MODEL ALTERNATIF SOLAR CHIMNEY PADA DAERAH JALUR KHATULISTIWA

MODEL ALTERNATIF SOLAR CHIMNEY PADA DAERAH JALUR

KHATULISTIWA

Yazmendra Rosa

1,2)

, Eka Sunitra

2)

, Dian Wahyu

3)

, Rino Sukma

4) 1)

Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang,

2)

Bengkel Maintenance, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang,

3,4)

Bengkel Alat Berat, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang,

Kampus Limau Manis – Padang

email : yazmendra@yahoo.com

1)

, yazmendra@polinpdg.ac.id

1)

Abstrak

ModeL solar chimney dengan ukuran 1x1 m2 dan 3x3 m2 telah dipelajari di dalam penelitian ini. Sistem ini

memanfaatkan atap rumah yang menerima energi surya sepanjang hari karena berada di garis khatulistiwa yang dilalui oleh radiasi surya sepanjang tahun. Atap rumah sebagai kolektor pelat datar yang dapat menghasilkan aliran udara panas kecerobong dan dimanfaatkan generator untuk merubah ke energi listrik. Optimalisasi dilakukan dengan pertimbangan kondisi lapangan dan dapat mudah di dapat di sekitarnya serta dalam pemeliharaan untuk pengembangan lebih lanjut pada fungsi lainnya. Turbin ventilator digunakan untuk mempercepat dan pengerak awal aliran udara panas sehingga dapat menurunkan rugi

aliran panas ke lingkungan pada kolektor (atap rumah). Sudut kemiringan ±10o atap rumah mampu

menghasilkan temperatur udara keluar 80 oC, sehingga terjadi aliran udara melalui cerobong yang dapat dimanfaatkan pada pengunaan lainnya.

Kata kunci : Roof model, Solar Chimney, Renewable energy, Flat plate collector, enhanced heat transfer

1. Pendahuluan

Posisi Indonesia terletak pada lintasan sumber utama energi yaitu pada garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS Kondisi strategis ini membawa indonesia menjadi negara yang sangat kaya sumber energi, tentunya pemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisien akan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasa mendatang.

Sumatera Barat terletak diantara O° U – 102° lintang selatan dan 98° - 102° bujur timur. Secara geografis Provinsi Sumatera Barat memiliki luas wilayah 42.297,30 KM ², yang memiliki dataran rendah di pantai barat serta dataran tinggi yang membentuk bukit barisan dan membentang dari barat laut ke tenggara.

Daerah Provinsi Sumatera Barat tepat dilalui oleh garis khatulistiwa (garis lintang nol derajat) di kecamatan Bonjol Kabupaten Pasaman. Secara umum daerah Sumatera Barat beriklim panas dengan suhu udara berkisar dari 22,6° C sampai dengan 31,5° C. Dari 19 kabupaten /kota yang ada di Provinsi Sumatera Barat, Kabupaten Kepulauan Mentawai memiliki wilayah terluas yaitu 6.100 Km², sedangkan Kota Padang Panjang memiliki luas daerah terkecil yakni 23 Km². Kondisi alam Sumatera Barat sampai saat ini masih diliputi oleh kawasan lindung yang mencapai 45,17% dari luas keseluruhan .

Pengembangan energi surya solar cell di Indonesia terutama ditujukan bagi penyediaan energi listrik di daerah perdesaan. Kondisi geografis Indonesia yang terdiri atas pulau-pulau yang kecil serta banyak yang terpencil menyebabkan sulit untuk dijangkau oleh jaringan listrik terpusat. Dengan demikian, energi surya dapat dimanfaatkan untuk penyedian listrik dalam rangka mempercepat rasio elektrifikasi desa. Pemanfaatan energi surya sebagai sumber energi listrik ditargetkan akan mencapai 25 MW pada tahun 2020.

Tingginya biaya modul solar cell yang merupakan komponen utama teknologi energi surya masih menjadi kendala bagi penerapannya di Indonesia. Kendala lainnya adalah ketergantungan impor solar cell akibat belum adanya industri pembuatannya di Indonesia. Minimnya pengetahuan masyarakat mengenai pemeliharaannya juga menyebabkan kinerja tidak optimal dan sering mengalami kerusakan.

Sumber energi masih dimanfaatkan dengan mengandalkan sumber minyak bumi, dimana pada suatu saat akan habis jika tidak memperhitungkan siklusnya yang beribu tahun. Untuk memutus rantai sumber energi minyak bumi, maka perlu mencari alternatif energi dengan jalan memanfaatkan langsung sumber dari segala sumber energi yaitu energi surya.

