BAB II DASAR TEORI. Perpindahan panas dapat terjadi melalui beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

Transkripsi

1 5 BAB II DASAR TEORI.1 Perpindahan Panas Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang mempelajari perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur, dimana energi yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas (heat). Panas akan berpindah dari medium yang bertemperatur lebih tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Perpindahan panas ini berlangsung terus sampai ada kesetimbangan temperatur diantara kedua medium tersebut. Perpindahan panas dapat terjadi melalui beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi..1.1 Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan panas konduksi adalah merupakan perpindahan panas yang mengalir dari daerah bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah dalam satu medium (padat, cair, atau gas), atau antara medium-medium yang bersinggungan secara langsung. Untuk kondisi perpindahan panas keadaan steady melalui dinding datar satu dimensi seperti ditunjukan pada Gambar.1 : y q kond T 1 T x T L x Gambar.1 Perpindahan panas pada dinding datar satu dimensi. Sumber : (Incropera, Frank P and DeWitt, David P., 1996 halaman 4)

2 6 Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi disebut hukum fourier s, yang persamaan matematikanya (Incropera, Frank P. and DeWitt, David P., 1996) sebagai berikut : Dimana : dt qkond = - k As dx qkond k As dt dx = laju perpindahan panas konduksi (W) = konduktivitas bahan (W/(m.K)) = luas permukaan perpindahan panas (m²) = gradien suhu pada penampang tersebut (K/m) (.1) Tanda minus (-) diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media yang bertemperatur lebih rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar.1 diatas, bahwa kalor berpindah dari T1 menuju T karena T temperaturnya lebih rendah dibandingkan T1. Jika dilihat dari persamaan.1 diatas, dt adalah selisih antara T antara T1 sehingga hasil yang didapat menjadi minus. Agar memperoleh hasil yang positif pada hasil akhir perhitungan oleh karena itu ditambahkan tanda minus, sehingga tanda positif tersebut menunjukkan adanya kalor yang berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur lebih rendah. Konduktivitas Termal dari beberapa logam dan non logam yang digunakan dalam konstruksi kolektor surya diberikan pada tabel.1 sebagai berikut

3 7 Table.1 Konduktivitas termal beberapa bahan kolektor surya tertentu Bahan Tembaga Aluminium Timah putih Baja, 1 % karbon Baja tahan karat Kaca ABS (Akrilonitril-Butadien-Stiren) Polikarbonat Karet alam 30 Durometer Karet alam 70 Durometer Isolasi papan kaca serat Konduktivitas Termal (k) W/(m.K) Sumber : (Arismunandar Wiranto,1995 halaman 45).1. Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu permukaan benda dengan fluida yang bergerak atau sebaliknya, akibat adanya perbedaan temperatur. Gambar. menunjukkan bagaimana lapisan batas kecepatan fluida yang mengalir di atas permukaan pelat datar. Sedangkan Gambar.3 menunjukkan bagaimana pengaruh temperatur terhadap fluida yang mengalir di atas permukaan pelat datar. Fluida Gambar. Lapisan batas kecepatan pada suatu permukaan pelat datar. Sumber : (Incropera, Frank P. and DeWitt, David P., 1996 halaman 89)

4 8 Gambar.3 Lapisan batas temperatur pada suatu permukaan pelat datar. Sumber : (Incropera, Frank P. and DeWitt, David P., 1996 halaman 90) Laju perpindahan panas konveksi adalah merupakan hukum Newton tentang pendinginan dengan rumus (Incropera, Frank P. and DeWitt, David P., 1996) sebagai berikut : qconv = h As (Ts - T ) (.) dimana : qconv = laju perpindahan panas konveksi (W) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/(m².K)) As Ts T = luas permukaan perpindahan panas (m²) = temperatur permukaan (K) = temperatur fluida (K) Perpindahan panas konveksi dapat diklasifikasikan menurut aliran fluidanya. Konveksi paksa (forced convection) terjadi bila aliran fluida disebabkan oleh gaya luar, seperti : fan, pompa, atau kipas angin. Sebaliknya untuk konveksi alamiah (natural convection) aliran fluidanya disebabkan oleh gaya apungnya, dimana timbul dari perbedaan density yang disebabkan oleh variasi temperatur pada fluida..1.3 Perpindahan Panas Radiasi Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana perpindahan energi melalui bahan perantara. Pada radiasi, kalor berpindah melalui daerah-daerah hampa, mekanismenya disini adalah sinaran atau elektromagnetik. Sebuah radiator ideal atau benda hitam memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu, dan berbanding langsung dengan luas permukaannya maka dapat dilihat pada rumus (Incropera, Frank P. and DeWitt, David P., 1996) sebagai berikut :

