LAPORAN TUGAS AKHIR
Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough
dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber
Diajukan Guna Memenuhi Syarat Kelulusan Mata Kuliah Tugas Akhir pada Program Sarjana Strata Satu (S1)
Disusun Oleh :
Nama : Hartamas Ridho Prasetyo
NIM : 41310010006
Program Studi : Teknik Mesin
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA
ii
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini,
Nama : Hartamas Ridho Prasetyo
NIM : 41310010006
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Judul Skripsi : Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis
Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass
Tube pada Pipa Absorber.
Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan Skripsi yang telah saya buat ini
merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari
penulisan skripsi ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain,
maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus bersedia menerima sanksi
berdasarkan aturan tata tertib Universitas Mercu Buana
Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan.
iii LEMBAR PENGESAHAN
Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough
dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber
Disusun Oleh :
Nama : Hartamas Ridho Prasetyo
NIM : 41310010006
v KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas terselesaikannya penulisan
laporan Tugas Akhir ini. Hanya dengan seizin Allah SWT penulis dapat menyusun
skripsi hingga selesai tepat pada waktunya.
Skripsi ini disusun dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh
gelar Sarjana dalam bidang Teknik Mesin (ST) di Universitas Mercu Buana.
Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis telah banyak mendapatkan bantuan dan
bimbingan baik secara moril maupun materil sehingga Tugas Akhir ini dapat
diselesaikan dengan semaksimal mungkin. Oleh karena itu pada kesempatan ini,
penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada :
1. Kedua orang tua, atas doa, perhatian, kesabaran, pelajaran, dorongan, dan
nasehat yang selama ini tiada henti diberikan kepada penulis.
2. Ahmad Rifai dan Erlangga Hadi Kusuma, yang menjadi tim seperjuangan
menyelesaikan prototype tugas akhir.
3. Bapak Dr.Ir. Abdul Hamid selaku dosen pembimbing yang telah memberikan
bimbingan dan pengarahan dalam penulisan tugas akhir ini.
4. Bapak Dr.Ing. Darwin Sebayang selaku kepala program studi Teknik Mesin
Universitas Mercu Buana.
5. Seluruh dosen pengajar di lingkungan Fakultas Teknik atas ilmu yang telah
disampaikan.
6. Untuk kawan-kawan Teknik Mesin angkatan 2010 yang setiap saat selalu
vi
7. Untuk kawan – kawan Bengkel Kreativitas Teknik Mesin yang tidak pernah
berhenti memberikan semangat kreativitas tanpa batas.
8. Untuk sahabat-sahabat di Ahoy Canary Team yang terus memotivisasi bahwa
yang muda yang berkarya.
9. Bagi semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan namanya satu – persatu atas
terlibatnya dalam penyusunan Tugas Akhir hingga selesai saya ucapkan
terimakasih banyak.
Semoga ALLAH SWT memberikan balasan yang sesuai atas dukungan dan
bantuan yang telah diberikan.
Penulis berharap agar karya tulis ini dapat bermanfaat bagi semua kalangan engineer
untuk memberikan informasi tentang penggunaan energi matahari sebagai energi
matahari yang berguna bagi masa depan. Dan penulis memahami karya tulis ini masih
jauh dari kata sempurna maka dari itu penulis mengharapkan saran dan kritikkan yang
sifatnya membangun pada pembaca agar dapat menyempurnakan karya tulis ini.
Akhir kata penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi
penulis dan pembacanya.
