RANCANG BANGUN SEBUAH PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

Transkripsi

1 KARYA AKHIR RANCANG BANGUN SEBUAH PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR Oleh : Nesten M Marbun Nim : UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAK TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNOLOGI MEKANIK INDUSTRI MEDAN 2009

2 LEMBAR PENGESAHAN KARYA AKHIR RANCANG BANGUN SEBUAH PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR OLEH: Nesten M Marbun Nim: Disetujui Oleh : Dosen Pembimbing ( Ir. Mulfi Hazwi M.sc ) Nip:

3 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR.....i DAFTAR ISI.....ii DAFTAR NOTASI..iv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan perencanaan Manfaat Perencanaan Batasan Masalah.3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Jenis jenis kolektor surya Kolektor Surya Prismatik Kolektor Surya Plat Datar Tinjauan Perpindahan Panas Konduksi Konveksi Radiasi Tinjauan Mekanika Fluida..10

4 Viskositas Posisi Matahari Intensitas Radiasi Pada bidang Miring...11 BAB III ALAT DAN BAHAN Alat alat Thermometer Air Raksa Thermo Kopel Anemometer Bahan bahan Plat absorbsi Pipa Kolektor Isolator Kaca bening Kaca penutup I Kerangka Kolektor 23 BAB IV ANALISA PERHITUNGAN..24 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA.41

5 DAFTAR GAMBAR 1. Gambar 2. 1 Skema sistim kolektor surya prismatic 6 2. Gambar 2. 2 kolektor surya plat datar Gambar 2. 3 Bilangan Nusselt rata-rata dalam pipa pendek untuk berbagai bilangan prandt 8 4. Gambar 2. 4 Radiasi sorotan setiap jam pada permukaan miring dari pengukuran I b Gambar 2. 5 Spesifikasi beberapa produk kolektor Surya Gambar 2. 6 Peruntukan dan peletakan kolektor Surya Gambar 3. 1 Thermometer Air Raksa Gambar 3. 2 Thermo Couple Gambar 3. 3 Anemometer Gambar 3. 4 Kolektor surya plat datar Gambar Konstanta Surya Gambar 4. 2 Kerugian Panas kolektor Gambar 4. 3 Sirkuit untuk tahanan perpindahan panas melalui bagian atas kolektor Gambar 4. 4 Koefisien konveksi alam h, dalam celah udara sebagai fungsi dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai para meter Gambar 4. 5 Aliran panas ke dalam cairan Gambar 4. 6 Rangkaian tahanan thermal 32

6 17. Gambar 4. 7 Suatu deretan kolektor seluas 562 m 2 berisi 288 kolektor untuk memasok air panas bagis sebuah pabrik kapsul gelatin.34

7 DAFTAR TABEL 1. Tabel 2. 1 Kelembaban udara, suhu udara dan kecepatan angin yang berhembus kota medan Tabel 4. 1 Satuan lain untuk G SC Tabel 4. 2 Data Radiasi Global yang khas ( Radiasi pada permukaan Horizontal ) Tabel 4.3 Temperature Plat, Temperature lingkungan, kecepatan angin yang berhembus disekitar kolektore dan kondisi cuaca 38

8 DAFTAR GRAFIIK Grafik Temperatur Air keluar pada pengujian tiap jam, dengan temperatur awal 24 o C, suhu Udara 27 o C...38 Grafik Temperatur plat kolektor pada pengujian tiap jam dengan waktu pengujian dari pukul hingga pukul wib.39

9 Daftar Notasi Ac = Luasan kolektor (m2) D = Diameter pipa (m) F = Efisiensi sirip H = Laju radiasi sorotan (beam) atau sebaran (difus) pada suatu satuan luas permukaan (W/m 2 ). K = Konduktivitas termal material (Watt/m. o C ) L = Tebal isolasi (m) QL = Laju kehilangan energi dari kolektor ke lingkungan oleh radiasi balik, konveksi dan konduksi (W/m 2 ). QLt = Kerugian kalor atas (top loss) (W/m 2 ) Qs = Laju energi yang tersimpan dalam kolektor (W/m 2 ) Qu = Laju pertukaran kalor yang digunakan ke fluida (W/m 2 ) R =Faktor perubah radiasi sorotan atau difus (tak berdimensi) ta = Temperatur lingkungan ( o C ) TL = Temperatur langit ( o K) Tp = Temperatur plat ( o C ) Ub = Koefisien kerugian kalor bagian bawah(watt/m 2.K) UL = Kerugian kalor total (Watt/m 2.K) Ut = Koefisien kerugian kalor bagian atas(watt/m 2.K) V = Kecepatan angin (m/s) W = Jarak antar pipa (m) S = Konstanta Stefan Boltzmann = 5.67 x 10-8 Watt/m2.K4 Ep = Emitansi plat (tak berdimensi) Ek = Emitansi kaca (tak berdimensi) Tp = Tebal plat (m)