5 9 qrad = σ As T 4 (.3) dimana : qrad = laju perpindahan panas radiasi (W) σ = konstanta proporsionalitas dan disebut konstanta Stefan-Boltzmann As T yang nilainya 5,67 x 10 8 (W/(m².K = luas bidang permukaan perpindahan panas (m²) = temperatur benda (K) Persamaan diatas disebut hukum Stefan-Boltzmann tentang radiasi thermal, dan berlaku hanya untuk benda hitam. Pertukaran radiasi netto antara dua permukaan berbanding dengan perbedaan suhu absolutnya pangkat empat (Incropera, Frank P. and DeWitt, David P., 1996), yang artinya : q pertukarannetto A s (T T 4 4 )) ) (.4). Konstanta Matahari Dalam menghitung tingkat radiasi matahari dilakukan dengan menghitung radiasi pada bidang miring dengan menggunakan data yang diperoleh dari pengukuran pada bidang horisontal. Kedudukan dari matahari berperan langsung dalam menentukan tingkat radiasi pada permukaan miring, yang diturunkan dari trigonometri bola sederhana. Sebelum melakukan pengukuran radiasi surya maka terlebih dahulu diketahui tentang konstanta surya. Lapisan luar dari matahari disebut fotosfer yang memancarkan spektrum matahari secara kontinyu. Dalam ilmu photovoltaic dan studi mengenai permukaan tertentu distribusi spektral adalah penting. Gambar.4 Bola matahari. Sumber: (Arismunandar, Wiranto, 1995 halaman 15)

6 10 Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari E s, adalah sama dengan hasil kali perkalian konstanta Stefan-Boltzman, pangkat empat temperatur permukaan absolut T Wiranto, 1995) : E s 4 s, dan luas permukaan d s dengan rumus (Arismunandar, = d T 4 W (.5) s s Dimana = 5,67 x 10 8 W/(m.K 4 ), temperatur permukaan T s dalam K, dan diameter matahari d s dalam meter. Pada radiasi kesemua arah pada gambar bola surya, energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik tengahnya. Jari-jari R adalah jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bola adalah sama dengan 4 R dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola dinamakan iradiansi, menjadi rumus (Arismunandar, Wiranto, 1995) : d s T G = 4R 4 s W/m Dengan garis tengah matahari 1,39 x 10 jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x (.6) m, temperatur matahari 576 K, dan m, maka fluksa radiasi matahari persatuan luas dalam arah yang tegak lurus dengan arah radiasi diluar permukaan bumi G sc = 1353 W/m memasukkan nilai-nilai diatas kedalam persamaan. yang diperoleh dari persamaan diatas setelah 90 0 Gsc = 1353 W/m Gambar.5 Konstanta surya. Sumber : (Arismunandar, Wiranto, 1995 halaman 17)

7 11 Tabel. Beberapa satuan tentang konstanta surya. Konstanta Surya, G sc 1353 W/m 49 Btu/(jam-ft langley/hr (langley per jam) MJ/(M ). jam) Sumber : (Arismunandar, Wiranto, 1995 halaman 17).3 Radiasi Surya Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian energi radiasi tersebut akan dipantulkan (refleksi), sebagian akan diserap (absorpsi), dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi), seperti ditunjukan pada Gambar.6 dibawah ini : Radiasi datang Refleksivitas (ρ) Absorsivitas (α) Transmisivitas (τ) Gambar.6 Bagan pengaruh radiasi datang. Sumber : (Holman J.P., 1997 halaman 343) Fraksi yang dipantulkan dinamakan refleksivitas (ρ), fraksi yang diserap dinamakan absorsivitas ( ), dan fraksi yang diteruskan dinamakan transmisivitas ( ), maka dapat dilihat pada rumus (Holman, J.P., 1997) : + + = 1 (.7)

