DESAIN DAN PENGUJIAN MODEL SOLAR COLLECTOR MENGGUNAKAN FLUIDA PALM OIL UNTUK SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MATAHARI

DESAINDANPENGUJIANMODELSOLARCOLLECTORMENGGUNAKANFLUIDA PALMOILUNTUKSISTEMPEMBANGKITLISTRIKTENAGAMATAHARI

Agus Salim, Ghalya Pikra, Andri Joko Purwanto Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI

Komplek LIPI, Jl. Sangkuriang, Gd. 20. Lt. 2, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia Telp : (022) 2503055, Fax : (022) 2504773

E-mail : agus.salim35@yahoo.com ABSTRAK

Makalah ini membahas tentang desain dan pengujian model solar collector menggunakan

palm oil sebagai heat transfer fluid (HTF) yang merupakan bagian dari sistem pembangkit listrik

tenaga matahari. Model solar collector terdiri dari beberapa bagian, diantaranya concentrator,

absorber/ receiver dan tracking system. Concentrator merupakan alat penangkap panas matahari,

sedangkan absorber/ receiver adalah pipa yang berisi fluida yang akan menerima panas dari

concentrator yang diletakkan pada titik fokusnya, dan tracking system adalah sistem kontrol untuk

menggerakkan concentrator sehingga selalu bergerak mengikuti arah panas matahari. Desain

concentrator dibuat dengan lebar aperture 2 m, panjang 6 m dan jarak fokus 0,75 m. Desain

dilengkapi dengan sistem tracking otomatis yang digerakkan menggunakan motor DC 12 V dan 24 Watt dengan kecepatan putar akhir 0,0125 rpm. Absorber/ receiver didesain menggunakan pipa telanjang berbahan carbon steel dengan diameter 2 inchi dan panjang 6 m. Pengujian dilakukan selama 2,5 jam dengan interval waktu 5 menit. Pengujian model solar collector menghasilkan kalor

input dan output masing-masing sebesar 13,4 kW dan 1,5 kW, dan efisiensi 11,6%.

Kata kunci: solar collector, concentrator, absorber, sistem tracking, efisiensi.

ABSTRACT

This paper discusses the design and testing models of the solar collector by using palm oil as a heat transfer fluid (HTF), which is part of the solar power generation system. Solar collector model consists of several parts, including a concentrator, absorber / receiver and tracking system. Concentrator is a device for capturing the sun's heat, while the absorber / receiver is a pipe that contains fluid that receives heat from the concentrator is placed at the focus point, and tracking system is a control system to move the concentrator so that always moves follow the direction of the sun's heat. Concentrator designs made with aperture width of 2 m, length 6 m and 0.75 m focal distance. Design is equipped with automatic tracking system using a motor-driven DC 12 V and 24 Watt with 0.0125 end rpm rotational speed. Absorber / receiver is designed using bare pipe made from carbon steel with a diameter of 2 inches and length of 6 m. Tests carried out for 2.5 hours with intervals of 5 minutes. Testing models of solar collectors produce heat input and output respectively of 13.4 kW and 1.5 kW, and efficiency of 11.6%.

Kata kunci: solar collector, concentrator, absorber, sistem tracking, efisiensi. PENDAHULUAN

Concentrated Solar Power (CSP) adalah sistem yang memanfaatkan teknologi dengan

prinsip mengumpulkan cahaya matahari dalam suatu media yang kemudian dikonversikan menjadi energi panas yang dalam proses selanjutnya dapat digunakan dalam suatu sistem yang menghasilkan listrik. Negara-negara yang telah mengembangkan sistem CSP (Concentrated Solar

____________________________________________________________________________________ 857

Power) adalah Algeria, Mesir, Yunani, India, Italia, Meksiko, Moroko, Spanyol, dan Amerika [1].

Sistem CSP terdiri dari beberapa jenis, diantaranya sistem parabolic trough, sistem solar tower, sistem parabolic dish, dan sistem linear Fresnel reflektor. Parabolic trough solar collector merupakan salah satu jenis dari sistem concentrated solar power (CSP) yang banyak dikembangkan di berbagai negara karena hingga saat ini teknologi tersebut dianggap paling matang dan telah terbukti penggunaannya [2].

