iii
ANALISA PERFORMANSI KOLEKTOR SURYA PELAT DATAR DENGAN LIMA SIRIP BERDIAMETER SAMA YANG DISUSUN SECARA EJAJAR
Oleh : I Wayan Sudiantara
Dosen Pembimbing : Ketut Astawa, ST.,MT.
: I Gusti Ngurah Putu Tenaya, ST.,MT. ABSTRAK
Energi sinar matahari merupakan salah satu sumber energi alternatif sangat besar di Indonesia, dilihat wilayah Indonesia dilalui garis katulistiwa. Di Indonesia masyarakan sangat tergantung dengan adanya sinar matahari. Oleh sebab itu perlu dilakukan sebuah penelitian agar energi sinar matahari yang ada dapat dimanfaatkan dengan maksimal.
Kolektor surya yaitu suatu alat yang menyerap dan mengumpulkan energi sinar matahari dan merubahnya menjadi energi panas yang bisa dimanfaatkan. Penelitian ini menggunakan metode eksperimental. Dimana kolektor surya pelat datar ini berfungsi untuk menyerap panas radiasi matahari yang datang dan mentransfer panas yang diterima tersebut ke fluida udara, penggunan pelat tersebut akan dapat meningkatkan penyerapan radiasi sinar matahari. Untuk memperluas bidang penyerapan panas dipasang lima sirip berdiameter sama yang disusun secara sejajar. Tujuan pemasangan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara sejajar yaitu, untuk membuat aliran udara yang masuk dalam kolektor surya yang melewati sirip lebih merata dan juga meningkatkan performansi dari kolektor surya.
Setelah dilakukan pengujian terhadap kolektor surya pelat datar dengan lima sirip berdiameter sama yang disusun secara sejajar, maka didapatkan hasil performansi kolektor surya paling besar pada intensitas radiasi matahari 1.122 W/m2 dengan temperatur keluar kolektor 321 K, energi berguna yang dihasilkan 104,786 W, dan efisiensi sebesar 15,565 %.
iv
PERFORMANCE ANALYSIS OF FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR WITH FIVE FIN SAME DIAMETER WHICH WAS PREPARED IN
PARALLEL
By : I Wayan Sudiantara
Supervisor : Ketut Astawa, ST.,MT.
: I Gusti Ngurah Putu Tenaya, ST.,MT. ABSTRACT
The energy of sunlight is one of the alternative energy sources are very large in Indonesia, the views of Indonesia passed the equator. In Indonesia the Community depends on the presence of sunlight. Therefore, it needs to do a study so that the energy of sunlight there can be utilized to the maximum.
Solar Collector is a tool that absorb and collect solar energy and convert it into heat energy that can be utilized. This research uses experimental methods. Where the flat plate solar collector heat serves to absorb incoming solar radiation and heat transfer fluid is received into the air, the use of these plates will be able to increase the absorption of solar radiation. To expand the field of heat absorption fins mounted five same diameter are arranged in parallel. Interest mounting the same diameter perforated fins arranged in parallel, namely, to make the air flow into the solar collector which passes through the fins more evenly and also improving the performance of solar collectors.
After testing the flat plate solar collector with five fin same diameter are arranged in parallel, then showed the performance of the solar collector is greatest in the intensity of solar radiation 1122 W / m2 with the exit temperature collectors 321 K, useful energy produced 104.786 W, and efficiency amounted to 15.565%.
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan anugrah-Nya penulis dapat menyelesaikan Skripsi yang berjudul:
“Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Datar Dengan Lima Sirip Berdiameter Sama Yang Disusun Secara Sejajar ”
Dalam penyusunan Skripsi ini penulis banyak memperoleh petunjuk dan bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana.
2. Bapak Ketut Astawa, ST., MT, selaku Dosen Pembimbing I dalam penyusunan Skripsi.
3. Bapak I Gusti Ngurah Putu Tenaya, ST., MT, selaku Dosen Pembimbing II dalam penyusunan Skripsi.
4. Bapak Ketut Astawa, ST., MT, selaku koordinator Skripsi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana.
5. Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT., PhD, selaku Dosen Pembimbing Akademik.
6. Bapak/Ibu dosen serta staf pegawai Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana.
7. Semua pihak dan kawan-kawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universaitas Udayana yang telah membantu dalam penyelesaian Skripsi. Penulis menyadari bahwa Skripsi ini tentunya jauh dari kesempurnaan mengingat keterbatasan pengetahuan dan referensi yang penulis miliki. Oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat penulis harapkan. Sekali lagi penulis mengucapkan banyak terima kasih dan penulis mohon maaf apabila ada kekurangan ataupun kesalahan dalam penulisan Skripsi ini.
Denpasar, Desember 2016 Penulis
vi DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN...i LEMBAR PERSETUJUAN...ii ABSTRAK...iii ABSTRACT...iv KATA PENGANTAR...v DAFTAR ISI...vi DAFTAR GAMBAR...ix DAFTAR TABEL...xi DAFTAR LAMPIRAN...xii BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Rumusan Masalah...3 1.3 Batasan Masalah...3 1.4 Tujuan Penelitian...3 1.5 Manfaat Penelitian...3
BAB II LANDASAN TEORI...4
2.1 Perpindahan Panas...4
2.1.1 Perpindahan panas secara konduksi...4
2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi...5
2.1.3 Perpindahan Panas Radiasi...7
2.2 Konstanta Matahari...8
2.3 Radiasi Matahari...9
2.3.1 Faktor yang Mempengaruhi Penerimaan Radiasi Matahari di Bumi...11
2.4 Kolektor Surya...16
vii
2.4.2 Radiasi yang Diserap Kolektor Surya...17
2.5 Kolektor Surya pelat datar dengan sirip berlubang ...19
2.5.1 Penggunaan sirip berlubang...19
2.5.2 Sirip Berlubang Pada Kolektor Surya...20
2.6 Aliran Fluida...21
2.7 Energi berguna dan Efisiensi Kolektor Surya...23
2.7.1 Laju Aliran Massa Fluida...23
2.7.2 Energi Berguna Kolektor Surya...24
2.7.3 Efisiensi Kolektor Surya...24
2.8 Skema kolektor...26
2.8.1 Kesetimbangan energi...26
2.9 Kontruksi Kolektor Surya Sirip Berlubang Berdiameter Sama...27
2.10 Kontruksi Aliran Udara Pada Kolektor Surya Sirip Berlubang Berdiameter Sama...28
BAB III METODE PENELITIAN...29
3.1 Waktu dan Tempat Pengujian...29
3.2 Variabel Penelitian...29
3.3 Alat dan Bahan...30
3.3.1 Spesifikasi Kolektor Surya...31
3.4 Intalasi Pengambilan Data...33
3.5 Penempatan Alat Ukur...33
3.6 Diagram Aliran Penelitian...34
3.7 Prosedur Pengujian...36
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Penelitian...38
4.2 Perhitungan Data Hasil Penelitian ...38
4.2.1 Perhitungan Pada Kolektor Surya...38
4.3 Analisa Performansi Kolektor...41
viii
4.3.2 Energi Berguna (Qu,a) Kolektor Pelat Datar...43
4.3.3 Efisiensi (ƞa) Kolektor Pelat Datar...44
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan...45
5.2 Saran...45
DAFTAR PUSTAKA ...46
PERNYATAAN...48
LAMPIRAN A DATA HASIL PENGUJIAN...49
LAMPIRAN B DATA HASIL PERHITUNGAN...56
LAMPIRAN C GRAFIK PERBANDINGAN...60
LAMPIRAN D SIFAT THERMOFISIK...64
ix
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi pada bidang datar...5
Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi dari permukaan media padat ke fluida yang mengalir...6
Gambar 2.3 Bola matahari...8
Gambar 2.4 Bagan pengaruh radiasi datang...9
Gambar 2.5 Fenomena refleksi spektakular (a) dan refleksi baur (b)...10
Gambar 2.6 Radiasi sorotan dan radiasi sebaran...11
Gambar 2.7 Posisi Peredaran Matahari...12
Gambar 2.8 Sudut zenith, sudut kemiringan, sudut azimuth permukaan, sudut azimuth surya...13
Gambar 2.9 Bagian bumi yang menunjukkan β, θ, Ø dan (Ø-β) untuk belahan utara...15
Gambar 2.10 Penyerapan radiasi matahari oleh kolektor...17
Gambar 2.11 Grafik hubungan antara sudut timpa dengan transmisivitas...18
Gambar 2.12 Kegunaan sirip untuk memperbesr perpindahan panas media padat...20
Gambar 2.13 Pengambatan aliran udara dengan sirip berlubang...20
Gambar 2.14 Inclined manometer...23
Gambar 2.15 Skema kolektor surya pelat datar...26
Gambar 2.16 Kontruksi kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter sama...27
Gambar 2.17 Kontruksi kolektor surya dengan aliran udara...28
Gambar 2.18 Dimensi kolektor surya pelat datar aliaran impinging jets...31
Gambar 2.19 Rancangan pengujian kolektor surya dengan sirip berlubang...32
Gambar 2.20 Penempatan alat ukur...33
x
Gambar 4.1 Grafik perbandingan temperatur keluar(Tout)
kolektor terhadap waktu...42 Gambar 4.2 Grafik perbandingan energi berguna (Qua)
kolektor terhadap waktu...43 Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi (ƞa) kolektor terhadap waktu...44
xi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1 Waktu Penelitian...29 Tabel 4.1 Data hasil perhitungan kolektor surya dengan lima sirip berdiameter sama yang disusun secara sejajar...41
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Tabel A.1 Data Hasil Pengujian 15 Agustus 2016...50
Tabel A.2 Data Hasil Pengujian 15 Agustus 2016...51
Tabel A.3 Data Hasil Pengujian 16 Agustus 2016...52
Tabel A.4 Data Hasil Pengujian 16 Agustus 2016...53
Tabel A.5 Data Hasil Pengujian 22 Agustus 2016...54
Tabel A.6 Data Hasil Pengujian 22 Agustus 2016...55
Tabel B.1 Data Hasil Perhitungan 15 Agustus 2016...57
Tabel B.2 Data Hasil Perhitungan 16 Agustus 2016... ...58
Tabel B.3 Data Hasil Perhitungan 22 Agustus 2016...59
C.1 Grafik Perbandingan Temperatur Keluar (Tout) Terhadap Waktu...61
C.2 Grafik Perbandingan Energi Berguna (Qu,a) Terhadap Waktu...62
C.3 Grafik Perbandingan Efisiensi (ƞa) Terhadap Waktu...63
Tabel D.1 Sifat Thermofisik Udara Pada Tekanan Atmosfer...65
Tabel D.2 Sifat Thermofisik Massa Jenis Material...66
Tabel D.3 Sifat Thermofisik Massa Jenis Zat...67
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Di dunia banyak masyarakat yang memanfaatkan sumber energi dari sinar matahari untuk kebutuhan sehari-hari, misalnya disektor pertanian banyak yang memanfaatkan sinar matahari sebagai pengering hasil pangan para petani dengan cara tradisional yaitu dengan menjemur hasil pangan dengan sinar matahari. Banyak juga sektor-sektor yang memenfaatkan sinar matahari sebagai sumber energi keperluan sehari-hari. Energi dari matahari merupakan sumber energi paling besar untuk kelangsungan mahluk hidup di bumi. Di Indonesia masyarakan sangat tergantung dengan adanya sinar matahari karena masyarakat Indonesia mata pencahariannya banyak di sektor pertanian.
Di Indonesia sumber energi sinar matahari sangat besar karena dilihat wilayah Indonesia yang dilalui garis katulistiwa oleh sebab itu sumber energi matahari sangat besar untuk pengembangan teknologi yang memanfaatkan sinar matahari sebagai energi alternatif. Berdasarkan hal tersebut penggunanan berbagai teknologi dikembangkan untuk memanfaatkan energi sinar matahari sebagai sumber energi alternatif, salah satunya adalah kolektor surya yaitu suatu alat yang menyerap dan mengumpulkan energi matahari dan merubahnya menjadi energi panas yang bisa dimanfaatkan. Dimana kolektor surya pelat datar ini dicat berwarna hitam doff yang berfungsi untuk menyerap radiasi matahari yang datang dan menstransfer kalor yang diterima tersebut ke fluida, penggunan pelat tersebut akan dapat meningkatkan penyerapan radiasi sinar matahari. Radiasi sinar matahari akan mengenai pelat penyerap dimana sebagian akan dipantulkan ke penutup transparan atau kaca transparan dan sebagian akan dipantulkan ke bagian lainnya. Kolektor surya ini dialiri fluida udara yang dikeluarkan oleh blower akan masuk kedalam kolektor, aliran udara akan dibagi oleh honeycomb agar udara yang masuk kedalam kolektor merata, setelah aliran udara dibagi oleh honeycomb udara akan masuk kedalam kolektor dan pertama akan mengenai sirip berlubang setelah itu aliran udara akan
2
berubah menjadi aliran turbulen yang akan mengalir kesegala arah didalam kolektor dan juga aliran udara tersebut akan menyerap panas pada pelat penyerap, sebagian fluida udara akan mengalir juga ke bagian sirip kolektor lainya melalui lubang yang ada pada sirip. Udara akan kembali mengenai sirip berlubang dan merubahnya menjadi aliran turbulen. Ini akan terus berulang sampai udara mengalir melewati sirip terakhir dan keluar dari kolektor surya yang mengasilkan udara panas yang berguna. Dari pengembangan pembuatan modifikasi alat kolektor surya sudah banyak dilakukan oleh peneliti-peneliti lain, seperti salah satu penelitian dari I Nyoman Gigih Predana Putra,(2010) yaitu: analisis performansi kolektor surya pelat datar dengan variasi sirip berlubang. Hasil penelitian diameter lubang besar ke kecil menghasilkan temperature keluar yang lebih tinggi dan menyebabkan energi berguna lebih tinggi dibandingkan dengan kolektor surya pelat datar dengan variasi diameter dari kecil ke besar.
Oleh sebab itu berbekal dari penelitian yang telah dilakukan tersebut, penulis akan membuat modifikasi kolektor surya pelat datar. Kolektor surya pelat datar memiliki berbagai bentuk sirip yang dipasang pada kolektor surya, salah satu yang akan dibuat adalah dengan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara sejajar. Setiap satu sirip memiliki jumlah lubang sebanyak lima lubang berdiameter sama yang nantinya akan dipasang lima sirip pada kolektor surya, jadi jumlah lubang sirip berdiameter sama keseluruhannya berjumlah dua puluh lima lubang. Fungsi dari pemasangan sirip berlubang berdiameter sama yaitu, untuk memperluas bidang penyerapan panas pada kolektor surya. Sirip berlubang ini akan menghambat laju aliran udara didalam kolektor agar penyerapan panas menjadi maksimal. Udara akan menyerap panas pada sirip dan pelat penyerap didalam kolektor, temperatur udara akan semakin tinggi setiap melewati masing-masing sirip dari sirip pertama sampai udara melewati sirip terakhir. Tujuan pemasangan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara sejajar yaitu, untuk membuat aliaran massa udara yang masuk dalam kolektor surya yang melewati sirip lebih merata dikarenakan lubang sirip satu dengan lubang sirip lainya saling sejajar dan memiliki diameter lubang yang sama dan juga akan meningkatkan effisiensi daya serap dari radiasi sinar matahari.
3
1.2 Rumusan masalah
Adapun rumusan masalah yang dibahas dari penelitian ini yaitu bagaimana pengaruh penambahan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara sejajar terhadap performansi kolektor surya pelat datar.
1.3 Batasan masalah
Adapun batasan masalah yang ada dalam penelitian ini yaitu:
1. Penutup transparan atau kaca transparan diasumsikan bersih dari debu dan kotoran.
2. Aliran udara yang mengalir steady state atau steady flow. 3. Lubang sirip dipasang secara sejajar.
4. Efisiensi daya input blower diabaikan.
1.4 Tujuan penelitian
Tujuan yang ingin dicapai untuk mengetahui energi berguna dan efisiensi yang dihasilkan dari kolektor surya pelat datar dengan lima sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara sejajar.
1.5 Manfaat penelitian
1. Memanfaatkan sumber energi matahari yang melimpah di Indonesia sebagai energi alternatif.
2. Dapat diketahui pengunana sirip yang baik pada kolektor surya agar lebih efektif dan efesien.
3. Memberi pengetahuan mengenai kolektor surya pemanas udara untuk bisa digunakan dalam kehidupan sehari-hari.