10 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Energi rasiasi dari mataharimerupakan salahsatu bentuk energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan energi yang dihasilkan oleh minayak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi radiasi matahari adalah untuk memanaskan air. Indonesia sebagai salah satu negara yang sangat strategis untuk melakukan berbagai hal dengan kekayaan alamnya yang Agraris dan terletak pada garis katulistiwa sehingga Bumi indonesia mendapatkan energi matahari sepanjang tahun sehingga dapat dikatakan bahwa energi matahari merupakan energi yang tidak terhabiskan hal ini sngatlah penting untuk melakukan berbagai hal dalam bentuk yang baru sehingga dapat digunakan oleh masyarakat Indonesia secara khusus dan masyarakat internasional secara umum. Untuk dapat secara langsung memanfaatkan energi radisi matahari untuk memanaskan air dapat digunakan suatu perangkat yang dapat mengumpulkan energi matahari yang sampai ke permukaan bumidan mengubahnya kembali menjadi energi kalor yang berguna. Perangkat ini disebut dengan Kolektor Surya ada beberapa macam jenis tipe kolektor surya yang tentunya untuk berbagai keperluan sesuai dengan kebutuhan. salah satu tipe kolektor yang paling sering digunakan adalah kolektor surya plat datar. Untuk mendapatkan hasil pemanasan yang lebih maksimal plat kolektor tersebut dicat dengan warna hitam kelabu yang berfungsi untuk menyerap radiasi surya yang dipancarkan oleh matahari. Untuk menjaga agar tidak terjadi kerugian panas secara radiasi dan konverksi ke atmosfer, maka digunakan kaca pelindung sehingga

11 mengurangi terjadinya efek rumah kaca sedangkan bagian bawah plat kolektor surya dilapisi dengan glass woll yang dapat mengisolasi terjadinya kebocoran panas tyang dihasilkan oleh plat kolektor Surya. Sebagai titik awal dalam melakukan perhitungan untuk mendesain kolektor surya type plat datar. Perhitungan geometris dari kolektor ( Luasan permukaan kolektor ) kemiringan permukaan kolektor terhadap intensitas matahari Radiasi langsung efek Termosiphon pada pipa pipa sirkulasi untuk menentukan sistem konveksi alami serta suhu masuk dan keluar pipa sirkulasi. Prinsip kerja dari sistem pamanas air dengan menggunakan plat datar dapat menunjukkan bahwa air yang masuk ke dalam kolektor melalui pipa distri busi akan mendapatkan panas yang baik secara konveksi maupun secara radiasi, sebagai akibat dari tertangkapnya Radiasi srya didalam Radiasi surya didalam kolektor yang dibatasi oleh plat dan kaca bening tembus cahaya. Karena adanya perpindahan panas tersebut maka suhu air yang berada didalam pipa pipa kolektor secara langsung akan bertambah, bertambahnya suhu air yang ada didalam pipa pipa kolektor mengakibatkan adanya perbedaan massa jenis air. Dimana air yang bersuhu lebih tinggi memiliki massa jenis yang lebih kecil, sehingga kecenderungan akan bergerak ke arah yang lebih tinggi. Sebaliknya air yang berada dalam pipia kolektor yang suhunya lebih rendah memiliki massa jenis yang lebih besar dan akan bergerak ke bawah, sehingga terjadi peristiwa konveksi secara alami Tujuan perencanaan

12 Secara teknis rancang bangun sebuah pemanas air Tenaga surya dengan menggunakan kolektor surya plat datar dapat digunakan oleh masyarakat secara umum maupun perusahaan dan industiri industri.sebanyak 1L / jam. Perencanaan ini diharapkan dapat memberikan gambaran perhitungan serta dapat mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi sesuai dengan perkembangan jaman Manfaat perencanaan Hasil perancangan dan pembuatan kolektor ini dapat digunakan oleh masyarakat secara luas untuk kepentingan khalayak banyak serta privasi dan dapat dikembangkan sesuai dengan perkembangan Ilmu pengetahuan dan teknologi Batasan Masalah Dalam Karya akhir ini secara menyeluruh menjelaskan tentang analisis perancangan dan pembuatan pemanas air dengan memanfaatkan energi surya, sebagai energi terbarukan. Adapun batasan masalahnya adalah ; 1. Fluida yang digunakan adalah air bersih. 2. Sistem aliran dalam pipa adalah system pasif memanfaatkan sirkulasi thermosiphon. 3. Temperature air yang diharapkan keluar kolektor kurang lebih 70 O C 4. Kolektor surya didesain untuk memanaskan 1 L Air per jam.

13 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Sebagai bintang yang paling dekat dari planet biru Bumi, yaitu hanya berjarak sekitar km, sangatlah alami jika hanya pancaran energi matahari yang mempengaruhi dinamika atmosfer dan kehidupan di Bumi sebagai. Energi yang datang ke bumi sebagian besar merupakan pancaran radiasi matahari. Energi ini kemudian ditransformasikan menjadi bermacam-macam bentuk energi, misalkan pemanasan pemukaan Bumi, gerak dan pemanasan atmosfer, gelombang lautan, foto sintesa tanaman dan reaksi foto kimia lainya. Penyebaran sinar matahari tiap tahun di belahan bumi berfariasi termasuk Indonesia. Indonesi rata rata menerima sinar matahari delapan ( 8 ) jam perhari. Dapat dikatakan bahwa Negara Indonesia yang merupakan Negara kepulauan dan Negara agraris, oleh karena itu penulis mencoba untuk merancang sebuah alat yang dapat digunakan di tengah-tengah masyarakat dengan pemanfaatan energi surya untuk memanaskan Air untuk kebutuhan mandi, air minum dsb dan intensitas sinar matahari yang masuk ditentukan posisi matahari terhadap kolektor Jenis Jenis Kolektor Surya Kolektor Surya merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengumpulkan energi matahari yang masuk dan diubah menjadi energi thermal dan meneruskan energi tersebut ke fluida. Kolektor surya memiliki beberapa komponen yaitu : transmisi, refleksi, dan absorbsi. Komponen transmisi dapat diperoleh dengan- menggunakan kaca, refleksi dari elemen cermin dan absorber dari bahan aluminium atau kuningan yang dilapisi dengan

