STUDY EXPERIMENTAL OPTIMASI KOLEKTOR PLAT DATAR DENGAN MENGGUNAKAN PIPA BERSIRIP UNTUK MEMANASKAN AIR 120 LITER

(1)

BERSIRIP UNTUK MEMANASKAN AIR 120 LITER

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FIRMAN WINARTA SIAHAAN NIM : 150401009

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2019

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas kasih dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Study Experimental Optimasi Kolektor Plat Datar Dengan Menggunakan Pipa Bersirip Untuk Memanaskan Air 120 Liter”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Eng. Himsar Ambarita ST. MT. selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Eng. Taufiq Bin Nur, ST., M.Eng.Sc. dan Andianto Pintoro, S.T.,M.T yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Terang UHSG Manik, ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

5. Orang tua penulis yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

7. Teman satu team skripsi yaitu Herdy Huang.

8. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2015, para abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis

(11)

9. Bang Hendrik, Bang Siwan dan Bang Alqhodri yang selalu memberi bantuan dan saran selama pengerjaan skripsi di Lab. Sustainable Energy Research Center (SERC).

10. Bang Riki Purba, Bang Kenny, dan Bang Mei yang selalu menginspirasi dan memberi perhatian semasa perkuliahan.

11. Seluruh rekan FVT (Fiat Voluntas Tua) yang telah menjadi teman berbagi dan berjuang bersama penulis selama menjalani masa-masa perkuliahan.

12. Seluruh rekan Connect Group (CG) yang telah memberikan tempat untuk dapat berbagi cerita, penghiburan, semangat serta doa kepada penulis.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.

Terima kasih.

Medan, Oktober 2019

Penulis

(12)

ABSTRAK

Energi surya merupakan salah satu energi terbarukan yang dimana panas yang diperoleh dari matahari dapat dimanfaatkan tanpa merusak lingkungan.

Pemanfaatan energi surya yang paling umum adalah untuk memanaskan air baik sistem aktif maupun sistem thermosifon. Menggunakan sel photovoltaic sebagai sumber energi untuk memompa air merupakan satu terobosan yang menjanjikan.

Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi kolektor plat datar dengan ukuran 1,62m x 1,14m x 0,08m untuk memanaskan air berkapasitas 120 L dengan menambahkan pipa bersirip sebagai sirkulasi air secara kontiniu yang sudah dirancang dan telah diuji pada kondisi cerah. Diadapat hasil terbaik dari pengujian pada tanggal 22 Agustus 2019, Adapun hasil penelitian ini adalah Perbandingan radiasi matahari perhitungan dengan radiasi pengukuran : Radiasi rata-rata teoritis pada tanggal 22 Agustus 2019 adalah 699,1073 W/m² dan Radiasi rata-rata pengukuran adalah 378,666 W/m². Efisiensi bersih kolektor didapat sebesar 65,44%. Efisiensi pada sirip yang diletakkan pada pipa sirkulasi air sebesar 67,56% dengan menggunakan sirip n =234. Temperatur air maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah 49,84 ^OC yaitu pengujian pertama pada tanggal 22 Agustus 2019. Energi yang dibutuhkan untuk memanaskan air sebanyak 120 liter pada pengujian 22 Agustus 2019 selama delapan jam sebesar 11065,296 kJ. Besar energi terbuang dari kolektor selama pengujian pada tanggal 22 Agustus 2019 adalah: Pada sisi samping kolektor sebesar 42153,99 J, pada sisi depan belakang sebesar 29672,64 J, pada sisi bawah kolektor sebesar 413508,88 J, pada sisi atas kolektor sebesar 4886778,32 J, total energy yang terbuang sebesar 5372113,84 J.

Kata Kunci : pemanas air, energi surya, kolektor plat datar, pipa bersirip

(13)

ABSTRACT

Solar energy is a renewable energy where heat obtained from the sun can be utilized without damaging the environment. The most common use of solar energy is to heat water both the active system and the thermosifon system. Using photovoltaic cells as an energy source to pump water is a promising breakthrough.

This study aims to improve the efficiency of flat plate collectors with a size of 1.62m x 1.14m x 0.08m to heat water with a capacity of 120 L by adding finned pipes as continuous water circulation designed and tested in bright conditions.

The best results obtained from testing on August 22, 2019, the results of this study are Comparison of solar radiation calculations with radiation measurements The theoretical average radiation on August 22, 2019 is 699.1073 W / m² and the average radiation measurement is 378.666 W / m². The net efficiency of the collector is 65.44%. The efficiency of the fins placed on the water circulation pipe is 67.56% using fins n = 234. The maximum water temperature of all research stages is 49.84 ˚C, which is the first test on August 22, 2019, The energy needed to heat 120 liters of water on the August 22, 2019 test for eight hours is 11065.296 kJ. The amount of energy wasted from the collector during the test on August 22, 2019 is On the side of the collector at 42153.99 J, on the back front side of 29672.64 J, on the lower side of the collector at 413508,88 J, on the upper side of the collector at 4886778.32 J, total wasted energy of 5372113.84 J.

Keywords: water heater, solar energy, flat plate collector, finned pipe

(14)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR... ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... vi

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR NOTASI ... xi

BAB I PENDAHULUAN... 1

1.1. Latar Belakang ……….. 1

1.2. Tujuan Penelitian ……… 2

1.3. Batasan Masalah ……….. 3

1.4. Manfaat Penelitian ……… 3

1.5. Sistematika Penulisan ……… 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5

2.1. Energi Surya ... 5

2.1.1. Pemanfaatan Energi Surya ……… 10

2.2. Perpindahan Panas ……… 15

2.2.1. Perpindahan Panas Konduksi ……… 15

2.2.2. Perpindahan Panas Konveksi ...……… 16

2.2.3. Perpindahan Panas Radiasi……… 20

2.3. Pemanas Air Tenaga Surya (Solar Water Heater) ……….. 21

2.3.1. Jenis Jenis Alat Pemanas Air Tenaga Surya... 22

2.4. Analisis Sirip ... 23

2.4.1. Efisiensi Sirip... 24

2.5 Analisis Energi pada Kolektor Surya Plat Datar ... 24

2.5.1 Analisis Energi yang diterima Kolektor ... 25

2.5.2 Energi Berguna yang diberikan Kolektor ke Air ... 26

2.5.3 Analisis Termal Efisiensi Kolektor ... 26

2.5.4 Analisis Kehilangan Energi pada Kolektor ... 26

2.5.5 Analisa Energi yang diterima untuk memanaskan Air ... 29

(15)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 31

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian …...……… . 31

3.2 Peralatan Pengujian...……… 31

3.3 Bahan Pengujian...……….. 35

3.4 Pelaksanaan Penelitian ... 36

3.5 set up experimental ... 36

3.6 Diagram Alir Penelitian ... 38

BAB IV ANALISA DATA ... 39

4.1. Analisis Radiasi Matahari ...……… 39

4.2. Analisis Radiasi Tanggal 20 Agustus 2019 ... 40

4.2.1. Analisis Radiasi Teoritis...……… 40

4.2.2. Analisis Radiasi Pengukuran ... 43

4.2.3. Perbandingan Radiasi Teoritis dan Radiasi Pengukuran ... 44

4.2.4. Analisis suhu plat Absorber dan Air ... 45

4.6. Analisis Kehilangan Panas Pada Kolektor ...……….. 62

4.7. Analisis Sirip... 75

4.8. Analisis Energi Yang Diterima Air ...……..……….. 77

(16)