8 1 Kebanyakan benda padat tidak meneruskan radiasi termal dan transmisivitas dapat dianggap nol (Holman, J.P., 1997), sehingga : + = 1 (.8) Ada dua fenomena refleksi yang dapat diamati bila radiasi menimpa suatu permukaan. Jika sudut jatuhnya sama dengan sudut refleksi, maka dikatakan refleksi itu spekular (specular). Di lain pihak, apabila berkas yang jatuh tersebar secara merata ke segala arah sesudah refleksi, maka refleksi itu disebut refleksi baur (difuse). Kedua jenis refleksi itu ditunjukkan seperti pada Gambar.7 dibawah ini : sumber Ф1 Ф sumber Sinar Ф1= Ф Bayangan cermin (a) (b) Gambar.7 Fenomena refleksi (a) spekular dan (b) refleksi baur. Sumber : (Holman, J.P., 1997 halaman 344) Intensitas radiasi matahari akan berkurang oleh karena penyerapan dan pantulan oleh atmosfer, sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan gelombang pendek (ultraviolet). Sedangkan karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang langsung atau sorotan oleh penyerap tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran. Radiasi ini akan mencapai bumi sebagai radiasi sebaran, seperti ditunjukan pada gambar.8 dibawah ini :

9 13 Radiasi sorotan awan Radiasi sebaran Gambar.8 Radiasi sorotan dan radiasi sebaran. Sumber : (Arismunandar, Wiranto, 1995 halaman 18) Penjumlahan radiasi sorotan atau beam (Ib), dan radiasi sebaran atau difuse (Id) merupakan radiasi total (I), pada permukaan horizontal per jam yang dapat dirumuskan (Arismunandar Wiranto, 1995) sebagai berikut : I = Ib + Id (.9) Harga I juga dapat diukur dengan menggunakan solarimeter..3.1 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Penerimaan Radiasi Surya di Bumi Faktor-faktor yang mempengaruhi penerimaan radiasi surya pada suatu permukaan bumi adalah : a. Posisi matahari b. Lokasi dan kemiringan permukaan c. Waktu matahari d. Keadaan cuaca a. Posisi matahari Sepanjang bumi mengelilingi matahari pada suatu lintasan yang berbentuk elips, yang biasanya disebut dengan bidang Ekliptika. Bidang ini membentuk sudut terhadap bidang equator. Akibat dari peredaran bumi mengelilingi matahari

10 14 menimbulkan perubahan-perubahan musim. Untuk Indonesia terjadi dua perubahan musim, yaitu musim hujan dan musim kemarau. b. Lokasi dan kemiringan permukaan Lokasi dan kemiringan menentukan besarnya sudut datang radiasi pada permukaan tersebut. Hubungan geometrik antara sebuah permukaan dengan radiasi surya yang datang dapat dinyatakan dalam beberapa sudut seperti yang ditunjukan pada Gambar.10 dibawah ini : Gambar.9 Posisi matahari terhadap permukaan bidang datar di bumi. Sumber : (Duffie, Jhon A. and Beckman, William A., 1980 halaman 11) Ø = Sudut lintang, sudut lokasi suatu tempat dipermukaan bumi terhadap equator, dimana arah utara-selatan, -90 Ø 90 dengan utara positif. θ = Sudut datang berkas sinar (angel of incident), sudut yang dibentuk antar radiasi langsung pada suatu permukaan dengan garis normal permukaan tersebut. θ z = Sudut zenith, sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan garis normal bidang horisontal.

11 15 β = Sudut kemiringan, yaitu sudut antara permukaan bidang yang dimaksud terhadap horisontal : 0 0 β = Sudut ketinggian matahari, sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan bidang horizontal. ω = Sudut jam (hour of angle), sudut antara bidang yang dimaksud dengan horisontal, berharga nol pada saat jam 1.00 waktu surya, setiap jam setara dengan 15 0, kearah pagi negatif dan kearah sore positif. = Sudut azimuth permukaan, antara proyeksi permukaan pada bidang horisontal dengan meridian, titik nol diselatan, negatif timur, positif barat. s = Sudut azimuth surya, adalah pergeseran angular proyeksi radiasi langsung pada bidang datar terhadap arah selatan. = Deklinasi, posisi angular matahari dibidang equator pada saat jam 1.00 waktu matahari. Sudut deklinasi dapat juga ditentukan dengan rumus : = 3,45 sin n Dimana n adalah nomor urut hari dalam satu tahun dimulai 1 Januari (Cooper, P. I.,1969). c. Waktu matahari Perhitungan intensitas matahari pada saat tertentu umumnya didasarkan pada waktu matahari, yaitu waktu tertentu dalam hubungannya dengan matahari yang didasarkan pada garis bujur lokasi tersebut. Waktu matahari dihitung dengan persamaan (Duffie, Jhon A and Beckman, William A., 1980) sebagai berikut : t s = waktu standar + E + 4 (L st - L loc ) (.10) dimana : E = 9,87 sin B 7 cos B 1,5 sin B B = 360( n 81) 364 L loc = garis bujur lokasi L st = garis bujur waktu standar n = jumlah hari dalam 1 tahun

