MODEL ATAP RUMAH SEBAGAI KOLEKTOR PELAT DATAR ENERGI SURYA UNTUK DAERAH JALUR KHATULISTIWA - Politeknik Negeri Padang

MODEL ATAP RUMAH SEBAGAI KOLEKTOR PELAT DATAR ENERGI SURYA

UNTUK DAERAH JALUR KHATULISTIWA

Yazmendra Rosa1,2_{, Rino Sukma}3_{, Dian Wahyu}3_{, Eka Sunitra}2

1)_{Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang} 2)_{Labor Perawatan dan Perbaikan, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang}

3)_{Bengkel Teknik Alat Berat, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang} Kampus Politeknik Negeri Padang Limau Manis, Padang – Sumatera Barat

E-mail: yazmendra@yahoo.com 1)_{, rosa@yazmendra.com} 2)

ABSTRAKS

Model atap rumah sebagai kolektor pelat datar energi surya untuk memanfaatkan sumber utama energi telah dipelajari secara eksperimental di dalam penelitian ini. Model ini mengkonversikan energi surya ke energi panas, yang selanjutnya dapat mengerakkan turbin (energi mekanik), sehingga dapat digunakan generator yang sesuai untuk menghasilkan energi listrik. Indonesia yang terletak di jalur khatulistiwa merupakan suatu kekayaan karena kita dapat memanfaatkan sumber utama energi yaitu energi surya. Tujuan jangka panjang adalah pemanfaatan kolektor energi surya menjadi salah satu alternatif sistem untuk memperoleh dan menanggulangi krisis energi listrik agar semua daerah yang belum dapat energi listrik dapat memanfaatkannya. Pada penelitian ini akan menghasilkan alternatif sistem alat konversi energi surya dengan sistem kolektor pelat datar energi surya yang dapat mengumpulkan energi elektromagnetik surya sepanjang tahun dan yang belum dimanfaatkan secara langsung dan tidak perlu menunggu beribu tahun seperti halnya minyak bumi. Atap rumah ini dibuat dengan ukuran 3x3 m2 _{dengan kemiringan 10}o _{sesuai kondisi radiasi yang mengenai kolektor pada} jalur khatulistiwa. Temperatur udara keluaran kolektor yang diperoleh besar dari 80o_{C. Udara ini akan} mengalir ke atas sehingga dapat dipasang turbin untuk mengubah ke energi mekanik dan generator untuk pemanfaatan energi listrik. Kondisi ini merupakan salah satu pemanfaatan energi surya yang kita terima sepanjang tahun dan belum termanfaatkan secara langsung.

Kata Kunci: Roof model, Flat plate collector, Solar Energy

1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Indonesia merupakan salah satu negara yang berada pada lintasan sumber energi yaitu pada garis khatulistiwa 6o_{LU sampai 11}o_{LS. Posisi yang sangat} strategis ini membawa negara ini menjadi negara yang sangat kaya sumber energi, tentunya pemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisien akan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasa mendatang.

Sumatera Barat terletak diantara O° LU – 102° LS dan 98° - 102° bujur timur. Secara geografis Provinsi Sumatera Barat memiliki luas wilayah 42.297,30 KM ², yang memiliki dataran rendah di pantai barat serta dataran tinggi yang membentuk bukit barisan dan membentang dari barat laut ke tenggara.

Daerah Provinsi Sumatera Barat tepat dilalui oleh garis khatulistiwa (garis lintang nol derajat) di kecamatan Bonjol Kabupaten Pasaman. Secara umum daerah Sumatera Barat beriklim panas dengan suhu udara berkisar dari 22,6° C sampai dengan 31,5° C. Dari 19 kabupaten /kota yang ada di Provinsi Sumatera Barat, Kabupaten Kepulauan Mentawai memiliki wilayah terluas yaitu 6.100 Km², sedangkan Kota Padang Panjang memiliki luas daerah terkecil yakni 23 Km². Kondisi alam Sumatera Barat sampai saat ini masih diliputi oleh

kawasan lindung yang mencapai 45,17% dari luas keseluruhan .

