SKRIPSI. Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Fisika. Oleh :

(1)

PERBANDINGAN KEMAMPUAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR BERWARNA HITAM DAN BIRU DENGAN ATAU TANPA LAPISAN

KACA PENUTUP DALAM MENGKONVERSI ENERGI RADIASI MATAHARI MENJADI ENERGI TERMAL

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains

Program Studi Fisika

Oleh : Joko Saputro NIM : 993214007 NIRM : 990051122801120007

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA 2005

(2)

SKRIPSI

Oleh: Joko Saputro NIM: 993214007 NIRM: 990051122801120007

Telah Disetujui Oleh:

Pembimbing I

Dr. Ign. Edi Santosa, M.Si Tanggal: 14 Maret 2005

(3)

SKRIPSI

Dipersiapkan dan ditulis oleh: Joko Saputro

NIM: 993214007 NIRM: 990051122801120007

Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji pada tanggal 22 Maret 2005

dan dinyatakan memenuhi syarat Susunan Panitia Penguji

Nama Lengkap Tanda Tangan Ketua : Ir. Ign. Aris Dwiatmoko, M. Sc. ____________ Sekretaris : Ir. Sri Agustini, M. Si. ____________ Anggota : Dr. Ign Edi Santosa, M. Si. ____________ Anggota : Drs. Drs. (Vet) Asan Damanik, M. Si. ____________ Anggota : Drs. Severinus Domi, M. Si. ____________

Yogyakarta, 22 Maret 2005 Fakultas MIPA

Universitas Sanata Dharma Dekan

(4)

Halaman Motto dan Persemahan

ORA ET LABORA

“Biarlah Kebijaksanaan-Mu Menaungi Dan Menuntun Karyaku,

Bunda”

”Sempurnakanlah karyaku ya Yesus agar menjadi rahmat untuk

sesama”

“SEGALA SUATU PEKERJAAN JIKA DIHAYATI DENGAN PENGABDIAN DAN PENUH RASA SYUKUR AKAN MENJADI INDAH PADA WAKTUNYA”

Skripsi ini kupersembahkan untuk:

Tuhanku Yesus yang baik,

Keluargaku:

Bapak,ibu,kakak-kakakku,adikku,kekasihku

dan segenap keluarga besar di Lampung dan Palembang

“ Pelajarilah ilmu seni dan seni ilmu”. Leonardo Da Vinci

(5)

Pernyataan Keaslian Karya

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, 22 Maret 2005

Penulis

(6)

ABSTRAK

Kolektor surya plat datar merupakan suatu peralatan yang dapat digunakan untuk memanaskan air. Kolektor tersebut menyerap energi radiasi dari matahari dan mengkonversikannya menjadi energi panas pada plat dan air. Parameter-parameter yang diteliti dalam penelitian ini adalah warna plat penyerap dan lapisan kaca penutup kolektor. Warna plat penyerap yang digunakan untuk penelitian adalah hitam dan biru dan pada bagian atas kolektor dibedakan dengan atau tanpa lapisan kaca penutup.

Dari hasil penelitian didapatkan perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal oleh empat jenis kolektor yaitu kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup, kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup, kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup. Secara berurutan perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari empat jenis kolektor tersebut adalah: 1 : 0,7 : 0,6 : 0,5.

(7)

ABSTRACT

THE ABILITY COMPARISON OF THE BLACK AND BLUE FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR WITH GLAZED OR UNGLAZED TO CONVERT SOLAR RADIANT ENERGY INTO THERMAL ENERGY

The flat plate solar collector is an equipment that can be used for water heating. This collector absorbs the radiant energy from the sun and than converts it into thermal energy in the plate and water. In this research, the examined parameters are absorber plate colour and cover of the collector.

The comparison of the conversion solar radiant energy into thermal energy have been measured in four collectors i .e black glazed flat plate solar collector, black unglazed flat plate solar collector, blue glazed flat plate solar collector, blue unglazed flat plate solar collector. The comparison of the conversion solar radiant energy into thermal energy from these collectors are 1 : 0,7 : 0,6 : 0,5, respectively.

(8)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan dan penyusunan skripsi ini.

Skripsi ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh gelar Sarjana Sains, Program Studi Fisika, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

Dalam proses penulisan dan penyusunan skripsi ini, penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dari berbagai pihak yang telah memberikan sumbangan pikiran, waktu, dan tenaga, skripsi ini tidak akan tersusun dengan baik. Oleh karena itu pada kesempatan ini Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada :

1. Yesus, Bunda Maria, Santo Yosef, Para Santa/Santo, Roh Kudus, dan Malaikat Tuhan yang selalu menjagaku dan melindungiku. Terima kasih atas semua anugerah dan berkat yang telah kuterima. 2. Bapak Dr. Ign Edi Santosa, M. Si , selaku Dosen Pembimbing

yang telah membimbing dengan sabar, mengarahkan, menyediakan waktu dan memberi masukan yang berharga dalam proses penyusunan skripsi ini.

3. Ayahanda A. Wakiyo dan Ibunda Maria Goretti Katherina, Ibu terkasih Rosalia Marsila, Kakak-kakakku (Mbak Yuni dan Kak Helman, Mas Kadri, Mas Pur) dan adik Anton, terima kasih atas segala doa dan usaha yang telah kita lalui dan yang akan terus kita perjuangkan sekeluarga.

4. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandri, M.Si., selaku Kaprodi fisika yang telah banyak memberikan dukungan dan bantuan selama masa kuliah.

5. Bapak Drs. Drs.(Vet) Asan Damanik, M.Si, Bapak A. Prasetyadi, S.Si, Ibu Dwi Nugraeni Rositawati, S.Si, Bapak Prof Liek Wilarjo, Ph.D, D.Sc, Bapak Dr. Agung B. S. Utomo, S.U, serta Bapak dan

(9)

Ibu Dosen yang telah mendidik dan membagi pengetahuan dan pengalaman kepada penulis selama kuliah.

6. Bapak Gito, Mas Agus dan Mas Eswanto yang telah membantu untuk menyiapkan alat-alat.

7. Ibu Suwarni dan Bapak Tukijan di Sekretariat FMIPA.

8. Para sahabatku angkatan ’99 (Berti, Wening, Heni, Indri, Sisi, Agnes), teman-teman FMIPA (Purbadi, Restu, Lusi, Acak, Vivi, Eros, Yudi, Yogi dan teman-teman lainnya), almamater FMIPA, komunitas KMPKS (Tuti, Tanti, Para Frater dan Romo SCJ di Papringan), My frends: Mas Ferry, Rico, Sam, WR, Anton, Djohan, Wanto, Endah, Frans, Andi, Ferry, Daniel, Sigit, dan alumnus IPA angkatan ’99 SMU. Xaverius Pringsewu, Lampung. 9. Bapak dan Ibu Karyawan UPT Perpustakaan Paingan.

10. Universitas Sanata Dharma atas segala fasilitas dan bantuan yang diberikan selama masa kuliah kepada penulis.

11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan di atas yang telah rela membantu dengan doa dan usaha untuk penulis hingga selesainya proses penyusunan skripsi ini.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dan kesalahan dalam skripsi ini. Karena itu penulis sangat mengharapkan masukan dan saran dari pembaca demi perbaikan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi yang tidak sempurna ini bermanfaat bagi setiap pembaca.