14 permukaan benda hitam.komponen utama kolektor surya adalah cover yang berfungsi sebagai penutup kolektor yang transparan, absorber untuk menyerap energi dan mengkonversikan energi matahari menjadi energi thermal, insulation untuk menahan panas dalam kolektor, saluran atau kanal untuk mengalirkan fluida pembawa energi matahari. Jadi dapat disimpulkan Secara prinsip bahwa metode kerja dari kolektor surya dalah sama yaitu menyerap sinar matahari Kolektor Surya Prismatik Kolektor surya tipe prismatik adalah kolektor surya yang dapat menerima energi radiasi dari segala posisi matahari kolektor jenis ini juga dapat digolongkan dalam kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari empat bidang yang berbentuk prisma, dua bidang berbentuk segitiga sama kaki dan dua bidang berbentuk segi empat siku siku.sehingga dapat lebih optimal proses penyerapan tipe kolektor jenis Prismatik ini dapat dilihat seperti gambar berikut. Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic Sumber : Philip kristianto & James Laeyadi Jurnal Teknik mesin Universitas Kristen petra Kolektor Surya plat Datar

15 Kolektor surya type plat datar adalah type kolektor surya yang dapat menyerap energi matahari dari sudut kemiringan tertentu sehingga pada pross penggunaanya dapat lebih mudah dan lebih sederhana. Dengan bentuk persegi panjang seperti pada gambar berikut : Gambar 2-2. kolektor surya plat datar Sumber : PT. Aditya Sarana Graha. Pinangsia, Jakarta pusat Tinjauan perpindahan panas Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan melalui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi, apabila sirkulasi dilakukan dengan sebuah pompa, maka kita menyebutnya konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke plat penutup kaca ( umumnya menutupi kolektor) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi Konduksi. Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier q = - KA dt dx..( 2. 1 )

16 Dimana q = Laju perpindahan panas ( w ) K A = Konduktifitas Termal ( W / (m.k)) = Luas Penampang yang terletak pada aliran panas m2 dt/dx = Gradien temperatur dalam arah aliran panas ( - k/m ) Konveksi Udara yang mengalir diatas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka penulis menyebutnya sebagai konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka penulis menyebutnya konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sbb. q = h A ( Tw T) watt..( 2. 2 ) Dimana h = Koefisien konveksi ( w / m 2. o K ) A = Luas permukaan kolektor surya m 2 Tw = Temperatur dinding ( O K ) T = Temperatur fluida ( o K ) Q = Laju perpindahan panas ( watt ) Karena aliran dalam pemas cairan surya itu laminer dan tabung tabungnya adalah relatif pendek, maka bilangan nusselt rata rata dan karena itu harga rata-rata h dalam tabung dapat dicari dari gambar brikut seperti yang dianjurkan oleh duffie dan Becman. Untuk menggunakan grafik dalam gambar haruslah dihitung trlebih dahulu

17 sebuah bilangan tanpa dimensi lain yang disebut bilangan prandtl yaitu dengan persamaan Pr = C p ( µ/k). Gambar 2-3. Bilangan Nusselt rata-rata dalam pipa pendek untuk berbagai bilangan prandtl. Sumber :Prof. Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 9 Untuk pemanas surya yang bekerja dalam bilangan Reynols antara 2000 sampai 10000, dan nilai bilangan nusselt sebesar ( lit teknologi rekayasa surya hal 10 ) N u = 0, Re ( 2. 3 ) R e Yang dimaksud adalah bilangan Reynold yang biasanya berkisar antara 2000 sampai untuk aliran turbulen, dan dibawah 2000 untuk aliran linier. Bilangan Reynold dapat dirumuskan Vdiρ R e =...( 2. 4 ) µ

18 Dimana Re = Bilangan Reynold. V = Kecepatan Rata-rata dari Fluida (m / s ) di = Diameter pipa ( m ) ρ = Massa jenis ( kg / m 3 ) μ = Viskositas dinamik ( kg / m.s ) Radiasi Radiasi surya adalah Radiasi gelombang pendek yang diserap oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh karena itu plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi ini dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorpsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (Radiasi surya) dan harga emisivitas yang rendah ( ε, rendah ) dalam daerah infra merah. Permukaan semacam itu disebut permukaan selektif. Salah satu diantaranya adalah khrom hitam (Black chrome) yang mempunyai harga α = 0.90 dan ε = Penukaran panas netto secara radiasi termak antara dua badan ideal ( Hitam ) adalah : 4 4 q = σα( T T )watt 1 2.( 2. 5 )

19 Dimana σ = Stefan Boltzman yang besarnya 5.67 x 10-8 w / m 2. k 4 T = Temperatur mutlak Benda ( k ) A = Luas Bidang m 2 Dalam praktek, permukaan bukan merupakan pemancar ataupun penyerap yangsempurna dari radiasi termal. Permukaan (kelabu) warna tersebut dapat ditandai oleh fraksi fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan (ε, emisivitas ) dan diserap ( α, absorbsivitas). Misalnya, perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah kolektor surya adalah perpindahan panas radiasi dari plat penyerap ke plat penutup kaca. Maka dapat dilihat seperti berikut ini. τα q = i ε ( T T ) 1 + i ε ( 2. 6 ) ternyata bermanfaat, Dimana = ε1 dan ε2 adalah emisivitas dari pelat pelat penyerap dan kaca Tinjauan mekanika fluida Viskositas Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan geser dan laju regangan geser Posisi Matahari Sudut zenit Ө diperlihatkan sebagai sudut antara zenit z, atau garis lurus dibawah kepala, dan garis pandang ke matahari. Persamaan untuk sudut zenit dapat dirumuskan ( lit teknologi rekayasa surya hal 27) Cos θ z = Sin δ Sin Ø + Cos δ Cos θ Cos ω.( 2. 7 )

