PERANCANGAN
THERMAL ENERGY STORAGE
PADA KOLEKTOR
SURYA BERBENTUK TABUNG SILINDER
Ilmi Abdullah1), Jufrizal1), Zulkifli1), Rikson M. Sianturi2)Arun Paulus2)
1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin-Institut Teknologi Medan
2)
Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin-Institut Teknologi Medan
Jln. Gedung Arca No.52 Medan 20217 Telp.061-7363771, Fax. 061-7347954 E-mail: atjehb@gmail.com
Abstrak
Solar water heater ternyata masih memiliki kelemahan yaitu masih menggunakan pemanas listrik pada tangki untuk menjaga temperatur air supaya tetap konstan ketika intensitas radiasi matahari tidak ada sehingga mengakibatkan biaya operasional peralatan bertambah.Salah satu solusi terhadap permasalahan ketiadaan energi panas matahari adalah dengan penambahan sistem thermal energy storage menggunakan material berubah fasa yang ditambahkan pada kolektor surya.Tujuan penelitian ini secara umum adalah untuk mengetahui kemampuan thermal energy storage yang terintegrasi dalam kolektor surya. Kolektor surya telah dirancang, dibuat dan diuji dengan luas 1 m2yang terdiri dari kacapenutup, wadah TES berbentuk silinder bercat hitam kusam, isolasi dan rangka.Hasil pengujian awal yang telah dilakukan menggunakan air sebagai TES diperoleh kenaikan temperatur tertinggi sekitar 26oC dari temperatur awal 29oC dan akhir 55oC. Temperatur air ini diperoleh pada intensitas radiasi matahari rata-rata 18,80MJ/m2 dan temperatur lingkungan 34,44oC.
Kata Kunci:Kolektor Surya, Tabung Silinder, Thermal Energy Storage
PENDAHULUAN
Kotamadya Medan secara geografis terletak antara 3”30’-3”43’ LU dan 98”35’-98”44’ BT. Topografi Kota
Medan cenderung miring ke utara dan berada pada ketinggian 2,5-37,5 meter diatas permukaan laut (Ciptakarya,2001). Potensi radiasi energi surya harian di
kotamadya Medan dari hasil
pengukuranyang telah dilakukan oleh Himsar (2012) adalah bervariasi mulai dari yang terendah 0,53 kWh/m2/hari dan yangtertinggi 5,64 kWh/m2/hari dan nilai rata-ratanya adalah 3,54 kWh/m2/hari dan lama penyinaran rata-rata adalah 11,99 jam perhari.Dengan kondisi energi seperti
ini memungkinkan untuk bisa
dimanfaatkan terutama sekali secara termal.
Peralatan-peralatan untuk kebutuhan rumah tangga dan industri dengan memanfaatkan energi panas surya terus dikembangkan.Salah satunya adalah
solar water heater (SWH) yang
merupakan salah satu solusi yang efektif sebagai penghasil air panas untuk rumah tangga dan komersial.Teknologi SWH ternyata masih memiliki kelemahan yaitu masih menggunakan pemanas listrik pada tangki untuk menjaga temperatur air supaya tetap konstan ketika intensitas radiasi matahari tidak adasehingga
mengakibatkan biaya operasional peralatan bertambah.
Sebenarnya pemerintah telah
mengeluarkan kebijakan tentang konservasi energi terutama bagi pengusaha/produsen yang membuat peralatan yang mengkonsumsi energi. Seperti dalam peraturan pemerintah (PP) No. 70 Tahun 2009 pada bagian keempat pasal 7 mengenai tanggung jawab pengusaha sebagaimana dimaksud dalam pasal 2 bertanggung jawab:
a. Melaksanakan konservasi energi dalam setiap tahap pelaksanaan usaha; dan
b. Menggunakan teknologi yang efisien energi; dan/atau
c. Menghasilkan produk dan/atau jasa yang hemat energi.
