39
BAB IV
PERHITUNGAN SOLAR COLLECTOR TYPE PARABOLIC TROUGH
4.1. Perhitungan Akibat Gerakan Semu Harian Matahari 4.1.1 Perhitungan Sudut Deklinasi
Untuk mengetahui sudut deklinasi (δ) menggunakan persamaan [Wiliam A.
Beckman ]: (2.4)
δ =23,45 sin ( )
Dimana n adalah hari ke-n [Wiliam A. Beckman Halaman 14] dalam 1 tahun( 1 untuk tanggal 1 Januari dan 365 untuk 31 Desember,penelitian dilakukan pada tanggal 7 juni maka n = 158
δ = 23,45 sin ( )
= 22,74o
4.1.2 Perhitungan Persamaan Waktu
Untuk mengetahui persamaan waktu (E) menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.6)
E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B - 0,014615 cos 2B - 0,04089 sin 2B}
Untuk mencari nilai B menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.7)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
Dengan B = ( )
B = ( )
=154,85o Maka :
E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos (154,850) – 0,032077 sin (154,850) - 0,014615 cos (2 x 154,850) - 0,04089 sin (2 x 154,850) }
=1,576 menit
4.1.3 Perhitungan waktu surya
Untuk mengetahui waktu surya kita bisa menggunkan persamaan [Wiliam A.
Beckman ] (2.8)
Solar Time = Standart Time + [4(Lst – Lloc) + E]
Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data : penelitan ini mengambil waktu antara jam 09.00 wib – 14.00 wib maka :
Standart Time = 12:00:00 AM
Solar Time = Standart Time + [4 (255 – 253) + 1,576]
=12:09:57
4.1.4 Perhitungan Sudut Jam
Untuk mengetahui sudut jam ( ) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A.
Beckman ] (2.5)
= 15° (ST – 12:00:00)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
= 15° (12:09:57 – 12:00:00)
= 2,48°
4.1.5 Perhitungan Sudut Zenith
Untuk mengetahui sudut zenith ( z) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.9)
cos z = cos cos ∅ cos + sin sin ∅
= cos 22,74° cos (–6,2°) cos 2,48°) + sin 22,74° sin (–6,2°) z = 29,04°
4.1.6 Perhitungan Sudut Altitute Matahari
Untuk mengetahui sudut altitude matahari (αs) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.10)
αs = 90° - z
= 90° - 29,04°
= 60,96°
4.1.7 Perhitungan Sudut Azimuth Matahari
Untuk mengetahui sudut azimuth matahari ( )bisa menggunakan persmaan [Wiliam A. Beckman ] (2.11)
Dengan =
= ( , °) ( , °)
( , °)
= 4,715o
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.2. Komponen Radiasi Masukan System 4.2.1. Perhitungan Radiasi Ekstraterrestrial
Untuk mengetahui radiasi ekstraterrestrial pada bidang horizontal (G0) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.12)
G0 = Gsc (1 + 0.033 cos °.
° . )
= 1353 (1 + 0.033 cos °.
° . cos (29.04°) = 1149,12 W/m2
4.2.2 Perhitungan Indeks Keerahan Langit
Untuk mengetahui indeks keerahan langit (KT) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.13)
KT = = ,
,
= 0,585
4.2.3 Perhitungan Radiasi Hambur (Diffuse)
Untuk mengetahui Radiasi hambur (diffuse) (Gd) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.14)
Untuk : 0,22 ≤ kT ≥ 0,80
Maka Gd = G (0,9511 – 0,1604 kT + 4,388 kT2 – 16,638kT3 + 12,336 kT4) Gd = 317,92 W/m2
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.2.4 Perhitungan Radiasi Langsung (Beam) Gb = G – Gd
= (672,480 – 317,92) W/m2 = 354,56 W/m2
4.2.5 Perhitungan Radiasi Masukan
GT = Gb.Rb + Gd ( ) + G. g ( )
= 354,56 x 1 + 317,92( ( °)) + 672,480 x 0.6 ( ( °))
= 672,480 W/m2
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.3. Perhitungan Pada System Parabolic Trough 4.3.1. Menetukan Dimensi Parabolic Trough
Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = 4px2 dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbu- y,p adalah jarak titik focus dan parabola.posisi titik parabola bisa dilihat pada table 4.1 dan geometri parabola didapat dengan menggambarkan titik-titik koordinat ini seperti terlihat pada gambar 4.1 dibawah ini.
Table 3.1 titik-titik parabola pada sumbu-x dan sumbu-y
x (cm) y(cm)
-500 250
-437.5 191.41 -375 140.63 -312 97.66
-250 62.5
-187 35.16 -125 15.63
-62.5 3.91
0 0
62.5 3.91
125 15.63
187.5 35.16
250 62.5
312.5 97.66 375 140.63 437.5 191.41
500 250
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
Gambar 4.1 Geometri parabola 4.3.2 Perhitungan Luas Arperture Area (Aa)
Untuk mengetahui luas arperture area (Aa) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.18)
Aa = P x L = 1500 x 1000 = 1500000 mm
= 1,5 m2
4.3.3 Perhitungan Luas Pipa Absorber (Ar)
Untuk mengetahui luas pipa absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.19)
Ar = π.d.l
= 3,14 x 0,0127 x 1,75
= 0,060 m2
0 100 200 300
-600 -400 -200 0 200 400 600
parabola
y(cm)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.3.4 Rasio Konsentrasi (Cr)
Untuk mengetahui Rasio konsentrasi (Cr) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.20)
Cr = = ,
,
= 25
4.3.5 Perhitungan sudut rim ( r)
Untuk mengetahui sudut rim ( r) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.21)
r = 2 tan-1
= 2 tan-1
,
= 100o
4.3.6 Perhitungan Factor Geometri (Af)
Untuk mengetahui Factor Geometri (Af) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.22)
Af =
( )
= , , ( , )
.
