

12 67o

>12 70o

Jika Sudut kemiringan melebihi sudut kritis, maka rekomendasi oleh Ayyaswamy dan Catton (1973) dapat digunakan. [1]

Nu = Nu_θ=90 sinθ_cr 0,25 ... (2.32)

Persamaan ini berlaku untuk θ_cr <� < 90o dan semua H/L. Sementara jika

kemiringannya melebihi dari 90o, Arnold, dkk(1974) dapat digunakan. [1]

Nu = 1 + Nu_θ=90 −1 × � � ... (2.33)

Berlaku untuk sudut 90o< θ < 180o dan semua H/L.[1]

2.5 Efisiensi Termal

Dalam termodinamika, efisiensi termal adalah ukuran tanpa dimensi yang menunjukkan performa peralatan termal seperti mesin pembakaran dalam dan sebagainya. Panas yang masuk adalah energi yang didapatkan dari sumber energi. Output yang diinginkan dapat berupa panas atau kerja, atau mungkin keduanya. Jadi, termal efisiensi dapat dirumuskan dengan :[20]

... (2.34) Berdasarkan hukum pertama termodinamika, output tidak bisa melebihi input, sehingga

Dalam era ini, penggunaan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui 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. Pada dasarnya terdapat 2 macam pemanfaatan energi surya yaitu :

1. Pemanfaatan Fotovoltaic

Fotovoltaik (PV) adalah sektor teknologi dan penelitian yang berhubungan dengan aplikasi panel surya untuk energi dengan mengubah sinar matahari menjadi listrik. Karena permintaan yang terus meningkat terhadap sumber energi bersih, pembuatan panel surya dan kumpulan fotovoltaik telah meluas secara dramatis dalam beberapa tahun belakangan ini. Produksi fotovoltaik telah berlipat setiap dua tahun, meningkat rata-rata 48 persen tiap tahun sejak 2002, menjadikannya teknologi energi dengan pertumbuhan tercepat di dunia. Pada akhir 2007, menurut data awal, produksi global mencapai 12.400 megawatt. Secara kasar, 90% dari kapasitas generator ini meliputi sistem listrik terikat. Pemasangan seperti ini dilakukan di atas tanah (dan kadang-kadang digabungkan dengan pertanian dan penggarapan) atau dibangun di atap

atau dinding bangunan, dikenal sebagai Building Integrated Photovoltaic atau BIPV.[9]

2. Pemanfaatan Termal

Terdapat 9 pemanfaatan termal terbesar yang sudah dilakukan dan diterapkan di beberapa negara yaitu:

 Solar Water Heater (Pemanas air dengan Energi Surya)

Gambar 2.8 Solar Water Heater[11] Keterangan Gambar 2.6 :

1.Absorber

Fungsinya sebagai pengumpul panas yang diteruskan ke tabung air. 2.Tabung air

Fungsinya untuk menampung air yang akan dipanasi oleh absorber dengan perpindahan panas secara konduksi

 Kompor Surya(Memasak dengan Energi Surya)

Kompor Surya adalah alat yang hanya menggunakan energi surya untuk memasak. Perkembangan penggunaan Kompor Surya ini telah meluas

terutama di negara India yang memiliki radiasi matahari rata-rata 600 W/m2(Buddhi S.Dharma : 2010). Kompor Surya dapat digunakan memasak secara langsung maupun tidak langsung. Untuk memasak secara tidak langsung, diperlukan thermal storage yang menyimpan panas selama siang hari untuk dipakai memasak pada malam hari. Kompor Surya juga memiliki berbagai bentuk tipe misalnya : Kompor Surya tipe parabola, Kompor Surya tipe panel dan lain-lain. Buddhi S. Dharma (2003 : 2) menggunakan Kompor surya jenis box dan mengunakan thermal storage untuk dapat menyimpan energi panas yang akan digunakan untuk memasak beras sebagai pengujian pada malam hari dan bahanyang dia digunakan untuk thermal storage adalah jenis Acetanilide dengan melting point 120oC.

Keterangan Gambar 2.7 : 1.Reflektor

Fungsinya untuk memancarkan sinar matahari ke pusat vessel yang bertujuan untuk memanaskan vessel.

