Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana, 2014 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana
Kampus Bukit Jimbaran, Bali 80362 Email: awatsa@yahoo.com
Energi radiasi matahari merupakan bentuk energi yang tidak hanya terbaharukan ( ) tetapi juga bersahabat dengan lingkungan. Salah satu cara pemanfaatan energi matahari secara langsung adalah dengan menggunakan kolektor surya, dan salah satu contoh pemanfaatan energi surya secara langsung adalah untuk pemanas air. Energi matahari yang sampai ke permukaan bumi dapat dikumpulkan dan diubah menjadi energi panas yang berguna melalui bantuan suatu alat yang disebut kolektor surya. Ada beberapa tipe kolektor surya, salah satu diantaranya yang sudah banyak dikenal adalah kolektor surya pelat datar [Duffie,et.al.1991] Jenis kolektor ini menggunakan pelat berupa lembaran, yang berfungsi untuk menyerap pancaran energi matahari yang datang dan memindahkan kalor yang diterima tersebut ke fluida kerja.
Penelitian ini akan menguji sebuah kolektor surya pelat datar dengan menggunakan metode eksperimental yang akan diawali dengan pembuatan kolektor surya pelat datar yang mana pipa laluan fluida (air) ditempatkan di bawah pelat penyerap dengan cara dilas, lalu dilanjutkan pemasangan alat ukur dan kemudian dilakukan pengujian pada kolektor surya pelat datar. Data pengamatan dicatat dan dilakukan perhitungan terhadap energi berguna dan efisiensinya sehingga nantinya dapat ditarik kesimpulan tentang keefektifan penggunaan kolektor surya pelat datar untuk pemanas air.
Efisiensi kolektor surya akan mengalami penurunan hal ini disebabkan dari kaca cover itu sendiri, panas radiasi dari matahari yang menimpa permukaan kolektor akan mengalami beberapa fenomena, diantaranya refleksifitas (ρ), absorsifitas (σ),dan transmisifitas (τ).
Energi radiasi matahari, Kolektor surya pelat datar, Efisiensi kolektor pelat datar
Solar radiation is a form of energy that is not only renewable (renewable energy) but also environmentally friendly. One way of direct utilization of solar energy is by using solar collectors, and one of the direct use of solar energy is for heating water. Solar energy reaching the earth's surface can be collected and converted into usable heat energy through the help of a device called a solar collector. There are several types of solar collectors, one of whom is a well<known flat plate solar collector [Duffie, et.al.1991] collector type uses a plate in the form of sheets, which serves to absorb the sun's radiant energy that comes and move the heat received by the the working fluid
This study will test a flat plate solar collector using experimental methods that will begin with the manufacture of flat plate solar collector where the pipe passes fluid (water) is placed below the absorber plate welded way, then continued installing the gauge and then performed testing on collector flat plate solar. Observation data recorded and performed calculations to energy efficiency that will be useful and it can be deduced about the effectiveness of the use of flat plate solar collectors for heating water The efficiency of solar collectors will decline it is because of the glass cover itself, the heat radiation from the sun that hit the surface of the collector will encounter some phenomena, such as reflexivity (ρ), absorbability (σ), and transmissibility (τ).
: Energy solar radiation, flat plate solar collectors, flat plate collectors Efficiency
! "# $%&%
Prosiding KNEP V 2014 ISSN 2338<414X
86
'! ( ) % "% (
Secara umum alat pemanas air tenaga surya terdiri dari tangki penampung air dan kolektor yang berfungsi mengumpulkan radiasi matahari untuk kemudian diubah menjadi energi panas. Energi panas ini dimanfaatkan secara langsung untuk mamanaskan air ataupun disimpan pada unit penyimpan panas. Prinsip kerja dari alat pemanas air tenaga surya adalah radiasi matahari yang menimpa permukaan kolektor yang kemudian ditransmisikan melalui penutup transparan dan kemudian akan diubah menjadi energi panas oleh plat penyerap (yang biasanya terdiri dari sirip penyerap dan pipa<pipa alur). Selanjutnya akan terjadi perpindahan panas dari pelat penyerap menuju air. Pada akhirnya temperatur air menjadi meningkat. Dalam kasus ini terjadi tiga fenomena perpindahan panas yaitu secara konduksi, yang terjadi pada sirip<sirip penyerap dengan pipa<pipa alur. Setelah itu terjadi perpindahan panas konveksi antara permukaan bagian dalam pipa<pipa alur dengan fluida yang mengalir didalamnya. Kemudian perpindahan panas radiasi terjadi pada pipa alur bagian atas dengan pipa alur bagian bawah, diatas. Perpindahan panas atau adalah ilmu yang mempelajari tentang perpindahan energi sebagai akibat adanya perbedaan temperatur ( ) diantara benda, atau benda dengan fluida. Dimana energi yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas ( ). Panas akan berpindah dari medium yang bersuhu lebih tinggi ke medium dengan suhu yang lebih rendah. Perpindahan panas ini berlangsung terus sampai ada kesetimbangan suhu diantara kedua medium tersebut.
