BAB IV PERHITUNGAN SOLAR COLLECTOR TYPE PARABOLIC TROUGH 4.1. Perhitungan Akibat Gerakan Semu Harian Matahari 4.1.1 Perhitungan Sudut Deklinasi Untuk mengetahui sudut deklinasi (δ) menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ]: (2.4) δ =23,45 sin () Dimana n adalah hari ke-n [Wiliam A. Beckman Halaman 14] dalam 1 tahun( 1 untuk tanggal 1 Januari dan 365 untuk 31 Desember,penelitian dilakukan pada tanggal 7 juni maka n = 158 δ = 23,45 sin () = 22,74 o 4.1.2 Perhitungan Persamaan Waktu Untuk mengetahui persamaan waktu (E) menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.6) E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos B 0,032077 sin B - 0,014615 cos 2B - 0,04089 sin 2B} Untuk mencari nilai B menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.7) 39
40 Dengan B = () B = () B =154,85 o Maka : E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos (154,85 0 ) 0,032077 sin (154,85 0 ) - 0,014615 cos (2 x 154,85 0 ) - 0,04089 sin (2 x 154,85 0 ) } =1,576 menit 4.1.3 Perhitungan waktu surya Untuk mengetahui waktu surya kita bisa menggunkan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.8) Solar Time = Standart Time + [4(Lst Lloc) + E] Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data : penelitan ini mengambil waktu antara jam 09.00 wib 14.00 wib maka : Standart Time = 12:00:00 AM Solar Time = Standart Time + [4 (255 253) + 1,576] =12:09:57 4.1.4 Perhitungan Sudut Jam Untuk mengetahui sudut jam (ω) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.5) ω = 15 (ST 12:00:00)
41 = 15 (12:09:57 12:00:00) = 2,48 4.1.5 Perhitungan Sudut Zenith Untuk mengetahui sudut zenith (θz) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.9) cos θz = cos δ cos cos ω + sin δ sin = cos 22,74 cos ( 6,2 ) cos 2,48 ) + sin 22,74 sin ( 6,2 ) θz = 29,04 4.1.6 Perhitungan Sudut Altitute Matahari Untuk mengetahui sudut altitude matahari (αs) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.10) αs = 90 - θz = 90-29,04 = 60,96 4.1.7 Perhitungan Sudut Azimuth Matahari Untuk mengetahui sudut azimuth matahari (γs)bisa menggunakan persmaan [Wiliam A. Beckman ] (2.11) Dengan sinγs = sinγs = (, ) (, ) (, ) γs= 4,715 o
42 4.2. Komponen Radiasi Masukan System 4.2.1. Perhitungan Radiasi Ekstraterrestrial Untuk mengetahui radiasi ekstraterrestrial pada bidang horizontal (G 0 ) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.12) G 0 = Gsc (1 + 0.033 cos.. cosθz) = 1353 (1 + 0.033 cos.. cos (29.04 ) = 1149,12 W/m 2 4.2.2 Perhitungan Indeks Keerahan Langit Untuk mengetahui indeks keerahan langit (K T ) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.13) K T = =,, = 0,585 4.2.3 Perhitungan Radiasi Hambur (Diffuse) Untuk mengetahui Radiasi hambur (diffuse) (Gd) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.14) Untuk : 0,22 kt 0,80 Maka Gd = G (0,9511 0,1604 kt + 4,388 kt 2 16,638kT 3 + 12,336 kt 4 ) Gd = 317,92 W/m 2
43 4.2.4 Perhitungan Radiasi Langsung (Beam) Gb = G Gd = (672,480 317,92) W/m2 = 354,56 W/m 2 4.2.5 Perhitungan Radiasi Masukan G T = G b.r b + G d ( = 354,56 x 1 + 317,92( = 672,480 W/m 2 ) + G. ρ g ( ) ( ) ) + 672,480 x 0.6 ( ( ) )
44 4.3. Perhitungan Pada System Parabolic Trough 4.3.1. Menetukan Dimensi Parabolic Trough Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = 4px 2 dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbuy,p adalah jarak titik focus dan parabola.posisi titik parabola bisa dilihat pada table 4.1 dan geometri parabola didapat dengan menggambarkan titik-titik koordinat ini seperti terlihat pada gambar 4.1 dibawah ini. Table 3.1 titik-titik parabola pada sumbu-x dan sumbu-y x (cm) y(cm) -500 250-437.5 191.41-375 140.63-312 97.66-250 62.5-187 35.16-125 15.63-62.5 3.91 0 0 62.5 3.91 125 15.63 187.5 35.16 250 62.5 312.5 97.66 375 140.63 437.5 191.41 500 250
45 parabola 300 200 100 0-600 -400-200 0 200 400 600 y(cm) Gambar 4.1 Geometri parabola 4.3.2 Perhitungan Luas Arperture Area (Aa) Untuk mengetahui luas arperture area (Aa) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.18) Aa = P x L = 1500 x 1000 = 1500000 mm = 1,5 m 2 4.3.3 Perhitungan Luas Pipa Absorber (Ar) Untuk mengetahui luas pipa absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.19) Ar = π.d.l = 3,14 x 0,0127 x 1,75 = 0,060 m 2
