Perancangan dan Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya yang disertai Material Berubah Fasa (PCM) sebagai Medium Penyimpan Panas

18

Perancangan dan Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya yang

disertai Material Berubah Fasa (PCM) sebagai Medium

Penyimpan Panas

M. Syahril Gultom

Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU, Padang Bulan Medan

Abstract

Solar energy is the most abundant renewable energy source that is available in everywhere. On of the most promising application of solar energy resource is solar water heater. There are many needs for hot water, they are home appliance, hotel, industry, hospital, etc. Solar energy is available in daytime, on the other hand, utilizing hot water is usually afternoon and evening. Thus, thermal storage with phase change material is promoted here. This work is a study on solar water heater with phase change material (PCM) as a thermal storage. Research and development on a solar water heater with phase change material as a thermal storage need long process. It consists of, usually, design, fabricating, testing, optimizing, and pilot scale development. Here, design, fabricating and testing the solar water heater with PCM as thermal storage are carried out. The main dimensions of designed solar water heater are: length of 2m, wide of 1 m, and thickness of 0.25m. The PCM is made of Stearic acid and it is loaded with 75 kg. The solar water heater is tested by exposing to solar radiation. The results shows that the maximum temperature of the absorber can be up to 107oC and the incident energy is 33.27 MJ, energy loss of 8.36 MJ and storage energy of 12.6 MJ. Thus efficiency of the solar water heater is 37.87%. The main conclusion here is that a simple solar water heater with PCM can be fabricated with a good thermal efficiency.

Keywords: Solar Energy, Water Heater, Phase Change Material

I. Pendahuluan

Indonesia terdiri dari kurang lebih 17.000 pulau yang terbentang di sepanjang garis katulistiwa. Garis katulistiwa menggambarkan lintasan semu matahari pada permukaan bumi. Setiap hari matahari akan bergerak mengikuti katulistiwa dan memancarkan energi dalam bentuk radiasi foton ke permukaan bumi. Matahari, yang jaraknya 150 km dari bumi, memancarkan energy dengan laju

20 10 8 ,

3 × MW dan yang sampai di permukaan bumi adalah sekitar

10 10 8 ,

10 × MW. Seandainya 0,1% saja energi ini dapat diambil dengan efisiensi 10% maka akan didapat daya listrik sebesar 10,8×106 MW atau lebih dari

empat kali daya listrik yang saat ini dibangkitkan dunia, sekitar 3000 GW [1].

Berdasarkan buku putih yang diterbitkan oleh Kementerian Ristek [2] daerah di Indonesia mempunyai potensi energi surya sebesar 4,8 kWh/m2/hari atau sebesar 17,28 MJ/m2/hari. Nilai energi ini adalah lebih dari nilai kalor yang terkandung dalam 1/3 kg minyak tanah. Himsar [3] telah melakukan pengukuran radiasi di kota Medan dan hasilnya adalah radiasi harian bervariasi mulai dari yang terendah 0.53 kWh/m2/hari dan yang tertinggi 5,64 kWh/m2/hari dan nilai rata-ratanya adalah 3,54 kWh/m2/hari dan rata-rata lam penyinaran matahari adalah 11.99 jam perhari. Besarnya potensi energi surya ini sangat cocok untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan.

19 Meskipun Indonesia adalah

termasuk negara dengan iklim tropis dengan temperatur udara yang relatif panas, tetapi pada kasus-kasus atau daerah tertentu ada kebutuhan air panas untuk mandi. Pada daerah yang temperatur hariannya relatif rendah seperti daerah pegunungan sudah sangat umum digunakan air panas. Pada sektor parawisata, yaitu bangunan hotel, penggunaan air panas adalah hal yang umum bahkan ada yang wajib. Demikian juga rumah sakit dan beberapa industri. Pada sektor-sektor ini, untuk menghasilkan air panas, sumber energi yang umum digunakan adalah listrik dan bahan bakar minyak. Hal ini, diyakini, menjadi salah satu sektor yang meningkatkan konsumsi energi yang berasal dari fosil.

Berdasarkan kedua fakta di atas yaitu: pertama Indonesia memiliki potensi sumber energi matahari yang cukup besar dan kedua ada kebutuhan energi untuk menghasilkan air panas, maka energi surya sangat cocok digunakan sebagai sumber energi untuk menghasilkan air panas. Teknologi yang digunakan untuk menghasilkan air panas dari energi surya biasanya dikenal solar water heater (SWH) atau pemanas air tenaga surya. Ada beberapa jenis pemanas air tenaga surya yang dapat digunakan, yaitu pertama pemanasan langsung dan kedua dengan menggunakan teknik penyimpan panas atau thermal storage. Hal ini karena waktu tersedianya energi surya umumnya tidak sama dengan waktu penggunaaan air panas. Untuk menjembatani perbedaan waktu inilah maka dibutuhkan medium penyimpan panas.