2.Vessel

Fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan.

 Solar Driers( Pengering dengan Energi Surya)

Solar driers adalah alat yang digunakan untuk mengeringkan makanan dengan menggunakan bantuan panas matahari.Prinsip kerjanya yaitu dengan menangkap panas matahari melalui absorber selanjutnya panas diteruskan ke kotak pengering dengan perpindahan panas secara konduksi dan konveksi.

Gambar 2.10 Solar Driers.[12] Keterangan Gambar 2.8 :

1. Turbine roof Ventilator

Fungsinya untuk mensirkulasikan udara agar tidak terjadi kelembaban. 2. Kotak Pengering

Fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan yang akan dikeringkan melalui perpindahan panas melalui absorber.

3. Absorber

2.7 Kompor surya

2.7.1 Sejarah Kompor Surya

Saat ini, masih ada manusia yang belum mengetahui cara memasak makanan. Sebagian orang makan makanan dalam kondisi mentah. Kemudian manusia menemukan bahwa api bisa dikendalikan dan digunakan untuk memasak makanan. Api pada dasarnya adalah tenaga surya yang disimpan dalam kayu. Melihat cara ini, cara memasak dengan kayu adalah metode pertama memasak dengan energi surya di bumi ini.

Awal memasak dengan energi surya dapat ditemukan dari beberapa cerita terisolasi di masa lalu. Kaum Esseni, suatu sekte awal Yahudi, membuat wafer lembut dengan memanaskan wafer pada tanah yang tumbuh biji-bijian pada bebatuan diatasnya kemudian biji-bijian tersebut dipanaskan oleh matahari padang pasir. Tujuannya adalah agar wafer tidak terlalu panas.

Orang yang pertama mengetahui Kompor surya adalah Horase de Saussure, seorang naturalis Swiss. Dia memasak buah-buahan dalam Kompor surya tipe kotak yang dapat mencapai suhu 190 ° F. Kemudian orang menganggapnya sebagai kakek dari Kompor surya .

Selama waktu ini, sudah banyak orang yang mulai menggunakan Kompor surya . Di India, seorang tentara Inggris mempatenkan Kompor

surya yang cukup canggih dan dikenal dengan nama solar chef. Pada tahun 1894, ada sebuah restoran di Cina yang melayani makanan yang dimasak dengan energi surya. Ada juga cerita tentang seorang kapten laut yang menciptakan Kompor surya yang bisa digunakan pada perjalanan panjang.[8]

Kompor surya yang pertama kali diakui adalah milik seorang berkebangsaan Amerika yang bernama Barbara Kerr dari Arizona .Prinsip kerja Kompor surya -nya adalah menyerap energi solar dan mengkonversinya menjadi panas serta memerangkapnya dalam ruang tertutup (Abhishek Saxenaa : 2011-2)

ketergantungan pada bahan bakar. Sejumlah insinyur disewa untuk mempelajari aspek yang berbeda dari desain Kompor surya . Studi ini

menyimpulkan bahwa Kompor surya yang dibangun tidak hanya dapat memasak makanan secara menyeluruh dan bergizi, tetapi cukup mudah untuk membuat dan digunakan.

PBB kemudian mensponsori studi dan program untuk memperkenalkan Kompor surya ke budaya kaum primitif. Upaya ini terbukti tidak berhasil. Dalam suatu studi, Sebanyak 500 Kompor surya diberikan ke sebuah kampung pengungsi. Tiga bulan kemudian mereka kembali menggunakan kayu bakar. Para ilmuwan sosial menyimpulkan bahwa metode memasak dengan Kompor surya tidak terlalu menarik perhatian dan kaum primitif tidak mau beradaptasi dengan metode memasak ini.

Sehingga PBB,menyimpulkan bahwa Kompor suryabukan pilihan yang layak dan semua dana untuk Kompor surya dihentikan.Karena mereka merasa desain yang dipromosikan terlalu rumit. Juga, kompor terlalu mahal bagi pengguna yang dituju sehingga mereka merasa bahwa banyak pekerjaan yang dibutuhkan untuk mendesain Kompor surya.

