UJI EKSPERIMENTAL VARIASI CAT PELAPIS PLAT ABSORBER KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR TESIS

(1)

UJI EKSPERIMENTAL VARIASI CAT PELAPIS PLAT ABSORBER KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR

TESIS

OLEH

JEFFRI SIMALANGO 167015006

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2020

Universitas Sumatera Utara

(2)

UJI EKSPERIMENTAL VARIASI CAT PELAPIS PLAT ABSORBER KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Mesin Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH

JEFFRI SIMALANGO 167015006/TM

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2020

(3)

(4)

ABSTRAK

Pemanfaat energi matahari sebagai sumber energi alternatif sangat berkembang pada jaman ini. masyarakat menyadari bahwa pemakaian energi fosil, maupun mineral sebagai sumber energi untuk dikonversi ke energi listrik mulai semakin menipis.

Pemanfaat energi surya juga diaplikasikan juga diperalatan Kolektor Surya. Kolektor Surya memanfaatkan plat absorber untuk menyerap energi panas matahari, panas yang disimpan dikolektor ini yang dimanfaatkan untuk keperluan-keperluan tersentu seperti Solar Water Heater. Salah satu pengaruh Penyerapan panas pada Kolektor Surya adalah Cat yang digunakan di Plat Absorber. Penelitian ini berfokus pada penggunaan 4 Jenis cat yang digunakan untuk melapisi plat absorber dengan merek yang berbeda. Dari hasil pengujian, jenis cat merek Tipe III mempunyai nilai serap kalor yang lebih tinggi dari pada jenis cat yang lain seperti, Cat Tipe IV, Hitam Kilat merek Cat Tipe II dan Hitam Doff Merek Cat Tipe I.Temperatur air di Kolektor III yang dihasilkan pada saat titik puncak radiasi mencapai 70⁰C – 75⁰C, panas yang diserap oleh Kolektor III yang tertinggi rata-rata mencapai 240 Watt -270 Watt dan laju penguapan di Kolektor III sebesar Rata-rata 0.000712 kg/menit.

Kata Kunci: Kolektor Surya, Cat, Pemanas Air Tenaga Surya

(5)

ii ABSTRACT

Utilization of solar energy as an alternative energy source is highly developed at this time. people realize that the use of fossil energy, and minerals as energy sources to be converted into electrical energy is starting to run low. The utilization of solar energy is also applied to the solar collector equipment. solar collectors utilize plate absorber to absorb solar thermal energy, the heat stored in this collector is used for certain purposes such as Solar Water Heater. One of the effects of heat absorption on solar collectors is the paint used on the Absorber Plate. This research focuses on the use of 4 types of paint used to coat absorber plates under different brands. From the test results, the type of paint brand Tipe III has a higher absorption value of heat than other types of paint such as, Flying Horse, Lightning Brand Cat Tipe II black and Black Doff Brand Cat Tipe I. The air temperature generated in Collector III at the point of radiation reaches 700C - 750C, the highest heat absorbed by Collector III reaches an average of 240 Watt -270 Watt and the rate of evaporation in Collector III is an average of 0.000712 kg / minute.

Keywords: Solar Collector, Paint , Solar Water Heater

(6)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir Tesis Program Studi Megister Teknik Mesin yang berjudul “UJI EKSPERIMENTAL VARIASI CAT PELAPIS PLAT ABSORBER KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR”.

Tesis ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata 2 (S-2) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan Tesis ini penulis mendapat berbagai kesulitan, namun karena bantuan, dorongan, doa dan semangat dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu penulis dengan tulus hati mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Prof. Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT selaku dosen pembimbing Pertama sekaligus Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan Prof. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA Selaku Dosen Pembimbing kedua saya, yang penuh dengan kesabaran membimbing dan mengarahkan penulis dalam menyelesaikan Tesis ini.

2. Bapak Dr. ir M. Sabri, MT selaku Dosen Pembanding Pertama, sekaligus Kepala Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Dr. Eng. Taufiq Bin Nur, ST., M.Eng. Sc selaku Sekretaris Program Studi Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara sekaligus Dosen Pembanding kedua.

4. Bapak Dr. Tulus Burhanuddin, ST., MT selaku dosen pembanding ketiga yang telah memberikan masukan dan arahan kepada penulis sehingga Tesis ini jadi lebih baik.

5. Orang tua penulis Halomoan simalango dan Dameria naibaho yang dengan sabar dan penuh kasih memberikan dukungan sepenuh hati kepada penulis.

(7)

iv

6. Kepada kepada kedua orang yang sangat saya cintai istri Engga Paulina Manullang dan putra saya Andreas suko simalango yang sudah mendukung dan menemani hidup saya.

7. Anggota Sustainable Energy Research Center yang telah banyak memberikan masukan untuk menyelesaikan Tesis ini, dan kepada seluruh anggota lab Sustainable Energy Research Center yang memberikan warna dalam proses penyusunan Tesis.

8. Teman-teman stambuk 2016 Program Studi Magister Teknik Mesin, yang telah mendukung penulis di dalam menyelesaikan Tesis.

Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurma, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.

Medan, Agustus 2020

Jeffri simalango

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Hubungan antara Matahari dan Bumi ... 5

Gambar 2.2 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ... 8

Gambar 2.3 Konseptual Pemanas Air Tenaga Surya ... 12

Gambar 2.4 Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Kolektor Alat Pemanas Air Tenaga Surya ... 17

Gambar 2.5 Thermal Network kolektor berkaca ganda ... 22

Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian ... 28

Gambar 3.2 cat doff merek tipe III ... 27

Gambar 3.3 cat doff merek tipe IV ... 27

Gambar 3.4 cat doff merek tipe II ... 28

Gambar 3.5 jeniss semprot merek tipe1 ... 28

Gambar 3.6 Komponen Utama Kolektor Surya ... 29

Gambar 3.7 Kolektor Surya dengan Glasswoll ... 30

Gambar 3.8 Agilient 34972 A ... 30

Gambar 3.9 Hobo Microstation data logger ... 31

Gambar 3.10 Pengecatan plat Abssorber ... 34

Gambar 3.11 Wadah dan Timbangan ... 35

Gambar 3.12 Wadah yang sudah diisi Air kuarang lebih 1kg... 35

Gambar 3.13 Susuan solar kolektor yang diuji ... 36

Gambar 3.14 Eksperimen Set-Up penelitian ... 37

Gambar 3.15 Kerangka Konsep Hasil Penelitian ... 36

Gambar 3.15 Diagram alir proses pelaksanaan penelitian ... 41

(9)

vi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Temperatur Air Pengujian Hari pertama I ...

Lampiran 2 Temperatur Air Pengujian Hari ke 2 ...

Lampiran 3 Temperatur Air Pengujian Hari ke 7 ...

Lampiran 4 Data Pengujian Hari 1 Kolektor I dan Kolektor II ...

Lampiran 4 Data Pengujian Hari 1 Kolektor III dan Kolektor IV ...

Lampiran 5 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Pertama Kolektor I (Cat Tipe I) ....

Lampiran 5 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Pertama Kolektor II (Cat Tipe II) ..

Lampiran 5 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Pertama Kolektor III (Cat Tipe III) Lampiran 5 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Pertama Kolektor IV (Cat Tipe IV) Lampiran 6 Perhitungan Q use dan Q loss Hari ke 7 Kolektor I (Cat Tipe I)...

