LAPORAN PKM PENELITIAN ALAT PENJERNIH AIR TENAGA SURYA DENGAN SOLAR KOLEKTOR Disusun Oleh : 1. Fitria Hastami / M0207004 2. Nurul Khotimah / M0207050 3. Zuhdi Ismail / M0208062 Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta 2009
HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHIR PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA 1. Judul Kegiatan : Analisis Alat Penjernih Air Tenaga Surya dengan Solar Kolektor Plat Gelombang Menggunakan Cover...,...,... 2. Bidang Kegiatan : ( ) PKMP ( ) PKMK ( ) PKMT ( ) PKMM 3. Bidang Ilmu : ( ) Kesehatan ( ) Pertanian ( ) MIPA ( ) Teknologi dan rekayasa ( ) Sosial Ekonomi ( ) Humaniora ( ) Pendidikan 4. Ketua Pelaksana Kegiatan a. Nama Lengkap : Fitria Hastami b. NIM : M0207004 c. Jurusan : Fisika d. Universitas : Universitas Sebelas Maret Surakarta e. Alamat Rumah : Kliwonan RT 01/ RW 07, Jeron, Nogosari, Boyolali.57378 f. Email : tamy_091289@yahoo.com 5. Anggota Pelaksana : 2 orang 6. Dosen Pendamping a. Nama Lengkap dan Gelar : Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc, Ph.D b. NIP : 131 570 296 c. Alamat Rumah & HP : 7. Dana DIKTI : 8. Jangka Waktu Pelaksanaan : Surakarta, 2 Juni 2009 Menyetujui, Ketua Jurusan Fisika FMIPA UNS Ketua Pelaksana Drs. Harjana, MSc, PhD NIP. 131 570 309 Pembantu Rektor III UNS Fitria Hastami NIM. M0207004 Dosen Pendamping Drs. Dwi Tiyanto, SU NIP. 130 814 593 Ir. Ari Handono Ramelan M.Sc, Ph. D NIP. 132 163 933
A. Judul Program Alat Penjernih Air Tenaga Surya Dengan Solar Kolektor B. Latar Belakang Solar cell adalah salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dan sangat menjanjikan pada masa yang akan datang, karena tidak ada polusi yang dihasilkan selama proses konversi energi, dan lagi sumber energinya banyak tersedia di alam, yaitu sinar matahari. Air merupakan sumber kehidupan. Air merupakan kebutuhan yang paling penting dalam kehidupan manusia terutama air tawar yang bersih dan sehat. Namun demikian, kelangkaan dan kesulitan mendapatkan air bersih dan layak pakai menjadi permasalahan yang mulai muncul di banyak tempat dan semakin mendesak dari tahun ke tahun.kecenderungan konsumsi air naik secara eksponensial,sedangkan ketersediaan air bersih cenderung melambat akibat kerusakan alam dan pencemaran,yaitu diperkirakan sebesar 15-35% per kapita pertahun. Dengan demikian di Indonesia,dengan jumlah penduduk yang mencapai lebih drai 200 juta,kebutuhan air bersih menjadi semakin mendesak(www.walhi.or.id) Pemanfaatan energi surya untuk menghasilkan air bersih menjadi alternatif yang perlu mendapat perhatian lebih serius. Ketersediaan energi surya di daerah tropis cukup melimpah, maka diperlukan suatu metode pemanfaatannya, diantaranya dengan melakukan pengolahan air baku dengan tenaga surya.prinsip dasar pengolahan air baku dengan tenaga surya adalah dengan cara menguapkan air kotor,kemudian menampung air yang diembunkan,sehingga diharapkan garam mineral dan kotoran kotoran yang ada pada air baku tersebut akan terpisahkan. Sehingga diperoleh hasil akhir berupa air bersih. C.Perumusan Masalah
Penelitian ini mengukur efisiensi termal dari alat penjernih air tenaga surya dan tekanan uap dari air yang keluar dari kolektor tersebut. Pengujian dan pengukuran dilakukan untuk mengetahui intensitas radiasi matahari yang sampai ke bumi, temperatur plat absorber, temperatur lingkungan,dan temperatur fluida yang masuk ke dalam kolektor. Data yang di dapat diu analisa untuk mengetahui perfomansi kolektor yaitu energi perolehan berguna aktual, efisiensi termal kolektor, juga untuk mengukur tekanan uap dari air yang keluar dari kolektor. D.Tujuan Umum Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efisiensi thermal kolektor surya dari alat penjernih air dengan tenaga surya,selain itu dari penelitian ini diharapakan dapat mengetahui laju penguapan dari alat penjernih air dengan kolektor surya ini. Sehingga dengan adanya penelitian ini diharapkan dapat memberikan gambaran mengenai sifat fisis dari alat penjernih dengan kolektor surya yang sudah ada.sehingga nantinya alat penjernih air dengan kiolektor surya ini dapat dimanfaatkan dengan sebaik baiknya. E. Batasan Masalah Dalam peneliltian ini permasalahan akan di batasi pada : 1. Sudut kemiringan kolektor tetap 2. Dimensi kolektor konstan 3. Debu dan kotoran pada kolektor diabaikan 4. Beban pemanasan adalah air 10 liter 5. Pemanasan pada bak penguapan diabaikan 6. Penelitian di lakukan di halaman gedung pascasarjana uns F. Kegunaan Program
