STUDI EKSPERIMENTAL PERFORMANSI KOLEKTOR SURYA ABSORBER GELOMBANG TIPE-V

Transkripsi

1 STUDI EKSPERIMENTAL PERFORMANSI KOLEKTOR SURYA ABSORBER GELOMBANG TIPE-V Oleh : REZA ARDIANSYAH Pembimbing : Prof. Dr. Ir. DJATMIKO ICHSANI, M.Eng

2 OUTLINE LATAR BELAKANG PERUMUSAN, batasan MASALAH, tujuan dan manfaat PENELITIAN TERDAHULU DASAR TEORI METODOLOGI PENELITIAN FLOWCHART ANALISA GRAFIK KESIMPULAN

3 LATAR BELAKANG Ketergantungan manusia akan energi fosil yang ketersediaannya semakin menipis Tuntutan untuk mencari energi alternatif Pemanfaatan energi surya dengan penggunaan kolektor surya sederhana (flat-plate) Convection heat losses Radiation heat losses Inovasi baru V-corrugated solar collector

4 PERUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana rancang bangun kolektor surya dengan absorber gelombang bentuk-v agar memiliki performasi yang bagus dan efektif. 2. Bagaimana pengaruh perubahan absorber dari bentuk flat-plate menjadi bentuk gelombang bentuk-v terhadap performansi kolektor surya. 3. Bagaimana pengaruh variasi kecepatan fluida kerja pada inlet terhadap efisiensi kolektor surya. 4. Bagaimana pengaruh perubahan temperatur fluida inlet terhadap efisiensi kolektor surya.

5 BATASAN MASALAH 1. Analisa performansi kolektor surya dilakukan pada steady-state condition. 2. Intensitas matahari pada keadaan clear sky. 3. Fluida kerja selama proses tidak mengalami perubahan fase. 4. Aliran panas melalui glass cover adalah dalam satu-dimensi 5. Glass cover diasumsikan tidak menyerap energi. 6. Penurunan temperatur melaui glass cover diabaikan. 7. Aliran udara yang mengalir di dalam kolektor surya dianggap satu arah dan memenuhi luasan kolektor secara menyeluruh. 8. Penelitian dilakukan secara eksperimental dengan debit udara pengering tergantung dari kecepatan fan. 9. Tinjauan dari segi ekonomis dan rancang bangun kekuatan material tidak ikut dibahas dalam penulisan. 2009

6 TUJUAN PENELITIAN 1. Rancang bangun kolektor surya tipe V-corrugated. 2. Mendapatkan sudut-v optimum pelat absorber gelombang. 3. Mengetahui performansi kolektor surya tipe V-corrugated. 4. Mengurangi kerugian panas akibat pantulan radiasi pada pelat absorber. 5. Mengetahui pengaruh perubahan debit fluida terhadap efisiensi kolektor surya. 6. Mengetahui pengaruh perubahan temperatur fluida inlet terhadap efisiensi kolektor surya. 7. Mengetahui perbandingan pengaruh antara kolektor surya tipe V- corrugated dengan kolektor surya tipe flat-plate.

7 MANFAAT PENELITIAN 1. Dapat mengurangi ketergantungan manusia terhadap penggunaan bahan bakar fosil dengan pengoptimalan energi alternatif yang sangat melimpah jumlahnya, yakni energi panas matahari. 2. Sebagai referensi desain untuk aplikasi nyata pemanfaatan teknologi untuk kepentingan masyarakat luas.

8 PENELITIAN TERDAHULU 1. Md Azharul Karim, M.N.A Hawladerb, 2004, Performance Investigation of Flat-Plate, V-Corrugated and Finned Air Collectors FLAT-PLATE SOLAR AIR COLLECTOR PERBANDINGAN : FLAT-PLATE SOLAR AIR COLLECTOR V-CORRUGATED SOLAR AIR COLLECTOR FINNED SOLAR AIR COLLECTOR V-CORRUGATED SOLAR AIR COLLECTOR FINNED SOLAR AIR COLLECTOR

9 PENELITIAN TERDAHULU Performansi dari ketiga tipe kolektor surya diuji sampai melebihi batas operasional dan kondisi desain ideal. V-corrugated collector didapati sebagai kolektor yang paling efisien dan flat-plate collector adalah kolektor yang paling tidak efisien. Hasil eksperimen dan simulasi membuktikan bahwa V-corrugated collector 10-15% lebih efisien dibandingkan dengan flat-plate collectors dan 5-9% lebih efisien daripada finned collectors

10 PENELITIAN TERDAHULU 2. Md Azharul Karim, M.N.A Hawladerb, 2005, Performance Evaluation of V- Groove Solar Air Collector for Drying Applications Grafik Variasi efisiensi dan temperatur outlet terhadap insolasi dan waktu Hasil menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan laju air massa fluida, maka temperatur fluida pada keluaran kolektor surya mengalami penurunan dan efisiensi kolektor mengalami kenaikan. Laju alir massa 0,035 kg/m 2 direkomendasikan untuk tujuan pengeringan dengan pertimbangan efisiensi dan temperatur keluaran kolektor Grafik Variasi η dan T o terhadap laju alir udara