Lampiran 6 Perhitungan Q use dan Q loss Hari ke 7 Kolektor II (Cat Tipe II) ...

(10)

Lampiran 6 Perhitungan Q use dan Q loss Hari ke 7 Kolektor III (Cat Tipe III) ...

Lampiran 6 Perhitungan Q use dan Q loss Hari ke 7 Kolektor IV (Cat Tipe IV) Lampiran 7 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Ke 2 Kolektor I (Cat Tipe I) ...

Lampiran 7 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Ke 2 Kolektor II (Cat Tipe II) ...

Lampiran 7 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Ke 2 Kolektor III (Cat Tipe III) ...

Lampiran 7 Perhitungan Q use dan Q loss Hari Ke 2 Kolektor IV (Cat Tipe IV)…

Lampiran 8 Koefisien Kehilangan Panas Menyeluruh Kolektor………...

Lampiran 9 Hasil Uji Komposisi Cat PT. Sucofindo ...

(11)

viii

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

q koefisien kehilangan panas menyeluruh W/m².0C

h Koefisien perpindahan panas radiasi W/m².0C

Ra Rayleigh number Joule

A Luas Penampang Pelat Kolektor m²

I Intensitas Cahaya Matahari W/m²

Qabs Panas Kolektor Joule

Qref Panas Yang Dipantulkan Joule

Qu Energi Berguna dari Kolektor Ke Air kilo Joule

m massa air kg

Cp,w Panas jenis dari air kJ/kg.⁰C

T Temperatur ⁰C

Ut Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m².0C pada kolektor

Q loss Panas diserap yang hilang Watt

Q Use Panas yang digunakan Watt

Q In Panas yang masuk Watt

(12)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR GAMBAR ... v

DAFTAR LAMPIRAN ... vi

DAFTAR NOTASI... viii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR TABEL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... .1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan masalah ... 3

1.3 Batasan Masalah... 3

1.4 Tujuan Penelitian ... 4

1.4.1 Tujuan umum ... 4

1.4.2 Tujuan khusus ... 4

1.5 Manfaat Penelitian... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... .5

2.1 Radiasi Energi Suya ... 5

2.2 Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS) ... 11

2.2.1 Cara kerja alat pemanas air tenaga surya ... 12

2.2.2 Energi yang sampai pada kolektor pemanas air tenaga surya .... 16

2.2.3 Energi yang diserap oleh air ... 17

2.3 Absorpsivitas ... 18

2.3.1 Faktor perpindahan panas konveksi ... 19

2.3.2 Bilangan nussalt pada konveksi permukaan atas ... 20

2.3.3 Koefisien konveksi udara rata-rata ... 21

2.4 Koefisien Kehilangan Panas Menyeluruh Kolektor ... 21

2.5 Cat ... 24

2.5.1 Bahan baku ... 24

2.5.2 Jenis cat berdasarkan jenis resin binder yang digunakan ... 25

2.5.3 Jenis cat berdasarkan jenis pelarutnya ... 25

2.5.4 Jenis cat berdasarkan jenis filter yang digunakan ... 25

(13)

x

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 26

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian... 26

3.1.1 Tempat penelitian ... 26

3.1.2 Waktu penelitian ... 26

3.2 Alat dan Bahan ... 26

3.2.1 Bahan ... 26

3.2.2 peralatan ... 28

3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 33

3.3.1 Tahap penelitian ... 34

3.3.2 Pemeriksaan peralatan ... 34

3.3.3 Persiapan pendahuluan ... 34

3.3.4 Proses penelitian ... 35

3.3.5 Pengambilan data hasil penelitian ... 36

3.4 Eksperimen Set-Up ... 37

3.4.1 Tabel data analis ... 37

3.5 Uji Komposisi Cat... 40

3.5.1 Tempat pengujian ... 40

3.5.2 Komposisi yang diuji ... 40

3.6 Flowchart Penelitian ... 41

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 42

4.1 Data hasil pengujian ... 42

4.1.1 Hasil pengukuran temperatur air setiap kolektor hari pertama ... 43

4.1.2 Hasil pengukuran temperatur air setiap kolektor hari ke tujuh .. 48

4.1.3 Hasil pengukuran temperatur air setiap kolektor hari ke dua .... 49

4.1.4 Hasil pengukuran temperatur di setiap kolektor ... 50

4.1.5 Hasil pengukuran berat air setiap kolektor ... 51

4.2 Menghitung laju Panas yang masuk (Q Ioss) dan Panas yang Hilang (Qloss) di kolektor 1 sampai IV ... 53

4.2.1 Gerafik perbandingan Q useVS Q loss hari pertama ... 53

4.2.2 Gerafik perbandingan Q use VS Q Loss hari ke 7 ... 56

4.2.3 Gerafik perbandingan Q use VS Q loss hari ke dua ... 59

4.3 Hasil nilai kalor yang diserap ... 62

4.4 Uji komposisi cat ... 63

4.5 Menunjukakn hasil komposisi cat ... 63

BAB IV ANALISA DATA ... 64

5.1 Kesimpulan ... 64

5.2 Saran ... 64 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

(14)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Indonesia merupakan negara yang terletak di daerah tropis dan khatulistiwa sehingga bumi Indonesia mendapatkan sinar matahari dengan intensitas yang dapat dikatakan konstan dan cukup tinggi. Energi panas yang diperoleh dari matahari adalah energi panas gratis yang kita peroleh secara terus menerus dan dalam jumlah yang besar. Dengan pengolahan yang baik, energi panas matahari dapat dijadikan sumber energi yang sangat besar dan dapat dijadikan menjadi salah satu sumber energi alternatif. Energi panas dari radiasi sinar matahari dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan energi yang dihasilkan oleh minyak bumi.

Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi matahari adalah untuk pemanas.

Energi surya didapatkan dengan mengubah energi panas surya (matahari) melalui peralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain. Energi surya menjadi salah satu sumber energi terbarukan selain energi air, angin, maupun biomas dan biogas.

Energi surya sangat luar biasa karena tidak bersifat polutif dan bersifat kontinyu. Energi surya yang sampai ke permukaan bumi, dapat dikumpulkan dan diubah menjadi energi panas yang berguna melalui bantuan suatu alat yang disebut kolektor surya. Kolektor surya merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menyerap energi surya, yang kemudian mengubah energi surya menjadi energi termal, dan mentransfer energi tersebut ke fluida kerja untuk kemudian digunakan secara langsung atau disimpan terlebih dahulu pada suatu unit penyimpanan panas.

Pada saat ini pengaplikasian kolektor termal surya banyak digunakan sebagai alat pemanas air pada perumahan.

Salah satu teknologi termal surya yang secara komersial telah tersebar luas adalah sistem Pemanas Air Tenaga Surya (Solar Water Heater) disingkat PATS jenis skala rumah tangga (domestic type Solar Water Heater). Pasar PATS di Indonesia

(15)

2

masih sangat rendah dibandingkan dengan di RRC. Di negara tersebut menurut International Energy Agency (IEA) [1], 10 juta m² kolektor surya telah terpasang dan penjualan tahunan mencapai 3 juta m² atau tiga kali dari yang terjual di Eropa.

