KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK
DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT
ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP
UNTUK PEMANAS AIR
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
SUPANDI SILABAN NIM. 070401045
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK
DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT
ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP
UNTUK PEMANAS AIR
SUPANDI SILABAN NIM. 070401045
Diketahui/Disahkan : Disetujui :
Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU Ketua,
KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK
DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT
ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP
UNTUK PEMANAS AIR
SUPANDI SILABAN NIM. 070401045
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 624 pada Tanggal 03 Maret 2012
Pembimbing,
KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK
DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT
ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP
UNTUK PEMANAS AIR
SUPANDI SILABAN NIM. 070401045
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 624 pada Tanggal 03 Maret 2012
Pembanding I, Pembanding II,
KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK
DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT
ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP
UNTUK PEMANAS AIR
SUPANDI SILABAN NIM. 070401045
Telah disetujui oleh :
Pembimbing,
Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 195109061978031002
Penguji I, Penguji II,
Dr. Eng. Ir. Indra, MT Ir. M. Syahril Gultom, MT NIP. 196410241992031001 NIP. 195512101987101001
Diketahui oleh : Departemen Teknik Mesin
Ketua,
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN Bidang Studi : Perpindahan Panas
Judul Tugas : Kajian Eksperimental Kolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air. Diberikan Tgl. : 5 November 2011 Selesai Tgl. : 18 Februari 2012 Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu,DEA Nama Mhs : Supandi Silaban
N.I.M : 070401045
No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan
Dosen Pemb.
1. 15-10-2011 Spesifikasi judul
2. 17-10-2011 Perancangan dan perakitan alat
3. 20-10-2011 Pengujian dan pengambilan data
4. 15-11-2011 Data hasil pengujian
5. 17-11-2011 Kerjakan BAB I dan BAB II
6. 21-11-2011 Perbaiki BAB I dan BAB II
7. 01-12-2011 Kerjakan BAB III dan BAB IV
8. 14-01-2012 Perbaiki BAB III dan BAB IV
9. 31-01-2012 Kerjakan BAB V
10. 18-02-2012 ACC diseminarkan
11.
12.
CATATAN : Diketahui,
1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Ketua Departemen Teknik Mesin
Pembimbing setiap Asistensi. F.T. U.S.U
2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.
3. Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen, bila kegiatan Asistensi telah selesai.
Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 1039/TS/2011
FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : 15/11/2011
MEDAN PARAF :
TUGAS SARJANA
NAMA : SUPANDI SILABAN
N I M : 070401045
MATA PELAJARAN : PERPINDAHAN PANAS
SPESIFIKASI : LAKUKAN PENGUJIAN DAN ANALISA TERHADAP KOLEKTOR
SURYA PRISMATIK DENGAN SATU LAPIS KACA YANG
DIGUNAKAN UNTUK PEMANAS AIR DENGAN JARAK KACA
KE PLAT ABSORBER 40mm, 50mm, DAN 60mm. ANALISIS
MELIPUTI KAJIAN EKSPERIMENTAL TENTANG
EFEKTIFITAS KOLEKTOR SURYA PRISMATIK.
BANDINGKAN EFISIENSI HARIAN DARI MASING-MASING
JARAK KACA KE PLAT ABSORBER UNTUK MEMPEROLEH
JARAK KACA OPTIMUM.
DATA-DATA YANG LAIN DAPAT DIPILIH SESUAI DENGAN
DATA-DATA DI LAPANGAN.
DIBERIKAN TANGGAL : 15 November 2011
SELESAI TANGGAL : 18 FEBRUARI 2012
MEDAN, 15 November 2011 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,
Dr.Ing.Ir. IKHWANSYAH ISRANURI Prof.Dr.Ir.FAREL H. NAPITUPULU,DEA.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia yang
telah diberikan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa
untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana
yang dipilih adalah dalam bidang Perpindahan Panas dengan judul “ Kajian EksperimentalKolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air ”.
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan
dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin
mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, yang senantiasa memberikan kasih
sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya.
2. BapakProf.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu, DEA, selaku dosen pembimbing yang
telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu
penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta
segenap Staf dan Jajarannya.