Dengan adanya program ini diharapkan alat yang dibuat nanti dapat digunaknan untuk menjernihkan air sehingga air hasil proses penjernihan ini dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. G.Tinjauan Pustaka 1. Energi Matahari Energi adalah satu kata yang mempunyai makna sangat luas karena tidak ada aktivitas di alam raya ini yang bergerak tanpa energi. Sumber energi berjumlah besar dan bersifat kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah energi matahari,energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari. Energi matahari adalah sangat atraktif karena tidak bersifat polutif, tidak dapat habis,dan dipercaya dan gratis. Dua kejelekan utama dari energi matahari ini adalah bahwaia sangat halus (dilute) dan tidak konstan.arus energi matahari yang rendah mengakibatkan terpaksa dipakainya sistem dan kolektor yang luas permukaanya besar untuk mengumpul dan mengkonsentrasikan enrgi itu. Energi matahari dapat dikonversi secara langsung menjadi bentuk energi yang lain dengan 3 proses terpisahproses heliochemical, proses helioelectrical, dan prosesheliothermal. proses heliochecimal yang utama adalah proses fotosintesis, proses ini adalah sumber dari semua bahan bakar fossil. Proses helioelectrical yang utama adalah produksi listrik oleh sel sel surya. Proses heliothermal adalah penterapan (absorbsi) radiasi matahari dan pengkonversian energi ini menjadi energi thermal(culp.1991). Energi panas matahari,merupakan salah satu energi yang potensial untuk dikelola dan dikembangkan lebih lanjut sebagai sumber cadangan energi terutamabagi negara negara yang terletak di khatulistiwa termasuk Indonesia, dimana matahari bersinar sepanjang tahun. Ada beberapa cara pemanfaatan energi panas matahari yaitu antara lain pemanasan ruangan, penerangan ruangan, kompor matahari, pengeringan hasil pertanian,distilasi air kotor,pemanasan air,pembangkitan listrik.(www.kamase.org, 2007)
2.Konstanta Matahari Radiasi yang di emisikan oleh matahari dan ruang angkasa yang berhubungan dengannya ke4 bumi mengahsilkan intensitas radiasi matahari yang hampir konstan diluar atmosfer bumi. 3.Penelitian tentang pemanas air kolektor surya Leonardi Yulius (2002),meneliti tentang penggunaan energi surya un tuk pemanas air. Hasilnya eneri surya bisa dimanfaatkan untuk pemanas aiur dengan sistem termosifon dan digunakan untuk memanaskan air didalam tangki yang berisi air sekitar 85 liter. Nur Rosyid Anang Kusuam (2006), meneliti tentang sisi biologis dari air yang di hasilkan oleh alat penjernih air tenaga surya. Hasilnya ada perbedaan bermakna dari air sampel yang diperiksa antara sebelum dan sesudah proses dengan alat penjernih air tenaga surya. Matilda M Gati,dkk (2006), meneliti tentangdesain kolektor plat datar(flat plate) untuk pemanas air. Hasilnya temperatur 38,3 C ketika memakai kolektor berukuran 3m² dan ketika memakai kolektor dengan ukuran 7,5 m², temperatur air dalam storage mencapai 58 C( www.thomasworld.web.ugm.ac.id, 2007) P.A Davies dan C Paton, meneliti tentang desain rumah kaca yang mneggunakan air laut sebagai sumber air untuk tanaman didalamnya. Rumah Kaca ini memiliki luas 360 m² dan berada di Tenerife, Spanyol. Digunakan tanaman tomat, bayam, kacang, dan lain lain. Hasil dari tanaman tersebut memiliki kadar garam yang dapat ditoleransi dan aman untuk dimanfaatkan. (www.journal.mup.man.ac.uik, 2004) 4.Tinjauan perpindahan panas
