LAPORAN TUGAS AKHIR Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber Diajukan Guna Memenuhi Syarat Kelulusan Mata Kuliah Tugas Akhir pada Program Sarjana Strata Satu (S1) Disusun Oleh : Nama : Hartamas Ridho Prasetyo NIM : 41310010006 Program Studi : Teknik Mesin PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2015
LEMBAR PERNYATAAN Yang bertanda tangan di bawah ini, Nama : Hartamas Ridho Prasetyo NIM : 41310010006 Jurusan Fakultas : Teknik Mesin : Teknik Judul Skripsi : Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber. Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan Skripsi yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari penulisan skripsi ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain, maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus bersedia menerima sanksi berdasarkan aturan tata tertib Universitas Mercu Buana Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan. ii
LEMBAR PENGESAHAN Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber Disusun Oleh : Nama : Hartamas Ridho Prasetyo NIM : 41310010006 Program Studi : Teknik Mesin iii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas terselesaikannya penulisan laporan Tugas Akhir ini. Hanya dengan seizin Allah SWT penulis dapat menyusun skripsi hingga selesai tepat pada waktunya. Skripsi ini disusun dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana dalam bidang Teknik Mesin (ST) di Universitas Mercu Buana. Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis telah banyak mendapatkan bantuan dan bimbingan baik secara moril maupun materil sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan semaksimal mungkin. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada : 1. Kedua orang tua, atas doa, perhatian, kesabaran, pelajaran, dorongan, dan nasehat yang selama ini tiada henti diberikan kepada penulis. 2. Ahmad Rifai dan Erlangga Hadi Kusuma, yang menjadi tim seperjuangan menyelesaikan prototype tugas akhir. 3. Bapak Dr.Ir. Abdul Hamid selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penulisan tugas akhir ini. 4. Bapak Dr.Ing. Darwin Sebayang selaku kepala program studi Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 5. Seluruh dosen pengajar di lingkungan Fakultas Teknik atas ilmu yang telah disampaikan. 6. Untuk kawan-kawan Teknik Mesin angkatan 2010 yang setiap saat selalu memotivasi agar tetap semangat dan membantu menyelesaikan tugas akhir ini. v
7. Untuk kawan kawan Bengkel Kreativitas Teknik Mesin yang tidak pernah berhenti memberikan semangat kreativitas tanpa batas. 8. Untuk sahabat-sahabat di Ahoy Canary Team yang terus memotivisasi bahwa yang muda yang berkarya. 9. Bagi semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan namanya satu persatu atas terlibatnya dalam penyusunan Tugas Akhir hingga selesai saya ucapkan terimakasih banyak. Semoga ALLAH SWT memberikan balasan yang sesuai atas dukungan dan bantuan yang telah diberikan. Penulis berharap agar karya tulis ini dapat bermanfaat bagi semua kalangan engineer untuk memberikan informasi tentang penggunaan energi matahari sebagai energi matahari yang berguna bagi masa depan. Dan penulis memahami karya tulis ini masih jauh dari kata sempurna maka dari itu penulis mengharapkan saran dan kritikkan yang sifatnya membangun pada pembaca agar dapat menyempurnakan karya tulis ini. Akhir kata penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembacanya. Jakarta, 15 Agustus 2015 Penulis vi
DAFTAR ISI Halaman Judul... i Halaman Pernyataan...ii Halaman Pengesahan...iii Abstrak...iv Kata Pengantar...v Daftar Isi...vii Daftar Tabel...xiii Daftar Gambar...xiv Daftar Simbol...xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 6 1.3 Pembatasan Masalah... 6 1.4 Tujuan Penelitian... 7 1.5 Ruang Lingkup Penelitian... 7 1.6 Penelitian Signifikan... 8 1.7 Tinjauan Pustaka... 9 1.8 Sistematika Penulisan... 10 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Cahaya... 12 2.2 Sifat Cahaya... 13 2.3 Pergerakan Bumi Terhadap Matahari...13 vii