11 PENELITIAN TERDAHULU 3. J. Bany, J. Appelbaum, 1986, The Effect of Shading on the Design of a Field of Solar Collectors Radiasi yang diserap dipengaruhi oleh transmisivitas absorbtivitas S=1.01ταI T Luasan efektif absorber dipengaruhi efek bayangan dari bentuk absorber

12 TAHANAN THERMAL Skema tahanan thermal pada V-corrugated Solar Air Collector

13 Perhitungan Koefisien Konveksi Konveksi antara kaca penutup dan udara luar Konveksi antara kaca penutup dan pelat absorber

14 Perhitungan Koefisien Radiasi Radiasi antara kaca penutup dan udara luar Radiasi antara kaca penutup dan pelat absorber

15 Perhitungan Performansi Kolektor Surya Tahanan thermal antara kaca penutup dan udara luar Tahanan thermal antara kaca penutup dan pelat absorber Koef.PERPAN Bag. Atas Koef. PERPAN Bag. Bawah Tp Styrofoam, 10 mm L1 k 1 Triplex, 4 mm L k 2 2 Ta Overall Heat Transfer Coefficients

16 Perhitungan Performansi Kolektor Surya Faktor Aliran Kolektor Faktor Efisiensi Kolektor Efisiensi Kolektor Quseful Faktor Pelepasan Kalor Kolektor

17 METODOLOGI PENELITIAN Skema instalasi Percobaan

18 METODOLOGI PENELITIAN Data-data yang dibutuhkan meliputi : T f,in ; T f,out ; T amb ; T abs ; T cg ; V w ; I T ; V f Grafik yang akan dibuat : Grafik T cg = f(l) untuk masing-masing variasi kecepatan Grafik T abs = f(l) untuk masing-masing variasi kecepatan Grafik U L = f(intensitas,waktu) Grafik q loss = f(intensitas, waktu) Grafik Q useful = f(intensitas,waktu) Grafik η = f(intensitas,waktu)

19 PRA-DESAIN Tujuan Pra-Desain: Mencari sudut gelombang untuk Quseful paling optimum Perhitungan absorbtivitas absorber 3000 Grafik Qu=f(Ф) Qu 2500 Perhitungan luasan efektif Qu Perhitungan Quseful Sudut Gelombang didapatkan sudut gelombang 20 untuk diaplikasikan ke kolektor surya

20 FLOWCHART PENGAMBILAN DATA

21 FLOWCHART PERHITUNGAN START Dimensi Kolektor Surya Dimensi Kaca Penutup Dimensi Pelat Absorber Dimensi Insulasi Luasan Kolektor (Ac) Kecepatan Fluida Kerja (Vf) Intensitas Radiasi (IT) Kecepatan Angin (Vw) Temperatur Ambient (Tamb) Temperatur Kaca Penutup (Tcg) Temperatur Plat Absorber (Tabs) Temperatur Fluida In (Tf,in) Temperatur Fluida Out (Tf,out) Properties Udara pada (Tf,average) S=(τα)IT Vi= 1 m/s Koefisien konveksi antara kaca penutup dan udara luar Bilangan Rayleigh Koefisien radiasi antara kaca penutup dan udara luar Koefisien perpindahan panas bagian bawah kolektor dimana: Enclosures Tahanan thermal antara kaca penutup dan udara luar E A B C

22 FLOWCHART PERHITUNGAN E A B C Koefisien konveksi antara kaca penutup dan pelat absorber Koefisien radiasi antara kaca penutup dan pelat absorber Tahanan thermal antara kaca penutup dan pelat absorber Koefisien perpindahan panas bagian atas kolektor surya Koefisien perpindahan panas total Faktor Efisiensi Kolektor Faktor Aliran Kolektor E D

23 FLOWCHART PERHITUNGAN E D Faktor Pelepasan Kalor Kolektor V= Vi + 1 m/s Panas Berguna dari Kolektor Efisiensi Kolektor Yes V 5 m/s No Plot Grafik : Grafik I T = f(time) Grafik T cg = f(l) Grafik T abs = f(l) Grafik U L = f(intensitas,waktu) Grafik Q useful = f(intensitas,waktu) Grafik η = f(intensitas,waktu) END

24 ANALISA dan PEMBAHASAN Analisa Performansi T cg = f(jarak) untuk tiap variasi kecepatan T cg T cg = f(jarak) untuk v=1 m/s Jarak (m) T cg T cg T cg = f(jarak) untuk v=3 m/s Jarak (m) T cg = f(jarak) untuk v=2 m/s Jarak (m)