4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staf laboratorium di Departemen
Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
6. Rekan satu tim Januardi, Arya, dan Brisno atas kerja sama yang baik untuk
menyelesaikan penelitian ini.
7. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa
kepada kawan-kawan seperjuangan angkatan 2007 yang tidak dapat disebutkan
satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna
demi kelengkapan skripsi ini.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini.
untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis ucapkan banyak
terima kasih.
Medan, Maret 2012
Penulis,
ABSTRAK
Kolektor surya merupakan suatu bagian dari peralatan yang dibutuhkan untuk
mengubah energi radiasi matahari ke bentuk energi panas untuk berbagai keperluan,
misalnya sebagai pemanas air. Salah satu bentuk dari kolektor surya adalah bentuk
prisma yang memiliki kemampuan untuk menerima intensitas radiasi matahari
terhadap ke empat luasan kolektor, sehingga diharapkan pemanfaatan energi tersebut
sebagai pemanas air dapat lebih efektif. Kolektor surya akan menyerap energi dari
radiasi matahari dan mengkonversikannya menjadi panas yang berguna untuk
memanaskan air garam di dalam pipa-pipa kolektor, sehingga suhu air garam akan
meningkat dan terjadi pertukaran kalor antara air garam dengan air yang dipanasi.
Mengingat pentingnya kaca pada kolektor surya, maka dilakukan penelitian untuk
mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap efisiensi yang menyatakan besar
energi yang diterima. Dari hasil pengujian dan analisa didapat bahwa kerja optimal
kolektor surya prismatik dicapai dengan jarak kaca ke plat absorber 50 mm.
ABSTRACT
Solar collector is the essential item of equipment which transforms solar
radiation energy to some other useful energy form, for example as the water heater.
One of the shape solar collector, is prismatic which have ability to receive solar
radiation intensity into the fourth areas of colector, so that using solar energy as water
heater can more effective. Solar collector can absorb solar radiation intensity and
convert it to useful calor for heating the liquid salt inside the pipes of the collector, so
the temperature of the liquid salt is rise and heat exchanging is happen by liquid salt
within water heating. Considering the importance of the cover, a research is carried on
to find out the affect of the spacing between cover and plate toward the plate’s
temperature which refer to the amount of heat absorbed. From the experiment is found
the best spacing between cover and plate which can produce optimal efficiency are
DAFTAR ISI
1.5 Sistematika penulisan ... 4
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Matahari ... 6
2.2 Transmisivitas-absorbsivitas ... 11
2.3 Perpindahan kalor ... 12
2.4 Tinjauan mekanika fluida ... 17
2.5 Penukar kalor ... 19
2.6 Kaca ... 20
2.7 Garam ... 22
2.8 Kolektor surya ... 22
BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metode pelaksanaan penelitian ... 28
3.2 Tempat penelitian ... 29
3.3 Alat dan bahan yang digunakan ... 29
3.4 Perakitan alat pengujian ... 35
3.5 Set up pengujian ... 37
3.6 Pengujian dan pengambilan data ... 38
3.7 Perumusan hasil akhir... 40
4.2 Analisa hasil pengujian ... 43
4.3 Efisiensi termal kolektor ... 62
4.4 Perhitungan daya pompa ... 66
BAB 5. KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan ... 69
5.2 Saran ... 69
DAFTAR TABEL
3.1 Titik set-up pengujian ...37
4.1 Hasil pengujian untuk jarak kaca 60 mm terhadap absorber ...41
4.2 Hasil pengujian untuk jarak kaca 50 mm terhadap absorber ...42
4.3 Hasi pengujian untuk jarak kaca 40 mm terhadap absorber ...42
