Abstrak—Kolektor surya merupakan alat yang mampu menyerap panas radiasi dari matahari kemudian memanfaatkan panas tersebut untuk memanaskan fluida kerja. Pada umumnya kolektor surya terdiri dari rangka, penutup kaca dan juga plat absorber. Dengan penambahan obstacle mengakibatkan olakan sehingga temperatur fluida keluar ducting akan mengalami peningkatan. Semakin tinggi intensitas matahari yang menerangi bumi maka akan semakin tinggi pula panas radiasi matahari yang diserap oleh kolektor surya. Kolektor surya yang digunakan adalah kolektor surya v-corrugated absorber. Pada penelitian dilakukan dengan cara menvariasikan sudut mulai dari 100, 200 dan 300. Kolektor surya yang digunakan memiliki panjang 900 mm dengan jarak antar obstacle dengan obstacle lainnya sama dengan tinggi dari obstacle tersebut yaitu 50mm. Penelitian ini juga mengggunakan metode numerik 3 dimensi steady flow menggunakan software Fluent 6.3.2.6 dengan turbulence model k-omega.
Kata Kunci - kolektor surya, absorber gelombang tipe-V, efisiensi kolektor, obstacle.
. Djatmiko Ichsani, M.Eng Prof. Dr. Ir.
Djatmiko I
I. PENDAHULUANnergi surya merupakan salah satu energi yang dapat diperbarui (renewable energy) yang tidak menghasilkan polusi, murah, mudah didapat, terutama pada negara yang terletak pada garis khatulistiwa. Indonesia merupakan negara yang terletak di daerah khatulistiwa sehingga selalu mendapat penyinaran sepanjang tahun. Penggunaan energi surya dapat diaplikasikan dalam beberapa hal, salah satunya dalam bidang pengeringan. Pengeringan merupakan salah satu cara pengawetan yang dapat dilakukan dalam bidang pertanian dan bidang kelautan. Dalam skala rumah tangga, cara pengeringan yang dilakukan adalah dengan cara menjemur. Namun cara tersebut tidak efisien dan juga tidak higienis. Pada skala industri, proses pengeringan yang dilakukan banyak dilakukan dengan menggunakan energi fossil yang sebisa mungkin dihindari penggunaannya karena mahal dan berpolutan, sehingga dapat kita pilih energi surya sebagai solusinya.
Kolektor surya (sollar collector) merupakan alat yang memanfaatkan energi matahari yang berupa perpindahan panas radiasi unruk kemudian diserap oleh plat penyerap panas yang kemudian ditransfer ke fluida kerja. Kolektor surya memiliki berbagai macam variasi untuk meningkatkan performansinya, salah satunya dengan mengganti plat penyerap panas yang berbentuk flat plate absorber menjadi
V-corrugated absorber. Dengan menggunakan V-V-corrugated absorber dapt meningkatkan intensitas radiasi cahaya
matahari yang diserap oleh absorber. Untuk meningkatkan effisiensi termal kolektor surya, salah satunya dapat dilakukan dengan meningkatkan koefisien konveksi dengan menciptakan turbulensi pada area perpindahan panas. Hal ini dapat dicapai dengan memberikan gangguan pada area perpindahan panas berupa obstacle.
Pada umumnya kolektor surya terdiri dari rangka, plat penyerap panas, kaca penutup dan juga isolasi bagian bawah saluran fluida kerja. Panas radiasi matahari menembus kaca penutup transparan kemudian panas diserap oleh plat penyerap panas atau absorber. Kemudian panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir dibawah absorber akibatnya temperatur fluida kerja keluar memiliki temperatur lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur fluida kerja ketika masuk.
Usaha peningkatan efisiensi kolektor surya ini dilakukan dengan cara meningkatkan turbulensi aliran fluida. Peningkatan turbulensi aliran ini dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya adalah dengan pemasangan obstacle. Aliran fluida akan bertabrakan dengan obstacle sehingga aliran menjadi acak kemudian terjadi olakan. Obstacle yang ditambah pada kolektor surya berbentuk
V-corrugated absorber diharapkan dapat meningkatkan
effisiensi termal kolektor surya dikarenakan efek
turbulensi yang diciptakan oleh obstacle. Untuk
memperoleh unjuk kerja sesuai yang diharapkan maka
perlu direncanakan obstacle yang sesuai yaitu dengan
menvariasikan sudut paruh dari obstacle berbentuk
Studi Eksperimental dan Analisa Medan
Kecepatan Pada Performansi Kolektor Surya
V-corrugated Absorber dengan Penambahan
Obstacle berbentuk Paruh dengan Variasi
Sudut Paruh
Mirza Iqlima dan Dosen Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M. Eng
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
paruh. Permasalahan yang didapatkan pada kolektor
surya ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana pengaruh variasi sudut paruh yang divariasikan terhadap peningkatan penyerapan panas dan efisiensi kolektor surya.
