Analisa Pengaruh Variasi Diameter Receiver Dan Intensitas Cahaya Terhadap Efisiensi Termal Model Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating

(1)

Matahari sebagai sumber energi kalor terbesar menjadi salah satu alternatif sumber panas melimpah, untuk memanfaatkannya dibutuhkan suatu kolektor yang mampu mengumpulkan panas dari radiasi matahari sehingga dapat dimanfaatkan lebih jauh. Supaya energi matahari dapat digunakan dengan seefisien mungkin tentu harus diketahui faktor - faktor yang berpengaruh terhadap efisiensi dari kolektor surya. Pada pengujian kolektor surya dilakukan dengan menggunakan beberapa variasi yang berpengaruh terhadap kolektor surya.

Dimana variasi yang digunakan adalah diameter receiver dan intensitas cahaya yang akan diberikan. Ukuran diameter receiver yang digunakan antara lain 3/8, ½, dan 5/8 inch, sedangkan variasi intensitas cahaya diatur dengan memvariasikan tegangan yang diberikan terhadap lampu sorot, tegangan yang digunakan antara lain 80, 160 dan 240 Volt. Kemudian data yang akan di ambil antara lain debit fluida kerja, temperature fluida kerja masuk dan keluar kolektor, temperature udara ambient, temperature pipa receiver bagian inlet dan outlet, serta kecepatan angin dan intensitas radiasi. Dan nantinya akan didapatkan efisiensi kolektor , panas berguna dan heat loss.

Kata Kunci— kolektor surya, diameter receiver, intensitas cahaya, efisiensi, panas berguna, heat loss

I. PENDAHULUAN

atahari sebagai sumber energi kalor terbesar, menjadi salah satu alternatif sumber panas melimpah. Untuk memanfaatkanya dibutuhkan suatu kolektor yang mampu mengumpulkan panas tersebut sehingga dapat dimanfaatkan lebih jauh. Pada awal abad dua puluh kolektor- kolektor sinar matahari telah digunakan untuk memanaskan air. Dengan kemungkinan akan semakin mahalnya harga bahan bakar fosil, energi matahari menjadi pusat perhatian sebagai sumber energi yang dapat diperbaharui.

Tujuan utama dari kolektor surya adalah mengumpulkan energi dari radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang bermanfaat. Kemampuan kerja kolektor surya bergantung pada banyak faktor, antara lain

ketersediaan energi radiasi matahari, temperatur udara sekitar, karakteristik kebutuhan energi, dan karakteristik kalor sistem kolektor surya tersebut. Matahari sebagai sumber energi kalor terbesar, menjadi salah satu alternatif sumber panas melimpah.

Untuk memanfaatkanya dibutuhkan suatu kolektor yang mampu mengumpulkan panas tersebut sehingga dapat dimanfaatkan lebih jauh. Pada awal abad dua puluh kolektor- kolektor sinar matahari telah digunakan untuk memanaskan air. Dengan kemungkinan akan semakin mahalnya harga bahan bakar fosil, energi matahari menjadi pusat perhatian sebagai sumber energi yang dapat diperbaharui.

Tujuan utama dari kolektor surya adalah mengumpulkan energi dari radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang bermanfaat. Kemampuan kerja kolektor surya bergantung pada banyak faktor, antara lain ketersediaan energi radiasi matahari, temperatur udara sekitar, karakteristik kebutuhan energi, dan karakteristik kalor sistem kolektor surya tersebut.

II. URAIAN PENELITIAN

A. Solar Collector

Collector linear parabolic concentrating adalah jenis kolektor memfokuskan energi matahari yang diterimanya pada luasan yang lebih kecil untuk mendapatkan temperatur kerja yang lebih tinggi.

Kolektor parabolic linear parabolic concentrating (LPC) memiliki reflektor yang memantulkan radiasi matahari dan receiver yang akan menerima pantulannya. Perbandingan antara luasan reflektor dengan luasan receiver adalah rasio konsentrasi. Memperbesar rasio konsentrasi akan meningkatkan temperatur di mana energi kalor dihantarkan, namun hal ini harus diikuti dengan peningkatan keakuratan kualitas optis dan penempatan sistem optis.

Analisa Pengaruh Variasi Diameter Receiver Dan Intensitas Cahaya Terhadap Efisiensi Termal Model Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic

Concentrating

Hendra N Y Tamba dan Ary Bachtiar K.P.

Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: [email protected]

M

(2)

Sistem optis linier pada kolektor linear parabolic concentrating akan memfokuskan radiasi langsung (beam) ke receiver jika matahari berada tepat di tengah bidang reflektor.

Bisa dikatakan konfigurasi dari kolektor linear parabolic concentrating hanya efektif untuk radiasi langsung, namun tidak untuk radiasi difusi atau radiasi terpantul dari tanah.