Baru pada tahun 1987, sebuah demonstrasi besar–besaran mendukung agar Kompor suryadigunakan di dataran tinggi Bolivia, suatu

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Objek Penelitian

Objek Penelitian merupakan kompor surya tipe kotak yang dilengkapi dengan absorber miring.

3.2 Parameter Penelitian

Parameter penelitian adalah temperatur dan intensitas radiasi

matahari.

3.3 Waktu dan Tempat

Penelitian dilakukan di lantai 4 Magister Teknik Mesin yang terletak pada koordinat 3,43 oLU dan 98,44 oBT. Lama Penelitian diperkirakan selama 3 bulan.

3.4 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 34972 A.

2. Agilient 34972 A

Alat ini dihubungkan dengan termo couple yang dipasang pada

titik-titik yang akan diukur temperaturnya,setelah itu akan disimpan ke dalam alat ini, setelah itu dipindahkan ke komputer untuk dapat diolah datanya.

Gambar 3.2 Agilient 3 a 972 A Sumber : Lab pendingin Teknik Mesin USU Dengan Spesifikasi :

a. Daya 35 Watt

b. Jumlah Saluran Termokopel 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 Termokopel,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. Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Microstation data logger yaitu :

1. Pyranometer

Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi. 2. Wind Velocity Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin 3. Ambient Measurement apparatus

4. T and RH Smart Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban

Gambar 3.3 Hobo Microstation data logger Sumber : Lab pendingin Teknik Mesin USU

Dengan Spesifikasi :

a. Skala pengoperasian : 20 o C -50 o C dengan baterai alkalin 40 o C -70 o C dengan baterai lithium b. Input Processor : 3 buah sensor pintar multi channel

monitoring

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

d. Berat : 0,36 Kg

e. Memori : 512 Kb Penyimpanan data nonvolatile flash.

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

4. Kompor Surya

L’

H’

g

Tc Fluida udar a

Kaca (ding in)

Abso rber

(Pana s)T

H

θ

g

Kaca (dingin)

g Tc

H

TH

Absorber (Panas)

Absorber Miring

Box Solar Cooker

Gambar 3.4 Kompor Surya Prinsip kerja :

Adapun prinsip kerja dari kompor surya ini yakni seperti konsep peristiwa efek rumah kaca. Sinar matahari diteruskan oleh kaca kemudian diserap oleh kolektor yang berwarna hitam (absorber) sehingga suhunya meningkat. Kaca berfungsi menahan panas tetap berada didalam ruang sehingga suhu ruangan menjadi naik dan dapat digunakan untuk memasak air.

telah dijelaskan pada bab 2 yakni udara yang mengenai plat panas maka udara disekitar plat akan mengalami kenaikan suhu dan massa jenisnya

menjadi turun sehinggga udara tersebut mengapung. Prinsip ini juga terjadi pada ruang tertutup yang salah satu dindingnya memiliki perbedaan suhu maka akan terjadi aliran fluida. Absorber yang telah menyerap sinar matahari memanasi udara disekitar absorber kemudian udara tersebut menjadi panas dan massa jenis udara menurun sehingga udara tersebut mengapung menuju Box Solar Cooker. Kemudian, udara yang suhunya lebih rendah turun untuk dipanasi oleh absorber sehingga temperatur naik dan udara mengalir ke Box solar Cooker sehingga terciptalah aliran fluida didalam ruangan kompor surya tersebut.

5. Panci Stainless Steel

Panci ini digunakan untuk wadah memasak air. 6. Gelas Ukur

Gelas ukur digunakan untuk mengukur volume air.

3.5 Bahan Pengujian

Adapun beberapa bahan yang digunakan untuk pengujian yaitu :

1. Air (H2O).

Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O: satu molekul air

tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) and temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik.Pada Percobaan ini,Air digunakan sebagai bahan utama pengujian

2. Kayu

Gambar 3.5 Kayu.[14]

3. RockWool

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator,digunakan untuk mencegah panas dari box solar cooker hilang keluar. Jenis Rock Wool yang dipakai adalah jenis Wire Mesh yang memiliki konduktivitas 0.042 �

�

Gambar 3.6 Rockwool

4. Kaca

Gambar 3.7 Kaca[15]

