REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR ROSYID KUS RAHMADI

digilib.uns.ac.id REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Disusun Oleh: ROSYID KUS RAHMADI M0206060 SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar Sarjana Sains Fisika JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA September, 2013

digilib.uns.ac.id 2 REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Disusun Oleh: ROSYID KUS RAHMADI M0206060 SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA September, 2013

digilib.uns.ac.id 3 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi dengan judul: REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Yang ditulis oleh: Nama : Rosyid Kus Rahmadi NIM : M0206060 Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada: Hari : Selasa Tanggal : 17 September 2013

digilib.uns.ac.id 4 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi sekripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, September 2013 ROSYID KUS RAHMADI

digilib.uns.ac.id 5 MOTTO Apapun yang diberikan kepadamu, maka itu adalah kesenangan hidup di dunia. Sedangkan apa yang ada di sisi Allah lebih baik dan lebih kekal bagi orang-orang yang beriman, dan hanya kepada Tuhan mereka bertawakal. {Q.S. Asy-Syura (42): 36} Jika anda bisa memimpikan sesuatu, maka anda tentu bisa meraihnya (Zig Ziglar)

digilib.uns.ac.id 6 PERSEMBAHAN Dengan rahmat Allah SWT, karya ini kupersembahkan kepada: 1. Allah SWT, atas segala kesempatan dan karunianya hingga selesainya sekripsi ini. 2. Orang tua dan seluruh keluargaku tercinta, atas semua dukungan dan kasih sayangnya. 3. Almamaterku, jurusan Fisika serta fakultas MIPA 4. Teman-teman seperjuanganku, kalian tak tergantikan.

digilib.uns.ac.id 7 REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Rosyid Kus Rahmadi M0206060 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Sistem pemanas air tenaga surya telah banyak diteliti baik secara eksperimen maupun secara teoritis. Kolektor surya mampu menyerap energi matahari, mengubahnya menjadi panas dan menyalurkannya menuju pipa-pipa fluida sebagai sistem pemanas air. Parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja kolektor surya tersebut diantaranya letak antar pipa-pipa pemanas, diameter pipa, jumlah kaca penutup, tebal insulasi dan material yang digunakan. Sehingga didapat temperatur air panas keluaran yang tinggi serta lebih efisien. Melalui rumusan matematis yang telah disimulasikan dengan komputer, parameter-paremeter tersebut dapat direkayasa untuk mendesain sebuah kolektor. Nilai parameter optimal yang didapatkan diantaranya jarak antar pipa: 1 cm, diameter pipa 1 cm, jumlah kaca penutup: 2, dan tebal insulasi: 7 cm. Dengan menggunakan ukuran-ukuran diatas, kolektor surya telah digunakan untuk memanaskan air sebanyak 40 Liter dari pukul 08.00 WIB sampai pukul 15.00 WIB. Dalam pengukuran tersebut diperoleh suhu air keluaran tertinggi 51 o C pada tanggal 20 Maret 2013 pukul 13.15 WIB dan 52 o C pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 14.00 WIB. Kata kunci : Kolektor surya, pemanas air, simulasi, pengoptimalan

digilib.uns.ac.id 8 DESIGNING OF FLAT PLATE SOLAR WATER HEATER COLLECTORS Rosyid Kus Rahmadi M0206060 Departement of Physics. Faculty of Mathematics and Natural Sciences Sebelas Maret University ABSTRACT Solar water heater systems have been development by experimentally and teoretically. Solar collector able to absorb solar radiation, convert it into heat energy and finally transfer this heat to working fluid as water heater system. The parameters which affect to performance of solar collector is distant betwent fluid pipes, pipe diametre, thick of insulation and material properties will be using. So, can be collect outlet hot water temperatures in higger rate and more efficient. Through the matematic equation in computer simulation, that parameters can be optimized to design a solar collector. The optimized parameter value was gained in simulation are distance each pipes is 1 cm, pipe diametre is 1 cm, many of glass cover is 2 and thick of insulation is 7 cm. By using the above measures, the solar collector has been used to heat the water as much as 40 liters from 08.00 am until 15.00 pm. The measurements obtained in the highest output water temperature 51 o C on March 20, 2013 at 13:15 pm and 52 o C on March 21, 2013 at 14:00 pm. Key word : Solar collectors, water heater, optimizing, Designing