Medium penyimpan panas dapat dibagi atas dua bagian, yaitu penyimpan panas sistem panas sensibel dan peyimpan panas sistem panas laten. Pada sistem panas sensibel, energi dalam bentuk panas disimpan dalam bentuk perbedaan temperatur dan pada sistem panas laten, energi dalam bentuk panas disimpan dalam bentuk perubahan fasa. Secara umum jumlah panas yang dapat disimpan dalam sistem panas laten lebih besar dari pada sistem panas

sensibel. Keunggulan lainnya, sistem panas laten menyimpan panas dengan temperatur yang relatif konstan, sehingga keluaran yang diharapkan dapat terjadi pada temperatur yang relatif konstan. Pada penelitian ini, sistem panas laten akan digunakan sebagai media penyimpanan. Hal-hal yang disebutkan di atas menjadi latar belajar penelitian ini.

Tema utama penelitian ini adalah pengembangan pemanas air tenaga surya yang disertai material berubah fasa (PCM) sebagai medium penyimpan panas. Proses rancang bangun sebuah pemanas air sangat panjang, mulai dari perancangan prototipe, pengujian, perbaikan rancangan, optimasi, sampai pengembangan ke taraf skala pilot. Pada penelitian kali ini, pembahasan hanya difokuskan pada perancangan, pembuatan dan pengujian awal. Hasil yang diharapkan pada penelitian ini adalah memberikan masukan untuk tahap-tahap berikutnya sehingga dapat dihasilkan sebuah pemanas air tenaga surya dengan PCM sebagai penyimpan panas.

II. Metodologi

Penelitian ini akan dibagi atas 3 tahap, yaitu perancangan, pembuatan, dan pengujian awal. Pada proses perancangan hasil pengukuran intensitas matahahari di lokasi pembuatan akan dijadikan acuan. Sebagai catatan penelitian ini dilakukan di kota Medan, dengan kordinat 3o35' Lintang Utara dan 98o40' Bujur Timur.

Pada bagian awal dilakukan pengukuran intensitas radiasi dan temperatur harian selama satu minggu, pada pukul 8.30 - 16.00 WIB. Jumlah energi rata-rata dan temperatur rata-rata hasil pengukuran ini akan digunakan untuk menentukan jenis dan jumlah PCM yang sesuai. Luas kolektor yang akan dirancang berdasarkan survey lapangan yang dilakukan terhadap pemanas air tenaga surya komersial yang ada dilapangan.

Perancangan akan dilakukan dengan melakukan perhitungan kerugian panas akibat konduksi, konveksi, dan

20 radiasi. Persamaan dasar perpindahan

panas konduksi terjadi pada semua bagian yang padat, dan dihitung dengan persamaan:

dx dT kA

q_k = (1)

Dimana k [W/mK] adalah koefisien konduksi bahan yang digunakan dan

dx

dT adalah perbedaan temperatur arah tegak lurus bidang dan didapat dari hasil pengukuran

Perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan yang bersentuhan dengan bidang dihitung dengan persamaan:

(

− ∞

)

=hAT T

q_{c w} (2) Dimana T_w dan T∞ masing-masing adalah temperatur dinding dan temperatur udara. Koefisien konveksi h

adalah koefisien konveksi natural dan dihitung dengan menggunakan bilangan Nusselt pada persamaan berikut:

(

)

[

]

2 27 8 16 9 6 1 Pr / 492 , 0 1 387 , 0 825 , 0         + + = RaL Nu (3)

Dan perpindahan panas radiasi pada kolektor dihitung dengan persamaan:

1 1 1 4 4 − + = c p c P r T T q

ε

ε

σ

(4)

Setelah melakukan perhitungan untuk menentukan dimensi utama kemudian dilakukan fabrikasi.

Setelah dilakukan fabrikasi, pemanas air tenaga surya akan diuji untuk mengetahui temperatur kerja yang dapat dicapai.

III. Peralatan Eksperiment

Untuk melakukan pengujian, pada penelitian ini digunakan sistem akuisisi data. Sistem akuisisi data yang digunakan terdiri dari dua bagian utama, yaitu Hobo microsation untuk melakukan pengukuran radiasi, RH, kecepatan angin dan temperatur harian kedua Agilent yang terdiri dari 20 channel dengan

masing-masing therocouple type J untuk mengukur temperatur kerja pemanas air. Kedua sistem pengukuran ini dihubungkan dengan komputer untuk me-record hasil pengukuran.

Susunan alat ukur dengan pemanas air surya yang sudah difabrikasi ditampilkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Susunan alat ukur dengan pemanas air surya

IV. Hasil dan Diskusi

Pengukuran awal radiasi, penentuan jenis dan jumlah PCM, perhitungan dimensi dan pengujian pemanas air tenaga surya telah dilakukan hasilnya adalah sebagai berikut:

4.1. Pengukuran awal radiasi dan PCM Setelah dilakukan pengukuran untuk beberapa hari, didapat besar

21 energi radiasi sangat bervariasi

tergantung keadaan cuaca. Meskipun demikian secara umum jumlah energi rata-rata yang didapat adalah 16 MJ/m2/hari. Nilai ini akan digunakan sebagai acuan untuk menentukan dimensi pemanas air tenaga surya. Berdasarkan survey lapangan yang telah dilakukan, maka umumnya luas kolektor pemanas air komersial adalah sebesar 2 m2. Maka luas kolektor yang akan dirancang adalah seluas 2 m2.

