PENGEMBANGAN DAN STUDI TABUNG SOLAR KOLE

(1)

PENGEMBANGAN DAN STUDI TABUNG SOLAR KOLEKTOR DENGAN PIPA KALOR GANDA UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI

SOLAR WATER HEATER Stephanie Rawi

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424 Indonesia

ABSTRAK

Krisis Energi telah menjadi salah satu dari masalah besar di Dunia sekarang. Penggunaan energi terbaukan harus dikembangkan. Untuk mencegah eksplorasi berlebihan dari penggunaan sumber energi tak terbarukan, energi Matahari dapat menjadi solusi yang menjanjikan. Salah satu alat yang dapat memanfaatkan energi Matahari adalah tabung solar kolektor. Tabung solar kolektor memanfaatkan teknologi vakum untuk mengurangi kalor yang hilang dan meningkatkan performanya. Efek dari vakum terhadap tabung solar kolektor dengan pipa kalor ganda dipelajari dan diinvestigasi secara eksperimen berdasarkan perbedaan kalor yang hilang dari 2 jenis tabung solar kolektor, yang divakum dan yang tidak. Eksperimen ini menggunakan lampu halogen dengan 68.8 Watt sebagai simulator dari Matahari berdasarkan karakterisasi di atas atap gedung Engineering Center. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa terdapat perbedaan dari temperatur maksimum dan juga waktu mencapai steady state. Untuk mencapai suatu keadaan steady, tabung kolektor yang telah divakum memerlukan waktu mencapai 13500 sekon sedangkan tabung yang tidak divakum hanya memerlukan waktu 10000 sekon. Prototipe yang telah divakum memiliki temperatur pada keadaan steady 2.09o_{C lebih tinggi dibandingkan dengan tabung} yang tidak divakum. Pengurangan tekanan dari tabung vakum kolektor Hasil dari eksperimen menunjukkan bahwa tabung kolektor yang telah divakum memiliki performa yang lebih baik dimana dapat dilihat pada temperatur puncak, waktu steady, dan juga kalor yang hilang dimana efisiensinya dapat mencapai 41.58 % dengan sistem yang telah didesain.

Kata Kunci: Solar Kolektor,Energy Terbarukan,Pipa Kalor, Vakum

ABSTRACT

(2)

corresponded with peak temperature, steady time, and heat loss since vacuumed solar collector has higher efficiency which reach 41.58% at designed system.

Keywords: Solar Collector,Renewable Energy,Heat Pipe, Vacuum

PENDAHULUAN

Keperluan akan energi selalu meningkat setiap tahunnya ditandai dengan peningkatan jumlah penduduk di dunia. Emisi karbon dioksida yang disebabkan karena konsumsi energi adalah penyebab utama dari pemanasan global. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Sari dan kawan-kawan, emisi karbon dioksida di Indonesia setiap tahunnya pada bidang pertanian, energi terbuang dan lainnya mencapai angka 451 juta tons karbon dioksida [1]. Sumber energi matahari memiliki potensi yang besar sebagai sumber energi terbarukan untuk mengurangi pemanasan global di Indonesia. Indonesia merupakan negara yang memiliki iklim tropis. Negara yang akan sumber daya alam ini menerima radiasi energi Matahari yang tinggi setiap harinya. Energi tersebut dapat mencapai 4 kWh/m2_{setiap harinya [2]. Potensi energi Matahari yang besar itu tentu dapat} dimanfaatkan sebagai sumber energi di Indonesia. Tetapi sayangnya pemanfaatan sumber energi Matahari di Indonesia masih sangat rendah dan belum dikembangkan secara maksimal. Pemanfaatan energi Matahari di Indonesia baru mencapai angka 5 % dari total sumber energi Matahari yang dapat dimanfaatkan.

Alat yang dapat mengumpulan energi matahari adalah solar kolektor. Solar kolektor ada dua jenis secara umum yaitu jenis kolektor dengan pelat datar dan kolektor dengan tabung vakum. Solar kolektor tabung vakum memiliki performa yang lebih baik dibandingkan dengan kolektor tipe pelat datar berdasarkan kalor yang hilang [3]. Dengan pengurangan kalor yang hilang dikarenakan vakum, tabung kolektor memiliki efisiensi yang lebih besar pada temperatur ambien udara yang lebih rendah. Banyak sekali investigasi yang dilakukan untuk meneliti mengenai karakterisasi dari performa secara keseluruhan dari solar kolektor dengan tabung vakum. Penelitian – penelitian yang telah dilakukan oleh para ahli menunjukkan bahwa efisiensi total dari tabung vakum solar kolektor mencapai angka 50 – 60 % [4-6].