12 16 d. Keadaan cuaca Jumlah radiasi matahari yang mencapai permukaan bumi dipengaruhi oleh faktor transmisi kandungan atmosfer. Di atmosfer radiasi surya diserap oleh unsur-unsur ozon, uap air dan karbondioksida. Disamping diserap, radiasi surya juga dihamburkan oleh partikel-partikel seperti udara, uap air dan debu. Pada kenyataannya radiasi surya sering dihalangi oleh bermacam-macam tipe awan. Masing-masing tipe awan mempunyai koefisien transmisi sendiri-sendiri.4 Kolektor Terkonsentrasi Konversi energi matahari menjadi panas (pada kolektor surya pelat datar) menghasilkan temperatur relatif rendah, karena fluks energinya rendah untuk menghasilkan panas dengan temperatur tinggi maka fluks energi matahari perlu ditingkatkan dengan metode mengonsentrasikannya, yaitu memantulkan radiasi matahari ke permukaan absorber yang lebih sempit. Pengkonsentrasian dapat berupa reflector atau refractor, silindrikal atau penampang yang melingkar, dan biasanya kontinu atau bersegmen. Penerima (receiver) dapat berbentuk cembung, datar atau cekung, dan covered. Karena ini sangat banyak macam kolektor yang terkonsentrasi. Pengumpul surya terkosentrasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut, yaitu:.4.1. Klasifikasi Menurut Geometri dari Penyerap Absorber : Konsentrasi linier yaitu pengumpul energi surya terpusat yang biasanya menggunakan reflektor berbentuk persegi panjang yang dilengkungkan, sehingga konsentrasi radiasi matahari yang terjadi berbentuk garis lurus atau linier dengan demikian absorbernya akan memanjang.

13 17 Gambar.10 Konsentrasi Linier Sumber : (Duffie, Jhon A and Beckman, William A., 1980 halaman 359) Konsentrasi terpusat yaitu alat pengumpul energi surya yang menggunakan kolektor seperti parabola sehingga radiasi pantulnya akan terpusat pada satu titik. dengan demikian absorbernya menjadi lebih kecil. Gambar.11Konsentrasi Terpusat Sumber : (Green, Martin A., 198 halaman 0).5 Perbandingan Konsentrasi Maksimum Perbandingan konsentrasi maksimum dianalisis berdasarkan prinsip keseimbangan energi, yaitu energi yang diterima receiver semuanya dipancarkan kembali ke matahari. Radiasi matahari adalah radiasi termal, sehingga temperatur

14 18 maksimum yang dapat dicapai absorber adalah sama dengan temperatur permukaan matahari. Gambar.1 Konsentrator dan absorber. Sumber : (Duffie Jhon A and Beckman William A., 1980 halaman 87) Pada Gambar.1 ditunjukkan sebuah konsentrator dengan luas Aa dan absorber dengan luas Ar, pada jarak dengan matahari R dan jari-jari matahari r. Setengah sudut yang dibentuk antara diameter matahari dengan titik tengah konsentrator adalah Dengan asumsi bahwa matahari sebagai benda hitam, konsentrator dan receiver bekerja sempurna, maka energi yang diterima konsentrator dari matahari (Duffie, Jhon A and Beckman, William A., 1980) : Dimana : Qs-r = Aa Qs-r r R Ta 4 (.11) = energi yang diterima konsentrator (W) Aa = luas konsentrator (m ) r = jari-jari matahari (m) R = jarak matahari dengan absorber (m) σ = konstanta proporsionalitas dan disebut konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya 5,67 x 10 8 (W/(m².K 4 )) Apabila receiver adalah benda hitam sempurna maka semua energi yang diserap akan dipancarkan kembali dan bagian yang sampai di matahari (Duffie, Jhon A and Beckman, William A., 1980) : Qe-s = Ar T 4 r Er-s (.1) s.