25 ANALISA dan PEMBAHASAN T cg T cg = f(jarak) untuk v=5 m/s Jarak (m) T f,out > T f,in T abs = f (jarak) T cg = f (jarak) T f I T = f (jarak) absorber fluida T cg T cg = f(jarak) untuk v=4 m/s Jarak (m)

26 ANALISA dan PEMBAHASAN Analisa Performansi T abs = f(jarak) untuk tiap variasi kecepatan T abs T abs = f(jarak) untuk v=1 m/s Jarak (m) T abs T abs = f(jarak) untuk v=2 m/s Jarak (m) T abs T abs = f(jarak) untuk v=3 m/s Jarak (m)

27 ANALISA dan PEMBAHASAN T abs T abs = f(jarak) untuk v=4 m/s Jarak (m) I T absorber fluida T f,out > T f,in T abs = f (jarak) T f = f (jarak) T abs T abs = f(jarak) untuk v=5 m/s Jarak (m)

28 Intesitas ( W/m2) ANALISA dan PEMBAHASAN Analisa Performansi U L = f(waktu, intensitas) U L U L = f(waktu, intensitas) Jam v=1 m/s v=2 m/s v=3 m/s v=4 m/s v=5 m/s Intensitas Radiasi V fluida

29 Intesitas ( W/m2) ANALISA dan PEMBAHASAN Analisa Performansi q loss = f(waktu, intensitas) q loss = f(waktu, intensitas) q loss v=1 m/s v=2 m/s v=3 m/s v=4 m/s v=5 m/s Intensitas Radiasi V fluida q loss Jam

30 Intesitas ( W/m2) ANALISA dan PEMBAHASAN Analisa Performansi Q u = f(waktu, intensitas) Q u = f(waktu, intensitas) v=1 m/s v=2 m/s Q u v=3 m/s v=4 m/s v=5 m/s V fluida Q useful Intensitas Radiasi Jam V fluida h1 (koef. konveksi antara pelat absorber dan fluida kerja) Q useful

31 η Intesitas ( W/m2) ANALISA dan PEMBAHASAN Analisa Performansi η = f(waktu, intensitas) η = f(waktu, intensitas) v=1 m/s v=2 m/s v=3 m/s V fluida Efisiensi v=4 m/s v=5 m/s Intensitas Radiasi Jam

32 Kesimpulan Rancang bangun kolektor surya dengan penggantian pelat absorber dari pelat datar menjadi pelat gelombang bentuk-v akan meningkatkan efisiensi kolektor surya dengan cara memperbesar luasan penyerapan efektif dan meminimalkan kehilangan energi panas akibat pantulan keluar dari kolektor surya Pemakaian pelat absorber gelombang bentuk-v dengan sudut gelombang 20 memiliki nilai Q u yang paling tinggi. Nilai intensitas radiasi matahari (I T ) maksimum ada pada jam 11:00 dengan nilai 972,5 W/m 2 dan intensitas radiasi matahari minimum ada pada jam 15:00 dengan nilai 271,9 W/m 2. Nilai T cg dan T abs akan mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya jarak aliran (L) pada kolektor surya.

33 Kesimpulan Nilai q loss terbesar terjadi pada v = 5 m/s dan terkecil pada v = 1 m/s. Q useful tertinggi dicapai pada pengujian dengan tingkat kecepatan fluida kerja yang paling tinggi, yakni v= 5 m/s pada jam 11:00 dengan nilai Q useful yakni sebesar 8856,967 watt. Efisiensi kolektor tertinggi dicapai pada pengujian dengan tingkat kecepatan fluida kerja yang paling tinggi dan pada jam dengan intensitas tertinggi pula, yakni v= 5 m/s pada jam 11:00 dengan nilai efisiensi yakni sebesar 79,55%. Koefisien perpindahan panas total (U L ) menunjukkan peningkatan seiring dengan meningkatnya intensitas radiasi matahari (I T ). Dan dengan bertambahnya kecepatan fluida kerja, maka koefisien koefisien perpindahan panas total (U L ) juga akan mengalami peningkatan sebagai efek dari kenaikan nilai perpindahan panas konveksi antara pelat absorber dengan fluida kerja (h 1 ) dan perpindahan panas konveksi antara fluida kerja dengan insulasi (h 2).

34 SIDANG TUGAS AKHIR

39 SIDANG TUGAS AKHIR T V f I T V w T amb T cg ( o C) T abs ( o C) T f ( o C) Tanggal Time Kec. Fluida Int. Rad. Int. Rad. Kec. Wind Temp. Amb. Temp. Cover Glass Temp. Pelat Absorber Temp. Fluida Pengambil an Local (mvolt (m/s) ) (W/m 2 (m/s) ( ) o C) T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T 9 T f,in ( o C) T f,out ( o C) Data Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt Okt-09