Analisa Komponen Kolektor pada Mesin Pendingin Siklus Adsoprsi Tenaga Surya dengan Variasi Sudut 0o dan 30o

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM). 2010. Pemanfaatan Energi Surya

di Indonesia. Ditjen LPE-ESDM.

[2] Duffle A John. Solar Engineering of Thermal Processes,Fourth Edition. John

Wiley & Sons Inc. : New York

[3] Andi Taufan, Nasruddin. 2013. Rancang Bangun dan Pengujian Sistem

Pendingin Adsorpsi dengan Dua Adsorber (Skripsi). Depok : Universitas

Indonesia

[4] Ambarita, Nishio. 2008. Modifikasi Mesin Pendingin Adsorpsi pada

Komponen Kondensor, Reservoir, Katup Ekspansi dan Evaporator.

(Skripsi). Depok : Universitas Indonesia

[5] Bayu Rudiyanto. 2008. Kajian Eksergi pada Mesin Pendingin Adsorpsi

Intermitten Menggunakan Pasangan Silika gel - Metanol (Skripsi).

Bogor : IPB

[6] Rian Arikundo, Fadly. 2013. Rancang Bangun Prototype Kolektor Surya Tipe

Plat Datar untuk Penghasil Fluida Panas pada Pengering Produk

Pertanian dan Perkebunan. (Skripsi). Medan : Universitas Sumatera

Utara

[7] Incropera, Frank P., David P. Dewitt. 1985. Fundamentals of Heat and Mass

(35)

[8] Saharjo, B.H 1999. Study on Forest Fire Prevention For Cast-GrowingTree

Species Acacia Mangilium Plantation In South Sumatera, Indonesia.

Doctoral Thesis of Faculty of Agriculture.Kyoto University.Japan.107 pp.

[9] Yunus A. Cengel. HeatTransfer A Practical Approach, Second Edition.

Mc Graw-Hill, Book Company, Inc : Singapore

[10] Anyanwu,E. E.,Ezekwe, C.I.,“Design, construction and test run of solid

adsorption solar refrigerator using activated carbon/metanol, as

adsorbent/adsorbate pair”, Energy Conversion and Management 44

(2003),2879-2892.

[11]Holman.J.P, Heat Transfer, 10thEdition.,McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering: New York, America

[12] http://www.csp-world.com/news/skyfuel-releases-three-new-technical-

papers-research-results-its-products

(36)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

3.1.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun letak penelitian ini seperti

ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian

3.1.2. Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan selama 4 bulan, yaitu mulai bulan Agustus

2015 sampai November 2015. Persiapan dan pmbuatan mesin pendingin

dilakukan pada bulan Agustus - Oktober 2015. Pengujian dan pengambilan data

dilakukan pada bulan November dari tanggal 16 November 2015 - 29 november

(37)

3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan

3.2.1. Peralatan Penelitian

Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah :

1. Kolektor

Spesifikasi :

Tipe = Pelat datar

Panjang kolektor = 1,135 m

Lebar kolektor = 1,135 m

Tinggi kolektor = 0,243 m

Luas kolektor = 1,288225 m2 2. Laptop

Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah

didapatkan dari Hobo Microstation data logger dan Pace XR5 Data

Logger.

Gambar 3.2Laptop

Spesifikasi:

a. Asus 1215 B

b. AMD C-50 Processor (2 CPUs) – 1.0 GHz

c. 12"widescreen

(38)

3. Pace XR5 Data Logger

Alat ini berfungsi sebagai pencatat data pengukuran temperatur pada

kolektor. Cara pemakaiannya yaitu dengan menghubungkan

termokopel yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur

temperaturnya.

Gambar 3.3 Pace XR5 Data Logger

Spesifikasi :

Buatan = Amerika Serikat

Tipe = XR5-SE-M-20mV

Jumlah terminal sensor = 8 chanel

Tipe = Lithium, AA size, 3.6 volt,

memerlukan 2 baterai.

4. Termokopel

Berfungsi sebagai alat pengukur nilai temperatur.

(39)

5. Hobo Microstation Data Logger

Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke

komputer untuk diolah datanya.

Spesifikasi Alat :

a. Skala pengoperasian: 20oC-50oC dengan baterai alkalin 40oC-70 oC 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 kilobyte. Penyimpanan data nonvolatile flash

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

g. Akurasi Waktu: 0 detik - 2 detik

Berikut ini adalah alat ukur pada Hobo Micro station data logger

yaitu:

Gambar 3.5 Hobo Microstation data logger

Keterangan :

1. Pyranometer

Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi.

(40)

Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer

Parameter

pengukuran : Intensitas radiasi dengan interval 1 detik

Rentang Pengukuran : 0 sampai 1280 W/m2

Temperatur kerja : Temperature: -40° C to 75 °C (-40° F to 167 °F)

Akurasi

: ± 10,0 W/m2 or ± 5%. Tambahan temperatur error 0,38 W/m2/°C from 25 °C (0,21 W/m2/°F from 77 °F)

Resolusi : 1,5 W/m2

Penyimpangan : < ± 2% per Year

Panjang kabel : 3 meters (9,8 ft)

Berat : 120 grams (4,0 oz)

Dimensi : 41 mm Height x 32 mm Diameter (1 5/8" x 1 1/4")

6. Pompa Vakum

Pompa vakum berfungsi untuk :

1. Memeriksa apakah ada kebocoran pada kolektor

2. Untuk membuat vakum bagian dalam kolektor supaya tidak ada

udara tertinggal.

Gambar 3.6Pompa Vakum

Spesifikasi:

Merek : ROBINAIR

(41)

Kapasitas : 142 l/m

Motor H.p : ½

Volt : 110-115 V / 220-250 V

3.2.2. Bahan Penelitian

Bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah :

1. Karbon aktif (25 kg)

Karbon aktif ini sebagai adsorben yang berfungsi untuk menyerap

refrigeran metanol yang berada di dalam kolektor.

Gambar 3.7Karbon Aktif

2. Kaca

Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator untuk mencegah panas

dari kolektor surya hilang keluar.

Gambar 3.8Kaca

3. Rockwool

(42)

Gambar 3.9Rockwool

4. Sterofoam

Gambar 3.10Sterofoam

5. Busa Hitam

Gambar 3.11Busa Hitam

6. Triplek

(43)

Gambar 3.12Triplek

7. Stainless Steel

Bahan ini digunakan sebagai adsorber. Stainless steel diberi cat hitam

agar radiasi yang masuk pada solar collector akan diserap sepenuhnya

oleh pelat stainless.

Gambar 3.13 Stainless Steel

8. Cat

Bahan ini digunakan untuk mengecat pelat stainless, cat yang

digunakan adalah cat berwarna gelap (hitam).