20 Dimana θz = Sudut zenith δ = Deklinasi Ø = Sudut lintang ω = Sudut jam ( o 15 ) Catt : Deklinasi, ( δ ) Yaitu sudut yang dibentuk oleh matahari dengan bidang ekuator, ternyata berubah sebagai akibat kemiringan Bumi dari +23,45 o musim panas ( 21 juni ) ke 23,45 o di musim dingin ( 21 Desember ) harga deklinasi pada setiap saat dapat diperkirakan dengan persamaan berikut ( lit teknologi rekayasa surya hal 28 ) 284 n δ = 23,45Sin 360x ( 2. 8 ) Dimana n Adalah hari dari tahun yang bersangkutan Radiasi pada bidang miring. Intensitas Karakteristik dari permukaan pada radiasi bidang miring berbeda dari satu tempat dengan tempat yang lainya. Komponen radiasi pada suatu permukaan miring yaitu komponen sorotan I bt yang diperoleh dengan mengubah radiasi sorotan pada permukaan horizontal menjadi masuk normal dengan menggunakan sudut zenit. Dan kemudian mendapatkan komponen pada permukaan miring dengan menggukan sudut masuk. Radiasi sprotan pada permukaan horizontal diperoleh dari selisih antara pengukuran radiasi total antara pengukuran radiasi sebaran untuk lokasi tertentu. Radiasi sorotan I bt pada permukaan miring dapat dihitung dengan radiasi sorotan (terukur) Id pada sebuah permukaan horizontal perhitungan ini dapat dilakukan dengan dua cara pertama dengan mendistribusikan radiasi sebaran secara merata diatas hemisfer langit, kedua dengan meneliti sebaran berasal dari daerah langit dekat matahari, komponen yang dipantulkan pada permukaan bidang miring I rt dapat dihitung apabila

21 refleksi dari permukaan disekitarnya dapat diketahui. Dari beberapa komponen yang miring seperti yang diterangkan diatas dapat dilihat sebagai berikut. ( lit teknologi rekayasa surya hal 30 ) I = I + I + I T bt dt rt...( 2. 9 ) Gambar 2-4. Radiasi sorotan setiap jam pada permukaan miring dari pengukuran I b. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 31. Radiasi langsung : sudut masuk Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada sudut masuk normal I bn, dari gambar 2 4 dapat dilihat. I bn = Ib Cosθ...( ) Dimana I b adalah radiasi sorotan pada suatu permukaan horizontal dan cos θ z adalah sudut zenit yang ditentukan dari persamaan.dengan demikian untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horizontal ( Gambar 2. 4 ) intensitas dari komponen sorotan ialah. I bt = I bn cos θ = T I b cosθt Cosθ z..( 2. 11)

22 Dimana θt = Sudut masuk yang didefenisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normaldan arah komponen 90 o pada permukaan bidang miring Apabila permukaan dimiringkan dengan suatu sudut β terhadap horizontal, maka hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar dengan arah jarum jam sebesar sudut β, dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama, gambar.hubungan untuk θ Z untuk garis lintang θ β kemudian dapat digunakan untuk permukaan yang dimiringkan pada garis lintang φ karena garis lintang ditentukan dari bidang ekuator, maka kemiringan permukaan mengarah ke ekuator, yaitu bahwa permukaan itu dimiringkan ke selatan bagi hemisfer bagian utara. I bt ( φ β ) + cosδ cos( φ β ) sinδ sin cosω = I sinδ sinφ + cosδ cosφ cosω...( ) Berikut ini dapat dilihat spesifikasi kolektor surya dan data suhu udara kota medan sesuai dengan pemantauan Badan Meteorologi dan Geofisika Balai Wilayah satu Polonia Medan.

23 Tabel 2 1 : Kelembaban udara, suhu udara dan kecepatan angin yang berhembus kota medan. Sumber : Badan Meteorologi dan Geofisika Kota Medan.

24

25 Gambar 2 5. Spesifikasi beberapa produk kolektor Surya Sumber : PT. Aditya Sarana Graha, Jakarta Pusat.

26 Gambar 2 6. Peruntukan dan peletakan kolektor Surya Sumber : PT. Aditya Sarana Graha, Jakarta Pusat

27 BAB III ALAT DAN BAHAN 3. 1.Alat alat Dari hasil dan survey lapangan yang dilakukan di PT. Aditya Sarana Graha Jakarta Pusat, dapat disimpulkan beberapa peralatan dan alat ukur yang digunakan seperti dijelaskan berikut ini Thermometer Air Raksa. Gambar Thermometer Air Raksa. Alat ini digunakan untuk mengukur temperature air yang masuk maupun yang keluar kolektor Thermo Couple Gambar Thermo Couple

28 Alat ini digunakan untuk mengukur temperature plat, yang dipanaskan oleh matahari dengan posisi terletak pada plat kolektor surya. jenis yang digunakan adalah HY PKMNR05 yang dapat mengukur temperature plat antara o C Anemometer. Gambar Anemometer Alat ini dgunakan untuk mengukur kecepatan angin yang berhembus disekitar kolektor, yang dapat mengukur kecepatan angin dari 0,2 40 km/jam. jenis ini juga dapat mengukur temperature lingkungan, pada pengoperasian antara o c Bahan bahan yang digunakan. Secara prinsip koelektor surya berfungsi untuk mengumpulkan radiasi matahari, dan mengubahnya menjadi energi panas. kemudian diteruskan ke fluida yang berada didalam pipa-pipa kolektor. dapat ditunjukkan seperti pada pada gambar berikut ini

