KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH INTENSITAS CAHAYA DAN LAJU ALIRAN TERHADAP EFISIENSI TERMAL DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR ENERGY DEMONSTRATION TYPE LS-17055-2 DOUBLE SPOT LIGHT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik TAMBA GURNING NIM. 050401042 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH INTENSITAS CAHAYA DAN LAJU ALIRAN TERHADAP EFISIENSI TERMAL DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR ENERGY DEMONSTRATION TYPE LS-17055-2 DOUBLE SPOT LIGHT TAMBA GURNING NIM. 05 0401 042 Diketahui / Disyahkan : Disetujui oleh : DepartemenTeknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU Ketua, Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri NIP.196412241992111001 Tulus Burhanuddin Sitorus,ST,MT. NIP.197209232000121003
KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH INTENSITAS CAHAYA DAN LAJU ALIRAN TERHADAP EFISIENSI TERMAL DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR ENERGY DEMONSTRATION TYPE LS-17055-2 DOUBLE SPOT LIGHT TAMBA GURNING NIM. 05 0401 042 Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode Ke-578 tanggal 30 Juni 2010 Disetujui Oleh: Pembanding I Pembanding II DR.ENG.Himsar Ambarita,ST.MT Ir.Mulfi Hazwi, MSc NIP.197206102000121000 NIP. 194910121981031002
KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH INTENSITAS CAHAYA DAN LAJU ALIRAN TERHADAP EFISIENSI TERMAL DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR ENERGY DEMONSTRATION TYPE LS-17055-2 DOUBLE SPOT LIGHT TAMBA GURNING NIM. 05 0401 042 Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/penguji Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT. NIP. 197209232000121003 Penguji I Penguji II DR.ENG.Himsar Ambarita,ST.MT Ir.Mulfi Hazwi, MSc NIP.197206102000121000 NIP. 194910121981031002 Diketahui Oleh Ketua Departemen Teknik Mesin Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 946/TS/2010 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : M E D A N PARAF : TUGAS SARJANA N A M A : TAMBA GURNING N I M : 0 5 0 4 0 1 0 4 2 MATA PELAJARAN : PINDAHAN PANAS SPESIFIKASI : LAKUKAN PENGUJIAN / EKSPERIMENTAL PENGARUH INTENSITAS CAHAYA DAN LAJU ALIRAN TERHADAP EFISIENSI TERMAL DENGAN MENGGUNAKAN SOLAR ENERGY DEMONSTRATION TYPE LS-17055-2 DOUBLE SPOT LIGHT. DATA-DATA LAIN DAPAT DIAMBIL DARI : SURVEI LAPANGAN BUKU LITERATUR INTERNET / WEBSITE DIBERIKAN TANGGAL : 12/ 02 / 2010 SELESAI TANGGAL 18/ 06 / 2010 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 12 Februari 2010 DOSEN PEMBIMBING, Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri NIP.196412241992111001 Tulus Burhanuddin Sitorus,ST,MT. NIP.197209232000121003
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA No : 946 / TS / 2010 Sub. Program Studi : Konversi Energi Bidang Tugas : Pindahan Panas Judul Tugas : Kajian Eksperimental Pengaruh intensitas Cahaya dan laju Aliran Terhadap Efisiensi Termal Dengan Menggunakan Solar Energy Demonstration Type LS-17055-2 Double Spot Light Diberikan tanggal : 11-02-2010 Selesai Tgl : 18-06-2010 Dosen Pembimbing : Tulus B Sitorus,ST,MT. Nama Mhs : Tamba Gurning NIM : 050401042 No Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN 1 12-02-2010 Survei 2 12-02-2010 Spesifikasi tugas skripsi 3 22-02-2010 Bab I, II 4 02-03-2010 Bab III 5 08-03-2010 Lakukan Uji Test (Lab) 6 20-04-2010 Hasil (data sheet) 7 06-05-2010 Analisa data 8 11-05-2010 Perhitungan Efisiensi Termal 9 19-05-2010 Buat Grafik 10 26-05-2010 Perbaiki Grafik Hasil Analisa Data 11 07-06-2010 Penjelasan Gambar / Grafik 12 14-06-2010 Buat Kesimpulan dan Saran 13 18-06-2010 ACC untuk diseminarkan Tanda Tangan Dosen Pembimbing Diketahui, KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FT USU Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP.196412241992111001
