PENGUJIAN DAN ANALISIS HEAT REMOVAL FACTOR DAN HEAT LOSS COEFFICIENT PADA KOMBINASI FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR DAN PARABOLIC SOLAR CONCENTRATOR

PENGUJIAN DAN ANALISIS HEAT REMOVAL FACTOR DAN

HEAT LOSS COEFFICIENT PADA KOMBINASI FLAT PLATE

SOLAR COLLECTOR DAN PARABOLIC SOLAR

CONCENTRATOR

SKRIPSI

TEDDY HENDRA ZULKARNAIN

07 06 26 7370

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGUJIAN DAN ANALISIS HEAT REMOVAL FACTOR DAN

HEAT LOSS COEFFICIENT PADA KOMBINASI FLAT PLATE

SOLAR COLLECTOR DAN PARABOLIC SOLAR

CONCENTRATOR

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

TEDDY HENDRA ZULKARNAIN

07 06 26 7370

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

HALAMAN PENGESAHAN

UCAPAN TERIMA KASIH

Puji dan syukur Penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala rahmat dan kasih-Nya sehingga Penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang merupakan salah satu persyaratan akademik untuk menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini tidak akan terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dari beberapa pihak yang terkait. Oleh karena itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Ir. M. Idrus Alhamid selaku pembimbing penulis dalam penyusunan skripsi ini.

2. Bapak Dr.-Ing. Ir. Nasruddin M.Eng selaku Kepala Lab. Refrijerasi yang banyak memberikan saran dan masukan.

3. Keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan penuh secara moril dan materiil kepada Penulis selama penyelesaian skripsi ini.

4. Menteri Pendidikan Nasional yang telah memberikan dukungan

pembiayaan melalui Program Beasiswa Unggulan hingga penyelesaian tugas akhir berdasarkan DIPA Sekretariat Jenderal DEPDIKNAS Tahun Anggaran 2007 sampai dengan tahun 2011.

5. Rano Andrey selaku rekan kerja dalam skripsi ini yang selalu bersemangat dan pantang menyerah.

6. Ir. Ruli Nutranta, M.Eng, Ir. Darwin Rio Budi Syaka, M.T dan Ir. Yulianto, MT, Bpk. Yasin yang telah memberikan banyak ilmu, bantuan saran dan alat, dan pengalamannya dalam pembuatan alat pengujian. 7. Teman-teman di Lab. Refrijerasi yang banyak membantu dalam hal teori

dan praktek.

8. Teman-teman dari Departemen Teknik Mesin 2007 yang ikut membantu dalam penyelesaian skripsi ini.

9. Teman-teman di kos Batavia dan kantek yang selalu memberikan

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

ABSTRAK

Nama : Teddy Hendra Zulkarnain

Program Studi : Teknik Mesin

Judul : Pengujian dan Analisis Heat Removal Factor dan Heat

Loss Coefficient pada Kombinasi Flat Plate Solar Collector

dan Parabolic Solar Concentrator

Untuk mencapai sasaran yang optimal dalam pemanfaatan energi panas matahari, perlu dilakukan pengujian dan analisis lebih lanjut terhadap performa yang dihasilkan oleh kombinasi kolektor pelat datar dan juga konsentrator parabolik. Pada tugas akhir ini, akan dibahas proses pengujian terhadap rangkaian tersebut dilihat bagaimana karakteristik dari heat removal factor dan overall heat loss

coefficient yang dihasilkan alat tersebut. Pengujian dilakukan dengan

menggunakan fluida air yang dialirkan melewati rangkaian 8 kolektor pelat datar dan dilanjutkan dengan pemanasan di konsentrator parabolik. Parameter yang diukur adalah temperatur air serta temperatur ambien, intensitas radiasi matahari, dan laju aliran massa.

Dari perhitungan didapat nilai karakteristik overall heat loss coefficient untuk rangkaian seri meningkat tiap kolektornya mulai dari 9.27 W/m2K hingga 9.51 W/m2K begitu pula dengan rangkaian paralel mulai dari 9.38 W/m2K hingga 9.6 W/m2K. Sedangkan untuk nilai heat removal factor rangkaian seri menurun dari 0.825 ke 0.821 sedangkan pada rangkaian parallel bervariasi mulai dari 0.682 hingga 0.779 tergantung dari laju aliran masa yang mengalir di tiap kolektor. Untuk konsentrator parabolik memiliki heat loss coefficient 23.55 W/m2K dan

heat removal factor sebesar 0.81.

Kata Kunci : kolektor pelat datar, konsentrator parabolik, heat removal factor, heat loss coefficient

ABSTRACT

Name : Teddy Hendra Zulkarnain

Study Program : Mechanical Engineering

Title : Testing and Analysis of Heat Removal Factor and Heat

Loss Coefficient for Combined Flat Plate Solar Collector and Parabolic Solar Concentrator

To achieve optimal utilization of solar thermal energy, need to do further testing and analysis of the performance generated by a combination of flat plate collector and parabolic concentrator. In this thesis, will be discussed about the testing process of that device to see how the characteristics of the heat removal factor and overall heat loss coefficient resulted by that device. Tests carried out using water that flowed through the fluid circuit of 8 flat plate collectors and followed by re-heating on parabolic concentrator. Parameters measured in this test are fluid temperature and ambient temperature, solar radiation intensity, and mass flow rate.

From the calculation, obtained overall heat loss coefficient for the series circuit increases each collector from 9.27 until 9.51 W/m2K as well as the parallel circuit starting from 9.38 up to 9.6 W/m2K. Meanwhile, the value of a series circuit heat removal factor decreased from 0.825 to 0.821 while in the parallel series ranging from 0.682 to 0.779 depends on mass flow rate which flows through each collectors. For parabolic concentrators, they have a heat loss coefficient of 23.55 W/m2K and heat removal factor of 0.81.

Keywords : flat plate collector, parabolic concentrator, heat removal factor, heat loss coefficient

DAFTAR ISI

JUDUL SKRIPSI ... i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

UCAPAN TERIMA KASIH ... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRACT ... vii

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xi

DAFTAR SIMBOL ... xii

1. PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2. Perumusan Masalah ... 2 1.3. Tujuan ... 3 1.4. Metodologi Penulisan ... 3 1.5. Sistematika Pembahasan ... 4 2. DASAR TEORI ... 6 2.1. Teori Sistem ... 6 2.1.1. Sistem Pasif ... 6 2.1.2. Sistem Aktif... 6

2.2. Pemanas Air Tenaga Surya ... 7

2.3. Jenis-Jenis Rangkaian Kolektor Pelat Datar ... 7

2.3.1. Rangkaian Tipe Paralel ... 8

2.3.2. Rangkaian Tipe Seri ... 8

2.4. Jenis - Jenis Solar Concentrator ... 9

2.5. Teori dan Rumus Dasar Sistem Instalasi Kolektor Pelat Datar ... 11

2.5.1. Koefisien Kerugian Kalor Total (Overall Heat Loss Coefficient) ... 12

2.5.2. Energi Antar Pipa ... 14

2.5.3. Menentukan koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja ... 15

2.6. Faktor Pelepasan Kalor (Heat Removal factor) Kolektor Pelat Datar ... 16

2.7. Teori dan Rumus Dasar Sistem Instalasi Konsentrator Parabolik ... 17

2.7.1. Koefisien Kerugian Kalor Total (Overall Heat Loss Coefficient) ... 18

2.8. Panas Keluar Rangkaian (FR UL) ... 19

3. PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA ... 21

3.1. Prosedur Pengujian ... 21

3.2. Spesifikasi Komponen Alat Uji ... 23

3.3. Pengambilan Data ... 27

3.3.1 Data Lokasi Tempat ... 28

3.3.2 Data Irradiasi ... 28

3.3.3 Data Temperatur dan Debit Aliran ... 28

3.4 Kerugian Kalor Pada Kolektor Pelat Datar... 29

3.4.1. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Atas Rangkaian Seri ... 29

3.4.2. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Atas Rangkaian Pararel ... 30

3.4.3. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Bawah ... 31

3.4.4. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Samping ... 31

3.4.5. Koefisien Kerugian Kalor Total ... 32

3.5. Faktor Pelepasan Kalor Kolektor Pelat Datar ... 33

3.5.1. Efisiensi Sirip Absorber Kolektor Pelat Datar ... 34

3.5.2. Faktor Efisiensi Kolektor ... 34

3.5.3. Perhitungan Faktor Pelepasan Kalor ... 38

3.5.4. Panas Keluar Rangkaian (FR UL) ... 38

3.6. Desain Optik Konsentrator Parabolik ... 40

3.7. Rasio Konsentrasi Solar Concentrator ... 41

3.8. Koefisien Kerugian Kalor & Faktor Pelepasan Kalor Konsentrator Parabolik ... 41

3.9. Panas Keluar Rangkaian Konsentrator Parabolik ... 43

4. ANALISIS HASIL PERHITUNGAN ... 44

4.1. Analisis Perhitungan Kolektor Pelat Datar ... 44

4.1.1. Koefisien Kerugian Kalor Total ... 44

4.1.2. Parameter Faktor Pelepasan Kalor ... 46

4.1.3. Faktor Pelepasan Kalor (Heat Removal Factor) ... 48

4.2. Analisis Perhitungan Konsentrator Parabolik ... 50

5. KESIMPULAN DAN SARAN ... 52

DAFTAR PUSTAKA ... 54

LAMPIRAN ... 55

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Penampang kolektor pelat datar ... 8