Kolektor surya menangkap radiasi dengan absorber sehingga udara yang mengalir dipermukaannya akan panas, sehingga dapat digunakan untuk proses pemanasan dan pengeringan. Kondisi udara panas ini akan secara alamiah akan mengalirkan udara tersebut ke tempat udara yang mempunyai temperatur yang rendah, sehingga aliran udara jika kita rencanakan sebuah alat transfer energi misalkan turbin yang berputar tentu dapat merubahnya ke energi mekanik.

Penomena sebuah mesjid, banyak mesjid dibangun dengan gubah yang tinggi ditengah bangunannya. Gubah tersebut berventilasi ditengahnya, pada saat jemaah banyak tentunya akan terjadi sirkulasi udara menuju gubah sehingga terjadi secara alamiah. Ini merupakan penomena yang terjadi jika kolektor digunakan untuk memperoleh panas dari radiasi matahari, sehingga terjadi aliran udara menuju ke menaranya.

Solar konstan yang sampai ke permukaan bumi berkisar antara 1350 Watt/m2. Posisi kota padang dapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m2 [11,12,14]. Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai efisiensi 55% [1,12,14] untuk menghasilkan udara panas sehingga diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi mekanik dengan menghasilan putaran, jika diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh energi 40 Watt/m2.

Issu krisis energi memerlukan energi alternatif dengan memanfaatkan kondisi wilayah Indonesia yang berada di khatulistiwa. Posisi ini memungkinkan akan menerima secara maksimal energi surya secara berkelanjutan selama setahun perjalanan surya menyinari bumi. Negara Eropa seperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50 kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang sudu turbin 5 m dan 1500 rpm[16].

Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panas radiasi surya yang terbuang dan menjadi permasalahan dalam pendinginan ruangan. Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengan kondisi alam Indonesia tentunya bisa memanfaatkan energi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yang lebih baik.

Rumusan masalah yang mendasarinya adalah

 Bagaimana memanfaatkan sumber dari segala energi yaitu energi surya pada derah khatulistiwa yang sepanjang tahun diterima?

 Bagaimanakah memanfaatkan energi melalui salah satu alat konversi energi kolektor pelat datar dengan memanfaatkan kondisi yang ada (atap rumah)?

 Bagaimanakah merubah energi tersebut menjadi energi yang lebih terorganisir yaitu energi listrik atau dalam bentuk lainnya?

 Bagaimana memperoleh secara optimal sistem konversi energi ini, dengan menggunakan kondisi yang ada disekitar kita untuk lebih tepat guna dan terwujud model alternatif ?

Salah satu contoh nyata dapat terlihat pada semua bangunan akan menerima radiasi surya tanpa disadari dan kadang kala menjadi permasalahan dalam konteks untuk pengkondisian udara dalam ruangan tersebut. Kondisi ini jika direncanakan mekanisme sistem untuk mengorganisirnya tentunya dapat dimanfaatkan lebih maksimal dan bermanfaat. Kontruksi atap bangunan cukup sesuai dengan sudut jatuh radiasi surya sehingga dapat dimanfaakan tanpa merusak design bangunan.

Bangunan rumah dan gedung di Sumatera Barat dan seluruh Indonesia pada umumnya dapat digunakan sebagai kolektor surya. Pembangunan saat ini sangat pesat sekali baik pengembangan baru maupun renovasi akibat bencana gempa. Sistem yang akan direncanakan ini akan dapat merubah wawasan kita untuk mengoptimalkan desain dari sebuah atap bangunan yang selama ini tidak termanfaatkan malahan beban bagi ruangan yang memerlukan pengkondisian udara.

Pada bidang pertanian telah memanfaatkan dengan menggunakan rumah kaca. Kondisi ini jika disenergikan dengan mekanisme sistem yang direncanakan akan bisa saling bermanfaat. Bagi pertanian memanfaatkan efek rumah kaca untuk pertanian dan dapat dimanfaakan juga untuk penghasil energi listrik dengan melakukan sistem konversi energinya.

