KARAKTERISTIK KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR DENGAN VARIASI JARAK (KAJIAN PUSTAKA)

Transkripsi

1 KARAKTERISTIK KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR DENGAN VARIASI JARAK (KAJIAN PUSTAKA) CHARACTERISTICS OF FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR BECAUSE OF VARIATION DISTANCE (LITERATUR RIVIEW) Muhamad Jafri Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, FST, Universitas Nusa Cendana, Kupang Jl. Adisucipto, Penfui Kupang-NTT. Telp : (HP) , Jafri_muhamad@ymail.com ABSTRACT Heat received by a flat plate solar collector that comes from solar electromagnetic energy. The glass cover that used was very influential by the heat that received. The distance between the glass cover and the collector plate determines how much air between the plate and the glass cover, then conducted research to determine the effect of distance on the temperature of the glass plate to plate heat received large states. In the first study (Burhanuddin A., (2005) used glass is clear glass and frosted glass with a thickness of 3 mm, respectively, and 5 mm. The result is that the highest temperature is achieved when the glass plate used clear glass with a distance of 3 mm glass plate to 20 mm. While the two studies Ekadewi A. Handoyo, (2001) to be done to determine the efficiency of flat plate solar thermal collectors. Collector testing was doing on November 30 th, December 1 st, 3 rd, 5 th, 6 th, and December 7 th, 2005 with the variation of the glass cover distance of 3 cm, 6 cm and 9 cm. The results showed that the output - input temperature difference is greater in distance of 3 cm. The efficiency of solar thermal collectors is not a constant. The efficiency of solar collectors depends on the intensity of solar radiation, temperature differences of input- output, and airflow. In the solar collector, at the smallest of tilt angle of, the absorbed radiation is the largest. If the solar collector angle equal to the zenith angle, absorption radiation will be maximum. Key words: solar collectors flat plate, glass cover, the distance between the glass and the plate. ABSTRAK Panas yang diterima suatu kolektor surya plat datar berasal dari energi elektromagnetik matahari, maka kaca penutup yang digunakan sangat berpengaruh terhadap panas yang diterima. Jarak antara kaca penutup dan plat kolektor menentukan lebar celah dan sekaligus banyaknya udara di antara plat dan kaca penutup, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap temperatur plat yang menyatakan besar panas yang diterima. Pada penelitian pertama (Burhanuddin A., (2005) kaca yang digunakan adalah kaca bening dan kaca es dengan ketebalan masing-masing 3 mm dan 5 mm. Hasil penelitian didapat bahwa temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang digunakan kaca bening 3 mm dengan jarak kaca ke plat 20 mm. Sedangkan pada penelitian ke dua Ekadewi A. Handoyo, (2001) dilakukan untuk menentukan efisiensi kolektor panas surya plat datar. Pengujian kolektor dilakukan pada tanggal 30 November 2005, 1, 3, 5, 6, 7 Desember 2005 dengan variasi jarak satu kaca penutup 3 cm, 6 cm, dan 9 cm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbedaan temperatur output-input lebih besar pada jarak 3 cm. Efisiensi kolektor panas surya bukanlah suatu konstanta. Efisiensi kolektor surya bergantung pada intensitas radiasi matahari, perbedaan temperatur input-output, dan aliran udara. Pada sudut kemiringan kolektor surya yang terkecil, radiasi yang terserap yang adalah yang radiasi terbesar. Jika sudut kemiringan kolektor surya sama dengan sudut zenit maka radiasi yang terserap akan maksimal. Kata kunci: kolektor surya plat datar, kaca penutup, jarak antara kaca dan plat. [1828]