Perpindahan panas dalam sebuah alat pemanas cairan surya didasarkan pada tiga mekanisme transfer energi panas yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. a. Konduksi Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpidahan panas dinyatakan dengan hukum Fourier(Wiranto Arismunandar, 1995) q = - k A (dt/ dx) dimana k adalah konduktivitas termal, W/(m.K); A adalah luas penampang tegak lurus pada aliran panas, m² ; dan dt/dx adalah gradien temperatur dalam arah aliran panas, - K/m. b. Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas dimana terjadi transfer energi dari suatu permukaan ke fluida yang mengalir karena ada perbedaan temperatur permukaan dengan fluida. Proses konveksi ada dua jenis, konveksi alamiah dan konveksi paksa. Konveksi alamiah atau bebas terjadi karena pergerakan fluiuda sepanjang lintasan akibat perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh perbedaan temperatur dalam fluida. Sedangkan konveksi paksa disebabkan aliran udara dari pompa atau blower. Pada umumnya, perpindahan panas konveksi dapat dinyatakan dengan hukum pendinginan newton, sebagai berikut q = ha(t w T) dimana h adalah koefisien konveksi, W/(m 2.K); A adalah luas permukaan, m 2 ; T w adalah temperatur dinding, dan T adalah temperatur fluida, K. Umumnya koefisien konfeksi h dinyatakan dengan parameter tanpa dimensi yang disebut Nusselt, Nu :
h = Nu (k/d i ) dimana d i adalah diameter dalam pipa. Sedangkan besarnya bilangan Nusselt adalah : Produk perkalianan antara bilangan Grashof (Gr) dan bilangan Prandtl (Pr) disebut bilangan Rayleigh (Ra) : Ra = Gr Pr Bilangan Grashof dicari dengan menggunakan persamaan : Dimana g adalah konstanta gravitasi (9,8 m/s 2 ), β adalah koefisien muai volume yang besarnya 1/T f, dimana T f adalah temperatur fluida yang keluar dari kolektor. Sedangkan T fi adalah temperatur fluida yang memasuli kolektor (K), T p adalah temperatur plat (K), D adalah jarak antara pipa (m), dan v adalah viksositas kinematik (Duffie dan Beckman, 1991) c.radiasi perpindahan panas secara total dari benda hitam yang sempurna sebanding dengan pangkat empat dari temperatur benda radiasi tersebut. Ini adalah hukum Stefan Boltzmann sehingga dapat dituliskan sebagai berikut( Beiser, 1981) E = at
Diagram Alur Penelitian Dibawah ini adalah diagram alur penelitian alat penjernih air tenaga surya Persiapan bahan Pembutan alat penjernih air Data yang di ambil Intensitas radiasi total yang diterima Energi berguna dari kolektor Efisiensi termal kolektor Tekanan uap Analisa dan pembahasan Kesimpulan
I. Tempat dan waktu pengambilan Data 1. Tempat Maret. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahan Alam Universitas Sebelas 2. Waktu Pengambilan data akan dilakasanakan pada Hari/ tanggal : Waktu : 3. Alat dan Bahan Penelitian Alat dan bahan yang digunakan : a. Alat penjernih air tenaga surya a.1. Dimensi Kolektor 1. Luas kolektor, A 2. Luas Plat penyerap, A c 3. Jumlah pipa, 4. Diameter dalam pipa, d i 5. Diameter luar pipa, d 6. Jarak antar pipa, D 7. Jarak antar pusa pipa, s
8. Ketebalan isolasi, l 9. Jumlah kaca penutup, N a.2. Material kolektor 1. Material penutup transparan adalah kaca 2. Pelat penyerap yang dipakai adalah alumunium dicat hitam 3. Bahan isolasi adalah styrofoam 4. Kerangka keseluruhan terbuat dari besi b. Multimeter digital c. Pyranometer d. Stopwatch e. Air sumur 10 liter
Prinsip kerja alat penjernih tenaga surya mendasarkan pada prinsip perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat penyulingan air tenaga surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan melalui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca ( yang menutupi kolektor dan berfungsi untuk menjebak panas ) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi. Pada saat radiasi matahari jatuh ke permukaan kolektor,energinya akan diserap dan dan diubah menjadi panas. Selanjutnya panas akan dikonduksikan oleh pelat kolektor ke pipa berisi air. Air dalam pipa akanpanas akibat konveksi dari permukaan pipa. Dan air yang panas ini akan bergerak ke atas untuk kemudian melewati pipa pengalir menuju bak penampungan. Di bak penampungan akan terjadi penguapan air panas. Uap air yang menempel pada kaca akan mengembun,dan mengalir ke talang karena pengaruh gaya gravitasi. Selanjutnya, air yang tertampung di talang akan mengalir menuju bak penampungan air hasil olahan. Berikut ini adalah langkah langkah percobaan : 1. Penelitian dilakukan pada jam 08.00 15.00 2. Meletakkan pemanas air ditempat yang telah ditentukan 3. Melakukan pengukuran terhadap nilai nilai berikut setiap satu jam sekali. a. Intensitas radiasi matahari, I b. Transmitansi kaca, τ c. Temperatur plat titik pertama, T p1 d. Temperatur plat titik kedua, T p2
e. Temperatur palot titik ketiga, T p3 f. Temperatur lingkungan sekitar, T f1 g. Temperatur fluida masuk kolektor, T fo h. Temperatur fluida keluar kolektor