Pengembangan energi surya solar cell di Indonesia terutama ditujukan bagi penyediaan energi listrik di daerah perdesaan. Kondisi geografis Indonesia yang terdiri atas pulau-pulau yang kecil serta banyak yang terpencil menyebabkan sulit untuk dijangkau oleh jaringan listrik terpusat. Dengan demikian, energi surya dapat dimanfaatkan untuk penyedian listrik dalam rangka mempercepat rasio elektrifikasi desa. Pemanfaatan energi surya sebagai sumber energi listrik ditargetkan akan mencapai 25 MW pada tahun 2020.

Terkait dengan energi surya, sebagai negara tropis, Indonesia mempunyai potensi energi surya yang cukup besar. Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di Indonesia, radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan berturut-turut sebagai berikut: untuk kawasan barat dan timur Indonesia dengan distribusi penyinaran di Kawasan Barat Indonesia (KBI) sekitar 4,5 kWh/m2_{/hari dengan variasi bulanan sekitar 10%;} dan di Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m2_{/hari dengan variasi bulanan sekitar 9%.} Dengan demikian, potensi rata-rata Indonesia sekitar 4,8 kWh/m2_{/hari dengan variasi bulanan sekitar 9%.}

Tingginya biaya modul surya yang merupakan komponen utama teknologi energi surya solar cell

Indonesia. Kendala lainnya adalah ketergantungan impor sel surya akibat belum adanya industri pembuatan sel surya di Indonesia. Minimnya pengetahuan masyarakat mengenai pemeliharaan sel surya juga menyebabkan kinerja sel surya tidak optimal dan sering mengalami kerusakan.

Sumber energi masih dimanfaatkan dengan mengandalkan sumber minyak bumi, dimana pada suatu saat akan habis jika tidak memperhitungkan siklusnya yang beribu tahun. Untuk memutus rantai sumber energi minyak bumi, maka perlu mencari alternatif energi dengan jalan memanfaatkan langsung sumber dari segala sumber energi yaitu energi surya.

Kolektor surya menangkap radiasi dengan absorber sehingga udara yang mengalir dipermukaannya akan panas, sehingga dapat digunakan untuk proses pemanasan dan pengeringan. Kondisi udara panas ini akan secara alamiah akan mengalirkan udara tersebut ke tempat udara yang mempunyai temperatur yang rendah, sehingga aliran udara jika kita rencanakan sebuah alat transfer energi misalkan turbin yang berputar tentu dapat merubahnya ke energi mekanik.

Penomena sebuah mesjid, banyak mesjid dibangun dengan gubah yang tinggi ditengah bangunannya. Gubah tersebut berventilasi ditengahnya, pada saat jemaah banyak tentunya akan terjadi sirkulasi udara menuju gubah sehingga terjadi secara alamiah. Ini merupakan penomena yang terjadi jika kolektor digunakan untuk memperoleh panas dari radiasi matahari, sehingga terjadi aliran udara menuju ke menaranya.

Solar konstan yang sampai ke permukaan bumi berkisar antara 1350 Watt/m2_{. Posisi kota padang} dapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m2 (Adly, 1997 & Rosa, 2004-2008). Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai efisiensi 55% (Rosa, 2004, 2007),untuk menghasilkan udara panas sehingga diperoleh energi 400 Watt/m2_{. Energi} sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi mekanik dengan menghasilan putaran, jika diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh energi 40 Watt/m2_.

Issu krisis energi memerlukan energi alternatif dengan memanfaatkan kondisi wilayah Indonesia yang berada di khatulistiwa. Posisi ini memungkinkan akan menerima secara maksimal energi surya secara berkelanjutan selama setahun perjalanan surya menyinari bumi. Negara Eropa seperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50 kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang sudu turbin 5 m dan 1500 rpm (..., 2008).

Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panas radiasi surya yang terbuang dan menjadi permasalahan dalam pendinginan ruangan. Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengan kondisi alam Indonesia tentunya bisa memanfaatkan

energi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yang lebih baik

1.2 Referensi

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

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

 Posisi surya

 Lokasi permukaan.

 Hari dalam tahun.