Banyak penelitian dilakukan untuk meningkatkan performansi dari kolektor surya, Nabila dkk [2] menjelaskan efek performansi kolektor surya dari jumlah kaca penutup. Hasil menunjukkan bahwa kaca penutup ganda memiliki nilai performansi lebih tinggi dibandingkan dengan penutup kaca tunggal. Penutup kolektor kaca ganda meningkat sebesar 15 %. Penelitian juga dilakukan dengan menguji variasi warna plat absorber, Nakoa dkk [3] melakukan pengujian performansi dari kolektor dengan memvariasikan warna dari plat absorber. Pengujian dilakukan dengan menguji empat jenis warna antara lain biru tua, hitam, abu-abu, tidak berwarna. Hasil menunjukkan cat pelapis dengan warna hitam memiliki nilai temperatur lebih tinggi dari warna lainnya.

Menurut Sumarsono [4] kekurang–tinggian temperatur pelat kolektor tadi disebabkan oleh rendahnya absorptivitas cat terhadap radiasi surya dan tingginya emitansinya cat terhadap gelombang sinar infra merah. Absorptansi radiasi matahari () merupakan nilai penyerapan energi termal akibat radiasi matahari pada suatu bahan dan ditentukan pula oleh warna bahan tersebut.

Sedikitnya penelitian mengenai bahan pelapis (cat) kolektor surya plat datar mengakibatkan kurangnya pengetahuan mengenai transfer kalor radiasi yang ada.

Pengecatan ataupun pelapisan kolektor dengan cat yang sembarang dapat mengakibatkan kecilnya efisiensi kolektor surya plat datar.

Wiranugraha [5] tentang penelitian untuk mendapatkan hasil yang optimal pelat dicat dengan cat berwarna hitam doff, tujuannya adalah untuk mendapatkan penyerapan radiasi matahari yang optimal. Hal ini dapat juga dilihat dari hasil penelitian Harianto [6] dimana juga menyimpulkan bahwa warna cat hitam doffmemberikan transfer kalor radiasi yang optimal sesuai dengan teori black bodyyang menyerap secara sempurna semua radiasi elektromagnetik dan juga mampu memancarkan radiasi dengan distribusi energi bergantung kepada temperaturnya.

(16)

Mengingat pentingnya cat pelapis kolektor maka dilakukan penelitian terhadap absorpsivitas pelapis kolektor surya plat datar.

Berdasarkan hasil penelitian Harianto [6] melakukan kajian eksperimen pengaruh pelapisan kolektor dan cara pelapisannya, hasilnya bahwa temperatur kolektor bagian bawah untuk kolektor dicat semprot warna hitam doff merupakan yang tertinggi dan terdapat kenaikan temperatur tertinggi yang mencapai 97 ⁰C dengan perlakuan pelapisan 1 (satu) jenis cat pelapis kolektor dengan penutup satu lapis yakni kaca dengan kemiringan kolektor 0⁰.

Berdasarkan hasil penelitian tersebut maka peneliti akan melakukan kajian pelapis kolektor surya dengan memvariasikan jenis cat pelapis yang umum dijual di pasaran. Hal itu dilakukan mengingat bahwa banyaknya jenis cat hitam yang dijual di pasaran yang dapat digunakan sebagai pelapis kolektor surya tipe plat datar.

Kemungkinan diantara jenis cat yang umum dipasaran nantinya akan dapat digunakan sebagai pelapis kolektor surya tipe plat datar guna mendapatkan efisiensi termal yang optimal.

1.2 Perumusan Masalah

Pengkajian ini dilakukan untuk mengkaji seberapa besar komposisi cat terhadap pemanas air tenaga surya terhadap absorpsi intensitas surya berupa kenaikan temperatur air beban dan plat kolektor dengan membandingkan 4 jenis merek car warna hitam Doff sebagai pelapis kolektor yang terdapat di pasaran, yang masing- masing jenis cat sebagai berikut :

1. Cat sintetis enamel berbahan dasar resin alkyd 2. Solvent-Based Decorative Spray Paint (Aerosol)

1.3 Batasan Masalah

Berdasarkan banyaknya masalah yang dijumpai dalam energi khususnya yang terdapat pada latar belakang dan juga menfokuskan penelitian, maka eksperimen ini dibatasi hanya pada kajian eksperimen pemanas air tenaga surya:

1. Pengujian dilakukan di kota Medan koordinat 3°33'43.3"N 98°39'11.9"E.

(17)

4

2. Pengujian ini pelat kolektor yang dicat warna hitam doff. dengan jenis Semprot dan minyak

3. Ukuran kolektor surya yang di uji adalah 1 m².

4. Pada kajian ini ketebalan cat di asumsikan sama pada kedua kolektor.

5. Kolektor surya memakai 2 lapis penutup transparan Kaca.

6. Uji Komposisi dilakukan di PT. Sucofindo untuk 2 jenis cat yang sama dengan parameter yang ditentukan sesuai dengan standar di PT. Sucofindo

1.4 Tujuan Penelitian 1.4.1 Tujuan Umum

Adapun tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk menguji cat pelapis plat absorber kolektor surya yang ada di pasaran.

1.4.2. Tujuan khusus

Tujuan khusus dari penelitian ini adalah:

1. Untuk mengetahui nilai temperatur air dan temperatur kolektor yang dicat pada 4 kolektor yang diuji sehingga didapat perbandingan performansi disetiap kolektor yang diuji.

2. Mengetahui komposisi cat yang diuji dengan parameter, Pb, Cd, Cr6+ dan Hg sesuai dengan Standart SNI

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah untuk memberikan rekomendasi jenis cat pelapis mana yang terbaik digunakan pada pengguna kolektor surya.

(18)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Radiasi Energi Surya

Matahari mempunyai diameter 1,39 x 10⁹ m, bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellips dengan matahari berada pada salah satu pusatnya, jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,495 x 10¹¹m, waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Gambar 2.1.

menunjukkan hubungan antara matahari dan bumi. Pada gambar ini juga ditampilkan nilai konstanta matahari Gsc yang merupakan daya radiasi rata-rata yang diterima bumi (diluar atmosfir) dari matahari pada arah tegak lurus permukaan.

Gambar 2.1. Hubungan antara matahari dan bumi

Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak matahari dan bumi tidak tetap, jarak terdekat 1,47 x 10¹¹m dan jarak terjauh 1,52 x 10¹¹m. Perbedaan jarak ini hanya 3,3% dari jarak rata-rata. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi permukaan di luar atsmosfer akan berbeda setiap hari. Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan Gon, pada hari ke n yang dirumuskan oleh Jhon [7] sebagai berikut:







 

 

 _sc ₂

on m

W 365

n cos360 033 , 0 1 G

G ... (2.1) Dimana:

Gsc = konstanta surya

= 1367 W/m²

n = nilai yang diperoleh berdasarkan urutan hari yang akan diprediksi radiasinya

(19)

6

Harganya n diperoleh dari urutan hari berdasarkan bulan tercantum pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Urutan Hari Berdasarkan Bulan Bulan Nilai n pada hari yang ke – i

Januari i

Februari 31 + i

Maret 59 + i

April 90 + i

Mei 120 + i

Juni 151 + i

Juli 181 + i

Agustus 211 + i

September 243 + i

Oktober 273 + i

November 304 + i

Desember 334 + i

Beberapa istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah : 1. Air Mass (m)

Perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit.

Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m=1, pada sudut zenith 60⁰, m=2. Pada sudut zenit dari 0⁰–70⁰.

m = cos

1 ... (2.2)

2. Beam Radiation

Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer.Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).

3. Diffuse Radiation

Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

(20)

4. Total Radiation

Merupakan jumlah beam dan diffuse radiation.

5. Irradiance (W/m²)

Merupakan laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G.

Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan intensitas radiasi.

6. Irradiation atau Radian Exposure (J/m²)

Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.

7. SolarTime atau Jam Matahari

Merupakan waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). Hubungannya adalah:

ST = STD ± 4 (Lst – Lloc) + E ... (2.3) dimana :

STD = waktu lokal

Lst = standard meridian untuk waktu lokal (^o)

Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (^o) ; untuk bujur timur, digunakan –4, untuk bujur barat digunakan +4

E = faktor persamaan waktu

Dalam hal ini Lst standard meridian untuk menunjukkan waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dengan persamaan :

(21)

8

E = 229,2 (0,000075 + 0,001868 cosB – 0,032077 sinB – 0,014615 cos2B – 0,04089 sin 2B) ... (2.4)

dimana :

B = konstanta yang bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu

Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui.

Dapat dilihat pada gambar 2.2 beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.

Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal.

Nilai 0 ≤ β ≤ 90⁰. permukaan γ adalah sudut penyimpangan sinar pada bidang proyeksi dimana 0^o pada selatan dan positif ke barat.

Sudut penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs (solar altitude angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari γs adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif.

Gambar 2.2. Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari

(22)

Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi δ yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang.

Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15⁰ dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15⁰. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω = 0, pukul 11.00 pagi ω = –15⁰ dan pukul 14.00, ω = 30⁰. Persamaan untuk menghitung sudut deklinasi:

 = C1 + C2cosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B + C7sin3B ... (2.5) dimana :

C1 = 0,006918 C5 = 0,000907 C2 = –0,399912 C6 = –0,002679 C3 = 0,070257 C7 = 0,00148 C4 = –0,006758

n = hari ke

 = sudut deklinasi (rad)

B dihitung dengan menggunakan persamaan dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 2.1.

Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.

cos θz = cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ (2.10)

Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang 15^o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15^o.[8]

ω = 15 (STD – 12) + (ST – STD) x 60

15 (2.11)

dimana :

STD = waktu lokal ST = solar time

(23)

10

 = sudut jam matahari (^o)

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosfir ke permukaan bumi [8] adalah

τb = ao + a1 exp _



 



  cosz

k (2.12)

dimana

ao = ro (0,4237 - 0,0082 (6 – A)²) a1 = r1 (0,5055 – 0,00595 (6.5 – A)²) k = rk (0.2711 – 0.01858 (2.5 – A)²) A = ketinggian dari permukaan laut (km) ro,r1,rk = faktor koreksi akibat iklim

Tabel 2.2. Faktor Koreksi Iklim

Iklim ro r1 rk

Tropical 0,95 0,98 1,02

Midatude summer 0,97 0,99 1,02

Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01

Midatude Winter 1,03 1,01 1,00

Sumber: Duffie, J. A. and Beckman,W. A., 2006

Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam [9]:

Gbeam = Gon τb cos θz (2.13) dimana :

Gon = radiasi yang diterima atmosfer (W/m²) τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos θz = cosinus sudut zenith

Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m²) Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatkan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse [10]

adalah :

(24)

Gdifuse = Gon cos θz (0,271 – 0,294 τb) (2.14) dimana :

Gon = radiasi yang diterima atmosfer (W/m²) τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos θz = cosinus sudut zenith

Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan.

Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada persamaan berikut [10] :

Gtotal = Gbeam + Gdifuse (2.15)

2.2 Alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS)

Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energithermal surya yang cukup popular dan banyak digunakan, terutama di hotel-hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, banyak beredar beberapa jenis PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan di masyarakat dengan harga mulai dari belasan sampai puluhan juta rupiah.

Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) dengan nomor SNI 04–3021–1992 untuk produk ini, berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan.

Kualitas unit PATS bergantung pada keandalan fisik dan kemampuan thermal system seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugi-rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan. Pada umumnya perangkat pemanas air tenaga surya (PATS) yang banyak beredar di masyarakat memiliki tambahan elemen pemanas (heating element) yang berasal dari listrik. Gambar 2.3 menunjukkan alat pemanas air tenaga surya secara umum.

(25)

12

Gambar 2.3. Konseptual Pemanas Air Tenaga Surya

2.2.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pada sistem pemanas air tenaga surya ini dapat dibagi atas tiga unit fungsional, yaitu : kolektor surya, reservoir air panas dan pipa-pipa sirkulasi. Energi panas yang dipancarkan oleh matahari dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air dengan bantuan sebuah kolektor panas. Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa ditingkatkan.

Menurut cara kerja pemanas air tenaga surya terdapat dua sistem yaitu aktif dan pasif. Untuk yang menggunakan sistem aktif, dilengkapi oleh pompa. Cara kerjanya ada dua macam yaitu secara langsung dan tidak langsung. Secara langsung dimana air dipompa ke kolektor panas untuk dipanaskan lalu menuju langsung ke tangki penampung. Sedangkan untuk aktif tidak langsung, setelah air dipanaskan di kolektor panas, air berputar ke pemutar panas kembali ke kolektor sampai merata kemudian baru disimpan di dalam tangki.

Sistem pasif lebih mudah dalam pemasangan dengan cara kerja lebih sederhana. Pemanas air tenaga surya yang akan dibuat tidak menggunakan pompa dalam mengalirkan air, tetapi menggunakan prinsip kerja thermoshipon. Prinsip thermosiphon adalah metode pasif pertukaran panas secara konveksi yang menyebabkan air dengan suhu lebih tinggi akan terdorong oleh air dengan suhu lebih

(26)

rendah akibat perbedaan massa jenisnya. Sehingga sistem pemanas air tenaga surya tersebut tidak memerlukan energi listrik untuk bekerja.

Dalam usaha untuk pencapaian kenaikan efisiensi pemanas air tenaga surya telah diupayakan berbagai cara dan modifikasi, seperti penelitian Mehmet Esent [6]

yang meneliti dua phase thermosiphon tertutup pada alat pemanas air tenaga surya dengan menggunakan media pemanas R410a, R407C, R-134a. Dari hasil penelitian ini menunjukkan bahwa diantara refrigeran yang digunakan yang paling baik untuk pemanas air tenaga surya adalah R410a. Sedangkan Joseph [7] dalam uji performansi alat pemanas air tenaga surya dengan menggunakan refrigeran yang berbeda di Nigeria Utara. Dari hasil pengujian ternyata dari tiga refrigeran yaitu R12, R134a dan Ethanol yang lebih efisien dan menghasilkan temperatur yang lebih tinggi adalah R134a. M. S. Hossain [8] tentang review pada kolektor pemanas air tenaga surya dan kinerja energy panas dari pipa sirkulasi. Dari penelitian ini ditemukan bahwa pemanas air tenaga surya system termosiphon mencapai efisiensi system karakteristik dari 18% lebih tinggi dibandingkan dengan sistem konvensional dengan mengurangi kehilangan panas untuk termosiphon pemanas air tenaga surya.