4.4 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor timur ...51
4.5 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor barat ...51
4.6 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor utara/selatan ...52
4.7 Radiasi pada bidang miring timur untuk pengujian jarak 60mm ...50
4.8 Radiasi pada bidang miring baratuntuk pengujian jarak 60mm ...51
4.9 Radiasi pada bidang miring utara dan selatanuntuk pengujian jarak 60mm ...51
4.10 Hasil analisa untuk pengujian pertama dengan jarak kaca 60 mm terhadap absorber ...61
4.11 Hasil analisa untuk pengujian kedua dengan jarak kaca 50 mm terhadap absorber ...61
4.12 Hasil analisa untuk pengujian ketiga dengan jarak kaca 40 mm terhadap absorber ...62
DAFTAR GAMBAR
2.1 Deklinasi matahari ... 8
2.2 Posisi sudut matahari ... 8
2.3 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran Ib ... 9
2.4 Komponen radiasi pada permukaan miring ... 10
2.5 Sudut datang dan sudut bias pada dua medium ... 11
2.6 Penampang saluran pipa ... 18
2.7 Kolektor surya plat datar ... 23
2.8 Konsentrator ... 24
2.9 Evacuated receiver ... 25
2.10 Pemanas air sistem langsung ... 25
2.11 Pemanas air sistem tidak langsung ... 26
3.1 Diagram alir penelitian ... 28
3.2 Pompa ... 29
3.3 Flowmeter ... 30
3.4 Hobo micro station data logger ... 31
3.5 Termokopel (agilent) ... 31
3.6 Kompas ... 32
3.12 Kolektor surya prismatik ... 37
3.13 Titik set up pengujian ... 38
3.14 Jarak kaca ke pelat absorber (z) ... 39
4.1 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 60 mm ... 41
4.2 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 50 mm ... 42
4.4 Grafik kenaikan temperatur air terhadap waktu ... 43
4.5 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global ... 45
4.6 Rasio absorptansi berbagai sudut masuk sinar matahari pada permukaan hitam ... 48
4.7 Perbandingan τα/ταn untuk 1-4 lapis kaca ... 49
4.8 Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata terhadap waktu ... 53
4.9 Kerugian panas kolektor ... 55
4.10 Skema tahanan perpindahan panas pada kolektor bagian atas ... 55
4.11 Koefisien konveksi alam h, dalam fungsi celah udara sebagai fungsi jarak celah z, dengan sudut β sebagai parameter ... 57
4.12 Geometri letak pipa pada pelat absorber ... 59
4.13 Grafik energi Qu terhadap waktu ... 66
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
A Luas permukaan kolektor m2
Cp Kalor spesifik J/kg.K
Di Diameter dalam pipa tembaga mm
Do Diameter luar pipa tembaga mm
F Efisiensi sirip %
FR Faktor pelepasan panas -
Gsc Konstanta radiasi matahari W/m2
hi Koefisien konveksi dalam kolektor W/m2K
Hp Head pompa m
ho Koefisien konveksi luar kolektor W/m2K
hri Koefisien radiasi di dalam kolektor W/m2K
hro Koefisien radiasi di luar kolektor W/m2K
Io Radiasi matahari pada permukaan horizontal MJ/m2
IbT Radiasi sorotan MJ/m2
IdT Radiasi sebaran MJ/m2
IrT Radiasi pantulan MJ/m2
IT Radiasi total pada bidang miring MJ/m2
kkaca Konduktivitas termal kaca W/mK
L Panjang pipa tembaga m
m Laju aliran massa kg/s
Np Daya pompa watt
Nu Bilangan nusselt -
Q Kapasitas pompa m3/s
Qu Energi yang diperoleh kolektor MJ
R Tahanan termal kaca m2K/W
Re Bilangan Reynold -
S Radiasi yang diserap absorber W/m2
Tlangit Temperatur langit K
Ta Temperatur lingkungan oC
To Temperatur garam keluar kolektor oC
Ub Koefisien kerugian panas bawah kolektor W/m2K
UL Koefisien kerugian panas kolektor W/m2K
Ut Koefisien kerugian panas di atas kolektor W/m2K
v Kecepatan angin m/s
W Jarak antar pipa tembaga m
z Jarak kaca ke pelat absorber mm
ω Sudut jam o (sudut)
δ Sudut deklinasi o (sudut)
(τα)ave Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata -
µ Viskositas dinamik kg/m.s
η Efisiensi kolektor %