digilib.uns.ac.id 9 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala nikmat dan karunia-nya, sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Selesainya skripsi ini dikarenakan adanya dorongan, bimbingan, saran, pendampingan serta berbagai bantuan baik moriil maupun materiil dari banyak pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada: 1. Bapak Prof. Ir. Ari Handono R., M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, masukan, memberi motivasi dan saran dalam penyusunan skripsi. 2. Bapak Ahmad Marzuki, M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing II yang telah mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan saran serta motivasi dalam penyelesaian skripsi. 3. Bapak dan Ibu dosen beserta para staff di Jurusan Fisika, terima kasih atas segala bimbingan dan bantuannya. 4. Bapak, Ibu, Kakak dan seluruh keluarga saya, yang telah memberikan dukungan moral dan material. 5. Teman-temanku Keluarga besar angkatan 2006, terima kasih atas bantuan dan motivasinya. 6. Adik-adik tingkat di jurusan Fisika, terima kasih atas kebersamaannya 7. Semua pihak yang telah ikut mendukung dalam proses penyelesaian skripsi ini. Semoga Allah SWT memberikan balasan atas kebaikan dan bantuan yang telah diberikan. Penulis menyadari masih ada banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Penulis berharap semoga karya ini dapat memberi manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Amin. Surakarta, September 2013 Penulis

digilib.uns.ac.id 10 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL. i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN.. iii HALAMAN MOTTO... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v HALAMAN ABSTRAK... vi HALAMAN ABSTRACT vii KATA PENGANTAR... viii HALAMAN PUBLIKASI ix DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR SIMBOL... xiv DAFTAR LAMPIRAN xvi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 LatarBelakang... 1 1.2 PerumusanMasalah... 2 1.3 BatasanMasalah... 3 1.4 TujuanPenelitian 3 1.5 ManfaatPenelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA. 4 2.1 Radiasi Surya... 4 2.2 RadiasiMatahari di Bumi.. 5 2.3 PotensiRadiasiMatahari di Indonesia... 7 2.4 RadiasiPadaBidang Miring.. 9 2.4.1 PerbandinganRadiasiLangsungPadaBidang Miring TerhadapBidangHorisontal... 9 2.4.2 IntensitasRadiasipadaBidang Miring... 13 2.5 Kolektor Surya Plat DatarPemanas Air... 14 2.5.1 Bagian-BagianKolektor... 16 2.5.2 Proses PadaKolektor Plat Datar. 19 2.5.2.1 Proses PengumpulanEnergi Surya 19 2.5.2.2PerpindahanPanas.. 20 2.5.3 KesetimanganLajuEnergiPanasKolektor 25 2.5.3.1 LajuEnergiPanas yang Masuk 25 2.5.3.2 LajuEnergiPanas yang Hilang 25 2.5.3.3 LajuEnergiPanas commit to yang user Digunakan. 28

digilib.uns.ac.id 11 2.5.4 EfisiensiKolektor Surya. 28 2.6 SimulasiKolektordengan Delphi 7. 29 BAB III METODOLOGI PENELITIAN.. 30 3.1 WaktudanTempatPenelitian 30 3.2 AlatdanBahan. 30 3.3 Langkah-LangkahPercobaan... 32 3.4 Kedudukan, Dimensidan Material Kolektor... 32 3.5 TeknikAnalisa Data 33 3.6 Diagram AlirPenelitian... 34 3.7 Kolektor Surya 35 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 36 4.1 PenentuanDesainKolektor Surya MelaluiSimulasi... 36 4.2 PengujianKolektor Surya 44 4.3 PerbandinganHasilPengukuranNyatadenganHasilSimulasi 49 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 52 5.1 Kesimpulan.. 52 5.2 Saran-Saran. 52 DAFTAR PUSTAKA.. 53 LAMPIRAN-LAMPIRAN.. 56 Lampiran I SimulasiKolektor.. 57 LampiranII DesainKolektor 64 LampiranIII Data Pengukuran 66

digilib.uns.ac.id 12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1 SumberdayaEnergiAlternatif di Indonesia 1 Tabel 2.1 IntensitasRadiasiMatahari di Indonesia 8 Tabel 2.2 Nilai n dalamtahun 11 Tabel 2.3 Sifat-SifatBeberapa Material Absorer 18 Tabel 2.4 Jenis Insulator 18 Tabel 4.1 Data masukan yang dibuattetap 36

