RANCANG BANGUN ALAT DESALINASI AIR LAUT TENAGA SURYA SISTEM PASIF KEMIRINGAN GANDA DENGAN AIR SEBAGAI PENDINGIN KACA LUAR

Teks penuh

(1)RANCANG BANGUN ALAT DESALINASI AIR LAUT TENAGA SURYA SISTEM PASIF KEMIRINGAN GANDA DENGAN AIR SEBAGAI PENDINGIN KACA LUAR. SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik. JOEL PHANTER NABABAN NIM : 150401024. DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2019. Universitas Sumatera Utara.

(2) Universitas Sumatera Utara.








(10) i. KATA PENGANTAR. Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan Kasih dan Karunia-Nya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Didalam skripsi ini akan membahas mengenai “Rancang Bangun Alat Desalinasi Air Laut Tenaga Surya Sistem Pasif Kemiringan Ganda Dengan Air Sebagai Pendingin Kaca Luar”. 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 materil maupun moril sehingga akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Maka dari itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah berjasa sehingga skripsi ini dapat diselesaikan, yaitu: 1.. Bapak Prof. Dr. Eng. Himsar Ambarita, S.T, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan.. 2.. Bapak Dr. Tulus Burhanuddin Sitorus, S.T, M.T., dan Bapak Terang UHSG Manik, S.T, M.T., selaku dosen pembanding yang telah memberikan masukan dan saran dalam proses penyempurnaan skripsi ini.. 3.. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T.,IPM., dan Bapak Terang U. H. S. Ginting Manik, S.T, M.T., selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera.. 4.. Kedua Orang Tua yang selalu mendoakan, memberikan bantuan moril dan materil serta seluruh keluarga yang turut membantu.. 5.. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama kuliah.. 6.. Rekan satu tim skripsi grup desalinasi yaitu William yang telah berjuang bersama untuk menyelesaikan skripsi ini dan saling bertukar pikiran dan rekan-rekan satu tim SERC yang juga turut membantu.. Universitas Sumatera Utara.

(11) ii. 7.. Abang-abang SERC, Hendrik, Al Qodri, Siwan, Yogie yang selalu memberikan arahan dan bantuan terhadap penulis.. 8.. Teman-teman seperjuangan Departemen Teknik Mesin stambuk 2015 yang ikut membantu dalam memberi semangat serta motivasi. Untuk kemajuan engineering Indonesia, penulis berharap kritik dan saran. yang membangun kedepannya.. Hormat penulis, Medan,. 2019. Joel Phanter Nababan NIM: 150401024. Universitas Sumatera Utara.

(12) ABSTRAK Air bersih memegang peranan dan bertanggung jawab atas kehidupan. Kebutuhan akan air bersih terus meningkat karena penggunaannya di berbagai bidang kehidupan,seperti bidang pertanian, industri, dan populasi. Untuk mencegah terjadinya kekurangan air, sangat penting untuk menunjukkan kesenjangan antara permintaan dan pasokan air minum dengan mengembangkan teknologi pemurnian air. Tenaga surya/energi matahari (sumber energi terbarukan) dalam bentuk penyulingan adalah salah satu teknologi yang paling menjanjikan, sederhana, dan ekonomis untuk pemurnian garam dan air payau Dalam penelitian skripsi ini, akan mengkaji dan membandingkan penyulingan. air. laut/desalinasi. sistem pasif. kemiringan. ganda. teknologi dengan. penambahan air pendingin kaca bagian luar dengan air dilairkan oleh pompa DC bertenaga surya dari photovoltaic dengan tanpa pendingin kaca luar. Dalam penelitian ini, desalinasi kemiringan ganda pasif dengan luas wilayah cekungan seluas 1,932 m2 dengan permukaan kaca 1 m2 dengan dua potong dengan ketebalan kaca 3 mm dan sudut kemiringan kaca 15o. Permukaan air dari dasar 20 mm dan diuji selama 5 hari dimulai pukul 08.00-18.00 WIB. Dengan perancangan alat desalinasi sitem pendingin kaca bagian luar, maka diharapkan akan meningkatkan produktivitas air bersih.. Universitas Sumatera Utara.

(13) ABSTRACT Fresh water plays as the main role in our life. The need for fresh water continues to increase due to its use in various fields of life, such as agriculture, industry and population. To prevent water shortages, it is very important to show the gap between the demand and supply of drinking water by developing water purification technology. Solar power/solar energy (renewable energy sources) in the form of distillation is one of the most promising, simple, and economical technologies for the purification of salt and brackish water with the addition of the outer glass cooling water with water diluted by a solar-powered DC pump from photovoltaics with no outside glass cooler. In this study, passive double slope desalination was designed with a basin area of 1,932 m2 with a glass surface of 1 m2 with two pieces of glass thickness of 3 mm and a glass tilt angle of 15o. Power pump to drain cooling water to the surface of the glass obtained 19,207 watts. Surface water from a base of 20 mm and tested for 3 days starting at 08.00 am - 06.00 pm. By designing an external glass cooling system desalination tool, it is expected to increase the productivity of fresh water.. Universitas Sumatera Utara.

(14) v. DAFTAR ISI. KATA PENGANTAR…….……………………………………………………......................i ABSTRAK…….……………………………………………………......................................iii ABSTRACT…….……………………………………………………....................................iv DAFTAR ISI…….……………………………………………………....................................v DAFTAR GAMBAR…….……………………………………………………....................viii DAFTAR TABEL…….……………………………………………………..........................ix DAFTAR NOTASI…….…………………………………………………….........................xi. BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang……….…………………………………………………………… 1 1.2 Perumusan masalah……………………………………………………………….. 2 1.3 Tujuan Penelitian ………………………………………………………………… 2 1.4 Batasan Masalah…………………………………………………………………. 3 1.5 Manfaat Penelitian………………………………………………………………. 3 1.6 Sistematika Penulisan……………………………………………………………. 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Surya……………………………………………………………………….6 2.1.1 Teori Dasar Radiasi………………………………………………………….. 6 2.2. Pemanfaatan Energi Surya……………………………………………………… 8. 2.3 Perpindahan Panas……………………………………………………………… 14 2.2.1. Perpindahan Panas Konduksi……………………………………...……... 14. 2.2.2. Perpindahan Panas Konveksi……………………………………… ……... 16. 2.2.3. Perpindahan Panas Radiasi………………………………………...……... 18. 2.4 Teori Dasar Desalinasi………………………………………………………….. 19 2.4.1 Klasifikasi Sistem Desalinasi……………………………………………… 21 2.4.1.1 Solar Still ................................................................................... ………. 21 2.4.1.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi ......................... ………. 22 2.4.1.3 Solar Multi Stage Flash Desalination ........................................ ………. 23 2.4.1.4 Solar Multi Effect Distilation ...................................................... ……….. 25. Universitas Sumatera Utara.

(15) vi. 2.4.1.5 Desalinasi Kompresi Uap ............................................................ ………. 28. 2.4..1.6 Freeze Desalination ................................................................... ……….. 28 2.4.1.7 Desalinasi Absorbsi..................................................................... ..……… 30 2.4.1.8 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya ................................ ………. 31. 2.4.2 Desalinasi Tenaga Surya Sistem Pasif .............................................. ………. 33. 2.4.2.1 Desalinasi Tenaga Surya Sistem Pasif Dengan Kemiringan Ganda ............................................................... ……….. 37 2.5 Persamaan- Persamaan Dasar aliran fluida ............................................. ………. 38 2.5.1 Persamaan Pada Pompa.................................................................... ………. 38 BAB III METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Waktu Dan Tempat penelitian………………………………………................... 40 3.2 Alat dan Bahan…………………….……………………………………………. 40 3.2.1 Alat…………………………………………………………………..……… 40 3.2.2 Bahan……………………………………………………………….……… 44 3.2.3 Alat Ukur………………………………………………………….. ……… 45 3.3 Objek Penelitian………………………………………………………....……... 47. 3.4 Perangkat yang Digunakan……………………………………………...…….. 47. 3.5 Diagram Alir Perancangan……………………………………………….......... 48. 3.5.1 Studi Literatur………………………………………………..............……... 49. 3.5.2 Eksperimen Dan Pengumpulan……………………………………....……... 49. 3.6 Proses Perancangan…………………………………………………...……….. 51. BAB IV HASIL DAN DISKUSI 4.1 Desain Alat …………………………………………………...............…………52 4.1.1 Desain Evaporator……………………………………………….…………. 52 4.1.2 Desain Kaca Penutup Evaporator………………………………….......……. 57 4.1.3 Desain Pipa PVC…………………………………...…………...…………… 58 4.1.4 Desain Pipa Penampung Air Pendingin…………...………….............…….. 58 4.1.5 Desain Bak Penampung…………………………...…………............……… 59 4.2 Perhitungan daya pompa air pendingin……………………………....……............59 4.3 Rancang Bangun Alat ……………..………………...………….......................... 62 4.3.1 Tahap Awal Pembuatan Basin dan Rangka…...…………............................ 62. Universitas Sumatera Utara.