Gambar 2.2. Rangkaian paralel pelat kolektor ... 8

Gambar 2.3. Rangkaian seri pelat kolektor ... 9

Gambar 2.4. Skema sistem konsentrator parabolik ... 10

Gambar 2.6. Kerugian kalor pada bagian bawah ... 14

Gambar 2.7. Keseimbangan energi pada elemen fluida ... 16

Gambar 3.1. Skema sistem rangkaian seri ... 22

Gambar 3.2. Skema sistem rangkaian paralel ... 22

Gambar 3.3. Kondisi kolektor pelat datar ... 24

Gambar 3.4. Pompa air SHIMIZU 130 ... 25

Gambar 3.5. Tangki air ... 25

Gambar 3.6. Flowmeter... 26

Gambar 3.7. Pyranometer Kipp & Zonen CM 5 ... 27

Gambar 3.8. Konsentrator parabolik ... 27

Gambar 3.9. Grafik perubahan koefisien kerugian kalor (heat loss coefficient) sepanjang waktu pengujian rangkaian seri ... 32

Gambar 3.10. Grafik perubahan koefisien kerugian kalor (heat loss coefficient) sepanjang waktu pengujian rangkaian parallel ... 33

Gambar 3.11. Hasil simulasi flow rate dengan Pipe Flow Expert ... 37

Gambar 3.12. Grafik perubahan nilai faktor pelepasan kalor (FR) selama waktu pengujian, rangkaian seri ... 39

Gambar 3.13. Grafik perubahan nilai faktor pelepasan kalor (FR) selama waktu pengujian, rangkaian paralel ... 40

Gambar 4.1. Grafik perbandingan nilai rata-rata koefisien kerugian kalor bagian atas kolektor pelat datar ... 44

Gambar 4.2. Grafik perbandingan nilai rata-rata koefisien kerugian total pada kolektor pelat datar ... 45

Gambar 4.3. Grafik perbandingan nilai rata-rata efisiensi sirip absorber pada kolektor pelat datar ... 46

Gambar 4.4. Grafik perbandingan nilai rata-rata faktor efisiensi kolektor untuk kedua rangkaian ... 47

Gambar 4.5. Grafik perbandingan nilai rata-rata faktor pelepasan kalor untuk kedua rangkaian ... 48

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Konstanta untuk mencari bilangan Nusselt ... 16

Tabel 3.1. Temperatur pelat absorber rangkaian seri ... 30

Tabel 3.2. Koefisien kerugian kalor bagian atas kolektor pelat datar rangkaian seri ... 30

Tabel 3.3. Temperatur pelat absorber rangkaian paralel ... 31

Tabel 3.4. Koefisien kerugian kalor bagian atas kolektor pelat datar rangkaian paralel ... 31

Tabel 3.5. Koefisien kerugian kalor total kolektor pelat datar rangkaian seri ... 32

Tabel 3.6. Koefisien kerugian kalor total kolektor pelat datar rangkaian paralel ... 32

Tabel 3.7. Efisiensi sirip absorber kolektor pelat datar rangkaian seri ... 34

Tabel 3.8. Efisiensi sirip absorber kolektor pelat datar rangkaian paralel ... 34

Tabel 3.9. Faktor efisiensi kolektor pelat datar rangkaian seri ... 36

Tabel 3.10. Variasi laju aliran masa masing-masing kolektor rangkaian paralel ... 36

Tabel 3.11. Variasi nilai bilangan Reynolds, Prandtl, dan Nusselt pada kolektor rangkaian paralel ... 36

Tabel 3.12. Variasi nilai koefisien transfer konveksi masing-masing kolektor rangkaian paralel 37 Tabel 3.13. Faktor efisiensi kolektor pelat datar rangkaian paralel ... 37

Tabel 3.14. Faktor pelepasan kalor masing-masing kolektor rangkaian seri ... 38

Tabel 3.15. Faktor pelepasan kalor masing-masing kolektor rangkaian paralel ... 38

Tabel 3.16. Panas keluar rangkaian masing-masing kolektor untuk kedua rangkaian ... 39

DAFTAR SIMBOL

Ac : luas panel kolektor (m2)

GT : iradiasi (W/m2)

(ηα) : transmitansi-absorptansi

UL : koefisien kerugian kalor total (W/m2K)

Ut : koefisien kerugian kalor bagian atas kolektor (W/m2K)

Ub : koefisien kerugian kalor bagian bawah kolektor (W/m2K)

Ue : koefisien kerugian kalor bagian samping kolektor (W/m2K)

N : jumlah kaca penutup

v : kecepatan angin (m/s)

εc : emisivitas cover

εp : emisivitas pelat absorber

ζ : konstanta Stefan Boltzman (5.67x10−8 W /m2 .K4) Tp : temperatur pelat absorber (oC)

Ta : temperatur ambient (oC)

k : konduktivitas termal bahan (W/m.K)

W : jarak antara pipa absorber di dalam pelat kolektor Di : diameter dalam pipa absorber (m)

Do : diameter luar pipa absorber (m) Qu : performa panel kolektor (J)

F : efisiensi sirip absorber ρ : massa jenis (kg/m3)

μ : viskositas dinamik (Ns/m2) F′ : faktor efisiensi kolektor

Cb : konduktivitas termal perekat (W/m.k)

hfi : koefisien transfer konveksi (W/m2K)

Re : nilai bilangan Reynolds 𝑚 : laju aliran massa (kg/s)

L : panjang (m)

Cp : kalor jenis (J/kg.K)

Nu : nilai bilangan Nusselt FR : faktor pelepasan kalor

Cr : rasio konsentrasi Aa : luas apertura (m2)

Ar : luas penampang absorber (m2)

hw : koefisien transfer konveksi angin (W/m2K) hr : koefisien transfer radiasi (W/m2K)

Uo : koefisien perpindahan kalor total (W/m2K)

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan manusia akan energi semakin meningkat setiap tahun seiring dengan kemajuan teknologi. Hal ini karena makin banyak diciptakan alat – alat yang memerlukan lebih banyak energi dan mulai menggantikan pekerjaan – pekerjaan manusia yang manual dan konvensional. Sumber energi dapat digolongkan menjadi dua yaitu sumber energi yang dapat diperbaharui dan tidak dapat diperbaharui. Bahan bakar fosil merupakan contoh sumber energi yang tidak dapat diperbaharui yang penggunaannya paling besar hingga saat ini. Namun sangat disayangkan, cadangan sumber energi yang berasal dari bahan bakar fosil kian menipis. Ketersediaannya diperkirakan tidak lebih dari 40 tahun lagi.

Penggunaan energi yang bersumber pada bahan bakar fosil, khususnya minyak bumi, mengalami goncangan yang sangat hebat ketika harga minyak mentah dunia mengalami kenaikan. Hal ini menimbulkan pertanyaan-pertanyaan di masyarakat tentang apa yang akan terjadi jika suatu waktu dimasa depan dunia mengalami krisis energi akibat habisnya sumber bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batubara. Kemungkinan yang muncul adalah beragam namun demikian hal yang mungkin terjadi adalah timbulnya kekacauan dunia akibat krisis energi.

Banyak alternatif sumber energi terutama yang dapat diperbaharui seperti energi matahari, panas bumi, gelombang laut, dan lain lain. Kata ―alternatif‖ mengandung arti pengganti bahan bakar fosil yang umum dipakai. Namun dari sekian banyak jenis sumber energi alternatif, energi matahari paling banyak dikembangkan karena ketersediaannya yang tidak terbatas dan cukup besar. Efisiensi alat – alat konversi energi matahari terus ditingkatkan guna mendapatkan energi yang lebih besar lagi.

Usaha untuk melakukan gerakan penghematan dan konservasi energi inilah yang menjadi latar belakang dan tugas akhir kami. Tugas akhir ini akan

2

alternatif yang bersumber dan panas radiasi matahari. Pembahasan pengaplikasian energi alternatif ini akan kami tinjau dari pengujian alat uji pengkoleksi atau boleh dikatakan pemanen energi matahari yang bertipe kolektor pelat datar (flat plate

collector) yang dirangkai secara seri dan parallel dan konsentrator parabolik.

Alat konversi energi matahari berjenis kolektor pelat datar ini umumnya digunakan sebagai pemanas air dalam skala kebutuhan rumah tangga (residential). Namun demikian, dalam kebutuhan yang lebih besar pemberdayaan alat ini tidak terbatas pada pemanasan air semata, tercapai peluang besar pengaplikasian energi yang bersumber dan radiasi matahari ini di bidang lain di masa mendatang. Salah satu dasar pertimbangan penggunaan alat ini adalah mudah dibuat dan tidak membutuhkan teknologi yang cukup rumit untuk penggunaannya dalam skala rumah tangga. Faktor ini merupakan sebuah peluang bahwa kita dapat memicu kesadaran dan kemauan masyarakat untuk menggunakan alat ini sebagai pengganti pemanas air listrik. Tentunyà harapan ini harus ditunjang dengan daya dan usaha memperkenalkan sistem dan alat ini kepada masyarakat dengan berbagai keuntungannya.

