DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN... i LEMBAR PENGESAHAN... ii LEMBAR PERNYATAAN... iii ABSTRAK... iv ABSTRACT... v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL x DAFTAR GAMBAR...xii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Tujuan Penelitian... 3 1.5 Manfaat penelitian... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1 Pengertian Energi... 4 2.2 Konversi Energi... 4 2.3 Perpindahan Panas... 5 2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi... 5 2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi... 7 2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi... 8 2.4 Radiasi Matahari... 9 vii
2.4.1 Konstanta Matahari... 11 2.4.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Penerimaan Radiasi Matahari di Bumi... 12 2.5 Kolektor Plat Datar Standar... 15 2.5.1 Komponen dan Struktur... 15 2.5.2 Radiasi yang Diserap Kolektor Surya... 17 2.6 Kolektor Surya Plat Datar dengan Aliran Impinging Jet... 19 2.6.1 Aliran Impinging Jet... 19 2.6.2 Kolektor Surya Plat Datar Menggunakan Aliran Impinging Jet dengan Variasi Diameter Nosel... 22 2.6.3 Skema Kolektor Surya... 22 2.7 Energi Berguna dan Efisiensi Kolektor Surya... 22 2.7.1 Energi Berguna pada Kolektor Surya... 23 2.7.2 Analisa Performansi... 23 BAB III METODE PENELITIAN... 25 3.1 Rancangan Penelitian...25 3.2 Variabel Penelitian... 25 3.3 Persiapan Peralatan...25 3.3.1 Kontruksi Kolektor Surya Aliran Impinging Jet dengan Diameter Lubang Bervariasi Disusun Secara Staggered 27 3.3.2 Penambahan Plat Berlubang dengan Diameter Lubang Bervariasi... 27 3.4 Pengambilan Data... 29 3.4.1 Peralatan Uji... 30 3.4.2 Penempatan Alat Ukur... 30 3.5 Prosedur Pengujian... 31 viii
3.6 Perhitungan... 32 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 35 4.1 Analisis Data... 35 4.2 Data Hasil Penelitian... 35 4.2.1 Perhitungan Data Hasil Penelitian... 35 4.2.2 Perhitungan pada Kolektor... 36 4.3 Analisis Performansi Kolektor... 38 4.3.1 Perbandingan Kolektor Plat Datar sirip Berlubang...38 Perbandingan temperatur keluar kolektor..39 4.3.2 Energi Berguna (Q u,a ) Kolektor Plat Datar...41 4.3.3 Efisiensi (ƞa) Kolektor Pelat Datar...43 BAB V PENUTUP... 45 5.1 Kesimpulan... 45 5.2 Saran... 45 DAFTARPUSTAKA LAMPIRAN ix
DAFTAR TABEL Tabel A.1. Data hasil pengujian sirip berlubang Halaman berdiameter kecil besar dengan laju aliran massa 0,008 kg/s...45 Tabel A.1.Data hasil pengujian dengan sirip berlubang berdiameter besar kecil dengan laju aliran massa 0,008 kg/s...46 Tabel A.3 Data hasil pengujian sirip berlubang berdiameter kecil besar dengan laju aliran massa 0,012 kg/s...47 Tabel A.4 Data hasil pengujian sirip berlubang berdiameter besar kecil dengan laju aliran massa 0,012kg/s...48 Tabal A.5 Data hasil pengujian sirip berlubang berdiameter kecil besar dengan laju aliran massa 0,016 kg/s...49 Tabel A.6 Data hasil pengujian sirip berlubang berdiameter besar kecil dengan laju aliran massa 0,016kg/s...50 Tabel B.1. Data hasil perhitungan kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter kecil besar dengan laju aliran massa 0,008......51 Tabel B.2. Data hasil perhitungan kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter besar kecil dengan laju aliran massa 0,008......52 Tabel B.3. Data hasil perhitungan kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter kecil besar dengan laju aliran massa 0,012......53 Tabel B.4. Data hasil perhitungan kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter besar kecil dengan laju aliran massa 0,008......54 x
Tabel B.5. Data hasil perhitungan kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter kecil besar dengan laju aliran massa 0,016......55 Tabel B.6. Data hasil perhitungan kolektor surya dengan sirip berlubang berdiameter besar kecil dengan laju aliran massa 0,016...... 56 Tabel C.1 Sifat Thermofisik Udara Pada Tekanan Atmosfer...54 Tabel C.2 Sifat Thermofisik Massa Jenis Material.....55 Tabel C.3 Sifat Thermofisik Massa Jenis Zat...56 xi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi pada dinding datar... 6 Gambar 2.2. Perpindahan panas konveksi dari media padat ke fluida yang mengalir... 7 Gambar 2.3. Bagan pengaruh radiasi datang... 9 Gambar 2.4. Fenomena refleksi... 10 Gambar 2.5. Radiasi sorotan dan radiasi sebaran... 