ABSTRAK Pemanfaatan energi terbaharukan seperti energi matahari dapat mengurangi pencemaran udara (polusi), air, dan tanah yang mengakibatkan pemanasan global. Salah satu manfaat dari energi matahari adalah untuk memanaskan air. Saat ini penelitian yang dilakukan adalah untuk mengetahui pengaruh sudut penyinaran dan laju aliran air terhadap efisiensi termal dengan menggunakan alat solar energi demonstrator type LS-17055-2. Sudut penyinaran dan intensitas cahaya pada penelitian ini adalah 45 0 (34622 W/m 2 ), 60 0 (39656 W/m 2 ), 75 0 (42456 W/m 2 ), dan 90 0 (37189 W/m 2 ). Efisiensi termal terbesar berada pada sudut penyinaran 45 o dengan laju aliran air 7 LPM yaitu 5,438 % sedangkan terkecil sudut penyinaran 75 o dengan laju aliran air 3 LPM yaitu 4,240 %. Dengan mempebesar laju aliran air ( akan meningkatkan temperatur air dan efisiensi termal karena penyerapan kalor oleh air di sepanjang penampang pipa kolektor juga semakin tinggi. Penambahan intensitas cahaya harus diikuti dengan penambahan laju aliran air supaya efisiensi termal yang diperoleh makin besar, sehingga dapat mengurangi kalor yang hilang. Efisiensi termal tiap menit lebih tinggi dari efisiensi termal total. Hal ini diakibatkan sebagian kalor hilang atau diserap oleh pompa, selang, storage tank selama proses pemanasan air berlangsung.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaikbaiknya. Tugas Sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang Pendidikan Sarjana ( S1) Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Fakultas Teknik Sumatera Utara Medan. Penulis dalam Tugas Sarjana ini mengambil judul, yaitu Kajian Eksperimental Pengaruh sudut penyinaran Dan Laju Aliran Terhadap Efisiensi Termal Dengan Menggunakanj Solar Kolektor Demonstrator Type TYPE LS-17055-2 Double Spot Light. Dalam Penulisan ini, dari awal sampai akhir penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Namun Penulis masih menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu saran-saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini. Dalam menyelesaikan Skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kepada Orangtua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materiil. 2. Bapak Tulus B. Sitorus, ST, MT, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 5. Staff laboratorium solar energi Departemen Teknik Mesin yang telah membantu dan membimbing penulis selama pengujian di Laboratorium.
6. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus stambuk 05, yang tidak dapat disebutkan satu persatu, Solidarity Forever. 7. Khusus kepada Sophia Loren Tambun S.Si yang telah memberikan dorongan dan semangat selama proses pengerjaan skripsi. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan Doa kepada Tuhan YME, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Medan, Juni 2010 Penulis, Tamba Gurning
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI....iii DAFTAR TABEL... vi DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR NOTASI... ix BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Pengujian... 1 1.3 Ruang Lingkup Pengujian... 2 1.4 Sistematika Penulisan... 2 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Matahari... 3 2.2 Jenis Jenis Kolektor... 4 2.2.1 Kolektor Surya Prismatik... 4 2.2.2 Kolektor Surya Plat Datar... 5 2.2.3. Concentrating Collectors... 7 2.2.4. Evacuated Tube Collectors... 8 2.3 Aplikasi Energi Matahari... 9 2.3.1 Pemanas Air... 9 2.3.2 Distilasi Air... 11
2.3.3 Penerangan Ruangan... 11 2.3.4 Kompor Matahari... 11 2.3.5 Pengering Hasil Pertanian... 12 2.3.6 Sistem Fotovoltalik... 13 2.3.7 Sel Surya Film Tipis... 13 2.3.8 Sel Surya Terkonsentrasi... 14 2.3.9 Pembangkit Listrik Tenaga Matahari... 14 2.4 Jenis jenis Perpindahan Panas... 16 2.4.1 Radiasi Surya... 16 2.4.1.1 Sifat Sifat Radiasi... 17 2.4.1.2 Daya Emisi dan Emisivitas Benda... 18 2.4.1.3 Stefan-Boltzmann Law... 19 2.4.1.4 Radiasi Surya... 21 2.4.2 Konduksi... 22 2.4.3 Konveksi... 26 2.5 Perpindahan Kalor di Sepanjang Pipa... 28 2.6 Efisiensi Termal... 35 BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu Dan Tempat... 37 3.2 Paramater Dan Alat... 37 3.2.1 Parameter... 37 3.2.2 Alat... 37 3.3 Metode Pengumpulan Data... 40 3.4 Metode Pengolahan Data... 40 3.5 Proses Penelitian... 40