(3)

oleh fluida kerja. Cairan yang telah dikondensasi akan kembali menuju evaporator dikarenakan adanya perbedaan tekanan kapilaritas [9]. Pipa kalor biasanya menggunakan media berporos yang disebut wick. Wick ini digunakan untuk meningkatkan performa dalam menghantarkan panas. Performa pipa kalor maksimum ketika memiliki lapisan wick mencapai tiga lapis [10].

Performa dari tabung vakum solar kolektor sangat tergantung pada kualitas dari vakum. Kualitas dari vakum akan mempengaruhi kemampuan perpindahan panas di dalam tabung vakum solar kolektor [11]. Insulasi perpindahan panas secara konveksi akan meningkatkan performa dari tabung vakum solar kolektor [12]. Para ahli telah menemukan bahwa tekanan gas di dalam tabung vakum akan meningkat ketika tabung vakum telah lama digunakan. Tekanan gas dari tabung vakum tersebut meningkat dikarenakan adanya kebocoran [13]. Tekanan di dalam tabung vakum solar kolektor harus sekitar 10-5_{mbar untuk menghilangkan semua} kalor yang hilang secara konveksi maupun konduksi.

TUJUAN

Penelitin ini memiliki tujuan untuk mempelajar efek dari vakum terhadap performa dari tabung solar kolektor dengan pipa kalor ganda. Performa solar kolektor yang meningkat akan meningkatkan performa dari solar water heater.

METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian

Tempat penelitian dilakukan adalah di Laboratorium Applied Heat Transfer Research Group, Gedung Engineering Center FT-UI. Penelitian ini dilakukan selama 3 bulan terhitung dari Agustus 2014 – November 2014.

Metode dan Model Penelitian

Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental/rekayasa. Penelitian ini diarahkan untuk membuktika hipotesa peneliti yang mengatakan bahwa vakum memiliki efek yang sangat besar terhadap performa dari tabung solar kolektor. Model penelitian yang digunakan adalah penelitian lapangan dimana dilakukan pengukuran terhadap beberapa variabel secara langsung. Data yang telah didapatkan akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik untuk diolah dan dianalisis

(4)

Variabel terikat dalam penelitian ini adalah tabung vakum dan tabung yang tidak vakum. Temperatur yang didapatkan dari kinerja tabung vakum dan tidak vakum inilah yang akan diolah dan dianalisis

2. Variabel Bebas

Variabel bebas yang digunakan dalam peneltian ini adalah perubahan temperatur. Perubahan temperatur berdasarkan dari intensitas cahaya lampu halogen.

Rancangan Solar Kolektor

Gambar 1. Desain Tabung Vakum Solar Kolektor

Tabung solar kolektor ini menggunakan pipa kalor yang terbuat dari tembaga. Pipa kalor tembaga tersebut memiliki diameter ¼”, panjang evaporator mencapai 47 cm, dan panjang dari zona adiabatic mencapai 9 cm. Total panjang dari pipa kalor dengan bagian kondensor dapat mencapai 63.6 cm. Pada bagian kondensor terdapat perbesaran diameter untuk meningkatkan perpindahan kalor. Wick terbuat dari stainless steel screen mesh wire dengan 200 mesh. Untuk fluida kerja digunakan aquades. Tabung vakum terbuat dari kaca dengan panjang mencapai 50.5 cm. Sisi akhir dari tabung vakum ditutup dengan silinder penyangga yang terbuat dari stainless steel dengan diameter 13 cm dan tebal 0.5 cm. Tabung divakum hingga -5 inchHg. Untuk meningkatkan perpindahan kalor, maka digunakanlah fin yang terbuat dari tembaga dengan tebal 1 mm yang dihubungkan dengan pipa kalor ganda yang telah disediakan .

(5)

Alat:

Kolam surya, pompa vakum, voltage regulator, laptop, NI DaQ, Modul NI 9111, dan Thermocouple

Bahan:

Tabung kaca, pantant tabung kaca, pipa kaor, akrilik dudukan solar kolektor, fluida air suling, dan screen mesh 250 stainless steel.