 Keadaan cuaca dan kemiringan

permukaan.

Besarnya radiasi langsung yang diterima dari matahari yaitu:

- B = koefisien pemandangan atmosfir, tak berdimensi. Radiasi yang diterima langsung dari surya disebut radiasi langsung, sedangkan yang diterima setelah melewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi. Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektor adalah (Dufie, 1995):

I

io



I

DN

cos





I

DS



I

r (2) dimana Iio, IDN, IDS dan Ir berturut-turut adalah total radiasi matahari pada suatu permukaan, komponen radiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasi gelombang pendek yang dipantulkan oleh permukaan lain. Semua variabel dalam satuan W/m2_. Harga dari komponen radiasi diffuse, (Dufie, 1995),

I

_DS



C I

_DN

F

_ss (3)

dimana C dan Fss adalah masing-masing angka perbandingan antara radiasi surya difussi dengan radiasi surya langsung yang jatuh pada permukaan horizontal dan faktor sudut antara permukaan dan langit

dimana



₂ adalah sudut kemiringan permukaan terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan biasanya komponen Ir bukanlah komponen utama.

Radiasi yang mengenai suatu material akan mengalami tiga proses yaitu:

radiasi yang terjadi pada permukaan material,

2. Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang

terjadi.



_ 

Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara kemampuan suatu material untuk meneruskan radiasi matahari yang terjadi dengan total yang

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

The American Epherimes and Naval Almanac

n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari





Polar axis

Equatorial plane

Surya Collector site at latitude 

Gambar 1. Deklinasi matahari

Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siang matahari:

Cos



_s

 

tan



.tan



(6)

Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenam berharag negatif.

Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luas sebuah kolektor dengan radiasi langsung dari surya ditentukan oleh besar sudut antara sinar datang dengan vektor garis normal dari permukaan kolektor. mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombang radiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai 2, 5 m. Besarnya panas dari kolektor yang akan dapat dimanfaatkan adalah:

Q

u



m c

p

T





(8)

maka temperatur udara keluaran dapat dihitung dengan persamaan:

Komponen kolektor pelat datar adalah:

1. Absorber dari bahan yang berwarna hitam untuk memaksimalkan penyerapan radiasi surya. 2. Penutup berupa bahan transparan, mempunyai

transmisi yang besar untuk gelombang pendek dan menghalangi perpindahan panas konveksi dan radiasi.

3. Isolasi untuk menghindari kehilangan panas ke lingkungan.

4. Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahan lama.

Ereff Eglob

Tin Tout

QL

Gambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor

Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:

Q

a



Q

u



Q

l



Q

s (10)

Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi.

bertemperatur rendah. Pada point (a) udara masuk ke sistem solar chimney, point (b) udara menjadi panas, sehingga terjadi aliran udara karena perbedaan density dan kemudian point (c) aliran udara dihambat dengan sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energi mekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d) dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat udara tersebut.

Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem

Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong (tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan diperoleh dengan hubungan (Andre, 2008):





gesekan diabaikan,

s

p



= perbedaan tekanan statik,

d

p



= perbedaan tekanan dinamik Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran

Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:



Tanpa turbin , kecepatan maksimum (

v

_tower,max),

yang dikonversi ke energi kinetik adalah:

max

Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):

Sedangkan menurut persamaan (Schlaich, 1995) efisiensi cerobong adalah:

0

1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah pemanfaatan energi surya secara langsung melalui kolektor yang

bermanfaat dalam mencari sumber energi alternatif bagi ketersediaan energi dalam menghadapi krisis energi listrik yang lebih alamiah dan tersedia sebenarnya dalam kehidupan kita sehari-hari.

Tujuan khusus yang akan dicapai adalah pemanfaatan sumber dari segala energi yaitu energi surya dengan memanfaatkan kondisi indonesia yang berada pada jalur khatulistiwa yang menerima energi surya paling maksimal dan tersedia sepanjang tahun yang belum termanfaatkan.

Penelitian yang akan dilakukan ini diharapkan akan bermanfaat untuk menanggulangi krisis energi dan mencari energi alternatif dalam rangka menjawab krisis energi yang terjadi. Sistem yang direncanakan ini akan memutus rantai proses energi minyak bumi yang membutuhkan siklus yang lama sehingga anak cucu kita masih menikmati energi tersebut nantinya.

Salah satu contoh nyata dapat terlihat pada semua bangunan akan menerima radiasi surya tanpa disadari dan kadang kala menjadi permasalahan dalam konteks untuk pengkondisian udara dalam ruangan tersebut. Kondisi ini jika direncanakan mekanisme sistem untuk mengorganisirnya tentunya dapat dimanfaatkan lebih maksimal dan bermanfaat. Kontruksi atap bangunan cukup sesuai dengan sudut jatuh radiasi surya sehingga dapat dimanfaakan tanpa merusak design bangunan.

Bangunan rumah dan gedung di Sumatera Barat dan seluruh Indonesia pada umumnya dapat digunakan sebagai kolektor surya. Pembangunan saat ini sangat pesat sekali baik pengembangan baru maupun renovasi akibat bencana gempa. Sistem yang akan direncanakan ini akan dapat merubah wawasan kita untuk mengoptimalkan desain dari sebuah atap bangunan yang selama ini tidak termanfaatkan malahan beban bagi ruangan yang memerlukan pengkondisian udara.

1.4 Metodologi

Gambar 4. Bagan alur pemanfaatan energi surya

Gambar 5. Bagan Alur Penelitian ENERGI SURYA Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.

Kolektor Pelat Datar

 Efisiensi = 45%

 Luas Kolektor 3x3 m2 _{(sesuai dgn} lahan yag ada)

 Atap bangunan (sketsa gambar)

 Cerobong

Energi Mekanik (Generator) Energi Listrik Tidak/Belum

Alternatif Sumber Energi (Selesai) Energi listrik

Ya/sudah Energi Panas

 Temperatur (Tinkolektor, Toutkolektor, Toutcerobong, Tlingkungan)

 Laju aliran massa udara (perbedaan temperatur, mudara)

 Intensitas matahari Energi Mekanik (Turbin)

 rpm

 kecepatan udara mengalir ENERGI SURYA

Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.

ENERGI PANAS Kolektor Pelat Datar

ENERGI MEKANIK Turbin

Gambar 6. Peta Jalan Penelitian (Road Map)

2. PEMBAHASAN

Gambar 7. Gambar Model atap rumah kolektor pelat datar ENERGI

SURYA

Langsung Tidak Langsung

Sistem

Pengering Solar Cell

Thermal

(Kolektor) ...

Minyak Bumi _{dll ...}

Kolektor Pelat Datar

Parabolik, dll...

Gambar 8. Sistem alat kolektor pelat datar dan cerobong tipe 1

10:48 11:16 11:45 12:14 12:43 13:12 13:40 14:09 14:38

Waktu (WIB)

T~ Tin- kolektor Tout - kolektor Intensitas Surya

Gambar 9. Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Pengujian 1)

20

10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36

Waktu (WIB)

T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong)

Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

Gambar 10. Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Pengujian 2)

20

10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36

Waktu (WIB)

T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong)

Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

300

9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36

Waktu

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

Gambar 12. Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Pengujian 2) Pengujian alat ini terkendala kondisi lingkungan

yang banyak asap, sehingga intensitas surya kurang maksimal sehingga kondisi maksimal dari pengujian tidak begitu diperoleh. Gambar (9) pengujian pada kondisi asap cukup menganggu yang dilakukan pada saat tengah hari. Temperatur keluaran kolektor diperoleh maksimal 70o_C.

Aliran udara diperoleh keluar cerobong yang diberikan fan yang ada dipasaran sehingga dapat berputar menghasilkan energi mekanik. Perlu dipelajari variabel diameter dan tinggi cerobong untuk memaksimalkan pemanfaatannya. Semua komponen yang dibuat ini menggunakan yang ada dan mudah didapatkan dilingkungan sekitarnya. Pada prinsipnya menggunakan muatan lokal yang nantinya dapat dikembangkan menjadi efisien dan efektif serta meningkatkan unjut kerja alat alternatif ini.