Solar collector didesain dan dibuat dalam bentuk parabola, dan absorber/ receiver terletak

di titik fokus dari parabola [3]. Prinsip kerja dari sistem ini (Gambar 1) adalah energi matahari yang dikumpulkan oleh collector nantinya akan dipantulkan ke absorber yang ditempatkan di sepanjang garis pusat kelengkungan/ fokus parabola. Panas yang diterima oleh absorber nantinya digunakan untuk memanaskan cairan heat transfer fluid (HTF) yang dialirkan dalam pipa absorber. Panas dari cairan HTF ini yang selanjutnya dapat dimanfaatkan untuk industri termasuk untuk menghasilkan uap panas. Collector bergerak mengikuti arah matahari yang dikontrol oleh tracker yang terpasang pada solar collector.

Gambar 1. Sistem pembangkit listrik matahari [4].

Penelitian ini bertujuan untuk melakukan desain dan pengujian dari sistem solar collector. Desain meliputi desain concentrator, absorber dan tracking system. Pengujian dilakukan untuk mengetahui performa dari sistem solar collector yang telah dibuat.

METODA PERANCANGAN MODEL SOLAR COLLECTOR

Desain model solar collector dilakukan untuk membuat prototipe yang sesuai dengan standar. Desain meliputi penentuan spesifikasi prototipe yang terkait pada aspek optik seperti rasio konsentrasi, lebar aperture dan jarak titik fokus, maupun aspek mekanik seperti rigiditas struktur, kekuatan terhadap pembebanan struktur dan defleksi yang terjadi.

Pembebanan struktur perlu di analisis untuk menghitung gaya reaksi pada tumpuan yang berguna untuk perancangan pondasi dudukan struktur serta untuk menghitung kondisi tegangan dan defleksi yang terjadi pada struktur. Diagram collector talang parabola ditunjukkan pada Gambar 2, dan diagram pembebanan struktur ditunjukkan pada Gambar 3 berikut ini.

Gambar 2. Diagram collector talang parabola.

Fangin RBx RAx RAy RBy Vangin Fberat

Gambar 3. Diagram beban struktur. Gambar 2 menunjukkan beberapa notasi, diantaranya lebar aperture adalah 2XA, jarak titik fokus adalah f, dan diameter absorber silinder adalah 2a.

Pembebanan struktur berasal dari dua sumber yaitu berat sendiri dan beban akibat terpaan angin. Beban dari berat struktur = 270 kg yang arahnya vertikal, sedangkan beban yang berasal dari angin yang arahnya dari samping sebesar 732 kg dengan asumsi kecepatan angin maksimum = 10 m/ detik. Kondisi tegangan dan defleksi akibat beban struktur baik berupa beban berat sendiri maupun beban akibat angin dihitung dengan menggunakan software finite element yang ada pada

software CAE.

METODA PENGUJIAN MODEL SOLAR COLLECTOR

Spesifikasi pengujian disusun untuk pengujian kolektor panas surya berupa parabolic

trough solar collector. Performa penyerapan energi termal matahari pada spesifikasi pengujian ini

diukur dari kemampuan sebuah solar collector untuk memanaskan fluida kerja dari temperatur lingkungan ke temperatur tertentu pada interval waktu tertentu.

Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang baik, pengujian dilakukan sesuai spesifikasi sebagai berikut:

1. Pemasangan solar collector

Pemasangan collector dilakukan di tempat terbuka sehingga tidak ada bayangan benda sekitar yang menutupi collector.

____________________________________________________________________________________ 859 2. Instrumentasi

Instrumentasi yang digunakan dalam pengujian adalah solarmeter, thermometer, stopwatch dan anemometer.

3. Standar kondisi pengujian

Selama pengujian intensitas matahari harus lebih besar daripada 700W/ m2 _[5].

