RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGI SURYA MENJADI ENERGI MEKANIK

(1)

RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGI

SURYA MENJADI ENERGI MEKANIK

Yazmendra Rosa

(1)

, Rino Sukma,

(1)

Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin

Politeknik Negeri Padang

ABSTRACT

A solar collector chimney model has been studied. The appliance of convert solar energy become mechanic energy by heated the air at collector resulting the forming of air stream naturally, which able to turn around turbine in the chimney. Solar energy is the nature source of energy with character: unpollutant, free of charge and also continuous all day long. The change of air density because of temperature changes will result air emit a stream naturally to the lower temperature place and hot weather will ride on to chimney. Examination have conducted in air-gap broadly, the surface of collector 1 m2, high of chimney 1 m and diameter 7,5cm (PVC 3"). The result showed that turbine which is attached by a chimney at output of collector could rotate. It’s means that solar energy can turn into mechanic energy with rotation equal to mean 110 rpm. With this wide of collector was obtained the increase of secretory air temperature of collector equal to mean 15oC. Keywords: heat transfer, Solar Energy & Solar Power Chimney

1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Indonesia merupakan salah satu negara yang berada pada lintasan sumber energi yaitu pada garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS. Posisi yang sangat strategis ini membawa negara ini menjadi negara

yang sangat kaya sumber energi, tentunya

pemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisien akan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasa mendatang.

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 fan yang berputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran. 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 [1,3,4]. Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai efisiensi 55%[1,3,4]untuk menghasilkan udara panas

sehingga diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi

sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi mekanik dengan menghasilan putaran fan, jika diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh energi40 watt/m2radiasi surya.

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[2].

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.

1.2 Tujuan dan Manfaat

Pemanfaatan sumber energi surya menjadi energi mekanik putaran dengan menggunakan kolektor pelat datar yang dapat menghasilkan aliran fluida. Aliran fluida karena perbedaan temperatur oleh kolektor dialiarkan melewati turbin sehinga menghasilkan energi mekanik.

Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif energi

baru dalam membudayakan hemat energi dan

pemanfaatan sumber energi ramah lingkungan

dengan keuntungan Indonesia berada di khatulistiwa yang menerima surya sepanjang hari dan kontiniyu.

(2)

1.3 Batasan Masalah

Alat konversi energi surya ke energi mekanik

dirancang skala kecil untuk tahap pengujian

laboratorium. Kolektor pelat datar dengan fluida kerja udara dirancang dalam penelitian ini serta

dilakukan pengujian dengan mengasumsikan

kecepatan udara lingkungan, penyebaran intensitas radiasi pada permukaan absorber merata dan laju aliran massa udara tetap

2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Energi Surya

Energi surya adalah sumber energi yang terdapat dialam, dimana tidak bersifat polutif, tidak habis dan gratis. Energi ini tersedia dalam jumlah yang besar dan bersifat kontinue bagi kehidupan makhluk di bumi. Untuk memanfaatkan energi surya diperlukan pengetahuan dan teknologi yang tinggi agar dapat efisiensi yang lebih baik serta ekonomis.

2.1.1 Radiasi Surya

Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi tergantung pada hal-hal berikut:

 Posisi surya

 Lokasi permukaan.

 Hari dalam tahun.

 Keadaan cuaca dan kemiringan

permukaan.

Besarnya radiasi langsung yang diterima dari

matahari yaitu:[14] I A B DN ( sin



) ... (1) dengan,

- A = iradiasi nyata surya, W/m2.

- B = koefisien pemandangan atmosfir, tak berdimensi.

Radiasi yang diterima langsung dari surya disebut radiasi langsung, sedangkan yang diterima setelah melewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi. Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektor adalah:[14]

I

_io



I

_DN

cos





I

_DS



I

_r ... (2)

dimana Iio, IDN, IDS dan Ir berturut-turut adalah total radiasi matahari pada suatu permukaan, komponen

radiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasi

gelombang pendek yang dipantulkan oleh permukaan lain. Semua variabel dalam satuan W/m2.