2 Kebutuhan energi semakin meningkat dengan adanya kemajuan teknologi. Sumber energi yang banyak dipakai sampai saat ini adalah sumber yang dapat habis yang tidak dapat diperbaharui seperti minyak bumi, batubara dan gas bumi. Karena kebutuhan energi meningkat maka usaha manusia untuk mengeksploitasi sumber energi di atas turut meningkat. Mengingat terbatasnya persediaan sumber energi tersebut, maka mulai dicari sumber energi lain seperti energi matahari, energi gelombang, energi angin, energi pasang surut, dll. Energi matahari yang disediakan Tuhan untuk umat manusia khususnya yang tinggal di daerah tropis, sangatlah berlimpah. Selain berlimpah dan tidak habis pakai, energi matahari juga tidak menimbulkan polusi. Selama ini pemanfaatan energi surya cukup banyak seperti penghangat rungan serta sebagai pengering beberapa komoditi dan ikan. Metode yang digunakanpun ada yang masih sederhana maupun modern yang memiliki nilai teknologi, yang mana masing-masing memiliki kekurangan dan kelebihan. Sebuah metode yang sederhana namun memiliki nilai teknologi adalah sistem pengeringan menggunakan oven, dimana panasnya berasal dari surya yang dikumpulkan atau dikenal sebagai kolektor surya. Ada banyak jenis kolektor surya seperti plat datar, plat gelombang, tipe rak, dan masih banyak kolektor lainnya dan semuanya tergantung dari desain dan bentuk absorbernya. Dalam suatu kolektor surya plat datar, sebagian besar energi matahari ditransmisi oleh kaca penutup ke plat yang biasanya dicat hitam. Plat ini disinggungkan dengan pipa yang berisi fluida yang akan dipanasi. Ada 3 konfigurasi penyusunan pipa pada plat yang umum dipakai yaitu (1) pipa ditempelkan di bawah plat, (2) pipa ditempelkan di atas plat, (3) pipa ditempelkan di antara plat. Plat kolektor yang menerima panas akan menghantarkan panas ke fluida dalam pipa. Menurut John A. Duffie, at al (1991), panas yang diserap plat kolektor dipengaruhi oleh kaca penutup. Jenis kaca penutup yang digunakan menentukan banyaknya energi matahari yang diserap kaca, yang ditransmisi ke udara di antara kaca-plat dan yang direfleksi kembali ke atmosfir. Pada penelitian ini akan dicari pengaruh jenis kaca penutup dan jarak kaca ke plat terhadap panas yang diterima plat dengan mengukur temperature plat. Jarak kaca ke plat menentukan lebar celah dan sekaligus banyaknya udara di antara plat dan kaca penutup. [1829]

3 5 50 h 5 A A Muhamad Jafri Tujuan yang ingin dicapai dalam tulisan ini adalah untuk mengetahui pengaruh jenis kaca penutup dan jarak kaca ke plat terhadap panas yang diterima plat dengan mengukur temperatur plat. PENGKAJIAN Pengaruh Jarak Kaca ke Plat Terhadap Panas yang Diterima Kolektor Surya Plat Datar Pada penelitian ini akan dicari pengaruh jenis kaca penutup dan jarak kaca ke plat terhadap panas yang diterima plat dengan mengukur temperatur plat. Model kolektor surya Dalam penelitian ini, digunakan model seperti pada gambar 1.a Model yang digunakan ada 8 buah agar pengambilan data bisa dilakukan bersamaan. Hal ini dilakukan mengingat temperatur lingkungan, intensitas matahari dan kecepatan angin sangat berfluktuasi. Agar dapat membuat perbandingan dari parameter tertentu, maka semua parameter yang lain dijaga konstan selama pengukuran Katerangan : 1. Kotak, 2. Isolasi, 3. Kaca, 4. Plat, 5. Sensor Gambar 1.a Gambar Model Kolektor Surya Tinggi kotak bervariasi, ada 55 mm (2 buah), 60 mm (2 buah), 65 mm (2 buah) dan 70 mm (2 buah). Bahan kaca penutup: kaca bening dengan tebal 3 mm, 5 mm [1830]

