1 KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP UNTUK PEMANAS AIR SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik SUPANDI SILABAN NIM. 070401045 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
2 KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP UNTUK PEMANAS AIR SUPANDI SILABAN NIM. 070401045 Diketahui/Disahkan : Disetujui : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah IsranuriProf. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 196412241992111001 NIP. 195109061978031002
3 KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP UNTUK PEMANAS AIR SUPANDI SILABAN NIM. 070401045 Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 624 pada Tanggal 03 Maret 2012 Pembimbing, Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 195109061978031002
4 KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP UNTUK PEMANAS AIR SUPANDI SILABAN NIM. 070401045 Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 624 pada Tanggal 03 Maret 2012 Pembanding I, Pembanding II, Dr. Eng. Ir. Indra, MT Ir. M. Syahril Gultom, MT NIP. 196410241992031001 NIP. 195512101987101001
5 KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP UNTUK PEMANAS AIR SUPANDI SILABAN NIM. 070401045 Telah disetujui oleh : Pembimbing, Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 195109061978031002 Penguji I, Penguji II, Dr. Eng. Ir. Indra, MT Ir. M. Syahril Gultom, MT NIP. 196410241992031001 NIP. 195512101987101001 Diketahui oleh : Departemen Teknik Mesin Ketua, Dr. Ir. Ing. Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001
6 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA NO : 1039/TS/2011 Sub. Program Studi : Konversi Energi Bidang Studi : Perpindahan Panas Judul Tugas : Kajian Eksperimental Kolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air. Diberikan Tgl. : 5 November 2011 Selesai Tgl. : 18 Februari 2012 Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu,DEA Nama Mhs : Supandi Silaban N.I.M : 070401045 No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan 1. 15-10-2011 Spesifikasi judul 2. 17-10-2011 Perancangan dan perakitan alat 3. 20-10-2011 Pengujian dan pengambilan data 4. 15-11-2011 Data hasil pengujian 5. 17-11-2011 Kerjakan BAB I dan BAB II 6. 21-11-2011 Perbaiki BAB I dan BAB II 7. 01-12-2011 Kerjakan BAB III dan BAB IV 8. 14-01-2012 Perbaiki BAB III dan BAB IV 9. 31-01-2012 Kerjakan BAB V 10. 18-02-2012 ACC diseminarkan 11. 12. Tanda Tangan Dosen Pemb. CATATAN : Diketahui, 1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Ketua Departemen Teknik Mesin Pembimbing setiap Asistensi. F.T. U.S.U 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen, bila kegiatan Asistensi telah selesai. Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri NIP 196412241992111001
7 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 1039/TS/2011 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : 15/11/2011 MEDAN PARAF : TUGAS SARJANA NAMA : SUPANDI SILABAN N I M : 070401045 MATA PELAJARAN : PERPINDAHAN PANAS SPESIFIKASI : LAKUKAN PENGUJIAN DAN ANALISA TERHADAP KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN SATU LAPIS KACA YANG DIGUNAKAN UNTUK PEMANAS AIR DENGAN JARAK KACA KE PLAT ABSORBER 40mm, 50mm, DAN 60mm. ANALISIS MELIPUTI KAJIAN EKSPERIMENTAL TENTANG EFEKTIFITAS KOLEKTOR SURYA PRISMATIK. BANDINGKAN EFISIENSI HARIAN DARI MASING-MASING JARAK KACA KE PLAT ABSORBER UNTUK MEMPEROLEH JARAK KACA OPTIMUM. DATA-DATA YANG LAIN DAPAT DIPILIH SESUAI DENGAN DATA-DATA DI LAPANGAN. DIBERIKAN TANGGAL : 15 November 2011 SELESAI TANGGAL : 18 FEBRUARI 2012 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 15 November 2011 DOSEN PEMBIMBING, Dr.Ing.Ir. IKHWANSYAH ISRANURI Prof.Dr.Ir.FAREL H. NAPITUPULU,DEA. NIP. 196412241992111001 NIP. 195109061978031002
8 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia yang telah diberikan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Perpindahan Panas dengan judul Kajian EksperimentalKolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. 2. BapakProf.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu, DEA, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya. 4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staf laboratorium di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 6. Rekan satu tim Januardi, Arya, dan Brisno atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini. 7. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan angkatan 2007 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan skripsi ini. Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun
9 untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis ucapkan banyak terima kasih. Penulis, Medan, Maret 2012 Supandi Silaban
10 ABSTRAK Kolektor surya merupakan suatu bagian dari peralatan yang dibutuhkan untuk mengubah energi radiasi matahari ke bentuk energi panas untuk berbagai keperluan, misalnya sebagai pemanas air. Salah satu bentuk dari kolektor surya adalah bentuk prisma yang memiliki kemampuan untuk menerima intensitas radiasi matahari terhadap ke empat luasan kolektor, sehingga diharapkan pemanfaatan energi tersebut sebagai pemanas air dapat lebih efektif. Kolektor surya akan menyerap energi dari radiasi matahari dan mengkonversikannya menjadi panas yang berguna untuk memanaskan air garam di dalam pipa-pipa kolektor, sehingga suhu air garam akan meningkat dan terjadi pertukaran kalor antara air garam dengan air yang dipanasi. Mengingat pentingnya kaca pada kolektor surya, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap efisiensi yang menyatakan besar energi yang diterima. Dari hasil pengujian dan analisa didapat bahwa kerja optimal kolektor surya prismatik dicapai dengan jarak kaca ke plat absorber 50 mm. Kata kunci : kolektor surya prismatik, perpindahan panas, kaca penutup
11 ABSTRACT Solar collector is the essential item of equipment which transforms solar radiation energy to some other useful energy form, for example as the water heater. One of the shape solar collector, is prismatic which have ability to receive solar radiation intensity into the fourth areas of colector, so that using solar energy as water heater can more effective. Solar collector can absorb solar radiation intensity and convert it to useful calor for heating the liquid salt inside the pipes of the collector, so the temperature of the liquid salt is rise and heat exchanging is happen by liquid salt within water heating. Considering the importance of the cover, a research is carried on to find out the affect of the spacing between cover and plate toward the plate s temperature which refer to the amount of heat absorbed. From the experiment is found the best spacing between cover and plate which can produce optimal efficiency are 50mm.
12 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI....iv DAFTAR TABEL...... vii DAFTAR GAMBAR...... vii DAFTAR NOTASI...... ix BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang... 1 1.2 Tujuan penelitian... 3 1.3 Batasan masalah... 3 1.4 Manfaat penelitian... 4 1.5 Sistematika penulisan... 4 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Matahari... 6 2.2 Transmisivitas-absorbsivitas... 11 2.3 Perpindahan kalor... 12 2.4 Tinjauan mekanika fluida... 17 2.5 Penukar kalor... 19 2.6 Kaca... 20 2.7 Garam... 22 2.8 Kolektor surya... 22 BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metode pelaksanaan penelitian... 28 3.2 Tempat penelitian... 29 3.3 Alat dan bahan yang digunakan... 29 3.4 Perakitan alat pengujian... 35 3.5 Set up pengujian... 37 3.6 Pengujian dan pengambilan data... 38 3.7 Perumusan hasil akhir... 40 BAB 4. HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Hasil pengujian... 41
13 4.2 Analisa hasil pengujian... 43 4.3 Efisiensi termal kolektor... 62 4.4 Perhitungan daya pompa... 66 BAB 5. KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan... 69 5.2 Saran... 69 REFERENSI LAMPIRAN
14 DAFTAR TABEL 3.1 Titik set-up pengujian...37 4.1 Hasil pengujian untuk jarak kaca 60 mm terhadap absorber...41 4.2 Hasil pengujian untuk jarak kaca 50 mm terhadap absorber...42 4.3 Hasi pengujian untuk jarak kaca 40 mm terhadap absorber...42 4.4 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor timur...51 4.5 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor barat...51 4.6 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor utara/selatan...52 4.7 Radiasi pada bidang miring timur untuk pengujian jarak 60mm...50 4.8 Radiasi pada bidang miring baratuntuk pengujian jarak 60mm...51 4.9 Radiasi pada bidang miring utara dan selatanuntuk pengujian jarak 60mm...51 4.10 Hasil analisa untuk pengujian pertama dengan jarak kaca 60 mm terhadap absorber...61 4.11 Hasil analisa untuk pengujian kedua dengan jarak kaca 50 mm terhadap absorber...61 4.12 Hasil analisa untuk pengujian ketiga dengan jarak kaca 40 mm terhadap absorber...62 4.13 Perhitungan koefisien kerugian minor...64
15 DAFTAR GAMBAR 2.1 Deklinasi matahari... 8 2.2 Posisi sudut matahari... 8 2.3 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran I b... 9 2.4 Komponen radiasi pada permukaan miring... 10 2.5 Sudut datang dan sudut bias pada dua medium... 11 2.6 Penampang saluran pipa... 18 2.7 Kolektor surya plat datar... 23 2.8 Konsentrator... 24 2.9 Evacuated receiver... 25 2.10 Pemanas air sistem langsung... 25 2.11 Pemanas air sistem tidak langsung... 26 3.1 Diagram alir penelitian... 28 3.2 Pompa... 29 3.3 Flowmeter... 30 3.4 Hobo micro station data logger... 31 3.5 Termokopel (agilent)... 31 3.6 Kompas... 32 3.7 Dimensi plat absorber... 32 3.8 Tangki air... 33 3.9 Tangki air garam... 34 3.10 Skets koil di dalam tangki air... 34 3.11 Skema instalasi... 36 3.12 Kolektor surya prismatik... 37 3.13 Titik set up pengujian... 38 3.14 Jarak kaca ke pelat absorber (z)... 39 4.1 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 60 mm... 41 4.2 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 50 mm... 42 4.3 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 40 mm... 43
16 4.4 Grafik kenaikan temperatur air terhadap waktu... 43 4.5 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global... 45 4.6 Rasio absorptansi berbagai sudut masuk sinar matahari pada permukaan hitam... 48 4.7 Perbandingan τα/τα n untuk 1-4 lapis kaca... 49 4.8 Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata terhadap waktu... 53 4.9 Kerugian panas kolektor... 55 4.10 Skema tahanan perpindahan panas pada kolektor bagian atas... 55 4.11 Koefisien konveksi alam h, dalam fungsi celah udara sebagai fungsi jarak celah z, dengan sudut β sebagai parameter... 57 4.12 Geometri letak pipa pada pelat absorber... 59 4.13 Grafik energi Qu terhadap waktu... 66 4.14 Grafik efisiensi termal kolektor vs waktu... 66
17 DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan A Luas permukaan kolektor m 2 C p Kalor spesifik J/kg.K D i Diameter dalam pipa tembaga mm D o Diameter luar pipa tembaga mm F Efisiensi sirip % F R Faktor pelepasan panas - G sc Konstanta radiasi matahari W/m 2 h i Koefisien konveksi dalam kolektor W/m 2 K H p Head pompa m h o Koefisien konveksi luar kolektor W/m 2 K h ri Koefisien radiasi di dalam kolektor W/m 2 K h ro Koefisien radiasi di luar kolektor W/m 2 K I o Radiasi matahari pada permukaan horizontal MJ/m 2 I bt Radiasi sorotan MJ/m 2 I dt Radiasi sebaran MJ/m 2 I rt Radiasi pantulan MJ/m 2 I T Radiasi total pada bidang miring MJ/m 2 k kaca Konduktivitas termal kaca W/mK L Panjang pipa tembaga m m Laju aliran massa kg/s N p Daya pompa watt Nu Bilangan nusselt - Q Kapasitas pompa m 3 /s Q u Energi yang diperoleh kolektor MJ R Tahanan termal kaca m 2 K/W R e Bilangan Reynold - S Radiasi yang diserap absorber W/m 2 T langit Temperatur langit K T a T i Temperatur lingkungan Temperatur garam masuk kolektor o C o C
18 T o Temperatur garam keluar kolektor U b Koefisien kerugian panas bawah kolektor W/m 2 K U L Koefisien kerugian panas kolektor W/m 2 K U t Koefisien kerugian panas di atas kolektor W/m 2 K v Kecepatan angin m/s W Jarak antar pipa tembaga m z Jarak kaca ke pelat absorber mm ω Sudut jam o (sudut) δ Sudut deklinasi o (sudut) (τα) ave Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata - µ Viskositas dinamik kg/m.s η Efisiensi kolektor % ρ Massa jenis kg/m 3 o C