Tujuan penelitian ini adalah pemanfaatan energi surya secara langsung melalui kolektor yang bermanfaat dalam mencari sumber energi alternatif bagi ketersediaan energi dalam menghadapi krisis energi listrik yang lebih alamiah dan tersedia sebenarnya dalam kehidupan kita sehari-hari. Pemanfaatan tersebut adalah sumber dari segala energi yaitu energi surya dengan memanfaatkan kondisi indonesia yang berada pada jalur khatulistiwa yang menerima energi surya paling maksimal dan tersedia sepanjang tahun yang belum

₄₄₃

termanfaatkan. Kondisi inilah yang dilakukan optimalisasi terhadap model yang diteliti yang mengacu pada kondisi yang ada disekitar yang dapat dimanfaatkan.

2. Tinjauan Pustaka

2.1 Kolektor Energi Surya

Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombang radiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai 2, 5 m. Besarnya panas dari kolektor yang akan dapat dimanfaatkan adalah:

Q

u



m c

p

T





... (1)

maka temperatur udara keluaran dapat dihitung dengan persamaan:

T

Q

m c

T

ko u p kin



_



... (2)

Komponen kolektor pelat datar adalah:

1. Absorber dari bahan yang berwarna hitam untuk memaksimalkan penyerapan radiasi surya.

2. Penutup berupa bahan transparan, mempunyai transmisi yang besar untuk gelombang pendek dan menghalangi perpindahan panas konveksi dan radiasi.

3. Isolasi untuk menghindari kehilangan panas ke lingkungan. 4. Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahan lama.

E

reff

E

glob

T

in

T

out

Q

L

Gambar 1 Kesetimbangan energi pada kolektor

Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:

Q

a



Q

u



Q

l



Q

s ... (3)

Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi.

2.2 Prinsip Solar Chimney

Gambar 2 Prinsip solar chimney

Radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka pada pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat absorber. Karena adanya perbedaan temperatur terjadilah aliran udara secara alamiah dari udara bertemperatur tinggi ke udara bertemperatur rendah. Pada point (a) udara masuk ke sistem solar chimney, point (b) udara menjadi panas , sehingga terjadi aliran udara karena perbedaan density dan kemudian point (c) aliran udara dihambat dengan sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energi mekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d) dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat udara tersebut.

Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem ini adalah

plant solar turbin tower coil solar

Q

Q

P

.



.



.



.



 





... (4)

Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong (tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan diperoleh dengan hubungan:













tower H tower a tot

g

dH

p

0

.

.





... (5) d s tot

p

p

p











... (6) dimana gesekan diabaikan, s

p



= perbedaan tekanan statik, d

p



= perbedaan tekanan dinamik

Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udara pada



p

_s



0

maka daya Ptot dari aliran diperoleh:

coil tower

tot

tot

p

v

A

P





.

_,max

.

... (7)

Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:





Q

P

_tot tower



... (8)

Tanpa turbin , kecepatan maksimum (

v

_tower,max), yang dikonversi ke energi kinetik adalah:

max , 2

2

1

tower tot

m

v

P





... (9)

Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):

0 max ,

2

.

.

.

T

T

H

g

v

_tower



_tower



... (10) dimana

T



= Perbedaaan temperatur yang terjadi antara keluaran kolektor (in tower) denagn lingkungan Sedangkan menurut persamaan (Schlaich 1995) efisiensi cerobong adalah:

0

.

.

T

c

H

g

p tower





... (11) 2.3 Turbin Ventilator

Turbine Ventilator akan berputar hanya dengan hembusan angin yang lemah sekalipun, tetapi juga mampu menahan angin berkecepatan tinggi. Berputarnya Turbine Ventilator juga disebabkan karena adanya perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar ruangan, dimana secara alamiah udara panas di dalam ruangan akan mengalir dan menekan keluar melalui sirip-sirip turbine dan membuat Turbine Ventilator Otomatis berputar. Dengan demikian ada atau tidak ada angin, Turbin Ventilator akan selalu berputar menghisap udara panas dalam ruangan.

Gambar 3 Prinsip kerja turbin ventilator

3. Metode Penelitian

Gambar 4. Bagan alur pemanfaatan energi surya ENERGI SURYA

Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.

ENERGI PANAS Kolektor Pelat Datar

ENERGI MEKANIK Turbin

ENERGI LISTRIK Generator

Gambar 5. Bagan Alur Penelitian

Variasi variabel dcerobong, tcerobong, rpm

& tipe generator Terintegrasi atap rumah kolektor

Optimasi sistem aliran udara panas P, T, m , rpm & 

Daya listrik

Variasi Optimal dcerobong, tcerobong, rpm &

kapasitas yg dihasilkan pada sistem

ya tidak

Gambar 6 Flowchart optimasi sistem model solar chimney

ENERGI SURYA

Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.