Gambar 3.14Cat

3.3 Proses Pembuatan Model Fisik Kolektor

(44)

Gambar 3.15Desain Kolektor pada Solidwork

2. Pembuatan rangka kolektor

Gambar 3.16Rangka Kolektor

3. Pembuatan kotak isolator pada kolektor

(45)

4. Pemasangan adsorber ke dalam kotak isolator

a. Proses pengisian karbon aktif (adsorben) pada adsorber

Gambar 3.18Adsorber

b. Pemasangan adsorber pada kotak isolator

Gambar 3.19 Pemasangan Adsorber pada Kotak Isolasi

5. Pembuatan kaca kolektor

(46)

6. Pemasangan kolektor pada mesin pendingin

Gambar 3.21Pemasangan Kolektor pada Mesin Pendingin

3.4 Persiapan Penelitian

Penelitian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel antara

data logger dan parameter-parameter yang akan diukur temperaturnya. Kemudian

jalankan data logger dan diatur settingan temperaturnya melalui software Log XR

yang sudah diinstall pada laptop. Setelah pengaturan data logger selesai, maka

tunggu data logger membaca temperatur sesuai waktu yang telah diatur. Berikut

gambar 3.22 menunjukkan titik - titik peletakan kabel termokopel.

Gambar 3.22 Peletakan Titik Termokopel pada Kolektor

Tkaca

Tplat atas adsorber

(47)

Adapun beberapa parameter yang diukur ialah :

1. Temperatur permukaan kaca

2. Temperatur permukaan plat atas adsorber

3. Temperatur permukaan plat bawah adsorber

Parameter diatas digunakan untuk menghitung besarnya total panas yang

masuk ke dalam kolektor, kerugian panas yang hilang dari kolektor, total panas

yang diserap oleh plat adsorber dan untuk perhitungan nilai efisiensi kolektor

surya pada mesin pendingin siklus adsorpsi.

3.5 Prosedur Penelitian

Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan energi surya ke dalam

energi panas.Ketika cahaya matahari menimpa adsorber pada kolektor surya,

sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian

besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas. Energi panas yang

diserap oleh adsorber akan digunakan untuk memanaskan adsorben karbon aktif

yang ada di dalam adsorber.

Adapun prosedur penelitian yang dilakukan adalah :

1. Kolektor surya mesin pendingin siklus adsorpsi dipersiapkan (portable).

2. Kolektor diletakkan dalam posisi yang baik dan benar.

3. Semua alat ukur yang dibutuhkan selama pengujian dipersiapkan.

4. Kabel-kabel termo couple dari data logger dipasang pada kolektor dan

mesin pendingin.

(48)

6. Pengujian dilakukan hingga 24 jam yang dimulai pada pukul 07.00 WIB

sampai 07.00 WIB.

7. Hasil dari pengujian dianalisis.

3.6 Variabel Penelitian

Variabel-variabel dalam penelitian ini terdiri dari:

3.6.1 Variabel bebas

1. Intensitas Radiasi Matahari

2. Sudut Kolektor

3.6.2. Variabel terikat

1. Temperatur Plat Kolektor

(49)

3.7. Kerangka Konsep Hasil Penelitian

Berikut diagram alir tahapan dalam pengerjaan skripsi :

Gambar 3.23Diagram Alir Tahapan Penelitian Ya

Pembuatan Model Fisik Kolektor

Pengambilan Data Kolektor Menggunakan

data HOBO dan data Logger

Data output :

 Temperatur kolektor

 Intensitas Radiasi Matahari

 Temperatur Lingkungan

Analisa Hasil Percobaan Mulai

Studi Literatur Buku , Referensi, Jurnal, Internet, dll

Hasil

Kesimpulan

Selesai

(50)

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

4.1.1 Hasil penelitian kolektor surya pada sudut 0o (β = 0o) Tabel 4.1 Data Pengujian Kolektor Sudut 0o (16 - 17 November 2015)

(51)

(52)

(53)

4.1.2 Hasil penelitian kolektor surya pada sudut 30o (β = 30o) Tabel 4.4 Data Pengujian Kolektor Sudut 30o (26 - 27 November 2015)

(54)

(55)

(56)

4.2 Pengolahan Data Kolektor

4.2.1 Pengolahan Data Kolektor pada Sudut 0o(β = 0o) 4.2.1.1 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari

Berikut ini adalah data intensitas radiasi matahari pada pengujian I

kolektor sudut 0o selama 60 menit dimulai dari pukul 7.00 WIB – 8.00 WIB pada tanggal 16 November 2015.

Tabel 4.7 Data Pengujian I Kolektor Sudut 0o dalam 60 menit

Waktu Radiasi Matahari/ Gbn

(W/m2) jumlah intensitas matahari yang masuk ke dalam kolektor. Dengan menggunakan

microsoft excel diperoleh hasil perhitungan jumlah intensitas matahari yang

(57)

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan intensitas matahari yang masuk kolektor 0o selama 24 jam

WAKTU (WIB) Gbn (W/m2) Qrad = Qit (J/m2) 07.00-08.00 171,03 615708 08.00-09.00 349,7 1258920 09.00-10.00 479,19 1725084 10.00-11.00 676,19 2434284 11.00-12.00 490,2 1764720 12.00-13.00 263,57 948852 13.00-14.00 428,97 1544292 14.00-15.00 478,99 1724364 15.00-16.00 219,44 789984 16.00-17.00 152,56 549216

17.00-18.00 63,7 229320

18.00-00.00 0,98 3528

00.00-06.00 0,6 2160

06.00-07.00 4,8 17280

TOTAL 13607712

Dari tabel 4.8 diatas diperoleh nilai total intensitas matahari yang masuk ke dalam

kolektor (Qrad) sebesar 13,607712 MJ/m2.

4.2.1.2 Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor

Perhitungan panas yang diserap kolektor dapat dihitung menggunakan

rumus :

= (� )

dimana :

 Qrad = intensitas radiasi matahari (J/m2)  Ac = luas penampang kolektor = 1 m2

 _� = transmisivitas absorsivitas rata -rata kaca dan absorber dihitung

(58)

 (� ) = 1,01 �

 _� = � �

— Koefisien transmisivitas refleksi (� ) diperoleh dengan

rumus : � = 1

(59)

Dengan menggukan microsoft excel nilai dari pukul 07.00 WIB - 7.00 WIB dari

tanggal 16 November 2015 - 17 November 2015 dapat diperoleh dalam tabel 4.9

berikut :

Tabel 4.9 Data perhitungan panas yang diserap kolektor

(60)

Dari tabel 4.9 diatas diperoleh nilai total panas yang dapat diserap kolektor dari

pukul 7.00 WIB - 7.00 WIB sebesar S = 8,5032 MJ.

4.2.1.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang pada Kolektor

Kerugian panas yang hilang pada kolektor dapat dihitung menggunakan

rumus yaitu :

= + + _�

dimana :

 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian atas kolektor (J)

 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian bawah kolektor (J)

 _�= total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian samping kolektor (J)

 = total kerugian panas yang hilang pada setiap sisi kolektor (J)

4.2.1.3.1. Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang pada Sisi Atas

Kolektor (QT)

Menghitung koefisien kerugian panas pada sisi bagian atas kolektor

(61)

 f = ( 1 + 0,089 - 0.1166 � )(1 + 0.07866N)

 C = 520 (1 –0.000051β2) dimana β = 0o

 e= 0.430 (1-100/ )

 β = sudut kemiringan kolektor

 _� = emisivitas kaca = 0.88

 _� = emisivitas plat = 0.97

 _∞ = temperatur rata - rata lingkungan (K)

 = temperatur rata-rata plat atas (K)

 = koefisien perpindahan panas oleh angin ≈ 10 W/m2 K

 _�= Tetapan Stefan-Boltzman = 5.67 x 10-8

 = koefisien kerugian panas pada sisi atas kolektor (W/m2 K)

Penyelesaian :