46 4.3.4 Rasio Konsentrasi (Cr) Untuk mengetahui Rasio konsentrasi (Cr) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.20) Cr = =,, = 25 4.3.5 Perhitungan sudut rim (φ r ) Untuk mengetahui sudut rim (φ r ) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.21) φ r = 2 tan -1 = 2 tan -1, = 100 o 4.3.6 Perhitungan Factor Geometri (A f ) Untuk mengetahui Factor Geometri (A f ) bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.22) A f = = ( ),, (, ). = 0,34
47 4.3.7 Perhitungan efisiensi optic (η 0 ) Untuk mengetahui efisiensi optic (η 0 ) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.23) η 0 = ρ m τ c α a γ [(1-A f tan (θ)) cos (θ))] Asumsi asumsi : ρ m = 0,89 sputtered alumunium optical reflector τ c = 1 tidak menggunakan cover α a = 0,93 untuk tembaga dalam alumunium γ = 0,81 dari table θ = 0 o tepat mengarah ke matahari Karena efisiensi optic concentrator dipengaruhi oleh variable sudut incident (θ) yang berubah-ubah tiap waktu maka efisiensi optic pun bisa berubah-ubah setiap saat. Dengan sudut incident 0 o berarti efisiensi pada perhitungan ini adalah efisiensi maksimum yang dapaat dicapai concentrator. Maka di dapat efisiensi optic : η 0 = 0,89 x 1 x 0,93 x 0,81[(1-0,34 tan (0 o )) cos (0 o ))] = 0,67 Sedangkan untuk radiasi yang terserap pipa receiver sebesar : S = G T ρ. γ. α a = 672,480 x 0,89 x 0,81 x 0,93 = 450,855 W
48 4.4. Desain thermal/ heat transfer collector 4.4.1. Perhitungan overall heat loss coefficient (U L ) Untuk melakukan perhitungan overall heat loss coefficient (U L ) kita diharuskan mencari bilangan Re Re = =.,, = 22935 Untuk aliran udara melewati pipa tunggal dengan 1000<Re>50000 bilangan Nuselt sekitar 25% lebih besar dari pada persamaan Nu. Nu = 0,3 (Re) 0,6 = 0,3 (22935) 0,6 = 124 Untuk mengetahui h w kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.26) h w =Nu = 124,, = 24,8 w/m 2 o C Untuk mengetahui h r kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.27) h r = 4 σε T 3 = 4 x 5,67 x 10-8 x 0,72 x 303 3 = 4,54
49 Untuk mengetahui U L kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.25) U L = h w x h r = 24,8 x 4,54 = 29.34 w/m 2 o C 4.4.2 Perhitungan overall heat transfer coefficient (U 0 ) Untuk melakukan perhitungan overall heat transfer coefficient (U 0 ) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.28) U 0 = ( + + ) -1 Sebelum melakukan perhitungan overall heat transfer coefficient (U 0 ) terlebih dahulu kita harus mencari koefisien perpindahan panas dalam pipa yang mengaliri air (h ) h = Nu Re = Untuk aliran turbulen = ṁ =,/,, Nu = 0,0158Re 0,8 = 0,0158 x 2474 0,8 = 8,19 = 2474 aliran turbulen h = Nu Maka U 0 = ( = 8,19,, = 420,98 w/m 2 o C +,.,, = 25,72 w/m 2 o C,,, +, ) -1
50 4.4.3 Perhitungan efisiensi collector (F ) Untuk melakukan perhitungan efisiensi collector (F ) kita bisa menggunakan persamaan [Wiliam A. Beckman ] (2.30) F = =,, = 0,87 F r = ṁ [1 e -( A U F /ṁc )],, = [1,, e-(,,, )] = 0,842,, Berdasarkan pada standard ASHRAE 93 (Duffie &Beckman,1982), performa concentrating collector yang beroprasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan (2.31) q u = F r A a [I η 0 (T T )] = ṁ C (T T ) Dari persamaan ini,ruas kiri adalah rumus teoritis. Dengan asumsi-asumsi dan perhitungan yang telah dilakukan diatas didapat energy berguna dari kolektor concentrating adalah : q u = 0,842 x 1,5 [672,480 x 0,67, (35 27)] = 369,70 watt Energy berguna ini digunakan untuk memanaskan air/fluida yang mengalir dengan laju aliran tertentu sehingga menghasilkan perbedaan temperature masuk dan temperature keluar fluida sebesar (T T ).
51 Untuk mencari perbedaan temperature kita bisa menggunakan persamaan (2.32) : q u = ṁ C (T T ) 557,20=, x 4473,1 x (T T ) (T T ) = 9,92 o C Jadi secara teoritis solar concentrator ini dapat menghasilkan perbedaan temperature masuk dan keluar sebesar 9,92 o C dengan asumsi-asumsi dan perhitungan parameter diatas. Efisiensi termal dari concentrating collector menurut 93 (Duffie &Beckman,1982),bisa menggunakan persamaan (2.32) η = F r [η 0 (T T )] = ṁ ( ) η = =,,, = 0,367 Maka energy yang terpakai q u adalah 369,70 watt Dan efisiensinya η adalah 0,367 x 100% = 36,7%