ANALISA PENGARUH VARIASI DIAMETER RECEIVER DAN INTENSITAS CAHAYA TERHADAP EFISIENSI TERMAL MODEL KOLEKTOR SURYA TIPE LINEAR PARABOLIC CONCENTRATING

ANALISA PENGARUH VARIASI DIAMETER

RECEIVER DAN INTENSITAS CAHAYA TERHADAP EFISIENSI TERMAL MODEL KOLEKTOR SURYA

TIPE LINEAR PARABOLIC CONCENTRATING

Tugas Akhir Konversi Energi

Disusun Oleh :

Hendra n y tamba 2109105003 Dosen Pembimbing :

Ary Bachtiar KP, ST, MT, PhD.

Teknik Mesin

Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2012

Latar Belakang

ENERGI FOSIL YANG

SEMAKIN TERBATAS POLUSI ENERGI

ALTERNATIF

ENERGI SURYA KOLEKTOR SURYA

KOLEKTOR SURYA TIPE LINEAR

PARABOLIK

Perumusan Masalah

• Bagaimana pengaruh dari perubahan diameter receiver dan intensitas cahaya terhadap efisiensi kolektor surya

• Melakukan pengujian kolektor surya

guna mengetahui beban pemanasan

dan efektivitas kolektor surya

Tujuan

1.Mengetahui besarnya energy yang dapat dimanfaatkan kolektor (useful energy), di mana energi ini nantinya dapat dimanfaatkan sebagai sumber panas

2.Mengetahui besarnya efisiensi aktual kolektor surya

3.Mengetahui kenaikan temperatur

air yang dikeluarkan kolektor surya

Batasan Masalah

1. Analisa performansi kolektor surya dilakukan pada steady-state condition.

2. Pengambilan data dilaksanakan didalam ruangan dengan menggunakan lampu sorot sebagai ganti sinar matahari.

3. Sudut datang radiasi dianggap normal terhadap bidang kolektor

4. Konsentrator atau reflektor dianggap sempurna dalam membentuk image

5. Analisa perpindahan panas satu dimensi

6. Kehilangan panas pada saluran yang menghubungkan antar komponen diabaikan

7. Kehilangan panas pada struktur penopang kolektor

diabaikan

Kolektor surya

Suatu alat yang digunakan untuk mengumpulkan

energi radiasi matahari dan mengubahnya

menjadi energi panas yang berguna

Jenis konfigurasi kolektor surya

a. Tubular absorber with difuse back reflector b. Tubular absorber with specular cusp reflector c. Plane receiver with plane reflector

d. Parabolic concentrator e. Fresnel reflector

f. Array of heliostats with central receiver

Tinjauan pustaka

Penelitian Sebelumnya :

Oleh : manoon pidhuwan, sombat teekasap, and joseph khedari

Melakukan penelitian panjang efektif (effective length) untuk kolektor surya tipe linear parabolic concentrating. Sistem dibuat dengan material lokal, antara lain lembaran stainless steel ukuran reguler (1,2 x 2,4 m) sebagai reflektor dan pipa baja karbon sebagai receiver

Pengujian dilakukan dengan melakukan pengukuran temperatur pada lima titik posisi sepanjang pipa receiver yang dilalui oli dan pengukuran temperatur dua titik posisi di inlet dan outlet air di heat exchanger. Aliran oli diatur oleh globe valve menjadi 5 macam laju aliran massa yaitu, 0.295, 0.345, 0.415, 0.515, dan 0.685 kg/menit. Dari penelitian ini diketahui bahwa panjang kolektor dan pipa receiver pada kolektor surya dapat dipendekkan ¼ dari panjang total dengan konsekuensi adanya penurunan temperatur sekitar rata-rata 3,253 %.

Gambar skematik kolektor surya

Gambar kolektor surya

Oleh : Afri argiawan

Melakukan penelitian panjang efektif untuk kolektor surya tipe linear parabolic. Sistem di buat dengan material stainless steel ukuran 1 x 2 m sebagai reflektor dan pipa tembaga sebagai receiver dengan ukuran 1/2 inch

Pengujian dilakukan dengan melakukan pengukuran temperatur pada 2 titik posisi sepanjang pipa receiver yang dilalui fluida (air) dan pengukuran temperatur 2 titik posisi di inlet dan outlet kolektor. Aliran air diatur oleh valve menjadi 3 macam laju aliran massa yaitu, 0.02, 0.03, 0.04 kg/s. Dari penelitian ini diketahui bahwa laju aliran massa untuk hasil temperature maksimum adalah sebesar 0.02 kg/s, Quseful sebesar 345, 57 watt, dengan efisiensi actual rata – rata sebesar 22.81%.

