Unjuk Kerja Kolektor Surya Plat Datar Menggunakan Konsentrator Dua Cermin Datar

Transkripsi

1 Vol., No., Mei 00 ISSN : Unjuk Kerja Kolektor Surya Plat Datar Menggunakan Konsentrator Dua Cermin Datar Budiman Sudia Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Haluoleo, Kendari. Abstrak Kolektor surya meruakan alat untuk mengumulkan dan mengubah energi matahari menjadi energi termal. Tujuan enelitian ini adalah menentukan engaruh enggunaan dua cermin datar terhada energi berguna ada kolektor emanas air. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Energi Terbarukan Jurusan Mesin Unhas ada osisi LS. Metode engambilan data ada enelitian ini adalah mengambil data langsung: intensitas radiasi global, temeratur lat, temeratur kaca enutu, temeratur air masuk dan air keluar kolektor, temeratur lingkungan dan keceatan angin. Kesimulan yang dieroleh dari enelitian ini adalah : Penggunaan konsentrator dua cermin datar akan meningkatkan energi berguna kolektor. Untuk kolektor yang menggunakan cermin energi berguna rata-rata = Watt sedangkan kolektor tana cermin energi berguna rata-rata = 35.8 Watt. Kata Kunci : emanas air, konsentrator, energi berguna Abstract Performance Solar Collector Flat Plate With Two Plane Mirror Concentraors. Solar collector is a device that serves to collect and convert solar energy from the sun to thermal energy. The aims of this research was determine the effect of two lane mirrors concentrator on the collector useful energy gain. The research was conducted in the Renewable Energy Laboratory of Mechanical Engineering Deartement at Hasanuddin University, Makassar, on latitude S. The research method in this study was laboratory exeriment to obtain data : global radiation intensity, the mean late temerature, the cover glass temerature, the inlet and outlet fluids temeratures, the ambient air temerature and the wind seed. The conclusion of this research was : two lane mirrors concentrator will ncreased the collector useful energy gain. For collector using mirrors, the average useful energy gain was Watt, for collector without mirror, the average useful energy gain was 35.8 Watt. Keywords :water heater, concentrator, energy gain. Pendahuluan Energi matahari meruakan salah satu energi terbarukan yang memiliki otensi untuk dikelola dan dikembangkan khususnya ada daerah dengan intensitas matahari yang cuku tinggi. Untuk memanfaatkan energi matahari tersebut dibutuhkan suatu alat yang dikenal dengan kolektor surya. Kolektor surya lat datar meruakan salah satu jenis kolektor yang banyak digunakan karena memiliki konstruksi yang relatif lebih sederhana dibandingkan dengan jenis yang lain. Salah satu emanfaatan dari kolektor lat datar adalah sebagai emanas air. Kelebihan kolektor lat datar adalah secara konstruksi lebih sederhana dibandingkan jenis yang lain. Kekurangannya adalah efisiensi kolektor rendah. Beberaa enelitian telah dilakukan dengan berbagai modifikasi terhada komonen-komonen utama kolektor lat datar, diantaranya adalah : Muharto, dkk (004) melakukan kajian Efektivitas enyeraan anas ada kolektor lat datar dengan menggunakan absorber dari kuningan, besi dan seng, Mulyanef dan Gusliyadi (008) mengkaji Kaji Ekserimen Komor Tenaga Surya Menggunakan Konsentrator Emat Cermin Datar ada Emat Sisi Kolektor. 85