5. Sterofoam

Gambar 3.8 Sterofoam

6. Plat Aluminium

Bahan ini digunakan sebagai absorber. Plat Aluminium yang memiliki konduktivitas yang bagus dan di beri cat hitam agar radiasi yang masuk pada box solar cooker akan diserap sepenuhnya oleh plat aluminium

Gambar 3.9 Pelat Aluminium[16]

3.6 Experimental Setup

disk kemudian dihubungkan ke agilient untuk dibaca. Setelah agilient membaca temperatur selama waktu yang telah diset, flash disk dicabut dan dibaca dalam

bentuk Microsoft Excel pada komputer.

L’

TH Absorber (Panas)

Absorber

Gambar 3.10 Experiment Setup Adapun beberapa parameter yang akan diukur ialah :

1. Temperatur air (T4) dan Temperatur ruangan (T3) Dapat diambil lebih dari 1 titik pengujian.

2. Temperatur plat (Tp)

Ini adalah Temperatur plat absorber. Data diambil selama proses memasak yakni pada titik T5 dan T8

3. Temperatur kaca (Tk)

Ini adalah Temperatur kaca. Data diambil selama proses memasak yakni pada titik T1, T2, T6 dan T7.

4. Radiasi Surya (Ga)

Ini menunjukkan seberapa besar radiasi solar pada 1 hari dalam 1 m2. Biasanya data di hitung setiap jam,dari jam 08:00-17:00 , kemudian dirata-ratakan sehingga didapatkan radiasi solar per hari.

5. Waktu (t)

Parameter ini digunakan untuk mengetahui berapa lama air mencapai temperatur maksimum selama proses pengujian.

T4

T1 = Temperatur kaca dalam datar T2 = Temperatur kaca luar datar T3 = Temperatur ruangan T4 = Temperatur air

3.7 Prosedur Pengujian

Adapun prosedur pengujian yang akan dilakukan adalah :

1. Dipersiapkan kompor surya beserta wadah yang berisi air pada jam pengujian yaitu jam 08:00

2. Parameter-parameter yang akan diukur dihubungkan ke data logger dan Komputer

3. Agilient dihidupkan serta hubungkan termokopel ke agilient 4. Ujung termokopel yang lain dihubungkan ke bagian plat dan Air. 5. Kemudian flash disk dihubungkan ke agilient untuk mengambil data

dari termokopel

6. Lakukan pengujian sampai sekitar 15.30 atau 16.00 ,tergantung kondisi cuaca,kemudian flash disk dicabut dari agilient dan datanya dilihat dikomputer.

Berikut tahapan diagram alir proses pengerjaan skripsi :

Gambar 3.11 Diagram Alir Kesimpulan

Perhitungan dan Diskusi Design Kompor Surya

Pabrikasi design Kompor surya

Test Performansi Kompor Surya

Percobaan

Kompor dilengkapi absorber miring Dengan volume air : 1 liter, 2 liter,3 liter

Pengambilan data HOBO dan Agilent

Analisa hasil percobaan

buku referensi, Jurnal, internet

mulai studi literatur

Selesai Hasil

Ya

BAB IV

DATA DAN ANALISA DATA

4.1 Design Kompor Surya

Gambar 4.1 Rancangan Kompor surya Keterangan gambar 4.1 :

1) Dinding kayu (tebal 15 mm) 2) Polystyrene (tebal 40 mm) 3) Rockwool ( tebal 50 mm)

4.2 Rancangan Perhitungan Kehilangan Panas Kompor Surya

Diketahui :

Kecepatan Udara diperoleh dari Hobo(v) = 1,56 /

K_kayu = 0,19 W/m. K

Krockwoll = 0,042 W/m. K

Kpolysterene = 0,036 W/m. K

Kkaca = 1,4 W/m. K

K_aluminium = 237 W/m. K

T Lingkungan(Te) = 25 oC + 273 =298 K T Akhir (Ts) = 130 oC + 273 = 403 K Selanjutnya dihitung kehilangan panas pada solar box cooker

Dalam perhitungan ini kompor surya diasumsikan dibagi kedalam 2 bagian yakni

bagian 1 yaitu kotak persegi dan bagian 2 yaitu kotak yang dilengkapi absorber miring.