2.4 Sudut Matahari...15 2.5 Energi Matahari...17 2.5.1 Radiasi Matahari...19 2.5.2 Jenis-Jenis Radiasi Matahari...21 2.5.3 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal...22 2.5.4 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam...23 2.6 Konstanta Surya...23 2.7 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi...25 2.8 Solar Collector...28 2.8.1 Jenis-Jenis Solar Collector...29 2.8.1.1 Flate Plate Collector (FPC)...29 2.8.1.2 Compound Parabolic Collector ( CPC )...30 2.8.1.3 Evacuated Tube Collector ( ETC )...31 2.8.1.4 Linear Fresnel Collector ( LFC )...33 2.8.1.5 Parabolic Trough Solar Collector ( PTSC )...34 2.8.1.6 Parabolic Dish Reflector ( PDR )...34 2.8.1.7 Heliostat Field Collector ( HFC )...35 2.8.1.8 Pemanas Tenaga Surya ( Solar Heater)...36 2.9 Desain Optik Solar Concentrator...38 2.10 Concentrating Ratio...39 2.11 Sudut Rim...40 2.12 Pemantulan Cahaya...40 2.12.1 Jenis Jenis Pemantulan Cahaya...41 2.12.1.1 Pemantulan Biasa...41 viii
2.12.1.2 Pemantulan Baur...42 2.12.1.3 Pemantulan Sempurna...43 2.12.1.4 Pembiasan Cahaya (Refraksi)...43 2.13 Rambat Cahaya Transmisivitas Cover Pipa Kaca...45 2.14 Kalor...47 2.14.1 Jenis Jenis Perambatan atau Perpindahan Kalor...48 2.14.1.1 Konduksi...49 2.14.1.2 Konveksi...50 2.14.1.3 Perambatan Kalor Radiasi...52 2.15 Fluida...53 2.15.1 Fluida dan Jenisnya...53 2.15.2 Sifat-sifat Fisik Fluida...54 2.15.3 Perbedaan Jenis dan Sifat Aliran Fluida pada Pipa...55 2.15.3.1 Laminar dan Turbulen...55 2.16 Titik Didih Normal atau Titik Uap Cairan...56 2.17 Faktor Geometri...57 2.18 Nilai Refleksi Material Energi Radiasi Berguna...58 2.19 Efisiensi Optik Konsentrator...60 2.20 Luas Area yang Terkonsentrasi Kalor...62 2.21 Temperatur Absorbsivitas Material pada Parabola dan Pipa Kolektor...62 2.22 Perpindahan Kalor Terjadi didalam Pipa (Overall Heat Transfer Coeficient)...64 2.23 Kerugian Panas Keseluruhan (Overall Heat Loss)...62 ix
2.24 Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor)...67 2.25 Performa...68 2.26 Efisiensi Termal Kolektor...69 BAB III METODELOGI PERANCANGAN 3.1 Mengetahui Sumber Daya...71 3.2 Persiapan Pemilihan Bahan Material pada Receiver...72 3.3 Input Data...72 3.4 Penelitian Efisiensi Pipa Absorber dengan Material yang Sudah Ditentukan...72 BAB IV PERHITUNGAN SOLAR COLLECTOR TYPE PARABOLIC TROUGH 4.1. Perhitungan Akibat Gerak Semu Harian Matahari...75 4.1.1 Perhitungan Sudut Deklinasi...75 4.1.2 Perhitungan Persamaan Waktu...75 4.1.3 Perhitungan Waktu Surya...76 4.1.4 Perhitungan Sudut Jam...77 4.1.5 Perhitungan Sudut Zenith...77 4.1.6 Perhitungan Sudut Altitute Matahari...77 4.1.7 Perhitungan Sudut Azimuth Matahari...77 4.2. Komponen Radiasi Masukan Sistem...78 4.2.1 Perhitungan Radiasi Ekstraterrestrial...78 4.2.2 Perhitungan Indeks Kecerahan Langit...78 4.2.3 Perhitungan Radiasi Hambur (Diffuse)...78 x
4.2.4 Perhitungan Radiasi Langsug (Beam)...78 4.2.5 Perhitungan Radiasi Masukan...79 4.3. Perhitungan pada Sistem Parabolic Trough...79 4.3.1 Menetukan Dimensi Parabolic Trough...79 4.3.2 Perhitungan Luas Arperture Area...80 4.3.3 Perhitungan Luas Pipa Absorber...81 4.3.4 Perhitungan Rasio Konsentrasi...81 4.3.5 Perhitungan Sudut Rim...81 4.3.6 Perhitungan Faktor Geometri...82 4.4. Perhitungan Nilai Energi Netto...82 4.4.1 Energi Berguna...82 4.4.2 Reflektifitas...82 4.4.3 Radiositas...83 4.4.4 Energi Radiasi Bersih dari Refleksi Parabola...83 4.5 Perhitungan Efisiensi Optik Konsentrator...83 4.6 Luas Area Terkensontrasi Kalor...84 4.6.1 Area Selimut Tabung...84 4.6.2 Area Parabola...85 4.7 Perhitungan Nilai Absorbsivitas Material...85 4.7.1 Suhu Parabola...85 4.7.2 Suhu Pipa Tembaga Telah di Cat Hitam...85 4.8 Desain Thermal / Heat Transfer Collector...86 4.8.1Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient Terhadap Pipa Absorber...86 xi