2. Bagaimana pengaruh perubahan laju aliran massa fluida inlet terhadap performansi kolektor surya.
II. URAIAN PENELITIAN
A. Penelitian Numerik
Penelitian numerik dilakukan dengan menggunakan metode
Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan software
Fluent 6.3.26 dan software GAMBIT 2.4.6 untuk membuat model awal dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model. Prosedur yang dilakukan adalah sebagai berikut :
1)Tahap
pre-processing
menggunakan
software
GAMBIT 2.4.6
a) Membuat model dan geometri berupa kolektor surya
V-corrugated absorbeto yang mengacu terhadap
ukuran test section pada eksperimen dengan bentuk 3D
Gambar 1 Model V-corrugated absorber sudut 10 o 3D pada GAMBIT
Keterangan:
Panjang kolektor surya (L2) = 900 mm
Jarak antar obstacle (L1) = 50 mm
a) Membuat meshing volume dengan tipe
hexmap-submap.
Denganmbahan
obstaclenya
maka
meshing yang digunakan adalah dengan distribusi
mesh yang semakin rapat pada absorber. Jumlah
grid pada meshing pada penelitian sebesar 88.884.
Gambar 3.2 (a) Meshing pada V-corrugated absorber sudut 10
o 3D dengan tipe hexmap-submap pada GAMBIT ; (b)
Pebesaran kualitas meshing
b) Mendefinisikan kondisi batas yaitu penentuan
parameter-parameter dan batasan yang mungkin
terjadi pada aliran. Kondisi batas inlet adalah
velocity inlet. Kondisi batas outlet adalah outflow.
2) Pra-Design Pemilihan Obstacle
Pemilihan sudut paruh obstacle digunakan untuk mencari tekukan sudut yang paling optimum. Hal ini bertujuan untuk memperkirakan peningkatan olakan(turbulensi) yang terjadi pada saluran fluida kerja di bawah pelat absorber.
Gambar 4 a. Obstacle dengan sudut paruh 100 Gambar 3.4 b. Obstacle dengan sudut paruh 200 Gambar 3.4 c. Obstacle dengan sudut paruh 300
B. Gambaran Sistem Kerja
Gambar 2. V-corrugated solar air collector Keterangan Gambar :
1. Fan dan nozzle 2. Lampu halogen
3. Kolektor Surya dengan absorber gelombang bentuk-V dengan obstacle
4. Selector thermo couple
Prinsip kerja dari V-corrugated solar air collector ini adalah sebagai berikut :
1. Fluida yang ditiupkan dari fan dengan kecepatan tertentu akan dilewatkan melalui nozel dan diteruskan menuju duct kolektor surya.
2. Pada saat melewati kolektor surya temperatur fluida meningkat disebabkan oleh perpindahan energi berupa perpindahan panas secara konveksi dan radiasi dari kolektor surya menuju udara sebagai fluida kerja.
1) Parameter yang Diukur dan Peralatan Penelitian
Selama proses pengujian kolektor surya tersebut terdapat parameter-parameter yang diukur dengan posisi seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini:
Gambar 3. Posisi penempatan Thermal Sensor (pandangan samping)
Selama pengujian kolektor surya tersebut terdapat parameter yang diukur dengan posisi seperti gambar diatas, berikut parameter-parameter apa saja yang akan diukur: 1. Temperatur fluida kerja masuk kedalam ducting channel (Tf,in).
2. Temperatur fluida kerja keluar ducting channel (Tf,out).
4. Temperatur plat absorber (Tabs)
5. Temperatur kaca penutup (Tcg)
6. Intensitas radiasi ektrateresterial (IT)
7. Kecepatan fluida kerja (vf)
Dalam penelitian ini ada tiga tahap dalam penelitian diantaranya tahap persiapan, tahap pengambilan data, dan tahap akhir. Adapun penjelasan masing-masing tahap akan dijelaskan sebagai berikut :
a. Tahap persiapan
1. Mempersiapkan dan memastikan semua peralatan yang digunakan dalam kondisi yang baik, peralatan yang akan dipakai antara lain, yaitu:
pyranometer, anemometer, thermocouple selector, fan, thermometer digital, lampu halogen dan
rangkaian-rangkaian listrik yang akan dibutuhkan. 2. Merangkai semua peralatan bantu dan peralatan
ukur.