4 Media Exacta dan kaca es dengan tebal 3 mm, 5 mm. Bahan plat kolektor: aluminium setebal 1 mm. Sensor Temperatur Pengukuran temperatur plat menggunakan IC LM35 seperti pada gambar 1.b. Keluaran sensor ini berupa tegangan (mv) yang linear terhadap temperatur ( o C) dengan faktor skala 10 mv/ o C. Sensor ini tidak membutuhkan kalibrasi eksternal dengan akurasi sebesar ± ¼ o C pada temperatur kamar dan ± ¾ o C pada range temperatur antara 55 o C sampai o C. Sensor ini memiliki self heating yang rendah dan beroperasi sampai temperatur o C. Gambar 1.b Sensor temperatur LM35 Temperatur plat diukur dengan menempelkan badan IC LM35 pada permukaan plat. Posisi badan sensor seperti pada gambar 1.b dimana bagian atas yang ditempelkan pada plat kolektor. Untuk ini diperlukan peralatan penunjang, yaitu: multimeter untuk mengukur tegangan keluaran, baterei 9V untuk input, kabel penghubung dari kaki keluaran ke multimeter. Peralatan lain yang diperlukan adalah termometer air raksa untuk mengukur temperatur sekitar dan velometer untuk mengukur kecepatan angin di lokasi penelitian. Prosedur Percobaan Percobaan dilakukan langsung di tempat terbuka di bawah sinar matahari. Percobaan dilakukan dengan membandingkan langsung jenis-jenis kaca yang akan dibandingkan. Misalnya kaca bening tebal 3 mm dibandingkan dengan kaca es tebal 3 mm. Model yang disediakan ada 8 kotak: kaca bening tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm dan kaca es tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm. Pemilihan jarak ini ditentukan dengan mengacu pada penelitian (Tirtoatmojo, dkk, 1995) yang [1831]

5 menyebutkan bahwa jarak terbaik sekitar 25 mm. Hasil Percobaan Dan Analisa Hasil percobaan yang dilakukan Purnawarman, dkk, (2001) menunjukkan bahwa temperatur plat kolektor berfluktuasi tergantung intensitas matahari. Saat pengukuran dilakukan. cuaca cerah dengan temperatur lingkungan berkisar 40 o C 48 o C dan kecepatan angin antara 1,5 sampai 3 m/s. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata temperatur lingkungan dan kecepatan angin tidak terlalu mempengaruhi temperatur plat. Hasil pengukuran untuk keempat jenis kaca yang digunakan dapat dilihat dari gambar 1.c dan 1.d. Gambar 1.c Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Bening 3 mm dan 5 mm Gambar 1.d. Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Es 3 mm dan 5 mm Temperatur rata-rata plat untuk berbagai jarak yang dicoba pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 1.e. Data tersebut merupakan rata-rata dari semua data yang didapat yaitu saat kaca penutup [1832]