Jakarta, 15 Agustus 2015
vii DAFTAR ISI
Halaman Judul ... i
Halaman Pernyataan ...ii
Halaman Pengesahan ...iii
Abstrak ...iv
Kata Pengantar ...v
Daftar Isi ...vii
Daftar Tabel ...xiii
Daftar Gambar ...xiv
Daftar Simbol ...xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah... 6
1.3 Pembatasan Masalah ... 6
1.4 Tujuan Penelitian ... 7
1.5 Ruang Lingkup Penelitian ... 7
1.6 Penelitian Signifikan ... 8
1.7 Tinjauan Pustaka ... 9
1.8 Sistematika Penulisan ... 10
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Cahaya... 12
2.2 Sifat Cahaya ... 13
viii
2.4 Sudut Matahari ...15
2.5 Energi Matahari ...17
2.5.1 Radiasi Matahari ...19
2.5.2 Jenis-Jenis Radiasi Matahari ...21
2.5.3 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal ...22
2.5.4 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam ...23
2.6 Konstanta Surya ...23
2.7 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi ...25
2.8 Solar Collector ...28
2.8.1 Jenis-Jenis Solar Collector ...29
2.8.1.1 Flate Plate Collector (FPC) ...29
2.8.1.2 Compound Parabolic Collector ( CPC )...30
2.8.1.3 Evacuated Tube Collector ( ETC ) ...31
2.8.1.4 Linear Fresnel Collector ( LFC ) ...33
2.8.1.5 Parabolic Trough Solar Collector ( PTSC ) ...34
2.8.1.6 Parabolic Dish Reflector ( PDR ) ...34
2.8.1.7 Heliostat Field Collector ( HFC ) ...35
2.8.1.8 Pemanas Tenaga Surya ( Solar Heater) ...36
2.9 Desain Optik Solar Concentrator ...38
2.10 Concentrating Ratio ...39
2.11 Sudut Rim ...40
2.12 Pemantulan Cahaya ...40
2.12.1 Jenis Jenis Pemantulan Cahaya ...41
ix
2.12.1.2 Pemantulan Baur...42
2.12.1.3 Pemantulan Sempurna ...43
2.12.1.4 Pembiasan Cahaya (Refraksi) ...43
2.13 Rambat Cahaya Transmisivitas Cover Pipa Kaca ...45
2.14 Kalor ...47
2.14.1 Jenis – Jenis Perambatan atau Perpindahan Kalor ...48
2.14.1.1 Konduksi ...49
2.14.1.2 Konveksi ...50
2.14.1.3 Perambatan Kalor Radiasi ...52
2.15 Fluida ...53
2.15.1 Fluida dan Jenisnya ...53
2.15.2 Sifat-sifat Fisik Fluida ...54
2.15.3 Perbedaan Jenis dan Sifat Aliran Fluida pada Pipa ...55
2.15.3.1 Laminar dan Turbulen...55
2.16 Titik Didih Normal atau Titik Uap Cairan ...56
2.17 Faktor Geometri ...57
2.18 Nilai Refleksi Material Energi Radiasi Berguna ...58
2.19 Efisiensi Optik Konsentrator ...60
2.20 Luas Area yang Terkonsentrasi Kalor ...62
2.21 Temperatur Absorbsivitas Material pada Parabola dan Pipa Kolektor ...62
2.22 Perpindahan Kalor Terjadi didalam Pipa (Overall Heat Transfer Coeficient)...64
x
2.24 Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor) ...67
2.25 Performa ...68
2.26 Efisiensi Termal Kolektor ...69
BAB III METODELOGI PERANCANGAN 3.1 Mengetahui Sumber Daya ...71
3.2 Persiapan Pemilihan Bahan Material pada Receiver ...72
3.3 Input Data ...72
3.4 Penelitian Efisiensi Pipa Absorber dengan Material yang Sudah Ditentukan ...72
BAB IV PERHITUNGAN SOLAR COLLECTOR TYPE PARABOLIC TROUGH 4.1. Perhitungan Akibat Gerak Semu Harian Matahari ...75
4.1.1 Perhitungan Sudut Deklinasi ...75
4.1.2 Perhitungan Persamaan Waktu ...75
4.1.3 Perhitungan Waktu Surya ...76
4.1.4 Perhitungan Sudut Jam...77
4.1.5 Perhitungan Sudut Zenith ...77
4.1.6 Perhitungan Sudut Altitute Matahari ...77
4.1.7 Perhitungan Sudut Azimuth Matahari ...77
4.2. Komponen Radiasi Masukan Sistem ...78
4.2.1 Perhitungan Radiasi Ekstraterrestrial ...78
4.2.2 Perhitungan Indeks Kecerahan Langit ...78
xi
4.2.4 Perhitungan Radiasi Langsug (Beam) ...78
4.2.5 Perhitungan Radiasi Masukan ...79
4.3. Perhitungan pada Sistem Parabolic Trough ...79
4.3.1 Menetukan Dimensi Parabolic Trough ...79
4.3.2 Perhitungan Luas Arperture Area...80
4.3.3 Perhitungan Luas Pipa Absorber ...81