P.M.E. Koffi [9] tentang studi secara teori dan eksperimen dari pemanas air tenaga surya dengan alat penukar kalor bagian dalam menggunakan sistem thermosiphon. Model teoritis yang disajikan dapat menjadi alat yang efisien untuk memprediksi dan merancang sistem tenaga surya yang beroperasi di bawah kondisi prinsip aliran thermosyphon, hasilnya menunjukkan fluks panas yang mencapai puncak 989 W/m²suhu air lebih dari 85,5 ⁰C dan efektivitas kolektor termal sekitar 58%.

Selanjutnya Jainsankar [10] yaitu tentang kajian komprehensif pemanas air tenaga surya. Dari kajian ini diperoleh bahwa kehilangan panas konveksi dari kaca penutup dapat dikurangi dengan sebuah desain profil aero yang cocok yang akan mencegahpergerakanudara di ataspermukaan kaca.

Eko Nurhadi [11] dalam penelitiannya mengemukakan bahwa jenis kaca yang terbaik adalah kaca kazhumi yang menghasilkantemperatur aliran keluar sebesar 32,1⁰C, temperatur pelat penyerap yang tertinggi sebesar 38,3⁰C, dan efisiensi sebesar

(27)

14

64,6%. Sedangkan kaca rayben memiliki temperatur penutup kaca tertinggisebesar 33,2 ⁰C, tetapi tidak dapat maksimal dalam penyerapan radiasi matahari yang disebabkanoleh warna kaca rayben yaitu hitam.

Rahardjo [12] mengemukakan bahwa dengan menggunakan dua buah kaca penutup diperoleh efisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu kaca. Perbedaan suhu antara air keluar kolektor dan masuk kolektor dengan 2 kaca penutup lebih tinggi hingga sekitar 17 °C dibandingkan kolektor dengan satu kaca penutup. Lebih lanjut juga Ekadewi [13] menyimpulkan bahwa panas yang diserap plat atau temperatur plat tertinggi jika jarak kaca ke plat adalah 20 mm, juga disimpulkan bahwa :

1. Temperatur lingkungan dan kecepatan angin jika cuaca cerah tidak mempengaruhi panas yang diserat plat.

2. Jenis kaca yang paling tepat digunakan adalah kaca bening dengan tebal 3 mm.

Ismail [14] mengemukakan bahwa kecepatan aliranair pada solar heater, semakin cepat aliran, maka air hangat yang dihasilkan memiliki temperatur semakin rendah, dan Pada pemanas air tenaga surya tipe kolektor pelat datar dengan kemiringan sudut kolektor 0⁰menghasilkan temperatur air yang paling optimum yaitu dengan temperatur rata-rata 59,375 ⁰C dan suhu maksimum sebesar 71⁰C.

Hasil percobaan yang dilakukan Purnawarman dkk. [15] melihat kaitan bahwa temperatur plat kolektor berfluktuasi tergantung intensitas matahari. Raden Oktova [16] menyimpulkan bahwa penambahan cacah kaca penutup kolektor surya hingga dua kaca penutup dapat meningkatkan kenaikan maksimum suhu air tandon (23,0  1,6) ⁰C.

Menurut Caturwati [17] bahwa nilai efisiensi penyerapan panas kolektor pipa tembaga dengan lapisan cat hitam mencapai 82,54% sedangkan kolektor pipa tembaga tanpa cat menghasilkan nilai efisiensi penyerapan sinar sebesar 26,4 %.

Menurut Rahmad dalam Hardianto [18], pelat penyerap (kolektor) dengan bahan tembaga yang dilapisi dengan cat hitam doff memiliki koefisien penyerapan panas sebesar 0,82 dan dengan penambahan batu kerikil diatasnya dapat meningkatkan efisiensi solar distillation (pemurnian air laut menjadi air tawar).

(28)

Selanjutnya menurut Hardianto [18], pelat penyerap (kolektor) dengan ketebalan cat bernilai kecil 63,45 μm mampu menerima panas lebih banyak, pada ketebalan cat bernilai besar 118,7 μm tidak mampu menerima panas lebih banyak atau dengan kata lain bahwa semakin tebal lapisan cat pelat penyerap maka koefisien panas yang diterima semakin rendah. Waghmare [19] mengemukakan bahwa :

1. Suatu lapisan baru yang terdiri dari partikel paduan NiAl menunjukkan bahwa sistem pemanas air tenaga matahari mengumpulkan energi panaslebih efisien daripada cat hitam biasa.

2. Studi yang dilakukan pada kolektor pelat datar menunjukkan bahwa apabila dilakukan pelapisan NiAl akan menghasilkan air yang lebih hangat.

3. Pelapisan secara electroplating kobal nikel hitam pada paduan aluminium akan memberikan absorptansi matahari yang tinggi (0,95) dan emitansi termal yang rendah (0,10), yang cocok untuk pilihan aplikasi tenaga matahari.

4. Karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian menunjukkan bahwa NiAldengan pelapis NiCo lebih efisien daripada cat hitam biasayang digunakan dalam sistem pemanas air matahari.

AlShamaileh [20] mengemukakan bahwa dengan menambahkan komposisi paduan nikel-aluminium (NiAl) ke dalam cat hitam akan memiliki efisiensi penyerapan yang lebih tinggi dibandingkan lapisan cat hitam komersial. Hobbi [21]

dalam penelitiannya mengemukakan bahwa komposisi optimum adalah paduan NiAl 6% massa dimana lapisan cat ini diuji dan menunjukkan kinerja yang lebih baik dengan kenaikan temperatur rata-rata 5 ⁰C selama periode 1 tahun.

Madhukeshwara [22] dalam penelitiannya bahwa pemilihan pelapis kolektor sangat berpengaruh terhadap kinerja kolektor pelat datar dimana temperatur air yang lebih tinggi diamati sangat mudah tercapai untuk kolektor yang dilapis dengan krom hitam secara electroplating yakni sekitar 70 ⁰C.

Oliva [23] menyatakan sistem pelapisan plat pesawat kolektor surya tembaga dengan menggunakan cara pengasapan (hitam jelaga) akan diperoleh kenaikan temperatur sebesar 15 ºC dan efisiensi termalnya meningkat sekitar 13% serta

(29)

16

meningkatkan nilai reflektansi sebesar 56 kali dibandingkan kolektor surya yang dicat hitam komersial biasa.

Saleh [24] menyatakan penambahan karbon berupa suspensi asap (jelaga) ditambahkan ke cat putih berbasis minyak akan meningkatkan efisiensi kolektor dan temperatur air dimana semakin tinggi persentase karbon maka semakin besar daya serapnya yakni dengan penambahan 50% karbon diperoleh temperatur air maksimum sebesar 90 ⁰C sepanjang bulan Juli dan 70 ⁰C pada bulan November.

Prikhodko [25] menyatakan bahwa lapisan dari sekam padi berkarbonisasi (rice husk) memiliki kapasitas penyerapan tertinggi dibandingkan dengan pelapis bahan karbon lainnya dimana sekam padi memiliki luas permukaan yang baik yakni 134,11 m²/g dan porositas spesifik yang lebih tinggi yakni 0,095 cm³/g dibanding pelapis karbon lainnya dengan efisiensi absorpsi sebesar 85,08%.