Setelah melakukan beberapa analysis dan survey jenis PCM yang digunakan adalah Asam stearat (Stearic acid). Struktur kimia asam stearat adalah CH3(CH2)16CO2H. Data teknisnya adalah sebagai berikut: Tititk leburnnya 53oC, Kalor jenis solid dan liquid masing-masing adalah 1763 J/kg.K dan 2359,42 J/ kg. K dan memiliki kalor lebur 198,9 kJ/kg.

Sesuai hasil perhitungan jumlah PCM ini yang digunakan adalah 75 kg. 4.2. Dimensi Utama

Setelah melakukan perhitungan,

dimensi utama pemanas air hasil rancangan adalah sebagai berikut: a) Ukuran : -Panjang = 2.0 m -Lebar = 1.0 m -Tebal = 0,180 m -Tinggi = 0,250 m b) Bahan :

-Kayu jenis Meranti dengan luas total 4,58 m2 dan ketebalannya 2,1 cm.

-Polystyrene dengan luas total 3,9599 m2 dan ketebalannya 3 cm.

-Rockwool dengan luas total 3,51398 m2 dan ketebalannya 6 cm

-Kaca tipe plate dengan luas total 2 m2 dan ketebalannya 0,6 cm.

c. Jumlah air yang dapat dipanaskan direncanakan sebanyak 100 liter.

4.3. Hasil Pengujian

Pengujian telah dilakukan pada tanggal 10 September 2012 mulai pukul 08.00 s/d 17.00. Hasil pengukuran ditampilkan pada Gambar 2, Gambar 3, dan Gambar 4.

22 Gambar 3 Temperatur lingkungan dan temperatur di dinding kolektor

Gambar 4 Temperatur lingkungan dan temperatur permukaan kaca Beberapa hal yang dapat dilihat

pada gambar tersebut. Gambar 2 menunjukkan meskipun temperatur udara luar relatif rendah kurang dari 308K (35oC), tetapi temperatur di dalam solar kolektor sangat tinggi dapat mencapai 380K (107oC). Hal ini dikarenakan sistem isolasi pada dinding yang dirancang dapat menahan panas di dalam kolektor.

Panas yang tinggi ini akan digunakan untuk melelehkan PCM. Sebagai catatan titik leleh PCM hanyalah 53o_C.

Meskipun disebutkan bahwa dinding kolektor yang dirancang mampu menahan panas, tetapi masih ada panas yang hilang (heat loses) keluar lingkungan dari dalam kolektor melalui dinding, lantai, dan atap kaca. Untuk

23 mengetahui kehilangan panas dari

masing-masing komponen ini, maka temperaturnya diukur dan hasilnya ditampilkan pada Gambar 3 dan Gambar 4.

Dengan menggunakan persamaan perpindahan panas (konduksi, konveksi, dan radiasi) maka kehilangan panas dari kolektor dapat dihitung. Hasilnya adalah 8,36 MJ. Sementara panas yang masuk ke solar kolektor adalah 33,277 MJ. Dengan menggunakan kesetimbangan energi panas yang digunakan memanaskan PCM adalah 12,6 MJ.

V. Kesimpulan

Telah dilakukan perancangan, pembuatan, dan pengujian sebuah pemanas air tenaga surya dengan PCM. Kesimpulan yang didapat antara lain: • Sistem isolasi termal yang digunakan

mampu menahan panas radiasi yang masuk ke dalam kolektor dan membuat permukaannya cukup panas sampai mencapai 107oC. • Panas yang tinggi pada plat kolektor

mampu melelehkan PCM, karena titik lelehnya hanya 53oC. Jumlah panas yang masuk ke PCM adalah 12,6 MJ.

• Masih terdapat kehilangan panas yang cukup signifikan dari materaial pemanas air yaitu sebesar 8,36 MJ. • Dari hasil pengukuran jumlah panas

yang masuk ke dalam kolektor adalah 33,27 MJ.

• Efisiensi pemanas air ini adalah 37,87%.

Daftar Pustaka

1. M. Thirugnanasambandam, S. Iniyan, dan R. Goic, A review of solar thermal technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 312-322.

2. Kementerian Negara Riset dan Teknologi Republik Indonesia, ”Buku Putih Penelitian, Pengembangan dan Penerapan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bidang Sumber Energi Baru dan Terbarukan untuk

Mendukung Keamanan Ketersediaan Energi Tahun 2025, Jakarta 2006. 3. H. Ambarita, Karakteristik Energi

Surya Kota Medan Sebagai Sumber Energi Siklus Refrigerasi Untuk Pengkondisian Udara (AC), Prosiding Seminar Nasional Sains & Teknologi dan Pameran Mendukung MP3EI, Aula FT. USU, 23 Nopember 2012. 4. Incropera, F.P., DeWitt, Bergman,

Lavine. (2006). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition. 5. Cengel, Y.A. (2006). Heat and Mass