Bagian 1

A1,kayu

A1,polystrene

A1,rockwool

A1,aluminium

A4,kayu

A4,polystrene

A4,rockwool

A4,aluminium

A5,kayu

A5,polystrene

A5,rockwool

A5,aluminium

A6,kaca

Luas Permukaan sisi kompor surya yang mengalami perpindahan panas dari dalam kompor ke lingkungan pada body 1, yakni :

A1,kayu = 0,485x0,785 = 0,380725 m2

A1,polystyrene = 0,410x0,730 = 0,2993 m2

A1,rockwool = 0,360x0,638 = 0,22968 m2

A1,aluminium = 0,358x 0,586 = 0,209788 m2

A4,kayu = 0,157x0,785 = 0,123245 m2

A4,polystyrene = 0,157x0,730 = 0,11461 m2

A4,rockwool = 0,157x0,638 = 0,100166 m2

A4,aluminium = 0,207x0,586 = 0,121302 m2

A5,kayu = 0,800x0,800 = 0,64 m2

A5,polystyrene = 0,770x0,770 = 0,5929 m2

A5,rockwool = 0,690x0,690 = 0,4761 m2

A5,aluminium = 0,590x0,590 = 0,3481 m2

Akaca = 0,590 x 0,590 = 0,3481 m2

1. Mencari koefisien konveksi permukaan dinding luar (bagian 1) melalui udara lingkungan,

Te = 25 oC

 Hitung bilangan Reynold

Rumus = Re = ρ .v.l

ϻ

Dimana : Re = Bilangan Reynold

ρ = Massa Jenis (kg/m3)

v = Kecepatan Udara (m/s) = 1,56 m/s

μ = Viskositas (N.s/m2)

l = lebar atau tinggi kotak box (m) = 0,8 m

 Properti udara dievaluasi pada Te = 25 oC atau 298 K.

Te (K) ρ

(kg/m3) ϻ*10

7 (N.s/m2)

V*106 (m/s)

k*103 (W/m.k)

α

(m2/s) Pr

250 1,3947 159,6 11,44 22,3 15,9 0,72

298 1,17073 183,6 15,712 26,14 22,236 0,70752

300 1,1614 184,6 15,89 26,3 22,5 0,707

Re = ρ .v.l1 μ

Re = 1,17073

kg

m3 1,56m s 0,8 m

181,1 10−7 _N.s

m2

Re = 79.579,169

 Mencari bilangan Nusselt

Karena bilangan Re = 79.579,169< 5 x 105 maka tergolong aliran laminar

Rumus bilangan Nusseltyang dipakai adalah

Rumus : � ₁ = 0,664 �_�0,5 � 13

� ₁ = 0,664 79.579,1690,5 0,708

1 3

� ₁ = 166,379

 Mencari koefisien konveksi Udara lingkungan (ℎ₁)

Rumus : � ₁= h1.l

k

Dimana : � ₁= bilangan Nusselt rata-rata

h1 = koefisien konveksi (W/m2.K)

k = konduktivitas termal (W/m.K)

l = tinggi atau lebar (m)

166,379= h1 0.8

26,14 10−3

ℎ1= 5,436 W/m2K

2. Perhitungan Kehilangan Panas Pada dinding.

Dalam menghitung kehilangan panas total pada dinding yaitu penjumlahan panas yang hilang pada keempat sisi kotak, yaitu :

Qdinding total = Qd1 + Qd2 + Qd3 + Qd4

� ∶ = .� (�� − � )

1 = 1

._{� � �} +

2

� +

3

� � � � +

4

� +

1

Penyelesaian :

Qtotal dinding sebagai berikut :

Qdinding total = Qd1 + Qd2 + Qd3 + Qd4

=3.Qd1 + Qd4

= (3 x 11,06 W) + 4,43 W = 37,609 W

Maka, Panas total yang hilang melalui dinding adalah 37,609 W 3. Kehilangan Panas Pada Alas

� � = _� � −�∞

4. Mencari koefisien Konveksi dari kaca dalam (II) yang dipanasi ke kaca luar(I).

Asumsi : perpindahan panas terjadi secara konveksi pada ruangan tertutup.

