SUDUT PASANG SOLAR WATER HEATER DALAM OPTIMALISASI PENYERAPAN RADIASI MATAHARI DI DAERAH CILEGON

(1)

SUDUT PASANG SOLAR WATER HEATER DALAM OPTIMALISASI PENYERAPAN RADIASI MATAHARI DI DAERAH CILEGON

Caturwati NK, Agung S, Chandra Dwi

Jurusan Teknik Mesin Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Jl. Jend. Sudirman km. 3 Cilegon 42435

E-mail: n4wati@untirta.ac.id

Abstrak

Indonesia merupakan negara kepulauan yang terletak di sekitar khatulistiwa, dimana radiasi matahari tersedia sepanjang tahun dengan intensitas radiasi yang cukup tinggi. Energi radiasi matahari merupakan sumber energi terbarukan yang perlu dikembangkan pemanfaatannya dalam menghadapi krisis energi fosil yang sedang menjadi isu utama saat ini. Dalam hal turut serta mengembangkan teknologi pemanfaatan energi radiasi matahari dilakukan kajian mengenai pengaruh pemasangan Solar Water Heater (SWH) terhadap efisiensi serap panas di Indonesia khususnya di daerah Cilegon. Dalam penelitian ini panel SWH dipasang dengan sudut kemiringan : 5°, 10°, 15°, 20° dan 25° dengan arah pasang menghadap arah Utara. Pengujian efisiensi absorbsi radiasi dilakukan setiap jam dari jam 10.00 hingga 14.00. dari hasil pengujian tersebut diperoleh kesimpulan bahwa penyerapan kalor radiasi oleh SWH memiliki nilai optimal pada sudut pasang 15°, dengan nilai efisiensi absorbsi rata-rata sebesar 78.18 %.

Kata Kunci: Radiasi matahari, Sudut pasang SWH, Efisiensi absorbsi.

Pendahuluan

Pemenuhan kebutuhan energi manusia selama ini sebagian besar berasal dari energi fosil yang pembentukannya memerlukan waktu sangat lama. Sebaliknya peningkatan taraf hidup manusia cenderung meningkatkan pemakaian energi dalam upaya peningkatan kenyamanan hidup. Selain itu populasi manusia yang semakin meningkat mengakibatkan ketersediaan energi dari fosil tidak dapat mengimbangi peningkatan kebutuhan energi manusia. Hal ini berdampak pada semakin menipisnya cadangan energi fosil dunia yang diikuti dengan peningkatan biaya energi yang harus dikeluarkan manusia dalam pemenuhan kebutuhannya.

Guna menghadapi krisis energi tersebut diupayakan untuk mencari energi alternative yang bersifat kontinyu atau yang mudah diperbaharui seperti energi matahari, energi angin, biogas, biofuel dan lain-lainnya.

Khusus untuk Indonesia, matahari merupakan sumber energi yang selalu hadir sepanjang waktu, sehingga pemanfaatan energi matahari seharusnya merupakan konsentrasi kita dalam pengembangan teknologi pemanfaatannya.

Kajian Pustaka

Kolektor surya plat datar merupakan salah satu bentuk panel SWH yang berfungsi menyerap panas radiasi matahari dan menggunakannya sebagai pemanas air yang mengalir melalui pipa-pipa absorbsi. Komponen-komponen sebuah kolektor surya plat datar terdiri dari :

1. Penutup atas transparan yang berfungsi meneruskan energi radiasi yang yang jatuh pada permukaan atas ke pipa-pipa absorber yang dialiri air, selain itu penutup transparan ini berfungsi untuk mencegah panas keluar dari pipa absorber ke lingkungan melalui perpindahan panas konveksi permukaan atas SWH ke lingkungan.

2. Pipa-pipa absorber yang mengalirkan air penyerap panas radiasi matahari.

3. Dinding isolasi bagian dasar dan samping SWH untuk mengurangi kebocoran panas konduksi ke lingkungan.

(2)

Gambar 1. Solar Water Heater pelat datar [Duffie]

Neraca Energi pada Kolektor Pelat Datar.

Dalam menganalisa pemanfaatan energi radiasi matahari yang diterima Solar Water Heater perlu dirumuskan neraca energi pada sistem SWH tersebut. Secara umum neraca energi yang berlaku pada SWH dapat dinyatakan seperti bagan energi yang diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Bagan energi pada Solar Water Heater.

Efisiensi Absorbsi Kolektor

Ukuran kinerja kolektor adalah efisiensi kolektor, yang didefinisikan sebagai perbandingan dari energi yang terserap air yang melalui pelat kolektor terhadap jumlah energi radiasi matahari yang diterima permukaan kolektor. [Anderson].