 Perhitungan nilai f = ( 1 + 0,089 - 0.1166 � )(1 + 0.07866N) yaitu :

f = ( 1 + 0,089(10) - 0.1166 10 (0.97)(1 + 0.07866(2)) = 0.8783

 Perhitungan nilai C = 520 (1 –0.000051β2) dimana β = 0o yaitu :

C = 520 (1 – 0.000051(0)2) = 520

 Perhitungan nilai e= 0.430 (1-100/ ) yaitu :

 Nilai temperatur rata - rata plat diperoleh sesuai dengan tabel 4.1

mulai pukul 7.00 WIB - 7.00 WIB :Tpm = 52,866oC = 325,866 K sehingga : e= 0.430 (1-100/325,866) = 0.298

 Nilai temperatur rata - rata lingkungan diperoleh sesuai dengan tabel 4.3

(62)

Setelah diperoleh parameter yang digunakan untuk menghitung kerugian panas

pada sisi bagian atas kolektor maka dapat ditentukan nilai :

= 2

4.2.1.3.2 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang pada Sisi Bawah

Kolektor (QB)

Menghitung koefisien kerugian panas pada sisi bagian bawah kolektor

(63)

 t = tebal isolasi (m)

 A = luas penampang isolasi (m2)

— _∆ = − _∞

 Tpm sisi bawah = 45,5972oC = 318,5972 K

 _∞ = 27,76oC = 300,76 K

Pada kolektor ini terdapat empat buah isolasi sesuai dengan gambar 4.1 di bawah

ini :

Gambar 4.1 Isolasi pada kolektor

Penyelesaian :

— ₁=

=

0,05

0,03 1,261129 2 = 1,32 / — ₂ = sterofoam

sterofoam sterofoam =

0,02

0,036 1,261129 2 = 0,44 / — ₃ = busa hitam

busa hitam busa hitam =

0,015

0,14 1,261129 2 = 0,085 / — ₄ = triplek

triplek triplek =

0,012

(64)

— ₅ = 1 = 1

10 ₂ 1,261129 2= 0,079294 /

sehingga nilai panas yang hilang dari sisi bagian bawah dapat dihitung yaitu :

Q = 318,5972 − 300,76

1,32 + 0,44 + 0,085 + 0,079 + 0,079294

Q = 8,89 = 768401,88

4.2.1.3.3 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang Pada Sisi Samping

Kolektor (QE)

Menghitung kerugian panas yang hilang pada sisi bagian samping

kolektor menggunakan rumus :

(65)

— ₃ = busa hitam

Q_� = 322,232 − 300,76

3,06 + 0,99 + 0,19 + 0,09 + 0,0918

Q_� = 4,86 = 419559,98

Maka total nilai panas yang hilang dari seluruh bagian kolektor adalah

Q = Q + Q + Q_�

Q = 7257510,57 J + 768401,88 + 419559,98 Q = 8445472,42 J

Q = 8,445 MJ

Kesetimbangan energi pada pengujian I kolektor sudut 0o dapat dihitung sebagai berikut :

= Q_L

= Q + Q + Q_� 8,50327 = 8,445

Dengan bantuan microsoft excel menggunakan cara perhitungan yang sama maka

diperoleh total nilai intensitas radiasi matahari yang masuk pada kolektor 0o (Qrad),

total nilai panas yang diserap kolektor 0o (S), total nilai panas yang hilang dari kolektor 0o (QL) pada pengujian II dan pengujian III yang dilampirkan pada tabel

(66)

Tabel 4.10 Hasil perhitungan Qrad, S, dan QL pada pengujian I, II, dan III pada

kolektor 0o

Qrad (J) S (J) QL (J)

Pengujian I 13607712 8503276,96 8445472,42

Pengujian II 12008412 7799224,82 7704430,45

Pengujian III 12900312 8472586,28 8357648,86

4.2.2. Pengolahan Data Kolektor pada Sudut 30o(β = 30o) 4.2.2.1 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari

Untuk menghitung intensitas radiasi matahari yang diterima kolektor

surya dengan kemiringan = 30o, digunakan persamaan berikut:

� =�

dimana :

— GbT = Intensitas radiasi pada bidang miring (W/m2)

— G_bn = Intensitas radiasi matahari pada sudut masuk normal pada

permukaan horizontal (W/m2)

— cosθT = sudut masuk atau sudut antara arah sorotan pada sudut masuk

normal dan arah komponen tegak lurus (900) pada permukaan bidang miring.

Maka untuk menghitung intensitas radiasi matahari yang diterima kolektor

selama 60 menit pertama tanggal 26 November 2015 adalah sebagai berikut:

60 = 60 cos

(67)

Tabel 4.11 Data intensitas radiasi matahari kolektor 30o selama 60 menit

1. Total intensitas radiasi matahari selama 60 menit dapat diperoleh dari rata-rata

tabel 4.11 sehingga Gbn 60 menit = 115,78 W/m2

2. Menghitung nilai

Nilai dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut :

cosθT = sin⁡. sin⁡(∅ −β) + cos⁡. cos(∅ −β)cosω

dimana :

— _δ = deklinasi = 23.45 sin 360 x 284+n

365

dimana n = 332 hari pengujian pada tahun 2015

Pengujian bulan November bisa digunakan rumus: 304 + i, dimana i

adalah tanggal pengujian 26 November 2015

δ = 23.45 sin 360 x 284+330

365 = -21.354

— _∅= garis lintang (posisi lintang lokasi penelitian 3o30’-3o43’), diambil nilai

(68)

maka. ∅ = 3 + 37

60 = 3.62

— β = 30o (kemiringan kolektor surya)

— _ω = (ts-12) x 360

24. dimana ts = jam pengujian. Maka untuk pengujian pukul

07.00 WIB - 08.00 WIB:

ω = (7,5-12) x 360

24 = -67,5

Dengan demikian. nilai cosθTdapat dihitung sebagai berikut:

cosθT= sin −21,354 x sin 3,62−30 + Cos −21,354 x Cos3,62−30 . cos⁡(−67,5)

= 0,481

Jadi. total radiasi yang diterima kolektor dengan β = 30o pukul 07.00 – 08.00 pada tanggal 26 November 2015 adalah:

GbT = 115,78 W/m2 x 0,481

= 55,70039 W/m2

Menggunakan microsoft excel dan melakukan cara perhitungan yang sama pada

microsoft excel maka dapat ditentukan nilai GbT dari pukul 7.00 WIB - 7.00 WIB

dari tanggal 26 November 2015- 27 November 2015 yang ditunjukkan pada tabel

4.12 berikut :

(69)

12.00-13.00 -21,354 3,62 30 7,5 330 0,989 204,73 202,481 728933,180

dalam kolektor (Qrad) sebesar 8,407 MJ/m2.