15 19 Dimana : Qe-s = energi yang diserp absorber (W) Ar = luas permukaan absorber (m ) σ = konstanta proporsionalitas dan disebut konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya 5,67 x 10 8 (W/(m².K 4 )) Tr Er-s = Temperatur permukaan absorber (K) = emisivitas permukaan absorber Dengan Tr = Ts dan semua energi dari receiver diterima matahari (Er-s = 1) (Duffie, Jhon A and Beckman, William A., 1980), maka : A a A r = r R = 1 sin s (.13) Nilai ini adalah perbandingan konsentrasi maksimum, yaitu bentuk konsentrator lingkaran dengan konsentrasi radiasi menuju titik. Untuk bentuk konsentrator linier, dengan konsentrasi radiasi berupa garis, maka perbandingan konsentrasi maksimumnya dapat dilihat pada persamaan (Duffie, Jhon A and Beckman, William A., 1980) adalah : A a A r = 1 sin s (.14) Semakin besar perbandingan konsentrasi, maka semakin tinggi temperatur yang dicapai. Namun dalam prakteknya temperatur absorber tergantung pada ketelitian optik (konsentrator dan receiver) dan orientasi receiver terhadap konsentrator (intercept faktor). Sehingga dalam praktek tidak mungkin dicapai perbandingan konsentrasi maksimum..6 Kolektor Surya Tubular Kolektor surya tubular adalah kolektor surya yang menggunakan kaca penutup berbentuk tubular (tabung) sebagai cover dan absorber berada di dalam kaca penutup. Pada kolektor surya tubular yang dibuat terkonsentrasi merupakan kolektor surya dengan konsentrasi linier, dimana bentuk absorber kolektor tersebut berbentuk memanjangsehingga radiasi matahari radiasi matahari yang terjadi berbentuk garis lurus atau linier.

16 0.6.1 Beberapa Studi Kolektor Surya Tubular Dikutip dari Thesis (Alit, Ida Bagus,000) bahwa (Saltiel, C. dan Sokolov, M.,198) telah melakukan penelitian pada kolektor kosentrasi silinder tubular dengan menggunakan analisis ray-tracing. Teknik ray-tracing digunakan untuk menghitung efisiensi optikal dan kerugian radiasi termal kolektor yang mana setiap sinar yang jatuh pada permukaan kolektor dihitung, kemudian energi keseluruhan sinar diintegrasikan. Letak pipa penyerap optimum didapat dengan merubah-ubah posisi pipa. Dalam penelitian tersebut juga dianalisa efek dari sudut datang dan ketebalan penutup terhadap efisiensi. Hasil penelitian menunjukan unjuk kerja kolektor sangat dipengaruhi pada perpindahan radiasi termal antara pipa penyerap dan penutup kolektor. Penggunaan pelapis termal dengan reflektivitas tinggi pada permukaan dalam penutup juga dihitung, dan ditemukan bahwa pelapisan tersebut meningkatkan performance dari kolektor. Dikutip dari Thesis (Alit, Ida Bagus,000) bahwa (Ortabasit, U. dan Buehl, W.M.,1980), meneliti kolektor tubular dengan cups reflektor untuk pipa panas. Penelitian ini meliputi analisa optikal dari kosentrasi cups reflektor simetris didalam gelas tubular yang melingkupi sebuah silinder pipa panas yang berfungsi sebagai absorber menggunakan metode simulasi. Dikutip dari Thesis (Alit, Ida Bagus,000) bahwa (Fath, Hasan E.S. dan Khodleheer, M.,1993), meneliti perpindahan panas konveksi dalam anulus horisontal dengan palung memanjang terbuka. Efek dari bilangan Rayleigh, eksentrisitas anulus dan bilangan Nusselt pada palung dipresentasikan. Sistem yang dirancang mengandalkan optimasi dari konfigurasi kolektor dimana energi yang dikumpulkan terjebak dibagian anular (konsep benda hitam) dan akhirnya diserap oleh fluida dalam pipa. Set-up eksperimental terdiri dari tabung baja dengan diameter 10 cm, panjang m, dengan lebar palung longitudianal 1 cm. Permukaan luar diisolasi dengan material isolasi setebal 3 cm untuk mengurangi kehilangan energi. Permukaan sebelah dalam dari silinder luar dilapisi dengan cat putih yang mempunyai kemampuan memantulkan dan pipa sebelah dibuat dari tembaga dengan diameter,5 cm sebagai penyerap energi bolak balik. Hasil penelitian ini menunjukan peningkatan konveksi bebas terjadi dengan meletakan pipa bagian dalam dibawah sumbu simetri anulus (negative eksentrisitas). Merubah letek palung