Yogyakarta, 22 Maret 2005 Penulis

(10)

DAFTAR ISI

Halaman

Halaman Judul... i

Halaman Persetujuan Pembimbing ... ii

Halaman Pengesahan ... iii

Halaman Motto dan Persembahan ... iv

Pernyataan Keaslian Karya ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRACT ... vii

Kata Pengantar ... viii

Daftar Isi ... x

Daftar Tabel ... xii

Daftar Gambar... xiv

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah... 1

B. Batasan Masalah ... 2

C. Rumusan Masalah ... 3

D. Tujuan Penulisan ... 4

E. Manfaat Penulisan... 4

BAB II DASAR TEORI A. Energi Surya... 6 B. Energi Panas... 7 C. Perpindahan Panas ... 8 1. Konduksi ... 8 2. Konveksi ... 10 3. Radiasi... 10

D. Benda Teradiasi dan Hukum Kirchoff ... 12

E. Kolektor Surya Plat Datar ... 13

1. Kolektor surya plat datar dengan memakai kaca penutup (glazed) ... 13

2. Kolektor surya plat datar tanpa kaca penutup (unglazed) ... 14

F. Konversi Energi Radiasi menjadi Energi Termal ... 14

BAB III METODE ANALISIS PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian ... 19

B. Obyek Penelitian ... 19

C. Alat/Instrumen ... 20

D. Langkah Penelitian... 20

1. Tahap pembuatan alat ... 20

2. Tahap pengambilan data ... 25

(11)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil Penelitian ... 29 B. Pembahasan... 42 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan ... 46 B. Saran... 47 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

Lampiran I : Hasil Pengukuran Perubahan Temperatur Air, dan Intensitas Radiasi Matahari untuk Empat Jenis Kolektor.

Lampiran II : Data Hubungan Intensitas Radiasi Matahari Terhadap Perubahan Temperatur Air untuk Berbagai Laju Aliran Air Pada Empat Jenis Kolektor.

(12)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 4.1. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari

dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed)

dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon... 30 Tabel 4.2. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari

dari kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup(unglazed)

dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon. ... 31 Tabel 4.3. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari

dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup(glazed)

dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon... 31 Tabel 4.4. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari

dari kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon... 32 Tabel 4.5. Nilai perubahan suhu air terhadap intensitas radiasi

matahari dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed)

matahari dari kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

Matahari dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed)

matahari dari kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon... 36 Tabel 4.9. Hubungan nilai konstanta 1/η terhadap

laju aliran air (Vair) dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan

kaca penutup(glazed) ... 38 Tabel 4.10. Hubungan nilai konstanta 1/η terhadap

laju aliran air (V_air) dari kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan

(13)

kaca penutup (unglazed) ... 39 Tabel 4.11. Hubungan nilai konstanta 1/ηterhadap

laju aliran air (Vair) dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan

kaca penutup (glazed) ... . 40 Tabel 4.12. Hubungan nilai konstanta 1/η terhadap

laju aliran air (Vair) dari kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan

kaca penutup (unglazed) ... 41 Tabel 4.13. Nilai gradien atau

k c_air air ρ

untuk empat

jenis kolektor surya plat datar... 42 Tabel 4.14. Nilai konstanta k dari empat jenis kolektor

surya plat datar... 44 Tabel 4.15. Perbandingan konstanta k_relatif untuk empat

(14)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Pancaran energi radiasi matahari ke segala arah ... 6

Gambar 2.2. Proses konduksi pada suatu penampang ... 9

Gambar 3.1. Plat tembaga ... 22

Gambar 3.2. Pipa tembaga ... 23

Gambar 3.3. Plat dan pipa tembaga yang sudah direkatkan ... 23

Gambar 3.4. Kaca penutup kolektor yang telah bingkai dengan kayu .... 23

Gambar 3.5. Bingkai kolektor dan bagian bawah kotak kolektor yang telah diisolasi dengan bahan isolator berupa gabus ... 24

Gambar 3.6. Kolektor surya plat datar dengan memakai kaca penutup (glazed) ... 24

Gambar 3.7. Kolektor surya plat datar tanpa kaca penutup (unglazed)... 24

Gambar 3.8. Sketsa penentuan kemampuan mengkonversi energi matahari menjadi energi dari kolektor surya plat datar ... 26

Gambar 4.1. Grafik hubungan delta T (oC) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ... 34

Gambar 4.2. Grafik hubungan delta T (oC) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ... 35

Gambar 4.3. Grafik hubungan delta T (oC) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ... 36

Gambar 4.4. Grafik hubungan delta T (oC) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ... 37

Gambar 4.5. Grafik hubungan nilai konstanta 1/η(lux/oC) terhadap laju aliran air

(

Vair

)

(ml/sekon) dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup(glazed)... 38 Gambar 4.6. Grafik hubungan nilai konstanta 1/η(lux/oC)

terhadap laju aliran air

(

V_air

)

(ml/sekon) dari kolektor surya plat datar berwarna hitam

(15)

tanpa lapisan kaca penutup(unglazed) ... 39 Gambar 4.7. Grafik hubungan nilai konstanta 1/η(lux/oC)

(

Vair

)

(ml/sekon)

dari kolektor surya plat datar berwarna biru

dengan lapisan kaca penutup(glazed)... 40 Gambar 4.8. Grafik hubungan nilai konstanta 1/η(lux/oC)

(

Vair

)

(ml/sekon)

dari kolektor surya plat datar berwarna biru

(16)

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Masalah energi merupakan suatu masalah yang tidak akan pernah berhenti dibicarakan, dikembangkan, dan diteliti orang. Hal tersebut dikarenakan pemakaian energi cenderung meningkat terus dengan meningkatnya peradaban manusia dan keterbatasan sumber energi khususnya sumber energi konvensional (minyak bumi, gas alam, dan batu bara). Peristiwa ini yang menyebabkan krisis energi. Satu di antara bentuk energi yang dapat digunakkan selain sumber energi konvensional adalah energi surya. Energi surya yang disediakan oleh alam untuk umat manusia khususnya yang tinggal di daerah tropis sangatlah berlimpah. Selain berlimpah dan tidak habis pakai, energi surya juga tidak menimbulkan polusi.

Pemanfaatan energi surya dapat secara langsung maupun tidak langsung. Contoh pemanfaatan secara langsung misalnya untuk mengeringkan pakaian, hasil pertanian dan lain sebagainya. Sedangkan contoh pemanfaatan secara tidak langsung seperti digunakan untuk menyediakan air panas di rumah-rumah sakit, untuk keperluan industri seperti pencucian botol, dan sistem air panas untuk keperluan rumah tangga, yaitu dengan membuat alat-alat pengumpul energi surya atau kolektor surya (solar collector).

Kolektor surya pada umumnya terdiri dari selembar bahan konduktif yang disebut plat penyerap yang berhubungan langsung dengan pipa-pipa

(17)

pembawa cairan yaitu air. Plat penyerap akan meyerap energi radiasi surya dan mengkonversikannya menjadi energi termal pada air. Parameter-parameter yang berpengaruh pada kemampuan kolektor surya dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal di antaranya adalah warna plat penyerap dan lapisan penutup kolektor.

Umumnya plat penyerap pada kolektor surya berwarna hitam untuk memaksimalkan energi radiasi yang diserap. Untuk pengembangan dari segi estetika pada warna plat penyerap, dalam penelitian ini selain warna hitam akan diteliti juga warna yang lain yaitu warna biru.