(16) vii. 4.3.2 Tahap Memasang tangki air laut.................................................................62 4.3.3 Tahap Isolasi Basin…………………..………...……....................................... 62 4.3.4Tahap Pengisian Air Laut ke Dalam Basin...…………...………....................... 63 4.3.5 Tahap Pemasangan Kaca Evaporator...…………...………..…….....................63 4.3.6 Tahap Pemasangan Agilent...…………...…..…………………........................64 4.3.7 Instalasi Pompa Dan Pipa Air Pendingin...……...………..……..................... 64 4.3.8 Tahap Pengujian…………………......…………...………..……......................63 4.4 Validasi Perancangan……………………………...…………………..…………..65 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan…………………………………...…………...……………...............67 5.2 Saran…………………………………...…………...……………......................... 67. DAFTAR PUSTAKA............................................................................................................68 LAMPIRAN. Universitas Sumatera Utara.

(17) viii. DAFTAR TABEL. Tabel 2.1. Konduktivitas termal beberapa bahan …………………………………. 16. Tabel 4.1. Tabel Biaya Perancangan……………………………………………….. 63. Tabel 4.2. Produksi Air Setiap Setengah Jam……………………………………... 66. Universitas Sumatera Utara.

(18) ix. DAFTAR GAMBAR. Gambar 1.1. Model Alat Solar Desalinasi….…………………………………….…….. 3. Gambar 2.1. Jarak antara matahari dan bumi….……………………………………….. 6. Gambar 2.2. Photovoltaic….…………………………………………………………… 9. Gambar 2.3. Solar water heater….…………………………………………………….. 10. Gambar 2.4. Solar cooker….……………………………………………………..……. 10. Gambar 2.5. Solar dryer….……………………………………………………………. 11. Gambar 2.6. Solar ponds….……………………………………………………..…….. 12. Gambar 2.7. Solar architecture….…………………………………………………….. 12. Gambar 2.8. Solar air-conditioning….……………………………………………….. 12. Gambar 2.9. Solar chimney….………………………………………………….……... 13. Gambar 2.10 Solar distilation water….………………………………………….…….. 14. Gambar 2.11 Solar power plant….……………………………………………….……. 14. Gambar 2.12 Skema perpindahan panas konduksi….…………………………………. 15. Gambar 2.13 Skema perpindahan panas konveksi….…………………………………. 17. Gambar 2.14 Skema perpindahan panas radiasi….……………………………………. 18. Gambar 2.15 Solar Still….……………………………………………………….…….. 22. Gambar 2.16 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi….………………………. 23. Gambar 2.17 Solar Multi Stage Flash Desalination….……………………………...... 25. Gambar 2.18 Solar Multi Effect Distilation….…………………………………..……. 26. Gambar 2.19 Desalinasi Kompresi Uap….……………………………………….……. 27. Gambar 2.20 Freeze Desalination….…………………………………………….……. 29. Gambar 2.21 Desalinasi Absorbsi.……………………………………………….…….. 31. Gambar 2.22 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya….………………………….. 32. Gambar 2.23 Diagram penyuling tenaga surya ….…………………………………….. 35. Gambar 2.24 Desalinasi Tenaga Surya Kemiringan Ganda….………………………….. 37 Gambar 3.1. Evaporator….…………………………………………………………….. 40. Gambar 3.2. Kaca Penutup Evaporator….……………………………………………. 41. Gambar 3.3. Pipa PVC….………………………………………………………..…….. 41. Gambar 3.4. Pompa….………………………………………………………………… 42. Gambar 3.5. Photovoltaic….……………………………………………………..……. 43. Gambar 3.6. Bak penampung ….………………………………………………….……. 43. Gambar 3.7. Sterofoam….……………………………………………………….…….. 44. Universitas Sumatera Utara.

(19) x. Gambar 3.8. Alumunium Foil….………………………………………………..……… 44. Gambar 3.9. Agilent….…………………………………………………………..…….. 46. Gambar 3.10 Gelas Ukur….……………………………………………………..……… 46 Gambar 3.11 Laptop….…………………………………………………………..…….. 47 Gambar 3.12 AutoCAD Mechanical 2016….………………………………………….. 48 Gambar 3.14 Diagram Alir Perancangan….…………………………………………….. 49 Gambar 3.15 perbandingan suhu rata-rata,kedalaman,dan produktivitas………………… 50 Gambar 4.1. Desain Alat….……………………………………………………...…….. 52. Gambar 4.2. Evaporator….…………………………………………………………….. 57. Gambar 4.3. Kaca….……………………………………………………………..……. 58. Gambar 4.4. Pipa PVC….……………………………………………………….…….. Gambar 4.5. Pipa penampung….………………………………………………..………. 58. Gambar 4.6. Bak Penampung….………………………………………………..………. 59. Gambar 4.7. pembuatan basin dan rangka ……….….…………………………………. 62. Gambar 4.8. pemasangan tangki air laut ….……………………………………………. 62. Gambar 4.9. Tahap isolasi basin …………….…………………………………………. 63. 58. Gambar 4.10 pengisian air laut ……………………….….……………………...……… 63 Gambar 4.11 pemasangan kaca evaporator ….………………………………………….. 64 Gambar 4.12 Pemasangan Agilent ……….….………………………………………….. 64 Gambar 4.13 Instalasi Pompa dan Pipa ….……………………………………………… 65 Gambar 4.14 Proses pengujian ….……………………………………………………….. 65. Universitas Sumatera Utara.

(20) xi. 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. 0. 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. Ts. Temperatur permukaan benda. 0. C, K. T∞. Temperatur lingkungan. 0. C, K. ε. efektifitas. Hp. Head Pompa. m. Z. Head Statis total. m. V. Kecepatan Aliran fluida. m/s. F. koefisien kerugian gesek. WP. Daya Pompa. 𝜎. konstanta Stefan-Boltzmann. W/m2.K4. 𝑚̇. laju aliran massa fluida. kg/s. Th,i. Temperatur fluida panas masuk. 0. C, K. Th,o. Temperatur fluida panas keluar. 0. C, K. Tc,i. Temperatur fluida dingin masuk. 0. C, K. Tc,o. Temperatur fluida dingin keluar. 0. C, K. 𝑇̅ℎ. Temperatur rata-rata fluida panas. 0. C, K. 𝑇̅𝑐. Temperatur rata-rata fluida dingin. 0. C, K. Ac. Luas permukaan bidang kontak fluida. m2. Q. Laju perpindahan panas. W. C, K. Watt. Universitas Sumatera Utara.

(21) xii. U. Koefisien perpindahan panas menyeluruh. W/m2.K. 𝑘𝑢. Kalor penguapan suhu tengah. J/k. 𝑡. Waktu. s. Universitas Sumatera Utara.