digilib.uns.ac.id 13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Spektrum gelombang elektromagnetik 5 Gambar 2.2 Posisi kedudukan matahari dan bumi 6 Gambar 2.3 Persentase energi matahari yang dipantulkan dan diserap bumi 7 Gambar 2.4 Waktu Surya 9 Gambar 2.5 Sudut antara posisi matahari terhadap bidang bumi 10 Gambar 2.6 Sudut radiasi datang terhadap permukaan bumi 12 Gambar 2.7 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring 14 Gambar 2.8 Penentuan Cos θ T 14 Gambar 2.9 Kerugian panas utama kolektor surya selama beroperasi 15 Gambar 2.10 Bagian-bagian dari kolektor surya plat datar 16 Gambar 3.1 Kolektor pemanas air plat datar untuk percobaan 31 Gambar 3.2 Alur pelaksanaan penelitian 34 Gambar 3.3 Kolektor surya yang telah dibuat 35 Gambar 3.4 Alat ukur yang digunakan 35 Gambar 4.1 Waktu Surya 36 Gambar 4.2 Grafik simulasi untuk variasi Tebal Plat Penyerap 37 Gambar 4.3 Grafik simulasi untuk variasi Jarak Antar Pipa 39 Gambar 4.4 Grafik simulasi variasi Jumlah Kaca Penutup 40 Gambar 4.5 Grafik simulasi untuk Jarak kaca ke plat penyerap 41 Gambar 4.6 Grafik simulasi untuk variasi Tebal Insulasi 43 Gambar 4.7 Grafik distribusi intensitas radiasi matahari harian 45 Gambar 4.8 Grafik perbandingan suhu plat penyerap terhadap 46 waktu Gambar 4.9 Grafik perbandingan suhu kaca penutup dengan 47 waktu penyinaran Gambar 4.10 Grafik suhu ambient terhadap waktu pengukuran 48 Gambar 4.11 Grafik suhu air keluaran terhadap waktu 49 penyinaran Gambar 4.12 Grafik Perbandingan suhu air keluaran dengan hasil simulasi 50

digilib.uns.ac.id 14 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan λ Panjang gelombang Meter (m) υ Kecepatan gelombang Meter/sekon f Frekuensi Hz σ Konstanta Stefan-Boltzman 5,67 x 10-8 W/m 2 K 4 ε Emisivitas (Kefisien pancaran) A Luas m 2 T Temperatur Kelvin R Radius (jari-jari) meter Latitude (garis lintang) derajat ( o ) δ Declination (Deklinasi) derajat ( o ) β Slope (kemiringan) derajat ( o ) γ Sudut permukaan azimuth derajat ( o ) ω Hour angle (sudut jam) derajat ( o ) θ Angle of incident (sudut datang) derajat ( o ) θ z Zenith angle (sudut zenith) derajat ( o ) R b Perbandingan radiasicbidang miring dengan derajat ( o ) permukaan horizontal I bt Komponen sorotan I Radiasi pada bidang horosontal I bn Intensitas radiasi langsung pada sudut masuk normal θ T Sudut masuk derajat ( o ) ρ Kerapatan (massa jenis) Kg/m 3 k Konduktivitas panas W/m. o C Q x Laju perpindahan kalor pada arah x dt dx Gradien temperatur pada arah x R a Bilangan Raileigh P r Bilangan Prandtl N u Bilangan Nusselt g Konstanta gravitasi m/s 2 a Jarak kaca ke plat penyerap m μ a Viskositas udara m 2 /s T p Temperatur plat penyerap K T c Temperatur penutup kaca K h c Koefisien perpindahan panas konveksi bebas W/m 2.K k f Konduktivitas panas udara W/m.K Bilangan Reynolds R e

digilib.uns.ac.id 15 ρ f Kerapatan air dalam pipa Kg/m 3 D Diameter luar pipa m V f Kelajuan aliran air dalam pipa m/s μ f Viskositas air Kg/m.s q c Laju perpindahan panas secara konveksi W T s Temperatur permukaan bidang K T f Temperatur fluida (air) K h w Koefisien konveksi angin W/m 2.K V w Kelajuan angin m/s T k Temperatur permukaan kaca K T a Temperatur lingkungan (ambient) K T p Temperatur plat penyerap K h pk Koefisien konfeksi transfer panas plat - kaca W/m 2 K Q e Laju pemancaran energi W T b Temperatur absolut permukaan K q r Laju perpindahan panas radiasi W ε k Emisivitas kaca Emisivitas plat penyerap ε p q u Energi berguna J/s q i Energi yang masuk J/s q l Energi yang hilang J/s A p Luas permukaan plat penyerap m 2 η Transmitansi α Absorbansi U t Koefisien kerugian panas atas W/m 2 K N Jumlah penutup transparan U b Koefisien kerugian panas bawah kolektor k is Konduktivitas insulasi W/m.K t is Tebal insulasi m U L Koefisien kerugian panas total m Laju aliran massa fluida Kg/s T o Temperatur air keluar K T i Temperatur air masuk K G T Besarnya intensitas radiasi yang masuk dan diserap W/m 2 oleh plat penyerap η Efisiensi kolektor V Volume fluida m 3 t u Waktu pergerakan fluida s

digilib.uns.ac.id 16 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Simulator kolektor surya hasil pengembangan 57 Mrih Mardihastuti Lampiran 2 Gambar desain rancangan kolektor surya 64 Lampiran 3 Data hasil pengukuran 66