4.9. Analisis Efisiensi Kolektor ...……….. 80

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ………. 84

5.2.Saran ………... 85

DAFTAR PUSTAKA ………. 86

LAMPIRAN ………. 89

(17)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jarak antara Matahari dan Bumi ... 5

Gambar 2.2 Beberapa sudut dalam perhitungan energi radiasi surya ... 7

Gambar 2.3 Teknologi photovoltaic ... 11

Gambar 2.4 Pemanas air tenaga surya ... 11

Gambar 2.5 Solar cooker ... 12

Gambar 2.6 Solar drier ... 12

Gambar 2.7 Solar Air-Conditioning ... 13

Gambar 2.8 Solar chimney ... 13

Gambar 2.9 Solar distilation water ... 14

Gambar 2.10 Solar power plant ... 14

Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi ... 15

Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar ... 16

Gambar 2.13 Internal forced convection ... 17

Gambar 2.14 Konveksi alami pada suatu permukaan ... 19

Gambar 2.15 Skema perpindahan panas radiasi ... 20

Gambar 2.16 Pemanas air tenaga surya sistem thermosypon ... 22

Gambar 2.17 Pemanas air tenaga surya sistem aktif ... 23

Gambar 2.18 Kolektor surya plat datar dan bagian-bagian utamanya ... 25

Gambar 2.19 Skema kehilangan panas kolekktor pada sisi bagian atas ... 27

Gambar 3.1 Laptop ... 31

Gambar 3.2 Agilent ... 32

Gambar 3.3 Hobo Microstation Data Logger ... 32

Gambar 3.4 Pemanas Air Tenaga Surya ... 33

Gambar 3.5 Pompa ... 34

Gambar 3.6 Sifat Air ... 35

Gambar 3.7 Experimental Set up ... 36

Gambar 3.8 Diagram Alir Penelitian ... 38

Gambar 4.1 Grafik Radiasi Pengukuran vs Waktu Pada Tanggal 20 Agustus 2019 ... 43

(18)

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Radiasi Teoritis vs Radiasi Pengukuran

Pada Tanggal 20 Agustus 2019 ... 44 Gambar 4.3 Grafik Temperatur Plat dan Air vs Waktu ... 45 Gambar 4.4 Grafik Radiasi Pengukuran vs Waktu Pada Tanggal 22 Agustus

2019 ... 48 Gambar 4.5 Grafik Perbandingan Radiasi Teoritis vs Radiasi Pengukuran

Pada Tanggal 22 Agustus 2019 ... 49 Gambar 4.6 Grafik Temperatur Plat dan Air vs Waktu ... 50 Gambar 4.7 Grafik Radiasi Pengukuran vs Waktu Pada Tanggal 23 Agustus 2019 . 53 Gambar 4.8 Grafik Perbandingan Radiasi Teoritis vs Radiasi Pengukuran

Pada Tanggal 23 Agustus 2019 ... 53 Gambar 4.9 Grafik Temperatur Plat dan Air vs Waktu ... 54 Gambar 4.10 Grafik Radiasi Pengukuran vs Waktu Pada Tanggal 20 Juli 2019 ... 57 Gambar 4.11 Grafik Perbandingan Radiasi Teoritis vs Radiasi Pengukuran

Pada Tanggal 26 Agustus 2019 ... 58 Gambar 4.12 Grafik Temperatur Plat dan Air ... 59 Gambar 4.13 Grafik Perbandingan Efisiensi water heater GI dan water heater

GII dengan jumlah pengujian ... 62 Gambar 4.14 Skema Kehilangan Energi pada Kolektor ... 63 Gambar 4.15 Grafik energi yang terbuang pada sisi samping kolektor vs waktu ... 66 Gambar 4.16 Grafik kalor yang terbuang pada sisi depan dan belakang

kolektor vs waktu ... 68 Gambar 4.17 Grafik kalor yang terbuang pada sisi bagian bawah kolektor vs

waktu ... 70 Gambar 4.18 Grafik kalor yang terbuang pada sisi atas kolektor vs waktu ... 73 Gambar 4.19 Grafik kalor yang terbuang pada seluruh sisi kolektor pada saat

pengujian vs waktu ... 75 Gambar 4.20 Skema Sirip kolektor ... 80 Gambar 4.21 Grafik Perbandingan antara kalor yang teoritis dan kalor aktual

pada kolektor vs waktu ... 82 Gambar 4.22 Grafik efisiensi kolektor vs waktu ... 83

(19)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Urutan Hari Dalam Tahun ... 8

Tabel 2.2 Faktor koreksi akibat iklim ... 10

Tabel 3.1 Spesifikasi Pompa ... 35

Tabel 3.2 Titik Pengukuran Temperatur pada pemanas air tenaga surya ... 37

Tabel 4.1 Perhitungan Urutan Hari ... 39

Tabel 4.2 Data Hasil Perhitungan dari Persamaan Radiasi Teoritis ... 39

Tabel 4.3 Data Radiasi Teoritis pada Tanggal 20 Agustus 2019 ... 43

Tabel 4.6 Data Radiasi Teoritis Pada Tanggal 26 Agustus 2019 ... 57

Tabel 4.7 Efisiensi Pemanas Air Tenaga Surya G1 pada Temperatur Air Maksimum dari setiap tahap pengujian ... 61

Tabel 4.8 Efisiensi Pemanas Air Tenaga Surya G2 pada Temperatur Air Maksimum dari setiap tahap pengujian ... 62

Tabel 4.9 Temperatur Pada Titik yang Diukur ... 63

Tabel 4.10 Temperatur dan kecepatan udara hasil pengukuran pada kolektor baru ... 64

Tabel 4.11 Konduktivitas Termal Material Isolasi ... 65

Tabel 4.12 Temperatur hasil pengukuran pada kolektor dan sisi atas kolektor... 72

Tabel 4.13 Suhu air masuk dan keluar kolektor pada saat suhu plat tertinggi ... 78

Tabel 4.14 Perbandingan kalor teoritis dan aktual ... 82

(20)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

qk laju perpindahan panas konduksi W

k konduktifitas termal W/m.K

A luas penampang tegak lurus bidang m²

∆T perbedaan temperature ⁰C, K

µ viskositas dinamis N.s/m²

ρ massa jenis kg/m³

cp kalor jenis J/kg.K

v kecepatan fluida m/s

h koefisien perpindahan panas konveksi W/m².K

T_s Temperatur permukaan benda ⁰C, K

T∞ Temperatur lingkungan ⁰C, K

η Efisiensi %

konstanta Stefan-Boltzmann W/m^2.K⁴

̇ laju aliran massa fluida kg/s

D Diameter m

do Diameter luar tabung m

di Diameter dalam tabung m

Th,i Temperatur fluida panas masuk ⁰C, K

Th,o Temperatur fluida panas keluar ⁰C, K

Tc,i Temperatur fluida dingin masuk ⁰C, K

T_c,o Temperatur fluida dingin keluar ⁰C, K

̅ Temperatur rata-rata fluida panas ⁰C, K

̅ Temperatur rata-rata fluida dingin ⁰C, K

A_c Luas permukaan bidang kontak fluida m²

Q Laju perpindahan panas W

U Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m².K

Kalor penguapan suhu tengah J/k

Waktu s

(21)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi surya merupakan salah satu energi terbarukan yang dimana panas yang diperoleh dari matahari dapat dimanfaatkan tanpa merusak lingkungan.