Untuk memudahkan perwujudan hal ini, maka kami mencari nilai karakteristik kolektor pelat datar dan konsentrator parabolik. Nilai efisiensi dan sistem kolektor pelat datar dan konsentrator parabolik dapat dijadikan sebagai pertimbangan dalam optimasi sebuah sistem yang sedang dirancang maupun yang sudah berjalan. Adanya nilai efisiensi ini juga dapat dijadikan bahan pertimbangan untuk pengembangan sistem yang lebih baik serta mendetil di masa mendatang sehingga penghematan dan konservasi energi dimasa datang menjadi nyata.

1.2. Perumusan Masalah

Pemanas air tenaga surya yang diuji terdiri dari 8 kolektor pelat datar yang dapat dirangkai seri maupun parallel serta dilanjutkan dengan pemanasan di konsentrator parabolic. Kemudian dilihat karakteristik heat removal factor dan

heat loss coefficient yang dihasilkan oleh kedua alat tersebut pada debit aliran 5

LPM serta perbandingan kolektor pelat datar dan konsentrator parabolik.

Permasalahan yang akan dibahas pada penulisan ilmiah ini mencakup:

 Kajian teoritis mengenai sistem kolektor pelat datar dan parabolik

 Proses pengujian kedua sistem

 Analisis hasil pengujian kedua sistem dengan konfigurasi rangkaian seri dan paralel.

1.3. Tujuan

Tujuan penulisan ilmiah ini adalah:

 Memperbaiki rangkaian kolektor pelat datar dan membuat ulang konsentrator parabolik

 Melakukan eksperimen pengujian terhadap kedua sistem tersebut

 Menghitung dan membuat analisis heat removal factor dan heat los

coefficient dari data yang dihasilkan dalam pengujian

Dengan melakukan kegiatan di atas, diharapkan dapat diketahui bagaimana karakteristik yang khusus dari setiap jenis pemanas air yang diuji serta optimasi penggunaannya yang paling baik.

1.4. Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan pada penulisan ilmiah ini ialah sebagai berikut:

1. Penelusuran Literatur

Penelusuran literatur dilakukan dengan melakukan studi:

 Studi literatur mengenai materi yang diperlukan untuk pembuatan simulasi melalui buku-buku referensi dan media elektronik internet.

 Studi lapangan juga dilakukan dengan melakukan diskusi dengan pihak-pihak yang berkecimpung di bisnis pemanas air tenaga surya kolektor pelat datar.

2. Proses Perbaikan dan Pembuatan

Proses ini terdiri atas beberapa tahap yaitu:

4

 Perbaikan sistem instalasi dan pengujian kolektor pelat datar

 Pembuatan ulang konsentrator parabolik

3. Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian dan pengambilan data ini terdiri atas beberapa tahap yaitu:

 Kalibrasi alat ukur

 Pengujian dan pengambilan data

 Evaluasi dan perbaikan

4. Perhitungan

Perhitungan sistem ini terdiri atas beberapa tahap, yaitu:

 Penentuan rangkaian sistem

 Pengasumsian variabel-variabel data tertentu

 Pengolahan data awal dan data inti

 Pembuatan tabel hasil pengolahan data dan grafik

5. Analisis Hasil Uji

Hasil analisis meliputi:

 Analisis overall heat loss coefficient

 Analisis heat removal factor

 Analisis perbandingan sistem 1.5. Sistematika Pembahasan

Penulisan menggunakan sistematika pembahasan sebagai berikut: BAB 1 Pendahuluan

Menjleaskan mengenai latar belakang penulisan, tujuan, pembatasan masalah, metodologi penulisan serta sistematika pembahasan yang digunakan. BAB 2 Dasar Teori

Membahas beberapa teori mengenai sistem instalasi kolektor pelat datar dan konsentrator parabolik.

BAB 3 Pengujian dan Pengolahan Data

Membahas mengenai proses pengujian sistem serta perhitungan lanjutnya. BAB 4 Analisis Hasil Perhitungan

Membahas mengenai analisis sistem berdasarkan hasil pengujian dari masing-masing rangkaian berdasarkan variabel-variabel data yang dihasilkan. BAB 5 Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan dari analisis pengujian sistem serta saran untuk pengembangan kedepannya.

BAB 2 DASAR TEORI

2.1. Teori Sistem

Secara umum definisi sistem ialah gabungan komponen-komponen dengan fungsi sederhana untuk menghasilkan sebuah daya usaha yang mampu mengolah pekerjaan yang lebih rumit. Sistem instalasi kolektor pelat datar ialah sebuah sistem yang mendaya gunakan energi matahari untuk memanaskan fluida kerja baik cair maupun gas melalui sebuah kolektor pelat datar atau rangkaiannya sebagai alat pemanen atau pembangkit panas yang dihasilkan dari radiasi matahari.

Sistem instalasi kolektor pelat datar umumnya dikelompokkan ke dalam 2 jenis yaitu :

1. Sistem Pasif 2. Sistem Aktif

2.1.1. Sistem Pasif

Sistem ini hanya mengandalkan energi panas hasil radiasi matahari sebagai penggerak fluida dalam sistem. Sistem ini lebih hemat energi karena tidak menggunakan energi tambahan.

2.1.2. Sistem Aktif

Sistem ini juga sering disebut forced system, sistem ini menggunakan pompa atau kipas, tergantung fluida kerjanya, dalam pensirkulasian fluida sistem. Sistem ini umumnya dipilih untuk keperluan pemanasan fluida dengan kapasitas besar. Sistem aktif menggunakan energi tambahan yaitu energi listrik untuk menggerakkan pompa atau kipas sebagai penggerak fluida.

Pompa berarti biaya tambahan yaitu listrik untuk penyalaan pompa. Cara untuk mengakali biaya ini ialah dengan menggunakan kontroler baik kontrol on-off TDC (Temperature Difference Controller) maupun kontroler terkomputerisasi. Keuntungan dari penggunaan TDC ialah penghematan energi dari penggunaan pompa. Sistem aktif dengan penggunaan TDC memiliki kelebihan antara lain cepatnya pencapaian suhu yang merata dari fluida kerja dan kemampuan untuk mempertahankan temperatur fluida pada batas yang dikehendaki.

2.2. Pemanas Air Tenaga Surya

Pemanas Air Tenaga Surya atau Solar Water Heater adalah alat pengumpul panas dari energi matahari yang digunakan untuk memanaskan air. pemanasan air ini menggunakan kolektor surya sebagai komponen utamanya. Menurut Duffie & Beckman pada bukunya "Solar Engineering of Thermal process", 1992, kolektor surya adalah jenis alat penukar kalor yang mengubah energi radiasi menjadi kalor. Menurut standard ASHRAE definisi kolektor surya adalah alat yang didesain untuk menyerap radiasi matahari dan mentransfer energi tersebut ke fluida yang melaluinya.

2.3. Jenis-Jenis Rangkaian Kolektor Pelat Datar

Panel kolektor pelat datar adalah komponen penting dari sistem pemanas air tenaga surya. Energi termal dapat diteruskan melalui pelat tersebut menuju fluida yang berada di dalamnya. Kolektor surya pelat datar dapat di desain untuk suatu aplikasi yang membutuhkan transfer energi pada suhu menengah sampai 100 oC di atas temperatur ambient. Komponen terpenting dalam kolektor surya pelat datar adalah pelat absorber yaitu bagian yang menerima radiasi energi matahari dan mengubahnya menjadi energi kalor. Pelat tersebut mentransfer panas yang dihasilkan ke fluida kerja. Rangkaian kolektor pada sistem merupakan sebuah permasalahan penting yang dapat menentukan tingkat efisiensi dari sistem keseluruhan. Sistem ini secara mendasar terbagi atas 2 tipe, tipe paralel dan seri.

8

Gambar 2.1. Penampang kolektor pelat datar

2.3.1. Rangkaian Tipe Paralel

Rangkaian tipe ini merupakan rangkaian kolektor dengan cara pembagian jalur jalan fluida per kolektor. Pembagian jalan fluida per kolektor berarti setiap kolektor memiliki satu jalur air masuk dan satu jalur air keluar sendiri-sendiri. Skema rangkaian paralel ditunjukkan gambar di bawah

Gambar 2.2. Rangkaian paralel pelat kolektor

2.3.2. Rangkaian Tipe Seri

Rangkaian tipe ini merupakan rangkaian kolektor dimana panel kolektor dihubungkan secara berderet. Pada rangkaian ini jalur masukan dan keluaran fluida terhubung langsung dari satu kolektor ke kolektor lainnya.

Gambar 2.3. Rangkaian seri pelat kolektor

Jadi setiap deret atau seri kolektor hanya mempunyai satu jalur air masuk asli yang berada di kolektor awal dan satu jalur air keluar asli yang berada di kolektor terakhir. Pada rangkaian ini jalur masuk air panel kedua ialah jalur keluar air panel pertama sehingga air pada panel kedua sudah terlebih dahulu dipanaskan oleh panel pertama. Skema rangkaian seri ditunjukkan Gambar 2.3.

2.4. Jenis - Jenis Solar Concentrator

Untuk keperluan temperatur yang lebih tinggi maka digunakan

concentrating solar concentrator. Sinar matahari yang jatuh pada permukaan

pemantul (reflektif) dipantulkan ke permukaan yang lebih sempit (absorber) sebelum dikonversi menjadi panas. Dengan cara ini, absorber menyerap energi yang terkonsentrasi dari pantulan reflektor dan mendapatkan temperatur yang lebih tinggi. Sebelum heat loss akibat radiasi dan konveksi, energi telah terkumpul. Ada empat jenis solar concentrator yang biasa digunakan yaitu

parabolic concentrator, parabolic dish central reciever dan fresnel lense.