6 Media Exacta yang dipakai kaca bening 3 mm dan 5 mm serta kaca es 3 mm dan 5 mm. Gambar 1.e Temperatur Rata-Rata Plat ke Empat Jenis Kaca yang Digunakan. Gambar 1.c sampai gambar 1.e terlihat bahwa temperatur plat tertinggi saat jarak kaca ke plat 20 mm. Hal ini dapat dimengerti dengan memperhatikan bahwa temperatur plat akan menurun jika banyak energi dalam bentuk panas yang hilang ke lingkungan. Perpindahan panas ke lingkungan terjadi secara konveksi dan radiasi dari plat ke kaca sebelah dalam dan secara konveksi dari permukaan kaca sebelah luar ke lingkungan. Perpindahan panas radiasi tidak dipengaruhi lebar celah atau jarak kaca ke plat. Sedang untuk perpindahan panas konveksi, dari persamaan, ( ) didapat laju panas yang hilang akan semakin besar jika koefisien perpindahan panas konveksi, Sedang dari persamaan, semakin besar. dan persamaan konveksi bebas di antara 2 bidang datar sejajar dengan kemiringan sudut ß dari horisontal, dalam hal ini antara plat kolektor dengan permukaan dalam kaca penutu terlihat bahwa berbanding lurus dengan bilangan Nusselt dan bilangan Nusselt berbanding lurus dengan bilangan Rayleigh. Berarti akan bertambah jika bilangan Rayleigh bertambah. Berdasarkan persamaan; ( ) ( ) bilangan Rayleigh merupakan fungsi dari L, celah atau jarak antara plat dengan kaca penutup. Semakin lebar jaraknya, semakin besar bilangan Rayleigh dan berarti semakin besar rugi panas. Dengan demikian, semakin lebar jarak kaca ke plat, temperatur plat semakin rendah. Namun, dari gambar 1.e ada suatu fenomena yang menarik yaitu: pada jarak kaca ke plat lebih rendah dari 20 mm, temperatur plat tidak lebih tinggi dari saat jarak 20 mm melainkan justru lebih rendah. Diduga hal ini disebabkan karena dengan sempitnya celah, molekul udara tidak dapat berpindah dengan leluasa. Hal ini menyebabkan perpindahan panas dari plat ke kaca sebelah dalam lebih mungkin terjadi secara konduksi daripada secara konveksi. Untuk perpindahan panas konduksi, dari (Kreith, et al, 1978) laju panas berbanding terbalik dengan tebal [1833]

7 atau lebar media yang searah perpindahan panas (L): Semakin kecil lebar media atau bahan, semakin besar panas secara konduksi yang ditransfer. Dalam hal kolektor surya yang diteliti, maka semakin kecil jarak kaca ke plat kolektor, kemungkinan perpindahan panas berlangsung lebih secara konduksi dan berarti semakin banyak panas yang hilang ke lingkungan sehingga temperatur plat menurun. Karakteristik Kolektor Surya Plat Datar Dengan Variasi Jarak Penutup plat Kolektor Metode Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di halaman belakang laboratorium pusat UNS Surakarta. pada tanggal 30 Novembar 2005 sampai 7 Desember 2005 pukul WIB. Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah termokopel, anemometer testo, termometer digital, light Meter Model Li-250 No Seri LMA 2706, sensor pyranometer No seri PY Prosedur Penelitian Perancangan Kolektor Termal Pembuatan Kolektor Termal Pengujian Variasi Jarak Kaca Penutup Plot Grafik I r, T p, T k Analisis Grafik Perhitungan Efisiensi Termal Plot Grafik η-δt Kesimpulan [1834]

8 Media Exacta HASIL DAN PEMBAHASAN a. Intensitas matahari pada bidang datar Pengukuran intensitas radiasi matahari dapat dilihat pada Gambar 2.a. Gambar 2.a Grafik Intensitas Matahari terhadap waktu Dari Gambar 1.b, dapat kita lihat bahwa pengambilan data dilakukan dari pukul sampai dengan intensitas sebaran yang terlihat tidak teratur. Intensitas matahari yang seharusnya pada pukul sampai dengan akan naik dan pada pukul sampai dengan akan turun tidak semuanya terjadi, sehingga terlihat bahwa intensitas yang terjadi sangat fluktuatif. Hal ini dapat terlihat dari kenaikan dan penurunan intensitas yang cukup tajam. Fluktuatif yang terjadi tersebut disebabkan karena kondisi cuaca yang berubah yang disebabkan adanya gumpalan awan dan mendung tebal yang menghalangi radiasi matahari sampai ke bumi. b. Temperatur kolektor pada variasi jarak kaca penutup Gambar 2.b Grafik temperatur dengan jam pengamatan pada jarak 3 cm dan 9 cm [1835]