4.8.2Perhitungan Mencari Nilai Laju Aliran Massa dan Temperatur Suhu Air yang Keluar dari Dalam Pipa...88 4.9 Perhitungan Overall Heat Loss Coefficient...89 4.10 Perhitungan Efisiensi Collector...90 4.11 Summary Hasil Perhitungan Signifikan...93 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan...94 5.2. Saran...95 DAFTAR PUSTAKA...96 DAFTAR ACUAN...97 LAMPIRAN...98 xii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tipe Solar Collector.... 29 Tabel 2.2 Penentuan Factor Intercept γ.....61 Tabel 4.1 Titik-Titik Parabola pada Sumbu-x dan Sumbu-y.....79 Tabel 4.2 Ukuran Pipa Absorber Tembaga.....81 Tabel 4.3 Summary Hasil Perhitungan Variabel Signifikan.....93 xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Posisi Bumi Terhadap Matahari..... 14 Gambar 2.2 Lintang, Sudut Waktu dan Deklinasi Matahari...15 Gambar 2.3 Jenis Radiasi Matahari yang Mengenai Permukaan.... 22 Gambar 2.4 Hubungan Geometris Bumi-Matahari.... 24 Gambar 2.5 Beberapa Sudut Penting dalam Energi Surya.... 25 Gambar 2.6 Kolektor Surya Plat Datar.... 29 Gambar 2.7 Compound Parabolic Collector.... 31 Gambar 2.8 Evacuated Tube Collector.... 32 Gambar 2.9 Linear Fresnel Collector.... 33 Gambar 2.10 Parabolic Trough Solar Collector.... 34 Gambar 2.11 Parabolic Dish Reflector.... 35 Gambar 2.12 Heliostat Field Collector.... 36 Gambar 2.13 Parabolic Trough Solar Collector 3D dan 2D.... 37 Gambar 2.14Tinggi Titik Fokus pada Prototype PTSC dan ukuran P x L.... 39 Gambar 2.15 Pemantulan Cahaya: Sudut Datang Sama Dengan Sudut Pantul.. 41 Gambar 2.16 Pemantulan Biasa pada Cermin Membentuk Bayangan Benda.... 41 Gambar 2.17 Pemantulan Baur pada Permukaan Bidang yang Tidak Rata.... 42 Gambar 2.18 Pemantulan Sempurna pada Berlian.... 43 Gambar 2.19 Pembiasaan Cahaya.... 44 Gambar 2.20 Sinar Melalui Fokus Utama Dipantulkan Sejajar Sumbu Utama. 44 Gambar 2.21 Nilai Transmisivitas Kaca Biasa dan Kaca Borossilicate.... 46 Gambar 2.22 Pipa Logam Absorber yang di lapisi Pipa Kaca.... 46 xiv
Gambar 2.23 Komponen Energi yang Berada didalam Pipa Receiver.... 47 Gambar 2.24 Perpindahan Kalor.... 49 Gambar 2.25 Perpindahan Kalor Secara Konduksi.... 50 Gambar 2.26 Proses Konveksi dari Sepanci Air yang Dipanaskan.... 52 Gambar 2.27 Perpindahan Kalor Melalui Proses Radiasi.... 53 Gambar 2.28 Skema Aliran Fluida Laminar Dalam Pipa atau Tabung.... 56 Gambar 2.29 Skema turbulen Aliran Fluida Dalam Pipa atau Tabung.... 56 Gambar 2.30 Grafik Fokus Rasio Terhadap Luas Arperture.... 58 Gambar 2.31 Perpindahan Kalor Konduksi dan Konveksi dari Sumber Kalor... 63 Gambar 4.1 Geometri Parabola.... 80 xv
DAFTAR SIMBOL A = Luas (m ) c = Kalor spesifik Kj Kg C d = Diameter (m ) J = Radiositas w m k = Konduktifitas termal w m. l = Panjang (m ) m = Laju massa aliran kg s T = Temperatur / K A = Aparture area (m ) A = Luas pipa absorber (m ) A = Faktor Geometri C = Rasio Konsentrasi C = Kalor spesifik pada tekanan konstan Kj Kg C D = Diameter luar pipa absorber (m ) D = Diameter dalam pipa absorber (m ) E = Energi berguna w m h = Nilai konveksi akibat angin w m. h = Koefisien perpindahan kalor radiasi ( m s) I = Energi radiasi netto w m K = Indeks kecerahan rata rata P = Angka Prandtl (acuan tabel) xvi
q a total = Energi total yang di transmisikan ke dalam pipa absorber w m q = Energi berguna PTSC dengan faktor temperatur ambient (Watt) q = Energi berguna PTSC dengan perbedaaan hasil temperatur fluida (Watt) T = Temperatur yang di evaluasi pada kondisi temperatur dinding ( ) T = Temperatur Ambient / K T = Temperatur fluida masuk dalam pipa ( ) T = Temperatur fluida rata rata ( ) U = Nilai heat loss total w m. u = Debit aliran ( m s) β = Sudut ketinggian matahari (deg) γ = Sudut permukaan azimuth = Garis lintang δ = Sudut deklinasi (deg) ω = Sudut waktu harian (m ) φ = Sudut rim (m ) γ = Intercept faktor (Acuan Tabel) θ = Sudut incident θ = Sudut zenith α = Sudut ketinggian matahari γ = Sudut azimuth matahari η = Efisiensi optik ρ = Reflektivitas material parabola concentrator τ = Sudut azimuth matahari σ = Konstanta Stefan Boltzman (5,669 10 ) ρ = Reflektifitas xvii
ε = Emisimivitas α = Absorpsivitas ħ = Koefisien perpindahan kalor rata rata w m. μ = Viskositas dinamik μ = Viskositas dinamik yang di evaluasi dari temperatur fluida kg m. s ρ = Densitas Kg m SATUAN TAK BERDIMENSI Re = N = hx k P = C μ k Angka Reynolds Angka Nusselt Angka Prandtl xviii