PENGUJIAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR UNTUK PEMANAS AIR LAUT DENGAN MEMBANDINGKAN PERFORMANSI KACA SATU
DENGAN KACA BERLAPIS KETEBALAN 5MM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
i
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa sebab karena kasih dan
karuniaNya penulis mampu menyelesaikan tugas sarjana ini.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
sehingga memperoleh gelar sarjana, di Departemen Teknik Mesin, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun tugas sarjana yang dipilih dengan
judul “Pengujian Kolektor Surya Plat Datar Untuk Pemanas Air Dengan Membandingkan Performansi Kaca Satu Dengan Kaca Berlapis Ketebalan
5mm”.
Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak mendapat
dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin
menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah
meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan masukan dalam
penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Univesitas Sumatera Utara.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staff laboratorium di
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Orang Tua penulis Parlagutan Hasibuan dan Syarifahani Batu Bara yang
senantiasa memberikan doa, dana dan dorongan dalam menyelesaikan
skripsi ini.
5. Abang dan adik, yang telah memberikan dukungan baik dalam doa, dan
motivasi untuk menyelesaikan skripsi ini.
6. Rekan satu tim Christ Julio Bangun dan teman-teman ekstensi angkatan
2013 yang telah memberikan saran dan masukan sehingga skripsi ini dapat
diselesaikan dengan baik.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini.
Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun
iii
untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis mengucapkan
banyak terima kasih.
Medan, 16 Mei 2016
Penulis.
Safriansyah Hasibuan
NIM. 130421017
iv
ABSTRAK
Salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan air
panas adalah energi surya. Alat ini dinamakan sebagai pemanas air tenaga surya.
Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air pada
pipa penukar kalor. Salah satu kelemahan pemanas air tenaga surya terkhusus
pada kolektor surya plat datar adalah kehilangan panas yang cukup tinggi.
Menggunakan kaca berlapis merupakan salah satu solusi terbaik. Adapun tujuan
penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya
dengan membandingkan antara kaca satu lapis dengan kaca berlapis. Kali ini yang
akan dipanasi oleh kolektor surya adalah air laut. Dimensi dari kolektor surya plat
datar ini adalah 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m, dan kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m
x 0,005 m. Kolektor surya terdiri dari lapisan kayu, sterofoam, dan rockwoll
sebagai isolator, plat alumunium sebagai penyerap panas. Dan juga dirancang
tangki tempat air yang akan dipanasi yaitu 0,3 m x 0,3m x 0,4 m. Dari hasil
pengujian dan analisis yang dilakukan diperoleh intensitas matahari (radiasi)
maksimum yang dapat adalah 833,1 untuk kaca satu dan 870,6 untuk kaca
berlapis , kehilangan panas pada kolektor adalah 190,032 Watt untuk kaca satu
lapis dan 147,838 Watt untuk kaca berlapis serta efisiensi dari kolektor surya yang
didapat selama proses pengujian adalah 26% untuk kaca penutup satu lapis dan
28% untuk kaca penutup berlapis.
Kata Kunci : Pemanas Air, Kolektor Surya, Kaca, Pindahan Panas
v
ABSTRACT
One of the renewable energy resources with the potential to produce hot water is solar energy. This tool is called a solar water heater. In this equipment, solar energy is collected and then transferred to the water in the pipe heat exchanger. One disadvantage of solar water heaters especially those on a flat plate solar collector is high heat loss. Using a layered glass is one of the best solutions. The purpose of this study was to determine the performance of solar water heaters by comparing each glass with one layer of coated glass. This time will be heated by the solar collectors is sea water. Dimensions of flat plate solar collectors are 1.5 m x 0.64 m x 0.169 m, and the cover glass 1 is 1.2 m x 0.6 m x 0.005 m. Solar collector consists of a layer of wood, Styrofoam, and rockwoll as an insulator, aluminum plate as a heat sink. And also designed the tank where the water will be heated, namely 0.3 m x 0.3M x 0.4 m. From the test results and analysis conducted obtained intensity of the sun (radiation) maximum is 833.1 to 870.6 for a single glass and coated glass, heat loss at the collector is 190.032 Watt for one layer of glass and glass-lined 147.838 Watt and efficiency of the solar collector obtained during the test was 26% for glass cover single layer and 28% for glass-lined cover.
