Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No., Juli 2016 (1 6) Analisa performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali Abstrak Energi matahari adalah salah satu sumber alternatif yang sangat mudah diperoleh di Indonesia. Namun pemanfaatan energi matahari belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu diperlukan suatu alat yang bisa memanfaatkan energi matahari secara optimal. Kolektor surya adalah sebuah alat yang mampu menyerap dan memindahkan panas dari energi matahari ke fluida kerja. Penelitian dilakukan dengan kolektor surya pelat bergelombang bertujuan untuk menambah luasan permukaan penerima radiasi matahari. Penelitian ini dilakukan dengan variasi kecepatan udara 8 m/s, 6,4 m/s, 4,8 m/s, 3,2 m/s dan 1,6 m/s. Hasil dari pengujian dan perhitungan didapat energi berguna dan efisiensi paling besar yang dihasilkan kolektor pada masing-masing kecepatan adalah : kecepatan 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794 %, kecepatan 6,4 m/s, Qu = 596 W, ɳa = 24.0621 %, kecepatan 4,8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa = 17.6027 %, kecepatan 3,2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳa = 31.4614 % dan kecepatan 1,6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451 %. Kata Kunci : Kolektor surya pelat bergelombang, Variasi kecepatan udara, Performansi kolektor. Abstract Solar energy is one alternative source that is readily available in Indonesia. However, the utilization of solar energy has not been used optimally. Therefore we need a tool that can harness solar energy optimally.solar collector is a device that is able to absorb and transfer heat from the solar energy to the working fluid. The study was conducted with a corrugated plate solar collector aims to increase the surface area of the sun's radiation recipients. This study was done by varying the air velocity 8 m/s, 6.4 m/s, 4.8 m/s, 3.2 m/s and 1.6 m/s. The results of the testing and calculations obtained useful energy and efficiency generated most collectors at each speed are: speed of 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794%, the speed of 6.4 m/s, Qu = 596 W, ɳa = 24.0621%, the speed of 4.8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa = 17.6027%, a speed of 3.2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳa = 31.4614% and a speed of 1.6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451%. Keywords : corrugated plate solar collectors, air speed variation, Performance collector. 1. Pendahuluan Indonesia merupakan negara yang memiliki iklim tropis yang sinar mataharinya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Banyak pemanfaatan sumber energi matahari yang sudah dilakukan di beberapa tempat di Indonesia, seperti menjemur padi, cengkeh, pakaian, dan lain sebagainya. Energi matahari adalah salah satu sumber alternatif yang sangat mudah diperoleh di Indonesia. Namun pemanfaatan energi matahari belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu diperlukan suatu alat yang bisa memanfaatkan energi matahari secara optimal. Perangkat yang digunakan untuk memanfaatkan energi surya disebut kolektor surya. Kolektor surya adalah sebuah alat yang mampu menyerap dan memindahkan panas dari energi matahari ke fluida kerja. Ada beberapa tipe kolektor surya, salah satu diantaranya adalah kolektor surya pelat datar. Jenis kolektor ini menggunakan pelat lembaran, dimana untuk mendapatkan hasil yang optimal pelat dicat dengan cat berwarna hitam doff, tujuannya adalah untuk mendapatkan penyerapan radiasi matahari yang optimal. Untuk menjaga supaya tidak terjadi kerugian panas, maka digunakan tutup transparan berupa kaca bening sehingga terjadi efek rumah kaca, dan pada bagian bawah dan samping diberikan isolasi. Pada dasarnya, modifikasi atau pengembangan kolektor surya dapat dilakukan dengan beberapa cara, seperti membuat pengganggu aliran udara di dalam kolektor dengan menggunakan sirip berlubang [1]. Penggunaan pelat bergelombang sebagai pelat penyerap pada kolektor [2], dan performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan aliran fluida mengikuti kontur pelat dan variasi jumlah saluran udara [3]. Adapun permasalahan yang akan dibahas pada penelitian ini yaitu, bagaimana pengaruh variasi kecepatan udara yang diberikan ke kolektor terhadap performansi kolektor surya pelat bergelombang. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi yang dihasilkan dari kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara. 2. Dasar Teori Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur, dimana energi yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas (heat). Panas akan berpindah dari medium yang bertemperatur lebih tinggi ke medium yang temperaturnya lebih rendah. Perpindahan panas ini berlangsung terus sampai ada kesetimbangan temperatur diantara kedua medium tersebut.perpindahan panas dapat terjadi melalui Korespondensi: Tel. 081353364619 E-mail: danuwiranugraha174@gmail.com
beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpindahan panas konduksi merupakan perpindahan panas yang terjadi pada suatu media atau pada media fluida yang diam akibat adanya perbedaan temperatur antara permukaan yang satu dengan permukaan yang lain pada media tersebut. Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum Fourier tentang Konduksi (Fourier Low of Heat Conduction), yang persamaan matematikanya sebagai berikut: dt q kond ka (1) dx dimana: q = laju perpindahan panas konduksi (W) K A kond = konduktivitas termal bahan (W/m.K) =luas penampang tegak lurus terhadap arah aliran panas (m 2 ) = gradien temperatur pada penampang (K/m) dt dx (-) = perjanjian Fourier Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu permukaan media padat atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir atau bergerak atau sebaliknya akibat adanya perbedaan temperatur. Laju perpindahan panas konveksi adalah merupakan hukum Newton tentang pendinginan (Newton's Law of Cooling) yaitu: q h. A T T (2) konv s. s dimana: q konv = Laju perpindahan panas konveksi (W) h = Koefisien perpindahan panas konveksi ( W/m 2.K) As = Luas permukaan perpindahan panas (m 2 ) Ts = Temperatur permukaan (K) T = Temperatur fluida (K) Energi dari medan radiasi ditransportasikan oleh pancaran atau gelombang elektromagnetik (photon), dan asalnya dari energi dalam material yang memancar. Transportasi energi pada peristiwa radiasi tidak harus membutuhkan media, justru radiasi akan lebih efektif dalam ruang hampa. Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda riil (nyata), q rad,g (W), adalah : q rad,g = ε. σ. T s 4. A (3) dimana : q rad,g = laju pertukaran panas radiasi (W) ε = emisivitas (0< ε < 1) σ = konstanta proporsionalitas dan disebut konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya 5,67 x 10-8 (W/m 2 K 4 ) A = luas bidang permukaan (m 2 ) Ts = temperatur benda (K) Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu media, maka sebagian energi radiasi tersebut akan di pantulkan (refleksi), sebagian akan diserap (absorpsi), dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi) [4], seperti ditunjukan pada gambar 1 dibawah ini: Gambar 1 Bagan pengaruh radiasi datang Sumber: (Bejan, 1993 halaman 507) Energi yang berguna digunakan untuk menghitung seberapa besar panas yang berguna yang dihasilkan oleh kolektor surya. Sedangkan efsiensi digunakan untuk menghitung performansi atau unjuk kerja dari kolektor surya tersebut. Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi berguna pada kolektor digunakan persamaan: Q u,a = ṁ x c p x (T out - T in) (4) dimana: Q u,a = panas yang berguna (Watt) ṁ = laju aliran massa fluida (kg/s) c p = panas jenis fluida (J/kg.K), nilai c p didapat dari properties fluida berdasarkan temperatur (T rata rata = T 0+T i ) 2 T in = temperatur fluida keluar (K) = temperatur fluida masuk (K) T out Efisiensi kolektor adalah perbandingan panas yang diserap oleh fluida atau energi berguna dengan intensitas matahari yang mengenai kolektor. Performansi kolektor dapat dinyatakan dengan efisiensi thermal akan tetapi, intensitas matahari berubah terhadap waktu. Efisiensi kolektor surya dihitung menggunakan persamaan: a = Qu,a x 100% (5) Ac x IT dimana : ɳa = efisiensi actual kolektor (%) Q u,a = energi berguna pada kolektor ( Watt ) Ac = luas kolektor IT = intensitas cahaya matahari 2
3. Metode Penelitian 3.1 Deskripsi Penelitian Penelitian yang dilakukan adalah penelitian dengan metode eksperimental. Penelitian ini dimulai dengan pembuatan kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara, variasi kecepatan udara yang akan dilakukan adalah dengan variasi bukaan katup pada blower, variasi kecepatan dibuat dengan kecepatan 1,6 m/s, 3,2 m/s, 4,8 m/s, 6,4 m/s dan 8 m/s. Setelah persiapan selesai maka dilakukan pengujian pada kolektor surya dengan cara pengamatan dan pencatatan data-data yang dutunjukkan oleh alat ukur. Setelah mendapatkan data-data yang aktual dari kolektor surya tersebut maka temperatur keluar kolektor diukur dan energi berguna dan efisiensi dihitung secara aktual. Kemudian dari analisis tersebut dapat ditarik kesimpulan mengenai performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara. Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi munculnya suatu gejala dalam penelitian ini variabel babasnya adalah intensitas radiasi matahari, waktu penelitian, dan variasi kecepatan aliran udara. Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi atau yang menjadi akibat karena adanya variabel bebas. Dalam penelitian ini variabel terikatnya adalah energi berguna dan efisiensi kolektor surya. membuat aliran udara turbulen di dalam kolektor surya dan untuk memperluas bidang penyerapan panas. Untuk penutup bagian atas kolektor digunakan kaca bening dengan ketebalan 5mm. Pada bagian bawah dan samping kolektor diberi isolasi yang terdiri dari Styrofoam dengan ketebalan 20mm dan triplek dengan ketebalan 10mm. Jarak antara kaca dengan pelat penyerap N = 10cm. Kemiringan kolektor dibuat dengan sudut kemiringan 30,dan pada bagian lubang masuk udara dibuat sekat-sekat pembagi udara masuk. 3.3 Penempatan Alat Ukur Kecepatan udara di ukur pada saluran udara keluar kolektor dengan anemometer. Untuk pengukuran temperatur pelat penyerap dan udara mengalir digunakan thermocouple dan thermometer, yang dipasang masing-masing pada titik pengujian. Gambar 3. Penempatan Alat Ukur 3.4 Diagram Alir Penelitian Gambar 2. Konstruksi kolektor surya pelat bergelombang Keterangan: 1. Lubang keluar udara panas kolektor surya 2. Triplek 3. Styrofoam (isolator) 4. Pelat penyerap panas bergelombang 5. Kaca ( tutup transparan) 6. Sekat pembagi udara masuk 7. Lubang udara masuk kolektor surya 3.2 Persiapan Peralatan Luas kolektor surya yang dipakai A = 3,2m 2, dengan lebar kolektor W c = 1,6m dan panjang kolektor L p = 2m. Pelat penyerap menggunakan pelat bergelombang (seng atap) dicat dengan warna hitam doff. Penggunaan pelat bergelombang bertujuan untuk A 3
A dihasilkan kolektor menjadi kecil. Energi berguna paling besar dihasilkan pada pukul 12:10. Gambar 6. Grafik energi berguna aktual (Qu,a) pada kecepatan aliran udara 3,2 m/s Gambar 4. Diagram alir penelitian 4. Hasil dan Pembahasan Dari hasil pengujian kemudian dilakukan perhitungan dengan menggunakan persamaanpersamaan di atas diperoleh hasil yang dibuat dalam grafik hasil pengujian. Pada gambar 6 dapat dijelaskan, terjadi penurunan energi berguna pada pukul 11:10, hal ini disebabkan karena Tout yang dihasilkan kolektor kecil yang dipengaruhi oleh turunnya intensitas cahaya matahari yang masuk kolektor, karena berkurangnya panas yang diserap kolektor menyebabkan panas udara yang mengalir di dalam kolektor akan berkurang sehingga menghasilkan energi berguna yang kecil. Energi berguna paling besar dihasilkan pada pukul 12:00. 1. Grafik Energi Berguna Tiap Kecepatan Gambar 7. Grafik energi berguna aktual (Qu,a) pada kecepatan aliran udara 4,8 m/s Gambar 5. Grafik energi berguna aktual (Qu,a) pada kecepatan aliran udara 1,6 m/s Pada gambar 5 dapat dijelaskan, penurunan energi berguna terjadi pada pukul 10:30 dan 11:50 hal ini disebabkan karena Tout kolektor yang menurun yang dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari yang masuk ke dalam kolektor, karena berkurangnya panas yang diterima oleh udara yang mengalir di dalam kolektor menyebabkan energi berguna yang Paga gambar 7 dapat dijelaskan, terjadi penurunan energi berguna pukul 12:00 dan 13:40 hal ini disebabkan oleh Tout kolektor yang dihasilkan kecil karena pengaruh dari turunnya intensitas cahaya matahari. Karena berkurangnya panas yang diserap oleh kolektor menyebabkan turunnya panas udara yang mengalir di dalam kolektor sehingga energi berguna yang dihasilkan menjadi kecil. Energi berguna paling besar dihasilkan pada pukul 13:00. 4
2. Efisiensi Aktual (ƞa) Kolektor Pelat Bergelombang Gambar 8. Grafik energi berguna aktual (Qu,a) pada kecepatan aliran udara 6,4 m/s Pada gambar 8 dapat dijelaskan, terjadi penurunan energi berguna kolektor pada pukul 15:00, hal ini disebabkan oleh Tout yang dihasilkan kecil karena pengaruh dari intensitah cahaya matahari yang menurun. Dengan turunnya panas yang diterima oleh kolektor menyebabkan penurunan temperatur pada udara mengalir yang ada di dalam kolektor sehingga energi berguna yang dihasilkan akan kecil. Energi berguna paling besar diperoleh pada pukul 12:10. Gambar 10. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada kecepatan aliran udara 1,6 m/s Pada gambar 10 dapat dijelaskan, efisiensi pada jam 10:10 naik diakibatkan karena intensitas cahaya matahari menurun, intensitas akan berbanding terbalik dengan efisiensi, selain pengaruh dari intensitas efisiensi juga dipengaruhi oleh besarnya Qu yang dihasilkan, semakin besar Qu maka efisiensi akan semakin besar juga. Efisiensi paling besar didapat padat pukul 10:10. Gambar 11. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada kecepatan aliran udara 3,2 m/s Gambar 9. Grafik energi berguna aktual (Qu,a) pada kecepatan aliran udara 8 m/s Pada gambar 9 dapat dijelaskan, energi berguna yang dihasilkan terjadi penurunan pada pukul 11:20, 11:40, 12:30 dan 15:10 hal ini disebabkan oleh Tout yang dihasilkan kolektor kecil karena pengaruh dari intensitas cahaya matahari yang menurun, cepatnya penurunan energi berguna juga dipengaruhi oleh kecepatan aliran udara yang melewati kolektor sehingga pada kecepatan yang tinggi pada saat I T turun energi berguna akan menurun yang disebabkan oleh Tout yang menurun dengan cepat karena pelat penyerap lebih cepat membuang panasnya ke udara. Energi berguna paling besar diperoleh pada pukul 12:50. Pada gambar 11 dapat dijelaskan, terjadi peningkatan efisiensi pada pukul10:50, hal ini disebabkan karena intensitas cahaya matahari yang menurun sehingga pada saat intensitas turun energi yang ada di dalam kolektor dilepaskan keluar oleh kolektor yang menyebabkan efisiensinya meningkat. Efisiensi paling besar didapat pada pukul 10:50. Gambar 12. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada kecepatan aliran udara 4,8 m/s 5
Pada gambar 12 dapat dijelaskan, terjadi peningkatan efisiensi pada pukul 13:40 hal ini disebabkan karena intensitas cahaya matahari yang turun, sesuai dengan rumus efisiensi jika intensitas semakin kecil maka efisiensi yang dihasilkan kolektor akan meningkat. Gambar 13. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada kecepatan aliran udara 6,4 m/s Pada gambar 13 dapat dijelaskan, terjadi peningkatan efisiensi pada pukul 14:40, hal ini disebabkan turunnya intensitas cahaya matahari, dimana efisiensi sangat dipengaruhi oleh intensitas yang masuk ke dalam kolektor, sesuai dengan rumus ƞ a = Q u, jika Qu yang dihasilkan besar maka Ac x I T efisiensi akan meningkat dan jika intensitas kecil maka efisiensi juga akan meningkat. kecepatan udara adalah kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara adalah: 1. Intensitas cahaya matahari dan kecepatan aliran udara yang diberikan pada kolektor mempengaruhi T out, Qu dan efisiensi kolektor. 2. Energi berguna dan efisiensi paling besar yang dihasilkan kolektor pada masingmasing kecepatan adalah : kecepatan 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳ a = 22.0794 %, kecepatan 6,4 m/s, Qu = 596 W, ɳ a = 24.0621 %, kecepatan 4,8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳ a = 17.6027 %, kecepatan 3,2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳ a = 31.4614 % dan kecepatan 1,6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳ a = 8.0451 %. Daftar Pustaka [1] Gigih Predana Putra, I Nyoman, (2015), Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Datar dengan Variasi Sirip Berlubang, Skripsi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana, Bali. [2] Hollands, K. G. T., (1963), Directional selectivity, emittance, and absorptance properties of vee corrugated specular surfaces. [3] Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, (2013), Analisis Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang Dengan Aliran Fluida Mengikuti Kontur Pelat dan Variasi Jumlah Saluran Udara, Skripsi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana, Bali. [4] Bejan, Andrian, (1993), Heat Transfer. Second Edition, Duke University, Jhon Willey and Sons Inc. Gambar 14. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada kecepatan aliran udara 8 m/s Pada gambar 14 dapat dijelaskan, efisiensi yang didapat naik dan turun, hal ini disebabkan oleh naik dan turunnya intensitas cahaya matahari sehingga efisiensi yang didapat akan berubah ubah, selain dipengaruhi oleh intensitas, efisiensi juga dipengaruhi oleh Qu dan kecepatan udara yang diberikan pada kolektor, jika kecepatan udara yang masuk kolektor semakin besar maka Qu akan yang dihasilkan akan meningkat dan menghasilkan efisiensi kolektor yang besar juga. 5. Kesimpulan Kesimpulan yang didapat dari analisa performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi I Kadek Danu Wiranugraha menyelesaikan studi program sarjana di Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana dari tahun 2011 sampai 2016. menyelesaikan studi program sarjana dengan topik penelitian Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang dengan Variasi Kecepatan Udara. 6