4.2.2.2. Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor

Perhitungan panas yang diserap kolektor dapat dihitung menggunakan rumus :

= (� )

dimana :

 Qit = intensitas radiasi matahari yang diterima pada sudut 30o (J/m2)  Ac = luas penampang kolektor = 1 m2

 _� = transmisivitas absorsivitas rata -rata kaca dan absorber dihitung

dengan rumus : � = 0,96 (� ) dimana :

 (� ) = 1,01 �

 _� = � �

(70)

— ₁ = θ1 Sudut datang matahari terhadap bidang

rumus:

dari tanggal 26 November 2015 - 27 November 2015 dapat diperoleh dalam tabel

4.13 berikut :

Tabel 4.13 Data perhitungan panas yang diserap kolektor

WAKTU (WIB) θ₁ θ₂ r⊥ r∥ _r a α⁄α_n

(71)

09.00-10.00 7,5 4,9068 0,0443 0,0423 0,8465 0,8516 0,7209 0,9962

Dari tabel 4.12 diperoleh nilai total panas yang dapat diserap kolektor dari pukul

7.00 WIB - 7.00 WIB dari tanggal 26 November 2015 - 27 November 2015

sebesar S = 4,584 MJ.

4.2.2.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang pada Kolektor

Kerugian panas yang hilang pada kolektor dapat dihitung

menggunakan rumus yaitu :

(72)

dimana :

 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian atas kolektor (J)

 = total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian bawah kolektor (J)

 _�= total kerugian panas yang hilang pada sisi bagian samping kolektor (J)

 = total kerugian panas yang hilang pada setiap sisi kolektor (J)

4.2.2.3.1 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang pada Sisi Atas Kolektor

(QT)

Menghitung koefisien kerugian panas pada sisi bagian atas kolektor menggunakan

rumus :

 β = sudut kemiringan kolektor

 _� = emisivitas kaca = 0.88

(73)

 _∞= temperatur rata - rata lingkungan (K)

 = temperatur rata-rata plat atas (K)

 = koefisien perpindahan panas oleh angin ≈ 10 W/m2

K

 _�= Tetapan Stefan-Boltzman = 5.67 x 10-8

 = koefisien kerugian panas pada sisi atas kolektor (W/m2 K)

Penyelesaian :

 Nilai temperatur rata - rata plat diperoleh sesuai dengan tabel 4.4

mulai pukul 7.00 WIB - 7.00 WIB :Tpm = 43,119oC = 316,119 K sehingga : e= 0.430 (1-100/316,119) = 0.294

 Nilai temperatur rata - rata lingkungan diperoleh sesuai dengan tabel 4.4

mulai pukul 7.00 WIB - 7.00 WIB : _∞ = 28,491 = 301,491

Setelah diperoleh parameter yang digunakan untuk menghitung kerugian panas

pada sisi bagian atas kolektor maka dapat ditentukan nilai :

(74)

Sehingga total panas yang hilang pada sisi bagian atas kolektor dapat dihitung

dengan rumus berikut :

= − _∞

maka :

= 3,06 2 1 2 316,119 −301,491

= 44,77 = 3867822,93 J

4.2.2.3.2 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang dari Sisi Bawah

Kolektor (QB)

Menghitung koefisien kerugian panas pada sisi bagian bawah kolektor

menggunakan rumus :

Q = ∆

1 + 2 + 3 + 4 + 5

dimana :

— =

 K = konduktivitas bahan (W/m K)

 t = tebal isolasi (m)

 A = luas penampang isolasi (m2)

— _∆ = − _∞

 Tpm sisi bawah = 36,704oC = 309,704 K

 _∞ = 28,491oC = 301,491 K

(75)

— ₁=

Q = 309,704 − 301,491

1,32 + 0,44 + 0,085 + 0,079 + 0,079294

Q = 4,09 = 353804,67

4.2.2.3.3 Perhitungan Kerugian Panas yang Hilang Pada Sisi Samping

Kolektor (QE)

Menghitung kerugian panas yang hilang pada sisi bagian samping kolektor

(76)

 Tpm sisi samping = 39,9115oC = 312,912 K

Q_� = 312,912 − 301,491

3,06 + 0,99 + 0,19 + 0,09 + 0,0918

Q_� = 2,58 = 223158,66

Maka total nilai panas yang hilang dari seluruh bagian kolektor adalah

Q = Q + Q + Q_�

Q = 3867822,93 J + 353804,67 J + 223158,66 J Q = 4444786,26 J

Q = 4,444 MJ

Kesetimbangan energi pada pengujian I kolektor sudut 30o dapat dihitung sebagai berikut :

= QL

(77)

Dengan bantuan microsoft excel menggunakan cara perhitungan yang sama maka

diperoleh total nilai intensitas radiasi matahari yang masuk pada kolektor 30o (Qit),

total nilai panas yang diserap kolektor 30o (S), total nilai panas yang hilang dari kolektor 30o (QL) pada pengujian II dan pengujian III yang dilampirkan pada tabel

4.14 :

Tabel 4.14 Hasil perhitungan Qit, S, dan QL pada pengujian I, II, dan III

kolektor 30o

Qit (J) S (J) QL (J)

Pengujian I 8407287,501 4584633,14 4444786,26

Pengujian II 8426850,019 5078198,73 4923798,33

Pengujian III 5378121,127 3159509,72 3114245,67

4.3 Energi Panas Aktual yang Digunakan untuk Proses Desorpsi (Qic)

4.3.1 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor Sudut 0ountuk Proses

Desorpsi

Energi panas yang digunakan kolektor untuk mendesorpsi metanol dari

karbon aktif dievaluasi melalui persamaan sebagai berikut:

= . + ∆ +

dimana:

Qic = energi panas aktual yang digunakan kolektor untuk proses desorpsi (J)

mac = massa karbon aktif dalam kolektor (kg)

mr = massa refrigeran (metanol) dalam kolektor yang teradsorpsi (kg)

Cpac = panas spesifik karbon aktif (J/kg K)

(78)

∆ = temperatur pemanasan (dievaluasi pada temperatur rata-rata

kolektor maksimal selama waktu pemanasan optimum (oK)

hsg = entalphy perubahan fasa metanol selama proses desorpsi (KJ/Kg)

mrhsg = total energi perubahan fasa refrigeran (metanol) dalam kolektor (J)

Sehingga total energi panas pada kolektor yang digunakan untuk proses

desorpsi pada setiap pengujian ditunjukkan pada tabel berikut ini:

Tabel 4.15 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor 0o untuk Proses Desorpsi (Qic) pada Pengujian I, II dan III

Pengujian

Total energi panas yang digunakan pada kolektor 30o untuk proses desorpsi pada setiap pengujian I,II, dan III ditunjukkan pada tabel berikut ini:

Tabel 4.16 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor 30o untuk Proses Desorpsi (Qic) pada Pengujian I, II dan III

(79)

4.4 Kesetimbangan Energi

Kesetimbangan energi dapat dihitung dengan rumus :

Panas yang diserap (S) = panas yang keluar (QL)

Dimana : - S = nilai panas yang diserap kolektor (J)

- QL = QT + QB + QE (J)

Gambar 4.2 Kesetimbangan Energi Kolektor

4.4.1 Kesetimbangan Energi pada Kolektor 0o

Untuk hasil penelitian pada kolektor 0o dapat dilihat dari tabel 4.10. Pengujian I

Gambar 4.3 Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 0o

S = 8503276,96 J

QE = 419559,98 J

QB = 768401,88 J

QT = 7257510,57 J

BUSA KARET

t TRIPLEK

S (J)

QE (J)

QB (J)

QT (J)

BUSA HITAM

(80)

Pada pengujian I diperoleh nilai S = 8503276,96 J dan nilai QL = 8445472,42 J

maka kesetimbangan energi :