Berdasarkan pertimbangan diatas maka seharusnya para produsen peralatan yang mengkonsumsi energi terus berinovasi agar peralatan-peralatan yang diproduksi dapat menghemat pemakaian energi yang bersumber dari fosil dan kalau perlu mengganti dengan sumber energi alternatif.
Metode yang sudah dikembangkan dan diteliti untuk memperbaiki kelemahan yang dimiliki oleh SWH yaitu dengan mengintegrasi sistem penyimpanan panas pada kolektor menggunakan garam hidrat
sebagai material berubah fasa
(Rabin,1995).Penambahan sistem
penyimpanan energi panas laten pada tangki SWH menggunakan parafin wax juga telah diuji (Vikram,2006) dan (Nallusamy,2006) serta dianalisa secara numerik (Felix,2009), (Talmatsky,2008) dan (Kousksou,2011). Sedangkan sistem penyimpanan energi panas laten dan alat penukar kalor yang ditambahkanpada sistem pemanas air matahari domestik telah dipelajari secara numerik dan eksperimental menggunakan lauric acid (Murray,2011).
Berdasarkan latar belakang potensi energi surya dan penghematan pemakaian energi yang bersumber dari fosil serta permasalahan pada SWHmaka dalam penelitian ini, penulis merancang sistem
thermal energy storage (TES) pada
kolektor surya berbentuk tabung silinder. Dalam penelitian ini, kajian hanya pada perancangan, pembuatan dan pengujian awal.Hasil yang diharapkan pada penelitian ini adalah memberikan masukan untuk tahap-tahap berikutnya sehingga dapat dihasilkan sebuah SWH berbasis sistem TES yang mempunyai efisiensi tinggi.
METODE
Model dan Dimensi Kolektor Surya
Model kolektor surya yang dirancang dalam penelitian ini adalah jenis
Batch.Komponen utama dan dimensi dari kolektor surya dalam penelitian ini adalah kaca penutup, TES, isolasidan rangka seperti pada Gambar 1.Bahan isolasi yang digunakan adalah glasswool.
Ukuran dalam satuan cm
Gambar 1.Komponen dan dimensikolektor surya
Pemilihan Kaca Penutup
Berdasarkan pertimbangan dari referensi dan hasil penelitianHandoyo(2001) maka jenis kaca dan tebal kaca penutup yang dipilih adalah jenis kaca bening dengan tebal 3 mm. Jenis kaca ini memiliki nilai konduktivitas termal adalah 1,3 W/m.K. Ukuran kaca yang digunakan adalah 1,3 x 0,7 (m).
PerancanganWadah TES
Berdasarkan pertimbangan konduktivitas material dan faktor korosif maka jenis bahan yang sesuai untuk digunakan adalah bahan aluminium dan tebal 1 mm dan wadah berbentuk tabungsilinder
dengan volume 0,03m3. Dengan pertimbangan, supaya kolektor jangan terlalu tinggi maka diameter tabung ditentukan 22 cm sehingga tinggi tabung dapat dihitung dan diperoleh 0,8 m.
Perancangan Isolasi dan Rangka
Sesuai dengan fungsinya dan berdasarkan sifat-sifat fisik material maka bahan
isolasi yang dipilih adalah
glasswool.Isolasi dan rangka kolektor terdiri dari 3 lapisan yaitu, lapisan aluminium, glasswool dan aluminium seperti pada Gambar 2. Dimana TRdan TL
adalah laju perpindahan panas dari ruang kolektor ke lingkungan.
Gambar 2. Lapisan isolasi
Isolasi dan rangka kolektor dibagi menjadi 2 bagian, yaitu bagian samping dan bagian bawah.Masing-masing ukuran dan konduktivitas termal bahan dapat dilihat pada Tabel 1.
Hasil perancangan dan pembuatan TES pada kolektor surya berbentuk tabung silinder seperti pada Gambar 3.dan4.
Tabel 1. Bahan dan sifat isolasi
No. Bahan k (W/m.K) Tebal (m) 1 Aluminium 240 0,0008 2 Glasswool 0,04 0,07
Gambar3. Tampak depan kolektor surya
Gambar4. Tampak samping kolektor surya
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Kolektor Surya
Pengujian awal terhadap kolektor surya masih menggunakan air sebagai material TES. Jumlah air yang digunakan adalah 30 liter.Pengambilandata dilakukan dalam interval waktu 10 menit. Pengujian awal dimaksudkan untuk mengetahui laju
perpindahan panas dan kemampuan kolektor surya. Pada pengujian tersebutdilakukan pengukuran temperatur pada beberapa titik yaitu temperatur air (TA), permukaan antara tangki dengan
kaca(TG), permukaan tangki (TPt),
kaca(TK), dinding (TD), ruangan (TR), dan
lingkungan (TL).
Pengujian dilakukan selama 3 hari mulai tanggal 02 sampai dengan 04 Juni 2014.Pengujian pertama tanggal 02 juni 2014dilakukan mulai pukul 08:00 sampai dengan 17:00 WIB. Data hasil pengujian secara grafik dapat dilihat pada Gambar 5.Energi panas radiasi matahari rata-rata
pada hari ini adalah
18,80 .Temperatur maksimum air
yang diperoleh adalah 55OC dari
temperatur awal 29OC, sehingga terjadi kenaikan temperatur air sekitar 26OC.
Sedangkan temperatur rata-rata dari
masing-masing komponen TPt= 48,20oC,
TK = 42,56oC, TD = 46,62oC, TR =
51,55oC dan TL= 34,44oC.
Gambar 5. Grafik temperatur kolektor dan air tanggal 02 Juni 2014
Pengujian hari ke-2 dilakukan pada tanggal 03 juni 2014 dimulai pada pukul 08:00 sampai dengan pukul 17:00 WIB, untuk setiap data pengujian yang terjadi pada saat ini dapat dilihat secara grafik pada Gambar 6. Nilai rata–rata radiasi
matahari yang bisa dimanfaatkan menjadi
panas adalah 11,55 .Temperatur air
maksimum yang didapat adalah 52OC dari temperatur 31OC. Sehingga kenaikan temperatur air lebih rendah dari hari pertama pengujian yaitu 20OC.
Temperatur rata-rata komponen
kolektorpada hari ini yaituTPt= 47,51oC,
TK = 40,89oC, TD = 43,05oC, TR =
50,75oC dan TL= 34,43oC.
Gambar 6. Grafik temperatur kolektor dan air tanggal 03 Juni 2014 Pengujian ketiga dilakukan pada tanggal 04 Juni 2014 dimulai dari pukul 08:00 sampai dengan pukul 17:00 WIB. Data hasil pengujian yang diperoleh dapat dilihat secara grafik pada gambar 7. Pada hari ini, rata-rata radiasi matahari pada
setiap jamnya yang dimanfaatkan
menjadi energi panas adalah
19,33 . Temperatur akhir air
didapat 51OC dari temperatur awal 33OC, sehingga terjadi kenaikan temperatur air sekitar 18OC. Nilai rata-rata pengujian yang diperoleh pada saat pengujian untuk komponen lain yaitu TPt= 51,87oC,
TK = 44,27oC, TD = 38,85oC, TR =
55,74oC dan TL= 35oC.
Gambar 7. Grafik temperatur kolektor dan air tanggal 04 Juni 2014 Dari hasil pengujian yang telah dilakukan pada kolektor surya jenis batchdengan
sudut kolektor untuk menyimpan
panas ke air selama 3 hari pengujian bisa disimpulkan bahwa temperatur air tertinggi diperoleh adalah pada pengujian pertama, dimana temperatur akhir dari air yaitu adalah yang artinya pada hari ini paling banyak panas yang bisa disimpan ke air. Sedangkan pada dua hari yang lain lebih rendah dimungkinkan karena potensi radiasi matahari rendah seperti pada hari ke-2 pengujian. Pada hari ke-3 potensi radiasi matahari lebih tinggi dari hari pertama tetapi temperatur
air lebih rendah dari hari pertama ini mungkin disebabkan karena kehilangan panas besar terutama oleh konveksi angin.