29 Gambar 3-4 Kolektor surya plat datar Adapun bahan bahan yang digunakan antara lain Plat absorbsi, digunakan untuk menyerap panas matahari yang dicat dengan warna hitam pekat, karena secara prinsip warna hitam dapat menyerap panas tanpa menimbulkan efek radiasi pantulan ke atmosfer kembali. Dengan demikian penulis mencoba merancang alat yang akan di bentuk dengan ukuran sebagai berikut : a) Panjang Plat kolektor P= 1200 mm b) Lebar Plat kolektor L= 365 mm c) Tebal Plat kolektor T= 0,5 mm Pipa Kolektor, Digunakan untuk memanaskan air yang berada dalam pipa, bahan ini terbuat dari plat tembaga dengan ukuran sebagai berikut a. Diameter Pipa kolektor D = 9 mm b. Diameter dalam pipa kolektor d d = 8 mm c. Panjang Pipa kolektor P = 1000 mm d. Jarak Antara pipa kolektor = 92 mm e. Jumlah pipa kolektor = 5 Buah

30 Isolator, Digunakan untuk mengisolir panas matahari yang ditangkap oleh kolektor. Dalam pembuatan ini penulis menggunakan Glass Woll dengan ukuran Sebagai berikut. a. Panjang Isolator bagian bawah P = 1226 mm b. Lebar Isolator bagian bawah L = 391 mm c. Tebal Isolator bagian bawah T = 50 mm d. Lebar Isolator Bagian Samping Depan = 10 mm e. Lebar Isolator Bagian Samping Belakang = 10 mm f. Lebar Isolator Bagian Samping Kir = 10 mm g. Lebar Isolator Bagian Samping Kanan = 10 mm Kaca Bening, Digunakan untuk mengurung suhu udara panas yang berada didalam kolektor agar tidak keluar, dalam hal ini kaca penutup dibuat 2 lapis dengan ukuran sebagai berikut. 1. Kaca Penutup I. a. Panjang P = 1206 mm b. Lebar L = 371 mm c. Tebal T = 3 mm 2. Kaca Penutup II. a. Panjang P = 1232 mm b. Lebar L = 397 mm c. Tebal T = 3 mm 3. Kaca Alas Bawah Plat Kolektor, digunakan untuk meminimalisir panas yang keluar melalui plat bawah kolektor. Dengan ukuran sebagai berikut.

31 a. Panjang P = 1200 mm b. Lebar L = 365 mm c. Tebal T = 3 mm 4. Kaca Penahan digunakan untuk menahan glas woll yang di letakkan di sisi depan, belakang, samping kanan dan kiri dengan ukuran sebagai berikut : 5. Kaca Penahan Sisi Depan dan belakang a. Panjang P = 1206 mm b. Lebar L = 44 mm c. Tebal T = 3 mm 6. Kaca Penahan Sisi kanan dan kiri a. Panjang P = 371 mm b. Lebar L = 44 mm c. Tebal T = 3 mm Kerangka Kolektor, digunakan untuk menyangga dan sebagai tempat peletakan kolektor Surya terbuat dari bahan Aluminium dengan ukuran sebagai berikut. a. Panjang ( Plat kolektor Tebal Isolator 20 + Tebal kerangka 6). = 1232 mm b. Lebar ( Plat Kolektor Tebal Isolator ) = 397 mm c. Tinggi T = 100 mm Penyangga Kolektor. Digunakan untuk menahan kerangka kolektor surya dengan sudut kemiringan 40 o C. dan panjang 1065 mm Penyangga Tangki. Digunakan untuk menahan tangki Air yang terbuat dari plastic, dengan tinggi 1500 mm.

32 BAB IV ANALISA PERHITUNGAN Radiasi surya yang tersedia diluar atmosfer bumi seperti yang diungkapkan oleh konstanta surya sebesar 1353 W/m 2 dikurangi intensitasnya oleh penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi/ozon di atmosfer. penyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek ( Ultra Violet ) karbon dioksida dan uap air yang menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang ( Inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang langsung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul molekul gas, debu dan uap air ke atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran. Pengukuran berikutnya terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada kedudukan tegak lurus sorotan radiasi yang masuk. Sehingga dapat diketahui dengan rumus stefan-boltzmann σ, dimana Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari E s, temperatur permukaan absolut T 4 s dan luas permukaan π d 2 s. ( lit Teknologi Rekayasa Surya. Hal 16 ) Dimana σ = E S 2 4 ( m. ) x10 W / K σπd T s = Temperature permukaan ( K ) 2 S T 4 S W =.( 4. 1 ) d s = Diameter matahari ( m ) Pada radiasi ke semua arah, energi yang di Radiasikan mencapai luas permukaan Bola dengan matahari sebagai titik tengahnya. jari jari R adalah sama dengan jarak rata rata antara matahari dan bumi. Sehingga dapat diketahui luas permukaan bola adalah 4 π R 2,