Harga dari komponen radiasi diffusi[11],

I

_DS



C I

_DN

F

_ss ... (3)

dimana C dan Fss adalah masing-masing angka

perbandingan antara radiasi surya difussi dengan radiasi surya langsung yang jatuh pada permukaan horizontal dan faktor sudut antara permukaan dan langit

Untuk mencari harga Fssdirumuskan: [14]

F

_ss



1 

2

cos



... (4)

dimana



₂ adalah sudut kemiringan permukaan

terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan

biasanya komponen Irbukanlah komponen utama.

Radiasi yang mengenai suatu material akan

mengalami tiga proses yaitu:

1. Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu material

untuk menyerap beberapa bagian dari total radiasi yang terjadi pada permukaan material,



  



I

absorb tot , ,

2. Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara

radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang

terjadi.



_  



I

ref tot , ,

3. Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara

kemampuan suatu material untuk meneruskan radiasi matahari yang terjadi dengan total yang

terjadi,



_  



I

trans tot , , 2.1.2 Geometri Surya

Gerakan dan posisi surya sangat menentukan

besarnya energi yang dapat diterima oleh kolektor. Untuk mengamati posisi surya terhadap bumi dapat di gambarkan dalam dua sudut:

 Sudut Zenit yaitu sudut yang diukur dari sumbu

vertikal dengan bidang sinar datang matahari.  Sudut Azimuth yaitu sudut antara sumbu

horizontal dengan proyeksi sinar datang

matahari arah selatan posisi pengamatan.

2.1.3 Deklinasi Matahari

Deklinasi matahari adalah sudut yang terbentuk antara sinar datang matahari dengan garis tegak lurus terhadap sumbu polar dalam bidang matahari. Dengan mengetahui deklinasi matahari maka posisi orbit bumi dapat ditentukan.

The American Epherimes and Naval Almanac merumuskan:[13]



23 45 360 

365 284

, Sin( ( n)) ... (5)

dimana:

(3)

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958   Polar axis Equatorial plane Surya

Collector site at latitude

Gambar 1. Deklinasi matahari

Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siang matahari:

Cos



_s

  tan .tan





... (6) Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenam berharag negatif.

2.1.4 Sudut Insiden Surya

Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luas sebuah kolektor dengan radiasi langsung dari surya ditentukan oleh besar sudut antara sinar datang dengan vektor garis normal dari permukaan kolektor.

Cos s s s s                  

sin (sin cos cos sin cos )

cos (cos cos sin sin cos cos sin sin sin )

... (7)

2.2 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





... (8)

maka temperatur udara keluaran dapat dihitung dengan persamaan:

T

Q

m c

T

ko u p kin



_



... (9)

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.

Ereff

Eglob

Tin Tout

QL

Gambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:

Q

a



Q

u



Q

l



Q

s ... (10)

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.

2.3 Prinsip Solar Chimney

Gambar 3 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.

(4)

Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem ini adalah plant solar turbin tower coil solar

Q

P

.



.



.



.



 



(11)

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













tower H tower a tot

g

dH

p

0

.



... (12) d s tot

p









... (13) 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 Ptotdari aliran diperoleh:

coil tower

tot

p

v

A

P





.

,max

.

... (14)

Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:





Q

P

tot tower



... (15)

Tanpa turbin , kecepatan maksimum (

v

_tower_,_max), yang dikonversi ke energi kinetik adalah:

max , 2

2

1

tower tot

m

v

P





... (16)

Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):

0 max ,

2 .

.

T

H

g

v

_tower



_tower



... (17) 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





... (18) 3. METODE PENELITIAN 3.1 Pendahuluan

Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan energi surya ke dalam energi panas. Pada absorber,

radiasi surya di serap, kemudian di lalui fluida kerja udara sebagai pembawa energi panas.

Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi pelat absorber, penutup transparan, isolasi, saluran udara dan rangka kolektor. Pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perencanaan yaitu: ekonomis, produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat dan mudah dioperasikan.