(22) 1. BAB I PENDAHULUAN. 1.1. Latar Belakang Seiring berjalannya waktu, air bersih semakin dibutuhkan manusia dalam. kehidupan sehari-hari, mulai kebutuhan air untuk minum sampai kebutuhan lain seperti memasak, mencuci mandi dan lainnya serta karena peningkatan taraf hidup manusia. Maka dengan itu, produksi air bersih juga harus diimbangi supaya kebutuhan air dapat tercukupi, sebab menurut United Stations Organization bahwa pada tahun 2025, diperkirakan 1800 juta jiwa di dunia akan mengalami kelangkaan air bersih (UN Water) [1]. Saat ini sumber air bersih yang dapat diperoleh dari mata air, sungai, danau, laut, namun sumber air saat ini sebagian besar sudah terkontaminasi zat kimia dan beracun yang berbahaya untuk manusia seperti polusi udara yang menyebabkan air hujan bercampur dengan zat-zat asap industri dan asap kendaraan. Masalah tersebut dapat diatasi dengan pemanfaatan air laut, sebagai mana kita tahu air laut sangat berlimpah karena 2/3 dari wilayah Indonesia merupakan lautan atau 71% permukaan bumi. Maka dengan itu persediaan air laut dipastikan tidak akan habis. Akan tetapi air laut tidak dapat digunakan secara langsung karena memiliki kadar garam yang tinggi yaitu sekitar 3 % [2]. Supaya air laut dapat digunakan, maka perlu diubah menjadi air tawar terlebih dahulu, proses inilah yang dikenal dengan desalinasi. Desalinasi secara umum berarti menghilangkan garam dari air laut atau air asin. Air laut dipanaskan hinnga menguap dan kemudai uap yang dihasilkan dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan adalah konsentrat garam. Menurut World Health Organization (WHO) [3], batas yang diperbolehkan dari salinitas dalam air adalah 500 bagian per juta (ppm) dan untuk kasus khusus hingga 1000 ppm. Sebagian besar air yang tersedia di bumi memiliki salinitas hingga 10.000 ppm, dan air laut biasanya memiliki salinitas dalam kisaran 35.000–45.000 ppm dalam bentuk total garam terlarut. Kelebihan berlebihan menyebabkan masalah rasa tidak enak, masalah perut, dan efek. Universitas Sumatera Utara.

(23) 2. laksatif. Tujuan dari sistem desalinasi adalah untuk membersihkan atau memurnikan air payau atau air laut dan menyuplai air dengan total padatan terlarut dalam batas yang diizinkan yaitu 500 ppm atau kurang. Untuk menghasilkan air bersih dari proses desalinasi sudah banyak peneliti yang melakukannya. Produksi air yang dihasilkan dari proses desalinasi sebelumnya masih sangat rendah. Energi yang digunakan juga termasuk mahal karena banyak menggunakan energi konvensional seperti menggukan bahan bakar fosil untuk melaksanakan proses produksi air bersih. Sistem energi terbarukan menghasilkan energi dari sumber yang tersedia secara bebas di alam. Ciri utama adalah ramah terhadap lingkungan, yaitu tidak menghasilkan limbah berbahaya. Produksi air tawar dengan teknologi desalinasi yang didorong oleh sistem energi terbarukan dianggap sebagai solusi yang layak untuk kelangkaan air di daerah terpencil yang ditandai dengan kurangnya air minum dan sumber energi konvensional[3]. Proses desalinasi tenaga surya system pasif merupakan proses yang sangat sederhana. Desalinasi pasif tenaga surya tidak memerlukan tenaga ahli dalam perawatannya dan memerlukan biaya operasi dan pemeliharaan yang murah. Desalinasi pasif tenaga surya cocok digunakan di daerah Indonesia dimana sinar matahari berlimpah. Alat desalinasi pasif tenaga surya dibuat pada sudut kemiringan 15° menghadap arah timur dan barat hal ini dibuat dengan tujuan untuk menyerap jumlah yang lebih tinggi dari radiasi matahari dibandingkan dengan satu sudut yang dibuat mengarah ke selatan atau utara. Dengan melakukan penelitian tentang system desalinasi yaitu menghasilkan air minum / air tawar dari air laut dapat membantu mengatasi kekurangan air bersih dan tidak hanya mengharapkan air hujan, maka diusulkan penelitian tentang Rancang Bangun dan Pengujian Alat Desalinasi Air Laut Tenaga Surya Sistem Pasif dengan Kemiringan Ganda. Penjelasan setiap sistem desalinasi akan dibahas lebih lanjut pada Tinjauan Pustaka. 1.2. Perumusan Masalah Dalam skripsi ini, permasalahan yang akan diselesaikan adalah sebagai berikut:. Universitas Sumatera Utara.

(24) 3. 1. Bagaimana memperoleh dimensi dari alat desalinasi 2. Bagaimana memperoleh daya pompa minimal untuk mendinginkan kaca bagian luar alat desalinasi air laut 3. Bagaimana perbandingan produksi alat dengan pendingin kaca luar dan alat tanpa pendingin kaca luar. 1.3. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Mengetahui dimensi rancangan evaporator, sudut kemiringan kaca penutup dan dimensi kaca penutup pada alat desalinasi 2. Mengetahui daya pompa untuk mengalirkan air pendingin. 1.4. Batasan Masalah Adapun batasan masalah dalam penelitian ini yaitu: 1. Penelitian dilakukan di lantai 4 Magister Teknik Mesin USU dengan posisi lintang 3,43° LU dan derajat bujur 98,44° BT 2. Penelitian dilakukan dari pukul 08.00 – 18.00 3, Penelitian dilakukan dari tanggal 25,26,27 Juni 2019 dan 6,8 Juli 2019 4. Air yang didestilasi berasal dari laut Pantai Bali Lestari Medan 5. Kedalaman air dalam evaporator 20 mm. 6. Desalinasi pasif dengan sistem kemiringan ganda dengan sudut kaca 15° dan tebal kaca 3mm. 7. Desain menggunakan software Autocad Mechanical 2016. 1.5. Manfaat Penelitian Beberapa manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah: 1. Sebagai langkah untuk penyediaan air bersih yang ramah lingkungan dengan memanfaatkan energi terbarukan 2. Penelitian ini berhubungan dengan mata kuliah Energi Surya, Perpindahan Panas, Mekanika Fluida, sehingga ilmu-ilmu tersebut dapat diterapkan dan dikembangkan. Universitas Sumatera Utara.

(25) 4. 3. Berpotensi untuk peluang bisnis yang dapat digunakan dalam jangka panjang 4. Selain mendapatkan air bersih, penelitian ini juga dapat memproduksi garam 5. Untuk memberikan sumbangan data dan referensi yang diperlukan bagi peneliti selanjutnya.. 1.6. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:. BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat, dan sistematika penulisan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pada bab ini akan dibahas mengenai teori yang berhubungan dengan judul penelitian yang diambil dari berbagai sumber seperti buku, jurnal, skripsi maupun e-book. BAB III METODOLOGI PENELITIAN Pada bab ini akan dibahas mengenai langkah-langkah ataupun metode yang dilakukan untuk melakukan penelitian dalam menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan judul.. Universitas Sumatera Utara.

(26) 6. BAB II TINJAUAN PUSTAKA. 2.1. Energi Surya Matahari merupakan salah satu sumber daya yang dapat diperbarui dengan. ketersediaan yang melimpah dengan memancarkan energi radiasinya. Jumlah matahari yang masuk kedalam permukaan bumi adalah dalam jumlah yang sangat besar. Apabila dilakukan perband ingan, maka jumlah energi radiasi surya lebih banyak jika dibandingkan dengan gas alam, batu bara, minyak, beserta sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui lainnya. Sinar matahari mencapai permukaan bumi dengan cara perpindahan panas radiasi, sehingga telah banyak dikembangkan pemanfaatan energi matahari salah satunya pembangkit listrik dengan bantuan sel surya. [4]. 2.1.1. Teori Dasar Radiasi Matahari mempunyai diameter 1,39 x 109 m. Bumi mengelilingi matahari. dengan lintasan berbentuk elipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya, jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49 x 1011 m. Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi yaitu (Gsc) 1367 W/m2. Berikut adalah gambar yang menunjukan jarak antara matahari dengan bumi.[5]. Gambar 2.1 Jarak antara matahari dan bumi [5]. Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47 x 1011 m yang terjadi. Universitas Sumatera Utara.

