Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

Analisis Performansi Kolektor Surya Pemanas Air Dengan PelatKolektor Bentuk-V

Jalaluddin1,a *, Effendi Arief2,b dan Rustan Tarakka3,c

1,2 dan 3Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Tamalanrea Makassar,90245, Indonesia

ajalaluddin_had@yahoo.com, beffar01@gmail.com, crustan_tarakka@yahoo.com

AbstrakEnergi matahari dikenal sebagai sumber energi yang ramah terhadap lingkungan denganpenggunaan yang sangat luas. Salah satu pemanfaatan sumber energi ini adalah untuk suplai airpanas dengan pemanfaatan kolektor surya pemanas air. Pengembangan kolektor surya pemanas airdi Indonesia sangat potensial untuk penghematan energi khususnya pada perumahan, bangunankomersial dan industri. Pemanfaatan kolektor ini banyak digunakan untuk kebutuhan pemanasan airrumah tangga, perhotelan dan kebutuhan lainnya. Penelitian tentang penggunaan pelat absorberbentuk-V pada kolektor surya pemanas air dilakukan dengan metode experimental laboratory danmembuat perbandingan dengan pelat absorber konvensional, pelat datar. Faktor penting yang akanmenjadi kajian utama adalah penyerapan energi pada pelat absorber bentuk-V dan kehilanganenergi ke permukaan kolektor. Hasil penelitian menunjukkan bahwa performansi kolektor denganpelat absorber bentuk-V terhadap kolektor dengan pelat absorber datar meningkat masing-masingsebesar 2.36 % pada debit 0.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2.0 L/min.

Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi informasi untuk pengembangan kolektor suryapemanas air sehingga meningkatkan performansi sistem pemanas air dan penghematan biayapenggunaan energi listrik pada perumahan, hotel dan industri dalam konsep green energy building.

Kata kunci : KOLEKTOR SURYA PEMANAS AIR, PELAT ABSORBER BENTUK-V,PERFORMANSI.

Pendahuluan

Perkembangan berkaitan dengan isu energikeberlanjutan dan bangunan ramahlingkungan menyebabkan peningkatan fokuspada peralatan yang memanfaatkan energimatahari karena tidak menyebabkan polusidan terbarukan [1]. Untuk kawasan Asia danAustralia termasuk Indonesia, pemanfaatanenergi matahari umumnya adalah untuk suplaiair panas. Pengembangan kolektor suryapemanas air di Indonesia sangat potensialuntuk penghematan energi khususnya padaperumahan, bangunan komersial dan industri.

Studi tentang kolektor surya telahdilakukan oleh banyak peneliti. Mumma [2]telah meneliti dan memasang kolektor suryapemanas air dalam jangka waktu 28 tahun.Kolektor tersebut bekerja secara baik denganhanya sedikit perawatan selama periode

tersebut. Dari hasil penelitiannya, kolektorsurya tersebut memberikan penguranganpenggunaan energi yang menakjubkan.Berbagai penelitian untuk menganalisis unjukkerja kolektor, modifikasi bentuk pelatabsorber dan material kolektor telahdilakukan. Ayompe & Duffy [3] menelitiunjuk kerja sistem pemanas air tenagamatahari dengan kolektor pelat datar 4 m2 diDublin, Irlandia. Hasil menunjukkan bahwafraksi matahari rata-rata 32,2 %; unjuk kerjakolektor 45,6 % dan unjuk kerja sistem 37,8%. Model analitik telah dikembangkan olehSubiantoro & Tiow [4] untuk memprediksikehilangan panas pada permukaan penutupkolektor dengan 1(satu) dan 2(dua) penutupkaca. Analisis energi dan exergi dari kolektorpelat datar untuk mengetahui kondisi operasioptimal telah dilakukan oleh Jafarkazemi &

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

Ahmadifard [5]. Hasilnya menunjukkanbahwa temperatur air masuk sekitar 40o lebihdari temperatur lingkungan serta laju aliranyang rendah akan meningkatkan performansikolektor keseluruhan. Deng et al. [6]mengembangkan desain baru untuk pelatdatar absorber kolektor dengan penggunaansusunan micro-channel heat pipe. Hasilnyamenunjukkan bahwa Kolektor ini merupakansalah satu kolektor surya terbaik di antaraproduk saat ini.