2 Vol., No., Mei 00 ISSN : Analisis Perindahan Panas ada Kolektor Datar Radiasi matahari yang menembus kaca enutu akan memanaskan lat absorber selanjutnya anas dari absorber akan memanaskan fluida ada ia-ia kolektor. Pada keadaan steadi kesetimbangan energi ada kolektor lat datar daat dituliskan sebagai berikut (Ref. 03) : S A = q u + q l...) S= fluks kalor yang disera absorber (W/m ) q u = kalor berguna kolektor (Watt) q l = kalor yang hilang ke lingkungan (Watt) A = luas lat absorber (m ) R b R d R r e = transmisivitas kaca enutu = absorbtivitas lat absorber = faktor radiasi sorot = frakto radiasi difusi = faktor radiasi refleksi = reflektivitas ermukaan cermin = faktor interse (fraksi radiasi yang masuk ke absorber Energi Berguna Aktual Energi berguna meruakan besarnya kalor yang ditransfer ke fluida kerja yang daat dihitung berdasarkan hubungan berikut (Ref. 0):. q u = m c ( T T )...3) fo fi q u = kalor berguna aktual (Watt). m = laju aliran massa air di dalam ia kolektor T fi = temeratur air masuk kolektor T fo = temeratur air keluar kolektor c = kalor sesifik air ada temeratur rata-rata air dalam ia kolektor. 3 Kerugian Kalor Kolektor Kerugian kalor meliuti kerugian kalor kebagian bawah lat absorber secara konduksi, kerugian kalor secara konduksi ke bagian emat sisi kolektor dan kerugian kalor secara konveksi dan radiasi ke bagian atas absorber. 4 5 qt Gambar : Komonen-komonen utama datar Keterangan :. Reflektor 4. Isolator. Kaca enutu 5. Pia-ia kolektor 3. Absorber kolektor Fluks Kalor yang disera absorber (S) dihitung berdasarkan ersamaan berikut (Ref. 03): R I R ( I I ) R I R I R S I b b d d b d r br br e br br = I b R b () b + I d R d () d + I g R r () d + I br R br e () br...) I b = intensitas radiasi sorot I d = intensitas radiasi difusi = intensitas radiasi global I g e Gambar. Analisis kerugian kalor ada kolektor lat datar dengan dua kaca enutu Kerugian kalor bawah (q b ) qb qs 86

3 Vol., No., Mei 00 ISSN : Kerugian kalor ada bagian bawah (q b ) daat dihitung berdasarkan ersamaan (Ref. 0) : T Tamb q k A...4) b isolasi isolasi k isolasi = konduktivitas termal isolator T = temeratur lat rata-rata T amb = temeratur lingkungan isolasi = tebal isolasi bawah Kerugian kalor sisi (q s ) Kerugian kalor sisi (q s ) ada keemat sisi kolektor dihitung berdasarkan ersamaan (Ref. 03): T Tamb qs kisolasi A...5) s isolasi isolasi = tebal isolasi sisi A s = luas ermukaan erindahan anas ada bagian sisi Kerugian kalor atas (q t ) Kerugian kalor ada bagian atas ditentukan berdasarkan asumsi bahwa kerugian kalor karena konveksi dan radiasi arahnya ke atas. dari lat absorber ke kaca enutu ertama qc Gambar 3. Kerugian kalor atas dari lat absorber ke kaca enutu ertama Kerugian radiasi dari lat ke kaca enutu ertama dihitung berdasarkan ersamaan (Ref. 0): ( T Tc ) qr A...6) c Tc T = konstanta Stevan Boltzman = 5.67 x 0-8 qr T c = temeratur enutu ertama = emisivitas lat absorber c = emisivitas enutu ertama Kerugian kalor konveksi dari lat ke enutu ertama dihitung berdasarkan rosedur berikut : Temeratur rata-rata udara antara lat enyera dan enutu ertama : T T T c... 7) Bilangan Grasshoff (Gr), Ref. 0 : 3 g TL G T r...8) g meruakan erceatan gravitasi, T adalah temeratur rata-rata udara antara lat enyera dan enutu ertama, L adalah jarak antara lat enyera dan enutu ertama, adalah viskositas kinematis udara ada temeratur rata-rata. Bilangan Rayleigh (Ra) : Ra = Pr Gr...9) Pr adalah bilangan Prandtl udara ada temeratur ratarata. Bilangan Nusselt (Nu), (Ref. 03): Nu =, Ra cos Nu = +.446( ) ; Racos 708 Ra cos 5900 Nu = 0.9(Ra L cos ) 0.5 ; 5900 < Ra L cos < Nu = 0.57(Ra L cos ) 0.85 ; < Ra L cos < Koefisien erindahan anas konveksi (h) dihitung berdasarkan hubungan : h kn u L k adalah konduktivitas termal udara ada ada T = ½ (T + T c ) Laju kehilangan kalor konveksi dari lat ke enutu ertama (q c ) q h A ( T T ) c c c Laju kehilangan kalor radiasi dari enutu ertama ke enutu kedua (q r ), Ref. 0: ( Tc Tc ) qr Ac 3 c c T c temeratur enutu kedua, c adalah emisivitas enutu kedua. Laju kehilangan kalor konveksi (q c. ) antara enutu ertama dan kedua dihitung dengan cara yang sama dengan laju kehilangan kalor konveksi dari lat ke enutu ertama, dimana temeratur udara rata-rata T T c T c 87