S = QL

8503276,96 J = 8445472,42 J

Pengujian II

Gambar 4.4 Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 0o

Pada pengujian II diperoleh nilai S = 7799224,82 J dan nilai QL = 7704430,45 J

S = QL

7799224,82 J = 7704430,45 J

Pengujian III

Gambar 4.5 Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 0o

S = 7799224,82 J

QE = 387249,25 J

QB = 710115,95 J

QT = 6562473,49 J

S = 8472586,28 J

QE = 413482,98 J

QB = 745897,61 J

QT = 7198268,27 J

BUSA HITAM

TRIPLEK

BUSA HITAM

(81)

Pada pengujian III diperoleh nilai S = 8472586,28 J dan nilai QL = 8357648,86 J

S = QL

8472586,28 J = 8357648,86 J

4.4.2 Kesetimbangan Energi pada Kolektor 30o

Untuk hasil penelitian pada kolektor 30o dapat dilihat dari tabel 4.14. Pengujian I

Gambar 4.6 Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 30o

Pada pengujian I diperoleh nilai S = 4584633,14 J dan nilai QL = 4444786,26 J

S = QL

4584633,14 J = 4444786,26 J

Pengujian II

Gambar 4.7 Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 30o

S = 4584633,14 J

QE = 223158,66 J

QB = 353804,67 J

QT = 3867822,93 J

S = 5078198,73 J

QE = 250085,04 J

QB = 410360,26 J

QT = 4263353,03 J

BUSA HITAM

t TRIPLEKK

BUSA HITAM

(82)

Pada pengujian II diperoleh nilai S = 5078198,73 J dan nilai QL = 4923798,33J

S = QL

5078198,73 J = 4923798,33J

Pengujian III

Gambar 4.8 Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 30o

Pada pengujian III diperoleh nilai S = 3159509,72 J dan nilai QL = 3114245,67 J

S = QL

3159509,72 J = 3114245,67 J

4.5 Efisiensi Kolektor

Efisiensi kolektor dihitung dengan memperhitungkan kondisi kolektor kosong

tanpa karbon aktif dan kondisi kolektor berisi karbon aktif. Rumus perhitungan

untuk kedua kondisi kolektor sebagai berikut :

— Efisiensi kolektor kosong dapat dihitung dengan rumus :

=

dimana :

S = 3159509,72 J

QE = 170351,32 J

QB = 2995950,09 J

QT = 2647944,27 J

BUSA HITAM

(83)

S = panas yang diserap kolektor (J)

Qrad = panas yang diterima kolektor (J)

— Efisiensi kolektor berisi karbon aktif dapat dihitung dengan rumus :

=

dimana :

Qic = panas yang digunakan kolektor untuk proses desorpsi (J)

Qit = panas yang diterima kolektor sampai pemanasan optimum (J)

4.5.1 Efisiensi Kolektor Kosong (tidak memperhitungkan massa karbon

aktif)

4.5.1.1 Kolektor Sudut 0o

Pengujian I

Dari tabel 4.10 nilai S = 8503276,96 J dan nilai Qrad = 13607712 J maka

= 8503276,96 J

13607712 J = 0,6248 = 62,48%

Pengujian II

= 7799224,82 J

12008412 J = 0,6494 = 64,94% Pengujian III

= 8472586,28 J

(84)

4.5.1.2 Kolektor Sudut 30o

Pengujian I

Dari tabel 4.14 nilai S = 4584633,14 J dan nilai Qrad = 8407287,501 J maka

= 4584633,14 J

8407287,501 J = 0,5453 = 54,53%

Pengujian II

Dari tabel 4.14 nilai S = 5078198,73 J dan nilai Qrad = 8426850,019 J maka

= 5078198,73 J

8426850,019 J= 0,6026 = 60,26%

Pengujian III

Dari tabel 4.14 nilai S = 3159509,72J dan nilai Qrad = 5378121,127 J maka

= 3159509,72 J

5378121,127 J= 0,5874 = 58,74%

4.5.2 Efisiensi Kolektor Berisi Karbon Aktif

Pengujian I

Dari tabel 4.10 nilai Qic = 2287248,84 J dan nilai Qit = 7781387,63 J maka

= 2287248,84 J

7781387,63 J = 0,2939 = 29,39%

Pengujian II

Dari tabel 4.10 nilai Qic = 2216370,68J dan nilai Qit = 6704154,21 J maka

= 2216370,68 J

(85)

Pengujian III

Dari tabel 4.10 nilai Qic = 1954702,25J dan nilai Qit = 5437536,05 J maka

=1954702,25 J

5437536,05 J= 0,3594 = 35,94%

Pengujian I

= 1625943,78 J

5292113,45 J = 0,3072 = 30,72%

Pengujian II

=1837234,56 J

6627713,14 J= 0,2772 = 27,72%

Pengujian III

= 962828,81 J

(86)

4.6 Analisa Grafik

4.6.1 Data HOBO

Penelitian dilakukan di Laboratorium Pendingin Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara. Proses penelitian ini juga berkaitan dengan data

HOBO yang terdapat pada lampiran. Karena selama proses penelitian dilakukan,

sumber tenaga yang digunakan untuk menggerakkan sistem adalah panas

matahari, dimana HOBO digunakan untuk mengukur intensitas radiasi matahari.

Pengujian kolektor dengan sudut 0o dilakukan pada tanggal 16 November 2015 - 18 November 2015 dan pengujian kolektor dengan kemiringan sudut 30o dilakukan pada tanggal 26 November 2015 - 28 November 2015. Berikut data

HOBO pada pengujian kolekor sudut 0o dan kolekor sudut 30o.

a. Grafik Temperatur Lingkungan Kolektor Sudut 0o

Gambar 4.9 Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor 0o 0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00

T

(87)

b. Grafik Temperatur Lingkungan Kolektor Sudut 30o

Gambar 4.10 Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor 30o

c. Grafik Intensitas Radiasi Matahari pada Kolektor Sudut 0o terhadap Waktu Pengujian.

Gambar 4.11 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 0o

0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00

T

Pengujian I Pengujian II Pengujian III

0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00

In

(88)

d. Grafik Intensitas Radiasi Matahari pada Kolektor Sudut 30o terhadap Waktu Pengujian.

Gambar 4.12 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 30o

4.6.2 Hasil Perhitungan Analisa Data Kolektor Sudut 0o dan Kolektor 30o

a. Data Temperatur Rata - rata Plat Adsorber dari Hasil Pengujian

Data yang digunakan untuk nilai temperatur rata - rata plat adsorber diperoleh

dari data logger yang diuji pada tanggal 16 November 2015 - 18 November 2015

untuk kolektor sudut 0o dan tanggal 26 November 2015 - 28 November 2015 untuk kolektor sudut 30o. Temperatur rata - rata plat adsorber digunakan sebagai salah satu parameter untuk :

- menghitung jumlah panas yang masuk pada kolektor

- menghitung jumlah panas yang hilang dari kolektor

- menghitung jumlah panas yang diserap plat adsorber

0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00

T

(89)

Berikut ini adalah data temperatur rata -rata plat pada kolektor dengan sudut 0o dan kolektor dengan sudut 30o yang ditampilkan pada grafik 4.13 dan grafik 4.14 berikut.