33 dan fluksa Radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan Iradiansi, menjadi G σd 2 4 s s 2 = W / m 2...( 4. 2 ) 4R T Dengan garis tengah matahari 1.39 x 10 9 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata rata antara matahari dan bumi sebesar 1.5 x m, maka fluksa Radiasi persataun luas dalam arah yang tagak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah : 5.67x10 G = 8 W / ( m. K ) x( 1.39x10 ) m x( 5.762x10 ) x( 1.5x10 ) m = 1353W / m 2 4 K 4 Harga G ini disebut konstanta surya, G sc. Pengukuran yang baru-baru ini dilakukan oleh pesawat antariksa telah membenarkan harga G sc ini, yang kemudian telah diterima oleh NASA sebagai standar. Tabel 4-2 memuat konstanta surya dalam satuan lain. Satuan langley sama dengan 1 kalori/cm 2 adalah satuan yang umumnya dapat dijumpai dalam beberapa literatur mengenai radiasi surya seperti diungkapkan Duffie, J. A, Beckman, W.A. Solar Energi thermal process. Perlu dicatat di sini, bahwa karena 1 kalori = Joule, maka 1 langley = 1 kalori / cm 2 = MJ/m 2 sebuah faktor konversi yang sering digunakan. Tabel 4. 1 Satuan lain untuk G SC lit Teknologi Rekayasa Surya hal 17

34 Gambar 4. 1 Konstanta Surya. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya hal 17 Dapat dilihat seperti pada tabel 4 2 berikut ini bahwa kenyataan konstanta solar didasarkan atas suatu satuan luas pada arah sinar matahari. Konstanta ini sangat bermanfaat sebagai batas teoritis dari ketersediaan energi surya dibumi, dan dalam penaksiran komponen radiasi sebaran dan apabila radiasi ini di ukur secara terpisah maka dapat ditentukan bahwa Bilangan 1 sun didefenisikan sebagai 1000 W / m 2 dan kadang kadang digunakan untuk menunjukkan harga kira kira energi surya maksimum praktis yang tersedia di permukaan bumi.

35 Tabel 4 2. Data Radiasi Global yang khas ( Radiasi pada permukaan Horizontal) Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 21

36 Dari rangkaian tersebut di atas dan seperti yang dijelaskan pada Bab 3 maka pada analisa perhitungan dapat diketahui bahwa besarnya energi Energi Radiasi yang dapat diserap oleh oleh plat penyerap adalah. ( Lit Kolektor Surya Prismatik, Jurnal Teknik Mesin. Univ Kristen Petra. Vol 2 no 1.) Qin = α. IT. Ac = 0.9x 56.0x438.0 = W/m 2 Dimana α = Absorbsivitas plat penyerap IT = Intensitas Surya ( W/m 2 ) Ac = Luas plat penyerap ( m 2 ) Karena panjang pipa = 1000mm dan D = 8 mm maka, volume air didalam pipa kolektor adalah πd 2 = 3.14 x 8 2 = x 1000 = x 5 buah pipa = = cm. diperkirakan untuk 5 buah pipa dapat menampung air sebanyak 1 liter. besarnya energi yang dapat diserap oleh plat Kolektor surya adalah sebesar : W/m 2 dan temperature air masuk 24 o C Energi Yang hilang dari kolektor. Mekanisme kerugian panas dari plat penyerap seperti ditunjukkan dalam gambar berikut panas hilang dari bagian atas plat penyerap karena konveksi alam dan karena radiasi ke permukaan dalam dari plat penutup kaca ( Sebagaian dari radiasi tersebut akan hilang melalui kaca penutup namun dalam hal ini hal tersebut akan diabaikan) plat konduksi ini akan di konduksikan oleh plat kaca ke permukaan luarnya, kerugian panas ini dinamakan kerugian panas atas ( top loss ) dan dinyatakan dengan ( lit Teknologi Rekayasa Surya, Wiranto Arismunandar. Hal 46 )

37 Ut ( t T ) w/ m 2 = p a ( 4. 3 ) Dimana Ut : Koefisien kerugian panas, W/ ( m 2.K ) T p : Temperatur Plat o c Ta : Temperatur Lingkungan o c Gambar 4 2 Kerugian Panas kolektor Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya hal 47 Kebalikan dari Ut, 1/U adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari plat ke lingkungan yang dinyatakan oleh sirkuit seri paralel sederhana seperti ditubjukkan dalam gambar 4 2.dalam sirkuit ini h l = koefisien konveksi ( alam ) dalam h ri = koefisien radiasi ( Ekivalen ) Dalam, R ( kaca ) harga R dari kaca, Tebal / konduktifitas termal = t/k, m 2.K / W, h o = koefisien konveksi luar, h ro = koefisien radiasi ( Ekivalen ) Luar. Dimana satuan satuan untuk koefisien radiasi adalah W/ ( m 2.K ). Karena dalam satu sirkuit paralel konduktansi konduktansi dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuit seri tahanannya dijumlahkan, maka tahanan total dapat di tulis ( lit Teknologi Rekayasa Surya hal 47 )

38 l Ut = h l 1 + h ri + R( kaca) + h o 1 + h ro. ( 4. 4 ) Dimana : h 1 = Koefisien Konveksi ( Alam ) dalam H ri = Koefisien radiasi ( Ekivalen ) dalam R ( kaca ) = harga R dari kaca, tebal / konduktivitastermal t /k.m 2 H o = Koefisien konveksi luar. H ro = Koefisien radiasi ( Ekivalen ) luar. Dimana koefisien konveksi alam h 1 antara plat plat miring yang dipanasi dari bawah telah dikorelasikan oleh hollands dan lain lain untuk sudut miring antara 0 o dan 70 o. koefisien tersebut dapat dilihat dalam gambar dibawah ini dan dinyatakan sebagai fungsi dari sela z antara plat penyerap dan penutup kaca dengan sudut miring sebagai parameter, serta fungsi fungsi φ 1, φ 2, dan φ 3 didefenisikan sebagai berikut. Gambar 4-3 Sirkuit untuk tahanan perpindahan panas melalui bagian atas kolektor. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 48 Dalam hal ini penulis memuat koefisien plat konveksi dalam h i antara sebuah plat penyerap pada T P = 100 o C dan sebuah penutup kaca T C = 23 o C. pada sela z antara plat dan penutup adalah z = 35 mm dan sudut miring adalah 40 o C terhadap horizontal- serta

39 Temperatur rata rata. T m = ( T P +T C )/2 k. =( )/2 = k, maka dapat dilihat sebagai berikut. φ = ( T = 1 ( ) 1 = m + 200) xtm x334.5 Tp Tc φ = = = 1428( Tm + 200) φ = 2 T = m 1428( ) = Berikut di jelaskan gambar koefisien konveksi alam h, dalam celah udara sebagai fungsi dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai para meter. Gambar 4-4 Koefisien konveksi alam h, dalam celah udara sebagai fungsi dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai para meter. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 49 Karena itu z φ 2 φ3= 35 x x = 2.42 dari gambar 4 3 h l / φ φ dan h 1 = 1 2 = 3.35 x x = 3.59 W / ( m 2 k ) Koefisien Radiasi dalam ekivalen h ri antara plat penyerap pada 100 o C dan penutup kaca pada 23 o C dan emisivitas penyerap adalah ε P = 0.1 dan emisivitas kaca ε g = 0.88

40 Maka koefisien radiasi dalam adalah : h 4 4 ( Tp TC 2 ri = = /( m i ε P σ 1 + ε C 1 ( T P (5.67x10 )( ) = 1 1 T ) + 1 ( ) C Jika koefisien Radiasi dalam adalah 0.848/m 2.k maka tahanan thermal kaca jika harga R dari kaca [ k = 105 w/ ( m.k )] karena tebal kaca yang digunakan adalah 3 mm maka dapat di ketahui konduktivitas termal kaca adalah t R ( kaca) = = = m. k / w k 1.05 Koefisien konveksi luar kolektor yang dinyatakan dengan h o dengan kecepatan angin adalah 5.0 m/s. K) h o = V = 5.7 (3.8)(5.0) = 24.7W /( m 2. K) Untuk koefisien Radiasi luar ekivalen, dimana temperature langit T = 0.052( T ) = x283 = K dan temperatur luar T a = o k langit a 263 dan temperatur lingkungan, o 30 c ( Kota Medan ) h ro 4 4 ε Cσ ( Tc Tlangit ) 2 = W /( m K) T T langit 8 (0.88x5.67x10 )(296 = = 4.373W /( m. K) Maka tahanan total perpindahan panas adalah 1 U t = + ( ) ( ) = = )

41 Dan koefisien kerugian atas adalah U t = 3.80 W / ( m 2.K ) dan kerugian kalor total U L ditentukan dengan menambahkan koefisien kerugian kalor dari bawah kolektor pada U t atau U L = U b + U t. Dimana Ut, Koefisien kerugian kalor atas (W/m 2.K ) Ub, Koefisien kerugian kalor bagian bawah (W/m 2.K) Ul, Kerugian kalor total (Watt/m2.K) apabila bagian bawah dari kolektor ditutup dengan isolasi papan kaca serat ( Glass woll ) setebal 50 mm dan kerugian panas dari samping dapat diabaikan maka harga R untuk isolasi adalah Maka kerugian kalor total adalah R = = 1.162Watt dan U 0.85W /( m 2. K) b = U L = = 4.65W /( m 2. K) Karena temperature Tp dari plat penyerap berubah ubah sepanjang dan melintang plat tersebut maka persamaan perolehan panas kolektor dan persamaan efisiensi biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari temperature fluida masuk, yang relatif mudah dikontrol dan di ukur selama pengujian dan pengoperasianya. Langkah pertama untuk mencapai hal tersebut adalah menggunakan efisiensi sirip F. berdasarkan temperature dasar T b dalam bagian ini diperkenalkan faktor efisiensi F yang memungkinkan penggunaan temperature fluida rata rata sehingga persamaan perolehan panas didasarkan atas temperarture fluida masuk T i dengan memasukkan faktor pelepas panas F R. perolehan panas melalui lebar sirip adalah ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 )

42 s d 2 = F [ F ( ) U ( T T )] T σα ( 4. 5 ) Perolehan panas melalui lebar plat kolektor s seperti ditunjukkan berikut ini ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 ) L b [ ( ) U ( T T )] [( s d) F + D GT σα L b a ( 4. 6 ) Apabila radiasi yang diserap G T (σα) untuk sesaat dibuat sama dengan nol maka aliran a panas dapat ditulis sebagai berikut.( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 ) U L T b T 1 [( s d ) F + d] a ( 4. 7 ) Dimana tahanan terhadap aliran dalam sirip adalah. ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 ) [( s d ) F + d] Tahanan dari perekat solder. ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 ). 1 ( 4. 8 ) 1.( 4. 9 ) kb Gambar 4-5 Aliran panas ke dalam cairan Sumber : Jurnal Teknik Mesin, Universitas Kristen Petra, hal 26