 Properti udara dievaluasi pada temperatur film, Tf = (TH + Tr)/2 = 77,5oC =

 Mencari bilangan grashof yang dirumuskan dengan :

=�

 Mencari Bilangan Rayleigh, �� dengan rumus berikut :

�� = �

�� = 2,65 104 0,69993

 Mencari bilangan Nusselt, Nu dengan rumus berikut :

� = 0,195 ��0.25

� = 2,28

 Maka, Koefisien konveksinya adalah

ℎ= �

ℎ= 2,28 30,037 10

−3

0,015

ℎ2= 4,558 W/m

2

5. Mencari koefisien Konveksi dari permukaan kaca luar (I) pada pintu kaca 1.

Diketahui : L = 0,59 m

Asumsikan permukaan luar kaca terjadi konveksi paksa akibat aliran angin dengan kecepatan v = 1,56 m/s.

Properti udara dievaluasi pada Te = 25 oC atau 298 K.

Te(K) ρ(kg/m3) μ*10-7 (N.s/m2)

v*10-6 ( )

k*10-3 (W/m.k)

*10-6 (m2/s) Pr

250 1,3947 159,6 11,44 22,3 15,9 0,72

298 1,17073 183,6 15,712 26,14 22,236 0,708

300 1,1614 184,6 15,89 26,3 22,5 0,707

 Menghitung Bilangan Reynold, Re dengan rumus berikut :

Re = ρ .v.l2

μ

Re = 1,17073

kg

m3 1,56m s 0,59 m

183,6 10−7 _N.s

m2

Re = 58.689

 Mencari bilangan Nusselt

Karena bilangan Re = 58.689< 5 x 105 maka tergolong aliran laminar

Rumus bilangan Nusseltyang dipakai adalah

Rumus : � ₃ = 0,664 �_�0,5 � 13

�

₃ = 0,664 58.6890,5 0,708

1 3

�

 Mencari koefisien konveksi Udara lingkungan (ℎ₃)

Rumus : � ₃= h3.l

k

Dimana : � ₃= bilangan Nusselt rata-rata h3 = koefisien konveksi (W/m2.K)

k = konduktivitas termal (W/m.K)

l = tinggi atau lebar (m)

142,883= h3 0,56

26,14 10−3

ℎ3= 6,33 W/m2K

6. Kehilangan Panas Pada Kaca

Maka kehilangan total panas melalui kaca dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

���,1 = � −�

.� _���

��� ���+

1 ℎ2+

��� ���+

1 ℎ3

h2 = koefisien konveksi permukaan kaca dalam (W/m2K)

h3 = koefisien konveksi permukaan luar (W/m2K)

_���,1 = kehilangan panas kaca pintu 1 (W)

���,1 =

403−298 .0,3481

0,005 1,4 +

1 4,558 +

0,005 1,4 +

1 6,33

���,1 = 95,059 W

7. Mencari Total Kehilangan Panas pada body 1, Qtotalbody1 adalah

Q total body1 = Q dinding + Q alas + Q kaca,1

Q total body1 = 37,609W + 21,942 W + 95,059 W

Q total body1 = 154,61 W

Bagian 2

A9,ka yu

A9,po lystr

ene

A9,ro ckwo

ol

A9,alum inium

A7,ka yu

A7,po lystre

ne

A7,ro ckwo

ol

A7,al umin

ium

A10, kayu

A10,po lystr

ene

A10,ro ckwo

ol

A10, alum

iniu m

A11, kaca

60o

Gambar 4.3 Body 2 Kompor Surya

Diketahui Luas penampang sisi lapisan kompor surya yang mengalami perpindahan panas dari dalam kompor ke lingkungan, yakni :