Plat penyerap berwarna biru mempunyai nilai konversi yang lebih kecil dibandingkan dengan plat penyerap berwarna hitam. Untuk melihat seberapa perbedaan antara kedua plat penyerap maka dalam peneltian ini akan diukur dan dibandingkan nilai konversi yang dihasilkan pada kedua plat penyerap tersebut. Begitu juga halnya untuk bagian penutup kolektor, dalam penelitian ini akan dibedakan dengan atau tanpa lapisan kaca penutup. (Tripanagnostopoulost, et al., 2000)

Dari alasan tersebut maka peneliti mengkaji lebih jauh tentang perbandingan kemampuan kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa kaca penutup (glazed or unglazed) dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal.

B. Batasan Masalah

(18)

1. Kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed).

2. Kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

3. Kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed).

4. Kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

Keempat kolektor memiliki bentuk, luas, bahan (isolator, plat, pipa) yang sama, begitu juga untuk tipe kolektor dengan lapisan kaca penutup mengunakan bahan kaca yang sama. Sampel cairan yang digunakan adalah air.

C. Rumusan Masalah

Secara singkat penelitian ini akan menjawab beberapa persoalan sebagai berikut,yaitu :

1. Bagaimana membuat alat pemanas air dengan mengunakan energi radiasi surya atau kolektor surya plat datar?

2. Berapa besar perubahan temperatur air yang dihasilkan untuk berbagai laju aliran air dan intensitas radiasi matahari pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed or unglazed)?

(19)

3. Berapa besar perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed or unglazed)?

D. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini, yaitu: 1. Membuat kolektor surya plat datar.

2. Mengukur perubahan temperatur air untuk berbagai laju aliran air dan intensitas radiasi matahari pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed or unglazed).

3. Menghitung dan membandingkan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari kolektor surya plat datar dengan plat berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed or unglazed).

E. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Bagi peneliti berkaitan dengan bidang yang dipelajari adalah untuk melengkapi konsep tentang panas dan radiasi melalui eksperimen, tidak hanya melalui teori saja.

(20)

2. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan masukan bagi ilmu pengetahuan dan teknologi, maupun masyarakat khususnya dalam pemanfaatan energi surya melalui pembuatan alat pemanas air seperti kolektor surya (solar collector).

(21)

BAB II DASAR TEORI

A. Energi Surya

Pada dasarnya energi surya berasal dari reaksi nuklir yang ada di matahari. Energi tersebut dipancarkan ke segala arah dalam bentuk radiasi elektromanetik (Gambar 2.1).

Matahari

s

d R Bumi

Gambar 2.1. Pancaran energi radiasi matahari ke segala arah

Besarnya daya radiasi yang dipancarkan oleh matahari dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Stefan-Boltzmann (Jansen, 1995):

4 2 s s total

d

T

P

=

σ

π

Dengan σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann = 5.67×10−8 W/m2 K4, adalah luas permukaan matahari, dengan adalah diameter matahari, adalah temperatur permukaan matahari.

2 s d π ds s

T

Pada Gambar 2.1 pancaran energi radiasi matahari ke segala arah. Jika R

(22)

adalah . Berarti intensitas radiasi yang diterima oleh permukaan bumi adalah: 2 4π R 2 4 2 4R T d I =σ s s

Dengan konstanta-konstanta yang telah diketahui yaitu diameter matahari m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi m, maka besarnya intensitas radiasi matahari sampai permukaan bumi dalam arah tegak lurus adalah:

9 10 39 . 1 × 11 10 5 . 1 ×

(

) (

)

(

)

(

11

)

2 2 4 4 3 2 2 9 4 2 8 m 10 1.5 4 K 10 5.672 m 10 1.39 K m W/ 10 5.67 × × × × × × × = − I = 1353 W/m2.

Nilai I disebut sebagai konstanta surya.

Setelah mengalami proses penyerapan, pemantulan, dan sebaran di dalam atmosfer, besarnya intensitas radiasi matahari yang sampai ke permukaan bumi antara jam 8.00 - jam 16.00 WIB rata-rata sebesar 530 W/m2 untuk sebuah permukaan datar.

B. Energi Panas

Jika suatu zat bermassa m dipanaskan sehingga suhunya berubah sebesar

T

Δ dan panas jenis zat adalah sebesar c, maka energi Q yang diserap oleh zat tersebut adalah (DiLavore, 1984):

T c m

(23)

dengan:

Q adalah energi (kalori)

m adalah massa zat (kg)

c adalah panas jenis zat (kalori/kg oC)

T

Δ adalah perubahan suhu pada zat (oC)

C. Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu antara benda-benda tersebut (Kreith, 1973).

Ada tiga proses dalam perpindahan panas yaitu: konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Konduksi

Konduksi kalor adalah proses di mana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium atau antara medium-medium yang berlainan (padat, cair, gas) yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1973).

Pada perpindahan panas secara konduksi, energi panas ditransfer lewat interaksi antara atom atau molekul-molekul, walaupun atom-atomnya sendiri tidak berpindah. Sebagai contoh, jika salah suatu ujung sebuah batang padat dipanaskan, maka atom-atom di ujung yang dipanaskan bergetar dengan energi yang lebih besar dibandingkan

(24)

atom-atom di ujung lebih dingin. Karena interaksi atom-atom-atom-atom yang lebih energetik dengan sekitarnya, energi dipindahkan sepanjang batang.

Jika padatan adalah logam, maka perpindahan energi panas dibantu oleh elektron-elektron bebas yang bergerak di seluruh logam, sambil menerima dan memberi energi panas ketika bertumbukan dengan atom-atom logam.

Gambar 2.2 menunjukkan suatu penampang dengan luas permukaan

A yang mempunyai perbedaan suhu ΔT yaitu T1 dan T2 sepanjang Δx. Bila suhu di permukaan sebelah kiri dan sebelah kanan dengan > maka panas akan dikonduksikan dari permukaan penampang yang bersuhu lebih tinggi ke permukaan penampang yang bersuhu lebih rendah. Besarnya gradien temperatur pada penampang tersebut adalah

1 T T2 T1 2 T x T Δ Δ / . Jika ΔQ adalah jumlah energi yang dikonduksikan lewat penampang dalam selang waktu Δt, maka laju konduksi energi adalah dan sering disingkat dengan

t

Q Δ

Δ /

H.

Secara eksperimen, ditemukan bahwa laju konduksi energi termal sebanding dengan gradien temperatur dan dengan luas penampangA(Tipler,1991): H 2 T A 1

T

x Δ

(25)

H =−kA x T

Δ Δ

dengan k adalah konduktivitas termal (Joule/s m K) yang menyatakan laju perpindahan panas yang melewati satu satuan luasan penampang sejauh satu satuan panjang penampang dan mempunyai perbedaan suhu 1oC.

Nilai k ini mempunyai jangkauan antara 0,03 W/m o C(isolator yang baik) sampai 400 W/m o C (logam-logam yang konduktif) (Prasetyo dan Setiawan, 1991).

Tanda ( - ) menunjukkan arah aliran panas dari suhu tinggi ke suhu rendah.

2. Konveksi

Berbeda dengan perpindahan panas secara konduksi, perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang disebabkan karena adanya perpindahan massa. Proses perpindahan panas secara konveksi berhubungan erat dengan aliran fluida. Jika air yang dipanaskan dipaksa bergerak dengan alat peniup atau pompa kompresor maka proses tersebut dinamakan konveksi paksa. Kalau air yang dipanaskan mengalir akibat perbedaan massa jenis oleh karena perbedaan temperatur maka

proses tersebut merupakan konveksi bebas atau alami (Sears dan Zemansky, 1969).

3. Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi adalah proses perpindahan energi akibat foton-foton dipancarkan dari suatu permukaan ke permukaan lain.

(26)

Pada saat mencapai permukaan tersebut, foton-foton akan diserap, dipantulkan atau diteruskan (Stoecker dan Jones, 1982).