43 Dimana b adalah panjang perekat dan l adalah tebalnya perbandingan kb/l disebut konduktansi perekat /c b. tahanan terhadap aliran panas antara pipa dan fluida adalah 1 h π.d i..( ) Dimana h adalah koefisien konveksi fluida dan d i adalah diameter dalam pipa Rangkaian tahanan dalam seri untuk sirip dan pipa ditunjukkan seperti gambar berikut Gambar 4-6 Rangkaian tahanan thermal Shingga perolehan panas fluida menjadi.( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 54 ) U L 1 T F T [( s d) F + d] kb hπdi a + 1 l + 1 ( ) Pipa yang memiliki temperatur yang uniform T f, yang akan mengurangi kerugian panas sehingga menjadi minimum maka perolehan panas fluida untuk sirip dengan lebar mencapai maksmum yaitu.( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 54 ) s( T f Ta ) ( ) 1 UL Untuk faktor efisiensi pada plat kolektor penyerap radiasi surya yang dibuat oleh penulis adalah tembaga dengan tebal ( t = 0.5 mm ) dengan 5 buah pipa tembaga paralel dengan ukuran D = 9 mm dan d = 8 mm dengan jarak antar pipa adalah 92 mm dan panjangnya 1000 mm, laju aliran dalam pipa kg/s, dan U L = 4.0 W/( m 2.K ) konduktifitas dari sambungan solder ialah 50 W/ ( m.k ) dan tebal perekat adalah 0.10

44 mm dan temperatur fluida T f = 100 o C Seperti pada gambar di atas ( Rangkaian tahanan thermal ) U L ( s d) = kδ x254x = Dan efisiensi sirip adalah tanh 0.48 F = = 0.48 Dari Persamaan ( 4. 8 )Tahanan Sirip adalah = U L [ F( s d) + d] 4.0[0.93(0.1438) ] = 1.756m. K / W Dari persamaan ( ) Konduktansi perekat adalah C k = l 8.57 = 50x 4285W /( m. K) 0.10 b b = Atau tahanannya adalah 1 = m. K / W C b Viskositas dinamik µ pada 100 o C adalah 4.71 x 10-4 pa.s laju aliran massa pipa per jam m = / 6 =3.3 x 10-3 kg/ s, dinyatakan dalam bilangan reynolds adalah 4m/πd i µ atau 3 4x3.3x10 Re = x6.35x10 x4.71x10 = 1405 Biangan prandtl ialah C Pr = p µ x x = k = 3.03 Maka dapat diketahui bilangan nusselt rata rata adalah

45 h = Nu k d i 4.5x0.651 = = 461W /( m 2. ) K Maka tahanan thermal fluida ke dinding pipa adalah 1 hπd i 1 = = 0.109m. K / W 461x3.14x Tahanan thermal total adalah = 1.865m. K / W Faktor efisiensinya adalah F 1 = 4.0 = x1.865 Gambar 4-7 Suatu deretan kolektor seluas 562 m 2 berisi 288 kolektor untuk memasok air panas bagis sebuah pabrik kapsul gelatin. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 57 k Ub = L Dimana Ub : Koefisien kerugian kalor bagian bawah(watt/m2.k) K : Konduktifitas kalor dari osolator L : Tebal Isolator yang digunakan

46 Data hasil pengujian. Tabel 4 3 Temperature Plat, Temperature lingkungan, kecepatan angina yang berhembus disekitar kolektore dan kondisi cuaca Kecepatan Temperatu Temperat Intensitas angina yang Kondisi Jam T P T L re Air ure Air Surya berhembus Cuaca ( o C) ( o C ) masuk ( o C ) keluar ( o C) W/ m 2 disekitar kolektor m/s , Cerah Cerah Cerah Cerah Cerah Cerah Cerah Cerah Cerah Cerah Temperatur ( o C) Waktu Pengamatan Grafik 4 1 Temperatur Air keluar pada pngujian tiap jam, pada temperature awal 24 o C pada suhu awal 27 o C

47 Temperatur ( o C) Waktu Pengamatan Grafik 4 2 Temperature Plat kolektor pada pengujian tiap jam dengan waktu pengujian dari pukul 8.00 hingga pukul sore hari.

48 BAB V KASIMPULAN Kolektor Surya plat datar yang dibuat adalah pemanas air yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan baik untuk mandi mencuci baik dalam skala kecil maupun skala besar seperti yang digunakan beberapa rumah tangga, industi, perhotelan dan rumah sakit dll. Berdasarkan perencanaan dan hasil perhitungan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Jenis Pemanas : Kolektor Surya Plat Datar. 2. Ukuran : 1. Panjang : 1232 mm 2. Lebar : 397 mm 3. Tinggi : 100 mm 3. Temperature Air masuk : 24 o C 4. Temperature Air Keluar mencapai : 70 o C 5. Kapasitas pemanasan : 1 liter / jam 6. Waktu Pemanasan : Pukul 8.00 s/d wib

49 7. Air yang dipanaskan : Air Bersih. 8. Energi yang diserap plat kolektor : w/m 2 9. Tahanan total perpindahan panas : W/m Kerugian kalor total : W/ (m 2.K) Dari hasil pengujian yang dilakukan perlu diperhatikan beberapa faktor yang dapat mengurangi panas yang diterima oleh plat kolektor, seperti terjadi pada bagian badan kerangka, yang banyak celah dan lubang lubang kecil sehingga panas konveksi yang dipantulkan kembali oleh kaca penutup ke plat kolektor dapat berkurang sehingga panas air yang diharapkan tidak sempurna.

50 DAFTAR PUSTAKA Kreith, F., Kreider, J.F., Principles os Solar Engineering. New York: Harper & Row Publisher, 1973 Wiranto Arismunandar, 1985: TeknologiRekayasa Surya, edisi pertama, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Zainuddin, Dahnil, Teknik Energi Surya, Fakultas Teknik Universitas Andalas, Padang J.P. Holman, Perpindahan Kalor Edisi Ke enam, alih bahasa, Ir. E. Jasjfi M.sc. Lemigas Erlangga, 1997, Jakarta. Sutoyo, 1990, Pengujian Kalor Thermal, Tugas Akhir, ITS Surabaya.