9 Pada Gambar 2.b dapat kita lihat bahwa besar temperatur keluarannya lebih besar dari temperatur masukannya. Pada jarak plat 3 cm perbedaan temperatur masukan dan keluaran terbesar mencapai 23,1 0 C dan perbedaan terkecil 9,9 0 C. Temperatur keluaran tertinggi mencapai 63,8 0 C pada pukul dan temperatur masukan mencapai 41,7 0 C pada pukul Pada jarak plat 9 cm perbedaan nilai masukan dan keluaran terbesar mencapai 13 0 C dan perbedaan terkecil 0,4 0 C. Temperatur keluaran tertinggi mencapai 51,2 0 C pada pukul dan temperatur masukan mencapai 42,6 0 C pada pukul c. Perbedaan temperatur masuk (T in ) dan temperatur keluar (T out ) terhadap jam pengamatan Hasil temperatur kolektor surya dapat dilihat pada grafik perbedaan temperatur masuknya (T in ) dan temperatur keluarnya (T out ) terhadap jam pengamatan. Gambar 2.c Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 3 cm dan 6 cm Gambar 2.d Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 3 cm dan 9 cm [1836]

10 Media Exacta Gambar 2.e Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 6 cm dan 9 cm Pada Gambar 2.c, Gambar 2.d, dan Gambar 2.e dapat kita lihat bahwa pada 30 November 2005, perbedaan temperatur pada jarak kaca 3 cm hasilnya lebih tinggi hal ini dikarenakan adanya perbedaan aliran udara yang bergerak di sekitar kolektor. Dari hasil pengukuran dapat disimpulkan bahwa variasi jarak kaca dari jarak kaca 6 cm. Tetapi ada 2 data berpengaruh terhadap perbedaan yang hasilnya kebalikannya, hal ini karena adanya perubahan aliran yang bergerak di sekitar kolektor. Pada 1 Desember 2005, perbedaan temperatur pada jarak kaca 3 cm hasilnya lebih tinggi dari jarak kaca 9 cm. Hal ini karena pada jarak kaca 9 cm panas yang hilang ke lingkungan semakin besar. Sehingga penyerapan panas pada temperatur kolektor. Dimana perbedaan temperatur akan maksimum pada jarak kaca kecil, karena sedikit energi panas yang hilang ke lingkungan. Efisiensi kolektor Surya a. Efisiensi kolektor surya pada variasi jarak kaca Hasil efisiensi pada kolektor surya plat berkurang. sedangkan pada 3 dapat dilihat pada grafik efisiensi kolektor Desember 2005, perbedaan temperatur surya terhadap perbedaan temperatur pada jarak kaca 6 cm hasilnya sebagian besar lebih tinggi dari jarak kaca 9 cm. Pada jarak kaca 9 cm banyak panas yang masuknya (T in ) dan temperatur keluarnya (T out ), yaitu pada Gambar 2.f, Gambar 2.g, dan Gambar 2.h. hilang ke lingkungan. Tetapi ada beberapa keadaan dimana besarnya berkebalikan, [1837]

11 Gambar 2.f Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca dan plat penyerap 3 cm dan 6 cm Gambar 2.g Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca dan plat penyerap 3 cm dan 9 cm Gambar 2.h Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca dan plat penyerap 6 cm dan 9 cm Pada Gambar 2.f, Gambar 2.g, dan Gambar 2.h kita lihat bahwa pada tanggal 30 November 2005, efisiensi termal tertinggi pada jarak kaca 3 cm mencapai 72,82 % dan terendah 33,05 %. Sedangkan pada jarak kaca 6 cm efisiensi termal tertinggi mencapai 97,59 % dan terendah 23,65 %. Pada tanggal 1 Desember 2005, efisiensi termal tertinggi pada jarak kaca 3 cm mencapai 81,58 % [1838]