Gambar 4.13 Grafik Temperatur Rata - rata Plat Adsorber Kolektor 0o

Gambar 4.14 Grafik Temperatur Rata - rata Plat Adsorber Kolektor 30o 0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00

T

Pengujian I Pengujian II Pengujian III

0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00

T

(90)

b. Data Perhitungan Jumlah Panas yang Masuk ke dalam Kolektor (Qit)

Data perhitungan jumlah panas yang masuk ke dalam kolektor diperoleh dari

hasil perhitungan pada sub bab 4.2. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai jumlah

panas yang masuk ke dalam kolektor tiap 60 menit. Data dari hasil perhitungan

tersebut ditampilkan pada grafik 4.15 dan grafik 4.16 berikut.

Gambar 4.15 Grafik Jumlah Panas yang Masuk ke Kolektor 0o

(91)

c. Data Perhitungan Jumlah Panas yang Diserap Kolektor (S)

Data perhitungan jumlah panas yang diserap kolektor diperoleh dari hasil

perhitungan pada sub bab 4.2. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai jumlah panas

yang hilang/keluar ke dalam kolektor tiap 60 menit. Data dari hasil perhitungan

tersebut ditampilkan pada grafik 4.17 dan grafik 4.18 berikut.

Gambar 4.17 Grafik jumlah panas yang diserap kolektor 0o

Gambar 4.18 Grafik jumlah panas yang diserap kolektor 30o

(92)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian dan analisa data yang dilakukan dapat disimpulkan:

1. Berdasarkan hasil yang diperoleh dari penelitian menunjukkan bahwa

total jumlah panas yang dapat diserap pada kolektor 0o dan kolektor 30o adalah :

Kolektor Sudut 0o Kolektor Sudut 30o

Pengujian I 8503276,96 J 4584633,14 J

Pengujian II 7799224,82 J 5078198,73 J

Pengujian III 8472586,28 J 3159509,72 J

2. Total jumlah panas yang hilang dari kolektor 0o dan kolektor 30o adalah:

Pengujian I 8445472,42 J 4444786,26 J

Pengujian II 7704430,45 J 4923798,33 J

Pengujian III 8357648,86 J 3114245,67 J

3. Jumlah panas yang digunakan kolektor untuk proses desorpsi adalah :

Pengujian I 2287248,84 J 1625943,78 J

Pengujian II 2216370,68 J 1837234,56 J

(93)

4. Efisiensi kolektor :

Pengujian I 62,48% 29,39% 54,53% 30,72%

Pengujian II 64,94% 33,05% 60,26% 27,72%

Pengujian III 65,67% 35,94% 58,74% `18,72%

Efisiensi kolektor lebih tinggi pada kolektor 0o dikarenakan pada pengujian kolektor 0o mendapat intensitas matahari yang lebih tinggi.

5.2. Saran

Untuk keberhasilan penelitian selanjutnya, maka penulis menyarankan:

1. Untuk mendapatkan kinerja kolektor maksimal maka pengujian

dilakukan pada kondisi matahari cerah.

2. Perlu dilakukan perhitungan titik kritis isolasi agar panas yang dicapai

dapat maksimal sesuai dengan kesetimbangan energi.

3. Untuk memaksimalkan proses adsorpsi pada malam hari di kolektor,

dapat dilakukan proses pendinginan dengan membuka lapisan kaca

pada kolektor di malam hari.

4. Kotak pelat adsorber sebaiknya ditutup rapat – rapat dan dilakukan

pengeleman pada tiap celah yang kosong supaya tidak terjadi

kehilangan panas pada pelat adsorber.

5. Disarankan pengadaan pompa vakum yang dapat memberikan tekanan

(94)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Surya

Energi surya adalah energi yang didapat dengan mengubah energi panas

surya (matahari) melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk

lain. Sumber energi surya yang utama diperoleh dari matahari, matahari

memancarkan energi yang besar ke permukaan bumi. . Energi matahari dapat

dipresentasikan dalam parameter intensitas radiasi yaitu jumlah daya matahari

yang datang pada suatu permukaan persatuan luas area. Pada keadaan cuaca cerah,

permukaan bumi menyerap sekitar 1000 watt energi matahari permeter persegi.

Kurang dari 30% energi tersebut dipantulkan kembali ke angkasa, 47%

dikonversikan menjadi panas, 23% digunakan untuk seluruh sirkulasi kerja yang

terdapat di atas permukaan bumi, sebagian kecil 0,25% ditampung angin,

gelombang dan arus dan masih ada bagian yang sangat kecil 0,025% disimpan

melalui proses fotosintesis di dalam tumbuh-tumbuhan yang akhirnya digunakan

dalam proses pembentukan batu bara dan minyak bumi (bahan bakar fosil, proses

fotosintesis yang memakan jutaan tahun) yang saat ini digunakan secara ekstensif

dan eksploratif. Bukan hanya untuk bahan bakar tetapi juga untuk bahan pembuat

plastik, formika, bahan sintesis lainnya. Sehingga bisa dikatakan bahwa sumber

segala energi adalah energi matahari[1].

Suatu teori yang akhir-akhir ini dapat diterima para ahli mengatakan

bahwa radiasi gelombang elektromagnetik merupakan kombinasi dari gelombang

(95)

yang menumbuhkan partikel-partikel energi dalam bentuk foton. Gelombang

energi yang memancar melalui ruangan angkasa memberikan pancaran radiasi

dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Radiasi gelombang

elektromagnetik dikelompokkan pada panjang gelombang yang memberikan

rangsangan energi yang lebih besar dimana semakin pendek panjang

gelombangnya semakin besar energinya. Radiasi yang akan dipancarkan melalui

permukaan matahari mempunyai variasi panjang gelombang dari yang paling

panjang (gelombang radio) sampai yang paling pendek (gelombang sinar X dan

sinar gamma).

Jarak rata-rata antara bumi dengan matahari RBM = 1,49 x1011,sedangkan

besar rapat radiasi adalah:

2 kalori cm2/menit = 2 langleys/menit

= 2 x 104 kalori/m2 menit

= 1/3 x 103 kalori/m2 dt.

Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik.

Radiasi tersebut hanya sekitar 50% yang dapat diserap oleh bumi. Menurut

pengukuran yang dilakukan oleh badan luar angkasa Amerika Serikat NASA

(National Aeronautics and Space Administration) melalui misi ruang angkasanya

pada tahun 1971,diperoleh data tentang besaran konstanta matahari yang harganya

sama dengan 1353 Watt/m2. Dari besaran tersebut 7,85% atau 105,8 Watt/m2

dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,33% atau 640.4 Watt/m2 dipancarkan

(96)

Watt/m2 dipancarkan oleh sinar infra merah.

Pada dasarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sinar matahari

mempunyai besaran yang tetap (konstan),tetapi karena lintasan bumi berbentuk

ellips maka jarak dari matahari ke bumi tidak konstan. Jarak terdekat 1,47 x 1011 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh 1.52 x 1011 m pada 4 juli. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni sekitar 4.8 KWh/m2atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp.Energi

matahari dapat dimanfaatkan dengan berbagai cara salah satunya menjadi kolektor

surya yang dapat menyimpan panas sesuai dengan ukuran kolektor yang dibuat.

Penyimpanan panas pada kolektor sangat bergantung pada kondisi matahari.

Semakin panas matahari maka semakin banyak panas yang terserap. Kolektor

surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin angin besar)

sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya memiliki

umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannyasangat rendah karena tidak ada

bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk diinstal.