Katzen [26] menyatakan bahwa penyerapan selektif bisa dianggap baik jika memiliki emisivitas hemispherical ε  0,2 dan absorptivitas  0,9. Selanjutnya Katzen dalam penelitiannya menyatakan hasil terbaik untuk ketebalan lapisan film 1000 nm dari nanokomposit Silika-Carbon memiliki nilai optikal yang sangat bagus yakni absorptivitas  = 0,94 dan emisivitas IR ε = 0,15. Lapisan film sangat stabil pada berbagai tingkat humiditas dan temperatur tinggi (250 – 300 ⁰C).

Zorica [27] dalam penelitiannya mengemukakan bahwa salah satu cara pemilihan permukaan yang dikenal yang mengacu kepada rendahnya harga adalah permukaan yang sangat reflektif adalah dengan melapisi cat hitam yang sesuai. Hal ini dilakukan dengan membuat substrat cat – logam memiliki absorptansi surya yang tinggi dan daya pancar termal yang rendah pemancar pada wilayah spektra inframerah.

2.2.2. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya

Untuk menghitung energi yang sampai pada kolektor atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu perludiketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri.

Ilustrasi panas yang diserap oleh kolektor alat pemanas air tenaga suryamenurut Soteris [28] dapat di lihat pada Gambar 2.3.

(30)

Gambar 2.4. Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Kolektor Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pada Gambar 2.4. dapat dilihat bahwa panas matahari (Qincident) sebagian dipantulkan ke atmosfir dan sebagian lagi diserap oleh kolektor. Panas yang diserap oleh kolektor (Qabs) inilah yang akan digunakan untuk memanaskan refrigeran.

Besarnya Qincident menurut Mehmet Esent [6] dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini:

Qincident = A



²

1

dt

I …... (2.2) Dimana:

A = luas penampang dari pelat kolektor (m²) I = intensitas cahaya matahari (W/m²)

Sedangkan panas yang diserap oleh kolektor dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Qabs =  Qincident ... (2.3) Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah:

Qref = (1 - ) Qincident ………. (2.4) Dimana:

 = difusifitas bahan

2.2.3. Energi yang diserap oleh air

Energi panas yang diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air.

Besarnya energi tersebut menurut Mehmet Esent [6] dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:

(31)

18

Qu = mw Cpw (Tw1 – Tw2)... (2.5) Dimana:

mw = Massa air (kg)

Cpw = Panas jenis dari air (kJ/kg.⁰C) = 4180 J/kg.⁰C

Tw1 = Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (⁰C) Tw2 = Temperatur air setelah dipanaskan oleh kolektor (⁰C)

Desmon [30] kalor pemanasan air yang menimbulkan uap dapat dihitung dengan persamaan :

Qu = mws Cpw (Tw1 – Tw2) + mws hfg ...... (2.5) Dimana:

mws = Massa air sisa (kg) mws = Massa uap (kg)

Cpw = Panas jenis dari air (kJ/kg.⁰C) = 4180 J/kg.⁰C hfg = Panas laten (kJ/kg.⁰C)

Tw1 = Temperatur awal air dalam hal ini sebelum dipanaskan kolektor (⁰C) Tw2 = Temperatur air akhir dalam hal ini setelah dipanaskan oleh kolektor (⁰C) 2.2.4. Efisiensi dari Kolektor

Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang diberikan kolektor ke air dengan panas incident. Hal itu menurut Mehmet Esent [4] dapat dirumuskan sebagai berikut:

 =

incident u

Q

Q ... (2.6)

2.3 Absorpsivitas

Ketika suatu radiasi mengenai sebuah benda maka sebagian akan dipantulkan (reflected), sebagian akan diserap (absorbed) dan jika benda tersebut transparan maka sisanya akan diteruskan (transmitted). Kemampuan sistem kolektor surya untuk menyerap radiasi matahari yang menjadi panas dipengaruhi oleh besar transmisivitas bahan penutup (kaca), dan absorptivitas pelat absorbernya. Hubungan antara

(32)

reflectivitas (ρ), absorptivitas (α) dan transmisivitas (τ) pada suatu panjang gelombang tertentu adalah :

α + ρ + τ = 1 ... (2.7)

Himsar [31] menyatakan bahwa absorpsivitas merupakan bentuk fungsi temperatur yang diukur, intensitas surya, transmisivitas kaca dan luas kolektor serta dinyatakan dalam persamaan :

(mw Cpw + mc Cpc) t T_w



 = ² IAc + FCw (Tc – Tw) + FCt (Tc – Tw) ... (2.8)

dimana :

mw = massa air (kg)

mc = massa plat kolektor aluminium (kg) Cpw = panas jenis air (kJ/kg.⁰C)

Cpc = panas jenis plat kolektor aluminium (kJ/kg.⁰C)

 = koefisien transmisi kaca I = intensitas (W/m²) Ak = luas kolektor (m²)

 = absorpsivitas

FCT = faktor perpindahan panas konveksi permukaan atas FCW = faktor perpindahan panas konveksi dinding

Tc = temperatur kolektor (⁰C)

Tw = temperatur air yang dipanasi (⁰C) t

T_w



 = perubahan temperatur air yang dipanaskan per detik

2.3.1 Faktor Perpindahan Panas Konveksi (FC)

Menurut Himsar [31], faktor perpindahan panas konveksi (FC) adalah :

FC =

Le

k x

Nu Ac ... (2.9)

dimana :

Nu = bilangan nussalt fluida (air)

(33)

20

k = konduktivitas fluida (air) pada suhu tertentu (W/m.⁰C) Le = panjang ekivalen = A/P (m)

Ac = luas kolektor (m²)

2.3.2 Bilangan Nussalt pada Konveksi Permukaan Atas 2.3.2.1 Bilangan Nussalt

Holman [32] menyatakan bahwa bilangan Nussalt suatu fluida dapat dicari dengan menggunakan persamaan :

Nu = k

L x

h _e

... (2.10) dimana :

h = koefisien konveksi udara rata-rata sepanjang plat kolektor (W/m².⁰C)

k = konduktivitas termal udara bergantung kepada temperatur (W/m.⁰C)

Le = panjang ekivalen = A/P (m²) 2.3.2.2 Angka Grashof

Holman [32] menyatakan bahwa bilangan Nussalt suatu fluida dapat dicari dengan menggunakan persamaan :

GrL = ₂

3 e w -T )L (T

g



 _

... (2.11) dimana :

g = gravitasi

= 9,81 m/s²

 = 1/Tf

Tf = temperatur bulk (K)

= 2

T T_w  _

Tw = Temperatur dinding (wall) (K) T = Temperatur udara sekitar (K) Le = panjang ekivalen

(34)

= A/P (m²)

 = viskositas dinamis udara

2.3.3 Koefisien Konveksi Udara Rata-rata

Holman [32] menyatakan bahwa koefisien konveksi udara rata-rata dengan pemanasan dari bawah dapat dicari dengan persamaan berikut :

Untuk keadaan laminar 10⁴ < GrL.Pr < 10¹¹: - Untuk sisi tegak

hv = 1,42

4 / 1



 



  Le

T W/m².⁰C

- Untuk plat horizontal dengan pemanasan dari bawah

hh = 1,32

4 / 1



 



  Le

T

W/m².⁰C

Dimana untuk β dievaluasi pada temperature Te : Te = Tw – 0,25 (Tw −T∞)

2.4. Koefisien Kehilangan Panas Menyeluruh Kolektor

Koefisien kehilangan panas meyeluruh ini adalah suatu nilai di mana hasil dari hilangnya panas didalam kolektor akibat efek radiasi matahari yang terjadi pada atas kolektor, bawah kolektor, dan sisi kolektor. Persamaan yang digunakan untuk mencari koefisien kehilangan panas menyeluruh ini biasanya menggunakan metode trial and error.