3.2 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan

Parameter yang merupakan dasar dari perancangan kolektor adalah:

1 Kondisi udara masuk ke kolektor, Tkin = 33oC = 306 K

2 Kondisi udara keluar dari kolektor, Tkout= 69oC = 342 K[1,3,4]

3 Intensitas radiasi matahari, Eglob. = 900 watt/m2. 4 Asumsi awal kolektor pelat datar mempunyai

efisiensi 45%[1,3,4]

5 Lokasi penelitian kota Padang, 0oLS dan 100oBT, serta ketinggian ±8 meter dari permukaan laut. Pada kolektor terjadi kehilangan panas, baik yang terjadi pada bagian atas, bawah maupun samping kolektor yang dipengaruhi oleh kecepatan angin yang mengalir pada lingkungan kolektor. Intensitas surya diasumsikan tetap setiap saat dan radiasi surya yang sampai pada permukaan pelat absorber merata serta keseimbangan energi dalam keadaan stasioner. Faktor-faktor yang mempengaruhi temperatur dan efisiensi kolektor adalah:

 Luas permukaan kolektor dan bentuk absorber.  Intensitas radiasi matahari maksimum.

 Laju aliran massa udara  Kecepatan udara lingkungan.

 Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.

3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar 3.3.1 Perancangan Pelat Absorber

Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan antara lain:

 Absorbsivitas tinggi ()  Emisifitas panas rendah ()  Kapasitas panas kecil (Cp).  Konduktifitas besar (k)  Refleksi rendah ()

(5)

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958

 Tahan panas dan tahan korosi  Kaku dan mudah dibentuk  Harga murah

Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat

pengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan,

dan baja. Dalam perancangan ini digunakan

aluminium sesuai pertimbangan di atas.

Luas kolektor 1m2 untuk skala kecil pengujian dan

efisiensi kolektor awal diasumsikan 45 %, sehingga didapat daya energi panas yang dapat dimanfaatkan adalah

W

m

W

m

E

A

Q

_u _k _glob

.

1 .

900

2

.

0 ,

45

405

2

_





Aluminium yang digunakan mempunyai ketebalan 0,3 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat semprot hitam kusam (Pylox Black Flat Paint 109A), agar jangan terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum.

3.3.2 Perancangan Kaca Penutup.

Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat:

 Transmisivitas tinggi ()  Absorsivitas rendah ()  Refleksivitas rendah ()  Tahan panas

 Murah dan kuat

Hubungan radiasi yang terjadi pada kaca dapat dilihat pada pada “Gambar (4)”







E

glob

Gambar 4 Radiasi yang terjadi pada kaca Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan kaca bening dengan ketebalan 5mm. Transmisivitas kaca,  = 0,85, refleksi  = 0,09 dan absorsivitas =0,06, maka diperoleh panas yang dapat melalui kaca adalah:

Q



..Eglob 0 85 900, . Watt m/ 765Watt m/

2 2

3.3.3 Perancangan Isolasi.

Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi

perpindahan panas secara konduksi sehingga

kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan adalah:

 Konduktifitas termal bahan (k) kecil.  Mudah dibentuk dan praktis

 harga murah  Tahan lama.

Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu: gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbes semen, dan gabus. Berdasarkan sifat di atas maka digunakan gabus yang mempunyai konduktifitas termal, k = 0,048 W/m0C, dengan ketebalan 4 cm.

3.3.4 Perancangan Rangka

Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuk sistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukan sifat-sifat antara lain:

 Kuat dan kaku.  Tidak terlalu berat.

 Mudah dibentuk dan dibuat.  Tahan lama.

3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor

Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi, dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaan keseimbangan energi adalah:

Qa= Qu+ Ql ... (19)

dengan,

Qa = laju radiasi surya yang dapat diserap oleh pelat absorber.

Qu= Laju perpindahan panas dari pelat absorber ke fluida udara (energi yang berguna).

Ql = Laju kehilangan energi dari kolektor ke

lingkungan.

Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energi dalam (U=0)

3.4.1 Laju Aliran Energi yang digunakan (Qu)

Besar panas yang dapat dimanfaatkan dari absorber oleh fluida kerja udara, dipengaruhi oleh laju aliran, peningkatan suhu dan panas jenis dari fluida kerja. Keadaan ini dinyatakan dalam persamaan:

Qu=

m



(6)





Q

_u



A F

_k _r

(

 

)

E

_glob



k

_eff

(

T

_in



T

~)

...(20b)





Q

_u



A F

_k

' (

 

)

E

_glob



k

_eff

(

T

_r



T

~)

...(20c) dengan,

Fr = Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8)[6] F’ = Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9)[9].

Kondisi fluida kerja dalam kolektor antara

temperatur keluar dan temperatur masuk, maka diasumsikan temperatur rata-rata (Tr) =49 oC = 322 o

K. Pada keadaan udara T = 49 oC , diperoleh Cp= 1,0102 kJ/kgoC[4].

Berdasarkan ”Persamaan 20a”, didapat laju aliran massa udara:

s

kg

x

m

0 ,

011

36 0102

,

1

405 ,

0 _





3.4.2 Laju Energi yang Diserap (Qa).

Kemampuan sistem kolektor untuk menerima radiasi

surya menjadi panas dipengaruhi oleh harga

transmisivitas (), kaca penutup dan harga

absorpsivitas (), dari pelat absorber.

Pengaruh transmisivitas () dan absorpsivitas ()

bahan disebut dengan transmittance-absorptance

product (). Proses radiasi yang sampai ke kolektor

dapat dilihat pada ”Gambar (5)”.



_d ialah harga

refleksifitas dari kaca penutup.

Kaca  d (1-) (1-)d (1-)2d (1-)2d2 (1-) d (1-)2 d2

Gambar 5 Radiasi matahari yang jatuh pada sistem kolektor

Persamaan transmittance absorptance product ialah :

*₌__._







1



_

_

1 1 0      



      . . . d N d n ...(21)

Besar harga transmisivitas () dan refleksivitas ()

dari suatu kaca penutup dipengaruhi oleh sudut

jatuh, dari radiasi surya. Sudut jatuh, radiasi surya ke kaca penutup diasumsikan pada sudut nol

derajat (tegak lurus kolektor). Harga = 0,85 dan

harga d = 0,09 dan harga absorpsivitas dari pelat

absorber= 0,95.

Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor,

Q

_a menjadi:

Q

a



E

glob

.

A

a

. .

 

... (22)

Dengan mengunakan ”Persamaan (22)” di dapat:

. 85 , 743 / 900 . ) 95 , 0 87 , 0 ( 1 2 2 Watt m W m Qa  

3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor.

Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total, luas pelat absorber dan beda temperatur absorber dengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan terjadi pada tiga sisi kolektor yaitu: bagian bawah, samping dan atas kolektor. Jumlah total rugi panas secara ke seluruhan ke lingkungan adalah:

QL= F’ ULAk(Tr- T~) ... (23a)

QL= FrULAk(Tin- T~) ... (23b)

- Rugi Panas Melalui Belakang.

Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhi oleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas dan ketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan dapat dilihat pada ”Gambar (6)”

Tb~ Tb~ h R2 R1 R3 R5 R4 Ta triplek triplek gabus

pelat baja seng

Ta

Gambar 6 Bahan isolasi bagian belakang kolektor Koefisien perpindahan panas keseluruhan melalui bagian bawah adalah:[5]

U A A t k t k t k t k h T T T T b b k b a b a        . .( ) ( ) ~ ~ 1 1 1 1 2 2 3 3 4 4 ... (24) dengan,

Ab = luas permukaan bagian belakang.

Ak = luas kolektor.

t1 = tebal bahan

(7)

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958

=5,7 + 3,8 (1,5)= 11,4 W/m2 oC. Tb~ = Temperatur belakang kolektor ,oC.

T~ = Temperatur lingkungan,oC

Kehilangan panas bagian bawah ”Persamaan (24)” adalah

U

_b



1 ,

03818

W

/

m

2o

C

- Rugi Panas Melalui Bagian Atas.

Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi seperti terlihat pada “Gambar (7)” Koefisien perpindahan panas total melalui bagian atas kolektor dapat dirumuskan:[5]

U

A

R

R R

R

T

f f k k c r c r a f a

































.

~

1 ... (25) dengan,

 Rk = tahanan termal konduksi kaca.

R

=

t

k

kaca

 Rc = tahanan termal konveksi dari tutup ke

lingkungan. R h c f  1

hf= 5,5 + 2,7 (v) = koefisien konveksi termal pada permukaan kaca.

v = kecepatan udara disekitar kolektor = 1,5 m/s.

 Rr = tahanan termal radiasi antara penutup ke

lingkungan.

R

T

r k





1

2 2 2

 

. .(

~ ).(

~)

Tb~ h~ Tf~ h~ kaca Ta Rr T~ Ta Rc Rk

Gambar 7 Bahan isolasi bagian atas kolektor

dengan,

 = konstanta boltzman, 5,67 x 10-8_W/m.K  = emisivitas kaca, 0,9.

T2= temperatur kaca, K.

Berdasarkan ”Persamaan (28)”, diperoleh rugi panas

melalui bagian atas adalah: U W m oC

f 2 / 0081 , 6 

- Total Rugi-rugi Panas Pada Kolektor

Q

total



F A U

r

.

k

(

f



U

b



U

s

).(

T

in



T

~)

... (26a)

Q

_total



F A U

'.

_k

(

_f



U

_b



U

_s

).(

T

_r



T

~)

... (26b) Dengan mengunakan ”Persamaan (26b)” di dapat:

. 84 , 162 Watt Qtot

3.4.4 Efisiensi Termal Kolektor.

Efisiensi kolektor ditentukan oleh besarnya panas yang diterima kolektor (Qin) terhadap panas yang dapat di manfaatkan (Qu). Energi yang di terima oleh kolektor yaitu:

Q

_in



E

_glob

.

A

_k

maka efisiensi teoritis kolektor adalah:







 F E A



U A T T E A glob k L k r glob k '. . . ( ~) . ... (27a)







 F E A



U A T T E A r glob k L k in glob k . . . ( ~) . ... (27b)

Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:







Q

m C

T

E

A

u in p glob k

.



... (28a)

 

Q



Q

E

A

a L glob

.

k ... (28b)

Dengan mengunakan ”Persamaan (27a)”, di dapat:

%

5 ,

50

505 ,

0 



th



3.5 Prosedur Pengujian

1. Pengujian dilakukan dari jam 10.00 WIB sampai jam 15.00 WIB (pada saat intensitas maksimal) 2. Periksa dan pasang alat ukur intensitas surya di

atas kolektor.

3. Pasang termokopel pada sistem alat pengujian. 4. Catat parameter yang didapat:

 Intensitas radiasi matahari (mv)

 Temperatur lingkungan, temperatur masuk dan keluar kolektor.

 Temperatur kolektor yaitu temperatur absorber, dan temperatur bagian belakang.

 Temperatur di keluar penghambat (turbin)  Putaran turbin yang dihasilkan (rpm)  Laju aliran Massa udara.

(8)

7. Ulangi prosedur 4, dengan selang waktu 10 menit selama satu hari.

8. Lakukan pengujian beberapa hari kemudian untuk melihat variasi pengaruh lingkungan

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sistem alat yang direncanakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada “Gambar (8)” dan ”Gambar (9)”. Pengujian menggunakan data aquisisi dengan card

ADC PCL-818L with PLCD-8115 dan sensor

termokopel tipe T yang dihubungkan ke komputer seperti set-up yang terlihat pada ”Gambar (10)”

Gambar 8 Rangka Kolektor surya pelat datar

Gambar 9 Sistem alat kolektor pelat datar dan cerobong

Gambar 10 Sistem data akusisi yang digunakan

4.1 Data dan Hasil pengujian

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Temperatur Data A quis is i (o_C)

T e m p e ra tu r ( oC )