Geometri kolektor surya

•Sudut Rim

• Jari – jari mirror (r

r

)

• Panjang focal ( f )

.cos 2

r r

f + Φ

=

Dasar Teori

• Diameter Receiver ( D )

• Diameter Semi lingkaran receiver ( W )

• Perpindahan panas Radiasi

• Perpindahan Panas Konduksi pada Silinder

• Perpindahan Panas Konveksi

,1 ,2

2 1

2. . . .( ) ln( / )

s s

r

L k T T

q r r

π −

=

. .( ^s )

q = h A T − T ^∞

• Konveksi Paksa Aliran dalam Pipa

• Koefisien Radiasi Linear, h _r,c-a

( )

( )

^{1 2}

(

^{2 3}

)

8 (Re 1000) Pr

1 12, 7 8 Pr 1

d d

Nu f

f

= −

+ −

4 4

,

( )

( )

r sky

r c a

r a

T T

h T T

σε

−

= −

−

0, 052( 273)

1,5

sky a

T = T +

(0, 79 ln Re 1, 64)

2

f = −

⁻

• Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Udara Luar

• Untuk forced convection (Gr/Re

²

<1), persamaan Nusselt antara lain untuk 0,1 < Re < 1000

untuk 1000 < Re < 50000

• faktor efisiensi kolektor F’

Re

_D

ρ . . V D

= µ

0, 4 0, 54 Re

0,52

Nu = +

0, 3 Re

0,6

Nu =

'

1 /

1 ln

2

L

o o o

L fi i i

F U

D D D

U h D k D

=  

+ +  

 

• faktor aliran kolektor F”

• Heat removal faktor kolektor

• Quseful teoritis

• Quseful aktual

' ''

' '

1 exp

R P r L

r L

P

F mC A U F

F F A U F m C

•

•

   

   

= = −

   

 

 

' '' R

.

F = F F

( )

r

u R a L fi a

a

Q F A S A U T T A

 

=  − − 

 

out in

u

.

P f f

Q m C T T

•

 

=  − 

• Efisiensi Kolektor

.

u c T

Q

η = A I

Flowchart Tugas Akhir

Skema pengujian kolektor surya

Keterangan gambar : A. Reflektor

B. Kran bypass C. Rotameter

D. Pompa centrifugal E. Pipa receiver

F. Bak penampung air dingin

G. Bak penampung air panas

H. Lampu Sorot (6)

Diagram alir

pengambilan data

Diagram Alir

Perhitungan Data

Temperatur fluida kerja masuk kolektor (Tf,i).

Temperatur fluida kerja keluar kolektor (Tf,o).

Temperatur udara ambient (Ta).

Temperatur pipa absorber (Tr) Kecepatan angin (vw) Intensitas radiasi (IT) Debit fluida kerja (Qf)

START

m dot = 0,02 kg/detik

γα ρ. Ib.

= S

Perpindahan panas antara pipa receiver dengan udara

sekitar

α υ β

. ).

'.(

. T T D³

Ra g ^s− ^∞

=

Tidak

[ ]

2

27 / 168 / 9

6 / 1

Pr) / 559 , 0 ( 1

. 387 , 6 0 ,

0 









 + +

= Ra

Nu

ϖ ρ.V.D Re=

2

. '.

. υ β TD G_R=g ∆

ReG^R2<1

1000 Re<

52 ,

Re0

54 , 0 4 , 0 +

=

Nu Nu=0,3Re^0,6

Ya Tidak

Ya

a r

sky r a r

r T T

T h T

−

= −

−

) .(

. ^{4 4}

,

ε σ

B

A

Perpindahan panas di dalam pipa receiver dengan air

Di

m . .

. Re 4

µ π

•

=

C

A

D k h_w Nu. ^f

=

B

a r r w L

h h U

−

+

=

,

1 1

1

Faktor efisiensi kolektor F’

C

Re >2500

) 1 (Pr ) 8 / ( 7 , 12 1

Pr ) 1000 )(Re 8 / (

3 / 2 2 /

1 −

+

= −

f Nu f

Ya

14 , 3 0 / 1 3 /

Pr)1

. (Re 86 ,

1 

 



 



 



= 

L w

Nu d

µ µ Tidak

i f

fi D

k h Nu.