Pada tahun 1879, Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam sempurna. Dia menyatakan bahwa daya total itu sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian Ludwing Boltzmann menurunkan hubungan yang sama. Persamaan yang didapat dari hubungan tersebut dikenal sebagai Hukum Stefan-Boltzmann yang menyatakan bahwa energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu. Secara matematis dapat ditulis (Tipler, 1991):

e A T4 t Q _σ = Δ Δ P=eσ A T4 dengan:

P adalah daya yang diradiasikan (watt)

e adalah koefisien emisivitas benda

A adalah luas permukaan benda (m)

4

T adalah suhu mutlak permukaan benda (K)

(27)

D. Benda Teradiasi Panas dan Hukum Kirchoff

Sesuai yang diselidiki Scheele, benda yang dikenai radiasi panas, permukaannya akan menyerap panas, memantulkannya, dan meneruskannya ke dalam benda. Umumnya bagian panas yang langsung diteruskan ke dalam benda tidak trasparan kecil sekali. Sebagian besar dari panas yang diteruskan adalah melalui serapan dulu, sehingga bagian panas yang diteruskan dapat diabaikan.

Jika suatu benda dengan koefisien serapan α dan koefisien emisi e untuk α dan e tergantung pada panjang gelombang, maka koefisien serapan dan emisi tersebut dapat dituliskan sebagai αλ dan . Jika benda tersebut mempunyai daya emisi , maka daya emisi yang diserap oleh benda pada panjang gelombang λ e λ P λ hingga λ+Δλ adalah: dPserapan =α_λP_λdλ

Benda ini juga akan mengemisikan panas pada panjang gelombang yang sama yaitu λ hingga λ+Δλ, daya yang diemisikan sebesar:

dP_emisi =e_λP_λdλ

Sehingga daya emisi total yang diserap dan diemisikan oleh benda tersebut adalah:

(

α_λ e_λ

)

P_λdλ dP

dPserap − emisi = −

Untuk menentukan hubungan antara αλ dan eλ perlu dicari keadaan kesetimbangan termal dari serapan dan emisi yang terjadi. Untuk seluruh

(28)

panjang gelombang setelah kesetimbangan termal terjadi, memenuhi:

(

)

∫

∞ = − 0 0 λ α_λ e_λ P_λd sehingga: λ α = e_λ

Koefisien emisi dan koefisien serapan suatu benda pada keadaan yang sama (temperatur sama) adalah sama. Hal ini dikenal sebagai hukum Kirchoff. Benda hitam dapat menyerap seluruh panas yakni α = 1 dan pada keadaan yang sama pula dapat memancarkan seluruh panas e = 1 (Naga, 1991).

E. Kolektor Surya Plat Datar

Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, untuk bagian penutup kolektor surya plat datar dalam penelitian ini akan dibedakan yaitu kolektor surya plat datar dengan lapisan kaca penutup (glazed) dan kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

1. Kolektor plat datar dengan lapisan kaca penutup (glazed)

Matahari memancarkan energi hampir pada seluruh panjang gelombang dan sampai ke bumi dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnet. Ketika sinar matahari mengenai lapisan kaca penutup pada kolektor, energi dengan panjang gelombang paling pendek dapat menembus kaca sedangkan energi dengan panjang gelombang terpanjang dipantulkan kembali oleh kaca. Energi yang dapat menebus kaca tersebut akan diserap oleh plat yang ada di dalam kolektor sehingga plat menjadi hangat. Selain itu temperatur udara yang berada di dalam kolektor akan

(29)

naik sehingga menghalangi panas yang keluar sehingga panas terjebak di dalam kolektor.

Suhu di dalam kolektor akan tetap tinggi dibanding dengan suhu di luarnya begitu juga yang terjadi pada suhu plat. Kalor yang diserap plat kemudian akan dikonduksikan ke pipa dan air yang selanjutnya air akan mengalami proses konveksi sehingga temperatur air akan naik.

2. Kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

Pada kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed), sinar radiasi matahari akan langsung diterima oleh plat, sebagian radiasi diserap oleh plat dan sebagian lagi akan dipantulkan. Plat sebagai sumber kalor yang lebih dingin dibandingkan matahari akan memancarkan kembali kalor yang diterimanya dalam bentuk energi radiasi ke lingkungan sekeliling. Tidak ada panas yang terjebak di dalam kolektor sehingga suhu pada plat dan air akan mudah turun akibat faktor lingkungan seperti keadaan angin atau perbedaan suhu antara plat dan lingkungan.

F. Konversi Energi Radiasi menjadi Energi Termal

Kolektor dikenai sinar dengan intensitas radiasi sebesar ( ). Sebagian intensitas radiasi akan dipantulkan ( ) ke luar kolektor dan sebagian lagi diserap ( ) oleh kolektor.

d I pantul I serap I serap I air input T air output T d I pantul I kolektor

(30)

Besarnya intensitas radiasi yang diserap olek kolektor adalah: a I I_serap = _d α (2.1) dengan: serap

I adalah intensitas radiasi yang diserap kolektor (W/m2)

d

I adalah intensitas radiasi yang datang (lux)

α adalah fraksi dari intensitas radiasi yang datang yang diserap oleh kolektor. Nilai α tidak besatuan dan nilainya tergantung dari warna plat penyerap dan ada atau tidaknya lapisan kaca penutup kolektor.

a adalah konversi satuan dari (lux) menjadi (W/m2) Berarti daya yang diserap pada luasan (A) kolektor:

A I Pserap = serap A a I P_serap = _dα (2.2) dengan: serap

P adalah daya yang diserap kolektor (W)

A adalah luas kolektor (m2)

Dan besarnya energi radiasi yang diserap oleh kolektor dalam selang waktu adalah:

) (W_serap t Δ t P

W_serap = _serap Δ (Joule) 2 , 0 t A a I Wserap = dα Δ 39 (kalori) (2.3)

(31)

t k I

Wserap = d Δ (2.4)

dengan: 239k=αaA0, adalah konstanta yang menentukan seberapa besar kemampuan kolektor dalam mengkonversi energi radiasi menjadi energi termal, dan Δt adalah selang waktu kolektor menyerap energi radiasi (s).

Di dalam kolektor energi radiasi berubah menjadi panas. Berdasarkan hukum kekekalan energi sebagian panas akan hilang dan sebagian lagi panas akan digunakan untuk menaikkan temperatur plat dan air sebesar ΔT.