12 Media Exacta dan terendah 29,22 %. Sedangkan pada jarak kaca 9 cm efisiensi termal tertinggi mencapai 98,59 % dan terendah 11,2 %. Pada tanggal 3 Desember 2005, efisiensi termal tertinggi pada jarak kaca 6 cm mencapai 82,48 % dan terendah 28,47 %. Sedangkan pada jarak kaca 9 cm efisiensi termal tertinggi mencapai 81,51 % dan terendah 23,6 %. Sehingga dapat dikatakan bahwa hasil perhitungan efisiensi termal dari kolektor surya dalam penelitian ini bukanlah suatu konstanta melainkan sebuah karakteristik dengan variabel yang tergantung dari intensitas matahari, temperatur masukan, temperatur keluaran, dan aliran udara. Dimana intensitas matahari yang diterima kolektor tidak fluktuatif, aliran udara yang laminer, dan perbedaan temperatur masukan dan keluaran maksimum. Perbedaan temperatur akan maksimum pada jarak kaca kecil. Sehingga dapat dikatakan bahwa hasil perhitungan efisiensi termal dari kolektor surya dalam penelitian ini bukanlah suatu konstanta melainkan sebuah karakteristik dengan variabel yang tergantung dari intensitas matahari, temperatur masukan, temperatur keluaran, dan aliran udara. Dimana intensitas matahari yang diterima kolektor tidak fluktuatif dan permukaan kolektor tegak lurus dengan posisi matahari, aliran udara yang laminer, dan perbedaan temperatur masukan dan keluaran maksimum. PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian Ekadewi A. Handoyo, (2001) dengan kaca bening 3 mm, 5 mm dan kaca es 3 mm, 5 mm dengan beberapa jarak kaca ke plat, didapat: 1. Panas yang diserap plat atau temperatur plat tertinggi jika jarak kaca ke plat 20 mm. 2. Temperatur lingkungan dan kecepatan angin jika cuaca cerah tidak mempengaruhi panas yang diserat plat. Sedangkan hasil penelitian Burhanuddin A., (2005) dapat disimpulkan bahwa: 1. Pada ketiga variasi jarak plat penyerap dengan kaca transparan, didapatkan nilai perbedaan temperatur input-output tertinggi pada jarak 3 cm dan terendah pada jarak 9 cm, dan plat penyerap akan menyerap radiasi matahari secara maksimal jika posisi plat tersebut tegak lurus dengan arah datang radiasi matahari. 2. Efisiensi termal bergantung dari intensitas matahari, temperatur masukan, temperatur keluaran, dan aliran udara efisiensi termal. s [1839]

13 Rekomendasi Banyak penelitian tentang karakteristik kolektor surya plat datar khususnya tentang pengaruh jarak antara kaca penutup dan plat absorber yang hasil mengarah pada kesimpulan yang sama yaitu semakin kecil jarak yang terbentuk, maka semakin besar temperatur yang terjadi pada plat. Namun perlu diketahui bahwa masih banyak faktor lain yang mempengaruhi karakteristik kolektor surya plat datar seperti, sudut kemiringgan kolektor, jenis kaca penutup serta dimensi kolektor. DAFTA PUSTAKA Duffie, J.A. dan Beckman, W.A., 1991: Solar Engineering of Thermal Processes, John Willey and Sons Inc, Wisconsin. Ekadewi Anggraini Handoyo, 2001: Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar, Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra, Volume 3, No. 2, 52-56, Surabaya. Kreith, Frank and Kreider, Jan F., 1978: Principles of Solar Engineering. New York: McGraw, Hill Book. Purnawarman, Heru, 2001: Pengaruh Jumlah dan Jarak Kaca Terhadap Temperatur Plat Solar Kolektor, Jurusan Teknik Mesin Universitas Kristen Petra, Surabaya. Tirtoatmojo, Rahardjo, 1995: Pemanas Air dengan Memanfaatkan Energi Matahari, Percetakan Universitas Kristen Petra, Surabaya [1840]