Energi panas dari matahari dapat dimanfaantkan salah satunya adalah untuk memanaskan air, dimana air panas ini dapat digunakan pada konsumen rumah tangga, rumah sakit, maupun perhotelan.

Pada perhotelan kebutuhan air panas merupakan salah satu yang tertinggi.

Air panas ini digunakan untuk kebutuhan memasak, mandi, kolam air hangat, dan juga kebutuhan lainnya. Pada hotel-hotel khususnya daerah wisata yang berada di tempat terpencil hal ini menimbulkan masalah, karena harga bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan air yaitu bahan bakar fosil semakin tinggi.

Penggunaan bahan bakar fosil sebagai bahan bakar utama dalam berbagai kegiatan manusia juga menimbulkan masalah lain. Selain karena bahan bakar ini merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, bahan bakar jenis ini juga mengakibatkan dampak lingkungan diantaranya menyebabkan pemanasan global, dan mengeluarkan gas beracun akibat pembakaran yang tidak sempurna. Oleh sebab itu, sudah menjadi kebutuhan mendesak untuk menggunakan energi terbarukan.

Kolektor surya yang digunakan selama ini biasanya merupakan kolektor surya plat datar yang masih menggunakan energi listrik sebagai sumber energi sekundernya. Energi listrik ini biasanya digunakan sebagai penggerak pompa maupun sebagai heater apabila cuaca mendung.

Penelitian tentang penggunaan kolektor surya plat datar telah banyak dilakukan. Chen, Z, dkk melakukan penelitian pada dua buah kolektor surya plat datar dengan memvariasikan laju aliran untuk meningkatkan efisiensinya.

Hasilnya jika laju aliran dinaikkan maka, efisiensi solar kolektor meningkat[1].

Penelitian plat datar dengan menggunakan double glazing dan diantara glazing diisi dengan argon telah dilakukan dan hasilnya meningkatkan efisiensi termal kolektor[2]. Penelitian dengan menambahkan lapisan thermochromic pada plat

(22)

absorber telah dilakukan, untuk mengurangi stagnasi temperatur pada plat absorber.

Sintong dan kawan-kawan juga telah meneliti kolektor surya plat datar.

Dalam penelitian ini, kolektor yang diuji yaitu kolektor system hybrid pertama ,yaitu system pemanfaatan energy surya dengan menggunakan dua teknologi berbeda pada satu alat yang digunakan , kapasitas air yang digunakan 80 liter dengan waktu pengujian 8 jam.Hasil penelitian ini dapat memanaskan air hingga suhu 59⁰C Dengan efisiensi kolektor tertinggi 55,95% [3].

Kenny dan Henry juga telah meneliti kolektor surya plat datar system hybrid kedua. Dalam penelitian ini, kapasitas air yang dipanaskan meningkat menjadi 120 liter selama 8 jam pengujian dan desain kolektor juga berbeda dari penelitian sebelumnya yaitu kolektor surya plat datar system hybrid pertama[3]. Hasil penelitian ini dapat memanaskan air sampai suhu 51,79 ^OC dan Efisiensi kolektor meningkat dari penelitan sebelumnya sebesar 55,95 % menjadi 65,73 % [4].

Dalam penelitian ini kolektor yang akan dilakukan pengujian juga yaitu kolektor system hybrid ketiga, dimana dilakukan penambahan sirip pada pipa sirkulasi air agar dapat mempercepat laju perpindahan panas yang dihasilkan dari radiasi matahari. Kolektor dengan system hybrid yaitu kolektor yang memanfaatkan energi surya menjadi energi termal dan sel photofoltaik yang mengubah energi surya menjadi energi listrik. Energi surya ini akan digunakan untuk memanaskan air berkapasitas 120 L selama 8 jam secara langsung dan juga untuk menggerakkan pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air 120 L.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian adalah sebagai berikut:

1. Untuk membandingkan radiasi teoritis dengan radiasi hasil pengukuran per hari di kota Medan selama pengujian.

2. Untuk mengetahui suhu tertinggi yang dapat dicapai oleh air.

3. Untuk mengetahui energi yang diperlukan untuk memanaskan air 120 liter.

4. Untuk mengetahui efisiensi kolektor sistem pemanas air tenaga surya.

5. Untuk mengetahui efisiensi dari pipa bersirip.

6. Untuk mengetahui energi terbuang dari kolektor selama pengujian.

(23)

1.3 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah:

1 . Lokasi penelitian pada 3,43^oLU dan 98,44^oBT

2 . Kolektor yang digunakan adalah kolektor plat datar dengan pipa bersirip sebagai laluan sirkulasi air.

3 . Air yang dipanaskan adalah air mineral dari PDAM.

4 . Volume air yang dipanaskan sebanyak 120 liter.

5 . Penelitian dilakukan pada saat cuaca cerah.

6 . Efisiensi dianalisa dari panas yang diterima air dari plat absorber.

7 . Pengujian dilakukan selama 8 jam (08:00 WIB - 16:00 WIB).

8 . Perhitungan panas terbuang pada kolektor dilakukan hanya tanggal 22 Agustus 2019.

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitian adalah sebagai berikut : 1. Dari sisi energi

Untuk mengurangi penggunaan listrik dan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui lainnya.

2. Dari sisi lingkungan

Untuk mengurangi pemanasan global dengan menggunakan energi terbarukan dari alam.

3. Dari sisi ekonomi

Peluang bisnis untuk jangka panjang.

4. Dari sisi teknologi

Untuk memberikan sumbangan yang bearti untuk pengaplikasian teknologi surya sebagai pemanas di Indonesia.

5. Dari sisi akademis

Untuk memberikan sumbangan data penelitian yang diperlukan untuk pengembangan penelitian selanjutnya.

(24)

1.5 Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini di bagi dalam beberapa bagian yaitu:

Bab I : PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan, dan metodologi penulisan skripsi.

Bab II : TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapat dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari : buku-buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan e-news Bab III : METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini dibahas mengenai langkah-langkah penelitian data dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat, dan beberapa aspek yang menunjang metode penelitian

Bab IV : ANALISA DATA

Pada bab ini akan dianalisis dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari hasil pengujian yang telah dilakukan.

Bab V : KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-saran.

DAFTAR PUSTAKA

Pada bagian ini berisi sumber-sumber literatur yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir.

LAMPIRAN

Pada bagian ini berisi hasil perolehan data dari pengujian yang telah dilakukan.

(25)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Surya

Salah satu energi terbarukan yang melimpah ketersediaannya yaitu energi surya. Sekitar setengah energi matahari masuk mencapai permukaan bumi.

Jumlah energi surya yang mencapai permukaan bumi sangat besar. Bila dibandingkan, energi surya dua kali lebih banyak daripada semua sumber non- terbarukan seperti batu bara, minyak, gas alam, dll.

Indonesia adalah salah satu negara yang memiliki potensi energy radiasi surya yang sangat besar. Indonesia terletak di daerah khatulistiwa yang menyebabkan Indonesia beriklim tropis dan menerima radiasi surya yang hampir sama sepanjang tahunnya. Potensi energy surya rata-rata nasional adalah 16 MJ/hari. Potensi energi ini dapat digunakan untuk sebagai sumber energi termal maupun sebagai sumber energi listrik dengan menggunakan sel photofoltaik.

Matahari mempunyai diameter 1,39×10⁹ m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya.

Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×10¹¹ m. Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.Gambar 2.1 menunjukkan jarak antara matahari dan bumi.