Perpindahan panas dapat terjadi melalui beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasis cover, dan antara cover dengan pelat penyerap. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian energi radiasi tersebut akan di pantulkan ( ), sebagian akan diserap ( ), dan sebagian lagi akan diteruskan ( ). Fraksi yang dipantulkan dinamakan
(ρ), fraksi yang diserap dinamakan (α), dan fraksi yang diteruskan dinamakan (τ) yang dirumuskan sebagai berikut :
ρ + α + τ = 1 (1) kebanyakan benda padat tidak meneruskan radiasi thermal dan dapat dianggap nol, sehingga: ρ + α = 1 (2) Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya dapat digunakan persamaan:
Qu =
•
. Cp. (To<Ti) (3)
dengan :
Qu = energi berguna kolektor sebenarnya tiap satuan luas (W/m2)
•
= laju aliran massa fluida (Kg/s)
Cp = panas jenis fluida (J/Kg.K), nilai Cp didapat dari properties fluida berdasarkan temperatur (
=
+
)To = temperatur fluida keluar (K). Ti = temperatur fluida masuk (K).
Sedangkan efisiensi kolektor merupakan perbandingan antara energi berguna kolektor dengan intensitas radiasi matahari total yang menimpa kolektor yaitu:
∫
= Energi berguna kolektor (Watt) = Luasan kolektor (m2)
= Intensitas radiasi matahari yang menimpa kolektor (Watt/m2)
*! +#(, #
Alat pemanas air tenaga surya yang diuji terdiri dari penutup kaca dengan tebal 2 mm, dimana jarak celah antara kaca cover dengan pelat penyerap diatur setinggi 2 Cm, dan 5 buah pipa alur yang di Las jadi satu dengan pelat penyerap.
Dimensi dan bahan<bahan pada kolektor surya ditampilkan seperti pada gambar 1. Sedangkan alat<alat pengukuran yang digunakan dalam pengujian alat pemanas air tenaga surya tersebut, adalah :
Alat ini digunakan untuk mengukur intensitas total radiasi cahaya matahari per m2. Alat ini digunakan untuk membaca besarnya temperatur yang ditunjukan
digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan dan digunakan untuk mengukur temperatur plat penyerap, temperatur fluida yang keluar masuk kolektor, dan temperatur dari kaca penutup
Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana, 2014 Gelas ukur Difungsikan untuk menentukan laju aliran massa fluida yang memasuki kolektor.
- !
Gambar 1. Dimensi kolektor surya
Dalam pengujian alat pemanas air tenaga surya ini, panel kolektor di pasang dengan kemiringan 30 0 terhadap bidang horisontal. Pengujian akan dilakukan secara berulang sebanyak 3 kali, dengan volume aliran 0,5 Liter/menit dilihat dari volume dari gelas ukur. Adapun langkah<langkah pengujian adalah sebagai berikut:
a. Pengujian dilakukan mulai pukul 09.00 sampai 16.00 wita. b. Menempatkan alat<alat ukur pada titik<titik yang telah ditentukan.
c. Tangki penyimpanan diisi air dengan kapasitas tertentu yang volumenya dijaga tetap. d. Parameter yang diukur adalah sebagai berikut :
• Intensitas total radiasi matahari ( IT )
• Kecepatan angin ( Vw )
• Temperatur air masuk kolektor ( Ti )
• Temperatur air keluar kolektor ( To )
• Temperatur udara luar ( Ta )
• Temperatur plat penyerap ( Tp )
• Temperatur kaca penutup ( Tc)
e. Pencatatan parameter dilakukan setiap 15 menit.
Skema pengujian dan penempatan alat ukur ditampilkan seperti pada gambar 2.
Gambar 2. Titik<titik pengukuran dan penempatan alat<alat ukur
Tangki penyimpan air
Keterangan :
β = kemiringan kolektor Lubang
pengaman
Level tinggi air
Ta Vw IT
To
Ti β = 300
Katup
Pompa
Prosiding KNEP V 2014 ISSN 2338<414X
88
.! $ & "#+/ $
Untuk dapat menganalisa efisiensi kolektor alat pemanas air tenaga matahari dengan variasi ketebalan kaca, maka dilakukan perhitungan terhadap data<data yang didapat dari hasil pengujian.