A7,kayu = 1,113 x ,0,29 = 0,3227 m2

A7,polystyrene = 1,083 x 0,24 = 0,2599 m2

A7,rockwool = 1, 003 x 0,2 = 0,2006 m2

A7,aluminium = 0,9 x 0,15 = 0,135 m2

A9,kayu = 0,485x 0,29 = 0,1406 m2

A9,rockwool = 0,360x 0,2 = 0,072 m2

A9,aluminium = 0,358x 0,148 = 0,0529 m2

A10,kayu = 1,113 x 0,8 = 0,8904 m2

A10,polystyrene = 1,083 x 0,77 = 0,8339 m2

A10,rockwool = 1,003 x 0,69 = 0,692 m2

A10,aluminium = 0,903 x 0,59 = 0,5327 m2

A11,kaca = 0,95 x 0,59 = 0,9025 m2

8. Mencari Koefisien konveksi pada kotak bagian absorber miring (body 2). a. Mencari koefisien konveksi permukaan dinding luar (body 2) melalui udara

lingkungan, Te = 25 oC

 Hitung bilangan Reynold

Rumus = Re = ρ .v.l

ϻ

Dimana : Re = Bilangan Reynold

ρ = Massa Jenis (kg/m3)

v = Kecepatan Udara (m/s) μ = Viskositas (N.s/m2)

l = lebar atau tinggi kotak box (m) = 0,29 m

 Properti udara dievaluasi pada Te = 25 oC atau 298K.

Te(K) ρ(kg/m3) μ*10-7 (N.s/m2)

v*10-6 ( )

k*10-3 (W/m.k)

*10-6 (m2/s) Pr

250 1,3947 159,6 11,44 22,3 15,9 0,72

298 1,17073 183,6 15,712 26,14 22,236 0,708

300 1,1614 184,6 15,89 26,3 22,5 0,707

Maka,

Re = ρ .v.l ϻ

Re = 1,17073

kg

m3 1,56m s 0,29 m

183,6 10−7 _N.s

m2

Re = 28.847

 Mencari bilangan Nusselt

Rumus bilangan Nusseltyang dipakai adalah

Rumus : � = 0,664 �_�0,5 �

1 3

� = 0,664 28.8470,5 0.708 1 3

� = 100,174

 Mencari koefisien konveksi Udara lingkungan (ℎ₄)

Rumus : � ₄= h4.l

k

Dimana : � ₄= bilangan Nusselt rata-rata h4 = koefisien konveksi (W/m2.K)

k = konduktivitas termal (W/m.K)

l = tinggi atau lebar (m)

100,174= h4 0,29

26,14 10−3

ℎ4= 9,03 W/m2K

b. Mencari koefisien Konveksi dari kaca bagian dalam (II) ke kaca luar (I). Diketahui : Tpermukaan (Ts) = 130 oC = 403 K

Tkaca (Tr) = 25 oC = 298 K g = 9,81 m/s2

β = 1/Tr = 1/298 = 0,00336

L = 0,015 m

H = 0,9 m

θ = 60

φ = 30

Asumsi : perpindahan panas terjadi secara konveksi pada ruangan tertutup yang

 Properti udara dievaluasi pada temperatur film, Tf = (Tabsorber + Tkaca)/2 =

 Mencari bilangan grashof yang dirumuskan dengan :

=�

 Mencari Bilangan Rayleigh, �� dengan rumus berikut :

�� = �

�� = 13.261 0,69993

�� = = 9.281,3

 Mencari bilangan Nusselt dengan rumus berikut :

� = 1 + ( 1

 Maka, Koefisien konveksinya adalah

ℎ= �

ℎ= 1,0 30,037

0,015 ℎ5= 2,003 W/m2

9. Perhitungan Kehilangan Panas pada dinding

Dalam menghitung kehilangan panas total pada dinding yaitu penjumlahan panas yang hilang pada semua sisi kotak, yaitu :

� ∶ = .� (�� − � )

Qtotal dinding sebagai berikut :

Qdinding total = Qd7 + Qd8 + Qd9

=2.Qd7 + Qd9

= (2 x 9,524 W) + 3,536 W = 22,584 W

Maka, Panas total yang hilang melalui dinding adalah 22,584 W

10.Kehilangan Panas Pada Alas

� � = _� � −�∞

11.Kehilangan Panas Pada Kaca

Kehilangan total panas melalui kaca dapat dihitung dengan rumus sebagai

berikut :

���,2 = � −��

.� _���

��� ���+

1 ℎ5+

��� ���+

1 ℎ3

Keterangan :

h5 = koefisien konveksi permukaan kaca dalam (W/m2K)

h3 = koefisien konveksi permukaan luar (W/m2K)