Kolektor Pelat Datar

 Efisiensi = 45%

 Luas Kolektor 3x3 m2 (sesuai dgn lahan yag ada)

 Atap bangunan (sketsa gambar)  Cerobong

Energi Mekanik (Generator) Energi Listrik Tidak/Belum

Alternatif Sumber Energi

(Selesai) Energi listrik Ya/sudah Energi Panas  Temperatur (Tinkolektor, Toutkolektor, Toutcerobong, Tlingkungan)

 Laju aliran massa udara (perbedaan temperatur, mudara)

 Intensitas matahari

Energi Mekanik (Turbin)

 rpm

 kecepatan udara mengalir

4. Hasil dan Pembahasan

Posisi Kota Padang Indonesia berada pada garis khatulistiwa yang dilalui oleh radiasi surya sepanjang tahun secara sinusiodal selama satu tahun penuh.

-30 -20 -10 0 10 20 30 -25 5 35 65 95 125 155 185 215 245 275 305 335 365

Sudut Deklinasi dalam satu tahun peredaran surya (1 Januari s/d 30 Desember)

Sudut Deklinasi

Gambar 7 Sudut Deklinasi dalam satu tahun peredaran surya (1 Januari s/d 30 Desember)

Gambar 7 menjelaskan sudut yang terbentuk antara sinar datang surya dengan garis tegak lurus terhadap sumbu polar dalam bidang surya. Dengan mengetahui deklinasi surya maka posisi orbit bumi dapat ditentukan. Kondisi Indonesia berada pada garis khatulistiwa maka akan selalu selama satu tahun dikenai radiasi surya dari 23.5o LU ke 23.5o LS secara sinusiondal. Pada penelitian ini asumsi luas atap 3x3 m2 sehingga diperoleh secara rata-rata luas atap sebesar 4,5 m2 dikenai radiasi surya setiap waktu dari pagi hingga sore harinya.

Gambar 8 Sketsa rancangan kolektor Solar Chimney

Gambar 8 merupakan gambar solar chimney terpasang. Model ini dilengkapi dengan turbin ventilator sebagai starter awal fluida udara panas mengalir diri atap kolektor pelat datar.

Gambar 9 Model Solar Chimney,1m2

Gambar 10 Gambar model Solar Chimney, 3x3 m2

Gambar 11 Turbin pada saluran dan turbin ventilator

Pada gambar 11 merupakan turbin ventilator yang digunakan sebagai pengerak awal dengan menggunakan energi angin yang mengalir dilingkungan model solar chimney ini. Pemanfaatan alat ini sebagai starter awal mengalirkan fluida panas udara dari atap kolektor pelat datar.

Gambar 12 Grafik generator tipe 1, tegangan terhadap putaran

Gambar 13 Grafik generator tipe 2 tegangan terhadap putaran

Pada Gambar 12 dan 13 generator yang digunakan akan meningkat tegangan yang dihasilkan sejalan dengan putaran. Pada kondisi ada beban akan mengalami penurunan yang bergantung dengan tipe generator (3.5 Volt & 2 Volt), jadi pada setiap jenis generator mempunyai karakter keluaran tegangan tertentu.

₄₄₉

Gambar 14 Grafik generator tipe 3 tegangan terhadap putaran

Gambar 15 Grafik generator tipe 4 tegangan terhadap putaran

Pada gambar 12 sampai dengan gambar 15, diperoleh generator yang digunakan menghasilkan tegangan listrik pada posisi putaran yang stabil pada kondisi aliran atau putaran yang dihasilkan konstan yaitu pada 1200-1800 rpm tergantung jenis generatornya.

5. Kesimpulan dan Saran

1. Model yang akan dibuat mempunyai luas kolektor 3x3 dan 1x1 m2, dengan sudut kemiringan kolektor

10o, dengan perhitungan pemanfaatan luas kolektor secara rata-rata setengahnya (4,5 m2 & 0,5 m2) dengan melihat sifat perputaran energi surya selama setahun dan setiap hari serta berbentuk profil atap rumah.

2. Pembuatan model menggunakan bahan yang ada dipasaran dan mudah diperoleh serta perawatannya. 3. Sistem turbin ventilator diperlukan untuk pengerak awal pada penelitian ini agar panas udara di dalam

atap kolektor dapat mengalir dengan laju aliran yang meningkat sejalan dengan radiasi yang dapat diserap.

