PENGUJIAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR UNTUK PEMANAS AIR LAUT DENGAN MEMBANDINGKAN PERFORMANSI KACA SATU DENGAN KACA BERLAPIS KETEBALAN 5MM SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OLEH SAFRIANSYAH HASIBUAN NIM. 130421017 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa sebab karena kasih dan karunianya penulis mampu menyelesaikan tugas sarjana ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sehingga memperoleh gelar sarjana, di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Adapun tugas sarjana yang dipilih dengan judul Pengujian Kolektor Surya Plat Datar Untuk Pemanas Air Dengan Membandingkan Performansi Kaca Satu Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm. Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Univesitas Sumatera Utara. 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staff laboratorium di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. 4. Orang Tua penulis Parlagutan Hasibuan dan Syarifahani Batu Bara yang senantiasa memberikan doa, dana dan dorongan dalam menyelesaikan skripsi ini. 5. Abang dan adik, yang telah memberikan dukungan baik dalam doa, dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi ini. 6. Rekan satu tim Christ Julio Bangun dan teman-teman ekstensi angkatan 2013 yang telah memberikan saran dan masukan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik. Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun ii
untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis mengucapkan banyak terima kasih. Medan, 16 Mei 2016 Penulis. Safriansyah Hasibuan NIM. 130421017 iii
ABSTRAK Salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan air panas adalah energi surya. Alat ini dinamakan sebagai pemanas air tenaga surya. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian ditransfer ke air pada pipa penukar kalor. Salah satu kelemahan pemanas air tenaga surya terkhusus pada kolektor surya plat datar adalah kehilangan panas yang cukup tinggi. Menggunakan kaca berlapis merupakan salah satu solusi terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi pemanas air tenaga surya dengan membandingkan antara kaca satu lapis dengan kaca berlapis. Kali ini yang akan dipanasi oleh kolektor surya adalah air laut. Dimensi dari kolektor surya plat datar ini adalah 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m, dan kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m x 0,005 m. Kolektor surya terdiri dari lapisan kayu, sterofoam, dan rockwoll sebagai isolator, plat alumunium sebagai penyerap panas. Dan juga dirancang tangki tempat air yang akan dipanasi yaitu 0,3 m x 0,3m x 0,4 m. Dari hasil pengujian dan analisis yang dilakukan diperoleh intensitas matahari (radiasi) maksimum yang dapat adalah 833,1 untuk kaca satu dan 870,6 untuk kaca berlapis, kehilangan panas pada kolektor adalah 190,032 Watt untuk kaca satu lapis dan 147,838 Watt untuk kaca berlapis serta efisiensi dari kolektor surya yang didapat selama proses pengujian adalah 26% untuk kaca penutup satu lapis dan 28% untuk kaca penutup berlapis. Kata Kunci : Pemanas Air, Kolektor Surya, Kaca, Pindahan Panas iv
ABSTRACT One of the renewable energy resources with the potential to produce hot water is solar energy. This tool is called a solar water heater. In this equipment, solar energy is collected and then transferred to the water in the pipe heat exchanger. One disadvantage of solar water heaters especially those on a flat plate solar collector is high heat loss. Using a layered glass is one of the best solutions. The purpose of this study was to determine the performance of solar water heaters by comparing each glass with one layer of coated glass. This time will be heated by the solar collectors is sea water. Dimensions of flat plate solar collectors are 1.5 m x 0.64 m x 0.169 m, and the cover glass 1 is 1.2 m x 0.6 m x 0.005 m. Solar collector consists of a layer of wood, Styrofoam, and rockwoll as an insulator, aluminum plate as a heat sink. And also designed the tank where the water will be heated, namely 0.3 m x 0.3M x 0.4 m. From the test results and analysis conducted obtained intensity of the sun (radiation) maximum is 833.1 to 870.6 for a single glass and coated glass, heat loss at the collector is 190.032 Watt for one layer of glass and glass-lined 147.838 Watt and efficiency of the solar collector obtained during the test was 26% for glass cover single layer and 28% for glasslined cover. Keywords : Heat Water, Solar Collector, Glass, Heat Transfer v