10 Gambar 2.6. Hubungan matahari dengan bumi... 11 Gambar 2.7. Sudut zenith, sudut kemiringan, sudut permukaan, sudut azimuth surya... 13 Gambar 2.8. Bagian bumi yang menunjukkan β, θ, dan ( -β)... 14 Gambar 2.9. Skema kolektor surya pelat datar standar... 16 Gambar 2.10. Penyerapan radiasi matahari oleh kolektor... 17 Gambar 2.11. Grafik hubungan antara sudut timpa dengan transmisivitas... 18 Gambar 2.12. (a) mekanisme perpindahan panas impinging jet (b) visualisasi impinging jet... 20 Gambar 2.13. (a) submerge impinging jet dan (b) free impinging jet... 21 Gambar 2.14. (a) unconfined impinging jet dan (b) confined impinging jet... 21 Gambar 2.15. Kolektor surya aliran impinging jet dengan diameter nosel bervariasi yang disusun secara staggered... 22 Gambar 3.1. Dimensi kolektor surya pelat datar aliran impinging jet. 26 xii
Gambar 3.2. Konstruksi kolektor surya menggunakan aliran impinging jet... 27 Gambar 3.3. Konstruksi pelat berlubang dengan diameter bervariasi yang disusun secara staggered... 28 Gambar 3.4. Aliran udara pada kolektor surya aliran impinging jet dengan diameter kecil ke besar... 28 Gambar 3.5. Aliran udara pada kolektor surya aliran impinging jet dengan diameter besar ke kecil... 29 Gambar 3.6. Rancangan pengujian kolektor surya... 29 Gambar 3.7. Penempatan alat ukur... 31 Gambar 3.6. Diagram alir penelitian... 33 Gambar 4.1. Grafik perbandingan temperatur keluar (Tout) kolektor terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,008...39 Gambar 4.2. Grafik perbandingan temperatur keluar (Tout) kolektor terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,012...39 Gambar 4.3. Grafik perbandingan temperatur keluar (Tout) kolektor terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,016...40 Gambar 4.4. Grafik perbandingan energi berguna (Q u,a ) terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,008... 41 Gambar 4.5. Grafik perbandingan energi berguna (Q u,a ) terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,012... 41 xiii
Gambar 4.6. Grafik perbandingan energi berguna (Q u,a ) terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,016... 42 Gambar 4.7. Grafik perbandingan efisiensi (ƞa) kolektor terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,008...43 Gambar 4.8. Grafik perbandingan efisiensi (ƞa) kolektor terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,012...43 Gambar 4.9. Grafik perbandingan efisiensi (ƞa) kolektor terhadap waktu dengan laju aliran massa 0,016...44 xiv
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Energi mempunyai peran yang besar dalam memudahkan kehidupan manusia. Perkembangan teknologi dan pesatnya peningkatan sumber daya manusia membuat penggunaan energi semakin optimal. Namun demikian, tidak semua energi yang ada di bumi sudah dimanfaatkan dengan baik, salah satu yang belum optimal penggunaanya adalah energi panas matahari. Panas matahari merupakan energi yang terbarukan, namun penggunaannya saat ini di masyarakat belum optimal. Sebagai negara yang terletak di katulistiwa dan hanya memiliki dua musim, Indonesia memiliki intensitas panas matahari melebihi negara dengan empat musim lainnya. Hal tersebut sangat potensial untuk dijadikan penelitian yang menggunakan energi panas matahari sebagai objeknya. Energi panas matahari dapat digunakan untuk berbagai hal, salah satunya adalah untuk pengeringan, seperti mengeringkan pakaian, hasil pertanian, dan kebutuhan rumah tangga lainnya. Namun demikian, pemanfaatan dalam pengeringan hasil pertanian misalnya, masih memiliki kekurangan, seperti lamanya waktu yang dibutuhkan dan besarnya ruang yang diperlukan. Berkaitan dengan hal tersebut, penulis ingin melakukan penelitian dengan mengoptimalkan energi panas matahari untuk mempercepat pengeringan dengan menyerap panas, sehingga energi panas yang disalurkan lebih besar dan proses pengeringan akan lebih singkat. Menurut Wibawa (2012, p.1) perangkat yang bisa digunakan untuk memanfaatkan energi surya disebut kolektor surya. Kolektor surya merupakan peralatan yang digunakan untuk mengubah energi radiasi matahari ke bentuk energi panas untuk memenuhi berbagai kebutuhan (Kristanto, 2000,p.22). Kolektor tersebut mampu menyerap dan memindahkan panas dari energi matahari ke fluida kerja.