Gambar 1. Parabolic Concentrator

B. Perhitungan Solar Collector Tipe Linear Parabolic (2) a. Sudut Rim

1 1

2

8( / )

tan sin

16( / ) 1 2

r

f a a

f a r

φ = ⁻ ^ ^= ⁻ ^ ^

 −   

 

b. Jari – jari Mirror 2 1 cos r f

= φ +

c. Diameter Receiver

.sin 0, 267 2 .sin 0, 267

r sin

r

D r a

= = φ

d. Koefisien Losses

L w r cond

U =h +h +U

e. Radiasi Terserap per satuan luas Aperture (S) . .( ) .

b n

S=I ρ γτα K_γτα f. Quseful Teoritis

( )

r

u R a L fi a

a

Q F A S A U T T A

 

=  − − 

 

Quseful Actual

out in

u . P f f

Q m C T T

•  

=  − 

g. Heat Loss (1)

. .( )

L r r a

Qloss=U A T −T h. Analisa Efisiensi

.

u c T

Q η= A I

C. Studi Penelitian solar collector

Pada penelitian Afri Argiawan (3) dalam tugas akhirnya pada tahun 2011 yang berjudul “Rancang Bangun Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating Sebagai Sumber Panas Generator Pada Refrigerasi Absorpsi” yang melakukan penalitian perencanaan kolektor surya tipe linear concentrating collector. Sistem dibuat dengan material Local

antara lain lembaran stainless steel dengan ukuran 1m x 2m sebagai reflektor dan pipa dengan bahan tembaga sebagai receiver. Berikut skematik gambar kolektor surya.

Gambar 2 Dimensi Reflektor Kolektor Surya Desain Afri Argiawan

III. METODOLOGI

A. Skema Penelitian Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating

Gambar 3 Skema Eksperimen Kolektor Surya

Pada pengujian ini akan dilakukan 3 tahapan, yaitu tahap persiapan, tahap pengambilan data, dan tahap akhir.

Pertama tahapan persiapan dengan memastikan peralatan yang dipakai dalam kondisi baik, yaitu pompa, pyranometer, thermocouple, digital thermometer, voltage regulator dan rangkaian – rangkaian listrik yang dibutuhkan. Memastikan peralatan sudah terpasang pada tempatnya dan diameter pipa 3/8 inch kemudian putar voltage regulator pada 80 V, hidupkan pompa air dan atur debit yang mengalir 115,2 L/jam, tunggu hingga steady.

Lalu ambil data yang dibutuhkan meliputi Temperatur fluida in, Temperatur Fluida out, Tambient, T receiver pada titik 1, T receiver pada titik 2, Intensitas dari lampu dan debit fluida. Setelah itu secara bertahap mengambil data berikutnya dengan variasi tegangan 160 volt dan 240 volt, kemudian

(3)

lakukan lagi langkah kerja yang sama untuk masing – masing pipa dengan diameter ½ dan 5/8 inch.

IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN

Pada grafik ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap temperatur air keluar kolektor.

Gambar 4 Temperatur fluida out fungsi intensitas

Dari grafik di atas tampak bahwa temperatur air keluar pipa receiver dengan berbagai variasi diameter ukuran pipa mengalami peningkatan seiring bertambahnya intensitas lampu yang diberikan hingga mencapai titik maksimumnya dan kemudian akan mengalami penurunan. Temperatur air keluaran kolektor tertinggi terjadi pada intensitas lampu 130,719 watt/m²

Gambar 5 Koefisien losses kolektor fungsi intensitas radiasi dengan diameter pipa 5/8 inch didapatkan temperature out sebesar 39 °C

Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter piapa terhadap koefisien kehilangan panas kolektor.

Dari grafik terlihat bahwa nilai koefisien kehilangan panas (UL) pada kolektor cenderung naik kemudian turun kembali pada masing-masing diameter pipa. Tetapi perubahan

yang terjadi tidak terlalu signifikan terlihat dari trend line yang cenderung konstan. Hal ini dapat terjadi dikarenakan pengaruh udara sekitar sangat kecil bahkan mendekati 0.

Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap kalor berguna (Qu

Gambar 6 Quteo fungsi intensitas radiasi ).

Gambar 7 Quact fungsi intensitas radiasi

Berdasarkan dari persamaan 𝑄𝑄_{𝑢𝑢,𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡} = 𝐹𝐹_𝑅𝑅𝐴𝐴_𝑎𝑎�𝑆𝑆 −

𝐴𝐴_𝑟𝑟

𝐴𝐴𝑎𝑎𝑈𝑈𝐿𝐿(𝑇𝑇𝑓𝑓𝑓𝑓− 𝑇𝑇𝑎𝑎)�,energi kalor berguna adalah fungsi dari temperatur air masuk, temperatur udara sekitar, koefisien kehilangan panas kolektor, intensitas radiasi matahari dan faktor pelepasan kalor (heat removal factor). Energi berguna ini akan meningkat seiring meningkatnya intensitas radiasi matahari. Selain itu energi berguna akan mengalami kenaikan seiring penurunan koefisien kehilangan panas kolektor, dan akan semakin besar jika tidak ada selisih temperatur antara air masuk receiver dengan udara sekitar.