b. Tahap pengambilan data
1. Memastikan semua peralatan yang akan digunakan berada pada tempatnya.
2. Memvariasikan kecepatan udara dimulai dari 0,8 m/s.
3. Mevariasikan intensitas cahaya pada lampu halogen dimulai dari 546W/m2, 689 W/m2, 822 W/m2.
4. Ambil data yang dibutuhkan meliputi: Vf, IT, Tcg,
Tabs, Tamb, Tf,out, Tf,in
5. Ulangi dengan langkah yang sama, caranya mengatur kecepatan menggunakan voltage regulator sampai mendapatkan kecepatan keluaran sebesar 0,8 m/s, 1 m/s, 1,2 m/s.
c. Tahap Akhir
1. Turunkan kecepatan fan secara perlahan-lahan lalu matikan
2.Turunkan tegangan pada lampu halogen lalu matikan
3.Matikan semua peralatan listrik
4.Letakkan peralatan utama dan peralatan bantu sesuai dengan tempatny
III. PETUNJUKTAMBAHAN
A. Analisa Distribusi Kecepatan Aliran Fluida Pada Kolektor Surya Berdasarkan Hasil FLUENT
(a) (b)
(c)
Pada gambar di atas terlihat bahwa kolektor surya dengan obstacle dengan sudut paruh 100 mempunyai distribusi kecepatan yang paling rendah dengan kecepatan maksimum 2,72 m/s. Setelah itu kolektor surya dengan sudut paruh 200 dengan kecepatan maksimum 2,74 m/s. Sedangkan distribusi kecepatan tertinggi adalah olektor surya dengan sudut paruh 300 distribusi kecepatan maksimum sebesar 2,76 m/s. Pada analisa medan kecepatan ini dapat kita lihat bahwa semakin besar sudut paruh dari obstacle maka akan semakin besar pula kecepatan fluida yang ada didalamnya. Hal ini dapat meningkatkan nilai dari reynold number, sesuai dengan persamaan berikut ini
L V L . Re Semakin meningkatnya nilai reynold number maka nilai nusselt number akan semakin tinggi sesuai dengan persamaan nusselt number berikut ini
pada aliran turbulen 3
1 5 4
Pr
Re
038
.
0
L LNu
. Denganmeningkatnya nilai nusselt number maka nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi akan semakin meningkathW NuLLK
.
. Hal ini menyebabkan perpindahan panas secara konveksi akan semakin meningkat. Meingkatnya nilai perpindahan panas pada suatu sistem menyebabkan naiknya tempertatur outlet sehingga Quse akan semkin meningkat. Pada hasil akhirnya maka effisiensi olektor surya akan meningkat.
B. Analisa Performansi terhadap panas yang terbuang untuk variasi konfigurasi obstacle dan kecepatan optimal.
(a) (b)
(c)
Gambar 5 (a) Qloss=f(It) untuk kecepatan 0,6 m/s; (b)
Qloss=f(It) untuk kecepatan 083 m/s; (c) Qloss=f(It) untuk
kecepatan 1 m/s
Pada gambar 5 dapat kita lihat bahwa obstacle dengan sudut kemiringan 300 mempunyai kehilangan panas yang lebih rendah dibandingkankan obstacle lainnya. Sedangkan obstacle dengan sudut tekukan 100 memepunyai kehilangan panas paling besar, disusul dengan obstacle dengan sdut tekukan 200 Kolektor surya dengan penambahan obstacle sudut 300 memiliki nilai Tabs yang relatif lebih tinggi
dibandingkan dengan obstacle lainnya. Dengan semakin tingginya nilai Tabs maka kehilangan panas juga akan semakin
besar. Nilai Qloss=Qin-Qusefull dapat dijabarkan dalam
persamaan berikut ini Qloss=(It.Ac)-(ṁ.cp.(Tout-Tin)). Jadi nilai
Qloss dipengaruhi oleh besarnya nilai Qin dan Qusefull. Semakin
besarnya nilai Quse maka nilai Qloss akan semakin menurun.
B. Analisa performansi panas yang berguna untuk
variasi konfigurasi obstacle dan kecepatan optimal.