(27) 7. pada tanggal 3 Januari 2011, dan terjauh pada tanggal 3 Juli dengan jarak 1,52 x 1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.[5] Beberapa istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi 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 zenith 600, m = 2. Pada sudut zenith dari 0-700, dirumuskan[5]: 𝟏. m =𝒄𝒐𝒔 𝜽. (2.1). 𝒛. Keterangan: m = massa udara θz = sudut zenith 2. Radiasi beam Radiasi beam adalah radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering disebut dengan radiasi langsung (direct solar radiation). 3. Radiasi difusi Radiasi difusi adalah radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokan atmosfer. 4. Radiasi total Radiasi total adalah jumlah beam dan diffuse radiation. 5. Laju radiasi (W/m2) Laju radiasi adalah laju radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar Irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi. 6. Irradiation atau Radian Exposure (J/m2) Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada. Universitas Sumatera Utara.

(28) 8. interval waktu yang diinginkan , misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I. 7. Jam Matahari (Solar Time) Jam matahari adalah waktu yang berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). Persamaannya adalah[5]: ST = STD ± 4 (Lst – Lloc ) + E. (2.2). Keterangan: ST. = jam matahari. STD = jam standard Lst. = meridian untuk waktu daerah setempat, sementara. Lloc = derajat bujur daeah yang diukur. Dimana E adalah persamaan waktu yang dihitung dengan persamaan Spencer, 1981: E = 229,2(0,000075 + 0,00186cosB – 0,032077sinB – 0,014615cos2B – 0,04089 sin2B). (2.3). Keterangan: E = persamaan waktu B = variable hari. Dimana, B diperoleh dengan menggunakan persamaan: 𝟑𝟔𝟎. B=(n-1)𝟑𝟔𝟓. (2.4). Keterangan: B = variable hari n. 2.2. = nilai urutan hari dalam satu tahun. Pemanfaatan Energi Surya Dalam era ini, penggunaan sumber daya alam yang tidak dapat. diperbaharui semakin meningkan seiring dengan jumlah populasi manuasi yang. Universitas Sumatera Utara.

(29) 9. meningkat juga, kemajuan teknologi dan lain-lain. Namun ketersedian akan sumber daya alam yang dapat diperbarui berbanding terbalik dengan sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui. Sehingga para ilmuwan telah mencoba mengembangkan potensi sumber daya alam yang dapat diperbaharui contohnya air, angin dan energi surya.. Berikut dibahas tentang beberapa aplikasi energi surya, antara lain: 1. Pemanfaatan photovoltaic Pemanfaatan energi surya ini adalah untuk menghasilkan energi listrik. Photovoltaic adalah sektor dimana memanfaatkan. energi. surya. untuk. menghasilkan energi listrik, pemanfaatan photovoltaic ini memiliki efisiensi sekitar 10 %. Berikut adalah gambar dari Photovoltaic.. Gambar 2.2 Photovoltaic[6]. 2. Pemanfaatan termal Terdapat sembilan pemanfaatan termal yang sudah dilakukan dan diterapkan dibeberapa negara, yaitu:. a. Solar water heater Prinsip kerja pemanas air tenaga surya adalah memanaskan air dengan memanfaatkan energi surya. Air dialirkan ke pipa-pipa yang pipih, biasanya dicat warna hitam untuk memaksimalkan penyerapan energi surya. Air ysng telah mencapai suhu yang diinginkan disimpan ke sebuah silinder sebagai tempat penyimpanan. Pemanas air tenaga surya juga dapat memanaskan air menggunakan. Universitas Sumatera Utara.

(30) 10. listrik jika cuaca hujan atau mendung. Gambar berikut menunjukkan pemanas air tenaga surya.. Gambar 2.3 Solar water heater[6]. b. Solar cooker. Gambar 2.4 Solar cooker [6]. Solar cooker adalah alat memasak yang mengunakan energi surya. Solar cooker ini juga memiliki berbagai bentuk konstruksi. Beberapa bentuk memiliki cara kerja yang sedikit berbeda, tapi pada prinsipnya solar cooker mengunakan energi surya, dan diubah menjadi energi panas untuk memasak makanan. c. Solar dryer Pada. negara-negara. berkembang,. produk-produk. pertanian. dan. perkebunan sering1 dikeringkan mengunakan tenaga matahari. Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan solar dryer. Cara kerja alat ini. Universitas Sumatera Utara.

(31) 11. adalah udara yang masuk ke dalam kolektor akan dipanaskan oleh energi surya, udara yang telah panas kemudian masuk ke dalam kotak pengering, kotak pengering inilah yang diisi produk-produk pertanian yang akan dikeringkan. Gambar 2.5 menunjukkan bagian-bagian utama solar dryer.. Gambar 2.5 Solar dryer [7]. d.. Solar ponds Solar ponds tergolong ke dalam aplikasi teknologi tenaga surya yang. memiliki skala cukup besar. Cara kerja alat ini adalah garam yang mengendap di dasar dan disinari matahari akan bertambah panas. Panas ini digunakan untuk memutar. turbin.. Mengunakan. prinsip. rankine. organik.. Gambar. 2.6. memperlihatkan konstruksi solar ponds.. Gambar 2.6 Solar ponds [8]. e. Solar architecture Dalam bidang arsitektur, pemanfaatan energi surya telah dikembangkan. Pemanfaatan dalam bidang ini sudah cukup banyak diterapkan di Jepang. Dari. Universitas Sumatera Utara.

(32) 12. segi artistik juga mendapatkan tanggapan positif demikian juga dari segi pemanfaatan energi termalnya. Fungsi dari solar architecture adalah untuk membuat ruangan menjadi nyaman. Gambar 2.7 menunjukkan desain perumahan yang berdasar pada solar architecture.. Gambar 2.7 Solar architecture [9]. f. Solar air-conditioning Penggunaan air-conditioning mencapai puncaknya pada saat matahari terik atau panas. Inilah yang dimanfaatkan menjadi solar air-conditioning. Cara kerja alat ini dengan menggunakan kolektor tabung hampa panas yang memanaskan air untuk mengerakkan sebuah chiller penyerapan sinar matahari secara langsung. Udara digunakan sebagai pendingin. Dengan teknologi ini juga, kerusakan atmosfer dapat dihindarkan. Gambar 2.8 menunjukkan bagian-bagian solar air-conditioning.. Gambar 2.8 Solar air-conditioning [6]. g. Solar chimney Solar chimney digunakan untuk ventilasi pada gedung-gedung besar. Sirkulasi udara menjadi baik dan ruangan menjadi tidak terlalu panas. Biasanya. Universitas Sumatera Utara.

(33) 13. juga digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara kerja alat ini adalah udara dipanaskan oleh energi surya. Udara yang panas akan cenderung bergerak ke atas dan keluar melalui cerobong. Pada cerobong biasanya dipasang turbin. Udara yang bergerak ke atas akan mengerakkan turbin, sehingga menghasilkan listrik. Gambar 2.9 menunjukkan bagian-bagian utama solar chimney.. Gambar 2.9 Solar chimney [6]. h. Solar distilation water Solar distillation atau purification digunakan untuk memurnikan air maupunmemisahkan air dengan garam. Cara kerja alat ini adalah air laut dipompakan setelah itu melewati kolektor, dengan panas dari energi surya ini, air akan menguap dan menyisakan garam. Uap dikondensasikan menjadi air. Sehingga didapat dua hasil yaitu garam dan air tawar. Gambar 2.10 menunjukkan bagian-bagian solar distillation water.. Gambar 2.10 Solar distilation water [6]. Universitas Sumatera Utara.