Besarnya Quseful teoritis berbeda dengan besarnya Quseful aktual. Quseful teoritis lebih besar dari pada Quseful aktual karena pada perhitungan Quseful secara teoritis tidak memperhitungkan besarnya temperatur air keluaran receiver.

Selain itu berbagai properties yang digunakan diperoleh dari tabel dan berbagai literatur, sehingga yang terjadi adalah keadaan material kolektor yang dibuat tidak sama dengan pengujian yang digunakan pada literatur tersebut. Pada 0

2 4 6 8 10

0 100 200 300 400

UL ( W/m2.C )

Intensitas Radiasi (W/m²)

U

_L

fungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

0 100 200 300 400 500 600

0 200 400

Qu teo ( Watt)

Q

_u,teo

fungsi intensitas radiasi

0 200 400 600 800 1000

0 100 200 300 400

Qu Akt (Watt)

Q

_u,act

fungsi intensitas radiasi

3/8 Inch 1/2 inch 5/8 inch 0

20 40 60 80 100

0 200 400

T fluida out( ͦͦC)

Intensitas Radiasi ( W/m²)

T

_fo

fungsi intensitas radiasi

(4)

perhitungan secara aktual dengan persamaan 𝑄𝑄𝑢𝑢,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑢𝑢𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝑚𝑚̇. 𝐶𝐶_𝑝𝑝. �𝑇𝑇_{𝑓𝑓𝑡𝑡} − 𝑇𝑇_{𝑓𝑓𝑓𝑓}�, hanya membutuhkan temperatur air masuk dan keluar saja. Di samping itu juga terdapat kemungkinan adanya kesalahan pada pengaturan posisi kolektor terhadap arah datangnya cahaya lampu yang menyebabkan pemantulan oleh reflektor menuju receiver tidak maksimum.

Quseful aktual terbesar ada pada pipa dengan diameter 5/8 inch dan intensitas cahaya pada 130,718 watt/m² dan terendah pada pipa dengan diameter 3/8 inch dengan intensitas cahaya 13,0719 watt/m²

Gambar 8 ηteo fungsi intensitas radiasi .

Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap efisiensi kolektor.

Gambar 9 ηact fungsi intensitas radiasi

Efisiensi yang diartikan sebagai rasio antara energi yang berguna dengan energi yang masuk ke kolektor surya.

Efisiensi juga merupakan fungsi dari intensitas surya, maka efisiensi akan meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas surya.

Pada grafik efisiensi aktual kolektor (ηact) nampak bahwa kenaikan terjadi pada intensitas 366,0131 Watt/m²

Gambar 10 Grafik Efisiensi Siklus Fungsi Beban Generator

Dari grafik di atas terlihat bahwa semakin meningkatnya intensitas yang diberikan maka heat loss yang terjadi juga akan semakin meningkat, hal ini dapat dijelaskan berdasarkan rumusan Qloss dimana seiring meningkatnya Temperatur receiver maka Koefisien loses yang terjadi juga akan semakin meningkat.

pada tiap

tipe diameter pipa. Besarnya efisiensi aktual mempunyai nilai yang lebih kecil dari pada efisiensi teoritis. Hal ini dikarenakan banyak properties – properties yang kemungkinan tidak sesuai dengan kondisi actual.

Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap heat loss

V. KESIMPULAN/RINGKASAN

Setelah melakukan pengujian dan pengambilan data pada solar collector linear parabolic dengan variasi intensitas cahaya dan diameter receiver, maka diperoleh, untuk hasil temperatur maksimum fluida out adalah sebesar 39 C^ dengan pipa 5/8 inch dan intensitas lampu 130,719 watt/m². Energi dari sinar lampu yang dapat dimanfaatkan kolektor (useful energy) rata-rata sebesar 835,6 watt pada pipa dengan diameter 5/8 inch dan intensitas sebesar 130,718 watt/m²

DAFTARPUSTAKA

. Efisiensi aktual rata-rata kolektor surya ini didapatkan sebesar 27,33%.

[1] Incropera, F. P. & Dewitt, D. P., 1996, Fundamentals of Heat and Mass Transfer,

[2] Duffie, J. A. & Beckman, W. A., 1991, Solar Engineering of Thermal Processes, Second Edition, John Willey and Sons inc, New York.

Fifth Edition, John Wiley and Sons inc, New York.

[3] Argiawan, A., 2011, Rancang Bangun Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating Sebagai Sumber 50

55 60 65 70 75

0 200 400

Efisiensi (%)

η

_teo

fungsi intensitas radiasi

100 2030 4050 6070 8090 100

0 200 400

Efisiensi (%)

η

_act

fungsi intensitas radiasi

0 5 10 15 20

0 200 400

Q Loss (Watt)

Intensita s Radiasi (W/m²)

Q

_loss

fungsi intensitas radiasi

3/8 Inch 1/2 Inch 5/8 Inch

(5)

Panas Generator Pada Refrigerasi Absorpsi, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya, Indonesia.