Integrasi pelat absorber dengan reflektorbentuk-V dapat meningkatkan performansikolektor. Studi eksperimental dan analisisbiaya dari kolektor ini telah dilakukan olehChong et al. [7]. Efisiensi optik dan unjukkerja keseluruhan kolektor memperlihatkanhasil yang sangat memuaskan.

Modifikasi permukaan pelat absorberbanyak diteliti karena berhubungan denganpenyerapan energi matahari yang tersediasecara maksimal dan perbedaan intensitasmatahari serta arah datang sinar mataharidalam sehari. Modifikasi ini dilakukan untukmemaksimalkan energi yang diserap dantransfer panas ke fluida. Besarnya transferpanas ke fluida akan mengurangi kehilanganenergi keluar kolektor. Berkaitan dengan halini, pengembangan kolektor dengan pelatabsorber bentuk-V dilakukan untukmemaksimalkan penyerapan energi matahari,meningkatkan efisiensi penyerapan padakondisi matahari tidak tegak lurus pada pagidan sore hari. Faktor penting yang akanmenjadi kajian utama adalah arah sinarmatahari setelah mengenai pelat absorberbentuk-V terhadap penyerapan energi dankehilangan energi ke permukaan kolektor. Halini akan berpengaruh terhadap performansikolektor.

Peningkatan performansi kolektor suryamasih perlu terus diupayakan untukmemaksimalkan penggunaan peralatan ini danpemanfaatan sumber energi terbarukanseefisien mungkin. Berkaitan dengan haltersebut, penelitian tentang analisisperformansi kolektor surya pemanas airdengan penggunaan pelat absorber bentuk-Vdilakukan.

Kolektor Surya Pemanas Air dan UjiEksperimental

Kolektor surya pemanas air adalah alatpenukar kalor yang mengkonversi energiradiasi matahari menjadi energi termal padaair. Dalam aplikasinya, energi radiasimatahari diserap oleh pelat kolektor dandipindahkan ke air. Selanjutnya, air panasdigunakan untuk kebutuhan penyediaan airpanas pada perumahan, bangunan komersialdan industri.

Modifikasi pelat absorber denganpenggunaan pelat absorber bentuk-V padakolektor surya pemanas air dilakukan dalampenelitian ini. Dua buah pelat absorber sepertiditunjukkan pada gambar 1 antara lain : a)pelat abosrber datar dan b) pelat absorberbentuk-V dipasang masing-masing padakolektor surya pemanas air.

a) Pelat absorber datar

b) Pelat absorber bentuk-V

Gambar 1. Kolektor surya pemanas airdengan a) pelat absorber datar dan b) pelatabsorber bentuk-V

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

Pelat absorber bentuk-V yang digunakandalam pengujian eksperimental ditentukanberdasarkan absorptivitas optimum terhadapbeberapa bentuk-V yang dianalisis secaraanalitik. Sebagai contoh perhitunganabsorptivitas pelat absorber bentuk-V untuksudut = 210 dengan sudut datang radiasimatahari, 300 dapat dilihat padagambar 2.

Gambar 2. Perhitungan absorptivitas pelatabsorber bentuk-V untuk sudut = 210

dengan sudut datang radiasi matahari,300

Sudut datang radiasi matahari tegak luruspada siang hari dimana 0 dan

600 pada pagi dan sore hari.Absorptivitas pelat absorber dihitungberdasarkan sudut datang radiasi mataharipada permukaan pelat. Pelat absorberdiasumsi permukaan hitam. Radiasi mataharidipantulkan secara berulang-ulang padapermukaan pelat bentuk-V. Absorptivitas daripelat absorber bentuk-V dapat dilihat padatabel 1.