Jumlah energi termal yang diterima oleh plat dan air adalah:

(

plat plat plat air air air

)

air

plat m c T m c T

Q ₊ = Δ + Δ (kalori) (2.5)

Untuk ΔT_plat =ΔT_air maka persamaan (2.5) dapa dituliskan menjadi:

(

plat plat air air

)

air air

plat m c m c T

Q ₊ = + Δ (2.6)

dengan:

air

m adalah massa air (kg) (m_air = vol_air ρ_air)

air

vol adalah volume air ( l )

air

ρ adalah massa jenis air (kg/l)

air

c adalah panas jenis air (kal/kg oC)

plat

m adalah massa plat dan pipa (kg)

plat

c adalah panas jenis plat dan pipa (kal/kg oC)

air T

Δ adalah perubahan temperatur air (oC) dengan ΔT_air =T_suhu_akhir −T_suhu_awal

(32)

Berdasarkan hukum kekekalan tenaga maka persamaan (2.4) dan (2.6) menjadi: Q_plat₊_air = W_serap − W_hilang (2.7)

(

mplat cplat + mair cair

)

ΔTair = Id k Δt − Whilang (2.8)

(

plat plat air air

)

hilang d air air plat plat air c m c m W I c m c m t k T + − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + Δ = Δ (2.9)

Selama selang waktu Δt massa air yang mengalir melalui kolektor adalah: air air air vol m = ρ

(

air

)

air air V t m = Δ ρ (2.10) dengan: air

V adalah laju aliran air (ml/s) Untuk satu satuan waktu, massa air menjadi:

air air air V m = ρ (2.11) Jika dituliskan _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + Δ air air plat platc m c m t k = η (2.12)

dengan nilai η konstan untuk satu laju aliran air untuk satu-satuan waktu, substitusi persamaan (2.11) ke dalam persamaan (2.12) menghasilkan:

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛

+ air air air plat

plat c V c

m

k

ρ = η (2.13)

Substitusi (2.13) ke persamaan (2.9), menghasilkan:

(

plat plat air air air

)

hilang d air c V c m W I T ρ η + − = Δ (2.14)

(33)

Dari persamaan (2.14), nilai η dapat diperoleh melalui grafik hubungan terhadap . Selanjutnya nilai

air T

Δ Id η disebut sebagai konstanta yang

menyatakan besarnya nilai perubahan temperatur air ΔT (oC) yang dihasilkan tiap satuan kuat cahaya Id (lux).

Dari persamaan (2.13) akan didapatkan:

k

c m V

c_air _air _plat _plat

air + = ρ η 1 k c m V k c plat plat air air air + = ρ η 1 (2.15)

Dari persamaan (2.15) melalui grafik hubungan

η

1

terhadap ,

diperoleh nilai gradien atau

air V k cair air ρ

. Selanjutnya dari nilai gradien didapatkan nilai konstanta k yang menentukan kemampuan kolektor dalam mengkonversi energi radiasi menjadi energi termal. Selain dari nilai gradien, nilai konstanta k dapat juga ditentukan dari nilai titik potong.

(34)

BAB III

METODE ANALISIS PENELITIAN

A. Tempat dan Waktu Penelitian

Kegiatan penelitian dilaksanakan di laboratorium/halaman Universitas Sanata Dharma. Metode yang dipakai adalah metode eksplorasi eksperimental yaitu kajian teoritis akan dikembangkan dalam eksperimen untuk mendapatkan perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari empat jenis kolektor surya plat datar. Waktu pengambilan data antara jam 10.00 WIB sampai 13.00 WIB.

B. Obyek Penelitian

Obyek yang digunakan adalah empat jenis kolektor surya plat datar yaitu: 1. Kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup

(glazed).

2. Kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

3. Kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed).

4. Kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

(35)

Keempat kolektor memiliki bentuk, luas, bahan (isolator, plat, pipa) yang sama, begitu juga untuk tipe kolektor dengan lapisan kaca penutup mengunakan bahan kaca yang sama. Sampel cairan yang digunakan adalah air.

C. Alat/Instrumen

Alat/Instrumen yang digunakan dalam penelitian adalah: a. Empat buah kolektor surya plat datar.

b. Dua buah termometer suhu air. c. Satu buah termometer lingkungan.

d. Satu buah Lightmeter untuk mengukur intensitas radiasi matahari. e. Satu buah gelas ukur untuk mengukur volume air.

f. Satu buah Stopwatch untuk melihat waktu dalam pengukuran intensitas radiasi matahari dan perubahan temperatu air tiap 10 menit.

g. Tiga buah tabung yang sudah diisolasi dengan bahan isolator berupa kertas manila dan plastik. Pengunakan tabung tersebut dimaksudkan untuk menjaga agar aliran air tetap kontinu sebelum masuk ke kolektor.

h. Selang atau pipa plastik sebagai penghubung aliran air dari kran ke kolektor.

D. Langkah Penelitian

Langkah penelitian ini melalui dua tahap yaitu : 1. Tahap pembuatan alat (kolektor surya).

(36)

Alat sebagian besar dibuat di laboratorium Universitas Sanata Dharma, dan sebagian lagi dikerjakan di luar kampus. Pipa dibentuk sedemikian rupa agar luasan kontak antara pipa dan plat semakin lebar sehingga panas yang dikonduksikan dari plat ke pipa pembawa cairan semakin besar. Setelah itu plat dan pipa direkatkan dengan cara dipatri dengan timah selanjutnya plat yang telah merekat dengan pipa diberi warna.

Sedangkan untuk kotak atau bingkai terbuat dari kayu yang dibentuk empat persegi panjang yang pada bagian dasar dan sisi-sisinya terisolasi dengan bahan isolator berupa gabus. Bagian atas atau penutup kolektor dalam penelitian dibedakan menjadi dua yaitu dengan lapisan kaca penutup (glazed) dan tanpa lapisn kaca penutup (unglazed).

Susunan dan dimensi peralatan untuk penbuatan kolektor: a. Plat penyerap

- Bahan: Tembaga - Tebal : 1 mm - Panjang : 1 m - Lebar : 0.45 m

- Jarak plat ke kaca: 0.05 m b. Pipa cairan

- Bahan: Tembaga - Panjang : 4.5 m

(37)

c. Kaca penutup

- Bahan: Kaca bening - Tebal: 3 mm d. Isolator - Bahan: Gabus - Tebal: 0.1 m e. Kerangka - Bahan: Kayu - Panjang : 1.04 m - Lebar : 0.47 m - Tinggi : 0.15 m f. Pelapis plat penyerap

- Cat pylox hitam 103 dan biru 109 aerosol spray paint

(38)

Gambar 3.2. Pipa tembaga

Gambar 3.3. Plat dan pipa tembaga yang sudahdirekatkan

(39)

Lubang untuk pipa input

Gabus

Lubang untuk pipa output Gambar 3.5. Bingkai kolektor dan bagian bawah kotak kolektor yang telah

diisolasi dengan bahan isolator berupa gabus

Gambar 3.6. Kolektor surya plat datar dengan memakai lapisan kaca penutup (glazed)

Kaca penutup Pipa pembawa cairan

Plat penyerap Gabus

Kotak kolektor

Bingkai kaca

Gambar 3.7. Kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

Gabus

Kotak kolektor

Pipa pembawa cairan

(40)

2. Tahap pengambilan data

Untuk setiap kolektor dari keempat kolektor, data yang diambil sebanyak 5 kali percobaan dengan laju aliran yang berbeda. Adapun prosedur pengambilan data adalah sebagai berikut:

a. Mengeset alat

- Kolektor dipanaskan di bawah sinar matahari langsung selama 3 jam antara jam 10.00 WIB sampai 13.00 WIB.

- Luxmeter dipasang sama tinggi dengan kolektor hal ini dimaksudkan agar intensitas matahari yang diukur oleh Luxmeter

merupakan intensitas yang mengenai kolektor .

- Tabung input dan output dipasang pada statip, begitu juga untuk termometer lingkungan.

- Dua termometer air yang dipasang harus mengenai air dan dalam keadaan tetap.

(41)

b. Kran air diset setiap melakukan percobaan untuk mendapatkan berbagai laju aliran air yang diinginkan.

c. Setelah kolektor dan alat-alat dirangkai seperti pada Gambar 3.8, kran air dibuka dan air akan menggalir melalui kolektor. Suhu input air, suhu output air, intensitas radiasi matahari, dan suhu lingkungan diukur setiap selang waktu 10 menit.

d. Mengamati keadaan sekitar lingkungan (keadaan awan dan angin). Kran air Termometer lingkungan Tabung output Matahari Lightmeter

Kolektor surya plat datar

Tabung input

Statip

Gambar 3.8. Sketsa penentuan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari kolektor surya plat datar.