Naik Turun Rata-rata Linear (Turun) Linear (Naik) Linear (Rata-rata)

(9)

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 Waktu (WIB) T e m p e ra tu r ( oC ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 In te n s ita s (W a tt )

T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong) Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

Gambar 12 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 1)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 Waktu (WIB) T e m p e ra tu r ( oC ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 In te n s it a s (W a tt )

Gambar 13 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 2)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 16:33 Waktu (WIB) T e m p e ra tu r ( oC ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 In te n s ita s (W a tt )

(10)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 Waktu In te n s it a s (W a tt ) 30 50 70 90 110 130 150 170 P u ta ra n (r p m )

Intensitas putaran 3 per. Mov. Avg. (putaran) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

Gambar 15 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 1)

300 400 500 600 700 800 900 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 Waktu In te n s it a s (W a tt ) 30 50 70 90 110 130 150 170 P u ta ra n (r p m )

Intensitas putaran rpm 3 per. Mov. Avg. (putaran rpm) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

Gambar 16 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 2)

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 Waktu In te n s ita s (W a tt ) 30 50 70 90 110 130 150 P u ta ra n (r p m )

Intensitas putaran rpm 3 per. Mov. Avg. (putaran rpm) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

(11)

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958 4.2 Pembahasan

Pada “Gambar (11)” perbandingan alat ukur

temperatur data akusisi dengan termometer kaca yang diperoleh hubungan persamaan naik dan turun pengukuran yaitu Pers. Naik = y = 1.043x - 2.118, R2 = 0.9687 dan Pers. Turun = y = 0.9239x + 2.5623, R2 = 0.9425 serta persamaan rata rata antara naik dan turun diperoleh y = 0.9835x + 0.2221. Histerisis alat ukur akan makin melebar pada saat temperatur makin tinggi (Temperatur > 50oC).

Pada ”Gambar (12)” sampai ”Gambar (14)”

merupakan data hasil pengolahan grafik temperatur dan intensitas terhadap waktu. Data grafik terlihat temperatur keluaran kolektor dapat mencapai di atas

50 oC dan selama pengujian temperatur yang dapat

dihasil kolektor dapat kenaikan dari lingkungan berkisar antara 10oC sampai dengan 20oC. Intensitas

maksimum pada siang hari mengakibatkan

temperatur keluaran kolektor paling maksimal dan

hasil putaran turbin (alat ukur anemometer)

menunjukan maksimal berkisar antara 0,3 m/s sampai dengan 0,4 m/s.

Dari grafik dan data diperoleh secara rata-rata putaran turbin 110 rpm dengan rincian pengujian

114,37 rpm, 96,50 rpm, 103,24 rpm dari hasil

pengujian. Peningkatan rpm turbin mungkin dapat diberikan apabila penambahan luas kolektor surya yang dibuat dan sekaligus dapat meningkatkan dayanya.

Pada ”Gambar (15)”, ”Gambar (16)”, dan ”Gambar (17)”, hasil putaran turbin dapat lebih stabil pada kondisi stedi yang diakibatkan oleh sistem alat masih cukup menyimpan panas walaupun terjadi penurunan

radiasi surya. Perlu dipertimbangkan pengguanaan

penyimpan energi dalam sistem alat ini.

Pada saat pengujian sistem alat ini dapat terlihat secara visual putaran turbin (lihat vidio pengujian)

atau boleh dikatakan sistem model alat yang

direncanakan dapat mengalirkan udara di dalam

cerobong yang kemudia memutar turbin yang

menghasilkan energi mekanik. Aliran ini disebabkan

perbedaan temperatur, density karena pengaruh

energi panas dari surya yang ditangkap melalui kolektor.

5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

Hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu;

1. Alat konversi energi surya menjadi energi

mekanik yang direncanakan ini dapat

menghasilkan putaran pada turbin berkisar antara  110 rpm dengan luas kolektor pelat datar 1m2_, kemiringan kolektor 10o serta berbentuk profil atap rumah. (vidio visual pengujian)

2. Kolektor pelat datar energi surya dapat menaikan temperatur udara secara rata-rata berkisar 15oC sehingga dapat mengalirkan udara secara panas mengguanakan cerobong yang dapat memutar turbin.