4. Generator untuk pembangkit energi listrik perlu menyesuaikan putaran yang dihasilkan terhadap generator yang ada (yg dapat dibuat). Pada penelitian ini masih menghasilkan energi yang kecil tetapi diharapkan dapat digunakan untuk pengunaan yang bermanfaat dengan mensingkronkan dengan sistem yang lain misalkan sistem pengering nantinya.

5. Peningkatan Perpindahan panas pada absorber dengan menambah kisi-kisi bahan tembaga agar radiasi surya dapat dimanfaatkan lebih optimal melalui aliran udara melalui absorber tersebut.

6. Radiasi surya akan diterima sepanjang hari setiap tahun karena kita berada pada garis khatulistiwa yang di lalui oleh peredaran surya dari Januari sampai Desember.

Perlunya pengetahuan tentang energi terbarukan diajarkan di kampus pada program studi yang relevan (“energy entrepreneur”).

Perlu penelitian lanjutan tentang generator dan sudu turbin yang lebih mendalam dalam meningkatkan efisiensi konversi energinya.

Daftar Pustaka

[1] Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran, 1996, Thermal Design and Optimization, John Wiley & Sons, New York

[2] Andre G Ferreira, 2008, Technical Feasibility Assessment of a Solar Chimney for Food Drying, Solar Energy

82 (2008), 198-205, Elsevier

[3] Cao, Fei. Li, Huashan. Zhao, Liang. Bao, Tianyang & Guo, Liejin, 2013 Design and simulation of the solar

chimney power plants with TRNSYS, Jurnal Solar Energi, Volume 98 Desember 2013

[4] Chung, Leng Pau. Ahmad, Mohd Hamdan. Ossen, Dilshan Remaz. Hamid, Malsiah., 2015. Effective Solar

Chimney Cross Section Ventilation Performance in Malaysia Terraced House., Procedia - Social and Behavioral

Sciences., vol 179

[5] Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul N., 1980, Solar Energy Technology Handbook Part A, Marcel

Dekker, New York

[6] Dufie, John A., & Beckman, William A., 2003, Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, New

York.

[7] Kalash, Shadi. Naimeh, Wajih. Ajib, Salman., 2014., A Review of Sloped Solar Updraft Power Technology.,

Jurnal Energy Procedia, Volume 50

[8] Kokate, D.H. Kale, D.M. Korpale, V.S. Shinde, Y.H. Panse, S.V. Deshmukh, S.P. Pandit, A.B., 2014.,

Energy Conservation through Solar Energy Assisted Dryer for Plastic Processing Industry., Jurnal Energy

Procedia, Volume 54

[9] Makhanlall, Deodat. Jiang, Peixue., 2015., Performance Analysis and Optimization of a Vapor-filled Flat-plate

Solar Collector., Jurnal Energy Procedia, Volume 70

[10] Rahman, M.M. Chu, C.M. Kumaresen, S. Yan, F.Y. Kim, P.H. Mashud, M. & Rahman, M.S., 2014.

Evaluation of the Modified Chimney Performance to Replace Mechanical Ventilation System for Livestock Housing, Jurnal Energy Procedia, Volume 90

[11] Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri, 2004, Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik Negeri Padang

[12] Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah, 2006, Rancang Bangun Pengering Gambir dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang.

[13] Rosa. Yazmendra & Hanif, 2007, Rancang Bangun Penyimpan Panas pada Kolektor dalam Sistem Pengering dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.4, No.2 Des

[14] Rosa. Yazmendra & Menhendry, 2008, Kaji Eksperimental Penyimpan Panas Sementara dari Hasil Udara Panas Keluaran Kolektor Energi Surya, Jurnal Poli Rekayasa, Vol.4, No.1 Oktober

[15] Rosa. Yazmendra & Rino Sukma, 2008, Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik, Jurnal Teknik Mesin, Vol. 5 No.2 Desember

[16] Saifi, Nadia. Settou, Noureddine. Dokkar, Boubekeur. Negrou, Belkhir. Chennouf, asreddine., 2012.,

Experimental Study And Simulation Of Airflow In Solar Chimneys., Jurnal Energy Procedia, Volume 18

[17] Sukhatme, 2001, Solar Energi: Principles of Thermal Collection and Storage, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, India

Biodata Penulis

Yazmendra Rosa, memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST), Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Andalas, lulus tahun 1996. Tahun 2003 memperoleh gelar Magister Teknik (MT) dari Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung dalam bidang Konversi Energi. Saat ini sebagai Staf Pengajar pada Jurusan/Prodi Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang.