Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 Analisis Perfrmansi Klektr Surya Pemanas Air Dengan Pelat Klektr Bentuk-V Jalaluddin1,a *, Effendi Arief2,b dan Rustan Tarakka3,c 1,2 dan 3 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Tamalanrea Makassar, 92, Indnesia a jalaluddin_had@yah.cm, beffar1@gmail.cm, crustan_tarakka@yah.cm Abstrak Energi matahari dikenal sebagai sumber energi yang ramah terhadap lingkungan dengan penggunaan yang sangat luas. Salah satu pemanfaatan sumber energi ini adalah untuk suplai air panas dengan pemanfaatan klektr surya pemanas air. Pengembangan klektr surya pemanas air di Indnesia sangat ptensial untuk penghematan energi khususnya pada perumahan, bangunan kmersial dan industri. Pemanfaatan klektr ini banyak digunakan untuk kebutuhan pemanasan air rumah tangga, perhtelan dan kebutuhan lainnya. Penelitian tentang penggunaan pelat absrber pada klektr surya pemanas air dilakukan dengan metde experimental labratry dan membuat perbandingan dengan pelat absrber knvensinal, pelat datar. Faktr penting yang akan menjadi kajian utama adalah penyerapan energi pada pelat absrber dan kehilangan energi ke permukaan klektr. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perfrmansi klektr dengan pelat absrber terhadap klektr dengan pelat absrber datar meningkat masing-masing sebesar 2.36 % pada debit.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2. L/min. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi infrmasi untuk pengembangan klektr surya pemanas air sehingga meningkatkan perfrmansi sistem pemanas air dan penghematan biaya penggunaan energi listrik pada perumahan, htel dan industri dalam knsep green energy building. Kata kunci : KOLEKTOR SURYA PEMANAS AIR, PELAT ABSORBER BENTUK-V, PERFORMANSI. tersebut. Dari hasil penelitiannya, klektr surya tersebut memberikan pengurangan penggunaan energi yang menakjubkan. Berbagai penelitian untuk menganalisis unjuk kerja klektr, mdifikasi bentuk pelat absrber dan material klektr telah dilakukan. Aympe & Duffy [3] meneliti unjuk kerja sistem pemanas air tenaga matahari dengan klektr pelat datar 4 m2 di Dublin, Irlandia. Hasil menunjukkan bahwa fraksi matahari rata-rata 32,2 %; unjuk kerja klektr,6 % dan unjuk kerja sistem 37,8 %. Mdel analitik telah dikembangkan leh Subiantr & Tiw [4] untuk memprediksi kehilangan panas pada permukaan penutup klektr dengan 1(satu) dan 2(dua) penutup kaca. Analisis energi dan exergi dari klektr pelat datar untuk mengetahui kndisi perasi ptimal telah dilakukan leh Jafarkazemi & Pendahuluan Perkembangan berkaitan dengan isu energi keberlanjutan dan bangunan ramah lingkungan menyebabkan peningkatan fkus pada peralatan yang memanfaatkan energi matahari karena tidak menyebabkan plusi dan terbarukan [1]. Untuk kawasan Asia dan Australia termasuk Indnesia, pemanfaatan energi matahari umumnya adalah untuk suplai air panas. Pengembangan klektr surya pemanas air di Indnesia sangat ptensial untuk penghematan energi khususnya pada perumahan, bangunan kmersial dan industri. Studi tentang klektr surya telah dilakukan leh banyak peneliti. Mumma [2] telah meneliti dan memasang klektr surya pemanas air dalam jangka waktu 28 tahun. Klektr tersebut bekerja secara baik dengan hanya sedikit perawatan selama peride
Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 Ahmadifard [5]. Hasilnya menunjukkan bahwa temperatur air masuk sekitar 4 lebih dari temperatur lingkungan serta laju aliran yang rendah akan meningkatkan perfrmansi klektr keseluruhan. Deng et al. [6] mengembangkan desain baru untuk pelat datar absrber klektr dengan penggunaan susunan micr-channel heat pipe. Hasilnya menunjukkan bahwa Klektr ini merupakan salah satu klektr surya terbaik di antara prduk saat ini. Integrasi pelat absrber dengan reflektr dapat meningkatkan perfrmansi klektr. Studi eksperimental dan analisis biaya dari klektr ini telah dilakukan leh Chng et al. [7]. Efisiensi ptik dan unjuk kerja keseluruhan klektr memperlihatkan hasil yang sangat memuaskan. Mdifikasi permukaan pelat absrber banyak diteliti karena berhubungan dengan penyerapan energi matahari yang tersedia secara maksimal dan perbedaan intensitas matahari serta arah datang sinar matahari dalam sehari. Mdifikasi ini dilakukan untuk memaksimalkan energi yang diserap dan transfer panas ke fluida. Besarnya transfer panas ke fluida akan mengurangi kehilangan energi keluar klektr. Berkaitan dengan hal ini, pengembangan klektr dengan pelat absrber dilakukan untuk memaksimalkan penyerapan energi matahari, meningkatkan efisiensi penyerapan pada kndisi matahari tidak tegak lurus pada pagi dan sre hari. Faktr penting yang akan menjadi kajian utama adalah arah sinar matahari setelah mengenai pelat absrber terhadap penyerapan energi dan kehilangan energi ke permukaan klektr. Hal ini akan berpengaruh terhadap perfrmansi klektr. Peningkatan perfrmansi klektr surya masih perlu terus diupayakan untuk memaksimalkan penggunaan peralatan ini dan pemanfaatan sumber energi terbarukan seefisien mungkin. Berkaitan dengan hal tersebut, penelitian tentang analisis perfrmansi klektr surya pemanas air dengan penggunaan pelat absrber dilakukan. Klektr Surya Pemanas Air dan Uji Eksperimental Klektr surya pemanas air adalah alat penukar kalr yang mengknversi energi radiasi matahari menjadi energi termal pada air. Dalam aplikasinya, energi radiasi matahari diserap leh pelat klektr dan dipindahkan ke air. Selanjutnya, air panas digunakan untuk kebutuhan penyediaan air panas pada perumahan, bangunan kmersial dan industri. Mdifikasi pelat absrber dengan penggunaan pelat absrber pada klektr surya pemanas air dilakukan dalam penelitian ini. Dua buah pelat absrber seperti ditunjukkan pada gambar 1 antara lain : a) pelat absrber datar dan b) pelat absrber dipasang masing-masing pada klektr surya pemanas air. a) Pelat absrber datar b) Pelat absrber Gambar 1. Klektr surya pemanas air dengan a) pelat absrber datar dan b) pelat absrber
Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 N. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Pelat Pelat datar = 41 = 32 = 21 = 49 = 4 = 27 ( ) ( ).963 3.951 6.894.985 3.968 6.961.98 3.974 6.963.97 3.973 6.981.966 3.966 6.963.979 3.96 6.966.97 3.968 6.97 ( rata- t and l(cm) rata).936 -.971 4 and 2.973 4 and 3.975 Gambar 2. Perhitungan absrptivitas pelat absrber untuk sudut = 21 dengan sudut datang radiasi matahari, 3 4 and 4.9 3 and 2.968 3 and 3.97 3 and 4 Sudut datang radiasi matahari tegak lurus pada siang hari dimana dan 6 pada pagi dan sre hari. Absrptivitas pelat absrber dihitung berdasarkan sudut datang radiasi matahari pada permukaan pelat. Pelat absrber diasumsi permukaan hitam. Radiasi matahari dipantulkan secara berulang-ulang pada permukaan pelat. Absrptivitas dari pelat absrber dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Absrptivitas dari pelat absrber Berdasarkan absrptivitas rata-rata ( rata-rata), diperleh bentuk ptimal dari pelat absrber pada sudut = 21 (t = 4 cm dan l = 4 cm) seperti ditunjukkan pada gambar 3. Bentuk-V ini diaplikasikan pada sistem klektr surya pemanas air dengan pelat absrber. Pelat absrber yang digunakan dalam pengujian eksperimental ditentukan berdasarkan absrptivitas ptimum terhadap beberapa yang dianalisis secara analitik. Sebagai cnth perhitungan absrptivitas pelat absrber untuk sudut = 21 dengan sudut datang radiasi matahari, 3 dapat dilihat pada gambar 2.
Absrptivitas rata-rata ( rata-rata) Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 temperatur air masuk dan keluar pada debit yang ditentukan sebagai berikut : 1. Absrptivitas terbaik.975 Qu m c p T...(1) Pelat datar Bentuk-V =41 Bentuk-V =32 Bentuk-V =21 Bentuk-V =49 Bentuk-V =4 Bentuk-V =27.95.9.9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Knfigurasi Pelat Absrber Gambar 3. Absrptivitas rata-rata pelat absrber dimana m adalah laju aliran massa (kg/s), cp adalah panas spesifik (J/kg K) dan T adalah perbedaan temperatur air masuk dan keluar ( C). Efisiensi klektr, adalah : Q u...(2) I T Ac dimana IT adalah intensitas matahari (W/m2) dan Ac adalah luas permukaan klektr (m2). Alat uji eksperimen terdiri dari dua buah klektr surya pemanas air dengan a) pelat absrber datar dan b) pelat absrber seperti ditunjukkan pada gambar 4. Hasil dan Pembahasan Tp-pipa Tpelat a) Pelat absrber datar Tp-pipa Penelitian dilakukan di labratrium Energi Termal dan Terbarukan Jurusan Mesin Universitas Hasanuddin Makassar (9 29.5 BT dan 5 7 59. LS). Uji eksperimental terhadap dua buah klektr pemanas air dengan pelat absrber datar dan dilakukan dengan mengperasikan kedua klektr tersebut secara bersamaan. Dimensi klektr adalah panjang 163 cm dan lebar 1 cm. Aliran air dalam pipa tembaga berdiameter.17 m diatur dengan dua debit yaitu debit rendah,.5 L/min dan debit tinggi, 2 L/min. Pengambilan data dilakukan setiap 5 menit dari pukul 9. sampai. WITA. Tpelat b) Pelat absrber Intensitas Radiasi Matahari. Intensitas radiasi matahari selama pengujian mempunyai nilai minimum pada pagi dan sre hari serta nilai maksimum terjadi pada siang hari seperti ditunjukkan pada gambar 5. Intensitas radiasi matahari maksimum adalah 944.1 W/m2 pada pukul :3 WITA (6 Agustus 2) dan 942 W/m2 pada pukul 5 WITA (8 Agustus 2). Gambar 4. Alat uji klektr surya pemanas air dengan a) pelat absrber datar dan b) pelat absrber Perfrmansi Klektr Perfrmansi klektr ditentukan leh efisiensi klektr yang diperleh dari perbandingan energi bermanfaat klektr melalui pemanasan air dan energi matahari yang tersedia. Energi bermanfaat, Qu, dihitung berdasarkan data pengukuran
Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 6 Agustus 2 8 Agustus 2 1 7 6 5 4 3 2 1 5 9 8 2 Intensitas Matahari (W/m ) 7 6 5 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : 4 Temperatur air keluar () Temperatur air keluar (datar) Temperatur udara sekitar Temperatur air masuk Debit :.5 L/min 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : Gambar 5. Intensitas matahari Data : 6 Agustus 2 Temperatur Air Masuk dan Keluar Klektr. Gambar 6 menunjukkan temperatur air masuk dan keluar keluar klektr serta temperatur udara sekitar. Air masuk pada kedua klektr berasal dari reservir yang sama sehingga mempunyai temperatur yang sama. Temperatur air masuk klektr meningkat terhadap waktu perasi karena air yang keluar dari klektr disirkulasikan kembali ke reservir. Temperatur air keluar klektr dengan pelat absrber mempunyai nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan klektr dengan pelat absrber datar. Perbedaan temperatur tersebut cukup signifikan pada debit rendah. 6 5 4 3 2 1 5 Temperatur air keluar () Temperatur air keluar (datar) Temperatur air masuk Temperatur udara sekitar Debit : 2 L/min 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : Data : 8 Agustus 2 Gambar 6. Temperatur air masuk dan keluar klektr Temperatur Permukaan Pelat Absrber. Temperatur pelat absrber diukur pada pelat, Tpelat dan diatas permukaan pipa, Tp-pipa seperti ditunjukkan pada gambar 4. Hasil pengukuran temperatur-temperatur tersebut ditunjukkan pada gambar 7. Temperatur pelat absrber menunjukkan nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur pelat absrber datar. Hal ini menunjukkan bahwa absrptivitas dari pelat absrber lebih baik dari pada absrptivitas pelat absrber datar. Tingginya temperatur pada pelat absrber menyebabkan kerugian panas ke permukaan klektr menjadi besar. Walaupun demikian tingginya temperatur pelat tersebut memungkingkan untuk meningkatkan efisiensi klektr dengan peningkatan transfer panas dari pelat absrber ke air. 7 Data : 6 Agustus 2 Tp-pipa () Tpelat () 6 5 4 Tp-pipa (datar) Tpelat (datar) 3 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : 2
Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 1 Data : 6 Agustus 2 Debit :.5 L/min 9 Tpelat () Tp-pipa () 6 5 4 3 5 2 Tp-pipa (datar) 1 4 Tpelat (datar) 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : 6 7 Efisiensi (%) 7 Pelat absrber datar Pelat absrber 8 Data : 8 Agustus 2 3 1 2 Data : 8 Agustus 2 Debit : 2 L/min 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : 9 8 Gambar 7. Temperatur permukaan pelat absrber 7 Efisiensi (%) Efisiensi Klektr. Efisiensi klektr surya pemanas air dengan pelat absrber datar dan dapat dilihat pada gambar 8. Efisiensi klektr cenderung menurun terhadap waktu perasi. Peningkatan temperatur air masuk klektr terhadap waktu perasi menyebabkan terjadinya penurunan efisiensi klektr tersebut. Pada debit rendah, efisiensi rata-rata harian klektr adalah sebesar 39.39 % untuk klektr dengan pelat absrber datar dan 41.76 % untuk klektr dengan pelat absrber. Pada debit tinggi, efisiensi rata-rata harian klektr adalah sebesar 4.5 % untuk klektr dengan pelat absrber datar dan 44.28 % untuk klektr dengan pelat absrber bentukv. Hal ini menunjukkan bahwa efisiensi klektr surya dengan pelat absrber bentukv meningkat masing-masing sebesar 2.36 % pada debit.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2. L/min. Pelat absrber datar Pelat absrber 6 5 4 3 2 1 9 : 9 9 1 : 1 1 : : : : : Gambar 8. Efisiensi klektr surya pemanas air dengan pelat absrber datar dan Kesimpulan Pengujian klektr surya pemanas air dengan pelat absrber datar dan telah dilakukan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa perfrmansi klektr dengan pelat absrber terhadap klektr dengan pelat absrber datar meningkat masingmasing sebesar 2.36 % pada debit.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2. L/min. Masih tingginya temperatur pelat absrber memungkinkan untuk meningkatkan efisiensi klektr dengan peningkatan transfer panas dari pelat absrber ke air.
Banjarmasin, 7-8 Oktber 2 Referensi [1] ASHRAE, ASHRAE Handbk: HVAC Applicatins, SI Editin, American Sciety f Heating, Refrigerating and Air-Cnditining Engineers, Inc., 1791 Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA 3329, 2. [2] S. A. Mumma, Over thirty years f experience with slar thermal water heating, ASHRAE Transactins. Vl. 7 Issue 1 (2) 57-63. [3] L.M. Aympe, A. Duffy, Analysis f the thermal perfrmance f a slar water heating system with flat plate cllectrs in a temperate climate, Applied Thermal Engineering 58 (2) 447-4. [4] A. Subiantr, O. K. Tiw, Analytical mdels fr the cmputatin and ptimizatin f single and duble glazing flat plate slar cllectrs with nrmal and small air gap spacing, Applied Energy (2) 392 399. [5] F. Jafarkazemi, E. Ahmadifard, Energetic and exergetic evaluatin f flat plate slar cllectrs, Renewable Energy 56 (2) -63. [6] Y. Deng, Y. Zha, W. Wang, Z. Quan, L. Wang, D. Yu, Experimental investigatin f perfrmance fr the nvel flat plate slar cllectr with micr-channel heat pipe array (MHPA-FPC), Applied Thermal Engineering 54 (2) 44-449. [7] K.K. Chng, K.G. Chay, K.H. Chin, Study f a slar water heater using statinary V-trugh cllectr, Renewable Energy 39 (2) 27-2.