2.2 Kolektor Surya

Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang

menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai

sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa adsorber pada kolektor

surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan

sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas

tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya

(97)

Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen

utama, yaitu [2] :

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

lingkungan

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

3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .

4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari

adsorber menuju lingkungan

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

2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya

Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar

Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian

kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.

A. Kolektor Plat Datar

Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan

fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi

radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak,

oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran

dibawah 95°C dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk

memanaskan udara dan air.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa

memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan

(98)

desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya

pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk

memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses

pemanasan dalam industri [2].

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada

temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari adsorber-nya

yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal

tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar

memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar ( beam dan diffuse ),

tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit

perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk

pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri.

Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain;

transparent cover, adsorber, insulasi, dan kerangka.

Gambar 2.1 Kolektor surya pelat datar sederhana

(99)

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada

temperatur antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu

memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga

dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh adsorber.

Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang

terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen

adsorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus dan

Point Focus.

Gambar 2.2 Kolektor Konsentrator[12]

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung adsorber,

concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking.

Temperatur fluida melebihi 400 oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.

B. Kolektor Tabung Vakum

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi

dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya

terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi dan faktor kehilangan

(100)

diantara adsorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga

mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari

permukaan luar adsorber menuju lingkungan.

Gambar 2.3 Kolektor Tabung Vakum[13]

2.2.2 Manfaat kolektor surya

Kolektor surya dewasa ini mulai diterapkan diberbagai bidang seperti

bidang pertanian, Industri, dan teknologi. Dibidang pertanian manfaat kolektor

surya sama sama kita ketahui yaitu sebagai media pengeringan untuk hasil

pertanian, penggunaannya sangat efektif dan efesien walaupun memerlukan waktu

yang lama, tetapi sangat hemat baik dari segi tenaga maupun biaya, untuk

kedepan tidak mustahil permasalahan waktu akan ditemukan solusinya.

Dibidang Industri Koektor surya pun sudah mulai dikembangkan seperti

negara Jerman yang memanfaatkan tenaga matahari sebagai bahan bakar untuk

kendaraan atau yang biasa disebut mobil dengan tenaga surya prinsipnya ialah

mengubah tenaga matahari menjadi energi listrik, hal ini sungguh merupakan

penemuan yang mutakhir dibidang industri. Kita mengetahui bahwa bahan bakar

(101)

sebagai bahan bakar mungkin untuk masa yang akan datang dapat menyelesaikan

permasalahn ini.

Dibidang teknologi tenaga listrik dapat dihasilkan dari kolektor surya

listrik merupakan kebutuhan masyarakat, penggunaan tenaga matahari sebagai

bahan yang menggubah sinar menjadi energi listrik patut dikembangkan, seperti

yang pernah diterapkan oleh pemerintah pada tahun 2002 di daerah Bireun, Aceh

Utara, pemerintah mencoba memberikan listrik tenaga surya bagi masyarakat

setempat, tetapi karena peralatan yang tidak mencukupi dan tidak memadai maka

proyek ini hanya berjalan ditempat, Output dari tenaga matahari tersebut hanya

menghasilkan tenaga sebesar 10 – 20 volt dalam semalam. Padahal kalau jika

dikembangkan dan diadakan penelitian lebih lanjut kemungkinan besar akan

berhasil, tetapi mungkin mengingat dana yang juga sangat besar mungkin

pemerintah menunda dulu proyek tersebut. Tetapi pada intinya tenaga surya bisa

bermanfaat dan dapat menghasilkan listrik[9].

2.3. Mesin Pendingin Adsorpsi

2.3.1. Siklus Ideal Mesin Pendingin Adsorpsi

Adsorpsi dan desorpsi merupakan suatu proses yang dapat berlangsung

secara reversibel. Adsorpsi merupakan proses exothermic dimana adsorben

(padatan) dan adsorbat (fluida) melepaskan panas sehingga menyebabkan

penurunan pergerakan molekul adsorbat yang mengakibatkan adsorbat tersebut

menempel pada permukaan adsorben dan membentuk suatu lapisan tipis[3].

Ketika panas diberikan kepada sistem tersebut maka pergerakan molekul

(102)

energi kinetik molekul adsorbat yang cukup untuk merusak gaya van der Waals

antara adsorben dan adsorbat. Proses pelepasan adsorbat dari adsorben disebut

sebagai proses desorpsi, dimana proses ini membutuhkan energi panas sehingga

disebut proses endothermic. Jumlah adsorbat yang terkandung didalam adsorban

dapat digambarkan oleh garis isosters pada diagram tekanan vs temperatur (Ln P

vs -1/T) seperti pada gambar 2.4.

Gambar 2.4 Diagram Tekanan vs Temperatur sebagai Penunjuk Garis Isoster [3]

Mesin pendingin ini membutuhkan energi panas yaitu energi radiasi

matahari yang digunakan sebagi energi untuk berlangsungnya proses pendinginan.

Siklus pendingin adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.5. Sistem pendingin

adsorpsi ini terdiri atas empat proses yang dapat dijelaskan sebagai berikut.

(103)

1. Proses Pemanasan (Pemberian Tekanan)

Pada gambar 2.5 menjelaskan bahwa proses pemanasan dimulai dari titik A

dimana adsorbent berada pada temperatur rendah TA dan pada tekanan rendah

Pe (tekanan evaporator). Proses ini berlangsung pada siang hari,proses A ke B:

Adsorber menerima panas sehingga temperatur adsorber meningkat dan diikuti

oleh peningkatan tekanan Selama proses ini tidak ada aliran metanol yang

masuk maupun keluar dari adsorber.

2. Proses Desorpsi

Pada gambar 2.5 menjelaskan proses desorpsi berlangsung pada waktu panas

diberikan dari titik B ke D sehingga adsorber mengalami peningkatan

temperatur yang menyebabkan timbulnya uap desorpsi. Sehingga, sehingga

adsorbat yang berada pada adsorben dalam bentuk gas mengalir ke kondensor

untuk mengalami proses kondensasi menjadi cair dan mengalir ke kondensor.

3. Proses Pendinginan (Penurunan Tekanan)

Pada gambar 2.5 menjelaskan proses pendinginan berlangsung dari titik D ke F

yang berlangsung pada malam hari, adsorber melepaskan panas dengan cara

didinginkan sehingga suhu di adsorber turun dan diikuti oleh penurunan tekanan

dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi.

4. Proses Adsorpsi

Pada gambar 2.5 menjelaskan proses adsorpsi berlangsung dari titik F ke A,

Adsorber terus melepaskan panas sehingga adsorber mengalami penurunan

temperatur dan tekanan yang menyebabkan timbulnya uap adsorpsi. Adsorbat

dalam bentuk uap dihasilkan dari proses penyerapan kalor oleh adsorbat dari air

(104)

2.3.2. Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi

Perkembangan mutkahir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua

masalah besar dalam lingkungan, yakni penipisan lapisan ozon dan pemanasan

global. Sifat merusak ozon dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan yaitu

CFCs (ChloroFluoro Carbons). (Molina dan Rowland 1974, diacu dalam

Indartono 2006). Setelah keadaan penipisan ozon dilapisan atmosfer diverisifikasi

secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang

penggunaan zat-zat perusak disepakati pada tahun 1987 yang terkenal dengan

sebutan Protokol Montreal.