17 1 dari posisi atas sampai 45 derajat dari horisontal secara significant tidak merubah nilai bilangan Nusseltt, dan kemiringan palung sampai 30 derajat adalah penting dalam aplikasi energi surya. (Alit, Ida Bagus,000) telah melakukan penelitian pada kolektor tubular dengan memanfaatkan lampu neon bekas sebagai kaca penutup kolektor. Lampu neon bekas dengan panjang 1, meter, yang dimanfaatkan sebagai kaca penutup kolektor tubular dipasang secara seri sebanyak tujuh buah. Posisi eksentrisitas vertical dari pipa pernyerap terhadap sumbu kaca disesuaikan seperti tampak pada gambar.11 untuk mendapatkan temperatur pipa penyerap dengan variasi diameter pipa penyerap 3 /8 inch, ½ inch, dan 5 /8 inch. Setelah mendapatkan posisi eksentrisitas untuk temperatur pipa penyerap yang optimum kemudian dilakukan pengujian untuk memperoleh unjuk kerja kolektor ini untuk beberapa rasio diameter kaca penutup-pipa penyerap. Hasil penelitian ini menunjukan temperatur pipa penyerap tertinggi adalah meletakkan sumbu pipa penyerap sejauh X di bawah sumbu kaca penutup (negatif eksentrisitas). Semakin tinggi rasio antara diameter kaca penutup dengan diameter pipa penyerap, maka semakin tinggi temperatur pipa yang dihasilkan. Dengan meningkatnya temperatur fluida masuk, dan/atau menambah jumlah pipa penyerap yang digunakan, akan meningkatkan temperatur fluida keluar, namun efisiensi kolektor menurun. Gradien penurunan efisiensi terhadap temperatur fluida masuk akan lebih besar, bila rasio antara diameter kaca penutup dengan pipa penyerap mengecil. Pipa Penyerap Kaca Penutup R 1 X1 r 3 4 X -X E=0 5 -X1 Reflektor Isolator Gambar.13 Eksentrisitas Vertikal Pipa Penyerap Sumber : (Alit, Ida Bagus, 000 halaman 38)

18 .6. Jenis Kolektor Tubular Kolektor tubular menggunakan penutup berbentuk tabung, dimana penyerap berada di dalam tabung penutup. Berbagai desain kolektor tubular diperlihatkan seperti gambar di bawah ini. Gambar. 14 Kolektor Tubular Sumber: (Alit, Ida Bagus, 000 halaman 19) Penutup transparan diharapkan memiliki sifat transmisivitas tinggi dengan absorptivitas dan refleksivitas yang rendah. Kaca adalah salah satu penutup transparan yang banyak digunakan. Karakteristik kaca memiliki transmisivitas yang tinggi pada daerah ultraviolet sampai panjang gelombang,7 µm. Pada derah inframerah jauh kaca akan menjadi reflektor yang baik terhadap panjang gelombang radiasi panas. Perubahan sifat ini sangat diharapkan, sebab dengan demikian kaca akan menjadi penghalang radiasi antara penyerap yang dipanaskan dengan lingkungan yang lebih dingin., sementara masih meneruskan radiasi surya. Bahan penutup yang baik akan memantulkan radiasi panas dengan sempurna namun masih memiliki transmisivitas yang tinggi terhadap radiasi surya yang datang. Pipa penyerap akan menerima berkas radiasi surya dan mengubahnya menjadi bentuk energi panas yang berguna. Pipa penyerap yang ideal memliki permukaan