4. Prosedur pengujian

Collector harus diuji pada temperatur operasinya dalam kondisi langit cerah dengan

intensitas matahari minimal sesuai dengan yang dipersyaratkan pada standar kondisi pengujian. Selama pengujian berlangsung, dilakukan pengukuran beberapa parameter, diantaranya luas area aperture, kapasitas fluida, intensitas matahari, kecepatan angin, temperatur udara sekitar, dan temperatur fluida yang dipanaskan. Flowchart prosedur pengujian ditunjukkan pada Gambar 4.

5. Analisis hasil pengujian

Daya input yang dihasilkan dari pengujian dihitung dengan menggunakan persamaan (1) berikut ini:

(1)

Dengan Qinput adalah daya input, I adalah intensitas matahari, dan A adalah luas aperture. Daya yang dapat ditangkap dari energi matahari pada solar collector dihitung dengan persamaan umum berikut:

(2)

Dengan Qoutput adalah panas output, ρf adalah densitas fluida, Vf adalah volume fluida, Cpf adalah panas spesifik fluida, ΔT adalah perbedaan temperatur, dan t adalah waktu pengujian.

Gambar 4. Flowchart prosedur pengujian. HASIL DAN PEMBAHASAN

Collector

Hasil desain collector yang dibuat memberikan nilai lebar aperture 2 m, jarak fokus 0,75 m, panjang talang parabola 6 m, rasio konsentrasi 8,7 dan diameter silinder absorber 2 in. Desain

absorber berupa pipa menggunakan bahan stainless steel AISI316. Desain dilengkapi dengan

sistem tracking otomatis yang digerakkan menggunakan motor DC 12 V dan 24 Watt dengan kecepatan putar akhir 0,0125 rpm.

Gambar 2 yang menjadi dasar pembebanan struktur, tumpuan pada kaki belakang (titik B) mendapat beban tekan maksimum 1013,4 kg. Kaki bagian depan (titik A) mendapat beban tarikan maksimum sebesar 743,4 kg.

Kondisi tegangan dan defleksi akibat beban struktur baik berupa beban berat sendiri maupun beban akibat angin dibuat dengan menggunakan software CAE seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 dan Gambar 6.

____________________________________________________________________________________ 861 Gambar 5. Kondisi tegangan akibat beban

struktur.

Gambar 6. Kondisi defleksi akibat beban struktur.

Dari perhitungan diketahui tegangan maksimum yang terjadi akibat pembebanan adalah sebesar 6.056 kN/ m2 _{atau 6,056 MPa yang terjadi pada daerah tumpuan. Nilai tegangan ini masih}

jauh dibawah kekuatan material yaitu 280 MPa, sehingga pembebanan struktur masih aman. Dari hasil perhitungan, diketahui defleksi maksimum yang terjadi pada ujung struktur adalah 0,3 mm. Nilai defleksi ini masih dalam batas toleransi untuk struktur yang direncanakan. Prototipe solar

collector secara utuh ditunjukkan pada Gambar 7 berikut ini.

Gambar 7. Prototipe solar parabolic trough. Pengujian

Tabel 1. Data pengujian solar collector.

Data Notasi Nilai

Kecepatan angin v 1,43 m/s

Temperatur lingkungan Tl 32oC

Volume fluida Vf 37,68 liter

Luas aperture A (2 x 6) m2

Data pengujian solar collector ditunjukkan pada Tabel 1, dan hasil pengukuran/ pengujian ditunjukkan pada grafik Gambar 8 dan 9. Data pengujian solar collector merupakan data yang diambil di lapangan saat dilakukan pengujian. Data ini berfungsi untuk menentukan nilai efisiensi kerja dari model solar collector.

GRAFIK TEMPERATUR VS WAKTU

0 50 100 150 0 30 60 90 120 150 Waktu (menit) T em p era tu r ( C )

Temp. Absorber Temp. Fluida

Gambar 8. Grafik temperatur vs waktu.