BAB 4. HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Parameter Pengukuran... 42 4.2 Sudut Penyinaran dan Intensitas... 44 4.3 Perubahan Temperatur Fluida di Storage Tank... 44 4.3.1 Pada sudut penyinaran 45 o... 44 4.3.2 Pada sudut penyinaran 60 o... 48 4.3.3 Pada sudut penyinaran 75 o... 51 4.3.4 Pada sudut penyinaran 90 o... 54 4.4 Efisiensi Termal... 59 4.4.1 Efisiensi Termal tiap menit... 59 4.4.2 Efisiensi termal total... 66 BAB 5. KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan... 71 5.2 Saran... 71 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Daftar 2-1. Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 o C 24 Tabel 3.1 Spesifikasi alat yang digunakan... 37 Tabel 4.1 Perubahan Temperatur air pada sudut penyinaran 45 o... 45 Tabel 4.2 Perubahan Temperatur air pada sudut penyinaran 60 o... 48 Tabel 4.3 Perubahan Temperatur air pada sudut penyinaran 75 o... 51 Tabel 4.4 Perubahan Temperatur air pada sudut penyinaran 90 o... 54 Tabel 4.5 Selisih Temperatur Air di Storage Tank... 57 Tabel 4.6. Nilai efisiensi termal total... 68
DAFTAR GAMBAR Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic... 5 Gambar 2-2. kolektor surya plat datar... 6 Gambar 2-3. Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana... 7 Gambar 2-4. Konsentrator... 8 Gambar 2-5. Evacuated Receiver... 9 Gambar 2.3. Sistem Pemanas Air... 10 Gambar 2.4. Sistem Distilasi Air... 11 Gambar 2-8. Kompor Matahari... 12 Gambar 2-9. Sel surya film tipis... 13 Gambar 2-10. Kolektor surya parabolik... 15 Gambar 2-11. Bagan menunjukkan pengaruh radiasi datang... 17 Gambar 2-12. Refleksi cahaya... 18 Gambar 2-13. Konduktivitas termal beberapa gas... 25 Gambar 2-14. Konduktivitas termal beberapa zat zair... 25 Gambar 2-15. Konduktivitas termal beberapa zat padat... 26 Gambar 2-16. Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat... 27 Gambar 2-17. Volume kendali untuk analisis energi dalam tabung... 28 Gambar 2-18 Neraca gaya pada unsur fluida dalam aliran tabung... 29 Gambar 3.1. Solar Energi Demonstrator tipe LS 27015... 38 Gambar 3.2. Lux Meter... 39 Gambar 3.3 Diagram alir proses penelitian... 41 Gambar 4.1 Skets Storage Tank... 43
Gambar 4.2 Grafik Perubahan temperatur air pada sudut penyinaran 45 o... 47 Gambar 4.3 Grafik Perubahan temperatur air pada sudut penyinaran 60 o... 50 Gambar 4.4 Grafik Perubahan temperatur air pada sudut penyinaran 75 o... 53 Gambar 4.5 Grafik Perubahan temperatur air pada sudut penyinaran 90 o... 56 Gambar 4.6 Grafik Selisih temperatur air di storage tank... 58 Gambar 4.7 Grafik efisiensi termal tiap menit pada sudut penyinaran 45 o... 62 Gambar 4.8 Grafik efisiensi termal tiap menit pada sudut penyinaran 60 o... 63 Gambar 4.9 Grafik efisiensi termal tiap menit pada sudut penyinaran 75 o... 64 Gambar 4.10 Grafik efisiensi termal tiap menit pada sudut penyinaran 90 o... 65 Gambar 4.10 Grafik Efisiensi termal total... 69
DAFTAR NOTASI LAMBANG KETERANGAN SATUAN c kecepatan cahaya cm/s panjang gelombang frekuensi cm Hz E Daya emisi W/m 2 A Luas permukaan m 2 Fluks radiasi W/m 2 T Suhu o C, K konstanta stefan-boltzmann W/m 2 K 4 q Laju perpindahan panas W Laju aliran massa kg/s k Kondukt ifitas Termal W / m. o C h Koefisien perpindahan kalor konveksi W / m 2 o C Massa jenis fluida kg/m 3 Kalor spesifik air Kecepatan aliran J/kg o C m/s Tegangan geser N/m 2 Viskositas dinamik kg/m.s I Intensitas cahaya W/m 2 Panjang pipa diameter pipa m m
Emisivitas Emisivitas benda Bilangan Nusslet Bilangan Reynolds Bilangan Prandtl