19 3 dengan absortivitas yang tinggi guna menyerap radiasi surya sebanyak mungkin, tetapi memliki emisivitas rendah agar kerugian karena radiasi balik sedikit mungkin..7 Energi Berguna dan Efisiensi Kolektor Alat Pemanas Air Tenaga Surya. Energi yang berguna dipakai untuk menghitung seberapa besar panas yang berguna yang ditimbulkan kolektor alat pemanas air tenaga surya. Sedangkan efisiensi digunakan untuk mengetahui performansi dari kolektor alat pemanas air tenaga surya..7.1 Energi Berguna Kolektor Alat Pemanas Air Tenaga Surya. Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya dapat digunakan persamaan : Dimana : = panas berguna aktual (W) (.15). m c p T 0 T i = laju aliran fluida (kg/s) = kapasitas panas jenis fluida (J/(kg. C) = temperatur fluida keluar ( C) = temperatur fluida masuk ( C).7. Analisa Performansi Effisiensi kolektor merupakan perbandingan panas yang diserap oleh fluida dan intensitas matahari yang mengenai kolektor. Performansi dari kolektor dapat dinyatakan dengan effisiensi temalnya. Akan tetapi intensitas radiasi matahari berubah terhadap waktu, oleh karena itu effisiensi termal kolektor dapat dikelompokan menjadi dua yaitu: 1. Instantaneous efficiency / efisiensi sesaat adalah : efisiensi keadaan steady untuk selang waktu tertentu.

20 4. Long term / all-day efficiency adalah : efisiensi yang dihitung dalam jangka waktu yang relatif lama (biasanya per hari atau per bulan. Performansi secara keseluruhan sangat dipengaruhi oleh performansi dari kolektor. Oleh sebab itu ada dua cara pengujian sistem pemanas air surya yaitu: 1. Pengujian untuk menentukan performansi kolektor.. Pengujian untuk menentukan performansi sistem secara keseluruhan. Dalam penelitian ini pengujian ini dilakukan untuk menentukan performansi dari kolektor. Distribusi temperatur pada arah melintang pipa penyerap tidak merata, maka persamaan efisiensi biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari temperatur dan laju aliran massa fluida masuk yang relatif mudah dikontrol dan diukur selama pengujian atau pengoperasiannya. Metode yang umum digunakan untuk mengevaluasi performansi kolektor adalah instantaneous efficiency. Efisiensi aktual ini ditentukan oleh persamaan berikut (.16) dimana: = efisiensi aktual Qu,a = panas berguna aktual (W) Ac = luas bidang penyerapan kolektor (m ) = laju aliran massa fluida (kg/s) IT = radiasi surya yang jatuh pada bidang kolektor (W/m ) cp = panas jenis fluida (j/kg 0 C) To = Temperatur fluida keluar ( 0 C) Ti = Temperatur fluida masuk ( 0 C)

21 5.8Material Penyimpan Panas Masukan energi dari matahari berubah dengan waktu dan pada umumnya tidak seirama dengan kebutuhan sehingga diperlukan semacam penyimpan panas. Dalam penerapan yang pasif penyimpan panas dapat juga bertemperatur sangat tinggi. Sedangkan air, karena panas spesifiknya yang tinggi dan murah, adalah zat penyimpan panas yang paling sering digunakan, namun kelemahannya adalah bahwa di daerah yang beriklim dingin, air perlu dicampur dengan zat anti beku. Zat Penyimpan Massa Jenis Tabel. Kapasitas penyimpan panas dari beberapa material. Panas Titik Lebur, Panas Spesifik C fusi, Kapasitas Penyimpan Panas, ΔT=60 C (cp,kj/(kg.k) kj/kg Basis massa kj/kg Basis volume MJ/m³ Perbandingan basis Volume Air Batuan CaCl. 6HO a 3.0. Lanjutan Padat Cair NaSO4. 10HO Padat Cair a 3.6 Sumber : (Prof. Wiranto Arismunandar, 1995 halaman 76)