Keywords : Heat Water, Solar Collector, Glass, Heat Transfer
vii
2.7. Kehilangan Energi Panas pada Kolektor... 27
2.8. Tinjauan Mekanika Fluida ... 30
2.11. Energi Yang Sampai Pada kolektor pemanas Air Laut Tenaga Surya ... 36
2.12. Energi yang Diserap oleh Air Laut ... 37
2.13. Efisiensi dari Kolektor ... 37
BAB III METODE PENELITIAN ... 38
3.1. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian... 38
3.2. Waktu dan Tempat Penelitian ... 39
3.3. Metode Pengujian... 39
viii
3.4. Prosedur Pengujian Kolektor Surya ... 39
3.5. Alat dan Bahan ... 40
3.5.1. Alat ... 40
3.5.2. Bahan ... 42
3.6. Set Up Experimental ... 47
3.7. Kerangka Konsep Hasil Penelitian... 50
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 51
4.1. Data Pengujian ... 51
4.1.1 Bentuk Kolektor Surya ... 51
4.2 Perhitungan dan Hasil Data untuk Kaca Satu Lapis ... 52
4.2.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation) ... 52
4.3 Perhitungan dan Hasil Data Untuk Kaca Berlapis ... 65
4.3.1 Analisis Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation) ... 65
4.3.2 Perhitungan Kolektor Surya Kaca Berlapis ... 66
4.3.3 Menghitung Koefisien Konveksi ... 67
4.3.4 Menghitung Kehilangan Panas ... 70
ix
4.3.5. Menghitung Energi yang Sampai ke Kolektor Kaca berlapis ... 78
4.3.6. Energi yang Diserap oleh Air Pada Kolektor Kaca Berlapis ... 80
4.3.7. Efisiensi dari Kolektor Kaca Berlapis ... 81
BAB V KESIMPULAN... 86
5.1 Kesimpulan ... 86
5.2 Saran ... 86
DAFTAR PUSTAKA ... 88
LAMPIRAN
x
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Riset Pemanfaatan Energi Matahari yang Pernah dilakukan di
Departemen Teknik Mesin ... 28
Tabel 2.1 Nilai Parameter m, K, dan n ... 29
Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya ... 48
Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan ... 50
Tabel 4.2 Data Intensitas Matahari ... 52
Tabel 4.3 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 20 April 2016 .... 54
Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 310,14 K ... 54
Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 333,96 K ... 56
Tabel 4.6 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari 04 Januari 2016 ... 66
Tabel 4.7 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 309,35 K ... 67
Tabel 4.8 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 338,37 K ... 69
Tabel 4.9 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 328,44 K ... 75
Tabel 4.10 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 334,34 K ... 77
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bagian Kolektor Surya Plat Datar ... 6
Gambar 2.2 Kolektor Surya Plat Datar. ... 10
Gambar 2.3 Kolektor Surya Konsentrator ... 10
Gambar 2.4 Evacuted Receiver ... 11
Gambar 2.5 Pemanas Air Sistem Langsung ... 12
Gambar 2.6 Pemanas Air Sistem Aktif Tidak Langsung ... 12
Gambar 2.7 Deklinasi Matahari ... 13
Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari ... 14
Gambar 2.9 Radiasi Sorotan Tiap Jam Pada Permukaan Miring ... 15
Gambar 2.10 Komponen Radiasi Pada Permukaan Miring ... 16
Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi ... 17
Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor ... 17
Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural ... 18
Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar ... 19
Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas ... 21
Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi... 22
Gambar 2.17 Skema Kehilangan Energi Panas Pada Kolektor... 27
Gambar 2.18 Penampang Saluran Pipa ... 31
Gambar 2.19 Skema Desalinasi Sistem Vacum Natural ... 35
Gambar 2.20 Skema Sirkulasi Air ... 36
xii
Gambar 2.21 Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber Alat Pemanas Air
Laut tenaga Surya ... 36
Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pelaksanaan Penelitian ... 38
Gambar 3.2 Pompa ... 40
Gambar 3.3 Agilent (termokopel) ... 41
Gambar 3.4 Hobo Microstation data logger ... 41
Gambar 3.15 Penyangga Kolektor Surya ... 47
Gambar 3.16 Set Up Experimental... 48
Gambar 3.17 Kerangka Konsep Penelitian ... 50
Gambar 4.1 Kolektor Surya ... 51
Gambar 4.2 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 20 April 2016 ... 53
Gambar 4.3 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor ... 58
xiii
Gambar 4.4 Dimensi Kolektor Surya Kaca Satu Lapis... 60
Gambar 4.5. Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Tanggal, 20 April 2016 ... 63
Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Kolektor Surya Kaca Satu Lapis Vs Qu ... 65
Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 04 Januari 2016 ... 66
Gambar 4.8 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor ... 71
Gambar 4.9 Dimensi Kolektor Surya ... 73
Gambar 4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu, Tanggal 04 Januari 2016 .. 79
Gambar 4.11 Grafik Efisiensi Kolektor Surya, Kaca Berlapis Vs Qu ... 81
xiv
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
̅A Temperatur rata-rata air masuk dan air keluar oC
A Massa jenis air kg/m3
qa Kapasitas panas pada air Joule
h1 Koefisien konveksi permukaan luar W/m2K
h2 Koefisien konveksi permukaan dalam W/m2K
Q1 Kehilangan panas pada sisi dinding Watt
Q2 Kehilangan panas pada sisi alas Watt
Q3 Kehilangan panas pada sisi atas Watt
Aa Luas sisi kolektor bagian atas m3
hv-k1 Kehilangan panas secara konveksi diatas permukaan kaca penutup 1 W/m2K
hd-k1 Kehilangan energi panas karena konduktivitas termal kaca 1 dan 2 W/m2K
xv
hv-k2 Kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2 W/m2K
hv-PA Kehilangan panas akibat konveksi pada permukaan plat absorber W/m2K
hr-PA Kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan W/m2K
Qloss Kehilangan panas total pada kolektor surya Watt Watt
η Efisiensi kolektor surya %