= 0,34
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.3.7 Perhitungan efisiensi optic ( 0)
Untuk mengetahui efisiensi optic ( 0) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.23)
0 = ρm c a [(1-Af tan ( )) cos ( ))]
Asumsi – asumsi :
ρm = 0,89 sputtered alumunium optical reflector
c = 1 tidak menggunakan cover
a = 0,93 untuk tembaga dalam alumunium = 0,81 dari table
= 0o tepat mengarah ke matahari
Karena efisiensi optic concentrator dipengaruhi oleh variable sudut incident ( ) yang berubah-ubah tiap waktu maka efisiensi optic pun bisa berubah-ubah setiap saat.
Dengan sudut incident 0o berarti efisiensi pada perhitungan ini adalah efisiensi maksimum yang dapaat dicapai concentrator.
Maka di dapat efisiensi optic :
0 = 0,89 x 1 x 0,93 x 0,81[(1- 0,34 tan (0o)) cos (0o))]
= 0,67
Sedangkan untuk radiasi yang terserap pipa receiver sebesar : S = GT ρ. . a
= 672,480 x 0,89 x 0,81 x 0,93 = 450,855 W
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.4. Desain thermal/ heat transfer collector
4.4.1. Perhitungan overall heat loss coefficient (UL)
Untuk melakukan perhitungan overall heat loss coefficient (UL) kita diharuskan mencari bilangan Re
Re =
= . ,
,
= 22935
Untuk aliran udara melewati pipa tunggal dengan 1000<Re>50000 bilangan Nuselt sekitar 25% lebih besar dari pada persamaan Nu.
Nu = 0,3 (Re)0,6
= 0,3 (22935) 0,6 = 124
Untuk mengetahui hw kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.26)
hw =Nu
= 124 ,
,
= 24,8 w/m2 oC
Untuk mengetahui hr kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.27)
hr = 4 T3
= 4 x 5,67 x 10-8 x 0,72 x 3033 = 4,54
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
Untuk mengetahui UL kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.25)
UL = hw x hr
= 24,8 x 4,54 = 29.34 w/m2 oC
4.4.2 Perhitungan overall heat transfer coefficient (U0)
Untuk melakukan perhitungan overall heat transfer coefficient (U0) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.28)
U0 = ( +
+ )-1
Sebelum melakukan perhitungan overall heat transfer coefficient (U0) terlebih dahulu kita harus mencari koefisien perpindahan panas dalam pipa yang mengaliri air (ℎ )
ℎ = Nu
= = ṁ = , /
, , = 2474 aliran turbulen
Untuk aliran turbulen
Nu = 0,0158Re0,8 = 0,0158 x 24740,8 = 8,19 ℎ = Nu
= 8,19 ,
,
= 420,98 w/m2 oC Maka
U0 = (
. + ,
, , + ,
, ,
, )-1
= 25,72 w/m2 oC
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
4.4.3 Perhitungan efisiensi collector (F’)
Untuk melakukan perhitungan efisiensi collector (F’) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.30)
F’ =
= ,
,
= 0,87
Fr = ṁ [1 – e-( ′/ṁ )]
=
, ,
, , [1 – e-( , , ,
, , )]
= 0,842
Berdasarkan pada standard ASHRAE 93 (Duffie &Beckman,1982), performa concentrating collector yang beroprasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan (2.31)
qu = Fr Aa [I 0 ( − )] = ṁ ( − )
Dari persamaan ini,ruas kiri adalah rumus teoritis. Dengan asumsi-asumsi dan perhitungan yang telah dilakukan diatas didapat energy berguna dari kolektor concentrating adalah :
qu = 0,842 x 1,5[672,480 x 0,67 , (35 − 27)]
= 369,70 watt
Energy berguna ini digunakan untuk memanaskan air/fluida yang mengalir dengan laju aliran tertentu sehingga menghasilkan perbedaan temperature masuk dan temperature keluar fluida sebesar ( − ).
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana
Untuk mencari perbedaan temperature kita bisa menggunakan persamaan (2.32) : qu = ṁ ( − )
557,20= , x 4473,1 x ( − ) ( − ) = 9,92oC
Jadi secara teoritis solar concentrator ini dapat menghasilkan perbedaan temperature masuk dan keluar sebesar 9,92oC dengan asumsi-asumsi dan perhitungan parameter diatas.
Efisiensi termal dari concentrating collector menurut 93 (Duffie
&Beckman,1982),bisa menggunakan persamaan (2.32) = Fr [ 0 − ( − )] = ṁ ( ) =
= ,
, , = 0,367
Maka energy yang terpakai qu adalah 369,70 watt Dan efisiensinya adalah 0,367 x 100% = 36,7%