22 6.8.1 Penyimpan Panas dalam Batuan Pecahan batuan atau batu kerikil dari sungai dapat menjadi penyimpan panas dengan stratifikasi temperatur yang amat baik. Dalam mode pemuatan, udara meninggalkan lapisan batuan pada temperatur yang relatif rendah, menghasilkan efisiensi kolektor yang lebih baik. Selama pemuatan dan pelepasan terjadi gelombang temperatur yang bergerak ke atas atau ke bawah lapisan yang merupakan petunjuk adanya panas yang disimpan pada setiap saat. 1. Penurunan tekanan Penurunan tekanan melalui sebuah unit penyimpan panas lapisan batuan merupakan suatu parameter rancangan yang penting : Δp melalui lapisan perlu diketahui dalam pemilihan blower yang sesuai, dan Δp yang minimum dapat ditetapkan untuk menjamin profil kecepatan yang rata. Profil kecepatan rata menjamin pemanfaatan seluruh lapisan batuan. Untuk unit-unit penyimpan panas batuan suatu perumahan, misalnya disarankan minimum 55 Pa (0. inci air)². Beberapa korelasi dapat digunakan untuk menghitung penurunan tekanan melalui lapisan penyimpan panas batuan. Yang paling sederhana untuk digunakan adalah persamaan Dunkle dan Ellul (Arismunandar, 1995) sebagai berikut : LG p D p GD p (.16) Dimana : p L G Ρ = penurunan tekanan (Pa) = kedalaman lapisan (m) = laju aliran massa per satuan luas (kg/s.m²) = massa jenis udara (kg/m³) Dp = diameter rata-rata dari batuan atau kerikil (diameter sebuah bola dengan volume yang sama dengan volume batuan atau kerikil) (m). Distribusi temperatur lapisan batuan dan koefisien perpindahan panas Selama operasinya lapisan batuan itu hampir tidak pernah berada dalam keadaan tunak, melainkan secara terus-menerus dimuati atau dikosongi. Analisis dinamika disederhanakan dengan menganggap lapisan itu terdiri atas lapisan-lapisan horizontal

23 7 yang tipis, sesuai dengan metode Mumma dan Marvin. Salah satu jenis lapisan seperti itu ditunjukkan dalam gambar.11. Untuk analisis tersebut lapisan dianggap sedang dipanasi, dengan udara panas masuk di sebelah atas. Dalam hal ini dapat dikatakan, dengan mengabaikan kerugian-kerugian panas dari tepi-tepinya, bahwa laju kerugian panas oleh udara sama dengan panas yang dipindahkan kelapisan batuan. Gambar.15 Elemen lapisan batuan. Sumber : (Prof. Wiranto Arismunandar, 1995 halaman 87).8. Penyimpan Panas Pasir Pasir adalah contoh bahan material butiran. Butiran pasir umumnya berukuran antara 0,065 sampai milimeter. Materi pembentuk pasir adalah silikon dioksida, tetapi di beberapa pantai tropis dan subtropis umumnya dibentuk dari batu kapur.sebagian besar batu pasir terbentuk oleh kuarsa atau feldspar karena mineralmineral tersebut paling banyak terdapat di kulit bumi. Seperti halnya pasir, pasir dapat memiliki berbagai jenis warna, dengan warna umum adalah coklat muda, coklat, kuning, merah, abu-abu, hitam dan putih. Karena lapisan batu pasir sering kali membentuk karang atau bentukan topografis tinggi lainnya, warna tertentu batu pasir dapat dapat diidentikkan dengan daerah tertentu. Batu pasir tahan terhadap cuaca tapi mudah untuk dibentuk. Hal ini membuat jenis batuan ini merupakan bahan umum untuk bangunan dan jalan. Karena kekerasan dan kesamaan ukuran butirannya, batu pasir menjadi bahan yang sangat baik untuk dibuat menjadi batu asah (grindstone) yang digunakan untuk menajamkan pisau dan berbagai kegunaan lainnya. Bentukan batuan yang terutama tersusun dari

24 8 batu pasir biasanya mengizinkan perkolasi air dan memiliki pori untuk menyimpan air dalam jumlah besar sehingga menjadikannya sebagai akuifer yang baik. Pasir memiliki konduktivitas thermal yang tinggi. Hal ini membuat bahan ini dapat menyimpan panas dengan baik, selain itu pasir juga sangat mudah di temukan di sekitar kita sehingga tidak memerlukan uang yang banyak untuk mendapatkannya. Konduktivitas thermal beberapa jenis pasir Material/Substance Satuan (W/mK) Sand, dry Sand, moist 0.5 Sand, saturated 4 Sandstone 1.7 Karakteristik beberapa media penyimpan panas