Termometer digital suhu input air

Termometer digital suhu output air

Selang plastik

(42)

E. Metode Analisis Data

1. Menghitung laju aliran air atau debit air

t v

V air

air =

dengan:

adalah volume air (ml)

air v

t adalah lama waktu air mengalir (sekon) adalah laju aliran air (ml/sekon)

air V

2. Mengukur suhu input dan suhu output air, suhu lingkungan, intensitas radiasi matahari untuk tiap 10 menit, selama tiga jam dari jam 10.00 WIB – 13.00 WIB.

3. Menghitung perbedaan suhu air ΔT_air (oC). ΔT_air (oC) = T_o (oC) - T_i (oC) dengan:

adalah suhu output air (

o

T oC)

adalah suhu input air (

i

T oC)

4. Dari data yang diperoleh untuk setiap laju aliran air, dibuat grafik hubungan perubahan temperatur air (ΔT_air) terhadap intensitas radiasi matahari (I_d). Dari grafik tersebut didapatkan nilai gradien atau konstanta η, yang menyatakan besarnya perubahan temperatur air yang dihasilkan untuk tiap satuan intensitas radiasi matahari.

(43)

5. Membuat grafik hubungan antara konstanta 1/η terhadap berbagai laju aliran air ( ), dari grafik hubungan tersebut diperoleh nilai gradient yaitu air V k c_air air ρ

dari keempat kolektor.

6. Dari setiap nilai gradient kemudian diperoleh nilai konstanta k yang menentukan kemampuan kolektor dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal .

7. Dari nilai konstanta kemudian didapatkan nilai konstanta yang menunjukkan nilai perbadingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari keempat kolektor.

(44)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil Penelitian

Dalam penelitian ini telah dilakukan pengumpulan energi radiasi matahari dalam bentuk intensitas radiasi dengan memakai kolektor surya plat

datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa lapisan kaca penutup (glazed

or unglazed). Kolektor dibentuk empat persegipanjang. Sesuai dengan tujuan,

sampel cairan yang digunakan untuk melihat perubahan temperatur adalah air. Kolektor dipanaskan secara langsung di bawah matahari selama 3 jam dari jam 10.00 s/d 13.00 WIB.

Untuk mengetahui besarnya nilai konstanta k yang menentukan

kemampuan kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal, pada setiap kolektor dilakukan 3 tahap penelitian yaitu:

a. Menghitung laju aliran air setiap kali percobaan dengan mengukur volume air yang mengalir melewati kolektor untuk tiap satu-satuan waktu. Mengukur perubahan suhu air, intensitas radiasi matahari, suhu lingkungan serta mencatat keadaan lingkungan atau cuaca. Pengukuran dilakukan setiap selang waktu 10 menit, akan tetapi ada sebagian data pada waktu tertentu tidak dapat diukur oleh karena faktor lingkungan yaitu keadaan awan yang menutupi matahari.

(45)

Contoh hasil pengukuran untuk empat jenis kolektor dengan laju aliran air 4,0 ml/s dapat dilihat pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4. Hasil pengukuran untuk laju aliran air yang berbeda dari keempat kolektor seluruhnya dapat dilihat pada lampiran I.

Tabel 4.1. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari dari

kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapiasan kaca

penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.

Waktu (s) Tinput ( °C) Toutput ( °C) Intensitas radiasi (lux)

10.40 29 33 202 10.50 30 35 220 11.00 30 35 231 11.10 29 32 200 11.20 30 34 240 11.40 32 39 266 11.50 32 41 393 12.00 33 47 650 12.20 32 46 603 12.30 35 48 580 12.40 36 42 214

(46)

Tabel 4.2. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari dari

kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca

penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.

Waktu (s) Tinput( °C) Toutput(°C) Intensitas radiasi (lux)

10.00 25 31 437 10.10 26 30 376 10.40 28 34 397 11.20 29 34 484 11.50 28 32 320 12.00 30 39 530 12.10 30 35 425 12.40 30 37 510

kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca

Waktu (s) Tinput ( °C) Toutput ( °C) Intensitas radiasi (lux)

10.10 28 29 201 10.20 29 31 300 10.30 29 33 485 10.40 31 35 506 10.50 31 36 545 11.30 31 36 521 11.40 32 36 414 11.50 32 38 555 12.00 33 38 525 12.30 32 37 494 12.50 32 37 497 13.00 32 37 485

(47)

kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca

Waktu (s) Tinput ( °C) Toutput ( °C) Intensitas radiasi(lux)

10.30 29 34 450 10.40 30 36 408 11.10 31 37 436 11.20 32 39 489 11.30 32 36 322 11.40 34 40 507 11.50 35 42 475 12.40 32 38 338 13.00 32 37 395

b . Dari Tabel 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4 pada tahap (a) yang telah diperoleh, selanjutnya dicari hubungan nilai intensitas radiasi matahari terhadap perubahan temperatur air. Dari hubungan tersebut nantinya akan

didapatkan satu konstanta η untuk satu laju aliran air.

Dari persamaan (2.14)

(

plat plat air air air

)

hilang d air c V c m W I T ρ η + − = Δ dengan: air T

Δ adalah perubahan suhu air (oC)

air awal suhu air akhir suhu air T T T = − Δ d

I adalah intensitas radiasi matahari (lux)

(48)

Contoh data hubungan antara intensitas radiasi matahari dengan perubahan temperatur air untuk empat jenis kolektor dengan laju aliran air 4,0 ml/s

dapat dilihat pada tabel 4.5, 4.6, 4.7, dan 4.8. Nilai konstanta η yang

dihasilkan dari hubungan pada tabel tersebut dapat dilihat pada gambar

4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4. Data hubungan terhadap Δ dan nilai

konstanta

d

I T_air

η yang dihasilkan untuk laju aliran air yang berbeda seluruhnya

dapat dilihat pada lampiran II.

Tabel 4.5. Nilai perubahan suhu air terhadap intensitas radiasi matahari dari

kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca

d I (lux) ΔT (oC) 202 4 214 6 220 5 231 5 240 4 266 7 393 9 580 13 603 14 650 14

(49)

2 4 6 8 10 12 14 150 250 350 450 550 650

Intensitas radiasi matahari (lux)

Gam bar 4.1.Grafik hubungan delta T (°C) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat kolektor berw arna hitam dengan lapisan kaca

De lta T ( °C )

Dari grafik didapatkan persamaan Δ =

(

0,022±0,002

)

. +

(

0,096±0,601

)

d I air

T

dengan nilai gradien atau konstanta η yang dihasilkan sebesar: 0,022±0,002

kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca

(lux) d I ΔT (oC) 320 4 376 4 397 6 425 5 437 6 484 5 510 7 530 7

(50)

1 2 3 4 5 6 7 8 300 350 400 450 500 550

Gam bar 4.2.Grafik hubungan delta T (°C) terhadap intensitas radiasi

matahari (lux) untuk plat kolektor berw arna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.

De lta T ( °C )

₍

0,018±0,005

₎

. +

₍

−2,241±2,301

)

d I air

T

kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca

(lux) d I (oC) T Δ 201 1 300 2 414 4 485 4 485 4 494 5 497 5 406 4 521 5 525 5 545 5 555 6

(51)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 150 250 350 450 550 650

Gam bar 4.3.Grafik hubungan delta T (°C) terhadap intensitas radiasi

matahari (lux) untuk plat kolektor berw arna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.

De lta T ( °C )

(

0.011±0.002

)

. +

(

−1.177±1.025

)

d I air

T

kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca

(lux) d I (oC) T Δ 322 4 338 6 395 5 408 6 436 6 450 5 475 7 489 7 507 6

(52)

2 3 4 5 6 7 8 300 350 400 450 500 550

Gam bar 4.4. Grafik hubungan delta T (°C) terhadap intensitas radiasi

matahari (lux) untuk plat kolektor berw arna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.

De lta T ( °C )

(

0,010±0,005

)

. +

(

1,665±2,023

)

d I air

T

c. Selanjutnya dari nilai konstanta η yang dihasilkan untuk setiap laju aliran

air dalam 5 kali percobaan pada tahap (b), dicari hubungan nilai konstanta

1/η terhadap berbagai laju aliran air (V ). Dari grafik hubungan tersebut

diperoleh satu nilai gradien yaitu

air

k air airc

ρ

dari keempat jenis kolektor.

Dari persamaan (2.15) k c m V k c plat plat air air air + = ρ η 1

(53)

Hasil hubungan nilai konstanta 1/η terhadap berbagai laju aliran air ( ) dapat dilihat pada Tabel 4.9. 4.10, 4.11, 4.12, dan Gambar 4.5, 4.6, 4.7, dan 4.8.

air V

Tabel 4.9. Hubungan nilai konstanta 1/η terhadap laju aliran air ( )

dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan

kaca penutup (glazed).

air V 30 40 50 60 70 80 90 3,8 4,3 4,8 5,3 5,8 Vair (ml/sekon)

Gambar 4.5.Grafik hubungan nilai konstanta 1/η (1/(°C / lux)) terhadap

laju aliran air (ml/sekon) dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed)

1/ η (1 / (° C / lu x))

(

V_air ml/s

)

_η

(

cC/lux

)

_⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ C/lux 1 / 1 η _o 4,0 0,022 40,0 4,8 0,015 66,6 5,0 0,014 71,4 5,5 0,013 76,9 5,6 0,012 83,3

(54)

Dari grafik didapatkan persamaan 1=

(

24,9±2.8

)

V_air −

(

56,8±14,4

η

)

dengan nilai gradien atau nilai

k air airc

ρ

yang dihasilkan sebesar: 24,9±2,8

Tabel 4.10. Hubungan nilai konstanta 1/η terhadap laju aliran air (V )

dari kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan

kaca penutup (unglazed).

air ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ C/lux 1 / 1 η _o

(

ml/s

)

air V _η

(

cC/lux

)

4,0 0,014 71.4 4,6 0,011 90,9 5,1 0,009 111,1 5,5 0,008 125,0 6,0 0,007 142,8 45 65 85 105 125 145 165 3,8 4,3 4,8 5,3 5,8 6,3 Vair (ml/sekon)

Gambar 4.6. Grafik hubungan nilai konstanta 1/η (1/(°C / lux )) terhadap laju

aliran air (ml/sekon) dari kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

1/ η (1 / (° C / lu x))

(55)

(

36,3±1,3

)

V_air −

(

75,9±7,1

η

)

dengan

nilai gradien atau nilai

k air airc

ρ

yang dihasilkan sebesar:36,3±1,3

dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan

kaca penutup (glazed).

air ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ C/lux 1 / 1 η _o

(

ml/s

)

air V _η

(

cC/lux

)

4,0 0,011 90,9 5,3 0,009 111,1 5,8 0,007 142,8 6,0 0,006 166,6 6,5 0,005 200,0 60 80 100 120 140 160 180 200 220 3,8 4,3 4,8 5,3 5,8 6,3 6,8 Vair (ml/sekon)

Gambar 4.7. Grafik hubungan nilai konstanta 1/η (1/(°C / lux)) terhadap laju aliran air (ml/sekon) dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan

lapisan kaca penutup (glazed)

1/ η ( 1/ ( °C / l ux ))

(56)

(

41,9±10,2

)

V_air −

(

89,7±57,4

η

)

k air airc ρ yang dihasilkan sebesar: 41,9±10,2

dari kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan

kaca penutup (unglazed).

air ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ C/lux 1 / 1 η _o

(

ml/s

)

air V _η

(

cC/lux

)

4,0 0,010 100,0 5,1 0,009 111,1 5,2 0,008 125,0 5,5 0,006 166,6 6,0 0,005 200,0 60 80 100 120 140 160 180 200 220 3,8 4,3 4,8 5,3 5,8 6,3 Vair (ml/sekon)

Gambar 4.8. Grafikhubungan nilai konstanta 1/η (1/(°C / lux)) terhadap laju

aliran air (ml/sekon) dari kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed)

1/ η (1 / (° C / l ux ))

(57)

Dari grafik didapatkan persamaan 1 =

(

47,9±17,3

)

. −

(

108,2 ± 90,7

)

air V η

k cair air

ρ

yang dihasilkan sebesar:47,9±17,3

Secara ringkas nilai

k c_air air

ρ

yang diperoleh untuk keempat jenis kolektor surya plat datar dapat dilihat pada Tabel 4.13.

Tabel 4.13. Nilai gradien atau

k cair air

ρ

untuk empat jenis kolektor surya plat datar.

Memakai lapisan kaca penutup (glazed)

Tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) Warna k cair air ρ C)/(ml/s) (lux/o k cair air ρ C)/(ml/s) (lux/o Hitam 24,9±2,8 36,3±1,3 Biru 41,9±10,2 47,9±17,3 B. Pembahasan

Dari Gambar 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4 dapat dilihat bahwa perubahan

temperatur air merupakan fungsi intensitas radiasi matahari .

Intensitas radiasi matahari yang berubah-ubah mengakibatkan nilai perubahan temperatur air yang berbeda-beda. Menaiknya intensitas radiasi yang diserap oleh kolektor mengakibatkan juga kenaikan pada temperatur air sehingga hubungan tersebut membentuk grafik garis linear.

air T

(58)

Kemiringan atau gradien yang dihasilkan pada Gambar 4.5, 4.6, 4.7, dan 4.8 menunjukan besarnya nilai

k air airc

ρ

. Lebih jelasnya lihat pada Tabel 4.13

yang menunjukkan nilai

k air airc

ρ

yang dihasilkan dari empat jenis kolektor surya plat datar.

k cair air

ρ

Tabel 4.13, menunjukkan bahwa nilai yang dihasilkan dari

kolektor surya plat datar dengan plat penyerap berwarna hitam lebih kecil dibandingkan pada kolektor surya plat datar dengan plat penyerap berwarna

biru. Ini berarti nilai konstanta k yang dihasilkan oleh kolektor dengan plat

penyerap berwarna hitam lebih besar dibandingkan kolektor dengan plat penyerap berwarna biru. Hal tersebut disebabkan karena kolektor surya plat datar dengan plat penyerap berwarna hitam mempunyai kemampuan

menyerap (absorsivitas) energi radiasi matahari lebih besar dibandingkan

dengan warna biru.

k cair air

ρ

Demikian juga sama halnya untuk nilai dan konstanta k yang

dihasilkan dari kolektor surya plat datar dengan lapisan kaca penutup (glazed)

dibandingkan tanpa lapisan kaca penutup (unglazed). Hal ini dikarenakan pada

kolektor surya plat datar dengan lapisan kaca penutup (glazed) dalam proses

mengkonversi energi telah mengalami proses efek rumah kaca (green house).

Peristiwa ini menyebabkan kalor yang ada di dalam kolektor terjebak oleh adanya lapisan kaca penutup.