4.3.4 Perhitungan Rasio Konsentrasi ...81
4.3.5 Perhitungan Sudut Rim ...81
4.3.6 Perhitungan Faktor Geometri ...82
4.4. Perhitungan Nilai Energi Netto ...82
4.4.1 Energi Berguna ...82
4.4.2 Reflektifitas ...82
4.4.3 Radiositas ...83
4.4.4 Energi Radiasi Bersih dari Refleksi Parabola ...83
4.5 Perhitungan Efisiensi Optik Konsentrator ...83
4.6 Luas Area Terkensontrasi Kalor ...84
4.6.1 Area Selimut Tabung ...84
4.6.2 Area Parabola ...85
4.7 Perhitungan Nilai Absorbsivitas Material ...85
4.7.1 Suhu Parabola...85
4.7.2 Suhu Pipa Tembaga Telah di Cat Hitam ...85
4.8 Desain Thermal / Heat Transfer Collector ...86
4.8.1Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient Terhadap Pipa Absorber ...86
xii
4.8.2Perhitungan Mencari Nilai Laju Aliran Massa dan
Temperatur Suhu Air yang Keluar dari Dalam Pipa...88
4.9 Perhitungan Overall Heat Loss Coefficient ...89
4.10 Perhitungan Efisiensi Collector...90
4.11 Summary Hasil Perhitungan Signifikan ...93
BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan...94 5.2. Saran ...95 DAFTAR PUSTAKA ...96 DAFTAR ACUAN ...97 LAMPIRAN ...98
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tipe Solar Collector ... . 29
Tabel 2.2 Penentuan Factor Intercept ... ..61
Tabel 4.1 Titik-Titik Parabola pada Sumbu-x dan Sumbu-y ... ..79
Tabel 4.2 Ukuran Pipa Absorber Tembaga ... ..81
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Posisi Bumi Terhadap Matahari ... .. 14
Gambar 2.2 Lintang, Sudut Waktu dan Deklinasi Matahari ...15
Gambar 2.3 Jenis Radiasi Matahari yang Mengenai Permukaan ... . 22
Gambar 2.4 Hubungan Geometris Bumi-Matahari ... . 24
Gambar 2.5 Beberapa Sudut Penting dalam Energi Surya ... . 25
Gambar 2.6 Kolektor Surya Plat Datar ... . 29
Gambar 2.7 Compound Parabolic Collector ... . 31
Gambar 2.8 Evacuated Tube Collector ... . 32
Gambar 2.9 Linear Fresnel Collector... . 33
Gambar 2.10 Parabolic Trough Solar Collector ... . 34
Gambar 2.11 Parabolic Dish Reflector ... . 35
Gambar 2.12 Heliostat Field Collector ... . 36
Gambar 2.13 Parabolic Trough Solar Collector 3D dan 2D ... . 37
Gambar 2.14Tinggi Titik Fokus pada Prototype PTSC dan ukuran P x L ... . 39
Gambar 2.15 Pemantulan Cahaya: Sudut Datang Sama Dengan Sudut Pantul. . 41 Gambar 2.16 Pemantulan Biasa pada Cermin Membentuk Bayangan Benda ... . 41
Gambar 2.17 Pemantulan Baur pada Permukaan Bidang yang Tidak Rata ... . 42
Gambar 2.18 Pemantulan Sempurna pada Berlian ... . 43
Gambar 2.19 Pembiasaan Cahaya ... . 44
Gambar 2.20 Sinar Melalui Fokus Utama Dipantulkan Sejajar Sumbu Utama . 44 Gambar 2.21 Nilai Transmisivitas Kaca Biasa dan Kaca Borossilicate ... . 46
xv
Gambar 2.23 Komponen Energi yang Berada didalam Pipa Receiver ... . 47
Gambar 2.24 Perpindahan Kalor ... . 49
Gambar 2.25 Perpindahan Kalor Secara Konduksi ... . 50
Gambar 2.26 Proses Konveksi dari Sepanci Air yang Dipanaskan ... . 52
Gambar 2.27 Perpindahan Kalor Melalui Proses Radiasi ... . 53
Gambar 2.28 Skema Aliran Fluida Laminar Dalam Pipa atau Tabung ... . 56
Gambar 2.29 Skema turbulen Aliran Fluida Dalam Pipa atau Tabung ... . 56
Gambar 2.30 Grafik Fokus Rasio Terhadap Luas Arperture ... . 58
Gambar 2.31 Perpindahan Kalor Konduksi dan Konveksi dari Sumber Kalor.. . 63
xvi
DAFTAR SIMBOL
= ( ) = = ( ) = w m = w m . ℃ = ( ) = kg s = ℃ / K = ( ) = ( ) = = = = ( ) = ( ) = Energi berguna w m ℎ = w m . ℃ ℎ = ℎ (m s⁄ ) = w m = ℎ − = ( )xvii = w m = ( ) = ℎ ( ) = (℃) = ℃ / K = (℃) = − (℃) = ℎ w m . ℃ = (m s⁄ ) = ℎ ( ) = ℎ ∅ = = ( ) = ℎ ( ) = ( ) = ( ) = = ℎ = ℎ = ℎ ℎ = = = ℎ ℎ = − (5,669 × 10 ) =
xviii =
=
ħ = ℎ − w m . ℃
=
= dari temperatur fluida kg m . s
= Kg m
SATUAN TAK BERDIMENSI
=
= ℎ