Data pengujian :
• Energi matahari yang menimpa kolektor = IT x Ac
= 467,55 Watt/m2 x 0,5 m2 = 233,775 Watt
• Energi berguna kolektor
−
Grafik hasil pengujian dan perhitungannya adalah seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Grafik Temperatur fluida masuk<keluar dan intensitas radiasi matahari
Pada gambar 3 diatas pada jam tertentu terlihat penurunan intensitas radiasi matahari yang tajam, sedangkan temperatur fluida keluar kolektor penurunannya tidak terlalu tajam, ini disebabkan karena pada waktu intensitas radiasi matahari menurun, panas yang sebelumnya diserap masih di simpan oleh pelat penyerap, sehingga energi yang membuat temperatur fluida keluar kolektor masih tinggi adalah energi panas yang tersimpan pada pelat tembaga, begitu juga pada sore hari. Jika dihubungkan dengan intensitas radiasi matahari,
295
Konferensi Nasional Engineering Perhotelan V, Universitas Udayana, 2014 maka ketebalan kaca cover memberikan pengaruh peningkatan temperatur fluida keluar seiring dengan adanya peningkatan intensitas radiasi matahari.
Secara teori semakin besar temperatur keluar maka energi berguna kolektor dari persamaan
−
=
akan semakin besar pula, tetapi ini hanya berlaku jika temperatur fluida masuk, Ti, lajualiran massa, , panas jenis fluida, Cp, dalam keadaan tetap atau konstan. Dalam pengujian yang dilakukan, temperatur fluida masuk kolektornya tidak bisa di buat konstan seiring berjalannya waktu, sehingga dalam pengujian ini besarnya perbedaan temperatur antara temperatur fluida masuk dan temperatur fluida keluar dan intensitas radiasi matahari yang menentukan besarnya energi berguna ( ) dari kolektor.
Gambar 4. Grafik Efisiensi kolektor<waktu rata<rata
Hal ini dikarenakan energi panas yang terserap ke absorber akan langsung digunakan untuk memanaskan air yang mengalir di pipa absorber. Panas radiasi matahari yang menimpa kolektor akan mengalami beberapa fenomena diantaranya pembiasan cahaya matahari yang menimpa kolektor oleh partikel struktur pembentuk kaca itu sendiri, kemudian panas matahari yang menimpa kolektor akan disimpan terlebih dahulu oleh besarnya volume dari kaca itu sendiri. Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa Efisiensi kolektor surya akan mengalami penurunan hal ini disebabkan dari kaca cover itu sendiri, panas radiasi dari matahari yang menimpa permukaan kolektor akan mengalami beberapa fenomena, diantaranya refleksifitas (ρ), absorsifitas (σ),dan transmisifitas (τ).
0! +"%&
Dari analisa yang dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa performansi sebuah kolektor surya tergantung dari pada intensitas radiasi matahari yang diterima serta temperatur fluida masuk dan fluida keluar fluida yang akan diuji, luasan bidang penyerapan radiasi matahari.
1. Pada penelitian selanjutnya agar posisi kolektor bisa mengikuti posisi datangnya sinar matahari, supaya penyerapan radiasi matahari bisa diserap secara maksimal.
2. Untuk mendapatkan efisiensi kolektor yang besar, maka temperatur fluida masuk kolektor dijaga agar tetap konstan serta menambah luas bidang penyerapan radiasi surya oleh kolektor
%1 " (#2 + $
Terima kasih saya ucapkan kepada Universitas Udayana, LPPM Unud, Dikti atas pembiayaan penelitian ini sehingga dapat terselesaikan.
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
09.00 09.15 09.30 09.45 10.00 10.15 10.30 10.45 11.00 11.15 11.30 11.45 12.00 12.15 12.30 12.45 13.00 13.15 13.30 13.45 14.00 14.15 14.30 14.45 15.00 15.15 15.30 15.45 16.00
!
400 500 600 700 800 900 1000
Prosiding KNEP V 2014 ISSN 2338<414X
90
3( 2 "% (
[1] Duffie and all, (1991), ! John Wiley & Sons, Inc, United State of America.
[2] Green, M. A. (1982), " # ! ! !Prentice<Hall,
Englewood Cliffs.
[3] Holman, J. P. alih bahasa oleh Ir. E. Jasjfi M. Sc, (1997), $ !Erlangga, Jakarta.
[4] Incropera and Dewit (1996), % & , John Wiley & Sons, Inc, New York. [5] Jansen, T. J. alih bahasa oleh Wiranto Arismunandar, (1995), ' ! PT. Pradnya