2) Rancangan Pengujian

Penelitian yang dilakukan ini menggunakan metode observasi. Dimana alat solar kolektor yang telah dibuat akan diuji secara langsung. Pengujian dilakukan dengan menggunakan modul NI 9111 dan juga software Labview 8.5. Pertama – tama alat solar kolektor dimasukkan kedalam kolam surya. Kolam surya diisolasi sedemikian rupa sehingga tidak ada kalor yang hilang ke lingkungan. Setelah itu lampu halogen yang telah terpasang dinyalakan. Pengambilan data akan dilakukan oleh komputer dengan software Labview. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 2. Skematik dari Eksperimen Teknik Pengumpulan dan Analisis Data

(6)

secara kualitatif ini akan disajikan dalam bentuk grafik. Grafik tersebut akan menunjukkan perbedaan dari tabung yang telah divakum dan yang tidak divakum

Meotde Penyimpulan/Penafsiran Penelitian

Metode penyimpulan peneltiian dapat dilakukan dengan menghitung performa dari alat yang telah diuji. Perbedaan temperatur dari pipa kalor bagian evaporator dan kondensor akan menunjukkan performa dari solar kolektor. Kalor yang telah dihitung nantinya aka ndibandingkan dan diobservasi berdasarkan dasar teori yang telah didapatkan

HASIL DAN DISKUSI

Untuk mendapatkan suatu data yang steady, maka penelitian dilakukan dengan menggunakan suatu kotak isolasi yang disebut kolam surya. Dari karakterisasi yang dilakukan di atap gedung, lampu halogen dengan 68.8 Watt digunakan sebagai simulator dari Matahari. Karakterisasi menunjukkan bahwa heat flux yang diserap prototipe sama dengan heat flux yang diserap ketika diuji di bawah Sinar Matahari secara langsung. Hal ini ditunjukkan dengan temperatur ambien yang sama dengan nilai mencapai 33o_C.

Dari gambar 3a dan 3b, ditunjukkan bahwa prototipe tabung solar kolektor yang telah divakum mencapai keadaan steady pada detik ke 13500 sedangkan tabung vakum solar kolektor yang tidak divakum mencapai keadaan steady pada detik ke 10000. Pada saat keadaan steady, temperatur pada ujung, tengah, awal evaporator dan kondensor menunjukkan angka 76.25o _C,74.54o_C,70.75o_{C, dan} 65.25o_{C untuk tabung solar kolektor yang tidak divakum. Perbedaan temperatur} pada ujung evaporator dan kondensor menunjukkan nilai 11o_{C, sedangkan untuk} tabung kolektor yang divakum perbedaan temperaturnya mencapai 13.61o_C. Temperatur pada keadaan steady untuk tabung vakum menunjukkan nilai 74.61o C, 72.8o_{C, 69.76}o_{C, dan 60.55}o_C.

(7)

Gambar 3. Hasil Penelitian : (a) Tabung Kolektor yang Telah Divakum (b) Tabung Kolektor yang Tidak Divakum

Kalor yang hilang dari sistem dapat dihitung dengan persamaan 1 dikarenakan temperatur pada dinding dalam dan dinding luar dari kotak isolasi / kolam surya diukur. Konduktivitas termal, ketebalan, dan area dari dinding yang terbuat dari styrofoam dan kayu diketahui. Dengan menggunakan informasi dari kalor yang hilang, efisiensi sistem dapat diketahui dengan persamaan ke 2, dan resistansi termal dari pipa kalor dapat diketahui dengan persamaan ke 3.

Q=k A

Efisiensi dari tabung kolektor yang telah divakum adalah 41.58 %. Nilai tersebut lebih tinggi dibandingkan dengan tabung kolektor yang tidak divakum dengan nilai efisiensi hanya 27.24 %. Prototipe tabung kolektor yang telah divakum memiliki performa yang lebih baik dibandingkan dengan tabung yang tidak divakum berdasarkan efisiensinya. Hasil tersebut mengindikasikan bahwa vakum merupakan salah satu faktor yang sangat menentukan performa dari solar kolektor. Tekanan gas yang terdapat didalam tabung kaca dikurangi hingga berada pada nilai dibawah tekanan atmosfer untuk mendapatkan pengurangan koefisien kalor yang hilang secara signifikan [14].

(8)

Temperatur maksimum dari tabung vakum lebih tinggi dibandingkan dengan tabung kolektor yang tidak divakum dikarenakan adanya pengurangan kalor yang hilang didalam tabung. Menurunkan konduktivitas termal dari medium perpindahan kalor akibat dari vakum menunjukkan bahwa objek yang lebih panas akan mempertahankan panasnya lebih lam dikarenakan adanya kenaikan temperatur maksimum [15]. Jika tekanan terus dikurangi dikarenakan vakum, maka aliran panas juga akan dikurangi. Mengaplikasikan vakum, konduksi gas akan ditekan dan konduksi hanya akan terjadi pada tabung dan pipa kalor dari tabung kolektor yang telah divakum [16]. Alhasil, tabung vakum memiliki kalor yang hilang lebih rendah.