Koefisien kehilangan panas ini dapat diubah menjadi thermal network di mana energi yang hilang sepanjang kolektor hingga atas dapat menghasilkan konveksi dan radiasi pada plat kolektor, gambar 2.12 adalah thermal network untuk kolektor berkaca ganda.

(35)

22

Gambar 2.5 Thermal Network kolektor berkaca ganda

Untuk mendapatkan hasil koefisien kehilangan panas menyeluruh q [W/m².⁰C] pada kaca kedua kolektor dirumuskan dengan persamaan berikut:

𝑞 = ( ¹

ℎ𝑐,𝑝−𝑐1+ℎ𝑟,𝑝−𝑐1+ ¹

ℎ𝑐,𝑐1−𝑐2+ℎ𝑟,𝑐1−𝑐2+ ¹

ℎ𝑤+ℎ𝑟,𝑐2−𝑎)

−1

Koefisien radiasi yang terjadi dari plat ke kaca 1 ℎ_{𝑟,𝑝−𝑐1} [W/m².⁰C] adalah:

ℎ_{𝑟,𝑝−𝑐1} =^𝜎(𝑇^𝑝²^+𝑇^𝑐1

2)(𝑇𝑝−𝑇𝑐) 1

𝜀𝑝+¹

𝜀𝑐−1

Sedangkan koefisien radiasi yang terjadi dari kaca 1 ke kaca 2 ℎ_{𝑟,𝑐1−𝑐2} [W/m².⁰C]

adalah:

ℎ_{𝑟,𝑐1−𝑐2}= ^𝜎(𝑇^𝑐1²^+𝑇1^𝑐2²^)(𝑇^𝑐1^−𝑇^𝑐2⁾ 𝜀𝑐+¹

𝜀𝑐−1

Dan yang terakhir untuk koefisien radiasi yang terjadi dari kaca 2 ke udara luar ℎ_{𝑟,𝑐2−𝑎} [W/m².⁰C] adalah:

ℎ_{𝑟,𝑐2−𝑎} =^𝜀^𝑐^𝜎(𝑇^𝑐2^+𝑇^𝑠^)(𝑇^𝑐2²^+𝑇^𝑠²^)(𝑇^𝑐2^−𝑇^𝑠⁾

(𝑇_𝑐2−𝑇_𝑎)

Pada koefisien perpindahan panas secara konveksi ℎ_{𝑐,𝑝−𝑐1}, ℎ_{𝑐,𝑐1−𝑐2} ,dan ℎ_𝑤 [W/m².⁰C] didapat dengan menghitung bilang Rayleigh terlebih dahulu sesuai dengan

(36)

dan untuk data lain dapat dilihat pada tabel sifat udara. Setelah didapat maka dapat dihitung bilangan Nusselt untuk mendapat nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi yang dirumuskan sebagai berikut:

𝑁𝑢 = 1 + 1.44 [1 −1708(𝑠𝑖𝑛 1.8𝛽)^1,6

𝑅𝑎 𝑐𝑜𝑠 𝛽 ] [1 − ¹⁷⁰⁸

𝑅𝑎 𝑐𝑜𝑠 𝛽]⁺+ [(^{𝑅𝑎 𝑐𝑜𝑠 𝛽}

5830 )^1/3− 1]

+

Setelah bilangan Nusselt lalu dapat bilangan ini dimasukkan kedalam persamaan berikut:

ℎ = 𝑁𝑈^𝑘

𝑙

Untuk kaca 1 dan kaca 2 digunakan persamaan yang sama-seperti diatas bedanya hanya suhu yang diasumsi diawal apabila tidak diketahui suhu rata-rata plat.

Untuk menghitung suhu pada setiap kaca dirumuskan dengan persamaan berikut:

𝑇𝑗= 𝑇𝑗− ^𝑈^𝑡^(𝑇^𝑝^−𝑇^𝑎⁾

ℎ_{𝑐,𝑖−𝑗}+ℎ_{𝑟,𝑖−𝑗}

Di mana lambang i dan j biasanya dibedakan tergantung mana ingin dicari suhunya.

Apabila seluruh suhu dari koletor ini diketahui, maka dapat digunakan persamaan berikut ini untuk mempermudah perhitugan dari trial and error sebelumnya.

𝑞_𝑡 = ( ^𝑁

𝐶

𝑇𝑝𝑚[^{(𝑇𝑝𝑚−𝑇𝑎)}_(𝑁+𝑓) ] 𝑒+ ¹

ℎ𝑤)

−1

+ ^𝜎(𝑇₁ ^𝑝𝑚² ^+𝑇^𝑎²^)(𝑇^𝑝𝑚^−𝑇^𝑎⁾

𝜀𝑝++0,00591𝑁ℎ𝑤+2𝑁+𝑓−1+0,133𝜀𝑝

𝜀𝑔 −𝑁

Di mana N adalah jumlah kaca dari kolektor, nilai f merupakan faktor koreksi yang memiliki persamaan berikut:

𝑓 = (1 + 0,089ℎ_𝑤− 0,1166ℎ_𝑤𝜀_𝑝)(1 + 0,07866𝑁)

Nilai C merupakan bilangan untuk menyatakan derajat pada kolektor yang menggunakan persamaan sebagai berikut:

𝐶 = 520(1 − 0,000051𝛽²)

Untuk 70⁰ < 𝛽 < 90⁰ maka nilai tetap digunakan 70⁰ Untuk nilai e dirumuskan dengan persamaan berikut:

𝑒 = 0,430(1 − 100/𝑇_𝑝𝑚) (

Untuk koefisien kehilangan pada sisi kolektor Ub [W/m².⁰C] dirumuskan dengan persamaan berikut:

(37)

24 𝑞_𝑏 =^𝑘

𝐿

Di mana k [W/m.⁰C] konduktivitas dari insulasi yang digunakan pada kolektor dan L [mm] adalah tebal dari insulasi bawah kolektor.

Koefisien kehilangan panas pada sisi kolektor dirumuskan dengan persamaan berikut:

𝑞_𝑒 = ^(𝑈𝐴)^{𝑒𝑑𝑔𝑒}

𝐴𝑐

Dan untuk koefisien kehilangan panas menyeluruh dirumuskan dengan persamaan berikut:

𝑞_𝐿 = 𝑞_𝑡+ 𝑞_𝑏+ 𝑞_𝑒 2.5. Cat

Cat adalah produk yang digunakan untuk melindungi (protective) dan memperindah (decorative) suatu objek atau permukaan dengan melapisinya menggunakan suatu lapisan berpigmen maupun tidak berwarna (pernis). Cat dapat digunakan pada hampir semua jenis objek, antara lain untuk menghasilkan karya seni (oleh pelukis untuk membuat lukisan), salutan industri (industrial coating), bantuan pengemudi (marka jalan), pelindung (untuk mencegah korosi atau kerusakan oleh air) atau fungsi lainnya.