Parabolic concentrator mengumpulkan radiasi sinar matahari yang datang

menjadi satu garis sepanjang titik fokus parabola. Pipa penerima (kolektor) yang dialiri fluida ditempatkan, sepanjang garis fokal ini kemudian menyerap radiasi sinar matahari yang terkonsentrasi untuk meneruskan aliran fluida di dalarnnya. Parabola harus diarahkan (tracked) pada satu sumbu setiap beberapa waktu karena posisi matahari yang berubah-ubah. Karena luas permukaan penerima lebih kecil dari pada luas permukaan pemantul, bisa didapat temperatur lebih dari 100 oC tanpa heat loss yang berarti.

10

Ditinjau dari jenis solar collector, pemanas air tenaga surya ini miliki berbagai jenis antara lain flat plate collector, evacuated tube collector, dan

concentrating collector. Untuk tipe concentrating collector yang biasa digunakan

untuk pernanas air adalah jenis parabolic through concentrator.

Gambar 2.4. Skema sistem konsentrator parabolik

Komponen terpenting dari parabolic through concentrator adalah konsentrator dan pipa penyerap. Sinar matahari yang datang dari satu arah terdistribusi merata dipantulkan ke arah suatu garis fokal dimana pipa absorber ditempatkan. Luas bidang pemantul/konsentrator yang menerima sinar akan mengintensifkan sinar ke area yang lebih sempit (pipa penyerap). Dengan demikian temperatur yang dibangkitkan dapat lebih tinggi dari pada dengan sinar langsung.

Pemanasan air terjadi di dalam pipa penyerap secara konveksi dari pipa ke air. Air ini mengalir sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Panas ini yang berasal dari kumpulan sinar matahari yang dipantulkan oleh konsentrator secara radiasi diteruskan ke pipa. Di dalam pipa sendiri panas mengalir secara konduksi. Temperatur air yang dapat dibangkitkan parabolic through concentrator dapat mencapai di atas 100 oC sehingga banyak dimanfaatkan untuk steam generation pada pembangkit listrik maupun industri.

2.5. Teori dan Rumus Dasar Sistem Instalasi Kolektor Pelat Datar

Radiasi surya yang mengenai absorber melalui cover kaca akan diabsorbsi oleh absorber pelat hitam, kemudian kalor yang dihasilkan ditransfer ke fluida kerja yang mengalir dalam pipa-pipa dibawah absorber. Pemakaian cover tersebut dimaksudkan untuk mengisolasi energi radiasi surya yang sudah mengenai absorber, sehingga energi radiasi surya (terutama inframerah) dapat dengan maksimal ditransfer ke fluida kerja.

Transfer energi radiasi surya ke absorber dapat dijelaskan dengan persamaan neraca energi berikut

𝐸_𝑎𝑐𝑐 = 𝐸_𝑖𝑛 − 𝐸_𝑜𝑢𝑡 (2.1)

𝑚𝑃 𝑐𝑃 𝑑𝑇𝑃

𝑑𝑡 = 𝐴𝐶 𝐺𝑇 𝛼 𝜏 − 𝑄𝑈+ 𝐴𝐶 𝑈𝐿 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑎) (2.2)

Pada kondisi steady state, performa kolektor merupakan kesetimbangan energi yang mengindikasikan distribusi dari energi radiasi matahari menjadi energi yang berguna, kehilangan panas, dan kehilangan optik. Karena steady state maka 𝑚_𝑃 𝑐_𝑃 𝑑𝑇𝑃

𝑑𝑡 = 0 , sehingga

𝑄𝑈 = 𝐴𝐶 𝐺𝑇 𝛼 𝜏 − 𝑈𝐿 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑎) (2.3)

dimana 𝑄_𝑈 = performa dari kolektor, 𝐴_𝐶 = luas bidang tangkap absorber

terhadap radiasi surya; 𝐺𝑇 𝛼 𝜏 = intensitas radiasi surya yang jatuh tegak lurus

pada absorber; 𝛼 = koefisien absorptivitas absorber; 𝜏 = koefisien transmisivitas cover; 𝑈_𝐿 = koefisien kerugian kalor total; 𝑇_𝑃 = temperatur absorber; 𝑇_𝑎=

12

2.5.1. Koefisien Kerugian Kalor Total (Overall Heat Loss Coefficient)

Kerugian kalor dari absorber terjadi pada bagian atas, samping dan bawah absorber, sehingga

𝑈_𝐿 = 𝑈_𝑡 + 𝑈_𝑏+ 𝑈_𝑒 (2.4) Dimana UL= koefisien kerugian kalor total;Ut = koefisien kerugian kalor bagian

atas; Ub = koefisien kerugian kalor bagian bawah; Ue = koefisien kerugian kalor

bagian samping.

2.5.1.1. Kerugian Kalor Bagian Atas

Panas yang hilang dari bagian atas pelat penyerap karena adanya konveksi alam dan radiasi dari bagian dalam pelat kolektor ke permukaan kaca. Dan panas ini dikonduksikan melalui kaca ke permukaan luarnya yang kemudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi dan radiasi. Namun biasanya pada pelat kolektor, kerugian kalor secara konduksi diabaikan sebab tebal cover dan sirip pelat absorber kecil sehingga perbedaan temperatur tidak begitu signifikan.

Gambar 2.5. Koefisien kerugian kalor pada bagian atas

Nilai koefisien kerugian kalor bagian atas secara teori dapat didekati dengan persamaan berikut :

𝑈_𝑡 = 1 𝑅_{𝑝 −𝑐1} + 𝑅_{𝑐1−𝑐2} + 𝑅_𝑐2−𝑎

=

₁ 1 ℎ 𝑐,𝑝−𝑐1 + ℎ𝑟,𝑝−𝑐1 + 1 ℎ 𝑐,𝑐1−𝑐2 + ℎ𝑟,𝑐1−𝑐2 + 1 ℎ 𝑤𝑖𝑛𝑑 + ℎ𝑟,𝑐2−𝑎

(2.5)

Dimana dengan mempergunakan persamaan Empiric S.A. Klein yang telah dimodifikasi oleh Agarwal dan Larson, maka kerugian kalor bagian atas :

𝑈𝑡

=

𝑁 𝐶 𝑇𝑝 𝑇𝑝 – 𝑇𝑎 𝑁 + ƒ 0.33

+

1 ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑 −1

+

𝜎 (𝑇𝑝 + 𝑇𝑎) (𝑇𝑝 2_{+ 𝑇} 𝑎2) 𝜀𝑝+ 0.05 𝑁 (1− 𝜀𝑝) −1 + 2𝑁 + ƒ−1 𝜀𝑐 – 𝑁

(2.6) Dengan ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑

= 5.7 + 3.8v (W/m2.K) ƒ = (1 – 0.04 ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑 + 0.0005 ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑2 ) (1 + 0.091 N) C = 250 (1 – 0.0044(β – 90o)) Keterangan :

v = Kecepatan angin diatas permukaan cover paling atas (m/s)

N = Jumlah penutup/cover

𝜀_𝑐 = Emisivitas cover

𝜀_𝑝 = Emisivitas pelat absorber

ζ = Konstanta Stefan Boltzman (5.67x10−8 W /m2.K4) 𝑇_𝑝 = Temperatur pelat absorber (K)

𝑇_𝑎 = Temperatur lingkungan (K)

2.5.1.2. Kerugian Kalor Bagian Bawah

Kerugian kalor pada bagian bawah terjadi secara konduksi dari absorber ke panel bawah (bottom of panel), sedangkan kerugian konveksi dan radiasi diabaikan sebab nilainya lebih kecil dibandingkan kerugian secara konduksi.

14

Gambar 2.6. Kerugian kalor pada bagian bawah

Nilai koefisien kerugian kalor bagian bawah didekati dengan persamaan berikut : Ub =

k

L (2.7)

dimana k = konduktivitas termal insulator bagian bawah; L = tebal insulator.

2.5.1.3. Kerugian Kalor Pada Bagian Samping

Nilai koefisien kerugian kalor bagian samping juga didekati dengan persamaan berikut :

U_e = (UA )edge

Ac (2.8) dimana UA = k/L x keliling kolektor x ketebalan kolektor

2.5.2. Energi Antar Pipa

Besarnya fluks kalor antar pipa melalui sirip-sirip penghubung pipa dirumuskan :

𝑞 𝑓𝑖𝑛 = 𝑊 − 𝐷 . 𝐹 𝑆 − 𝑈𝐿 𝑇𝑏 − 𝑇𝑎 (2.9)

dimana F adalah efisiensi sirip, yaitu perbandingan panas yang dipindahkan ke dalam sirip dibagi dengan panas yang dipindahkan apabila seluruh sirip itu ada pada temperatur dasar. F dirumuskan sebagai berikut :

F

=

tanh m W −D 2 mW −D 2 (2.10)

Dimana F' adalah faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa, yang dirumuskan :

F

′

=

1 UL W 1 U L D + W −D .F + 1 C b+ 1 π D i hfi (2.11)

𝐷_𝑖 = diameter dalam pipa , 𝐶_𝑏 = 𝑘𝑏 . 𝐷

𝛾

=

konduktansi perekat (bond conductance)

, ℎ𝑓𝑖 = koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja.