(59)

Sedangkan kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) cukup sensitif dengan faktor lingkungan seperti udara luar. Hal ini

yang menyebabkan panas yang diserap oleh plat sebagian akan hilang ke lingkungan atau dengan kata lain karena perbedaan temperatur antara plat penyerap dan lingkungan maka kalor yang diserap oleh plat penyerap sebagian akan ditransfer ke lingkungan.

C kg kalori 1 _o = air c l kg 1 = air ρ dan

Dengan nilai , maka dari Tabel 4.13,

dapat dicari nilai konstanta k yang menentukan kemampuan mengkonversi

energi radiasi matahari menjadi energi termal untuk empat jenis kolektor surya

plat datar. Nilai konstanta k yang dihasilkan dapat dilihat pada Tabel 4.14.

Tabel 4.14. Nilai konstanta k dari empat jenis kolektor surya plat datar.

Jenis kolektor ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ s ml C lux o k cair air ρ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − s lux 10 kalori 3 k Kolektor surya plat datar berwarna hitam

dengan lapisan kaca penutup. 24,9±2,8 0,040±0,0004

Kolektor surya plat datar berwarna hitam

tanpa lapisan kaca penutup. 36,3±1,3 0,028±0,0001 Kolektor surya plat datar berwarna biru

dengan lapisan kaca penutup. 41,9±10,2 0,024±0,0005 Kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa

lapisan kaca penutup. 47,9±17,3 0,020 ±0,0007

Jika dengan menganggap nilai konstanta terbesar yang dihasilkan

sama dengan 1 maka dapat diperoleh nilai perbandingan konstanta dari

keempat jenis kolektor yang dapat dilihat pada Tabel 4.15.

k

relatif k

(60)

Tabel 4.15. Perbandingan konstanta untuk empat jenis kolektor surya

plat datar.

relatif k

Dengan lapisan kaca penutup Dengan lapisan kaca penutup

(unglazed) Warna (glazed)

Hitam ₁ _0,7

Biru _{0,6 0,5}

Dari perbandingan nilai konstanta untuk keempat jenis kolektor

dapat juga dikatakan perbedaan kemampuan kolektor dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal, sebagai berikut:

relative k

1. Untuk kolektor surya plat datar dengan plat penyerap berwarna hitam

tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) 30% lebih kecil daripada kolektor

surya plat datar dengan plat penyerap berwarna hitam dengan lapisan kaca

penutup (glazed) .

2. Untuk kolektor surya plat datar dengan plat penyerap berwarna biru

dengan lapisan kaca penutup (unglazed) 40% lebih kecil daripada kolektor

surya plat datar dengan plat penyerap berwarna hitam dengan lapisan kaca

penutup (glazed).

3. Untuk kolektor surya plat datar dengan plat penyerap berwarna biru tanpa

lapisan kaca penutup (unglazed) 50% lebih kecil daripada kolektor surya

plat datar dengan plat penyerap berwarna hitam dengan lapisan kaca

(61)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Kolektor surya plat datar merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menyediakan air panas seperti di rumah-rumah sakit, untuk keperluan industri seperti pencucian botol, dan sistem air panas untuk keperluan rumah tangga. Berdasarkan hasil pembuatan alat, eksperimen, analisa data dan perhitungan konstanta k yang menentukan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari empat jenis kolektor maka dapat disimpulkan bahwa:

1. Besarnya perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari empat jenis kolektor yaitu kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed), kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed), kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed), kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) secara berurutan adalah: 1 : 0.7 : 0.6 : 0.5. 2. Perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari

menjadi energi termal dari empat jenis kolektor menunjukkan bahwa kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup lebih besar daripada kolektor surya plat datar lainya.

(62)

B. Saran

Saran-saran yang dapat penulis berikan untuk penelitian lebih lanjut yaitu: 1. Untuk warna plat penyerap dapat digunakan warna yang lain.

2. Lapisan kaca penutup pada kolektor dapat memakai lebih dari satu.

3. Pengisolasian energi termal yang diserap kolektor dapat mengunakan bahan isolator yang lain.

(63)

DAFTAR PUSTAKA

DiLavore, P., 1984, Energy, Insights from Physics, New York: John Wiley dan Sons.

Prasetyo, L. dan Setiawan, 1991, Mengerti Fisika, Yogyakarta: Andi Offsite. Jansen, Ted.J., 1995, Teknologi Rekayasa Surya, Jakarta: Pradnya Paramita. Kreith, F., 1986, Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas (Ed. 3), Jakarta: Erlangga. Naga, D.S., 1991, Ilmu Panas, Jakarta: Gunadarma.

Nousia, TH., Souliotis, M., dan Tripanagnostopoulost, Y., 2000, Solar Collectors With Colored Absorbers,Solar Energy. 68 : 334-356.

Sears .M.F.W dan Zemansky .H.D., 1987, Fisika Universitas (Ed 6, Jil 1), Jakarta: Erlangga.

Stoecker, W.F. dan Jones, J.W., 1987, Refrigenerasi dan Pengkondisian Udara (Ed 2), Jakarta: Erlangga.

Tippler, P.A., 1998, Fisika untuk sains dan teknik (Ed 3, Jil 1), Jakarta: Erlangga.

(64)

(65)

LAMPIRAN I : HASIL PENGUKURAN PERUBAHAN TEMPERATUR AIR, DAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI UNTUK EMPAT JENIS KOLEKTOR

PERCOBAAN 1: KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR BERWARNA HITAM

DENGAN LAPISAN KACA PENUTUP (GLAZED)

Laju aliran air : 4,0 ml/sekon

Waktu (s) Tinput (°C) Toutput (°C) Intensitas radiasi (lux)

10.40 29 33 202 10.50 30 35 220 11.00 30 35 231 11.20 30 34 240 11.40 32 39 266 11.50 32 41 393 12.00 33 47 650 12.20 32 46 603 12.30 35 48 580 12.40 36 42 214

10.10 28 30 181 10.20 28 31 192 10.30 29 37 630 10.40 30 39 606 10.50 29 38 576 11.00 30 40 617 11.10 31 39 630 11.20 31 39 657 11.30 32 41 665 11.40 32 41 675 11.50 32 42 676 12.00 32 43 682 12.10 33 43 681 12.20 34 44 714 12.40 34 45 661 12.50 33 44 704 13.00 35 45 699

(66)

10.20 28 30 362 10.30 28 32 469 10.50 29 34 522 11.00 30 34 428 11.10 31 37 602 11.30 30 35 501 12.10 30 34 526 12.20 31 36 462 12.50 30 36 499

10.10 28 29 210 10.20 28 30 330 10.30 28 33 630 10.40 28 35 687 10.50 29 37 702 11.00 29 36 655 11.40 29 36 717

Waktu (s) T input (°C) Toutput (°C) Intensitas radiasi (lux)

10.30 28 31 240 10.40 29 33 344 11.50 29 36 599 12.10 30 39 725 12.30 32 42 786 12.40 32 43 898

(67)

PERCOBAAN 2: KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR BERWARNA HITAM TANPA

LAPISAN KACA PENUTUP (UNGLAZED)

10.00 25 31 437 10.10 26 30 376 10.40 28 34 397 11.20 29 34 484 11.50 28 32 320 12.00 30 39 530 12.10 30 35 425 12.40 31 39 510

Laju aliran air : 4,6 ml/ 10 menit

10.00 24 30 410 10.10 25 32 420 10.20 26 33 437 10.30 27 36 450 11.00 30 38 506 11.20 32 41 463 11.30 32 40 527 11.40 32 41 547 12.00 36 45 531 12.10 37 45 568