(34) 14. i. Solar power plant Solar power plant merupakan aplikasi dengan skala yang sangat besar, bisa diaplikasikan di daerah gurun. Dapat menghasilkan listrik dalam kapasitas yang sangat besar. Cara kerja alat ini ialah energi surya yang terpapar ke reflektor, direfleksikan ke tower yang di tengah. Dari tower itulah energi surya dikumpul dan digunakan untuk menghasilkan listrik. Gambar 2.11 ini menunjukkan solar power plant di. Seville, Spanyol.. Gambar 2.11 Solar power plant [6] 2.3. Perpindahan Panas Salah satu bidang ilmu yang berperan dalam perancangan alat Solar Dryer. ini adalah Perpindahan Panas. Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Panas adalah suatu bentuk energi yang dapat ditransfer dari suatu sistem ke sistem lain sebagai fungsi dari perbedaan suhu. Jumlah energi yang ditransfer ini disebut sebagai perpindahan panas. [10] Perpindahan panas ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Perpindahan panas diklasifikasikan kedalam 3 bahagian: konduksi, konveksi dan radiasi.. 2.3.1. Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas yang melalui. media hantaran solid atau padat. Konduksi adalah transfer energi dari partikel yang memiliki energi lebih besar ke substansi dengan energi lebih rendah dan sebagai hasilnya terjadi. Universitas Sumatera Utara.

(35) 15. interaksi antar partkel [10]. Gambar 2.13 menunujukkan skema perpindahan panas secara konduksi.. Gambar 2.13 Skema perpindahan panas konduksi [11] Persamaan Umum Konduksi: q=-k.A.. ∆𝑻. (2.5). 𝒙. Keterangan: q. = laju perpindahan panas konduksi (W). A = luas penampang dimana panas mengalir (m2) ∆T = perubahan temperatur (K) k. = konduktivitas termal (W/m.K). x. = tebal masing-masing pelat (m). Konduktivitas termal bahan berbeda-beda tergantung jenis bahan tersebut. Jika konduktivitas semakin tinggi, maka benda tersebut dapat menghantarkan panas dengan baik, begitu juga sebaliknya. Pada kolektor surya pelat datar, bahan dengan konduktivitas termal yang baik akan digunakan sebagai pelat penyerap dan pipa sirkulasi, sedangkan bahan dengan konduktivitas yang buruk digunakan sebagai isolator untuk mengurangi kerugian panas yang terjadi. Tabel 2.1 berikut menunjukkan beberapa jenis bahan dengan konduktivitasnya.. Universitas Sumatera Utara.

(36) 16. Tabel 2.1 Konduktivitas termal beberapa bahan [12] No. Bahan. Konduktivitas Termal (W/m.K). 1. Tembaga. 401,0. 2. Aluminium. 211,0. 3. Timah Putih. 66,0. 4. Baja, 1 % karat. 45,0. 5. Bahan Tahan Karat. 16,0. 6. Kaca. 1,05. 7. ABS. 0,27. 8. Polikarbonat. 0,2. 9. Karet Alam 30 durometer. 0,14. 10. Karet Alam 70 durometer. 0,17. 11. Isolasi Papan Serat Kaca. 0,043. 2.3.2. Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya. media perantara berupa gerakan fluida atau zat alir. Konveksi adalah bentuk dari transfer energi diantara permukaan padat dan fluida yang bergerak dan terkandung efek kombinasi konduksi dan fluida bergerak.. Universitas Sumatera Utara.

(37) 17. Gambar 2.13 Skema perpindahan panas konveksi [11]. Persamaan Umum Konveksi: q=-k.A.∆T. (2.6). Keterangan: q. = laju perpindahan panas konveksi (W). A = luas penampang dimana panas mengalir (m2) ∆T = perubahan temperatur (K) h. = koefisien perpindahan panas konveksi (W/mK) Adapun konveksi sendiri dibagi menjadi dua, yaitu:. 1. Konveksi paksa Konveksi paksa adalah perpindahan panas fluida yang dialirkan secara paksa. Konveksi paksa terdiri atas dua jenis yaitu internal forced convection dan external forced convection.. Dalam kajian internal forced convection terdapat beberapa parameter yang berkaitan dengan laju aliran fluida yang perlu diperhatikan, antara lain: a. Bilangan Reynold Merupakan bilangan nondimensional yang menunjukkan jenis aliran fluida. b. Bilangan Nusselt Merupakan bilangan tanpa dimensi lainnya setelah bilangan Reynold.. Universitas Sumatera Utara.

(38) 18. 2.. Konveksi natural Konveksi natural adalah perpindahan panas konveksi yang terjadi secara. alamiah yang melibatkan terjadinya aliran fluida. Gambar n memperlihatkan terjadinya konveksi natural suatu permukaan. Bilangan-bilangan. tanpa. dimensi. yang. sering. digunakan. untuk. menghitung konveksi natural adalah [11] -. Bilangan Grasholf. -. Bilangan Rayleigh Persamaan mencari bilangan Nusselt untuk konveksi natural pada pelat. luar telah diturunkan secara analitik, dengan asumsi bahwa aliran adalah laminar, namun, faktanya, aliran tidak selalu laminar melainkan turbulen.. 2.3.3. Perpindahan Panas Radiasi Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang tidak. membutuhkan media perantara baik itu solid ataupun fluida. Energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi di ruangan vakum.. Gambar 2.14 Skema perpindahan panas radiasi [11]. Perpindahan panas netto secara radiasi termal diantara dua badan ideal (hitam) diberikan oleh Gray, 1974. Persamaan Umum Radiasi: q = σ.A.(T14-T24). (2.7). Universitas Sumatera Utara.

(39) 19. Dalam praktik kolektor surya, permukaan bukan pemancar ataupun penyerap yang sempurna dari radiasi termal. Permukaan kelabu semacam ini ditandai oleh fraksi-fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan dan diserap. Perpindahan panas radiasi antar pelat penyerap dengan kaca dirumuskan oleh Jansen, 1995. q=. 𝝈.𝑨.(𝑻𝟏 𝟒 −𝑻𝟐 𝟒 ) 𝟏 𝟏 + −𝟏 𝜺𝟏 𝜺𝟐. (2.8). Keterangan: q. = laju perpindahan panas radiasi (W). ε. = emisivitas bahan. A = luas penampang dimana panas mengalir (m2) σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2K) T1 = temperatur permukaan bidang satu (K) T2 = temperatur permukaan bidang dua (K) Sementara itu perhitungan fraksi-fraksi radiasi pada suatu permukaan yang terkena radiasi matahari yaitu (Holfman, 1986): a. Radiasi yang menyentuh permukaan bidang satu per satuan luas penampang: 𝒒. = 𝑨. 𝒌𝑳. 𝒒. (T2 -T1)+ 𝑨 = Eb1 -F12 . J21 𝒙. (2.9). Keterangan: 𝑞 𝐴. = radiasi yang mengenai permukaan bidang persatuan luas penampang (W/m2). 𝑞 𝐴. = radiasi matahari (W/m2). Eb1 = fraksi radiasi pada permukaan satu (W/m2) = σ.T14 F12 = fraksi radiasi antara bidang satu dan dua. Universitas Sumatera Utara.