(a) (b)
(C)
Gambar 6. (a) Quse=f(It) untuk v=0,6 m/s; (b) Quse=f(It) untuk
v=0,83 m/s; (c) Quse=f(It) untuk v=1 m/s
Dari gambar 6 di atas juga dapat kita ketahui bahwasannya nilai Quse yang tertinggi dimiliki oleh kolektor surya dengan
obstacle dengan tekukan sudut 300. Hal ini berarti bahwa besarnya tekukan obstacle sangat berpengaruh terhadap kenaikan Quse. Selain itu ukuran dan jarak penempatan
obstacle juga mempengaruhi performansi dari kolektor surya tersebut. Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa obstacle sudut 300 derajat memiliki nilai Quse yang paling tinggi,
sedangkan nilai Quse paling rendah dihasilkan oleh obstacle
sudut 100. Selain bergantung pada besarnya intensitas cahaya, Quse juga dipengaruhi oleh besarnya kecepatan. Sesuai dengan
perumusan Quse=ṁ.cp.(Tout-Tin), dimanasemakin tingginya
kecepatan fluida maka ṁ yang dihasilkan juga akan semakin tinggi. Hal ini bisa dilihat pada gambar di atas terlihat bahwa tren grafik Quse yang dihasilkan oleh kecepatan.
C.Analisa
performansi
efisiensi
untuk
variasi
konfigurasi obstacle dan kecepatan optimal.
(a) (b)
(c)
Gambar 7. (a) η=f(kecepatan) untuk v=0,6; (b) η=f(kecepatan) untuk v=0,83; (c) η=f(kecepatan) untuk v=1
Dari gambar 4.5 di atas dapat dilihat bahwa kolektor surya dengan penambahan obstacle memiliki efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan kolektor surya tanpa obstacle. Peningkatan obstacle ini sebanding dengan peningkatan energi yang berguna. Ini sesuai dengan perumusan . Di mana pada pembahasan sebelumnya terlihat bahwa nilai Quse semakin naik apabila intensitas cahaya juga naik. Namun pada grafik diatas terlihat bahwa efisiensi paling tinggi dicapai pada saat IT 677,026 W/m2. Hal ini dikarenakan kenaikan
temperatur udara pada saat IT 677,026 W/m2 sangat signifikan,
sehingga efisiensinya tinggi. Sedangkan pada grafik dapat dilihat bahwa efisiensi paling tinggi dihasilkan oleh kecepatan 1 m/s sebesar 93%. Dengan kata lain semakin tinggi kecepatan fluida maka akan menghasilkan efisiensi yang semakin besar
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Pada penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa kolektor surya v-corrugated absorber dengan obstacle dengan sudut paruh 300 memiliki efisiensi yang lebih tinggi yaitu sebesar 89% dan kolektor surya dengan obstacle dengan sudut paruh 100 memliki efisiensi terendah yaitu sebesar 42%. Sehingga jenis obstacle yang memiliki performansi optimum adalah obstacle bentuk paruh dengan tekukan sudut 300.
UCAPANTERIMAKASIH
Puji Syukur saya panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah memberikan ridho bagi saya, Mirza iqlima selaku penulis, untuk menyelesaikan jurnal ilmiah dengan baik. Dan tak lupa kedua orang tua dan kedua kakak saya yang tidak henti mendukung dan mendoakan saya unutuk terselesainya penelitian ini. Serta teman-teman seperjuangan di Kampus Merah Teknik Mesin ITS yang tak pernah berhenti berjuang untuk belajar dan menggali ilmu bersama agar kelak dapat menjadi Sarjana Teknik yang bertanggung jawab.
DAFTARPUSTAKA
A.
Abene, V. Dubois, M. Le Ray, A. Ouagued, 2003. Study of a Solar Air Flate Plate Collector: Use of Obstacles and Application for Drying of Grape.Astri Mustika K. D., 2011, Studi Eksperimental dan Analisa Profil Kecepatan untuk Mengetahui Unjuk Kerja Kolektor Surya Tipe V-Corrugated dengan Penambahan Obstacle yang Disusun secara Staggered. Duffie, J.A. and Beckman, W.A. 1991. Solar Engineering of Thermal Processes.
Febry Arieffani, 2010. Studi Simulasi Numerik dan Eksperimental Unjuk Kerja Kolektor Surya V-Groove Absorber dengan Penambahan Obstacle berbentuk Segitiga yang Disusun Sejajar.
Incropera, Frank.P. and Dewitt, David P, 1996. Fundamentals of Heat and Mass Transfer.Fourth Edition. John Wiley and Sons inc, New York Md Azharul Karim, M.N.A Hawladerb, 2004. Performance Investigation of
Flat-Plate, V-Corrugated and Finned Air Collectors.
Nina Anwar Rista Meidiana, 2011, Studi Eksperimental dan Analisa Profil Kecepatan untuk mengetahui unjuk kerja kolektor surya tipe V-Corrugated dengan Variasi Ukuran dan Jarak Obstacle Bentuk Paruh 200 yang Disusun secara Aligned.
Tuakia, Firman, 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Informatika, Bandung.