2.5.3. Menentukan koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja

1. Mencari bilangan Reynolds

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynoldss adalah rasio antara gaya inersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini merupakan bilangan tanpa dimensi dan digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Dalam mencari bilangan Reynolds Dapat menggunakan persamaan berikut :

Re

=

4 m Di . π . μ

𝜇 = viskositas dinamik fluida

2. Mencari bilangan Prandtl

Bilangan Prandtl merupakan parameter yang menghubungkan antara medan kecepatan dan medan suhu. Besarnya bilangan Prandtl dihitung dengan persamaan berikut :

Pr = Cp . μ k

3. Mencari nilai bilangan Nusselt

Bilangan berikutnya yaitu bilangan Nusselt, bilangan ini dapat diartikan sebagai kebalikan (inverse) terhadap tebal lapisan batas kalor. Cari nilai dari kemudian dari persamaan berikut dapat ditentukan nilai bilangan Nusselt (Nu), Ladalah panjang pipa dalam kolektor.

16

Dengan nilai konstanta a, b, m dan n dari tabel berikut :

Tabel 2.1. Konstanta untuk mencari bilangan Nusselt

Prandtl Number a b m n

0.7 0.00398 0.0114 1.66 1.12

10 0.00236 0.00857 1.66 1.13

∾ 0.00172 0.00281 1.66 1.29

Nu∾ ≈ 4.4

2.6. Faktor Pelepasan Kalor (Heat Removal factor) Kolektor Pelat Datar

Gambar 2.7. Keseimbangan energi pada elemen fluida

𝑚 /𝑛 𝐶_𝑝 𝑇_𝑓|_𝑦 − 𝑚 /𝑛 𝐶_𝑝 𝑇_𝑓|_𝑦+∆𝑦 + 𝑞′_𝑢 . ∆𝑦 = 0 (2.13) Bagi persamaan diatas dengan ∆y dan limitkan ∆y →0 , dan substitusikan persamaan untuk energi antara pipa maka akan dihasilkan persamaan berikut :

𝑑𝑇𝑓

𝑑𝑦

−

𝑛 .𝑊 .𝐹′

𝑚 .𝐶𝑝

𝑆 − 𝑈

𝐿

𝑇

𝑓

− 𝑇

𝑎

= 0

(2.14)

Dimana n.W = Ac. Karena F' dan UL tergantung pada dimensi/ukuran kolektor dan bahan yang digunakan dalam kolektor maka dapat diasumsikan keduanya bernilai konstan untuk suatu rancangan tertentu, sehingga menjadi

𝑇_𝑓𝑜−𝑇_𝑎− 𝑆 𝑈_𝐿

𝑇𝑓𝑖−𝑇𝑎− 𝑆 𝑈𝐿

= 𝑒𝑥𝑝 −

𝐴_𝑐 𝑈_𝐿 𝐹′

𝑚 𝐶𝑝 (2.15)

dimana 𝑇_𝑓𝑖= temperatur fluida masuk kolektor, 𝑇_𝑓𝑜 = temperatur fluida keluar dari

kolektor; 𝐶_𝑝 = kapasitas kalor fluida kerja; 𝑚 = jumlah massa fluida kerja yang dapat ditransfer tiap detik (kg/s).

Dengan mengetahui besarnya faktor efisiensi fluks kalor ke fluida kerja dalam pipa (F'), kita dapat menentukan besarnya faktor pelepasan kalor (FR) dari

kolektor. Faktor pelepasan kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang dapat dikumpulkan terhadap energi yang mungkin dikumpulkan, apabila temperatur fluida sepanjang pipa adalah sama dengan temperatur masuk. Dalam bentuk persamaan dasarnya FR adalah sebagai berikut :

FR = 𝑚 𝐶_𝑝 𝑇_𝑓𝑜−𝑇_𝑓𝑖 𝐴_𝑐 𝑆−𝑈_𝐿 𝑇_𝑓𝑖−𝑇_𝑎

(2.16)

F

R

=

𝑚 𝐶𝑝 𝐴𝑐 𝑈𝐿

1 −

𝑆 𝑈 𝐿 – 𝑇𝑓𝑜−𝑇𝑎 𝑆 𝑈 𝐿 – 𝑇𝑓𝑖−𝑇𝑎

(2.17)

Dengan mensubstitusikan persamaan di atas dengan persamaan (2.15) maka akan diperoleh :

F

R

=

𝑚 𝐶𝑝 𝐴𝑐 𝑈𝐿

1 − 𝑒𝑥𝑝 −

𝐴𝑐 𝑈𝐿 𝐹′ 𝑚 𝐶𝑝

(2.18)

2.7. Teori dan Rumus Dasar Sistem Instalasi Konsentrator Parabolik

Parabola adalah himpunan titik-titik yang jaraknya terhadap suatu titik F (titik fokus) sembarang dan suatu garis lurus sembarang (sejajar sumbu-x atau sumbu-y) adalah sama. Secara matematis, parabola memiliki persamaan y = x2/4P dengan x, y sumbu koordinat dan P adalah jarak titik fokus ke pusat kelengkungan parabola (vertex) dengan pusat vertex berada pada (0,0).

Concentrating ratio (Cr) merupakan faktor penting dalam perhitungan solar concentrator. Secara teori peningkatan concentrating ratio meningkatkan

performa dan efisiensi solar concentrator. Namun perlu diperhatikan bahwa hal ini membutuhkan keakuratan sudut tracking.

18

Concentrating ratio dinyatakan dengan:

Cr = Aa

Ar

(2.19)

Dari sini dapat dikatakan bahwa untuk memperbesar concentrating ratio dapat dilakukan dengan memperluas bidang pemantul atau mempersempit bidang

receiver. Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa

yang menyerap pantulan sinar dari konsentrator. Sedangkan luas apertura (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat dengan mengalikan panjang dengan lebar pandangan dari atas parabola. Jadi luas apertura bukan luas pelat sebelum ditekuk mengikuti bentuk kurva melainkan dengan mengikuti lebar kayu penopang

2.7.1. Koefisien Kerugian Kalor Total (Overall Heat Loss Coefficient)

Panas yang diberikan untuk memanaskan air tidak semuanya terpakai. Sebagian terbuang menjadi kerugian. Kerugian panas ini timbul dengan tiga cara yaitu : radiasi, konveksi, dan konduksi. Ketiganya dinyatakan dalam koefisien kerugian kalor total. Dalam perhitungan overall heat loss coefficient, UL, dengan

menganggap pipa absorber tanpa cover sebagai penerima pantulan sinar radiasi. Asumsikan tidak ada perbedaan temperatur di sekitar pipa. Heat transfer

coefficient karena konveksi (hw), radiasi (hf) dan konduksi (Ucond) pada struktur

dinyatakan dengan :

UL = hw + hr + Ucond (2.20)

Koefisien konveksi akibat angin/udara menurut persamaan McAdams :

hw = 5.7+3.8v (2.21) Koefisien radiasi dihitung dengan

hr = 4ζεT3 (2.22) Sedangkan koefisien perpindahan panas total (overall heat transfer

coefficient), Uo, didapat dengan menjumlahkan semua tahanan panas dari heat loss, konduksi pipa dan konveksi pemanasan air/fluida. Sehingga dapat ditulis

sebagai berikut :

U

_o

=

1 UL

+

Do hfi Di

+

Doln Do Di 2k −1 (2.23)

Dengan :

Do = diameter luar pipa kolektor (m) Di = diameter dalm pipa kolektor (m)

hfi = keofisien perpindahan panas konveksi air/fluida (W/m2 C)

K = koefisien perpindahan panas konduksi pipa (W/m oC)

2.7.2. Faktor Pelepasan Kalor (Heat Removal Factor)

Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara energi berguna yang dikumpulkan terhadap energi berguna yang mungkin dikumpulkan apabila temperatur fluida sepanjang pipa sama dengan temperatur fluida masuk.

F

R

=

𝑚 𝐶_𝑝 𝐴𝑐 𝑈𝐿

1 − exp −

𝐴𝑐 𝑈𝐿 𝐹′ 𝑚 𝐶𝑝

(2.24) Dengan :

FR = faktor pelepas panas

m = laju aliran masa fluida (kg/s) Cp = kapasitas panas air (kJ/kg) F′ = faktor efisiensi kolektor

Faktor efisiensi kolektor merupakan perbandingan koefisien perpindahan kalor total terhadap koefisien heat loss total. Untuk mencari faktor efisiensi kolektor digunakan persamaan dibawah ini :

F′

₌

1 UL 1 U L+ D o h i Di+ D o ln D o D i 2k (2.25) Dengan :

hi = koefisien perpindahan panas di dalam pipa

k = koefisien perpindahan panas konduksi

2.8. Panas Keluar Rangkaian (FR UL)

Faktor pemindahan panas kolektor (collector heat removal factor), FR

20

sebenarnya terhadap perolehan energi berguna bila seluruh permukaan kolektor berada pada temperatur fluida masuk. Sedangkan overall heat loss coefficient menjelaskan ukuran dari kemampuan keseluruhan dari serangkaian hambatan konduktif dan konveksi untuk mentransfer panas. Jadi, besar kerugian panas

(overall heat loss) dikali dengan faktor pemindah panas (heat removal factor), FR

UL, menunjukkan panas yang keluar dari rangkaian setiap meter perseginya.