3. Pemanfaatan sistem alat ini untuk pembangkit energi listrik perlu menyesuaikan putaran yang dihasilkan terhadap generator yang ada (yg dapat dibuat).

4. Energi mekanik yang dihasilkan model alat ini dapat dikembangkan sebagai energi alternatif yang bersih dan ramah lingkungan serta tersedia sepanjang hari karena kondisi wilayah indonesia berada dalam jalur garis khatulistiwa , yang memberikan intensitas paling besar dipermukaan bumi ini.

5.2 Saran

 Penelitian dikembangkan dengan mengabungkan dengan pemanfaatan energi angin sebagai energi awal agar terjadi aliran fluida udara secara paksa.  Pengembangan kolektor dengan menggunakan

energi penyimpan untuk menjaga temperatur keluar kolektor konstan.

 Perlu penelitian lanjut peningkatan secara optimal dari pemanfaatan cerobong terhadapat aliran fluida udara sistem secara keseluruhan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Kepada Bapak/Ibu yang telah membantu

terlaksananya penelitian terutama keluarga besar

penulis. Pimpinan dan pengelola dana DIPA

Politeknik Negeri Padang, semoga dana yang

diberikan menghasilkan cikal bakal teknologi yang bermanfaat yaitu pemanfaatan sumber energi surya menjadi energi listrik dikemudian hari terwujud hendaknya.

PUSTAKA

1. Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Hanif, Kolektor Energi Surya untuk Sistem Pengering

Kulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun IV,

Universitas Andalas, 1997.

2. Sukhatme, Solar Energi: Principles of Thermal

Collection and Storage, Tata McGraw-Hill

Publishing Company Limited, New Delhi, India, 2001

3. Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri,

Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2004

4. Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah, Rancang Bangun Pengering Gambir dengan

(12)

Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2006.

5. A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran, Thermal Design and Optimization, John Wiley & Sons, New York, 1996.

6. Zainuddin, Dahnil, Solar Teknik 1 & 2,

Universitas Andalas, Padang, 1990.

7. George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage: Latent Heat Materials, CRC Press, Inc., Florida, 2000.

8. A. Saito dan H. Hong, Experimental Study on Heat Transfer Enhancement in Latent Thermal Energi Storage with Direct Contact Melting,

Departement of Mechanical Engineering &

Science, Tokyo Institute of Technology, Japan, Int, J. Heat Mass Transfer.

9. C. P. Arora, Refrigeration and Air Conditioning, McGraw-Hill, Singapore, 2000.

10. ASHRAE, Fundamentals Handbook,. 1997. 11. Culp, Archie W. Jr., Prinsip-prinsip Konversi

Energi, Erlangga, Jakarta, 1985.

12. Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul

N., Solar Energy Technology Handbook Part A,

Marcel Dekker, New York, 1980.

13. Dufie, John A., & Beckman, William A., Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, New York, 1995

14. Stoecker, Wilbert F., & Jerols, W. Jones, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga, Jakarta, 1992.

15. Floating Solar Chimney Technology,

www.floatinglarchimney.gr, September 2008 16. The Solar Tower : Large scale Renewable energy

Power Station Development, 19th World Energy Congress, Sydney Australia, Sep 2004

17. Andre G Ferreira, Technical Feasibility

Assessment of a Solar Chimney for Food Drying, Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier. 2008

CURRICULUM VITAE

Penulis menyelesaikan studi sarjana di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas tahun 1997 dan tahun 2003 menyelesaikan studi S2 bidang Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin di Institut Teknologi Bandung, Sekarang sebagai dosen dan staf Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara di Program Studi Teknik Mesin Politeknik Universitas Andalas, staf pengajar dan pembimbing di program D4 Konservasi Energi serta mengajar dan

membimbing di Pasca Sarjana ISTN,. Email: