Rancang Bangun Prototype Kolektor Surya

(1)

Fadly Rian Arikundo1, Mulfi Hazwi2 Email: arikundo@yahoo.com 1,2

Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia

Proses pengeringan merupakan salah satu kegiatan penting yang dilakukan pada produk pertanian dan perkebunan untuk meningkatkan kualitas dengan cara menghilangkan sebagian kadar air sampai batas dimana mikroba tidak dapat tumbuh. Untuk itu, pada tugas akhir ini dirancang sebuah ruang pengering berukuran 0,5m x 0,5m x 0,7m yang menggunakan kolektor surya pelat datar dengan ukuran 2m x 0,5m serta menggunakan ubi kayu sebagai sampel. Perancangan alat pengeringan ini bertujuan untuk mengeringkan ubi kayu dari kadar air awal ±60% menjadi >10%. Kolektor surya diisolasi dengan dan kayu sehingga kehilangan panas dapat diminimalisasi. Medium pengering adalah udara panas yang dihasilkan melalui kolektor yang menangkap radiasi sinar matahari dan dialirkan secara alamiah keruang ruang pengering selanjutnya akan digunakan untuk mengeringkan ubi kayu. Setelah dilakukan penelitian dengan metode eksperimen yakni dengan cara mengamati dan mengukur langsung hal hal yang dilakukan pada alat pengering tersebut kemudian dilakukan pengolahan serta evaluasi data penelitian. Dari hasil penelitian dan analisis yang dilakukan pada pukul 08:00– 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah, diperoleh panas radiasi rata rata yang dapat diserap kolektor adalah 372,21 watt, kehilangan panas rata rata pada kolektor adalah 161,32 watt dan efisiensi rata rata dari kolektor surya yang didapat selama proses pengujian adalah 40,13%. Kata kunci : pengering, kolektor surya, perpindahan panas

!

" # $

% & ' () ' *

" +

,

-.!# #) )&) .#

/ ).'

0 1

!

Wilayah Indonesia memiliki sinar matahari cukup melimpah, terletak pada daerah khatulistiwa yang mempunyai iklim tropis dan radiasi surya hampir sepanjang tahun, sehingga pengembangan teknologi tepat guna yang memanfaatkan sinar matahari sebagai energi alternatif sangat sesuai aplikasinya dalam bidang pengering tenaga surya yang memanfaatkan sinar

matahari untuk memanaskan udara pengering.

(2)

sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa negara yang cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada teknologi ini, diharapkan akan mempercepat proses pengeringan dan menjaga mutu serta kualitas produk pasca panen tersebut.

" # $

% # %

Pengeringan merupakan proses pemindahan panas dan uap air secara simultan, yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan, yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. Tujuan pengeringan itu sendiri adalah untuk mengurangi kadar air bahan sampai batas dimana perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti. Dengan demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan yang lebih lama. Pengering surya adalah suatu sistem pengering yang memanfaatkan energi surya. Sistem pengering surya terdiri dari dua bagian utama yaitu kolektor surya dan ruang pengering [1].

& ' %# ( #

Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya minyak bumi, yang terjadi sejak tahun 1970 an mendapat perhatian yang cukup besar dari banyak negara di dunia. Disamping jumlahnya yang tidak terbatas, pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi yang dapat merusak lingkungan. Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan teknologi sel surya atau fotovoltaik. Matahari merupakan sumber energi yang benar benar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya dapat dikatakan gratis.

Gambar 1. Hubungan Matahari Dan Bumi

Setiap menit matahari meradiasikan energi sebesar 56 x 1026 kalori. Potensi energi surya di Indonesia sangat besar yakni sekitar 4.8 KWh/m2 atau setara dengan 112.000 GWp, namun yang sudah dimanfaatkan baru sekitar 10 MWp. Jumlah ini merupakan gambaran yang dapat mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Kolektor surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin angin besar) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Kolektor surya biasanya memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannya sangat rendah karena tidak ada bagian yang bergerak. Kolektor surya juga cukup mudah untuk diinstal. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk daerah daerah terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru mencapai 55 60 % dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik.

# $ +#

(3)

Seperti ketika kolektor menerima panas dari matahari maka hal itu terjadi dengan cara radiasi, kemudian panas dari pelat dan sisi kolektor berpindah secara konveksi dan konduksi ke udara dan isolator.

Gambar 2. Perpindahan Panas Pada Kolektor Surya Pelat Datar

• Konduksi

Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui benda penghubung yang diam (tidak dalam mengalir). Besar kecil perpindahan panas ditentukan oleh karakteristik zat dan benda yang dilalui panas pada waktu perpindahan dari satu benda ke benda lain.

Gambar 3. Gradient Perpindahan Panas Pada Isolator.

Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pengering tenaga surya terjadi pada sisi sisi kolektor yang

diisolasi oleh dan

kayu. Energi panas hilang (Qloss) dan berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan). Laju

perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier [2].

− =

Dimana,

c = Laju perpindahan panas (Watt) = Konduktivitas thermal ( W /m.K) = Luas penampang yang terletak

pada aliran panas (m2)













= Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)

• Konveksi

Konveksi merupakan proses perpindahan panas dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui benda penghubung, dimana benda penghubung tersebut haruslah memiliki sifat fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik dan densitas). Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada pengering terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara)[2].

∞

− =

Dimana,

h = Laju perpindahan panas (Watt) = Koefisien konveksi ( W / m2.K) = Luas permukaan kolektor (m2) = Temperatur dinding ( K )

T∞ = Temperatur udara lingkungan ( K )

Korelasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan panas konveksi (hc) yaitu :

(4)

Dimana: Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan bilangan 2 yang telah didefenisikan pada persaman [3]:

−

=

β

Pada bidang miring dengan sudut kemiringan θterhadap vertikal, percepatan gravitasi dapat diproyeksikan menjadi θyang sejajar dengan bidang. Ini berarti bidang miring dapat dianggap sebagai pelat vertikal tetapi percepatan gravitasinya menjadi

θ

. Maka untuk bidang miring semua persamaan pada kasus bidang vertikal dengan dan ′′ konstan dapat digunakan. Tetapi gravitasi harus diganti menjadi θ saat menghitung bilangan 2

• Radiasi

Radiasi adalah proses perpindahan panas dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah dimana tidak diperlukan zat atau benda penghubung, serta panas memancar dengan cara radiasi gelombang elektromagnetik. Perpindahan panas radiasi pada alat ini terjadi pada absorber kolektor surya. Peristiwa radiasi yang dipancarkan oleh matahari, dan dikonversikan dalam bentuk panas terjadi pada plat absorber serta adanya pengaruh dari emisifitas permukaan benda hitam (plat absorber). Radiasi

yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi effisiensi kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat di hitung

Perhitungan panas radiasi yang hilang pada kolektor surya adalah [4]:

B C D E

Perancangan merupakan kegiatan awal dari usaha merealisasikan suatu produk yang kebutuhannya dibutuhkan oleh masyarakat. Setelah perancangan selesai maka kegiatan yang menyusul adalah pembuatan produk. Cara merancang terdiri dari 4 tahap atau fase, yang masing masing terdiri dari beberapa langkah (3 dan 4 "5. Keempat fase tersebut adalah [5]:

(5)

Pengeringan cassava membutuhkan waktu pengeringan lebih kurang 46 jam atau dua hari hingga mendapatkan kadar air sebesar <14%, dengan temperatur pengeringan berkisar diantara 30oC sampai dengan 60oC . Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan 6 $ [16].

Perencanaan alat pengering bertujuan untuk membantu para petani dalam mengolah hasil produksi perkebunan dan pertanian. Oleh karena itu pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perencanaan pengering yaitu: ekonomis, produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat dan mudah dioperasikan.

- % ! )

Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan pelat pengumpul yaitu: seng, aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Dalam perancangan ini digunakan seng sesuai pertimbangan di atas. Seng yang digunakan mempunyai ketebalan 0,35 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat semprot hitam kusam, agar jangan terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum.

Gambar 4. Rancangan Kolektor Surya

- % - +

Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat:

• Transmisivitas tinggi (?)

• Absorsivitas rendah (α)

• Refleksivitas rendah (ρ)

• Tahan panas

• Ada dipasaran dan kuat

Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan dua lapis kaca bening dengan ketebalan 5mm. kaca (?)= 0,85, refleksi (ρ) = 0,09 dan absorsivitas (α) = 0,06.

- % )! #

Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat sifat bahan. Isolasi yang digunakan adalah:

• Konduktifitas termal bahan (k) kecil.

• Mudah dibentuk dan praktis

• harga murah dan ada dipasaran

• Tahan lama.

Isolator yang dipilih dalam perancangan terdiri dari tiga lapisan yaitu dimana kehantaran termalnya 0.042 W/moC, sterofoam dimana kehantaran termalnya 0.036 W/ moC dan kayu dimana kehantaran termalnya 0.19 W/ moC.

- % % ( #

% # %

Rangka mesin pengering terbuat dari besi siku 30 mm yang kemudian dirangkai dan dilas agar bisa sebagai tumpuan absorber dan boks pengering. Pemilihan rangka mesin pengering ini mempertimbangkan beban yang akan dipikul oleh rangka tersebut dengan kemiringan kolektor 60o agar dapat berdiri kokoh.

- % ) % # %

(6)

udara panas yang dihasilkan oleh kolektor disalurkan ke dalam boks pengering untuk mengeringkan produk yang akan dikeringkan.

Gambar 5. Boks Pengering Boks pengering terbuat dari pelat seng dengan tebal 0.35 mm yang dicat dengan warna hitam buram, agar dapat menyerap panas dengan lebih cepat. Untuk dinding boks pengering sengaja tidak dibuat isolator, agar panas akibat radiasi sinar matahari pada dinding dapat membantu proses pengeringan. Boks pengering dirancang agar pada ruang boks pengering dapat berada pada suhu minimal 45o C dan tidak lebih dari 80o C tujuannya untuk mendapatkan kualitas yang baik.

Pada boks pengering dilengkapi dengan pintu yang berguna untuk memasukkan dan mengeluarkan produk yang dikeringkan. Dibagian atas boks pengering dibuat cerobong udara, bertujuan untuk memperlancar sirkulasi udara pada proses pengeringan.

Rangka boks pengering terbuat dari besi siku 30 mm yang kemudian dirangkai dan dilas agar bisa sebagai tumpuan boks pengering dan juga kolektor. Pemilihan rangka kolektor ini mempertimbangkan beban yang akan dipikul oleh rangka tersebut agar dapat berdiri kokoh.

) % $#

Pengujian performansi mesin pengering tenaga surya dengan produk yang dikeringkan adalah singkong 7 5 yang berkadar air 60% yang akan dikeringkan untuk mencapai kadar air >10%, merupakan standar kering ubi kayu. Kemudian sampel di potong dadu 1cm x 1cm x 1cm agar mudah dalam menghitung luasan sampel. Pengujian

dilakukan di Laboratorium Teknik Pendingin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Berikut gambar ilustrasi

pengujian:

Gambar 6. 8

Adapun beberapa parameter yang diukur ialah :

1. Temperatur Permukaan Kayu (T1) 2. Temperatur Ruang Kolektor (T2) 3. Temperatur Permukaan Kaca (T3) 4. Temperatur Lingkungan Sekitar (T4) 5. Temperatur Permukaan Plat (T5) 6. Intensitas Radiasi Matahari (Ga) Parameter diatas digunakan untuk menghitung besarnya nilai energi panas yang hilang pada kolektor surya dan nilai dari effisiensi kolektor surya.

Adapun prosedur pengujian yang dilakukan adalah :

1. Alat pengering kolektor surya dipersiapkan ( ).

2. Pengering dipasang dalam posisi yang baik dan benar.

3. Semua alat ukur yang dibutuhkan selama pengujian dan ubi kayu dipersiapkan.

4. Kabel kabel dari

agilient dipasang pada pelat , boks pengering dan inti ubi kayu.

5. 9 dihidupkan, sebelum merekam data di kan terlebih dahulu agar di layar laptop massa berada pada posis 0 gr. 6. Ubi kayu ditimbang dan dimasukkan

kedalam boks pengering. 7. Proses perekaman data dimulai. 8. Pengeringan dilakukan sampai

(7)

9. Hasil dari pengujian dianalisis

. !#

!# #! % )! )

Kehilangan Panas Sisi Alas Dan

Samping (Q1, Q2)

Z [\ > ]^ _ ]

L `

L

Ha

bH

Gcdea

bV

fghijkjcla

bm

ijKGnjjoa

bF

fhpqa

L

V

Dimana :

h1 = Koefisien konveksi permukaan luar (W/m2.K)

kkayu = Konduktifitas termal kayu (W/m.K)

ksterofoam= Konduktifitas termal sterofoam (W/m.K)

krockwoll = Konduktifitas termal rockwoll (W/m.K)

kseng = Konduktifitas termal seng (W/m.K)

h2 = Koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2.K)

t1 = Tebal kayu (m) t2 = Tebal sterofoam (m) t3 = Tebal rockwoll (m) t4 = Tebal plat seng (m) : = Luas total sisi dinding (m2)

• #! % # #

/0,1

;.< = : 7 > 5

Dimana:

N = Jumlah penutup/kaca = 2

Tp = Temperatur plat absorber = 80.42 oC

σ = Konstanta Stefan Boltzman = 5.67x108 W/m.C4

Ta = Temperatur lingkungan = 32.48 oC

C = 520(1 0,000051β2)untuk 0°≤ β≤70°

e = 0.43 (1 (100/Tp)) = 0.30833147

εk = Emisivitas Kaca = 0.88

εp = Emisivitas Plat = 0.97

h = Koefisien kalo konveksi 2.8+3v f

=(1+0.089hw0.1166hw.εp)(1+0,07866N) : = Luas permukaan

'# # #

Pada perhitungan efisiensi kolektor surya, nilai dari faktor efisiensi kolektor (F’) diasumsikan adalah 90%. Nilai absorbsifitas dari plat yang dicat hitam di asumsikan 0.97 [4].

Dimana:

F' = Faktor Efisiensi Kolektor = 90%

A = Luas penampang Kolektor = 1 m2

? = Transmisivitas kaca = 0.85

α = Absorbsivitas Plat = 0.97

I = Intensitas Radiasi Matahari ; = Total kehilangan panas kolektor

; = Total panas yang masuk kolektor (Watt)

; = Total panas yang digunakan (Watt)

#! &

Berikut hasil rancangbangun

mesin pengering dan

(8)

Gambar 7. Alat Pengering

Perbandingan antara data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada pengujian dengan radiasi surya dengan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran BMKG Kota Medan dapat dilihat pada grafik di bawah ini :

Gambar 8. Grafik Perbandingan Intensitas Radiasi Matahari Pengukuran

Hobo dan Pengukuran BMKG Tanggal 06 Maret 2013.

Adanya bias antara hasil pengukuran intensitas radiasi matahari oleh alat pengukur Hobo dan hasil pengukuran intensitas radiasi matahari dari alat ukur solarmeter oleh Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) wilayah Medan. Terdapatnya bias pengukuran disebabkan oleh

beberapa faktor, diantaranya adalah adanya perbedaan tempat pengukuran atau letak alat ukur, dimana pengukuran oleh Hobo dilakukan di gedung Magister Teknik Mesin USU lantai empat sedangkan pengukuran oleh Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) dilakukan di kantor BMKG Sampali. Faktor lain diantaranya adalah ketinggian pengukuran.

Gambar 9. Grafik Waktu vs Temperatur Pada Tanggal 01 Maret 2013

Gambar 10. Grafik Waktu vs Efisiensi dan Intensitas Radiasi Matahari Pada

Tanggal 01 Maret 2013

Perhitungan efisiensi kolektor tiap 15 menit pada tanggal 1 Maret 2013 pada pukul 10:16 WIB sampai dengan pukul 13:42 WIB diperoleh effisiensi kolektor rata rata pada sampel pertama (hari pertama) adalah ƞ = 45.29 %.

(9)

Perhitungan efisiensi kolektor tiap 15 menit pada tanggal 02 Maret 2013 pada pukul 08:42 WIB sampai dengan pukul 16:16 WIB diperoleh effisiensi kolektor rata rata pada sampel pertama (hari kedua) adalah ƞ = 40.88 %.

Gambar 14.Grafik Waktu vs Efisiensi dan Intensitas Radiasi Matahari Pada

Perhitungan efisiensi kolektor tiap 15 menit pada tanggal 05 Maret 2013 pada pukul 08:48 WIB sampai dengan pukul 14:05 WIB diperoleh effisiensi kolektor rata rata pada sampel kedua (hari pertama) adalah ƞ = 36.12 %.

Perhitungan efisiensi kolektor tiap 15 menit pada tanggal 06 Maret 2013 pada pukul 08:58 WIB sampai dengan pukul 15:34 WIB diperoleh effisiensi kolektor rata rata pada sampel kedua (hari kedua) adalah ƞ = 38.25 %.

Hasil analisis selama empat hari pada cuaca cerah diperoleh panas radiasi rata rata yang dapat diserap kolektor adalah 372.21 watt. Kehilangan panas rata rata pada kolektor adalah 161.32 watt. Efisiensi teoritis rata rata dari kolektor surya 40.13%.

2 #&+ ! #&+ !

Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Telah dirancangbangun sebuah ruang pengering berukuran 0.5m x 0.5m x 0.7m yang menggunakan kolektor surya pelat datar sebagai sumber panasnya dengan ukuran 2m x 0.5m dan menggunakan panas matahari sebagai sumber energinya serta menggunakan ubi (cassava) sebagai sampelnya.

(10)

kolektor adalah 372.21 watt. Kehilangan panas rata rata pada kolektor adalah 161.32 watt.

3. Efisiensi teoritis rata rata dari kolektor surya 40.13%.

4. Adanya bias intensitas matahari antara pengukuran Hobo dan pengukuran di BMKG diakibatkan karena adanya perbedaan letak dan tempat pengukuran.

Adapun saran untuk perbaikan skripsi ini adalah:

1. Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui besar nilai absorbsifitas pada jenis cat yang digunakan pada pelat absorber pada kolektor.

2. Diperlukan penelitian terhadap jenis kaca, jumlah kaca dan jarak antara kaca yang baik digunakan pada kolektor.

3. Menambah roda pada kaki kaki

mesin pengering agar

mempermudah dalam proses pemindahan.

4. Menambahkan lapisan isolasi pada bagian ruang pengering untuk mengurangi panas yang hilang.

'

[1] Thaib, Gumbira Said dan Suteja Wiraatmadja. S. 1988. ?

3 3 3

@ 3 . PT Mediatama

Sarana Perkasa: Jakarta

[2] Yunus, A. Cengel. 2002.

@ : 3

: 6 8 Mc

Graw Hill, Book Company, Inc: Singapore.

[3] Ambarita, Himsar. 2011.

3 3 0

3 : 3 0

Medan: Departemen Teknik Mesin FT USU.

[4] Duffie A. John, Beckman A. William.1980. 6 ?

3 6 8 John

Wiley & Sons, Inc: New York. [5] Pahl, G. Beitz. 1998. 8

$ : 6 :

78 8 5. Springer Verlag: London.

[6] Incropera, Frank P., David P. Dewitt. 1985. ,

@ + , 6