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... v ix x DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan penelitian... 4 1.3. Manfaat Penelitian... 4 1.4. Batasan Masalah... 4 1.5. Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1. Kolektor Surya Plat Datar... 6 2.2. Klasifikasi Kolektor Surya... 8 2.2.1. Jenis Kolektor Surya... 9 2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya... 11 2.3. Posisi Matahari... 13 2.4. Radiasi Pada Bidang Miring... 14 2.4.1 Radiasi Langsung/Sorotan... 15 2.4.2. Radiasi Sebaran... 15 vi
2.4.3 Radiasi Pantulan... 16 2.5. Perpindahan Panas... 16 2.5.1. Konduksi... 16 2.5.2. Konveksi... 18 2.5.3. Radiasi... 21 2.6. Penukar Kalor (Heat Exchanger)... 25 2.6.1 Jenis Penukar Kalor... 26 2.7. Kehilangan Energi Panas pada Kolektor... 27 2.8. Tinjauan Mekanika Fluida... 30 2.8.1 Viskositas... 30 2.8.2 Bilangan Reynold... 30 2.8.3 Persamaan Kontinuitas... 31 2.8.4 Perpindahan Kalor pada Air... 32 2.9. Desalinasi Air Laut... 33 2.10. Pompa Sirkulasi Air... 35 2.11. Energi Yang Sampai Pada kolektor pemanas Air Laut Tenaga Surya... 36 2.12. Energi yang Diserap oleh Air Laut... 37 2.13. Efisiensi dari Kolektor... 37 BAB III METODE PENELITIAN... 38 3.1. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian... 38 3.2. Waktu dan Tempat Penelitian... 39 3.3. Metode Pengujian... 39 vii
3.4. Prosedur Pengujian Kolektor Surya... 39 3.5. Alat dan Bahan... 40 3.5.1. Alat... 40 3.5.2. Bahan... 42 3.6. Set Up Experimental... 47 3.7. Kerangka Konsep Hasil Penelitian... 50 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 51 4.1. Data Pengujian... 51 4.1.1 Bentuk Kolektor Surya... 51 4.2 Perhitungan dan Hasil Data untuk Kaca Satu Lapis... 52 4.2.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)... 52 4.2.2 Perhitungan Kolektor Surya... 53 4.2.3 Menghitung Koefisien Konveksi... 54 4.2.4 Menghitung Kehilangan Panas... 57 4.2.5 Menghitung Energi yang Sampai ke Kolektor Kaca Satu Lapis... 62 4.2.6 Energi yang Diserap oleh Air... 64 4.2.7 Efisiensi dari Kolektor... 64 4.3 Perhitungan dan Hasil Data Untuk Kaca Berlapis... 65 4.3.1 Analisis Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)... 65 4.3.2 Perhitungan Kolektor Surya Kaca Berlapis... 66 4.3.3 Menghitung Koefisien Konveksi... 67 4.3.4 Menghitung Kehilangan Panas... 70 viii
4.3.5. Menghitung Energi yang Sampai ke Kolektor Kaca berlapis... 78 4.3.6. Energi yang Diserap oleh Air Pada Kolektor Kaca Berlapis... 80 4.3.7. Efisiensi dari Kolektor Kaca Berlapis... 81 BAB V KESIMPULAN... 86 5.1 Kesimpulan... 86 5.2 Saran... 86 DAFTAR PUSTAKA... 88 LAMPIRAN ix
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Riset Pemanfaatan Energi Matahari yang Pernah dilakukan di Departemen Teknik Mesin... 28 Tabel 2.1 Nilai Parameter m, K, dan n... 29 Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya... 48 Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan... 50 Tabel 4.2 Data Intensitas Matahari... 52 Tabel 4.3 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 20 April 2016... 54 Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 310,14 K... 54 Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 333,96 K... 56 Tabel 4.6 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari 04 Januari 2016... 66 Tabel 4.7 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 309,35 K... 67 Tabel 4.8 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 338,37 K... 69 Tabel 4.9 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 328,44 K... 75 Tabel 4.10 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 334,34 K... 77 x