2 Ada beberapa tipe kolektor surya, salah satu diantaranya yang sudah banyak dikenal adalah kolektor surya pelat datar. Jenis kolektor ini menggunakan alat berupa plat datar, permukaannya dicat warna hitam doff untuk mendapatkan penyerapan radiasi matahari yang optimal dan selanjutnya kalor/panas ditransfer ke fluida kerja. Agar tidak terjadi kerugian panas ke lingkungan, maka digunakan penutup transparan atau kaca di bagian atas kolektor sehingga terjadi efek rumah kaca, sedangkan pada bagian bawah dan samping diberikan isolasi atau isolator. Beberapa peneliti telah menciptakan dan mengembangkan kolektor surya seperti yang pernah dilakukan oleh (Sudarpa, 2012), yakni mengenai performansi kolektor surya pelat datar dengan aliran di bawah pelat berlubang dengan variasi diameter berbeda. Dalam penelitian ini, disimpulkan bahwa temperatur keluaran aktual kolektor surya dengan diameter lubang berbeda cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan kolektor surya dengan diameter lubang sama. Penelitian sebelumnya telah dilakukan oleh (Basri, 2011), yakni mengenai analisis pengaruh laju aliran massa terhadap koefisien perpindahan panas rata-rata pada pipa kapiler di mesin refrigerasi focus 808. Dalam penelitian ini disimpulkan bahwa makin besar laju aliran massa refrigerant, maka makin besar pula koefisien perpindahan panas ratarata yang terjadi pada pipa kapiler. Berbekal dari penelitian tersebut, maka penulis akan melakukan modifikasi kolektor surya pelat datar yang bertujuan untuk mengubah arah aliran massa udara yaitu dengan mengubah alur udara yang pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh (Gigih, 2015), lubang pada sirip berada pada satu poros atau line dengan diameter lubang berukuran 9cm, 7cm, 5cm, 3cm, dan 1cm pada masing masing plat, kini sumbu lubang pada plat diposisikan staggered di bagian bawah pelat penyerap. Dengan kolektor surya yang sudah dimodifikasi dan memvariasikan laju aliran massanya yang nantinya diharapkan fluida berada lebih lama di dalam kolektor diakibatkan terjadi turbulensi oleh plat berlubang yang diposisikan staggered sehingga perpindahan panas yang terjadi pada kolektor surya plat datar menjadi lebih optimal. Sedangkan dengan memvariasikan laju aliran massa dihaarapkan dapat mengetahui performansi terbaik dari kolektor surya tersebut, karena laju aliran massa berpengaruh pada energi berguna yang dihasilkan oleh kolektor..
3 1.2 Rumusan Masalah Bagaimanakah performansi kolektor surya plat datar yang sudah dimodifikasi dengan penambahan sirip berlubang berdiameter berbeda yang disusun secara staggered dengan memvariasikan laju aliran massanya. 1.3 Batasan Masalah 1. Pembahasan dibatasi hanya pada penggunaan kolektor surya menggunakan sirip dengan lubang berbeda sebagai tepat melajunya aliran udara dengan variasi laju aliran massa sebesar 0,008, 0,012 dan 0,016 kg/s. 2. Sirip dipasang dari berdiameter besar ke kecil dan dari berdiameter kecil ke besar. 3. Sistem dalam keadaan steady (steady state). 4. Tidak terjadi perubahan fase pada udara. 5. Debu dan kotoran di atas kolektor diabaikan. 1.4 Tujuan Penelitian Untuk mengetahui performansi terbaik dari kolektor surya plat datar yang sudah dimodifikasi dengan penambahan sirip berlubang berdiameter berbeda yang disusun secara staggered dengan memvariasikan laju aliran massanya. 1.5 Manfaat Penelitian 1. Mengembangkan kolektor surya plat datar. 2. Sebagai referensi maupun bahan masukan untuk penelitian lain dalam bidang energi surya dan kolektor surya. 3. Untuk dapat diaplikasikan pada kehidupan masyarakat sehari-hari.