=



 

 + +

=

i o o i fi

o L

L

D D k D D h

D U F U

ln. . 2 . 1

/ ' 1

Faktor aliran kolektor F”

















−

=

p L r L

r p

C m

F U A F

U A

C F m

. ' . exp . ' 1 . .

" . _.

.

Faktor heat removal FR

"

'.F F F_R=

Panas berguna teoritis Qu,teo



 



 − −

= . . . .( )

, L fi a

a r a R teo

u U T T

A S A A F Q

Panas berguna aktual Qu,akt

) .(

,akt . p fo fi

u mC T T

Q = ^• −

A1

A1

Efisiensi kolektor

T a

u

I A

Q

= . η

END

Kehilangan panas kolektor

) .(

. _{r r a}

L

loss U A T U

Q = −

Plot grafik :

à Tfo = f(intensitas,diameter pipa) à UL = f(intensitas, diameter pipa) à Quseful,teo = f(intensitas,diameter pipa) à Quseful,act =f(intensitas,diameter pipa) à ηteo = f(intensitas,diameter pipa) à ηact = f(intensitas,diameter pipa) à F’ = f(intensitas,diameter pipa) à Qloss = f(intensitas,diameter pipa)

Grafik hasil

Grafik Pengaruh Intensitas dan diameter pipa terhadap Temperatur Air Keluar Kolektor (T

_fo

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 100 200 300 400

T fluida out( ͦͦC)

Intensitas Radiasi ( W/m²)

T_fofungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter pipa terhadap Koefisien Kehilangan Panas Kolektor (U

_L

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

UL ( W/m2.C )

Intensitas Radiasi (W/m²)

U_Lfungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

Grafik Pengaruh Intensitas dan diameter pipa terhadap Kalor Berguna (Q

_u

)

Grafik pengaruh intensitas radiasi dan diameter pipa terhadap energi kalor berguna teoritis (Q_u,teo)

Grafik pengaruh intensitas radiasi dan diameter pipa terhadap energi kalor berguna aktual (Q_u,akt)

0 100 200 300 400 500 600

0 100 200 300 400

Qu teo ( Watt)

Intensitas Radiasi (W/m²)

Q_u,teofungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 100 200 300 400

Qu Akt (Watt)

Intensitas Radiasi (W/m²)

Q_u,actfungsi intensitas radiasi

3/8 Inch 1/2 inch 5/8 inch

Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter pipa terhadap Efisiensi Kolektor (η)

Grafik pengaruh intensitas radiasi dan laju aliran massa terhadap efisiensi teoritis kolektor (ηteo)

Grafik pengaruh intensitas radiasi dan laju aliran massa terhadap efisiensi aktual kolektor (ηakt)

50 55 60 65 70 75

0 100 200 300 400

Efisiensi (%)

Intensitas Radiasi ( W/m²)

η_teofungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

100 2030 4050 6070 8090 100

0 100 200 300 400

Efisiensi (%)

Intensitas Radiasi ( W/m²)

η_actfungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter Pipa terhadap Faktor Efisiensi Kolektor (F’)

0.984 0.986 0.988 0.99 0.992 0.994 0.996 0.998 1

0 100 200 300 400

Faktor efisiensi

Intensitas Radiasi ( W/m²)

F' fungsi intensitas radiasi

3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch

Grafik Pengaruh Intensitas dan Diameter Pipa terhadap Heat Loss (Qloss)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Q Loss (Watt)

Intensita s Radiasi (W/m²)

Q_lossfungsi intensitas radiasi

3/8 Inch 1/2 Inch 5/8 Inch

Kesimpulan

Setelah melakukan pengolahan data, dan analisa maka dapat ditarik kesimpulan sebagi berikut :

• Untuk hasil temperatur maksimum fluida out adalah sebesar dengan pipa 5/8 inch dan intensitas lampu 130,719 watt/m

²

• Energi dari sinar lampu yang dapat dimanfaatkan kolektor (useful energy) rata-rata sebesar 835,6 watt pada pipa dengan diameter 5/8 inch dan intensitas sebesar 130,718 watt/m

²

• Efisiensi aktual rata-rata kolektor surya ini didapatkan sebesar

27,33%

Sekian terima kasih

Mohon saran dan kritik guna

kesempurnaan Tugas Akhir