(40) 20. J21. = radiosivitas radiasi permukaan dua terhadap permukaan satu. 2.4. T eori Dasar Desalinasi Desalinasi adalah prosedur fisik untuk memisahkan kelebihan garam. terlarut dari air, payau dan air laut, atau larutan garam berair untuk mengumpulkan air isi dengan kadar garam rendah untuk penggunaan yang sesuai, seperti minum, industri, farmasi, kota, atau air rumah tangga. Desalinasi adalah prosedur industri murni dan sistem energi intensif terlepas dari prosesnya, mengurangi biaya energi sebagai masalah ekonomi utama [1]. Desalinasi dibatasi pada kualitas air tawar. Saat ini peningkatan demografis, dan peningkatan konsumsi industri yang luar biasa, yang menyebabkan kelangkaan sumber daya air yang cepat. Sumber air bersih alami dan secara bersamaan aliran air dan sumur alami tercemar limbah industri, rumah tangga, atau masyarakat. Bagian polusi terbesar adalah pertanian. Dari semua air yang tersedia di suatu wilayah, pertanian mengkonsumsi sekitar 70% sisanya untuk semua kebutuhan lainnya. Sejumlah besar pupuk kimia, pestisida, dan insektisida ditarik jauh oleh air hujan, aliran air yang berpolusi, akuifer, saluran air alami, sehingga sumber air segar berkurang [1]. Salah satu metode pemurnian air adalah penyulingan. Proses distilasi menggunakan sumber panas untuk menguapkan air. Tujuan distilasi adalah memisahkan molekul air murni dari kontaminan dengan titik didih lebih tinggi daripada air. Dalam proses distilasi, air pertama dipanaskan sampai mencapai titik didihnya dan mulai menguap. Temperatur yang stabil memastikan penguapan air berlanjut, namun mencegah kontaminan air minum dengan titik didih lebih tinggi dari penguapan. Selanjutnya, air yang diuapkan ditangkap dan dipandu melalui sistem tabung ke wadah lain. Akhirnya, dikeluarkan dari sumber panas, uap mengembun kembali ke bentuk cair aslinya. Kontaminan memiliki titik didih lebih tinggi daripada air yang berada dalam wadah aslinya. Proses ini menghilangkan sebagian besar mineral, kebanyakan bakteri dan virus, dan bahan kimia yang memiliki titik didih lebih tinggi daripada air. Untuk alasan ini, penyulingan kadang dinilai sebagai metode untuk mendapatkan air minum murni. [2].. Universitas Sumatera Utara.

(41) 21. 2.4.1. Klasifikasi Sistem Desalinasi. 2.4.1.1 Solar Still Solar Still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak melalui kaca untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut sehingga terjadi evaporasi, karena perbedaan tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang berada tepat dibawah kemiringan kaca [22]. Gambar 2.15 Menunjukkan sistem solar still sederhana. Kelebihan menggunakan solar still: 1. Konstruksi yang sederhana 2. Kondensasi tidak memerlukan kondensor, proses kondenasi terjadi pada kaca 3. Mudah dalam perawatannya Kelemahan menggunakan Solar Still: 1. Laju produksi air bersih perhari rendah 2. Sebagian uap air yang terkondensasi pada kaca dapat. langsung jatuh. kembali bercampur dengan air laut yang belum berevaporasi 3. Proses evaporasi lambat karena uap air laut dipanaskan pada tekanan atmosfer.. Universitas Sumatera Utara.

(42) 22. Gambar 2.15 Solar Still [22]. 2.4.1.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi Ide utama dibalik proses humidification-dehumidification adalah uap saturasi dapat membawa udara dengan kapasitas yang semakin banyak dengan meningkatnya temperatur. Air laut akan melalui pemanasan awal sebelum disemprotkan kedalam evaporator.pemanasan terjadi pada dua fluida, yakni air laut dan angina. Pemanasan pada angin bertujuan untuk disirkulasikan kedalam ruang evaporator-kondensor. Sesuai dengan ide utama sistem ini, udara panas membawa uap dari pemanasan air laut ke ruang kondensor yang berada tepat disebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang tidak berevaporasi akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam [23]. Gambar 2. Menunjukkan sistem desalinasi surya humidifikasi-dehumidifikasi Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi 1. Efektif dalam produksi air bersih 2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah 3. Konsentrat garam masih mengandung air dapat diproses ulang Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi: 1. Konstruksi yag kompleks. Universitas Sumatera Utara.

(43) 23. 2. Air laut yang tidak berevaporasi dibiarkan jatuh bebas ke tempat penampungan dapat menimbulakn percikan air sehingga memungkinkan terkontaminasi konsentrat garam ke air bersih jika isolasi tidak baik 3. Meskipun menggunkaan energi surya sebagai sumber pemanas, sistem masih menggunakan energi listrik unutk mensirkulasikan udara dan air laut. Gambar 2.16 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi [23] 2.4.1.3 Solar Multi Stage Flash Desalination Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air laut pengumpan dipanaskan diatas temperatur saturasi dan pemanas konsentrat garam dan mengalami perubahan fasa secara cepat dalam bak tekanan rendah yang dipertahankan dengan menggunkaan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diperbolehkan untuk berubah fasa tingkat berikutnya dan uap dibentuk disetiap tingkat. dikondensasikan dengan. menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu [25] Kelebihan solar multi stage flash desalination: 1. Laju produksi air bersih sangat tinggi. Universitas Sumatera Utara.

(44) 24. 2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari kolektor surya 3. Adanya tangka penyimpanan kalor yang dapat menyuplai energi panas selama 24 jam Kelemahan solar multi stage flash desalination: 1. Konstruksi sistem yang kompleks 2. Tangki penyimpan kalor (Thermal Energi Storage) dan pompa vakum ynag mahal 3. Perawatan sulit dan mahal. Gambar 2.18 Solar Multi Stage Flash Desalination [24]. 2.4.1.4 Solar Multi Effect Distilation Unit Multi-Effect Distilation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disbeut efek yang dipertahankan pada tekkanan rendah dengan pompa vakum. Panas yang dibutuhkan unutk mengepavorasi air laut pada efek pertama disuplai dari kumpulan kolektor surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air laut pengumpan pada. Universitas Sumatera Utara.

(45) 25. efek selanjutnya. Sehingga, panas laten ynag diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED[26] Kelebihan soalr multi effect destilation: 1. Proseess pemansan dilakukan secara bertingkat, sehingga tdak ada konsentrat garam yang terkandung dalam air bersih 2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah efek 3. Laju prosuksi air bersih tinggi Kelemahan solar multi effect destilaton: 1. Proses pemvakuman menggunakan pompa vakum dimana pada pasaran pompa vakum sangat mahal 2. Masih menggunakan energi listrik pada sistem 3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks. Gambar 2.19 Solar Multi Effect Distilation [25]. 2.4.1.5 Desalinasi Kompresi Uap Dalam desalinasi kompresi uap, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas ekternal dan berubah fasa menjadi uap, sehingga uap yang diprosuksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC) atau Thermo Vapor Compressor (TVC) unutk meningkatkan tekanan kondensasi. Universitas Sumatera Utara.

(46) 26. dan temperatur uap terkompresi digunakan unutk memanaskan air pengumpan pada tingkat yag sama maupun tingkat yang lain [27] Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap: 1. Pemanasan menggunakan pemanas air listrik sehingga perawatannya lebih mudah. 2. Konstruksi sistem yang sederhana 3. Air bersih tidak akan terkontaminasi dengan air laut di kondensor Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap: 1. Komponen sistem yakni pompa dan kompressor mahal 2. Masih menggunakan energi listrik yang tidak sedikit 3. Tidak cocok dalam memproduksi air bersih unutk skala kecil. Gambar 2.20 Desalinasi Kompresi Uap [26]. 2.4.1.6 Freeze Desalination Desalinasi beku adalah teknik dimana air laut dibiarkan unutk didinginkan dibawah titik beku, sehingga kristal es dari air bersih yang terbentuk di permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak langsung, desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku operasi vakum (Rane. Universitas Sumatera Utara.

(47) 27. dkk, 2011) [28]. Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan refrigeran (biasanya n-butana) dicampur langsung dengan air laut pengumpan dalam pembeku sehingga panas dari air laut akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembekuan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air bersih dalam bentuk kristal es. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, unutk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konveksional tidak ekonomis, sehingga dewasa ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas karena dapat mengkontaminasi kristal es. Ukuran dari alat pencairan dan pembersihan dapat diperkecil dengan memperkecil jumlah dalam air sehingga biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk,1997) [29]. Dalam desalinasi beku kontak tidak langsung, pendingin dan air laut yang tidak dicampur satu sama lain, merea dipisahkan dalam bentuk kristal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas [28]. Dalam sistem desalinasi bentuk vakum, air laut umpan didinginkan dibwah three point dengann mengurangi tekanan unutk mrnghasilkan tekanan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensasi di ruangbeku. Metode ini membutuhkan kompressor ukuran besar karena colume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum compression freese desalination. Kelebihan Freeze Desalination; 1. Efisiensi sistem desalinasi sangat tinggi 2. Konstruksi murah 3. Laju produksi air bersih tinggi Kelemahan Freeze Desalination: 1. Sistem masih menggubakan energi listrik 2. Perawatan sistem sulit 3. Membutuhkan kompressor yang besar sehingga biaya konstruksi sistem mahal. Universitas Sumatera Utara.