KESIMPULAN
Kesimpulan dari hasil pengujian yang telah dilakukan adalah kolektor surya jenis batch mampu menyimpan panas ke air. Dari beberapa kali pengujian yang telah dilakukan menunujukkan bahwa: 1. Potensi panas radiasi matahari yang
bisa dimanfaatkan dari hasil pengukuran yaitu 18,80MJ/m2,11,55
MJ/m2 dan 19,33 MJ/m2. Sedangkan
temperatur lingkungan rata-rata selama tiga hari pengujian berturut-turut adalah 34,44oC, 34,43oC dan 35oC.
2. Temperatur tertinggi air sebagai material uji TES diperoleh pada pengujian pertama yaitu 55oC dari temperatur awal 29oC, sehingga kenaikan temperatur air sekitar 26oC. Pada hari ini temperatur ruangan dan permukaan wadah TES rata-rata adalah TPt= 48,2oC dan TR= 52,13oC.
DAFTAR PUSTAKA
Ciptakarya (2001). Profil Kabupaten/
Kota Medan.
ciptakarya.pu.go.id/profil/profil/ barat/ sumut/medan.pdf. (Diakses tanggal 5 Agustus 2013)
Felix RA, Solanki SC, and Saini JS (2009). An analysis of a packed bed latent heat thermal energy storage system using PCM capsules: Numerical investigation. Elsevier; ScienceDirect; Renewable Energy 34 (2009) 1765–1773.
Himsar A (2012). Karakteristik Energi Surya Kota Medan Sebagai Sumber Energi Siklus Refrigerasi Untuk Pengkondisian Udara (AC). Prosiding Seminar Nasional Sains & Teknologi dan Pameran Mendukung MP3EI, Aula FT. USU, 23 Nopember 2012.
Handoyo EA(2001). Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Vol. 3, No. 2, Oktober 2001; 52-56.
Kousksou T, Bruel P, Cherreau G, Leoussoff V, and El Rhafiki T. (2011). PCM storage for solar DHW: From an unfulfilled promise to a real benefit. Elsevier; ScienceDirect; Solar Energy 85 (2011) 2033–2040.
Murray R, Desgrosseilliers L, Stewart J, Osbourne N, Marin G, Safatli A, Groulx D, and White MA. (2011). Design of a Latent Heat Energy Storage System Coupled with a Domestic Hot Water Solar Thermal System. World Renewable Energy Congress, Linkoping Sweden. Nallusamy N, Sampath S, and Velraj R.
(2006). Study on performance of a packed bed latent heat thermal energy storage unit integrated with solar water heating system. Journal of Zhejiang University SCIENCE A; ISSN 1009-3095 (Print); ISSN 1862-1775 (Online).
Peraturan Pemerintah Republik
Indonesia.(2009). Peraturan Pemerintah Tentang Konservasi Energi.Lembaran Negara Republik Indonesia Nomor 5083.
Rabin Y, Bar-Niv I, Korin E, and Mikic B. 1995. Integrated solar collector storage system based on a salt-hydrate phase change material. Elsevier Science Ltd; Solar Energy Vol. 55, No. 6, pp. 435–444, 1995.
Talmatsky E and Kribus A. 2008. PCM storage for solar DHW: An unfulfilled promise?. Elsevier;
ScienceDirect; Solar Energy 82 (2008) 861–869.
Vikram D, Kaushik S, Prashanth V, and
Nallusamy N. 2006.An
Improvement in the Solar Water Heating Systems using Phase Change Materials.Proceedings of the International Conference on Renewable Energy for Developing Countries, India.