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Bagian Kolektor Surya Plat Datar... 6 Gambar 2.2 Kolektor Surya Plat Datar.... 10 Gambar 2.3 Kolektor Surya Konsentrator... 10 Gambar 2.4 Evacuted Receiver... 11 Gambar 2.5 Pemanas Air Sistem Langsung... 12 Gambar 2.6 Pemanas Air Sistem Aktif Tidak Langsung... 12 Gambar 2.7 Deklinasi Matahari... 13 Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari... 14 Gambar 2.9 Radiasi Sorotan Tiap Jam Pada Permukaan Miring... 15 Gambar 2.10 Komponen Radiasi Pada Permukaan Miring... 16 Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi... 17 Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor... 17 Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural... 18 Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar... 19 Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas... 21 Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi... 22 Gambar 2.17 Skema Kehilangan Energi Panas Pada Kolektor... 27 Gambar 2.18 Penampang Saluran Pipa... 31 Gambar 2.19 Skema Desalinasi Sistem Vacum Natural... 35 Gambar 2.20 Skema Sirkulasi Air... 36 xi
Gambar 2.21 Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber Alat Pemanas Air Laut tenaga Surya... 36 Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pelaksanaan Penelitian... 38 Gambar 3.2 Pompa... 40 Gambar 3.3 Agilent (termokopel)... 41 Gambar 3.4 Hobo Microstation data logger... 41 Gambar 3.5 Kerangka Besi... 42 Gambar 3.6 Kayu Triplek... 43 Gambar 3.7 Rockwool... 43 Gambar 3.8 Gabus (Sterofoam)... 43 Gambar 3.9 Kaca... 44 Gambar 3.10 Plat Alumunium... 45 Gambar 3.11 Pipa Tembaga... 45 Gambar 3.12 Poros (Pejal)... 46 Gambar 3.13 Tangki Air Sirkulasi... 46 Gambar 3.14 Tangki Air Laut... 47 Gambar 3.15 Penyangga Kolektor Surya... 47 Gambar 3.16 Set Up Experimental... 48 Gambar 3.17 Kerangka Konsep Penelitian... 50 Gambar 4.1 Kolektor Surya... 51 Gambar 4.2 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 20 April 2016... 53 Gambar 4.3 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor... 58 xii
Gambar 4.4 Dimensi Kolektor Surya Kaca Satu Lapis... 60 Gambar 4.5. Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu Tanggal, 20 April 2016... 63 Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Kolektor Surya Kaca Satu Lapis Vs Qu... 65 Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 04 Januari 2016... 66 Gambar 4.8 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor... 71 Gambar 4.9 Dimensi Kolektor Surya... 73 Gambar 4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu, Tanggal 04 Januari 2016.. 79 Gambar 4.11 Grafik Efisiensi Kolektor Surya, Kaca Berlapis Vs Qu... 81 Gambar 4.12 Grafik Temperatur Air Laut Kaca 1 dan Kaca Berlapis Vs Waktu, Tanggal 04 januari dan 14 April 2016... 82 Gambar 4.13 Grafik Temperatur Air Laut Kaca 1 dan Kaca Berlapis Vs Waktu Pada Tanggal 05 Januari dan 15 April 2016... 82 Gambar 4.14 Grafik Temperatur Air Laut Kaca 1 dan Kaca Berlapis Vs Waktu Pada Tanggal 06 Januari dan 18 April 2016... 83 Gambar 4.15 Grafik Temperatur Air Laut Kaca 1 dan Kaca Berlapis Vs Waktu Pada Tanggal 07 Januari dan 19 April 2016... 84 Gambar 4.16 Grafik Temperatur Air Laut Kaca 1 dan Kaca Berlapis Vs Waktu Pada Tanggal 08 Januari dan 20 April 2016... 84 Gambar 4.17 Grafik Temperatur Air Laut Kaca 1 dan Kaca Berlapis Vs Waktu Pada Tanggal 09 Januari dan 21 April 2016... 85 xiii
DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan A Temperatur rata-rata air masuk dan air keluar o C A Massa jenis air kg/m 3 q a Kapasitas panas pada air Joule h 1 Koefisien konveksi permukaan luar W/m 2 K h 2 Koefisien konveksi permukaan dalam W/m 2 K Q 1 Kehilangan panas pada sisi dinding Watt Q 2 Kehilangan panas pada sisi alas Watt Q 3 Kehilangan panas pada sisi atas Watt Aa Luas sisi kolektor bagian atas m 3 T Pa Temperatur plat absorber o C T k1 Temperatur kaca penutup 1 T k2 Temperatur kaca penutup 2 T G1 Temperatur ruangan antara kaca penutup 1 dan 2 o C o C o C T G2 Temperatur ruangan kolektor surya o C T L Temperatur Lingkungan o C U a Koefisien kehilangan panas dari bagian atas W/m 2 K h v-k1 Kehilangan panas secara konveksi diatas permukaan kaca penutup 1 W/m 2 K h d-k1 Kehilangan energi panas karena konduktivitas termal kaca 1 dan 2 W/m 2 K xiv
h v-k2 Kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2 W/m 2 K h v-pa Kehilangan panas akibat konveksi pada permukaan plat absorber W/m 2 K h r-pa Kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan W/m 2 K Q loss Kehilangan panas total pada kolektor surya Watt Watt η Efisiensi kolektor surya % xv