(1)

Jumlah panas yang terserap air Q_u dinyatakan sebagai :

(2) Dimana :

= laju massa alir air (kg/s) C_p = panas jenis air (J/kg.K)

= peningkatan temperatur air (K)

(3)

Besarnya energi radiasi matahari yang diterima kolektor Q_i dinyatakan sebagai :

(3)

Dimana :

I = Intensitas radiasi matahari (W/m²) τ = Transmisivitas kaca penutup kolektor α = Absorpsifitas pipa kolektor

A_c= Luas permukaan penutup kolektor (m²)

Nilai transmisivitas kaca penutup kolektor dapat ditentukan berdasarkan jumlah kaca penutup dan sudut datang sinar matahari sesuai dengan Gambar 3.

Gambar 3 Penentuan nilai transmisivitas kaca penutup kolektor [Duffie]

Sudut datang matahari θ dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (4) Dimana :

δ = sudut deklinasi matahari yaitu sudut antara garis matahari ke pusat bumi dengan garis pusat bumi ke equator seperti terlihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Sudut deklinasi matahari

(4)

• Sudut kemiringan (β) adalah sudut antara permukaan bidang yang dimaksud terhadap horizontal.

• Sudut jam matahari (ω) adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur/barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar pergeseran sudut tersebut 15° tiap jam .

• Sudut datang matahari (θ) yaitu sudut antara radiasi langsung pada permukaan bidang terhadap normal bidang tersebut.

Tabel 1. Deklinasi dan nilai n untuk rata-rata hari dalam bulan

Bulan

n untuk

hari ke i rata-rata harian tanggal n δ, deklinasi

Januari i 17 17 -20.9

Februari 31 + i 16 47 -13.0

Maret 59 + i 16 75 -2.4

April 90 + i 15 105 9.4

Mei 120 + i 15 135 18.8

Juni 151 + i 11 162 23.1

Juli 181 + i 17 198 21.2

Agustus 212 + i 16 228 13.5

September 243 + i 15 258 2.2

Oktober 273 + i 15 288 -9.6

Nopember 304 + i 14 318 -18.9

Desember 334 + i 10 344 -23.0

• Sudut deklinasi matahari (δ) merupakan sudut kemiringan bumi terhadap matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi – matahari ; - 23,45° ≤ δ ≤ 23,45°.

Dimana sudut deklinasi (δ) matahari dapat ditentukan dengan persamaan Cooper :

(5)

dimana n menyatakan nomor urut haridalam satu tahun yang diawali dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari dan seterusnya dapat dilihat pada Tabel 1.

Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah melakukan pengujian disamping studi pustaka. Untuk pengujian dilakukan dengan membuat susunan alat pengujian seperti tampak pada Gambar 5.

(5)

Gambar 5. Susunan alat uji

Pengujian dilakukan pukul 08.00 – 14.00 dengan pengambilan data uji tiap jam pada pukul 10.00 hingga 14.00. Peletakan kolektor dibuat sedemikian hingga membentuk sudut pasang bervariasi dengan kemiringan 5°, 10°, 15°, 20° dan 25° dan arah pasang menghadap utara. Guna mengatur sudut kemiringan pasang kolektor, kolektor diletakkan diatas meja seperti gambar 6, dimana arah muka meja dipasang pada arah utara.

Gambar 6. Meja penyangga pelat kolektor.

Untuk tiap sudut kemiringan tertentu dilakukan pengumpulan data minimal 3 hari, untuk selanjutnya dilakukan analisa efisiensi serap panas kolektor untuk nilai range radiasi matahari tertentu.

Hasil Pengujian dan Analisa

Data pengujian untuk sudut kemiringan pasang kolektor α = 5° dikelompokkan sedemikian untuk range nilai Intensitas radiasi I_r tertentu dengan nilai efisiensi serap panas η ditunjukkan pada Tabel 1.

(6)