���,2 = kehilangan panas kaca pintu 2 (W)

���2 =

403−298 .0,30481

0,005 1,4 +

1 2,003 +

0,005 1,4 +

1 6,33

���2 = 142,656 W

12.Mencari Total Kehilangan Panas pada body 2, Q totalbody2 adalah

Q total body2 = Q dinding + Q alas + Q kaca 2

Q total body2 = 22,584 + 29,83 + 142,656

Q total body2 = 195,07 W

Maka, total kehilangan panas pada body 2 adalah 195,07 W

13.Total kehilangan panas dari kompor surya

Total kehilangan panas dari kompor surya diperoleh dengan menjumlahkan total kehilangan panas pada body 1 dan 2 adalah

Qtotal = Qtotal body,1 + Qtotal body,2

Qtotal = 154,61 W + 195,07 W

Qtotal = 349,68 W

4.3 HASIL PENGUJIAN

Data hasil pengujian berupa data temperatur dan intensitas radiasi

matahari. Data tersebut direkam permenit dengan alat ukur berupa agilent dan hobo microstation. Data tersebut akan ditampilkan dalam bentuk grafik.

4.3.1 Hasil Pengujian 11 Juni 2014

Hasil pengujian disajikan dalam bentuk grafik perbandingan temperatur air 1 liter terhadap waktu dibawah ini,

Grafik 4.1Temperatur terhadap waktu pengujian I.

Keterangan grafik 4.1 :

Pengujian dilakukan pada tanggal 11 Juni 2014 dengan memasak air

sebanyak 1 liter. Pengujian dimulai pukul 08.00 – 16.30 WIB. Kemudian hasil pengujian disajikan dalam grafik 4.1. Berdasarkan grafik diperoleh temperatur maksimum air adalah 87,83 oC pada pukul 12.40 WIB.Temperatur maksimum kaca dalam datar adalah 82,22 oC pada pukul 12.34 WIB. Temperatur maksimum plat absorber datar adalah 108,23 oC pada pukul 12.26 WIB. Temperatur maksimum kaca luar datar adalah 55,76 oC pada pukul 12.18 WIB. Temperatur kaca dalam miring adalah 88,21 oC pada pukul 11.02 WIB. Temperatur kaca luar miring adalah 61,21 oC pada pukul 11.33 WIB. Termperatur maksimum plat absorber miring adalah 112,94 oC pada pukul 10.49 WIB. Temperatur maksimum ruang masak adalah 100,89 oC pada pukul 12.35 WIB. Temperatur maksimum lingkungan adalah 37,233 oC pada pukul 13.41 WIB.

Data hasil pengukuran intensitas radiasi matahari pada saat pengujian ditampilkan dalam bentuk grafik 4.2 berikut,

Temperatur (oC)

Grafik 4.2 Intensitas Radiasi Matahari terhadap waktu pengujian I

Data intensitas radiasi matahari ditampilkan mulai pukul 08.00 WIB sampai pukul 16.30 WIB. Berdasarkan pengukuran intensitas radiasi matahari pada tanggal 11 Juni 2014 diperoleh radiasi maksimum adalah 890,6 W/m2 pada

pukul 13.44 WIB.

4.3.2 Hasil Pengujian 12 Juni 2014

Hasil pengujian disajikan dalam bentuk grafik perbandingan temperatur air 2 liter terhadap waktu dibawah ini,

Grafik 4.3 Temperatur air 2 liter terhadap waktu.

Keterangan grafik 4.3 :

Pengujian dilakukan pada tanggal 12 Juni 2014 dengan memasak air sebanyak 2 liter. Pengujian dimulai pukul 08.00 WIB sampai 17.00 WIB. Kemudian hasil pengujian disajikan dalam grafik 4.3. Berdasarkan grafik diperoleh temperatur maksimum air adalah 77,97 oC pada pukul 14.20 WIB. Temperatur maksimum kaca dalam datar adalah 69,83 oC pada pukul 13.13 WIB. Intensitas Radiasi

Matahari (W/m2)

Waktu

Temperatur (oC)