BAB 3

PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA

Pengujian yang dilakukan berupa pengambilan data-data eksperimen berupa temperatur, debit air dan besamya irradiasi matahari selama proses pengujian dilaksanakan.

Peralatan uji yang digunakan adalah pemanas air tenaga surya yang terdiri dan 8 buah panel kolektor pelat datar yang dirangkai secara seri maupun parallel yang kemudian diserikan lagi terhadap 2 buah konsentrator parabolik yang tersusun seri. Sistem yang digunakan adalah sistem aktif dengan menggunakan sebuah pompa air untuk mengalirkan fluida kerja ke dalam rangkaian.

Sebuah flowmeter dipasang pada aliran masuk rangkaian untuk menghitung besarnya debit air selama pengujian dilakukan, untuk menghitung besamya temperatur fluida kerja maka pada jalur masuk dan keluar tiap panel kolektor masing-masing dipasang sebuah termokopél. Pembacaan temperatur dilakukan dengan alat pembaca elektronik Autonics tipe T4WM.

Besarnya radiasi matahari diukur dengan pyranometer Kipp & Zonen tipe CM5 dengan daerah sensitivitas 9 — 15 mV / W/m2. Pengambilan data berupa tegangan output yang dibaca oleh multimeter Fluke tipe 189.

3.1. Prosedur Pengujian

Pengujian ini menggunakan delapan unit kolektor tenaga surya pelat datar yang dapat dirangkai secara seri dan parallel. Pengaturan tipe rangkaian dilakukan dengan mengatur bukaan katup pada pipa sepanjang aliran yang dilalui fluida kerja. Untuk mengetahui distribusi temperatur selania pengujian dipasang sensor temperatur berupa termokopel pada aliran masuk dan keluar setiap unit kolektor serta sebuah termokopel untuk mengukur temperatur lingkungan.

Fluida kerja adalah berupa air yang ditampung pada tangki penampung yang berukuran 1m x 1m x 1m, sehingga volume total air yang digunakan

22

memiliki kapasitas debit maksimum sebesar 33 ltr / menit. Selama pengujian, debit air diukur dengan sebuah flowmeter yang dipasang in line pada aliran masuk rangkaian. Data irradiasi matahari diukur dengan menggunakan pyranometer yang dipasang sesuai dengan posisi kemiringan kolektor. Data-data hasil pengujian dicatat setiap 5 menit dengan rentang waktu 6 jam setiap pengujian berlangsung.

Gambar 3.1. Skema sistem rangkaian seri

Gambar 3.2. Skema sistem rangkaian paralel

3.2. Spesifikasi Komponen Alat Uji

Peralatan uji yang digunakan terdiri dan beberapa komponen peralatan yaitu:

1. Panel Kolektor Pelat Datar

Merupakan unit kolektor tenaga surya yang di dalamnya terdapat pelat absorber, pipa header inlet dan outlet yang dihubungkan oleh pipa-pipa raiser. Unit ini menggunakan isolator polyurethane dan penutup kaca tipe tunggal.

Ukuran pipa header 0,5‗dan pipa raiser 0,25‘. Setiap unit kolektor dirangkai oleh pipa tembaga yang berukuran ¼‘ yang diisolasi oleh material

aeroflex untuk mencegah terjadinya penurunan temperatur akibat kehilangan

panas.

Spesifikasi panel kolektor pelat datar yang digunakan adalah sebagai berikut: - Luasan absorber : 1.802 m x 0.928 m.

- Absorber material : Al Alloy (a198), Nickel Black on galvanized iron. - Pipa : Tembaga

- Casing kolektor : Zincalume

- Penutup atas : Misliteglasses 5 mm.

- Isolator : Polyurethane PU dan Polyurethane Toho - Tekanan kerja maksimum : 4 bar

- Berat kosong : 46 kg - Berat penuh : 48,5kg

24

Gambar 3.3. Kondisi kolektor pelat datar

2.Katup

Peralatan uji yang digunakan merupakan rangkaian dan 8 buah panel kolektor pelat datar yang dapat dirangkai secara seri dan parallel maupun kombinasinya. Pada pengujian ilmiah ini, hanya digunakan tipe rangkaian seri semua dan parallel semua. Pemilihan tipe rangkaian ini diatur oleh katup yang dipasang pada pipa-pipa aliran sehingga aliran air dapat diatur sesuai dengan tipe rangkaian yang diinginkan. Total jumlah katup yang digunakan adalah 22 buah katup pengatur aliran dan 2 buah katup tambahan sebagai katup pembilasan, selain itu juga terdapat 1 buah katup pengatur debit aliran air.

3.Pompa Air

Rangkaian yang dipakai merupakan sistem aktif tertutup dimana air

disirkulasikan terus menerus selama pengujian berlangsung sehingga

membutuhkan pompa untuk mengalirkan air. Tipe pompa yang digunakan adalah Shimizu 130 BT dengan kapasitas maksimum 33 liter / menit dan daya 125 W.

Gambar 3.4. Pompa air SHIMIZU 130

4.Tangki Air

Media penampung air yang digunakan adalah berupa tangki air berukuran lmx 1m x 1m berbahan plastik. Pada pengujian kali ini media penampung tidak digunakan sebagai penampung yang dapat menyimpan panas yang telah didapat oleh air karena tangki air ini tidak diisolasi oleh material isolator.

Gambar 3.5. Tangki air

5. Sensor Temperatur

Untiik mengukur temperatur yang telah dicapai selama pengujian berlangsung, digunakan termokopel sebagal sensor temperatur yang dipasang

26

21 buah. Jenis termokopel yang digunakan adalah termokopel tipe K dengan material junction nickel-chromium dan nickel-aluminum. Pembacaan temperatur menggunakan indikator temperatur Autonics digital tipe T4WM.

6. Flowmeter

Pembacaan data debit aliran air menggunakan flowmeter analog tipe inline merk Healthy dengan kapasitas aliran maksimum 20 lpm dan ketelitian pembacaan 1 lpm. Flowmeter ini dipasang pada aliran masuk rangkaian.

Gambar 3.6. Flowmeter

7. Pyranometer

Besarnya irradiasi matahari diukur dengan pyranometer Kipp & Zonen tipe CM5 dengan daerah sensitivitas 9— 15 mV / W/m2. Pengambilan data berupa tegangan output yang dibaca oleh multimeter Fluke tipe 189.

Gambar 3.7. Pyranometer Kipp & Zonen CM 5

7. Konsentrator Parabolik

Konsentator parabolik yang telah dikerjakan sebelumnya berjumlah 2 buah dan dirangkaikan seri. Absorber yang dipasang adalah absorber seperti pada kolektor plat datar dengan pipa raise berukuran 0,25‘.

Gambar 3.8. Konsentrator parabolik

3.3. Pengambilan Data

Pengambilan data merupakan proses pengujian langsung peralatan uji dan mencatat parameter-parameter yang dibutuhkan seperti temperatur, irradiasi matahari dan debit aliran air. Tempat pengujian dilakukan pada lantai atas gedung Engineering Center FTUI. Proses pengambilan data dilakukan pada rentang waktu

28

pengambilan data pada awal pengujian, pompa dijalankan sekitar 15 menit untuk membuat temperatur air dalam sistem lebih stabil karena sisa-sisa air di dalam panel kolektor telah mengalami pemanasan sebelumnya.

Persiapan dan pengambilan data yang dilakukan dalam pengujian adalah sebagai berikut:

1. Mengatur pembukaan dan penutupan katup sehingga menjadi rangkaian yang diinginkan.

2. Memastikan pemasangan kabel termokopel pada terminal dan indikator berfungsi dengan baik.

3. Memasang alat ukur irradiasi matahari dan mengeset multimeter. 4. Periksa level ketinggian air pada tangki.

5. Mencatat angka awal flowmeter (sebelum pompa dijalankan)

6. Memeriksa pompa dan menjalankan pompa 15 menit sebelum data temperatur diambil.

7. Pengambilan data temperatur dan irradiasi matahari setiap 5 menit.

3.3.1 Data Lokasi Tempat

Data lokasi tempat dihutuhkan untuk mengetahui posisi dimana pengujian berlangsung terhadap garis lintang dan garis bujur bumi. Lokasi kota Depok berada pada -6.39° LS dan 106.83° BT (Sumber LanSat LAPAN).

3.3.2 Data Irradiasi

Irradiasi matahari merupakan intensitas radiasi yang jatuh pada suatu area, data irradiasi diukur oleh pyranometer merk Kipp & Zonen tipe CM 5 yang dipasang pada rig panel kolektor dengan kemiringan 6° menghadap utara terhadap bidang horizontal.

3.3.3 Data Temperatur dan Debit Aliran

Pengambilan data temperatur dilakukan selama 6 jam per hari antara jam 9

sedangkan data debit aliran air dicatat pada awal dan akhir pengujian. Untuk aliran air diatur pada debit aliran maksimum yang mampu dicapai pompa, dengan demikian posisi katup by-pass pengatur debit ditutup penuh.

Untuk kebutuhan pengolahan data yang mendekati nilai sebenarnya pada pembacaan temperatur dan sensor termokopel yang dipasang, dilakukan verifikasi termokopel dengan melakukan perbandingan terhadap termometer raksa sebagai referensinya.