Gambar 2.1 Jarak antara matahari dan bumi[5]

(26)

Jarak terdekat adalah 1,47x10¹¹ m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011, sedangkan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak 1,52x10¹¹m.

Perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi harian yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda. Beberapa istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi surya adalah:

1. Massa udara (m)

Massa udara adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m = 1, pada sudut zenit 60⁰, m = 2.

2. Radiasi beam

Radiasi beam adalah radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung.

3. Radiasi difusi

Radiasi difusi adalah radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan atmosfer.

4. Radiasi total

Radiasi total adalah jumlah beam dan radiasi difusi.

5. Laju radiasi [ m²]

Laju radiasi adalah energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut. Laju radiasi biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan intensitas radiasi.

6. Jam matahari

Jam matahari (solar time) adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda

(27)

dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). Untuk mencari nilai STD digunakan persamaan yang diajukan oleh Duffie dan Beckman [5].

ST= STD ± 4(Lst–Lloc) + E………...2.1

Sementara E adalah persaman waktu yang dihitung dengan persamaan :

E = 229,2(0,000075 + 0,001868cosB – 0,032077 sinB − 0,014615cos2B

−0,04089sin2B)…...…....……….……...………...…..2.2

L_st adalah standar meridian untuk waktu lokal, sementara L_loc adalah derajat bujur daerah yang diukur.

Dalam menghitung energi radiasi surya yang sampai ke suatu permukaan perlu dipertimbangkan beberapa sudut, karena garis edar sumbu matahari yang cukup kompleks. Gambar 2.2 menunjukkan beberapa istilah sudut yang sering digunakan dalam analisis energi surya[5].

Gambar 2.2 Beberapa sudut dalam perhitungan energi radiasi surya[5]

Beberapa sudut dalam perhitungan energi radiasi surya antara lain:

1. Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal.

2. Sudut ϕ adalah sudut lintang dimana posisi permukaan berada

(28)

3. Sudut deklinasi δ yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya.

Nilai sudut ini diperoleh dengan menggunakan persamaan yang diajukan oleh Cooper (Duffie, 2013) :

δ = 23,45 sin (

)………. ... 2.3 atau dapat juga menggunakan persamaan yang lebih teliti, yang diajukan Spencer (Duffie, 2013)

δ = 6,918x10^-3 – 3,99912cosB + 0,070251sinB – 0,006758cos2B + 9,07x10^-4 sin2B – 0,002679cos3B + 0,00148sin3B ... 2.4

Dimana nilai n merupakan nilai urutan hari dalam satu tahu yang dapat yang diperoleh dari tabel 2.1

Tabel 2.1 Urutan hari dalam tahun[5]

No Bulan Nilai n pada hari ke-i

1 January I

2 February 31 + i

3 Maret 59 + i

4 April 90 + i

5 Mei 120 + i

6 Juni 151 + i

7 Juli 181 + i

8 Agustus 212 + i

9 September 243 + i

10 Oktober 273 + i

11 November 304 + i

12 Desember 334 + i

(29)

4. Sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang.

Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15⁰ dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15⁰. Nilai dari ω dihitung dengan persaaman berikut :

ω = 15(STD − 12) + (ST − STD) ×

... 2.5 Radiasi surya yang sampai ke permukaan bumi dapat dihitung secara analitis[6]. Radiasi harian yang sampai ke bumi berbeda setiap harinya, karena lintasan bumi yang berbentuk elips.

Radiasi pada hari ke-n dirumuskan oleh Duffie dan Beckman[5]:

Gon = Gsc (1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B +

0,000719 cos 2B + 0, 000077 sin 2B) ... ...2.6

Dimana, B diperoleh dengan menggunakan rumus:

B =(n-1) x³⁶⁰

365 ...2.7 cos θ_z= cosθ cos δ cos ω + sinθ sin δ ... 2.8

Parameter lain yang digunakan untuk perhitungan radiasi secara teoritis yaitu, estimasi bahwa langit dalam kondisi cerah. Maka dalam hal ini perlu diketahui ηb diperoleh dengan persamaan[5]:

ηb = a_o + a₁ exp

(

θ

)

... 2.9 Dimana, nilai masing-masing parameter:

ao = ro (0,4237 - 0,0082 (6 – A)²) ... 2.10 a1 = r1 (0,5055 + 0,00595 (6.5 – A)²) ... 2.11 k = rk (0.2711 + 0.01858 (2.5 – A)²) ... 2.12

Dimana, A adalah ketinggian (km) dan r0, r1, dan rk adalah koreksi akibat iklim.

Nilai faktor koreksi akibat iklim ditampilkan pada tabel 2.2 berikut ini:

(30)

Tabel 2.2 Faktor koreksi akibat iklim

Iklim r₀ r₁ r_k

Tropical 0,95 0,98 1,02

Midiatude summer 0,97 0,99 1,02 Subartic summer 0,99 0,99 1,01 Midiatude winter 1,03 1,01 1,00

Radiasia beam adalah radiasi matahari yang jatuh langsung ke permukaan bumi.

Nilai radiasi beam diperoleh dengan persamaan[5]:

G_beam = G_on

η

b cos θ_z ... 2.13 Radiasi difusi adalah radiasi hasil pantulan atmosfer. Nilai radiasi difusi dihitung dengan persamaan[5]:

Gdifusi = Gon cosθz (0,271 – 0,294

η

b) ... 2.14 Maka total radiasi teoritis dihitung dengan persamaan[5] :

G_total = G_beam + G_difusi ... 2.15

2.1.1 Pemanfaatan Energi Surya

Semakin berkembangnya zaman dan meningkatnya populasi manusia ini mengakibatkan penggunaan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui seperti bahan bakar fosil yang semakin meningkat. Sehingga para ilmuwan telah mencoba mengembangkan potensi sumber daya alam yang dapat diperbaharui contohnya air, angin dan energi surya. Pada pembahasan di bawah ini adalah tentang pemanfaatan energi surya, terdapat dua macam pemanfaatan energi surya yaitu:

1. Pemanfaatan photovoltaic

Panel surya (photovoltaic) ini dapat dimanfaatkan sebagai penangkap panas radiasi matahari yang akan diubah menjadi energi listrik dan dapat digunakan pada rumah-rumah atau perkantoran. Panel surya yang mengubah energi surya menjadi energi listrik hanya memiliki efisiensi sekitar 10%[7].

Gambar 2.3 menunjukkan pemanfaatan energi surya dengan memanfaatkan teknologi photovoltaic.

(31)

Gambar 2.3 Teknologi photovoltaic.

2. Pemanfaatan termal

Terdapat beberapa pemanfaatan termal terbesar yang sudah dilakukan dan diterapkan dibeberapa negara yaitu:

a. Pemanas air tenaga surya (Solar water heater)

Pemanas air tenaga surya (Solar water heater) adalah memanfaatkan panas dari radiasi matahari untuk memanaskan air dengan menggunakan kotak kolektor sebagai penangkap panas radiasi matahari tersebut. Air yang telah dipanaskan akan disimpan pada tabung atau tanki air dan kemudian akan digunakkan untuk keperluan seperti mandi, mencuci pakaian dan lain sebagainya. Gambar 2.4 menunjukkan pemanas air tenaga surya.

Gambar 2.4 Pemanas air tenaga surya

(32)

b. Pemasak tenaga surya (Solar cooker)

Pemasak tenaga surya (Solar cooker) adalah salah satu pemanfaatan panas radiasi matahari yang digunakan untuk memasak makanan seperti memasak nasi.

Berikut gambar 2.4 menunjukkan Solar cooker.

Gambar 2.5 Solar cooker

c. Pengering tenaga surya (Solar drier)

Pengering tenaga surya (Solar drier) ini adalah suatu pemanfaatan panas radiasi matahari yang digunakan untuk memanaskan udara yang berada pada kotak kolektor lalu dialirkan ke dalam rumah pengering untuk mengeringkan produk-produk pertanian. Alat pengering tenaga surya ini dapat digunakkan untuk mengeringkan produk-produk pertanian seperti kopi, cabe, dan lain sebagainya.

Gambar 2.6 menunjukkan solar drier.

Gambar 2.6 Solar drier

d. Solar air-conditioning

Solar air-conditioning ini adalah pemanfaatan panas radiasi matahari yang akan memanaskan suatu kolektor tabung hampa udara yang akan memanaskan air untuk menggerakkan sebuah chiller dan menghasilkan udara yang digunakan

(33)

sebagai pendingin ruangan. Gambar 2.7 menunjukkan bagian-bagian solar air- conditioning.

Gambar 2.7 Solar air-conditioning

e. Solar chimney

Solar chimney ini adalah sebuah alat sirkulasi udara dengan menggunakan cerobong sebagai aliran udara, udara yang dipanaskan oleh energi surya akan bergerak keluar cerobong dan biasanya akan dipasang turbin, yang mana turbin tersebut akan digerakkan oleh panas udara yang keluar dari cerobong dan dapat menghasilkan energi listrik. Gambar 2.8 menunjukkan bagian-bagian utama solar chimney.

Gambar 2.8 Solar chimney

f. Solar distilation water

Solar distillation water atau purification ini adalah pemanfaatan panas radiasi yang mana panas radiasi ini berfungsi untuk melakukan proses penguapan

(34)

pada air laut untuk memisahkan air dengan garam setelah itu uap akan dikondensasikan menjadi air tawar. Gambar 2.9 menunjukkan bagian-bagian solar distillation water.

Gambar 2.9 Solar distilation water

g. Solar powerplant

Solar powerplant merupakan pemanfaatan panas radiasi surya dalam skala yang sangat besar, solar powerplant ini dapat dilakukan di daerah gurun sehingga pemanfaatan nya maksimal. Solar powerplant ini menggunakkan sistem reflektor yang mana paparan sinar dari matahari direfleksikan ke tower yang akan menghasilkan listrik dalam jumlah yang sangat besar. Gambar 2.10 menunjukkan solar power plant di Noor Complex, Morocco.

Gambar 2.10 Solar powerplant

(35)

2.2 Perpindahan Panas

Pemanas air tenaga surya atau populer disebut sebagai solar water heater merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi termal dan banyak digunakan, terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan.

Pemanas ini bekerja dengan memanfaatkan radiasi matahari yang akan di serap oleh plat absorber dan ditransfer ke fluida yang bersirkulasi melalui pipa tembaga dalam kolektor. Dalam proses ini juga digunakan prinsip perpindahan panas radiasi, konduksi, dan konveksi

2.2.1 Perpindahan Panas Konduksi

Konduksi adalah transfer energi dari partikel yang memiliki energi lebih besar ke substansi dengan energi yang lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi interaksi antara partikel. Gambar 2.11 menunjukkan Skema perpindahan panas secara konduksi.

Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi

Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier[12] : Qc = -k, A (

) ... 2.16 dimana :

Qc = Laju perpindahan panas (Watt) k = Konduktivitas Termal (W/m.K)

A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2) (

) = Gradien temperatur dalam aliran panas (^oK/m)

(36)

2.2.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang melalui dua media yaitu media padat dan media fluida, dimana perpindahan panas ini mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah.

Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold, apakah laminar ataupun turbulent. Gambar 2.12 menunjukkan perpindahan panas secara konveksi[13].

Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut[13] :

Re=

..

...2.17 dimana :

Re = bilangan Reynold

V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s) L = panjang kolektor (m)

p = massa jenis (kg/m3)

= viskositas dinamik (kg/m.s)

Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut : Re ≤ 5x10⁵ untuk aliran Laminar

Re ≥ 5x10⁵ untuk aliran Turbulen

(37)

Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut Qh = h.A.(▲Tº)...2.18 dimana :

h = koefisien konveksi (W/m2.K) A = luas permukaan kolektor surya (m2)

▲T = perbedaan temperatur (K) Qh = laju perpindahan panas (Watt)

Kolerasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan panas konveksi

1. Konveksi Paksa

Konveksi paksa adalah perpindahan panas pada fluida yang dialirkan secara paksa. Konveksi terdiri atas dua jenis yaitu internal forced convection dan external forced convection. Internal forced convectionadalah konveksi paksa yang terjadi didalam suatu bidang yang memiliki batas aliran, sedangkan external forced convection adalah konveksi paksa dimana fluida yang mengalir tidak memiliki batas aliran. Gambar 2.13 menunjukkan Internal forced convection.

Gambar 2.13 Internal forced convection.

Dalam kajian internal forced convection terdapat beberapa parameter yang berkaitan dengan laju aliran fluida yang perlu diperhatikan, antara lain:

a. Bilangan Reynold

Bilangan Reynold adalah bilangan tanpa dimensi yang menunjukkan jenis aliran fluida. Bilangan Reynold dapat diperoleh dengan persamaan[13]:

(38)

Re = ...2.19 Keterangan:

V = kecepatan rata-rata fluida (m/s) di = diameter dalam tabung (m) ρ = massa jenis (kg m³)

µ = viskositas dinamik

Bila bilangan Reynold berkisar < 2.000 maka alirannya laminar, sedangkan bila berkisar antara > 10.000 maka alirannya turbulen. Bila bilangan Reynold berada diantara 2000 -10000, maka alirannya adalah transisi.

b. Bilangan Nuselt

Bilangan Nuselt adalah rasio pindah panas konveksi dan konduksi normal terhadap batas dalam kasus pindah panas pada permukaan fluida. Bila aliran laminar maka digunakan persamaan[13]:

Nu = 3,66 + [ ( ) ] *( ) + ...2.20 Bila alirannya turbulen maka:

Nu =0,023.Re^0,8.Pr^1/3...2.21 Persamaan di atas berlaku apabila:

(0,7 ≤ Pr ≤ 160) dan (Re > 10.000)

Bila alirannya aliran transisi maka digunakan persamaan yang diajukan oleh Gnielinski (Cengel, 2002):

Nu =

...2.22

Persamaan ini berlaku, apabila:

(0,5 ≤ Pr ≤ 2000) dan (3 x 10³< Re < 5 x 10⁶)

Nilai f diperoleh dengan persamaan Petukhov (Cengel. 2002)

(39)

f= (0,790 ln Re – 1,64)^-2...2.23 Koefisien perpindahan panas konveksi diperoleh dengan menggunakan rumus[13]:

h = Nu

…...2.24

2. Konveksi Natural

Konveksi natural perpindahan panas yang terjadisecara alami yang mengakibatkan terjadinya aliran fluida. Gambar 2.14 memperlihatkan terjadinya konveksi alami pada suatu permukaan.