4 Vol., No., Mei 00 ISSN : Laju kehilangan kalor konveksi dari enutu kedua ke lingkungan (q c ) dihitung menggunakan korelasi non dimensi yang disarankan Sarrow, et al (Ref. 03): 0.86 j = 4a Re L Re L = j = V w L * hw V / 3 Pr w c 4b L* adalah anjang karakteristik, V w adalah keceatan angin yang berhembus di sekitar kolektor, adalah viskositas kinematis udara, c adalah kalor sesifik udara (nilai-nilai, c dan Pr) di tentukan ada : T T c T amb Laju kehilangan kalor radiasi dari enutu kedua ke lingkungan dihitung berdasarkan ersamaan berikut : T T 5 q r = c c sky T sky adalah temeratur langit temat ertukaran radiasi berlangsung yang dihitung berdasarkan relasi emiris berikut: T sky = T amb 6 K 6 Pada keadaan steady (enutu diasumsi tidak menyera radiasi balik dari lat enyera ke lingkungan) anas yang hilang dari lat absorber ke enutu ertama = anas yang hilang dari enutu ertama ke enutu kedua dan dari enutu ke dua ke lingkungan : q t = A T Tc hc T Tc c = A h T T c c c 4 Tc T c c 4 c = A h T T T T w c amb c c sky Kalor berguna teoritis (q u ) dan Efisiensi Kolektor Pada kolektor emanas air kalor berguna didefinisikan sebagai besar kalor yang ditransfer ke fluida kerja, atau secara kesetimbangan energi dinyatakan sebagai selisih antara Kalor yang disera absorber dengan kalor yang hilang ke lingkungan. q u = SA - q l Efisiensi Kolektor Sesaat ( ) qu 00% 7 A I t dimana I t meruakan intensitas radiasi total yang masuk ke kolektor.. Metode Penelitian Pengambilan data dilakukan di Laboratorium Energi Terbarukan Jurusan Mesin Universitas Hasanuddin Makassar ada bulan Oktober 009. Peralatan yang digunakan ada enelitian ini adalah sebagai berikut :. Sensor yranometer, untuk mengukur radiasi global selama engambilan data. Nilai skala terkecil alat yang digunakan adalah W/m. Anemometer tie Van Probe, mengukur keceatan angin di sekitar kolektor (NST = 0. m/s). 3. Termokoel, mengukur temeratur lat dan kaca enutu (NST = 0. 0 C) 4. Termomenter, mengukur temeratur air masuk dan air keluar kolektor serta temeratur lingkungan. 3. Hasil dan Pembahasan Untuk menganalisa erindahan anas ada kolektor lat datar yang menggunakan dua kaca enutu digunakan data ada tanggal 0 Oktober 009 untuk kolektor tana cermin dan data tanggal 4 Oktober 009 untuk kolektor yang menggunakan cermin. Fluks kalor yang disera lat absorber Pengaruh konsentrator dua cermin datar terhada fluks kalor yang disera absorber ditamilkan ada grafik. Catatan : A = A c = A c (dimensi absorber = dimensi enutu) Laju kehilangan kalor total dari lat enyera ke lingkungan (q l ) : q l = q b + q s + q t 88