3.4 Kerugian Kalor Pada Kolektor Pelat Datar

Kerugian kalor pada bagian atas terjadi secara koveksi dan radiasi, sedangkan kerugian kalor secara konduksi diabaikan sebab tebal cover kecil sehingga perbedaan temperatur tidak begitu signifikan. Dimana kemudian dihitung dengan mempergunakan persamaan (2.6)

3.4.1. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Atas Rangkaian Seri

Dengan data berikut

v = 3.12 m/s

ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑}

= 5.7 + 3.8v = 17.556 (W/m2.K)

ƒ = (1 – 0.04 ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑} + 0.0005 ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑}2 ) (1 + 0.091 N) = 0.493 C = 250 (1 – 0.0044(β – 90o)) = 342.4

N = 1

𝜀_𝑐 = 0.89 (mistlite glass, low iron)

𝜀𝑝 = 0.95

ζ = 5.67x10−8 W /m2.K4

𝑇_𝑎 = 31.48 oC / 304.48 K

Dan di asumsikan bahwa Temperatur Pelat Absorber (Tp) adalah Ti + 10 (Berdasarkan literatur Duffie & Beckman)

30

Tabel 3.1. Temperatur pelat absorber rangkaian seri

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Tin 49.73 50.42 51.45 52.48 53.71 54.62 55.33 56.30 Tp 59.73 60.42 61.45 62.48 63.71 64.62 65.33 66.30

Dengan memasukan data-data dan persamaan di atas dengan bantuan program Ms. Excel maka dapat dihitung kerugian kalor pada bagian atas. Maka koefisien kerugian kalor bagian atas (Ut) rata-rata perhari untuk masing-masing kolektor pelat datar dengan aliran 5 LPM rangkaian seri adalah sebagai berikut :

Tabel 3.2. Koefisien kerugian kalor bagian atas kolektor pelat datar rangkaian seri

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Ut

(W/m2K) 6.55 6.58 6.62 6.66 6.70 6.73 6.76 6.79

3.4.2. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Atas Rangkaian Pararel

Dengan data berikut

v = 3.12 m/s

ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑}

= 5.7 + 3.8v = 17.556 (W/m2.K)

ƒ = (1 – 0.04 ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑} + 0.0005 ℎ_{𝑤𝑖𝑛𝑑}2 ) (1 + 0.091 N) = 0.493 C = 250 (1 – 0.0044(β – 90o)) = 342.4

N = 1

𝜀𝑐 = 0.89 (mistlite glass, low iron)

𝜀𝑝 = 0.95

ζ = 5.67x10−8 W /m2.K4

𝑇_𝑎 = 32.67 oC / 305.67 K

Dan di asumsikan bahwa Temperatur Pelat Absorber (Tp) adalah Ti + 10 (Berdasarkan literatur Duffie & Beckman)

Tabel 3.3. Temperatur pelat absorber rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Tin 52.63 52.10 52.58 52.66 59.21 59.67 58.84 59.01

Tp 62.63 62.10 62.58 62.66 69.21 69.67 68.84 69.01

Dengan memasukan data-data dan persamaan di atas dengan bantuan program Ms. Excel maka dapat dihitung kerugian kalor pada bagian atas. Maka koefisien kerugian kalor bagian atas (Ut) rata-rata perhari untuk masing-masing kolektor pelat datar dengan aliran 5 LPM rangkaian paralel adalah sebagai berikut :

Tabel 3.4. Koefisien kerugian kalor bagian atas kolektor pelat datar rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Ut

(W/m2K) 6.66 6.64 6.66 6.66 6.89 6.91 6.88 6.89

3.4.3. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Bawah

Kerugian kalor pada bagian bawah terjadi secara konduksi dari absorber ke panel bawah (bottom of panel), sedangkan kerugian konveksi dan radiasi diabaikan sebab nilainya lebih kecil dibandingkan kerugian secara konduksi. Dengan menggunakan persamaan (2.7) dimana k = 0.022 W/m K (polyurethane)

dan L = 0.955 cm = 0.00955 m. Maka nilai Ub adalah :

U

_b

=

k L

=

0.022 0.00955 = 2.3 W/m 2 K

3.4.4. Koefisien Kerugian Kalor Bagian Samping

Dengan menggunakan persamaan (2.8) dimana (UA)edge = 0.022/0.0121 x

5.968 x 0.075 = 0.813 W/k maka nilai Ue adalah :

U

=

(UA )edge

=

0.813 2

32

3.4.5. Koefisien Kerugian Kalor Total

Berikut ini adalah kerugian kalor total rata-rata per hari untuk debit 5 LPM yang didapat dengan menggunakan persamaan (2.4)

Tabel 3.5. Koefisien kerugian kalor total kolektor pelat datar rangkaian seri

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Ut 6.55 6.58 6.62 6.66 6.70 6.73 6.76 6.79

Ub 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30

Ue 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41

UL 9.27 9.30 9.33 9.37 9.42 9.45 9.47 9.51

Tabel 3.6. Koefisien kerugian kalor total kolektor pelat datar rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Ut 6.66 6.64 6.66 6.66 6.89 6.91 6.88 6.89

Ub 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30

Ue 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41

UL 9.38 9.36 9.37 9.38 9.61 9.62 9.60 9.60

Sedangkan dibawah ini adalah grafik perubahan kerugian kalor total selama waktu pengujian.

Gambar 3.9. Grafik perubahan koefisien kerugian kalor (heat loss coefficient) sepanjang waktu pengujian rangkaian seri

Gambar 3.10. Grafik perubahan koefisien kerugian kalor (heat loss coefficient) sepanjang waktu pengujian rangkaian parallel

3.5. Faktor Pelepasan Kalor Kolektor Pelat Datar

Untuk mendapatkan nilai FR hal pertama yang harus dilakukan adalah

mengetahui dulu nilai karakteristik dari fin pada absorber. Dengan menggunakan

persamaan

m =

UL

kδ

maka selanjutnya nilai m ini dapat digunakan untuk mengetahui nilai efisiensi fin. Dengan UL adalah overall heat loss coefficient

rata-rata harian yang telah didapat sebelumnya,; thermal conductivity dari fin, k = 220 W/m K ; dan tebal fin δ = 0.0003 m

RANGKAIAN SERI

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.27 9.30 9.33 9.37 9.42 9.45 9.47 9.51

m 11.85 11.87 11.89 11.92 11.95 11.97 11.98 12.00

34

RANGKAIAN PARALEL

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.38 9.36 9.37 9.38 9.61 9.62 9.60 9.60

m 11.92 11.91 11.92 11.92 12.07 12.08 12.06 12.06

3.5.1. Efisiensi Sirip Absorber Kolektor Pelat Datar

Setelah mendapatkan nilai m, maka selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mencari efisiensi sirip absorber pada kolektor pelat datar dengan menggunakan persamaan (2.10)

Dengan nilai m telah didapatkan sebelumnya, dan jarak antar pipa absorber di dalam collector, W = 0.116 m ; dan diameter luar pipa absorber, D = 0.0159 m. Maka akan didapatkan nilai efisiensi sirip sebagai berikut :

Tabel 3.7. Efisiensi sirip absorber kolektor pelat datar rangkaian seri

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.27 9.30 9.33 9.37 9.42 9.45 9.47 9.51

F 0.897 0.897 0.897 0.896 0.896 0.895 0.895 0.895

Tabel 3.8. Efisiensi sirip absorber kolektor pelat datar rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.38 9.36 9.37 9.38 9.61 9.62 9.60 9.60

F 0.896 0.896 0.896 0.896 0.894 0.894 0.894 0.894

3.5.2. Faktor Efisiensi Kolektor

Langkah selanjutnya adalah mencari nilai efisiensi kolektor dengan menggunakan persamaan (2.11).

Sebelum melanjutkan perhitungan, dicari terlebih dahulu nilai koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja dengan langkah berikut :

3.5.2.1. Faktor Efisiensi Kolektor Rangkaian Seri Menentukan nilai ℎ_𝑓𝑖

1. Mencari bilangan Reynolds Re

=

4 m

D_i . π . μ

=

4 x 0.0104

0.01272 x π x 5.5 x 10−4

= 15160

𝜇 = 5.5 x 10−4 N-s/m2 @ viskositas dinamik air pada suhu 50 C

2. Mencari bilangan Prandtl Pr = Cp . μ

k

=

4174 x 5.5 x 10−4

0.6

= 3.82

𝐶𝑝 = 4174 (J/(kg.oC)) @ air pada suhu 50 C

𝑘 = 0.6 (W/(m.oC))

3. Mencari nilai bilangan Nusselt Cari nilai dari Re.Pr.Di

L = 15160 x 3.82 x 0.01272

1.8

=

409.2, kemudian dari

persamaan berikut dapat ditentukan nilai bilangan Nusselt (Nu), Ladalah panjang pipa dalam kolektor.