Gambar 2.14 Konveksi alami pada suatu permukaan

Bilangan-bilangan tanpa dimensi yang sering digunakan untuk menghitung konveksi alamiah adalah[13]:

Gr_L = ...2.25 Ra_L =

= Gr_LPr...2.26 Keterangan:

GrL = Grasholf number RaL = Rayleigh number g = gravitasi bumi Ts = suhu permukaan

(40)

Tr = suhu ruangan L = panjang

v = viskositas kinematik ( μ ρ ) α = diffusitas termal ( k ρ.cp)

Persamaan mencari bilangan Nusselt untuk konveksi alamiah pada pelat luar telah diturunkan secara analitik, dengan asumsi bawah aliran adalah laminar.

Namun faktanya, aliran tidak selalu laminar melainkan turbulent. Bilangan Nusselt pada pelat vertikal dengan Ts konstan dapat dirumuskan sebagai berikut :

Jika bilangan 10^-1<Ra<10¹, maka bilangan Nusselt yang dipakai diitung dengan persamaan[13]:

Nu = 0.68

[ ]...2.27 Jika bilangan Ra< 10⁹, maka bilangan Nusselt yang dipakai dihitung dengan persamaan[13]:

Nu = 0.68

[ ]...2.28 2.2.3 Pepindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi ketika matahari memberikan radiasi panas ke bumi tanpa melalui media perantara.

Gambar 2.15 menunjukkan skema perpindahan panas radiasi[14].

Gambar 2.15 Skema perpindahan panas radiasi

Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer.

(41)

Penukaran panas netto secara radiasi termal diantara dua badan ideal (hitam) dirumuskan sebagai [14]:

q = ζ A ( T14

-T24

) ... 2.29 Dalam praktik pada kolektor surya, permukaan bukan pemancar atau pun penyerap yang sempurna dari radiasi termal. Permukaan “kelabu” semacam ini ditandai oleh fraksi-fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan dan diserap.

Perpindahan panas radiasi antara pelat penyerap dengan kaca dirumuskan oleh (Jansen, 1995)[15].

q =

... ...2.30 Keterangan:

q= laju perpindahan panas radiasi (W) ε= emisivitas bahan

A= luas permukaan (m²)

ζ = kontanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10^-8 W/m² K⁴) T1= temperatur permukaan bidang satu (K)

T₂= temperatur permukaan bidang dua (K)

2.3 Pemanas Air Tenaga Surya (Solar Water Heater)

Pemanas air tenaga surya (solar water heater) ini merupakan suatu produk teknologi yang memanfaatkan panas radiasi matahari untuk memanaskan air, yang cukup banyak digunakan terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Alat pemanas ini pada terbagi atas dua komponen utama yaitu:

1. Kolektor surya; klektor surya ini berfungsi sebagai penangkap panas radiasi matahari yang akan diserap oleh pelat absorber dan ditransfer panasnya ke pipa yang dialirkan air dingin dan akan menghasilkan air panas dengan pemanfaatan energi termal yang diberi dari radiasi matahari ke dalam kolektor.

2. Tangki penyimpanan; tangki penyimpanan ini berfungsi sebagai penyimpanan air panas yang sudah dipanaskan didalam kolektor. Tangki air ini dapat menjaga suhu air yang sudah dipanaskan sebelum nantinya akan digunakan.

(42)

2.3.1 Jenis-jenis Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Alat pemanas air tenaga surya (solar water heater) secara umum dapat diklasifikasikan menjadi alat pemanas air sistem natural dan alat pemanas air sistem paksa (pompa) menurut cara fluida yang bersirkulasi. Sementara itu jika menurut cara fluida menyerap panas dapat dibedakan menjadi alat pemanas surya sistem pemanasan langsung dan alat pemanas surya sistem pemanasan tidak langsung (Ceylan, 2011).

Berdasarkan cara sirkulasi fluidanya, pemanas air tenaga surya dibedakan menjadi dua jenis yaitu: pemanas air tenaga surya sistem thermosypon dan pemanas air tenaga surya sistem aktif.

1. Pemanas air tenaga surya sistem thermosypon (sistem pasif)

Menurut Jansen (1995), pemanas air surya paling sederhana tetapi paling efektif adalah pemanas air surya system thermosypon. Sistem ini hanya terdiri atas sebuah tangki penyimpanan yang ditempatkan pada bagian atas dari deretan kolektor. Fluida pada kolektor akan dipanasi oleh radiasi matahari, kemudian karena perbedaan massa jenis maka fluida panas akan bergerak kearah tangki dan fluida dingin dari tangki akan bergerak turun untuk menggantikan fluida yang dipanaskan. Gambar 2.20 menunjukkan pemanas surya sistem thermosypon[16].

Gambar 2.16 Pemanas air tenaga surya sistem thermosypon Sirkulasi pemanasan seperti ini akan terus berlanjut sampai seluruh sistem kira-kira mencapai temperatur yang seragam. Gerakan sirkulasi ini tidak lagi

(43)

membutuhkan sensor temperatur, alat-alat kontrol, dan pompa sirkulasi serta motor[15].

2. Pemanas air tenaga surya sistem aktif

Sistem aktif didefinisikan sebagai sistem pemanas air yang memerlukan energi tambahan (seperti menggunakan pompa) untuk memindahkan air menuju kolektor supaya air menjadi hangat. Energi yang digunakan untuk menggerakkan pompa dapat diperoleh dari energi listrik maupun dari energi matahari yang diubah menggunakan sel photovoltaic. Perbedaan utama ke dua sistem ini hanya terletak pada tenaga yang digunakan untuk menggerakkan fluida yang akan dipanaskan. Gambar 2.17 menunjukkan Pemanas air tenaga surya sistem aktif.

Gambar 2.17 Pemanas air tenaga surya sistem aktif 2.4 Analisis Sirip

Besarnya laju perpindahan panas benda tidak bersirip dengan benda bersirip berbeda. Pada umumnya, sirip dipasang berfungsi untuk memperluas permukaan dari benda, sehingga laju perpindahan panas konveksinya menjadi besar. Tetapi seberapa besar pengaruh sirip itu di pasang terhadap laju perpindahan panasnya di bandingkan jika tidak di pasang sirip. Yang didinginkan tentunya pengaruh sirip sangat besar terhadap laju perpindahan panas nya agar tidak dirugikan dengan biaya untuk membuat sirip[17].

Apabila sirip dipasang di pipa saluran air yang akan dipanaskan, maka sirip akan dapat membantu pipa saluran air didalam menangkap panas yang diberikan oleh matahari. Semakin luas sirip atau semakin banyak sirip yang akan

(44)

dipasang di pipa saluran air, maka akan semakin besar juga panas yang akan dipindahkan ke air. Dengan demikian pemasangan sirip pada pipa saluran air akan sangat berpengaruh terhadap suhu air keluar pemanas air. Pemilihan bahan sirip juga sangat berpengaruh terhadap besarnya panas yang dapat diterima.

Penggunaan sirip menggunakan bahan tembaga di pilih karena nilai konduktifitas bahan tembaga sangat bagus untuk menghantarkan laju perpindahan panas.

2.4.1 Efisiensi Sirip

Efisiensi sirip dapat dihitung melalui perbandingan antara banyaknya panas yang dilepas dengan banyaknya panas yang dipindahkan jika seluruh sirip suhunya sama dengan suhu dasar sirip dan dapat dinyatakan dengan persamaan[17].