5 Vol., No., Mei 00 ISSN : S (W/ m ) Fluks Kalor (S) Vs Waktu Waktu Lokal (Pukul) Tana Cermin Menggunakan Cermin act ( %) Efisiensi Aktual ( act ) Vs Waktu Waktu Lokal (Pukul) Tana Cermin Menggunakan Cermin Grafik. Fluks kalor terhada waktu lokal Dari grafik terlihat bahwa konsentrator dua cermin datar daat meningkatkan fluks kalor yang disera absorber. Hal ini disebabkan enggunaan konsentrator daat memerbesar intensitas radiasi matahari yang masuk ke kolektor karena adanya enambahan dari radiasi sorot yang diantulkan kedua cermin. Energi Berguna Aktual Pengaruh konsentrator dua cermin datar terhada energi berguna aktual ditamilkan ada grafik. Axis Title Kalor Berguna Aktual Vs Waktu Menggunakan Cermin Axis Title Tana Cermin Grafik. Energi berguna aktual terhada waktu lokal Dari grafik terlihat bahwa energi berguna aktual ada kolektor yang menggunakan cermin rata-rata lebih tinggi dibandingkan kolektor tana cermin. Penggunaan cermin akan menambah intensitas radiasi yang disera absorber sehingga kalor yang ditransfer secara konveksi ke fluida kerja dalam ia-ia kolektor juga akan mengalami kenaikan. Efisiensi Aktual Pengaruh konsentrator dua cermin datar terhada efisiensi aktual kolektor ditamilkan ada grafik 3. Grafik 3. Efisiensi aktual terhada waktu local Dari grafik 3 terlihat bahwa efisiensi aktual Pada kolektor yang menggunakan konsentrator dua cermin datar lebih tinggi dibanding kolektor tana cermin. Ini disebabkan enggunaan konsentrator mamu meningkatkan intensitas radiasi yang masuk ke kolektor sehingga fluks kalor yang disera absorber akan meningkat dan kalor yang ditransfer secara konduksi dari lat absorber ke ia-ia kolektor akan lebih besar. 4. Kesimulan dan Saran. Penggunaan konsentrator dua cermin datar daat meningkatkan fluks kalor yang disera absorber, kolektor menggunakan cermin S rata-rata = Watt, kolektor tana cermin S rata-rata = 45.5 Watt.. Penggunaan konsentrator dua cermin datar daat meningkatkan energi berguna kolektor, untuk kolektor yang menggunakan cermin q u.rata-rata = Watt, kolektor tana cermin q u.rata-rata =90.4 Watt. 3. Penggunaan konsentrator dua cermin datar daat meningkatkan efisiensi kolektor. Untuk kolektor yang menggunakan cermin d = 5.8 %, kolektor tana cermin d = 9.7 %. Disarankan agar enentuan sudut inklinasi (kemiringan cermin) ditentukan dengan memerhitungkan osisi lintang lokasi, sudut deklinasi., dan kemiringan koektor. Daftar Pustaka. Duffie, John A., and Bechman, William A., (974), Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, inc., New York.. Holman, J.P., (988), Perindahan Kalor, Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta. 3. Himran Syukri, (005), Energi Surya, CV. Bintang Lamumatue, Makassar. 89

6 Vol., No., Mei 00 ISSN : Lamiran Tabel. Data Pengukuran tanggal 0 Oktober 009 (Kolektor tidak menggunakan cermin T. Kaca Kec. Pukul I Penutu T. air g T Angin amb T P. No. T c T c T fi T fo Laju aliran massa (WITA) (W/m ) V w (m/s) ( o C ) ( o C ) ( o C ) ( o C ) ( o C ) ( o C ) m (kg/s) Tabel. Data engukuran tanggal 4 Oktober 009 (Kolektor menggunakan cermin) T amb T P T. Kaca Penutu T. air Laju aliran Pukul I g Kec. Angin No. T c T c T fi T fo massa WITA W/m V w (m/s) ( o C ) ( o C ) ( o C ) ( o C ) ( o C ) ( o C ) m (kg/s)

7 Vol., No., Mei 00 ISSN :