Penggunaan CFCs dan HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons)

merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan

masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara – negara maju. Sedangkan untuk

negara – Negara berkembang dijadwalkan untuk dihapus (phase- out) pada tahun

2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell dalam Indartono, 2006). Pada tahun

1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab

rumah kaca, termasuk HCFCs.

Munculnya beberapa permasalahan pada refrigerasi siklus kompresi uap

dalam dekade belakangan ini membuat para peneliti berusaha memunculkan

sistem refrigerasi alternatif yang tidak mengandung permasalahan serupa.

Teknologi alternatif tersebut diantaranya adalah refrigerasi sistem adsorpsi

padatan (solid adsorption). Sistem adsorpsi padatan ini tidak menggunakan

refrigeran yang merusak ozon, serta bisa memanfaatkan matahari dan panas

buangan .

(105)

pendinginan yang dapat digunakan jika sumber listrik tidak ada dan sebagai

pengganti refrigeran yang tidak ramah lingkungan. Metode pendinginan ini

memerlukan sumber energi panas sebagai penghasil siklus pendinginan. Sumber

energi tersebut dapat diperoleh dari biomassa, energi radiasi surya, maupun panas

buangan.

Perkembangan mesin ini telah dikenal pada tahun 1980 sampai sekarang,

dimana M. Pons dan J.J. Guilleminot (1981) membuat alat mesin pendingin

dengan menggunakan pasangan Zeolit – air dan pasanganan karbon aktif –

metanol. Sokoda dan Suzuki (1984) dan Critoph et al (1988) melakukan studi

kinerja siklus adsorpsi untuk pendingin surya. Vichan Tangkengsirin et al (1997)

menggunakan pasangan silicagel – air dan sumber panas dari energi surya.

Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin

solar adsorpsi menggunakan zeolit dan air, diperoleh energi pendingin sebesar

350 kJ/kg zeolit dan COP 8 %. K Sumanthy (1999) melakukan percobaan alat

pendingin solar energi dengan pasangan karbon aktif -methanol, dan berhasil

membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0,92 m2.

Hildrand C, Dind P., Pons M., Butchter F.(2001), melakukan penelitian

pada mesin pendingin menggunakan silica gel – water dengan sumber panas

kolektor surya dengan luas 2 m2 mendapatkan harga COP antara 0.10 sampai

0.25. Sedangkan Wang D.C, Xia Z.Z, Zhai H, Wang R.Z dan Dou W.D.(2005),

melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi menggunakan silica gel dan air,

diperoleh Kapasitas pendinginan dan COP sebesar 7,15 kW dan 0,38.

Beberapa penelitian pada sistem pendingin adsorpsi telah dilakukan di

(106)

melakukan penelitian mesin pendingin adsorpsi dengan menggunakan silicagel –

metanol dengan pembangkitan panas dari listrik, dari hasil penelitian dengan 3

kali pengujian dengan tekanan awal sebesar 5,4 kPa diperoleh temperature

evaporator 10 °C dengan pemanasan pada generator sebesar 72°C. Pada saat

proses desorpsi yang berlangsung selama 7 jam, temperatur evaporator meningkat

menjadi 26 °C dengan lama proses selama 2 jam. Sedangkan pendinginan dengan

menggunakan beban pendinginan dan tekanan awal 0.11 kPa (0.88 mmHg) dan

suhu evaporator sebesar 24°C menurun menjadi 10°C dan terus meningkat karena

adanya beban pendinginan air pada chiller dan berlangsung selama 7 jam yang

mencapai 26°C. Pendinginan menghasilkan selisih 1.5 - 2°C perbedaan suhu yang

masuk dan keluar dari evaporator.

Selain itu penelitian untuk melihat kinerja alat pendingin adsorpsi juga

dilakukan oleh Setiono B, (2005) dimana hasil yang didapatkan menunjukkan

besaran temperatur di evaporator 9.7°C pada tekanan 26.1 torr (3.48 kPa) tanpa

menggunakan beban pendinginan, sedangkan dengan menggunakan beban

pendinginan didapatkan suhu evaporator sebesar 13.5°C pada tekanan 38.7 torr

(5.16 kPa) dan 13.4°C pada tekanan 45.1 torr (6.01 kPa). Pada percobaan yang

dilakukan ini berhasil menurunkan temperatur rata-rata 5°C. Tetapi pada

penelitian ini proses awal yang dilakukan adalah proses evaporasi-adsorpsi,

kemudian dilanjutkan dengan proses generasi-desorpsi[5].

2.4 Tinjauan Perpindahan Panas

Dalam perencanaan suatu alat dengan pemanfaatan tenaga surya perlu

(107)

Seperti ketika kolektor menerima panas dari matahari maka hal itu terjadi dengan

cara radiasi, kemudian panas dari pelat dan sisi kolektor berpindah secara

konveksi dan konduksi ke udara. Untuk lebih jelasnya dapat kita perhatikan

semua jenis perpindahan panas yang terjadi.

Gambar 2.6 Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar[6]

Perpindahan panas merupakan perpindahan energi dari suatu daerah ke

daerah lain yang terjadi karena perbedaan suhu. Panas ini akan mengalir dari

tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur

rendah hingga tercapai temperatur yang sama. Perpindahan panas secara garis

besar dapat dibagi menjadi 3 bagian :

a. Konduksi

b. Konveksi

(108)

2.4.1 Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir melalui suatu

bahan padat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih

rendah di dalam suatu medium (padat, cair atau gas). Peristiwa ini menyangkut

pertukaran energi pada tingat molekuler. Pegamatan gejala fisika dan serentetan

pemikiran telah menghasilkan laju aliran kalor untuk konduksi. Kepadatan aliran

(flux) energi perpindahan kalor secara konduksi disebuah batangan padat,

sebanding dengan beda suhu dan luas penampang serta berbanding terbalik

dengan panjangnya[7].

Pengamatan dibuktikan dengan serentetan percobaan sederhana. Fourter telah

memberikan sebuah model matematika untuk proses ini. Dalam hal satu dimensi,

model matematikanya yaitu :

q

= -

k .A . ... (2.1)

dimana :

q = 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)

Daya hantar termal merupakan suatu karakteristik dari bahan dan

perbandingan K/l disebut hantaran (konduktivitas) yang ditentukan oleh struktur

molekul bahan. Semakin rapat dan tersusun rapinya molekul-molekul yang

(109)

dibandingkan dengan susunan yang acak dan jarang yang pada umumnya terdapat

terdapat pada bahan bukan logam.

Persamaan untuk laju perpindahan kalor konduksi secara umum

dinyatakan dengan bentuk persamaan diferensial di bawah ini :

dx dT kA

q  ... (2.2)

Bahan yang mempunyai konduktifitas termal yang tinggi dinamakan

konduktor, sedangkan bahan yang konduktifitas termal rendah disebut isolator.

Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir

dalam bahan tertentu.

Gambar 2.7 perpindahan panas pada isolasi kolektor surya

Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pendingin tenaga surya terjadi

pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwool, sterofoam,busa hitam dan

kayu. Energi panas hilang (Qloss) dan berpindah dari ruang dalam kolektor

menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan).

2.4.2 Konveksi

Perpindahan kalor konveksi bergantung pada konduksi antara permukaan

benda padat dengan fluida terdekat yang bergerak. Persamaan laju perpindahan