Kondisi sekarang semua atap belum termanfaatkan bahkan menjadi masalah karena akan membuat suhu ruang tinggi. Jika semua atap dibuat menjadi kolektor dan dapat dimanfaatkan energi panas ini maka dapat digunakan untuk pembangkit listrik (generator yang sesuai), pengering atau penyimpanan (ruang atau sistem).

Penelitian ini sedang berlangsung pengujian sampai menghasilkan energi listrik walaupun dalam skala kecil dengan memanfaatkan motor listrik yang mudah di dapatkan. Diharapkan dengan penelitian ini menjadi cikal bakal pengembangan sumber alternatif energi dengan memanfaatkan secara langsung dari sumber utama energi yang ada berada dilingkungan.

Gambar (9), Gambar (10), dan Gambar (11), hasil putaran turbin dapat lebih stabil pada kondisi stedi yang diakibatkan oleh sistem alat masih cukup menyimpan panas walaupun terjadi penurunan radiasi surya. Perlu dipertimbangkan penggunaan penyimpan energi dalam sistem ini.

Penelitian sebelumnya Gambar (8), kondisi luas kolektor 1 m2 _{diperoleh kenaikan temperatur yang} mendekati sama, diharapkan pada kolektor yang lebih besar ini mempunyai laju aliran massa udara yang jauh lebih besar agar konversi energi ke listrik melalui generator dapat dihasilkan.

3. KESIMPULAN

Model yang dibuat mempunyai luas kolektor 3x3 m2_{, dengan sudut kemiringan kolektor} ₁₀o_{, dengan} perhitungan pemanfaatan luas kolektor secara rata-rata setengahnya (4,5 m2_{) dengan melihat sifat} perputaran energi surya selama setahun dan setiap hari serta berbentuk profil atap rumah.

Pembuatan model menggunakan bahan yang ada dipasaran dan mudah diperoleh.

Pembangunan atap rumah menjadi kolektor pelat datar akan dapat meningkatkan pemanfaatan energi surya walaupun masih perlu dikaji dari segi ekonomis terutama bagi pemerintah dalam membangun gedung baru atau renovasi gedung, misalkan saja skala kecil untuk posko satpam yang terpisah sendiri dari gedung utama.

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

Model dibuat akan menambah pelajaran dan informasi bagi mahasiswa tentang energi terbarukan. Kondisi negara kita yang berada digaris khatulistiwa akan menerima energi dari sumber utama energi yaitu energi surya.

Perlunya pengetahuan tentang energi terbarukan diajarkan di kampus pada program studi yang

PUSTAKA

Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Hanif, 1997,

Kolektor Energi Surya untuk Sistem Pengering

Kulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun IV,

Universitas Andalas.

A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran, 1996,

Thermal Design and Optimization, John Wiley & Sons, New York.

Andre G Ferreira, 2008, Technical Feasibility Assessment of a Solar Chimney for Food Drying,

Solar Energy 82, 198-205, Elsevier.

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

Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul N., 1980, Solar Energy Technology Handbook Part A, Marcel Dekker, New York.

Dufie, John A., & Beckman, William A., 1995,

Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, New York.

George A. Lane, Ph.D, 2000, Solar Heat Storage: Latent Heat Materials, CRC Press, Inc., Florida. Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri, 2004,

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

Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah, 2006,

Rancang Bangun Pengering Gambir dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang. Rosa. Yazmendra & Hanif, 2007, Rancang Bangun

Penyimpan Panas pada Kolektor dalam Sistem Pengering dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.4, No.2 Des.

Rosa. Yazmendra & Menhendry, 2008, Kaji Eksperimental Penyimpan Panas Sementara dari Hasil Udara Panas Keluaran Kolektor Energi Surya, Jurnal Poli Rekayasa, Vol.4, No.1 Oktober.

Rosa. Yazmendra & Rino Sukma, 2008, Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik, Jurnal Teknik Mesin, Vol. 5 No.2 Desember.

Sukhatme, 2001, Solar Energi: Principles of Thermal Collection and Storage, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, India.