Nu = Nu_∾+ a Re Pr Di/L

m

1 + b Re Pr D_i/L n

Dengan nilai konstanta dari tabel 2.1

Nu = 4.4 + 0.00172 409.2

1.66

1 + 0.00281 409.2 1.29 = 9.3

4. Mencari koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja hfi= Nu k Di = 9.3 0.6 0.01272= 438.68 W/m 2_K

Maka, akan didapat nilai F′ yang merupakan fluks kalor. Dengan nilai konduktansi perekat diasumsikan, Cb = 40 W/m K ; Diameter dalam pipa

36

absorber Di = 0.01272 m ; maka akan didapatkan nilai F′ _{masing-masing}

rangkaian adalah sebagai berikut :

Tabel 3.9. Faktor efisiensi kolektor pelat datar rangkaian seri

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.27 9.30 9.33 9.37 9.42 9.45 9.47 9.51

F′ _{0.843 0.843 0.843 0.842 0.841 0.841 0.841 0.840}

3.5.2.2. Faktor Efisiensi Kolektor Rangkaian Paralel

Karena pada rangkaian parallel setiap kolektor memiliki mass flow yang berbeda-beda, maka perlu dilakukan simulasi aliran mass flow dengan bantuan software Pipe Flow Expert. Dengan memasukan data panjang seluruh pipa, ketinggian kolektor, serta ukuran pipa maka didapatkan mass flow pada masing-masing kolektor sebagai berikut :

Tabel 3.10. Variasi laju aliran masa masing-masing kolektor rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.38 9.36 9.37 9.38 9.61 9.62 9.60 9.60

m (kg/s) 0.026 0.015 0.015 0.026 0.011 0.015 0.023 0.032

Dengan menggunakan metode yang sama dengan yang digunakan pada rangkaian seri, maka akan didapatkan nilai parameter untuk mencari koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja masing-masing kolektor sebagai berikut:

Tabel 3.11. Variasi nilai bilangan Reynolds, Prandtl, dan Nusselt pada kolektor rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8 Re 591.49 341.24 341.24 591.49 250.24 341.24 523.24 727.98 Pr 3.82 3.82 3.82 3.82 3.82 3.82 3.82 3.82 Re Pr Di / L 15.97 9.21 9.21 15.97 6.76 9.21 14.12 19.65 Nu 6.36 5.25 5.25 6.36 4.92 5.25 6.03 7.05

Sehingga didapatkan nilai koefisien transfer konveksi dari pipa ke fluida kerja masing-masing kolektor sebagai berikut :

Tabel 3.12. Variasi nilai koefisien transfer konveksi masing-masing kolektor rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

hfi 300.05 247.71 247.71 300.05 232.25 247.71 284.65 332.69

Dengan nilai-nilai koefisien di atas maka akan didapatkan nilai F ‗ masing-masing rangkaian untuk parallel adalah sebagai berikut :

Tabel 3.13. Faktor efisiensi kolektor pelat datar rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.38 9.36 9.37 9.38 9.61 9.62 9.60 9.60

F′ _{0.822 0.810 0.809 0.822 0.801 0.805 0.815 0.825}

Gambar 3.11. Hasil simulasi flow rate dengan Pipe Flow Expert

38

3.5.3. Perhitungan Faktor Pelepasan Kalor

Setelah mendapatkan nilai faktor efisiensi kolektor (F′ _{) maka selanjutnya}

nilai faktor pelepasan kalor dapat dicari dengan persamaan

Dengan menggunakan data-data yang telah didapat sebelumnya maka didapatkan nilai untuk masing-masing rangkaian adalah sebagai berikut :

RANGKAIAN SERI

Dengan aliran 5 LPM dan diameter 0.01272 m, maka didapatkan mass flow rangkaian seri adalah 𝑚 = 0.0833 kg/s

Tabel 3.14. Faktor pelepasan kalor masing-masing kolektor rangkaian seri

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.27 9.30 9.33 9.37 9.42 9.45 9.47 9.51

FR 0.825 0.825 0.824 0.824 0.823 0.822 0.822 0.821

RANGKAIAN PARALEL

Dengan menggunakan data mass flow untuk masing-masing kolektor parallel yang kemudian digunakan untuk mencari nilai FR dengan persamaan di atas, maka

didapatkan FR untuk rangkaian parallel adalah sebagai berikut :

Tabel 3.15. Faktor pelepasan kalor masing-masing kolektor rangkaian paralel

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

UL 9.38 9.36 9.37 9.38 9.61 9.62 9.60 9.60

m 0.026 0.015 0.015 0.026 0.011 0.015 0.023 0.032

FR 0.767 0.721 0.720 0.767 0.682 0.715 0.753 0.779

3.5.4. Panas Keluar Rangkaian (FR UL)

FR UL menunjukkan panas yang keluar dari rangkaian kolektor pelat datar

setiap meter perseginya. Di bawah ini adalah nilai rata-rata FRUL untuk kedua

jenis rangkaian

Tabel 3.16. Panas keluar rangkaian masing-masing kolektor untuk kedua rangkaian

Kolektor 1 2 3 4 5 6 7 8

Seri 7.648 7.669 7.689 7.716 7.750 7.771 7.784 7.811

Paralel 7.193 6.741 6.750 7.194 6.554 6.879 7.229 7.476

Sedangkan dibawah ini adalah grafik perubahan nilai faktor pelepasan kalor selama waktu pengujian.

Gambar 3.12. Grafik perubahan nilai faktor pelepasan kalor (FR) selama waktu pengujian, rangkaian seri

40

Gambar 3.13. Grafik perubahan nilai faktor pelepasan kalor (FR) selama waktu pengujian, rangkaian paralel

3.6. Desain Optik Konsentrator Parabolik

Konsentrator yang dirancang terbuat dari material pelat stainless steel. Pelat ini direkatkan pada kayu yang telah dibentuk profil parabola. Fokus yang dihasilkan dari pantulan sinar matahari berupa garis yang disebut garis fokal. Jarak garis fokal ini ditentukan oleh ukuran parabola. Program Ms. Excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = x2/4P dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu x dan sumbu y. dan P adalah jarak titik-titik fokus dan parabola. Karena jarak fokusnya dibuat 100 centimeter maka persamaan parabola pada sumbu koordinatnya menjadi y = 400x2.

Lebar penampang pemantul 100 cm dan panjang 150 cm. Luas aperture (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat dengan mengalikan panjang dengan lebar pandangan dari atas parabola. Jadi luas aperture bukan luas pelat sebelum ditekuk mengikuti bentuk kurva melainkan dengan mengikuti lebar

Aa = 1.5 m x 0.9 m = 1.35 m2.

Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa yang menyerap pantulan sinar dari concentrator. Pada tugas akhir ini digunakan pipa yang tidak umum digunakan pada solar concentrator yaitu pipa dengan fin cover. Sehingga luas Aa adalah luas pipa dan luas fin. Panjang pipa keseluruhan adalah, L = 1.75 m.

Ar = luas pipa + luas fin = π.d.L + 2.p.L

= (3.14 x 0.02 x 1.75) + (2 x 0.05 x 1.75) = 0.285 m2

3.7. Rasio Konsentrasi Solar Concentrator

Rasio konsentrasi adalah perbandingan luas concentrator (Aa) terhadap luas collector/absorber (Ar). Semakin besar rasio konsentrasi maka performa concentrator dan collector semakin besar namun tidak mutlak. Untuk memperbesar rasio konsentrasi dapat dilakukan dengan memperbesar luas aperture atau dengan memperkecil diameter (luas) pipa penyerap (absorber). Dengan memperkecil diameter pipa maka diperlukan ketelitian yang besar sehingga sinar dapat ditangkap sebanyak mungkin.

Cr = Aa / Ar = 1.35 / 0.285 = 4.73

3.8. Koefisien Kerugian Kalor & Faktor Pelepasan Kalor Konsentrator Parabolik

Pertama dalam mencari nilai koefisien perpindahan kalor dari angin dicari terlebih dahulu bilangan Reynolds daripada angin tersebut. Dengan asumsi bahwa temperatur ambient 30 oC dan kecepatan angin 3.12 m/s. Maka akan didapatkan koefisien konveksi dan radiasi dari lingkungan sekitar sebagai berikut :

h

w = 5.7 + 3.8v = 5.7 + (3.8 x 3.12) = 17.56 W/m2 K

42

h

r = 4ζεT3 = 4 x 5.67 x 10-8 x 0.95 x 3033 = 5.99 W/m2 K

maka overall heat loss coefficient nya adalah sebagai berikut :

UL = 17.56 + 5.99 = 23.55 W/m2 K

Karena heat fluks pada concentrator sangat besar, tahanan perpindahan kalor dari luar pipa menuju fluida (air) meliputi dinding pipa. Overall heat transfer coefficient (UO) dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.23)

Koefisien perpindahan panas dalam pipa yang dialiri air (ℎ_𝑓𝑖) Menentukan nilai 𝒉_𝒇𝒊

1. Mencari bilangan Reynolds

Mass flow dalam tube pada concentrator adalah : 0.0833 kg/s, maka

Re

=

4 m Di . π . μ

=

4 x 0.0833

0.01272 x π x 4.6 x 10−4

= 18126

𝜇 = 5.5 x 10−4 N-s/m2 @ viskositas dinamik air pada suhu 60 C

2. Mencari bilangan Prandtl Pr = Cp . μ

k

=

4179 x 4.6 x 10−4

0.6

= 3.2

𝐶𝑝 = 4179 J/kg.oC @ air pada suhu 60 C

𝑘 = 0.6 W/m.oC

3. Mencari nilai bilangan Nusselt Cari nilai dari Re.Pr.Di

L = 18126 x 3.2 x 0.01272

3.6

=

204.9, kemudian dari

persamaan berikut dapat ditentukan nilai bilangan Nusselt (Nu), Ladalah panjang pipa dalam kolektor.

Nu = Nu_∾+ a Re Pr Di/L

m

1 + b Re Pr D_i/L n