Tabel 1. Hasil pengujian untuk α = 5°

No Ir (W/m²) Tanggal/Waktu Η 1. 10 – 99 50 7 April 2013/11.00

7 April 2013/12.00 84.25

92.13 88.19 2. 100 – 199 150

7 April 2013/13.00 7 April 2013/14.00 7 April 2013/10.00

82.29 82.42

96.94 87.21 3. 200 – 299 250 2 April 2013/13.00

2 April 2013/10.00 7 April 2013/14.00

65.44 30.44

35.79 46.92

4. 300 – 399 350

2 April 2013/10.00 26 Maret 2013/12.00 26 Maret 2013/11.00 26 Maret 2013/10.00 26 Maret 2013/13.00

2 April 2013/11.00

35.79 70.075

87.4 59.69 88.77 87.39

71.52

5. 416.03 416.03 26 Maret 2013/14.00 79.381 79.381

Tabel 2. Hasil pengujian untuk α = 10°

No. Ir (W/m²) Tanggal/Waktu η

1. 139.34 139.34 28 Maret 2013/10.00 79.77 79.77

2. 150 – 200 175

28 Maret 2013/11.00 13 April 2013/10.00 28 Maret 2013/12.00 28 Maret 2013/13.00 13 April 2013/13.00

8 April 2013/10.00 8 April 2013/12.00

94.04 67.59 63.39 64.276 96.574 66.29 35.59

69.68

3. 200 – 299 250

8 April 2013/13.00

89.89 62.07 95.04 64.28

73.51

4. 300 – 399 350 8 April 2013/14.00

28 Maret 2013/14.00 56.26

43.11 49.68 5. 849.144 849.144 8 April 2013/11.00 64.28 64.28

No. Ir (W/m²) Tanggal/waktu η

1. 147.27 147.27 29 Maret 2013/10.00 70.95 70.95 2. 100 – 199 150

9 April 2013/12.00 29 Maret 2013/11.00

9 April 2013/13.00 14 April 2013/10.00

79.18 59.05 96.83 83.4

78.18

3. 200 – 299 250

9 April 2013/14.00 29 Maret 2013/12.00

9 April 2013/11.00 9 April 2013/10.00

68.01 83.71 83.05 77.96

78.18

4. 300 – 399 350

29 Maret 2013/14.00 29 Maret 2013/13.00

96.47 69.81 24.89 59.19 62.91

62.65

5. 400.6 400.6 14 April 2013/14.00 78.03 78.03

(7)

No. Ir (W/m²) Waktu/Tanggal η 1. 200 – 299 250 15 April 2013/10.00

15 April 2013/11.00 15 April 2013/12.00

46.29 64.79

2. 300 – 350 325

31 Maret 2013/14.00 31 Maret 2013/10.00 15 April 2013/14.00 31 Maret 2013/11.00

91.14 58.01 91.75 43.38

71.07

3. 350 – 400 375 31 Maret 2013/13.00

31 Maret 2013/12.00 91.50

55.49 73.50 4. 400 – 499 450

94.33 26.68

31.84 50.95 5. 500 – 599 550 10 April 2013/13.00

10 April 2013/11.00 10 April 2013/12.00

29.762 65.18 69.02

54.66

No. Ir (W/m²) Tanggal/Waktu η

1. 195.65 195.65 16 April 2013/10.00 31.35 31.35 2. 200 – 299 250 11 April 2013/12.00

16 April 2013/14.00 81.41

60.31 70.86

3. 300 – 399 350

1 April 2013/11.00 11 April 2013/11.00 11 April 2013/14.00 1 April 2013/14.00 1 April 2013/10.00 1 April 2013/13.00 16 April 2013/12.00 16 April 2013/11.00 1 April 2013/12.00

31.48 47.37 54.92 51.55 26.39 56.31 45.56 56.47 30.88

44.55

4. 400 – 499 450 11 April 2013/13.00

16 April 2013/13.00 81.41

61.50 71.45 5. 517.91 517.91 11 April 2013/10.00 47.37 47.37

Dari hasil pengujian tersebut dapat dibuat range nilai efisiensi absorbsi SWH terhadap variasi sudut pasang pelat kolektor seperti tampak pada Gambar 7. Dari hasil tersebut tampak bahwa sudut pasang 15° dengan arah pasang menghadap kea rah utara memiliki nilai efisiensi yang stabil dan memiliki nilai rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan sudut pasang lainnya.

(8)

Gambar 7. Range efisiensi absorbsi panas SWH untuk berbagai sudut pasang.

Kesimpulan

Dari hasil pengujian efisiensi absorbsi panas radiasi matahari pada Solar Water Heater memperlihatkan bahwa sudut pasang collector dengan kemiringan 15° dengan arah pasang menghadap utara memberikan nilai efisiensi absorbsi yang paling stabil dengan nilai yang cukup tinggi dibandingkan dengan sudut pasang lainnya.

Daftar Pustaka

Anderson Edward E., 1983 , “ Fundamentals of Solar Energy Conversion”, Addison- Wesley Publishing Company , USA.

Duffie John A., Beckman William A., 2006 “ SOLAR ENGINEERING OF THERMAL PROCESSES “ Third edition, by John Wiley & Sons , Inc.

Sukhatme SP.1984, “ Solar Energy , Principles of Thermal Collection and Storage” , Tata McGraw-Hill Publishing Company, limited edition, New Delhi