(48) 28. Gambar 2.21 Freeze Desalination [27]. 2.4.1.7 Desalinasi Absorbsi Sistem utama desaliansi absorbsi terdiri dari evaporator, dudukan absorbsi (silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan absorbsi disupali dengan air panas atau pendingin sesuai kebutuhan. Air laut yang menguap di evaporator diserap oleh dudkan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh sirkulasi air pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air terjebak di dalam dudukan dipu;ihkan oleh sirkulasi air panas, uap air yang telah dipulihkan dikondensasikan dalam kondensor dan hasil kondensasi berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua dudukan, absorbsi berlangsung di satu dudukan dan desorbsi berlangsung di dudukan lain secara bersamaan [30] Kelebihan sistem desalinasi adsorbsi: 1. Laju produski air berih yang tinggi 2. Air bersih yang dihasilkan berkualitas tinggi kerena melalui distilasi ganda 3. Air bersih tidak mungkin terkontaminasi oleh konsentrat garam Kelemahan sistem desalinasi adsorbsi: 1. Konstruksi yang kompleks dan mahal karena memerlukan distilasi ganda 2. Perawatan sistem sulit. Universitas Sumatera Utara.

(49) 29. 3. Masih menggunakan energi listrik (pompa) untuk mensirkulasikan air dingin dan air panas. Gambar 2.22 Desalinasi Absorbsi [30] 2.4.1.8 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Dalam desalinasi RO (Reverse Osmosis) tenaga surya, energi mekanik yang dihasilakn oleh aliran fluida organik secara langsung digunkaan unutk menjalankan unit RO dan pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO akan berguna unutk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat memotong emsis CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit tambahan biaya modal (Sacedo dkk, 2012).[31] Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal:. Universitas Sumatera Utara.

(50) 30. 1. Adanya tangkipenyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal selama 24 jam 2. Proses pemanasan sangat cepat karena dibantu oleh boiler 3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyupali baik energi termal maupun energi listrik yang dibutuhkan sistem Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal: 1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua pompa yang bertekanan tinggi 2. Perawatan sistem yang sulit 3. Konstruksi kompleks yang mahal. Gambar 2 23 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya [31]. 2.4.2. Desalinasi Tenaga Surya Sistem Pasif Energi surya ditemukan paling cocok untuk memasok energi yang. dibutuhkan untuk proses desalinasi baik dalam bentuk energi panas, energi mekanik atau energi listrik. Sistem distilasi tenaga surya telah dipelajari,. Universitas Sumatera Utara.

(51) 31. dirancang dan digunakan di seluruh dunia. Sistem distilasi tenaga surya dikategorikan menjadi sistem pasif dan aktif [14]. Penyuling tenaga surya adalah prosedur yang menggunakan radiasi matahari secara langsung. Sinar matahari ditangkap di perangkat yang diseb ut penyuling tenaga surya di mana radiasi matahari diserap oleh air di baskom yang masih dan diubah menjadi energi panas yang menguapkan air di penyulingan. Uap yang tercipta mengembun di bagian dalam permukaan penutup yang lebih dalam dan masih tertutup oleh selokan. Ini adalah prosedur yang berlangsung bersamaan di perangkat yang sama, penyuling tenaga surya [12]. Proses distilasi membutuhkan energi yang bisa dijalankan, yang bisa didapat dengan menggunakan sumber energi terbarukan seperti tenaga surya. Penyemprotan air bertenaga surya dapat didefinisikan sebagai ukuran untuk memisahkan dan mengekstrak air bersih dengan penguapan. Ini bisa sangat berguna untuk mengubah air laut, payau atau bahkan air yang terkontaminasi menjadi air bersih yang aman untuk diminum [13]. Proses desalinasi mengkonsumsi sejumlah besar energi, dan banyak negara di dunia, terutama mereka yang menderita kekurangan air yang parah, tidak dapat memenuhi energi yang dibutuhkan untuk desalinasi. Untungnya, banyak dari negara-negara tersebut berada di daerah dengan tingkat insolation tinggi. Oleh karena itu, desalinasi tenaga surya bisa menjadi alternatif yang sesuai, disediakan nuansa teknologi yang efisien untuk memanfaatkan energi matahari dengan biaya yang efektif. Energi surya dapat digunakan untuk menghasilkan air tawar secara langsung di dalam matahari secara langsung atau tidak langsung dimana energi termal dari sistem energi matahari dipasok ke unit desalinasi [15]. Penyuling tenaga surya sangat sederhana, murah dan menggunakan energi matahari dan mereka tidak memerlukan energi kelas tinggi sehingga tidak menghasilkan gas berbahaya yang akan mempengaruhi bumi. Apalagi tenaga surya masih mudah dibangun dan dioperasikan. Akhirnya penyuling tenaga surya bisa lebih ekonomis daripada teknologi desalinasi lainnya untuk menyediakan air bagi rumah tangga dan komunitas kecil [16]. Desain dan fabrikasi penyuling tenaga surya sederhana yang menghasilkan hasil sekitar 4 – 6 l/(m2 hari), yang cukup untuk keluarga [17]. Prinsipnya adalah melakukan desalinasi dengan sinar. Universitas Sumatera Utara.

(52) 32. matahari yang panas. Untuk meningkatkan efisiensi penyerapan panas, watolith air laut perlu dicat hitam, sehingga uapnya bisa dikondensasi menjadi air tawar pada panel kaca atau film plastik dengan transmitansi matahari yang tinggi. Sebagai metode desalinasi tertua, penyuling tenaga surya memiliki kelebihan dari biaya operasi rendah dan perangkat sederhana, namun kerugiannya adalah bahwa ruang perangkat berukuran besar, hasil per unit rendah, dan properti termal dapat dipengaruhi oleh area dan kondisi iklim yang berbeda. Saat ini, produksi air tawar per hari dengan perangkat sederhana hanya 3 – 4 kg / (m2 d) [34]. Dengan tidak adanya batasan konsentrasi awal dan kemurnian air tawar yang tinggi, penyuling tenaga surya sangat sesuai untuk daerah kekurangan air dengan suhu tinggi dan waktu sinar matahari yang lama. Air tawar juga bisa diperoleh dengan alat serupa di daerah dimana sumber panas atau panas yang tersedia cukup panas [18].. Gambar 2.24. Diagram penyuling tenaga surya [18] Penyuling tenaga surya terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak melalui kaca untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang berada tepat dibawah kemiringan kaca [19]. Kinerja penyulingan matahari terutama dipengaruhi oleh tiga faktor: (i) iklim seperti suhu sekitar, intensitas radiasi matahari dan kondisi cuaca; (ii) desain seperti geometri dan sudut kemiringan; dan (iii) operasional seperti orientasi kedalaman air laut dan air laut. Studi tentang suhu lingkungan sekitar. Universitas Sumatera Utara.