KESIMPULAN

a. Tabung kolektor yang telah divakum memiliki performa yang lebih baik dibandingkan dengan tabung kolektor yang tidak divakum dengan efisiensi 41.58 %.

b. Waktu steady dari tabung vakum lebih lama dibandingkan dengan tabung yang tidak divakum

c. Perbedaan temperatur dari evaporator dan kondensor lebih tinggi pada tabung vakum dikarenakan pengurangan kalor yang hilang

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis ingin berterima kasih kepada DRPM Universitas Indonesia yang telah mendanai penelitian ini melalui “Peneltian Unggulan Perguruan Tinggi’.

REFERENSI

[1] Sari, Agus P.; Martha Maulidya; Ria N. Butarbutar; Rizka E. Sari; and Wisnu Rusmantoro ,Executive Summary: Indonesia and Climate Change –45 Working Paper on Current Status and Policies(2007).

[2] Indonesia energy outlook & statistic 2006. Depok, Indonesia: Energy Reviewer, University of Indonesia;2006.

[3] Vendan, Shunmuganathan, Manojkumar T., Thanu Shiva C., Study on design of an evacuated tube solar collector for high temperature steam generation, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering (2008), 2250-2459.

[4] Kim Y.,Seo T., Thermal performance comparisons of the glass evacuated tube solar collector with shapes of absorber tube, Renewable Energy 32 (2007), 772-795.

(9)

[6] Zhang X.R.,Yamaguchi H., An experimental study on evacuated tube solar collector using supercritical CO2, Applied Thermal Engineering 28 (2008), 1225-1233

[7] Chaudry Nasarullah H., Hughes Richard B., Ghani Abdul S., A review of heat pipe systems for heat recorvery and renewable energy applications,Renewable and sustainable energy reviews 16 (2012), 2249-2259.

[8] R. Kempers, A.J. Robinson, D. Ewing,C.Y. Ching, Characterization of evaporator and condenser thermal resistances of a screen mesh wicked heat pipe, International Jounal of Heat and Mass Transfer 51 (2008), 6039-6046.

[9] C. Charles, Roberts JR., A review of heat pipe liquid delivery concepts, Heat resources systems 1 (1981), 261-266.

[10] R. Kempers,D. Ewing, C.Y. Ching, Effect of number of mesh layers and fluid loading on the performance of screen mesh wicked heat pipes, Applied Thermal Engineering 26 (2006), 585-595.

[11] B.W. Abdul, B. Reiner, Z. Felix, Experimental and theoretical evaluation of the overall heat loss coefficient of vacuum tubes of a solar collector, Solar energy 85 (2011), 1447-1456.

[12] S.J. Mamouri, D.H. Gholami, Ghiasi M., Shafii M.B., Shiee Z., Experimental invenstigation of the effect of using thermosypohon heat pipes and vacuum glass on the performance of solar still, Energy 75 (2014), 501-507.

[13] Window,B., Harding G. L., Progress in the material science of all glass evacuated collectors, Solar Energy 32 (1984), 609-623.

[14] A. Siddharth, C. Shobhit, Udayakumar R., Ali M., Thermal analysis of evacuated solar tube collectors, Journal of petroleum and gas engineering 2 (2011), 74-82.

[15] Danielson Phil, Why create a vacuum, A journal of pratical and usefull vaccum technology (2012).

(10)

LAMPIRAN Lampiran 1. Biodata Ketua Kelompok

A. Identitas diri

1. Nama Lengkap Stephanie Rawi

2. Jenis Kelamin Perempuan

3. Program Studi Teknik Mesin

4. NIM 1306413580

5. Tempat dan Tanggal Lahir Bekasi, 25 Juni 1995

6. e-mail stephanierawi@yahoo.com

7. No. Telepon/HP 085714789800

B. Riwayat Pendidikan

SD SMP SMA

Nama Institusi SD Bunda Hati Kudus Cibubur

SMP Bunda Hati Kudus Cibubur

SMA Bunda Hati Kudus Cibubur

Jurusan IPA

Tahun masuk-lulus 2001-2007 2007-2010 2010-2013

C. Pemakalah Seminar Ilmiah (Oral Presentation)

No

. Nama Pertemuan Ilmiah/Seminar Judul Artikel Ilmiah Waktu dan Tempat

D. Penghargaan dalam 10 tahun terakhir

No

. Jenis Penghargaan Institusi PemberiPenghargaan Tempat

(11)

Kudus Cibubur 2010-2013 Kudus Cibubur

2 Juara 1 Mading 3D SINOFEST UI 2012 FIB UI UI Depok

3 Peserta OSN Fisika Kabupaten Bogor 2012 Kabupaten Bogor Bogor

4 Peserta Volunteering Exchange AIESEC 2015 AIESEC LC Timisoara

Romania

5 Juara 2 Debat Bahasa Indonesia OIM FTUI 2014 FT UI Depok

Semua data yang saya isikan dan tercantum dalam biodata ini adalah benar dan dapat dipertanggungjawabkan secara hukum. Apabila di kemudian hari ternyata dijumpai ketidaksesuaian dengan kenyataan, saya sanggup menerima sanksi.

Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam pengajuan program kreativitas mahasiswa-penelitian

Depok, 2 Maret 2015 Pengusul,

(12)

Lampiran 2. Biodata Anggota Kelompok 2.1 Biodata Anggota Kelompok ke-1

A. Identitas Diri

1. Nama Lengkap Amaranggana Novianti

4. NIM 1306368936

5. Tempat dan Tanggal Lahir Jakarta, 1 November 1994

6. e-mail amaranggana11@gmail.com

7. No. Telepon/HP 085692138088

B. Riwayat Pendidikan

SD SD SMP SMA

Nama Institusi SD Tunas Jakasampurna Bekasi

SDN Pondok Kelapa 05 Pagi Jakarta

SMPN 252 Jakarta

SMAN 71 Jakarta

Jurusan IPA

2010-2013

No .

(13)

No

. Jenis Penghargaan

Institusi Pemberi

Penghargaan Tempat 1 Peserta Latihan Dasar Kepemimpinan Siswa SMPN 252 Jakarta Jakarta

Timur

2 Peserta Orientasi Lapangan Pertolongan Pertama Palang Merah Indonesia

Jakarta Timur

3 Peserta Pendidikan dan Latihan Kepalangmerahan Palang Merah Indonesia

Jakarta Timur

Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam pengajuan program kreativitas mahasiswa-penelitian.

Depok, 2 Maret 2015 Anggota,

(14)

2.2 Biodata Anggota Kelompok ke-2

A. Identitas Diri

1. Nama Lengkap Raghda Novitaningrum

4. NIM 1306370322

5. Tempat dan Tanggal Lahir Buntok, 13 November 1995

6. e-mail raghdanningrum@yahoo.co.id

7. No. Telepon/HP 085735235866

B. RiwayatPendidikan

SD SMP SMA

Nama Institusi SDN 04 Nambangan Kidul Kota Madiun

SMPN 3 Kota Madiun SMAN 6 Kota Madiun

Jurusan - - IPA

No .

Nama Pertemuan Ilmiah/ Seminar Judul Artikel Ilmiah Waktu dan Tempat

No

. Jenis Penghargaan

Institusi Pemberi

Penghargaan Tempat

1 Harapan II Lomba Desain Batik Cipta Karya Magetan tahun 2014

BUPATI MAGETAN

(15)

2 Top 10 Poster OKK UI 2013 BEM UI 2013 Kota Depok

3 Juara III Teknologi Tepat Guna Tahun 2012

Badan

4 Peserta Pemilihan Pelopor Pelajar Lalu Lintas tahun 2011

5 Harapan II Lomba Cerdas Cermat P4 tahun 2011

Dinas Pendidikan, Kebudayaan dan

Olahraga

Kota Madiun

6 Peringkat 5 OSN Biologi Seleksi Eks-Karisidenan Madiun tahun 2011

7 Duta HIV/ AIDS Kota Madiun tahun 2010 Dinas Kesehatan Kota Madiun

8 Peserta Sarahsehan Generasi Muda dalam Rangka Hari Pahlawan tahun 2010

BK3S Provinsi Jawa Timur

Kota Surabaya

9 Juara I Tim Bola Voli Putri O2SN tahun 2009

Dinas Pendidikan, Kebudayaan dan

Olahraga

Kota Madiun

10 Peserta Pembinaan Bela Negara Siswa SMP tahun 2009 Dinas Pendidikan Provinsi Jawa Timur

Kota Surabaya

11 Top 10 Olimpiade Fisika Univ. Brawijaya tahun 2008 Universitas Brawijaya

Kota Malang

(16)

Depok, 2 Maret 2015 Anggota,

Raghda Novitaningrum NIM. 1306370322

(17)