GRAFIK INTENSITAS MATAHARI VS WAKTU

1080 1100 1120 1140 0 30 60 90 120 150 Waktu (menit) In te n si ta s M ata h ar i (W /m 2)

Gambar 9. Grafik intensitas matahari vs waktu. Gambar 8 dan Gambar 9 menunjukkan bahwa berdasarkan hasil pengukuran, temperatur

absorber tertinggi mencapai 147o_{C dan intensitas matahari tertinggi sebesar 1135 W/ m}2_{. Gambar 8}

berupa grafik antara temperatur fluida dan absorber terhadap waktu menunjukkan bahwa temperatur meningkat seiring dengan semakin lamanya dilakukan pengujian dan kondisi cuaca yang semakin panas.

Grafik yang ditunjukkan pada Gambar 9 menunjukkan nilai intensitas matahari yang berfluktuasi selama dilakukannya pengujian. Hal ini terjadi karena adanya kondisi cuaca yang berubah-ubah serta kecepatan angin yang mempengaruhi terjadinya fluktuasi pada nilai intensitas matahari yang terukur. Namun semua nilai intensitas matahari terukur memiliki nilai di atas 700 W/m2 _{sehingga masih layak untuk dilakukan pengujian.}

Analisis dari pengujian yang telah dilakukan dengan menggunakan fluida palm oil pada pukul 9.40 sampai dengan pukul 12.05 memberikan nilai kalor input dan output masing-masing 13,4 kW dan 1,5 kW, dan efisiensi kerja sebesar 11,6%. Nilai efisiensi kerja ini belum maksimal karena pengujian yang dilakukan menggunakan absorber berupa pipa telanjang, sehingga banyak terjadi kehilangan panas. Apabila pengujian berikutnya dilakukan dengan menggunakan absorber berupa evacuated tube, maka nilai efisiensi kerjanya akan semakin tinggi, sehingga nilai losses panasnya rendah mengingat absorber dengan jenis evacuated tube yang telah dibuat memiliki daya serap panas yang baik dan dapat mengurangi pemantulan cahaya yang telah diserap.

____________________________________________________________________________________ 863 KESIMPULAN

Hasil perancangan solar collector memberikan data berupa lebar aperture 2 m, jarak fokus 0,75 m, panjang talang parabola 6 m, rasio konsentrasi 8,7 dan diameter silinder absorber 2 inchi. Sistem tracking otomatis digerakkan menggunakan motor DC 12 V dan 24 Watt dengan kecepatan putar akhir 0,0125 rpm. Pengujian yang dilakukan selama 2 jam 25 menit dengan interval waktu 5 menit menghasilkan kalor input dan output sebesar 13,4 kW dan 1,5 kW serta nilai efisiensi 11,6%. UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih disampaikan kepada Kepala Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik – LIPI yang telah memfasilitasi penelitian ini dan kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penulisan makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. P.F. Ruiz, “European Research on Concentrated Solar Thermal Energy”, European Communities, ISBN 92-894-6353-8, Luxemburg, 2004.

2. R. Aringhoff, G. Brakmann, M. Geyer, S. Teske, “Concentrated Solar Thermal Power – Now”, ESTIA-IEA SolarPACES-Greenpeace, 2005.

3. Duffie. J.A. Beckman. W.A., “Solar Engineering of Thermal Processes”, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc. United States of America, 1991.

4. Muller, H., Steinhagen, “Solar Thermal Power Plants – On The Way to Commercial Market

Introduction”, Institute for Technical Thermodynamics, German Aerospace Centre (DLR),

Stuttgard – Cologne – Almeria/Spain, 2008.

5. ---, “Thermal Solar Systems and Components – Solar Collector – Part 2: Test Methods”, BS EN 12975-2:2006.

6. Incropera, De Witt, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, John Wiley & Sons, Inc. United States of America, 1990.

7. N. Castaneda, J. Vazquez, M. Domingo, A. Fernandez, J. Leon, “Sener Parabolic Trough

Collector Design and Testing”, SolarPACES, 2006.

8. P. Cameron, G. Crompton, “Solar Power Plant Pre-Feasibility Study”, ActewAGL and ACT Government, Brisbane, Australia, 2008.

9. K.S. Reddy, G.V. Satyanarayana, "Numerical Study Of Porous Finned Receiver for Solar Parabolic Trough Concentrator," Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, vol. 2 No. 2, pp. 172-184, 2008.