(53) 33. menunjukkan bahwa kenaikan suhu sekitar 10° dari 23° C dapat menyebabkan kenaikan 8% pada produktivitas tetap [20]. Kecepatan angin mungkin dua kali lipat; Di satu sisi, peningkatan kecepatan angin dapat mempercepat penghilangan panas dari penutup kaca sehingga mendinginkan tutup kaca dan meningkat, dengan demikian, laju kondensasi dan penguapan. Sementara di sisi lain, bagaimanapun, peningkatan kecepatan angin juga dapat menyebabkan meningkatnya laju kehilangan panas oleh konveksi dari sistem dan kemudian mengurangi tingkat penguapan [20]. Persamaan karakteristik telah digunakan untuk hasil eksperimen matahari pasif yang masih menghasilkan persamaan karakteristik linier dan non linier untuk kondisi musim dingin dan musim panas. Sudut kemiringan kondensasi yang berbeda (15°, 30°, 45°) telah dipilih untuk kondisi musim dingin dan musim panas keduanya. Telah diamati bahwa penyulingan matahari pasif dengan kemiringan 45° memberikan kinerja yang lebih baik baik di musim dingin maupun musim panas. Kedalaman air yang berbeda (0,04, 0,08, 0,12, dan 0,16 m) juga telah diambil untuk penyulingan matahari dengan sudut kemiringan 30° untuk kondisi cuaca musim panas. Perbandingan efisiensi gain dan loss sesaat pada kedalaman 0,01 dan 0,04 m untuk sudut kemiringan 15° juga telah dilakukan untuk menunjukkan pengaruh kedalaman air pada kinerja stills surya [21]. Ditemukan bahwa kedalaman air yang lebih rendah memberikan efisiensi yang lebih baik, yang sesuai dengan banyak penyidik. Kurva efisiensi keuntungan sesaat dan kerugian telah dianalisis secara bersamaan untuk memberikan pemahaman yang lebih baik mengenai kinerja stills surya. Metode yang diusulkan akan digunakan untuk membakukan parameter desain dan operasional solar pasif, yaitu sudut kemiringan dan kedalaman air untuk hasil tertinggi untuk kondisi iklim tertentu [21].. Universitas Sumatera Utara.

(54) 34. 2.4.2.1 Desalinasi Tenaga Surya Sistem Pasif Dengan Kemiringan Ganda. Gambar 2.25 Desalinasi Tenaga Surya Kemiringan Ganda[36]. Proses destilasi akan lebih efektif dengan menggunakan kemiringan ganda maka karena sinar matahari yang di terpancar dapat diterima baik dari arah timur maupun dari arah barat. Daerah tempat terjadi pemuaianpun jelas lebih luas yang mengakibatkan air dapat lebih cepat mencapai titik jenuh dan memuai menjadi uap dikarenakan ketebalan air yang tipis yang memungkinkan cepatnya terjadinya konduksi antara partikel-partikel air. Dilihat dari gambar klasifikasi di atas maka kita dapat mengetahui berbagai cara dan metode dalam melakukan percobaan tentang proses desalinasi air laut. Salah satu dari klasifikasi dari gambar diatas yang kita gunakan ialah solar still dengan passive system, atau sering disebut dengan desalinasi sederhana. Radiasi matahari memainkan peran penting untuk mempercepat proses penguapan di dalam penyuling tenaga surya system pasif dengan kemiringan ganda. 2.5. Persamaan- Persamaan Dasar aliran fluida. 2.5.1. Persamaan Pada Pompa Pompa adalah sebuah alat mekanik sederhana namun penting dalam. menyalurkan tenaga untuk memindahkan cairan dengan laju aliran tertentu [32].. Universitas Sumatera Utara.

(55) 35. Untuk menghitung kebutuhan daya pompa yang diguakan dalam instalasi alat, diperlukan untuk mencari beberapa factor seperti kerugian gaya gesek, kerugian karna belokan/elbow [32]. 1.Kesetimbangan Energi Jumlah energi (E) yang masuk ke sistem = Jumlah energi (E) yang keluar sistem, atau dapat dirumuskan ke dalam persamaan[32]: (E1 + WP) = (E2 + ∆Ef + ∆Em ). (2.10). Dimana: E = energi WP = Daya Pompa Ef = Kerugian Energi Karena Gesekan Em = Kerugian minor (kerugian karena belokan/elbow) 2. Persamaan Bernoulli pada pompa 𝑃1. Hp + 𝛾1 + z1 +. 𝑣12. =. 2𝑔. 𝑃2. + z2 + 𝛾2. 𝑣22 2𝑔. +H. (2.11). Dimana: Hp = Head pompa (m) 𝑃 𝛾. = Head Tekanan (Pa). Z = Head Statis total (m) 𝑣2 2𝑔. = Head kecepatan. 3. Kerugian energi karena gaya gesek Merupakan suatu kerugian aliran yang disebabkan oleh adanya gesekan antara fluida dengan dinding saluran pipa lurus. Besarnya head loss mayor dapat dihitung dengan persamaan Darcy-Weysbach sevagai berikut: 𝐿. ∆Ef = f +. 𝑉2. (2.12). 𝐷𝑖 2𝑔. Dimana: f = koefisien kerugian gesek L = Panjang Pipa (m) D = Diameter dalam pipa (m) V = Kecepatan Aliran fluida (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2) besarnya nilai f dapat diketahui dari jenis aliran yang terjadi. Unutk aliran laminar, besarnya koefisien gesek (f) dapat dihitung dengan persamaan 64. f= Re. (2.13). Universitas Sumatera Utara.

(56) 36. untuk aliran turbulen, besarnya koefisien gesek (f) dapat dihitung dengan persamaan Darcy. Rumus ini berlaku atas dasar kerugian head untuk panjang pipa ratusan meter. f= 0.020+. 0.0005. (2.14). 𝐷. Dimana: D= diameter dalam Pipa Nilai f dapat juga dicari dengan menggunakan diagram Moody dengan menarik 𝜀. garis harga Re diplotkan dengan harga Relative Roughness ( 𝐷) 4. Head loss minor Kerugian yang disebaban oleh adanya gesekan yang terjadi pada komponen tambahan seperti elbow, katup dan lainnya sepanjang jalur pemipaan. Besarnya head loss minor tergantung dari koefisien tahanan (f) asesoris yang digunakan. 𝑉2. H=f2𝑔. (2.15). Dimana : f = koefisien kerugian gesek V = kecepatan aliran fluida (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2). Universitas Sumatera Utara.

(57) 37. BAB III METODOLOGI PERANCANGAN. 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian Rancang bangun ini dilakukan pada Februari 2019- Juli 2019. Lokasi. penelitian bertempat di Laboratorium Sustainable Energi Research Centre Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. 3.2. Alat Dan Bahan. 3.2.1 Alat Dalam penelitian ini, akan digunakan beberapa alat, untuk perancangan dan penentuan serta argumen dimensi akan dibahas pada bab IV. Alat yang dipakai dalam penelitian ini antara lain sebagai berikut: 1. Evaporator Dalam penelitian ini, akan digunakan evaporator sebagai ruang pemanasan air laut. Evaporator merupakan bagian yang sangat penting dalam laju produksi air bersih. Evaporator dilengkapi dengan alat ukur rol untuk mengatur ketinggian air laut yang dibatasi dengan ketinggian maksimal 20 mm. Spesifikasi evaporator dalam penelitian ini sebagai berikut:. Gambar 3.1 evaporator. Universitas Sumatera Utara.

(58) 38. 2. Kaca Penutup Evaporator Penutup evaporator menggunakan kaca bening dengan tebal 3 mm dan ukuran 1000 mm x 1000 mm, argumen dan perancangan dimensi alat akan dibahas pada bab IV.. Gambar 3.2 Kaca Penutup Evaporator 3. Tangki Air Laut Tangki berfungsi sebagai tempat penampungan sementara air laut sebelum di masukkan ke dalam evaporator. Tangki air laut yang digunakan adalah botol air mineral dengan volume 19 L. Untuk volume dari tangki air laut, tidak memerlukan spesifikasi tertentu atau bisa menggunakan tangki dengan volume lebih besar atau lebih kecil sebab tangki merupakan hanya sebagai alat penampung air laut sebelum masuk ke basin supaya proses pengisian air laut ke basin tidak sulit serta tidak ada yang terbuang. 4.Pipa PVC Pipa PVC digunakan untuk menyalurkan air pendingin kaca luar. Pipa pvc ½ inci digunakan sebagai pipa vertical dam pipa horizontal bercabang dimana sepanjang pipa dibuat lubang sebagai saluran air untuk mendinginkan kaca. Pipa ¾ inci digunakan sebagai penyalur air hasil sirkulasi ke box penampung.. Gambar 3.3 Pipa PVC. Universitas Sumatera Utara.