Tabel 1. Absorptivitas dari pelat absorberbentuk-V

Berdasarkan absorptivitas rata-rata ( rata-rata),diperoleh bentuk optimal dari pelat absorberbentuk-V pada sudut = 210 (t = 4 cm dan l= 4 cm) seperti ditunjukkan pada gambar 3.Bentuk-V ini diaplikasikan pada sistemkolektor surya pemanas air dengan pelatabsorber bentuk-V.

No. Pelat bentuk-V ()

( ) ( rata-

rata)t and l(cm)

1. Pelat datar 0 0.963

30 0.951 0.936 -

60 0.894

2. = 410 0 0.985

30 0.968 0.971 4 and 2

60 0.961

3. = 320 0 0.980

30 0.974 0.973 4 and 3

60 0.963

4. = 210 0 0.970

30 0.973 0.975 4 and 4

60 0.981

5. = 490 0 0.966

30 0.966 0.965 3 and 2

60 0.963

6. = 400 0 0.979

30 0.960 0.968 3 and 3

60 0.966

7. = 270 0 0.970

30 0.968 0.970 3 and 4

60 0.970

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.900

0.925

0.950

0.975

1.000

Pelat datar

Bentuk-V =41o

Bentuk-V =32o

Bentuk-V =21o

Bentuk-V =49o

Bentuk-V =40o

Bentuk-V =27o

Abs

orpt

ivit

as r

ata-

rata

(ra

ta-r

ata)

Konfigurasi Pelat Absorber

Absorptivitas terbaik

Gambar 3. Absorptivitas rata-rata pelatabsorber bentuk-V

Alat uji eksperimen terdiri dari dua buahkolektor surya pemanas air dengan a) pelatabsorber datar dan b) pelat absorber bentuk-Vseperti ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Alat uji kolektor surya pemanas airdengan a) pelat absorber datar dan b) pelatabsorber bentuk-V

Performansi Kolektor

Performansi kolektor ditentukan olehefisiensi kolektor yang diperoleh dariperbandingan energi bermanfaat kolektormelalui pemanasan air dan energi matahariyang tersedia. Energi bermanfaat, Qu,dihitung berdasarkan data pengukuran

temperatur air masuk dan keluar pada debityang ditentukan sebagai berikut :

TcmQ pu ..............................(1)

dimana m adalah laju aliran massa (kg/s), cp

adalah panas spesifik (J/kg K) dan T adalahperbedaan temperatur air masuk dan keluar( C).

Efisiensi kolektor, adalah :

cT

u

AI

Q ..............................(2)

dimana IT adalah intensitas matahari (W/m2)dan Ac adalah luas permukaan kolektor (m2).

Hasil dan Pembahasan

Penelitian dilakukan di laboratoriumEnergi Termal dan Terbarukan Jurusan MesinUniversitas Hasanuddin Makassar (1190 29’14.5” BT dan 050 07’ 59.0” LS). Ujieksperimental terhadap dua buah kolektorpemanas air dengan pelat absorber datar danbentuk-V dilakukan dengan mengoperasikankedua kolektor tersebut secara bersamaan.Dimensi kolektor adalah panjang 163 cm danlebar 100 cm. Aliran air dalam pipa tembagaberdiameter 0.017 m diatur dengan dua debityaitu debit rendah, 0.5 L/min dan debit tinggi,2 L/min. Pengambilan data dilakukan setiap 5menit dari pukul 09.00 sampai 15.00 WITA.

Intensitas Radiasi Matahari. Intensitasradiasi matahari selama pengujianmempunyai nilai minimum pada pagi dansore hari serta nilai maksimum terjadi padasiang hari seperti ditunjukkan pada gambar 5.Intensitas radiasi matahari maksimum adalah944.1 W/m2 pada pukul 11:30 WITA (6Agustus 2015) dan 942 W/m2 pada pukul11:25 WITA (8 Agustus 2015).

a) Pelat absorberdatar

b) Pelat absorberbentuk-V

Tp-pipa TpelatTp-pipa Tpelat

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200 6 Agustus 2015 8 Agustus 2015

Inte

nsit

as M

atah

ari(

W/m

2 )

Waktu09

:0009

:2009

:4010

:0010

:2010

:4011

:0011

:2011

:4012

:0012

:2012

:4013

:0013

:2013

:4014

:0014

:2014

:4015

:00

Gambar 5. Intensitas matahari

Temperatur Air Masuk dan KeluarKolektor. Gambar 6 menunjukkan temperaturair masuk dan keluar keluar kolektor sertatemperatur udara sekitar. Air masuk padakedua kolektor berasal dari reservoir yangsama sehingga mempunyai temperatur yangsama. Temperatur air masuk kolektormeningkat terhadap waktu operasi karena airyang keluar dari kolektor disirkulasikankembali ke reservoir. Temperatur air keluarkolektor dengan pelat absorber bentuk-Vmempunyai nilai yang lebih tinggidibandingkan dengan kolektor dengan pelatabsorber datar. Perbedaan temperatur tersebutcukup signifikan pada debit rendah.

Temperatur Permukaan PelatAbsorber. Temperatur pelat absorber diukurpada pelat, Tpelat dan diatas permukaan pipa,Tp-pipa seperti ditunjukkan pada gambar 4.Hasil pengukuran temperatur-temperaturtersebut ditunjukkan pada gambar 7.Temperatur pelat absorber bentuk-Vmenunjukkan nilai yang lebih tinggidibandingkan dengan temperatur pelatabsorber datar. Hal ini menunjukkan bahwaabsorptivitas dari pelat absorber bentuk-Vlebih baik dari pada absorptivitas pelatabsorber datar. Tingginya temperatur padapelat absorber bentuk-V menyebabkankerugian panas ke permukaan kolektormenjadi besar. Walaupun demikian tingginyatemperatur pelat tersebut memungkingkanuntuk meningkatkan efisiensi kolektor denganpeningkatan transfer panas dari pelat absorberke air.

05

10152025303540455055606570

Debit : 0.5 L/min

Temperatur air keluar (bentuk-V)

Temperatur air keluar (datar)

Temperatur udara sekitar

Temperatur air masuk

Tem

pera

tur

(o C)

Data : 6 Agustus 2015

09:00

09:20

09:40

10:00

10:20

10:40

11:00

11:20

11:40

12:00

12:20

12:40

13:00

13:20

13:40

14:00

14:20

14:40

15:00

Waktu

05

101520253035404550556065

Debit : 2 L/min

Temperatur air keluar (bentuk-V)

Temperatur air keluar (datar)

Temperatur udara sekitarTemperatur air masukTem

pera

tur

(o C)

Data : 8 Agustus 2015

Waktu09

:0009

:2009

:4010

:0010

:2010

:4011

:0011

:2011

:4012

:0012

:2012

:4013

:0013

:2013

:4014

:0014

:2014

:4015

:00

Gambar 6. Temperatur air masuk dan keluarkolektor

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70T

p-pipa (bentuk-V) T

pelat (bentuk-V)

Tp-pipa

(datar)

Tpelat

(datar)

Tem

pera

tur

(o C)

Data : 6 Agustus 2015

09:00

09:20

09:40

10:00

10:20

10:40

11:00

11:20

11:40

12:00

12:20

12:40

13:00

13:20

13:40

14:00

14:20

14:40

15:00

Waktu

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Tp-pipa

(bentuk-V)

Tpelat

(bentuk-V)

Tp-pipa

(datar)

Tpelat

(datar)Tem

pera

tur

(o C)

Data : 8 Agustus 2015

09:00

09:20

09:40

10:00

10:20

10:40

11:00

11:20

11:40

12:00

12:20

12:40

13:00

13:20

13:40

14:00

14:20

14:40

15:00

Waktu

Gambar 7. Temperatur permukaan pelatabsorber

Efisiensi Kolektor. Efisiensi kolektorsurya pemanas air dengan pelat absorber datardan bentuk-V dapat dilihat pada gambar 8.Efisiensi kolektor cenderung menurunterhadap waktu operasi. Peningkatantemperatur air masuk kolektor terhadap waktuoperasi menyebabkan terjadinya penurunanefisiensi kolektor tersebut. Pada debit rendah,efisiensi rata-rata harian kolektor adalahsebesar 39.39 % untuk kolektor dengan pelatabsorber datar dan 41.76 % untuk kolektordengan pelat absorber bentuk-V. Pada debittinggi, efisiensi rata-rata harian kolektoradalah sebesar 40.05 % untuk kolektordengan pelat absorber datar dan 44.28 %untuk kolektor dengan pelat absorber bentuk-V. Hal ini menunjukkan bahwa efisiensikolektor surya dengan pelat absorber bentuk-V meningkat masing-masing sebesar 2.36 %pada debit 0.5 L/min dan 4.23 % pada debit2.0 L/min.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pelat absorber datar Pelat absorber bentuk-V

Debit : 0.5 L/min

Efi

sien

si (

%)

Data : 6 Agustus 2015

09:00

09:20

09:40

10:00

10:20

10:40

11:00

11:20

11:40

12:00

12:20

12:40

13:00

13:20

13:40

14:00

14:20

14:40

15:00

Waktu

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pelat absorber datar Pelat absorber bentuk-V

Debit : 2 L/min

Efi

sien

si (

%)

Data : 8 Agustus 2015

09:00

09:20

09:40

10:00

10:20

10:40

11:00

11:20

11:40

12:00

12:20

12:40

13:00

13:20

13:40

14:00

14:20

14:40

15:00

Waktu

Gambar 8. Efisiensi kolektor surya pemanasair dengan pelat absorber datar dan bentuk-V

Kesimpulan

Pengujian kolektor surya pemanas air denganpelat absorber datar dan bentuk-V telahdilakukan. Hasil pengujian menunjukkanbahwa performansi kolektor dengan pelatabsorber bentuk-V terhadap kolektor denganpelat absorber datar meningkat masing-masing sebesar 2.36 % pada debit 0.5 L/mindan 4.23 % pada debit 2.0 L/min. Masihtingginya temperatur pelat absorber bentuk-Vmemungkinkan untuk meningkatkan efisiensikolektor dengan peningkatan transfer panasdari pelat absorber ke air.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-35

Referensi

[1] ASHRAE, ASHRAE Handbook: HVACApplications, SI Edition, AmericanSociety of Heating, Refrigerating andAir-Conditioning Engineers, Inc., 1791Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA 30329,2011.

[2] S. A. Mumma, Over thirty years ofexperience with solar thermal waterheating, ASHRAE Transactions . Vol.117 Issue 1 (2011) 57-63.

[3] L.M. Ayompe, A. Duffy, Analysis of thethermal performance of a solar waterheating system with flat plate collectorsin a temperate climate, Applied ThermalEngineering 58 (2013) 447-454.

[4] A. Subiantoro, O. K. Tiow, Analyticalmodels for the computation andoptimization of single and double glazingflat plate solar collectors with normal andsmall air gap spacing, Applied Energy104 (2013) 392–399.

[5] F. Jafarkazemi, E. Ahmadifard, Energeticand exergetic evaluation of flat platesolar collectors, Renewable Energy 56(2013) 55-63.

[6] Y. Deng, Y. Zhao, W. Wang, Z. Quan, L.Wang, D. Yu, Experimental investigationof performance for the novel flat platesolar collector with micro-channel heatpipe array (MHPA-FPC), AppliedThermal Engineering 54 (2013) 440-449.

[7] K.K. Chong, K.G. Chay, K.H. Chin,Study of a solar water heater usingstationary V-trough collector, RenewableEnergy 39 (2012) 207-215.