η

=

^{( )}

_{( )}

...2.31 Keterangan:

η : Efisiensi Sirip

h : Koefisien perpindahan panas konveksi, W/m².˚C

Asi : Luas permukaan sirip yang bersentuhan dengan fluida, m²

Asf : Luas permukaan seluruh sirip yang bersentuhan dengan fluida, m² T_i : Suhu permukaan sirip, ˚C

T : Suhu fluida di sekitar, ˚C Tb : Suhu dasar sirip, ˚C

2.5 Analisis Energi Pada Kolektor Surya Plat datar

Dalam sebuah sistem pemanas air tenaga surya, terdapat komponen utama yaitu kolektor surya. Kolektor surya adalah alat yang digunakan untuk menyerap energi radiasi, mengubahnya menjadi panas, dan mentransfernya ke fluida yang mengalir melalui kolektor[27]. Gambar 2.18 menunjukkan kolektor surya pelat datar dan bagian-bagian utamanya.

(45)

Gambar 2.18 Kolektor surya pelat datar dan bagian-bagian utamanya Kolektor surya memiliki bentuk yang bermacam-macam, tetapi yang paling umum digunakan adalah kolektor surya tipe pelat datar. Analisis energi pada kolektor pelat datar meliputi energi yang diterima kolektor pelat datar, energi yang terbuang dan energi berguna yang digunakan untuk memanaskan air.

2.5.1 Analisis Energi yang diterima Kolektor

Panas yang sampai ke kolektor dihitung berdasarkan data aktual yang diperoleh dari alat ukur Hobo. Untuk memperoleh total panas yang diterima pada kolektor digunakan rumus berikut.

Qin = A ∫ dt...2.32 Harga ∫ dt dapat dihitung dari luas dibawah kurva dengan menggunakan metode trapesium. Dimana setiap 1 menit (60 detik) kita menghitung luas dibawah kurva sebagai berikut:

q1 = + ΔX...2.33 Dimana:

q1 = Luas daerah dibawah kurva intensitas dalam 1 menit (60 detik) = Intensitas saat awal penelitian

= Intensitas 1 menit kemudian ΔX = Waktu 1 menit ( 60 detik)

(46)

2.5.2 Energi berguna yang diberikan Kolektor ke air

Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air. Besarnya energi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan rumus[27]:

Qu = ma Cpa (T2 – T1)...2.34 Dimana :

ma : massa air (kg)

Cpa : Panas jenis dari air (kJ/kg.⁰C)

T1 : Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (⁰C) T₂ : Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (⁰C)

2.5.3 Analisis Termal Efisiensi Kolektor

Efisiensi termal kolektor ialah nilai perbandingan antara energi yang digunakan untuk memanaskan air (q_use) dengan energi yang diterima oleh kolektor (q_in). Untuk memperoleh nilai efisiensi kolektor maka digunakan persamaan 2.35 (Duffie and Beckman)[5].

η =

... 2.35 Keterangan:

η = efisiensi kolektor

2.5.4 Analisis Kehilangan Energi pada Kolektor

Kehilangan panas pada kolektor dapat diperoleh dengan menjumlahkan total panas yang terbuang pada sisi kolektor. Pada sisi depan, belakang, samping dan bawah kolektor analisis dapat digunakan dengan menggunakan analisis perpindahan panas secara konveksi dan konduksi, sementara pada sisi atas terdapat analisis yang berbeda sebagai akibat dari jumlah cover yang digunakan.

Gambar 2.19 menunjukkan Skema kehilangan panas kolektor pada sisi bagian atas.

(47)

Gambar 2.19 Skema kehilangan panas kolektor pada sisi bagian atas

Analisis kehilangan panas pada kolektor meliputi panas yang terbuang dari seluruh dinding kolektor (bagian sisi samping dan bagian sisi bawah) dan cover kolektor. Duffie dan Beckman memberikan persamaan berikut ini untuk menghitung koefisien perpindahan panas sisi atas dari sebuah kolektor yang memiliki cover lebih dari 1[5].

Ut={ C

Tpm[^(Tpm–Ta)_{( + f)} ] e _h¹

w}

-1

^{ζ (T}^pm^T^a^)(T^pm ^T^a ⁾

(ε_p 0,00591 h_w)^-1+ 2 + f – 1 + 0,133εp

εg -

... 2.36

Keterangan:

N = jumlah penutup bagian atas

C = 520 (1-0,000051 β²) untuk 0⁰< β< 70⁰. e = 0,430 (1-100/Tpm)

β = kemiringan kolektor εg = emisivitas kaca εp = emisivitas pelat

Ta = Temperatur lingkungan di sekitar kaca Tpm = Temperatur pelat rata-rata (K)

hu = koefisien konveksi angin (W/m²C)

(48)

Sementara nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada permukaan kolektor yang dilalui angin (hu), diberikan oleh Jansen:

hu = 5.7+(3.8 x v) ... ...2.37 dimana, v = kecepatan angin (m/s)

Kehilangan panas pada sisi samping kolektor (bagian sisi samping dan bagian sisi bawah) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

qout,s = U. A. (Tp – Tu)...2.38

qout,s =

...2.39

Keterangan :

T_p = temperatur pelat (◦ C)

T_u,s = temperatur udara di sisi samping kolektor (◦ C) t_p = tebal pelat (m)

t_pu = tebal polyurethane (m) t_al = tebal aluminium profil C (m) k_p = konduktivitas termal pelat (W/m.K)

kpu = konduktivitas termal polyurethane (W/m.K) kal = konduktivitas aluminium profil (W/m.K) hu = koefisien konveksi udara (W/m.K)

hp = koefisien konveksi natural udara di kolektor (W/m.k)

Sehingga didapat Total kehilangan panas pada kolektor dapat diperoleh sebagai total energi yang terbuang dari sebuah kolektor.

Σ Qout = Σ Qout,a + Σ Qout,s+ Σ Qout,db+ Σ Qout,b ... ...2.40

Keterangan:

Σ Qout,a = Total energi yang terbuang dari sisi atap (Joule)

Σ Qout,s = Total energi yang terbuang dari seluruh sisi samping (Joule)

Σ Q_out,db= Total energi yang terbuang dari seluruh sisi depan belakang (Joule) Σ Q_out,b = Total energi yang terbuang dari seluruh sisi bawah(Joule)

(49)

2.5.5 Analisis Energi yang Diterima untuk Memanaskan Air

Duffie dan Beckmanmerumuskan energi yang diterima oleh air diperoleh dengan cara mengalikan energi yang terdapat di dalam kolektor dengan faktor perolehan panas (FR,ave) sebagai berikut[5] :

quse = FR,ave x (Σqin - Σqout) ... ...2.41

Keterangan:

quse = energi yang digunakan untuk memanaskan air (Joule) F_R,ave = faktor perolehan panas rata-rata

Nilai F_R,ave diperoleh dengan menjumlahkan keseluruhan nilai faktor dan dibagi dengan jumlah faktor (n).

FR,ave = ... ...2.42 n = waktu yang digunakan untuk memanaskan air

Untuk menghitung nilai faktor perolehan panas air (F_R) maka harus dicari terlebih dahulu faktor efisiensi sirip kolektor dan faktor aliran fluida kolektor.

Duffie dan Beckman merumuskan nilai faktor perpindahan panas kolektor (FR) diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai berikut[5] :

FR = F’ x F” ...2.43 Keterangan:

F’ = faktor efisiensi sirip kolektor F”= faktor aliran kolektor

Nilai faktor efisiensi sirip kolektor (F^’) diperoleh dengan menggunakan persamaan yang ditawarkan oleh Duffie and Beckman. Berikut adalah persamaan guna mendapatkan nilai efisiensi sirip kolektor [5]:

F = [ ]

... ..2.44 m =

...2.45 Untuk menggunakan persamaan ini perlu diperoleh terlebih dahulu beberapa parameter berikut ini yaitu:

(50)

UL = koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m²K) D = Diameter pipa (m)

W = Jarak antar pipa kolektor (m)

k = konduktivitas termal pelat penyerap (W/mK) δl = tebal pelat penyerap (m)

Untuk menghitung nilai faktor aliran kolektor (F”) digunakan persamaan yang ditawarkan oleh Duffie and Beckman (1991)[5].