2.5.1. Bahan baku

Secara umum, bahan baku cat terdiri dari 4 bagian, yaitu:

 Binder: komponen pokok dalam cat yang berfungsi sebagai bahan perekat yang akan jenisatkan lapisan cat pada media, bahan binder juga berperan membangun karakteristik lapisan cat atau coating.

 Solvent: atau biasa disebut bahan pelarut yang berfungsi untuk melarutkan bahan bahan utama seperti binder, filler/pigment, dan additive. bahan solvent juga digunakan sebagai bahan mengencerkan cat sebelum di aplikasikan ke barang.

 Pigment/filler: yaitu bahan pengisi yang berfungsi sebagai komponen utama pembentuk lapisan cat serta sebagai bahan pewarna untuk menciptakan tampilan warna lapisan film cat. kombinasi jenis dan komposisi bahan filler yang baik akan menciptakan sifat daya tutup cat yang baik.

(38)

 Additive: bahan tambahan untuk menjadikan cat mudah di aplikasikan dan hasilnya sesuai dengan keinginan.

2.5.2. Jenis cat berdasarkan jenis resin binder yang digunakan

Jenis cat dapat dibedakan berdasarkan jenis binder yang digunakan misalnya:

 Cat epoxy adalah cat yang menggunakan bahan resin epoxy sebagai binder utamanya

 Cat PU adalah cat yang menggunakan bahan resin Polyurethane sebagai Binder

 Cat melamin adalah cat yang menggunakan bahan resin melamin sebagai Binder

 Cat NC adalah cat menggunakan bahan resin nitrocellulose sebagai Binder

 Cat Acrylic adalah cat menggunakan bahan resin Acrylic sebagai Binder

 Cat Alkid adalah cat menggunakan bahan alkid resin sebagai Binder 2.5.3. Jenis cat berdasarkan jenis pelarutnya

Jenis cat juga dapat dibedakan berdasarkan jenis bahan pelarut yang digunakan. jenis bahan pelarut yang digunakan dalam formulasi cat dapat dikelompokan dalam 3 kategori yaitu:

 Cat minyak: cat tersebut menggunakan bahan pelarut minyak rantai panjang.

jenis cat ini biasa disebut dengan istilah oil based paint.

 Cat Thinner: cat tersebut menggunakan thinner sebagai bahan pelarut utamanya, jenis cat ini biasa disebut dengan istilah solvent based paint.

 Cat air: cat tersebut menggunakan air sebagai bahan perarut utamannya, jenis cat ini biasa disebut dengan istilah water based paint. Dalam proses pembentukan lapisan film cat, bahan pelarut ini akan menguap seluruhnya dan tidak tinggal dalam lapisan film cat kering.

2.5.4. Jenis cat berdasarkan jenis filler yang digunakan

Jenis cat juga dapat dikenal berdasarkan jenis filler/pigment yang digunakan misalnya

 Cat organik, yaitu cat yang menggunakan jenis filler/pigment organik

 Cat anorganik, yaitu cat yang menggunakan jenis filler/pigment anorganik

 Cat zink chromate, yaitu cat yang menggunakan jenis filler/pigment zink chromate.

(39)

26 BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu 3.1.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Lantai 4 gedung Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun letak penelitian ini seperti ditunjukkan pada gambar berikut

Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian 3.1.2. Waktu Pelaksanaan

Penelitian ini dilaksanakan selama 4 bulan, yaitu mulai bulan Januari 2020 sampai April 2020. Hal itu sudah termasuk penyediaan bahan dan pengolahan data hasil penelitian.

3.2 Bahan dan Peralatan 3.2.1. Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Air

Air yang akan dipakai dalam penelitian ini adalah air bersih yang biasa dipakai untuk mandi. Sumber air tersebut diambil dari kran air PAM.

± 38 m

(40)

2. Cat Minyak

Pengujian yang dilakukan pada tanggal 21 April – sampai 28 April 2020 menggunakan pelat kolektor terbuat dari aluminium sebanyak 4 buah dicat masing- masing dengan cat hitam doff yang berbeda – beda jenis dan merek, pemilihan merek ini dikarenakan cat jenis ini mudah didapat, dan harganyya bervariasi dari yang murah sampai mahal antara Rp. 45.000 – Rp. 90.000,di bawah ini adalah jenis-jenis cat yang dipakai sebagai berikut :

a. Cat jenis 1 : Cat sintetis enamel berbahan dasar resin alkyd tipe adhesive – high gloss Merek Cat Tipe III

Gambar 3.2 Cat Doff Merek Tipe III

b. Cat jenis 2 : Cat sintetis enamel berbahan dasar resin alkyd dengan tipe high gloss Cat Tipe IV

Gambar 3.3 Cat Doff Merek Tipe IV

c. Cat jenis 3 : Cat sintetis enamel berbahan dasar resin alkyd

(41)

28

Gambar 3.4 Cat Doff Merek Tipe II

d. Cat jenis 4 : Solvent-Based Decorative Spray Paint (Aerosol)

Gambar 3.5 Jenis Semprot Merek Tipe I

Sebagai keterangan Jenis yang digunakan pada setiap Kolektor I sampai Kolektor IV adalah sebagai berukut :

 Kolektor I : Cat Semprot Merek Tipe I

 Kolektor II : Cat Hitam Kilat Merek Tipe II

 Kolektor III : Cat Hitam Doff Merek Tipe III

 Kolektor IV : Cat Hitam Doff Merek Tipe IV

Cat minyak yang digunakan sebanyak 4 Merek cat yang berbeda dengan warna Hitam doff yang ada dijual di pasaran.

3.2.2. Peralatan

Peralatan-peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

(42)

1. Kotak Kolektor

Kolektor surya berfungsi untuk mengumpulkan radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang kemudian diteruskan ke wadah air.

Pelat kolektor mempunyai ukuran ketebalan 0,3 mm, lebar 814 mm dan panjang 814 mm dan terbuat dari aluminium yang dicat dengan warna hitam (black body) dengan variasi jenis cat sebanyak 4 jenis dengan merek yang berbeda.

Isolator mempunyai ketebalan 100 mm dari pelat kolektor dan 50 mm antara pelat kolektor dengan dinding luar. Kaca penutup dibuat dua lapis dimana pada bagian atas adalah akrilik dan bagian dalam adalah kaca. Pelat penyerap panas kedudukan yang sama tetapi setiap kotak. Demikian juga dengan jarak isolator yang sama pada setiap kotak. Kotak yang dibuat adalah sebanyak 2 buah dengan masing-masing pelat kolektor dicat berbeda-beda jenis cat.

Wadah penampungan air berada dibagian atas pelat kolektor. Volume setiap wadah adalah 300mm x 300mm x 100mm = 0.009 m³ atau 1Liter

Gambar 3.6 Komponen Utama Kolektor Surya Keteranan :

1. Cover akrelik 4. Glass woll 2. Cover kaca 5. Plat absorber 3. Wadah Air 6. Rangka

1

2

3

4

5 6