F” =

[

] ... 2.46 Keterangan:

F” = faktor aliran kolektor

ṁ = laju aliran massa fluida yang dipanaskan (kg/s) Ac = luas penampang pelat penyerap (m²)

Cp = panas spesifik fluida pada temperatur (Joule/kgK)

(51)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan pada bulan Mei - Agustus 2019. Lokasi penelitian bertempat lantai 4 (empat) di Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Universitas Sumatera Utara.

3.2 Peralatan Pengujian

Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah : 1. Laptop

Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A.

Gambar 3.1 Laptop Dengan spesifikasi:

 Display 14^’’ inchi HD Graphic

 Processor AMD A9-9420, 3.00GHz

 HDD 1 TB

 RAM 4 GB DDR4

 VGA 2 GB 2. Agilient

Alat ini dihubungkan dengan termocouple yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturnya, setelah itu akan disimpan ke dalam flashdisk, setelah itu dipindahkan ke komputer untuk dapat diolah datanya.

(52)

Gambar 3.2 Agilent Dengan Spesifikasi :

a. Daya 35 Watt

b. Jumlah saluran termokopel 20 buah c. Tegangan 250 Volt

d. Mempunyai 3 saluran utama

e. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem control

g. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistance Temperature Detector (RTD) dan termistor,arus listrik AC

3. Hobo Microstation Data Logger

Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke komputer untuk di olah datanya. Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Microstation data logger yaitu :

Gambar 3.3 Hobo Microstation Data Logger 1. Pyranometer

Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi.

2. Wind Velocity Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin

(53)

Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar 4. T and RH Smart Sensor

Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban.

Spesifikasi Hobo Microstation Data Logger:

a. Skala pengoperasian : 20ôC -50 ôC dengan baterai alkalin 40ôC -70 ôC dengan baterai lithium

b. Input Processor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring c. Dimensi : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm

d. Berat : 0,36 Kg

e. Memori : 512 Kb Penyimpanan data nonvolati flash f. Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna) g. Akurasi Waktu : 0 – 2 detik

4. Pemanas Air Tenaga Surya

Pemanas air tenaga surya (PATS) ini menggunakan kolektor plat datar yang berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikannya menjadi energi panas. Kemudian panas tersebut akan diserap oleh air di dalam tangki melalui pipa sirkulasi. Pemanas air ini menggunakan sel surya sebagai sumber daya untuk menggerakkan pompa.

Gambar 3.4 Pemanas air tenaga surya

(54)

yaitu:

1. Spesifikasi Kolektor

a. Dimensi : p x l x t (1,6 x 1,1 x 0,08) m b. Frame : Profil U Aluminium

c. Isolator : Polyurethane d. Pipa Sirkulasi : Tembaga (1/2 inch) e. Absorber : Aluminium 0,6 mm

f. Cover : Kaca 5 mm dan Akrilik 4 mm 2. Spesifikasi Tangki

a. Dimensi : D x t (63 x 89) cm b. Volume : 120 Liter

c. Frame : Aluminium

d. Isolator : Polyurethane dan Glass Woll 3. Spesifikasi Solar Panel

a. Daya (Pmax) : 80 WP b. Voltage (V) : 18 V c. Arus : 5,56 A

5. Pompa

Pompa yang digunakan untuk memompakan air ke dalam pipa sirkulasi berbahan tembaga adalah pompa DC yang memiliki daya cukup rendah. Energi yang digunakan untuk meggerakkan pompa berasal dari solar panel.

Gambar 3.5 Pompa

(55)

Tabel 3.1 Spesifikasi pompa

Daya DC 12 W

Kuat arus 5,4 A Putaran Continuous Daya motor 45 W/ 5400 Rpm Diameter luar 25 mm

Max Head 4 m

Max Rate 70 L/ m

Suhu air 0-60⁰C

Ukuran 135 mm x 110 mm x 85 mm

3.3 Bahan Pengujian

Bahan yang digunakan untuk pengujian adalah air (H2O) sebanyak 120 liter.

Gambar 3.6 Sifat Air

Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H₂O: satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Pada Percobaan ini, Air dari PDAM digunakan sebagai bahan utama pengujian.

(56)

Adapun waktu penelitian ini dilakukan mulai dari bulan Mei s/d Agustus 2019. Berikut tahapan pengujian Pemanas Air Tenaga Surya ini: Pengujian dilakukan selama 7 hari yaitu 20 Agustus 2019 s/d 26 Agustus 2019 mulai dari pukul 08:00 s/d 16:00. Namun data yang ditampilkan dilaporan hanya 4 hari mewakili dari 7 hari pengujian yaitu pada tanggal 20, 22, 23, 26 Agustus 2019.

3.5 Set Up Experimental

Penelitian ini menggunakan Mikro stasiun data Logger untuk mengukur radiasi matahari dan kabel termokopel yang terhubung langsung ke agilent ditempelkan ke plat absorber pada kolektor dan air di tangki. Berikut ini adalah Experimental Set Up pada penelitian ini.

Gambar 3.7 Experimental Setup

Adapun beberapa parameter yang akan diukur ialah : 1. Temperatur Air (T_W).

2. Temperatur Plat ( T_p) 3. Temperatur kaca (Tk) 4. Temperatur akrilik (Ta)

(57)

6. Temperatur Alluminium ( Ts) 7. Radiasi Solar (Grata-rata) 8. Waktu (t)

Tabel 3.2 Titik Pengukuran Temperatur pada Pemanas Air Tenaga Surya

Berikut prosedur dalam pengujian, adapun langkah-langkah pengaturan agilent sebagai berikut :

1. Tentukan titik-titik yang akan diukur pada kolektor surya, yang tertera pada tabel diatas.

2. Hubungkan termokopel yang telah dipasang pada kolektor ke Agilent data acquisition.

3. Tandai kabel-kabel termokopel sesuai chanel pada agilent data acquition dengan memberi label supaya data pengukuran tidak tertukar.

4. Masukkan flasdisk ke port usb.

5. Hidupkan alat dengan menekan tombol on/off.

6. Tekan tombol interval untuk mengatur lama pengukuran yang akan dilakukan. Selanjutnya gunakan tombol pemindah angka dan switch perubah angka untuk mengatur waktu yang diinginkan.

7. Jika batas pengukuran telah dicapai, tekan tombol scan lama sampai muncul scan stop pada display alat, kemudian keluarkan flasdisk.

8. Data pengukuran temperatur telah tersimpan dalam format Microsoft Office Excel dan siap untuk diolah.

Titik 1 Chanel 102 Plat Absorber

Titik 2 Chanel 112 Kaca

Titik 3 Chanel 110 Akrilik

Titik 4 Chanel 105 Sisi sampimg

Titik 5 Chanel 115 ACP

Titik 6 Chanel 117 Air masuk

Titik 7 Chanel 113 Air keluar

Titik 8 Chanel 114 Tangki air

(58)

Tahapan dalam pengujian Pemanas Air Tenaga Surya ini dapat dilihat pada diagram alir penelitian berikut ini: